KY－250D牙輪鉆機液力大鉗受力分析及改進措施

曾漢東

(大冶有色金屬股份有限公司銅山口銅礦， 湖北黃石市 435122)

KY－250D牙輪鉆機液力大鉗受力分析及改進措施

曾漢東

(大冶有色金屬股份有限公司銅山口銅礦， 湖北黃石市 435122)

對KY－250D牙輪鉆液力大鉗在實際使用過程中打滑和啃鉆具的原因進行了分析，并提出了改進措施。

牙輪鉆機;液力大鉗;工作原理;改進措施

0 前言

銅山口銅礦是大冶有色金屬股份有限公司的主要生產(chǎn)礦山之一，露天采場的穿孔作業(yè)主要采用KY－250型和YZ－35型牙輪鉆。2010年初，我礦從南昌凱馬有限公司購進一臺KY－250D型牙輪鉆機，穿孔直徑250 mm，標準孔深17.5 m。為了實現(xiàn)鉆具的自動拆卸，減輕工人勞動強度，該機配備了一臺液力大鉗，安置在鉆架小平臺上，替代了原來依靠人工操作的B型吊鉗，進一步實現(xiàn)了機械化操作。

由于鉆具經(jīng)過長期旋轉(zhuǎn)工作后，鉆具的聯(lián)接螺紋扣擰的太緊，以致在卸鉆具時，僅僅依靠回轉(zhuǎn)小車自身的動力根本無法松卸螺紋扣，此時可借助于液力大鉗進行輔助卸扣。但是，在實際使用中，該裝置有時不能很好地完成卸扣作業(yè)，主要表現(xiàn)為:

(1)大鉗打滑，不能松開鉆具;

(2)卡爪啃鉆具，造成鉆桿損傷。

根據(jù)以上現(xiàn)象，有必要對液力大鉗的受力情況進行分析，以便進行改進，更好地發(fā)揮其使用功能。

1 液力大鉗的機械構(gòu)造

液力大鉗由支座、大臂、轉(zhuǎn)臂、鉗臂、卡爪及3個油缸組成(見圖1)，通過各部件的相互配合，使卡爪能夠?qū)@桿可靠地鎖住并旋轉(zhuǎn)，完成卸扣作業(yè)。

圖1 液力大鉗示意

2 液力大鉗的液壓控制

大鉗由安置在司機室內(nèi)的手動閥遠程操作，在液壓系統(tǒng)中為大鉗的3個油缸共設(shè)置了4個順序閥，分別控制3個油缸的動作順序(見圖2)。

圖2 液力大鉗液壓原理

其工作原理是:當操縱桿前推時，A腔進油，首先由大臂油缸將大鉗移到鉆孔中心，使卡鉗的兩個卡爪與鉆桿靠緊;然后當系統(tǒng)壓力上升到8 MPa時，順序閥A聯(lián)通，使抱緊油缸動作，推動鉗臂將鉆桿抱緊;最后當系統(tǒng)壓力上升到12～17 MPa時(實時調(diào)整)，順序閥B聯(lián)通，使卸扣油缸推動轉(zhuǎn)臂繞鉆具中心旋轉(zhuǎn)，依靠3個卡爪與鉆具之間的摩擦力，將螺紋松開。螺紋松開后將操縱桿向后拉，B腔進油，抱緊油缸活塞桿首先縮回，松開卡爪，然后當系統(tǒng)壓力上升到8 MPa時，順序閥C聯(lián)通，卸扣油缸收回，最后當系統(tǒng)壓力上升到10 MPa時，順序閥D聯(lián)通，大臂油缸活塞桿縮回，大鉗退回原位，完成一個動作循環(huán)。

3 液力大鉗完成作業(yè)的力學分析

從以上工作原理中可以看到，要使液力大鉗能將鉆具的連接螺紋順利松開，關(guān)鍵取決于兩點:一是卸扣油缸B的推力與轉(zhuǎn)臂產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動扭矩M1不小于使鉆具螺紋松開的最小扭矩Mf;二是卡爪與鉆具表面的摩擦力矩M2不小于使鉆具螺紋松開的最小扭矩Mf。即:

由圖3可見:

根據(jù)杠桿平衡原理:

抱桿摩擦力 Ff=μN2(μ=0.15)

因此:M2=FfD=μPAⅢL2/L3D

式中:P——油壓力;

