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毕 业 设 计（论文）（说 明 书） 题 目：井下坑道钻机夹持器的分析 姓 名： 曹 要 强 编 号：平顶山工业职业技术学院 年 月 日平顶山工业职业技术学院毕 业 设 计 （论文） 任 务 书姓名 曹要强 专业 机械设计与制造 任 务 下 达 日 期 年 月 日设计（论文）开始日期 年 月 日设计（论文）完成日期 年 月 日设计（论文）题目： 井下坑道钻机夹持器的分析 A编制设计 B设计专题（毕业论文） 指 导 教 师 刘卷生 系（部）主 任 张 君 年 月 日平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）答辩委员会记录 机械 系 机械设计与制造 专业，学生 曹要强 于 年 月 日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目： 专题（论文）题目： 井下坑道钻机夹持器的分析 指导老师： 刘卷生 答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生 曹要强 毕业设计（论文）成绩为 。答辩委员会 人，出席 人答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员： ， ， ， ， ， ， 平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语第 页共 页学生姓名： 曹要强 专业 机械设计与制造 年级 09 毕业设计（论文）题目： 井下坑道钻机夹持器的分析 评 阅 人： 指导教师： 刘卷生 （签字） 年 月 日成 绩： 系（科）主任： （签字） 年 月 日毕业设计（论文）及答辩评语： 摘 要煤井下的液压坑道钻机主要应用于煤矿井下钻进瓦斯抽（排）放孔、注浆灭火孔、煤层注水孔、防突御压孔、地质勘探孔及其它工程孔。实用于岩石坚固性系数f10的各种煤层、岩层。要求巷道或钻场断面大于6.5平方米，高度大于2.5米，宽度大于2.8米。夹持器是钻机上的主要部件，并且不同的夹持器可以加持不同类型的钻杆，也影响了打孔的质量。夹持器结构比较复杂，维修时不容易装拆，并且一旦损坏部分精密零件，将会导致加持不灵或其它事故。因此为保证装拆合理，需充分了解各部分零件的功能及精度要求，必须制定一套装拆方案，保证精度，尽量减少损坏的程度。ABSTRACT MeiJing of hydraulic tunnel driller mainly used in coal mine underground drill into the gas drainage (row) put hole, grouting extinguishing hole, coal injection hole, the outburst royal pressure hole, the geological prospecting hole and other engineering holes. Practical rigidity coefficient of rock than 10 of all kinds of coal seam of f, rock formations. Requirements or drill a section of more than 6.5 square meters, height more than 2.5 m, width greater than 2.8 meters. Grippers is the major parts of the drilling rig, and different grippers can add hold different types of drill