胶筒式液压卡盘存在问题及改进_魏欢欢.pdf

第 45 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 45 No.5 2017 年 10 月 COAL GEOLOGY and using nylon ring structure to lower the probability of nibble problem, a new quick release slip rubber-sleeve type hydraulic chuck solved the slip change trouble problem. It is firstly used in ZDY5000RF crawler hydraulic rig, total monthly drilling depth of 4 000 meters was achieved without replacement of rubber sleeve in Qi’nan coal mine. Keywords rubber-sleeve type hydraulic chuck; nibble; quick release slip 卡盘是钻机的核心部件[1]，决定钻机的输出能 力[2]，成为钻机开发技术人员研究的重要内容之一 [3-11]。 相同的原理，不同结构，不同作业环境，不同型号 的钻机使用了众多样式的卡盘结构。 卡盘有机械式和液压式两种卡盘之分，但随着 液压技术在钻机行业的应用越来越普遍，钻机也大 多采用液压卡盘。 1978 年中煤科工集团西安研究院有限公司首 次在煤炭系统的全液压钻机上设计了胶筒式液压卡 盘，并使用于 MK 系列钻机中[12]，该结构卡盘因夹 紧能力大、回转惯量小、无转动隔离轴承，在煤矿 坑道钻机中得到了大量推广应用。但胶筒式液压卡 盘在应用中也存在胶筒易被啃噬漏油、卡瓦更换不 方便等问题，影响了使用效果，有必要对卡盘的作 用及要求、胶筒式液压卡盘的原理、胶筒被啃噬的 机理进行分析，对卡瓦更换不便等问题进行优化， 以便胶筒式液压卡盘发挥更大的作用。 1 卡盘的作用及要求 卡盘是钻机重要的工作部件，具备多种功用， 其一是夹紧机上钻杆，传递扭矩和轴向力，驱动钻 具实现回转和给进；其二，卡盘与夹持器相互配合， 实现升降钻具，以及拧卸钻杆等功能。卡盘在工作 时，既要承受轴向载荷和回转力矩，又要频繁地开 合，卡盘的结构强度、配合间隙，直接影响到使用 效果。因此，卡盘必须满足下列条件 ChaoXing 第 5 期 魏欢欢等 胶筒式液压卡盘存在问题及改进 187 a. 钻进中能够提供足够、稳定的夹紧力，钻杆 与卡瓦之间不得产生滑动。 b. 夹紧后自动定心，保证钻杆与钻机相关部件 的同心度。 c. 回转体部分质量分布均匀，动平衡性能好。 d. 夹紧和松开操作方便，动作灵活。 e. 卡瓦硬度合适，夹持力分布均匀，夹紧时不 损伤钻杆表面。 2 胶筒式液压卡盘工作原理及关键部件 2.1 工作原理工作原理 胶筒式液压卡盘如图 1 所示，主要由卡盘体、 前后端盖、胶筒、卡瓦组及弹簧等零件组成。 1后盖；2卡盘体；3支承环；4胶筒；5端压环； 6传扭盘；7前盖；8短销；9卡瓦；10弹簧 图 1 胶筒式液压卡盘 Fig.1 Rubber-sleeve type hydraulic chuck 高压油经卡盘后盖上的油道进入到胶筒与卡盘 体所形成的密闭容腔中，胶筒受到压缩，迫使卡瓦 径向移动，从而夹紧钻杆；回油时，卡瓦在弹簧力 的作用下自动复位，从而松开钻杆。 胶筒式液压卡盘的夹紧力与系统压力成正比， 通过控制进入容腔油液的压力，可以调节卡盘的夹 紧力。在钻进过程中，随着孔内负荷的变化，系统 压力也在发生变化，因而卡盘的夹紧力随负载变化 可自动调节，有利于保护钻杆。 2.2 胶筒式液压卡盘关键零部件 卡瓦和胶筒是该类型卡盘中易损坏的零件，卡瓦 与钻杆的相互接触，传递给进力和扭矩，容易磨损， 需要不定时的更换；胶筒在工作过程中频繁被啃噬， 产生漏油现象，影响使用效果。为了提高胶筒式液压 卡盘使用效果， 首先对两个部件的典型特点进行分析。 a. 