全液压钻机夹持器的设计与分析

　　收稿日期 : 2005 - 10 - 09 　　作者简介 : 凡 　东 (1980 - ) , 男 , 湖北枣阳人 , 2003 年毕业于中国地质大学机械设计制造及自动化专业 , 主要从事钻 探机具的研制开发工作。 全液压钻机夹持器的设计与分析 凡 　东 , 庞海荣 , 姚亚峰 (煤炭科学研究总院 西安分院 , 陕西 西安 　710054) 　　摘 　要 : 文章叙述了几种常见的全液压钻机液压夹持器的类型、结构及其工作原理 , 并对 M K - 3 型全液压钻机采用的复合式液压夹持器的主要参数选择和设计计算作了详细地介绍。 　　关键词 : 夹持器 ; 复合式 ; 夹持力 　　中图分类号 : TG757 　　文献标识码 : B 　　文章编号 : 1671 - 0959 (2006) 0520009202 　　全液压动力头式钻机通常都设有夹持器 , 其目的是用 于夹持孔内钻具 , 防止孔内钻具滑移 , 必要时还可与动力 头配合进行钻杆的自动拧卸。液压夹持器因其与系统匹配 简单、使用安全方便、夹紧力大等特点被广泛采用。液压 夹持器的设计也就成为钻机设计的重要组成部分 , 其性能 的好坏将直接影响到钻机整机的性能、钻进效率以及钻孔 质量等。本文结合“M K - 3 型全液压钻机改造”项目对复 合式液压夹持器进行了研究。 1 　液压夹持器的分类及特点 常用的液压夹持器主要可分为常闭式、常开式和复合 式等类型。 111 　常闭式夹持器 常闭式夹持器靠弹簧的预紧力夹紧钻具 , 油压松开 , 在不工作时 , 处于夹紧钻具状态 , 常用在钻进大角度倾斜 孔的钻机上。 一组经过预压缩的弹簧作用在斜面 (如图 1 卡瓦座)或杠 杆等增力机构上 , 使卡瓦座产生轴向移动 , 带动卡瓦径向移 动 , 夹紧钻具 ; 高压油进入卡瓦座与外壳形成的油缸 , 进一 步压缩弹簧 , 使卡瓦座和卡瓦产生反向运动 , 松开钻具。 1 —外壳 ; 2 —卡瓦座 ; 3 —卡瓦 ; 4 —碟形弹簧 ; 5 —主轴 图 1 　斜面增力常闭式夹持器 　　此类夹持器结构紧凑、工作可靠、夹持力取决于弹簧 预紧力不受油压变化的影响。可在突然停电时实现快速、 可靠地夹紧钻具 , 防止跑钻事故。 112 　常开式夹持器 常开式夹持器一般采用液压夹紧、弹簧松开的方式 , 在不工作时处于松开状态。这种夹持器结构与常闭式夹持 器相似 , 不同的是弹簧和油缸使卡瓦产生的运动方向与常 闭式相反。 夹持器靠油缸的推力产生夹持力 , 油压的下降将直接 引起夹持力的下降 , 一般需在油路上设置性能可靠的液压 锁来保持压力。 113 　复合式夹持器 所谓复合式夹持器就是将常闭式夹持器与液压夹紧、 弹簧松开式夹持器巧妙地结合在一起 , 见图 2。其工作原理 是利用压缩弹簧的预紧力来克服钻具自重 , 主油缸松开夹 持器。当高压油进入主油缸 , 推动主油缸缸体 4 向右移动 , 通过顶柱 5 将力传给右卡瓦座 9 , 碟簧 11 被进一步压缩 , 右卡瓦座右移 ; 同时 , 在圆柱弹簧 15 的作用下 , 左卡瓦座 左移 , 松开钻具。弹簧的预紧力和副油缸的合力来克服钻 具自重与钻机转矩的合力。副油缸在油路上与动力头反转 相连 , 当钻机反转拧卸钻具时 , 高压油同时进入副油缸 , 副油缸活塞 12 对右卡瓦座产生推力 , 与压缩的碟簧共同夹 紧钻具。 复合式夹持器开口量大、开启压力低、体积小、结构 简单、性能可靠、并且也可以实现突然断电时夹紧钻具。 2 　复合式夹持器的设计与分析 M K系列全液压钻机是具有通孔式结构和自动拧卸钻 杆等功能的坑道钻机 , 主要应用于煤矿钻进瓦斯抽放孔。 瓦斯抽放孔大多为倾角向上的钻孔 , 为防止停电时跑钻事 故 , 通孔式钻机应设置具有常闭式结构的夹持器。为钻机 自动拧卸钻杆时保证可靠的夹紧钻杆 , 需采用增大常闭式 7 　2006 年第 5 期 　　　　　　　　　煤 　炭 　工 　程 　　　　　　　　　　设计技术 　 1 —螺栓 ; 2 —螺母 ; 3 —主油缸活塞 ; 4 —主油缸缸体 ; 5 —顶柱 ; 6 —插销 ; 7 —左卡瓦座 ; 8 —卡瓦 ; 9 —右卡瓦座 ; 10 —碟簧套 ; 11 —碟簧 ; 12 —副油缸活塞 ; 13 —副油缸缸体 ; 14 —导轨 ; 15 —圆柱弹簧 ; 16 —限位套 图 2 　复合式夹持器 夹持器的夹紧力或增设副油缸的方式。