復合式液壓動力頭的設計研究

張廣闊

摘要：復合式液壓動力頭設計，必須掌握動力頭當前應用情況，結合傳統動力頭形式以及使用特點，積極應用到復合式液壓動力頭設計研究中，由此達到提高改善動力頭不足，提高動力頭使用效率的目的。

關鍵詞：動力頭;減速器;卡盤式;主動鉆桿式

0? 引言

復合式液壓動力頭設計，是對全液壓動力頭的升級與優化。動力頭在很多行業均有涉及，例交通運輸業、建筑施工行業以及煤礦開采行業等。動力頭是鉆機的關鍵組成，直接關系到鉆機正常工作，鉆進的速度與效率，同時還影響到鉆機的使用壽命。動力頭設計中，復合液壓設計，是科學調整機械能與液壓能，增加鉆進動力，很好的打破阻力限制，通過介質通道為載體，確保鉆機安全運行，提高鉆進效率。當前復合液壓動力頭設計還在不斷創新，必須結合實際情況進一步調整，由此得到更適合的動力頭。

1? 動力頭應用與設計現狀剖析

動力頭的應用需要依附于鉆機，鉆機應用范圍廣，選擇適當的動力頭，提升鉆機鉆進速度，否則鉆進效率下降，鉆機運行受阻，甚至還會損壞鉆機結構，縮短鉆機應用壽命。由此可以發現，動力頭對鉆機至關重要。當前動力頭主要包括兩種形式，一種為液壓卡盤式，另一種為主動鉆桿式。

其中卡盤式，主要通過旋轉配有套，在液壓作用下將油供輸至動力頭卡盤位置，隨后鉆桿被卡盤夾住，這樣一來在摩擦力作用下鉆桿之間荷載相互傳遞，從而實現鉆桿鉆進運行。液壓卡盤式動力頭在實際應用中，在裝拆方面效率比較高，并且整體的結構簡單，不需要復雜的操作等，這些都是重要優勢。但是在實際應用中存在一些不足，雖然能夠自動供油，泄漏問題嚴重，加上本身的單位直徑影響，扭矩比較小，所以鉆進力度不足，使用壽命短，不適合大孔徑鉆削操作[1]。而主動鉆桿式，其應用原理主要根據鉆桿螺紋完成鉆進操作。結構簡單，相較于卡盤式，其扭矩比較大，鉆進速度快，適用于任何類型的鉆進操作。但是實際應用中，因為需要通過雙夾持器才能完成拆卸，所以增加了拆卸時間。加上鉆機結構相對來講比較復雜，占用空間大，鉆桿主要通過人工進行拆卸，相對來講比較繁瑣。而復合式液壓動力頭的設計，主要是將這兩種形式綜合，科學規避不足，充分發揮動力頭優勢[2]。

2? 復合式液壓動力頭的設計

2.1 承載載荷研究設計

對于復合式液壓動力頭設計，必須掌握動力頭使用期間的載荷傳遞方式，這樣才能更好的進行設計。動力頭載荷傳遞，包括螺紋連接載荷與卡盤夾持載荷。其中螺紋連接載荷形式主要涉及到減速器，以其為載體及時傳遞載荷到鉆機的主軸，在載荷作用下完成鉆桿連接。卡盤夾持載荷同樣經過鉆機主軸，但是傳遞方向為卡盤，載荷傳遞的主要動力為摩擦力。載荷傳遞兩種形式前期均為液壓能、馬達液壓、減速器、主軸、配油套。從主軸位置劃分兩種傳遞途徑[3]。

動力頭載荷研究分析過程中，從傳遞角度出發，主軸以及鉆桿等是關鍵承載點，承載力最小位置為額定扭矩位置。掌握這些情況后，準確對主軸承載扭矩進行計算，為復合式液壓動力頭設計奠定基礎。其中涉及到主軸轉動慣性模量，為IP;危險斷面半徑，為R;材料剪切應力，為τ。具體計算公式如下：T=IPRτ。

隨后進行承載載荷計算，主要針對鉆桿，動力頭載荷計算期間，以剛性連接載荷為主，期間還要注意聯接副強度，避免受到結構影響載荷計算準確性[4]。保證鉆桿結構準確性，結合載荷傳遞的具體特點，選擇沖擊式鉆進模式。因為鉆桿的薄弱部位便是螺紋，受到其強度的影響，此環節的承載力最大。

鉆桿必須計算許用扭矩，選擇螺紋位置，涉及到螺紋螺距、當量直徑以及許用強度，分別為t、d、σ。計算公式為：

M=（注：M為許用扭矩）

計算卡盤承載載荷，因為其傳遞方式為接觸式，所以在傳遞過程中受到摩擦推進，從而完成傳遞，與鉆桿載荷傳遞不同，其屬于柔性傳遞。整體變化平穩，并且減振理想，計算卡盤扭矩，主要涉及到硅膠套卡盤長度L、軸向推力N、有效直徑？準、摩擦因數μ、直徑D。計算公式為：

