坑道鉆機(jī)新型液壓卡盤(pán)的設(shè)計(jì)

寧章磊 郭亭亭

摘 要：介紹了一種新型液壓卡盤(pán)，簡(jiǎn)述了該卡盤(pán)的結(jié)構(gòu)組成、主要參數(shù)的確定、相關(guān)原理。

關(guān)鍵詞：液壓卡盤(pán)；結(jié)構(gòu)原理；參數(shù)確定

1 定義

鉆機(jī)的軸向力和扭矩是其正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的重要?jiǎng)恿Γ瑸殂@機(jī)的動(dòng)力傳遞提供基礎(chǔ)支持的則是鉆桿，同時(shí)鉆桿也負(fù)責(zé)為鉆機(jī)施加鉆研、起下鉆頭、在鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)輸送鉆井液等等。而卡盤(pán)作為整體鉆機(jī)結(jié)構(gòu)中的主要部件，其為鉆桿提供了支撐與加固的作用，提高了鉆桿工作效率，同時(shí)通過(guò)為鉆具施加回轉(zhuǎn)等動(dòng)力實(shí)現(xiàn)了加減壓鉆進(jìn)和懸吊等工作。在幾類特殊的全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)中，卡盤(pán)還實(shí)現(xiàn)了機(jī)械擰卸鉆桿和升降鉆具。

在目前國(guó)內(nèi)的鉆機(jī)研究與研究開(kāi)放領(lǐng)域，主要使用的液壓卡盤(pán)大體有兩種，一種為碟簧加緊液壓松開(kāi)的常閉式卡盤(pán)，一種是液壓夾緊彈簧松開(kāi)的長(zhǎng)開(kāi)式卡盤(pán)（膠囊卡盤(pán)）。碟簧加緊液壓松開(kāi)的常閉式卡盤(pán)雖安全性高反應(yīng)靈敏，但現(xiàn)多采用三瓣式卡瓦，對(duì)于新型非圓鉆桿（如三棱鉆桿，肋骨鉆桿等）不能實(shí)現(xiàn)加緊，限制力其使用范圍；而液壓夾緊彈簧松開(kāi)的長(zhǎng)開(kāi)式卡盤(pán)（膠囊卡盤(pán)）雖可加持各種鉆桿，但受其卡盤(pán)結(jié)構(gòu)中配油套的加工精度高，其制造成本較高。本文所述卡盤(pán)由活塞、液壓缸、蝶形彈簧、卡瓦（四瓣）、圓柱彈簧等組成碟簧加緊液壓松開(kāi)的常閉式卡盤(pán)，制造加工精度要求不高，成本低，安全性可靠，動(dòng)作迅速，可加持各種異形鉆具，與鉆桿接觸面積大，保護(hù)鉆桿。

2 結(jié)構(gòu)原理

本文所述卡盤(pán)由活塞、液壓缸、蝶形彈簧、卡瓦（四瓣，見(jiàn)圖2）、圓柱彈簧等組成，見(jiàn)圖1。

蝶形彈簧裝在彈簧座內(nèi)，其中一端與活塞相接處，在日常的運(yùn)行過(guò)程中保持著前后移動(dòng)，另一端則進(jìn)行固定。卡盤(pán)在處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)保持著壓緊狀態(tài)，而當(dāng)壓力油經(jīng)序12進(jìn)出油口進(jìn)入壓力油時(shí)，碟簧受到活塞左移的壓縮，卡瓦則向外移動(dòng)，這主要是受到了序20彈簧的作用下，同時(shí)松開(kāi)鉆桿；當(dāng)油液通過(guò)序12進(jìn)出油口回油時(shí)，活塞在碟簧壓縮力的推動(dòng)下右移，使卡瓦向中心移動(dòng)，從而加緊鉆桿。

3 基本參數(shù)確定

鉆機(jī)在日常運(yùn)轉(zhuǎn)中進(jìn)行的正常鉆進(jìn)以及非正常工況中使用的強(qiáng)力拔起會(huì)產(chǎn)生不同的載荷，其中的最大值則用來(lái)確定卡盤(pán)的承載力。

