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1、全液压坑道钻机动力头液压卡盘设计探讨煤炭科学研究总院重庆分院李华甫张凌摘要介绍了国内外全液压钻机动力头常用的几种液压卡盘的工作原理及使 用情况 ,对碟形弹簧式液压卡盘 、 油缸式液压卡盘和胶筒式液压卡盘的结构 、 设计特 点及其优缺点作了分析比较 ,并在 ZSM - 250 型顺层强力钻机的动力头液压卡盘结 构设计中 ,采用了油缸式液压卡盘 。 关键词液压钻机动力头液压卡盘设计2 . 2结构介绍及分析 (1) 碟形弹簧式液压卡盘 ( 图 1) 一般由 多片碟簧组合而成 ,多用于横向尺寸小 ,传递 扭矩和推力较小的工况 。碟形弹簧 2 在安装 预紧力的使用下推动滑套 4 作轴向运动 ,使 卡瓦
2、6 在滑套斜槽带动下作径向运动夹紧钻 杆 8 。当油缸壳体 10 内输入压力油后 ,推动1概述动力 头 是 滑 台 式 全 液 压 钻 机 的 核 心 部 分 ,液压卡盘是动力头上的一个关键部件 ,它 对能否把液压马达的扭矩和油缸的推力传递 给钻杆起着重要的作用 。 液压卡盘一般用于钻孔倾角较小的全液 压钻机的中空动力头前部 ,卡盘壳体的大小 由中空 轴 直 径 确 定 。一 般 在 设 计 液 压 卡 盘 时 ,使用的钻杆直径规格不能太多 ,否则随卡 盘中卡瓦的径向移动尺寸的增大 ,导致液压 卡盘的外形尺寸加大 。如果采取更换卡瓦来 满足不同直径的钻杆 ,液压卡盘就要经常拆 装 ,将影响钻机
3、的使用性能 ,因此 ,液压卡盘 的设计既要保证可靠的夹紧和拆装方便 ,又 要尽量缩小外形尺寸 。2 常用液压卡盘的结构及性能分析图 1 碟形弹簧式液压卡盘结构示意图 中空轴 ;2 碟形弹簧 ;3 卡盘壳体 ;4 滑套 ; 5 轴承 ;6 卡瓦 ;7 内端盖 ;8 钻杆 9 油缸活塞 ;10 油缸壳体2 . 1工作原理 滑台式全液压钻机动力头常用的液压卡 盘有碟形弹簧式 、 油缸式和胶筒式三种结构 。 碟形弹簧式和油缸式液压卡盘是靠碟形弹簧 或油缸推动中空轴上的滑套作轴向运动 ,从 而压缩镶嵌在中空轴上的卡瓦作径向移动夹 紧钻杆 。碟形弹簧式卡盘一般为液压松开常 闭式结构 。胶筒式液压卡盘是靠胶
4、筒变形推 动卡瓦作径向移动来夹紧或放松钻杆 。不管 哪种卡盘 ,夹紧时 ,都不允许钻杆在正 、 反旋 转和推进 、 退回时打滑 。 30 活塞 9 向左运动 ,松开钻杆 。 碟簧式液压卡盘零件较多 ,结构复杂 ,易 损件卡瓦和其他零件的更换检修比较麻烦 , 尤其是拆卸卡盘油缸 、 内端盖等零件更是费 时费劲 。由于卡盘的中空轴 1 与卡瓦间存在 缝隙 ,打钻时水和泥砂易进入卡盘内部 ,长时 间使用对轴承 5 、 活塞 9 及其他零件都有较 大磨损 ,是影响卡盘使用性能和卡盘漏油的COALEN GIN EERNo . 21998煤炭工程师 1998 年第 2 期重要因素之一 。由于卡盘中的碟簧在
