一级减速构件及安装该构件的液压卡盘式钻杆夹持装置的制作方法

本实用新型涉及钻探设备领域，为煤矿用坑道深孔钻机的动力部件，具体为一级减速构件及安装该构件的液压卡盘式钻杆夹持装置。

背景技术：

随着煤矿开采技术的不断发展，煤矿用的坑道钻机技术不断成熟，固定式钻机设备已经被履带式钻机取代。履带钻机的核心部分为钻机打孔的动力头部分，动力头主要为钻杆提供旋转力矩，钻机本身提供推动力，钻头安装在钻杆上，在推动力和旋转力矩的共同作用下对岩石形成破坏力，从而形成连续的钻孔能力。

目前动力头对钻杆的驱动形式主要有两种，一种为钻杆与动力头通过螺纹直接连接，这种形式安全可靠，但是每打完一根钻杆就需要拆卸钻杆后补充钻杆，工作效率较低下；另一种为动力头通过液压压力来夹紧钻杆，夹紧力形成摩擦力来驱动钻杆旋转，这种结构的优势为不用拆卸钻杆就能补充钻杆，钻杆从动力头后面连续不断的补充从而形成比较连续的钻孔作业过程，其效率明显提高，其缺点为内部元件的损坏周期非常短。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷和不足，本实用新型提供了一级减速构件及安装该构件的液压卡盘式钻杆夹持装置，在提高工作效率的同时，提高装置的使用寿命。

为达到上述目的，本实用新型采取的技术方案包括：

一级减速构件，包括第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮和第二齿轮的速比为91/18＝5.06。

具体的，第一齿轮和第二齿轮的齿轮模数为5；第一齿轮和第二齿轮均采用高效斜齿轮，高效斜齿轮的螺旋升角为8°。

安装有所述的一级减速构件的液压卡盘式钻杆夹持装置，包括所述的一级减速构件和动力卡盘构件，动力卡盘构件包括沿空心轴轴向依次设置推力卸载构件和常闭夹紧构件，推力卸载构件位于空心轴的主动端，常闭夹紧构件位于空心轴的从动端；

常闭夹紧构件包括碟簧、滑移体和卡瓦体，卡瓦体同轴嵌设在空心轴轴壁内，滑移体与卡瓦体沿锥面贴合套设，碟簧在滑移体的一端顶紧保证卡瓦体在轴向的抱紧力，推力卸载构件在滑移体的另一端顶紧给卡瓦提供卸载力。

具体的，所述的滑移体为外壁带有碟簧安装台的圆柱形构件，碟簧安装台上设置碟簧安装位，滑移体的内壁为锥形的卡瓦贴合面，碟簧安装台靠近卡瓦贴合面的锥形大口端同轴设置，碟簧同时在碟簧安装台和滑移体的锥形面的小口端端面进行滑移体的顶紧；

最好的，所述的碟簧安装台的宽度为滑移体的锥形面的小口端端面宽度的2～3倍，滑移体的卡瓦贴合面的锥度角为16～32°。

具体的，所述的卡瓦体包括卡瓦和弹簧挡圈，卡瓦为直角梯形构件，卡瓦的锥形面为贴合面，卡瓦的直角面为合金抱紧面，合金抱紧面上并列设置有硬质合金块，且在合金抱紧面上沿周向设置弹簧挡圈安装位；

在卡瓦的贴合面上设置多个在同一平面的凸台；

滑移体与卡瓦体沿锥面贴合设置的锥度角为8～16°。

最好的，卡瓦体安装端的空心轴轴壁厚度h1与非卡瓦体安装端的空心轴轴壁厚度h2的厚度差为9～11mm。

具体的，推力卸载构件为液压油缸和活塞体，活塞体的位移为滑移体与卡瓦的相对移动提供动力，液压油缸的行程距离小于碟簧的总变形量的距离。

进一步的，还包括卡瓦端盖，碟簧设置在卡瓦端盖和滑移体之间，使滑移体沿锥向顶紧卡瓦，卡瓦压紧弹簧挡圈给钻杆提供抱紧力。

更进一步的，还包括外壳，卡瓦端盖外还设置防尘盖，防尘盖与外壳组成夹紧构件的壳体，夹紧构件的壳体与液压油缸连接，活塞体与滑移体之间还设置转向套和球轴承。

与现有技术相比，本实用新型的优点为：

本实用新型的一级减速构件通过两个齿轮之间的速比的调整，得到了结构简单且实用的减速机构，适合于钻杆夹持装置使用，且本实用新型的液压卡盘构件，通过构件内部各个部件之间的位置关系的调整，各个部件的具体结构细节的设定，使本装置在提高效率的同时，能提高装置中各个部件的使用寿命，具有使用寿命长、故障率低、维修简便、性价比高的特点。

