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        新型高可靠性液壓卡盤及其控制油路的設計

        2016-07-09 06:30:42呂晉軍辛德忠
        制造業(yè)自動化 2016年5期

        呂晉軍,辛德忠

        (1.中煤科工集團重慶研究院,重慶 400039;2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室,重慶 400039)

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        新型高可靠性液壓卡盤及其控制油路的設計

        呂晉軍1,2,辛德忠1,2

        (1.中煤科工集團重慶研究院,重慶 400039;2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室,重慶 400039)

        摘 要:液壓夾緊卡盤夾緊力大,結構緊湊,特別適用于大直徑深孔鉆機。但現有液壓夾緊卡盤保壓能力弱,易打滑,可靠性低,難以長時間無故障使用。為了滿足大直徑深孔鉆機發(fā)展的需求,通過對現有液壓夾緊卡盤的分析和對比,提出一種新型高可靠性液壓夾緊卡盤的設計方案。

        關鍵詞:高可靠性;液壓卡盤;深孔鉆機

        0 引言

        卡盤是鉆機內直接驅動鉆桿回轉運動和軸向運動的部件,是整個鉆機的關鍵??ūP需要承受最大扭矩和最大軸向載荷且動作頻繁,工況惡劣;卡盤的好壞很大程度上決定了鉆機的性能。鉆機卡盤一般可分為機械卡盤和液壓卡盤。目前,由于鉆探安全性需求, 機械卡盤已逐漸淘汰,液壓卡盤得到了廣泛的應用[1]。

        常用的液壓卡盤有以下兩種:1)彈簧夾緊、液壓松開的常閉液壓卡盤;2)液壓夾緊,液壓松開(或彈簧松開)的常開液壓卡盤。

        彈簧夾緊、液壓松開的常閉液壓卡盤是以一組彈簧(通常是碟形彈簧)所產生的彈力通過斜面增力機構(或杠桿機構)作用于卡瓦上,使之產生徑向力夾緊鉆桿[2]。這種液壓卡盤工作可靠,夾緊力不受液壓系統(tǒng)泄漏影響。并且,碟形彈簧所產生的作用力與主軸、卡瓦、卡瓦套成封閉力系,改善了卡盤及鉆機主軸受力狀況。但是,由于碟形彈簧產生的夾緊力不可調,無自動補償能力,卡瓦及鉆桿磨損后會導致夾緊力下降;且隨著鉆機鉆孔能力加大,碟形彈簧尺寸變大,會導致卡盤尺寸過大,難以滿足大直徑深孔鉆機上的使用要求。

        傳統(tǒng)液壓夾緊卡盤依靠液壓缸產生對鉆桿的夾緊力,液壓系統(tǒng)的泄漏會導致夾緊力大幅度下降。由于液壓夾緊卡盤對液壓系統(tǒng)密封性能要求過高,使其在鉆機上的應用受到了限制。但是,液壓夾緊卡盤夾緊力大,結構緊湊,夾緊力可調,具有鉆桿、卡瓦磨損后自動補償能力,可很好的滿足大直徑深孔鉆機的使用要求。

        1 常用液壓夾緊卡盤結構特點及分析

        1.1斜面增力液壓夾緊卡盤[3,4]

        斜面增力液壓夾緊卡盤(簡稱斜面增力卡盤)結構如圖1所示,其原理為:液壓油通過雙向液壓鎖(2)作用于夾緊油缸(3),當夾緊油缸(3)帶動卡盤殼體(6)及卡瓦套(8)向后運動時,卡瓦(5)夾緊鉆桿;當夾緊油缸(3)帶動卡盤殼體及卡瓦套(8)向前運動時,卡瓦松開鉆桿。

        圖1 斜面增力液壓卡盤結構示意圖

        由于斜面增力卡盤采用了斜面增力機構,較低系統(tǒng)壓力即可產生符合要求的夾緊力;并且,調節(jié)系統(tǒng)壓力可調節(jié)卡瓦的夾緊力,結構較為簡單,卡瓦磨損后具有自動補償能力。但是,夾緊油缸產生的拉力通過卡盤殼體及軸承傳遞到卡瓦套上,軸承在整個鉆進過程中承受巨大的載荷,長時間運轉時發(fā)熱嚴重,嚴重影響其使用壽命;如果采用重載軸承,則卡盤尺寸變大,影響鉆機整體尺寸;并且,由于夾緊油缸多采用普通工程用液壓缸,靜載保壓時密封性能差,容易泄漏,卡盤可靠性低,易打滑。

