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精品资料，值得下载学习！ 活塞型盘式离合器设计 摘 要： 活塞型盘式离合器的 基本特点在于其摩擦副的工作表面为环状平面，而摩擦片在工作时沿轴向移动， 气室主要是推盘的气缸和活塞所组成，活塞与离合器体的法兰连成一体。工作时，压缩空气沿通道进入气室，使气缸（推盘）移动，挂合离合器。气动摩擦离合器（简称气离合器）是一种通用的机械传动部件，其主要功用是使工作机启动平稳，便于换挡以及过载保护。对气离合器的使用要求也和其他离合器一样，要求它工作可靠，挂合平稳，摘开迅速，散热性好，使用寿命长，结构简单轻巧，制造维护方便。由于气离合器不仅具有一般摩擦 离合器操作平稳，可在机器运转过程中挂合和过载保护的优点，而且传动更柔和（利用空气的缓冲效果），操作更加迅速，方便，省力，易于实现远距离集中控制，因而在石油钻机上获得了广泛的应用。 本文的主要内容是根据设计要求完成了离合器的总体设计，通过对离合器的结构方案分析对比，对其结构形式，基本尺寸和主要参数进行了设计，并对活塞型盘式离合器的各零部件进行选型和校核计算。 关键词： 离合器 ； 活塞 ； 盘式； 气动摩擦 精品资料，值得下载学习！ of of in at is of so to as is a is to a to of as to it is As is in be to is of of is to on to a of is on to of of of of of 精品资料，值得下载学习！ 目 录 1 绪论 . 1 擦离合器的功用与要求 . 1 擦离合器的功用 . 1 摩擦离合器的要求 . 1 擦离合器的类型 . 2 国钻机气离合器的使用情况 . 2 向作用一一气胎式 (简称气胎式 ) . 2 向作用 推盘式 （ 简称盘式 ） . 4 胎式的使用情况 . 5 盘式的使用情况 . 8 2 设计要求及其技术参数 . 10 本要求： . 10 术参数 : . 10 3 结构方案分析 . 11 动盘数的选择：双盘活塞型离合器 . 11 合器的结构布置 . 11 合器的散热通风 . 11 塞型盘式离合器的特点： . 12 4 离合器主要参数的选择 . 13 擦系数 . 13 擦材料概述 . 13 用摩擦材料 . 13 擦系数的分析 . 15 点建议 . 17 擦因数 F、摩擦面数 T . 18 位压力 . 18 5 离合器的设计与计算 . 20 离合器的转矩特性 . 20 响转矩 特性的因素 . 20 擦系数 . 20 擦型盘式离合器承载能力的计算 . 21 离合器的热负荷特性与摘挂特性 . 23 负荷特性 . 23 合时间与操作性能 . 24 离合器的使用情况分析 . 26 数的优化 . 26 精品资料，值得下载学习！ 6 主要零部件的结构设计和校核 . 28 簧的设计 . 28 动盘总成的设计 . 29 动盘毂 . 29 动盘的设计 . 29 擦片的设计 . 29 盘的设计 . 29 压盘结构设计的要求 : . 29 盘的结构设计与选择 . 30 7 重要零件的校核 . 31 的强度校核 . 31 连接强度计算 . 31 8 国外钻机气离合器的应用情况与动向 . 33 国 . 33 罗斯 . 34 . 37 9 关于革新我国钻机气离合器的几点意见 . 39 10 总结 . 41 参考文献 . 42 致谢 . 43 附录 . 44 精品资料，值得下载学习！ 1 绪论 气动摩擦离合器（简称气离合器）是一种通用的机械传动部件，其主要功用是使工作机启动平稳，便于换挡以及过载保护。对气离合器的使用要求也和其他离合器一样，要求它工作可靠，挂合平稳，摘开迅速，散热性好，使用 寿命长，结构简单轻巧，制造维护方便。