全液压钻机夹持器机械设计与分析【含CAD图纸、说明书】
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全液压钻机夹持器设计与分析摘要本设计主要设计一种新型的全液压钻机夹持器。首先分析钻机在实际工作中受各种因素的影响,分析工况要求,设计出合适的油箱回路,支撑缸的回路,推进缸的回路,夹持器的液压回路以及液压马达的液压回路,分析阐述各种液压回路的工作情况。选择合理的液压元件,完成整个液压回路的组装。再者,夹持器的设计类型为常闭型夹持器,其结构分布均匀,依靠碟簧和增力缸夹紧,用液压松开,能够夹持为73mm与63mm的钻杆。主要用于煤炭工程类全液压动力头式钻机装卸钻杆,其结构简单、操作便利、有良好的市场推广效益。本设计要求设计出合理的夹持器结构,尽量使整个夹持器的体积小,计算好碟簧与夹持器液压缸所能提供的夹持力,算出夹持器各零部件的大小尺寸,对整个夹持器的结构进行有限元受力分析,找出不合理的结构部位并加以改进。关键词:夹持器设计;液压系统设计;有限元分析The design and analysis of fully hydraulic drill gripperABSTRACTThis design is mainly design a new type of fully hydraulic drill gripper. First analysis of drill is influenced by various factors in the practical work, analysis of working condition requirements, design a suitable tank circuit, support cylinder loop, boost cylinder loop, gripper hydraulic circuit and hydraulic motor hydraulic circuits, analysis in this paper, the working condition of various kinds of hydraulic circuits. Choose the reasonable hydraulic components, a complete assembly of the hydraulic circuit. Moreover, the design of the gripper types for holder normally closed type, the structure distribution evenly, relying on the disc spring and a cylinder clamping force, with hydraulic loosening, can clamping drill pipe is 73 mm and 63 mm. Mainly used for coal engineering hydraulic power head drill loading and unloading drill rod, its simple structure, convenient operation, good marketing benefit. This design request to design the reasonable structure of gripper, try to make the holder of small volume, good computing saucer reed and the clamping force of gripper hydraulic cylinder can provide, calculate the size of parts of gripper, the structure of the holder in finite element stress analysis, find out the unreasonable structure parts and improved.Keywords: gripper;hydraulic;The finite element analysis目录1绪论 1.1背景简介1 1.1.1国外研究状况 1 1.1.2国内研究状况 1 1.2设计目的22全液压钻机液压系统的设计与分析3 2.1全液压钻机的主要参数3 2.2液压系统的设计3 2.2.1选择系统的压力3 2.2.2液压系统工况分析4 2.2.3液压回路设计与功能的实现7 2.2.4液压系统原理图中的各种控制回路8 2.3按照要求选择合适的标准液压元件型号133钻机夹持器的设计15 3.1 液压夹持器的分类、特点及选用15 3.1.1常闭式液压夹持器15 3.1.2常开式液压夹持器15 3.1.3液压松紧型夹持器16 3.1.4复合式液压夹持器17 