２０１４年第４ｌ卷第２期 探矿工程（岩土钻掘工程） ６１ 全液压坑道钻机增力式夹持器的设计 刘 智，殷新胜，孙保山 （中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安７１００７７） 摘要：介绍了一种可增力的油缸对顶式夹持器。采用对称结构布置，两边各设置一组增力装置，可将油缸产生的 夹持力通过杠杆增力原理作用于钻杆上，具有外形尺寸小、夹紧力大等优点。对夹持器主要设计参数的选择和计 算过程做了详细介绍。 关键词：夹持器；增力式；夹紧力；全液压坑道钻机 中图分类号：Ｐ６３４．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—７４２８（２０１４）０２—００６１—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｂｏｏｓｔｉｎｇ Ｔｙｐｅ Ｃｌａｍｐ ｆｏｒ Ｆｕｌｌ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｄｒｉｖｅ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ＤｒｉｌＶＬＩＵ Ｚｈｉ，ＹＩＮ Ｘｉｎ—ｓｈｅｎｇ，ＳＵＮ Ｂａｏ—ｓｈａｎ （Ｘｉ’ａｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐ，Ｘｉ’ａｎ Ｓｈａａｎｘｉ ７１００７７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｂｏｏｓｔｉｎｇ ｔｙｐｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｃｌａｍｐ ｗｉｔｈ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｆｏｒｃｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｏｎ ｂｏｔｈ ｓｉｄｅｓ．Ｔｈｅ ｃｌａｍｐｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ａｃｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌ ｒｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌｅｖｅｒ ｂｏｏｓｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｔｈｉｓ ｃｌａｍｐ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｃｌａｍｐｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｌａｍｐ；ｂｏｏｓｔｉｎｇ ｔｙｐｅ；ｃｌａｍｐｉｎｇ ｆｏｒｃｅ；ｆｕｌｌ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｄｒｉｖｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｄｒｉｌｌ ０ 引言 新型夹持器为常开式设计（结构如图１所示）。 