胶筒 胶筒既要频繁地传递径向力，又要起密封的作 用，胶筒的材质多选用耐油橡胶图 2a或者聚氨酯 图 2b，邵氏硬度为 6070 HA。 a 耐油橡胶胶筒 b 聚氨酯胶筒 图 2 耐油橡胶胶筒和聚氨酯胶筒 Fig.2 Oil-resistant rubber and polyurethane rubber b. 卡瓦 卡瓦直接与钻具接触，传递扭矩和摩擦力，卡 瓦的结构形式、材料及其热处理质量直接影响卡盘 的工作性能。 目前，坑道钻机卡盘所用卡瓦都采用齿形卡瓦 图 3，依靠尖锐的齿压入钻杆表面，卡瓦与钻杆的 相对滑动会造成钻杆表面的损伤。通过沟槽加工形 成的卡瓦齿形长宽比应遵循一定的规律，长宽比在 3161，41 最佳。 图 3 胶筒式液压卡盘卡瓦组 Fig.3 Slip group of hydraulic chuck 卡瓦与钻杆的摩擦既不符合库伦定律，也不符 合机械楔入，这主要是钻杆管体存在弹塑性径向变 形的原因。新卡瓦的摩擦系数最高，随着使用齿会 不断磨损，摩擦系数会急剧下降。为了得到实用的 ChaoXing 188 煤田地质与勘探 第 45 卷 计算方法，科研人员对不同类型卡瓦的摩擦系数进 行了试验研究[9]，通过试验分析，得出了摩擦系数 的计算选择依据当比压小于钻杆屈服极限δs时， 摩擦系数 f0.140.19；比压大于钻杆屈服极限δs 时，f0.210.35。 为了保证钻机卡盘稳定的输出能力，卡瓦更换 频繁，要求更换便捷，如图 1 所示的卡盘结构，其 卡瓦的拆装较为麻烦，首先将卡盘从钻机上拆解下 来，然后将卡盘前后端盖拆解，取出卡瓦，装配时 还需要专用工具将卡瓦组放入卡盘内，熟练操作人 员更换卡瓦也需要 3 h 左右。 3 胶筒啃噬机理分析 胶筒在使用过程中容易损坏，损坏的形式以啃 噬为主。 a. 卡瓦与传扭盘和端压环之间存在间隙 卡瓦相对传扭盘和端压环径向移动来夹紧或松 开钻杆，所以卡瓦与传扭盘和端压环之间间隙间隙 值为 x是必然存在的图 4， 这就为胶筒的局部大变 形提供了空间。 1传扭盘；2端压环；3胶筒；4卡瓦 图 4 卡盘与传扭盘和端压环间隙示意图 Fig.4 Gap between chuck and disk b. 胶筒的非线性大变形特性 制作胶筒所选取的材料为橡胶， 属于复合材料， 是典型的非线性材料，具有复合材料的特性，即具 有材料的不均匀性、某种程度的不连续性、各向异 性、大应变等特点。 由数值模拟结果可以看出图 5， 卡盘夹紧钻杆 的时候，即卡盘进入高压油时，胶筒向内收缩，带 动卡瓦径向移动夹紧钻杆。由于胶筒材料选用耐油 橡胶，在高压油作用下，胶筒在间隙处受挤压产生 局部大变形，进入间隙当中。 c. 卡盘松开过程中对胶筒的剪切作用 卡盘松开的过程，是卡瓦在复位弹簧的作用下 径向移动的过程，同时也是胶筒恢复到初始状态形 变的过程。 图 5 胶筒局部 Mises 应力云图 Fig.5 Mises stress cloud pictures of rubber sleeve 卡瓦是否对胶筒施加剪切力取决于卡瓦的复位 速度和橡胶的恢复形变速度。以胶筒与卡瓦接触的 一点为研究对象，假设胶筒上该点的恢复速度为 1 V t、卡瓦上该点在弹簧复位力的作用复位速度为 2 V t。在卡盘开始复位到复位结束的时间段 t1内， 如果在时间节点 t00≤t0≤t1，存在 1 1 0 d t V tt   1 2 0 d t V tt  ，即卡瓦在时间段 0 到 t0，卡瓦的位移量 超过了胶筒的恢复位移量，卡瓦瞬时对胶筒有径向 的剪切作用。 显然，在相同的工况下，复位弹簧的复位力越 大、卡瓦与端压环之间间隙越大，对胶筒的剪切作 用就越明显，失效的概率也越大；反之，胶筒就越 安全，但是弹簧的复位力过小会影响卡盘的复位反 应时间，不利于卡盘与夹持器的联动，间隙越小意 味着相关零件公差带变小、零件的精度要求高，给 加工带来困难。 d. 给进起拔过程中对胶筒的啃噬 卡盘通过卡瓦传递给进力和起拔力图 6， 受钻 杆反作用力的作用，在卡盘夹紧钻杆的同时，钻机 的起拔和给进作用的交替作用会使卡瓦相对卡盘在 1回转器；2卡盘；3机身；4钻杆；5夹持器 图 6 钻机起拔状态示意图 Fig.6 Schematic diagram of drilling rig under pull force ChaoXing 第 5 期 魏欢欢等 胶筒式液压卡盘存在问题及改进 189 轴向窜动，缝隙也随着在卡瓦两边来回窜动，这是 胶筒被啃噬的主要表现形式。 