螺旋傳動卡盤的設計及應用

魏治利， 尹 鑫， 彭 瑩， 畢 進

(湖南飛碟新材料有限責任公司，湖南 長沙 410007)

螺旋傳動卡盤的設計及應用

魏治利， 尹 鑫， 彭 瑩， 畢 進

(湖南飛碟新材料有限責任公司，湖南 長沙 410007)

在分析螺旋傳動卡盤結(jié)構(gòu)原理的基礎上，對螺桿和螺母的技術(shù)參數(shù)進行了簡要的設計計算。并針對卡盤在大口徑鉆機上應用時出現(xiàn)的問題，對其結(jié)構(gòu)進行了改進和完善。采用該種類型的卡盤，夾緊可靠，滿足鉆機的使用要求，取得了較好的技術(shù)和經(jīng)濟效果。

螺旋傳動卡盤；大口徑鉆機；夾持力

卡盤，作為鉆機的一個重要執(zhí)行部件，其功能是夾緊主動鉆桿，傳遞扭矩及軸向力，實現(xiàn)鉆頭的回轉(zhuǎn)，同時在給進油缸的作用下，完成加、減壓鉆進。螺旋傳動式卡盤能克服現(xiàn)有市場上的卡盤不能開空車和推力軸承壽命短的缺陷，具有結(jié)構(gòu)簡單、夾持力大、卡盤開啟行程可調(diào)、卡盤夾緊松開范圍大、適用四方主動鉆桿等優(yōu)點，能夠較大程度地提升鉆機的效率。它已經(jīng)應用到HMY-1500型等大口徑鉆機中，并取得了良好的效果。因此，有必要進行優(yōu)化與推廣，向維修更加方便、夾持更加可靠的實用化方向發(fā)展。

1 螺旋傳動卡盤的結(jié)構(gòu)原理

螺旋傳動是靠螺旋與螺紋牙面旋合實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動向直線運動轉(zhuǎn)換的機械傳動，將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成推力。螺旋傳動卡盤結(jié)構(gòu)原理見圖1、圖2，該結(jié)構(gòu)卡盤松開和夾緊都是通過旋轉(zhuǎn)2根螺桿來實現(xiàn)的。其工作過程為：松開時，卡盤油缸推動橫梁上移，推動齒形拉桿，帶動扭矩輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動螺桿旋轉(zhuǎn)，由于正、反絲螺母固定在卡瓦座上不能旋轉(zhuǎn)，因此，卡瓦座實現(xiàn)直線位移運動，卡瓦處于松開狀態(tài)。夾緊時，卡盤油缸推動橫梁下移，拉動齒形拉桿，帶動扭矩輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動螺桿往反向旋轉(zhuǎn)，正、反絲螺母固定在卡瓦座上不旋轉(zhuǎn)，從而卡瓦處于夾緊狀態(tài)。傳動座始終固定在鉆機回轉(zhuǎn)上，支撐著卡盤的其它零件。

圖1 螺旋傳動卡盤結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 螺旋傳動卡盤橫向剖面圖

卡盤的功能是傳遞回轉(zhuǎn)運動與扭矩，傳遞軸向運動和給進力?？ūP能否穩(wěn)固地卡緊和迅速地松開鉆桿，直接影響鉆進能否順利進行，因此，此種卡盤符合下列要求：(1)夾緊后，鉆桿與立軸的同心度好；(2)夾緊后，有始終保持不變的夾持力，因而夾具機構(gòu)應具有自鎖性能；(3)夾持與松開的動作應力求迅速省力，松開徹底；(4)夾持力分布均勻，夾緊時不應損傷鉆桿表面；(5)結(jié)構(gòu)緊湊簡單，使用安全，操作方便，易于維修。

2 螺旋傳動機構(gòu)的設計

滑動螺旋通常采用梯形螺紋和鋸齒形螺紋，其中梯形螺紋應用最廣，鋸齒形螺紋用于單面受力的情況。螺旋轉(zhuǎn)矩與軸向力的關(guān)系為：

T=F(d2/2)tan(λ+ρ′)

式中：T——轉(zhuǎn)矩；F——軸向力；d2——螺紋中徑；λ——螺紋升角；ρ′——當量摩擦角，°。

一般螺紋升程和摩擦系數(shù)都不大，雖然軸向力F相當大，而轉(zhuǎn)矩T則相當小。傳力螺旋就是利用這種工作原理獲得機械增力的。升程越小則機械增力的效果越顯著，從而使卡盤的夾持力越大。當λ≤4.5°時，螺紋副產(chǎn)生自鎖。

