鉆桿松扣器的研制

路前海 董萌萌 鄢忠方

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

整體式寬葉片螺旋鉆桿在很大程度上提高了松軟突出煤層瓦斯抽采鉆孔的深度，解決了松軟突出煤層瓦斯抽采難的問(wèn)題。中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司研制的整體式寬翼片具有強(qiáng)度高、質(zhì)量穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，目前已經(jīng)在淮南、晉城等礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好。經(jīng)過(guò)多年的市場(chǎng)培育，整體式螺旋鉆桿需求量急劇增加，但由于現(xiàn)有生產(chǎn)效率偏低，供需矛盾愈發(fā)突出，為了提高生產(chǎn)效率，同時(shí)響應(yīng)國(guó)家智能制造2025計(jì)劃，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司又聯(lián)合研制出新一代數(shù)控螺旋槽銑床，實(shí)現(xiàn)整體式螺旋鉆桿上下料、擰卸鉆桿以及銑螺旋全過(guò)程的自動(dòng)化。

整體式螺旋鉆桿在銑螺旋加工之前，需將每根鉆桿連接起來(lái)并進(jìn)行預(yù)緊，在保證鉆桿加工連續(xù)性的同時(shí)提高了生產(chǎn)效率，預(yù)緊后還可以提高連接強(qiáng)度，避免在銑削螺旋槽時(shí)出現(xiàn)讓刀、打刀現(xiàn)象。銑削螺旋槽時(shí)鉆桿又受到復(fù)雜的彎扭復(fù)合作用力，增加了鉆桿卸扣難度。預(yù)緊力和加工時(shí)的彎扭復(fù)合作用力共同作用，造成鉆桿卸扣異常困難。

實(shí)現(xiàn)螺旋鉆桿銑螺旋全過(guò)程自動(dòng)化的難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)鉆桿的加桿、卸桿作業(yè)自動(dòng)化。加桿要求快速擰緊鉆桿后還需進(jìn)行預(yù)緊作業(yè)，卸桿要求松扣扭矩大。根據(jù)加桿和卸桿作業(yè)的特點(diǎn)對(duì)自動(dòng)擰卸步驟進(jìn)行分解，確定加桿作業(yè)步驟為上扣和預(yù)緊，卸桿作業(yè)步驟為松扣和卸扣。預(yù)緊和松扣需要大扭矩，上扣和卸扣需要速度快。加桿與卸桿過(guò)程恰好相反，區(qū)別在于松扣的扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于預(yù)緊扭矩，由于加桿裝置與卸桿裝置原理相同，因此只需設(shè)計(jì)一種裝置即可。卸桿裝置包括松扣器與卸扣器，兩者相互配合進(jìn)行快速卸桿。鉆桿松扣器主要負(fù)責(zé)將鉆柱上已加工完成的螺旋鉆桿進(jìn)行松扣，具有強(qiáng)大的卸扣能力。鉆桿卸扣器主要用于快速卸鉆桿作業(yè)，確保被松扣后的螺旋鉆桿能快速被擰卸，本文主要闡述鉆桿松扣器的研制。

1 鉆桿松扣器整體結(jié)構(gòu)

鉆桿松扣器主要由機(jī)架、前夾緊裝置、后夾緊裝置和卸扣裝置這四大部分組成。鉆桿進(jìn)行松扣時(shí)，需要前夾緊裝置和后夾緊裝置進(jìn)行協(xié)調(diào)配合完成松扣動(dòng)作，其中前夾緊裝置主要負(fù)責(zé)夾緊前端螺旋鉆桿，確保在松扣時(shí)前端螺旋夾緊穩(wěn)固牢靠，不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；后夾緊裝置主要負(fù)責(zé)為松扣動(dòng)作提供動(dòng)力，在松扣時(shí)一方面要求后端螺旋鉆桿被牢牢夾住，不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，另一方面要求松扣油提供充足的卸載力， 確保鉆桿被擰開，實(shí)現(xiàn)鉆桿松扣。經(jīng)過(guò)前夾緊裝置和后夾緊裝置協(xié)同作業(yè)，完成鉆桿松扣動(dòng)作。鉆桿松扣器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-機(jī)架；2-后夾支撐板；3-后夾下夾緊支座；4-后夾下卡瓦；5-后夾上卡瓦；6-后夾上夾緊支座；7-后鉆桿；8-前夾下夾緊支座；9-前夾下卡瓦；10-前夾上夾緊支座；11-前夾夾緊油缸；12-前夾上卡瓦；13-前夾支撐板；14-前鉆桿；15-銷軸；16-后夾夾緊油缸；17-油缸座；18 -松扣傳扭支架；19-后夾松扣油缸；20-松扣油缸座圖1 鉆桿松扣器整體結(jié)構(gòu)