pipe, also influence the quality of the drilling. Grippers structure is more complex, maintenance and not let the transvestite, and once the damaged parts precision components, will lead to add hold ineffective or other accidents. So to ensure reasonable installation, need to fully understand each part of the function of the part and the precision requirement, must make a suit and plan, ensure accuracy, try to reduce the extent of the damage.目录第一章 概论1 1.1 夹持器的作用1 1.2 夹持器的分类及特点1第二章 夹持器的力学分析2 2.1 重要的力学分析2第三章 夹持器的结构5 3.1 内部结构及主要作用5 3.2 零件配图及分析6第四章 夹持器的各部分零件配合分析13 4.1 配合分析13 4.2 难点分析14第五章 夹持器的拆卸14 5.1 拆卸注意事项15 5.2 拆卸步骤16 5.3 零件的清洗和修配16 第六章 夹持器的装配16 6.1 装配过程16 6.2 装配注意事项18第七章 夹持器的优点和分析19 7.1 夹持器的优点和分析19 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书（论文）第1章 概 述1.1 夹持器的作用 全液压动力头式钻机通常都设有夹持器, 其目的是用于夹持孔内钻具, 止孔内钻具滑移, 必要时还可与动力头配合进行钻杆的自动拧卸。液压夹持器因其与系统匹配简单、使用安全方便、夹紧力大等特点被广泛采用。液压夹持器的设计也就成为钻机设计的重要组成部分, 其性能的好坏将直接影响到钻机整机的性能、钻进效率以及钻孔质量等。1.2 液压夹持器的分类及特点 常用的液压夹持器主要可分为常闭式、常开式和复合式等类型。1.21 常闭式夹持器 常闭式夹持器靠弹簧的预紧力夹紧钻具, 油压松开,在不工作时, 处于夹紧钻具状态, 常用在钻进大角度倾斜孔的钻机上。一组经过预压缩的弹簧作用在斜面(如图1 卡瓦座) 或杠杆等增力机构上, 使卡瓦座产生轴向移动, 带动卡瓦径向移动, 夹紧钻具; 高压油进入卡瓦座与外壳形成的油缸, 进一步压缩弹簧, 使卡瓦座和卡瓦产生反向运动, 松开钻具。 此类夹持器结构紧凑、工作可靠、夹持力取决于弹簧预紧力不受油压变化的影响。可在突然停电时实现快速、可靠地夹紧钻具, 防止跑钻事故。1.22 常开式夹持器 常开式夹持器一般采用液压夹紧、弹簧松开的方式,在不工作时处于松开状态。这种夹持器结构与常闭式夹持器相似, 不同的是弹簧和油缸使卡瓦产生的运动方向与常闭式相反。夹持器靠油缸的推力产生夹持力, 油压的下降将直接引起夹持力的下降, 一般需在油路上设置性能可靠的液压锁来保持压力。1.23 复合式夹持器 所谓复合式夹持器就是将常闭式夹持器与液压夹紧、弹簧松开式夹持器巧妙地结合在一起, 其工作原理是利用压缩弹簧的预紧力来克服钻具自重, 主油缸松开夹持器。当高压油进入主油缸, 推动主油缸缸体4 向右移动,通过顶柱5 将力传给右卡瓦座9 , 碟簧11 被进一步压缩,右卡瓦座右移; 同时, 在圆柱弹簧15 的作用下, 左卡瓦座左移, 松开钻具。弹簧的预紧力和副油缸的合力来克服钻具自重与钻机转矩的合力。副油缸在油路上与动力头反转相连, 当钻机反转拧卸钻具时, 高压油同时进入副油缸,副油缸活塞12 对右卡瓦座产生推力, 与压缩的碟簧共同夹紧钻具。 