鉆桿松扣器的研制

路前海 董萌萌 鄢忠方

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

整體式寬葉片螺旋鉆桿在很大程度上提高了松軟突出煤層瓦斯抽采鉆孔的深度，解決了松軟突出煤層瓦斯抽采難的問題。中煤科工集團西安研究院有限公司研制的整體式寬翼片具有強度高、質量穩定可靠等特點，目前已經在淮南、晉城等礦區得到廣泛應用，現場應用效果較好。經過多年的市場培育，整體式螺旋鉆桿需求量急劇增加，但由于現有生產效率偏低，供需矛盾愈發突出，為了提高生產效率，同時響應國家智能制造2025計劃，中煤科工集團西安研究院有限公司又聯合研制出新一代數控螺旋槽銑床，實現整體式螺旋鉆桿上下料、擰卸鉆桿以及銑螺旋全過程的自動化。

整體式螺旋鉆桿在銑螺旋加工之前，需將每根鉆桿連接起來并進行預緊，在保證鉆桿加工連續性的同時提高了生產效率，預緊后還可以提高連接強度，避免在銑削螺旋槽時出現讓刀、打刀現象。銑削螺旋槽時鉆桿又受到復雜的彎扭復合作用力，增加了鉆桿卸扣難度。預緊力和加工時的彎扭復合作用力共同作用，造成鉆桿卸扣異常困難。

實現螺旋鉆桿銑螺旋全過程自動化的難點在于實現鉆桿的加桿、卸桿作業自動化。加桿要求快速擰緊鉆桿后還需進行預緊作業，卸桿要求松扣扭矩大。根據加桿和卸桿作業的特點對自動擰卸步驟進行分解，確定加桿作業步驟為上扣和預緊，卸桿作業步驟為松扣和卸扣。預緊和松扣需要大扭矩，上扣和卸扣需要速度快。加桿與卸桿過程恰好相反，區別在于松扣的扭矩遠遠大于預緊扭矩，由于加桿裝置與卸桿裝置原理相同，因此只需設計一種裝置即可。卸桿裝置包括松扣器與卸扣器，兩者相互配合進行快速卸桿。鉆桿松扣器主要負責將鉆柱上已加工完成的螺旋鉆桿進行松扣，具有強大的卸扣能力。鉆桿卸扣器主要用于快速卸鉆桿作業，確保被松扣后的螺旋鉆桿能快速被擰卸，本文主要闡述鉆桿松扣器的研制。

1 鉆桿松扣器整體結構

鉆桿松扣器主要由機架、前夾緊裝置、后夾緊裝置和卸扣裝置這四大部分組成。鉆桿進行松扣時，需要前夾緊裝置和后夾緊裝置進行協調配合完成松扣動作，其中前夾緊裝置主要負責夾緊前端螺旋鉆桿，確保在松扣時前端螺旋夾緊穩固牢靠，不發生轉動；后夾緊裝置主要負責為松扣動作提供動力，在松扣時一方面要求后端螺旋鉆桿被牢牢夾住，不發生相對滑動，另一方面要求松扣油提供充足的卸載力， 確保鉆桿被擰開，實現鉆桿松扣。經過前夾緊裝置和后夾緊裝置協同作業，完成鉆桿松扣動作。鉆桿松扣器整體結構如圖1所示。

1-機架；2-后夾支撐板；3-后夾下夾緊支座；4-后夾下卡瓦；5-后夾上卡瓦；6-后夾上夾緊支座；7-后鉆桿；8-前夾下夾緊支座；9-前夾下卡瓦；10-前夾上夾緊支座；11-前夾夾緊油缸；12-前夾上卡瓦；13-前夾支撐板；14-前鉆桿；15-銷軸；16-后夾夾緊油缸；17-油缸座；18 -松扣傳扭支架；19-后夾松扣油缸；20-松扣油缸座圖1 鉆桿松扣器整體結構

前夾緊裝置主要由支撐板、上夾緊支座、下夾緊支座、上卡瓦、下卡瓦、夾緊油缸組成，支撐板下端與機架緊固連接，中間與上、下夾緊支座通過銷軸連接，上、下支座相對支撐架的銷軸孔進行自由轉動；上、下支座一端與上、下卡瓦緊固連接，另一端與夾緊油缸相連，當夾緊油缸伸張時，通過上、下支座將夾緊力傳遞到上、下卡瓦上，夾緊鉆桿。

后夾緊裝置與前夾緊裝置結構基本相似，不同在于后夾緊裝置直接和松扣裝置相連接。后夾緊裝置上夾緊支座、下夾緊支座通過銷軸與松扣傳扭支架相連，松扣傳扭支架可在支撐架上沿鉆桿軸線旋轉，其端部與松扣油缸相連，可將松扣力矩通過夾緊支座和卡瓦傳遞到后鉆桿上，進行松扣作業。

2 松扣油缸與夾緊油缸的選型

2.1 松扣油缸的選型計算

螺旋鉆桿在銑削加工之前，需將每根鉆桿進行螺紋連接，組合成一條長鉆柱，實現螺旋鉆桿的連續銑削加工。在銑削時，根據螺旋槽的特點及生產設備情況，確定螺旋槽加工工藝為一次加工成型，該工藝特點為銑刀吃刀深，銑削加工量大。銑刀和鉆桿之間產生較大的切削力，容易造成兩根鉆桿接頭處發生彎曲變形，影響加工質量，嚴重時甚至會出現打刀現象。為了避免這一現象的發生，需在鉆桿連接時施加預緊力擰緊，提高鉆桿接頭處的剛度。鉆桿擰緊時，預緊扭矩最大為1000 N·m，在松扣時，需要施加的扭矩需大于擰緊預緊扭矩，以保證兩根鉆桿松開，相關計算見式(1)和式(2)：