但过大的夹紧力造 成常闭式夹持器的结构尺寸过大 , 因此在 M K - 3 型全液压 钻机改进设计过程中 , 我们采用复合式夹持器取代常闭式 夹持器 , 以下对此作详细的介绍。 211 　夹持能力的计算 夹持器的负载为钻具自重、钻机转矩或钻具自重与钻 机转矩的复合作用。 21111 　钻具自重 G = qlg (1) 式中 　q ———每米钻杆的质量 , q = 6156kg/ m ; 　l ———钻杆的长度 (钻孔的深度) , l = 150m ; 　g ———重力加速度 , g = 918N/ kg ; 将数据代入式 (1)求得 : G = 916kN。 21112 　克服钻具自重所需夹持力 F1 = Gsinα/ (2 f ) (2) 式中 　f ———夹持器卡瓦与钻杆间的摩擦系数 , f = 0125 ; 　α———钻孔倾角 , α= ±90°; 将数据代入式 (2)求得 : F1 = 1819kN。 21113 　克服钻机转矩所需夹持力 F2 = M/ ( f d) (3) 式中 　M ———钻机的最大输出扭矩 , M = 650N·m ; 　d ———钻杆直径 , d = 42mm ; 将数据代入式 (3)求得 : F2 = 5116kN。 21114 　同时克服钻具自重和钻机转矩所需夹持力 F3 = F 2 1 + F 2 2 (4) 将数据代入式 (4)求得 : F3 = 5419kN。 212 　选取弹簧及确定开口量 复合式夹持器利用弹簧的预紧力来克服钻具自重 , 因 此弹簧的预紧力必须大于克服钻具自重所需的夹持力 ; 但 过大的弹簧的预紧力会造成夹持器的最低开启压力高 , 因 此弹簧的预紧力不应过大。开口量即弹簧的总变形量 , 开 口量大容易通过钻杆 , 减小钻杆和卡瓦的磨损 ; 但开口量 过大使得结构尺寸增大 , 因此必须根据需要选取合适的开 口量。 213 　主油缸面积及最低开启压力的确定 pmin = 4 P1 πD21 + P0 D 2 2 D21 式中 　D1 、D2 ———夹持器主、副油缸活塞直径 , D1 = 110 , D2 = 70mm ; 　p0 ———系统背压 , p0 = 015MPa ; 　P1 ———碟形弹簧预紧力 , P1 = 22138kN。 主油缸在油压的作用下进一步压缩碟簧 , 打开夹持器。 考虑到最低开启压力 , 主油缸选用 <110mm 柱塞缸 , 最低 开启压力为 2156MPa。 214 　副油缸面积及最大夹持力的确定 在拧卸钻具时 , 夹持器的副油缸和碟形弹簧同时工作 , 其最大夹持力 : Fmax = πD22 4 ·pmax - πD21 4 ·p0 + P1 式中 　D1 、D2 ———夹持器主、副油缸活塞直径 , D1 = 110 , D2 = 70mm ; 　pmax ———钻机的额定工作压力 , pmax = 16MPa ; 　p0 ———系统背压 , p0 = 015MPa ; 　P1 ———碟形弹簧工作点的作用力 , P1 = 22138kN。 弹簧的预紧力和副油缸的合力来克服钻具自重与钻机 转矩的合力 , 副油缸面积越大夹持力就越大 ; 但副油缸面 积越大 , 最低开启压力越大。考虑到以上因素 , 副油缸选 用 <70mm 柱塞缸 , 最大夹持力 Fmax = 79121kN。 215 　结构设计 碟簧套不仅可以起到防尘、储黄油的作用 , 而且可以 对主油缸进行限位 , 防止压并碟簧。 调节螺栓上的螺母 , 可调节碟簧预紧力的大小 , 并可 对卡瓦和钻杆的磨损进行补偿。 卡瓦装卸方便快速 , 卸掉卡瓦后夹持器可以通过粗径 钻具。 夹持器可以在导轨上左右自由滑动 , 可以起到自动定 心和减小卡瓦和钻杆的磨损的目的。 3 　结 　语 实践证明复合式夹持器结构紧凑合理 , 实用可靠 , 起 下钻具速度快 , 在煤矿井下突然断电时可以有效地避免跑 钻事故 , 特别是在钻机反转拧卸钻杆时 , 夹持力大的优点 十分突出 , 完全满足 M K - 3 型全液压钻机的性能及煤矿瓦 斯抽放孔的钻进工艺要求。 参考文献 : [1 ] 　冯德强. 钻机设计 [ M ] . 武汉 : 中国地质大学出版社 , 1993. [ 2 ] 　韩广德. 中国煤炭工业钻探工程学 [ M ] . 北京 : 煤炭工业 出版社 , 2000. (责任编辑 　郑燕凌) 8 　 设计技术 　　　　　 　　　　　煤 　炭 　工 　程 　　　　　　　　 　2006 年第 5 期