液壓卡盤課程設計液壓卡盤的設計與控制

1、目錄1 卡盤結構及原理11.1 結構11.2 原理22 主要零件的制造要點33 液壓卡盤的設計要求34 液壓卡盤的結構45 液壓卡盤的工作原理56 液壓卡盤的工作原理67 主要參數(shù)設計77.1 液壓卡盤承載力的確定77.2 卡瓦對鉆桿的夾緊力Q87. 3 蝶形彈簧的軸向推力F 的計算87.4 設計蝶形彈簧107.5 活塞行程S 的確定107.6夾緊包角137.7夾緊力與夾緊油壓137.8轉動絲桿之驅動力矩167.8.1 驅動活塞產(chǎn)生有壓縮需要力矩16絲桿與缸蓋的止推摩擦力矩178 液壓控制系統(tǒng)的設計189結束語1910參考文獻20液壓卡盤的設計與控制液壓卡盤是鉆機的一個主要部件，其功能是夾緊鉆

2、機上的鉆桿，并向鉆桿傳遞轉矩和軸向力，驅動鉆具實現(xiàn)回轉和給進，完成加減壓鉆進。本文結構介紹液壓卡盤的原理及制造要點。1 卡盤結構及原理1.1 結構卡盤的結構如圖1 所示，主要由活塞桿1、座板2、滾輪3、卡盤座4、銷軸5、螺栓組件6、轉動板7、壓輪架8、連桿9、螺母10 和卡盤爪11 等組成（油缸部分沒有畫出）。連接方式為：座板和壓輪架夾住滾輪，滾輪兩端穿入轉動板的孔中，活塞桿穿入座板和壓輪架中心孔并由螺母鎖緊，轉動板的另外兩個孔分別用螺栓組件與卡盤座和卡盤爪連接，連桿也分別用銷軸與卡盤座和卡盤爪連接。從圖1 中可以看出，當活塞桿在液壓的作用下作軸向運動時，帶動滾輪既沿卡盤軸向又沿卡盤徑向遠動，

3、實際上滾輪是繞卡盤座的定點轉動，也就是轉動板在滾輪的帶動下繞卡盤座的定點轉動，卡盤爪在轉動板的帶動下同時又受連桿的限定既沿卡盤軸向又沿卡盤徑向遠動，保證卡盤爪可靠撐住物體1.2 原理卡盤的工作原理如圖2 所示：該機構是一個平行四桿機構，AD（卡盤座）靜止，AB =DC，AD=BC，A、D兩點為定點，當AB（轉動板）繞A 點轉動時，DC（連桿）在BC（卡盤爪）的帶動下繞D 點也就是在該平行四桿機構中，AB、DC 作轉動，BC 作平動。只有BC 作平動，才能保證卡盤爪的徑向運動，從而實現(xiàn)卡盤的功能。2 主要零件的制造要點該卡盤采用3 個卡盤爪，因三點定圓，所以能可靠撐住圓形內孔的物體，而且輪胎的中

4、心與卡盤的中心重回?？ūP座上的A、D 兩孔與卡盤中心的相對位置必須精確?？ūP爪上的兩孔中心距BC 必須與AD 相等。連桿上的兩孔中心距CD 必須與轉動板上的兩孔中心距AD 相等。座板的內孔中心線必須與端面垂直。壓輪架分度精確，壓輪平面與內孔垂直?？傊?，該卡盤各零件的尺寸公差和形位公差均不能超差，而且表面粗糙度要高，否則，動作不會靈活，如嚴重超差，卡盤可能無法使用。鑒于此，主要零件最好使用數(shù)控機床加工。3 液壓卡盤的設計要求液壓卡盤既要向鉆桿傳遞扭矩和回轉運動，又要向鉆桿傳遞軸向運動和給進力。為了使鉆機的工作可靠，設計液壓卡盤時首先應保證卡瓦對鉆桿具有足夠的夾緊力，且夾緊后有自鎖能力，使卡瓦夾緊

5、主動鉆桿后不出現(xiàn)軸向或周向的相對滑動；其次，夾緊面積要大，夾緊力分布要均勻，不致?lián)p傷主動鉆桿表面；第三，應考慮各零部件相互拆裝時的難易程度、易損件和卡瓦更換時的方便程度；第四，使用鉆桿的直徑規(guī)格不能太多，否則隨卡瓦徑向移動尺寸的增大，液壓卡盤的外形尺寸也相應增加，如果采取更換卡瓦來滿足不同直徑的鉆桿，液壓卡盤就要經(jīng)常拆裝，將影響鉆機的使用性能。因此，液壓卡盤的設計既要保證夾緊可靠和拆裝方便，又要盡量縮小其外形尺寸。4 液壓卡盤的結構由于碟形彈簧具有結構緊湊、加壓均勻以及獨特的非線性特性等特點，座箱式鉆機的液壓卡盤采用碟形彈簧式結構，為液壓松開常閉式。它由3 大部分組成，見圖1。1）夾緊動力裝置

