ZQ-100型鉆桿動力鉗背鉗設計

ZQ-100型鉆桿動力鉗背鉗設計,zq,鉆桿,動力,鉗背鉗,設計 前 言 ZQ100型鉆桿動力鉗是簡潔、方便、結構簡單、方便拆卸、調整維修方便，制動安全，可靠耐用，使液壓控制帶動齒條有效夾緊鋼管現代石油機械?，F在人類的機械創(chuàng)新的不斷進步，使機械代替了人。以前在油田修井時或者下油管時，管與管連接時是用管鉗來上扣和卸扣，現在使用這種液壓鉗，就給人類帶來很多方便，使工作效率和安全系數提高，也減少了很多井口的工作人員，因此這是油田經常使用的卸管工具。目前,修井作業(yè)中,仍用人力上卸抽油桿螺紋,不僅效率低,工人的勞動強度大,而且上扣力量不均,不能保證不同規(guī)格抽油桿所要求的上扣扭矩,易造成抽油桿脫扣。為了解決上述問題,我設計ZQ-100型液壓抽油桿鉗背鉗，這種鉗具有體積小、質量輕、上扣扭矩大、操作靈活方便和性能安全可靠等特點,可減輕操作工人的勞動強度,保證上扣質量,減少脫扣現象，這種新型抽油桿鉗可產生很好的經濟效益和社會效益。ZQ100型鉆桿動力鉗背鉗主要結構是液壓缸和齒輪組，再對液壓缸設計中需要注意液壓元件的制造精度和密封性能要求高，加工和安裝都比較困難。泄漏難以避免，并且油液有一定的可壓縮性，因此，傳動比不能恒定，不適用于傳動比要求嚴格的場合。泄漏引起的能量損失（稱容積損失），是液壓傳動中主要的能量損失，此外油液在管道中受到的阻力及機械摩擦等也引起一定的能量損失，致使液壓傳動的效率較低。油液的黏度隨溫度而變化，當油溫變化時，會直接影響傳動機構的工作性能。此外，在低溫條件或高溫條件下采用液壓傳動有較大的困難。油液中滲入空氣時，會產生噪聲，容易引起振動和爬行（運動速度不均勻），影響傳動的平穩(wěn)。維修保養(yǎng)較困難，工作量大。當液壓系統(tǒng)產生故障時，故障原因不易查找，排除困難等通過設計減少負影響。所以對背鉗設計達到結構簡單方便使用與維護，增加用期等優(yōu)點，使我國動力鉗設計改造，達到世界水平。lw.net 中文題目：ZQ-100型鉆桿動力鉗背鉗設計 外文題目：ZQ-100 DRILL ROD POWER PLIERS BACK PLIERS DESIGN 畢業(yè)設計（論文）共67頁（其中：外文文獻及譯文16頁） 圖紙共6張 完成日期 2006年6月 答辯日期 遼寧工程技術大學 本科生實習報告書 教學單位 遼寧工程技術大學 專 業(yè) 機械工程學院 班 級 機械02-3班 學生姓名 王 磊 學 號 21 指導教師 毛 君 學生實習報告：要求對實習的主要內容、本人學習與工作的表現、收獲與體會、以及存在的問題等方面進行總結。 通過兩周的實習，我在實習單位學到了書上沒有的實踐經驗，通過理論與實踐的結合，更深入的了解了有關機械方面的問題。再零件車間學到了各種零件的加工過程，熟悉各種車床功能，基本掌握各種零件加工。在裝配車間，了解掌握了動力鉗整套裝配過程，并親自動手參與裝配，分析計算等各傳動間公式，動力鉗原理，運用操作過程。最后再單位工程師講解下又掌握了轉桿動力鉗整體結構，傳動關系，工作原理和分析圖紙，理解了理論與實踐的實際差別，添補了在實踐方面的空白，為以后走上工作崗位打下堅實基礎。 指 導 教 師 意 見 成績評定：　　　　　　　　　指導教師簽字： 年 月 日 實習單位意見 負責人簽字： （單位蓋章） 年 月 日 備注 注：實習結束時，由實習學生填寫本表后，交指導教師和實習單位簽署意見，最后交所在教學單位歸檔保管。 畢業(yè)設計（論文）選題審題表 編號： 系 部 機械工程學院 指導教師 姓 名 專 業(yè) 機械工程及自動化 職 稱 申報課題名稱 ZQ100型轉桿動力鉗背鉗設計 課 題 類 型 √□工程設計（技術） □軟件設計 □應用設計 □理論研究 課 題 來 源 □教學科研 √ □生產實際 □社會實際 □模擬 課 題 簡 介 1）總體方案的確定及主要參數選擇 2）液壓傳動系統(tǒng)的設計 3）液壓缸系統(tǒng)設計與計算 設計（論文）任務要求（包括應具備的條件） 1．總裝配圖（1張）2.零件工作圖（3張） 課題預計 工作量大小 □大√ □適中 □小 課題預計難度 □難 √□一般 □易 所在教研室（學科組）意見： 負責人（簽名）： 年 月 日 系部審定意見： 負責人（簽名）： 年 月 日 注：本課題由　王磊　同學選定，班級　機械02-3班　　 學號0207100321 　　推薦　　　　擔任校外指導教師，職稱　　　　?。? 遼寧工程技術大學 本科畢業(yè)設計（論文）開 題 報 告 題 目 ZQ--100型轉桿動力鉗背鉗設計 指 導 教 師 毛 君 院（系、部） 機械工程學院 專 業(yè) 班 級 機械02-3班 學 號 0207100321 姓 名 王 磊 日 期 二〇〇六年三月二十四日 教務處制 一、選題的目的、意義和研究現狀 目的： 對ZQ100型轉桿動力鉗背鉗進行設計，實現簡潔、方便、結構簡單、方便拆卸、調整維修方便，制動安全，可靠耐用。使液壓控制帶動齒條有效夾緊鋼管。 意義： 現在人類的機械創(chuàng)新的不斷進步，使機械代替了人。以前在油田修井時或者下油管時，管與管連接時是用管鉗來上扣和卸扣，現在使用這種液壓鉗，就給人類帶來很多方便，使工作效率和安全系數提高，也減少了很多井口的工作人員，因此這是油田經常使用的卸管工具。.但液壓元件的制造精度和密封性能要求高，加工和安裝都比較困難。泄漏難以避免，并且油液有一定的可壓縮性，因此，傳動比不能恒定，不適用于傳動比要求嚴格的場合。泄漏引起的能量損失（稱容積損失），是液壓傳動中主要的能量損失，此外油液在管道中受到的阻力及機械摩擦等也引起一定的能量損失，致使液壓傳動的效率較低。油液的黏度隨溫度而變化，當油溫變化時，會直接影響傳動機構的工作性能。此外，在低溫條件或高溫條件下采用液壓傳動有較大的困難。油液中滲入空氣時，會產生噪聲，容易引起振動和爬行（運動速度不均勻），影響傳動的平穩(wěn)。維修保養(yǎng)較困難，工作量大。當液壓系統(tǒng)產生故障時，故障原因不易查找，排除困難等通過設計優(yōu)化減少負影響。 研究現狀： 近年來，隨著我國國民經濟的持續(xù)快速發(fā)展，我國的石油消費量逐年增加。2002年達到2．457億噸，排名已超過日本，成為繼美國之后的第二大石油消費國。相比之下，我國石油機械制造生產增長比較緩慢，供需矛盾日益突出。目前，國外鉆桿動力鉗的種類很多，而且產品性能及質量都相對穩(wěn)定，特別是他們產品的體積與輸出扭矩不會成比例變化，即使動力鉗輸出扭矩相當大時，其產品的體積也不會增加多少，因而適用于現場需要。而國內產品還處在研發(fā)和改進階段，產品性能及質量都有待進一步提高，國內產品的體積和重量都隨輸出扭矩的增大而增大，從而導致無法適用于某些大型鉆管。近10年來，中國國內生產動力鉗有所增長，但相比國外我國動力鉗結構復雜不方便使用與維護，使用期短等缺點，所以我國正大力發(fā)展動力鉗設計改造，達到世界水平。lw.net 二、研究方案及預期結果 （設計方案或論文主要研究內容、主要解決的問題、理論、方法、技術路線及論文框架等） 主要研究內容： 對液壓控制系統(tǒng)進行設計與解析，并通過實踐掌握液壓傳動原理及背鉗工作原理。對背鉗整體結構進行分析，達到背鉗簡潔實用。通過高壓輸油膠管與主鉗連接，使主鉗背鉗均由一個手動換向閥控制轉向、操作靈活、可靠。主鉗與背鉗拆卸簡單，可使之距離隨意調節(jié)，以免損傷油管。 主要解決問題： 通過背鉗部分設計，計算相關數據掌握以下內容： ① 液壓傳動系統(tǒng)的設計步驟 ② 背鉗設計應注意的問題 ③ 掌握液壓傳動系統(tǒng)方案的確定以及背鉗主視圖的繪制步驟 ④ 背鉗液壓缸設計達到要求輸出扭矩 設計理論、方法及技術路線： ① 運用傳動理論對傳動系統(tǒng)進行設計 ② 通過傳動計算結果對液壓缸進行設計 ③ 整體檢驗背鉗達到技術要求 論文框架： ① 第一章 緒論 ② 第二章 背鉗總體設計 ③ 第三章 背鉗液壓缸設計及計算 ④ 第四章 背鉗傳動計算 ⑤ 第五章 結論 三、研究進度 5-6周選擇并確定設計提目，確定設計方向 7-8周借閱相關的材料，學習有關設計等方面知識 9-10周深入了解動力鉗結構、傳動關系等，為設計提供相關知識理論 11-16周對設計要求進行數據計算，繪制圖紙完成具體設計論文，定期答疑 17周對結果分析論證并對論文進行修改完善，提交論文 18周進畢業(yè)答辯。 四、主要參考文獻 [1]王 慧主編.液壓傳動[M].遼寧：東北大學出版社，2001年 [2]韓成石主編.液壓傳動與控制技術[M]. 北京：北京煤炭工業(yè)出版社，1997年 [3]雷天覺主編.液壓工程手冊[M]. 北京：北京工業(yè)出版社，1990年 [4]林建亞主編.液壓元件[M]. 