5、工作中 反复伸缩 ,在预紧力较大的情况下 ,碟簧易疲 劳破坏 。要增大该种卡盘的夹紧力 ,就需增 大碟簧的外形尺寸 ,以便增大预紧力 ;但松开 钻杆时 ,进入油缸壳体的油压力也要随之增 大 ,或者油压力不增大 ,必须增大活塞的外形 尺寸 ,因此 ,碟簧式液压卡盘多用于小扭矩工 况 。 卡盘经常在机架滑道上往返运动 ,与之 联接的胶管越少越好 。碟簧式卡盘在传递小 扭矩工况下 ,由于预紧力小 ,液压系统的工作 压力较低 ,与油缸式卡盘相比 ,液压系统较简 单 ,使用 的 胶 管 较 少 , 在 此 方 面 具 有 其 优 越 性 。 (2) 油缸式卡盘结构见图 2 。卡盘壳体 1 两侧的夹紧油缸
6、 7 伸缩带动滑套 3 轴向运通过中空轴和卡瓦间的缝隙进入卡盘壳体内 腔时 ,对卡盘的使用性能影响较小 。但油缸 式卡盘使用的胶管较多 ,动力头在机架滑道 上往返运动时会受到影响 ; 这种两支夹紧油 缸平行于主轴放置 ,卡盘的横向尺寸比碟簧 式和胶筒式宽得多 ,主机的外形尺寸增大 ,用 于传递小扭矩的工况显然不太合理 。 (3) 胶筒式液压卡盘 ( 图 3) 内部结构紧 凑 ,在传递同等扭矩和推力的情况下 ,卡盘外 形尺寸较小 。当输入高压油后 ,胶筒 4 变形 , 迫使卡瓦 5 作径向运动夹紧钻杆 ; 液压系统 卸压后 , 卡 瓦 在 弹 簧 6 的 作 用 下 松 开 钻 杆 。 由于这种
7、卡盘是靠胶筒变形来推动卡瓦夹紧 钻杆 ,因此液压系统的工作压力比碟簧式和图 3 胶筒式液压卡盘结构示意图O 型密封圈 ;2 柱销 ;3 后盖 ;4 胶筒 ;5 卡瓦 ;6 弹簧 ;7 前盖 ;8 卡盘体油缸式高得多 ,对卡盘的密封件要求和胶管 选用更严格 。 卡盘与主轴是通过螺纹及柱销 2 连接 , 装配时若主轴上供油口与卡盘输入油口 1 、 后盖 3 油口与卡盘体 8 上的油口发生对中偏 差就会漏油 ,在此卡盘与动力头连接和卡盘 内部零件拆卸时 ,对装配质量要求较高 。卡 盘内有 4 块卡瓦镶嵌其间 ,每对卡瓦上还放 有 5 个压缩弹簧 ,结构较复杂 ,更换零件极不 方便 。尤其当压缩弹簧内
8、充满泥砂后 ,弹簧 的压缩变形会受到影响 ,容易导致卡瓦不能 松开或夹紧钻杆 。3夹紧力计算图 2 油缸式液压卡盘结构示意图1 卡盘壳体 ;2 轴承 ;3 滑套 ;4 中空轴 ;5 钻杆 ;6 卡瓦 ;7 油缸动 ,卡瓦 6 在滑套斜槽的作用下作径向运动 夹紧或放松钻杆 5 。该种卡盘结构简单 , 零 件少 ,除一对轴承外 ,拆下端盖 ,取出滑套即 可更换易损件卡瓦和其它零件 。油缸式卡盘 可用提高油压力或增大夹紧油缸直径增大卡 瓦的夹紧力 ,同时夹紧油缸的压力在蓄能器 的稳压作用下 ,可保持卡盘有比较稳定的夹 紧压力 ,因而它适用于用在大扭矩工况的钻 机上 。 油缸式卡盘内部没有油缸 ,当泥
9、砂和水3 . 1碟形弹簧式卡盘夹紧力及预紧力计算31 COALEN GIN EERNo . 21998煤炭工程师 1998 年第 2 期碟簧推力转换在卡瓦上的正压力为 :F = P S , N P 液压系统工作压力 ,M Pa ;S 油缸活塞面积 ,mm2 。N = Q ,N式中t g (+ ) 式中Q 碟簧推力或预紧力 ,N ; 卡瓦斜面倾角 , () ; 卡 瓦 和 滑 套 之 间 的 当 量 摩 擦 角 , () 。 卡盘传递的扭矩为 :M = f N R ,N1m油缸推力 F 转换在卡瓦上的正压力为 : 2 FN = t g (+ ) ,N式中 卡瓦斜面倾角 , () ; 卡瓦 和 滑