前夾緊裝置主要由支撐板、上夾緊支座、下夾緊支座、上卡瓦、下卡瓦、夾緊油缸組成，支撐板下端與機(jī)架緊固連接，中間與上、下夾緊支座通過(guò)銷軸連接，上、下支座相對(duì)支撐架的銷軸孔進(jìn)行自由轉(zhuǎn)動(dòng)；上、下支座一端與上、下卡瓦緊固連接，另一端與夾緊油缸相連，當(dāng)夾緊油缸伸張時(shí)，通過(guò)上、下支座將夾緊力傳遞到上、下卡瓦上，夾緊鉆桿。

后夾緊裝置與前夾緊裝置結(jié)構(gòu)基本相似，不同在于后夾緊裝置直接和松扣裝置相連接。后夾緊裝置上夾緊支座、下夾緊支座通過(guò)銷軸與松扣傳扭支架相連，松扣傳扭支架可在支撐架上沿鉆桿軸線旋轉(zhuǎn)，其端部與松扣油缸相連，可將松扣力矩通過(guò)夾緊支座和卡瓦傳遞到后鉆桿上，進(jìn)行松扣作業(yè)。

2 松扣油缸與夾緊油缸的選型

2.1 松扣油缸的選型計(jì)算

螺旋鉆桿在銑削加工之前，需將每根鉆桿進(jìn)行螺紋連接，組合成一條長(zhǎng)鉆柱，實(shí)現(xiàn)螺旋鉆桿的連續(xù)銑削加工。在銑削時(shí)，根據(jù)螺旋槽的特點(diǎn)及生產(chǎn)設(shè)備情況，確定螺旋槽加工工藝為一次加工成型，該工藝特點(diǎn)為銑刀吃刀深，銑削加工量大。銑刀和鉆桿之間產(chǎn)生較大的切削力，容易造成兩根鉆桿接頭處發(fā)生彎曲變形，影響加工質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)打刀現(xiàn)象。為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，需在鉆桿連接時(shí)施加預(yù)緊力擰緊，提高鉆桿接頭處的剛度。鉆桿擰緊時(shí)，預(yù)緊扭矩最大為1000 N·m，在松扣時(shí)，需要施加的扭矩需大于擰緊預(yù)緊扭矩，以保證兩根鉆桿松開，相關(guān)計(jì)算見式(1)和式(2)：

Qs=kQy

(1)

式中:Qs——松扣時(shí)需要的最大扭矩，N·m；

k——安全系數(shù)，取值1.5；

Qy——預(yù)緊擰緊時(shí)最大扭矩，N·m。

FsLs=Qs

(2)

式中:Fs——松扣油缸施加的力，N；

Ls——松扣油缸軸線與鉆桿軸線之間的垂直距離，m。

預(yù)計(jì)最大扭矩Qy為1000 N·m，Ls為0.4 m，根據(jù)計(jì)算可知，松扣油缸最大推力Fs至少為3750 N,根據(jù)載荷大小和系統(tǒng)壓力來(lái)計(jì)算液壓缸內(nèi)徑見式(3)：

(3)

式中:D——液壓缸內(nèi)徑，m；

Fs——松扣油缸最大推力，kN；

P——選定工作壓力，MPa。

系統(tǒng)工作壓力選用4 MPa，經(jīng)過(guò)計(jì)算，松扣液壓缸內(nèi)徑至少為34.6 mm，經(jīng)查設(shè)計(jì)手冊(cè)，選用松扣油缸的型號(hào)為HSGL01-40/25X480-E2501，該液壓缸最大推力為5 kN。

2.2 夾緊油缸選型計(jì)算

分析夾緊機(jī)構(gòu)的組成并進(jìn)行受力分析，計(jì)算出夾緊油缸最大推力。由于上、下夾緊支座的尺寸、規(guī)格、位置均相同，且在鉆桿兩側(cè)均勻分布，所以只需分析一側(cè)的夾緊支座即可。本文以上夾緊支座為例進(jìn)行了受力分析，上夾緊支座受力分析如圖2所示。

圖2 上夾緊支座受力分析

鉆桿夾緊后，夾緊支座和鉆桿之間處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，滿足動(dòng)力平衡條件，即所有的力矩之和為零，所有的合力為零。力矩計(jì)算見式(4)：

