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回转器与卡盘(工程机械)

日期:2020-06-09 07:08 作者:pokerking扑克王APP

  回转器与卡盘(工程机械)_机械/仪表_工程科技_专业资料。回转器与卡盘 §6-1 回转器的功用、要求及类型 一 回转器的功用 回转器是钻机的重要工作机构,主要功用如下: 1.带动钻具回转,提供钻头破岩所需的转矩和转速; 2.导正钻具方向; 3.实现变角,

  回转器与卡盘 §6-1 回转器的功用、要求及类型 一 回转器的功用 回转器是钻机的重要工作机构,主要功用如下: 1.带动钻具回转,提供钻头破岩所需的转矩和转速; 2.导正钻具方向; 3.实现变角,以适应钻进不同倾角的钻孔; 4.处理孔内事故. 二 对回转器的要求 1.回转器的转矩及转速要有较宽的调节范围; 2.具有良好的导向性; 3.具有一定的变角范围,可钻进设计范围内的不同倾角的钻孔; 4.应保证主动钻杆既可转动,又不防碍在给进机构的带动下作轴向运 动; 5.最好具有1-2个反档,以满足特种工作的需要; 6.运转平稳,振动和噪音小。 三 回转器的类型和特点 1.立轴式回转器 (1) 给进机构组装在回转器的箱体上,和回 转器构成同一个拆装部件、保证了卡盘与回转 器的同心度; (2) 有一根长的立轴,导向性好; (3) 变角范围大,可钻任意倾角的钻孔; (4) 采用悬臂式安装,增加了钻机的重心高 度; (5) 立轴的通孔较小,提下钻具时,回转器 需要让离孔口; (6) 不能用于拧卸钻杆,需要另配拧管机。 2. 转盘式回转器 (1) 多数转盘是安装在钻机的底座上,使钻机的重心低; (2) 多数转盘都兼做拧管机,减少了设备的数量; (3) 多数转盘通孔较大,可通过设计的最大粗径钻具。提下钻具时, 无需让开孔口; (4) 因转盘的主轴较短,且通孔 大,故对钻具的导向性差; (5)转盘与给进机构为两个独立 的部件,二者没有直接的联系; (6)由于结构的限制,转盘的变 角范围较小。 3.移动式回转器(动力头) (1)可在给进机构的拖动下沿导向架轴向移动,实现长行程给进; (2)配有刚度大的导向架,对钻具的导向性好; (3)与孔口夹持器配合,可用于拧卸钻杆,与给进机构配合,可 用于升降钻具; (4)采用机械传动时,需要 一根长的传动轴; (5)钻不同倾角的钻孔时,不 靠回转器变角,而是靠导向架 的前后倾斜调整回转器的倾角; (6)易于实现自动控制。 §6-2 立轴回转器的结构分析与设计 一 立轴式回转器的结构分析 1.动力输入轴(半轴) 一般多采用悬臂式安装。为保证轴的支撑刚度,多应用以下三种 加大支撑刚度的方法: (1) 选择合适的轴承类型和安装方式; (2) 选择合适的轴用材料、结构型式。在结构许可的条件下。适当 加大轴径; (3) 轴的支撑段长度大于或等于悬出段的长度的2倍,即b ? 2a 。 2.锥齿轮副 (1)锥齿轮的类型 小锥齿轮装在动力输入轴的悬臂端。大的锥齿轮装在立轴导 管上。常用的有两种类型: 直齿锥齿轮 特点是易制造、成本低、转动时产生的轴向力 始终背离锥顶、尺寸相同,承载能力较小、对安装误差的敏感性 大、适用于低速传动,v?5m/s. 弧齿锥齿轮 特点是齿啮合重叠系数大、承载能力大、工作 平稳、噪声小、适用于高转速,v5m/s。但工作时产生的轴向力 大,且轴向力的方向随转向的变化而改变、加工困难、成本高、 对安装精度要求高。 (2)被动锥齿轮的安装形式 被动锥齿轮的安装分上置式和下置式。被动锥齿轮的安装形式 取决于传动系统的传动方案。下置式安装的润滑条件优于上置式。 (3)锥齿轮的选配 锥齿轮按照齿的旋向分为左旋锥齿轮和右旋锥齿轮。弧齿锥齿 轮副的两个齿轮的齿旋向不同。为了使锥齿轮副工作时产生的轴向 力背离锥顶,则被动齿轮上置式安装时,主动齿轮应选用右旋,被 动齿轮用左旋。如果被动齿轮采用下置式安装,则主动齿轮为左旋, 被动齿轮应为右旋。 (4)锥齿轮副啮合间隙的调节 利用立轴导管上、下两端的垫片来调整,调整时上、下垫片的 总数不变,只是调整上、下垫片的数目。 3.