3.2夹持器结构方案的选择与确定17 3.2.1方案1 17 3.2.2方案2 18 3.2.3方案3 19 3.2.4方案的确定20 3.3夹持能力的计算20 3.3.1钻具的自重计算 20 3.3.2克服钻杆转矩所需要的夹持力21 3.3.3碟形弹簧的设计与计算22全液压钻机夹持器设计与分析 3.4计算夹持器的结构参数29 3.4.1缸筒的壁厚计算29 3.4.2计算油管内径大小32 3.4.3计算联接螺栓的尺寸33 3.4.4面盖的螺栓最小内径计算33 3.4.5夹持器的活塞设计34 3.4.6夹持器的密封设计34 3.4.7关于缓冲装置的设置35 3.4.8关于排气装置的设置35 3.5全液压钻机夹持器35 3.5.1夹持器的solidworks建模 36 3.5.2夹持器的强度校核374总结43参考文献 44致谢 451 毕 业 论 文( 设 计 ) 题 目: 全液压钻机夹持器设计与分析 (Title):The design and analysis of fully hydraulic drill gripper 系 别: 机电工程系 专 业:机械设计制造及其自动化 姓 名: 学 号:指导教师:日 期:全液压钻机夹持器设计与分析摘要本设计主要设计一种新型的全液压钻机夹持器。首先分析钻机在实际工作中受各种因素的影响,分析工况要求,设计出合适的油箱回路,支撑缸的回路,推进缸的回路,夹持器的液压回路以及液压马达的液压回路,分析阐述各种液压回路的工作情况。选择合理的液压元件,完成整个液压回路的组装。再者,夹持器的设计类型为常闭型夹持器,其结构分布均匀,依靠碟簧和增力缸夹紧,用液压松开,能够夹持为73mm与63mm的钻杆。主要用于煤炭工程类全液压动力头式钻机装卸钻杆,其结构简单、操作便利、有良好的市场推广效益。本设计要求设计出合理的夹持器结构,尽量使整个夹持器的体积小,计算好碟簧与夹持器液压缸所能提供的夹持力,算出夹持器各零部件的大小尺寸,对整个夹持器的结构进行有限元受力分析,找出不合理的结构部位并加以改进。关键词:夹持器设计;液压系统设计;有限元分析The design and analysis of fully hydraulic drill gripperABSTRACTThis design is mainly design a new type of fully hydraulic drill gripper. First analysis of drill is influenced by various factors in the practical work, analysis of working condition requirements, design a suitable tank circuit, support cylinder loop, boost cylinder loop, gripper hydraulic circuit and hydraulic motor hydraulic circuits, analysis in this paper, the working condition of various kinds of hydraulic circuits. Choose the reasonable hydraulic components, a complete assembly of the hydraulic circuit. Moreover, the design of the gripper types for holder normally closed type, the structure distribution evenly, relying on the disc spring and a cylinder clamping force, with hydraulic loosening, can clamping drill pipe is 73 mm and 63 mm. Mainly used for coal engineering hydraulic power head drill loading and unloading drill rod, its simple structure, convenient operation, good marketing benefit. This design request to design the reasonable structure of gripper, try to make the holder of small volume, good computing saucer reed and the clamping force of gripper hydraulic cylinder can provide, calculate the size of parts of gripper, the structure of the holder