魏治利， 尹 鑫， 彭 瑩， 畢 進(jìn)

(湖南飛碟新材料有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

螺旋傳動(dòng)卡盤的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

魏治利， 尹 鑫， 彭 瑩， 畢 進(jìn)

(湖南飛碟新材料有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

在分析螺旋傳動(dòng)卡盤結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)螺桿和螺母的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的設(shè)計(jì)計(jì)算。并針對(duì)卡盤在大口徑鉆機(jī)上應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和完善。采用該種類型的卡盤，夾緊可靠，滿足鉆機(jī)的使用要求，取得了較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。

螺旋傳動(dòng)卡盤；大口徑鉆機(jī)；夾持力

卡盤，作為鉆機(jī)的一個(gè)重要執(zhí)行部件，其功能是夾緊主動(dòng)鉆桿，傳遞扭矩及軸向力，實(shí)現(xiàn)鉆頭的回轉(zhuǎn)，同時(shí)在給進(jìn)油缸的作用下，完成加、減壓鉆進(jìn)。螺旋傳動(dòng)式卡盤能克服現(xiàn)有市場(chǎng)上的卡盤不能開(kāi)空車和推力軸承壽命短的缺陷，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、夾持力大、卡盤開(kāi)啟行程可調(diào)、卡盤夾緊松開(kāi)范圍大、適用四方主動(dòng)鉆桿等優(yōu)點(diǎn)，能夠較大程度地提升鉆機(jī)的效率。它已經(jīng)應(yīng)用到HMY-1500型等大口徑鉆機(jī)中，并取得了良好的效果。因此，有必要進(jìn)行優(yōu)化與推廣，向維修更加方便、夾持更加可靠的實(shí)用化方向發(fā)展。

1 螺旋傳動(dòng)卡盤的結(jié)構(gòu)原理

螺旋傳動(dòng)是靠螺旋與螺紋牙面旋合實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的機(jī)械傳動(dòng)，將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成推力。螺旋傳動(dòng)卡盤結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖1、圖2，該結(jié)構(gòu)卡盤松開(kāi)和夾緊都是通過(guò)旋轉(zhuǎn)2根螺桿來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其工作過(guò)程為：松開(kāi)時(shí)，卡盤油缸推動(dòng)橫梁上移，推動(dòng)齒形拉桿，帶動(dòng)扭矩輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，由于正、反絲螺母固定在卡瓦座上不能旋轉(zhuǎn)，因此，卡瓦座實(shí)現(xiàn)直線位移運(yùn)動(dòng)，卡瓦處于松開(kāi)狀態(tài)。夾緊時(shí)，卡盤油缸推動(dòng)橫梁下移，拉動(dòng)齒形拉桿，帶動(dòng)扭矩輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)螺桿往反向旋轉(zhuǎn)，正、反絲螺母固定在卡瓦座上不旋轉(zhuǎn)，從而卡瓦處于夾緊狀態(tài)。傳動(dòng)座始終固定在鉆機(jī)回轉(zhuǎn)上，支撐著卡盤的其它零件。

圖1 螺旋傳動(dòng)卡盤結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 螺旋傳動(dòng)卡盤橫向剖面圖

卡盤的功能是傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與扭矩，傳遞軸向運(yùn)動(dòng)和給進(jìn)力?？ūP能否穩(wěn)固地卡緊和迅速地松開(kāi)鉆桿，直接影響鉆進(jìn)能否順利進(jìn)行，因此，此種卡盤符合下列要求：(1)夾緊后，鉆桿與立軸的同心度好；(2)夾緊后，有始終保持不變的夾持力，因而夾具機(jī)構(gòu)應(yīng)具有自鎖性能；(3)夾持與松開(kāi)的動(dòng)作應(yīng)力求迅速省力，松開(kāi)徹底；(4)夾持力分布均勻，夾緊時(shí)不應(yīng)損傷鉆桿表面；(5)結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，使用安全，操作方便，易于維修。

2 螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

滑動(dòng)螺旋通常采用梯形螺紋和鋸齒形螺紋，其中梯形螺紋應(yīng)用最廣，鋸齒形螺紋用于單面受力的情況。螺旋轉(zhuǎn)矩與軸向力的關(guān)系為：

T=F(d2/2)tan(λ+ρ′)

式中：T——轉(zhuǎn)矩；F——軸向力；d2——螺紋中徑；λ——螺紋升角；ρ′——當(dāng)量摩擦角，°。

一般螺紋升程和摩擦系數(shù)都不大，雖然軸向力F相當(dāng)大，而轉(zhuǎn)矩T則相當(dāng)小。傳力螺旋就是利用這種工作原理獲得機(jī)械增力的。升程越小則機(jī)械增力的效果越顯著，從而使卡盤的夾持力越大。當(dāng)λ≤4.5°時(shí)，螺紋副產(chǎn)生自鎖。