6、。見圖1蝶形彈簧2，其作用是產(chǎn)生軸向力和軸向運動2）中間傳動機構。見圖1 空心軸1、卡套3、活塞4 等，其作用是改變作用力的大小和方向，即將軸向作用力改變?yōu)閺较蜃饔昧Γ瑐鬟f給夾緊元件，且具有增力作用。3）夾緊元件。見圖1 卡瓦6，其作用是將中間傳動機構傳遞來的夾緊力施于鉆桿，將其夾緊。5 液壓卡盤的工作原理高壓油從上部進入推動活塞移動，活塞帶動推力軸承和卡套下行，卡套壓緊蝶形彈簧，由于卡套與卡瓦為斜面配合，因此卡套下行驅動卡瓦在卡套的“,”型槽內向外移動，松開鉆桿。需要夾緊時，操作液壓系統(tǒng)的卡盤控制閥，卸掉油壓，在蝶形彈簧的彈力作用下，卡套上移，驅動卡瓦作徑向收縮，卡緊鉆桿。6 液壓卡盤的工作

7、原理卡盤安裝在主軸上 隨主軸轉動 是一個液壓機械裝置 轉動絲軒推動有內螺紋的活塞(螺母)下移， 將介質(黃油)擠出 ， 產(chǎn)生油壓使四個夾緊柱塞伸出，頂著活動爪壓緊被央體(單體液壓支柱的底座或缸體)：開動電機， 臺上離合器 此時被夾體即髓卡盤轉動而支柱的缸體或手把則被夾緊在機身導軌上它們之間便產(chǎn)生了相對轉動，能很方便取(甚至自動退)出其聯(lián)接鋼絲解體支柱 之后打開離臺器或停下電機，反轉絲軒，活塞上移在回程彈簧作廂下括動爪退回復位。并將夾緊柱塞帶回黃油返回驅動缸(活塞下部) 完成一個工作循環(huán)本裝置采用液壓傳動， 螺紋驅動自鎖 即穩(wěn)壓 因而夾緊力均勻、穩(wěn)定，好調節(jié)。黃油相對其他液壓油易密封不流動給制造

8、與維護帶來很大方便。但存在空氣難以排盡動作有滯后的問題還需進一步研究與探討 用黃油做介噴。在液壓傳動上也是一個有益的償試7 主要參數(shù)設計7.1 液壓卡盤承載力的確定液壓卡盤的承載力一般根據(jù)正常鉆進和強力起拔兩種工況中的最大載荷來確定。最大載荷Pmax強力起拔工況下, 液壓卡盤負荷:Pb = Pmax ( 1)式中: 安全系數(shù), 取1.25-1.6;Pmax 給進油缸最大起拔力( 按系統(tǒng)最大壓力計算)。正常工況下, 液壓卡盤的負荷:式中: Pz作用于鉆桿上的軸向力; 一般取最大加（減）壓給進力；Py作用于鉆桿上的圓周力。式中: Mn立軸最大輸出扭矩; d鉆桿直徑。將求得的兩個負荷P b、Pg 進

9、行比較, 取其最大者作為最大工作載荷Pmax 。7.2 卡瓦對鉆桿的夾緊力Q一般指液壓卡盤在承受最大載荷P max 時, 所必需的夾緊力, 表示為:式中: f卡瓦與鉆桿間的摩擦系數(shù), 焊合金卡瓦一般取0. 5 左右為宜。7. 3 蝶形彈簧的軸向推力F 的計算蝶形彈簧的軸向推力是蝶形彈簧夾緊鉆桿時,壓縮蝶形彈簧時的軸向彈性力, 可作為設計蝶形彈簧的依據(jù)。取隔離體分析: 卡圈受力分析見圖3( a) , 卡瓦受力分析見圖3( b)圖中: R 卡圈的反作用力, N ;N卡瓦作用于卡圈斜面上反力, N ;T保護套作用于卡瓦上的反力, N ;Q鉆桿作用于卡瓦上的單位壓力,Pa; (Q= q)F1、f2 滑

10、動摩擦系數(shù)f1= f2 = 0.15;卡瓦、卡圈斜面半錐角, 一般取68°為宜。在XY 坐標系中各力的平衡條件為:對卡圈:x = F - N sin- f1N cos= 0 ( 1)y = R - N cos+ f1Nsin= 0 ( 2)對卡瓦:􀀁x = T-N sin- Nf1cos= 0 ( 3)y = Q+ Tf2 - Ncos+ Nf1sin= 0 ( 4)整理為:蝶形彈簧軸向推力: F= N ( sin+ f1 cos)7.4 設計蝶形彈簧先確定碟形彈簧的組合形式, 液壓卡盤一般采用對合組合, 按碟的軸向推力F, 夾緊時的總變形量f z ( 按徑向位移定