复合式夹持器开口量大、开启压力低、体积小、结构简单、性能可靠、并且也可以实现突然断电时夹紧钻具。第2章夹持器的力学分析 全液压钻机是具有通孔式结构和自动拧卸钻杆等功能的坑道钻机, 主要应用于煤矿钻进瓦斯抽放孔。瓦斯抽放孔大多为倾角向上的钻孔, 为防止停电时跑钻事故, 通孔式钻机应设置具有常闭式结构的夹持器。为钻机自动拧卸钻杆时保证可靠的夹紧钻杆, 需采用增大常闭式。 夹持器的夹紧力或增设副油缸的方式。但过大的夹紧力造成常闭式夹持器的结构尺寸过大, 因此在全液压钻机改进设计过程中, 我们采用复合式夹持器取代常闭式夹持器, 以下对此作详细的介绍。2.11 夹持能力的计算夹持器的负载为钻具自重、钻机转矩或钻具自重与钻机转矩的复合作用。钻具自重 G = qlg (1)式中：q 每米钻杆的质量, q = 6156kg/ m; l 钻杆的长度(钻孔的深度) , l = 150m; g 重力加速度, g = 918N/ kg ;将数据代入式(1) 求得: G = 916kN。克服钻具自重所需夹持力 F1 = Gsin/ (2 f ) (2)式中：f 夹持器卡瓦与钻杆间的摩擦系数, f = 0125 ; 钻孔倾角, = 90;将数据代入式(2) 求得: F1 = 1819kN。克服钻机转矩所需夹持力 F2 = M/ ( f d) (3)式中：M 钻机的最大输出扭矩, M = 650Nm; d 钻杆直径, d = 42mm;将数据代入式(3) 求得: F2 = 5116kN。同时克服钻具自重和钻机转矩所需夹持力 F3 = F21 + F22 (4)将数据代入式(4) 求得: F3 = 5419kN。2.12 选取弹簧及确定开口量 复合式夹持器利用弹簧的预紧力来克服钻具自重, 因此弹簧的预紧力必须大于克服钻具自重所需的夹持力; 但过大的弹簧的预紧力会造成夹持器的最低开启压力高, 因此弹簧的预紧力不应过大。开口量即弹簧的总变形量, 开口量大容易通过钻杆, 减小钻杆和卡瓦的磨损; 但开口量过大使得结构尺寸增大, 因此必须根据需要选取合适的开口量。2.13 主油缸面积及最低开启压力的确定 Pmin =4 P1/D21+P0 D22/D21式中:D1 、D2 夹持器主、副油缸活塞直径, D1 = 110 , D2 = 70mm; p0 系统背压, p0 = 015MPa ; P1 碟形弹簧预紧力, P1 = 22138kN。 主油缸在油压的作用下进一步压缩碟簧, 打开夹持器。考虑到最低开启压力, 主油缸选用110mm 柱塞缸, 最低开启压力为2156MPa。2.14 副油缸面积及最大夹持力的确定 其最大夹持力:Fmax =D224 pmax -D214 p0 + P1式中: D1 、D2 夹持器主、副油缸活塞直径, D1 = 110 , D2 = 70mm; pmax 钻机的额定工作压力, pmax = 16MPa ; p0 系统背压, p0 = 015MPa ; P1 碟形弹簧工作点的作用力, P1 = 22138kN。 弹簧的预紧力和副油缸的合力来克服钻具自重与钻机转矩的合力, 副油缸面积越大夹持力就越大; 但副油缸面积越大, 最低开启压力越大。考虑到以上因素, 副油缸选用70mm 柱塞缸, 最大夹持力Fmax = 79121kN。2.15 结构设计 碟簧套不仅可以起到防尘、储黄油的作用, 而且可以对主油缸进行限位, 防止压并碟簧。调节螺栓上的螺母, 可调节碟簧预紧力的大小, 并可对卡瓦和钻杆的磨损进行补偿。卡瓦装卸方便快速, 卸掉卡瓦后夹持器可以通过粗径钻具。 夹持器可以在导轨上左右自由滑动, 可以起到自动定心和减小卡瓦和钻杆的磨损的目的。第3章 夹持器的结构 不同的加持器有不同内部结构，此篇设计是根据煤下的液压钻机所写，属于复合式夹持器。3.1 夹持器的结构 如图所示内部结构：3.2 零件配图及分析夹持器包括：M16x28内六角圆柱头螺钉、后夹持该端盖、夹紧外壳、 夹紧瓦夹紧缸端盖、卡块、卡块环、卡爪密封环、片状销、销钉、M16六角螺母等。