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附表2： 本科毕业设计（论文）中期检查表系： 工程技术系 专业：机械设计制造及其自动化 检查日期：学生姓名 论文题目 钻机液压卡盘设计任务书已完成（），进行中（ ）参考文献 15篇：其中外文文献 1 篇外文翻译已完成（），进行中（ ）；完成字数约： 2000 字（翻译成的汉字字数）开题报告已完成（），进行中（ ）；完成字数约： 1500 字正文已完成（ ），进行中（）；完成比比例： 50 %已完成的任务1. 查阅相关资料，确定总体方案。2. 学习外文资料，并翻译。3. 对卡盘的总体布局的确定，分析主要运作方式。待完成的任务1. 进行受力的分析，并计算。2. 绘制卡盘结构图。3. 完成卡盘的设计说明书存在的问题1. 关键部位的受力情况。2. 卡盘结构的合理性。采取的办法1. 参考相关卡盘的受力分析。2. 向同学老师探讨。指导教师意见 夹紧机构的设计优化，补充主要零件的计算校核。 指导教师签名： 注：按表中的要求填写，选项打钩（）； 毕业设计任务书学生姓名指导教师毕业设计（论文）题目 液压卡盘设计毕业设计（论文）主要内容和要求：内容： 1.了解卡盘的特点，基本结构及原理。2.分析卡盘受力，运作方式。3.液压系统的设计。4.主要参数确定与结构计算。要求：1、查阅相关资料，确定总体设计方案2、根据总体布局，计算受力，绘制卡盘3、完成卡盘总体设计4、撰写设计说明书5、翻译外文技术资料毕业设计（论文）主要参考资料：1机械设计(第九版) 李建功主编,机械工业出版社,20072材料力学(第五版) 刘鸿文主编,高等教育出版社,20043理论力学(第七版) 哈尔滨工业大学理论力学教研室，20024机械制图（第二版）郭克希，王建国主编，机械工业出版社，20095液压去气压传动 桂兴春，林艾光主编，北京航空航天大学出版社，20116互换性与技术测量 付求涯，邱小童主编，北京航空航天大学出版社，2011毕业设计（论文）应完成的主要工作：1、查阅、收集资料，熟悉有关的资料，学习相关的知识。结合毕业设计课题进行外文资料阅读并翻译外文资料。2、熟悉设计任务，提出初步的设计方案，并征求指导教师的意见。拟定总体方案，绘出系统图，定出相关参数，并绘出总体草图。3、对草图进行修改，并完成开题报告。整理资料，编写设计说明书。4、利用中国知网、维普、万方等数据库完成与毕业论文相关内容的论文检索。毕业设计（论文）进度安排：序号毕业设计（论文）各阶段内容时间安排备注1查阅、收集资料，熟悉有关的资料，学习相关的知识。2014.122结合毕业设计课题进行外文资料阅读并翻译外文资料。2014.123开始编写毕业设计工作计划。2015.14熟悉设计任务，提出初步的设计方案，并征求指导教师的意见。2015.25拟定总体方案，绘出系统图，定出相关参数，并绘出总体草图。2015.36对草图进行修改，并完成开题报告。2015.37整理资料，编写设计说明书。2015.4.18准备答辩。2015年4月开始课题信息：课题性质： 设计 论文 课题来源： 教学 科研 生产 其它发出任务书日期： 指导教师签名： 年 月 日教研室意见：教研室主任签名：年 月 日 学生签名： 本科毕业论文外文资料翻译 系 别： 专 业： 姓 名： 学 号：年 4 月 28 日毕业设计外文翻译外文资料翻译译文液压卡盘的设计方法1.动机和目标卡盘设计是连接设计与制造间的一项重要任务。自动化卡盘设计和计算机辅助卡盘设计开发（卡盘CAD）是下一代制造系统成功实现目标的关键。在这片论文里，讨论了一种卡盘设计的方法，这种方法有利于在目前环境下卡盘设计的自动化。卡盘设计方法的研究已成为国内多家科研工作的重点。作者：周在对工件的稳定和总需求约束了双重标准，突出重点的工作。在卡盘设计中广泛的运用了人工智能（AI）以及专家系统。部分CAD模型几何信息也被用于卡盘设计。Bidanda 描述了一个基于规则的专家系统，以确定回转体零件的定位和夹紧。夹紧机制同时用于执行定位和夹紧功能。DeVor分析了切削力钻井机械和建筑模型及其他金属切削加工。康有为在中定义了装配约束建模的模块化与卡盘元件之间的空间关系。一些研究人员采用模块化卡盘设计原则。另一些卡盘设计工作者已经做了报告，可以找到卡盘设计相关的大量的审查工作。2.卡盘设计的整体方法在本节中，描述了整体夹紧的设计方法。通常对较理想的位置的那一部分进行夹紧，并减低切削力的影响。夹紧的位置和卡盘设计中定位的位置是高度相关的。通常，夹紧和定位可以通过同样的方法来完成。但是，不明白这两个是卡盘设计中不同的方面，可能导致卡盘设计的失败。多数人的在规划过程中首先解决定位问题，这样可以使开发的定位与设计的定位相契合。不过，整体定位及设计方法不在本文讨论范文内。除了零件的设计（为此卡盘设计有待开发），公差规格，过程序列，定位点和设计等因素外，还应投入CAD模型到卡盘设计方法中。这样的卡盘可以夹紧并支撑定位器。指导使用的主要内容应尽量不抵制切割或加工过程和中所涉及的操作。相反，应定位卡盘，使切削力在正确的方向，这将有助于保持在一个特定的部分加工操作安全。通过引导对定位器的切割力量，部分（或工件）被固定，固定定位点，因此不能移动的定位器。在这里讨论的卡盘的设计方法必须在整体卡盘设计方法的范围内。在此之前进行定位器/支撑和卡盘设计的初步阶段，涉及到的分析和识别的功能、相关的公差和其他规范是必要的。根据初步的评估和测定，定位/支撑设计与卡盘设计结果的在此基础上可以同时进行。本文对所描述卡盘设计的方法讨论基于定位器/支撑设计与先前已经确定的假设（包括适当的定位和支持测定一个工件的定位，以及识别和卡盘，如V元素的支持面块，基础板，定位销等）。 2.1 卡盘设计的输入输入包括对特定产品的设计翼边模型，公差信息，提取的特征，过程顺序和部分在给定的每一个设计的相关特性的加工方向，面向的位置和定位装置，以及加工过程中的各种工序，须出示每个相应的功能。2.2 卡盘设计的方法具体步骤概述如下：第1步：设置配置清单以及相关的进程_功能条目。第2步：确定方向和夹紧力。输入必要的加工方向向量mdv1，mdv2mdvn，面对nvs的支持力，并确定法向量。如果加工方向向下（对应的方向向量0，0，-1），和面的支持向量平行于加工方向，那么，夹紧力方向平行向下加工方向0，0，-1。如果必需要侧面夹紧并没有可夹紧的地方，那么在其中放置一个卡盘夹紧下调，然后边钳方向计算如下。让sv和tv辅助常规的向量代替次要的和三级定位孔。然后，使用夹紧机构夹紧一个方向，例如，av应平行于这两个法向量，即，正常向量应分别与每块表面的sv和tv向量平行。侧面夹紧面应该是一对分别平行于面sv和tv的平面孔。第3步：从列表中选出最大有效加工力。这样能够有效的平衡各加工力。第4步：利用计算出的最高有效加工力，才能确定用来支撑工件加工的面积的卡盘尺寸（例如，一个带夹子可以作为一个夹紧机构使用）。第5步：确定给定工件的夹紧面。这一步在第4步中所述过。第6步：该卡盘的夹紧面的实际位置自动在第5步中确定。考虑接下来的步骤并返回第一步。本文所讨论的方法的独特性是零件的夹紧面的几何形状，拓扑和功能发生了被加工为基础的系统鉴定。其他方法都没有利用了定位器的位置，该方法使用定位器在对持有一级，二级和三级定位器加工的工件。