引言

    岩心钻机是地质勘探行业中的关键设备，主要用于金属及非金属固体矿产的普查与勘探。岩心钻机的设计与制造对工程地质勘探行业具有重要影响。液压卡盘是钻机的一个独立重要部件，其功用是夹紧机上钻杆，向钻杆传递转矩和轴向力，驱动钻具实现加减压钻进，悬吊和提动钻具以及处理事故时的辅助动作。卡盘工作条件恶劣，必须承受最大的轴向载荷和回转力矩，而且动作频繁。因此，卡盘的性能直接影响钻进的效率与质量。

    目前，钻机制造企业和一些相关高校均在钻机液压卡盘的设计计算上进行了一些探索。例如，周亚军对大碟簧卡瓦式自定心液压卡盘的工作原理及参数设计进行了探讨；刘卫亮对液压卡盘中不同齿面的卡瓦对钻机钻杆夹紧力的影响也进行了深入的探讨[3]；魏静应用SW/Simulation有限元分析模块对制动闸碟形弹簧进行了受力分析。这些企业在设计过程中，虽然采用了CAD软件系统从事新品开发设计，但面对同类型液压卡盘之间存在的结构相似零部件时，设计人员仍会出现重复性设计工作。另一方面，技术员工在设计过程中的经验并不能及时进行共享，使企业呈现出零散性、无体系等缺点，从而过多地依赖技术员工的知识与经验。

    图1　液压卡盘参数化设计计算流程

    现有的CAD软件并不能充分满足企业的需求，故需要将企业设计过程中使用到的工程制造技术与可执行知识工作任务的智能软件系统相结合，开发一款针对岩心钻机关键部件——动力头液压卡盘的参数化设计与计算工具，以有效帮助技术人员在设计过程中将思考方式体现在软件系统中，从而大大提高液压卡盘的设计效率。

    1　卡盘主体结构参数化设计

    液压卡盘主要由油缸、卡瓦、圆螺母、卡圈等零件和标准件组成。由于液压卡盘基本模块都是比较固定的零部件，可以在三维建模过程中通过参数设置和零部件装配关系来约束模型的结构尺寸。在进行液压卡盘参数化计算过程中，主要包括基本参数的确定，斜面增力机构的设计，卡瓦类型的选择以及碟形弹簧、液压缸等主要零件的设计与选取。通过上述几步的计算，得出需求参数与最终碟形弹簧受力校核时的影响关系，并利用这个计算关系对卡盘设计进行修正，得到最终的卡盘模型，基本流程如图1所示。

    1.1　基本参数确定

    基本参数的确定主要是给出具体工况（最大上顶力、最大加压给进力和回转器低速输出转矩）后，通过需求参数算出卡盘承受的最大载荷Pmax和卡瓦对钻杆等效夹紧力Q。最大载荷Pmax为正常钻进和强力起拔两种工况中的较大值，而卡瓦对钻杆的夹紧力Q的计算公式为：

    其中μ0是卡瓦与钻杆间的摩擦系数，由卡瓦齿的类型决定。

    1.2　斜面增力机构设计

    斜面增力机构主要用来将力增大，并从动力装置传给夹紧元件，使夹紧元件加紧钻杆，实现钻进或起拔，如图2所示。

    图2　斜面增力机构示意图

    为计算总轴向力F与等效加紧力Q之间的关系，对图2所示的斜面增力机构建立力平衡方程式。

    其中，Fi为碟形弹簧对单个卡瓦的弹力分力，FF/Zi=；Qi为单个卡瓦对钻杆的夹紧力，QQ/Zi=；T为卡瓦座对卡瓦的支撑力；N为卡圈与卡瓦间的正压力；f1为卡圈与卡瓦间的摩擦力，fN11=μ；F2为卡瓦与卡瓦座间的摩擦力，fN22=μ；R为支撑套对卡圈的支持力。

    对上述的方程组进行联立，可得碟形弹簧对整组卡瓦的弹力分力为：

    μ1、μ2分别为卡圈与卡瓦间摩擦系数和卡瓦与卡瓦座间摩擦系数。斜面增力机构设计中，卡瓦斜面角是主要设计参数。由式（6）可以看出，角的减小会使卡盘所需的弹簧弹力减小，但会使卡圈的纵向行程加大。考虑到加紧机构的自锁性能，角又不可过小。通常，在取值范围间，建议取大值。