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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。

5 防止大钳打滑或啃钻具的改进措施

通过以上分析,了解了液力大钳打滑及啃钻具的原因,在牙轮钻的实际使用中,我们采取了以下几点改进措施,液力大钳的使用情况有了明显改善:

(1)对液压大钳的各部位进行调整,组装时严格按要求找准钻具中心,确保钳口工作时与钻具同轴;

(2)改变卡爪的结构形式,将卡爪与钻杆的接触面加工成弧面,保证其与钻杆能够良好地接触,增大受力面积,从而提高钻杆表面抗压强度;

(3)在组装钻杆时,根据情况在钻杆间加一块1.5~2 mm的钻杆垫片(Q235材料)。钻杆回转中,如果主要靠螺纹受力,而不是靠螺纹端面受力,就会越拧越紧,导致螺纹变形、卸扣困难,加上垫片后可以很好地解决这一问题;

(4)根据实际使用情况合理调节顺序阀B的设定压力,在确保卸扣扭矩的前提下,适当调低顺序阀B的设定压力。

实践证明,对液力大钳的技改措施是可行的,作业更加可靠,功效大大提高,降低了劳动强度,提高了机械化作业水平,为以后同类的技改创新积累了宝贵的经验。

[1] 徐 灏.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,1991.

2011-07-15)

曾汉东(1968-),男,助理工程师,现从事机械设备及技术管理工作,Email:13451074345@163.com。

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