        1.2膠套式液壓夾緊卡盤[3~5]

        膠套式液壓夾緊卡盤(簡稱膠套卡盤)采用液壓夾緊鉆桿,彈簧松開的開合方式。結構如圖2所示,其原理為:卡盤主要由卡盤殼體、傳扭盤、傳扭銷、隔套、膠套、卡瓦及彈簧等部分組成。夾緊時,高壓油經配油盤(2)、鉆機主軸(1)、卡盤上的油孔注入膠套(6)與隔套(5)形成的空腔,膠套(6)受到徑向壓縮,迫使卡瓦(7)徑向移動從而夾緊鉆桿。松開時,卡瓦(7)在彈簧(8)的作用力下自動復位。

        圖2 膠套式液壓卡盤結構示意圖

        膠套卡盤結構簡單緊湊,在產生相等夾緊力的情況下尺寸較小。高壓油經配油盤、主軸引入,不會對主軸產生額外作用力,改善了主軸軸承的受力狀態(tài)。但是,膠套卡盤要求液壓系統(tǒng)密封性能良好,配油盤之間配合面加工精度高;并且,在使用時,配油盤易磨損,從而導致卡盤夾緊力下降,卡瓦打滑;同時,由于需要專用工具才能更換卡瓦,卡瓦更換困難;卡瓦之間存在縫隙,一旦有雜物進入就會影響卡瓦夾緊效果;膠套動作頻繁,容易損壞。

        膠套卡盤由于其獨特結構,有效改善了卡盤與主軸的受力狀況,與斜面增力卡盤相比,卡盤整體可靠性有所提高。

        2 新型液壓卡盤夾緊方式選擇[2]

        通過對目前常用兩種液壓夾緊卡盤分析與對比可知,斜面增力夾緊方式夾緊可靠,不僅系統(tǒng)壓力低,而且斜面增力機構可采用小于斜面摩擦副摩擦角的斜面角,夾緊后斜面具有自鎖功能,提高了夾緊的可靠性。同時,當煤渣等雜物進入卡瓦套斜面內時,由于卡瓦及卡瓦套頻繁動作,雜物很難堆積,對卡盤使用性能影響較小。

        新型液壓卡盤結構原理如圖3所示。該卡盤采用液壓缸推動斜面增力夾緊,彈簧打開的開合方式;由于采用了內置夾緊液壓缸,夾緊液壓缸隨主軸一起旋轉,壓力油通過配油盤引入液壓缸的壓力腔,可有效的改善卡盤及主軸的受力狀況,提高卡盤的可靠性。

        圖3 新型卡盤結構示意圖

        3 新型液壓卡盤液壓系統(tǒng)設計

        液壓夾緊卡盤的夾緊回路為典型的保壓回路。目前常用卡盤的液壓夾緊回路大多為液控單向閥(或雙向液壓鎖)保壓回路,當液壓油缸或液壓管路有泄漏時,卡盤夾緊力下降。對于采用配油盤的液壓回路,由于主軸高速旋轉,配油盤密封圈長時間處于高壓狀態(tài),發(fā)熱老化嚴重,從而導致液壓系統(tǒng)可靠性低,故障率高。為了提高卡盤液壓回路的可靠性,必須改進傳統(tǒng)的卡盤液壓保壓回路,增強其保壓功能??刹捎玫姆绞綖椋?)開泵保壓回路;2)蓄能器保壓回路。

        3.1卡盤油缸開泵保壓回路[6]

