張廣闊

摘要：復(fù)合式液壓動(dòng)力頭設(shè)計(jì)，必須掌握動(dòng)力頭當(dāng)前應(yīng)用情況，結(jié)合傳統(tǒng)動(dòng)力頭形式以及使用特點(diǎn)，積極應(yīng)用到復(fù)合式液壓動(dòng)力頭設(shè)計(jì)研究中，由此達(dá)到提高改善動(dòng)力頭不足，提高動(dòng)力頭使用效率的目的。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力頭;減速器;卡盤式;主動(dòng)鉆桿式

0? 引言

復(fù)合式液壓動(dòng)力頭設(shè)計(jì)，是對(duì)全液壓動(dòng)力頭的升級(jí)與優(yōu)化。動(dòng)力頭在很多行業(yè)均有涉及，例交通運(yùn)輸業(yè)、建筑施工行業(yè)以及煤礦開(kāi)采行業(yè)等。動(dòng)力頭是鉆機(jī)的關(guān)鍵組成，直接關(guān)系到鉆機(jī)正常工作，鉆進(jìn)的速度與效率，同時(shí)還影響到鉆機(jī)的使用壽命。動(dòng)力頭設(shè)計(jì)中，復(fù)合液壓設(shè)計(jì)，是科學(xué)調(diào)整機(jī)械能與液壓能，增加鉆進(jìn)動(dòng)力，很好的打破阻力限制，通過(guò)介質(zhì)通道為載體，確保鉆機(jī)安全運(yùn)行，提高鉆進(jìn)效率。當(dāng)前復(fù)合液壓動(dòng)力頭設(shè)計(jì)還在不斷創(chuàng)新，必須結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)一步調(diào)整，由此得到更適合的動(dòng)力頭。

1? 動(dòng)力頭應(yīng)用與設(shè)計(jì)現(xiàn)狀剖析

動(dòng)力頭的應(yīng)用需要依附于鉆機(jī)，鉆機(jī)應(yīng)用范圍廣，選擇適當(dāng)?shù)膭?dòng)力頭，提升鉆機(jī)鉆進(jìn)速度，否則鉆進(jìn)效率下降，鉆機(jī)運(yùn)行受阻，甚至還會(huì)損壞鉆機(jī)結(jié)構(gòu)，縮短鉆機(jī)應(yīng)用壽命。由此可以發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力頭對(duì)鉆機(jī)至關(guān)重要。當(dāng)前動(dòng)力頭主要包括兩種形式，一種為液壓卡盤式，另一種為主動(dòng)鉆桿式。

其中卡盤式，主要通過(guò)旋轉(zhuǎn)配有套，在液壓作用下將油供輸至動(dòng)力頭卡盤位置，隨后鉆桿被卡盤夾住，這樣一來(lái)在摩擦力作用下鉆桿之間荷載相互傳遞，從而實(shí)現(xiàn)鉆桿鉆進(jìn)運(yùn)行。液壓卡盤式動(dòng)力頭在實(shí)際應(yīng)用中，在裝拆方面效率比較高，并且整體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的操作等，這些都是重要優(yōu)勢(shì)。但是在實(shí)際應(yīng)用中存在一些不足，雖然能夠自動(dòng)供油，泄漏問(wèn)題嚴(yán)重，加上本身的單位直徑影響，扭矩比較小，所以鉆進(jìn)力度不足，使用壽命短，不適合大孔徑鉆削操作[1]。而主動(dòng)鉆桿式，其應(yīng)用原理主要根據(jù)鉆桿螺紋完成鉆進(jìn)操作。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相較于卡盤式，其扭矩比較大，鉆進(jìn)速度快，適用于任何類型的鉆進(jìn)操作。但是實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)樾枰ㄟ^(guò)雙夾持器才能完成拆卸，所以增加了拆卸時(shí)間。加上鉆機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)講比較復(fù)雜，占用空間大，鉆桿主要通過(guò)人工進(jìn)行拆卸，相對(duì)來(lái)講比較繁瑣。而復(fù)合式液壓動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)，主要是將這兩種形式綜合，科學(xué)規(guī)避不足，充分發(fā)揮動(dòng)力頭優(yōu)勢(shì)[2]。

2? 復(fù)合式液壓動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)

2.1 承載載荷研究設(shè)計(jì)

對(duì)于復(fù)合式液壓動(dòng)力頭設(shè)計(jì)，必須掌握動(dòng)力頭使用期間的載荷傳遞方式，這樣才能更好的進(jìn)行設(shè)計(jì)。動(dòng)力頭載荷傳遞，包括螺紋連接載荷與卡盤夾持載荷。其中螺紋連接載荷形式主要涉及到減速器，以其為載體及時(shí)傳遞載荷到鉆機(jī)的主軸，在載荷作用下完成鉆桿連接?？ūP夾持載荷同樣經(jīng)過(guò)鉆機(jī)主軸，但是傳遞方向?yàn)榭ūP，載荷傳遞的主要?jiǎng)恿槟Σ亮?。載荷傳遞兩種形式前期均為液壓能、馬達(dá)液壓、減速器、主軸、配油套。從主軸位置劃分兩種傳遞途徑[3]。