北京：北京機械工業(yè)出版社，1988年 [5]鄒慧軍主編.機械設計原理[M]. 上海：上海交通大學出版社，1995年 [6]徐 灝主編.機械設計手冊(第四卷) [M]．北京：機械工業(yè)出版社，1992 [7]李萬莉主編.流體力學與液壓傳動[M]. 上海：同濟大學，2002年 [8]何存興主編.液壓傳動與氣壓傳動[M].武漢：華中科技大學出版社，2000年 [9]Bemd Ruppreeht．Sliding Caliper DLsc Bmke th Automatic Ad．ju for Wear Cou．mdon． 22367.199l [10]A，HlmnieuR Sellf-adjling Caliper． 50O294．1991 [11]唐錫寬主編.機械動力學[M].北京：北京教育出版社，1986年 五、指導教師意見 指導教師簽字： 轉桿動力鉗結構設計 科技報告 院（系、部） 機械工程學院 專 業(yè) 班 級 機械02-3班 學 號 0207100321 姓 名 王 磊 日 期 二〇〇六年四月十二日 轉桿動力鉗結構設計 摘要：近年來，隨著我國國民經濟的持續(xù)快速發(fā)展，我國的石油消費量逐年增加。2002年達到2．457億噸，排名已超過日本，成為繼美國之后的第二大石油消費國Le。相比之下，我國石油機械制造生產增長比較緩慢，供需矛盾日益突出。近10年來，中國國內生產動力鉗有所增長，但相比國外，我國動力鉗結構復雜、不方便使用與維護，使用期短等缺點，所以我國正大力發(fā)展動力鉗設計改造，達到世界水平。 關鍵詞：轉桿動力鉗、液壓馬達、液壓傳動 Summary : In recent years, as China's sustained rapid economic development, China's oil consumption will increase every year. 2002 reached 245.7 million tons, ranking over Japan as the second largest after the United States following the oil-consuming countries Le. In contrast, our oil production growth has been relatively slow mechanical, supply and demand have become increasingly conspicuous. Over the past 10 years, China's domestic production growth momentum tongs, but as abroad, my motivation tongs structure complex, cumbersome to use and maintain, such as the use of the short duration of shortcomings, the vigorous development of China's power tongs are designed to transform and reach the world level. Keyword :-pole power tongs, hydraulic motors, hydraulic transmission 正文： 1.轉桿動力鉗原理 現在，我國動力鉗大體分開口、閉口鉗兩種，各有優(yōu)缺點。主要工作原理是壓力源將壓力通過輸油膠管輸入馬達，馬達主軸轉動，經過齒輪系使鉗頭開口大齒輪轉動，同時聯接主背鉗的輸油膠管，將壓力輸送到背鉗油缸，推動運動，經過齒輪副帶動顎板相對背鉗頭主體上的坡板轉動一定角度，使顎板總成上的牙板夾緊油管，同時主鉗的鉗頭開口大齒輪轉動時，顎板架在制動摩擦力作用下，先不轉動，迫使顎板上的滾子沿坡板爬坡，推動顎板及牙板徑向移動直至咬緊油管，然后隨開口大齒輪轉動，實現旋緊或旋開油管螺紋的目的。但動力鉗要可更換板牙，夾持不同規(guī)格的抽油管，結構簡單、方便拆卸、調整維修方便，制動安全，可靠耐用。這就需要其結構不斷的改進與發(fā)展。 2.設計要求、分析問題 通過畢業(yè)設計對液壓控制系統(tǒng)進行設計與解析，并通過實踐掌握液壓傳動原理及背鉗工作原理。對背鉗整體結構進行優(yōu)化，達到背鉗簡潔實用。通過高壓輸油膠管與主鉗連接，使主鉗背鉗均由一個手動換向閥控制轉向、操作靈活、可靠。主鉗與背鉗拆卸簡單，可使之距離隨意調節(jié)，以免損傷油管。 轉桿動力鉗主要靠液壓傳動，對液壓分析。液壓傳動有許多突出的優(yōu)點，因此它的應用非常廣泛，如一般工。業(yè)用的塑料加工機械、壓力機械、機床等；行走機械中的工程機械、建筑機械、農業(yè)機械、汽車等；鋼鐵工業(yè)用的冶金機械、提升裝置、軋輥調整裝置等；土木水利工程用的防洪閘門及堤壩裝置、河床升降裝置、橋梁操縱機構等；發(fā)電廠渦輪機調速裝置、核發(fā)電廠等國；船舶用的甲板起重機械（絞車）、船頭門、艙壁閥、船尾推進器等；特殊技術用的巨型天線控制裝置、測量浮標、升降旋轉舞臺等；軍事工業(yè)用的火炮操縱裝置、船舶減搖裝置、飛行器仿真、飛機起落架的收放裝置和方向舵控制裝置等。 但液壓元件的制造精度和密封性能要求高，加工和安裝都比較困難。泄漏難以避免，并且油液有一定的可壓縮性，因此，傳動比不能恒定，不適用于傳動比要求嚴格的場合。泄漏引起的能量損失（稱容積損失），是液壓傳動中主要的能量損失，此外油液在管道中受到的阻力及機械摩擦等也引起一定的能量損失，致使液壓傳動的效率較低。油液的黏度隨溫度而變化，當油溫變化時，會直接影響傳動機構的工作性能。此外，在低溫條件或高溫條件下采用液壓傳動有較大的困難。油液中滲入空氣時，會產生噪聲，容易引起振動和爬行（運動速度不均勻），影響傳動的平穩(wěn)。維修保養(yǎng)較困難，工作量大。當液壓系統(tǒng)產生故障時，故障原因不易查找，排除困難等通過設計優(yōu)化減少負影響。 最后還要解決液壓傳動中的問題，液壓泵或液壓馬達質量不好，通常是液壓傳動中產生噪聲的主要部分。液壓泵的制造質量不好，精度不符合技術要求，壓力與流量波動大，困油現象未能很好消除，密封不好，以及軸承質量差等都是造成噪聲的主要原因。在使用中，由于液壓泵零件磨損，間隙過大，流量不足，壓力易波動，同樣也會引起噪聲。面對上述原因，一是選擇質量好的液壓泵或液壓馬達，二是加強維修和保養(yǎng)，例如若齒輪的齒形精度低，則應對研齒輪，滿足接觸面要求；若葉片泵有困油現象，則應修正配油盤的三角槽，消除困油；若液壓泵軸向間隙過大而輸油量不足，則應修理，使軸向間隙在允許范圍內；若液壓泵選用不對，則應更換；機械振動，如油管細長，彎頭多而未加固定，在油流通過時，特別是當流速較高時，容易引起管子抖動；電動機和液壓泵的旋轉部分不平衡，或在安裝時對中不好，或聯軸節(jié)松動等，均能產生振動和噪聲。對此應采取的措施有：較長油管應彼此分開，并與機床壁隔開，適當加設支承管夾；調整電動機和液壓泵的安裝精度；重新安裝聯軸節(jié)，保證同軸度小于0.1MM等。 3.總結： 綜上，達到以上要求是我畢業(yè)設計的重要性，通過學習探索改進動力鉗，使之結構簡單、方便拆卸、調整維修方便，制動安全，可靠耐用。 參考文獻： 王 慧 液壓傳動 東北大學出版社 2001年 韓成石 液壓傳動與控制技術 北京煤炭工業(yè)出版社 1997年 雷天覺 液壓工程手冊 北京工業(yè)出版社 1990年 林建亞 液壓元件 北京機械工業(yè)出版社 1988年 鄒慧軍 機械設計原理 上海交通大學出版社 1995年 唐錫寬 機械動力學 北京教育出版社 1986年 李萬莉 流體力學與液壓傳動 同濟大學 2002年 何存興 液壓傳動與氣壓傳動 華中科技大學出版社 2000年 本科生畢業(yè)設計（論文）過程檢查表 時間安排 階段性工作重點和教師指導內容 完成情況 第一周至第四周 第五周 第六周至第八周 第九周 借閱相關資料，初步學習轉桿動力鉗，定期答疑，在此基礎上寫開題報告 通過閱讀論文、期刊掌握有關ZQ100型轉桿動力鉗的知識 根據掌握的ZQ100型轉桿動力鉗的知識擬訂設計 整理數據，確定設計方案，總體分析理解ZQ100型轉桿動力鉗 完成 完成 完成 完成 指導教師簽字: 摘要 在人類的機械創(chuàng)新的不斷進步，使機械代替了人。以前在油田修井時或者下油管時，管與管連接時是用管鉗來上扣和卸扣，現在使用這種液壓鉗，就給人類帶來很多方便，使工作效率和安全系數提高，也減少了很多井口的工作人員，因此這是油田經常使用的卸管工具。