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某型巖心鉆機(jī)是一種典型的機(jī)械傳動(dòng)液壓給進(jìn)立軸式巖心鉆機(jī)，具有轉(zhuǎn)速范圍廣與級(jí)數(shù)多的特點(diǎn)，主要用于地表及坑道對(duì)固體礦床的金剛石、硬質(zhì)合金鉆探，此外還適用于工程地質(zhì)勘察，以及淺層石油、天然氣、地下水鉆探等。該鉆機(jī)上的回轉(zhuǎn)器通過兩只半圓壓圈安裝于分動(dòng)箱上，通過松動(dòng)壓圈螺母還可在360°范圍內(nèi)對(duì)鉆孔傾角做任意調(diào)整。液壓卡盤作為回轉(zhuǎn)器實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)功能的關(guān)鍵部件，無論在正常鉆進(jìn)時(shí)還是在深孔鉆進(jìn)或強(qiáng)力起拔鉆進(jìn)時(shí)，上卡盤均需提供鉆桿鉆進(jìn)所需的大部分夾持力。由于上卡盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)在工作時(shí)受力復(fù)雜且不易觀察，為了能更好地揭示液壓上卡盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及碟形彈簧組件在工作時(shí)的變形情況，采用CATIA軟件對(duì)己構(gòu)建的夾持鉆桿的液壓上卡盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模和強(qiáng)度分析。
1.卡盤結(jié)構(gòu)與工作原理
巖心鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)如圖所示，液壓卡盤的主要功能是夾緊鉆桿，向鉆桿傳遞鉆機(jī)的轉(zhuǎn)矩及軸向力，以完成鉆具的回轉(zhuǎn)、給進(jìn)和起拔。一般液壓卡盤分為彈簧夾緊油壓松開式、油壓夾緊彈簧松開式和油壓夾緊油壓松開式3種。該型鉆機(jī)所采用的液壓卡盤為彈簧夾緊油壓松開式，其上卡盤結(jié)構(gòu)如圖所示。這類卡盤利用壓力油做夾緊域松開的動(dòng)力，通過設(shè)備中間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，改變力的方向和大小，最終使卡瓦執(zhí)行夾緊域松開動(dòng)作。
2.液壓上卡盤的三維建模及裝配
在CATIA平臺(tái)上利用零部件設(shè)計(jì)模塊和曲面設(shè)計(jì)模塊，完成了液壓上卡盤各零部件三維建模，如圖所示。
零部件建模完成后，利用CATIA軟件的裝配設(shè)計(jì)模塊完成上卡盤零部件的裝配。裝配設(shè)計(jì)模塊是幫助設(shè)計(jì)者用自上而下或自下而上的方法定義和管理多層次的大型裝配模塊。此次構(gòu)建的上卡盤裝配體主要由卡瓦座、碟形彈簧、卡瓦體、卡圈、壓板、活塞及卡盤外殼等組成。裝配體以六方立軸為基準(zhǔn)件，按自下而上的裝配次序，依次導(dǎo)入所需零件完成裝配設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)工具欄、移動(dòng)工具欄、約束工具欄湘合、平面接觸、偏移和固定、更新工具欄以及干涉分析，最終完成上卡盤的裝配。為了更好地顯示裝配件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)外殼的透明度進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，最終設(shè)計(jì)結(jié)果如圖所示。
3.液壓上卡盤的強(qiáng)度分析
3.1.液壓上卡盤強(qiáng)度的理論校核
在液壓上卡盤工作過程中，碟形彈簧是主要工作部件，它在壓力和自身彈力的相互作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這使得每塊彈簧鋼板對(duì)穩(wěn)定性和抗斷裂能力均有極高的要求。若不能滿足要求，就會(huì)造成液壓卡盤夾持無力而打滑，因此，碟形彈簧能否承受液壓系統(tǒng)的壓相同的碟形彈簧片正反交替套在卡瓦座外圓上，卡圈套在其上。卡盤夾緊時(shí)，彈簧的工作壓力約為63700 N，碟形彈簧的受力面積約為190 cm，卡盤松開時(shí)需克服的碟形彈簧工作壓力約為3.4 MPa。
從結(jié)構(gòu)上分析，上卡盤中的彈簧是由9片完全相同的碟形彈簧片正反交替套在卡瓦座外圓上，卡圈套在其上�？ūP夾緊時(shí)，彈簧的工作壓力約為63700N，碟形彈簧的受力面積約為190 cm²，卡盤松開時(shí)需克服的碟形彈簧工作壓力約為3.4 MPa。
在上卡盤放松立軸的過程中，卡圈與楔形角為6°的壓板之間會(huì)產(chǎn)生一定的摩擦力。壓板采用銅合金ZQAL-4，銅與鋼之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)f=0.03，卡圈與壓板及卡瓦座之間的滑動(dòng)摩擦阻力為0.3 MPa。
某型巖心鉆機(jī)液壓系統(tǒng)配給的BC33/80型齒輪油泵所提供的工作壓力為8 MPa，最高壓力為12 MPa，具體參數(shù)如表所列。該鉆機(jī)液壓系統(tǒng)采用1組多路換向閥作為操縱閥。在該液壓系統(tǒng)中，進(jìn)入上卡盤的工作油經(jīng)過多路換向閥內(nèi)的三位四通手動(dòng)換向閥直接進(jìn)入液壓卡盤，無回油管路。采用1根油管完成卡盤的松緊動(dòng)作控制，具有動(dòng)作時(shí)間短和操作靈活的特點(diǎn)。采用多路換向閥控制的復(fù)雜中高壓系統(tǒng)存在1.2-3.0 MPa的背壓；另外，受到摩擦損耗及其他因素的影響，液壓上卡盤松開時(shí)的實(shí)際壓力降為5.0-5.5 MPa。與上卡盤松開時(shí)需克服碟形彈簧的壓力3.4 MPa相比，液壓系統(tǒng)給予上卡盤最小5 MPa的壓力己足夠松開碟形彈簧組件，能保證液壓上卡盤正常工作。
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