新型高可靠性液壓卡盤及其控制油路的設(shè)計(jì)

呂晉軍，辛德忠

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039）

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新型高可靠性液壓卡盤及其控制油路的設(shè)計(jì)

呂晉軍1，2，辛德忠1，2

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400039）

摘 要：液壓夾緊卡盤夾緊力大，結(jié)構(gòu)緊湊，特別適用于大直徑深孔鉆機(jī)。但現(xiàn)有液壓夾緊卡盤保壓能力弱，易打滑，可靠性低，難以長時(shí)間無故障使用。為了滿足大直徑深孔鉆機(jī)發(fā)展的需求，通過對現(xiàn)有液壓夾緊卡盤的分析和對比，提出一種新型高可靠性液壓夾緊卡盤的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：高可靠性；液壓卡盤；深孔鉆機(jī)

0　引言

卡盤是鉆機(jī)內(nèi)直接驅(qū)動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向運(yùn)動(dòng)的部件，是整個(gè)鉆機(jī)的關(guān)鍵?？ūP需要承受最大扭矩和最大軸向載荷且動(dòng)作頻繁，工況惡劣；卡盤的好壞很大程度上決定了鉆機(jī)的性能。鉆機(jī)卡盤一般可分為機(jī)械卡盤和液壓卡盤。目前，由于鉆探安全性需求， 機(jī)械卡盤已逐漸淘汰，液壓卡盤得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

常用的液壓卡盤有以下兩種：1）彈簧夾緊、液壓松開的常閉液壓卡盤；2）液壓夾緊，液壓松開（或彈簧松開）的常開液壓卡盤。

彈簧夾緊、液壓松開的常閉液壓卡盤是以一組彈簧（通常是碟形彈簧）所產(chǎn)生的彈力通過斜面增力機(jī)構(gòu)（或杠桿機(jī)構(gòu)）作用于卡瓦上，使之產(chǎn)生徑向力夾緊鉆桿［2］。這種液壓卡盤工作可靠，夾緊力不受液壓系統(tǒng)泄漏影響。并且，碟形彈簧所產(chǎn)生的作用力與主軸、卡瓦、卡瓦套成封閉力系，改善了卡盤及鉆機(jī)主軸受力狀況。但是，由于碟形彈簧產(chǎn)生的夾緊力不可調(diào)，無自動(dòng)補(bǔ)償能力，卡瓦及鉆桿磨損后會(huì)導(dǎo)致夾緊力下降；且隨著鉆機(jī)鉆孔能力加大，碟形彈簧尺寸變大，會(huì)導(dǎo)致卡盤尺寸過大，難以滿足大直徑深孔鉆機(jī)上的使用要求。

傳統(tǒng)液壓夾緊卡盤依靠液壓缸產(chǎn)生對鉆桿的夾緊力，液壓系統(tǒng)的泄漏會(huì)導(dǎo)致夾緊力大幅度下降。由于液壓夾緊卡盤對液壓系統(tǒng)密封性能要求過高，使其在鉆機(jī)上的應(yīng)用受到了限制。但是，液壓夾緊卡盤夾緊力大，結(jié)構(gòu)緊湊，夾緊力可調(diào)，具有鉆桿、卡瓦磨損后自動(dòng)補(bǔ)償能力，可很好的滿足大直徑深孔鉆機(jī)的使用要求。

1　常用液壓夾緊卡盤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分析

1.1斜面增力液壓夾緊卡盤［3，4］

斜面增力液壓夾緊卡盤（簡稱斜面增力卡盤）結(jié)構(gòu)如圖1所示，其原理為：液壓油通過雙向液壓鎖（2）作用于夾緊油缸（3），當(dāng)夾緊油缸（3）帶動(dòng)卡盤殼體（6）及卡瓦套（8）向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，卡瓦（5）夾緊鉆桿；當(dāng)夾緊油缸（3）帶動(dòng)卡盤殼體及卡瓦套（8）向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，卡瓦松開鉆桿。

圖1　斜面增力液壓卡盤結(jié)構(gòu)示意圖

由于斜面增力卡盤采用了斜面增力機(jī)構(gòu)，較低系統(tǒng)壓力即可產(chǎn)生符合要求的夾緊力；并且，調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力可調(diào)節(jié)卡瓦的夾緊力，結(jié)構(gòu)較為簡單，卡瓦磨損后具有自動(dòng)補(bǔ)償能力。但是，夾緊油缸產(chǎn)生的拉力通過卡盤殼體及軸承傳遞到卡瓦套上，軸承在整個(gè)鉆進(jìn)過程中承受巨大的載荷，長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，嚴(yán)重影響其使用壽命；如果采用重載軸承，則卡盤尺寸變大，影響鉆機(jī)整體尺寸；并且，由于夾緊油缸多采用普通工程用液壓缸，靜載保壓時(shí)密封性能差，容易泄漏，卡盤可靠性低，易打滑。

