复合式液压动力头的设计研究
2020-09-10张广阔
张广阔
摘要：复合式液压动力头设计，必须掌握动力头当前应用情况，结合传统动力头形式以及使用特点，积极应用到复合式液压动力头设计研究中，由此达到提高改善动力头不足，提高动力头使用效率的目的。
关键词：动力头;减速器;卡盘式;主动钻杆式
0 引言
复合式液压动力头设计，是对全液压动力头的升级与优化。动力头在很多行业均有涉及，例交通运输业、建筑施工行业以及煤矿开采行业等。动力头是钻机的关键组成，直接关系到钻机正常工作，钻进的速度与效率，同时还影响到钻机的使用寿命。动力头设计中，复合液压设计，是科学調整机械能与液压能，增加钻进动力，很好的打破阻力限制，通过介质通道为载体，确保钻机安全运行，提高钻进效率。当前复合液压动力头设计还在不断创新，必须结合实际情况进一步调整，由此得到更适合的动力头。
1 动力头应用与设计现状剖析
动力头的应用需要依附于钻机，钻机应用范围广，选择适当的动力头，提升钻机钻进速度，否则钻进效率下降，钻机运行受阻，甚至还会损坏钻机结构，缩短钻机应用寿命。由此可以发现，动力头对钻机至关重要。当前动力头主要包括两种形式，一种为液压卡盘式，另一种为主动钻杆式。
其中卡盘式，主要通过旋转配有套，在液压作用下将油供输至动力头卡盘位置，随后钻杆被卡盘夹住，这样一来在摩擦力作用下钻杆之间荷载相互传递，从而实现钻杆钻进运行。液压卡盘式动力头在实际应用中，在装拆方面效率比较高，并且整体的结构简单，不需要复杂的操作等，这些都是重要优势。但是在实际应用中存在一些不足，虽然能够自动供油，泄漏问题严重，加上本身的单位直径影响，扭矩比较小，所以钻进力度不足，使用寿命短，不适合大孔径钻削操作[1]。而主动钻杆式，其应用原理主要根据钻杆螺纹完成钻进操作。结构简单，相较于卡盘式，其扭矩比较大，钻进速度快，适用于任何类型的钻进操作。但是实际应用中，因为需要通过双夹持器才能完成拆卸，所以增加了拆卸时间。加上钻机结构相对来讲比较复杂，占用空间大，钻杆主要通过人工进行拆卸，相对来讲比较繁琐。而复合式液压动力头的设计，主要是将这两种形式综合，科学规避不足，充分发挥动力头优势[2]。
2 复合式液压动力头的设计
2.1 承载载荷研究设计
对于复合式液压动力头设计，必须掌握动力头使用期间的载荷传递方式，这样才能更好的进行设计。动力头载荷传递，包括螺纹连接载荷与卡盘夹持载荷。其中螺纹连接载荷形式主要涉及到减速器，以其为载体及时传递载荷到钻机的主轴，在载荷作用下完成钻杆连接。卡盘夹持载荷同样经过钻机主轴，但是传递方向为卡盘，载荷传递的主要动力为摩擦力。载荷传递两种形式前期均为液压能、马达液压、减速器、主轴、配油套。从主轴位置划分两种传递途径[3]。
动力头载荷研究分析过程中，从传递角度出发，主轴以及钻杆等是关键承载点，承载力最小位置为额定扭矩位置。掌握这些情况后，准确对主轴承载扭矩进行计算，为复合式液压动力头设计奠定基础。其中涉及到主轴转动惯性模量，为IP;危险断面半径，为R;材料剪切应力，为τ。具体计算公式如下：T=IPRτ。
随后进行承载载荷计算，主要针对钻杆，动力头载荷计算期间，以刚性连接载荷为主，期间还要注意联接副强度，避免受到结构影响载荷计算准确性[4]。保证钻杆结构准确性，结合载荷传递的具体特点，选择冲击式钻进模式。因为钻杆的薄弱部位便是螺纹，受到其强度的影响，此环节的承载力最大。
钻杆必须计算许用扭矩，选择螺纹位置，涉及到螺纹螺距、当量直径以及许用强度，分别为t、d、σ。计算公式为：
M=（注：M为许用扭矩）
计算卡盘承载载荷，因为其传递方式为接触式，所以在传递过程中受到摩擦推进，从而完成传递，与钻杆载荷传递不同，其属于柔性传递。整体变化平稳，并且减振理想，计算卡盘扭矩，主要涉及到硅胶套卡盘长度L、轴向推力N、有效直径？准、摩擦因数μ、直径D。计算公式为：
根据以上公式可以发现，卡盘扭矩受到摩擦以及动力头等的影响出现变化。其中钻杆与卡盘的扭矩关系为正比，在单位直径不变的情况下，扭矩始终处于恒定状态。
