矩形截面弹簧在钻机液压卡盘中的应用设计 -.pdf

2 0 1 0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4 3 7 4 ； 2 ． 煤炭科学研究总院 西安研究院，陕西 西安7 1 0 0 7 7 摘要通过对 Z D Y 6 5 0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 A N S Y S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 ；A N S Y S 中图分类号 T D 4 2 1 ． 2 5 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 0 0 3 - 0 0 9 9 - 3 1概述 卡盘是钻机的一个重要 的组成部件，其功能是夹紧钻 杆，向钻杆传递转矩和轴向力，驱动钻具实现回转和钻进。 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 弹簧较多 。如 Z D Y 6 5 0型钻 机上 使用 的 卡盘 采用 的 是斜 面 增力机构 ，利用碟簧夹紧，液压松开，卡盘不工作时处于 夹 紧状态 。卡 盘中碟 簧是 以对 合形式 安装 的 ，这种 安装 形 式所能承受的载荷为单个碟簧所承受的载荷，变形量是所 有碟 簧的变形 量 的总 和 ，它存 在 的主要 问题有 ① 在有 限 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“|2 j 。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 。 2 螺旋压缩弹簧液压卡盘结构 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。 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 钻杆 9 ；卡瓦 7 嵌入 主轴 8 上的孑 L 中，将 主轴 8 上 的 扭矩传递到钻杆 9 上，驱动钻杆 9 回转。松开时，利用 液压机构驱动 活塞 1 运 动 ，通过 轴承 2 带 动卡 瓦座 6 轴 向运动 ，压缩弹簧 5 ，卡 瓦 7 在 卡 瓦座 6 的斜槽 内 沿径 向运动 ，卡瓦 7 开 口直 径变大 ，松开钻杆 9 。此设 计中弹簧 5 的工作行程为 2 0 ． 4 m m，使卡瓦 7 开 口直径 相应增 大 ，能较 好的避免卡瓦 7 与钻杆 9 变形 后造成 的 钻杆 9 不 能顺 利通过卡瓦 7 的情况发生 。 利用弹簧弹力夹紧的卡盘，弹簧性能的好坏将直接影 响卡盘的性能指标。在图 1所示的结构中，弹簧的选取主 要考虑 了两种方案 一是采用圆形截 面圆柱螺旋压 缩弹簧 ， 二是采用矩形截 面 圆柱螺 旋压缩 弹簧 。下面 主要针 对这两 种 弹簧进行设计计算 ，最终选取较好的方案进行分析 。 进出油 1 一 活塞 ；2 一轴 承；3 一油缸 ；4 -- 卡盘体 ；5 一 弹簧 ； 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 3 弹簧设计 根据卡盘所需提供力的大小及在不 同工作状态下的受 力分析 ，结合弹簧变形量 ，分析计算出弹簧在卡盘不同工 作状态下的受力。初始参数为扭矩 1 5 0 o N，夹持 5 0 m m 钻杆 ，最大给进／ 起拔力为 8 x 1 0 N，根据卡盘空间设计尺 寸，弹簧外径 D。 3 8 mm，工作行程 h 2 01 mm。查工程 收稿 日期 2 0 0 91 01 2 作者简介彭涛 1 9 8 4一 ，男，湖北武汉人，2 o o 7年毕业于中国地质大学 武汉 机械设计制造及自动化专业 ，现在 从 事钻 掘机械方面的学 习研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 0年第 3期 材料手册 ，选用材料 为弹簧钢 6 0 S i 2 C r V A，泊松 比为 0 ． 2 8 ， 剪切模量为 G 7 8 5 00MP a ，许用应力为 [ Jr ] 9 3 2 MP a 。 取卡瓦座和卡瓦摩擦系数为 0 ． 4 ，则所需夹紧力最少为 8 0 ／ 0 ． 4 2 00k N。取实际所 需的夹 紧力 是最小 夹紧力 的 1 ． 