由于气离合器不仅具有一般摩擦离合器操作平稳，可在机器运转过程中挂合和过载保护的优点，而且传动更柔和（利用空气的缓冲效果），操作更加迅速，方便，省力，易于实现远距离集中控制，因而在石油钻机上获得了广泛的应用。目前，不仅在钻机的各主要机组（绞车，转盘和钻井泵）上，而且在各中间传动装置以及一些辅助机组（如压风机）上，都采用了各种类型的气离合器。 近年来，在国外钻机上应用的各种气离合器基本上可分为两大类 : 1 径向离合器，包括气胎式（简称胎式）和多气室。这两种离合器又都可以再分为普通 型和通风型。 2 轴向离合器（简称盘式离合器），按其气室构造不同，可分为隔膜型，气囊型和活塞型三种。 气离合器是一种以压缩空气作为工作介质，而依靠其主动部分和从动部分工作表面之间的摩擦力来传递转矩的一种传动部件。因此，各类气离合器的结构特点，主要体现在其气室和摩擦片上。 目前 , 在我国 , 由于气离合器的损坏比较严重 , 大大影响了钻井时效和钻机的工作能力 , 成为钻机中的主要薄弱环节之一 , 随着钻井速度的提高和钻井深度的增加 , 这个问题变得更加突出。为更好地适应我国石油工业发展的形势 , 钻机气离合器的革新也 就成为当前旧钻机改造和新钻机设计制造中的一个重要课题。 摩擦离合器的功用与要求 摩擦离合器的功用 (1) 传递与切断动力； (2) 微动操作； (3) 实现柔性传动； (4) 过载保护。 (5) 保证动力机空载启动。 对摩擦离合器的要求 (1) 能传递足够的动力； 精品资料，值得下载学习！ (2) 结合平稳，分离彻底； (3) 易损件的寿命较长；磨损后容易更换和调整； (4) 尽量减小从动件的转动惯量，以减少结合时的时间 和冲击。 (5) 具有良好的散热性能。 摩擦离合器的类型 1）按照片数分类 单片式 特点：结构简单、散热好、间隙容易保证，但结合时的平稳定性较差、传递大功率的单片式摩擦离合器的径向尺寸大。 多片式 特点：结合平稳、片的尺寸相同时，能传递较大的功率，但结构较复杂、分离时片间间隙不易保持均匀、散热较差。 2） 按工作条件分类 干式 特点：摩擦系数大、许用比压小、摩擦片的寿命短、结合平稳性差、调正间隙次数多，片 数少、结构较简单 ,采用风冷，暴露在空气中。 湿式 特点：片数多、摩擦系数小、许用比压大、使用寿命长、结合平稳、无需经常调整间隙、维修不太方便。 3）按工作原理分类 常压式 特点：结合时靠弹簧压紧、常态为压紧状态、压紧弹簧有自动补偿作用，无须经常调整间隙、传递功率大小能较准确的设计、分离时需要较大的操纵力、适合联合驱动的钻机。 非常压式 特点：结合时靠杠杆压紧、常态为分离状态、操纵较省力、传递功率大小不易控制、需要经常调整间隙、结合时平稳定性较好、适用于单独驱动的钻机。 我国钻机气离合器的使用情况 目前国内外钻机上应用的各种气离合器 , 基本上可以分为以下两大类 径向作用一一气胎式 (简称气胎式 ) 依其结构形式的不同 , 又可分为普通型 (图 1) 和通风型 (图 2)。 精品资料，值得下载学习！ 图 1 普通型气胎离合器 图 2 通风型气胎离合器 精品资料，值得下载学习！ 轴向作用 推盘式 （ 简称盘式 ） 按气动机构型式的不同 , 又可分为隔膜型 （ 图 3） 、气囊型 和活型 （ 图 4 ） 。我国各油田在用的重型钻机约有 几十 种型号 （ 原型号已改装的除外 ） , 其上所配的气离合器计有三个国家生产的气胎式和推盘式两大类共 20 多 种型号 , 大量使用的是普通型气胎。 图 3 隔膜型推盘离合器 精品资料，值得下载学习！ 图 4 活塞型盘式离合器 气胎式的使用情况 各油田使用 的气胎式基本上都是普通型 , 其中绝大部分都是国产的 , 少量是罗马尼亚的 , 个别是美国的。