面向鉆機卡盤的參數化設計與快速分析方法

王　亞　文治國

（1.東南大學 機械工程學院，南京 211189；2.連云港黃海勘探技術有限公司，連云港 222000）

面向鉆機卡盤的參數化設計與快速分析方法

王亞1文治國2

（1.東南大學 機械工程學院，南京 211189；2.連云港黃海勘探技術有限公司，連云港 222000）

本系統基于SolidWorks平臺，充分利用其模塊及開放性的編程接口，將卡盤重要計算過程與關鍵零件分析校核嵌入到軟件中，實現液壓卡盤產品的快速設計及分析。該方法大幅度提高了設計質量和效率，為企業新產品的快速設計及知識積累提供了可行高效的方案。

液壓卡盤 參數化設計 快速分析 二次開發

引言

巖心鉆機是地質勘探行業中的關鍵設備，主要用于金屬及非金屬固體礦產的普查與勘探。巖心鉆機的設計與制造對工程地質勘探行業具有重要影響。液壓卡盤是鉆機的一個獨立重要部件，其功用是夾緊機上鉆桿，向鉆桿傳遞轉矩和軸向力，驅動鉆具實現加減壓鉆進，懸吊和提動鉆具以及處理事故時的輔助動作。卡盤工作條件惡劣，必須承受最大的軸向載荷和回轉力矩，而且動作頻繁。因此，卡盤的性能直接影響鉆進的效率與質量[1]。

目前，鉆機制造企業和一些相關高校均在鉆機液壓卡盤的設計計算上進行了一些探索。例如，周亞軍對大碟簧卡瓦式自定心液壓卡盤的工作原理及參數設計進行了探討[2]；劉衛亮對液壓卡盤中不同齒面的卡瓦對鉆機鉆桿夾緊力的影響也進行了深入的探討[3]；魏靜應用SW/Simulation有限元分析模塊對制動閘碟形彈簧進行了受力分析[4]。這些企業在設計過程中，雖然采用了CAD軟件系統從事新品開發設計，但面對同類型液壓卡盤之間存在的結構相似零部件時，設計人員仍會出現重復性設計工作。另一方面，技術員工在設計過程中的經驗并不能及時進行共享，使企業呈現出零散性、無體系等缺點，從而過多地依賴技術員工的知識與經驗。

圖1　液壓卡盤參數化設計計算流程

現有的CAD軟件并不能充分滿足企業的需求，故需要將企業設計過程中使用到的工程制造技術與可執行知識工作任務的智能軟件系統相結合，開發一款針對巖心鉆機關鍵部件——動力頭液壓卡盤的參數化設計與計算工具，以有效幫助技術人員在設計過程中將思考方式體現在軟件系統中，從而大大提高液壓卡盤的設計效率。

1　卡盤主體結構參數化設計

液壓卡盤主要由油缸、卡瓦、圓螺母、卡圈等零件和標準件組成。由于液壓卡盤基本模塊都是比較固定的零部件，可以在三維建模過程中通過參數設置和零部件裝配關系來約束模型的結構尺寸。在進行液壓卡盤參數化計算過程中，主要包括基本參數的確定，斜面增力機構的設計，卡瓦類型的選擇以及碟形彈簧、液壓缸等主要零件的設計與選取。通過上述幾步的計算，得出需求參數與最終碟形彈簧受力校核時的影響關系，并利用這個計算關系對卡盤設計進行修正，得到最終的卡盤模型，基本流程如圖1所示。

1.1基本參數確定

基本參數的確定主要是給出具體工況（最大上頂力、最大加壓給進力和回轉器低速輸出轉矩）后，通過需求參數算出卡盤承受的最大載荷Pmax和卡瓦對鉆桿等效夾緊力Q。最大載荷Pmax為正常鉆進和強力起拔兩種工況中的較大值，而卡瓦對鉆桿的夾緊力Q的計算公式為：

