液壓卡盤的工作原理及主要參數(shù)的設(shè)計(jì)

周亞軍

(連云港黃海機(jī)械股份有限公司,江蘇 連云港 222062)

液壓卡盤是鉆機(jī)的一個(gè)主要部件,其功能是夾緊鉆機(jī)上的鉆桿,并向鉆桿傳遞轉(zhuǎn)矩和軸向力,驅(qū)動(dòng)鉆具實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)和給進(jìn),完成加減壓鉆進(jìn)。

大碟簧卡瓦式自定心液壓卡盤,具有結(jié)構(gòu)簡單,夾持力大,卡瓦拆裝方便等諸多優(yōu)點(diǎn),已被我公司傳統(tǒng)巖心鉆機(jī)系列和全液壓巖心鉆機(jī)系列廣泛應(yīng)用,并取得良好效果。

本人從事技術(shù)工作多年,特別是在液壓卡盤設(shè)計(jì)中積累了一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)就液壓卡盤的工作原理,主要參數(shù)設(shè)計(jì)以及液壓卡盤在應(yīng)用中目前還存在的不足和改進(jìn)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(hù)套、防護(hù)罩、推力球軸承、密封圈等零件和標(biāo)件組成,見圖1。

工作時(shí)液壓油從油缸進(jìn)油口進(jìn)入油缸,油缸與活塞構(gòu)成一個(gè)封閉腔,隨著壓力的升高,在壓力油的作用下,活塞下移,經(jīng)推力球軸承推動(dòng)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(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)三個(gè)卡瓦作離開圓心的水平運(yùn)動(dòng),從而達(dá)到松開鉆桿的目的。

需夾緊鉆桿時(shí),操作換向閥將液控單向閥打開,卡盤封閉腔的油液經(jīng)油管,液控單向閥和換向閥與油箱相通,此時(shí)封閉腔無壓力,碟簧則在彈性力的作用下,自動(dòng)復(fù)位,并推動(dòng)支承套、卡圈、經(jīng)推力球軸承與活塞向上移動(dòng),帶動(dòng)三卡瓦作向心水平運(yùn)動(dòng),從而達(dá)到夾緊鉆桿的目的。

圖1 液壓卡盤組件結(jié)構(gòu)圖

2 主要參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 液壓卡盤承載力的確定

液壓卡盤的承載力一般根據(jù)正常鉆進(jìn)和強(qiáng)力起拔兩種工況中的最大載荷來確定。

最大載荷 Pmax

強(qiáng)力起拔工況下,液壓卡盤負(fù)荷:

式中:a——安全系數(shù),取1.25～1.6;

Pmax——給進(jìn)油缸最大起拔力(按系統(tǒng)最大壓力計(jì)算)。

正常鉆進(jìn)工況下,液壓卡盤的負(fù)荷:

式中:Pz——作用于鉆桿上的軸向力;一般取最大加(減)壓給進(jìn)力;

式中:Mn——立軸最大輸出扭矩;d——鉆桿直徑。

將求得的兩個(gè)負(fù)荷 Pb、Pg進(jìn)行比較,取其最大者作為最大工作載荷 Pmax。

2.2 卡瓦對(duì)鉆桿的夾緊力Q

一般指液壓卡盤在承受最大載荷 Pmax時(shí),所必需的夾緊力,表示為:

式中:f——卡瓦與鉆桿間的摩擦系數(shù),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(jì)算

蝶形彈簧的軸向推力是蝶形彈簧夾緊鉆桿時(shí),壓縮蝶形彈簧時(shí)的軸向彈性力,可作為設(shè)計(jì)蝶形彈簧的依據(jù)。

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(hù)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(dòng)摩擦系數(shù) 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(biāo)系中各力的平衡條件為:

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

對(duì)卡圈:

對(duì)卡瓦:

整理為:

3 設(shè)計(jì)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(duì)合組合,按碟簧的軸向推力 F,夾緊時(shí)的總變形量 fz(按徑向位移定)及導(dǎo)桿直徑(此文中為卡瓦座外圓直徑)等進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。主要計(jì)算步驟如下:

(1)選擇碟簧系列及組合形式;

(2)計(jì)算碟簧壓平時(shí)的載荷;

(4)計(jì)算夾緊時(shí)單片碟簧的變形量 f;

(6)通過以上計(jì)算分別計(jì)算出自由高度 Hz和受F載荷時(shí)的高度 H1

(7)計(jì)算碟簧壓平時(shí)危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力,應(yīng)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(jīng)驗(yàn)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(shù);

a——對(duì)合碟形彈簧間的墊片厚度;

n——對(duì)合碟形彈簧的對(duì)數(shù);

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

5 存在的不足,改進(jìn)措施

在大口徑巖心鉆機(jī)液壓卡盤的設(shè)計(jì)及應(yīng)用中,目前還存在所選推力球軸承極限轉(zhuǎn)速小于立軸最高輸出轉(zhuǎn)速,鉆機(jī)工作并高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),軸承易發(fā)熱,O形密封圈不可靠漏油、易損等。改進(jìn)的措施是:

(1)減少碟形彈簧的預(yù)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(shí)踐,取得了明顯的改善效果。

6 結(jié)束語

液壓卡盤的主要設(shè)計(jì)計(jì)算,概括起來,就是確定最大載荷,根據(jù)最大載荷確定夾緊力,根據(jù)夾緊力,計(jì)算碟形彈簧的軸向推力,并按此軸向推力設(shè)計(jì)碟形彈簧。碟形彈簧的設(shè)計(jì)是液壓卡盤的設(shè)計(jì)關(guān)鍵,在設(shè)計(jì)和制造上都不能出現(xiàn)問題,否則液壓卡盤不可靠,將會(huì)嚴(yán)重影響巖心鉆機(jī)的正常工作。

[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第五版第3卷).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.1.

[2] 馮德強(qiáng).鉆機(jī)設(shè)計(jì).北京:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,1993.