2.1 材料的選擇

螺桿和螺母的制造材料應(yīng)具有高的強(qiáng)度與良好的加工性能。對(duì)于傳力螺旋，根據(jù)卡盤的使用工況，要求零件表面硬度高，耐磨性好，需要進(jìn)行熱處理。因此，我們選擇優(yōu)質(zhì)的45號(hào)鋼。

2.2 螺桿與螺母的基本尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算

阿朗新科最近亮相第十九屆中國(guó)國(guó)際潤(rùn)滑油品及應(yīng)用技術(shù)展覽會(huì)，首次以Keltan品牌展示其領(lǐng)先的OCP黏度指數(shù)改性劑（簡(jiǎn)稱“黏指劑”）

(1)螺桿中徑d2(mm)：

式中：F——軸向載荷 N；[p]——許用壓強(qiáng)，選用值7.5～13 MPa；d2——螺桿中徑；ζ——螺紋系數(shù)為0.8；ψ——整體式螺母系數(shù)為1.2～2.5。

按算出的d2由標(biāo)準(zhǔn)中選取相應(yīng)的公稱直徑和螺距；選取為：d2=47 mm。

(2)螺母高度H(mm)：

H=ψd2=2×35=70

計(jì)算得H=70，選取值為76 mm。

(3)旋合圈數(shù)n(z)：

n=H/p=76/10=7.6≤10～12

選?。簄=10。

(4)螺紋升角λ(°)：

λ=arctan〔S/(πd2)〕=2.56≤ρ′

式中：λ——螺紋升角，°；ρ′——當(dāng)量摩擦角，取為4.5°；S——導(dǎo)程，mm。

螺桿和螺母經(jīng)過(guò)耐磨性驗(yàn)算和螺紋強(qiáng)度校核，滿足設(shè)計(jì)要求。零件機(jī)加工成形后，進(jìn)行熱處理，淬火HRC40～50。零件齒形部分的基本尺寸見(jiàn)圖3。

圖3 螺旋傳動(dòng)齒形圖

3 卡盤的主要技術(shù)參數(shù)

鉆機(jī)鉆孔傾角90°，公稱壓力6 MPa時(shí)，2根螺桿工作夾緊卡瓦對(duì)鉆桿的夾緊力為780 kN，卡盤保持傳動(dòng)鉆桿不打滑時(shí)承受外載荷最大頂力為390 kN，大于升降油缸起拔力280 kN?？ūP傳動(dòng)座通孔直徑160 mm，傳動(dòng)座四方口尺寸為110 mm×110 mm,便于使用108 mm×108 mm的四方傳動(dòng)鉆桿，提高鉆進(jìn)的平穩(wěn)性?？ūP夾緊與松開(kāi)時(shí)單邊位移量是8 mm。

4 產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用的情況

螺旋傳動(dòng)卡盤已經(jīng)安裝應(yīng)用在HMY-1500型大口徑鉆機(jī)上，推上市場(chǎng)3年多以來(lái)，以其優(yōu)良的性能受到了施工單位的青睞。我公司使用的HMY-1500型大口徑鉆機(jī)基本技術(shù)參數(shù)如下：最大扭矩25 kN·m，動(dòng)力功率110 kW，通孔直徑154 mm，四方傳動(dòng)鉆桿規(guī)格108 mm×108 mm，回轉(zhuǎn)速度36～554 r/min，鉆進(jìn)深度1000 m(終孔直徑500 mm)、1500 m(終孔直徑250 mm)，鉆進(jìn)傾角360°，起拔力280 kN，給進(jìn)力210 kN，卷?yè)P(yáng)轉(zhuǎn)速0.67～6.37 m/s，卷?yè)P(yáng)單繩最大提升力150 kN。

螺旋傳動(dòng)卡盤銷售上市以后，我們及時(shí)進(jìn)行跟蹤，接受了幾家客戶單位返回的意見(jiàn)和建議。在河南省嵩縣的項(xiàng)目施工中，巖心鉆探最大孔深達(dá)到2040多米，終孔直徑114 mm。在新疆天山鈾業(yè)公司的地浸采鈾大通徑孔的施工中，鉆孔深度860 m，終孔直徑254 mm。在廣州新興縣地下熱水井的施工中，鉆孔深達(dá)到1600 m，終孔直徑115 mm。用戶普遍反應(yīng)該種卡盤技術(shù)參數(shù)合理，與回轉(zhuǎn)器連接部分裝卸方便，卡盤夾持穩(wěn)固，松開(kāi)夾緊迅速，立軸起拔有力，特別是操縱方便，擺動(dòng)小、噪聲低，扭矩大，具有更換卡瓦方便，維修難度小等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，用戶也反饋了一些有待我們改進(jìn)的寶貴信息。