        開泵保壓回路如圖4所示,其原理為:小泵輸出的壓力油P進入多路換向閥(1)后分為兩路,其中一路通過液控單向閥(2)及旋轉配油盤(3)進卡盤油缸(5),而另一路通過順序閥(4)進入推進油缸(6)。設定順序閥(4)的開啟壓力略大于卡盤油缸的夾緊壓力。這樣,在推進油缸運動時,液壓系統(tǒng)不斷向卡盤補充油液,使之始終處于壓力油的作用之下,無論卡盤工作多長時間,也不會出現壓力下降。但也正是由于順序閥的存在使得液壓系統(tǒng)功率損失大,系統(tǒng)發(fā)熱嚴重。同時,由于旋轉配油盤仍始終處于高壓狀態(tài),配油盤磨損嚴重,使用壽命低。

        圖4 卡盤開泵保壓回路

        3.2卡盤油缸蓄能器保壓回路

        蓄能器保壓回路如圖5所示,其動作原理為:當多路換向閥置于上位時,小泵輸出的壓力油經多路換向閥(1)、旋轉配油盤(2)、液控單向閥(3)后進入蓄能器(4)及夾緊油缸(5)。液壓油推動卡盤夾緊油缸夾緊同時向蓄能器充液,卡盤夾緊后,操作多路閥回中位。在卡盤工作期間,如果卡盤油缸及管路出現泄漏,蓄能器能及時補液。當多路閥置于下位時,壓力油作用于液控單向閥控制油路,液控單向閥打開,卡盤油缸及蓄能器內的油液回油箱。

        圖5 卡盤蓄能器保壓回路

        蓄能器保壓回路如將液控單向閥置于旋轉配油盤之后,則在卡盤整個工作期間旋轉配油盤處于無壓力狀態(tài),配油盤工作壽命長工作可靠;且系統(tǒng)內無發(fā)熱元件,系統(tǒng)效率高,發(fā)熱量小。

        4 新型液壓卡盤結構設計

        針對大孔徑深孔鉆機對卡盤的性能要求,并綜合上文的分析,將斜面增力機構與彈簧式蓄能器巧妙的結合起來,可以設計出一種新型高可靠性的液壓夾緊式液壓卡盤,結構如圖6所示,原理為:當壓力油通過進油接頭(2)后、配油盤(4)、卡盤后端蓋及液控單向閥進入油缸后,壓力油推動卡瓦套(9)向前運動夾緊鉆桿同時,也推動浮動活塞向后運動,壓迫蓄能碟形彈簧??ūP夾緊后,由于液控單向閥(5)的止回作用,卡盤保壓。在卡盤工作期間,即使卡盤油缸或液控單向閥出現泄漏,蓄能碟形彈簧也能推動浮動活塞補液,卡盤油缸內部壓力基本保持不變,保證了卡盤的夾緊力。當壓力油通過控制油口接頭進入液控單向閥的控制口時,卡盤油缸釋壓,油液在復位碟形彈簧(12)作用下回油箱。

        圖6 卡盤整體結構圖

        從上述動作過程可以看出,由于液控單向閥安裝于配油盤之后,在卡盤工作期間,配油盤內無壓力,大大延長了配油盤的使用壽命。同時,由于蓄能碟形彈簧的設置,卡盤液壓油泄漏時能自動補充,極大提高了卡盤的可靠性。

        5 結束語

        新型高可靠性液壓夾緊卡盤綜合了目前液壓卡盤的優(yōu)點,采用了內置油缸及斜面增力的夾緊方式,巧妙地將蓄能器保壓系統(tǒng)與卡盤結合,極大地提高了卡盤的可靠性。該卡盤的設計成功為大孔徑深孔鉆機提供了一種新型的卡盤結構。

        參考文獻:

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        [3] 呂冰.坑道鉆機組合式液壓卡盤的研制[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2006(6):12-16.

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        [8] 李白薇,董敬躍,李德臣.淺談液壓缸的密封[J].林木機械與木工機械,1997(3):27-28.

        Design of new hydraulic clamping chuck with high reliability

        LYU Jin-Jun1,2, XIN De-zhong1,2

        中圖分類號:TH137

        文獻標識碼:A

        文章編號:1009-0134(2016)05-0094-03

        收稿日期:2015-12-11

        基金項目:“十二五”國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)專項”松軟突出煤層鉆進成孔技術與裝備(2011ZX05041-002)

        作者簡介:呂晉軍(1982 -),男,碩士,主要從事鉆機研發(fā)設計工作。

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