例如在起拔时， 卡瓦与钻杆之间受力示意图如 图 7 所示， 卡盘通过卡瓦传递起拔力 F2来提拉钻杆， 同时钻杆会给卡瓦一个反作用力 F1， 在 F1的作用下， 卡瓦 K 面将贴上传扭盘和端压环，胶筒受挤压作用 进入缝隙。 当转换到给进工况时， 钻杆对卡瓦的反作 用力方向与 F1相反，卡瓦会相对于卡盘的其他零件 向左移动，这样进入缝隙的胶筒材料就会被啃掉。 图 7 起拔状态卡盘与钻杆受力示意图 Fig.7 Schematic stress of chuck and rod under pull force 这样，给进和起拔的交互作用下卡瓦在轴向的 窜动使得啃噬反复出现，最终导致卡盘漏油，失去 工作能力。 给进和起拔的交互作用下导致的啃噬现象仅仅 与间隙值大小、橡胶硬度、油压大小有关，其中最 主要的影响因素就是间隙值的大小。由于给进和起 拔力相对来说较大，卡瓦的轴向窜动会将受压进入 间隙的胶筒材料啃掉。 4 新型胶筒式液压卡盘 胶筒式液压卡盘在应用中得到了不断的改进和 应用，使用过程中，存在卡瓦更换不方便、胶筒易 损坏等问题，钻进过程中，钻具规格改变或者卡瓦 磨损时，需要更换卡瓦，对卡盘整体拆开，重新组 装，在多数情况下，也都同时更换了胶筒，这就人 为地减短了胶筒的使用寿命，增加生产成本，为了 使胶筒式液压卡盘得到更广泛的推广应用，必须不 断保留其优点，通过创新解决应用中存在的难题。 为实现快速更换卡瓦， 新型液压胶筒卡盘图 8 在原有液压胶筒卡盘的基础上，增设了卡瓦与卡瓦 座及端压盖。更换卡瓦仅需卸掉端压盖，即可将卡 瓦从卡瓦座里抽出，无需将液压卡盘整体分解，实 现快换的目的；它具有液压胶筒卡盘夹紧工作安全 可靠和转动惯量小的优点，拆解时，无须更换胶筒， 提高了胶筒使用寿命，结构简单，成本低。 1长销；2传拉盘；3双头螺栓；4螺母；5后盖； 6卡瓦座；7卡盘体；8胶筒；9支撑环；10卡瓦； 11尼龙环；12端压环；13传扭盘；14前盖； 15弹簧；16短销；17垫板；18端压盖 图 8 快拆卡瓦液压胶筒卡盘 Fig.8 Rubber-sleeve type hydraulic chuck with easy-removal slips 为避免胶筒变形进入卡瓦与传扭盘和端压环 之间的间隙被啃掉，在胶筒和间隙之间放置尼龙 环图 9， 胶筒在压力作用下受到尼龙环的阻隔作用 就不会压入到卡瓦与传扭盘和端压环之间的间隙， 可以很大程度上避免啃噬问题的出现。 图 9 尼龙环 Fig.9 Nylon ring 5 试验效果 ZDY5000RF 型履带式全液压钻机首次采用该新 型结构的胶筒式液压卡盘，在淮北祁南煤矿进行工业 性试验[13-14]， 总进尺超过 4 000 m， 其中单孔深度超过 200 m 的钻孔 5 个。 试验过程中， 该钻机最快单班8 h 即可完成一个孔深 150 m 的钻孔， 具备了较高的钻进 效率，钻机在试验过程中，快拆卡瓦液压胶筒卡盘性 能稳定，卡瓦更换方便。2014 年 8 月到 12 月，该钻 机在祁南煤矿累计进尺超过 2 万 m，施工过程中，仅 更换使用过 5 个胶筒，单个胶筒使用寿命大大提高。 6 结 论 a. 胶筒式液压卡盘结构紧凑，夹紧力大，适用 于多角度钻探的坑道钻机，设计过程中，要详细分 ChaoXing 190 煤田地质与勘探 第 45 卷 析其工作原理，合理优化关键零部件，发挥胶筒式 液压卡盘的最佳性能。 b. 优化结构的胶筒式液压卡盘具有卡瓦更换 方便、胶筒使用寿命长等优点，ZDY5000RF 型履带 式全液压钻机首次应用该结构卡盘，在淮北祁南煤 矿工业性试验中得到验证和考验。 c. 卡盘的结构设计应根据使用条件合理选择， 出现问题时应该认真分析，合理解决，充分发挥胶 筒式液压卡盘的优点。 参考文献 [1] 冯德强. 钻机设计[M]. 武汉中国地质大学出版社，1993 167–169. 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