坑道鉆機新型液壓卡盤的設計

寧章磊 郭亭亭

摘 要：介紹了一種新型液壓卡盤，簡述了該卡盤的結構組成、主要參數的確定、相關原理。

關鍵詞：液壓卡盤；結構原理；參數確定

1 定義

鉆機的軸向力和扭矩是其正常運轉所需要的重要動力，為鉆機的動力傳遞提供基礎支持的則是鉆桿，同時鉆桿也負責為鉆機施加鉆研、起下鉆頭、在鉆機運轉時輸送鉆井液等等。而卡盤作為整體鉆機結構中的主要部件，其為鉆桿提供了支撐與加固的作用，提高了鉆桿工作效率，同時通過為鉆具施加回轉等動力實現了加減壓鉆進和懸吊等工作。在幾類特殊的全液壓動力頭式鉆機中，卡盤還實現了機械擰卸鉆桿和升降鉆具。

在目前國內的鉆機研究與研究開放領域，主要使用的液壓卡盤大體有兩種，一種為碟簧加緊液壓松開的常閉式卡盤，一種是液壓夾緊彈簧松開的長開式卡盤（膠囊卡盤）。碟簧加緊液壓松開的常閉式卡盤雖安全性高反應靈敏，但現多采用三瓣式卡瓦，對于新型非圓鉆桿（如三棱鉆桿，肋骨鉆桿等）不能實現加緊，限制力其使用范圍；而液壓夾緊彈簧松開的長開式卡盤（膠囊卡盤）雖可加持各種鉆桿，但受其卡盤結構中配油套的加工精度高，其制造成本較高。本文所述卡盤由活塞、液壓缸、蝶形彈簧、卡瓦（四瓣）、圓柱彈簧等組成碟簧加緊液壓松開的常閉式卡盤，制造加工精度要求不高，成本低，安全性可靠，動作迅速，可加持各種異形鉆具，與鉆桿接觸面積大，保護鉆桿。

2 結構原理

本文所述卡盤由活塞、液壓缸、蝶形彈簧、卡瓦（四瓣，見圖2）、圓柱彈簧等組成，見圖1。

蝶形彈簧裝在彈簧座內，其中一端與活塞相接處，在日常的運行過程中保持著前后移動，另一端則進行固定。卡盤在處于待機狀態時保持著壓緊狀態，而當壓力油經序12進出油口進入壓力油時，碟簧受到活塞左移的壓縮，卡瓦則向外移動，這主要是受到了序20彈簧的作用下，同時松開鉆桿；當油液通過序12進出油口回油時，活塞在碟簧壓縮力的推動下右移，使卡瓦向中心移動，從而加緊鉆桿。

3 基本參數確定

鉆機在日常運轉中進行的正常鉆進以及非正常工況中使用的強力拔起會產生不同的載荷，其中的最大值則用來確定卡盤的承載力。

3.1 最大工作載荷 Pmax

如在強力起拔工礦下，卡盤負荷： Pb=α·Psmax 。式中：α-系數，α =1.25～1.6；Psmax-給進最大起拔力。正常鉆進工況下 ，卡盤既要承受給進力，又要承受扭矩產生的圓周力，卡盤負荷為一合力： Pg=α·。式中：α-同上；Pz-作用于鉆桿上的軸向力，一般取最大加（減）壓給進力；Py-作用于鉆桿上的圓周力，Py=2Mn/d，其中Mn為回轉器的工作扭矩，一般取回轉器的最大輸出扭矩，d為鉆桿直徑。將所求得的2個載荷Pb、Pg進行比較，取最大者作為最大工作載荷Pmax，即： Pmax=max{Pb，Pg } 。

3.2等效夾緊力Q

卡盤承受最大載荷Pmax所必需的夾緊力則稱之為等效夾緊力，表示為： Q=Pmax / f 。該公式中：f-卡瓦與鉆桿間的摩擦系數，齒瓦取f=0.3～0.5。卡盤在日常運行中可能會出現一系列突發情況，為保證卡盤工作可靠，應對突發的事故，在計算結果中還應引入安全儲備系數n，一般n=1.2～1.8，則： Qn=n·Q。卡盤的夾持范圍用卡瓦的徑向移動量Δr表示，其數值根據所用鉆桿的規格及卡瓦的類型而定，一般取Δr=1～2mm。卡瓦與推動套、活塞的受力系統采用斜面增力機構。在總體的參數設置中，對卡瓦斜面角α的設置是最主要的工作。在卡盤的夾持能力，夾持范圍等基本參數為確定值的情況下，可以通過減小α角的方法來有效的減小所需的彈簧力，提升鉆機的整體運作效率，但這種方法會增加推動套及活塞的移動量，導致卡盤軸向尺寸加大。綜合各種因素，本文所述卡瓦斜面角取 α=15°。鉆機的實際運轉中，卡瓦與鉆桿的咬合過程中的短暫打滑是難以避免的損耗，當卡瓦與鉆桿的咬合面積達到一定值時，卡瓦齒則會抱緊鉆桿。在這個過程中卡瓦齒會不斷咬入鉆桿，卡瓦與鉆桿在接觸位置接觸應力不斷增大，最終會導致卡瓦齒磨損破壞。卡瓦齒與鉆桿的摩擦力為： F=fqS 。式中 q-卡瓦與鉆桿間的接觸應力；S-卡瓦與鉆桿間的咬合面積。

4 結語

當卡瓦與鉆桿的接觸面積S越大時，卡瓦與鉆桿間的摩擦力F越大，從而卡瓦與鉆桿間的接觸越不易打滑。四瓣均布的卡瓦使鉆桿受力均勻，不易損傷鉆桿。鉆機加工完成后，在公司的ST9-10000試驗臺進行了調試和加載試驗，之后在山西多個礦進行了生產性試驗。試驗表明卡盤的工作狀態良好，達到了預期的效果。

參考文獻：

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[3] 王成.膠囊式液壓卡盤的設計[J].西部探礦工程，2000，64（3）；99-100.

作者簡介：寧章磊（1987-），河北邯鄲人，本科，助理工程師，主任工程師，從事煤礦用鉆機相關設計工作。