这种方法的另一个好处是在可行的候选面上确定在面上用卡盘面交点测试（如前所述），并迅速和有效地确定潜在的下游过程中可能出现问题，夹紧和加工的功能检测。3.总结在这篇论文中，对在一个卡盘设计方法的总体框架内进行了卡盘设计方面的讨论。设计定位器，规范零件设计，和其他相关被用来确定夹紧面和夹紧方向。并讨论了各种自动化步骤。液压卡盘的主要设计计算，概括起来，就是确定最大载荷，根据最大载荷确定夹紧力，根据夹紧力，计算碟形弹簧的轴向推力，并按此轴向推力设计碟形弹簧。碟形弹簧的设计是液压卡盘的设计关键,在设计和制造上都不能出现问题，否则液压卡盘不可靠。该碟形弹簧式液压卡盘零件较少，结构紧凑、简单，更换卡瓦和其他易损件比较方便。与油缸式卡盘结构相比，液压系统比较简单，使用的油管少，工作性能稳定可靠。外文原文Design method of hydraulic chuck-An automated design method of the chuckJ. Cecil1. Motivation and goalChuck design is an important link between design and manufacturing tasks. Automation design and computer aided chuck chuck chuck (CAD) design development is the key to the next generation of manufacturing system to achieve the target. Discussed in this paper, a method of chuck design, this method is beneficial to chuck in the current environment design automation.Chuck design method research has become the focus of the domestic many scientific research work. Author: weeks on the stability of the artifacts and aggregate demand constraint the double standard, focused work. The chuck widely applied in the design of artificial intelligence (AI) and expert system. Part of the CAD model geometry information has also been used in the design of chuck. Bidanda describes a rule-based expert system, to determine the positioning and clamping of axially symmetrical parts. The clamping mechanism is used to perform the positioning and clamping function at the same time. DeVor drilling machinery and construction analysis of the cutting force model and other metal cutting processing. Kang youwei assembly constraints defined in the modeling of modularization and spatial relationship between chuck components. Some researchers used modular chuck design principles. Other chuck design workers have done a report, you can find the chuck design review related to a lot of work.2. Chuck design of integral methodIn this section, describes the whole design method of clamping. Usually for that part of the ideal location for clamping, and reduce the influence of cutting force. The position of the clamping and chuck positioning is highly related to the location of the design. Usually, clamping and positioning can be finished by the same method. But, dont understand this is two different aspects in the design of chuck, may lead to the failure of the chuck is designed. Most people in the process of planning the first solve the problem of positioning, so that we can make development positioning and design of positioning. However, the overall positioning and design method is not discussed in this article the idol.In addition to the components of the design (design) should be developed for this chuck, tolerance specifications, process sequence, anchor point and design factors, such as should also be put into CAD model to chuck design method. The chuck can be clamped and supported locator. The main content of the guide to use should try not to boycott the cutting or machining process and involved in the operation. On the contrary, should locate chuck, make cutting force in the right direction, this will help keep safe operation in a specific part of the processing. Cutting