in finite element stress analysis, find out the unreasonable structure parts and improved.Keywords: gripper;hydraulic;The finite element analysis目录1绪论 1.1背景简介1 1.1.1国外研究状况 1 1.1.2国内研究状况 1 1.2设计目的22全液压钻机液压系统的设计与分析3 2.1全液压钻机的主要参数3 2.2液压系统的设计3 2.2.1选择系统的压力3 2.2.2液压系统工况分析4 2.2.3液压回路设计与功能的实现7 2.2.4液压系统原理图中的各种控制回路8 2.3按照要求选择合适的标准液压元件型号133钻机夹持器的设计15 3.1 液压夹持器的分类、特点及选用15 3.1.1常闭式液压夹持器15 3.1.2常开式液压夹持器15 3.1.3液压松紧型夹持器16 3.1.4复合式液压夹持器17 3.2夹持器结构方案的选择与确定17 3.2.1方案1 17 3.2.2方案2 18 3.2.3方案3 19 3.2.4方案的确定20 3.3夹持能力的计算20 3.3.1钻具的自重计算 20 3.3.2克服钻杆转矩所需要的夹持力21 3.3.3碟形弹簧的设计与计算22 3.4计算夹持器的结构参数29 3.4.1缸筒的壁厚计算29 3.4.2计算油管内径大小32 3.4.3计算联接螺栓的尺寸33 3.4.4面盖的螺栓最小内径计算33 3.4.5夹持器的活塞设计34 3.4.6夹持器的密封设计34 3.4.7关于缓冲装置的设置35 3.4.8关于排气装置的设置35 3.5全液压钻机夹持器35 3.5.1夹持器的solidworks建模 36 3.5.2夹持器的强度校核374总结43参考文献 44致谢 45全液压钻机夹持器设计与分析第1章 绪论 全液压钻机夹持器作为煤矿工程类钻机的一个重要部件,其作用主要是在装卸钻杆时,与钻机马达协调运动正反转,实现钻杆间对接、脱离,钻头拆卸等动作。如发生紧急情况,液压夹持器能夹持孔内钻具,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、钻进效率以及钻孔的质量等。1.1背景简介1.1.1国外研究状况在上个世纪70年代初期,西方的发达国家基本上都换代使用全液压动力钻机。主要是全液压钻机拥有体积小重量轻,容易操作,可以实现无级变速,行程长且可以斜向钻孔的优点。在七十年代初期,外国人发明了液压钻车。后来到了七十年代中期,外国的液压钻车投入应用,这标志这采掘机械化很大程度上得到提高。自此此后,各国的钻机制造厂研制开发数百种各种各样的液压钻机,并大多自成系列。国外的液压钻机技术日趋成熟,产品不断完善成熟,品种规格较为齐全,使用日益广泛。20世纪90年代初,Atlas Copco公司研制出世界第一台计算机控制的全自动化岩心钻机,钻头压力、转速、冲洗液量、给进、加接钻杆、提钻等所有过程都是由计算机自动完成。我国钻机技术方面与国外有不少差距。国外钻机的参数较大,长行程,机械化程度普遍较高,速度可选择范围广阔,液压系统的压力高、可靠性很好。钻头和钻机的性能优越,钻探的能力十分优越。钻塔的设计为整体液压起降式,操作工人安装拆卸都很方便。液压的参数可以自由变化,实现无级变速。国外的钻机能创造很好的效率,一般的钻进效率可以达到2000m/月。钻探寿命可达到1000m。国外目前用于煤层气勘探和开采钻井的主要是全液压动力头式钻机。美国雪姆公司、瑞典阿特拉斯科普柯公司、德国宝峨公司、意大利维尔公司都研发了各种型号的全液压动力头煤层气钻机,具有专业化、智能化、效率高等优点,在世界主要的煤层气开采国家被普遍使用。其中国外的全液压钻机夹持器的制造成本低、技术含量高、运行效率快、反应敏捷还具有良好的自动定心功能,超越我国的技术水平。1.1.2国内研究现状我国液压钻机设备近年来得到快速发展。但是受制于机械制造液压技术总体水平低下,即使研制开发的类型种类繁多,但是真正成为生产产品的却少之又少,引进国外技术或仿制国外产品居多。作为最新一代的钻机,智能化全液压动力头驱动式岩心钻机的研制和应用在我国仍处于起步阶段。国内机械制造基础工业相对落后,使得液压夹持器和其他液压元件的质量难以满足钻机工况要求,可靠性差、维修水平低、成本偏高,而且设备配套简单,工艺单一,大多属于仿制国外中档产品,只有极少数厂家能够形成批量生产能力,绝大多数生产企业缺乏新产品研发能力。国内的厂家引进了许多国外著名品牌液压钻机,对钻机的结构、配置、功能进行了大量的研究与实验。但是跟国外好的产品相比,还是形似神非,很多的结构设计与参数功能不能匹配上,容易发生安全故障或者生命危险。很多液压系统分配很不合理,配置不均衡,液压泵提供的油压不能充分利用,导致钻机的工作效率低。现在国内液压钻机缺点主要是其结构设计不合理,钻机元器件的精度不达标,液压系统的设计不能合理化等。从现在看来目前我们国家的产品也逐渐形成系列化,产品技术性能和水平逐渐接近国外同类产品的水平,质量和产品的稳定性日益增强,基本上可以满足我国矿山需求。