毕业设计（论文）-活塞型盘式离合器设计.doc

活塞型盘式离合器设计活塞型盘式离合器设计 摘摘 要：要： 活塞型盘式离合器的基本特点在于其摩擦副的工作表面为环状平面，而 摩擦片在工作时沿轴向移动，气室主要是推盘的气缸和活塞所组成，活塞与离合 器体的法兰连成一体。工作时，压缩空气沿通道进入气室，使气缸（推盘）移动， 挂合离合器。气动摩擦离合器（简称气离合器）是一种通用的机械传动部件，其 主要功用是使工作机启动平稳，便于换挡以及过载保护。对气离合器的使用要求 也和其他离合器一样，要求它工作可靠，挂合平稳，摘开迅速，散热性好，使用 寿命长，结构简单轻巧，制造维护方便。由于气离合器不仅具有一般摩擦离合器 操作平稳，可在机器运转过程中挂合和过载保护的优点，而且传动更柔和（利用 空气的缓冲效果） ，操作更加迅速，方便，省力，易于实现远距离集中控制，因 而在石油钻机上获得了广泛的应用。 本文的主要内容是根据设计要求完成了离合器的总体设计，通过对离合器 的结构方案分析对比，对其结构形式，基本尺寸和主要参数进行了设计，并对活 塞型盘式离合器的各零部件进行选型和校核计算。 关键词：关键词： 离合器 ； 活塞 ； 盘式； 气动摩擦 the design of the clutch piston disc abstract： piston-type clutch basic characteristics of the work in its surface friction ring plane, while the friction plate at work along the axial movement. push plate chamber is mainly composed of cylinder and piston, the piston and the clutch body flange fused. when its work, the compressed air into the chamber along the channel, so that the cylinder (push plate) mobile, hanging together clutch. air friction clutch (referred to as air clutch) is a common mechanical drive components, and its main function is to make a smooth start working machine, easy to shift, and overload protection. the use of gas clutch and clutch requirements as to require it is reliable and stable hanging together, picking open quickly, good heat dissipation, long life, simple structure, light, manufacturing and maintenance. as the gas clutch friction clutch operation is not only stable in general, can be linked to the process is running, the advantages of joint and overload protection, and drive more gently (the use of air cushion effect), the operation is more rapid, convenient, energy, easy to implement long-range focus control, and therefore on the oil rig to obtain a wide range of applications. the main content is based on the design requirements to complete the overall design of the clutch, the clutch through the analysis and comparison of the structure of the program, its structure, basic dimensions and main parameters of the design, and piston- type disc clutch components for each selection and verification of the calculation. keywords: clutch ; piston; disc ; air friction i 目目 录录 1 绪论 .1 1.1 摩擦离合器的功用与要求1 1.1.1 摩擦离合器的功用1 1.1.2 对摩擦离合器的要求1 1.1.3 