11、) 及導桿直( 此文中為卡瓦座外圓直徑) 等進行設計計算。主要計算步驟如下:( 1) 選擇碟簧系列及組合形式;( 2) 計算碟簧壓平時的載荷;( 3) 計算夾緊時的載荷與壓平時的載荷比, 即FPc( 4) 計算夾緊時單片碟簧的變形量f ;( 5) 根據(jù)fzf, 計算出對合組合的片數(shù)并圓整( fz夾緊時的總變形量) ;( 6) 通過以上計算分別計算出自由高度H z 和受F 載荷時的高度H 1( 7) 計算碟簧壓平時危險點的應力, 應小于材料的屈服極限。7.5 活塞行程S 的確定活塞行程一般按如下經(jīng)驗公式確定式中: S活塞工作行程;h0單片碟形彈簧的極限變形量;i碟形彈簧片數(shù);a對合碟形彈簧間的墊

12、片厚度;n對合碟形彈簧的對數(shù);S1碟形彈簧安裝預壓縮量( 一般取510mm 為宜, 深孔鉆機取小值, 淺孔機鉆取大值)Pz為作用在鉆桿上的軸向力;N為卡瓦作用在鉆桿上所必須的夾持力;f為卡瓦與鉆桿的摩擦系數(shù);Py =2Md ( 2)M作用在鉆桿上的扭矩, N 􀀁m;d鉆桿外徑, m。注意: 摩擦系數(shù)f 值與卡瓦齒實際所受到的單位壓力有關。當單位壓力大于120200MPa 時, f為0. 2 0.45; 單位壓力為10001500MPa 時, f 為0.9。高壓下, 卡瓦齒吃入鉆桿, 因此其摩擦系數(shù)大大增加, 在夾緊能力的計算中, 卡瓦與鉆桿表面的摩擦系數(shù)一般取0.5。以卡瓦為

13、研究對象, 做受力分析:式中: N座板對卡瓦的支撐力;N卡圈對卡瓦的正壓力;f鋼對鋼平面摩擦系數(shù);􀀁􀀁 􀀁 􀀁 卡瓦斜面角;以卡圈為研究對象, 做受力分析:式中: F 彈簧的預緊力。由上述( 1) ( 2) ( 3) ( 4) ( 5) 公式推導得出:􀀁 􀀁 根據(jù)上述公式, 我們不難看出, 卡瓦斜面角是整個卡盤結構設計中的一個重要參數(shù)。的大小取決于三方面因素: 第一, 􀀁減小時, 所需彈簧的預緊力F 也相應減小; 第二, 要保證卡盤松開時鉆桿通過空間和卡盤夾緊時夾持余量

14、, 卡瓦受液壓活塞系統(tǒng)推動的軸向距離也要加大; 第三, 要考慮夾緊機構的自鎖性能要好, 不可過小。因此卡瓦斜面角的選擇, 要綜合考慮尺寸空間和夾持力的平衡關系,因為不同廠家相同規(guī)格的鉆桿接頭尺寸差別較大,在使用過程中鉆桿磨損情況嚴重, 卡盤設計要為鉆桿通過時留有足夠的夾持余量。綜上分析, 卡瓦斜面角􀀁不宜取過小, 一般􀀁= 69, 建議取大值。通過以上的分析, 可以看出, 典型的中深孔巖心鉆機所采用的是彈簧夾緊液壓松開常閉式卡盤; 立軸鉆機多用一組大直徑碟簧, 全液壓鉆機為多組氮氣彈簧、小直徑碟簧或模具彈簧。無疑, 后者在安裝和檢修時簡單方便, 以及滿足卡盤

15、夾持能力和大直徑卡盤通徑方面優(yōu)于大直徑碟簧, 而孔口泥漿容易造成氮氣彈簧的損壞也是一個現(xiàn)實。在設計計算中, 卡瓦接觸面積, f 摩擦系數(shù)的設定, 的選定, 都會影響卡盤的夾持能力。當然, 卡盤油缸的加工精度, 卡盤外殼的動平衡檢測, 卡盤多個內錐度的一致性, 也同樣重要, 直接決定了鉆桿和立軸的同心度,回轉的平穩(wěn)性以及卡盤油缸的泄露和串油, 也決定了卡盤運行的穩(wěn)定性和安全性。本文只是對于巖心鉆機卡盤的各種結構型式和其適用主機進行了匯總說明, 同時也會持續(xù)關注各種卡盤在施工過程中的安全性、效率以及維修便利性, 以期對巖心鉆機的卡盤設計提供更多的思路。7.6夾緊包角夾緊包角 即夾緊時園形被夾體受力

