KY－250D牙轮钻机液力大钳受力分析及改进措施

2011-11-16曾汉东

采矿技术 2011年6期

关键词：卡爪牙轮液力

曾汉东

(大冶有色金属股份有限公司铜山口铜矿，湖北黄石市 435122)

KY－250D牙轮钻机液力大钳受力分析及改进措施

曾汉东

(大冶有色金属股份有限公司铜山口铜矿，湖北黄石市 435122)

对KY－250D牙轮钻液力大钳在实际使用过程中打滑和啃钻具的原因进行了分析，并提出了改进措施。

牙轮钻机;液力大钳;工作原理;改进措施

0 前言

铜山口铜矿是大冶有色金属股份有限公司的主要生产矿山之一，露天采场的穿孔作业主要采用KY－250型和YZ－35型牙轮钻。2010年初，我矿从南昌凯马有限公司购进一台KY－250D型牙轮钻机，穿孔直径250 mm，标准孔深17.5 m。为了实现钻具的自动拆卸，减轻工人劳动强度，该机配备了一台液力大钳，安置在钻架小平台上，替代了原来依靠人工操作的B型吊钳，进一步实现了机械化操作。

由于钻具经过长期旋转工作后，钻具的联接螺纹扣拧的太紧，以致在卸钻具时，仅仅依靠回转小车自身的动力根本无法松卸螺纹扣，此时可借助于液力大钳进行辅助卸扣。但是，在实际使用中，该装置有时不能很好地完成卸扣作业，主要表现为:

(1)大钳打滑，不能松开钻具;

(2)卡爪啃钻具，造成钻杆损伤。

根据以上现象，有必要对液力大钳的受力情况进行分析，以便进行改进，更好地发挥其使用功能。

1 液力大钳的机械构造

液力大钳由支座、大臂、转臂、钳臂、卡爪及3个油缸组成(见图1)，通过各部件的相互配合，使卡爪能够将钻杆可靠地锁住并旋转，完成卸扣作业。

图1 液力大钳示意

2 液力大钳的液压控制

大钳由安置在司机室内的手动阀远程操作，在液压系统中为大钳的3个油缸共设置了4个顺序阀，分别控制3个油缸的动作顺序(见图2)。

图2 液力大钳液压原理

其工作原理是:当操纵杆前推时，A腔进油，首先由大臂油缸将大钳移到钻孔中心，使卡钳的两个卡爪与钻杆靠紧;然后当系统压力上升到8 MPa时，顺序阀A联通，使抱紧油缸动作，推动钳臂将钻杆抱紧;最后当系统压力上升到12～17 MPa时(实时调整)，顺序阀B联通，使卸扣油缸推动转臂绕钻具中心旋转，依靠3个卡爪与钻具之间的摩擦力，将螺纹松开。螺纹松开后将操纵杆向后拉，B腔进油，抱紧油缸活塞杆首先缩回，松开卡爪，然后当系统压力上升到8 MPa时，顺序阀C联通，卸扣油缸收回，最后当系统压力上升到10 MPa时，顺序阀D联通，大臂油缸活塞杆缩回，大钳退回原位，完成一个动作循环。

3 液力大钳完成作业的力学分析

从以上工作原理中可以看到，要使液力大钳能将钻具的连接螺纹顺利松开，关键取决于两点:一是卸扣油缸B的推力与转臂产生的转动扭矩M1不小于使钻具螺纹松开的最小扭矩Mf;二是卡爪与钻具表面的摩擦力矩M2不小于使钻具螺纹松开的最小扭矩Mf。即:

由图3可见:

根据杠杆平衡原理:

抱杆摩擦力 Ff=μN2(μ=0.15)

因此:M2=FfD=μPAⅢL2/L3D

式中:P——油压力;

A——油缸活塞面积，根据实际测量，AⅡ=12271 mm2，AⅢ=20096 mm2。

图3 液力大钳工作受力分析

卸扣油缸即将动作时:

M1=PAⅡL1=P×12271×554=6798P(N·m);

M2=μPAⅢL2/L3D=0.15×P×20096×208/225×219=610P(N·m)。

由此可见:转动扭矩M1远大于抱杆的摩擦力矩M2。因此，要使大钳正常作业，只要满足 M2≥Mf，即:Mf≤610P(N·m)。

Mf主要由螺纹旋合所产生。钻杆接头螺纹是圆锥螺纹，其最佳旋合位置应是内外螺纹基面重合时，两者端面贴紧。由于钻杆存在一定的加工误差与变形，特别是钻机工作一段时间后，在轴压及小车扭矩的作用下，螺纹的旋合力矩很大。根据经验数据，一般Mf不大于回转小车最大回转扭矩的60%，KY－250D钻机的最大回转扭矩为15000 N·m，所以，一般Mf≤9000 N·m。可见，要求系统压力P≥9000/610=14.75 MPa，因此，可将系统压力设定为P=12～17 MPa，具体可根据实际情况调定。

4 卡爪啃钻具的力学分析

在液力大钳的实际卸扣作业中，经常由于卡爪不能可靠地将钻杆锁住而造成打滑，从而造成对钻杆的损伤。设系统压力调定为17 MPa，由上述分析可知，作用在单个卡爪上的正压力为:N=PAⅢL2/L3=17×20096×208/225=315820 N=31582 kg;根据零件尺寸，单个卡爪的接触面积为∑A=18 cm2;那么作用在钻杆表面的压强为σ=N/∑A=1754.5 kg/cm2;钻杆材质为35CrMo，其抗压屈服强度σs=5000 kg/cm2。可见钻杆的抗压强度是足够的。

但是，实际使用中，液力大钳的3个卡爪形成的圆及其与钻杆中心的重合度是有误差的，且卡爪与钻杆的接触面为平面，因此卡爪与钻杆的接触并不均匀，当接触面积小于35%时:σ=N/(∑A×35%)=5013 kg/cm2＞σs，此时就会发生卡爪啃钻具的现象。