force through the guide to the locator, part of (or workpieces) are fixed, fixed anchor point, so cant move the locator.The chuck here to discuss the design method must be within the scope of the overall design method of chuck. Before this locator/support and initial stage of the chuck design involves the analysis and recognition function, related tolerance and other specifications are necessary. According to preliminary assessment and measurement, design and chuck positioning/support design on the basis of the result can be simultaneously. Chuck described in this paper, the design method is discussed based on the locator/support design with previously established assumptions (including the appropriate location and support of a workpiece positioning, as well as identify and chuck, such as V elements support surface of the block, base plate, pins, etc.).2.1 chuck design inputInput including wing side model, the design of a specific product tolerance information, extract the features, process sequence and some related characteristics of each design in a given processing direction, geared to the needs of the location and positioning device, various working procedure, and the process required to present each of the corresponding function.2.2 chuck design methodSpecific steps outlined below:Step 1: set up the configuration list and related process _ function entry.Step 2: determine the orientation and clamping force. Input the necessary processing direction vector mdv1 mdv2. MDVN, face upward force NVS, and normal vector were determined. If processing direction downward (corresponding to the direction of the vector 0, 0, 1), and the support vector parallel to the direction of processing, so, clamping force direction parallel processing downward direction 0, 0, 1. If necessary to side clamp is not capable of clamping, then place a chuck clamping down on them, then side clamp direction calculation as follows. Let sv and TV auxiliary conventional vector instead of the secondary and tertiary locating holes. Then, use the clamping mechanism of clamping a direction, for example, av should be parallel to the two normal vector, i.e., the normal vector should be parallel to each sv and TV on the surface of the vector. Side clamping surface should be a pair of parallel to the plane of sv and flat faces of the TV.Step 3: select the maximum effective processing from the list. It can effectively balance the processing power.Step 4: use to calculate the maximum effective processing, can be used to support the area of the workpiece processing chuck size (for example, a belt clip can be used as a fastening device).Step 5: to determine if a given workpiece clamping surface. This step is described in step 4.Step 6: the chuck clamping the actual location automatically determined in step 5. Consider the following steps and returns the first step.Is discussed in this paper, the method of the uniqueness of parts clamping surface geometry, topology and feature the processed on the basis of system identification. Other methods are not using the locator, the method USES the locator