16、部分圍心角之總和 卡盤固定爪作為定心元件，設計園心角120 OI兩恬動爪為加力元件 設計同心角均為65。， 由于活動爪， 固定爪均按被夾體之圓弧設計，在理論上是能沿弧長全部接觸的B口夾緊包角為三爪園心角之和一250 接觸長度接近周長之70 ，且相對比較均勻 故不會夾壞被夾體這是用其它方式夾緊的拆柱機所不能相比的 使用中已證明了這一點。7.7夾緊力與夾緊油壓通過廣泛的調查、試驗和推算卡盤經(jīng)向夾緊，達l50KN時 即使年久失修，銹蝕嚴重的單體液壓支柱， 卡盤也能夾住而不打滑 我們即以此力作為液壓卡盤夾緊力的額定值卡盤夾緊時受力分析(圖2)N一柱塞推力ql、qr一活動爪，固定爪與被夾體之間單位弧長的

17、應力。為了便于分析，我們認為卡爪與被央體格全長接觸格弧長各點噓力相同，并通過圓心活動爪受力平Ii即兩柱塞推力與被夾體對活動爪之接觸反力之和為零得方程： 解之得 q1=1.720NR (1)式中： R 被夾體園弧半徑65 一活動爪園心角。再由被夾體與活動爪一起受力平衡在Y軸上臺力為零得方程： 解之得 q2=1.509NR (2) 式中： 120 一固定爪園心角。由于徑向夾緊力之和額定埴為150KN將(1)、(2)代人(3)，解得：N=21243(KN)夾緊柱塞直徑d=35mm，所以夾緊油壓為： P=4Nd²= 4 × 21.2433.142 × 35²&#

18、215; l0³= 22(Mpa)根據(jù)上述計算一我們確定將22Mpa作為液壓卡盤的額定工作油壓。也是卡盤密封性能試驗壓力的計算依據(jù)。實驗埴為1.25p，即試驗壓力為27.5Mpa。通過進一步的受力分析可知 當三爪受力都集中在卡爪中部時，額定油壓值要升高13，為了避免這種狀況我們在結構設計時以卡爪中部一小段不與被夾體接觸 即不受力來解決： 當三爪受力均在卡爪端部時， 只需73 的額定壓力即可達到額定夾緊力。當然 由于卡爪與被夾體存在彈性， 而卡爪圓弧叉與被夾體接近(理論上相同)故完全達到上述兩種狀況均是不可能的7.8轉動絲桿之驅動力矩象車睞卡盤要扳專用扳手才能夾緊一樣，液壓卡盤也是由轉

19、動絲桿產(chǎn)生油壓來夾緊的轉動絲桿所需驅動力矩是卡盤叉一重要技術參數(shù)?？ūP夾緊時螺母(活塞)下移絲桿向上壓緊缸蓋，轉動絲桿既要驅動螺母活塞產(chǎn)生油壓叉要克服絲桿與缸蓋之間的止推摩擦力矩。7.8.1 驅動活塞產(chǎn)生有壓縮需要力矩式中： P一驅動活塞產(chǎn)生的油壓22M Pa；d1一驅動活塞直徑40mm；r0一螺旋平均半徑；由于螺致為矩形28 ×4，故：r0=½（28-42）=13mm- 平均螺旋升角式中f一摩擦系數(shù)f=0.05 0.1代人各已知值可算出M1=35.6 52.7(N ·m)7.8.2絲桿與缸蓋的止推摩擦力矩式中：r當量摩擦半徑，接非跑計算忽略缸蓋與絲桿之徑向間隙

20、則合計算忽略缸蓋與絲桿之徑向間隙 則代人已知數(shù)值，計算結果為M2=19.9 39.8 (N ·m)M 1+M2=55.5 92.5 N ·mM1與M2均與摩擦系數(shù)關系很大 由于潤滑好壞直接決定摩擦系數(shù)的大小， 而卡盤的潤滑條件叉不很好+故兩力矩之和應取較大值， 同時考慮其他因素影響我們取M=100NM 作為控制值即卡盤內產(chǎn)生22Mpa油壓時轉動絲桿所需力矩不得大于100N ·m 經(jīng)現(xiàn)場梗j試表明， 當壓力達22MPa油壓時，傳動絲桿所需要力矩不得大于100N*m，為70110 N ·m，而絲桿驅動力矩達100 N ·m左右時，卡盤一般情況下均能加緊而不打滑。這就證明了額定夾緊力的確定及額定油壓。絲桿驅動力矩的計算結果是正確的8 液壓控制系統(tǒng)的設計液壓卡盤系統(tǒng)由液壓泵站.、單向閥、電磁閥、輸油管和節(jié)流閥等組成，如圖所示。液壓泵站獨立于數(shù)控車床之外