液壓卡盤的工作原理及主要參數的設計

周亞軍

(連云港黃海機械股份有限公司,江蘇 連云港 222062)

液壓卡盤是鉆機的一個主要部件,其功能是夾緊鉆機上的鉆桿,并向鉆桿傳遞轉矩和軸向力,驅動鉆具實現回轉和給進,完成加減壓鉆進。

大碟簧卡瓦式自定心液壓卡盤,具有結構簡單,夾持力大,卡瓦拆裝方便等諸多優點,已被我公司傳統巖心鉆機系列和全液壓巖心鉆機系列廣泛應用,并取得良好效果。

本人從事技術工作多年,特別是在液壓卡盤設計中積累了一點經驗。現就液壓卡盤的工作原理,主要參數設計以及液壓卡盤在應用中目前還存在的不足和改進措施探討如下。

1 液壓卡盤的組成和工作原理

液壓卡盤主要由油缸、活塞、卡圈、支承套、卡瓦座、碟形彈簧、卡瓦、保護套、防護罩、推力球軸承、密封圈等零件和標件組成,見圖1。

工作時液壓油從油缸進油口進入油缸,油缸與活塞構成一個封閉腔,隨著壓力的升高,在壓力油的作用下,活塞下移,經推力球軸承推動卡圈,支承套一起下移,使碟形碟簧受到壓縮,卡圈在向下移動的同時帶動三個卡瓦作離開圓心的水平運動,從而達到松開鉆桿的目的。

需夾緊鉆桿時,操作換向閥將液控單向閥打開,卡盤封閉腔的油液經油管,液控單向閥和換向閥與油箱相通,此時封閉腔無壓力,碟簧則在彈性力的作用下,自動復位,并推動支承套、卡圈、經推力球軸承與活塞向上移動,帶動三卡瓦作向心水平運動,從而達到夾緊鉆桿的目的。

圖1 液壓卡盤組件結構圖

2 主要參數設計

2.1 液壓卡盤承載力的確定

液壓卡盤的承載力一般根據正常鉆進和強力起拔兩種工況中的最大載荷來確定。

最大載荷 Pmax

強力起拔工況下,液壓卡盤負荷:

式中:a——安全系數,取1.25～1.6;

Pmax——給進油缸最大起拔力(按系統最大壓力計算)。

正常鉆進工況下,液壓卡盤的負荷:

式中:Pz——作用于鉆桿上的軸向力;一般取最大加(減)壓給進力;

式中:Mn——立軸最大輸出扭矩;d——鉆桿直徑。

將求得的兩個負荷 Pb、Pg進行比較,取其最大者作為最大工作載荷 Pmax。

2.2 卡瓦對鉆桿的夾緊力Q

一般指液壓卡盤在承受最大載荷 Pmax時,所必需的夾緊力,表示為:

式中:f——卡瓦與鉆桿間的摩擦系數,焊合金卡瓦一般取0.5左右為宜。

2.3 蝶形彈簧的軸向推力F的計算

蝶形彈簧的軸向推力是蝶形彈簧夾緊鉆桿時,壓縮蝶形彈簧時的軸向彈性力,可作為設計蝶形彈簧的依據。

取隔離體分析:卡圈受力分析見圖3(a),卡瓦受力分析見圖3(b)

圖中:R——卡圈的反作用力,N;

N——卡瓦作用于卡圈斜面上反力,N;

T——保護套作用于卡瓦上的反力,N;

Q——鉆桿作用于卡瓦上的單位壓力,Pa;(Q=εq)

f1、f2——滑動摩擦系數 f1= f2=0.15;

α——卡瓦、卡圈斜面半錐角,一般取 6～8°為宜。

在 X—Y坐標系中各力的平衡條件為:

糧食的獲取能力：是指個人的收入能購買得起滿足其營養需求的糧食。在缺水地區優化水資源的管理和使用可以增加收入。

對卡圈:

對卡瓦:

整理為:

3 設計蝶形彈簧

先確定碟形彈簧的組合形式,液壓卡盤一般采用對合組合,按碟簧的軸向推力 F,夾緊時的總變形量 fz(按徑向位移定)及導桿直徑(此文中為卡瓦座外圓直徑)等進行設計計算。主要計算步驟如下:

(1)選擇碟簧系列及組合形式;

(2)計算碟簧壓平時的載荷;

(4)計算夾緊時單片碟簧的變形量 f;

(6)通過以上計算分別計算出自由高度 Hz和受F載荷時的高度 H1

(7)計算碟簧壓平時危險點的應力,應小于材料的屈服極限。

4 活塞行程 S的確定

活塞行程一般按如下經驗公式確定

S=ih0-na-S1

式中:S——活塞工作行程;

h0——單片碟形彈簧的極限變形量;

i——碟形彈簧片數;

a——對合碟形彈簧間的墊片厚度;

n——對合碟形彈簧的對數;

S1——碟形彈簧安裝預壓縮量(一般取 5～10mm為宜,深孔鉆機取小值,淺孔機鉆取大值)。

5 存在的不足,改進措施

在大口徑巖心鉆機液壓卡盤的設計及應用中,目前還存在所選推力球軸承極限轉速小于立軸最高輸出轉速,鉆機工作并高速運轉時,軸承易發熱,O形密封圈不可靠漏油、易損等。改進的措施是:

(1)減少碟形彈簧的預壓縮量(一般控制在5mm左右為宜);

(2)改善軸承潤滑條件,定期加潤滑油,限速不超過1000r/min;

(3)密封圈選用 Y形圈密封較好,耐用、可靠,不漏油。

通過實踐,取得了明顯的改善效果。

6 結束語

液壓卡盤的主要設計計算,概括起來,就是確定最大載荷,根據最大載荷確定夾緊力,根據夾緊力,計算碟形彈簧的軸向推力,并按此軸向推力設計碟形彈簧。碟形彈簧的設計是液壓卡盤的設計關鍵,在設計和制造上都不能出現問題,否則液壓卡盤不可靠,將會嚴重影響巖心鉆機的正常工作。

[1] 成大先.機械設計手冊(第五版第3卷).北京:化學工業出版社,2008.1.

[2] 馮德強.鉆機設計.北京:中國地質大學出版社,1993.