to hold level, secondary and tertiary positioner of the workpieces. Another benefit of this approach is determined on the viable candidate in surface intersection test card disk (as mentioned above), and quickly and effectively identify potential problems may occur during the process of downstream, clamping and processing function of detection.3. SummaryIn this paper, on the design method of a chuck chuck design within the overall framework of the discussion.Design the locator, the standard parts design, and other related is used to determine clamping surface and clamping direction. Various automation steps were also discussed.The main design calculation of hydraulic chuck, in summary, is to determine the maximum load, according to the maximum load to determine the clamping force, according to the clamping force, the axial thrust calculation disc springs, and according to the design of axial thrust disc spring. The design of disc spring is key to the design of the hydraulic chuck, both in design and manufacture cant appear problem, otherwise the hydraulic chuck is unreliable. The disc spring type hydraulic chuck parts is less, compact structure, simple, replacement slip and other vulnerable parts is more convenient. Compared with the oil cylinder chuck structure, hydraulic system is simpler, less use of tubing, stable and reliable working performance.5 毕业设计开题报告学生姓名指导教师课题性质设计 论文课题来源科研 教学 生产 其它毕业设计（论文）题目液压卡盘设计 一、研究目的及意义使用的钻机, 卡盘是常用的部件, 它把钻机的扭矩和轴向力传递给钻具, 以进行钻进工作随着钻探技术的发展, 有些立轴式钻机或动力头式钻机, 对卡盘的应用范围由原来仅完成钻进工作中的传递轴心压力和扭矩作用发展到要完成钻具的提升工作。特别金刚石钻进的广泛采用, 对卡盘提出了新的要求, 因而钻机卡盘结构得以不断改进, 目前已从原有的手动卡盘向着液压多用和连续作用方面发展。二、国内外研究现状目前液压卡盘在国内的发展前景良好，液压卡盘行业进一步加快钻机产品结构调整，压缩抵挡，普通产品生产；淘汰落后，高耗能产品。近几年我国液压卡盘进口量整体呈现下行趋势，然而进口价一直上升，这可以表明液压卡盘的进口量持续上升。所以说国内液压卡盘的需求还是很高，更需求高质量，高智能化得产品。经历多年的地段发展之后，如今我国液压卡盘行业需提升行业产品竞争力，走高端化发展路线。创新是行业发展的基本推动力，想要实现液压卡盘行业技术水平的提高，就要注重创新能力平台建设。在高档液压卡盘于基础制造装备科技重大专项中，就有创新能力平台建设这一项目。随着液压卡盘行业各项研究的推进，是我国液压卡盘技术得到显著提高，这带动了液压卡盘和相关部件的发展，为我国卡盘提供了良好条件。三、 研究内容1.了解卡盘的特点，基本结构及原理。2.分析卡盘受力，运作方式。3.主要参数确定于结构计算。4.在安装和操作时应注意的事项。5.误差分析四、研究方案1.分析确定设计任务。2.认真分析研究已有资料，与实际结合。3.了解卡盘结构，分析受力并计算。4.运用软件进行绘图，模拟仿真。五、设计计划进度1.第一阶段：2014年12月到2015年1月，确定毕业设计题目，查阅并收集整理相关资料；2.第二阶段：2015年1月到2015年2月，确定研究方法，分析处理数据，构思设计大纲； 3.第三阶段：2015年3月到2015年4月，分析计算卡盘受力，画图，撰写设计说明书； 4.第四阶段：2015年4月到2015年 5月，设计修改完善，完成设计终稿，送交指导老师评审，进行答辩。六、预期结果 (1) 夹紧时, 自动定心, 确保钻杆与立轴的回转同心度要好; (2) 回转部分重量轻, 转动惯量小, 回转质量分布均匀, 动平衡要好; (3) 有足够的稳定的夹持力, 钻杆不能发生轴向和周向的相对滑动; (4) 卡盘通径要足够大, 需要通过相应的钻杆及接头; (5) 卡盘的夹紧机钩应该有自锁性能; (6) 卡盘夹持与松开钻杆要迅速, 松开完全彻底; (7) 夹持力分布均匀, 夹紧时不应损伤钻杆表面; (8) 卡瓦硬度适当, 耐磨, 摩擦系数大; (9) 密封性好, 不漏油, 使用安全, 操作方便, 便于维修。 七、参考文献1 成大先. 机械设计手册( 第五版第3 卷) . 北京: 化学工业出版社, 2008. 1. 2 冯德强. 钻机设计. 北京: 中国地质大学出版社,1993. 3 数控技能教材编写组 编著，数控车床编程与操作M。复旦大学出版社，20064 上海柴油机厂工艺设备研究所, 金属切削机床卡盘 北京：机械工业出版社，19845 王光明, 快速夹紧自定心卡盘和心轴, 机械1989,186 陈日曜 主编。金属切削原理M。机械工业出版社，20027 王先逵 主编 机械制造工艺学M。机械工业出版社，20028 廖效果 主编 数字控制机床M。华中科技大学出版社，20019 王成.单卡瓦动作常闭型复合液压夹持器 J .探矿工程, 1998 ,10 袁锋 主编。全国数控大赛试题精选M。机械工业出版社，200511 张忠将. SolidWorks2010机械设计从入门到精通M. 机械工业出版社，201112 施教芳. Auto CAD 2012中文版从入门到精通M. 