但是国外的钻机在性能效率上远远高于我国,如果要从国外引进一套先进设备少则一百万,多则上千万不等。因此全液压钻机夹持器作为钻机的重要组成部件,它的研究与开发迫在眉睫。目前,我国正在大力发展西部落后地区,基础建设的需求日益增加。所以我国想加快西部经济的发展就要发展本国的钻机技术,而钻机夹持器的设计对于钻机技术的提高有很大的作用。1.2设计目的本设计的全液压钻机夹持器与之配套的钻机类型为煤矿工程用钻机,这类型的钻机钻孔深度一般为200m左右。设计出来的钻机液压执行元件布局要合理,钻机液压系统结构要简单,体积要小,维修要方便,液压元件尽量标准化、通用化。夹持器结构的设计要简洁,稳定性高,使用寿命长,且能够满足钻机的日常使用要求,有一定的市场推广效益。第2章 全液压钻机液压系统的设计与分析2.1全液压钻机的主要参数设计全液压钻机液压系统,要求实现钻杆的回转、推进、起拨及钻杆的斜向打孔的定位及调整的自动工作循环。具体要求如下:钻杆:最大推进力:40KN;最大拉力:70KN;一次推进行程:700mm;回转头:输出转速:10100r/min;减速比:1:1.6;输入转速:80r/min 最大输出转矩:2000Nm 支撑液压缸:最大工作行程:700mm液压马达:最大工作转速:160r/min 额定转矩:630Nm 推进缸:行程:1000mm;最大推进力:45KN;最大起拨力:75KN钻杆的直径设定为63mm和73mm,终孔直径为150mm,钻孔深度为200m。钻机类型为ZDY系列。图2.1 钻机主机部分结构简图2.2液压系统的设计2.2.1选择系统的压力液压系统压力的选定:主要考虑执行元件与其他的液压元件的尺寸重量以及本系统的安全性和效率,从而选择合适的系统压力,保证机械的正常运作。如果设计压力选低了,这会导致执行元件的重量增加,结构复杂以及材料成本上升。如果设计压力选高了,这会导致液压元件的密封性能和材料的强度要求有所上升,这无形中导致成本的上升。由于农用机械,小型工程机械,建筑机械的设计压力为1018Mpa15。因此本液压系统的工作压力选定为18Mpa.表2.1 各种类型机器的工作压力机械类型机 床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/MPa0.82352881010182032 2.2.2液压系统工况分析全液压钻机的液压系统要实现钻杆的回转,推进,起拔,斜向打孔定位调整以及装卸钻杆的自动工作循环。其中回转功能是由液压马达提供的转速和转矩完成。推进,起拔功能是由推进液压缸执行的,钻杆的斜向打孔定位及调整则是由支撑液压缸执行的。最后的装卸钻杆是由液压夹持器与液压卡盘共同完成的。1.钻机的回转部分由于液压马达在工作的时候,其负载会随着地质层的变化而跟随着变化,这就需要调节液压系统的流量,从而增加或减少液压马达的转速,使得马达输出的转矩能够保持稳定,提高钻探工作的稳定。按照经验,在这种情况下我们的液压系统就要选择变量泵-定量马达的组合形式。液压马达的输出部分与变速箱相连,经回转头输给钻杆。变速箱为无极一档变速,按照要求其减速比为1:1.6,因此计算液压马达的输出转速n和最大转矩。 (2.1) (2.2) 钻机的参数中液压马达要求的最大转速为160,额定转矩630.但为1250,因此我们采用双液压马达的形式作为动力输出。根据上述的数据,选择BM-E315型摆线齿轮马达,其额定转速为320,额定转矩为630,额定工作压力为14Mpa,适用于工程,石油,采矿等机械使用。符合设计的要求。142.钻机的推进,起拔和斜向打孔定位调整部分(1)推进液压缸的计算与选择:推进缸的作用是推进或拉回回转头,达到钻杆的推进和起拔的目的。要求推进力达到45KN,最大起拔力为75KN,行程为1000mm。因此推进时需要液压缸为有杆工作,起拔时为无杆工作。根据要求选择合适的工程系列的液压缸。选择HSGK90/63*HEZ型的工程液压缸,该液压缸的工作压力为14Mpa,行程为1000mm。14液压缸的最大推力: (45KN) (2.3)液压缸的最大起拔力: (75KN) (2.4)合符工作要求,因此选择推进缸为HSGK90/63*HEZ型的工程液压缸。(2)支撑缸的计算与选择支撑缸的作用是用于支撑工作滑台并调节其倾角,使得钻杆能够在0(水平向上)的范围内进行钻探。其推进行程最大为700mm,因此选择HSGF*-63/45HEZ型工程液压缸,其行程为700mm。14液压缸的最大推力 (2.5)即可满足要求。(3) 液压泵的选择与计算全液压钻机在工作时,消耗流量最大的情况是液压马达正常转动且推进液压缸缓慢推进时或者推进液压缸在起拔时。液压泵的排量必须大于所消耗的流量。选择BM-315型摆线齿轮马达的排量为312.高性能低速大转矩液压马达的容积效率一般为=90%。液压马达消耗的流量 (2.6)钻机在正常钻探是,推进液压缸的推进速度v=0.2m/mim。推进液压缸工进时消耗的流量 (2.7)液压马达正常转动且推进液压缸缓慢推进时所消耗的流量=112.65L/min。