附图说明

图1为本实用新型的安装一级减速构件的液压卡盘式钻杆夹持装置的正视图；

图2为图1的A-A的剖视图；

图3为本实用新型的安装一级减速构件的液压卡盘式钻杆夹持装置的俯视图；

图4为图3的B-B的剖视图；

图中各标号表示为：1-动力卡盘构件、11-动力卡盘外壳、12-液压油缸、13-活塞体、14-第一球轴承、15-转向套、16-滑移体、17-碟簧、18- 卡瓦端盖、19-防尘盖、110-卡瓦、2-一级减速构件、21-第一齿轮、22-第二齿轮、23-一级减速构件外壳、24-第二球轴承、25-空心轴端盖、26-一级减速构件外壳端盖、3-马达、4-空心轴；

以下结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型做具体说明。

具体实施方式

本实用新型的一级减速构件包括第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮和第二齿轮的速比为91/18＝5.06，第一齿轮和第二齿轮的齿轮模数为5；最好的，第一齿轮和第二齿轮均采用高效斜齿轮，高效斜齿轮的螺旋升角β＝8°。

一种可行的方案，通过动力部件(马达)与第一齿轮连接控制第一齿轮的转动，第二齿轮与第一齿轮啮合，第二齿轮与待控制部件连接，第一齿轮与第二齿轮的传动实现待控制部件的减速传动。

安装有一级减速构件的液压卡盘式钻杆夹持装置包括一级减速构件和动力卡盘构件，一种可行的连接方式为，包括空心轴，沿空心轴轴向依次设置一级减速构件和动力卡盘构件，一级减速构件的第一齿轮通过马达带动，第二齿轮同轴固设在空心轴的外壁上，动力卡盘构件包括沿空心轴轴向依次设置推力卸载构件和常闭夹紧构件，通过第一齿轮和第二齿轮将来自马达的转动速率减速后通过空心轴进行传递，带动空心轴和常闭夹紧构件一起转动。

常闭夹紧构件包括碟簧、滑移体和卡瓦体，卡瓦体同轴嵌设在空心轴轴壁内，此处所说的卡瓦体嵌设在空心轴轴壁内表示的是卡瓦体嵌设在空心轴非端部的位置，大部分人认为，卡瓦体不设置在端部会带来加工过程复杂和拆卸不方便的问题，其实，发明人通过研究发现，不设置在端部，不仅不会增加制造成本，同时由于结构相互之间的协调性，比如空心轴会给卡瓦体更好的保护，卡瓦体本身会降低对端部管壁结构的径向损耗性，两者协调后增加各个部件的使用寿命，反而降低了生产成本；滑移体与卡瓦体沿锥面贴合套设，碟簧在滑移体的一端顶紧保证卡瓦在轴向的抱紧力，推力卸载构件在滑移体的另一端顶紧给卡瓦提供卸载力。这种结构的设置，在碟簧的顶紧条件下实现对钻杆的持续常闭夹紧，只有在更换钻杆或对钻杆进行卸载时，才需要推力卸载构件的工作，因此，在一定程度上提高了推力卸载构件的使用寿命；

最好的，推力卸载构件位于空心轴的主动端，即位于空心轴与马达或减速机等动力部件的连接端，常闭夹紧构件位于空心轴的从动端，这样设置的好处是高速转动的动力部件与结构相对简单的推力卸载构件(比如液压缸)直接相邻，由于在动力部件工作的过程中，推力卸载构件永远不会工作，所以将推力卸载构件与动力部件相邻设置不会对动力部件的工作产生影响，也不会对钻杆的工作产生影响，且通过推理卸载构件将动力部件与常闭夹紧构件间隔，在一定程度上将夹紧和转动的两个工作过程分隔，使两个工作过程在一定程度上分离同时还有相关性，保证了碟簧顶紧的稳定性，这样结构的设计，是发明人在实际的工作过程中总结得到的，也是通过大量的对比实验得出的这样的结论，发明人反复的实验了推力卸载构件与常闭夹紧构件和动力部件的连接关系，发现动力部件、推力卸载构件和常闭夹紧构件三者依次设置在空心轴上的工作过程是最顺畅，且相互之间不会产生影响，不仅能将各个部件的工作过程协同的配合起来，同时保证了各个部件的独立性，在一定程度上减少的工作损耗，增加了部件的使用寿命。