配各零件图如下：1、 弹簧弹簧和卡爪配合，共有十六个弹簧，连接四个卡爪。通过液压油的力来使卡爪夹紧或松开钻杆。拆卸修理过程中需检查弹簧的力度是否达到要求，是否变形过度。 2、加紧瓦夹紧缸端盖 前端盖和夹紧外壳、卡块环、卡块直接配合。中间四均匀分布个孔为销孔，与卡块连接。外侧均匀分布的12个孔是螺钉孔，通过载丝连接端盖和外壳。与卡块环和卡块连接处有较高的精度，故拆卸安装时要注意保护高精度要求的面。3、夹紧外壳 外壳两端连接端盖，内部有密封环和加紧瓦。在端面上有12个螺钉孔，是通过载丝连接端盖和外壳的，另有两个小孔，是通液压液压油的。所以装配时要注意安装正确，防止小孔堵住。内圆柱面为精度较高要求的面，与橡胶密封环，故拆卸安装时要注意不要损坏内面，防止刮伤出现毛刺导致无法安装或损坏。4、 后夹持该端盖5、 夹紧瓦6、 卡块、7、 卡块环 8、 卡爪9、 密封环 密封环为橡胶材料，内部为夹持器的主要部分，通过液压力挤压密封环使内部弹簧收缩，达到松开与夹紧的效果。 10、 片状销 片状销位于密封环内，与卡爪的面贴合，共有四个均匀分布，使密封环填充完全，防止内部结构受力不均或其它原因转动。 11、 短圆柱销 短圆柱销是用来连接卡块和端盖，并起到定位作用。 12、 螺钉第4章 夹持器的各部分零件配合分析4.1 配合分析零件各部分的配合都有一定要求，并且关系到拆装的过程和设备的维护，所以进行分析。1、 卡爪和弹簧的配合: 弹簧位于卡爪内，由于数量纵多，安装时需要注意，一定要使四个卡爪的平面对齐，并均匀分布，防止受力使弹簧变形。2、 密封环和内部四个卡爪配合，密封环的内壁直径为135，但卡爪受弹簧涨力，外径远大于135，故安装时比较麻烦。3、 密封环和夹紧瓦的配合： 没有过高精度要求，只需将两片夹紧瓦夹在密封环上，但要保证两片瓦对齐，并尽量贴合。4、 密封环和外壳的配合: 密封环和外壳的配合为基孔制，外径都为180。装配时将两轴心重合，缓慢的配合。5、 端盖和卡块环的配合：端盖和卡块环的配合属于基轴制，没有定位要求，但卡块环属于加工面，不可损坏。卡块环的作用主要是利用其锥面将密封环的外径撑大，使密封环与外壳紧密配合。6、 端盖和卡块的配合： 端盖和卡块的配合属于基孔制，主要是通过四个圆柱销定位。并且卡块上的四个凹面要和卡爪上的四个凸面配合。4.2 难点分析： 1、四个卡爪在弹簧的张力下和四片片状销一同安装到密封环内，由于卡爪组成的外径远大于密封环的外径，故难于安装和拆卸。 2、卡爪上的凸面需要和卡块上的凹面配合，但卡块通过圆柱销和端盖配合，端盖又通过十二个螺钉孔和外壳配合，并且端盖又要和外壳紧密配合，故安装和拆卸时要考虑到各处的配合，比较困难。后加持端盖、后夹紧外壳、夹紧瓦、夹紧缸端盖、卡块、卡块环、卡爪、密封环、片状销、内六角螺母、载丝、螺母、弹簧第5章 加持器的拆卸及清洗5.1 拆卸过程 根据前面的配合分析和精度分析，现总结拆卸步骤如下：1、 用工具先将螺母和载丝卸去，拆卸时需注意要对角拆卸，并且不能一下卸去，需逐步松卸。防止因受力不均导致丝孔断丝或使载丝弯曲。2、 卸掉前后端盖后会使卡块环和卡块一同带下，用锤头敲打端盖使卡块环通过惯性掉下，但不能用锤头敲击卡块环的锥面，防止破坏环的锥度。3、 卸掉卡块，需注意的是，端盖和卡块通过四个销钉连接的，不能强行去掉销钉，防止销弯曲，使孔刮伤出现毛刺。4、 去掉两端卡块后，将内部结构整体从外壳里取出。由于弹簧的涨紧力使卡爪向外挤压，使橡胶密封环外涨环口直径变大，拆卸时需用锤头均匀敲击卡爪，使内部结构慢慢脱离外壳。5、 取出内部结构后会将两个夹紧瓦一同卸出，卸下夹紧瓦，然后单独拆卸内部结构。6、 由于内部结构比较紧，所以拆卸时不能用过大的力，防止橡胶密封环受力磨损。用锤头对称敲击卡爪，每次敲击均匀次数，再均匀敲击片状销相同的次数，使四个卡爪和片状销慢慢脱离密封环。7、 卡爪取出后，弹簧将很轻松的取出。