夹持器是钻机的一个重要组成部分，其作用是 整体采用方箱结构，左右对称布置施力装置，包括油 起、下钻时夹持孔内钻具，使之处于静止状态，并与 缸、传力杆、复位弹簧、球珠、上卡瓦座、下卡瓦座、插 液压卡盘配合实现机械拧、卸钻杆。常用的夹持器 销定位轴、拉杆、拉杆弹簧、定位板、上挡板、下挡板、 通常分为常闭式和常开式。常闭式夹持器多为靠弹 前挡板、后挡板。拉杆弹簧套装在拉杆上，复位弹簧 簧夹紧、液压松开。为了获得大的夹紧力和较大的 套装在传力杆上，传力杆两端装有球珠，分别与活 开口量，通常要选用较大规格和较多个数的弹簧构 塞、上卡瓦座和下卡瓦座形成球面接触。上卡瓦座 成。同时，为了可靠地打开夹持器，还需要配置较大 与下卡瓦座通过贯穿于前挡板与后挡板的插销定位 的油缸，以产生大于碟形弹簧张力的油缸推力。这 轴铰接。拉杆通过定位板上的导向孔与上卡瓦座、 样就使夹持器的结构尺寸较大，在坑道钻机上使用 下卡瓦座螺纹连接。调节拉杆在上卡瓦座、下卡瓦 受到了一定的限制。 座内的螺纹旋人深度可以改变拉杆弹簧的回弹预紧 常开式夹持器多为靠油缸夹紧、弹簧松开。为 力。夹持器的传力杆、球珠、卡瓦座和插销定位轴 了保证夹持器的夹紧力，通常要选用较大的油缸或 采用高的系统压力。由于背压的存在，油缸过大，会 、 ＼ 』 ／ 耄 发生弹簧回弹力不足，夹持器打开困难。这就要求， —— ｆ 保证油缸一定大小的前提下，设置增力机构，达到小 油缸能够产生大的夹紧力的目的。这样，既能保证 ／ 、获得所需要的夹紧力，还不会影响到夹持器的顺利 ）一 打开 ＿ ／ 争Ｉ 彤 篝： ＼ ｌ 、 １夹持器的设计 定位板 后挡板 Ｆ挡板 １．１ 结构型式 图１夹持器结构示意图 收稿日期：２０１３—０８—２７；修回日期：２０１３—１１—２０ 基金项目：科研院所技术开发研究专项“松软突出煤层钻进装备研发”（２０１１ＥＧ１２２２０４） 作者简介：刘智（１９８２一），男（汉族），内蒙古乌海人，中煤科工集团西安研究院实习研究员，机械工程专业，硕士，现从事煤矿坑道钻机的设 计研发工作，陕西省西安市高新区锦业一路８２号，ｌｉｕｚｂｉ０３０１９１＠ｓｉｎａ．ＣＯＩＴＩ。 ６２ 探矿工程（岩土钻掘工程） ２０１４年第４１卷第２期 组成了一套增力装置。通过该增力装置，可以把油 缸产生的夹紧力转化为较大的夹紧力，可有效保证 钻杆夹紧的可靠性。 １．２增力原理 如图２所示为夹持器夹紧钻杆时的状态，此时 卡瓦座受到油缸的推力Ｆ以及卡瓦的反作用力 的 作用，达到受力平衡。根据力矩平衡原理ＦＬ＝ｉｓ 得 厂＝ＦＬ／ｓ。由于Ｌ＞ｓ，所以．厂＞Ｆ，达到增力目的。 图２增力原理不意图 １．３工作过程 １．３．１夹紧钻杆操作 设计为常开式夹持器。通过向液压缸内供油， 在液压力的作用下推动活塞运动。活塞将力传递给 球珠、传力杆，推动上、下卡瓦座绕插销定位轴运动， 夹紧钻杆。同时，复位弹簧和拉杆弹簧被压缩。 １．３．２松开钻杆操作 停止向油缸内供油，拉杆弹簧的回弹力将卡瓦 座、球珠和传力杆之间顶紧，复位弹簧将活塞推回到 初始位置。复位弹簧和拉杆弹簧相互配合作用将活 塞复位。上、下卡瓦座绕插销定位轴反向运动，松开 钻杆 ２设计计算 ２．１夹持能力计算 夹持器在工作过程中，受力情况比较复杂，通常 要受到钻杆自重以及回转器产生扭矩的影响。