由于四方傳動(dòng)鉆桿表面并不平整，形成中間低陷邊緣凸起的凹弧型，最初，卡瓦采用T8材料整體淬火成型，并不能與四方主動(dòng)鉆桿形成較完整的面接觸，因此，在其中2個(gè)工地，鉆機(jī)強(qiáng)力起拔時(shí)鉆桿出現(xiàn)了打滑現(xiàn)象。同時(shí)，卡盤拉桿頻繁而強(qiáng)力地扯動(dòng)拉桿座，使拉桿座內(nèi)腔有一定程度的變形，在滑移過(guò)程中刮傷傳動(dòng)座外圓柱面。這一些不正?，F(xiàn)象，為我們改進(jìn)卡盤提供了有價(jià)值的資料?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明，卡盤的主要技術(shù)參數(shù)完全滿足巖心鉆探、水文、水井、工程地質(zhì)、工程施工、鈾礦地浸開(kāi)采孔等多種用途的大口徑鉆進(jìn)的要求。

圖4為螺旋傳動(dòng)卡盤在廣東某工地使用的照片。

圖4 總體外觀照片

4.1 應(yīng)用時(shí)存在的問(wèn)題

螺旋傳動(dòng)卡盤安裝在大口徑鉆機(jī)上，在上述幾個(gè)施工工地進(jìn)行了一系列不同深度、不同工藝的打孔作業(yè)?？咨?500 m，終孔?250 mm，也能正常鉆進(jìn)，并且工作順利，效率較高，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。2016年4月，在廣東花縣某工地施工處理孔內(nèi)故障時(shí)暴露出了2點(diǎn)問(wèn)題：(1)四方傳動(dòng)鉆桿與卡瓦塊之間出現(xiàn)了嚴(yán)重的打滑現(xiàn)象；(2)拉桿座與傳動(dòng)座之間的滑移被卡死，傳動(dòng)座表面被拉傷。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)采取的改進(jìn)措施

為了解決上述問(wèn)題，技術(shù)人員去了施工現(xiàn)場(chǎng)，采取的改進(jìn)措施：(1)改整體式卡瓦為鑲合金塊式的卡瓦，并且保持卡瓦中間部的合金面高于兩側(cè)的合金面1.0 mm,這樣，提高了與鉆桿接觸的面積，變線接觸為完整面接觸，增加了摩擦力；(2)更改拉桿座的材料使其與傳動(dòng)座的材料不同且強(qiáng)度更好，并在拉桿座內(nèi)腔鑲嵌了2道環(huán)型耐磨帶，然后，對(duì)拉桿座進(jìn)行淬火處理，提高表面硬度。

5 結(jié)語(yǔ)

螺旋傳動(dòng)卡盤，經(jīng)過(guò)核工業(yè)302大隊(duì)、304大隊(duì)以及湖南中核勘探有限責(zé)任公司等幾個(gè)施工單位的實(shí)際應(yīng)用后，進(jìn)行了改進(jìn)完善，效果較好，該種卡盤具有以下幾個(gè)突出特點(diǎn)：(1)卡盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆卸方便，夾持有力；(2)卡盤傳動(dòng)力矩大，鉆進(jìn)效率高；(3)能適應(yīng)多級(jí)轉(zhuǎn)速和低速大扭矩，適應(yīng)大口徑鉆進(jìn)，適宜采用金剛石鉆頭，復(fù)合片鉆頭，牙輪鉆頭等；(4)在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中，機(jī)械故障發(fā)生機(jī)率低，螺旋傳動(dòng)使用壽命長(zhǎng)；(5)卡盤的穩(wěn)定性好，零部件拆卸方便，移動(dòng)輕便。

通過(guò)對(duì)螺旋傳動(dòng)卡盤的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，筆者認(rèn)為在滿足工藝性能的前題下，鉆機(jī)卡盤的結(jié)構(gòu)應(yīng)力求簡(jiǎn)單、可靠、更換卡瓦方便，以利于野外較為惡劣的環(huán)境，設(shè)備能夠正常發(fā)揮其應(yīng)有的作用，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

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Design of the Screw Drive Chuck and Its Application/

WEIZhi-li，YINXin，PENGYing，BIJin

(Hunan Flydisc New Material Co., Ltd.， Changsha Hunan 410007， China)

On the basis of analyzing the structure of screw drive chuck，a brief design calculation is made on the technical parameters of screw and nut. According to the application problems of chuck on large diameter drill, its structure is improved and perfected. With the reliable clamping, this type of chuck can meet the requirements of drilling rig and better technical and economic results are achieved.

screw drive chuck; large diameter drill; clamping force

2016-06-06;

2016-12-29

魏治利，男，漢族，1977年生，工程師，機(jī)械制造工藝與設(shè)備專業(yè)，從事鉆探設(shè)備研究與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與制造等工作，湖南省長(zhǎng)沙市雨花區(qū)曙光路232號(hào)，weizhili20008@163.com。

P634.3+1

A

1672-7428(2017)02-0057-03