立轴导管 立轴导管的作用是安装被动伞齿轮、传递扭矩,带动立轴转动, 又能使立轴在导管内孔中上下移动。导管是采用滚动轴承支撑在回 转器的箱体上。其支撑方式主要有三种:向心止推轴承、圆锥滚子 轴承及向心球轴承和推力轴承组合式。 4. 立轴 5. 箱体的安装与变角方式 (1)半圆压板式 (2)T型槽-螺栓式 (3)T型槽-开合式 二 立轴式回转器的设计计算 (一) 立轴式回转器设计应注意的问题 1. 与给进机构联系在一起考虑; 2. 结构上尽可能减小回转器的振动; 3.保证孔口的作业空间,尽可能降低重心; 4.保证密封和润滑。 (二)锥齿轮副的设计 1.从动锥齿轮分度圆直径的确定 1 3 p D f ? Kd M 从动锥齿轮计算转矩 M p ? ?Mmax 汽车 kd ? 12.5 ~ 14.5 直径系数取值为:钻机 kd ? 14 ~ 20; 拖拉机 kd ? 10.56 ~ 11.42 2. 端面模数的选择 模数由 m3 ? D / Z2确定。 选用的模数是否合适,用下式校验: 钻机: K m 3. 齿数选择 m3 ? K m M 1 3 p ? 0.4 ~ 0.6 汽车: K m ? 0.28 ~ 0.41 主被动齿轮的齿数应没有公约数。小齿轮的齿数尽量选择 奇数。 4. 名义螺旋角的选择 一般选用 ? m ? 350 ~ 400 个别钻机也有选用 ? m ? 00 5. 弧齿锥齿轮的受力分析 (三) 立轴与导管的设计计算 1. 立轴的强度校核 (1)立轴危险截面产生的最大正应力 pmax ?? Fw M nmax (2)立轴产生的最大剪应力 ?? ?n D4 ? d 4 ?n ? ? 16 D ? (3)立轴产生的合成应力 ? ? ? ? 2 ? 4? 2 ? ? ? [? ] ?S [? ] ? Ka 另外根据书中表5-10中的公式可校核不同形状立轴的接触应力。 2.导管的强度校核 导管产生的合成弯矩: 合成弯矩下产生的应力: 2 2 M? ? Mn ? Mw ?? M? ?w ? ? [? ] 式中 D4 ? d 4 ?w ? ? 32 D §6-3 转盘的结构分析与设计 一 转盘的结构型式 转盘主要有下列几种型式: 1. 按转速高低划分为高速转盘和低速转盘。 2. 按转盘的定位方式分为心管定位和壳体定位。 3. 按照转盘的传动级数分为一级传动和二级传动。 4. 按照转盘动力输入方式分为侧面输入和中间输入。 5. 按照驱动钻杆的方式分为补心式和回转梁式。 二 转盘典型结构分析 1. SPJ-300转盘 2. SPC-600R转盘 三 转盘的设计要点 (一)转盘的参数 1.转盘的通孔 小转盘通孔直径一般为150-160mm,大转盘通孔直径范围在400670mm之间. 2.转盘的转速 随转盘的类型不同,转速的差别较大。大直径转盘最高转速在2030r/min,而小直径转盘的最高转速在800-1000r/min左右。设计时根据钻 头直径的最佳线.转矩 当动力机的功率确定后,转盘的转矩和转速有关。转速低,转矩大; 转速高,转矩小。一般工程勘察钻机转盘转矩在0.5-5KN.m,水井钻机转 盘转矩在:5.5-20KN.m,大口径工程钻机转盘转矩在30-20KN.m。 (二)转盘主轴承的设计计算 1. 转盘轴承类型 转盘工作时,转盘轴承承受有轴向载荷和径向载荷。转盘轴承多 选用推力向心球轴承或推力向心球面磙子轴承。 2. 主轴承载荷与寿命计算 主轴承的当量动载荷可用最大当量载荷,考虑寿命系数来计算。 Pz ? K L Pmax Pmax ? Fa ? xFr 对于推力向心球轴承,径向系数x=1.2 Fa ? F ? G ? P4 对于有补心的转盘,主动钻杆在补心孔内下滑时,对主 轴承产生的最大轴向载荷为: F ? 4P 1 f P1是补心对主动钻杆的推力。 p1 ? Mma x 2b 轴承的实际动载荷为: C ? ? n1 K zh K? Pz ISO推荐的计算轴承额定动载荷公式列于书中表5-11中。 计算出额定动载荷后,可用下面的公式计算轴承的寿命: {C }N 3 { L}h ? 3000 ( ) {C ?}N (三)转盘的密封 (四)转盘的安装 §6-4 移动式回转器的结构分析与设计 一 移动式回转器的结构分析 移动式回转器按照传动方式分为机械传动式和液压传动式(俗 称动力头)。 