1.2膠套式液壓夾緊卡盤［3～5］

膠套式液壓夾緊卡盤（簡稱膠套卡盤）采用液壓夾緊鉆桿，彈簧松開的開合方式。結(jié)構(gòu)如圖2所示，其原理為：卡盤主要由卡盤殼體、傳扭盤、傳扭銷、隔套、膠套、卡瓦及彈簧等部分組成。夾緊時(shí)，高壓油經(jīng)配油盤（2）、鉆機(jī)主軸（1）、卡盤上的油孔注入膠套（6）與隔套（5）形成的空腔，膠套（6）受到徑向壓縮，迫使卡瓦（7）徑向移動(dòng)從而夾緊鉆桿。松開時(shí)，卡瓦（7）在彈簧（8）的作用力下自動(dòng)復(fù)位。

圖2　膠套式液壓卡盤結(jié)構(gòu)示意圖

膠套卡盤結(jié)構(gòu)簡單緊湊，在產(chǎn)生相等夾緊力的情況下尺寸較小。高壓油經(jīng)配油盤、主軸引入，不會(huì)對主軸產(chǎn)生額外作用力，改善了主軸軸承的受力狀態(tài)。但是，膠套卡盤要求液壓系統(tǒng)密封性能良好，配油盤之間配合面加工精度高；并且，在使用時(shí)，配油盤易磨損，從而導(dǎo)致卡盤夾緊力下降，卡瓦打滑；同時(shí)，由于需要專用工具才能更換卡瓦，卡瓦更換困難；卡瓦之間存在縫隙，一旦有雜物進(jìn)入就會(huì)影響卡瓦夾緊效果；膠套動(dòng)作頻繁，容易損壞。

膠套卡盤由于其獨(dú)特結(jié)構(gòu)，有效改善了卡盤與主軸的受力狀況，與斜面增力卡盤相比，卡盤整體可靠性有所提高。

2　新型液壓卡盤夾緊方式選擇［2］

通過對目前常用兩種液壓夾緊卡盤分析與對比可知，斜面增力夾緊方式夾緊可靠，不僅系統(tǒng)壓力低，而且斜面增力機(jī)構(gòu)可采用小于斜面摩擦副摩擦角的斜面角，夾緊后斜面具有自鎖功能，提高了夾緊的可靠性。同時(shí)，當(dāng)煤渣等雜物進(jìn)入卡瓦套斜面內(nèi)時(shí)，由于卡瓦及卡瓦套頻繁動(dòng)作，雜物很難堆積，對卡盤使用性能影響較小。

新型液壓卡盤結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。該卡盤采用液壓缸推動(dòng)斜面增力夾緊，彈簧打開的開合方式；由于采用了內(nèi)置夾緊液壓缸，夾緊液壓缸隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，壓力油通過配油盤引入液壓缸的壓力腔，可有效的改善卡盤及主軸的受力狀況，提高卡盤的可靠性。

圖3　新型卡盤結(jié)構(gòu)示意圖

3　新型液壓卡盤液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓夾緊卡盤的夾緊回路為典型的保壓回路。目前常用卡盤的液壓夾緊回路大多為液控單向閥（或雙向液壓鎖）保壓回路，當(dāng)液壓油缸或液壓管路有泄漏時(shí)，卡盤夾緊力下降。對于采用配油盤的液壓回路，由于主軸高速旋轉(zhuǎn)，配油盤密封圈長時(shí)間處于高壓狀態(tài)，發(fā)熱老化嚴(yán)重，從而導(dǎo)致液壓系統(tǒng)可靠性低，故障率高。為了提高卡盤液壓回路的可靠性，必須改進(jìn)傳統(tǒng)的卡盤液壓保壓回路，增強(qiáng)其保壓功能?？刹捎玫姆绞綖椋?）開泵保壓回路；2）蓄能器保壓回路。