中国青年出版社，201213 Brugman J.D.: Automated Pipe Handling. Fresh ApproachR.New Orleans: PE/IADC Drilling Conference，1987 14 Kinzel, Holger and Lorenz, Joerg. A New Approach to Mechanized Tubular Handling and Running as a Safe and Cost Effective AlternativeR. Amsterdam: SPE/IADC Drilling Conference，1997. 指导教师意见指导教师签名：年 月 日教研室意见：审查结果： 同 意 不 同 意教研室主任签名：年 月 日3 本科毕业论文文献综述 系 别 专 业：姓 名：学 号： 1前 言近年来中国卡盘机行业取得了很大的发展，但是行业发展中也存在一些问题，和国外相比仍有很大的差距。我国从20世纪80年代开始生产自定心液压动力卡盘,但转速、夹持精度、寿命、可靠性等性能与国外产品有较大的差距,除了制造工艺水平低外,其主要原因是缺乏基础理论研究和创新。我国台湾的自定心液压动力卡盘也已达到中档技术水平,但与德国和日本相比仍有一定的差距。制造业在中国由于核心技术缺乏，“中国制造”仍是普遍的生存之道。在高端产品市场，很多产品表面上是中国生产的，但是其核心技术仍然是来自国外。我国“十二五”计划中明确指出必须坚持发挥政府引导推动作用与市场基础性相结合，坚持科技创新与产品产业实现相结合，把企业当做主体，推进产也学校研究所结合，变国民经济的先导产业和支柱产业为高端制造业。当前，制造业的升级与转型，对于卡盘行业有着深远影响和重大意义。2 国内外研究状况目前液压卡盘在国内的发展前景良好，液压卡盘行业进一步加快钻机产品结构调整，压缩抵挡，普通产品生产；淘汰落后，高耗能产品。近几年我国液压卡盘进口量整体呈现下行趋势，然而进口价一直上升，这可以表明液压卡盘的进口量持续上升。所以说国内液压卡盘的需求还是很高，更需求高质量，高智能化得产品。经历多年的地段发展之后，如今我国液压卡盘行业需提升行业产品竞争力，走高端化发展路线。创新是行业发展的基本推动力，想要实现液压卡盘行业技术水平的提高，就要注重创新能力平台建设。在高档液压卡盘于基础制造装备科技重大专项中，就有创新能力平台建设这一项目。随着液压卡盘行业各项研究的推进，是我国液压卡盘技术得到显著提高，这带动了液压卡盘和相关部件的发展，为我国卡盘提供了良好条件。3 总 结液压卡盘经历了近百年的发展,基本原理没有大的变化,经过各方面的不断改进,其夹紧力、转速、可靠性等性能得到大幅度提高。下面对液压卡盘下一步的发展谈几点认识。(1)进一步研究夹紧力的损失机理,从降低夹紧力损失在卡爪离心力中的比重出发降低夹紧力损失。卡爪离心力补偿技术将继续在高速液压动力卡盘中发挥重要作用。新型低密度、高刚度材料的应用将对液压动力卡盘转速的提高产生巨大的推动作用。(2)目前对高速配流副的研究还不够深入,需要从流体力学、传热学和热弹性力学出发进行进一步的研究,揭示发生粘附磨损的机理,探索解决方法。支撑配流副的滚动轴承转速有限,静压支撑和动压支撑理论已获得了很大发展,并具有很高的转速,配流副采用动压支撑有可能成为一个趋势。(3)液压卡盘元件由盘件和壳件组合而成,随着转速的不断提高,元件的振动将日益明显,直接影响着元件受力状况及寿命,是一个重要的研究方向。高转速下,液压卡盘的安全性是一个突出的问题,如果卡盘在高速旋转时元件因强度失效而断裂,将会对机床和操作人员产生非常严重的伤害。能否解决好该问题将直接关系着超高速卡盘能否实际应用。(4)高精密和自动化是先进制造技术对液压卡盘的基本要求。以往的夹持精度研究从卡爪的夹持状况出发,卡爪倾转刚度的影响没有得到足够重视,有待进一步研究。目前对液压卡盘动态夹持刚度和夹持阻尼的研究仍不够深入,这将是一个重要的研究方向。2参考文献1 成大先. 机械设计手册( 第五版第3 卷) . 北京: 化学工业出版社, 2008. 1. 2 冯德强. 钻机设计. 北京: 中国地质大学出版社,1993. 3 数控技能教材编写组 编著，数控车床编程与操作M。复旦大学出版社，20064 上海柴油机厂工艺设备研究所, 金属切削机床卡盘设计手册1.2, 北京：机械工业出版19845 王光明, 快速夹紧自定心卡盘和心轴, 机械1989,186 陈日曜 主编。金属切削原理M。机械工业出版社，20027 王先逵 主编 机械制造工艺学M。机械工业出版社，20028 廖效果 主编 数字控制机床M。华中科技大学出版社，20019 王成.单卡瓦动作常闭型复合液压夹持器 J .探矿工程, 1998 ,10 袁锋 主编。全国数控大赛试题精选M。机械工业出版社，200511 张忠将. SolidWorks2010机械设计从入门到精通M. 机械工业出版社，201112 施教芳. Auto CAD 2012中文版从入门到精通M. 中国青年出版社，201213 Brugman J.D.: Automated Pipe Handling. Fresh ApproachR.New Orleans: PE/IADC Drilling Conference，1987 14 Kinzel, Holger and Lorenz, Joerg. A New Approach to Mechanized Tubular Handling and Running as a Safe and Cost Effective AlternativeR. Amsterdam: SPE/IADC Drilling Conference，1997.注：期刊类J；著作类M；词典类Z1 本 科 毕 业 设 计题目 液压卡盘设计 系 别专 业学生姓名学 号指导教师职 称 液压卡盘设计摘要钻探在国民经济的发展中发挥着至关重要的作用，随着石油勘探开发力度的增加，石油钻井机械的自动化、智能化程度也在不断提高。液压卡盘是钻机的一个主要部件，其功能是夹紧钻机上的钻杆，并向钻杆传递转矩和轴向力，驱动钻具实现回转和给进，完成加减压钻井。本文研究了液压卡盘的设计，首先完成了卡盘的结构方案设计，选择了液压式卡盘，分析了液压卡盘的工作原理及制造要求。文中对液压卡盘的各项参数进行了详细设计了液压卡盘承载力、卡瓦对钻杆的夹紧力以及蝶形弹簧的轴向推力。文中还计算了活塞的行程S，夹紧包角，以及蝶簧夹紧力、卡盘松开油压力等参数，最后完成了卡盘结构装配图及主要零件图的设计，并对液压控制系统进行了简要设计。本文可以为卡盘的相关设计提供参考。关键词：液压卡盘； 钻杆； 受力分析； 液压控制AbstractDrilling plays a very important role in the development of national economy, along with the increase of oil exploration and development efforts, automation, intelligent level of petroleum drilling machine has been improved. Hydraulic chuck is one of the main components of drilling rig, its function is to drill pipe clamp drill, and transfer torque and axial force to the drill pipe, drill rotary and feed drive, complete decompression drilling.