液壓卡盤稱重質量的設計與計算

朱冬鈺 王海鑌

（連云港黃海機械股份有限公司，江蘇 連云港 222062）

1 前言

液壓卡盤是巖心鉆機回轉系統中的主要部件之一，一般采用大碟簧卡緊、液壓松開、三卡瓦自動定心式卡盤。液壓卡盤（圖1）是由卡瓦座、碟簧、活塞、油缸外殼、支撐套、卡圈、卡瓦、螺母、防護罩、護蓋、傳扭套等組成。

其用于夾緊鉆機上的鉆桿，并向鉆桿傳遞軸向力，驅動鉆具實現給進，以實現鉆具的稱重、加壓鉆進、減壓鉆進等三種不同的工藝要求。本次討論其中一種工作方式鉆具稱重。

2 工作原理

卡盤油缸內液壓油處于無壓力狀態。此時碟形彈簧靠其預緊力將卡圈頂起，卡圈通過51138推力球軸承帶動活塞上升，卡瓦在壓板的帶動下沿水平方向作向心運動，從而達到卡緊鉆桿的目的。卡盤油缸內液壓油處于有壓力狀態，此時狀態正好與無壓力狀態相反，達到松開鉆桿的目的。

3 鉆具稱重的計算

3.1 鉆具稱重

首先將鉆具提離孔底，再將液壓操縱閥的立軸給進控制閥手柄置于“稱重”位置上且完全關閉給進控制閥的針閥，調整多路換向閥手輪使系統壓力為零，此時給進油缸的上腔與油箱相通，下腔被封閉，鉆具重量完全被下腔油壓所平衡，此時孔底壓力指示器靜盤上指針指示的簧色刻度值即為鉆具重量。

3.2 鉆具稱重的計算

液壓卡盤夾緊鉆桿時，由碟簧推動卡圈，卡圈推動卡瓦對鉆桿施加正向壓力，由靜摩擦力使鉆桿保持平衡，受力分析如圖2液壓卡盤受力分析圖所示。

（a）對卡圈的受力分析

徑向力：

其中：

F推為碟型彈簧向上的作用力；

N（牛頓）為卡瓦作用于卡圈的反作用力；

f1為滑動摩擦系數；

α為卡瓦斜面半錐角。

（b）對卡瓦的受力分析徑向力：

軸向力：

其中：

Q（牛頓）為鉆桿的夾緊力；

f1=f2為滑動摩擦系數；

T（牛頓）為卡瓦座作用于卡瓦的反作用力。

其中式（2）-式（3）得：

由式（1）帶入式（4）得：

其中：

n為蝶形彈簧的個數；

P（牛頓）為單個彈簧的載荷；

E（MPa）為彈性模量；

t（mm）為碟簧厚度；

K4、K1為計算系數；

f（mm）為單片碟簧的變形量；

h0（mm）為碟簧的極限變形量；

u為泊松比；

D（mm）為碟簧的外徑。

該公式由設計手冊查出。

（c）對鉆桿的受力分析

軸向力：

其中：

G（kg）為鉆桿的自重；

f3為鉆桿與卡瓦之間的滑動摩擦系數。

設計卡盤時必須保證G≤f3Q；使鉆桿由靜摩擦力驅動。

結論

圖1 液壓卡盤裝配圖

圖2 液壓卡盤受力分析圖

在設計液壓卡盤時，對于稱重質量的計算，更好地確定鉆機的鉆進的能力，從而使鉆機更加可靠，不會出現打滑的現象，稱重也是為巖心鉆機減壓和加壓鉆進的前提步驟。通過以上工作原理的分析，使我們更加直觀的了解液壓卡盤的內部構造；通過鉆具稱重能力計算，為我們提供了液壓卡盤重要的的設計理論依據。

[1]成大先.機械設計手冊（第四版 第1卷）[M].北京：化學工業出版社，2002.

[2]成大先.機械設計手冊（第四版 第3卷）[M].北京：化學工業出版社，2002.

[3]劉鴻文.材料力學（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2004.