推进液压缸回拔时,速度为V=0.2m/s,液压泵需要产生的流量为 =76.4L/min 112.65L/min (2.8)因此液压马达回转工进时消耗的流量为最大。由于变量泵产生的流量既要满足液压马达与推进液压缸的消耗,还要满足其他液压元件的流量消耗,更要面对泄露问题,本设计选取的液压元件的最大消耗流量为112.65L/min,根据经验公式液压系统的最小流量为 (2.9)一般矿山机械的液压系统使用轴向柱塞泵,这类型的泵的容积效率为96%,转速以1480r/min算,液压泵的排量 q= (2.10)因此选择85PCY14-1B轴向柱塞泵,公称排量为85mL/r,转速为1500r/min,恒压变量。14电动机功率型号的选择 (2.11)因此选择电动机Y225S-4封闭式三相异步电动机,37KW,1480r/min。(4)油箱容积的计算一般来说油箱容量与系统的流量有关,一般容量可取最大流量的3-5倍,最大流量为118L/min,油箱的容积为480L,选择公称容量系列为500L JB/T7938-199914(5) 液压系统性能验算 由于钻机要求连续作业,工作强度较大,因此有必要进行热平衡验算,确定合适的冷却器尺寸,以确保油温保持正常水平。液压系统产生的热量,主要包括液压泵和液压马达的功率损失,溢流阀溢流损失,油液通过阀体及管道等的压力损失所产生的热量.本设计中含有冷却器,产生的热量均由冷却器抵消,把温度控制在80以内即可。 2.2.3液压回路设计与功能的实现根据整体的思路,本设计的液压系统包括高压油源,控制回路,以及各种执行元件构成。如下图2.2所示:1-油箱;2-加热器;3-温度计;4-液位计;5-吸油过滤器;6-空气过滤器;7-变量泵;8-电动机;9-高压软管;10-溢流阀;11,25,26,31,-单向阀;12, 23-调速阀;13-常开液压卡盘;14,15-减压阀;16-夹持器的两个主油缸与副油缸;17,18-液控单向阀;19-支撑缸;20,21-单向节流阀;22-推进缸;24-液压马达;27,28,29-截止阀;30-冷却器;32-带污染指示器的过滤器。图2.2 全液压钻机液压系统原理图2.2.4液压系统原理图中的各种控制回路(1)回油节流调速回路由于钻机做钻探进给运动时,其运动速度比较低,工作负载的变化幅度比较小,为了更加有效地提高钻探的平稳性和钻探精度,在进油处与出油处都设置单向节流阀形成回油节流调速回路。如下图2.3所示:图2.3 回油节流调速回路图其工作方式是:当钻机需要回拔时,M型三位四通电磁阀S4的右边得电,电磁铁将阀S4的右边阀芯推到中间,高压油从无杆腔进入推进缸,钻杆回拔。当钻机需要缓慢钻进时,M型三位四通电磁阀S4的左边得电,电磁铁将阀S4的左边阀芯推到中间,高压油从有杆腔进入推进缸,钻杆便可以缓慢推进,完成钻探任务。当钻机需要停止钻进或者发生异常情况出现断电时,便会停留在中间阀芯位置,推进缸的进出油口被电磁阀堵住,使得推进缸的活塞固定,以免发生安全事故。(2)动力头回转液压回路动力头回转液压回路,本设计是由一对型号相同但转向相反的低速大扭矩液压马达组成,液压马达带有减速比为1:1.6的减速机以便增大扭矩力,两液压马达之间设有可使两马达实现串、并联作用的Y型三位四通电磁换向阀S5与二位四通电磁阀S6。这种设计可以很快地调节液压马达的扭矩,需要卸下钻杆时可以获得较大的扭力松开钻杆。如下图2.4所示:图2.4 动力头回转液压回路图其工作方式是:当Y型三位四通电磁换向阀S5的左边电磁铁带电且二位四通电磁阀S6不带电时,电磁铁就把阀S5的左边阀芯推到中间,高压油经过阀S5到达左边液压马达的左边,另一条分支则经过阀S6到达右边液压马达的右边,推动两个相同的液压马达做方向相反的转动,钻杆便可以做正转运动。左边的液压马达的回油经过阀S6与右边液压马达的回油汇合在一起,再经阀S5流回油箱。此时的两个液压马达实现并联连接,转速低扭矩大。当Y型三位四通电磁换向阀S5的左边电磁铁和二位四通电磁阀S6同时带电时,阀S6的右边阀芯被推到左边位置接通,高压油经过左边液压马达、阀S6到达右边液压马达的右边,推动两个液压马达一起转动,此时钻杆做正转运动。这个时候两个马达为串联连接,转速较并联时快上一倍,但扭矩小了一倍,回油则经过阀S5流回油箱。当Y型三位四通电磁换向阀S5的右边电磁铁带电且二位四通电磁阀S6不带电时,电磁铁就把阀S5的右边阀芯推到中间,高压油经过阀S5到达右边液压马达的左边,另一条分支则经过阀S6到达左边液压马达的右边,推动两个相同的液压马达做方向相反的转动,钻杆便可以做反转运动。左边的液压马达的回油经过阀S6与右边液压马达的回油汇合在一起,再经阀S5流回油箱。此时的两个液压马达实现并联连接,转速低扭矩大。当Y型三位四通电磁换向阀S5的右边电磁铁和二位四通电磁阀S6同时带电时,阀S6的右边阀芯被推到左边位置接通,高压油经过右边液压马达、阀S6到达左边液压马达的右边,推动两个液压马达一起转动,此时钻杆做反转运动。