A——油缸活塞面積，根據(jù)實際測量，AⅡ=12271 mm2，AⅢ=20096 mm2。

圖3 液力大鉗工作受力分析

卸扣油缸即將動作時:

M1=PAⅡL1=P×12271×554=6798P(N·m);

M2=μPAⅢL2/L3D=0.15×P×20096×208/225×219=610P(N·m)。

由此可見:轉(zhuǎn)動扭矩M1遠大于抱桿的摩擦力矩M2。因此，要使大鉗正常作業(yè)，只要滿足 M2≥Mf，即:Mf≤610P(N·m)。

Mf主要由螺紋旋合所產(chǎn)生。鉆桿接頭螺紋是圓錐螺紋，其最佳旋合位置應(yīng)是內(nèi)外螺紋基面重合時，兩者端面貼緊。由于鉆桿存在一定的加工誤差與變形，特別是鉆機工作一段時間后，在軸壓及小車扭矩的作用下，螺紋的旋合力矩很大。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，一般Mf不大于回轉(zhuǎn)小車最大回轉(zhuǎn)扭矩的60%，KY－250D鉆機的最大回轉(zhuǎn)扭矩為15000 N·m，所以，一般Mf≤9000 N·m?？梢?，要求系統(tǒng)壓力P≥9000/610=14.75 MPa，因此，可將系統(tǒng)壓力設(shè)定為P=12～17 MPa，具體可根據(jù)實際情況調(diào)定。

4 卡爪啃鉆具的力學分析

在液力大鉗的實際卸扣作業(yè)中，經(jīng)常由于卡爪不能可靠地將鉆桿鎖住而造成打滑，從而造成對鉆桿的損傷。設(shè)系統(tǒng)壓力調(diào)定為17 MPa，由上述分析可知，作用在單個卡爪上的正壓力為:N=PAⅢL2/L3=17×20096×208/225=315820 N=31582 kg;根據(jù)零件尺寸，單個卡爪的接觸面積為∑A=18 cm2;那么作用在鉆桿表面的壓強為σ=N/∑A=1754.5 kg/cm2;鉆桿材質(zhì)為35CrMo，其抗壓屈服強度σs=5000 kg/cm2。可見鉆桿的抗壓強度是足夠的。

但是，實際使用中，液力大鉗的3個卡爪形成的圓及其與鉆桿中心的重合度是有誤差的，且卡爪與鉆桿的接觸面為平面，因此卡爪與鉆桿的接觸并不均勻，當接觸面積小于35%時:σ=N/(∑A×35%)=5013 kg/cm2＞σs，此時就會發(fā)生卡爪啃鉆具的現(xiàn)象。

5 防止大鉗打滑或啃鉆具的改進措施

通過以上分析，了解了液力大鉗打滑及啃鉆具的原因，在牙輪鉆的實際使用中，我們采取了以下幾點改進措施，液力大鉗的使用情況有了明顯改善:

(1)對液壓大鉗的各部位進行調(diào)整，組裝時嚴格按要求找準鉆具中心，確保鉗口工作時與鉆具同軸;

(2)改變卡爪的結(jié)構(gòu)形式，將卡爪與鉆桿的接觸面加工成弧面，保證其與鉆桿能夠良好地接觸，增大受力面積，從而提高鉆桿表面抗壓強度;

(3)在組裝鉆桿時，根據(jù)情況在鉆桿間加一塊1.5～2 mm的鉆桿墊片(Q235材料)。鉆桿回轉(zhuǎn)中，如果主要靠螺紋受力，而不是靠螺紋端面受力，就會越擰越緊，導(dǎo)致螺紋變形、卸扣困難，加上墊片后可以很好地解決這一問題;

(4)根據(jù)實際使用情況合理調(diào)節(jié)順序閥B的設(shè)定壓力，在確保卸扣扭矩的前提下，適當調(diào)低順序閥B的設(shè)定壓力。

實踐證明，對液力大鉗的技改措施是可行的，作業(yè)更加可靠，功效大大提高，降低了勞動強度，提高了機械化作業(yè)水平，為以后同類的技改創(chuàng)新積累了寶貴的經(jīng)驗。

［1］ 徐 灝.機械設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1991.

2011－07－15)

曾漢東(1968－)，男，助理工程師，現(xiàn)從事機械設(shè)備及技術(shù)管理工作，Email:13451074345@163.com。