摩擦离合器的类型2 1.2 我国钻机气离合器的使用情况2 1.2.1 径向作用一一气胎式(简称气胎式)2 1.2.2 轴向作用推盘式（简称盘式）4 1.2.3 气胎式的使用情况5 1.2.4 推盘式的使用情况8 2 设计要求及其技术参数 10 2.1 基本要求：.10 2.2 技术参数 : .10 3 结构方案分析 11 3.1 从动盘数的选择：双盘活塞型离合器.11 3.2 离合器的结构布置.11 3.3 离合器的散热通风.11 3.4 活塞型盘式离合器的特点：.12 4 离合器主要参数的选择 13 4.1 摩擦系数.13 4.1.1 摩擦材料概述.13 4.1.2 常用摩擦材料.13 4.1.3 摩擦系数的分析.15 4.1.4 几点建议.17 4.2 摩擦因数f、摩擦面数 z 和离合器间隙t.18 4.3 单位压力p18 0 5 离合器的设计与计算 20 5.1 气离合器的转矩特性.20 5.1.1 影响转矩特性的因素.20 5.1.2 摩擦系数.20 5.2 摩擦型盘式离合器承载能力的计算.21 5.3 气离合器的热负荷特性与摘挂特性.23 5.3.1 热负荷特性.23 5.3.2 挂合时间与操作性能.24 5.4 气离合器的使用情况分析.26 5.5 参数的优化.26 ii 6 主要零部件的结构设计和校核 28 6.1 弹簧的设计.28 6.2 从动盘总成的设计.29 6.2.1 从动盘毂.29 6.2.2 从动盘的设计.29 6.2.3 摩擦片的设计.29 6.3 压盘的设计.29 6.3.1 对压盘结构设计的要求:29 6.3.2 压盘的结构设计与选择.30 7 重要零件的校核 31 7.1 销的强度校核.31 7.2 键连接强度计算.31 8 国外钻机气离合器的应用情况与动向 33 8.1 美国.33 8.2 俄罗斯.34 8.3 罗马尼亚 .37 9 关于革新我国钻机气离合器的几点意见 39 10 总结 .41 参考文献参考文献 42 致谢致谢 43 附录附录 44 - - 1 1 绪论绪论 气动摩擦离合器（简称气离合器）是一种通用的机械传动部件，其主要功用 是使工作机启动平稳，便于换挡以及过载保护。对气离合器的使用要求也和其他 离合器一样，要求它工作可靠，挂合平稳，摘开迅速，散热性好，使用寿命长， 结构简单轻巧，制造维护方便。由于气离合器不仅具有一般摩擦离合器操作平稳， 可在机器运转过程中挂合和过载保护的优点，而且传动更柔和（利用空气的缓冲 效果） ，操作更加迅速，方便，省力，易于实现远距离集中控制，因而在石油钻 机上获得了广泛的应用。目前，不仅在钻机的各主要机组（绞车，转盘和钻井泵） 上，而且在各中间传动装置以及一些辅助机组（如压风机）上，都采用了各种类 型的气离合器。 近年来，在国外钻机上应用的各种气离合器基本上可分为两大类: 1径向离合器，包括气胎式（简称胎式）和多气室。这两种离合器又 都可以再分为普通型和通风型。 2轴向离合器（简称盘式离合器） ，按其气室构造不同，可分为隔膜型， 气囊型和活塞型三种。 气离合器是一种以压缩空气作为工作介质，而依靠其主动部分和从动部分 工作表面之间的摩擦力来传递转矩的一种传动部件。因此，各类气离合器的结构 特点，主要体现在其气室和摩擦片上。 目前, 在我国, 由于气离合器的损坏比较严重, 大大影响了钻井时效和钻机 的工作能力, 成为钻机中的主要薄弱环节之一, 随着钻井速度的提高和钻井深度 的增加, 这个问题变得更加突出。为更好地适应我国石油工业发展的形势, 钻机 气离合器的革新也就成为当前旧钻机改造和新钻机设计制造中的一个重要课题。 1.1 摩擦离合器的功用与要求摩擦离合器的功用与要求 1.1.1 摩擦离合器的功用摩擦离合器的功用 (1) 传递与切断动力； (2) 微动操作； (3) 实现柔性传动； (4) 过载保护。 (5) 保证动力机空载启动。 1.1.2 对摩擦离合器的要求对摩擦离合器的要求 (1) 能传递足够的动力； - - 2 (2) 结合平稳，分离彻底； (3) 易损件的寿命较长；磨损后容易更换和调整； (4) 尽量减小从动件的转动惯量，以减少结合时的时间和冲击。 (5) 具有良好的散热性能。 1.1.3 摩擦离合器的类型摩擦离合器的类型 1）按照片数分类 单片式 特点：结构简单、散热好、间隙容易保证，但结合时的平稳 定性较差、传递大功率的单片式摩擦离合器的径向尺寸大。 多片式 特点：结合平稳、片的尺寸相同时，能传递较大的功率，但 结构较复杂、分离时片间间隙不易保持均匀、散热较差。 2） 按工作条件分类 干式 特点：摩擦系数大、许用比压小、摩擦片的寿命短、结合平稳 性差、调正间隙次数多，片数少、结构较简单,采用风冷， 暴露在空气中。 湿式 特点：片数多、摩擦系数小、许用比压大、使用寿命长、结合平稳、 无需经常调整间隙、维修不太方便。 3）按工作原理分类 常压式 特点：结合时靠弹簧压紧、常态为压紧状态、压紧弹簧有自动补偿 作用，无须经常调整间隙、传递功率大小能较准确的设计、 分离时需要较大的操纵力、适合联合驱动的钻机。 非常压式 特点：结合时靠杠杆压紧、常态为分离状态、操纵较省力、传递 功率大小不易控制、需要经常调整间隙、结合时平稳定性 较好、适用于单独驱动的钻机。 