一种液压夹持器的设计与分析

一种液压夹持器的设计与分析

【摘要】文章叙述了一种全液压钻机液压夹持器结构及其工作原理，并对液压夹持器的主要参数选择和设计计算作了详细介绍。

【关键词】夹持器夹持力分析计算

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“ZTY80型机载液压探测钻机”项目对液压夹持器进行了研究。

1 液压夹持器的结构特点

液压夹持器结构紧凑、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。

1.1 液压夹持器的结构组成

由于碟形弹簧具有结构紧凑、加压均匀以及独特的非线性特性等特点，本文提及的液压夹持器采用碟形弹簧式结构，为液压松开常闭式结构。液压夹持器由端盖、蝶形弹簧、活塞杆、密封圈、导向环、壳体、导向键、楔形键和卡瓦等组成，见图1。

1.2 液压夹持器的工作原理

当壳体6给油压时，活塞杆3在压力油的推动下带动楔形键8和卡瓦9向外移动（由于导向键7的作用，活塞杆3只能轴向移动，不能圆周转动），此时孔口变大，蝶形弹簧2呈压缩状态；放入钻具，停止给压，在蝶形弹簧2的弹力作用下推动活塞杆3向内移动，实现卡瓦9夹紧钻具。

夹持器开启压力低、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 液压夹持器的设计计算

ZTY80型机载液压探测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。

2.1 加持力的计算

夹持器的加持力F为钻具自重、钻机转矩或钻具自重与钻机转矩的复合作用。

（1）钻具自重

G=qlg （1）

式中：q——每米钻杆的质量，q=6.56kg/m；

l——钻杆的长度（钻孔的深度），l=100m；

g——重力加速度，g=9.8N/kg；

将数据代入式（1）求得：G=6.4kN

（2）克服钻具自重所需加持力

F1=Gsinα/（2f）（2）

式中：f1——夹持器卡瓦与钻杆间的摩擦系数，f1=0.3；

α——钻孔倾角，α=±90°；

将数据代入式（2）求得：F1=10.6kN

（3）克服钻机转矩所需夹持力

F2=M/（f1d1）（3）

式中：M——钻机的最大输出扭矩，M=800N·m；

f1——夹持器卡瓦与钻杆间的摩擦系数，f1=0.3；

d1——钻杆直径，d1=50mm；

将数据代入式（3）求得：F2=53.3kN

（4）同时克服钻具自重和钻机转矩所需夹持力

F3= （4）

将数据代入式（4）求得：F3=54.3kN

通过上述计算，取夹持器的加持力F=54.3kN

2.2 蝶形弹簧的设计计算

蝶形弹簧的设计计算先确定碟形弹簧的组合形式，液压夹持器一般采用对合组合，按碟的轴向推力F，夹紧时的总变形量fz（按径向位移定）及钻杆直径等进行设计计算。

（1）选择碟簧系列及组形式合

选择碟簧为A系列，材料为60Si2MnA，尺寸型号为D125×d64×t8，采用对合组合。

（2）计算碟簧压平时的载荷Pc

Pc= （5）

式中：Pc——压平时的蝶形弹簧载荷，N；

t——碟簧厚度，t=8mm；

D——蝶形弹簧外径，D=125mm；

d——蝶形弹簧内径，d=64mm；

h0——蝶形弹簧压平时的变形量，h0=2.6mm；

E——弹性模量，E=2.06×105MPa；

——泊松比，=0.3；

K1——计算系数，K1=0.686；

K4——计算系数，K4=1；

将数据代入式（5）求得：Pc=112kN

（3）计算夹紧时的载荷与压平时的载荷比q

q=P/Pc （6）

式中：P——夹持器夹紧时碟簧的载荷，P=F=54.3kN；

Pc——碟簧压平时的载荷，Pc=112kN；

将数据代入式（6）求得：q=0.48

（4）计算夹紧时单片碟簧的变形量f

由上述计算求得：h0/t≈0.4，P/Pc=0.48

查机械设计手册第五版第3卷蝶形弹簧图11-6-2得：f/h0=0.47

求得单片碟簧的变形量f=1.2mm

（5）根据fz/f，计算出对合组合的片数i并圆整

fz=if （7）

式中fz——夹紧时的总变形量，fz初取5mm；

将数据代入式（7）求得：i=4.1

圆整后对合组合碟簧的片数i取4，则实际总变形量fz为4.8mm

（6）确定碟簧的开口量

开口量即夹持器打开时碟簧的总变形量fz1，开口量大容易通过钻杆，减小钻杆和卡瓦的磨损；但开口量过大使得夹持器结构尺寸增大，开启压力增大，因此必须根据需要选取合适的开口量。

ZTY80型机载液压探测钻机的钻杆直径d1=50mm，夹紧钻杆时总变形量fz=4.8mm，因此碟簧自由状态时卡瓦的直径d2=40.4mm，为了方便钻杆的取出，夹持器打开时卡瓦的直径设定为d3=53mm。

fz1=（d3-d2）/2 （8）

将数据代入式（8）求得：fz1=6.3mm，则此时单片碟簧的变形量f〃=1.6mm

（7）夹持器打开时碟簧的载荷P〃计算

P〃= （9）

将数据代入式（9）求得：P〃≈70kN

2.3 油缸最低开启压力计算

Pmin= （10）