ZDY-1600型全液压钻机夹持器的设计

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资源描述

ZDY-1600型全液压钻机夹持器的设计夹持器作为钻机的一个重要部件,其主要作用是在自动装卸钻杆时,与钻机的马达协调运动正反转,实现钻杆间对接、脱离,钻头拆卸等,必要时夹持孔内钻具,防止孔内钻具滑移,因此其性能的好坏将直接影响到钻机整机的性能、钻进效率以及钻孔质量等。1.液压夹持器的分类、特点及选用1.1常开式夹持器一般采用液压夹紧、弹簧松开的方式,在不工作时处于松开状态。夹持器靠油缸的推力产生夹持力,油压的下降将直接引起夹持力的下降,一般需在油路上设置性能可靠的液压锁来保持压力。1.2常闭式夹持器靠弹簧的预紧力夹紧钻具,油压松开,在不工作时,处于夹紧状态,在断电等异常情况时为夹紧状态,安全可靠,防止跑钻事故的发生。1.3液压松紧型夹持器夹紧松开都由液压力实现,结构较为简单,两侧油缸进油口分别通高压油时,卡瓦跟随活塞运动向中心收拢,夹紧钻具,改变高压油入口,卡瓦则背离中心,松开钻具。该类夹持器结构对称,但是夹紧力容易受油压力变化的影响。1.4复合式液压夹持器有主油缸和副油缸,副油缸侧连接一组碟簧,当高压油进人主油缸,推动主油缸缸体移动,通过顶柱将力传给副油缸侧的卡瓦座,碟簧被进一步压缩,卡瓦座移动;同时,在圆柱弹簧的作用下,主油缸侧卡瓦座移动,松开钻具。需要夹紧时,副油缸在油路上与动力头反转相连,当钻机反转拧卸钻具时,高压油同时进人副油缸,副油缸活塞对卡瓦座产生推力,与压缩的碟簧共同夹紧钻具。复合式夹持器开口量大、开启压力低、体积小、性能可靠、并且也可以实现突然断电时夹紧钻具,但结构设计比较复杂,重量非对称布置,在某些特定的使用场合可能引起一定的偏载。根据以上四种类型的夹持器的特点,我们决定采用复合式液压夹持器。2、复合式液压夹持器的设计2.1夹持能力的计算2.1.1钻具自重根据钻机总体方案设计要求钻杆直径确定为国为φ63~φ73,钻进深度为250m,设计时按Φ739钻杆重量进行设计,Φ73钻杆每米重为14.46kg/m,Φ73×9.19G=qlg式中:G—钻杆的总重量kgq—Φ73×9.19钻杆单位长度重量14.46kg/ml—钻杆长度m,本钻机按250m。g—重力加速度代入公式得:G=qlg=14.46×250×9.8=35427N2.1.2、夹持器克服钻具自重所需夹紧力F11sin3542770854220.25GFNf式中:f——卡瓦与钻杆间的摩擦系数,取f=0.25α——钻孔倾角,取α=90°2.1.3、夹持器克服钻机转矩所需的卡紧力F22160087.670.2573MFkNfd式中:M——钻机扭矩,取1600Nf——卡瓦与钻杆间的摩擦系数,取f=0.25d——钻杆直径mm,取Φ732.1.4、夹持器克服钻具自重和钻机转矩所需的卡紧力F3222231270.85487.67112.72FFFkN夹持器克服钻具自重所需夹紧力F1=70.854kN夹持器克服钻机扭矩所需夹紧力F2=87.67kN夹持器克服钻具自重和钻机扭矩复合力的夹紧力F3=112.72kN2.2、蝶形弹簧的计算及夹持器开口的确定根据设计要求蝶形弹簧克服F1的夹紧力,因此,根据钻机结构要求选择蝶形弹簧为160×82×10×13.5根据碟形弹簧负荷计算公式:353220422221442.0610103.51179.4175110.30.69160cthEPKKNKD式中:E=2.06×105N/mm2,μ=0.3,无支承面K4=1,160282DCd,所以,170.8540.395179.4175cPP由A系列的h0/t≈0.4,根据P1/Pc=0.395,f/h0=0.36变形量ft=0.367h0=0.36×3.5=1.26mm。当碟形弹簧压缩变形为1.26mm时,其负荷为P1=70854Nf。f=0.75h0=0.75×3.5=2.625mm,对应的负荷为P2=14142.86kg取Pmax片数为13片,设定碟形弹簧最大变形量为2.625mm。H=(2.625-1.3)×13=17.225mm≈17mm因此夹持器开口为:H=17mm。