針對修井作業(yè)中人力上卸抽油桿螺紋效率低,勞動強度大,又不能保證不同規(guī)格抽油桿所要求的上扣扭矩等問題,研制了ZQ-100型液壓抽油桿鉗,這種抽油桿鉗由主鉗,手動換向閥,液壓馬達,底鉗,彈簧吊筒和調節(jié)彈簧等組成,在設計中省掉了轉速換擋機構,同時通過改變制動板上壓簧螺栓的結構,解決了制動板減薄時顎板滾子爬坡力量不足這一技術難題，介紹了這種抽油桿鉗的工作原理。目前，國外鉆桿動力鉗的種類很多，而且產品性能及質量都相對穩(wěn)定，特別是他們產品的體積與輸出扭矩不會成比例變化，即使動力鉗輸出扭矩相當大時，其產品的體積也不會增加多少，因而適用于現場需要。而國內產品還處在研發(fā)和改進階段，產品性能及質量都有待進一步提高，國內產品的體積和重量都隨輸出扭矩的增大而增大，從而導致無法適用于某些大型鉆管。近10年來，中國國內生產動力鉗有所增長，但相比國外我國動力鉗結構復雜不方便使用與維護，使用期短等缺點，所以我國正大力發(fā)展動力鉗設計改造，達到世界水平。 關鍵詞：石油；機械創(chuàng)新；性能；轉桿動力鉗；研發(fā)改進；設計 Abstract In recent years, with continued rapid growth of our national economy, petroleum volume of consumption of our country increase year by year. The rank has already exceeded Japan, has become the second largest petroleum following U.S.A. and consumed the country. On being pole required to pump oil, pump the oil pole pincers after developing the hydraulic pressure of Model ZQ-100, this kind pumps the oil pole pincers by the main pincers , the manual reversing valve, hydraulic motor, bottom pincers , the spring hangs tube and regulates spring ,etc. to make up , save rotational speed shift gears organization , at the same time through change , apply the brake board pigeonhole reed structure of bolt in design, solve , apply the brake board jaw board roll sub climbing strength insufficient technological difficult problem this reduce thin ,, recommend this kind pump oil pole operation principle of pincers! Main technical parameter and experimental situation in the room, employ the result to indicate live, adopt Model ZQ-100 hydraulic pressure pump oil pole pincers can reduce , release oil pole take off number of times of spiking greatly, improve and build the quality of the well and build the pace of the well. Let out difficult to avoid and fluid have a sure one but compression, so, transmission than unable and invariable, suitable for transmission than requiring strict occasion. Energy caused to leak lose, hydraulic transmission main energy is lost, in addition resistance and machinery that fluid receive among pipeline rub etc., cause sure energy to lose, cause the efficiency of hydraulic transmission to be relatively low. The viscosity of the fluid changes with temperature, as the warm change of oil, will influence the working performance of the actuator directly. In addition, have greater difficulties to adopt hydraulic transmission under the low-temperature condition or high-temperature condition. Fluid through air, will produce noise is apt to cause vibration, the ones that influenced transmission are steady. It is relatively difficult to maintain, the work load is large. At the trouble of producing, trouble reason difficult to look for, get rid of getting difficult through design, optimize, reduce, shoulder, influence as hydraulic system. At present, the kind of the motive force pincers of foreign drilling rod is numerous, and properties of product and quality are all relatively stable, especially they the products one volume and output torsion can changes proportional, even if power, when pincers quite heavy to export torsion, volume of product its how much does it increase either, suitable for needing at the scene. The domestic products are still at the stage of researching and developing and improving, properties of product and quality all remain to further improve, volume and weight of the domestic products all export the increase of the torsion to increase at the same time, thus it is unable to be suitable for some to cause and bore managing large-scaly. The past 10 years, produce power pincers increase to some extent, compare foreign of our country power pincers structure complicated to use and maintain while being inconvenient in China, the shortcoming such as being short of service time, so our country is