動(dòng)力頭載荷研究分析過(guò)程中，從傳遞角度出發(fā)，主軸以及鉆桿等是關(guān)鍵承載點(diǎn)，承載力最小位置為額定扭矩位置。掌握這些情況后，準(zhǔn)確對(duì)主軸承載扭矩進(jìn)行計(jì)算，為復(fù)合式液壓動(dòng)力頭設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。其中涉及到主軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣性模量，為IP;危險(xiǎn)斷面半徑，為R;材料剪切應(yīng)力，為τ。具體計(jì)算公式如下：T=IPRτ。

隨后進(jìn)行承載載荷計(jì)算，主要針對(duì)鉆桿，動(dòng)力頭載荷計(jì)算期間，以剛性連接載荷為主，期間還要注意聯(lián)接副強(qiáng)度，避免受到結(jié)構(gòu)影響載荷計(jì)算準(zhǔn)確性[4]。保證鉆桿結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性，結(jié)合載荷傳遞的具體特點(diǎn)，選擇沖擊式鉆進(jìn)模式。因?yàn)殂@桿的薄弱部位便是螺紋，受到其強(qiáng)度的影響，此環(huán)節(jié)的承載力最大。

鉆桿必須計(jì)算許用扭矩，選擇螺紋位置，涉及到螺紋螺距、當(dāng)量直徑以及許用強(qiáng)度，分別為t、d、σ。計(jì)算公式為：

M=（注：M為許用扭矩）

計(jì)算卡盤承載載荷，因?yàn)槠鋫鬟f方式為接觸式，所以在傳遞過(guò)程中受到摩擦推進(jìn)，從而完成傳遞，與鉆桿載荷傳遞不同，其屬于柔性傳遞。整體變化平穩(wěn)，并且減振理想，計(jì)算卡盤扭矩，主要涉及到硅膠套卡盤長(zhǎng)度L、軸向推力N、有效直徑？準(zhǔn)、摩擦因數(shù)μ、直徑D。計(jì)算公式為：

根據(jù)以上公式可以發(fā)現(xiàn)，卡盤扭矩受到摩擦以及動(dòng)力頭等的影響出現(xiàn)變化。其中鉆桿與卡盤的扭矩關(guān)系為正比，在單位直徑不變的情況下，扭矩始終處于恒定狀態(tài)。

通過(guò)上述內(nèi)容了解到動(dòng)力頭設(shè)計(jì)影響因素。正常使用動(dòng)力頭，將減速器造成的損失排除，由此重新對(duì)液壓馬達(dá)以及鉆桿承載力等關(guān)系進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)液壓馬達(dá)扭矩My以及減速比i與主軸承扭矩T、鉆桿承載載荷M、卡盤承載載荷S的關(guān)系為MyiT，則主軸軸承會(huì)出現(xiàn)失效;Myi>S，則鉆桿會(huì)出現(xiàn)失效;同理Myi>M，則卡盤扭矩出現(xiàn)異常，鉆進(jìn)被迫終止。由此可以發(fā)現(xiàn)，鉆桿傳遞受到主軸以及動(dòng)力頭強(qiáng)度影響，而卡盤式則受影響因素多元化，鉆機(jī)的壓力、鉆桿摩擦、結(jié)構(gòu)、膠套或者配油套等影響，從而出現(xiàn)使用壽命縮短的現(xiàn)象，如此就會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力頭更換頻率增加，運(yùn)行成本隨之增加。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)壓力運(yùn)行情況與卡盤工作相關(guān)壓力變化對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者并不對(duì)等。尤其是相同的設(shè)備以及配油套等，間隙的變化或者轉(zhuǎn)速等都會(huì)影響壓力平衡。

在此基礎(chǔ)上，復(fù)合式液壓動(dòng)力頭設(shè)計(jì)期間，還需要注意嚴(yán)格控制密封間隙，必須與泄漏量之間符合對(duì)比要求，這樣才能保證配油套功能正常發(fā)揮[5]。當(dāng)然油溫以及壓力頭運(yùn)行期間的壓力等同樣也是重要影響因素，如果溫度不斷升高，則液壓油在溫度作用下黏度下降，從而導(dǎo)致泄漏量加大。結(jié)合鉆進(jìn)時(shí)間的變化，抓住可能出現(xiàn)的掉速情況，做好復(fù)合式液壓動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.2 復(fù)合式液壓動(dòng)力頭設(shè)計(jì)

