坑道钻机新型液压卡盘的设计

宁章磊 郭亭亭

摘 要：介绍了一种新型液压卡盘，简述了该卡盘的结构组成、主要参数的确定、相关原理。

关键词：液压卡盘；结构原理；参数确定

1 定义

钻机的轴向力和扭矩是其正常运转所需要的重要动力，为钻机的动力传递提供基础支持的则是钻杆，同时钻杆也负责为钻机施加钻研、起下钻头、在钻机运转时输送钻井液等等。而卡盘作为整体钻机结构中的主要部件，其为钻杆提供了支撑与加固的作用，提高了钻杆工作效率，同时通过为钻具施加回转等动力实现了加减压钻进和悬吊等工作。在几类特殊的全液压动力头式钻机中，卡盘还实现了机械拧卸钻杆和升降钻具。

在目前国内的钻机研究与研究开放领域，主要使用的液压卡盘大体有两种，一种为碟簧加紧液压松开的常闭式卡盘，一种是液压夹紧弹簧松开的长开式卡盘（胶囊卡盘）。碟簧加紧液压松开的常闭式卡盘虽安全性高反应灵敏，但现多采用三瓣式卡瓦，对于新型非圆钻杆（如三棱钻杆，肋骨钻杆等）不能实现加紧，限制力其使用范围；而液压夹紧弹簧松开的长开式卡盘（胶囊卡盘）虽可加持各种钻杆，但受其卡盘结构中配油套的加工精度高，其制造成本较高。本文所述卡盘由活塞、液压缸、蝶形弹簧、卡瓦（四瓣）、圆柱弹簧等组成碟簧加紧液压松开的常闭式卡盘，制造加工精度要求不高，成本低，安全性可靠，动作迅速，可加持各种异形钻具，与钻杆接触面积大，保护钻杆。

2 结构原理

本文所述卡盘由活塞、液压缸、蝶形弹簧、卡瓦（四瓣，见图2）、圆柱弹簧等组成，见图1。

蝶形弹簧装在弹簧座内，其中一端与活塞相接处，在日常的运行过程中保持着前后移动，另一端则进行固定。卡盘在处于待机状态时保持着压紧状态，而当压力油经序12进出油口进入压力油时，碟簧受到活塞左移的压缩，卡瓦则向外移动，这主要是受到了序20弹簧的作用下，同时松开钻杆；当油液通过序12进出油口回油时，活塞在碟簧压缩力的推动下右移，使卡瓦向中心移动，从而加紧钻杆。

3 基本参数确定

钻机在日常运转中进行的正常钻进以及非正常工况中使用的强力拔起会产生不同的载荷，其中的最大值则用来确定卡盘的承载力。

3.1 最大工作载荷 Pmax

如在强力起拔工矿下，卡盘负荷： Pb=α·Psmax 。式中：α-系数，α =1.25～1.6；Psmax-给进最大起拔力。正常钻进工况下 ，卡盘既要承受给进力，又要承受扭矩产生的圆周力，卡盘负荷为一合力： Pg=α·。式中：α-同上；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，Py=2Mn/d，其中Mn为回转器的工作扭矩，一般取回转器的最大输出扭矩，d为钻杆直径。将所求得的2个载荷Pb、Pg进行比较，取最大者作为最大工作载荷Pmax，即： Pmax=max{Pb，Pg } 。

3.2等效夹紧力Q

卡盘承受最大载荷Pmax所必需的夹紧力则称之为等效夹紧力，表示为： Q=Pmax / f 。该公式中：f-卡瓦与钻杆间的摩擦系数，齿瓦取f=0.3～0.5。卡盘在日常运行中可能会出现一系列突发情况，为保证卡盘工作可靠，应对突发的事故，在计算结果中还应引入安全储备系数n，一般n=1.2～1.8，则： Qn=n·Q。卡盘的夹持范围用卡瓦的径向移动量Δr表示，其数值根据所用钻杆的规格及卡瓦的类型而定，一般取Δr=1～2mm。卡瓦与推动套、活塞的受力系统采用斜面增力机构。在总体的参数设置中，对卡瓦斜面角α的设置是最主要的工作。在卡盘的夹持能力，夹持范围等基本参数为确定值的情况下，可以通过减小α角的方法来有效的减小所需的弹簧力，提升钻机的整体运作效率，但这种方法会增加推动套及活塞的移动量，导致卡盘轴向尺寸加大。综合各种因素，本文所述卡瓦斜面角取 α=15°。钻机的实际运转中，卡瓦与钻杆的咬合过程中的短暂打滑是难以避免的损耗，当卡瓦与钻杆的咬合面积达到一定值时，卡瓦齿则会抱紧钻杆。在这个过程中卡瓦齿会不断咬入钻杆，卡瓦与钻杆在接触位置接触应力不断增大，最终会导致卡瓦齿磨损破坏。卡瓦齿与钻杆的摩擦力为： F=fqS 。式中 q-卡瓦与钻杆间的接触应力；S-卡瓦与钻杆间的咬合面积。

4 结语

当卡瓦与钻杆的接触面积S越大时，卡瓦与钻杆间的摩擦力F越大，从而卡瓦与钻杆间的接触越不易打滑。四瓣均布的卡瓦使钻杆受力均匀，不易损伤钻杆。钻机加工完成后，在公司的ST9-10000试验台进行了调试和加载试验，之后在山西多个矿进行了生产性试验。试验表明卡盘的工作状态良好，达到了预期的效果。

参考文獻：

[1] 冯德强.钻机设计[M].武汉：中国地质大学出版社，1993.

[2] 胡恩杰.钻井吊钳牙板齿形的对比.石油机械，1985，13（6）；21-22.

[3] 王成.胶囊式液压卡盘的设计[J].西部探矿工程，2000，64（3）；99-100.

作者简介：宁章磊（1987-），河北邯郸人，本科，助理工程师，主任工程师，从事煤矿用钻机相关设计工作。