developing the motive force pincers to design and transform in a more cost-effective manner, reach the world standard. Transfer to ZQ100 type to pole power pincers carry pincers go on, design , realize, it is safe to apply the brake, it is reliable and durable. Make the hydraulic pressure control and drive the rack to clamp the steel tube effectively. Key words: Petroleum; Machinery innovates; Performance ; Transfer to the pole motive force pincers ; Research and develop and improve; Design III 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 前言 ZQ100型鉆桿動力鉗是簡潔、方便、結構簡單、方便拆卸、調整維修方便，制動安全，可靠耐用，使液壓控制帶動齒條有效夾緊鋼管現代石油機械。現在人類的機械創(chuàng)新的不斷進步，使機械代替了人。以前在油田修井時或者下油管時，管與管連接時是用管鉗來上扣和卸扣，現在使用這種液壓鉗，就給人類帶來很多方便，使工作效率和安全系數提高，也減少了很多井口的工作人員，因此這是油田經常使用的卸管工具。目前,修井作業(yè)中,仍用人力上卸抽油桿螺紋,不僅效率低,工人的勞動強度大,而且上扣力量不均,不能保證不同規(guī)格抽油桿所要求的上扣扭矩,易造成抽油桿脫扣。為了解決上述問題,我設計ZQ-100型液壓抽油桿鉗背鉗，這種鉗具有體積小、質量輕、上扣扭矩大、操作靈活方便和性能安全可靠等特點,可減輕操作工人的勞動強度,保證上扣質量,減少脫扣現象，這種新型抽油桿鉗可產生很好的經濟效益和社會效益。ZQ100型鉆桿動力鉗背鉗主要結阿構是液壓缸和齒輪組，再對液壓缸設計中需要注意液壓元件的制造精度和密封性能要求高，加工和安裝都比較困難。泄漏難以避免，并且油液有一定的可壓縮性，因此，傳動比不能恒定，不適用于傳動比要求嚴格的場合。泄漏引起的能量損失（稱容積損失），是液壓傳動中主要的能量損失，此外油液在管道中受到的阻力及機械摩擦等也引起一定的能量損失，致使液壓傳動的效率較低。油液的黏度隨溫度而變化，當油溫變化時，會直接影響傳動機構的工作性能。此外，在低溫條件或高溫條件下采用液壓傳動有較大的困難。油液中滲入空氣時，會產生噪聲，容易引起振動和爬行（運動速度不均勻），影響傳動的平穩(wěn)。維修保養(yǎng)較困難，工作量大。當液壓系統(tǒng)產生故障時，故障原因不易查找，排除困難等通過設計減少負影響。所以對背鉗設計達到結構簡單方便使用與維護，增加用期等優(yōu)點，使我國動力鉗設計改造，達到世界水平。lw.net 1 緒 論 在人類的機械創(chuàng)新的不斷進步，使機械代替了人。以前在油田修井時或者下油管時，管與管連接時是用管鉗來上扣和卸扣，現在使用這種液壓鉗，就給人類帶來很多方便，使工作效率和安全系數提高，也減少了很多井口的工作人員，因此這是油田經常使用的卸管工具。 針對修井作業(yè)中人力上卸抽油桿螺紋效率低,勞動強度大,又不能保證不同規(guī)格抽油桿所要求的上扣扭矩等問題。ZQ-100型液壓抽油桿鉗。這種抽油桿鉗由主鉗、手動換向閥、液壓馬達、背鉗、彈簧吊筒和調節(jié)彈簧等組成。在設計中省掉了鉆速換擋機構,同時通過改變制動板上壓簧螺栓的結構,解決了制動板減薄時腭板滾子爬坡力量不足這一技術難題，介紹了這種抽油桿鉗的工作原理!主要技術參數和室內試驗情況，結果表明采用ZQ-100型液壓抽油桿鉗可大大減少抽油桿脫扣次數,提高修井質量和修井速度。 1.1 液壓動力鉗概述 1.1.1 液壓動力鉗的發(fā)展狀況 近年來，隨著我國國民經濟的持續(xù)快速發(fā)展，我國的石油消費量逐年增加。2002年達到2．457億噸，排名已超過日本，成為繼美國之后的第二大石油消費國。相比之下，我國石油機械制造生產增長比較緩慢，供需矛盾日益突出。而現在人類的機械創(chuàng)新的不斷進步，使機械代替了人。以前在油田修井時或者下油管時，管與管連接時是用管鉗來上扣和卸扣，現在使用這種液壓鉗，就給人類帶來很多方便，使工作效率和安全系數提高，也減少了很多井口的工作人員，因此這是油田經常使用的卸管工具。目前，國外桿動力鉗的種類很多，而且產品性能及質量都相對穩(wěn)定，特別是他們產品的體積與輸出扭矩不會成比例變化，即使動力鉗輸出扭矩相當大時，其產品的體積也不會增加多少，因而適用于現場需要。而國內產品還處在研發(fā)和改進階段，產品性能及質量都有待進一步提高，國內產品的體積和重量都隨輸出扭矩的增大而增大，從而導致無法適用于某些大型管。近10年來，中國國內生產動力鉗有所增長，但相比國外我國動力鉗結構復雜不方便使用與維護，使用期短等缺點，所以我國正大力發(fā)展動力鉗設計改造，達到世界水平。針對修井作業(yè)中人力上卸抽油桿螺紋效率低,勞動強度大,又不能保證不同規(guī)格抽油桿所要求的上扣扭矩等問題, ZQ-100型液壓抽油桿鉗,這種抽油桿鉗由主鉗、手動換向閥、液壓馬達、背鉗、彈簧吊筒和調節(jié)彈簧等組成,在設計中省掉了鉆速換擋機構,同時通過改變制動板上壓簧螺栓的結構,解決了制動板減薄時顎板滾子爬坡力量不足這一技術難題，介紹了這種抽油桿鉗的工作原理，主要技術參數和室內試驗情況，結果表明ZQ-100型液壓抽油桿鉗可大大減少抽油桿脫扣次數,提高修井質量和修井速度。（如圖1-1） 圖1-1 液壓動力鉗 Figure 1-1 Hydraulic pressure power pliers 1.1.2 液壓動力鉗的應用 油田修井作業(yè)時,要把油管從油井中一根根取出,然后再一根根下到油井中。油管上卸絲扣用的是一種專用鉗。多年來,這種被修井架修井鉗是靠人工用手操作,不但勞動強度大,而且不夠安全,易發(fā)生工傷事故,工作效率較低使得修井作業(yè)時間較長,影響原油產量。為解決上述存在的問題,我們根據油田修井作業(yè)現場操作實際情況,本著減輕勞動強度和有利安全生產的宗旨,研制了油田修井液壓鉗操作裝置,經過實踐應用,有較好的操作功能和保障操作者安全的特點,并能提高修井工作效率。 1.2 液壓動力鉗的結構及工作原理 1.2.1 液壓動力鉗的結構及特點 液壓動力鉗是由背鉗、主鉗、操作手柄、彈簧吊筒、液壓馬達、手動換向閥、調節(jié)彈簧組成（圖1-2）懸吊主鉗時，背鉗浮動于主鉗之下，主鉗通過前導桿總成及后導桿總成聯為一體，主鉗可單獨使用，也可以主背鉗組合使用。 主鉗由顎板、顎板架、開口大齒輪和惰輪等組成,在工作過程中起傳動和上卸扣作用。手動換向閥由閥體和操作手柄組成,其作用是操縱鉗子復位和上卸扣。液壓馬達是一種內嚙合擺線齒輪式的小型低速大扭矩馬達,經兩級齒輪減速將動力傳給主鉗。 圖1-2 液壓動力鉗結構簡圖 Figure 1-2 Hydraulic pressure power pliers diagram of mechanism 1)背鉗;2)主鉗;3)操作手柄;4)彈簧吊筒; 5)液壓馬達;6)手動換向閥;7)調節(jié)彈簧 背鉗鉗頭中裝有方補心,通過更換方補心,可上卸不同規(guī)格的抽油桿螺紋,滿足利用同一底鉗卡緊不同規(guī)格抽油桿扳方的要求。背鉗與主鉗配合完成上卸扣動作，彈簧吊筒是將鉗子吊起來的裝置,其內裝有壓縮彈簧,以滿足上卸扣時鉗子上下浮動的要求。調節(jié)彈簧設在底鉗下面,可使背鉗隨上下接頭扳方的距離變化而上下移動。 1.2.2 液壓動力鉗的工作原理 液壓動力鉗采用低速大扭矩液壓馬達驅動,手動換向閥控制主鉗鉆向和速度,動力由現場使用的油管動力鉗的動力源提供,其工作原理與液壓油管鉗相似與油管螺紋相比,抽油桿螺紋數較少上卸扣所需的時間也就短,因此設計時省掉了鉆速換擋機構。另外對主鉗中開口大齒輪的爬坡弧度與制動板的制動力進行了理論計算和試驗,同時還改變了制動板上壓簧螺栓的結構,以便在制動板被磨損減薄時,可不斷調整壓簧螺栓,使顎板滾子有足夠的爬坡力量,從而有效地解決了制動板減速時顎板滾子爬坡力量不足這一技術難題。液壓動力鉗工作原理簡圖。工作時,一定壓力的液壓油經手動換向閥進入液壓馬達,驅動液壓馬達鉆動,液壓馬達主軸上裝有主動齒輪,經兩級齒輪減速,將動力傳給開口大齒輪，開口大齒輪內側有由不同弧面組成的工作曲面,當開口大齒輪開始鉆動時,其中的顎板架在制動板的制動作用下,先不鉆動,使開口大齒輪與顎板架之間有相對運動過程。