1、坑道钻机组合式液压卡盘的研制2006 年 6 月矿业安全与环保第 33 卷增刊坑道钻机组合式液压卡盘的研制吕冰(煤炭科学研究总院重庆分院,重庆 400037)摘要:分析了目前国内坑道钻机常用的 3 种液压式卡盘的结构特点 ,针对大孔径深孔钻机对卡盘性能的要求,提出组合式液压卡盘的设计方案,并分析其结构特点.关键词:坑道钻机;卡盘结构;优化设计中图分类号:TD42 文献标识码:B 文章编号:10084495(2006)S1 001202随着煤炭开采深度,开发强度的增加,必须提高瓦斯抽放率;目前逐渐推广的大孔径长钻孔抽放工艺,需要井下钻机具有相应的钻进能力.卡盘是钻机的一个的重要部件,其功能是夹紧
2、钻杆,向钻杆传递转矩和轴向力,驱动钻具实现回转和钻进.卡盘的使用工况较恶劣,必须能承受最大的轴向载荷和最大的回转力矩,而且开闭动作频繁.卡盘的性能直接关系到钻机使用的可靠性,对于目前国产大孔径深孔钻机而言,钻机的输出转矩和钻进力较大,如煤炭科学研究总院重庆分院研制的 ZY 一 6OOO 型坑道全液压钻机,最大输出转矩 6000N?m,钻进力220kN,这就要求卡盘必须能够提供足够大的夹持力,保证钻杆与卡瓦不产生相对滑动.1 常用液压式卡盘结构特点分析国产坑道钻机通常采用以下 3 种液压式卡盘,根据夹紧力源的不同,分为常开型液压卡盘,常闭型液压卡盘,液压松紧型卡盘,在使用过程中各有其特点.1.1
3、 常开型液压卡盘常开型液压卡盘是采用液压夹紧钻杆,弹簧松开卡瓦,卡盘不工作时处于松开状态,国产钻机上的常开型液压卡盘为胶囊式液压卡盘,其结构见图 1.该卡盘由外壳,驱动盘,传扭销,隔套,胶囊,端盖,卡瓦及弹簧等组成.高压油经配油套及主轴和卡盘上的小孔注入胶囊中部的隔套与胶囊所形成的容腔,收稿日期:20051026作者简介:吕冰(1965 一), 男 ,山东文登人,工程师,1985年毕业于四川工业学院,主要从事钻机研发工作.?12?胶囊受到径向压缩,迫使卡瓦组径向移动,从而夹紧钻杆.回油时,卡瓦组在弹簧力的作用下自动复位.l 一配油套;2 一端盖;3 一驱动盘;4-外套;5 一卡瓦;6 一胶囊.
4、7 一弹簧;8 一隔套;9 一传扭销.图 1 胶囊式液压卡盘结构示意图胶囊式液压卡盘具有以下优点:夹紧力大,卡瓦和钻杆磨损后,对夹紧力不会产生影响;夹紧力可调,调节夹紧油压,即可调节夹紧力大小,对保护钻杆非常有利;夹紧钻杆时,只产生径向力,改善主轴轴承受力状况.不足之处有:配油套及主轴加工精度要求高,配油套及主轴之间密封性能可靠性要求很严;胶囊使用寿命有限,井下更换胶囊及卡瓦不便;卡瓦组之间侧面间隙容易进煤渣,影响钻杆夹紧效果.1.2 常闭型液压卡盘常闭型液压卡盘是采用蝶型弹簧夹紧钻杆,液压松开卡瓦,卡盘不工作时处于夹紧状态.如 ZY 系列液压钻机,ZK 系列座箱式钻机都采用常闭型液压卡盘,其