其中μ0是卡瓦與鉆桿間的摩擦系數，由卡瓦齒的類型決定。

1.2斜面增力機構設計

斜面增力機構主要用來將力增大，并從動力裝置傳給夾緊元件，使夾緊元件加緊鉆桿，實現鉆進或起拔，如圖2所示。

圖2　斜面增力機構示意圖

為計算總軸向力F與等效加緊力Q之間的關系，對圖2所示的斜面增力機構建立力平衡方程式。

對卡圈：

對卡瓦：

其中，Fi為碟形彈簧對單個卡瓦的彈力分力，Fi=F/Z；Qi為單個卡瓦對鉆桿的夾緊力，Qi=Q/Z；T為卡瓦座對卡瓦的支撐力；N為卡圈與卡瓦間的正壓力；f1為卡圈與卡瓦間的摩擦力，f1=μ1N；F2為卡瓦與卡瓦座間的摩擦力，f2=μ2N；R為支撐套對卡圈的支持力。

對上述的方程組進行聯立，可得碟形彈簧對整組卡瓦的彈力分力為：

μ1、μ2分別為卡圈與卡瓦間摩擦系數和卡瓦與卡瓦座間摩擦系數。斜面增力機構設計中，卡瓦斜面角是主要設計參數。由式（6）可以看出，角的減小會使卡盤所需的彈簧彈力減小，但會使卡圈的縱向行程加大。考慮到加緊機構的自鎖性能，角又不可過小。通常，在取值范圍間，建議取大值。

1.3碟形彈簧的選擇與校核

因碟形彈簧具有剛度大、可組合的特點，故常用于載荷作用距離有限、需提供的負載較大的場合，如較多應用于常閉式液壓卡盤中。碟形彈簧的設計與計算主要是根據載荷、變形量設計要求、導桿直徑（內導向）及導套直徑（外導向）進行計算。

（1）根據已知的碟形彈簧所需的載荷F、夾緊鉆桿時的總變形量fz與卡盤結構對碟簧內、外徑的限制，對碟形彈簧的型號與組合形式進行選擇；

（2）算出碟形彈簧壓平時的載荷Fc，根據算出的夾緊鉆桿所需的彈簧彈力與壓平碟簧時的彈力載荷比F/Fc，查閱國標獲得夾緊鉆桿時的碟簧變形量f；

（3）由夾緊鉆桿時碟簧總變形量fz和單片碟簧變形量f，求得液壓卡盤所需的碟簧片數。為限制碟簧在壓縮過程中超過最大變形量，在對合碟簧間加入墊片。

碟形彈簧是液壓卡盤設計的關鍵，在設計和制造過程上都不能出現問題，否則液壓卡盤不可靠將會嚴重影響鉆機的正常工作。為驗證碟簧在承受最大載荷時不失效，應使其通過中性徑應力σOM的校驗：

其中，E為材料的彈性模量，μ為泊松比，t為彈簧厚度，K1、K4分別為計算系數，根據碟形彈簧國標計算公式可查。

2　SW Simulation模塊的二次開發

SolidWorks Simulation模塊是基于有限元方法的設計分析軟件。通過預測不同工況下零部件的應力應變情況，工程師可以在零部件加工前對其進行優化設計。Simulation同樣對用戶開放了二次開發的接口，用戶可以利用自己熟知的編程語言對Simulation模塊進行二次開發，從而設計出專有的自動分析算例。

Simulation模塊二次開發過程中，主要難點為對非特征面（SW生成的面）的自動選取。SolidWorks官方幫助文檔給出的方法是通過大量的位置坐標來定位特殊面。開發人員也可通過鼠標選中，然后獲取SelectionManager的信息來獲取選中的面。顯然，上述方法均不適合自動選取、快速分析的需求。本文提出利用“面屬性”的方法來選取特殊面：一般在對關鍵零件進行分析的過程中，受力與束縛條件已經確定，工程師只需在SolidWorks中對特殊面的“面屬性”進行命名。當需要選取特殊面時，只需對零件Body對象（SolidWorks中用于描述幾何數據的對象）的面進行遍歷，通過面名即可獲得特殊面。