1.21.2 我国钻机气离合器的使用情况我国钻机气离合器的使用情况 目前国内外钻机上应用的各种气离合器, 基本上可以分为以下两大类 1.2.11.2.1 径向作用一一气胎式径向作用一一气胎式(简称气胎式简称气胎式) - - 3 依其结构形式的不同, 又可分为普通型(图1) 和通风型(图2)。 图图 1 1 普通型气胎离合器普通型气胎离合器 图图 2 2 通风型气胎离合器通风型气胎离合器 - - 4 1.2.21.2.2 轴向作用轴向作用推盘式（简称盘式）推盘式（简称盘式） 按气动机构型式的不同, 又可分为隔膜型（图 3）、气囊型 和活型（图 4 ） 。我国各油田在用的重型钻机约有几十种型号（原型号已改装的除外） , 其上所配的气离合器计有三个国家生产的气胎式和推盘式两大类共 20 多种型号 , 大量使用的是普通型气胎。 图图 3 3 隔膜型推盘离合器隔膜型推盘离合器 - - 5 图图 4 4 活塞型盘式离合器活塞型盘式离合器 1.2.31.2.3 气胎式的使用情况气胎式的使用情况 各油田使用的气胎式基本上都是普通型, 其中绝大部分都是国产的, 少量 是罗马尼亚的, 个别是美国的。在使用中存在的主要问题有以下几个方面: 1. 工作性能差, 使用寿命根据胜利油田临盘地区年的统计,平均每台重型钻 机一年消耗气胎约在13 个以上。各型离合器的平均使用寿命相差也很 大, 即使在同一地区, 使用同一型号的钻机, 对于型号尺寸完全相同的离合器也 是如此。其中以国产 1302 型钻机滚筒轴离合器（1070) 损坏最严重, 临盘地 区钻一口 3200 米的井, 平均要消耗 7 个气胎, 严重时达到 12 个（在井深 2800 米以后, 有时起钻一趟就要更换 2 个） 。油田的使用实践以及 试验研究和理论分析表明: 气胎离合器的使用寿命主要取决于其工作时的热状态 (热负荷) 。对于这种主要靠摩擦作用进行工作的离合器, 由于其主动和被动 两部分之间在挂合时存在转速差, 而气胎充气也要有一定时间, 离合器传递扭矩 的增长也需要有一个过程。因此, 其挂合过程总是存在一个打滑阶段(图5, 图中 w主和 w被分别表示离合器主动和被动部分的角速度） , - - 6 图图 5 5 离合器的典型挂合过程离合器的典型挂合过程 而摩擦表面打滑就必然发热, 结果使摩擦轮的稳定温度可达120150 。在这种 情况下, 石棉胶木摩擦垫片和石棉橡胶衬片实际上并不能有效地防止气胎不受热, 而且这种离合器又没有必要的强制通风装置, 因此往往使气胎面的温度达到 110140 , 在这种高温作用下,离合器就很快损坏, 一般出现以下几种情况: （1） 摩擦片迅速磨损。据统计平均每进尺一千米约消耗摩擦片65块。 （2） 气胎烧坏（一般在半圆槽处烧穿） 。 （3） 气胎胎面因长期与过热的摩擦片接触而损坏9出现裂纹或裂口而漏气)。 （4） 由于周围高温介质的作用, 使气胎很快老化而失去弹性或漏气。 既然这种离合器的发热是由于其本身的工作特性（挂合过程必然有一个打滑 阶段）所引起的, 所以离合器的工作性能及其工况就在很大程度上影响到它本身 的使用寿命。离合器的工作性能主要是指以下两方面： （1）气胎的气室容积。它决定了进、放气的时间。气室容积小, 进、放 气的时间就短, 亦即摘挂打滑 的时间就短。但挂合时间或挂合 速度（即传递扭矩增长的速度） 在很大程度上又会影响到钻机起 升系统的动载, 即随着气胎气室容积的减小（充气时间缩短） ,打 滑时间缩短, 热损失减少, 但挂合速度增大, 动载增加。 （2）摩擦材料的物理特性。主要是指摩擦系数数值的大小及其稳定性 （不随温度、比压和圆周速度而改变, 尤其重要的是对于温度变化 - - 7 的稳定性） 和热动力特性。摩擦材料的摩擦系数越大, 稳定性越 好, 打滑时间就越短, 热损失就越小。摩擦材料的热容量越大, 导 热性越小, 则摩擦片和气胎的温升就越小。如果摩擦材料的摩擦系 数不稳定, 其数值随温度上升而减小, 则发热和温升会反过来使打 滑时间加长, 形成“恶性循环” , 这对离合器的使用寿命是十分 不利的。 至于影响到离合器使用寿命的工况, 主要是指离合器单位摩擦表面所传递 的功率、传递的转速和挂合频率, 这三个数值越大, 热损失就越大。所以一般离 合器的损坏往往都发生在井较深, 起下钻或处理事故(负荷大、挂合频繁) 的过程 中。 根据上述分析, 可以进一步从下述几方面找出离合器损坏的各种具体原因: (1) 离合器结构陈旧。国产普通型气胎式离合器的结构基本上是沿袭苏联五十年 代的产品, 气室容积大, 消耗气量大, 进气慢（700和1070）离合器约67秒）, 挂合时, 打滑时间长, 发热严重, 易烧坏气胎。 目前国内使用的普通型离合器, 气胎很靠近摩擦表面, 通风散热的条件很 差, 容易受热, 而且其扭矩主要由气胎承受, 因而气胎很易损坏, 尤其是在井深 传递功率大、挂合频繁时, 更为严重。例如1302型钻机滚筒轴离合器 （1070）在2700米以下, 一般起钻两趟左右, 就要更换一个气胎。而美国ne 400型钻机滚筒轴上的低速离合器, 由于采用了通风完善、气胎承扭很小的通 风型气胎式（42vc-600型） , 在渤海湾打了8 口井(一般井深为25002600)米, 最深的3200米) , 离合器未见损坏, 甚至其摩擦片的磨损也不大。 (2)主要零件的工作性能或制造质量较差。由于钻机在实际工作时存在着 动载, 离合器摩擦片的摩擦系数大大低于制造厂的试验值, 因此目前国产摩擦片 的摩擦系数的数值及其稳定性不能满足油田进一步提高钻井速度和钻深井的要求, 其耐磨性也还不够高, 而在繁重的工况下, 打滑、发热较严重, 磨损较快, 大大 影响离合器的使用寿命。 此外, 气胎的制造质量不稳定。现场发现有一批气胎的质量较差, 进气后, - - 8 气胎向两侧(轴向)变形, 这不仅大大降低了其传递扭矩的能力(或工作时打滑) , 而且往往因侧面磨损而损坏。 (3) 离合器的工况不合适, 使离合器的热负荷过大。这主要是由于在设计 机、选用离合器时没有考虑离合器的热负荷所造成的。例如, 130 一2型钻机滚筒 轴的1070 离合器, 由于柴油机一变矩器在空负荷时转速很高, 而钻机上并没有配 备司钻控制柴油机调速杆的装置, 从而无法保持在低速状态下挂合离合器, 而离 合器挂合时的能量损失与其转速的平方成正比, 所以离合器在挂合时产生的热损 失很大, 以致气胎很快烧坏。此外, 这种钻机的滚筒轴上只有这一个离合器, 和 130 一1型钻机相比, 离合器的挂合更加频繁。虽然130 一1型钻机也没有装司钻调 节柴油机转速的装置, 但其传递转速和挂合频率都较低, 热负荷较小, 所以 其1070离合器的使用寿命比130 一2型钻机的1070 离合器高得多(表3)。 罗马尼亚3dh 一200a 型钻机上的总离合器cb600125型(损坏较快的一个原因 也是由于热负荷过大, 所以在以后设计的f系列的同级钻机中就改用了隔膜型推 盘式。 （4）操作维护不当以及检修不及时。挂合时, 重复操作次数过多, 使打滑时 间加长,摩擦表面发热加剧。摩擦表面落入油污, 不及时清除, 也会使离合器在 挂合时更容易打滑发热, 若污染气胎, 则会使气胎先期损坏。罗马尼亚3dh 一 200a型钻机上的cb300100 型离合器内部装有一副轴承, 不仅使离合器的散热 条件差, 而且离合器容易受到轴承的润滑脂的污染而损坏。 此外, 摩擦片磨损后未及时更换或摩擦轮磨损后未及时检修以及气路故障未及时 排除（如气路漏气或继气器等元件失效以致使进气压力不足）等都会使离合器在 挂合时摩擦片抱不住摩擦轮而打滑发热以致烧坏气胎。 2. 国产的离合器型号尺寸少, 进口的离合器缺配件。 1.2.4 推盘式的使用情况推盘式的使用情况 在油田上使用的推盘式绝大多数是罗马尼亚生产的, 国内虽然也先后设计 试制过五、六种型号, 但目前基本上还处在没有定型的试用阶段。国产离合器存 - - 9 在的主要问题是高速的总离合器（2610型） 在速度高时往往摘不开, 低速的 滚筒轴离合器（2780型） 在重负荷时打滑发热。这除了是由于摩擦片的性能 或弹簧的质量不能满足要求之外, 重要原因之一仍然是司钻控制柴油机调速杆装 置上存在问题所造成, 此外, 橡胶隔膜的使用寿命也比较短（打一口3000多米的 井, 2780型上的隔膜往往要损坏二、三个） 其性能还有待于进一步改善。 罗马尼亚dh和f系列钻机上的离合器, 一般很少出现摘不开或打滑的现象。 4ld150d型钻机滚筒轴上的低速离合器（cd150）在重负荷时出现打滑 的现象, 往往也是由于在挂合时没有正确使用司钻控制台上柴油机的调速装置 。罗马尼亚生产的推盘式离合器有时还出现弹簧折断而使离合器失效的现象, 这 主要是由于弹簧的装配或制造质量不好而引起的。 - - 10 2 2 设计要求及其技术参数设计要求及其技术参数 2.12.1 基本要求：基本要求： 1）在任何条件下，既能可靠地传递发动机的最大转矩，并有适当的转矩 储备，又能防止过载。 2）接合时要完全、平顺、柔和，保证起初起步时没有抖动和冲击。 3）分离时要迅速、彻底。 4）从动部分转动惯量要小，以减轻换档时变速器齿轮间的冲击，便于换 档和减小同步器的磨损。 5）应有足够的吸热能力和良好的通风效果，以保证工作温度不致过高， 延长寿命。 6）具有足够的强度和良好的动平衡，一保证其工作可靠、使用寿命长。 2 2. .2 2 技技术术参参数数 : : 钻机级别： zj45 输入功率 1100kw 最低转速 41r/min 最高转速 108min - - 11 3 3 结构方案分析结构方案分析 3.13.1 从动盘数的选择从动盘数的选择 双盘活塞型离合器双盘活塞型离合器 盘式离合器的基本特点在于其摩擦副的工作表面为环状平面，而摩擦片在工 作时沿轴向移动。按其摩擦副数目的不同，可以分为单盘，双盘或多盘等几种形 式（在钻机中采用的主要是单盘和双盘，少数采用三盘的） 。钻机上常用的轴向 离合器按其气室的构造的不同，又可以分为隔膜型，气囊型和活塞型。但无论是 哪种类型，也都和一般轴向摩擦离合器一样，它产生摩擦转矩的工作机构仍旧的 由带摩擦片的摩擦盘和主动盘，中间盘，推盘，连接盘，外齿圈，弹簧等零件所 组成。 3.23.2 离合器的结构布置离合器的结构布置 活塞型离合器的气室主要是推盘的气缸和活塞所组成，活塞与离合器体的法 兰连成一体。工作时，压缩空气沿通道进入气室，使气缸（推盘）移动，挂合离 合器。