5、结构见图 2.2006 年 6 月矿业安全与环保第 33 卷增刊l 一蝶型弹簧;2 一活塞外壳;3-卡瓦套;4-推力球轴承;5-密封胶圈;6_-活塞;7 一卡瓦.图 2 常闭型液压卡盘结构示意图该卡盘由活塞外壳,活塞,蝶型弹簧,推力球轴承,卡瓦套,密封胶圈及卡瓦等组成.高压油注入活塞腔,推动活塞及卡瓦套向左移动,压缩蝶型弹簧,卡瓦套上的 T 型斜面槽带动卡瓦径向向外移动从而松开卡瓦.回油时,蝶型弹簧迫使活塞及卡瓦套向右移动,卡瓦套上的 T 型斜面槽带动卡瓦径向向内移动从而夹紧卡瓦.常闭型液压卡盘具有以下优点:结构紧凑,工作可靠,夹紧力不受液压系统的影响;夹紧钻杆后,对主轴受力而言,蝶型弹簧产生
6、的轴向作用与反作用力相互抵消,改善主轴轴承受力状况;夹紧钻杆后,卡瓦套与活塞间的推力球轴承负荷很小,轴承工况较好;井下更换卡瓦方便快捷.不足之处有:卡瓦和钻杆磨损后,夹紧力会降低,影响钻杆夹紧效果;夹紧力不可调,卡瓦和钻杆磨损后,夹紧力无法调整补偿.1.3 液压松紧型卡盘液压松紧型卡盘是由高压油驱动外置油缸往复运动,迫使卡瓦套轴向左右移动,从而松紧卡瓦.其结构见图 3.这种液压卡盘优点为结构简单,夹紧力大;卡瓦和钻杆磨损后,调节夹紧油压,夹紧力可调.缺点是夹紧钻杆时,右端圆锥滚子轴承和动力头主轴轴承将承受由外置油缸产生的全部夹持载荷,钻进过程中容易发热和损坏.2 组合式液压卡盘的设计方案针对大
7、孔径深孔钻机对卡盘性能的要求,综合常闭型液压卡盘和液压松紧型卡盘的优点,在液压松紧型卡盘基础上,保持原结构特点,增加蝶型弹簧l 一外置油缸;2-主轴;3 一外壳体;4 一卡瓦套;5 一卡瓦.图 3 液压松紧型卡盘结构示意图夹紧力源,卡盘夹紧力源由蝶型弹簧和外置油缸共同提供,故称之为组合式液压卡盘.2.1 结构设计组合式液压卡盘的结构如图 4 所示.l 一外置油缸;2 一防尘套组件;3 一蠊型弹簧;4 一圆锥滚子轴承;5 一外壳体;6 一卡瓦套;7 一卡瓦.图 4 组合式液压卡盘结构示意图该卡盘由外置油缸,防尘套组件,蝶型弹簧,圆锥滚子轴承,外壳体,卡瓦套及卡瓦等组成.外置油缸尾部与动力头箱体联
8、接,夹紧钻杆时,高压油注入两侧外置油缸无杆腔,油缸与蝶型弹簧共同推动卡瓦套向右移动,卡瓦套上的 T 型斜面槽带动卡瓦径向向内移动从而夹紧卡瓦.设计分配夹紧力源时,蝶型弹簧承担主要夹紧力,外置油缸起辅助力源作用,卡瓦和钻杆磨损后,可调节夹紧油压,补偿蝶型(下转第 16 页)?13?2006 年 6 月矿业安全与环保第 33 卷增刊率波动范围 4-0.5Hz.3.3 自动控制排瓦斯状态当 9(CH4)n1.4% 时,调速装置自动切换到排瓦斯状态.此时,输出频率为 30Hz4-0.5Hz.响应时间为 1s4-0.2s.随后以 9(CH4)1.0%为判别条件,当值增大,输出频率减小;当值减小,输出频率
9、增大,在 3050Hz 内自动连续调节输出频率,进行最大效率安全排放.当 9(CH4)们1.4%,同时 9(CH4)131.0%,延时 10min,系统完成排瓦斯过程,自动返回通风状态.当 T1 故障,程序选择 T2 值,实现 T1 的功能.以值为判别条件,当值增大,输出频率减小;当值减小,输出频率增大,频率在 3050Hz 连续可调.立即安排人员更换传感器 T1.当故障,程序保护,输出频率 30I-Iz4-0.5Hz.响应时间为 184-0.28.立即安排人员更换传感器.3.4 自动控制通风状态当(CH4)Tt1.4%,(CH4)131.0%的情况下,调速装置自动进人通风状态.此时,输出频率