这个时候两个马达为串联连接,转速较并联时快上一倍,但扭矩小了一倍,回油则经过阀S5流回油箱。当Y型三位四通电磁换向阀S5在中间位置时,钻杆便缓慢停止转动。(3)油箱回路本设计按照设计经验采用变量泵-安全阀液压源回路,使其具有控温,安全,维护减震的功能,能适应钻机在恶劣的气候环境工作。为机构提供压力油的部分由油箱,吸油过滤器,带污染指示器的过滤器,变量泵,电动机,高压软管,溢流阀,单向阀,截止阀,等元件组成。由于钻机经常在恶劣的环境中工作,本设计的油箱采用封闭式设计,并且在油箱里面安装有冷却器,加热器,温度计,液位计,空气过滤器等元器件,保证压力油的使用安全,工作温度适宜。如下图2.5所示:图2.5 油箱回路图(4)锁紧回路由于支撑缸只需要为钻机提供090度水平方向的钻进角度,当钻杆工作时,支撑缸需要保持固定,因此本设计在支撑缸的两个进油口上面分别设置了液控单向阀啊,形成双液控单向阀锁紧回路,保证支撑缸的工作稳定。如下图2.6所示:图2.6 锁紧回路图其工作方式是:当支撑缸需要把钻杆角度调小时,Y型三位四通电磁换向阀S3左边得电时,把左边阀芯推到中间位置上,高压油通过17号液控单向阀,然后高压油通过支撑缸有杆腔,在17号液控单向阀的控制下18号液控单向阀打开,液压油经过阀S3回流到油箱。当支撑缸需要把钻杆角度调大时,Y型三位四通电磁换向阀S3右边得电时,把右边阀芯推到中间位置上,高压油通过18号液控单向阀,然后高压油通过支撑缸无杆腔,在18号液控单向阀的控制下17号液控单向阀打开,液压油经过阀S3回流到油箱。当支撑缸需要固定时,Y型三位四通电磁换向阀S3处于中间位置。(5)卡盘的液压回路由于本设计是针对夹持器的设计,所以液压卡盘不做详细说明,本设计的卡盘为常开式卡盘,由液压锁紧,碟簧弹开,与夹持器配合。当断电或者其他突发情况发生时,总有一个能把钻杆夹住。如下图2.7所示:图2.7 液压卡盘回路其工作方式为:当液压卡盘需要把钻杆夹住时,二位三通电磁换向阀S1不得电,高压油从液压卡盘的左端进入,此时可以卡紧钻杆。当液压卡盘要松开钻杆时,只要二位三通电磁换向阀S1得电,即可。(6)液压夹持器的控制回路此控制回路是本设计重要控制回路,夹持器的任务是与液压卡盘配合实现装卸钻杆的动作,其主要运动为夹持与松开。本夹持器是以三个液压缸组合,两个主油缸负责松开钻杆,碟簧与副油缸负责夹持钻杆。因此根据其运动要求,设计回路如下图2.8所示:图2.8 液压夹持器回路图其工作方式为:当夹持器需要夹持73mm钻杆,作拧紧或卸下动作时,截止阀28关闭,截止阀27打开。Y型三位四通电磁换向阀S2右边得电,右边的阀芯推到中间位置,高压油经过减压阀14进入副油缸,回油从两个主油缸里面从单向阀26再经过阀S2流回油箱。当夹持器需要夹持73mm钻杆,但不需要拧紧或卸下钻杆时,截止阀28关闭,截止阀27打开。Y型三位四通电磁换向阀S2不得电,阀芯为中间位置,回油从主油缸和副油缸里面经过阀S2流回油箱。夹持器在碟簧的作用下仍然能夹紧钻杆。当夹持器需要松开73mm钻杆,钻机做钻探运动时,截止阀28关闭,截止阀27打开。Y型三位四通电磁换向阀S2左边得电,左边的阀芯推到中间位置,高压油经过减压阀14再通过截止阀27进入主油缸,回油从副油缸里面经过阀S2流回油箱。当夹持器需要夹持63mm钻杆,作拧紧或卸下动作时,截止阀28打开,截止阀27关闭。Y型三位四通电磁换向阀S2右边得电,右边的阀芯推到中间位置,高压油经过截止阀28进入副油缸,回油从两个主油缸里面从单向阀26再经过阀S2流回油箱。当夹持器需要夹持63mm钻杆,但不需要拧紧或卸下钻杆时,截止阀28打开,截止阀27关闭。Y型三位四通电磁换向阀S2不得电,阀芯为中间位置,回油从主油缸和副油缸里面经过阀S2流回油箱。夹持器在碟簧的作用下仍然能夹紧钻杆。当夹持器需要松开63mm钻杆,钻机做钻探运动时,截止阀28打开,截止阀27关闭。Y型三位四通电磁换向阀S2左边得电,左边的阀芯推到中间位置,高压油经过截止阀28再通过减压阀15与单向阀25进入主油缸,回油从副油缸里面经过阀S2流回油箱。2.3按照要求选择合适的标准液压元件型号表2.2 液压元件明细表序号元件名称最大通过流量/型号1油箱CTW-5002加热器GYY2-220/13温度计WTZ-2804液位计YWZ-100T5吸油过滤器118.3WU-160X1806空气过滤器E-1207变量泵118.385PCY14-1B8电动机Y225S-49高压软管118.3M3210溢流阀118.3DBDH20G1011单向阀118.3RVP-20-1-0/0.4512调速阀118.3MSA30EF160B14减压阀DR10DP2-5/7515减压阀DR10DP2-5/7517液控单向阀SV20A230/VA18液控单向阀SV20A230/VA19支撑缸HSGF*-63/45HEZ20单向节流阀MG20G1.2/221单向节流阀MG20G1.2/222推进缸HSGK90/63*HEZ23调速阀112MSA30EF160B24液压马达112BM-E31525单向阀RVP-20-1-0/0.4526单向阀RVP-20-1-0/0.4527截止阀YN-10028截止阀YN-10029截止阀YN-10030冷却器118.3SL-51831单向阀RVP-20-1-0/0.4532带污染指示器的过滤器118.3YLH-160x第3章 钻机夹持器的设计3.1 液压夹持器的分类、特点及选用3.1.1常闭式夹持器这种类型的夹持器主要依靠弹簧的预紧力夹紧钻具,利用油压松开,在不工作的情况下整个夹持器受到碟簧的作用下处于夹紧状态。