3.1 最大工作載荷 Pmax

如在強(qiáng)力起拔工礦下，卡盤(pán)負(fù)荷： Pb=α·Psmax 。式中：α-系數(shù)，α =1.25～1.6；Psmax-給進(jìn)最大起拔力。正常鉆進(jìn)工況下 ，卡盤(pán)既要承受給進(jìn)力，又要承受扭矩產(chǎn)生的圓周力，卡盤(pán)負(fù)荷為一合力： Pg=α·。式中：α-同上；Pz-作用于鉆桿上的軸向力，一般取最大加（減）壓給進(jìn)力；Py-作用于鉆桿上的圓周力，Py=2Mn/d，其中Mn為回轉(zhuǎn)器的工作扭矩，一般取回轉(zhuǎn)器的最大輸出扭矩，d為鉆桿直徑。將所求得的2個(gè)載荷Pb、Pg進(jìn)行比較，取最大者作為最大工作載荷Pmax，即： Pmax=max{Pb，Pg } 。

3.2等效夾緊力Q

卡盤(pán)承受最大載荷Pmax所必需的夾緊力則稱之為等效夾緊力，表示為： Q=Pmax / f 。該公式中：f-卡瓦與鉆桿間的摩擦系數(shù)，齒瓦取f=0.3～0.5。卡盤(pán)在日常運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)一系列突發(fā)情況，為保證卡盤(pán)工作可靠，應(yīng)對(duì)突發(fā)的事故，在計(jì)算結(jié)果中還應(yīng)引入安全儲(chǔ)備系數(shù)n，一般n=1.2～1.8，則： Qn=n·Q。卡盤(pán)的夾持范圍用卡瓦的徑向移動(dòng)量Δr表示，其數(shù)值根據(jù)所用鉆桿的規(guī)格及卡瓦的類型而定，一般取Δr=1～2mm。卡瓦與推動(dòng)套、活塞的受力系統(tǒng)采用斜面增力機(jī)構(gòu)。在總體的參數(shù)設(shè)置中，對(duì)卡瓦斜面角α的設(shè)置是最主要的工作。在卡盤(pán)的夾持能力，夾持范圍等基本參數(shù)為確定值的情況下，可以通過(guò)減小α角的方法來(lái)有效的減小所需的彈簧力，提升鉆機(jī)的整體運(yùn)作效率，但這種方法會(huì)增加推動(dòng)套及活塞的移動(dòng)量，導(dǎo)致卡盤(pán)軸向尺寸加大。綜合各種因素，本文所述卡瓦斜面角取 α=15°。鉆機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，卡瓦與鉆桿的咬合過(guò)程中的短暫打滑是難以避免的損耗，當(dāng)卡瓦與鉆桿的咬合面積達(dá)到一定值時(shí)，卡瓦齒則會(huì)抱緊鉆桿。在這個(gè)過(guò)程中卡瓦齒會(huì)不斷咬入鉆桿，卡瓦與鉆桿在接觸位置接觸應(yīng)力不斷增大，最終會(huì)導(dǎo)致卡瓦齒磨損破壞。卡瓦齒與鉆桿的摩擦力為： F=fqS 。式中 q-卡瓦與鉆桿間的接觸應(yīng)力；S-卡瓦與鉆桿間的咬合面積。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)卡瓦與鉆桿的接觸面積S越大時(shí)，卡瓦與鉆桿間的摩擦力F越大，從而卡瓦與鉆桿間的接觸越不易打滑。四瓣均布的卡瓦使鉆桿受力均勻，不易損傷鉆桿。鉆機(jī)加工完成后，在公司的ST9-10000試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了調(diào)試和加載試驗(yàn)，之后在山西多個(gè)礦進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗(yàn)。試驗(yàn)表明卡盤(pán)的工作狀態(tài)良好，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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作者簡(jiǎn)介：寧章磊（1987-），河北邯鄲人，本科，助理工程師，主任工程師，從事煤礦用鉆機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)工作。