矩形截面弹簧在钻机液压卡盘中的应用设计 -学兔兔 www.xuetutu.com.pdf

学兔兔 2010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。 关键词：液压卡盘；矩形截面弹簧；ANSYS 中图分类号：TD421．2 5 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。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“|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