离合器产生的摩擦转矩的机构是陪中间盘所隔开的两副摩擦盘，摩擦盘两 面都装有摩擦片，而这两副摩擦盘的外侧分别与侧盘和主动盘相邻。主动盘通常 是用键与转矩输入轴相连接，中间盘和侧盘往往是通过花键或内齿而套在主动盘 上，并可沿轴向滑动，摩擦盘则以其外齿分别与两个外齿圈想啮合，也可沿外齿 圈坐轴向移动。连接盘用螺栓与两个外齿圈相连接。 当离合器不工作时，由于弹簧的作用，可使摩擦盘与中间盘，侧盘，主动盘 之间保持预先调好的轴向间隙，所以，输入轴带动主动盘，中间盘和侧盘旋转时， 摩擦盘静止不动，这时没有动力输出，而挂合离合器时，推盘在压缩空气的推动 下，克服弹簧力推动侧盘，摩擦盘和中间盘，使它们压紧在主动盘上，由于在摩 擦片和相应各圆盘的工作表面之间产生摩擦力，而使转矩经摩擦盘，外齿圈和链 接盘传递出去。 3.33.3 离合器的散热通风离合器的散热通风 试验表明，摩擦片的磨损是随压盘温度的升温而增大的，当压盘工作表 面超过 180200时摩擦片的磨损剧烈增加。正常使用条件的离合器，工作表面 是瞬时温度一般在 180 以下。在特别频繁是使用下，压盘表面的瞬时温度有可能 - - 12 达到 1000.过高的温度能使压盘受压变形产生裂纹和碎裂。为使摩擦表面温度不 致过高，除要求压盘有足够大的质量以保证足够的热容量外，还要求散热通风好。 改善离合器散热通风结构的措施有：在压盘上设散热筋，或鼓风筋；在离合器中 间压盘内铸通风槽；在离合器外壳内装导流罩。 3.43.4 活塞型盘式离合器的特点：活塞型盘式离合器的特点： 轴向离合器的主要优点是结构紧凑。它比外形尺寸相同的径向离合器可传 递更大的转矩，而且离心力对转矩的影响很小，因而可以在较高的转速下工作。 其缺点是结构复杂，重量和惯量都比较大，散热条件也较大。此外，离合器的主 动和从动一般只能装在同一根轴上。 - - 13 4 4 离合器主要参数的选择离合器主要参数的选择 4.14.1 摩擦系数摩擦系数 4.1.14.1.1 摩擦材料概述摩擦材料概述 摩擦片是离合器中最重要的零件之一，它往往也是离合器的薄弱环节之一， 其质量的好坏直接影响到离合器的工作性能和使用寿命。提出对摩擦片一下使用 要求： 1.摩擦系数应足够大（但频繁挂合的离合器，其摩擦系数则不宜太大） ，而 动摩擦系数与静摩擦系数的差值不应太大。同时要求摩擦系数稳定，即对于温度 影响的热稳定性（或抗衰退性）和受到油水污染时的恢复性以及对于滑动速度的 稳定性要好，以便操作平稳，噪声小。 2.耐磨性好，并且不会过度损伤对摩擦材料（但允许有轻微的均匀磨损） 。 3.抗胶合的能力大，即摩擦表面能支承较大的载荷，而不会出现局部粘结以 致损伤工作表面的现象。 4.导热性能好，热容量大，热变形小，能耐高温。 5有足够的强度和良好的机械性能。 6.对油水的吸附性小，与油水不起化学作用，受到油水的污染时，不丧失强 度也不变形。 7.对磨损产物或其它污垢有良好的自净能力。 8.有良好的磨合性。 实质上，要完全满足上述要去是十分困难的，而关键问题是研制和选用合适 的摩擦材料。目前，钻机气离合器的摩擦片大都采用市面摩擦材料，近年来，在 高速重载的盘式离合器中也开始采用粉末冶金摩擦材料。 4.1.24.1.2 常用摩擦材料常用摩擦材料 在离合器上经常使用的摩擦材料有石棉树脂材料和粉末冶金材料。而常用 有四种摩擦副，以下是关于四对摩擦副的评价： 钢（ 包括合金钢） 对石棉是国产钻机各型离合器唯一选用的摩擦副, 国外也广泛采用, 其摩擦系数适中, 有有利的静动摩擦系数比值, 磨损小, 耐磨 性仅次于铸铁对石棉, 而优于其他两对摩擦副。此外, 钢的导热性好, 易散失较 多的热量。但这对摩镶副许用热负荷小, “ 热衰退” 现象比较明显,使用温度 以不超过250300 为宜, 可短时高温工作, 但此时磨损量成倍增长。 - - 14 铸铁(包括合金铸铁)对石棉, 在国外钻机各型离合器中的应用十分普遍, 已开始引起国内重视。用铸铁制造摩擦盘是极好的材料, 它具有耐磨性好, 耐擦 伤, 耐“ 热裂” 的特性。特别是在重载情况下。含有镍、铬、钥等元素的高碳 量细晶铸铁材料,摩擦力稳定, 与石棉组成的摩擦副的许用热负荷约为钢对石棉 挛擦副许用热负荷的数倍, 从双盘离合器所测摩擦系数看, 这对摩捺副在常温、 变温、高温下的摩擦系数变化幅度不大, 磨耗在四对摩擦副中最小,耐磨性最好, 只是摩擦系数偏低。但铸铁对石棉完全可以得到所要求的摩擦系数, 只要稍加重 视, 这对摩擦副不久即可部分取代国产离合器传统摩擦副, 而成为石油钻机离合 器, 特别是低速大扭矩盘式离合器的主要摩擦对偶材料。 以石棉为主妥成份的摩擦材料焊接倾向小, 瞬间摩擦系数变化小, 耐磨性 好, 生产工艺简单, 成本低, 重量轻。缺点是导热性差, 对温度比较敏感, 不过 完全能够适应石油钻机工况的要求, 因此, 目前仍是石油钻机离合器校理想的摩 擦材料。 特制818铜基粉末冶金摩擦片不论与钢或合金铸铁配偶, 其摩捺系数都较 合适,材料强度亦比石棉片高得多, 尚可通过提高粉末冶金摩擦片单位面积上的 比压来进一步改善和捉高使用性能。此外粉末冶金材料具有良好的导热性能, 抗 温度峰值约在500600 , 而摩擦面不产生焊接。它与钢组成的摩擦副许用 热负荷比钢对石棉片高。