新型鉆機用液壓夾持器的設計及優化研究

劉曉花

（甘肅機電職業技術學院，甘肅 天水 741000）

夾持器是鉆機的主要部件，安裝于鉆機前端，能夠夾緊鉆桿并與動力頭配合實現機械鉆進。由于該設備在很大程度上影響著鉆進效率和鉆探效果，所以開發一套高性能鉆機夾持器，就顯得尤為重要。一般情況下，鉆機夾持器常采用常閉式結構，雖然能夠實現預期夾持操作功能，但其結構較為復雜，不利于現場操控。為了優化此結構，本文引入復合結構設計思路，采用一種浮動式常閉結構，并運用ANSYS Workbench 有限元分析軟件對新型液壓夾持器進行了結構優化設計。

1 新型鉆機用液壓夾持器結構設計

1.1 新型鉆機用液壓夾持器結構

本文提出的新型鉆機用液壓夾持器結構設計方案，在原有的常閉式結構基礎上，增加復合夾持器結構設計方法，對夾持器結構進行改進，新的結構設計方案如圖1 所示。

圖1 新型鉆機用液壓夾持器結構

該設計方案采用浮動式常閉結構，運用碟簧保持常態夾緊。與此同時，選取液壓夾緊方式加以補充，形成雙重夾緊結構。當鉆機停止鉆進時，或者作業期間突然停電，都能保證鉆桿被夾持器夾緊，并起到一定防滑作用，提升了裝置夾持可靠性和安全性。

1.2 新型鉆機用液壓夾持器結構特點

（1）結構上進行了改進，采用雙油缸作為執行元件，與傳統單油缸相比減小了起始工作壓力，由2 個液壓缸分擔油液開口流量。其中，每個油缸分擔的油液量都不是很大，在此情況下，活塞作業行程變短，滿足夾持器作業夾緊需求。（2）夾持器結構的設計，采用了中間對稱布置方法，位于中間軸兩側的構件可以互換，作業原理及作用相同。這種結構設計方案，降低了裝配難度，制造起來也比較方便。（3）傳統的結構設計，活塞與燕尾的連接采用整體式結構，這種結構的夾持器不僅制造難度較大，而且不利于安裝和拆卸。為了改善傳統結構，本文提出分體式結構，將燕尾部分和活塞部分用螺栓連接起來，以此降低安裝和拆卸難度。（4）夾持器的兩側安裝碟簧，用碟簧來提升裝置的自動定心能力。其中，碟形彈簧不僅剛度較小，而且輕薄，有利于夾持器體積的控制，使其占用空間得以減小，夾持器結構更加緊湊。正常情況下，夾持器會受碟簧彈力的影響，鉆桿會被自動夾緊。根據操控需求，需要夾緊鉆桿時，增壓腔內會有壓力油進入，活塞也會被推動沿著內側的方向移動，與碟簧一起完成鉆桿雙重夾緊。如不再需要夾持操作，則松開鉆桿，此時，活塞8 和油缸1 內的腔體都會流入部分高壓油，沿著左側和右側兩個方向，推動活塞移動，卡瓦基座6 在燕尾4 的推動下向外側移動，使得鉆桿得以松開。

2 液壓夾持器液壓夾持作業原理

液壓夾持器液壓夾持主要動作包括夾緊、松開，主要通過燕尾與活塞這兩個構件實現其動作。根據夾持器作業需求，設置作業壓力，不同壓力下產生的應力不同，可以滿足不同操控需求。如圖2 所示為液壓夾持器夾持方案原理圖。

圖2 液壓夾持器夾持方案

通過ANSYS Workbench 對液壓夾持器進行靜力學分析，當作業壓力為20MPa 時，產生的應力集中作用在夾持器上，與鉆機標準作業性能不符。液壓夾持器的開啟壓力為3.57MPa，明顯低于工作油壓，所以對夾持器進油壓力進行減壓處理。當其降低到限定值時，恢復到正常液壓作業狀態。本設計方案在進油路增設減壓閥，設定壓力調定范圍，上限值為10MPa。

