新型高可靠性液压卡盘及其控制油路的设计

吕晋军，辛德忠

（1.中煤科工集团重庆研究院，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400039）



新型高可靠性液压卡盘及其控制油路的设计

吕晋军1，2，辛德忠1，2

（1.中煤科工集团重庆研究院，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400039）

摘 要：液压夹紧卡盘夹紧力大，结构紧凑，特别适用于大直径深孔钻机。但现有液压夹紧卡盘保压能力弱，易打滑，可靠性低，难以长时间无故障使用。为了满足大直径深孔钻机发展的需求，通过对现有液压夹紧卡盘的分析和对比，提出一种新型高可靠性液压夹紧卡盘的设计方案。

关键词：高可靠性；液压卡盘；深孔钻机

0　引言

卡盘是钻机内直接驱动钻杆回转运动和轴向运动的部件，是整个钻机的关键。卡盘需要承受最大扭矩和最大轴向载荷且动作频繁，工况恶劣；卡盘的好坏很大程度上决定了钻机的性能。钻机卡盘一般可分为机械卡盘和液压卡盘。目前，由于钻探安全性需求， 机械卡盘已逐渐淘汰，液压卡盘得到了广泛的应用［1］。

常用的液压卡盘有以下两种：1）弹簧夹紧、液压松开的常闭液压卡盘；2）液压夹紧，液压松开（或弹簧松开）的常开液压卡盘。

弹簧夹紧、液压松开的常闭液压卡盘是以一组弹簧（通常是碟形弹簧）所产生的弹力通过斜面增力机构（或杠杆机构）作用于卡瓦上，使之产生径向力夹紧钻杆［2］。这种液压卡盘工作可靠，夹紧力不受液压系统泄漏影响。并且，碟形弹簧所产生的作用力与主轴、卡瓦、卡瓦套成封闭力系，改善了卡盘及钻机主轴受力状况。但是，由于碟形弹簧产生的夹紧力不可调，无自动补偿能力，卡瓦及钻杆磨损后会导致夹紧力下降；且随着钻机钻孔能力加大，碟形弹簧尺寸变大，会导致卡盘尺寸过大，难以满足大直径深孔钻机上的使用要求。

传统液压夹紧卡盘依靠液压缸产生对钻杆的夹紧力，液压系统的泄漏会导致夹紧力大幅度下降。由于液压夹紧卡盘对液压系统密封性能要求过高，使其在钻机上的应用受到了限制。但是，液压夹紧卡盘夹紧力大，结构紧凑，夹紧力可调，具有钻杆、卡瓦磨损后自动补偿能力，可很好的满足大直径深孔钻机的使用要求。

1　常用液压夹紧卡盘结构特点及分析

1.1斜面增力液压夹紧卡盘［3，4］

斜面增力液压夹紧卡盘（简称斜面增力卡盘）结构如图1所示，其原理为：液压油通过双向液压锁（2）作用于夹紧油缸（3），当夹紧油缸（3）带动卡盘壳体（6）及卡瓦套（8）向后运动时，卡瓦（5）夹紧钻杆；当夹紧油缸（3）带动卡盘壳体及卡瓦套（8）向前运动时，卡瓦松开钻杆。

图1　斜面增力液压卡盘结构示意图

由于斜面增力卡盘采用了斜面增力机构，较低系统压力即可产生符合要求的夹紧力；并且，调节系统压力可调节卡瓦的夹紧力，结构较为简单，卡瓦磨损后具有自动补偿能力。但是，夹紧油缸产生的拉力通过卡盘壳体及轴承传递到卡瓦套上，轴承在整个钻进过程中承受巨大的载荷，长时间运转时发热严重，严重影响其使用寿命；如果采用重载轴承，则卡盘尺寸变大，影响钻机整体尺寸；并且，由于夹紧油缸多采用普通工程用液压缸，静载保压时密封性能差，容易泄漏，卡盘可靠性低，易打滑。

1.2胶套式液压夹紧卡盘［3～5］

胶套式液压夹紧卡盘（简称胶套卡盘）采用液压夹紧钻杆，弹簧松开的开合方式。结构如图2所示，其原理为：卡盘主要由卡盘壳体、传扭盘、传扭销、隔套、胶套、卡瓦及弹簧等部分组成。夹紧时，高压油经配油盘（2）、钻机主轴（1）、卡盘上的油孔注入胶套（6）与隔套（5）形成的空腔，胶套（6）受到径向压缩，迫使卡瓦（7）径向移动从而夹紧钻杆。松开时，卡瓦（7）在弹簧（8）的作用力下自动复位。

图2　胶套式液压卡盘结构示意图

胶套卡盘结构简单紧凑，在产生相等夹紧力的情况下尺寸较小。高压油经配油盘、主轴引入，不会对主轴产生额外作用力，改善了主轴轴承的受力状态。但是，胶套卡盘要求液压系统密封性能良好，配油盘之间配合面加工精度高；并且，在使用时，配油盘易磨损，从而导致卡盘夹紧力下降，卡瓦打滑；同时，由于需要专用工具才能更换卡瓦，卡瓦更换困难；卡瓦之间存在缝隙，一旦有杂物进入就会影响卡瓦夹紧效果；胶套动作频繁，容易损坏。