在使用中存在的主要问题有以下几个方面 : 1. 工作性能差 , 使用寿命根据胜利油田临盘地区年的统计 ,平均每台重型钻机一年消耗气胎约在 13 个以上。各型离合器的平均使用寿命相差也很 大 , 即使在同一地区 , 使用同一型号的钻机 , 对于型号尺寸完全相同的离合器也是如此。其中以国产 130 2 型钻机滚筒轴离合器 （ 1070) 损坏最严重 , 临盘地区钻一口 3200 米的井 , 平均要消耗 7 个气胎 , 严重时达到 12 个 （ 在井深 2800 米以后 , 有时起钻一趟就要更换 2 个 ） 。油田的使用实践以及试验研究和理论分析表明 : 气胎离合器的使用寿命主要取决于其工作时的热状态(热负荷 ) 。对于这种主要靠摩擦作用进行工作的离合器 , 由于其主动和被动 两部分之间在挂合时存在转速差 , 而气胎充气也要有一定时间 , 离合器传递扭矩的增长也需要有一个过程。因此 , 其挂合过程总是存在一个打滑阶段 (图 5, 图中 W 主 和 w 被 分别表示离合器主动和被动部分的角速度 ） , 精品资料，值得下载学习！ 图 5 离合器的典型挂合过程 而摩擦表面打滑就必然发热 , 结果使摩擦轮的稳定温度可达 120150 。在这种情况下 , 石棉胶木摩擦垫片和石棉橡胶衬片实际上并不能有效地防止气胎不受热 , 而且这种离合器又没有必要的强制通风装置 , 因此往往使气胎面的温度达到110140 , 在这种高温作用下 ,离合器就很快损坏 , 一般出现以下几种情况 : （ 1） 摩擦片迅速磨损。据统计平均每进尺一千米约消耗摩擦片 65块。 （ 2） 气胎烧坏 （ 一般在半 圆槽处烧穿 ） 。 （ 3） 气胎胎面因长期与过热的摩擦片接触而损坏 9出现裂纹或裂口而漏气 )。 （ 4） 由于周围高温介质的作用 , 使气胎很快老化而失去弹性或漏气。 既然这种离合器的发热是由于其本身的工作特性 （ 挂合过程必然有一个打滑阶段 ） 所引起的 , 所以离合器的工作性能及其工况就在很大程度上影响到它本身的使用寿命。离合器的工作性能主要是指以下两方面 ： （ 1） 气胎的气室容积。它决定了进、放气的时间。气室容积小 , 进、放气的时间就短 , 亦即摘挂 打滑 的时间就短。但挂合时间或挂合速度 （ 即传递扭矩增长的速度 ） 在很大程度上又会影响到 钻机起升系统的动载 , 即随着气胎气室容积的减小 （ 充气时间缩短 ） ,打滑时间缩短 , 热损失减少 , 但挂合速度增大 , 动载增加。 （ 2） 摩擦材料的物理特性。主要是指摩擦系数数值的大小及其稳定性 （ 不随温度、比压和圆周速度而改变 , 尤其重要的是对于温度变化的稳 精品资料，值得下载学习！ 定性 ） 和热动力特性。摩擦材料的摩擦系数越大 , 稳定性越好 , 打滑时间就越短 , 热损失就越小。摩擦材料的热容量越大 , 导热性越小 , 则摩擦片和气胎的温升就越小。如果摩擦材料的摩擦系数不稳定 , 其数值随温度上升而减小 , 则发热和温升会反过来使打滑时间加长 , 形成“恶性 循环” , 这对离合器的使用寿命是十分不利的。 至于影响到离合器使用寿命的工况 , 主要是指离合器单位摩擦表面所传递的功率、传递的转速和挂合频率 , 这三个数值越大 , 热损失就越大。所以一般离合器的损坏往往都发生在井较深 , 起下钻或处理事故 (负荷大、挂合频繁 ) 的过程中。 根据上述分析 , 可以进一步从下述几方面找出离合器损坏的各种具体原因 : (1) 离合器结构陈旧。国产普通型气胎式离合器的结构基本上是沿袭苏联五十年代的产品 , 气室容积大 , 消耗气量大 , 进气慢（ 700和 1070） 离合器约 67秒 ） , 挂合时 , 打滑时间长 , 发热严重 , 易烧坏气胎。 