1. 液压传动式移动回转器 单马达无变速式 2. 机械传动式移动回转器 二 移动式回转器的设计 1. 让开孔口的方式 开合式及后移式 2.动力头的防冲击机构 利用移动式回转器实现冲击--回转或振动--回转钻进时,回转器的 主轴和传动齿轮之间是采用可轴向串动的连接方式。如花键或圆柱销 连接。另外增加防冲击装置,多采用缓冲油缸及缓冲弹簧。 3. 导向装置 导向装置的形式有圆柱形导杆式、滚轮滑板式及矩形导轨式等。 4.主轴配油套间隙密封设计 泰美克—250钻机配油套间隙是0.025~0.04。钻石—300钻机配油 套间隙为0.06~0.08。 §6-5 回转器的参数选择 一 回转器的转速 1.回转器的最高转速 依据钻头适应的最高线速度;钻进工艺的发展趋势;钻头的直径、 钻机、钻杆、钻头的质量来确定。 钻头的线速度与钻头的转速关系为: v n? ?D 目前不同切削具的钻头适应的最高线速度分别为: 孕镶金刚石钻头:v=3.5 m/s 表镶金刚石钻头:v=2.5 m/s 硬质合金钻头: v=2 m/s 钢粒钻头: v=2 m/s 2. 回转器的最低转速 依据钻机的最大开孔直径、复杂地层及特种钻进、扫孔和处理事故 的需要确定。 目前岩心钻机的最低转速在60-180 r/min。水井钻机的最低转速在 30 r/min左右。 3. 调速范围R nmax R? nmax 大口径钻机R=3~5,高速小口径钻机R=4~15。 4. 速度档数 按照钻进工艺的需要,理想的是无级调速。机械传动钻机均采 用有级变速。一般深孔高速钻机取4-8档,浅孔低速钻机取3-4档。 5. 中间速度 根据钻进工艺的要求和传动系统的布置确定。中间速度有四种 排列方法: (1) 等差排列 例如 200 400 600 800 1000 1200 r/min 日本的TEL钻机回转器的中间转速是按等差排列,如下: 150 200 300 400 500 670 r/min (2) 等比排列 按等比排列的速度,其邻速比相等。即 nm n2 n3 n4 ? ? ?? ?? n1 n2 n3 nm?1 ? ? m?1 R 例如按公比 ? ? 1.47排列的速度列于下面: 100 147 217 319 470 692 1019 1500 r/min (3) 不规则排列 XY-4钻机回转器的转速是按照不规则排列,列于下面: 118 217 310 451 362 666 951 1384 r/min (4) 双等比排列 6. 反档速度 反档速度主要用于处理事故和特种钻进。转盘钻机的反档速度 还用于卸钻具。一般设1-2档。 二 回转器的通孔直径和让开孔口的距离 1.通孔直径 立轴的通孔比机上钻杆的直径大2—3mm,转盘的通孔比设计 的最大粗径钻具的直径大6-8mm。 2. 让开孔口的距离 开合式一般为:1400~1800;后移式后退的距离:300~450mm。 §6-6 卡盘 一 卡盘的功用与要求 卡盘的功用是夹紧机上钻杆,传递转矩,传递轴向力及轴向运动。 卡盘应满足以下要求: 1. 提供足够稳定的夹持力; 2.夹紧时能自动定心; 3. 卡盘的转动部分质量分布均匀,动平衡性能好; 4. 用较小的动力产生较大的夹紧力; 5.夹紧力分布均匀,不损伤钻杆; 6. 动作迅速,操作方便省力。 二 卡盘的类型及组成 1.卡盘的组成 由夹紧元件、中间传动机构、动力装置、卡盘体等组成。 2.卡盘的类型 顶丝式 自动定心式 手动卡圈式 类型 主动钻杆式 常闭式(弹簧夹紧,液压松开式) 常开式(弹簧松开,液压夹紧式) 液压松紧式 三 卡盘的结构分析 (一) .机械式卡盘 1. 顶丝卡盘 2. 自动定心卡盘 3. 手动卡圈式卡盘 (二)液压卡盘 1. 常闭型卡盘 2. 常开型卡盘 3. 液压松紧型卡盘 四 卡盘的设计计算 (一)基本参数的确定 1. 卡盘的最大工作载荷 Pmax 强力起拔时,卡盘的最大载荷: Pb ? Ps max 钻进时卡盘的载荷: Pg ? Py ? Pz Py ? 2Mn / D 卡盘的最大载荷取其二者中的大者 Pmax ? Pb或Pg 2. 卡盘实际可承受的载荷(称为夹紧力) Pkp 夹紧力Pkp 的计算见后。 