8、 将拆卸零件排列整齐，然后用汽油清洗干净，找一大块干净的油布，将清洗过的零件整齐排放，晾干。检查各部分零件，看是否有磨损，若有磨损应当更换或交由钳工修复。5.2 拆卸时注意事项1、 凡遇到拆卸均匀分布的螺钉或载丝时，要严格按照拆卸时受力的均匀性、对称性，防止因受力不均导致零件受损。2、 拆卸时遇到精度高的配合面时，不能有锤头或其它工具敲打，防止破坏零件的精度，导致零件受损或报废。3、 拆卸后的零件要整齐摆放，精度高的零件要小心摆放。防止零件丢失或受损。4、 正确掌握工具使用要求，和安全操作守则。5.3 零件的清洗及修配1、 拆卸后的零件要经汽油清洗，尤其是精度要求高的零件一定要反复清洗检查，防止因人为原因导致装配不上。2、 对于弹簧和较高精度的零件进行清洗后进行力学测试，若不合格需更换或修配。3、 清洗过程中注意零件顺序和数量，防止丢失。4、 清洗过后要将零件放在干净的地方或油布上，并盖上篷布或其它东西，防止因晾晒时间长导致灰尘再次零件。第6章 夹持器的装配6.1 装配过程 各部分零件拆卸清洗修配后，需用正确的方法装配。若装配方法不正确会导致配合精度受损或不能装配。 装配顺序需按照拆卸时的顺序，从最后一个零件开始装配，现总结装配步骤如下：1、 将清洗过的弹簧和卡爪装配一起，装配时防止弹簧弯曲受过大的力变形，导致四个卡爪上下面不能平行对正。2、 将4个片状销贴在卡爪对应的位置上，由于此时卡爪受弹簧的力，卡爪的最大外径大于密封环的口径，所以此时需用不同的方法安装，若采用强行敲击的方法将可能会损坏橡胶孔径。此时去一根3-5毫米的细钢丝，在卡爪的一端附近用细钢丝捆绑，并慢慢收缩，使卡爪内弹簧受力收缩，使最大外径减小，此时将内部结构的一段装进密封环内，然后再用同样的钢丝在向上一段距离进行捆绑，使卡爪内弹簧受力收缩，去掉下部的钢丝，此时再用锤头敲击卡爪粗糙面位置，依次用此种方法使内部结构缓慢进入密封环内。3、 完成内部结构装配后，将两片夹紧瓦扣在密封环内，然后将内部结构和夹紧瓦一起装配到外壳里。4、 将前盖和卡块、卡块环装配在一起，然后将整体配合在外壳上。5、 此时可能会遇到螺钉孔不能完全配合，此时去掉前盖，在卡爪和外壳端面上进行划线，划出需要对正的位置。去扁铲和锤头在卡爪上进行侧敲击，使内部结构整体旋转，将两条划线对应，然后再将端盖装配上。6、 将载丝和螺母装配上，使前盖和外壳完全贴合。7、 用锤头均匀敲击另一端卡爪端面部位，使密封环端面和外壳端面完全对齐。8、 将后盖和卡块。卡块环装配在一起，然后将整体装配到外壳上。9、 此时可能有微量的不配合，用锤头和扁铲轻击卡爪使均布孔配合。10、将载丝和螺母装配到端盖上，使端盖和外壳完全密封，完成装配。6.2 装配时注意事项1、 装配内部结构时比较困难，不可用过大的力猛击卡爪，防止密封环被卡爪损坏。2、 无论是装配内部结构还是装配端盖时，都应该注意不能敲击卡爪上与卡块配合的面，防止卡爪上面的变形。3、 卡块环的锥面一定要和密封环口完全贴合，防止因贴合不紧导致密封环及内部结构松动。4、 注意用扁铲侧敲击时要均匀的敲击，防止因敲击不均导致内部弹簧变形。5、 载丝装配时一定要均匀受力，防止载丝变形。6、 端盖和外壳一定要紧密贴合，防止漏油。7、 遵守现场操作规程。第7章 此种加持器的优点和分析7.1、优点分析和作用普通夹持器只能加持圆柱形钻杆或其它单一形状的钻杆，而这种夹持器可以一款多用，可加持圆形，三角形等不同外形钻杆的功能。夹持器采用弹簧连接四块卡爪进行工作，夹紧钻杆时，液压油进入密封环外围，密封环（橡胶材质）压紧卡爪，压缩弹簧，进而卡紧钻杆，松开时弹簧自动复位。当被夹持表面为正多边形时，夹持表面相接触的卡爪对钻杆施加夹紧，同时片状销对防止卡爪因受力不均移动起到很好的定位保护作用。参考文献： 结论 毕业论文是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次液压加持器的分析，我摆脱了单纯的理论知识学习状