目前国内使用的普通型离合器 , 气胎很靠近摩擦表面 , 通风散热的条件很差 , 容易受热 , 而且其扭矩主要由气胎承受 , 因而气胎很易损坏 , 尤其是在井深传递功率大、挂合频繁时 , 更为严重。例如 130 2型钻机滚筒轴离合器 （ 1070）在 2700米以下 , 一般起钻两趟左右 , 就要更换一个气胎。而美国 400型钻机滚筒轴上的低速离合器 , 由于采用了通风完善、气胎承扭很小的通风型气胎式（ 42 , 在渤海湾打了 8 口井 (一般井深为 25002600)米 , 最 深的 3200米 ) , 离合器未见损坏 , 甚至其摩擦片的磨损也不大。 (2)主要零件的工作性能或制造质量较差。由于钻机在实际工作时存在着动载 , 离合器摩擦片的摩擦系数大大低于制造厂的试验值 , 因此目前国产摩擦片的摩擦系数的数值及其稳定性不能满足油田进一步提高钻井速度和钻深井的要求 , 其耐磨性也还不够高 , 而在繁重的工况下 , 打滑、发热较严重 , 磨损较快 , 大大影响离合器的使用寿命。 此外 , 气胎的制造质量不稳定。现场发现有一批气胎的质量较差 , 进气后 , 气胎向两侧 (轴向 )变形 , 这不仅大大降低了其传递扭矩的能 力 (或工作时打滑 ) , 精品资料，值得下载学习！ 而且往往因侧面磨损而损坏。 (3) 离合器的工况不合适 , 使离合器的热负荷过大。这主要是由于在设计机、选用离合器时没有考虑离合器的热负荷所造成的。例如 , 130 一 2型钻机滚筒轴的 1070 离合器 , 由于柴油机一变矩器在空负荷时转速很高 , 而钻机上并没有配备司钻控制柴油机调速杆的装置 , 从而无法保持在低速状态下挂合离合器 , 而离合器挂合时的能量损失与其转速的平方成正比 , 所以离合器在挂合时产生的热损失很大 , 以致气胎很快烧坏。此外 , 这种钻机的滚筒轴上只有这一个离合器 , 和 130 一 1型钻机相比 , 离合器的挂合更加频繁。虽然 130 一 1型钻机也没有装司钻调节柴油机转速的装置 , 但其传递转速和挂合频率都较低 , 热负荷较小 , 所以 其 1070离合器的使用寿命比 130 一 2型钻机的 1070 离合器高得多 (表 3)。 罗马尼亚 3 200A 型钻机上的总离合器 125型 (损坏较快的一个原因也是由于热负荷过大 , 所以在以后设计的 （ 4） 操作维护不当以及检修不及时。挂合时 , 重复操作次数过多 , 使打滑时间加长 ,摩擦表面发热加剧。摩擦表面落入油污 , 不及时清除 , 也会使离合器在挂合时更容易打滑发热 , 若污染气胎 , 则会使气胎先期损坏。罗马尼亚 3 200100 型离合器内部装有一副轴承 , 不仅使离合器的散热条件差 , 而且离合器容易受到轴承的润滑脂的污染而损坏。 此外 , 摩擦片磨损后未及时更换或摩擦轮磨损后未及时检修以及气路故障未及时排除 （ 如气路漏气或继气器等元件失效以致使进气压力不足 ） 等都会使离合器在挂合时摩擦片抱不住摩擦轮而打滑发热以致烧坏气胎。 2. 国产的离合器型号尺寸少 , 进口的离合器缺配件。 推盘式 的使用情况 在油田上使用的推盘式绝大多数是罗马尼亚生产的 , 国内虽然也先后设计试制过五、六种型号 , 但目前基本上还处在没有定型的试用阶段。国产离合器存在的主要问题是高速的总离合器 （ 2 610型 ） 在速度高时往往摘不开 , 低速的滚 精品资料，值得下载学习！ 筒轴离合器 （ 2 780型 ） 在重负荷时打滑发热。这除了是由于摩擦片的性能或弹簧的质量不能满足要求之外 , 重要原因之一仍然是司钻控制柴油机调速杆装置上存在问题所造成 , 此外 , 橡胶隔膜的使用寿命也比较短 （ 打一口 3000多米的井 , 2 780型上的隔膜往往要损坏二、三个 ） 其性能还有待于 进一步改善。 