此時,處在開口 圖1-3 液壓動力鉗工作原理簡圖 Figure 1-3 Hydraulic pressure power pliers principle of work diagram 1)液壓站;2)主動齒輪;3)惰輪; 4)開口大齒輪;5)液壓馬達;6)手動換向閥 大齒輪中位的顎板開始在工作曲面內爬坡, 顎板架中的顎板不斷向抽油桿中心移動,直至抱住上面抽油桿板方,并與開口大齒輪一起帶動抽油桿鉆動,執(zhí)行上卸扣動作，在主鉗工作的同時,下面抽油桿扳方則由裝在底鉗中的方補心卡住,完成上卸扣動作。背鉗只卡住抽油桿扳方,并不鉆動，上卸扣完畢后,操作手動換向閥,使開口大齒輪反鉆, 顎板在片簧的作用下,松開抽油桿扳方,同時隨顎板架退回到大齒輪中位, 顎板架缺口與鉗頭缺口對齊復位，整個上扣或卸扣動作至此即可完成。 1.3 液壓動力鉗技術參數及特點 1.3.1 ZQ-100型液壓動力鉗的技術參數 ZQ-100型液壓抽油桿鉗主鉗適用于Φ15.9、Φ19.1、Φ21.2、Φ22.2和Φ25.4mm的抽油桿上卸扣，其主要技術參數為:額定扭矩100N*m,最大扭矩1200N*m,額定鉆速60r/min,最高鉆速77r/min液壓系統(tǒng)額定壓力10MPa,液壓系統(tǒng)最大壓力1215MPa,額定鉆速的供油量60L/min,移運質量120kg,外形尺寸(長×寬×高)475mm×320mm×610mm。 ZQ-100型液壓抽油桿鉗背鉗適用于Φ15.9、Φ19.1、Φ21.2、Φ22.2和Φ25.4mm的抽油桿上卸扣，其主要技術參數為:額定扭矩100N*m,開口尺寸120mm，移運質量40kg，外形尺寸(長×寬×高)475mm×320mm×610mm。 1.3.2 液壓動力鉗的技術特點 1.主鉗、背鉗鉗頭采用顎板凸輪夾緊機構，不需要更換顎板及牙板，既能夾緊各種不同規(guī)格的管柱，并在夾緊任意管徑時能保持良好的夾緊性能。 2.背鉗浮動于主鉗之下，通過高壓輸油膠管與主鉗聯接。主鉗、背鉗均由同一只手動換向閥控制鉆向，操作靈活、可靠。主鉗也可單獨使用。主鉗與背鉗之間距離可隨意調節(jié)，以免損傷油管。 3.鉗頭制動機構在鉗頭上部，結構簡單、調整維修方便、制動安全、可靠耐用。 4.配備扭矩控制儀，扭矩控制儀具有換向及扭矩控制雙重功能。換向功能用于控制主、背鉗運鉆。扭矩控制用于調整系統(tǒng)壓力，從而調整控制鉗頭輸出扭矩，并使動力鉗附有過載保護功能。 5.可配備液壓升降系統(tǒng)，既液壓彈簧懸吊器。適用于配合井口卡盤起下管柱作業(yè)或液壓動力鉗與井口高度。操作手動升降即可調整液壓動力鉗高度，使背鉗準確夾緊油管接箍。 6.液壓動力鉗可更換特種牙板，夾持不同規(guī)格的抽油桿，以達到上、卸抽油桿和接箍目的。 7.液壓控制系統(tǒng)采用集成塊組合方式，省去了閥體之間的管路聯接，不僅可減少液壓流體阻力，且造型美觀、方便操作。 按不同的使用要求，有以下組合方式： 1）過度聯接板+手動換向閥 2）過度聯接板+扭矩控制儀（組合式） 3）過度聯接板+扭矩控制儀（組合式）+手動升降閥 4）過度聯接板+手動換向閥+手動升降閥 1.4 液壓動力鉗的的操作說明 1.4.1 液壓動力鉗的的安裝 1.懸吊：將懸吊器與主鉗懸吊桿相聯，把動力鉗懸吊于修井機井架上，懸吊點離地面15米以上，再自由懸吊狀態(tài)下，動力鉗鉗頭中心離井口約0.5米，懸吊高度以背鉗恰好卡著管柱接箍為宜。 2.調平：調整主鉗懸吊桿上的調節(jié)螺釘，使動力鉗保持水平，如不保持水平，會使卡持失效。 3.結尾繩：尾繩一端結在井架上，另一端結在動力鉗的尾座上，尾繩拉力應能承受2.5噸負荷。當動力鉗處于上扣狀態(tài)時，尾繩應與動力鉗保持垂直，從而保證通常站在操縱手柄一側的操作者安全。 4.接通液壓源：聯接來自液壓源的高壓膠管，進油膠管手動換向閥的上部油管，回油膠管接手動換向閥的下部油口，切勿接錯位置。 1.4.2 液壓動力鉗的操作 以下簡單介紹幾種液壓動力鉗的操作： 1.更換顎板 本動力鉗的主鉗及背鉗的顎板均為自由式安裝，顎板可從鉗頭中心空間裝入或取出，在主鉗顎板架上，設有限位螺釘使顎板限位，使其在搬運 過程中不掉出來。需要取出顎板時，將主鉗顎板架鉆動一定角度，用內六角扳手調整限位螺釘，便可取出顎板。安裝顎板亦同。 2.換擋操作 操縱手動換向閥手柄，并下壓撥叉軸掛擋為高速擋，操縱手動換向閥手柄，并下壓撥叉軸掛擋為低速擋，換擋操作必須在較慢的鉆速下進行，以防損壞齒輪。 3.更換板牙 用螺絲刀頂進顎板上的鉗牙擋銷即可取出板牙，主鉗鉗牙通用。背鉗鉗牙有平式和加厚式兩種，以適應平式及加厚式油管接箍的使用。 1.4.3 液壓動力鉗的維護與潤滑 1.每班工作前，必須檢查各緊固螺釘是否松動。 2.每次搬運后，用煤油或柴油清洗主鉗及背鉗鉗頭并向機體各黃油嘴注黃油。 3.清洗鉗頭后，給顎板、顎板架、開口齒輪打黃油。 4.如因制動力不足，顎板不伸出，需調緊制動壓力。 5.每次用過后，檢查鉗體，如有積水或油泥贓物，必須及時清除。 6.不得用蒸汽清洗鉗子，以防各軸承失油，進水而造成零件損壞。 7.液壓油必須保持清潔，保持濾油器正常濾油。 8.液壓油溫度不得超過65度，過熱會使液壓系統(tǒng)密封失效。 1.4.4 液壓動力鉗的常見故障及排除方法 常見故障 原因 排除方法 壓板打滑 鉗體不水平 調整鉗頭，主背鉗平行水平 牙板溝槽為堅硬雜物填充 清除牙板溝槽中的雜物 牙板過度磨損 更換新板牙 主鉗制動力矩偏小 調整制動盤上的螺釘，增加制動力矩 坡板移動或松動 重新緊固坡板 裝錯牙板 選用正確的牙板 主鉗或背鉗鉗頭對不齊缺口 擋銷不為復位旋鈕軸包容 搬運復位旋鈕180度再復位 主鉗卡緊正常背鉗打滑 背鉗顎板架鉆向與主鉗顎板架鉆向相反 調整背鉗兩膠管位置 掛擋不牢固易脫落 鎖緊力偏小 加調整墊適當曾大彈簧的壓力 2 ZQ-100型鉆桿動力鉗的背鉗總體設計 ZQ-100型鉆桿動力鉗背鉗是通過高壓輸油膠管與主鉗聯接。通過主鉗手動換向閥控制鉆向，操作靈活、可靠。主鉗與背鉗可隨意拆卸，是液牙動力鉗重要部分。主要功能是夾緊油管，固定不動，主鉗鉆動實現上扣、卸口。其主要結構設計圍繞結構簡單、可靠耐用進行設計。 2.1 ZQ-100型鉆桿動力鉗的背鉗概述 ZQ-100型鉆桿動力鉗背鉗是浮動于主鉗之下，通過高壓輸油膠管與主鉗聯接。主鉗、背鉗均由同一只手動換向閥控制鉆向，操作靈活、可靠。主鉗也可單獨使用。主鉗與背鉗之間距離可隨意調節(jié)，以免損傷油管。 背鉗鉗頭中裝有方補心,通過更換方補心,可上卸不同規(guī)格的抽油桿螺紋,滿足利用同一背鉗卡緊不同規(guī)格抽油桿扳方的要求，背鉗與主鉗配合,完成上卸扣動作。 2.2 ZQ-100型鉆桿動力鉗的背鉗結構設計 背鉗浮動于主鉗之下，通過高壓輸油膠管與主鉗聯接。主鉗、背鉗均由同一只手動換向閥控制鉆向，操作靈活、可靠。主鉗與背鉗之間距離可隨意調節(jié)，以免損傷油管。但背鉗作用是夾緊接箍，使其固定，主鉗旋鉆實現上扣、卸扣。 背鉗不同與主鉗，是輔助工具，結構簡單、耐用便可。主要由齒條柱塞式液壓缸帶動齒輪組，齒輪組再嚙合開闊齒輪，滾輪爬坡實現夾緊過程。 ZQ-100型鉆桿動力鉗背鉗在工作時必須具有足夠的強度和剛度。承受住在彎矩作用下產生過大的彎曲力，則裝在背鉗的軸和齒輪會因傾角過大而使齒面的強度分布不均勻，產生不均勻摩擦和加大噪聲，也會使?jié)L動軸承內、外圈產生相對傾斜，影響軸承使用壽命，因此設計時要保持足夠的強度和剛度。 圖2-1 背鉗結構圖 Figure 2-1 Back pliers structure drawing 1. 背鉗頭蓋板 2.殼體 3.限位螺絲 4. 背鉗前支座 5.齒輪蓋 6.鉗牙擋銷 7.彈簧墊圈 8.滾輪 9.滾輪軸 10.坡軌 11.擋柱 12.定位柱 13.介輪 14.雙聯齒輪 15.齒條柱塞 16.油缸蓋 17.定位柱 18.內六角圓柱螺釘 19.O型密封圈 20.密封墊 21.壓墊 22.矩形密封圈 23.通油螺栓 24.銷 25.通油螺塞 26.彈簧 2.3 背鉗結構設計中的問題 1.符合安全要求 結構安全設計中主要包括三方面內容。一是提高機械系統(tǒng)的可靠性確保背鉗各構件安全使用，不損壞、不磨損、變形小等。保證在預期的壽命期里，功能正常實現機械運鉆。二是考慮制造成本，無風險投入。要達到結構安全設計要從根本上消除不安全源，限制事故損害程度。 2.減小機械噪聲 噪聲以成為全世界的公害。噪聲過大會影響人的身心健康，嚴重時會引起人體的各種疾病。機械噪聲還會引起操作者疲勞，可能會導致事故發(fā)生。所以結構設計中噪聲問題不可忽視?？刂坡曉?，減少噪聲。 3.減輕腐蝕 防止機械腐蝕是延長機械壽命的主要途徑，通過合理的結構設計可從根本上消除腐蝕損害誘因，或有效的減輕腐蝕損害的程度。 