通过上述内容了解到动力头设计影响因素。正常使用动力头，将减速器造成的损失排除，由此重新对液压马达以及钻杆承载力等关系进行梳理，发现液压马达扭矩My以及减速比i与主轴承扭矩T、钻杆承载载荷M、卡盘承载载荷S的关系为Myi
在此基础上，复合式液压动力头设计期间，还需要注意严格控制密封间隙，必须与泄漏量之间符合对比要求，这样才能保证配油套功能正常发挥[5]。当然油温以及压力头运行期间的压力等同样也是重要影响因素，如果温度不断升高，则液压油在温度作用下黏度下降，从而导致泄漏量加大。结合钻进时间的变化，抓住可能出现的掉速情况，做好复合式液压动力头的设计优化。
2.2 复合式液压动力头设计
了解承载载荷设计原理与影响因素后，及时进行复合式液压动力头设计。科学融合卡盘式与主动钻杆的应用优势，通过卡盘式改善钻杆在拆装方面的不足，并且主动钻杆式将卡盘式在钻进方面的薄弱之处。这样一来既可以延长动力头的使用寿命，同时又能够将应用中卡盘作业时间缩短，与此同时还可以改善钻进的速度。复合式液压动力头主要包括主动钻杆、卡盘以及主轴、主动钻杆固定螺母、减速器。其中减速器的主要作用是顺利转化马达扭矩以及动力头运行速度，将其调整为钻进使用需要的速度。主动钻杆的设计主要作用是传递钻机钻进期间的载荷。主动钻杆固定螺母的增设，则是为了更好的固定主动钻杆，发挥主动钻杆作用，保证钻杆、主轴载荷控制。卡盘的作用是将钻杆固定后迅速夹紧，方便动力头的拆卸。
复合式液压动力头设计期间需要注意，必须明确掌握载荷传递点，主要包括两处，一处为主动钻杆在设计中，与主轴交接位置会采用螺母进行固定，这样一来就可以保证载荷在动力头运行期间实现刚性传递。另一处则是卡盘位置，载荷传递过程中，会以卡盘为载体，将鉆杆夹紧后，为动力头使用拆卸提供有利条件。
结合复合式液压动力头设计发现，其主要具有以下特点：
①通过卡盘的集成设计，为动力头提供了前置式动力优势，不仅能够自由拆卸，同时不会影响到主动钻杆对载荷的传递，并且应用配置冲击器，由此增加钻机钻进动力。
②科学对人工旋转杆操作加以规避，主动钻杆结构下，钻进载荷被科学分配，如此便可以有效提高卡盘寿命，节省零部件更换，减少控制成本。动力头在钻进操作中，卡盘始终会保持打开模式，所以不会出现配油套泄露现象，加快动力头的钻进速度。
③纵观传动钻机的运行，主要以卡盘为载体对载荷进行传递，这样一来不能做好冲击式的钻进操作。但是复合式液压动力头，则增加了拓展端口，不仅在如此，搭配冲击器以及复位弹簧、限位套等，改变单一的钻进手段，增加钻进功能。主动钻杆以及主轴、固定螺母、冲击复位弹簧、冲击器、水辫、减速器、拉盘、冲击限位套等的联合，为复合式液压动力头应用带来更多功能优势。
3 复合式液压动力头创新优势
对于复合式液压动力头设计研究，其在很多方面取得突破性的创新。首先是钻进效率方面，效率提高的同时，钻进的载荷增加，可以做到冲击式钻进操作，钻进速度加快。灵活进行钻进拆卸，尤其是卡盘的应用设计，很大程度上加快了钻杆拆卸速度。通过主动钻杆及时对扭矩进行传递，期间不需要过多的油耗，并且不会出现泄露或者掉速等问题，延长动力头应用寿命。
4 结束语
综上所述，动力头是钻机的重要组成，在很多行业中都有涉及。科学改善传统动力头应用中在泄漏以及使用寿命短等问题，减少动力头运行期间的磨损情况，综合传统动力头应用优势，提高钻进速率。
参考文献：
[1]庞浩，罗春雷，刘丹.长螺旋钻机液压驱动动力头的设计[J].流体传动与控制，2008（02）：46-48.
[2]王迎，董学虎，韦丽娇.全液压动力头钻机的设计[J].现代农业装备，2019（4）：30-33.
[3]赵岩.长螺旋钻机液压驱动动力头的设计[J].军民两用技术与产品，2018（6）：118.
[4]吴龙正，马飞，书伦.螺杆桩机液压式动力头恒功率系统的设计与仿真[J].液压与气动，2019（8）.
[5]陈晓东.复合式液压动力头的设计[J].煤矿机械，2019（12）.