罗马尼亚 系列钻机上的离合器 , 一般很少出现摘不开或打滑的现象。4 150 150） 在重负荷时出现打滑的现象 , 往往也是由于在挂合时没有正确使用司钻控制台上柴油机的调速装置 。罗马尼亚生产的推盘式离合器有时还出现弹簧折断而使离合器失效的现象 , 这主要是由于弹簧的装配或制造质量不好而引起的。 精品资料，值得下载学习！ 2 设计要求及其技术参数 基本要求： 1） 在任何条件下，既能可靠地传递发动机的最大转矩，并有适当的转矩储备，又能防止过载。 2） 接合时要完全、平顺、柔 和，保证起初起步时没有抖动和冲击。 3） 分离时要迅速、彻底。 4） 从动部分转动惯量要小，以减轻换档时变速器齿轮间的冲击，便于换档和减小同步器的磨损。 5） 应有足够的吸热能力和良好的通风效果，以保证工作温度不致过高，延长寿命。 6） 具有足够的强度和良好的动平衡，一保证其工作可靠、使用寿命长。 技术参数 : 钻机级别： 入功率 1100最低转速 41r/最高转速 108精品资料，值得下载学习！ 3 结构方案分析 从动盘数 的选择 双盘活塞型离合器 盘式离合器的基本特点在于其摩擦副的工作表面为环状平面，而摩擦片在工作时沿轴向移动。按其摩擦副数目的不同，可以分为单盘，双盘或多盘等几种形式（在钻机中采用的主要是单盘和双盘，少数采用三盘的）。钻机上常用的轴向离合器按其气室的构造的不同，又可以分为隔膜型，气囊型和活塞型。但无论是哪种类型，也都和一般轴向摩擦离合器一样，它产生摩擦转矩的工作机构仍旧的由带摩擦片的摩擦盘和主动盘，中间盘，推盘，连接盘，外齿圈，弹簧等零件所组成。 离合器的结构布置 活塞型离合器的气室主要是推盘的气缸 和活塞所组成，活塞与离合器体的法兰连成一体。工作时，压缩空气沿通道进入气室，使气缸（推盘）移动，挂合离合器。离合器产生的摩擦转矩的机构是陪中间盘所隔开的两副摩擦盘，摩擦盘两面都装有摩擦片，而这两副摩擦盘的外侧分别与侧盘和主动盘相邻。主动盘通常是用键与转矩输入轴相连接，中间盘和侧盘往往是通过花键或内齿而套在主动盘上，并可沿轴向滑动，摩擦盘则以其外齿分别与两个外齿圈想啮合，也可沿外齿圈坐轴向移动。连接盘用螺栓与两个外齿圈相连接。 当离合器不工作时，由于弹簧的作用，可使摩擦盘与中间盘，侧盘，主动盘之间保持预先调好 的轴向间隙，所以，输入轴带动主动盘，中间盘和侧盘旋转时，摩擦盘静止不动，这时没有动力输出，而挂合离合器时，推盘在压缩空气的推动下，克服弹簧力推动侧盘，摩擦盘和中间盘，使它们压紧在主动盘上，由于在摩擦片和相应各圆盘的工作表面之间产生摩擦力，而使转矩经摩擦盘，外齿圈和链接盘传递出去。 离合器的散热通风 试验表明，摩擦片的磨损是随压盘温度的升温而增大的，当压盘工作表面超过 180200时摩擦片的磨损剧烈增加。正常使用条件的离合器，工作表面是瞬时温度一般在 180 以下。在特别频繁是使用下，压盘表 面的瞬时温度有可能达 精品资料，值得下载学习！ 到 使摩擦表面温度不致过高，除要求压盘有足够大的质量以保证足够的热容量外，还要求散热通风好。改善离合器散热通风结构的措施有：在压盘上设散热筋，或鼓风筋；在离合器中间压盘内铸通风槽；在离合器外壳内装导流罩。 活塞型盘式离合器的特点： 轴向离合器的主要优点是结构紧凑。它比外形尺寸相同的径向离合器可传递更大的转矩，而且离心力对转矩的影响很小，因而可以在较高的转速下工作。其缺点是结构复杂，重量和惯量都比较大，散热条件也较大 。此外，离合器的主动和从动一般只能装在同一根轴上。 精品资料，值得下载学习！ 4 离合器主要参数的选择 摩擦系数 摩擦材料概述 摩擦片是离合器中最重要的零件之一，它往往也是离合器的薄弱环节之一，其质量的好坏直接影响到离合器的工作性能和使用寿命。