液压卡盘称重质量的设计与计算

朱冬钰 王海镔

（连云港黄海机械股份有限公司，江苏 连云港 222062）

1 前言

液压卡盘是岩心钻机回转系统中的主要部件之一，一般采用大碟簧卡紧、液压松开、三卡瓦自动定心式卡盘。液压卡盘（图1）是由卡瓦座、碟簧、活塞、油缸外壳、支撑套、卡圈、卡瓦、螺母、防护罩、护盖、传扭套等组成。

其用于夹紧钻机上的钻杆，并向钻杆传递轴向力，驱动钻具实现给进，以实现钻具的称重、加压钻进、减压钻进等三种不同的工艺要求。本次讨论其中一种工作方式钻具称重。

2 工作原理

卡盘油缸内液压油处于无压力状态。此时碟形弹簧靠其预紧力将卡圈顶起，卡圈通过51138推力球轴承带动活塞上升，卡瓦在压板的带动下沿水平方向作向心运动，从而达到卡紧钻杆的目的。卡盘油缸内液压油处于有压力状态，此时状态正好与无压力状态相反，达到松开钻杆的目的。

3 钻具称重的计算

3.1 钻具称重

首先将钻具提离孔底，再将液压操纵阀的立轴给进控制阀手柄置于“称重”位置上且完全关闭给进控制阀的针阀，调整多路换向阀手轮使系统压力为零，此时给进油缸的上腔与油箱相通，下腔被封闭，钻具重量完全被下腔油压所平衡，此时孔底压力指示器静盘上指针指示的簧色刻度值即为钻具重量。

3.2 钻具称重的计算

液压卡盘夹紧钻杆时，由碟簧推动卡圈，卡圈推动卡瓦对钻杆施加正向压力，由静摩擦力使钻杆保持平衡，受力分析如图2液压卡盘受力分析图所示。

（a）对卡圈的受力分析

径向力：

其中：

F推为碟型弹簧向上的作用力；

N（牛顿）为卡瓦作用于卡圈的反作用力；

f1为滑动摩擦系数；

α为卡瓦斜面半锥角。

（b）对卡瓦的受力分析径向力：

轴向力：

其中：

Q（牛顿）为钻杆的夹紧力；

f1=f2为滑动摩擦系数；

T（牛顿）为卡瓦座作用于卡瓦的反作用力。

其中式（2）-式（3）得：

由式（1）带入式（4）得：

其中：

n为蝶形弹簧的个数；

P（牛顿）为单个弹簧的载荷；

E（MPa）为弹性模量；

t（mm）为碟簧厚度；

K4、K1为计算系数；

f（mm）为单片碟簧的变形量；

h0（mm）为碟簧的极限变形量；

u为泊松比；

D（mm）为碟簧的外径。

该公式由设计手册查出。

（c）对钻杆的受力分析

轴向力：

其中：

G（kg）为钻杆的自重；

f3为钻杆与卡瓦之间的滑动摩擦系数。

设计卡盘时必须保证G≤f3Q；使钻杆由静摩擦力驱动。

结论

图1 液压卡盘装配图

图2 液压卡盘受力分析图

在设计液压卡盘时，对于称重质量的计算，更好地确定钻机的钻进的能力，从而使钻机更加可靠，不会出现打滑的现象，称重也是为岩心钻机减压和加压钻进的前提步骤。通过以上工作原理的分析，使我们更加直观的了解液压卡盘的内部构造；通过钻具称重能力计算，为我们提供了液压卡盘重要的的设计理论依据。

[1]成大先.机械设计手册（第四版 第1卷）[M].北京：化学工业出版社，2002.

[2]成大先.机械设计手册（第四版 第3卷）[M].北京：化学工业出版社，2002.

[3]刘鸿文.材料力学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2004.