就粉末冶金材料的性能而言, 无论与弱还是与铸铁组成 摩擦副都能满足石油钻机离合器的使用要求, 但其价格昂贵5 约为国产石棉片价 格的数十倍= , 生产工艺复杂且耐磨性并不优于以石棉为主要成分的摩擦材料。 因此, 在石油钻机离合器上使旧其优点尚不突出, 这也许就是国内外石油钻机离 合器均未采用的根本原因。 图图 6 6 温升与动摩擦系数的关系温升与动摩擦系数的关系 - - 15 图图 7 7 滑磨速度与动摩擦系数滑磨速度与动摩擦系数 图图8 8 比压与动摩擦系数的关系比压与动摩擦系数的关系 4.1.34.1.3 摩擦系数的分析摩擦系数的分析 据资料介绍, 任何摩擦副间的摩擦力,主要取决于比压、滑磨速度和温度等 条件。通常当这些因素中的一个因素增加时, 摩擦力都趋向于减小, 而其中速度 或温度的改变又比比压对摩擦力的影响要大。经我们实测, 得到了如图 所示的 四对摩擦副的温升与动摩擦系数的关系曲线。 对钻机绞车低速大扭矩盘式离合器而言, 温度对摩擦力的影响最大, 因为 滑磨速度并不高, 一般在5米/ 秒以下, 只对传扭能力有一定影响。钻机上的盘 式离合器, 绝大部分采用双盘以至三盘, 其散热条件都较差, 从使用现场调查可 - - 16 知, 故障多为温升过高所致。图 的曲线正好表明了试验工况下,离合器中温度 对动摩擦系数的影响。另外,通过对四对摩擦副摩擦系数与温升关系的对比, 找 到了一个由md240 定速式摩擦材料试验机测得的动摩擦系数, 转化为离合器 实际动摩擦系数的折算办法。由于模拟试验与离合器的装机使用并不完全一致, 且摩擦学涉及的因素很多, 故测试结果只能认为是近似位, 而非确定值, 我们通 过对这两种方法测得的摩擦系数对比, 得到了表 1 的数据。 表表 1 1 从表 的数据可以看出： 除钢对粉末冶金的比值稍高在 90.7%以外, 其余三种分 别为：78.75,78%,79.4%, 都较接近。国外一家为石油设备提供摩擦材料的公司, 在有关材料摩擦系数的注释说明中提到, “ 由于其位受温度、压力 、速度改变而有偏差, 故摩擦系数仅作指导用, 实际设计需含20%40%的安全系 数” 。我们核算该公司为石油钻机离合器设计者提供的, 按sae_j661规范所做 石棉片的变温曲线与其设计实际计算所采用的动摩擦系数的比值约为70%左右, 在20%40%的范围内。可见, 国外在确定动摩擦系数时, 已考虑到试验机试验与 实际使用工况的差别, 而给出一个较宽的安全范围来保证使用的可靠性。 根据矿场使用调查, 离合器摩擦面间的温度高达250300 并不罕见。因此, 人们对离合器温度高达300时的传递能力, 亦 即此时的动摩擦系数十分关心。从表1 中的对比看, 除钢对粉末冶金的比值为 84.4%外, 其余三对摩擦副的比值分别为70.3%, 69.1%,和71.4% , 大致也在的范围20%40%内。 - - 17 图 7 给出了三对摩擦副滑磨速度与动摩擦系数的关系曲线。 图 8 为四对摩擦副比压与动摩擦系数的关系曲线。此曲线较平, 说明 比压对动摩擦系数的变化影响较温度与滑磨速度小。 由试验测得的数据看出, 离合器的传递能力愈强, 同样外阻力矩下的动载 系数愈大。外阻力矩愈大, 动载系数愈小。在同一工作气压下, 转数愈高, 轻载 时动载系数也愈高。而转数高到一定程度, 外阻力矩仍不断增大, 当增大到某一 外阻力矩时, 由于摩擦副的不同, 表现略有差异, 但仍有一定规律可循。即在同 样外阻力矩下, 转数愈高动载系数曲线也愈陡。继续增大外阻力矩, 较高转数的 动载系数反而低于此载荷下较低转数的动载系数。至于在什么转数下出现此现象,因 气压、外阻力矩和摩擦副的不同而异。此现象的出现主要是滑磨速度的影响, 特 别当工作气压愈低时, 滑磨速度对摩擦力的影响也愈明显。滑磨速度愈高, 相应 滑磨面间的接触面积愈小, 传扭的能力就愈低, 故在滑速增高, 外阻力矩增大时 动载系数反而不如较低滑速, 相同外阻力矩下的动载系数高。 摩擦件是摩擦离合器的主要组成元件，其工作表面材料的物理性质和机械性能直 接影响离合器的工作性能。对材料的主要要求是：摩擦系数大而且稳定，动摩擦 系数应尽量与静摩擦系数相近；强度高，能承受冲击，高速时不易破裂和剥落； 耐磨、耐高温、耐腐蚀和导热性能好，热变形小；长期静置时应不致黏连。此外， 还要求使用寿命长，容易加工和价廉等。常用的摩擦面材料有粉末冶金材料、石 棉基材料和纸基材料。粉末冶金材料：表面许用温度、许用压力、高温下摩擦系 数和寿命都较高。铜基粉末冶金材料主要用于湿式摩擦面，铁基粉末冶金材料摩 擦系数和许用压力都较铜基为高，但耐磨性较低，多用于干式摩擦面。石棉基材 料：用石棉加黏结剂和填料模压而成，固结在钢或铁底板上，许用工作温度较低。 纸基材料：用石棉、植物纤维或两者的混合物相互交织，再加填料后由树脂等黏 结而成。这种材料具有多孔性，摩擦性能好，动、静摩擦系数相近，而且成本较 低。 4.1.44.1.4 几点建议几点建议 1）石油钻机盘式离合器当前仍应选用以石棉为主要成分的摩擦材料。重型钻机 绞 车低速大扭矩盘式离合器应打破我国传统习惯, 优先选用石棉对合金铸铁摩擦副。 鉴于粉末冶金摩擦材料尚不能发挥其突出优点, 故应继续开展以降低其磨损和成 本为主要目标的试验研究, 目前暂不采用为妥。 - - 18 2） 根据石棉片的特性, 盘式离合器的使用温度一般不要超过250 , 最高短时 工作温度不要超过300 。 3）设计离合器时, 推盘、金属摩擦盘和外壳等应在弧度、刚性、热容量允许的 范围内尽量增大通风散热能力, 以避免橡胶隔膜、石棉片、金属摩擦盘、弹黄等 零件功能降低或早期失效。 4）在钻机绞车起升过程中, 特别是重载高速情况下, 司钻应控制油门, 尽可能 降低离合器的挂合转速（柴油机的挂合转速以降至600转/右为宜） 以便降低动 态挂合过程中的滑磨功及温升。需换档时, 仪表应给司钻以明确的显示, 使司钻 及时换档。 5）离合器时一定要考虑系统的动载峰值及挂合过程气路气压变化的影响, 建议 使用载荷最高不要超过其计算打滑扭矩的75%。 4.24.2 摩擦因数摩擦因数f f 摩擦面数摩擦面数z z和离合器间隙和离合器间隙tt 摩擦片的摩擦因数 f 取决于摩擦片所用的材料及其工作温度、单位压力和滑 磨速度等因素。摩擦因数 f 的取值范围见下表 2。 表 2 两种摩擦材料的性能对比 项目石棉树脂材料粉末冶金材料 常温（120） 0.550.53 变温（最低点) 0.400.55 摩擦系数 高温（250） 0.420.55 常温（120） 0.060.04 磨损 （毫米/30 分钟） 高温（250） 0.130.02 本次设计取 = 0.40 。 摩擦面数 z 为离合器从动盘数的两倍，决定于离合器所需传递转矩的大小及 其结构尺寸。本次设计取双片离合器 z = 4。 离合器间隙t 是指离合器处于正常结合状态、分离套筒被回位弹簧拉到后 - - 19 极限位置时，为保证摩擦片正常磨损过程中离合器仍能完全结合，在分离轴承和 分离杠杆内端之间留有的间隙。该间隙t 一般为 34mm 。本次设计取t =3 mm 。 4.34.3 单位压力单位压力 p p0 单位压力 p 决定了摩擦表面的耐磨性，对离合器工作性能和使用寿命有很 0 大影响，选取时应考虑离合器的工作条件、发动机后备功率的大小、摩擦片尺寸、 材料及其质量和后备系数等因素。p 取值范围见表 3。 0 表表 3 摩擦片单位压力摩擦片单位压力 p 的取值范围的取值范围 0 摩擦片材料 单位压力 p /mpa 0 模压0.150.25 石棉基材料 编织0.250.35 铜基 粉末冶金材料 铁基 0.350.50 金属陶瓷材料0.701.50 p 选择：0.10 mpa p0 1.50 mpa ，本次设计取 p = 0.3mpa 。 00 - - 20 5 5 离合器的设计与计算离合器的设计与计算 5.15.1 气离合器的转矩特性气离合器的转矩特性 通常，用来表示摩擦离合器的工作性能的一个主要的特性指标就是极限摩擦 转矩，它是指摩擦离合器在稳定工况下所能传递的摩擦转矩的最大值。其计算通 式 m摩 max=nr 公斤米 （5-1） 式中 摩擦系数 r摩擦表面的有效作用半径，米 n通过气室作用在摩擦表面的有效正压力，公斤。 而 n=pa（5-2） 式中 p压缩空气通过气室作用在摩擦表面上的有效压力， 公斤/厘米； a摩擦表面的有效面积，厘米 5.1.1 影响转矩特性的因素影响转矩特性的因素 根据极限摩擦转矩的计算通式（5-1）和（5-2）可以看到影响其离合器转矩 特性的因素主要有以下几个方面： 压缩空气通过气室作用在摩擦表面的有效压力主要又取决于三个因素： 1） 气源压力 钻机上配备的气源压力通常都在 710 公斤/厘米范围 之内，最高达 12 公斤/厘米，一般都不采用高压气源。 2）离合器执行机构的承压面在摩擦表面的面积之比 对于胎式径向离合器和单盘轴向离合器，其面积比一般都可以达到设计要求。 由于多盘式离合器，其实有效的面积比往往要比名义值低很多，所以在设计时应 考虑到这点。 3) 离合器执行机构和复位机构在工作时产生的压力损失 对于有复位机构的离合器，尤其是盘式离合器，为了使离合器能迅速摘开，往 往采用强力的复位弹簧，因而其压力损失可达 1.5 公斤/厘米。 5.1.2 摩擦系数摩擦系数 由于摩擦系数越大，产生的摩擦转矩也就越大，离合器在滑摩过程中产生 的热量也就越大，所以，对摩擦系数数值选择必须根据离合器的实际使用条件综 - - 21 合考虑。此外，由于在离合器的工作过程中，摩擦系数的数值往往随摩擦表面的 状态，温度，比压，滑动速度等因素而变化。而摩擦系数的稳定性有直接影响到 摩擦转矩的稳定性，从而会造成工作的不平稳，不安全以及产生振动和噪音。所 以在选用摩擦材料时，应当考虑到摩擦系数数值的稳定性。如图 中，d/d0 的摩擦材料好，挂合平稳，工作中不易产生振动。 图图 9 9 摩擦系数的变化特性摩擦系数的变化特性 1.摩擦表面的有效面积 摩擦表面的有效面积是指摩擦表面上实际能够产生转矩的有效面积。它 主要决定于有效面积的实际接触状态，而影响其接触状态的因素有摩擦片的刚性， 热变形，摩擦间隙的不均匀性，摩擦片的磨损的不对称性等。所以，摩擦面的机 构应该越简单越好。普通型胎式离合器的接触状态接近 100%，单盘式离合器在 80%一下，而多盘式离合器大多数在 50%一下。