同 时，最大夹持力是要克服上述力作用的同时还要克 服夹持器内部弹簧的预紧力。因此，需分别计算出 上述力的大小然后求出夹持器必须能够达到的最大 夹持力。 （１）克服钻杆自重所需要的夹紧力Ｆ ： ＝ ４ ０ ３ ３３２ Ｎ ｎ“ ×． 式中：ｍ——钻进３００ ｍ所需钻杆的根数，ｍ＝２０； Ｑ——单根钻杆的质量，Ｑ＝４１ ｋｇ； ——钻孔的最 大倾角，ｏｃ＝±１５。；ｎ——卡瓦与钻杆的摩擦副数， ＝４； ——钻杆与卡瓦的摩擦系数， ＝０．３。 （２）克服回转器最大转矩所需要的夹紧力Ｆ ： Ｆ．：Ｊ’一，‘ ｄｎ／ 一ｘ ８９×１０ ：— ≤ ０ ＇ ×４×０．３ －一：９一 ３６３３ Ｎ 式中： 一回转器最大转矩，Ｍ＝５０００ Ｎ・ｍ； ——钻杆直径，ｄ＝８９ ｍｍ。 （３）克服弹簧的回弹力所需要的夹紧力 ： Ｆ３＝ｎｋｘ＝４ Ｘ １９７．０３×２３：１８１２７ Ｎ 式中： ——弹簧根数， ＝４； ——弹簧刚度系数，ｋ ：１９７．０３ Ｎ／ｒａｍ； ——弹簧压缩量， ＝２３ ｍｍ。 （４）油缸应产生的最大夹紧力Ｆ Ｆ总＝Ｆ＋Ｆ３ Ｆ＝ｆ／ｚ 式中：Ｆ——转化为厂所需的油缸应产生的力；－卜 克服钻杆自重及回转器最大转矩所需的夹紧力 厂＝ ，／ｐ１ ＋Ｆ２ ＝９５２５３ Ｎ；ｚ——增力系数，ｚ＝２．１４。 计算得：Ｆ ：６２６３８ Ｎ。 ２．２缸简直径的选取 夹持器设计系统压力Ｐ为２１ ＭＰａ，根据公式可 计算出缸筒的最小直径： ＝√ ＝ ＿６１．６４ ｍｍ 式中：Ｆ总——油缸应产生的最大夹紧力，Ｆ总＝ ６２６３８ Ｎ；Ｐ——夹持器系统压力，Ｐ＝２１ ＭＰａ。 考虑到安全系数，最终选定缸简直径为８０ ｍｍ。 ２．３弹簧的选取 保证弹簧具有足够的回弹力是该夹持器能够正 常工作的关键。夹持器将钻杆夹紧后，停止高压油 的供给，系统背压的存在会使夹持器缸体不会及时 回到初始位置。各弹簧回弹力的总和要保证能够克 服系统的背压作用于油缸上产生的推力。设计中， 选定以下条件为弹簧的初始条件：安装载荷Ｆ ＝ １０００ Ｎ，安装高度Ｈ ＝９４．００ ｍｍ，工作载荷Ｆ２ ＝ ３０００ Ｎ，工作行程ｈ＝１２ ｍｍ，钢丝直径ｄ＝１０．０ ｍｍ，弹簧中径Ｄ＝４５．００ ｍｍ，材料名称为碳素弹簧 钢丝ｃ级，端部型式Ｙ Ｉ，压并圈数ｎ， ＝１～２．５。 为了使设计可靠，考虑各种摩擦力的因素，取弹簧的 工作载荷为３０００ Ｎ。 通过软件计算，最终得出弹簧的设计参数为：自 由高度Ｈｏ＝１０４．１５ ｍｍ，工作高度Ｈ２＝８４．００ ｍｍ， 压并高度ＨＩ ＝６５．００ Ｉｎｍ，节距Ｐ＝１８．１２ ｍｍ，螺旋 角 ＝７．３１。，刚度 ＝１９７．０３ Ｎ／ｍｍ，弹簧展开长度 Ｌ＝９１８．９１ ｌ＇ｌ＇ｌｍ ２０１４年第４ｌ卷第２期 探矿工程（岩土钻掘工程） ６３ 夹持器完全打开时弹簧的变形量最小，与之对 应的最小回弹力为： Ｆ ｉ ＝ｎｋｘ＝４ Ｘ １９７．０３×１０．１５＝８０００ Ｎ 缸的直径，避免了由于背压的存在夹持器打开困难 的问题。同时，也使夹持器在保证足够夹紧力的前 提下大大缩小了外形尺寸。该夹持器成功的运用于 ＺＤＹ５０００Ｒ钻机上。出厂检测过程中，最大转矩达 式中： ——弹簧的刚度系数； ——极限位置时弹簧 的压缩量。 到６１３２ Ｎ・ｍ，钻杆无转动，夹持器无损坏。