3 ZQ-100型鉆桿動力鉗的背鉗液壓缸設計 液壓缸是液壓機器最早采用地液壓元件之一。表面看來，基本結構似乎沒有什么變化，實際上，液壓缸已有很大的發(fā)展。這不僅表現在液壓缸工作性能的提高、工作范圍的擴大、品種規(guī)格的增多和結構的改進，而且還表現在對液壓缸的研究正在逐步深化，設計、計算的理論正在逐步完善。設計簡單地液壓缸，僅需做粗略的計算，憑借一般專業(yè)基礎知識即可。但是在特定的條件下，特別是在滿足特定場合需要時 （比如液壓電梯需要的長行程就液壓缸），必須合理設計液壓缸，使之既有良好的工作性能和工藝性，又盡量降低制造成本，這就需要進行比較復雜而精確的計算，也就需要較深的專業(yè)知識和豐富的實踐經驗。 ZQ-100型鉆桿動力鉗液壓缸是背鉗的主要部件，它的作用在于把液體壓力能鉆換為機械功。高壓液體進入缸內后，作用于柱塞上，經柱塞將力傳到齒輪上，使背鉗鉆動達到夾緊功能。 液壓缸制造工藝復雜，對材料、表面質量、加工精度要求很高，其穩(wěn)定性、可靠性、強度和局部應力、液壓缸的運動特性、緩沖理論和液壓缸的壽命等問題復雜。因此對液壓缸的設計要十分重要。 3.1 液壓缸的類型和結構形式選擇 根據液壓動力鉗結構簡單、方便耐用等特點選用齒條柱塞式液壓缸。 齒條柱塞式液壓缸是由帶齒條桿的雙活塞缸和齒輪齒條機構所組成。這種液壓缸的特點是：將活塞的直線往復運動，經齒條、齒輪機構鉆換成回鉆運動。此液壓缸又叫無桿缸。 3.2 液壓缸基本參數確定 液壓缸的主要參數包括壓力、尺寸規(guī)格、活塞行程、達動速度、推力、拉力、效率、負載串和液壓缸功率等。 1） 額定壓力 （1）額定壓力Pa 也稱公稱壓力，是液壓缸能用以長期工作的壓力。國家標準GB7938-87（等效于ISO-3222） （2）最高公稱壓力Pmax 是液壓缸在瞬間所能承受的極限壓力，通常規(guī)定為：Pmax≤1.5Pn （MPa） （3）耐壓試驗壓力Pr 是液壓缸在檢杳質暈時需承受的試驗壓力，在此壓力下不出現變形或破裂，通常規(guī)定為：Pmax≤1.5Pn （MPa） 2） 缸內徑和活塞桿直徑 國家標準GB2348-80（等效于ISO-3320）規(guī)定了缸內徑及活塞桿直徑系列· 3） 活塞行程 國家標準GB2349-80規(guī)定了活塞行程的基本系列。 4） 運動線速度 單位時間內流體進入液壓缸，推動活塞（或柱塞）移動的距離即液壓缸的運動線速度。 液壓缸其他參數，與相關標準吻合。 3.2.1 液壓缸工作負載及工作壓力 背鉗液壓缸機構在滿負載情況下，以一定的加速度運動時，對液壓缸產生總阻力F和有效工作壓力P確定其工作參數。 對背鉗液壓缸來說，其工作的液壓泵站提供標準壓力，工作壓力和總阻力也是其標準規(guī)定（執(zhí)行SY/T5074-2004《石油井和修井用動力鉗》標準規(guī)定各項指標）。 3.2.2 缸筒內徑及柱塞桿直徑 ZQ-100型鉆干動力鉗背鉗液壓缸處于簡潔、耐用的機構，它是齒條傳動與液壓缸液壓傳動想結合。其液壓缸內徑的計算： （3-1） 式中 D——缸筒內徑、活塞直徑； ——齒輪節(jié)圓直徑； ——進液壓力； ——回液壓力； 對于單活塞桿缸，無桿腔進油時，活塞桿直徑d的計算為 式中 F——液壓缸進油時推力； P——液壓缸進油壓力； ——液壓缸回油壓力； D——液壓缸內徑； 圖3-1 背鉗傳動系統(tǒng)圖 Figure 3-1 Back pliers kinematic scheme 活塞桿長度計算為 （3-2） 總上所以有活塞桿長度為 但是因為L=142mm為有效嚙合，其與雙聯小齒輪嚙合還需要一段長度，所以根據實際情況定齒條柱塞長度為L=401.5mm。 3.2.3 液壓缸最大工作行程和最小導向長度 液壓缸的最大工作行程，可根據工作機械動作要求所決定的液壓缸最大和最小極限位置長度來確定。若用Lmax和Lmin分別表示液壓缸最大和最小極限位置長度，則根據其差值△L=Lmax-Lmin,按GB2349—80規(guī)定的液壓缸工作行程系列，向大圓整成標準值，即得液壓缸的最大工作行程。 液壓缸的最小導向長度，是指當活塞全部外伸時，從活塞支承面中點到導向套滑面中點的距離。若導向長度太小，將使液壓缸因間隙引起的出使撓度增大，從而影響液壓缸的穩(wěn)定性。對于一般液壓缸，其最小導向長度H應滿足下式要求： （3-3） 式中 L--液壓缸的最大工作行程； D—缸筒內徑； 一般導向套滑動面的長度A，在缸筒內徑D〈80mm時，取缸筒內徑D的0.6至1.0倍；在缸筒內徑D〉80mm時，則取活塞桿直徑的0.6至1.0倍。為保證最小導向長度可采用隔離套不僅能保證最小導向長度，而且還可以擴大導向套及活塞的通用性。 3.3 液壓缸的強度及剛度校核 3.3.1 缸筒壁厚的校核及外徑計算 缸筒相當于一個兩端封閉的圓筒形受壓容器，由材料力學知，其應力狀態(tài)是隨著缸筒內徑和壁厚的比值的改變而變化的。因此在計算缸壁的合成應力和厚度時，必須考慮不同的比值和材料，采用不同的強度計算公式。 1.缸筒內壁 壁厚和強度條件計算公式為 （3-4） 式中 D—缸筒內徑； p—液壓缸的最大工作壓力； --缸筒內應力； --缸筒材料的許應力； 許應力可用下式計算： 式中 --缸體材料的抗拉強度； n—安全系數，一般取n=5； 總上：缸筒壁厚16mm，符合強度要求。 3.3.2 液壓缸柱塞桿強度驗算 在液壓缸處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，既柱塞受到負載力小于穩(wěn)定臨界力時，柱塞桿受到壓力、推力，但對于背鉗短行程液壓缸的柱塞桿來說，可不考慮彎曲，又因為 l/d10時，柱塞桿強度計算： （3-5） 式中 d—柱塞桿外徑； --空心桿內徑，實心柱塞桿=0； F—液壓缸最大推力； --柱塞桿壓應力； --材料許應力，=，其中為材料屈服極限查表，n為安全系數通常??； 總上：柱塞桿滿足強度條件，符合設計要求。 3.4 液壓缸穩(wěn)定性驗算 液壓缸在工作過程中有受很大的力，液壓缸不僅要滿足受力強度要求，還要滿足受壓狀態(tài)的穩(wěn)定性要求。 對于液壓鉗的短行程液壓缸，工作在受壓狀態(tài)時，在軸向力作用下仍保持原有直線狀態(tài)下的平衡，故可將其視為單純受壓的直桿。但實際上，液壓缸并非單一的直桿，而是缸筒、活塞和活塞桿等組合體。由于活塞與缸壁之間以及活塞桿與導向套之間均有配合間隙，此外，液壓缸的自重及負載偏心的等因素，都將使液壓缸在軸向力壓縮狀態(tài)下產生縱向彎曲。 有理論分析和實驗得知，活塞桿的受壓桿件，會在軸向載荷所引起的壓縮應力遠未達到材料的屈服強度極限之前，就會發(fā)生斷齒或彎曲。所以先按穩(wěn)定性條件進行驗算，既在工作狀態(tài)下，驗算液壓缸承受最大軸向力壓縮負載的穩(wěn)定性，再按強度條件對活塞桿進行計算。 液壓缸穩(wěn)定性驗算： 根據材料力學概念，一根受壓的直桿，在負載力超過臨界力時，既以不能維持原有軸線狀態(tài)下的平衡而喪失穩(wěn)定。液壓缸穩(wěn)定條件為： （3-6） 式中 F—最大負載力； --穩(wěn)定臨界力； --穩(wěn)定安全系數，一般取=2~4； 液壓缸穩(wěn)定臨界力的大小與活塞桿和缸筒的材料、長度、剛度及液壓缸兩端支撐有關等因素。因為活塞桿和缸筒的材料、長度、剛度是按標準規(guī)定，所以液壓缸符合穩(wěn)定條件。 3.5 液壓缸的安裝試驗與維護 液壓缸裝配完成后，通過安裝試驗達到符合要求，試驗包括以下方面（舉例說明）： 1.進行試運鉆，在空載情況下，全程往復運動5次以上，要求運鉆正常。 2.空載情況下，向被試液壓缸無桿腔通入液壓油，逐漸生壓，記錄活塞桿啟動后最低壓力，是否符合規(guī)定。 3. 液壓缸活塞固定，使液壓缸為額定壓力，測量另一出油口處泄露量，達到要求。 4.試驗負載效率應符合質量規(guī)定。 5.耐壓試驗，將液壓缸活塞桿停留在行程兩端不接觸缸蓋。使試驗腔壓力為額定壓力1.5倍，保壓5分鐘，零件無破壞、變形等現象為符合要求。 6.測量全程是否符合設計要求。 7.高壓試驗，滿載情況下，向液壓缸通入90度的液油，連續(xù)運鉆小時以上，運鉆正常。 3.6液壓缸常見故障分析與排除 故障現象 產生原因 排除方法 爬行 1.密封太緊 2.缸內壁拉毛，局部磨損嚴重或腐蝕 1.調整密封，但不得泄露 2.適當修理，重新磨缸內孔 沖擊 1.活塞桿裂痕 2. 液壓缸停止走程 1.檢查防塵圈，清除污物 2.調整液壓缸緩沖裝置 外泄露 1. 管接頭密封不嚴 2. 缸蓋處密封不良 1. 檢查密封圈及接觸面 2. 檢查修理 內泄露 1. 安裝時，密封件未裝好 2. 偏載引起的密封件磨損 1. 裝好密封件，仔細檢查 2. 