钻机液压卡盘胶筒数值分析及结构改进 -.pdf

2 0 1 2年 第 7期 煤炭 工程 钻机液压卡 盘胶筒数值分析及 结构 改进 郭 溺 煤炭科学研究总院 西安研究院，陕西 西安7 1 0 0 7 7 摘要 胶 筒式液压卡盘是全液压坑道钻机上的重要工作部件 ，其关键元件胶 筒是卡盘 中容 易损坏的零件。选择 Y e o h模型以便能更精确的描 述卡盘胶 筒本构关系，建立 了胶 筒的有限元模 型，对其工作过程进行数值模拟 ，分析 了工作 时胶 筒的应力应变情况及卡盘夹紧状 态时胶 筒的变 形情况，找 出了胶筒失效的根本原 因，即卡盘 与端压环之 间存在间隙而导致胶 筒与间隙发生啃 噬。提 出了增加尼龙垫 圈以隔离胶 筒和间隙的直接接触的改进方案 ，对提 高钻机卡盘的工作可靠 性 ，具有重要 意义。 关键词 钻机 ；卡盘胶筒；有限元；结构改进 中图分类号 T D 4 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 2 0 7 - 0 1 1 5 ． 0 3 Nu me r i c a l Ana l y s i s a nd S t r u c t ur e I mpr o v e me n t o f Rub b e r Dr u m f o r Hy dr a u l i c Ch uc k o f Dr i l l i n g Ri g GUO Yo ng X i a n R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a C o a l R e s e arc h I n s t i t u t e ，Xi a n 7 1 0 0 7 7，C h i n a Ab s t r ac t Th e r u b be r d rum t y pe h y d r a u l i c c hu c k i s a i mpo r t a n t wo r k i n g pa r t o f t h e f u l l h y d r a ul i c t u nn e l dr i l l i n g r i g ． Th e k e y e l e me n t o f t h e ru b b e r d rum i s a n e a s y f a i l u r e p a r t i n t h e c h u c k ． Ye o h mo d e l wa s s e l e c t e d t o a c c u r a t e l y s t a t e t h e r e l a t i o n s h i p o f t h e r u b b e r d rum s t ru c t u r e f o r t h e c h u c k a n d a fi n i t e e l e me n t mo d e l o f t h e r u b b e r d r u m wa s e s t a b l i s h e d ． T h e n ume ric a l s i mu l a t i o n wa s c o n du c t e d o n t h e o pe r a t i o n p r o c e s s ． The s t r e s s a nd s t r a i n c o n di t i o n s o f t h e drum du r i ng t he wo r ki n g p e rio d a n d t h e d e f o r ma t i on c o nd i t i o ns o f t he r u bb e r d ru m d u rin g t h e c h uc k i n t e ns i on we r e a na l y z e d． Th e b a s i t 。 c a u s es o f t he rub be r d rum f a i l u r e we r e f o u nd an d t he c l e a r a nc e be t we e n t he c hu c k a n d t h e e n d pr e s s ur e r i n g c a us e d t he b i t i n g b e t w e e n t h e r u b b e r d rum a n d c l e a r a n c e ． An i mp r o v e me n t p l a n w i t h n y l o n c u s h i o n wa s p r o v i d e d t o i s o l a t e t h e d i r e c t c o n t a c t t h e rub b e r d r u m a n d c l e a r a n c e a n d wo u l d h a v e i mp o r t a n t s i g n i fi c a n c e s t o i mp r o v e t h e wo r k i n g r e l i a b i l i t y o f t h e c h u c k for t h e d ril l i n g r i g． Ke y wo r d s d r i l l i n g r i g ； rub b e r d ru m o f c h u c k； fi n i t e e l e me n t ； s t ru c t u r e i mp r o v e me n t 胶筒是煤矿用全 液压 坑道 钻机胶 筒式 液压 卡盘 的关键 元件 ，在使用过程中经常发生失效导致卡盘漏油而失去工 作 能力 。