10、为30I-Iz4-0.5Hz,响应时间为 184-0.28.程序跟踪 T1值,在逼近 9(CH4)111.4%条件下,当 T1 值增大,输出频率增大;当 T1 值减小,输出频率减小,频率在3050Hz 连续可调 ,实现节能通风.3.5 主通风机,备用通风机切换人机界面设置主,备风机切换功能键,通过外接断电仪,由操作人员选择切换.3.6 报警功能报警点 9(cH4)111.4%,响应时间为 184-0.28,报警误差+0.05%.当 9(cH4)111.4%,连续运行 20min,解除报警.人机界面显示报警画面,外接声光报警器报警.当掘进工作面串联通风时,应保证被串联通风工作面瓦斯浓度小于等于
11、0.5%.此时将值设定为小于等于 0.5%.4 结论该装置在阳泉矿务局和盘江精煤股份有限公司火烧铺矿的应用表明:1)该装置能根据掘进工作面瓦斯浓度与回风巷汇合处瓦斯浓度自动调节通风机转速,控制回风巷瓦斯浓度,实现最大效率安全排放瓦斯.2)掘进正常通风时,根据工作面瓦斯涌出量的大小自动控制风速调节风量,瓦斯浓度不超限的前提下,降低通风机转速,从而达到通风机节能运行的目的.3)该装置性能可靠,自动化程度高,操作直观简便,安全性能好,非常适合井下掘进或采煤工作面进行可控排放瓦斯.(责任编辑: 吕晋英)(上接第 13 页)弹簧夹紧力的损失;松开钻杆时,高压油注人两侧外置油缸有杆腔,迫使蝶型弹簧压缩,卡
12、瓦套向左移动,卡瓦套上的 T 型斜面槽带动卡瓦径向向外移动 ,从而松开钻杆.2.2 结构特点分析组合式液压卡盘有其独特优点:1)夹紧力大 ,卡瓦和钻杆磨损后,夹紧力可调,调节夹紧油压,即可补偿蝶型弹簧夹紧力的损失;2)夹紧钻杆后,对主轴受力而言,蝶型弹簧产生的轴向作用与反作用力相互抵消,改善主轴轴承受力状况;3)外置油缸由专业液压元件厂家生产,质量稳定可靠;4)井下更换卡瓦方便快捷.不足之处是夹紧钻杆时,左端圆锥滚子轴承承受少量轴向载荷.2.3 性能测试组合式液压卡盘在煤炭科学研究总院重庆分院?16?ZY 一 2400 全液压钻机上实验,卡盘设计参数:夹紧钻杆时,蝶型弹簧夹紧力 100kN,外置油缸夹紧力40kN.总夹紧力 140kN.经国家煤矿防尘通风安全产品质量监督检验中心检测,空载时卡盘动作灵活,可靠;在输出转矩为 2700N?nl 时,运转 30min,无打滑现象.卡盘温升 12;传递转矩及发热等指标达到设计要求.3 结语组合式液压卡盘的设计方案综合了常闭型液压卡盘和液压松紧型卡盘的优点,为坑道大孔径深孔钻机提供了一种新的卡盘结构型式.参考文献:1冯德强.钻机设计 M.武汉 :中国地质大学出版社,19922黄锡恺,郑文纬 .机械原理M.北京:人民教育出版社,19813成大先.机械设计手册 M.北京:化学工业出版社,1993(责任编辑: 李琴)
