ZDY-1600型全液压钻机夹持器的设计

1、ZDY-1600型全液压钻机夹持器的设计夹持器作为钻机的一个重要部件,其主要作用是在自动装卸钻杆时，与钻机的马达协调运动正反转，实现钻杆间对接、脱离，钻头拆卸等，必要时夹持孔内钻具，防止孔内钻具滑移，因此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。 1. 液压夹持器的分类、特点及选用 1.1 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。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。 1.2 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，处于夹紧状态，在断电等异常情况时为夹

2、紧状态，安全可靠，防止跑钻事故的发生。 1.3 液压松紧型夹持器 夹紧松开都由液压力实现，结构较为简单, 两侧油缸进油口分别通高压油时, 卡瓦跟随活塞运动向中心收拢，夹紧钻具，改变高压油入口，卡瓦则背离中心，松开钻具。该类夹持器结构对称，但是夹紧力容易受油压力变化的影响。1.4复合式液压夹持器 有主油缸和副油缸，副油缸侧连接一组碟簧，当高压油进人主油缸，推动主油缸缸体移动，通过顶柱将力传给副油缸侧的卡瓦座,碟簧被进一步压缩，卡瓦座移动；同时，在圆柱弹簧的作用下，主油缸侧卡瓦座移动，松开钻具。需要夹紧时，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，高压油同时进人副油缸，副油缸活塞对卡瓦

3、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、性能可靠、并且也可以实现突然断电时夹紧钻具，但结构设计比较复杂，重量非对称布置，在某些特定的使用场合可能引起一定的偏载。 根据以上四种类型的夹持器的特点，我们决定采用复合式液压夹持器。2 、复合式液压夹持器的设计21夹持能力的计算211钻具自重根据钻机总体方案设计要求钻杆直径确定为国为6373，钻进深度为250m,设计时按739钻杆重量进行设计，73钻杆每米重为14.46kg/m，73×9.19 G=qlg式中：G钻杆的总重量kg q73×9.19钻杆单位长度重量14.46kg/m l钻杆长度m

4、，本钻机按250m。 g重力加速度代入公式得：G=qlg=14.46×250×9.8=35427N212、夹持器克服钻具自重所需夹紧力F1式中：f卡瓦与钻杆间的摩擦系数，取f=0.25 钻孔倾角，取=90°213、夹持器克服钻机转矩所需的卡紧力F2式中：M钻机扭矩，取1600N f卡瓦与钻杆间的摩擦系数，取f=0.25 d钻杆直径mm，取73 214、夹持器克服钻具自重和钻机转矩所需的卡紧力F3 夹持器克服钻具自重所需夹紧力F1=70.854kN夹持器克服钻机扭矩所需夹紧力F2=87.67kN夹持器克服钻具自重和钻机扭矩复合力的夹紧力F3=112.72kN22、蝶

5、形弹簧的计算及夹持器开口的确定根据设计要求蝶形弹簧克服F1的夹紧力，因此，根据钻机结构要求选择蝶形弹簧为160×82×10×13.5 根据碟形弹簧负荷计算公式：式中：E=2.06×105N/mm2，=0.3，无支承面K4=1, ,所以， 由A系列的h0/t0.4,根据P1/Pc=0.395，f/h0=0.36变形量ft=0.367h0=0.36×3.5=1.26mm。当碟形弹簧压缩变形为1.26mm时，其负荷为P1=70854Nf。f=0.75h0=0.75×3.5=2.625mm,对应的负荷为P2=14142.86kg取Pmax片数

6、为13片，设定碟形弹簧最大变形量为2.625mm。H=(2.625-1.3)×13=17.225mm17mm因此夹持器开口为：H=17mm。碟形弹簧弹力和副油缸的推力要大于钻具自重和钻机扭矩的合力，23、主油缸面积及最低开启压力的确定式中：D1、D2主夹持器、副油缸活塞直径，D1=160mm,D2=60mm P0系统背压，P0=0.5MPa P1碟形弹簧工作点的作用力，P1=72KN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，主油缸选用用160mm柱塞缸，最低开启压力为:Fmin=4.286MPa< Pmax =18MPa24、 副油缸面积及最大夹持力的

7、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：式中: D1、D2夹持器主、副油缸活塞直径，D1=160，D2=60mm ；Pmax钻机的额定工作压力，Pmax =18MPa；P0 系统背压，P0=05MPa；P1碟形弹簧工作点的作用力，P1=72kN。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70ram柱塞缸，最大夹持力Fmax =12186kN>F3=112.72kN ,满足要求。25 、联接螺栓的计算前面已计算了夹持器的副油缸和碟形弹簧同时工作。其最大夹持力：

8、Fmax =12186kN，夹持器的联接螺栓是采用了四根，那么每根螺栓所受轴向载荷为：求联接螺栓工作时总的拉伸载荷Q 取Ce=0.2,C0=1.2Q=( C0+ Ce)F=1.4 ×30.5=42.7kN选取螺栓材料确定许用应力 选取螺栓材料为45#钢，s=360MPa,安全系数取S=2,则螺栓的许用应力为：确定螺栓的直径得螺纹的内径按GB196-81粗牙普通螺纹标准查得，当d=24mm时,d1=20.752mm>19.82mm,可满足要求，故可选用M24的螺栓。查表可知所取的安全系数S=2是合适的。3、复位弹簧的设计 单个卡瓦座毛重50kg，根据摩擦力计算公式f=NK，式中的

9、叫动摩擦因数，取=0.3,N为正压力，K为卡阻系数，我们取K=2。那么f=NK=0.3×500×2=300N则：F1=300N，取F2=500N。由于夹持器设了四个螺杆，每个螺杆上设一各复位弹簧F1=f/Z=300N/4=75N, 取F2=150N。设定弹簧的最小载荷F1=350N，弹簧的最大载荷F2=700N, 弹簧的工作行程17mm，弹簧的大径为37mm。式取弹簧钢丝直径d=5mm，弹簧的中径D2为：D2=D-d=37-5=32mm弹簧指数C为： C=D2/d=32/5=6.4曲度系数K=1.23 查表弹簧钢丝的强度极限B=1400MPa,许用扭转剪切应力=0.4B=0.4×1400=560MPa弹簧钢丝直径d 取定d=5mm,弹簧的刚度j为：弹簧的变形量 弹簧的有效圈数n： 取10弹簧的支承圈数n2=2弹簧的总圈数n1=n+n2=10+2=12弹簧的的间距 取4mm弹簧的节距t t=+d=4+5=9mm弹簧的自由高度H0 H0=n+(n1-0.5)d=10×4+(12-0.5)×5=97.5mm弹簧的最小工作载荷F1 弹簧钢丝展开长度L L=D2n1=3.14×32&