了解承載載荷設(shè)計(jì)原理與影響因素后，及時(shí)進(jìn)行復(fù)合式液壓動(dòng)力頭設(shè)計(jì)?？茖W(xué)融合卡盤式與主動(dòng)鉆桿的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，通過(guò)卡盤式改善鉆桿在拆裝方面的不足，并且主動(dòng)鉆桿式將卡盤式在鉆進(jìn)方面的薄弱之處。這樣一來(lái)既可以延長(zhǎng)動(dòng)力頭的使用壽命，同時(shí)又能夠?qū)?yīng)用中卡盤作業(yè)時(shí)間縮短，與此同時(shí)還可以改善鉆進(jìn)的速度。復(fù)合式液壓動(dòng)力頭主要包括主動(dòng)鉆桿、卡盤以及主軸、主動(dòng)鉆桿固定螺母、減速器。其中減速器的主要作用是順利轉(zhuǎn)化馬達(dá)扭矩以及動(dòng)力頭運(yùn)行速度，將其調(diào)整為鉆進(jìn)使用需要的速度。主動(dòng)鉆桿的設(shè)計(jì)主要作用是傳遞鉆機(jī)鉆進(jìn)期間的載荷。主動(dòng)鉆桿固定螺母的增設(shè)，則是為了更好的固定主動(dòng)鉆桿，發(fā)揮主動(dòng)鉆桿作用，保證鉆桿、主軸載荷控制?？ūP的作用是將鉆桿固定后迅速夾緊，方便動(dòng)力頭的拆卸。

復(fù)合式液壓動(dòng)力頭設(shè)計(jì)期間需要注意，必須明確掌握載荷傳遞點(diǎn)，主要包括兩處，一處為主動(dòng)鉆桿在設(shè)計(jì)中，與主軸交接位置會(huì)采用螺母進(jìn)行固定，這樣一來(lái)就可以保證載荷在動(dòng)力頭運(yùn)行期間實(shí)現(xiàn)剛性傳遞。另一處則是卡盤位置，載荷傳遞過(guò)程中，會(huì)以卡盤為載體，將鉆桿夾緊后，為動(dòng)力頭使用拆卸提供有利條件。

結(jié)合復(fù)合式液壓動(dòng)力頭設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，其主要具有以下特點(diǎn)：

①通過(guò)卡盤的集成設(shè)計(jì)，為動(dòng)力頭提供了前置式動(dòng)力優(yōu)勢(shì)，不僅能夠自由拆卸，同時(shí)不會(huì)影響到主動(dòng)鉆桿對(duì)載荷的傳遞，并且應(yīng)用配置沖擊器，由此增加鉆機(jī)鉆進(jìn)動(dòng)力。

②科學(xué)對(duì)人工旋轉(zhuǎn)桿操作加以規(guī)避，主動(dòng)鉆桿結(jié)構(gòu)下，鉆進(jìn)載荷被科學(xué)分配，如此便可以有效提高卡盤壽命，節(jié)省零部件更換，減少控制成本。動(dòng)力頭在鉆進(jìn)操作中，卡盤始終會(huì)保持打開(kāi)模式，所以不會(huì)出現(xiàn)配油套泄露現(xiàn)象，加快動(dòng)力頭的鉆進(jìn)速度。

③縱觀傳動(dòng)鉆機(jī)的運(yùn)行，主要以卡盤為載體對(duì)載荷進(jìn)行傳遞，這樣一來(lái)不能做好沖擊式的鉆進(jìn)操作。但是復(fù)合式液壓動(dòng)力頭，則增加了拓展端口，不僅在如此，搭配沖擊器以及復(fù)位彈簧、限位套等，改變單一的鉆進(jìn)手段，增加鉆進(jìn)功能。主動(dòng)鉆桿以及主軸、固定螺母、沖擊復(fù)位彈簧、沖擊器、水辮、減速器、拉盤、沖擊限位套等的聯(lián)合，為復(fù)合式液壓動(dòng)力頭應(yīng)用帶來(lái)更多功能優(yōu)勢(shì)。

3? 復(fù)合式液壓動(dòng)力頭創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)

對(duì)于復(fù)合式液壓動(dòng)力頭設(shè)計(jì)研究，其在很多方面取得突破性的創(chuàng)新。首先是鉆進(jìn)效率方面，效率提高的同時(shí)，鉆進(jìn)的載荷增加，可以做到?jīng)_擊式鉆進(jìn)操作，鉆進(jìn)速度加快。靈活進(jìn)行鉆進(jìn)拆卸，尤其是卡盤的應(yīng)用設(shè)計(jì)，很大程度上加快了鉆桿拆卸速度。通過(guò)主動(dòng)鉆桿及時(shí)對(duì)扭矩進(jìn)行傳遞，期間不需要過(guò)多的油耗，并且不會(huì)出現(xiàn)泄露或者掉速等問(wèn)題，延長(zhǎng)動(dòng)力頭應(yīng)用壽命。

4? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，動(dòng)力頭是鉆機(jī)的重要組成，在很多行業(yè)中都有涉及?？茖W(xué)改善傳統(tǒng)動(dòng)力頭應(yīng)用中在泄漏以及使用壽命短等問(wèn)題，減少動(dòng)力頭運(yùn)行期間的磨損情況，綜合傳統(tǒng)動(dòng)力頭應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，提高鉆進(jìn)速率。

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