收稿日期：２００６－１０－３１；改回日期：２００７－１０－３０ 作者简介：胡仲杰（１９６６－），男（汉族），陕西韩城人，西安探矿机械厂副总工程师，机械设计及制造专业，从事钻探机械的研发工作，陕西省西安市吉祥路６６号。
杠杆式液压卡盘的设计及应用 胡仲杰１ ，张利明２ ，邓小军 ２
（１．西安探矿机械厂，陕西西安７１００６５；２．北京宏凌技术开发有限公司，北京１０００１３）
摘 要：在分析了杠杆式液压卡盘的结构原理的基础上，对其技术参数进行了详细的计算设计，并针对试机中存在
的问题对其结构进行了改进和完善，使杠杆式液压卡盘达到了结构简单、工作可靠、拆卸方便的效果。关键词：杠杆式液压卡盘；钻机；结构参数；设计中图分类号：Ｐ６３４．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－７４２８（２００７）１１－００５１－０３
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＬｅｖｅｒＴｙｐｅｄＨｙｄｒａｕｌｉｃＣｈｕｃｋ／ＨＵＺｈｏｎｇ－ｊｉｅ１，ＺＨＡＮＧＬｉ－ｍｉｎｇ２，ＤＥＮＧＸｉａｏ－ｊｕｎ２
（１．Ｘｉ’ａｎＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎＭａｃｈｉｎｅｒｙＰｌａｎｔ，Ｘｉ’ａｎＳｈａｎｘｉ７１００６５，Ｃｈｉｎａ；２．ＢｅｉｊｉｎｇＨｏｎ
ｇｌｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｏ．Ｌｔｄ，Ｂｅｉ－ｊｉｎｇ１０００１３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｔｏｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｌｅｖｅｒｔｙｐｅｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｈｕｃｋ，ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｃａｒｅｆｕｌｌｙｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｗａｓｍａｄｅｏｎｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｃｈｕｃｋ，ｗｈｉｃｈｃａｎｍａｋｅｔｈｅｌｅｖｅｒｔｙｐｅｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｈｕｃｋｈａｖｅｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｒｅｌｉａｂｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｅｖｅｒｔｙｐｅｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｈｕｃｋ；ｄｒｉｌｌｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｄｅｓｉｇｎ
卡盘作为钻机的一个重要部件，其功能是夹紧主动钻杆，向钻杆传递扭矩及轴向力，实现钻头的回转，同时在给进油缸的作用下，完成加、减压钻进。
杠杆式液压卡盘因其夹持力大、径向补偿能力强、寿命长等优点，已被应用到ＨＸＹ－１５００、ＣＤ－２、ＣＤ－３型等岩心钻机中，并取得预期效果，而且形式上也在不断地完善和创新，向结构简单、拆装方便、夹持可靠的实用化方向发展。对这类卡盘的设计，除要考虑其结构形式外，优化确定卡盘的技术参数也非常重要。
１ 杠杆式液压卡盘的结构原理
杠杆式液压卡盘主要由上缸体、缸座、活塞、上下托盘、内外连轴、连板、卡瓦座、卡瓦、碟簧等零件组成，是碟簧夹紧、液压松开的常闭式结构，见图１。高压油经上缸体的油口注入由上缸体、缸座和活塞构成的密闭容腔Ａ中，活塞向上运动，经推力轴承推动下托盘、外连轴、上托盘，使碟簧受到压缩。外连轴上升同时
通过连板带动内连轴及卡瓦在径向产生位移，使卡瓦松开钻杆。回油时，卡瓦在碟簧力的作用下自动复位，夹紧钻杆。
通过螺母可调节碟簧的压缩量，来改变卡盘的工作夹紧力，并可补偿卡瓦的磨损量，避免了卡瓦的
频繁更换。
图１ 杠杆式液压卡盘的结构原理图 ２ 基本参数的确定 ２．１ 卡盘承载能力
卡盘承载能力一般根据钻机在正常钻进和强力提拔两种工况下的最大载荷来确定。２．１．１ 最大载荷Ｐｍａｘ
强力提拔工况下，卡盘的负荷：
Ｐｑ＝ａＰａｍａｘ （１）
式中：Ｐｑ———强力提拔工况下的卡盘负荷；ａ———安 １
５ ２００７年第１１期 探矿工程（岩土钻掘工程） 全系数，取ａ＝１畅２５～１畅６；Ｐａｍａｘ———给进最大提拔 力。
正常钻进工况下，卡盘既要承受给进力，又要承 受扭矩产生的圆周力，卡盘负荷为一合力： Ｐｇ＝ａＰｙ２ ＋Ｐｚ２
（２）式中：Ｐｇ———正常钻进工况下的卡盘负荷；Ｐｚ———作用于钻杆上的轴向力，一般取最大加（减）压给进力；Ｐｙ———作用于钻杆上的圆周力，Ｐｙ＝２Ｍｎ／ｄ；Ｍｎ———回转器的工作扭矩，一般取回转器的最大输出扭矩；ｄ———钻杆直径。
将求得的２个载荷Ｐｑ、Ｐｇ进行比较，取其中较大者为最大工作载荷Ｐｍａｘ，即：
Ｐｍａｘ＝ｍａｘ〔Ｐｑ，Ｐｇ〕（３） ２．１．２ 等效夹紧力Ｑ
等效夹紧力是指卡盘承受最大载荷Ｐｍａｘ所必需的夹紧力，为：
Ｑ＝Ｐｍａｘ／ｆ（４）
式中：ｆ———卡瓦与钻杆间的摩擦系数，取ｆ＝０畅３～ ０畅５。
为保证卡盘工作可靠，在计算结果中，还应引入安全储备系数ｎ，一般ｎ＝１畅２～１畅８，则：
Ｑｃａ＝ｎＱ（５） ２．２ 夹持范围
卡盘的夹持力范围用卡瓦的径向移动量Δｒ表示，其数值根据所用钻杆规格及卡瓦的类型而定，一般Δｒ＝１～３ｍｍ。３ 卡盘结构参数的确定３．１ 水平分力夹角α
由图２可以看出，水平分力夹角α越小，卡瓦夹紧力越大，但α角不能小于零，一般取α＝１２°～１８°。３．２ 碟簧压紧力Ｆ１
α角确定之后，根据计算夹紧力Ｑｃａ可以求出所需的碟簧压紧力Ｆ１，从而选定碟簧的规格。杠杆受力分析见图２（ａ），以外连轴为质点进行分析。当卡瓦夹紧钻杆时，卡盘中各零件均处于受力平衡状态。
Ｑｃａ＝－Ｆ２（６）Ｆ２＝Ｆ１′ｃｔｇα／ｎ（７） 即：Ｆ１′
＝－Ｑｃａｎｔｇα（８）又：Ｆ１′＝－Ｆ１ （９）于是式（８）也可写成： Ｆ１＝Ｑｃａｎｔｇα （１０）
杠杆式液压卡盘