2.1 材料的選擇

螺桿和螺母的制造材料應具有高的強度與良好的加工性能。對于傳力螺旋，根據(jù)卡盤的使用工況，要求零件表面硬度高，耐磨性好，需要進行熱處理。因此，我們選擇優(yōu)質(zhì)的45號鋼。

2.2 螺桿與螺母的基本尺寸的設計計算

阿朗新科最近亮相第十九屆中國國際潤滑油品及應用技術(shù)展覽會，首次以Keltan品牌展示其領先的OCP黏度指數(shù)改性劑（簡稱“黏指劑”）

(1)螺桿中徑d2(mm)：

式中：F——軸向載荷 N；[p]——許用壓強，選用值7.5～13 MPa；d2——螺桿中徑；ζ——螺紋系數(shù)為0.8；ψ——整體式螺母系數(shù)為1.2～2.5。

按算出的d2由標準中選取相應的公稱直徑和螺距；選取為：d2=47 mm。

(2)螺母高度H(mm)：

H=ψd2=2×35=70

計算得H=70，選取值為76 mm。

(3)旋合圈數(shù)n(z)：

n=H/p=76/10=7.6≤10～12

選?。簄=10。

(4)螺紋升角λ(°)：

λ=arctan〔S/(πd2)〕=2.56≤ρ′

式中：λ——螺紋升角，°；ρ′——當量摩擦角，取為4.5°；S——導程，mm。

螺桿和螺母經(jīng)過耐磨性驗算和螺紋強度校核，滿足設計要求。零件機加工成形后，進行熱處理，淬火HRC40～50。零件齒形部分的基本尺寸見圖3。

圖3 螺旋傳動齒形圖

3 卡盤的主要技術(shù)參數(shù)

鉆機鉆孔傾角90°，公稱壓力6 MPa時，2根螺桿工作夾緊卡瓦對鉆桿的夾緊力為780 kN，卡盤保持傳動鉆桿不打滑時承受外載荷最大頂力為390 kN，大于升降油缸起拔力280 kN。卡盤傳動座通孔直徑160 mm，傳動座四方口尺寸為110 mm×110 mm,便于使用108 mm×108 mm的四方傳動鉆桿，提高鉆進的平穩(wěn)性?？ūP夾緊與松開時單邊位移量是8 mm。

4 產(chǎn)品實際應用的情況

螺旋傳動卡盤已經(jīng)安裝應用在HMY-1500型大口徑鉆機上，推上市場3年多以來，以其優(yōu)良的性能受到了施工單位的青睞。我公司使用的HMY-1500型大口徑鉆機基本技術(shù)參數(shù)如下：最大扭矩25 kN·m，動力功率110 kW，通孔直徑154 mm，四方傳動鉆桿規(guī)格108 mm×108 mm，回轉(zhuǎn)速度36～554 r/min，鉆進深度1000 m(終孔直徑500 mm)、1500 m(終孔直徑250 mm)，鉆進傾角360°，起拔力280 kN，給進力210 kN，卷揚轉(zhuǎn)速0.67～6.37 m/s，卷揚單繩最大提升力150 kN。

螺旋傳動卡盤銷售上市以后，我們及時進行跟蹤，接受了幾家客戶單位返回的意見和建議。在河南省嵩縣的項目施工中，巖心鉆探最大孔深達到2040多米，終孔直徑114 mm。在新疆天山鈾業(yè)公司的地浸采鈾大通徑孔的施工中，鉆孔深度860 m，終孔直徑254 mm。在廣州新興縣地下熱水井的施工中，鉆孔深達到1600 m，終孔直徑115 mm。用戶普遍反應該種卡盤技術(shù)參數(shù)合理，與回轉(zhuǎn)器連接部分裝卸方便，卡盤夾持穩(wěn)固，松開夾緊迅速，立軸起拔有力，特別是操縱方便，擺動小、噪聲低，扭矩大，具有更換卡瓦方便，維修難度小等優(yōu)點。當然，用戶也反饋了一些有待我們改進的寶貴信息。

由于四方傳動鉆桿表面并不平整，形成中間低陷邊緣凸起的凹弧型，最初，卡瓦采用T8材料整體淬火成型，并不能與四方主動鉆桿形成較完整的面接觸，因此，在其中2個工地，鉆機強力起拔時鉆桿出現(xiàn)了打滑現(xiàn)象。同時，卡盤拉桿頻繁而強力地扯動拉桿座，使拉桿座內(nèi)腔有一定程度的變形，在滑移過程中刮傷傳動座外圓柱面。這一些不正常現(xiàn)象，為我們改進卡盤提供了有價值的資料?，F(xiàn)場應用證明，卡盤的主要技術(shù)參數(shù)完全滿足巖心鉆探、水文、水井、工程地質(zhì)、工程施工、鈾礦地浸開采孔等多種用途的大口徑鉆進的要求。