3 液壓夾持器有限元分析

3.1 液壓夾持器有限元模型的構建

液壓夾持器的應用，需要根據鉆機鉆進工況，調節作業狀態。考慮到該裝置容易受高壓影響，為了避免其作業受此影響，采用校核方法，分別對夾持器的剛度、強度進行校核，確定達到正常作業標準后，按照調控方案控制夾持器作業狀態。本文選取ANSYS Workbench作為有限元模型構建工具，對該工具應用下形成的模型展開有限元分析。首先，定義夾持器的材料屬性，然后選取45 鋼作為制造材料。本設計方案中，夾持器的屈服強度、泊松比、楊氏彈性模量分別為355MPa、0.3、209GPa。通過軟件建立裝配體模型前，需要將各個零件之間的接觸關系作為定義要素。其中，油缸與活塞的接觸關系設置為Frictionless，其他接觸設置為Bonded。采用網格劃分方法，將夾持器拆分為多個模塊，同時設置活塞和油缸的受壓面靜壓力，參數值均為20MPa，固定約束為夾持器底面。夾持器有限元維模型如圖3 所示。

圖3 夾持器有限元模型

3.2 有限元分析

運用本文構建的有限元模型求解液壓夾持器作業期間產生的應力，同時生成應力變形圖，并對該圖變形特點加以分析。通過有限元分析，得出液壓夾持器的應力和整體變形圖，如圖4 所示。

圖4 有限元模擬結果

有限元模擬結果顯示，夾持器的最大應力數值為395.6MPa，變形量最大值為0.21mm。綜合夾持器使用工況，分析夾持器作業狀態。其中，夾持器的變形和應力產生位置都比較集中，此工況下的剛度和強度未能滿足作業要求。從變形狀況來看，模型整體變形幅度較小，但是從細節來看，局部出現了較為突出的變形。經過對比，各個部位均有不同程度的變形，其中活塞和燕尾產生的變形較為突出，因此，必須對活塞和燕尾結構進行優化。

4 新型鉆機用液壓夾持器設計方案的優化

基于多目標的夾持器結構優化設計：

（1）優化參數。根據夾持器結構特點可知，該結構中的主要參數包括活塞桿長度、活塞厚度、活塞直徑、活塞桿直徑、燕尾底部直徑。考慮到夾持器整體結構操作性能及作用，不可以改變活塞桿長度、活塞直徑、活塞桿直徑3 項參數數值。因此，確定活塞厚度、燕尾底部直徑為夾持器結構優化主要參數。

（2）結構優化設計。本優化方案以活塞厚度、燕尾底部直徑作為優化參數，所以參數不止一個，稱該優化方案為多目標優化方案。根據有限元模擬結果，分析參數優化范圍。為了進一步確定參數優化方案，本文運用有限元分析模型，對不同目標參數下的夾持器模型產生的應力和變形展開進一步研究。通過模擬分析，找到多組參數中的最佳參數優化方案。其中，活塞厚度記為B1，參數取值范圍[10,16]，數值間隔為1，燕尾底部直徑記為D1，參數取值范圍[57,59]，數值間隔為1，取不同數值作為組合方案，模擬不同方案下的夾持器應力和變形結果，即測定總變形量最大值和等效應力最大值。以下為不同優化方案對應的參數分組情況：

（3）優化結果分析。優化前活塞與燕尾質量為4.1325kg，以減小夾持器質量作為優化目標，約束條件為應力小于 45 鋼許用應力 235 MPa，在盡可能不增加等效應力最大值情況下，有效控制質量視為最佳優化方案。本次模擬分析實驗共計21 組，分別統計各組的總變形量最大值、等效應力最大值、質量相關數值，如表1 和表2 所示為優化方案下的活塞與燕尾優化結果、夾持器質量結果。

表1 活塞與燕尾優化結果統計表

表2 不同優化方案的夾持器質量結果統計表

表1 和表2 中統計結果顯示，與原值相比，第8 組優化方案中最大應力僅增加了1.56MPa，且控制總變形量不是很大的情況下，夾持器質量發生了大幅度下降，質量為3.3023kg，降低率為20%。其它優化方案中也存在質量減小優勢，但對應的等效應力最大值增加幅度較大。因此，最佳方案的優化參數為B1=12mm，D1=58mm。

5 結語

本文圍繞鉆機用液壓夾持器結構設計問題展開研究，在以往研究基礎上，引入復合結構設計思路，設計了一種浮動式常閉結構的夾持器。利用有限元分析軟件對其結構進行優化，選取活塞厚度、燕尾底部直徑作為優化參數，設定優化參數取值范圍，以燕尾和活塞質量最小為優化目標。優化結果顯示，B1=12mm，D1=58mm 為最優解，使燕尾與活塞的質量較優化前減少了20%，為鉆機夾持器的創新設計提供了新的思路。