(4)

(Fhsinθ-f=0，F(xiàn)hcosθ-F2-FT=0)

式中：FT——夾緊油缸施加的夾緊力，N；

Fh——支撐板通過(guò)銷軸對(duì)夾緊支座的支撐力，N；

FZ——鉆桿對(duì)夾緊支座的反作用力，N；

L1、L2、L3——分別為每個(gè)力對(duì)應(yīng)的力矩距離。

對(duì)鉆桿進(jìn)行受力分析，計(jì)算見式(5)和式(6)：

2fR=Qy

(5)

式中：f——鉆桿受到的摩擦力，N；

R——鉆桿半徑，m，

Qy——松扣鉆桿最大扭矩，N·m。

(6)

u——?jiǎng)幽Σ料禂?shù)，取值0.3。

(7)

式中:D——液壓缸內(nèi)徑，m；

Fs——松扣油缸最大推力，kN；

P——選定工作壓力，MPa；

系統(tǒng)工作壓力選用6.3 MPa，經(jīng)過(guò)計(jì)算，松扣液壓缸內(nèi)徑為39.6 mm，經(jīng)查設(shè)計(jì)手冊(cè)，選用松扣油缸的型號(hào)為HSGL01-40/25X320-E2501，該液壓缸最大推力為7.9 kN。

3 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證松扣作業(yè)的順利進(jìn)行，避免鉆桿表面被損傷，液壓回路對(duì)鉆桿松扣器的要求為：一是松扣油缸的伸桿和縮桿動(dòng)作在先，夾緊油缸的伸桿和縮桿動(dòng)作在后；二是夾緊油缸要求慢進(jìn)快回，以提高生產(chǎn)效率。根據(jù)鉆桿松扣器的各項(xiàng)要求，設(shè)計(jì)的液壓控制系統(tǒng)如圖3所示。

1-油箱；2-過(guò)濾器；3-安全閥；4-定量泵；5-單向閥；6-兩位四通電磁閥；7-單向順序閥(進(jìn)油)；8-松扣油缸；9-單向順序閥(回油)；10-單向減壓閥；11-前夾緊油缸；12-后夾緊油缸圖3 液壓控制系統(tǒng)

液壓控制系統(tǒng)主要由定量泵、兩位四通電磁閥、單向順序閥、單向減壓閥、安全閥、夾緊油缸和松扣油缸組成。其中兩位四通電磁閥主要完成松扣作業(yè)的動(dòng)作控制，在松扣油缸進(jìn)出油路上分別設(shè)有單向順序閥，保證松扣油缸的伸縮動(dòng)作在先和夾緊油缸的伸縮動(dòng)作在后，在夾緊油缸進(jìn)油口上設(shè)有單向減壓閥，當(dāng)夾緊油缸進(jìn)油伸桿時(shí)，可將進(jìn)油油壓降低到設(shè)定值，避免因夾持力過(guò)大造成鉆桿表面被夾傷，當(dāng)夾緊油缸回油縮桿時(shí)，夾緊油缸注入主系統(tǒng)高壓油，回油經(jīng)過(guò)單向減壓閥內(nèi)的單向閥直接進(jìn)入油箱，無(wú)負(fù)載，可以實(shí)現(xiàn)夾緊油缸快速退回。

松扣動(dòng)作步驟為：前夾緊裝置、后夾緊裝置同時(shí)對(duì)鉆桿進(jìn)行夾緊作業(yè)，待完成夾緊作業(yè)后，油路系統(tǒng)壓力開始上升，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力值時(shí)，松扣油缸開始注油、油桿伸出進(jìn)行松扣，當(dāng)松扣油缸伸張到最大位置時(shí)，松扣作業(yè)完成，前夾緊油缸、后夾緊油缸先松開，直到完全松開后松扣油缸再開始松開，完成一次松扣動(dòng)作。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的鉆桿松扣器在卸扣時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)鉆桿松扣作業(yè)的自動(dòng)化，相反，在擰扣時(shí)能對(duì)鉆桿進(jìn)行預(yù)緊，確保每根鉆桿擰緊到位和可靠連接。配合卸扣器可以實(shí)現(xiàn)鉆桿卸扣過(guò)程的全自動(dòng)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)控螺旋鉆桿銑削加工螺旋槽過(guò)程和擰卸鉆桿的全自動(dòng)化。鉆桿松扣器不僅提高了鉆桿銑削螺旋槽的加工效率，而且降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。