圖4為螺旋傳動卡盤在廣東某工地使用的照片。

圖4 總體外觀照片

4.1 應用時存在的問題

螺旋傳動卡盤安裝在大口徑鉆機上，在上述幾個施工工地進行了一系列不同深度、不同工藝的打孔作業(yè)?？咨?500 m，終孔?250 mm，也能正常鉆進，并且工作順利，效率較高，達到了設計目標。2016年4月，在廣東花縣某工地施工處理孔內(nèi)故障時暴露出了2點問題：(1)四方傳動鉆桿與卡瓦塊之間出現(xiàn)了嚴重的打滑現(xiàn)象；(2)拉桿座與傳動座之間的滑移被卡死，傳動座表面被拉傷。

4.2 現(xiàn)場采取的改進措施

為了解決上述問題，技術(shù)人員去了施工現(xiàn)場，采取的改進措施：(1)改整體式卡瓦為鑲合金塊式的卡瓦，并且保持卡瓦中間部的合金面高于兩側(cè)的合金面1.0 mm,這樣，提高了與鉆桿接觸的面積，變線接觸為完整面接觸，增加了摩擦力；(2)更改拉桿座的材料使其與傳動座的材料不同且強度更好，并在拉桿座內(nèi)腔鑲嵌了2道環(huán)型耐磨帶，然后，對拉桿座進行淬火處理，提高表面硬度。

5 結(jié)語

螺旋傳動卡盤，經(jīng)過核工業(yè)302大隊、304大隊以及湖南中核勘探有限責任公司等幾個施工單位的實際應用后，進行了改進完善，效果較好，該種卡盤具有以下幾個突出特點：(1)卡盤結(jié)構(gòu)簡單，拆卸方便，夾持有力；(2)卡盤傳動力矩大，鉆進效率高；(3)能適應多級轉(zhuǎn)速和低速大扭矩，適應大口徑鉆進，適宜采用金剛石鉆頭，復合片鉆頭，牙輪鉆頭等；(4)在整個鉆進過程中，機械故障發(fā)生機率低，螺旋傳動使用壽命長；(5)卡盤的穩(wěn)定性好，零部件拆卸方便，移動輕便。

通過對螺旋傳動卡盤的設計和改進，筆者認為在滿足工藝性能的前題下，鉆機卡盤的結(jié)構(gòu)應力求簡單、可靠、更換卡瓦方便，以利于野外較為惡劣的環(huán)境，設備能夠正常發(fā)揮其應有的作用，減輕操作人員的勞動強度。

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

[2] 肖燕波，譚國平,等.立軸式巖心鉆機設計開發(fā)的新思路[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(9)：32-34.

[3] 馬德義，覃勛平，付兆友.不同類型巖心鉆機在新疆黃山銅鎳礦鉆探施工效果對比[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(6):11-18.

[4] 彭一江，韓蘭新,等.新型高效節(jié)能立軸巖心鉆機的開發(fā)與應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2008，35(10):23-27.

[5] 徐灝.機械設計手冊(第一版)[M].北京：機械工業(yè)出版社,1998.

[6] 武漢地質(zhì)學院，等.巖心鉆探設備及設計原理(第一版)[M].北京：地質(zhì)出版社,2000.

[7] 馮德強，等.鉆機設計[M].湖北武漢：中國地質(zhì)大學出版社，1993.

[8] 胡仲杰，張利明，等.杠桿式液壓卡盤的設計及應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，24(11)：51-53.

Design of the Screw Drive Chuck and Its Application/

WEIZhi-li，YINXin，PENGYing，BIJin

(Hunan Flydisc New Material Co., Ltd.， Changsha Hunan 410007， China)

On the basis of analyzing the structure of screw drive chuck，a brief design calculation is made on the technical parameters of screw and nut. According to the application problems of chuck on large diameter drill, its structure is improved and perfected. With the reliable clamping, this type of chuck can meet the requirements of drilling rig and better technical and economic results are achieved.

screw drive chuck; large diameter drill; clamping force

2016-06-06;

2016-12-29

魏治利，男，漢族，1977年生，工程師，機械制造工藝與設備專業(yè)，從事鉆探設備研究與設計、生產(chǎn)與制造等工作，湖南省長沙市雨花區(qū)曙光路232號，weizhili20008@163.com。

P634.3+1

A

1672-7428(2017)02-0057-03