10、 套 间 的 当 量 摩 擦 角 , () 。 卡盘传递的扭矩和推力的计算与碟形弹 簧卡盘同 。式中f 卡瓦与钻杆间的摩擦系数 ;R 钻杆半径 ,m 。 卡盘传递的推力为 :T = f N , N 以 Z YY - 150 型全液压钻机为例 ,液压 卡盘传递的最大扭矩为 700N . m , 中空轴内 径 52 mm ,外径是 90 mm ,通过更换卡瓦来夹 紧42 和 50 两种不同直径的钻杆 。为了 满足滑套轴向移动和卡瓦径向移动距离 ,经 计算选择碟簧参数为 : 9 片组合的 A 型碟形 弹簧 , 外径 D = 180 mm 、 外径 d = 91 . 2 mm 、 自由高度 H = 1
11、2 . 4 mm 、 厚度 = 7 mm ,在卡 盘中采用对合装配 。卡瓦径向运动到直径为 38 mm 时的安 装预紧力为 :3 . 3胶筒式液压卡盘夹紧力计算 胶筒变形后作用于卡瓦的正压力为 :N = D L P ,N 式中D 胶筒受压直径 ,mm ;L 胶筒受压长度 ,mm ;P 液压系统工作压力 , Pa 。 卡盘传递的扭矩和推力的计算与碟形弹 簧式卡盘相同 。4应用ZSM - 250 型顺层强力钻机是新研制的 矿用 钻 机 , 其 动 力 头 卡 盘 传 递 的 扭 矩 为 2 500Nm , 中 空 轴 外 径 125 mm , 内 径 65 mm , 更换 不 同 规 格 的 卡
12、瓦 , 可 用 于 夹 紧 50 和 63 的钻杆 。通过对多种液压卡盘的分析研 究 ,结合强力钻机具有较大扭矩的特点 ,该钻 机液压卡盘的设计采用了油缸式结构 。油缸 式液压卡盘还有主轴中心线距拖板表面高度 较低的优点 ,相应的翻转扭矩则小 。 在大扭矩工况下 ,设计液压卡盘首先应 保证卡瓦对钻杆长时间的稳定夹紧 ,不得有 打滑现象 ,即可靠性 ; 其次 ,设计液压卡盘应 考虑各零部件相互装配的操作难度 、 易损件 及卡瓦更换的方便性 ; 为了减少泥砂对卡盘 内部零件的磨损 ,延长卡盘的使用寿命 ,其内 部零件应减少 ,即减少出故障的环节 。ZSM - 250 型顺层强力钻机正是基于上述考虑
13、 , 在其横向宽度尺寸对整机性能没有较大影响 的情况下 ,卡盘的结构设计采用了油缸式液 压卡盘 。 (收稿日期 1997 - 09 - 29 ;责任编辑 张捷荣)F13 h0 -f 1h0 - 0 . 5 f 1Q 1 = D2 + 1 9 . 8 , N 式 中f 1 卡 瓦 径 向 运 动 到 直 径 为 38 mm 时单片碟簧变形 , f 1= ( 9 H - A ) / 9 ,mm ;h0 无 支 承 面 单 片 碟 簧 极 限 变 形 , H0 H - ,mm ; 辅助值 (查表获得) ,mm2 / N ; A 9 片 碟 簧 的 安 装 尺 寸 , A =93 mm 。计算得 : Q 1 = 38 090N , f 1 = 2 . 066 mm 。 用同样方法可以计算出卡瓦径向运动到 直径为 42 mm 和 45 mm 时的预紧力 Q 2 、Q 3 及单片碟形弹簧变形 f 2 、f 3 的值为 : Q 2= 58 460N , F2 = 3 . 6 478 mm ; Q 3 = 71 040N ,f 3 = 4 . 833 mm 。3 . 2油缸式液压卡盘的夹紧力计算 油缸推力为 :32
