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1、KY-250D 牙轮钻机液力大钳受力分析及改进措施曾汉东（大冶有色金属股份有限公司铜山口铜矿机动能源部，湖北黄石 435122）【摘 要】 通过对 KY-250D 牙轮钻液力大钳在实际使用过程中打滑和啃钻具的原因进行分析，提出了改进措施。【关键词】液力大钳 卡爪 改进措施1、前言铜山口铜矿是大冶有色金属股份有限公司的主要生产矿山之一，露天采场的穿孔作业主要采用 KY-250 型和 YZ-35 型牙轮钻。2010年初，我矿从南昌凯马有限公司购进一台 KY-250D 型牙轮钻机，穿孔直径 250 毫米，标准孔深 17.5 米。为了实现钻具的自动拆卸，减轻工人劳动强度，该机配备了一台液力大钳，安置在
2、钻架小平台上，替代了原来依靠人工操作的 B 型吊钳，进一步实现了机械化操作。由于钻具经过长期旋转工作后，钻具的联接螺纹扣拧的太紧，以致在卸钻具时，仅仅依靠回转小车自身的动力根本无法松卸螺纹扣，此时可借助于液力大钳进行辅助卸扣。但是，在实际使用中，该装置有时不能很好地完成卸扣作业，主要表现为：1）大钳打滑，不能松开钻具；2）卡爪啃钻具，造成钻杆损伤。根据以上现象，有必要对液力大钳的受力情况进行分析，以便拿出改进措施，更好的发挥其使用功能。2、液力大钳的机械构造液力大钳由支座 1、大臂 2、转臂 3、钳臂 4、卡爪 5 及三个油缸组成（见图 1） ，通过各部件的相互配合，使卡爪能够将钻杆可靠锁住并
3、旋转，完成卸扣作业。3、 液力大钳的液压控制大钳由安置在司机室内的手动阀远程操作，在液压系统中为大钳的三个油缸共设置了 4 个顺序阀，分别控制三个油缸的动作顺序（见图 2） 。其工作原理是：当操纵杆前推时，A 腔进油，首先由大臂油缸将大钳移到钻孔中心，使卡钳 5 中的两个卡爪与钻杆靠紧；然后当系统压力上升到 8MPa 时，顺序阀 A 联通，使抱紧油缸动作，推动钳臂 4 将钻杆抱紧；最后当系统压力上升到 1217MPa 时（实时调整） ，顺序阀 B 联通，使卸扣油缸推动转臂 3 绕钻具中心旋转，依靠三个卡爪与钻具之间的摩擦力，将螺纹松开。螺纹松开后将操纵杆向后拉，B 腔进油，抱紧油缸活塞杆首先缩
4、回，松开卡爪，然后当系统压力上升到 8MPa 时，顺序发 C 联通，卸扣油缸收回，最后当系统压力上升到 10MPa 时，顺序阀 D 联通，大臂油缸活塞杆缩回，大钳退回原位，完成一个动作循环。4、液力大钳完成作业的力学分析从以上工作原理中可以看到，要使液力大钳能将钻具的连接螺纹顺利松开，关键取决于两点：一是卸扣油缸 B 的推力与转臂产生的转动扭矩 M1不小于使钻具螺纹松开的最小扭矩 Mf；二是卡爪与钻具表面的摩擦力矩 M2不小于使钻具螺纹松开的最小扭矩 Mf。即：M1M fM2M f由图 3 可见：M1F 1L1PA L1根据杠杆的平衡原理：F2L2-N2L30N2F 2L2/L3抱杆摩擦力 F
5、fN 2（0.15）因此：M 2F fDPA L2/L3D式中：P油压力A油缸活塞面积，根据实际测量，A =12271mm2、A =20096 mm2由液压原理图可见，卸扣油缸即将动作时：M1=PA L1=P12271554=6798P (Nm)M2=PA L2/ L3D=0.15P20096208/225219=610P (Nm)由此可见：转动扭矩 M1远大于抱杆的摩擦力矩 M2。因此，要使大钳正常作业，只要满足 M2M f，即：Mf610P (Nm)Mf主要由螺纹旋合所产生。钻杆接头螺纹是圆锥螺纹，其最佳旋合位置应是内外螺纹基面重合时，两者端面贴紧。由于钻杆存在一定的加工误差与变形，特别是
6、钻机工作一段时间后，在轴压及小车扭矩的作用下，螺纹的旋合力矩很大。根据经验数据，一般 Mf不大于回转小车最大回转扭矩的 60%，KY-250D 钻机的最大回转扭矩为15000Nm，所以一般 M f9000 (Nm)可得系统压力 P9000/610=14.75 MPa因此，可将系统压力设定为 P=1217MPa，具体可根据实际情况调定。5、 卡爪啃钻具的力学分析在液力大钳的实际卸扣作业中，经常由于卡爪不能可靠地将钻杆锁住而造成打滑，从而造成对钻杆的损伤。设系统压力调定为17MPa，由上述分析可知，作用在单个卡爪上的正压力 N=PA L2/ L3= 1720096208/225=315820 N=
7、31582 kg根据零件尺寸，单个卡爪的接触面积为 A=18 cm 2那么作用在钻杆表面的压强 =N/A=1754.5 kg/cm 2钻杆材质为 35CrMo，其抗压屈服强度 s=5000 kg/cm2可见钻杆的抗压强度是足够的。但是，实际使用中，液力大钳的三个卡爪形成的圆及其与钻杆中心的重合度是有误差的，且卡爪与钻杆的接触面为平面，因此卡爪与钻杆的接触并不均匀，当接触面积小于 35%时：=N/（A*35）=5013 kg/cm 2 s此时就发生卡爪啃钻具的现象。6、 防止大钳打滑或啃钻具的改进措施通过以上分析，我们了解了液力大钳打滑及啃钻具的原因，在牙轮钻的实际使用中，我们采取了以下几点改进
8、措施，液力大钳的使用情况有了明显改善：1）对液压大钳的各部位进行调整，组装时严格按要求找准钻具中心，确保钳口工作时与钻具同轴；2）改变卡爪的结构形式，将卡爪与钻杆的接触面加工成弧面，保证其与钻杆能够良好地接触，增大受力面积，从而提高钻杆表面抗压强度；3）在钻杆的组装时，根据情况在钻杆间加一 1.52mm 的钻杆垫片（Q235 材料） 。钻杆回转中，如果主要靠螺纹受力，而不是靠螺纹端面受力，就会越拧越紧，导致螺纹变形、卸扣困难，加上垫片后可以很好地解决这一问题；4）根据实际使用情况合理的调节顺序阀 B 的设定压力，在确保卸扣扭矩的前提下，适当调低顺序阀 B 的设定压力。7、 结论实践证明，通过一年多的实际应用，对液力大钳的技改措施是可行的，作业更加可靠，功效大大提高，降低了劳动强度，提高了机械化作业水平，为以后同类的技改创新积累了宝贵的经验。作者简介：曾汉东（1968- ） ，男，助理工程师，现从事机械设备及技术管理工作。单位：大冶有色金属股份有限公司铜山口铜矿邮编：435122通讯地址：湖北省大冶市陈贵镇铜山口大冶有色铜山口铜矿机动能源部联系电话：13451074345邮箱：