3. 卡盘夹紧力的储备系数β ?? 一般β=1.2-1.6 Pkp Ps max (或pg max ) (二) 中间传动机构的设计 1. 斜面增力机构 根据齿瓦与卡圈分离体的受力图可 得到二者的力平衡方程组。 对于齿瓦: ?X ? Q ? N cos? ? f1 N sin? ? f 2T ? 0 ?Y ? T ? N sin? ? f1 N cos? ? 0 对于卡圈: ?X 1 ? R ? N cos? ? f1 N sin? ? 0 ?Y1 ? F ? N sin? ? f1 N cos? ? 0 联立上面二方程组,,求出齿瓦对钻杆的正压力: Q?F? 因为 又因 1 ? f 2 tg(? ? ?1 ) tg(? ? ?1 ) f 2 tg(? ? ?1 )? ?1 F ? C ? ?Y ? C ?X tg? F 所以 Q ? tg(? ? ?1 ) C ? ?X 则Q ? tg(? ? ?1 ) 卡盘产生的夹紧力为: fF fC ? ?X Pkp ? fQ ? ? tg(? ? ?1 ) tg(? ? ?1 ) 斜面增力机构的增力系数为: Q 1 ? f 2 tg(? ? ?1 ) 1 ?? ? ? F tg(? ? ?1 ) tg(? ? ?1 ) Q F ?X ? Q 根据上面的关系,绘出该机构的 特性曲线如图。由此可分析出斜面增 力机构卡盘的特点如下: ? ?X ? ? (1) 当卡盘结构确定后,其增力系数为 定值; (2) 夹紧力在夹持范围内变化较大,当 钻杆的尺寸和齿瓦尺寸略有变化时, 0 夹紧力的变化较明显。因此,夹持钻 杆规格范围较小; (3) 卡盘实现自锁的条件是αφ1; (4) 设计时可通过改变α和 φ1的值,改变增 力系数λ的值。 ?Y ? F ?X ?Y 2. 连杆增力机构 连杆增力机构在夹紧时的受力情况如图。按照前面的分析方法, 可推导出齿瓦对钻杆的正压力计算公式如下; 1 ? f 2 tg(? ? 2? ) Q?F? tg(? ? 2? ) 因为 f 2 tg(? ? 2? )很小, 故上式可简化为: Q? F tg(? ? 2? ) 由前面的式子,可推导出连杆增力机构的增力系数为: ?? 1 tg(? ? 2? ) 依据上述公式,绘出连杆增力机 构卡盘的特性曲线如图。由此可分析 出连杆增力机构卡盘的特性是: (1)α角在夹紧过程中是变化的,因而 λ 也是变化的。随α 减小,增力系数 λ 增大; (2) Q力随ΔΧ的变化很小,因此该类型 卡盘认为具有衡夹持力; Q F ?X ? ? ?X ? Q ? ?Y ? F 0 ?Y ?X (3) 夹持钻杆的规格范围较宽。 3. 齿条--螺杆增力机构 该机构卡盘的受力情况如 图。社卡盘油缸给齿条的作用力 为F,此力由作用在齿杆上的齿 轮,使齿杆产生扭矩,设此扭矩 为M,则: D M ?F? 2 而螺杆左右两端处产生的扭矩与 此扭矩相等,即 d0 M P0 ? ? 2 2 矩形螺杆产生的圆周力P0为 P0 ? Qtg(? ? ? ) 由上述二式得出: M FD Q? ? d 0 tg(? ? ? ) 2d 0 tg(? ? ? ) 该机构的增力系数为 : 2Q D ?? ? F d 0 ? tg(? ? ? ) 通过上述分析,可总结出该增力机构卡盘的特性有: (1)卡盘的增力系数λ 为定值; (2) 卡盘的松紧均靠油压,在一定的范围内,钻杆的尺寸大小不影响 夹紧力。故夹持钻杆的规格范围较大; (3) 卡盘的自锁条件是 ? ?? ; (4) 采用双油缸、双螺杆机构,卡盘夹紧力较大。 4. 胶囊式 胶囊式卡盘没有复杂的传动机构,油压通过胶囊的变形传给齿瓦。 齿瓦与齿瓦座的受力如图。由分离体的平衡条件得: ? Qi ? 2 ? ? 4 2 D Lpmax cos?d? ? 2 2 Fi Z 2 ( pmax DL ? 2 Fi Z ) 2 因复位弹簧的工作载荷 Fi 很小,上式可简化为: ? 2 Qi ? DLpmax 2 当齿瓦数Z=4时,齿瓦产生的总正压力: Q ? 2 2DLpmax

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