本文研究了液压卡盘的设计，首先完成了卡盘的结构方案设计，选择了液压式卡盘，分析了液压卡盘的工作原理及制造要求。文中对液压卡盘的各项参数进行了详细设计了液压卡盘承载力、卡瓦对钻杆的夹紧力以及蝶形弹簧的轴向推力。文中还计算了活塞的行程S，夹紧包角，以及蝶簧夹紧力、卡盘松开油压力等参数，最后完成了卡盘结构装配图及主要零件图的设计，并对液压控制系统进行了简要设计。本文可以为卡盘的相关设计提供参考。This paper studies the design of hydraulic chuck, the structure design of the hydraulic chuck, chuck, analyzes the working principle and manufacturing requirements of hydraulic chuck. The parameters of hydraulic chuck, in this paper, the detailed design of the hydraulic chuck clamping force on the bearing capacity, the slip of drill pipe and the axial thrust of the butterfly spring. This paper also calculated the stroke of the piston S, clamping angle, as well as the butterfly spring chuck clamping force, loosen the oil pressure and other parameters, and finally completed the design of the assembly structure and the main parts of the map the chuck, and the hydraulic control system has carried on the brief design. This paper can provide a reference for the design of the chuck.Keywords: hydraulic chuck; drill pipe; stress analysis; hydraulic control目 录1绪论11.1发展背景12卡盘结构方案设计32.1 机械式卡盘32.1.1机械式卡盘结构设计32.1.2 机械式卡盘工作原理42.2液压式卡盘52.2.1 液压卡盘的总体设计要求52.2.2液压式卡盘的结构设计52.2.3 液压卡盘的工作原理62.2.4 液压卡盘的制造要求63主要参数设计63.1液压卡盘承载力的确定63.2 卡瓦对钻杆的夹紧力计算73.3 蝶形弹簧的轴向推力的计算73.4 设计蝶形弹簧93.5 活塞行程S 的确定113.6夹紧包角133.7蝶簧夹紧力133.8卡盘松开油压144.液压卡盘装配图及部分零件图155.液压控制系统的设计186.结论18参考文献19致谢20中国地质大学长城学院2015届毕业设计1绪论1.1发展背景钻探在国民经济的发展中发挥着至关重要的作用，其中尤以在石油天然气开采领域中的发挥着最为关键的核心功能。石油天然气具有特殊的形成条件，具有其它能源所没有的特性，由此也就决定了其采集作业方式的独特性。从发现油气资源至今，石油的主要采集方式是钻井开采。由古代的手工开凿到现代的机械化钻探，钻井工具和钻井方式发生了根本性的变化。随着工业化技术的发展，钻井技术也将发生更大的改变。在现代工业自动化发展的进程中，石油设备的自动化程度也在不断提高，工业机器人作为现代化生产的重要自动化设备也在逐步引入到石油生产中去。传统的石油开采过程中，大量工作由工人人力进行操作，而野外艰苦的工作环境和笨重的钻采设备，使石油生产变得艰苦而危险。 随着石油勘探开发力度的增加，石油钻井机械的自动化、智能化程度也在不断提高。自动化钻井是国外在 20 世纪 90 年代发展起来的一项前沿钻井技术，是21 世纪钻井技术的主要发展方向。自动化钻井主要包括井下闭环钻井技术，地面钻机的自动化，钻井泥、液浆等钻材的装卸、配制和泵送自动化，钻井专家系统四个方面。地面钻机的自动化，即钻井地面作业的自动化操作，钻杆处理系统是其中非常重要的部分。钻杆自动排放系统是钻管处理系统的关键组成部分，是伴随着钻井自动化技术的发展而产生的。机械化减轻了钻井工人的体力劳动，改变传统的提升卡瓦和人工钻杆处理装置，有力地扩大了钻井工人的安全工作范围，使他们由劳动者变为操作者。半自动化系统利用信息技术和智能控制系统改变现有的管子处理系统，在新的系统中可减少操作者的数量。随着海洋深水钻井的开展，现在作业水深已达到 7000至10000英尺；陆地钻机也由老旧的5000米钻机向15000米钻机发展。影响钻井时间增加的内在因素不仅仅是起下钻作业，钻杆、套管和隔水管的搬运和排放也严重影响着钻井计划。在钻井的同时离线接立根、自动传送和排放钻杆等操作将会大大节省钻井时间。钻杆处理系统正在成为自动化，模块化钻井设备设计的工业标准。 在这个大背景下，钻杆自动传输机构也应运而生，从手动钢丝旋扣拉锁、起吊绞车、提升卡瓦等发展到现在最先进的钻杆自动传输系统，从简单的手动设备发展到了现代化的工业机器人。1949年,在研制半自动化钻机时就采用了钻杆自动传输。该系统可以通过液压和气动阀来进行从而完成起下钻的各种常规操作。 1956 年，首套机械化钻杆操作系统开始安装在 CUSS-1 钻井船上。这是一个卧式系统，用来操作甲板上的钻杆立根。一个机械化的送管滑道将立根运送至井口，然后由吊卡提起。与此同时，立式钻杆自动传输获得了进展，它可以用更传统的方式在井架中操作钻杆。20 世纪 40 年代末，Humble 30 号钻机上安装了三臂立式钻杆自动传输，并且1成功地钻进了 22860m。 1968 年，Offshore 公司在 Discoverer 钻井船上安装立式钻杆自动传输，至此，钻杆自动传输机构开始获得巨大发展。采用该系统是为了降低由于船体振动而引起的的人工操作的难度。该系统的成功引起了一系列相似系统的发展，包括类似于 CUSS-1 的卧式系统。 20 世纪 60 年代末，Varco 公司的 BJ-Hughes 三臂立式钻杆自动传输机构获得了巨大成功。 1973年，全自动化钻杆自动传输机构首次安装于挪威 Smedvig West Venture 半潜式钻井平台。然而安装该系统的目的与在钻井船上不同。由于该半潜式平台在挪威北海进行钻井作业，采用该系统是为了降低强风和低温的影响，而不是船体的振动。该系统同样获得了巨大成功。 1974 年，首套商用卧式钻杆自动传输机构应用于 Western Gear 的一艘 Sedco 钻井船上。 1986 年，第一套全立柱式钻杆自动传输机构应用于 Transocean 的半潜式钻井平上。 1996 年，模块化钻杆自动传输机构开始应用于北海自升式钻机。目前，钻杆自动传输机构所操作管子的范围不仅仅局限于钻杆和钻铤，也可以操作直径范围为127508mm 的套管。 