本文對SolidWorks Simulation模塊進行二次開發，提出了一種面向關鍵零件進行快速分析的方法，其開發流程如圖3所示。

（1）在裝配體文檔中打開所要分析的零件，創建一個新的Simulation分析實例，對所要分析的零件指定材料；

（2）操作零件的Body對象，對零件體對象包含的所有的面進行遍歷；

（3）根據“面屬性”找到建模過程指定的受力面與約束面；

（4）對約束面進行相應約束，對受力面施加載荷；

（5）對模型進行網格劃分；

（6）執行分析算例，得到零件此時的受力分析結果。

圖3　零件快速分析流程

3　系統實現與實例驗證

本文應用VB.net語言，在三維建模軟件SolidWorks上進行二次開發，實現了鉆機液壓卡盤的參數化設計與計算，并在企業某型號鉆機動力頭液壓卡盤的設計過程中得以應用。具體應用流程為：

（1）在SolidWorks軟件中，以建好的卡盤模型作為基礎，用方程式驅動尺寸信息。

（2）將已知的需求參數輸入到系統中，得出所需的碟簧力，并選擇合適的碟簧型號，如圖4所示。

（3）對選定的碟簧使用一鍵校核功能模塊進行驗證，如圖5、圖6所示。

（4）模型符合要求后，將模型與相關的文檔導入企業的產品信息管理系統中。

圖4 液壓卡盤參數化計算模塊

圖5為碟簧分析校核前的條件設置界面。完成碟簧材料、網格等屬性的設置后，點擊“碟簧一鍵分析”，得到碟簧應力分析的結果，如圖6所示。

圖5　碟簧一鍵分析結果

圖6　碟簧應力分析的結果

根據國標規定，對于材料為60Si2MnA的碟簧，屈服極限。先用參數化計算模塊對液壓卡盤基礎模型進行計算驗證，根據公式（7）計算出來的超過了1600MPa。現為保證碟簧不失效，應在對合碟簧間加入墊片，以避免碟簧被壓平。也可通過公式（7）反求碟簧形變量，從而確定墊片的厚度。具體計算數據如表1所示。

表1　某液壓卡盤碟簧驗證與優化

4　結論

本文在對液壓卡盤參數化設計計算相關公式進行總結后，用VB.net對SolidWorks進行二次開發，設計了一款針對鉆機液壓卡盤的計算系統，并綜合使用SolidWorks Simulation模塊，對卡盤碟簧進行快速分析，驗證參數化計算結果，提高了工程師的設計效率。

與專業CAE軟件相比，Simulation模塊在細節設置方面仍有一定的差距。比如，網格劃分的類型、接觸類型等問題，結果誤差也會差一些。但就工程問題來講，一般情況下安全系數取值較大，對分析仿真上的細節問題并不做過高要求，Simulation的分析結果足以滿足要求。此外，Solidworks Simulation模塊與Solidworks兼容性好，學習使用簡單，一般的工程技術人員 就可對產品進行簡單分析，并快速得到相應的計算、分析結果。

[1]馮德強.鉆機設計[M].北京：中國地質大學出版社，1993.

[2]周亞軍.液壓卡盤的工作原理及主要參數[J].地質裝備，2011，（1）：17-18.

[3]劉衛亮.不同齒面卡瓦對鉆機夾緊力的影響探討[J].礦業安全與環保，2007，（1）：81-83.

[4]魏靜.基于SW/Simulation制動閘碟形彈簧的受力分析[J].煤礦現代化，2013，（4）：90-91.

Research on Parametric Design and Rapid Analysis Method of Drilling Rig Chuck

WANG Ya1,WEN Zhiguo2
（1.School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189;2.Lia nyungang Huanghai Exploration Technology Co., Ltd,Lianyungang 222000）

For the re alization of the previous de sign experience and knowledge of the i nheritance and reuse, a parametric design and calculation method is introduced in hydraulic drill chuck design. After the completion of the design calculations were rapid s tress analys is. The system is bas ed on SolidWorks platform, which makes full us e of the m odule and open programming interfaces. Chuck’s si gnificant calculation process and stress analysis of key parts is embedded into the software, which realiz e the rapid des ign and analys is of hydraulic chuck products. The method greatly improves design quality and efficiency, and provides the efficient and feas ible method for relevant enterprises to design new product rapidly and accumulate knowledge as well as experience.

hydraulic chuck,parametric design,rapid analysis,secondary development

江蘇省科技成果轉化項目（BA2013092，BA2014114）。