工业性 试验累计进尺１ １２３６ ｍ，现场应用表明，夹持器灵活 夹持器打开过程中，弹簧需要克服的阻力为系 统背压产生的夹紧力： Ｆ阻＝ＰＳ＝Ｐｗｄ ／４ ＝可靠、夹紧力大，完全满足ＺＤＹ５０００Ｒ型全液压钻机 的使用要求。 参考文献： ［１］殷新胜，田宏亮，姚克，等．ＺＤＹ６０００型履带式全液压坑道钻机 的研制［Ｊ］．金属矿山，２００７，（】２）：９４—９６． ［２］ 邬迪，孙保山，方鹏，等．ＺＤＹ８５０Ｓ型煤矿用全液压坑道钻机的 设计［Ｊ］．煤矿机械，２０１１，（１２）：３６—３８． ［３］凡东，庞海荣，姚亚峰．全液压夹持器的设计与分析［Ｊ］．煤炭 工程，２００６，（５）：７—８． ５０００００×３．１４×０．０８ ／４ ２５１２ Ｎ ＝式中：Ｐ——系统背压，取Ｐ＝０．５ ＭＰａ；ｄ——夹持器 缸筒直径，ｄ＝８０ ｍｍ。 可以看出，Ｆ ｉ ＞Ｆ阳，弹簧的回弹力能够顺利打 开夹持器，实现松开钻杆的操作。 ３结语 ［４］冯德强．钻机设计［Ｍ］．湖北武汉：中国地质大学出版社 １９９３． 在夹持器内部设置增力装置，有效地减小了油 ［５ ３李世忠．钻探工艺学［Ｍ ３．北京：地质出版社，１９８９． （上接第５５页） （５）该组合取心钻具可大幅提高复杂地层岩矿 心采取率，确保取心质量好，岩矿心完整度好，具有 较好的推广应用价值。 参考文献： ［１］汤凤林，Ａ．ｒ．加里宁，段隆臣．岩心钻探学［Ｍ］．湖北武汉：中 国地质大学出版社，２００９． ［２］鄢泰宁．岩土钻掘工程学［Ｍ］．湖北武汉：中国地质大学出版 社，２００６． 在钻具总成上改变水流通道，增加喷射反循环装置， 并与底喷分流钻头、爪簧、三合管有机组合，改进后 的钻具结构简单合理，并与常规￥９５绳索取心钻具 互换性好。 （２）该组合取心钻具采用三合管取心机构，容 纳岩心的半合管装在内管内，退心时用水压推出，使 松软、破碎地层的岩矿心退出工作更为方便快速，并 避免了对岩矿心的扰动。 （３）该组合取心钻具通过调节喷距Ｓ和泥浆泵 泵量可调节反循环流量，防止冲蚀岩矿心和导致岩 矿心次序颠倒混乱。 ［３］ 王扶志，张志强，宋小军．地质工程钻探工艺与技术［Ｍ］．北 京：地质出版社，２０１０． ［４］ 刘成才．喷射式局部反循环绳索取心钻具［Ｊ］．探矿工程（岩土 钻掘工程），２００８，３５（９）：３５—３６． ［５］易亚东，孙洪义．￥７５ＰＦ绳索喷射式孔底反循环钻具简介［Ｊ］． 西部探矿工程，２００３，１５（４）：１３８—１３９． （４）该组合取心钻具适应性广，可使用清水、无 固相、低固相冲洗液，在各类地层中应用。 我国发现最大单体海相整装气藏 《中华工商时报》消息（２０１４—０２—１１） 国内单体规模 最大的特大型海相碳酸盐岩整装气藏，在四川盆地被勘探发 现。 石油先后部署的高石１井、磨溪８井，获得超过百万立方米 的高产天然气。 国土资源部评审专家组强调，此气藏勘探突破并丰富了 古隆起形成和演化、油气运移和成藏等油气地质理论，开辟 了四川盆地寻找大气田的战略新领域，对推进我国天然气工 业快速发展具有重要意义。 据中国石油方面披露，此气藏平均单井测试日产达到 １１０万ｍ ，投产气井平均日产达到６０万ｍ 。 此气藏位于安岳气田，储量规模、含气面积双大且气井 产量、气藏压力双高。据了解，经国土资源部审定，其天然气 探明地质储量４４０３．８５亿ｍ ，技术可采储量３０８２亿ｍ 。 该地区的勘探始于上世纪５０年代。多年来，中国石油 持续技术攻关，在风险探井中屡获佳音。步入２０１１年，中国