提出对摩擦片一下使用要求： 频繁挂合的离合器，其摩擦系数则不宜太大），而动摩擦系数与静摩擦系数的差值不应太大。同时要求摩擦系数稳定，即对于温度影响的热稳定性（或抗衰退性）和受到油水污染时的恢复性以及对于滑动速度的稳定性要好，以便操作平稳 ，噪声小。 且不会过度损伤对摩擦材料（但允许有轻微的均匀磨损）。 摩擦表面能支承较大的载荷，而不会出现局部粘结以致损伤工作表面的现象。 容量大，热变形小，能耐高温。 5有足够的强度和良好的机械性能。 油水不起化学作用，受到油水的污染时，不丧失强度也不变形。 实质上，要完全满足上述要去是十分困难的，而关键问题是研制和选用合适的摩擦材料。目前，钻机气离合器的摩擦片大 都采用市面摩擦材料，近年来，在高速重载的盘式离合器中也开始采用粉末冶金摩擦材料。 常用摩擦材料 在离合器上经常使用的摩擦材料有石棉 树脂材料和粉末冶金材料。而常用有四种摩擦副，以下是关于 四 对摩擦副的 评 价： 钢 （ 包括合金钢） 对石棉是国产钻机各型离合器唯一选用的摩擦副 , 国外也广泛采用 , 其摩擦系数适中 , 有有利的静动摩擦系数比值 , 磨损小 , 耐磨性仅次于铸铁对石棉 , 而优于其他两对摩擦副。此外 , 钢的导热性好 , 易散失较多的热量。但这对摩镶副许用热负荷小 , “ 热衰退” 现象比较明显 ,使用温度以不超过 250 300 为宜 , 可短时高温工作 , 但此时磨损量成倍增长。 精品资料，值得下载学习！ 铸铁 (包括合金铸铁 )对石棉 , 在国外钻机各型离合器中的应用十分普遍 , 已开始引起国内重视。用铸铁制造摩擦盘是极好的材料 , 它具有耐磨性好 , 耐擦伤 , 耐“ 热裂” 的特性。特别是在重载情况下。含有镍、铬、钥等元素的高碳量细晶铸铁材料 ,摩擦力稳定 , 与石棉组成的摩擦副的许用热负荷约为钢对石棉挛擦副许用热负荷的数倍 , 从双盘离合器所测摩擦系数看 , 这对摩捺副在常温、变温、高温下的摩擦系数变化幅度不大 , 磨耗在四对摩擦副中最小 ,耐磨性最好 , 只是摩擦系数偏低。但铸铁对石棉完全可以得到所要求的摩擦系数 , 只要稍加重视 , 这对摩擦副不久即可部分取代国产离合器传统摩擦副 , 而成为石油钻机离合器 , 特别是低速大扭矩盘式离合器的主要摩擦对偶材料。 以石棉为主妥成份的摩擦材料焊接倾向小 , 瞬间摩擦系数变化小 , 耐磨性好 , 生产工艺简单 , 成本低 , 重量轻。缺点是导热性差 , 对温度比较敏感 , 不过完全能够适应石油钻机工况的要求 , 因此 , 目前仍是石油钻机离合器校理想的摩擦材料。 特制 81 8铜基粉末冶金摩擦片不论与钢或合金铸铁配偶 , 其摩捺系 数都较合适 ,材料强度亦比石棉片高得多 , 尚可通过提高粉末冶金摩擦片单位面积上的比压来进一步改善和捉高使用性能。此外粉末冶金材料具有良好的导热性能 , 抗温度峰值约在 500 600 , 而摩擦面不产生焊接。它与钢组成的摩擦副许用热负荷比钢对石棉片高。就粉末冶金材料的性能而言 , 无论与弱还是与铸铁组成摩擦副都能满足石油钻机离合器的使用要求 , 但其价格昂贵 5 约为国产石棉片价格的数十倍 = , 生产工艺复杂且耐磨性并不优于以石棉为主要成分的摩擦材料。因此 , 在石油钻机离合器上使旧其优点尚不突出 , 这也许就是国内外 石油钻机离合器均未采用的根本原因。 图 6 温升与动摩擦系数的关系 精品资料，值得下载学习！ 图 7 滑磨速度与动摩擦系数 图 8 比压与动摩擦系数的关系 摩擦系数的分析 据资料介绍 , 任何摩擦副间的摩擦力 ,主要取决于比压、滑磨速度和温度等条件。通常当这些因素中的一个因素增加时 , 摩擦力都 趋向于减小 , 而其中速度或温度的改变又比比压对摩擦力的影响要大。经我们实测 , 得到了如图 所示的四对摩擦副的温升与动摩擦系数的关系曲线。 