3.1卡盤油缸開泵保壓回路［6］

開泵保壓回路如圖4所示，其原理為：小泵輸出的壓力油P進(jìn)入多路換向閥（1）后分為兩路，其中一路通過液控單向閥（2）及旋轉(zhuǎn)配油盤（3）進(jìn)卡盤油缸（5），而另一路通過順序閥（4）進(jìn)入推進(jìn)油缸（6）。設(shè)定順序閥（4）的開啟壓力略大于卡盤油缸的夾緊壓力。這樣，在推進(jìn)油缸運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓系統(tǒng)不斷向卡盤補(bǔ)充油液，使之始終處于壓力油的作用之下，無論卡盤工作多長時(shí)間，也不會(huì)出現(xiàn)壓力下降。但也正是由于順序閥的存在使得液壓系統(tǒng)功率損失大，系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重。同時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)配油盤仍始終處于高壓狀態(tài)，配油盤磨損嚴(yán)重，使用壽命低。

圖4　卡盤開泵保壓回路

3.2卡盤油缸蓄能器保壓回路

蓄能器保壓回路如圖5所示，其動(dòng)作原理為：當(dāng)多路換向閥置于上位時(shí)，小泵輸出的壓力油經(jīng)多路換向閥（1）、旋轉(zhuǎn)配油盤（2）、液控單向閥（3）后進(jìn)入蓄能器（4）及夾緊油缸（5）。液壓油推動(dòng)卡盤夾緊油缸夾緊同時(shí)向蓄能器充液，卡盤夾緊后，操作多路閥回中位。在卡盤工作期間，如果卡盤油缸及管路出現(xiàn)泄漏，蓄能器能及時(shí)補(bǔ)液。當(dāng)多路閥置于下位時(shí)，壓力油作用于液控單向閥控制油路，液控單向閥打開，卡盤油缸及蓄能器內(nèi)的油液回油箱。

圖5　卡盤蓄能器保壓回路

蓄能器保壓回路如將液控單向閥置于旋轉(zhuǎn)配油盤之后，則在卡盤整個(gè)工作期間旋轉(zhuǎn)配油盤處于無壓力狀態(tài)，配油盤工作壽命長工作可靠；且系統(tǒng)內(nèi)無發(fā)熱元件，系統(tǒng)效率高，發(fā)熱量小。

4　新型液壓卡盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對大孔徑深孔鉆機(jī)對卡盤的性能要求，并綜合上文的分析，將斜面增力機(jī)構(gòu)與彈簧式蓄能器巧妙的結(jié)合起來，可以設(shè)計(jì)出一種新型高可靠性的液壓夾緊式液壓卡盤，結(jié)構(gòu)如圖6所示，原理為：當(dāng)壓力油通過進(jìn)油接頭（2）后、配油盤（4）、卡盤后端蓋及液控單向閥進(jìn)入油缸后，壓力油推動(dòng)卡瓦套（9）向前運(yùn)動(dòng)夾緊鉆桿同時(shí)，也推動(dòng)浮動(dòng)活塞向后運(yùn)動(dòng)，壓迫蓄能碟形彈簧?？ūP夾緊后，由于液控單向閥（5）的止回作用，卡盤保壓。在卡盤工作期間，即使卡盤油缸或液控單向閥出現(xiàn)泄漏，蓄能碟形彈簧也能推動(dòng)浮動(dòng)活塞補(bǔ)液，卡盤油缸內(nèi)部壓力基本保持不變，保證了卡盤的夾緊力。當(dāng)壓力油通過控制油口接頭進(jìn)入液控單向閥的控制口時(shí)，卡盤油缸釋壓，油液在復(fù)位碟形彈簧（12）作用下回油箱。

圖6　卡盤整體結(jié)構(gòu)圖

從上述動(dòng)作過程可以看出，由于液控單向閥安裝于配油盤之后，在卡盤工作期間，配油盤內(nèi)無壓力，大大延長了配油盤的使用壽命。同時(shí)，由于蓄能碟形彈簧的設(shè)置，卡盤液壓油泄漏時(shí)能自動(dòng)補(bǔ)充，極大提高了卡盤的可靠性。

5　結(jié)束語

新型高可靠性液壓夾緊卡盤綜合了目前液壓卡盤的優(yōu)點(diǎn)，采用了內(nèi)置油缸及斜面增力的夾緊方式，巧妙地將蓄能器保壓系統(tǒng)與卡盤結(jié)合，極大地提高了卡盤的可靠性。該卡盤的設(shè)計(jì)成功為大孔徑深孔鉆機(jī)提供了一種新型的卡盤結(jié)構(gòu)。

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Design of new hydraulic clamping chuck with high reliability

LYU Jin-Jun1，2， XIN De-zhong1，2

中圖分類號：TH137

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0094-03

收稿日期：2015-12-11

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)專項(xiàng)”松軟突出煤層鉆進(jìn)成孔技術(shù)與裝備（2011ZX05041-002）

作者簡介：呂晉軍（1982 -），男，碩士，主要從事鉆機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)工作。