5 倍 ，则实际夹紧力 Q2 0 01 ． 5 3 00k N。卡瓦斜面角 一 般取 6 。 ～ 9 。 [ 3 1 ，这里取 7 。 。取斜 面摩擦 系数 f 0 ． 1 ，则摩 擦角 5 ． 7 1 。 ft a “ 。根据 增力 比 AQ ／ F1 ／ t a n 0 ，可得实际所需 弹簧力 F为 Ft a n 7 5 ． 7 3 0 0 6 7 7 00N。本卡盘采用 1 8 根 弹簧 ，故每根弹簧所承载力 为 67 ． 7 ／1 837 6 0N。 将弹簧在不同状态下进行受力分配最大夹紧力 F ⋯， 预紧夹 紧力为 F 0 ． 3 F ，正常工作 夹紧力为 F 3 7 6 0 N， 弹簧受力分配与卡瓦开 口直径关系如表 1 所示 。 表 1 弹簧受力分配与卡瓦开 口直径关系 根据上述对应关系可得如下计算公式 ， 一 F F⋯一 ， ， 1 、 式中F 最大夹紧力 ，N； 卜正常工作夹紧力 ，3 7 6 0 N； 预紧夹 紧力 ，N； D 。 预紧状态下卡瓦开 口直径 ，t l 4 7 m m； D 夹紧状态下卡瓦开 口直径 ， 5 0 m m； 松开状态下卡瓦开口直径 ， 5 2 mm。 通过计算可得F 5 2 2 0 N，弹簧最小工作载荷 F． 1 5 6 6 N。根据以上参数 ，可以计算 出圆形截面和矩形截 面弹 簧几何参数分别如图 2 、图3所示。 图 2 圆形截面螺旋压缩弹簧 mm 经对比分析①在承受同样大小的载荷 、材质和变形 量相同时，圆形截面圆柱螺旋压缩弹簧相比矩形截面圆柱 螺旋径向尺寸大很 多 圆形 截面弹簧外 径 6 2 mm、矩形 截面 弹簧外径 3 5 ． 2 m m ，无法 满足 此设计 的径 向尺 寸要求 D． 3 8 m m ；②矩形截面圆柱螺旋压缩弹簧 比圆形截面圆柱 螺旋压缩 弹簧 的刚度大 ，吸收的能量 多 ，刚度更 接近 于常 数 ，特性线更接近于直 线 J ，因而同样 的 卡瓦 张开量下 卡 】 0 0 n I＼ f ， 1 I 几厂 ＼ ＼ __ 入 ＼ ／ 琴 l 91 图 3 矩形截面螺旋压缩弹簧 m m 盘的夹紧力更稳定。因此，这里选择矩形截面弹簧作为螺 旋压缩弹簧液压卡盘夹紧部件。通过计算可以得到矩形截 面弹簧的工作冈如图 4所示 。 6 8 8 5 N ＼ l ＼ 5 6 l l ．． 一 3 8 ．4 图 4 矩形截面弹簧工作图 m m 矩形弹簧在初始状态 时为预 紧状 态 ，预紧力为 1 5 6 6 N， 此时变形量 为 8 ． 7 m m；最 大 工作载荷 为 5 2 2 0 N，变形 量为 2 9 ． 1 m m；极限载荷 为 6 8 8 5 N，变形量为 3 8 ． 4 m m，弹簧正常 工作行程为 2 0 ． 4 m m。为 了验证弹簧工作状态下的力学特性 能否满足弹簧材料的性能要求 ，本文采用 A N S Y S有 限元 分 析软件对其进行仿真分析。 4 弹簧 A N S Y S 仿真分析 本文使用的是 A N S Y S Wo r k b e n c h设计、仿真与优化平 台，根据以上计算 出的弹簧 几何参数 ，利用 l i d E d g e进行 建模，为了合理分析弹簧的受力情况，在弹簧两端添加了 压板 ，以保证弹簧 的受力在法向上 J 。 1 模型导入及材料信息设置。将建好的弹簧模型导入 A N S Y S Wo r k b e n c h中，首先对模型设置材料信息，对弹簧 及压板设置相 同 的材料 信息 ，剪切 模量 G7 8 5 0 0 MP a ，泊 松 比 0 ． 2 8 。 2 网格划分 。由于 Wo r k n c h中默认 的 网格类 型为 正 四面体 ，对于大 多数 分析 ，这种 网格 可满 足 要求 ，因此 ， 这里只需要定义 网格的大小即可，最终划分 的节点数为 6 5 8 9 1 ，单元数为 3 2 8 9 4 。 3 选择分析类型及施加约束 。本 文选 择静力学结构分 析，对一端压板施加同定约束 ，另一端施加位移约束，位 移量为弹簧在承受最大力时的变形量 2 9 ． 1 m m，方向沿弹簧 轴 向。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 3期 煤炭工程 薄煤层 高产高效工作 面顺槽 转载机 关键 技术研究 王 赘 1 ．中国地质大学 武汉 ，湖北 武汉4 3 0 0 7 4 ； 2 ．