对钻机绞车低速大扭矩盘式离合器而言 , 温度对摩擦力的影响最大 , 因为滑磨速度并不高 , 一般在 5米 / 秒以下 , 只对传扭能力有一定影响。钻机上的盘式离合器 , 绝大部分采用双盘以至三盘 , 其散热条件都较差 , 从使用现场调查可知 , 精品资料，值得下载学习！ 故障多为温升过高所致。图 的曲线正好表明了试验工况下 ,离合器中温度对动摩擦系数的影响。另外 ,通过对四对摩擦副摩擦系数与温升关系的对比 , 找到了一 个由 240 定速式摩擦材料试验机测得的动摩擦系数 , 转化为离合器实际动摩擦系数的折算办法。由于模拟试验与离合器的装机使用并不完全一致 , 且摩擦学涉及的因素很多 , 故测试结果只能认为是近似位 , 而非确定值 , 我们通过对这两种方法测得的摩擦系数对比 , 得到了表 1 的数据。 表 1 从表 的数据可以看出 ： 除钢对粉末冶金的比值稍高在 外 , 其余三种分别为： 8%, 都较接近。国外一家为石油设备提供摩擦材料的公司 , 在有关材料摩擦系数的注释说明中提到 , “ 由于 其位受温度、压力 、速度改变而有偏差 , 故摩擦系数仅作指导用 , 实际设计需含 20%40%的安全系数” 。我们核算该公司为石油钻机离合器设计者提供的 , 按 0%左右 , 在20%40%的范围内。可见 , 国外在确定动摩擦系数时 , 已考虑到试验机试验与实际使用工况的差别 , 而给出一个较宽的安全范围来保证使用的可靠性。 根据矿场使用调查 , 离合器摩擦面间的温度高达 250300 并不罕见。因此 , 人们对离合器温度高达 300时的传 递能力 , 亦 即此时的动摩擦系数十分关心。从表 1 中的对比看 , , 其余三对摩擦副的比值分别为 和 , 大致也在的范围 20%40%内。 精品资料，值得下载学习！ 图 7 给出了三对摩擦副滑磨速度与动摩擦系数的关系曲线。 图 8 为四对摩擦副比压与动摩擦系数的关系曲线。此曲线较平 , 说明比压对动摩擦系数的变化影响较温度与滑磨速度小。 由试验测得的数据看出 , 离合器的传递能力愈强 , 同样外阻力矩下的动载系数愈大。外阻力矩愈大 , 动载系数愈小。在同一工作气压下 , 转数愈高 , 轻载时动载系数也愈高。而转数高到一定程度 , 外阻力矩仍不断增大 , 当增大到某一外阻力矩时 , 由于摩擦副的不同 , 表现略有差异 , 但仍有一定规律可循。即在同样外阻力矩下 , 转数愈高动载系数曲线也愈陡。继续增大外阻力矩 , 较高转数的动载系数反而低于此载荷下较低转数的动载系数。至于在什么转数下出现此现象 ,因气压、外阻力矩和摩擦副的不同而异。此现象的出现主要是滑磨速度的影响 , 特别当工作气压愈低时 , 滑磨速度对摩擦力的影响也愈明显。滑磨速度愈高 , 相应滑磨面间的接触面积愈小 , 传扭的能力就愈低 , 故 在滑速增高 , 外阻力矩增大时动载系数反而不如较低滑速 , 相同外阻力矩下的动载系数高。 摩擦件是摩擦离合器的主要组成元件，其工作表面材料的物理性质和机械性能直接影响离合器的工作性能。对材料的主要要求是：摩擦系数大而且稳定，动摩擦系数应尽量与静摩擦系数相近；强度高，能承受冲击，高速时不易破裂和剥落；耐磨、耐高温、耐腐蚀和导热性能好，热变形小；长期静置时应不致黏连。此外，还要求使用寿命长，容易加工和价廉等。常用的摩擦面材料有粉末冶金材料、石棉基材料和纸基材料。粉末冶金材料：表面许用温度、许用压力、高温下摩擦系数和 寿命都较高。铜基粉末冶金材料主要用于湿式摩擦面，铁基粉末冶金材料摩擦系数和许用压力都较铜基为高，但耐磨性较低，多用于干式摩擦面。石棉基材料：用石棉加黏结剂和填料模压而成，固结在钢或铁底板上，许用工作温度较低。