弹簧夹紧式卡盘的设计计算

弹簧夹紧式卡盘的设计计算

图5-8所示为卡瓦座受弹簧力在斜面上移动卡瓦时卡瓦的受力分析图。

图5-8中G为卡盘上最大轴向载荷即给进机构最大提升力；N为卡瓦对钻杆的夹紧力；f′为卡瓦与钻杆间的摩擦系数，考虑卡瓦齿嵌入钻杆中，所以设计一般取f′＝0.5；P为卡瓦座对卡瓦的正压力；Pf为卡瓦座与卡瓦间的摩擦力；f为斜面间摩擦系数，钢对钢f＝0.15；φ为斜面间摩擦角，tgφ＝f，当f＝0.15时，φ＝8°32′；R为P与Pf的合力；α为卡瓦座T形槽斜面角；F为弹簧的轴向推力

1.卡盘承受最大提升力G

则

液压动力头岩心钻机设计与使用

2.弹簧的轴向推力

为确定弹簧力F与提升力G之间的关系，建立xy两坐标方向的平衡方程式：

∑x＝0 Rcos（α＋φ）-N＝0移项得：

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上两式整理得：F＝Ntan（α＋φ）

液压动力头岩心钻机设计与使用

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图5-8 卡盘受力分析

考虑应有一定储备系数（安全系数）k，则上式改写为：

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式中k值一般取1.25～1.6。

从式中看出，α值愈小，增力作用愈大，但使卡瓦产生一定的径向位移所需的轴向行程必然加长。从而导致卡盘轴向尺寸增加。当然，α过大，增力作用就不明显了。

设卡瓦径向位移量为Δx，而卡瓦轴向位移量为Δy见图5-9。从图中可知，弹簧压缩量Δy与卡档枣瓦径向位移量Δx的比值为定值，其数值大小取决于α角，当卡瓦径向位移量一定时，α角越小，所需卡瓦座位移量越大，即弹簧压缩量越大。

卡瓦斜面角是这种机构最主要的设计参数。在卡盘基本参数（夹持能力、夹持范围）一定时，减小α角可相应减小所需的弹簧力F，但卡瓦的移动量加大，从而使卡盘轴向尺寸加大，故一般取α＝6°～9°。

为了减小斜面间的摩擦系数，有的钻机卡盘亏蠢告在卡瓦与卡瓦座之间加了滚柱，变滑动摩擦为滚动摩擦，有的钻机在斜面处采用了油脂润滑，设置了加油孔。

图5-9 斜面位移关系

3.碟形弹簧参数的确定

在卡盘中，单片碟形弹簧一般不能满足要求，需要采用组合弹簧。主要有两种组合方式，即对合与叠合的组合方式，而钻机卡盘均应用对合组合弹簧（图5-10）。

图5-10 对合碟形弹簧

此种弹簧设计计算，主要根据载荷及变形量要求，选择单片弹簧的规格和弹簧片数，其设计步骤如下。

1）已知条件

（1）根据钻机应用钻杆使用范围确定主轴通孔直径即可知碟簧内径d的尺寸。

（2）根据给进液压缸的提升力即可知组合碟形弹簧的载荷Pz。

（3）采用斜面增力机构，根据所需的径向位移量Δx为1～2mm，可初步确定夹紧时的工作载荷P1时的轴向变形量f1和松开卡盘时工作载荷P2时的轴向变形量fz。

2）设计说明

由i个相同规格的一组碟簧

Pz＝P

fz＝if

Hz＝iH0

式中：P、f、H0为单片碟簧的载荷、变形量和高度；Pz、fz、Hz为组合碟簧的载荷、变形量和自由高度。

3）c值的选择

，碟形弹簧单位体的做功能力与c值有关，一般在 时为最大，因此设计储能的碟形弹簧时，可取c＝1.7-2.5，为制造方便，一般取c＝2.0。c值对弹簧特性曲线也有很大影响，c值愈大，弹簧刚度愈小，但c＞3时，c值的改变对特性几乎没有影响。c值过小时将使制造困难，一般不小于1.25。

考虑卡盘具体结构和上述选择c值的范围，定出销明c值与前述确定的碟形弹簧内径d，即可求出碟形弹簧外径D。

4）求碟形弹簧的厚度

当单片碟簧的变形量f等于碟簧压平时变形量h0时，压平弹簧时载荷Pc（N）。

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式中：E为弹性模量，MPa；μ为泊松比；t为碟簧厚度，mm；h0为碟形弹簧压平时变形量的计算值，mm；D为碟形弹簧外径，mm；K1、K4为计算系数，可根据机械手册查取。

5）确定弹簧片数i

当松开卡瓦时，弹簧被进一步压缩。为了使弹簧有一定的使用寿命，松开卡瓦时的轴向力P2不应超过Pc，弹簧的变形量fz相应也不应超过最大工作载荷的变形量h0。为了限位，即限制碟簧不超过最大变形量h0，应在对合碟簧间加一垫圈。

6）确定碟簧尺寸

给出组合弹簧的几何尺寸，包括组合弹簧自由高度Hz，夹紧状态下（工作载荷P1）的高度H1，以及松开时的高度Hz。

7）进行碟簧强度及刚度验算，以确保弹簧工作的可靠性。

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