Qs=kQy

(1)

式中:Qs——松扣時需要的最大扭矩，N·m；

k——安全系數，取值1.5；

Qy——預緊擰緊時最大扭矩，N·m。

FsLs=Qs

(2)

式中:Fs——松扣油缸施加的力，N；

Ls——松扣油缸軸線與鉆桿軸線之間的垂直距離，m。

預計最大扭矩Qy為1000 N·m，Ls為0.4 m，根據計算可知，松扣油缸最大推力Fs至少為3750 N,根據載荷大小和系統壓力來計算液壓缸內徑見式(3)：

(3)

式中:D——液壓缸內徑，m；

Fs——松扣油缸最大推力，kN；

P——選定工作壓力，MPa。

系統工作壓力選用4 MPa，經過計算，松扣液壓缸內徑至少為34.6 mm，經查設計手冊，選用松扣油缸的型號為HSGL01-40/25X480-E2501，該液壓缸最大推力為5 kN。

2.2 夾緊油缸選型計算

分析夾緊機構的組成并進行受力分析，計算出夾緊油缸最大推力。由于上、下夾緊支座的尺寸、規格、位置均相同，且在鉆桿兩側均勻分布，所以只需分析一側的夾緊支座即可。本文以上夾緊支座為例進行了受力分析，上夾緊支座受力分析如圖2所示。

圖2 上夾緊支座受力分析

鉆桿夾緊后，夾緊支座和鉆桿之間處于相對靜止狀態，滿足動力平衡條件，即所有的力矩之和為零，所有的合力為零。力矩計算見式(4)：

(4)

(Fhsinθ-f=0，Fhcosθ-F2-FT=0)

式中：FT——夾緊油缸施加的夾緊力，N；

Fh——支撐板通過銷軸對夾緊支座的支撐力，N；

FZ——鉆桿對夾緊支座的反作用力，N；

L1、L2、L3——分別為每個力對應的力矩距離。

對鉆桿進行受力分析，計算見式(5)和式(6)：

2fR=Qy

(5)

式中：f——鉆桿受到的摩擦力，N；

R——鉆桿半徑，m，

Qy——松扣鉆桿最大扭矩，N·m。

(6)

u——動摩擦系數，取值0.3。

(7)

式中:D——液壓缸內徑，m；

Fs——松扣油缸最大推力，kN；

P——選定工作壓力，MPa；

系統工作壓力選用6.3 MPa，經過計算，松扣液壓缸內徑為39.6 mm，經查設計手冊，選用松扣油缸的型號為HSGL01-40/25X320-E2501，該液壓缸最大推力為7.9 kN。

3 液壓控制系統設計

為了保證松扣作業的順利進行，避免鉆桿表面被損傷，液壓回路對鉆桿松扣器的要求為：一是松扣油缸的伸桿和縮桿動作在先，夾緊油缸的伸桿和縮桿動作在后；二是夾緊油缸要求慢進快回，以提高生產效率。根據鉆桿松扣器的各項要求，設計的液壓控制系統如圖3所示。

1-油箱；2-過濾器；3-安全閥；4-定量泵；5-單向閥；6-兩位四通電磁閥；7-單向順序閥(進油)；8-松扣油缸；9-單向順序閥(回油)；10-單向減壓閥；11-前夾緊油缸；12-后夾緊油缸圖3 液壓控制系統

液壓控制系統主要由定量泵、兩位四通電磁閥、單向順序閥、單向減壓閥、安全閥、夾緊油缸和松扣油缸組成。其中兩位四通電磁閥主要完成松扣作業的動作控制，在松扣油缸進出油路上分別設有單向順序閥，保證松扣油缸的伸縮動作在先和夾緊油缸的伸縮動作在后，在夾緊油缸進油口上設有單向減壓閥，當夾緊油缸進油伸桿時，可將進油油壓降低到設定值，避免因夾持力過大造成鉆桿表面被夾傷，當夾緊油缸回油縮桿時，夾緊油缸注入主系統高壓油，回油經過單向減壓閥內的單向閥直接進入油箱，無負載，可以實現夾緊油缸快速退回。

松扣動作步驟為：前夾緊裝置、后夾緊裝置同時對鉆桿進行夾緊作業，待完成夾緊作業后，油路系統壓力開始上升，當達到設定壓力值時，松扣油缸開始注油、油桿伸出進行松扣，當松扣油缸伸張到最大位置時，松扣作業完成，前夾緊油缸、后夾緊油缸先松開，直到完全松開后松扣油缸再開始松開，完成一次松扣動作。

4 結語

本文設計的鉆桿松扣器在卸扣時能夠實現鉆桿松扣作業的自動化，相反，在擰扣時能對鉆桿進行預緊，確保每根鉆桿擰緊到位和可靠連接。配合卸扣器可以實現鉆桿卸扣過程的全自動化，進而實現數控螺旋鉆桿銑削加工螺旋槽過程和擰卸鉆桿的全自動化。鉆桿松扣器不僅提高了鉆桿銑削螺旋槽的加工效率，而且降低了操作人員的勞動強度。