檢查密封件、活塞桿、活塞的變形、磨損及斷裂 其他 由于高壓引起液壓缸變形 特別高的壓力容易引起液壓缸的歪斜，控制好壓力源 4 ZQ-100型桿動力鉗的背鉗傳動設計 4.1 背鉗傳動概述 ZQ-100型鉆桿動力鉗的背鉗的傳動系是由液壓缸帶動雙聯齒輪，通過介輪傳遞到開闊齒輪傳遞效率高、簡潔。在背鉗定軸輪系中，共有三對齒輪嚙合，分別為開闊齒輪與介輪、介輪與雙聯大齒輪，雙聯大齒輪與雙聯小齒輪共軸。經傳動滾軸爬坡實現夾緊油管的目的。 4.2 背鉗傳動設計 1.傳動系統(tǒng)的效率 ηⅠ=1 ηⅡ==0.980.95=0.93 η開口齒輪==0.980.950.95=0.88 式中 ηⅠ—柱塞效率； ηⅡ—雙聯齒輪效率； η—開闊齒輪效率； 2.總傳動比： T1=T××i總 （4-1） n1=n/ i總 3. 各級傳動比的分配 根據傳動系統(tǒng)性質和ZQ-100型液壓鉗背鉗輸出扭矩要大于等于15KNm。主軸的變速范圍是2-250r/m，變速的基本規(guī)律是變速系統(tǒng)的變速級數、變速組的傳動比之間的關系、動力鉗總變速范圍與各變速組的變速范圍。在設計傳動系統(tǒng)時，往往首先比較和選擇個傳動比之間的相對關系。 根據傳動比分配原則：傳動副的設計“前多后少”；傳動線的設計要“前密后疏” ；降速比的設計要“前緩后急”。傳動鏈要短，鉆速和要小，齒輪線速度要小，空鉆件要少。 總傳動比i總，以及各種機械傳動推薦的傳動比范圍傳動比分配如下： 初定各級傳動比為： = = = 4. 各軸功率、鉆速和鉆矩的計算 圖4-1 背鉗整體傳動示意圖 Figure 4-1 Back pliers overall transmission schematic drawing 1. 背鉗頭蓋板 2.殼體 3.限位螺絲 4. 背鉗前支座 5.齒輪蓋 6.鉗牙擋銷 7.彈簧墊圈 8.滾輪 9.滾輪軸 10.坡軌 11.擋柱 12.定位柱 13.介輪 14.雙聯齒輪 15.齒條柱塞 16.油缸蓋 17.液壓缸 Ⅰ：齒條柱塞 T1=9.55=T××=3947 Nm Ⅱ：雙聯輪軸 T2=T××i=3947×0.93×=3670.7Nm Ⅲ：介輪軸 T3=T××i= 3947×0.88××=3428.2Nm 4.3 軸的設計 ZQ-100型鉆桿動力鉗各傳動軸在工作時必須具有足夠的彎曲強度和扭鉆剛度。軸在彎矩作用下產生過大的彎曲變形，則裝在軸上的齒輪會因傾角過大而使齒面的強度分布不均勻，產生不均勻摩擦和加大噪聲，也會使?jié)L動軸承內、外圈產生相對傾斜，影響軸承使用壽命，因此設計時要保持各軸有足夠的強度和剛度. 4.3.1 軸的結構設計 軸在載荷作用下若產生過大的彎曲變形，會影響軸上正常的工作。例如：安裝在齒輪上的軸，如軸的彎曲剛度不足而產生過大的撓度y和偏角θ，會使齒輪嚙合發(fā)生偏載。對于軸承支承的軸，偏鉆角θ會使軸承內、外圈互相傾斜，如偏鉆角超過滾動軸承的允許鉆角，就顯著降低軸承的使用壽命。因此，設計軸時，需要對其進行彎曲剛度的校核。 經過演算分析，要采用軸有良好的制造工藝性，減小軸上的應力集中，提高軸的疲勞強度。簡單、耐用是設計準則。 4.3.2 軸的強度計算 進行軸的強度計算時，根據軸具體受載和應力情況，采取計算方法。按扭矩強度計算，軸受傳遞扭矩或主要傳遞扭矩的傳動軸。 傳動軸強度計算是標準的計算，在這里省略計算部分。 4.3.3 軸的剛度計算 1.傳動軸Ⅰ的彎曲剛度校核 軸上受力分析 (1)軸上傳遞的扭矩： (2)求作用在齒輪上的力： 輸入軸上小輪分度圓直徑 齒輪的圓周力： 齒輪的徑向力： （嚙合角為20） 齒輪的法向力： 根據平衡條件，得到如下數據： Y方向： ， Z方向： ， ， 2. 彎矩圖 由于齒輪的作用力在水平平面的 由于齒輪的作用力在垂直的彎矩圖 由于齒輪的作用力在D截面的最大合成彎矩 圖4-2 彎矩圖 Figure 4-2 Bending-moment diagram 3. 安全系數計算： 根據軸的結構尺寸及彎矩圖，對載面進行安全系數校核，由于軸轉動，彎矩引起對稱循環(huán)的彎曲應力，其應力幅為： 式中，W—抗彎截面系數，W按照?機械設計工程學（Ⅱ）?表4—3選取 由軸上截面系數得： ； 彎曲正應力的平均應力： 根據公式： （4-2） 式中 —只考慮彎矩作用時的安全系數； —材料彎曲疲勞極限。 查《機械設計工程學Ⅱ》表4-1軸的常用材料及其主要機械性得： —彎曲的有效應力集中系數，由應力集中系數表得：按鍵查得=1.57；按配合查得=1.25。此處取=1.25。 —表面質量系數，軸經切削加工，由不同表面粗糙度的表面質量系數查得：。 —彎曲的尺寸影響系數。由絕對尺寸影響系數表得：=0.81； 得： 轉矩=24.645，考慮到軸上作用的轉矩總是有些變動，故單向傳遞的軸的扭剪應力一般視為循環(huán)應力： 根據公式可得： 式中 —只考慮扭矩作用時的安全系數； 材料在對稱循環(huán)應力時試件的扭轉疲勞極限， 經查表得： =135， =0.1 ； K—剪應力的有效應力集中系數，經查表得：按鍵查得=1.40；按配合查得=1.88，此處取=1.88； —扭矩的尺寸影響系數，查表得： =0.76。 按公式 （4-3） 查?機械設計工程學（Ⅱ）?表4—4中的許用安全系數[S]值，可知該軸安全。 4.3.4 軸的穩(wěn)定性 軸是彈性體，當其旋轉時，由于軸和軸上零件的材料組織不均勻、制造和安裝誤差的影響，導致質心偏離軸線，產生以離心力為表征的周期性干擾力，引起軸的彎曲振動。當軸傳遞的轉矩有周期性變化時會產生周期性的扭矩變形，引起扭轉振動?？紤]以上方面，軸的設計不但是簡潔，還要達到穩(wěn)定的效果，使其耐用。 4.4 齒輪系的設計 選擇齒輪材料查表8-17（參考《機械設計工程學》Ⅰ）[12]， 小齒輪選用20CrMnTi，滲碳淬火，齒面硬度為HBS1=56～62HBS； 大齒輪先用20CrMnTi, 滲碳淬火，齒面硬度為HBS1=56～62HBS。（參照〈〈液壓動力鉗使用說明書〉〉海城市石油機械制造有限公司） 4.4.1 齒輪系的傳動比 在背鉗定軸輪系中，共有三對齒輪嚙合，分別為開闊齒輪與介輪、介輪與雙聯大齒輪，雙聯大齒輪與雙聯小齒輪共軸。它們之間傳動比為： == == == == 4.4.2 齒輪的強度計算 一、受力分析 漸開線蝸輪蝸桿嚙合時，齒廓曲面的接觸線是垂直線。其嚙合過程是在前端面從動輪的齒頂一點開始接觸，然后接觸線由短變長，再由長逐漸變短，最后在后端面從動輪齒根部某一點開始分離。蝸輪蝸桿齒面的接觸線是垂直的直線，故各接觸線上只有一點有誤差，其影響小，接觸情況好，傳動平穩(wěn)，沖擊和噪音小。蝸輪蝸桿的漸開螺旋面齒廓曲面與齒輪的任一圓柱面的交線也是一條螺旋線。為了便于分析計算嚙合區(qū)內，通常取沿齒面接觸線單位長度上所受的載荷進行計算，沿齒面接觸線單位長度上的平均載荷為基礎。 進行齒輪傳動的強度計算時，首先要知道輪齒上所受的力，這就需要對齒輪 傳動作受力分析，當然，對齒輪傳動作受力分析，不僅是為了計算齒輪的強度， 而且也是計算承裝齒輪的軸及軸承所必需的。 齒輪傳動一般均加以潤滑，嚙合齒間的摩擦力通常很小，計算輪齒受力時可 以不予考慮。在蝸輪蝸桿傳動中，作用于齒面上的正壓力垂直于齒面，如圖4-所，位于法面，與節(jié)圓柱的切面傾斜一法向嚙合角。力可沿齒輪的周向、徑向及軸向分解成三個相互垂直的分力。首先將力在法面分解成沿徑向的分力（徑向力）和在面內的分力，后再將力就在面內分解成沿周向的分力（圓周力）t沿軸向的分力（軸向力），各力的方向如圖，各力的大小為： t=2000T/d t=2000T/ 圖4-3 齒輪受力分析 Figure 4-3 Gear stress analysis 以上是對雙聯小齒輪與齒條嚙合分析，類似于渦輪蝸蝸桿嚙合，可用于計算，在這里省略校核對其它兩對齒輪校核。 ZQ-100型液壓動力背鉗鄂板架齒輪強度校核計算 一、齒輪強度校核計算 鄂板架齒輪與介輪為齒輪傳動，故對齒輪驚醒彎曲疲勞強度校核與接觸強度校核。驗算結果。 1、首先對齒輪材料、熱處理方式及計算許用應力進行檢驗： 背鉗鄂板架2：ZG40Mn2, 滲碳淬火， 硬度HRC56-62。 介輪1：20CrMnTi, 滲碳淬火, 硬度HRC56-62. 