目前，钻杆自动传输机构的种类很多，包括固定在钻台上的单个操作臂以及固定在井架中由密闭操作室进行控制的两臂或三臂系统。很多此类系统能够举升钻杆立根，有些能够举升直径为 508mm 的套管。这些系统大都位于钻台与立根盒之间，具有两到三个操作臂。由一人在密闭控制室中通过电脑进行控制，而不需要其他的工作人员的参与。 美国 Varco 公司研制的钻杆自动传输机构包括 PRS-3i、PRS-4i、PRS-5、PRS-6is、PRS-8/8i，可以用来排放钻杆、钻铤和套管单根及立根，排放管子的直径范围为88.9mm 至 508mm；SRS-2 型星形管子排放系统，下移放臂的升举能力为 9.95t，升举高度为 10m。另外，Varco 公司还研制了适用于绝大多数现有钻机的钻杆自动传输机构 Varco Compact Racker（VCR）。 德国 Bentec 公司为挪威 Norsk Hydro 公司设计制造的平台中，垂直钻杆自动传输机构的举升能力为 122kN，自动完成水平和垂直方向钻杆移送，移送过程受密闭钻井控制室遥控。 挪威Aker Kvaerner公司研制的产品有两臂立式钻杆操作系统和悬挂式钻杆操作系统。排放管子的直径范围为 73mm 至 247.7mm。挪威石油局于 1981 年做出规定：作业于其领海内的所有钻机必须配备自动化钻杆自动传输机构。 苏联从 20 世纪 60 年代起，在其钻机上安装自动化钻杆自动传输机构。钻机的液压系统需要执行三个功能（回转、给进、夹持），三个功能分别由三个执行元件完成。一个执行元件是液压马达，为钻机提供回转部分的转速和转矩；一个执行元件是液压油缸，为钻机提供给进部分的给进力和起拔钻具的起拔力；另一个执行元件也是液压油缸，是卡盘部分，提供夹持钻杆的开启力。钻机的回转部分：液压马达工作阶段的负载状况，液压马达的负载随着地质层的变化而变化，地质层坚硬时，液压马达的负载增大，需调节液压系统，减少液压马达的流量，降级液压马达的转速，输出的转矩稳定；地质层疏松时，液压马达负载减少，需调节液压系统，增加液压马达，参考大转矩、低转速摆线液压马达的性能参数。摆线液压马达在一定的转速下，输出的转矩都打不到本钻机的技术参数要求。随着钻孔深度的增加，添加钻杆时快速回升卡盘时，所需的起拔速度快；起拔钻具时提供最大的起拔力大。钻机的夹持部分：夹持机构为液压打开，碟形弹簧夹紧，液压打开方式为油缸活塞形式。夹持油缸有一定的结构限制，油压只需打开碟形弹簧即可。压力和流量是液压系统最主要的两个参数，根据这两个参数来计算和选择液压元件、辅助元件和原动机的规格型号。系统压力选定后，液压马达的排量和液压缸、液压泵的主要尺寸即可确定，液压马达的排量和液压缸、液压泵的主要尺寸一经确定，即可根据液压缸、液压泵和液压马达的速度或转速确定其流量。在液压系统功率一定的情况下，若系统压力选的过低，则液压元、辅助的尺寸和重量就增加，系统的造价也相应的增加；若系统压力选得较高，则液压设备的重量，尺寸和造价也会相应降低。然而，若系统压力选用过高，由于对制造液压元、辅助件的材质、密封、制造精度等要求的提高，反而会增大或增加液压设备的尺寸、重量和造价，其系统效率和使用寿命也会相应下降，因此也不能一味追求高压。液压卡盘是钻机的一个主要部件，其功能是夹紧钻机上的钻杆，并向钻杆传递转矩和轴向力，驱动钻具实现回转和给进，完成加减压钻井。2卡盘结构方案设计2.1 机械式卡盘2.1.1机械式卡盘结构设计设计的卡盘结构如图2-1 所示，主要由活塞杆1、座板2、滚轮3、卡盘座4、销轴5、螺栓组件6、转动板7、压轮架8、连杆9、螺母10 和卡盘爪11 等组成（油缸部分没有画出）。连接方式为：座板和压轮架夹住滚轮，滚轮两端穿入转动板的孔中，活塞杆穿入座板和压轮架中心孔并由螺母锁紧，转动板的另外两个孔分别用螺栓组件与卡盘座和卡盘爪连接，连杆也分别用销轴与卡盘座和卡盘爪连接。从图1 中可以看出，当活塞杆在液压的作用下作轴向运动时，带动滚轮既沿卡盘轴向又沿卡盘径向远动，实际上滚轮是绕卡盘座的定点转动，也就是转动板在滚轮的带动下绕卡盘座的定点转动，卡盘爪在转动板的带动下同时又受连杆的限定既沿卡盘轴向又沿卡盘径向运动，保证卡盘爪可靠抓住物体。3中国地质大学长城学院2015届毕业设计图2-1机械式卡盘结构图2.1.2 机械式卡盘工作原理机械式卡盘的工作原理如图2-2 所示：该机构是一个平行四杆机构，AD（卡盘座）静止，AB =DC，AD=BC，A、D两点为定点，当AB（转动板）绕A 点转动时，DC（连杆）在BC（卡盘爪）的带动下绕D点，也就是在该平行四杆机构中，AB、DC 作转动，BC作平动。只有BC 作平动，才能保证卡盘爪的径向运动，从而实现卡盘的功能。图2-2 夹紧原理图 2.2液压式卡盘2.2.1 液压卡盘的总体设计要求液压卡盘既要向钻杆传递扭矩和回转运动，又要向钻杆传递轴向运动和给进力。为了使钻机的工作可靠，设计液压卡盘时首先应保证卡瓦对钻杆具有足够的夹紧力，且夹紧后有自锁能力，使卡瓦夹紧主动钻杆后不出现轴向或周向的相对滑动；其次，夹紧面积要大，夹紧力分布要均匀，不致损伤主动钻杆表面；第三，应考虑各零部件相互拆装时的难易程度、易损件和卡瓦更换时的方便程度；第四，使用钻杆的直径规格不能太多，否则随卡瓦径向移动尺寸的增大，液压卡盘的外形尺寸也相应增加，如果采取更换卡瓦来满足不同直径的钻杆，液压卡盘就要经常拆装，将影响钻机的使用性能。因此，液压卡盘的设计既要保证夹紧可靠和拆装方便，又要尽量缩小其外形尺寸。2.2.2液压式卡盘的结构设计由于碟形弹簧具有结构紧凑、加压均匀以及独特的非线性特性等特点，座箱式钻机的液压卡盘采用碟形弹簧式结构，为液压松开常闭式。它由3 大部分组成，见图2-3。图2-3 液压式卡盘结构图1）夹紧动力装置。见图2-3蝶形弹簧9，其作用是产生轴向力和轴向运动。2）中间传动机构。见图2-3压环11、卡圈19、斜垫板17 等，其作用是改变作用力的大小和方向，即将轴向作用力改变为径向作用力，传递给夹紧元件。3）夹紧元件。见图2-3 卡瓦18，其作用是将中间传动机构传递来的夹紧力施于钻杆，将其夹紧。2.2.3 液压卡盘的工作原理高压油从上部进入推动活塞移动， 通过带动推力轴承，推动压环11向左运动，压紧蝶形弹簧，由于压环与卡圈连接，卡圈通过斜板与卡瓦斜面配合，因此斜板左行驱动卡瓦在卡圈的“T”型槽内向外移动，松开钻杆。需要夹紧时，操作液压系统的卡盘控制阀，卸掉油压，在蝶形弹簧的弹力作用下，压环11右移，推动卡圈运动，通过斜板驱动卡瓦向内作径向收缩，夹紧钻杆。2.2.4 液压卡盘的制造要求设计的卡盘采用3个卡盘爪，因三点定圆，所以能可靠撑住圆形内孔的物体，而且轮胎的中心与卡盘的中心重回。卡盘座上的A、D两孔与卡盘中心的相对位置必须精确。卡盘爪上的两孔中心距BC 必须与AD相等。连杆上的两孔中心距CD必须与转动板上的两孔中心距AD相等。座板的内孔中心线必须与端面垂直。压轮架分度精确，压轮平面与内孔垂直。总之，该卡盘各零件的尺寸公差和形位公差均不能超差，而且表面粗糙度要高，否则，动作不会灵活，如严重超差，卡盘可能无法使用。鉴于此，主要零件最好使用数控机床加工。3主要参数设计3.1液压卡盘承载力的确定液压卡盘的承载力一般根据正常钻进和强力起拔两种工况中的最大载荷来确定。最大载荷Pmax，强力起拔工况下, 液压卡盘负荷:式中: 安全系数, 取1.25-1.6；本文取1.25。