因为多盘式离合器在使用过程中， 其摩擦间隙变得不均匀，摩擦片及其加压盘发生热变形，同时，由于在摩擦表面 上圆周速度不同而往往易使摩擦片产生不对称的磨损，从而使接触状态大为恶化。 但在一定的空间内，增大摩擦面积唯一有效办法还是采用增加摩擦表面的多盘式 轴向离合器。 2.摩擦面积的有效半径 摩擦表面的有效半径，对于胎式径向离合器，就是按其摩擦轮的半径， 而对于盘式轴向离合器，一般只能取相当于摩擦片宽度一半处的半径，而 不能按摩擦片的最外缘计算。 5.2 摩擦型盘式离合器承载能力的计算摩擦型盘式离合器承载能力的计算 - - 22 对于不同类型的离合器，按其极限摩擦转矩的计算式具有不同的形式。 对于轴向离合器，其摩擦表面就是装在摩擦盘上的摩擦片表面，所以其极限摩擦 转矩不熟离心力的影响。但式（1）只能代表单盘离合器的极限摩擦转矩的基本 关系式，因此，对于盘式轴向离合器，在一般情况下，应采用下式： m摩 max=k z摩 n r计 (5-3) 1 k 式中 挂合系数。低速离合器的挂合系数不能过大，最好为 1 k 1,011.03. 本设计取； 1 k k摩擦状态系数，取 k=0.8. z摩 摩擦表面（摩擦副）的数量： r计 相当摩擦力作用的计算半径。 由已知功率 p=1100kw mmax= = =256.2kw 9549p n 9549 1100 41 mmax= m摩 max 下面是 z摩 和 r计的计算方法： 如果用 a, b 分别代表主动盘和从动盘的数量， z摩可写成 z摩 =a + b 1 （5-4） 所以 z摩=2+31=4 将同一副摩擦表面（摩擦副）上所欲的摩擦力看成是均匀作用的相当摩擦力， r计可近似地按下式计算(精确度达 3%)： r计=1/2 （r外+ r内） （5-5） 其中，r外和 r内分别代表摩擦片的外缘和内缘的半径。 于是，式（2）可改写成 m摩 max= 1/2 z摩 n（r外+ r内） (5-6) 对于各种轴向离合器，按其气室结构的不同，在利用上式计算极限摩擦转 矩时，其有效正压力 n 的计算式也是不完全相同的。例如图所示的气囊型盘式离 - - 23 合器，根据其气室结构，可得到其有效正压力的计算式： n=/4 (dh) （d+h）(pminpo)cz(+) （5-7） 式中 d ，d, h 分别表示离合器在挂合状态下环状气囊的外径，内径 和宽度： z, c， 分别表示压缩弹簧的数量，刚性系数和预压量; 取 3mm. 离合器在自由状态下各副摩擦盘之间轴向间隙的总和。 取 12mm. 其他符号的意义同前， po =0.3 0.35 公斤/厘米。 pmin=9kg/cm =882 kpa c弹簧= =625kn/m 44 3 8 10d 8 dn 44 3 8 10 8 n=/4 (dd)(pminpo)cz(+) = （1.1 0.7 ） （88229.4）6254（0.003+0.012） =444.4 knm r计 = = =450 mm 1 mmax kk zq 256.2 0.84 444.4 0.4 轴孔的直径 dmin= = 314 mm 3 0 p a n 取 d孔=340 mm 摩擦片内外径的确定 取 r= 360 mm 所以 r= 540mm . - - 24 5.3 气离合器的热负荷特性与摘挂特性气离合器的热负荷特性与摘挂特性 5.3.1 热负荷特性热负荷特性 从对离合器工作过程的分析中可以看到，在挂合阶段总是会产生话滑磨， 滑磨会使摩擦表面发热和磨损，然而滑磨也是摩擦离合器所具有的一种保护机能。 但如果在挂合时离合器主动从动两部分的相对转速很大或是从动部分的惯量很 大，滑磨就很显著，以致使摩擦表面大量发热和剧烈磨损，特别是在挂合频繁时， 摩擦表面会积累大量的热，如图 10，从而使离合器的使用寿命和工作特性大幅度 下降。 图图 10 气离合器的热负荷特性气离合器的热负荷特性 1摘挂频繁的升温曲线； 2摘挂不频繁的升温曲线； t挂合一次的温升 ； t两次挂合间隔的降温 所以，离合器的热负荷特性在于其挂合特性是密切相关的，它也反映了离 合器本身所具有的散热性能。而决定其散热性能的主要因素之一是离合器的结构。 一般认为胎式离合器的散热性能比较好，而盘式离合器的散热性能最差。 通常采用以下两种特性指标来表示气离合器的热负荷特性： （1） 能量指标 a.平均发热强度 b.平均比滑磨功在离合器挂合一次的挂合阶段中，其摩擦表面的平 - - 25 均发热强度与其平均比滑磨功（即在一次滑磨过程的延续时间内，单 位摩擦表面的滑磨功的平均值）是等效的，因而它也可以作为离合器 的热负荷特性指标。 （2） 温度指标 通常还以离合器挂合终了时，摩擦片的平均温度作为表征其热 负荷特性的温度指标。 5.3.2 挂合时间与操作性能挂合时间与操作性能 为了挂合平稳，一般希望挂合操作逐渐完成。至于摘开，则应该越快月好， 特别是当离合器与其它机构存在连续作用时，这就更加必要。 影响挂合时间的因素，有以下两个方面; a 充气时间 它是指在从充气源到执行机构的气路中充气到额定压力 （离合器达到额定转矩）所需要的时间（如图）在一定的 气源压力下，它取决于气路中管线的构成及其尺寸。 通常为了考虑一定的安全裕量，充气时间应按产生比额定转矩大 50%65%的 转矩来计算。 c.从动部分达到同步转速所需要的时间 对于操作的