液力大钳受力分析及改进建议.doc

KY-250D牙轮钻机液力大钳受力分析及改进措施曾汉东（大冶有色金属股份有限公司铜山口铜矿机动能源部，湖北黄石 435122）【摘 要】 通过对KY-250D牙轮钻液力大钳在实际使用过程中打滑和啃钻具的原因进行分析，提出了改进措施。【关键词】液力大钳 卡爪 改进措施1、前言铜山口铜矿是大冶有色金属股份有限公司的主要生产矿山之一，露天采场的穿孔作业主要采用KY-250型和YZ-35型牙轮钻。2010年初，我矿从南昌凯马有限公司购进一台KY-250D型牙轮钻机，穿孔直径250毫米，标准孔深17.5米。为了实现钻具的自动拆卸，减轻工人劳动强度，该机配备了一台液力大钳，安置在钻架小平台上，替代了原来依靠人工操作的B型吊钳，进一步实现了机械化操作。由于钻具经过长期旋转工作后，钻具的联接螺纹扣拧的太紧，以致在卸钻具时，仅仅依靠回转小车自身的动力根本无法松卸螺纹扣，此时可借助于液力大钳进行辅助卸扣。但是，在实际使用中，该装置有时不能很好地完成卸扣作业，主要表现为：1）大钳打滑，不能松开钻具；2）卡爪啃钻具，造成钻杆损伤。根据以上现象，有必要对液力大钳的受力情况进行分析，以便拿出改进措施，更好的发挥其使用功能。2、液力大钳的机械构造液力大钳由支座1、大臂2、转臂3、钳臂4、卡爪5及三个油缸组成（见图1），通过各部件的相互配合，使卡爪能够将钻杆可靠锁住并旋转，完成卸扣作业。3、 液力大钳的液压控制大钳由安置在司机室内的手动阀远程操作，在液压系统中为大钳的三个油缸共设置了4个顺序阀，分别控制三个油缸的动作顺序（见图2）。其工作原理是：当操纵杆前推时，A腔进油，首先由大臂油缸将大钳移到钻孔中心，使卡钳5中的两个卡爪与钻杆靠紧；然后当系统压力上升到8MPa时，顺序阀A联通，使抱紧油缸动作，推动钳臂4将钻杆抱紧；最后当系统压力上升到1217MPa时（实时调整），顺序阀B联通，使卸扣油缸推动转臂3绕钻具中心旋转，依靠三个卡爪与钻具之间的摩擦力，将螺纹松开。螺纹松开后将操纵杆向后拉，B腔进油，抱紧油缸活塞杆首先缩回，松开卡爪，然后当系统压力上升到8MPa时，顺序发C联通，卸扣油缸收回，最后当系统压力上升到10MPa时，顺序阀D联通，大臂油缸活塞杆缩回，大钳退回原位，完成一个动作循环。4、液力大钳完成作业的力学分析从以上工作原理中可以看到，要使液力大钳能将钻具的连接螺纹顺利松开，关键取决于两点：一是卸扣油缸B的推力与转臂产生的转动扭矩M1不小于使钻具螺纹松开的最小扭矩Mf；二是卡爪与钻具表面的摩擦力矩M2不小于使钻具螺纹松开的最小扭矩Mf。即：M1MfM2Mf由图3可见：M1F1L1PAL1根据杠杆的平衡原理：F2L2-N2L30N2F2L2/L3抱杆摩擦力FfN2（0.15）因此：M2FfD PAL2/L3D式中：P油压力 A油缸活塞面积，根据实际测量，A=12271mm2、A=20096 mm2由液压原理图可见，卸扣油缸即将动作时：M1=PAL1 =P12271554 =6798P (Nm)M2=PAL2/ L3D =0.15P20096208/225219 =610P (Nm)由此可见：转动扭矩M1远大于抱杆的摩擦力矩M2。因此，要使大钳正常作业，只要满足M2Mf，即： Mf610P (Nm)Mf主要由螺纹旋合所产生。钻杆接头螺纹是圆锥螺纹，其最佳旋合位置应是内外螺纹基面重合时，两者端面贴紧。由于钻杆存在一定的加工误差与变形，特别是钻机工作一段时间后，在轴压及小车扭矩的作用下，螺纹的旋合力矩很大。根据经验数据，一般Mf不大于回转小车最大回转扭矩的60%，KY-250D钻机的最大回转扭矩为15000Nm，所以一般 Mf9000 (Nm)可得系统压力 P9000/610=14.75 MPa因此，可将系统压力设定为P=1217MPa，具体可根据实际情况调定。5、 卡爪啃钻具的力学分析在液力大钳的实际卸扣作业中，经常由于卡爪不能可靠地将钻杆锁住而造成打滑，从而造成对钻杆的损伤。设系统压力调定为17MPa，由上述分析可知，作用在单个卡爪上的正压力 N=PAL2/ L3 = 1720096208/225 =315820 N=31582 kg根据零件尺寸，单个卡爪的接触面积为 A=18 cm2那么作用在钻杆表面的压强 =N/A=1754.5 kg/cm2钻杆材质为35CrMo，其抗压屈服强度 s=5000 kg/cm2可见钻杆的抗压强度是足够的。但是，实际使用中，液力大钳的三个卡爪形成的圆及其与钻杆中心的重合度是有误差的，且卡爪与钻杆的接触面为平面，因此卡爪与钻杆的接触并不均匀，当接触面积小于35%时：=N/（A*35）=5013 kg/cm2s此时就发生卡爪啃钻具的现象。6、 防止大钳打滑或啃钻具的改进措施通过以上分析，我们了解了液力大钳打滑及啃钻具的原因，在牙轮钻的实际使用中，我们采取了以下几点改进措施，液力大钳的使用情况有了明显改善：1）对液压大钳的各部位进行调整，组装时严格按要求找准钻具中心，确保钳口工作时与钻具同轴；2）改变卡爪的结构形式，将卡爪与钻杆的接触面加工成弧面，保证其与钻杆能够良好地接触，增大受力面积，从而提高钻杆表面抗压强度；3）在钻杆的组装时，根据情况在钻杆间加一1.52mm的钻杆垫片（Q235材料）。钻杆回转中，如果主要靠螺纹受力，而不是靠螺纹端面受力，就会越拧越紧，导致螺纹变形、卸扣困难，加上垫片后可以很好地解决这一问题；4）根据实际使用情况合理的调节顺序阀B的设定压力，在确保卸扣扭矩的前提下，适当调低顺序阀B的设定压力。7、 结论实践证明，通过一年多的实际应用，对液力大钳的技改措施是可行的，作业更加可靠，功效大大提高，降低了劳动强度，提高了机械化作业水平，为以后同类的技改创新积累了宝贵的经验。作者简介：曾汉东（19