ZKY—1200遠控鉆機用雙夾持器的設計與分析

摘要：介紹了一種雙夾持器。該型夾持器可實現自動上、下鉆桿，為鉆機遠距離控制實現空口無人操縱奠定基礎。分析其結構及原理，并對其進行運動學和力學分析，為該型夾持器的設計提供了理論基礎。

關鍵詞：雙夾持器 遠控鉆機 夾緊力

目前，普通煤礦用坑道鉆機多采用單夾持器。在突出煤層中施工鉆孔中，夾持器主要用于配合動力頭完成加接或拆卸鉆桿，同時夾持孔內鉆桿，防止鉆桿及鉆具滑移。采用單夾持器只能依靠人工上、下鉆桿，使得操作麻煩且加大了工人的勞動強度。ZKY-1200遠控鉆機用雙夾持器的主要功能為可實現自動上、下鉆桿，為鉆機遠距離控制實現空口無人操縱奠定基礎，并對改善礦井安全狀況具有重要意義。

1 結構及原理

ZKY-1200遠控鉆機是一種通過利用現代信息技術和自動控制技術，基于PLC控制的自動裝卸鉆桿用遠距離控制鉆機。雙夾持器為該型遠控鉆機的關鍵部分。

雙夾持器主要有前夾持器和后夾持器組成，如圖1示。

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1.前夾持器 2.后夾持器

圖1 雙夾持器

其中，前夾持器主要由夾緊油缸、上夾臂、下夾臂、擺動套及擺動油缸組成，如圖2示；后夾持器主要由夾緊油缸、上夾臂等下夾臂組成，如圖3示。

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1.夾緊油缸2.上夾臂3.下夾臂4.擺動套5.擺動油缸6.固定座

圖2 前夾持器

1.夾緊油缸2.上夾臂3.下夾臂4.安裝座

圖3 后夾持器

前、后夾持器分別通過各自的固定座安裝于機架上。在拆卸鉆桿時，前、后夾持器分別夾住前后鉆桿的鉆桿接頭兩端，后夾持器固定不動，同時擺動油缸推動前夾持器體的擺動套擺動一定角度，擰松螺紋。

2 運動及力學模型

上、下夾臂未夾緊鉆桿時，機構中活動構件數目為4個，低副5個，高副0個。故夾緊機構的自由度為：F=3×4-2×5=2。

此時其運動不確定，需兩個運動參數運動方確定。在擺動油缸推力的作用下整個機構將會轉動，增加兩個運動條件，運動確定（如圖4所示）。

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圖4 夾緊機構簡圖

因上鉗臂受力簡單，僅受油缸推力和夾緊力的反力，故利用銷軸處的力矩平衡關系即可求出夾緊力。

由圖解法知：夾緊油缸所產生推力對上鉗臂轉動點的力臂l1為231.5mm，l2為264.8mm。如下圖5所示。

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圖5 夾緊機構力臂分析簡圖

又夾緊油缸活塞直徑d1=63mm，活塞桿直徑為d2=45mm。

對夾緊機構進行受力分析，可得：

tanα=■L1=（60-？駐l）·cosαL2=（60+？駐l）·cosαL2-L1=61·cosα

F0·l1=N·L1F0·l2=N·L2

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圖6 夾緊機構分析簡圖

求解，可得：

？駐l=3.71 α=6.935°

L1=（60-？駐l）·cosα=56.29x0.9927=55.88

L2=（60+？駐l）·cosα=63.71x0.9927=63.24

故可得夾緊力為：

N=F0■

其中：N為夾緊力，F0為夾緊油缸推力。

由工作時夾緊油缸工作壓力P1=15MPa，背壓為 Pb=2Mpa，推力F0=43705N，所以夾緊力：

N=P1·π（■）2-Pb·π■2-■2·■=1.560x

105（N）。由夾緊油缸推力F0及夾緊力N，可求得上、下臂轉動點處支反力大小均為194961.6N，上臂所受力方向為豎直向下，下臂所受力方向為豎直向上。

3 最小夾緊力的確定

雙夾持器通過夾緊油缸夾緊鉆桿，其夾緊力必須滿足：在夾緊鉆桿后，無論上、下鉆桿，夾持器卡瓦與鉆桿之間不能出現打滑現象。

鉆桿與鉆桿或動力頭之間通過螺紋進行聯接。在上、下鉆桿過程中，外力矩主要來自兩個方面：一是擺動油缸對鉆桿所施加的扭矩；二是動力頭對鉆桿所施加的扭矩。在外力矩作用下，鉆桿與鉆桿或動力頭之間將產生反作用力矩，當此反作用力矩大于夾持器與鉆桿之間的靜摩擦力矩時，夾持器與鉆桿之間就會出現打滑現象。

在外力矩的作用下，螺紋副之間的相對運動可看作是滑塊在水平外力F的作用下沿斜面的滑動，如圖7示。斜面的傾角為α，它等于螺紋的升角。外力F等于外力矩T與螺紋中徑的比值，即F=T/■。力F可分解成一個平行于斜面的力Ft=F·cosα和一個垂直于斜面的力Fn=F·sinα，力Ft使滑塊沿斜面移動，力Fn使滑塊與斜面之間產生滑動摩擦力Ff=Fn·f，f為摩擦系數。由力作用的相互性可知，斜面將受到法向力Fn與摩擦力Ff的作用，此二力的合力Fe=Ff·cosα+Fn·sinα，將在鉆桿與鉆桿或動力頭之間產生反作用力矩Te=Fe·■。

可得，反作用力矩與外力矩的關系為Te=T·（f·sinα·cosα+sin2α）。

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圖7 滑塊上滑受力分析

由擺動油缸活塞直徑為63mm，活塞桿直徑為45mm，額定工作壓力16MPa，對鉆桿中心的轉動力臂為283mm，產生的力矩為Tb=1.4114625x107N·mm。

動力頭產生的扭矩為Td=1200N·m=1.2x106N·mm。在驗算最小夾持器的最小夾緊力時，取外力矩T=Tb=

1.4114625x107N·mm。

通過上述分析，可得夾緊鉆桿所需的最小夾緊力的計算公式：

Nmin=■

其中，d為鉆桿直徑。

表1 鉆桿參數

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由表1中鉆桿參數，可得：

最小夾緊力Nmin=14806（N），需的最小油壓為3MPa。

4 結論

通過分析雙夾持器的結構與原理，建立其運動與力學模型，并結合ZKY-1200雙夾持器的技術參數，分析其受力并確定最小夾緊力。其計算結果為該型雙夾持器的設計和性能分析提供了可靠依據。

參考文獻：

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基金項目：國家科技重大專項課題，2011ZX05041-002。

作者簡介：趙學科（1985-），男，河南南陽人，助理工程師，碩士研究生，現從事煤礦用全液壓鉆機研發工作。