纸基材料：用石棉、植物纤维或两者的混合物相互交织，再加填料后由树脂等黏结而成。这种材料具有多孔性，摩擦性能好，动、静摩擦系数相近，而且成本较低。 几点建议 1） 石油钻机盘式离合器当前仍应选用以石棉为主要成分的摩擦材料。重型钻机绞 车低速大扭矩盘式离合器应打破我国传统习惯 , 优先选用石棉对合金铸铁摩擦副。鉴于粉末冶金摩擦材料尚不能发挥其突出优点 , 故应继续开展以降低其磨损和成本为主要目标的试验研究 , 目前暂不采用为妥。 2） 根据石棉片的特性 , 盘式离合器的使用温度一般不要超过 250 , 最高短时 精品资料，值得下载学习！ 工作温度不要超过 300 。 3） 设计离合器时 , 推盘、金属摩擦盘和外壳等应在弧度、刚性、热容量允许的范围内尽量增大通风散热能力 , 以避免橡胶隔膜、石棉片、金属摩擦盘、弹黄等零件功能降低或早期失效。 4）在钻机绞车起升过程中 , 特别是重载高速情况下 , 司钻应控制油门 , 尽可能降低离合 器的挂合转速 （ 柴油机的挂合转速以降至 600转 /右为宜 ） 以便降低动态挂合过程中的滑磨功及温升。需换档时 , 仪表应给司钻以明确的显示 , 使司钻及时换档。 5） 离合器时一定要考虑系统的动载峰值及挂合过程气路气压变化的影响 , 建议使用载荷最高不要超过其计算打滑扭矩的 75%。 摩擦因数 f 摩擦面数 t 摩擦片的摩擦因数 f 取决于摩擦片所用的材料及其工作温度、单位压力和滑磨速度等因素。摩擦因数 f 的取值范围见下表 2。 表 2 两种摩擦材料的性能对比 项目 石棉 树脂材料 粉末冶金材料 摩擦 系数 常温（ 120） 温（最低点 ) 温（ 250） 损 （毫米 /30分钟） 常温（ 120） 温（ 250） 次设计取 = 摩擦面数 Z 为离合器从动盘数的两倍，决定于离合器所需传递转矩的大小及其结构尺寸。本次设计取双片离合器 Z = 4。 离合器间隙 t 是指离合器处于正常结合状态、分离套筒被回位弹簧拉到后极限位置时，为保证摩擦片正常磨损过程中离合器仍能完全结合，在分 离轴承和分离杠杆内端之间留有的间隙。该间隙 t 一般为 3 4本次设计取 t =3 单位压力 决定了摩擦表面的耐磨性，对离合器工作性能和使用寿命有很大 精品资料，值得下载学习！ 影响，选取时应考虑离合器的工作条件、发动机后备功率的大小、摩擦片尺寸、材料及其质量和后备系数等因素。 取值范围见表 3。 表 3 摩擦片单位压力 摩擦片材料 单位压力 棉基材料 模压 织 末冶金材料 铜基 基 金属陶瓷材料 本次设计 取 = 精品资料，值得下载学习！ 5 离合器的设计与计算 气离合器的转矩特性 通 常，用来表示摩擦离合器的工作性能的一个主要的特性指标就是极限摩擦转矩，它是指摩擦离合器在稳定工况下所能传递的摩擦转矩的最大值。其计算通式 M 摩 公斤米 （ 5 式中 摩擦系数 R 摩擦表面的有效作用半径，米 N 通过气室作用在摩擦表面的有效正压力，公斤。 而 N=5 式中 p 压缩空气通过气室作用在摩擦表面上的有效压力，公斤 /厘米； A 摩擦表面的有效面积，厘米 影响转矩特性的因素 根据极限摩擦转矩的计算通式（ 5和（ 5以看到影响其离合器转矩特性的因素主要有以下几个方面： 压缩空气通过气室作用在摩擦表面的有效压力主要又取决于三个因素： 1） 气源压力 钻机上配备的气源压力通常都在 710 公斤 /厘米范围之内，最高达 12 公斤 /厘米，一般都不采用高压气源。 2）离合器执行机构的承压面在摩擦表面的面积之比 对于胎式径向离合器和单盘轴向离合器，其面积比一般都可以达到 设计要求。由于多盘式离合器，其实有效的面积比往往要比名义值低很多，所以在设计时应考虑到这点。 3) 离合器执行机构和复位机构在工作时产生的压力损失 对于有复位机构的离合器，尤其是盘式离合器