胶筒式液压卡盘结构如 图 1 所示 ，主要 由卡盘 体 、前后 端盖、胶简 、卡 瓦组 及 弹簧 等零 件组 成 。胶 筒在 夹紧过程中会产生几何非线性大变形，其材料丁腈橡胶的 本构关系也是非线性 ，加上胶筒与卡瓦、端压环及传扭环 之 间的接 触 过程 又 是一 个状 态 非线 性 的 接触 问题 。 因此 ， 液压卡盘胶筒 的夹 紧过程 是一 个兼有 几何 、材料 和状 态 的 三重非 线性 问题 。石 油 行业 对 封 隔 器 胶筒 做 了大 量 的研 究 。J ，包括胶筒座 封过 程数 值分 析 ，胶 筒接 触应 力 的有 限元分析以及结构改进等研究，对该课题 的研究具有借鉴 意义 ，但两者工作 的原 理及方式均不 同。 后盖 胶筒 瓦 前盖 图 1 胶 筒式液压 卡盘 结构 示意 图 针对 以上 问题 ，文章 以全液 坑道 钻机 的液 卡盘 胶 收稿 日期 2 0 1 2一 叭 一1 1 作者简介 郭滂 1 9 7 8一 ，男 ，宁夏石嘴山人 ，工程师 ，现在煤炭科学研究 总院西安研 究院主要从 事钻 探技术研 究 及市场推广工作 。 ll 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 7期 煤炭工程 ■ 图 3 胶 筒位移变化及局部放大 图 图 4胶筒应力变化 图 图 5 胶筒特征 点位 移 曲线 时间／ s 图 6 胶筒特征点应 力曲线 与端压环之 间存在间隙发 生啃噬是卡盘胶筒失效的根本 原 因。 3 ． 2改进 方案 胶筒 的啃噬属 于机械 性损 伤 。啃 噬现象 的 出现是 结构 性 问题引起 的 ，啃 噬现 象 可改 善 只能通 过 调整 橡胶 硬 度 、 弹簧复位力、间隙值的大小、工作压力大小等相关参数来 尽 量减 少啃噬出现 的概率 。而啃 噬问题 的解决 只能通 过结 构的改进。为了缓解胶筒的啃噬现象，避免胶筒与间隙 卡 瓦与端压环和传扭盘之间 的直接接触，在改进方案中，将 卡 瓦的轴肩位置做 出一个 台阶 ，在 台阶上加上 一个尼龙环 ， 隔开胶筒 与间隙 。高 压油作 用时 ，胶 筒在压 力作用 下径 向 移动 ，尼龙环这 时的作用 是 限制 橡胶 材料 变形进 入间 隙之 中，从而有效地缓解啃噬现象的发生。 由于液压卡盘工作条件恶劣，既要能承受轴向载荷和 回转扭矩，又有频繁的开合动作，其性能的好坏直接影响 到钻机使用效果。该改进方案在实际应用验证中，钻机未 出现 因胶筒 啃噬而引发 的故障 ，提高 了钻机整机 的可靠性 。 4结论 1 通过 比较选择 了能更精确描述卡盘胶筒应 力应变关 系的 Y e o h模型 ，该本构模型 能很好地 模拟胶筒 的受 力变形 状 况。 2 通过对卡盘工作夹紧过程所进行 的非线性 静力 学分 析 ，模 拟胶 筒在压力 作用 下 的局 部大 应变现 象 ，找出 了卡 盘胶 筒失效的根本原 因即为 卡盘与端 压环 之 间存 在 间隙而 与胶筒发生啃噬。 3 提出了卡盘结构改进方案 ，增 加尼龙垫圈 的方 法来 隔离胶筒和间隙的直接接触。可以有效地缓解啃噬现象的 发生 ，提高钻机工作的可靠性。 参 考文献 [ 1 ] 冯 德强． 钻 机 设计 [ M] ．武 汉 中 国地 质 大学 出版 社 ， l 9 9 3 ． [ 2] 江进 国，常江华 ，姚宁平 ，等．基 于 A N S Y S的液压卡 盘胶 筒的应力 分 析 与 优 化 [ J ] ． 煤 田地质 与勘 探 ，2 0 0 7 ，3 5 O 5 7 7～ 8 0 ． [ 3] 杨 秀娟 ，杨恒林．液压封隔器胶 筒座封过程数值分 析 [ J ] ． 石油大学 学报 自然科学版 ，2 0 0 3 ，2 7 5 8 4～ 8 5 ． [ 4 ] 李 晓芳 ，杨 晓翔 ，王洪涛．封 隔器胶筒接触应力的有限元分 析 [ J ] ．润滑与密封 ，2 0 0 5 ，1 7 1 5 9 0 9 2 ． [ 5 ] 刘永辉．封隔器胶筒性能有限元 分析 及结构 改进 [ D] ．西 南石 油大学硕士学位论文 ，2 0 0 6 ． [ 6 ] 杨 晓翔．非线性橡胶材料 的有 限单元法 [ M] ．北京 石 油 工业 出版社 ，1 9 9 9 ． [ 7 ]0 H Ye o h ．C h a r a c t e r i z a t i o n o f e l a s t i c p r o p e r t i e s o f c a r b o n b l a c k fil l e d r u b b e r v u l c a n i z a t e s Ru b b e r C h e mi s t r y a n d T e c h n o l o g y [ J ] ．1 9 9 0 ，6 3 5 7 9 2～ 8 0 5 ． [ 8 ] 庄茁 ，张帆，岑松 ，等 ．AB Q U S非 线性有 限元分析 与实例 [ M] ．北京 科学出版社 ，2 0 0 5 ． [ 9 ] 常江华．胶筒式液压卡盘 的可 靠性研 究 [ D] ．北京 中国 地质大学 ，2 0 0 8 ． 责任编辑赵巧芝 1 1 7 R 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m