对矩形截面弹簧在钻机液压卡盘中的应用设计

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1、学兔兔www.xuetutu.com2010年第3期煤炭工程矩形截面弹簧在钻机液压卡盘中的应用设计彭涛，吴晓光，姚宁平，姚亚峰，杜小山(1．中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院，湖北武汉43~74；2．煤炭科学研究总院西安研究院，陕西西安710077)摘要：通过对ZDY650型钻机的碟簧式液压卡盘的分析，设计出一种采用圆柱螺旋弹簧代替碟形弹簧的新型液压卡盘。通过对比分析选取矩形截面圆柱螺旋弹簧作为新型卡盘弹簧，并利用ANSYS有限元软件对矩形截面弹簧进行应力分析，满足了设计要求。采用该结构可大大提高卡盘的夹紧可靠性，满足钻机的使用要求，取得了较好的效果。关键

2、词：液压卡盘；矩形截面弹簧；ANSYS中图分类号：TD421．25文献标识码：B文章编号：1671—0959(2010)03-0099-()3沿径向运动，卡瓦(7)开口直径变大，松开钻杆(9)。此设1概述计中弹簧(5)的工作行程为20．4mm，使卡瓦(7)开口直径卡盘是钻机的一个重要的组成部件，其功能是夹紧钻相应增大，能较好的避免卡瓦(7)与钻杆(9)变形后造成的杆，向钻杆传递转矩和轴向力，驱动钻具实现回转和钻进。钻杆(9)不能顺利通过卡瓦(7)的情况发生。传统煤矿用全液压坑道式钻机常闭式液压卡盘中使用碟形利用弹簧弹力夹紧的卡盘，弹簧性能的好坏将直接影弹簧较多

3、。如ZDY650型钻机上使用的卡盘采用的是斜面响卡盘的性能指标。在图1所示的结构中，弹簧的选取主增力机构，利用碟簧夹紧，液压松开，卡盘不工作时处于要考虑了两种方案：一是采用圆形截面圆柱螺旋压缩弹簧，夹紧状态。卡盘中碟簧是以对合形式安装的，这种安装形二是采用矩形截面圆柱螺旋压缩弹簧。下面主要针对这两式所能承受的载荷为单个碟簧所承受的载荷，变形量是所种弹簧进行设计计算，最终选取较好的方案进行分析。有碟簧的变形量的总和，它存在的主要问题有：①在有限进出油的轴向空间内，碟簧数量有限，总的变形量较小，导致卡瓦开口直径较小，起下钻时卡瓦容易磨损钻杆；单个碟簧的载荷有限，导

4、致卡盘夹紧力不大，不适合较大扭矩的钻机；②碟簧为对合安装，摩擦力对特性曲线影响大，碟簧之问摩擦面较多，造成能量损失较大；③碟簧的直径和板厚在制作中即使出现不大的误差，其特性也会有较大的偏差“

5、2j。考虑到碟簧式液压卡盘存在的上述问题，本文设计了一种新型液压卡盘，并对其关键部件——弹簧的选取和设计做重点分析。1一活塞；2一轴承；3一油缸；4--卡盘体；5一弹簧；2螺旋压缩弹簧液压卡盘结构6一卡瓦座；7一卡瓦；8一主轴；9一钻杆图1矩形截面弹簧液压卡盘结构原理图螺旋压缩弹簧液压卡盘结构原理如图1所示，该结构采用常闭式卡盘设计，使用螺旋压缩弹簧代替碟形弹簧。3弹簧设

6、计其工作过程为：夹紧时，利用弹簧(5)弹力压紧卡瓦座(6)，通过斜面增力机构将力传递到卡瓦(7)上，进而夹紧根据卡盘所需提供力的大小及在不同工作状态下的受钻杆(9)；卡瓦(7)嵌入主轴(8)上的孑L中，将主轴(8)上的力分析，结合弹簧变形量，分析计算出弹簧在卡盘不同工扭矩传递到钻杆(9)上，驱动钻杆(9)回转。松开时，利用作状态下的受力。初始参数为：扭矩150oN，夹持@50mm液压机构驱动活塞(1)运动，通过轴承(2)带动卡瓦座(6)钻杆，最大给进／起拔力为8x10N，根据卡盘空间设计尺轴向运动，压缩弹簧(5)，卡瓦(7)在卡瓦座(6)的斜槽内寸，弹簧外径D

7、。38mm，工作行程h=20±1mm。查工程收稿日期：2009—10—12作者简介：彭涛(1984一)，男，湖北武汉人，2oo7年毕业于中国地质大学(武汉)机械设计制造及自动化专业，现在从事钻掘机械方面的学习研究。学兔兔www.xuetutu.com煤炭工程2010年第3期材料手册，选用材料为弹簧钢60Si2CrVA，泊松比为0．28，剪切模量为G：78500MPa，许用应力为[Jr]=932MPa。nI＼f，=1I几厂取卡瓦座和卡瓦摩擦系数为0．4，则所需夹紧力最少为80／0．4=200kN。取实际所需的夹紧力是最小夹紧力的1．5＼＼倍，则实际夹紧力Q=20

8、0×1．5=300kN。卡瓦斜面角一般取6。～9。[31，这里取7。。取斜面摩擦系数f=0．1，则摩__——入＼／琴擦角=5．71。(f=ta“)。根据增力比A=Q／F=1／tan(0l91+)，可得实际所需弹簧力F为：F=tan(7+5．7)×300=67700N。本卡盘采用18根弹簧，故每根弹簧所承载力为图3矩形截面螺旋压缩弹簧(mm)67．7／18=3760N。将弹簧在不同状态下进行受力分配：最大夹紧力F⋯，盘的夹紧力更稳定。因此，这里选择矩形截面弹簧作为螺预紧夹紧力为F=0．3F，正常工作夹紧力为F=3760N，旋压缩弹簧液压卡盘夹紧部件。通过计算可以

9、得到矩形截弹簧受力分配与卡瓦开口直径关