煤炭科学研究总院 山西煤机装备有限公司，山西 太原0 3 0 0 0 6 摘要 论文介绍 了研发 薄煤层 高产高效工作面顺槽转载机的必要性 ；重点阐述 了通过优化 薄煤层转载机 自身总体结构布置 ，降低与其配套的 自移机尾 高度 ，来降低薄煤层装载机 的整机高 度 ；提 出了提 高薄煤层转载机 关键零部件耐磨 强度和寿命的措施 ；从 而达到 了薄煤层3 - 作面对顺 槽转载机高度低 、运量大、推进快及寿命 长的要求。 关键词 薄煤层工作面；顺槽转载机 ；传动部 ； 自移机尾 中图分类号 F I M2 1 ． 7 4 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 0 0 3 - 0 1 0 1 - 0 3 随着我 国煤 矿大 幅度 的开 采 ，原煤 田中开采 条件较 好 的煤层逐渐减少，薄煤层的开采已被提到议程上来。与 同 外同类产 品相 比，目前 周 内的顺槽 转 载机 普遍 运量小 、高 度大，基本上不能满足薄煤层高产高效工作面对转载机所 提 出的运量 大 、高 度 低 、推 进 快 及 寿命 长 的要 求 。所 以 ， 当薄煤层采用综合机械化开采时，往往需将顺槽巷道进行 挑顶或卧底 ，且需 对转 载机 进行 适 当改造 ，以便使 薄煤 层 工作面采用本 来适 用于 中厚煤 层 的转载 机 。这样 ，既增 加 了巷道掘进难度和设备改造费用，延长了开采煤田的准备 期限 ，又制约 了薄煤层 综采设 备 能力 的有效 发挥 ，给煤 矿 4 设定求 参数及求解 。求解参 数即所需 要求解 的结 果 ，本文所需求解 的是 弹簧 的剪 切应力 ，只需 选择 剪切 应 力即可求解 出弹簧 的应力 云图。 5 结论 由分析结果得 出，弹簧 的最 大剪切 应力 为 4 1 7 ． 7 5 MP a ， 最大应力 出现在弹簧 内网表面处，小于材料的许用应力 [ ] 9 3 2 MP a ，因此 ，此弹簧的设计足以满足使用要求。 此弹簧不受安 装形 式 的限制 ，相 对碟 簧 而言 ，结 构 简 单 ，制造 方 面 ，制造 过程 中的 小误 差 不会 影 响 特性 曲线 ， 而且 圆柱 螺旋 弹簧摩 擦 面少 ，即使 磨损 后 ，对 夹紧力 影 响 也较小 。 经过实际使用 ，此卡盘能很好的夹紧钻杆，即使卡盘 卡瓦有少量磨损后仍不会出现打滑现象 ，夹紧钻杆可靠性 高；起下钻时卡瓦开 口直径相对碟簧式液压卡盘开 口直径 大，钻杆f l J i l{ , 利通过卡瓦，不容易擦伤钻杆，大大提高了 实现高产高效 作业 带来 了 困难 。为此 ，研 发适 用于 薄煤层 高产高效工作面的顺槽转载机显得十分必要。本文 旨在打 破传统的设计思路，力求在满足输送能力和顺槽高度要求 的前提下 ，通 过 对关 键零 部 件 及总 体 布置 的改 进 和优 化 ， 解决薄煤层工作面顺槽转载机研发设计中的关键技术问题， 为今后薄煤层工作面顺槽转载机的研发设计提供理论依据。 1 优化薄煤层转载机总体结构布置 根据 当今煤炭 开采 技术 的发展 和要 求 ，薄煤 层高 产高 效 工作 面所 用转载机 的运输 能力应大 于1 5 0 0 t ／ h 工作 面最 卡盘 的性能 。 参考文献 成大先 ．机械设计 手册第 五版 [ M] ．北京 化学 工业 出版 社 ．2 0 0 7 ． 李 华普． 碟形弹 簧在 液压 卡盘 中的 应用及 效果 分析[ J ] ． 机械．1 9 9 8， 0 5 2 4～ 2 6 ． 冯德 强． 钻 机设 计[ M] 武 汉 中 国地 质 大 学 出 版社 ． 1 99 3 ． 李家梅 ，傅庭森 ，赖韶飞．矩形截面圆柱螺旋压缩弹簧优 化 设计[ J ] ．矿冶 ，1 9 9 6 ，5 3 2 2 2 5 ． 杨峰 ，许 明恒．基 于 C O S MO S WO R K S圆柱螺旋 弹簧 的应力 分析[ J ] ．机械 ，2 0 0 8 ， 0 8 3 6～3 7 ． 李兵，何正嘉，陈雪峰．A N S Y S Wo r k b e n c h 设计、仿真与优 化 [ M] ．北京 清华大学出版社 ，2 0 0 8 ． 责任编辑赵巧芝 收稿 日期 2 0 0 91 1 2 3 作者简介王资 1 9 7 9一 ，男，工程师，2 0 0 2年毕业于太原理工大学，现在煤炭科学研究总院山西煤机装备有限公 司运支所工作 。 1 01 n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m