胶套卡盘由于其独特结构，有效改善了卡盘与主轴的受力状况，与斜面增力卡盘相比，卡盘整体可靠性有所提高。

2　新型液压卡盘夹紧方式选择［2］

通过对目前常用两种液压夹紧卡盘分析与对比可知，斜面增力夹紧方式夹紧可靠，不仅系统压力低，而且斜面增力机构可采用小于斜面摩擦副摩擦角的斜面角，夹紧后斜面具有自锁功能，提高了夹紧的可靠性。同时，当煤渣等杂物进入卡瓦套斜面内时，由于卡瓦及卡瓦套频繁动作，杂物很难堆积，对卡盘使用性能影响较小。

新型液压卡盘结构原理如图3所示。该卡盘采用液压缸推动斜面增力夹紧，弹簧打开的开合方式；由于采用了内置夹紧液压缸，夹紧液压缸随主轴一起旋转，压力油通过配油盘引入液压缸的压力腔，可有效的改善卡盘及主轴的受力状况，提高卡盘的可靠性。

图3　新型卡盘结构示意图

3　新型液压卡盘液压系统设计

液压夹紧卡盘的夹紧回路为典型的保压回路。目前常用卡盘的液压夹紧回路大多为液控单向阀（或双向液压锁）保压回路，当液压油缸或液压管路有泄漏时，卡盘夹紧力下降。对于采用配油盘的液压回路，由于主轴高速旋转，配油盘密封圈长时间处于高压状态，发热老化严重，从而导致液压系统可靠性低，故障率高。为了提高卡盘液压回路的可靠性，必须改进传统的卡盘液压保压回路，增强其保压功能。可采用的方式为：1）开泵保压回路；2）蓄能器保压回路。

3.1卡盘油缸开泵保压回路［6］

开泵保压回路如图4所示，其原理为：小泵输出的压力油P进入多路换向阀（1）后分为两路，其中一路通过液控单向阀（2）及旋转配油盘（3）进卡盘油缸（5），而另一路通过顺序阀（4）进入推进油缸（6）。设定顺序阀（4）的开启压力略大于卡盘油缸的夹紧压力。这样，在推进油缸运动时，液压系统不断向卡盘补充油液，使之始终处于压力油的作用之下，无论卡盘工作多长时间，也不会出现压力下降。但也正是由于顺序阀的存在使得液压系统功率损失大，系统发热严重。同时，由于旋转配油盘仍始终处于高压状态，配油盘磨损严重，使用寿命低。

图4　卡盘开泵保压回路

3.2卡盘油缸蓄能器保压回路

蓄能器保压回路如图5所示，其动作原理为：当多路换向阀置于上位时，小泵输出的压力油经多路换向阀（1）、旋转配油盘（2）、液控单向阀（3）后进入蓄能器（4）及夹紧油缸（5）。液压油推动卡盘夹紧油缸夹紧同时向蓄能器充液，卡盘夹紧后，操作多路阀回中位。在卡盘工作期间，如果卡盘油缸及管路出现泄漏，蓄能器能及时补液。当多路阀置于下位时，压力油作用于液控单向阀控制油路，液控单向阀打开，卡盘油缸及蓄能器内的油液回油箱。

图5　卡盘蓄能器保压回路

蓄能器保压回路如将液控单向阀置于旋转配油盘之后，则在卡盘整个工作期间旋转配油盘处于无压力状态，配油盘工作寿命长工作可靠；且系统内无发热元件，系统效率高，发热量小。

4　新型液压卡盘结构设计

针对大孔径深孔钻机对卡盘的性能要求，并综合上文的分析，将斜面增力机构与弹簧式蓄能器巧妙的结合起来，可以设计出一种新型高可靠性的液压夹紧式液压卡盘，结构如图6所示，原理为：当压力油通过进油接头（2）后、配油盘（4）、卡盘后端盖及液控单向阀进入油缸后，压力油推动卡瓦套（9）向前运动夹紧钻杆同时，也推动浮动活塞向后运动，压迫蓄能碟形弹簧。卡盘夹紧后，由于液控单向阀（5）的止回作用，卡盘保压。在卡盘工作期间，即使卡盘油缸或液控单向阀出现泄漏，蓄能碟形弹簧也能推动浮动活塞补液，卡盘油缸内部压力基本保持不变，保证了卡盘的夹紧力。当压力油通过控制油口接头进入液控单向阀的控制口时，卡盘油缸释压，油液在复位碟形弹簧（12）作用下回油箱。

图6　卡盘整体结构图

从上述动作过程可以看出，由于液控单向阀安装于配油盘之后，在卡盘工作期间，配油盘内无压力，大大延长了配油盘的使用寿命。同时，由于蓄能碟形弹簧的设置，卡盘液压油泄漏时能自动补充，极大提高了卡盘的可靠性。

5　结束语

新型高可靠性液压夹紧卡盘综合了目前液压卡盘的优点，采用了内置油缸及斜面增力的夹紧方式，巧妙地将蓄能器保压系统与卡盘结合，极大地提高了卡盘的可靠性。该卡盘的设计成功为大孔径深孔钻机提供了一种新型的卡盘结构。

参考文献：

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［2］ 陈松林，王青峰.座箱式钻机液压卡盘的设计［J］.矿业安全与环保，2003（6）：138-139.

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［8］ 李白薇，董敬跃，李德臣.浅谈液压缸的密封［J］.林木机械与木工机械，1997（3）：27-28.

Design of new hydraulic clamping chuck with high reliability

LYU Jin-Jun1，2， XIN De-zhong1，2

中图分类号：TH137

文献标识码：A

文章编号：1009-0134（2016）05-0094-03

收稿日期：2015-12-11

基金项目：“十二五”国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发专项”松软突出煤层钻进成孔技术与装备（2011ZX05041-002）

作者简介：吕晋军（1982 -），男，硕士，主要从事钻机研发设计工作。