碟形弹簧弹力和副油缸的推力要大于钻具自重和钻机扭矩的合力,2.3、主油缸面积及最低开启压力的确定22022min22221144720005604.2863.14160160PDPPMPaDD式中:D1、D2——主夹持器、副油缸活塞直径,D1=160mm,D2=60mmP0——系统背压,P0=0.5MPaP1——碟形弹簧工作点的作用力,P1=72KN主油缸在油压的作用下进一步压缩碟簧,打开夹持器。考虑到最低开启压力,主油缸选用用160mm柱塞缸,最低开启压力为:Fmin=4.286MPaPmax=18MPa2.4、副油缸面积及最大夹持力的确定在拧卸钻具时,夹持器的副油缸和碟形弹簧同时工作。其最大夹持力:22222max10max13.14618003.14165072000121.864444DPDPFPkN式中:D1、D2——夹持器主、副油缸活塞直径,D1=160,D2=60mm;Pmax——钻机的额定工作压力,Pmax=18MPa;P0——系统背压,P0=0.5MPa;P1——碟形弹簧工作点的作用力,P1=72kN。弹簧的预紧力和副油缸的合力来克服钻具自重与钻机转矩的合力,副油缸面积越大夹持力就越大;但副油缸面积越大,最低开启压力越大。考虑到以上因素,副油缸选用~70ram柱塞缸,最大夹持力Fmax=121.86kNF3=112.72kN,满足要求。2.5、联接螺栓的计算前面已计算了夹持器的副油缸和碟形弹簧同时工作。其最大夹持力:Fmax=121.86kN,夹持器的联接螺栓是采用了四根,那么每根螺栓所受轴向载荷为:12230.54PFkNZ求联接螺栓工作时总的拉伸载荷Q取Ce=0.2,C0=1.2Q=(C0+Ce)F=1.4×30.5=42.7kN选取螺栓材料确定许用应力选取螺栓材料为45#钢,δs=360MPa,安全系数取S=2,则螺栓的许用应力为:360180()2sMPaS确定螺栓的直径得螺纹的内径141.341.34270019.823.14180Qdmm按GB196-81粗牙普通螺纹标准查得,当d=24mm时,d1=20.752mm19.82mm,可满足要求,故可选用M24的螺栓。查表可知所取的安全系数S=2是合适的。3、复位弹簧的设计单个卡瓦座毛重50kg,根据摩擦力计算公式f=μNK,式中的μ叫动摩擦因数,取μ=0.3,N为正压力,K为卡阻系数,我们取K=2。那么f=μNK=0.3×500×2=300N则:F1=300N,取F2=500N。由于夹持器设了四个螺杆,每个螺杆上设一各复位弹簧F1=f/Z=300N/4=75N,取F2=150N。设定弹簧的最小载荷F1=350N,弹簧的最大载荷F2=700N,弹簧的工作行程17mm,弹簧的大径为37mm。式取弹簧钢丝直径d=5mm,弹簧的中径D2为:D2=D-d=37-5=32mm弹簧指数C为:C=D2/d=32/5=6.4曲度系数K=1.23查表弹簧钢丝的强度极限δB=1400MPa,许用扭转剪切应力[τ]=0.4δB=0.4×1400=560MPa弹簧钢丝直径d27001.236.41.61.65.02560FKCdmm取定d=5mm,弹簧的刚度j为:2170035020.5917FFjh弹簧的变形量11223501720.597003420.59FjFj弹簧的有效圈数n:21332180000341759.2887003506.4GdnFFC取10弹簧的支承圈数n2=2弹簧的总圈数n1=n+n2=10+2=12弹簧的的间距δ2340.10.153.910dmmn取4mm弹簧的节距tt=δ+d=4+5=9mm弹簧的自由高度H0H0=nδ+(n1-0.5)d=10×4+(12-0.5)×5=97.5mm弹簧的最小工作载荷F1211233341780000570037688106.4GdFFNnC弹簧钢丝展开长度LL=πD2n1=3.14×32×12=1205.76mm螺旋升角α校验极限载荷实际极限载荷F’limF’lim=jnδ=20.59×10×4=823.6N允许极限载荷Flim22limlim3.145700872.55881.236.4dFNKCτlim=1.25[τ]=1.25×660=825Flim=872.55F’lim=823.6满足要求校验弹簧稳定性0297.53.055.332HbD满足要求

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