某型岩心钻机是一种典型的机械传动液压给进立轴式岩心钻机，具有转速范围广与级数多的特点，主要用于地表及坑道对固体矿床的金刚石、硬质合金钻探，此外还适用于工程地质勘察，以及浅层石油、天然气、地下水钻探等。该钻机上的回转器通过两只半圆压圈安装于分动箱上，通过松动压圈螺母还可在360°范围内对钻孔倾角做任意调整。液压卡盘作为回转器实现钻进功能的关键部件，无论在正常钻进时还是在深孔钻进或强力起拔钻进时，上卡盘均需提供钻杆钻进所需的大部分夹持力。由于上卡盘内部结构在工作时受力复杂且不易观察，为了能更好地揭示液压上卡盘的内部结构及碟形弹簧组件在工作时的变形情况，采用CATIA软件对己构建的夹持钻杆的液压上卡盘进行结构建模和强度分析。
      1.卡盘结构与工作原理
      岩心钻机回转器结构如图所示，液压卡盘的主要功能是夹紧钻杆，向钻杆传递钻机的转矩及轴向力，以完成钻具的回转、给进和起拔。一般液压卡盘分为弹簧夹紧油压松开式、油压夹紧弹簧松开式和油压夹紧油压松开式3种。该型钻机所采用的液压卡盘为弹簧夹紧油压松开式，其上卡盘结构如图所示。这类卡盘利用压力油做夹紧域松开的动力，通过设备中间的传动机构，改变力的方向和大小，最终使卡瓦执行夹紧域松开动作。
      2.液压上卡盘的三维建模及装配
      在CATIA平台上利用零部件设计模块和曲面设计模块，完成了液压上卡盘各零部件三维建模，如图所示。
      零部件建模完成后，利用CATIA软件的装配设计模块完成上卡盘零部件的装配。装配设计模块是帮助设计者用自上而下或自下而上的方法定义和管理多层次的大型装配模块。此次构建的上卡盘装配体主要由卡瓦座、碟形弹簧、卡瓦体、卡圈、压板、活塞及卡盘外壳等组成。装配体以六方立轴为基准件，按自下而上的装配次序，依次导入所需零件完成装配设计中主要应用产品结构工具栏、移动工具栏、约束工具栏湘合、平面接触、偏移和固定、更新工具栏以及干涉分析，最终完成上卡盘的装配。为了更好地显示装配件内部结构，对外壳的透明度进行了适当调整，最终设计结果如图所示。
      3.液压上卡盘的强度分析
      3.1.液压上卡盘强度的理论校核
      在液压上卡盘工作过程中，碟形弹簧是主要工作部件，它在压力和自身弹力的相互作用下往复运动，这使得每块弹簧钢板对稳定性和抗断裂能力均有极高的要求。若不能满足要求，就会造成液压卡盘夹持无力而打滑，因此，碟形弹簧能否承受液压系统的压相同的碟形弹簧片正反交替套在卡瓦座外圆上，卡圈套在其上。卡盘夹紧时，弹簧的工作压力约为63700 N，碟形弹簧的受力面积约为190 cm，卡盘松开时需克服的碟形弹簧工作压力约为3.4 MPa。
      从结构上分析，上卡盘中的弹簧是由9片完全相同的碟形弹簧片正反交替套在卡瓦座外圆上，卡圈套在其上。卡盘夹紧时，弹簧的工作压力约为63700N，碟形弹簧的受力面积约为190 cm²，卡盘松开时需克服的碟形弹簧工作压力约为3.4 MPa。
      在上卡盘放松立轴的过程中，卡圈与楔形角为6°的压板之间会产生一定的摩擦力。压板采用铜合金ZQAL-4，铜与钢之间的滑动摩擦因数f=0.03，卡圈与压板及卡瓦座之间的滑动摩擦阻力为0.3 MPa。
      某型岩心钻机液压系统配给的BC33/80型齿轮油泵所提供的工作压力为8 MPa，最高压力为12 MPa，具体参数如表所列。该钻机液压系统采用1组多路换向阀作为操纵阀。在该液压系统中，进入上卡盘的工作油经过多路换向阀内的三位四通手动换向阀直接进入液压卡盘，无回油管路。采用1根油管完成卡盘的松紧动作控制，具有动作时间短和操作灵活的特点。采用多路换向阀控制的复杂中高压系统存在1.2-3.0 MPa的背压；另外，受到摩擦损耗及其他因素的影响，液压上卡盘松开时的实际压力降为5.0-5.5 MPa。与上卡盘松开时需克服碟形弹簧的压力3.4 MPa相比，液压系统给予上卡盘最小5 MPa的压力己足够松开碟形弹簧组件，能保证液压上卡盘正常工作。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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