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某型巖心鉆機是一種典型的機械傳動液壓給進立軸式巖心鉆機，具有轉(zhuǎn)速范圍廣與級數(shù)多的特點，主要用于地表及坑道對固體礦床的金剛石、硬質(zhì)合金鉆探，此外還適用于工程地質(zhì)勘察，以及淺層石油、天然氣、地下水鉆探等。該鉆機上的回轉(zhuǎn)器通過兩只半圓壓圈安裝于分動箱上，通過松動壓圈螺母還可在360°范圍內(nèi)對鉆孔傾角做任意調(diào)整。液壓卡盤作為回轉(zhuǎn)器實現(xiàn)鉆進功能的關(guān)鍵部件，無論在正常鉆進時還是在深孔鉆進或強力起拔鉆進時，上卡盤均需提供鉆桿鉆進所需的大部分夾持力。由于上卡盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)在工作時受力復(fù)雜且不易觀察，為了能更好地揭示液壓上卡盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及碟形彈簧組件在工作時的變形情況，采用CATIA軟件對己構(gòu)建的夾持鉆桿的液壓上卡盤進行結(jié)構(gòu)建模和強度分析。
1.卡盤結(jié)構(gòu)與工作原理
巖心鉆機回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)如圖所示，液壓卡盤的主要功能是夾緊鉆桿，向鉆桿傳遞鉆機的轉(zhuǎn)矩及軸向力，以完成鉆具的回轉(zhuǎn)、給進和起拔。一般液壓卡盤分為彈簧夾緊油壓松開式、油壓夾緊彈簧松開式和油壓夾緊油壓松開式3種。該型鉆機所采用的液壓卡盤為彈簧夾緊油壓松開式，其上卡盤結(jié)構(gòu)如圖所示。這類卡盤利用壓力油做夾緊域松開的動力，通過設(shè)備中間的傳動機構(gòu)，改變力的方向和大小，最終使卡瓦執(zhí)行夾緊域松開動作。
2.液壓上卡盤的三維建模及裝配
在CATIA平臺上利用零部件設(shè)計模塊和曲面設(shè)計模塊，完成了液壓上卡盤各零部件三維建模，如圖所示。
零部件建模完成后，利用CATIA軟件的裝配設(shè)計模塊完成上卡盤零部件的裝配。裝配設(shè)計模塊是幫助設(shè)計者用自上而下或自下而上的方法定義和管理多層次的大型裝配模塊。此次構(gòu)建的上卡盤裝配體主要由卡瓦座、碟形彈簧、卡瓦體、卡圈、壓板、活塞及卡盤外殼等組成。裝配體以六方立軸為基準件，按自下而上的裝配次序，依次導(dǎo)入所需零件完成裝配設(shè)計中主要應(yīng)用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工具欄、移動工具欄、約束工具欄湘合、平面接觸、偏移和固定、更新工具欄以及干涉分析，最終完成上卡盤的裝配。為了更好地顯示裝配件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對外殼的透明度進行了適當調(diào)整，最終設(shè)計結(jié)果如圖所示。
3.液壓上卡盤的強度分析
3.1.液壓上卡盤強度的理論校核
在液壓上卡盤工作過程中，碟形彈簧是主要工作部件，它在壓力和自身彈力的相互作用下往復(fù)運動，這使得每塊彈簧鋼板對穩(wěn)定性和抗斷裂能力均有極高的要求。若不能滿足要求，就會造成液壓卡盤夾持無力而打滑，因此，碟形彈簧能否承受液壓系統(tǒng)的壓相同的碟形彈簧片正反交替套在卡瓦座外圓上，卡圈套在其上。卡盤夾緊時，彈簧的工作壓力約為63700 N，碟形彈簧的受力面積約為190 cm，卡盤松開時需克服的碟形彈簧工作壓力約為3.4 MPa。
從結(jié)構(gòu)上分析，上卡盤中的彈簧是由9片完全相同的碟形彈簧片正反交替套在卡瓦座外圓上，卡圈套在其上。卡盤夾緊時，彈簧的工作壓力約為63700N，碟形彈簧的受力面積約為190 cm²，卡盤松開時需克服的碟形彈簧工作壓力約為3.4 MPa。
在上卡盤放松立軸的過程中，卡圈與楔形角為6°的壓板之間會產(chǎn)生一定的摩擦力。壓板采用銅合金ZQAL-4，銅與鋼之間的滑動摩擦因數(shù)f=0.03，卡圈與壓板及卡瓦座之間的滑動摩擦阻力為0.3 MPa。
某型巖心鉆機液壓系統(tǒng)配給的BC33/80型齒輪油泵所提供的工作壓力為8 MPa，最高壓力為12 MPa，具體參數(shù)如表所列。該鉆機液壓系統(tǒng)采用1組多路換向閥作為操縱閥。在該液壓系統(tǒng)中，進入上卡盤的工作油經(jīng)過多路換向閥內(nèi)的三位四通手動換向閥直接進入液壓卡盤，無回油管路。采用1根油管完成卡盤的松緊動作控制，具有動作時間短和操作靈活的特點。采用多路換向閥控制的復(fù)雜中高壓系統(tǒng)存在1.2-3.0 MPa的背壓；另外，受到摩擦損耗及其他因素的影響，液壓上卡盤松開時的實際壓力降為5.0-5.5 MPa。與上卡盤松開時需克服碟形彈簧的壓力3.4 MPa相比，液壓系統(tǒng)給予上卡盤最小5 MPa的壓力己足夠松開碟形彈簧組件，能保證液壓上卡盤正常工作。
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