由圖13-1-23和圖13-1-52按MQ級質量要求取值，得 ＝1505MPa；＝1505 Mpa =505 MPa ; ＝505Mpa 2、計算作用在齒輪上的作用力 作用在背鉗鄂板架上的扭矩為15KN.m,因此齒輪上的作用力為： 介輪受力為： 3、齒輪彎曲強度校核計算 3.1首先要確定端面重合度 因為是角變位齒輪，所以 （4-4） ① 其中嚙合角 背鉗鄂板架齒輪變位系數 介輪變位系數 b． ，查表13-1-2得0.014904 =0.0253 由表13-1-21得 選用滾齒法對齒輪進行校核： 齒輪齒頂圓直徑600+2×14.762758= 629.58 式中 齒頂高 =（1+0.57-0.091）×10= 14.79 （0.53+0.57）-1.009= 0.091 1.009 齒頂圓直徑170+2×14.39= 198.78 齒輪齒頂高（1+0.53-0.091）×10= 14.39 ==1.68 因此齒輪齒根彎曲應力為： 3.2計算齒輪齒根彎曲應力： 下面分別求出各系數值： 3.2.1齒間載荷分布系數(13-112)：齒間載荷分配系數的含義、影響因素、計算方法與使用表格與接觸強度計算的齒間載荷分配系數完全相同，且相等。 （4-5） ，其中 ，（4-6） 由表13-1-98查得， 因此有： 3.2.2齒根應力的基本值 （4-7） 式中 ，， ，， 齒形系數：用于考慮齒形對名義彎曲用力的影響，以過齒廓根部左右兩過渡曲線的截面作為危險截面進行計算 ，，， 由圖13-1-38查得， ， 應力修正系數：是考慮載荷作用于單對齒嚙合區(qū)外界點時齒形對名義彎曲應力的影響。 由圖13-1-43查得， ， 重合度系數 螺旋角系數：是考慮螺旋角造成接觸線傾斜對齒根應力產生的影響的系數。 由表13-1-18查得，， 由圖13-1-49，根據，查得， 計算齒根應力的基本值 （4-8） 3.2.3使用系數 原動機為液壓裝置，輕微沖擊，工作機為夾緊機構，均勻平穩(wěn)， 查表13-1-81，得 3.2.4動載系數 齒輪線速度 由表13-1-90 公式計算傳動精度系數C z==17， （由表13-1-67，，精度8級） 圓整，取C=10，查表13-1-90， 1， （4-9） 其中，0.7314 65.0416 齒間載荷分配系數 查表13-1-102得：（硬齒面直齒輪） 綜上所述 3.3校核安全系數 由表13-1-111， （4-10） 3.3.1 試驗齒輪的彎曲疲勞極限：是某種材料的齒輪經長期重復載荷作用后，齒根保持不破壞時的極限應力。 背鉗鄂板架2：ZG40Mn2, 滲碳淬火, 硬度HRC56-62。 介輪1：20CrMnTi, 滲碳淬火, 硬度HRC56-62。 由圖13-1-53，按MQ級質量要求取值， ， 3.3.2應力修正系數：是名義彎曲應力換成齒根局部應力的系數。 由表13-1-111查得， 3.3.3壽命系數：壽命系數應根據實際齒輪實驗或經驗統(tǒng)計得出的曲線求得，它與材料、熱處理、載荷平穩(wěn)程度、輪齒尺寸及殘余應力有關。 由表13-1-118查得， 根據行業(yè)標準80000次旋緊或旋松，以每旋緊一次0.1694轉計算， 3.3.4相對齒根角敏感系數：齒根角敏感系數表示在輪齒折斷時，齒根應力理論集中超過實際應力集中的程度。 齒根圓角系數，用表13-1-112所列公式進行計算， 由圖13-1-38知：，， 用表13-1-112所列公式進行計算： (4-11) (4-12) （輪齒普通型，） (4-13) (4-14) (4-15) (4-16) 由圖13-1-57，查得， 3.3.5相對齒根表面狀況系數：主要是齒根圓角處的粗糙度對齒根彎曲強度的影響。 由表13-1-122，齒根表面微觀不平度10點高度為時， 3.3.6尺寸系數：是考慮尺寸增大使材料強度的尺寸效應因素，用于彎曲強度計算。 由表13-1-119查得， 彎曲強度的安全系數 (4-17) (4-18) 由表13-1-110得，規(guī)定的一般可靠度最小安全系數， ，均達到要求，齒輪彎曲強度核算通過。 終上所述，根據對齒根彎曲疲勞強度的校核，開口齒輪與介輪的齒根彎曲強度足夠，能夠保證正常運作。 ZQ--100型液壓動力鉗背鉗雙聯齒輪校核計算 一、齒輪強度校核計算 因為是齒輪傳動，故對齒輪驚醒彎曲疲勞強度校核與接觸強度校核。 1、齒輪材料、熱處理方式及計算許用應力 雙聯齒輪1：ZG40Mn2, 滲碳淬火， 硬度HRC56-62。 介輪2：20CrMnTi, 滲碳淬火, 硬度HRC56-62. 由圖13-1-23和圖13-1-52按MQ級質量要求取值，得 ＝1505MPa；＝1505 Mpa =505 MPa ; ＝505MPa 2、計算作用在齒輪上的作用力 作用在雙聯齒輪上的扭矩為5.581KN.m,因此齒輪上的作用力為： 介輪受力為： 3、齒輪彎曲強度校核 3.1首先要確定端面重合度 因為是角變位齒輪，所以 (4-19) ① 其中嚙合角 (4-20) 雙聯齒輪變位系數 介輪變位系數 b． ，查表13-1-2得0.014904 =0.0331 由表13-1-21得 選用滾齒法： 齒頂圓直徑170+2×14.169= 198.34 式中 齒頂高 =（1+0.53-0.1131）×10= 14.169 （0.37+0.53）-0.787= 0.1131 0.787 齒頂圓直徑190+2×12.57=215.14 齒頂高（1-0.37-0.1131）×10= 12.57 ==1.444 因此齒根彎曲應力為 (4-21) 3.2計算齒根彎曲應力 下面分別求出各系數值： 3.2.1齒向載荷分布系數(13-112) (4-22) ，其中 ， 由表13-1-98查得， 因此， 3.2.2齒根應力的基本值 (4-23) 式中，， ，， 齒形系數 ，，， 由圖13-1-38查得， ， 應力修正系數 由圖13-1-43查得， ， 重合度系數 0.769 螺旋角系數 由表13-1-18查得，， 由圖13-1-49，根據，查得， 計算齒根應力的基本值 (4-24) 3.2.3使用系數 原動機為液壓裝置，輕微沖擊，工作機為夾緊機構，均勻平穩(wěn)， 查表13-1-81，得 3.2.4動載系數 齒輪線速度 由表13-1-90 公式計算傳動精度系數C z==17， （由表13-1-67，，精度8級） 圓整，取C=10，查表13-1-90， 1， (4-25) 其中，0.7314 65.0416 齒間載荷分配系數 查表13-1-102得：（硬齒面直齒輪） 綜上所述 3.3校核安全系數 由表13-1-111， (4-26) 3.3.1 試驗齒輪的彎曲疲勞極限 背鉗鄂板架2：ZG40Mn2, 滲碳淬火, 硬度HRC56-62。 介輪1：20CrMnTi, 滲碳淬火, 硬度HRC56-62。 由圖13-1-53，按MQ級質量要求取值， ， 3.3.2應力修正系數 由表13-1-111查得， 3.3.3壽命系數 由表13-1-118查得， 根據行業(yè)標準80000次旋緊或旋松，以每旋緊一次0.1694轉計算， 3.3.4相對齒根角敏感系數 齒根圓角系數，用表13-1-112所列公式進行計算， 由圖13-1-38知：，， 用表13-1-112所列公式進行計算： (4-27) (4-28) （輪齒普通型，） (4-29) (4-30) (4-31) (4-32) (4-33) 由圖13-1-57，查得， 3.3.5相對齒根表面狀況系數 由表13-1-122，齒根表面微觀不平度10點高度為時， 3.3.6尺寸系數 由表13-1-119查得， 彎曲強度的安全系數 (4-34) (4-35) 由表13-1-110得，規(guī)定的一般可靠度最小安全系數， ，均達到要求，齒輪彎曲強度核算通過。 終上所述，根據對齒根彎曲疲勞強度的校核，顎板架與介輪的齒根彎曲強度足夠，能夠保證正常運作。 背鉗的傳動輪系結構簡單、耐用，體現了設計理念，完成了設計要求。 注：本計算依據是《機械設計手冊》.單行本.機械傳動卷/成大先主編. 北京：化學工業(yè)出版社，2004.1 5 結論 通過本學期畢業(yè)設計所研究的鉆桿動力鉗背鉗總體分析及零件的計算，使鉆桿動力鉗背鉗達到整體簡單、部件簡潔耐用、使用方便等目的。背鉗動力部件液壓缸最小的體積來實現夾緊管箍的目的。傳動系統(tǒng)以簡潔的三對輪齒嚙合，60度角內夾緊，達到先期設計目的。而從整體使用經濟角度，鉆桿動力鉗背鉗適合在中國使用，價錢遠比國外的便宜，而且質量不比國外的差。所以這次設計的鉆桿動力鉗背鉗符合預期設計理念達到設計要求。 6 技術經濟分析 ZQ-100型鉆桿動力鉗采用液壓控制，兩擋變速，主鉗、背鉗鉗頭采用顎板凸輪夾緊機構，不需要更換板牙，既能夾緊不同規(guī)格的管柱，能保持良好的夾緊性能。主鉗、背鉗均由一只手動換向閥控制轉向，操作靈活、可靠。鉗頭制動機構，結構簡單、調整維修方便、制動安全、可靠耐用。鉗上配備扭矩控制儀，從而調整控制鉗頭輸出扭矩，并使動力鉗附有過載保護功能。還可應用戶要求配備液壓升降系統(tǒng)，既液壓彈簧懸吊器，操縱手動升降閥即可調整液壓動力鉗高度，使鉗子能準確夾緊油管接箍。 以上都是ZQ-100型鉆桿動力鉗所采用技術的特點，從其經濟角度分析，其最大經濟價值在于為國家節(jié)省外匯，過去液壓動力鉗基本靠進口，而如今國內生產液壓鉗的企業(yè)越來越多，而且技術成型可與進口的鉗子