| 标题 | ZKY—1200远控钻机用双夹持器的设计与分析 |
| 范文 | 摘要：介绍了一种双夹持器。该型夹持器可实现自动上、下钻杆，为钻机远距离控制实现空口无人操纵奠定基础。分析其结构及原理，并对其进行运动学和力学分析，为该型夹持器的设计提供了理论基础。 关键词：双夹持器 远控钻机 夹紧力 目前，普通煤矿用坑道钻机多采用单夹持器。在突出煤层中施工钻孔中，夹持器主要用于配合动力头完成加接或拆卸钻杆，同时夹持孔内钻杆，防止钻杆及钻具滑移。采用单夹持器只能依靠人工上、下钻杆，使得操作麻烦且加大了工人的劳动强度。ZKY-1200远控钻机用双夹持器的主要功能为可实现自动上、下钻杆，为钻机远距离控制实现空口无人操纵奠定基础，并对改善矿井安全状况具有重要意义。 1 结构及原理 ZKY-1200远控钻机是一种通过利用现代信息技术和自动控制技术，基于PLC控制的自动装卸钻杆用远距离控制钻机。双夹持器为该型远控钻机的关键部分。 双夹持器主要有前夹持器和后夹持器组成，如图1示。 ■ 1.前夹持器 2.后夹持器 图1 双夹持器 其中，前夹持器主要由夹紧油缸、上夹臂、下夹臂、摆动套及摆动油缸组成，如图2示；后夹持器主要由夹紧油缸、上夹臂等下夹臂组成，如图3示。 ■ 1.夹紧油缸2.上夹臂3.下夹臂4.摆动套5.摆动油缸6.固定座 图2 前夹持器 1.夹紧油缸2.上夹臂3.下夹臂4.安装座 图3 后夹持器 前、后夹持器分别通过各自的固定座安装于机架上。在拆卸钻杆时，前、后夹持器分别夹住前后钻杆的钻杆接头两端，后夹持器固定不动，同时摆动油缸推动前夹持器体的摆动套摆动一定角度，拧松螺纹。 2 运动及力学模型 上、下夹臂未夹紧钻杆时，机构中活动构件数目为4个，低副5个，高副0个。故夹紧机构的自由度为：F=3×4-2×5=2。 此时其运动不确定，需两个运动参数运动方确定。在摆动油缸推力的作用下整个机构将会转动，增加两个运动条件，运动确定（如图4所示）。 ■ 图4 夹紧机构简图 因上钳臂受力简单，仅受油缸推力和夹紧力的反力，故利用销轴处的力矩平衡关系即可求出夹紧力。 由图解法知：夹紧油缸所产生推力对上钳臂转动点的力臂l1为231.5mm，l2为264.8mm。如下图5所示。 ■ 图5 夹紧机构力臂分析简图 又夹紧油缸活塞直径d1=63mm，活塞杆直径为d2=45mm。 对夹紧机构进行受力分析，可得： tanα=■L1=（60-？驻l）·cosαL2=（60+？驻l）·cosαL2-L1=61·cosα F0·l1=N·L1F0·l2=N·L2 ■ 图6 夹紧机构分析简图 求解，可得： ？驻l=3.71 α=6.935° L1=（60-？驻l）·cosα=56.29x0.9927=55.88 L2=（60+？驻l）·cosα=63.71x0.9927=63.24 故可得夹紧力为： N=F0■ 其中：N为夹紧力，F0为夹紧油缸推力。 由工作时夹紧油缸工作压力P1=15MPa，背压为 Pb=2Mpa，推力F0=43705N，所以夹紧力： N=P1·π（■）2-Pb·π■2-■2·■=1.560x 105（N）。由夹紧油缸推力F0及夹紧力N，可求得上、下臂转动点处支反力大小均为194961.6N，上臂所受力方向为竖直向下，下臂所受力方向为竖直向上。 3 最小夹紧力的确定 双夹持器通过夹紧油缸夹紧钻杆，其夹紧力必须满足：在夹紧钻杆后，无论上、下钻杆，夹持器卡瓦与钻杆之间不能出现打滑现象。 钻杆与钻杆或动力头之间通过螺纹进行联接。在上、下钻杆过程中，外力矩主要来自两个方面：一是摆动油缸对钻杆所施加的扭矩；二是动力头对钻杆所施加的扭矩。在外力矩作用下，钻杆与钻杆或动力头之间将产生反作用力矩，当此反作用力矩大于夹持器与钻杆之间的静摩擦力矩时，夹持器与钻杆之间就会出现打滑现象。 在外力矩的作用下，螺纹副之间的相对运动可看作是滑块在水平外力F的作用下沿斜面的滑动，如图7示。斜面的倾角为α，它等于螺纹的升角。外力F等于外力矩T与螺纹中径的比值，即F=T/■。力F可分解成一个平行于斜面的力Ft=F·cosα和一个垂直于斜面的力Fn=F·sinα，力Ft使滑块沿斜面移动，力Fn使滑块与斜面之间产生滑动摩擦力Ff=Fn·f，f为摩擦系数。由力作用的相互性可知，斜面将受到法向力Fn与摩擦力Ff的作用，此二力的合力Fe=Ff·cosα+Fn·sinα，将在钻杆与钻杆或动力头之间产生反作用力矩Te=Fe·■。 可得，反作用力矩与外力矩的关系为Te=T·（f·sinα·cosα+sin2α）。 ■ 图7 滑块上滑受力分析 由摆动油缸活塞直径为63mm，活塞杆直径为45mm，额定工作压力16MPa，对钻杆中心的转动力臂为283mm，产生的力矩为Tb=1.4114625x107N·mm。 动力头产生的扭矩为Td=1200N·m=1.2x106N·mm。在验算最小夹持器的最小夹紧力时，取外力矩T=Tb= 1.4114625x107N·mm。 通过上述分析，可得夹紧钻杆所需的最小夹紧力的计算公式： Nmin=■ 其中，d为钻杆直径。 表1 钻杆参数 ■ 由表1中钻杆参数，可得： 最小夹紧力Nmin=14806（N），需的最小油压为3MPa。 4 结论 通过分析双夹持器的结构与原理，建立其运动与力学模型，并结合ZKY-1200双夹持器的技术参数，分析其受力并确定最小夹紧力。其计算结果为该型双夹持器的设计和性能分析提供了可靠依据。 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. [2]凡东，庞海荣，姚亚峰.全液压钻机夹持器的设计与分析[J].煤炭工程，2006（5）：7-8. [3]王清峰.远距离控制防突钻机自动装卸钻杆机构的设计[J].矿业安全与环保，2008（5）：12-14. [4]万军，王艳华，陈骞.钻机双夹持器的设计与分析[J].矿业安全与环保，2008（6）：25-26. [5]王成.复合式液压夹持器的设计[J].钻掘机械，1998，10（6）：70-72. 基金项目：国家科技重大专项课题，2011ZX05041-002。 作者简介：赵学科（1985-），男，河南南阳人，助理工程师，硕士研究生，现从事煤矿用全液压钻机研发工作。 |
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