Pmax 给进油缸最大起拔力( 按系统最大压力计算)。本文计算得Pmax=47.46Mpa，具体计算见本文3.8节所以；Pb = Pmax =1.25*47.46=59.325KN正常工况下, 液压卡盘的负荷: 式中: Pz作用于钻杆上的轴向力； 一般取最大加（减）压给进力；Py作用于钻杆上的圆周力。式中: Mn立轴最大输出扭矩； d钻杆直径。将求得的两个负荷Pb、Pg 进行比较, 取其最大者作为最大工作载荷Pmax 。根据钻机的实际情况，实际负荷PbPg, 取最大者作为极限工作载荷Pmax=Pb=59.325KN3.2 卡瓦对钻杆的夹紧力计算一般指液压卡盘在承受最大载荷P max 时, 所必需的夹紧力, 表示为:式中: f卡瓦与钻杆间的摩擦系数, 焊合金卡瓦一般取0. 5 左右为宜。 =59.325/0.5 =118.65KN3.3 蝶形弹簧的轴向推力的计算蝶形弹簧的轴向推力是蝶形弹簧夹紧钻杆时,压缩蝶形弹簧时的轴向弹性力, 可作为设计蝶形弹簧的依据。图3-1 计算简图图3-2 隔离体受力分析图取隔离体分析: 卡圈受力分析见图3-2( a) , 卡瓦受力分析见图3-2( b)图中: R 卡圈的反作用力, N ;N卡瓦作用于卡圈斜面上反力, N ;T保护套作用于卡瓦上的反力, N ;Q钻杆作用于卡瓦上的单位压力,Pa; (Q= q)F1、f2 滑动摩擦系数f1= f2 = 0.15;卡瓦、卡圈斜面半锥角, 一般取69为宜。在XY 坐标系中各力的平衡条件为:对卡圈:x = F - N sin- f1N cos= 0y = R - N cos+ f1Nsin= 0对卡瓦:x = T-N sin- Nf1cos= 0y = Q+ Tf2 - Ncos+ Nf1sin= 0整理为:蝶形弹簧轴向推力:F= N ( sin+ f1 cos)本设计中取=9。Q=118.65KN时，带入公式计算得：N理论额定=129.02(KN)。3.4 设计蝶形弹簧先确定碟形弹簧的组合形式, 液压卡盘一般采用对合组合, 按碟的轴向推力F, 夹紧时的总变形量fz ( 按径向位移定) 及导杆直( 此文中为卡瓦座外圆直径) 等进行设计计算。蝶形弹簧的结构图如图3-3所示：图3-3 蝶形弹簧结构图主要计算如下:(1) 选择碟簧系列及组合形式；选择碟簧材料为50CrVA，采用对合组合。(2) 计算碟簧压平时的载荷；式中：PC压平时的载荷，N；T碟簧厚度，t=9.4mmD蝶形弹簧外径，D=200mmD蝶形弹簧内径，d=102mmh0碟形弹簧压平时的变形量，h0=6.2E弹性模量，E=2.06*105MPa;u-泊松比。u=0.3K1计算系数，K1=0.684（由C=D/d，查表得到K1,K2。）KK4计算系数，K4=1.358将数据代入（11）求得：Pc=97.36KN(3) 计算夹紧时的载荷与压平时的载荷比, 即式中：P夹紧时碟簧的载荷，P=F=45.676kN；将数据代入式（12）求得：q=0.468(4) 计算夹紧时单片碟簧的变形量f ；由上述计算求得：h0/t 0.659，P/Pc=0.468查机械设计手册第五版第3卷蝶形弹簧图11-6-2得：f/h0=0.22求得单片碟簧的变形量f=1.36(5) 根据fzf, 计算出对合组合的片数并圆整( fz夹紧时的总变形量) ；式中：fz加紧时的总变形量，fz初取5mm；将数据代入式（13）求得:i=3.67圆整后对合碟簧的片数i取4，则实际总变形量fz为5.44mm。(6) 计算碟簧压平时危险点的应力, 应小于材料的屈服极限。对于50CrVA制造的碟簧，取14001600MPa。变载荷是指作用的载荷（应力）在初加载荷与工作载荷之间循环变化，在规定寿命内变化次数大于次。在无限寿命时可以承受大于等于次加载变化而不破坏，而在有限寿命时可以承受次的加载变化直至破坏。图3-4 蝶形弹簧的疲劳破坏危险点曲线在国标中推荐了普通碟簧的疲劳极限应力曲线图。根据厚度的不同；分别适用于t1.25,t=1.256与t=614mm。在变载荷作用下的单个碟簧或不超过10片的对合组合碟簧的疲劳极限，可根据寿命要求，碟簧厚度及上下限应力（、），在图中查取。查表3-4可以得出，该蝶形弹簧的疲劳破坏危险点为III点。再查表3-5，可以得出：1200MPa。可知：，安全。图3-5 614mm碟簧的应力曲线3.5 活塞行程S 的确定活塞行程一般按如下经验公式确定式中: S活塞工作行程;h0单片碟形弹簧的极限变形量;i碟形弹簧片数;a对合碟形弹簧间的垫片厚度;n对合碟形弹簧的对数;S1碟形弹簧安装预压缩量( 一般取510mm 为宜, 深孔钻机取小值, 浅孔机钻取大值)设取S1=5mm，i=6，a=3，n=3，h0=15.6-9.4=6.2mm，则S=ih0-na-S1=6*6.2-3*3-5=23.2mmPz为作用在钻杆上的轴向力;N为卡瓦作用在钻杆上所必须的夹持力;f为卡瓦与钻杆的摩擦系数;M作用在钻杆上的扭矩, N.m;d钻杆外径, m。注意: 摩擦系数f 值与卡瓦齿实际所受到的单位压力有关。当单位压力大于120200MPa 时, f为0. 2 0.45; 单位压力为1000-1500MPa 时, f 为0.9。高压下, 卡瓦齿吃入钻杆, 因此其摩擦系数大大增加, 在夹紧能力的计算中, 卡瓦与钻杆表面的摩擦系数一般取0.5。以卡瓦为研究对象, 做受力分析:式中: N座板对卡瓦的支撑力;N卡圈对卡瓦的正压力;f钢对钢平面摩擦系数;卡瓦斜面角;以卡圈为研究对象, 做受力分析:式中: F 弹簧的预紧力。由上述(14) (15) (16) (17) (18) 公式推导得出:根据上述公式, 我们不难看出, 卡瓦斜面角是整个卡盘结构设计中的一个重要参数。的大小取决于三方面因素: 第一, 减小时, 所需弹簧的预紧力F 也相应减小; 第二, 要保证卡盘松开时钻杆通过空间和卡盘夹紧时夹持余量, 卡瓦受液压活塞系统推动的轴向距离也要加大; 第三, 要考虑夹紧机构的自锁性能要好, 不可过小。因此卡瓦斜面角的选择, 要综合考虑尺寸空间和夹持力的平衡关系,因为不同厂家相同规格的钻杆接头尺寸差别较大,在使用过程中钻杆磨损情况严重, 卡盘设计要为钻杆通过时留有足够的夹持余量。综上分析, 卡瓦斜面角不宜取过小, 一般= 69, 建议取大值，即取=9。通过以上的分析, 可以看出, 典型的中深孔岩心钻机所采用的是弹簧夹紧液压松开常闭式卡盘。立轴钻机多用一组大直径碟簧, 全液压钻机为多组氮气弹簧、小直径碟簧或模具弹簧。无疑, 后者在安装和检修时简单方便, 以及满足卡盘夹持能力和大直径卡盘通径方面优于大直径碟簧, 而孔口泥浆容易造成氮气弹簧的损坏也是一个现实。在设计计算中, 卡瓦接触面积, f 摩擦系数的设定, 的选定, 都会影响卡盘的夹持能力。当然, 卡盘油缸的加工精度, 卡盘外壳的动平衡检测, 卡盘多个内锥度的一致性, 也同样重要, 直接决定了钻杆和立轴的同心度,回转的平稳性以及卡盘油缸的泄露和串油, 也决定了卡盘运行的稳定性和安全性。本文只是对于钻机卡盘的各种结构型式和其适用主机进行了说明, 同时也会关注各种卡盘在施工过程中的安全性、效率以及维修便利性, 以期对钻机的卡盘设计提供更多的思路。3.6夹紧包角夹紧包角， 即夹紧时圆形被夹体受力部分围心角之总和卡盘固定爪作为定心元件，设计圆心角120两活动爪为加力元件。设计同心角均为65，由于活动爪，固定爪均按被