在断电或者发生故障时,夹持器处于夹紧状态,可以防止钻杆跑钻,安全可靠。如下图3.1所示:图3.1 常闭式夹持器图3.1.2常开式夹持器这种夹持器采用液压夹紧、弹簧松开的方式,夹持器在不工作的时候一般处于松开状态。工作时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,则需要在油路上设置液压锁来保持压力。如下图3.2所示:图3.2 常开式夹持器图3.1.3液压松紧型夹持器夹持器的松开与夹紧都是由液压实现的,这个夹持器的结构比较简单,两边通入高压油的时候,卡瓦便向着中心收紧,实现夹住钻杆的目的。当高压油从另外一个入口进入时,卡瓦向外松开,便能达到松开钻杆的作用。这种夹持器架构对称,但是夹紧力是随着油压变化而变化的。如下图3.3所示:图3.3 液压松紧式夹持器图3.1.4复合式液压夹持器复合式液压夹持器主要有主油缸和副油缸,主油缸负责把钻杆松开,当高压油进入主油缸时,主油缸的活塞杆推动缸体运动,然后通过顶柱把力传给副油缸,使得副油缸的碟簧压缩,然后在圆形弹簧的作用下把主油缸也向后推移,达到钻杆松开的目的。当夹持器需要夹紧时,副油缸上接上高压油,副油缸的活塞就对钻杆产生推力,而且碟簧也夹紧钻杆。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。如下图3.4所示:图3.4 复合式夹持器图3.2夹持器结构方案的选择与确定以上的钻机夹持器的四个分类,本人查阅了大量有关于全液压钻机夹持器与液压系统的相关资料以及文献后,对全液压钻机夹持器以及相关的液压系统进行设计分析,进而设计出新型夹持器以及相关的液压系统。通过这段时间对其他人设计出来的夹持器结构的观察,对于夹持器的结构设计一般是分为三种方案。3.2.1方案1第一种方案是通过杠杆原理减少液压缸的尺寸从而减少整个夹持器的体积。看起来好像很好的选择,结构也比较多的选择,但是这必然使得液压缸的行程增加不少,使得总体上的尺寸并没有减少多少,而且增加了不少的零部件,零件的强度要求提高了不少。对力学上的分析较为严格。由于行程比起其他类型的夹持器要长,因此在反应方面会比较慢。这种类型的夹持器一般适用于夹持直径约63mm及以下的钻杆。如下图3.5与图3.6所示:图3.5 夹持器结构图3.6 夹持器结构3.2.2方案2第二种方案就是直接利用液压缸的推力夹持钻杆或者使用碟簧辅助夹持。这种方法结构一般比较简单,对零件的强度要求没那么高,制造的成本比较低,响应的速度比较快,耐用性高。市面上流通比较广泛,不过体积由于油缸的关系会稍微地变大。这类型的夹持器可夹持大部分的钻杆,实用性能比较高。一般的煤矿工程钻机的夹持器都是这种类型。这种类型的夹持器会比较有经济效益。如下图3.7所示:图3.7 夹持器结构3.2.3方案3第三种方案就是采用双夹持器或使用高科技的材料和技术制造出更加实用的夹持器,不过制造的难度比较大而且繁琐。最重要的是制作的成本比较高,当然制作完成后使用的效果也会十分的明显,一般使用在比较先进的钻机设备上面。一些钻孔深度达到两三千米的钻机会使用这类型的夹持器。先进的夹持器一般都是能够脱离碟簧的限制,使用液压或者气压等动力源对夹持器进行控制,其反应速度极其快。再加上使用某些高科技的材料,其夹持器的密封性能十分强大,能够使用更加强的压力进行工作。由于钻机需要钻两三千米的,钻杆的重量会极其大。因此很多深孔钻机都会使用这类型的夹持器,其他类型的夹持器很难应付这种情况所需要的夹持力。如图3.8所示:图3.8 双夹持器结构3.2.4方案的确定根据上述的三种方案,第一种方案的实用性能不佳,很多时候会由于其他问题而造成夹持器的自锁卡死问题,导致夹持器的正常使用受到阻碍,维护的成本比较高。最重要的是本设计是针对直径63mm和73mm的钻杆进行夹持的地。方案1的最佳夹持直径是63mm以下,所以不选择。第二种方案的结构比较简单,使用广泛,一般都不会出现卡死的状况。比较适合本设计得要求。第三种方案的结构复杂程度很高,技术方面和材料方面比较高端。况且一般的使用在深孔钻机上面。使用在本设计上面会显得大材小用。因此我决定采用第二种方案,类型选择为常闭式液压夹持器。结构方面两边有蝶簧且在普通的常闭式液压夹持器的基础上增加一个增力缸。3.3夹持能力的计算本设计要求钻杆的直径为63mm与73mm,钻进深度为200m,3.3.1钻具的自重计算1.先按照73mm的钻杆的重量进行设计。 (75KN) (3.1)-每米钻杆的质量 =14.46kg/m-钻杆的总长度 l=200m-重力加速度 g=9.8N/kgG-钻杆总质量 kg-钻头的质量 =6kg克服钻具自重所需的夹持力 = (3.2)-钻孔时的倾角,本钻杆能在090度内随意倾斜,设计时按照计算定=90度-卡瓦与钻杆间的摩擦系数,取=0.252.若按照63mm的钻杆的重量进行设计。 (132KN-碟簧平时载荷 N-碟形弹簧的外径D=160mm-碟簧的厚度 t=10mm-内锥高 =3.5mm-泊松比 =0.3E-弹性模量 E=-无支承面 =1=0.69 /= (3.10)由于A系列的,根据/=0.395,得出=0.36.变形量13 如下图3.10所示:图3.10 图计算出对合组合的片数i,并取整本设计要求=10mm 片 (3.11)圆整后取i=8片,则实际的变形量为10.08mm其中-夹紧时的总变形量 -单个碟形弹簧的变形量3.确定碟簧的开口量夹持器的开口量大容易通过钻杆,可以减少卡瓦与钻杆之间的摩擦损耗,选择合适的开口量可以使得夹持器的结构更加精简,开启压力适宜。钻杆的直径先选择63mm来计算。当夹持器夹紧钻杆时,总变形量=10.08mm。因此碟簧在自由状态下的卡瓦口直径为=42.84mm,要使得钻杆容易通过或取出,本设计打开卡瓦的直径设计为=68mm。所以开启时碟簧的变形量 =12.58mm (3.12)单片碟簧的变形量 =12.58/8=1.57mm (3.13)计算打开碟簧的载荷 (3.14) = =84.82KN-碟簧的载荷-碟形弹簧的外径D=160mm-碟簧的厚度 t=10mm-内锥高 =3.5mm-泊松比 =0.3E-弹性模量 E=-无支承面 =1=0.69开启夹持器的总负载 (3.15) = =87.33KN-副油缸直径 =80mm-液压系统的背压 =0.5Mpa此时主油缸的最低开启压力 (3.16) = =5.8Mpa 132KN满足要求-主油缸的直径 =160mm-活塞的直径 =80mm-副油缸直径 =80mm-液压系统的背压 =0.5Mpa-碟簧负载 =70.97KN-副油缸压力油的压力 =14Mpa下一步钻杆的直径选择73mm来计算。由于之前63mm的钻杆的总变形量为10.08mm,要使得钻杆能够被夹住,就要使碟簧的总变形量增加5mm。当夹持器夹紧钻杆时,总变形量=15.08mm。因此碟簧在自由状态下的卡瓦口直径为=42.84mm,要使得钻杆容易通过或取出,本设计打开卡瓦的直径设计为=78mm。所以开启时碟簧的变形量 =17.58mm (3.18)单片碟簧的变形量 =17.58/8=2.19mm (3.19)单个碟簧的最大变形量,即内锥高=3.5mm,大于2.19mm。所以符合要求。计算夹持73mm钻杆时,打开碟簧的载荷 (3.20) = =115.78KN-碟簧的载荷 N-碟形弹簧的外径D=160mm-碟簧的厚度 t=10mm-内锥高 =3.5mm-泊松比 =0.3E-弹性模量 E=-无支承面 =1=0.69计算夹持73mm钻杆时,碟簧夹持力的大小碟簧的变形量为15.08mm。即 =15.08/8=1.88 (3.21) (3.22) = =100.35KN-碟簧的夹持力-碟形弹簧的外径D=160mm-碟簧的厚度 t=10mm-内锥高 =3.5mm-泊松比 =0.3E-弹性模量 E=-无支承面 =1=0.69开启夹持器的总负载 (3.23) = =118.28KN-副油缸直径 =80mm-液压系统的背压 =0.5Mpa此时主油缸的最低开启压力 (3.24) = =7.84Mpa 130.5KN满足要求-主油缸的直径 =160mm-活塞的直径 =80mm-副油缸直径 =80mm-液压系统的背压 =0.5Mpa-碟簧的夹持力 =100.35KN-副油缸压力油的压力 =8Mpa由于使用73mm钻杆时,碟簧的夹持力有100.35KN,因此副油缸只需要提供大于40KN的夹持力即可拧开钻杆。因此此时副油缸的高压油的压力 =8Mpa (3.26)此时液压回路中的减压阀14调节到略大于8Mpa即可。3.4计算夹持器的结构参数3.4.1缸筒的壁厚计算 当时为薄壁缸筒,液压缸的缸筒厚度一般按照薄壁筒计算14 (3.27) 9.6mm-液压缸缸筒厚度 mm-试验压力Mpa,工作压力16Mpa时,=1.5p。当工作压力16Mpa时,=1.25p。本设计取=1.5pD-液压缸的内径 D=160mm-缸体材料许用应力(Mpa)一般高压液压缸筒选择无缝钢管的材料为45钢,本设计主油缸的材料也采用45钢 =-缸体材料的抗拉强度(Mpa)n-安全系数 n=3.55,取n=5.对于锻钢=100120Mpa 铸钢=100110Mpa 钢管=100110Mpa 铸铁=60Mpa 取=100Mpa因此主油缸的厚度大于9.6mm即可,由于主油缸的缸筒不仅只承受液压油的压力,还要承受整体夹持器的重力与正常工作运动时的扭矩等应力,而且在缸体的顶部还需要钻孔,为了有足够的螺纹深度与安全需要,本设计取厚度为15.5mm。副油缸按照中等壁厚计算
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