根據以上公式可以發現，卡盤扭矩受到摩擦以及動力頭等的影響出現變化。其中鉆桿與卡盤的扭矩關系為正比，在單位直徑不變的情況下，扭矩始終處于恒定狀態。

通過上述內容了解到動力頭設計影響因素。正常使用動力頭，將減速器造成的損失排除，由此重新對液壓馬達以及鉆桿承載力等關系進行梳理，發現液壓馬達扭矩My以及減速比i與主軸承扭矩T、鉆桿承載載荷M、卡盤承載載荷S的關系為MyiT，則主軸軸承會出現失效;Myi>S，則鉆桿會出現失效;同理Myi>M，則卡盤扭矩出現異常，鉆進被迫終止。由此可以發現，鉆桿傳遞受到主軸以及動力頭強度影響，而卡盤式則受影響因素多元化，鉆機的壓力、鉆桿摩擦、結構、膠套或者配油套等影響，從而出現使用壽命縮短的現象，如此就會導致動力頭更換頻率增加，運行成本隨之增加。通過對系統壓力運行情況與卡盤工作相關壓力變化對比發現，兩者并不對等。尤其是相同的設備以及配油套等，間隙的變化或者轉速等都會影響壓力平衡。

在此基礎上，復合式液壓動力頭設計期間，還需要注意嚴格控制密封間隙，必須與泄漏量之間符合對比要求，這樣才能保證配油套功能正常發揮[5]。當然油溫以及壓力頭運行期間的壓力等同樣也是重要影響因素，如果溫度不斷升高，則液壓油在溫度作用下黏度下降，從而導致泄漏量加大。結合鉆進時間的變化，抓住可能出現的掉速情況，做好復合式液壓動力頭的設計優化。

2.2 復合式液壓動力頭設計

了解承載載荷設計原理與影響因素后，及時進行復合式液壓動力頭設計。科學融合卡盤式與主動鉆桿的應用優勢，通過卡盤式改善鉆桿在拆裝方面的不足，并且主動鉆桿式將卡盤式在鉆進方面的薄弱之處。這樣一來既可以延長動力頭的使用壽命，同時又能夠將應用中卡盤作業時間縮短，與此同時還可以改善鉆進的速度。復合式液壓動力頭主要包括主動鉆桿、卡盤以及主軸、主動鉆桿固定螺母、減速器。其中減速器的主要作用是順利轉化馬達扭矩以及動力頭運行速度，將其調整為鉆進使用需要的速度。主動鉆桿的設計主要作用是傳遞鉆機鉆進期間的載荷。主動鉆桿固定螺母的增設，則是為了更好的固定主動鉆桿，發揮主動鉆桿作用，保證鉆桿、主軸載荷控制。卡盤的作用是將鉆桿固定后迅速夾緊，方便動力頭的拆卸。

復合式液壓動力頭設計期間需要注意，必須明確掌握載荷傳遞點，主要包括兩處，一處為主動鉆桿在設計中，與主軸交接位置會采用螺母進行固定，這樣一來就可以保證載荷在動力頭運行期間實現剛性傳遞。另一處則是卡盤位置，載荷傳遞過程中，會以卡盤為載體，將鉆桿夾緊后，為動力頭使用拆卸提供有利條件。

結合復合式液壓動力頭設計發現，其主要具有以下特點：

①通過卡盤的集成設計，為動力頭提供了前置式動力優勢，不僅能夠自由拆卸，同時不會影響到主動鉆桿對載荷的傳遞，并且應用配置沖擊器，由此增加鉆機鉆進動力。

②科學對人工旋轉桿操作加以規避，主動鉆桿結構下，鉆進載荷被科學分配，如此便可以有效提高卡盤壽命，節省零部件更換，減少控制成本。動力頭在鉆進操作中，卡盤始終會保持打開模式，所以不會出現配油套泄露現象，加快動力頭的鉆進速度。

③縱觀傳動鉆機的運行，主要以卡盤為載體對載荷進行傳遞，這樣一來不能做好沖擊式的鉆進操作。但是復合式液壓動力頭，則增加了拓展端口，不僅在如此，搭配沖擊器以及復位彈簧、限位套等，改變單一的鉆進手段，增加鉆進功能。主動鉆桿以及主軸、固定螺母、沖擊復位彈簧、沖擊器、水辮、減速器、拉盤、沖擊限位套等的聯合，為復合式液壓動力頭應用帶來更多功能優勢。

3? 復合式液壓動力頭創新優勢

對于復合式液壓動力頭設計研究，其在很多方面取得突破性的創新。首先是鉆進效率方面，效率提高的同時，鉆進的載荷增加，可以做到沖擊式鉆進操作，鉆進速度加快。靈活進行鉆進拆卸，尤其是卡盤的應用設計，很大程度上加快了鉆桿拆卸速度。通過主動鉆桿及時對扭矩進行傳遞，期間不需要過多的油耗，并且不會出現泄露或者掉速等問題，延長動力頭應用壽命。

4? 結束語

綜上所述，動力頭是鉆機的重要組成，在很多行業中都有涉及。科學改善傳統動力頭應用中在泄漏以及使用壽命短等問題，減少動力頭運行期間的磨損情況，綜合傳統動力頭應用優勢，提高鉆進速率。

參考文獻：

[1]龐浩，羅春雷，劉丹.長螺旋鉆機液壓驅動動力頭的設計[J].流體傳動與控制，2008（02）：46-48.

[2]王迎，董學虎，韋麗嬌.全液壓動力頭鉆機的設計[J].現代農業裝備，2019（4）：30-33.

[3]趙巖.長螺旋鉆機液壓驅動動力頭的設計[J].軍民兩用技術與產品，2018（6）：118.

[4]吳龍正，馬飛，書倫.螺桿樁機液壓式動力頭恒功率系統的設計與仿真[J].液壓與氣動，2019（8）.

[5]陳曉東.復合式液壓動力頭的設計[J].煤礦機械，2019（12）.