结合图3，滑移体为外壁带有环形凸台的圆柱形构件，环形凸台为碟簧安装台，碟簧安装台上设置碟簧安装位，滑移体的内壁为锥形面，即卡瓦贴合面，碟簧安装台靠近卡瓦贴合面的锥形面大口端同轴设置，碟簧同时在碟簧安装台和滑移体的锥形面的小口端端面进行滑移体的顶紧；碟簧与滑移体的位置关系，相当于对滑移体的整体都有一个顶紧的过程，使碟簧的设置形状不规则，按照滑移体外壁的形状来设置，相比于仅对滑移体的碟簧安装台部分顶紧的结构，不仅整体顶紧的顶紧力更大，而且，由于碟簧不规则结构的力的分散，同时提高了碟簧的使用寿命和滑移体的使用寿命。

最好的，通过实验证明，碟簧安装台的宽度为滑移体的锥形面的小口端端面宽度的2～3倍，滑移体的卡瓦贴合面的锥度角为16～32°。这样的尺寸和角度的设置，不仅能使滑移体与卡瓦贴合过程中的摩擦力最小，同时还能保证碟簧与滑移体之间的位置关系最大程度上的保证两者的使用寿命尽量的延长；

结合图4，卡瓦为类似于直角梯形的构件，卡瓦的锥形面为贴合面，最好的，贴合面上带有多个凸台，增大贴合面的摩擦力，卡瓦的直角面为合金抱紧面，合金抱紧面上并列设置有硬质合金块，且在合金抱紧面上沿周向设置弹簧挡圈安装位，用于卡设弹簧挡圈；

卡瓦的锥度角为8～16°，滑移体的卡瓦贴合面的锥度角配合卡瓦的锥度角设置，方向相反，使滑移体与卡瓦贴合过程中的摩擦力最小，降低两个紧密贴合的部件相互之间的磨损，进一步提供部件的使用寿命；卡瓦体安装端的空心轴轴壁厚度h1与非卡瓦体安装端的空心轴轴壁厚度h2的厚度差为9～11mm，可以保证卡瓦与空心轴轴壁的接触面不小于70％，保证卡瓦设置的牢固性，同时卡瓦在一定程度上受到空心轴的保护，增加其使用寿命。

推力卸载构件为液压油缸和活塞体，活塞体的位移为滑移体的移动提供动力，液压油缸的行程距离小于碟簧的总变形量的距离，避免油缸的损坏和液压系统发热。

本装置还包括卡瓦端盖，碟簧设置在卡瓦端盖和滑移体之间，使滑移体沿锥向顶紧卡瓦，卡瓦压紧弹簧挡圈给钻杆提供抱紧力。

另外，还包括外壳，卡瓦端盖外还设置防尘盖，防尘盖与外壳组成夹紧构件的壳体，夹紧构件的壳体与液压油缸连接，活塞体与滑移体之间还设置转向套和球轴承，转向套可以对球轴承进行径向约束，较少球轴承的径向移动带来的部件损坏。

工作原理为：卡盘上碟簧提供夹紧力，夹紧状态为长闭状态，即卡瓦为夹紧状态，夹紧力形成摩擦力传递扭矩。液压缸提供松开力，通过滑移体的锥面与卡瓦相互楔进形成松开力，此时滑移体上移，碟簧被压缩，卡瓦在弹簧挡圈的顶紧作用下沿径向朝外移动，卡瓦松开夹紧的钻杆，实现钻杆的卸载。卡瓦夹紧钻杆后可高速旋转，从而形成钻孔动作。加紧钻杆后即可较高速度旋转，也可低速旋转。高速旋转的部件包括：空心轴、转向套、滑移体、卡瓦上盖、卡瓦、防尘盖以及前端的碟簧。防尘盖为安装钻杆起导向作用以及钻孔作业时的扶正作用。

实施例一：

安装有一级减速构件2的液压卡盘式钻杆夹持装置的设计输出扭矩为 4000N.m。

3.1.动力部分，动力部分可配备排量为200ml/r或者225ml/r的变量马达。200ml/r马达参数：排量0～200ml/r，可限排量50～200ml/r，额定压力40MPa；

3.2.减速机构，减速机构为一级减速构件2，包括相互啮合第一齿轮 21和第二齿轮22，第一齿轮21和第二齿轮22的速比为91/18＝5.06，第一齿轮21和第二齿轮22齿轮模数为5，第一齿轮21和第二齿轮22均为高效斜齿轮，斜齿轮螺旋升角为8°，小的螺旋升角在满足重合度的情况下，尽量减小轴向力。

3.3液压卡盘构件，液压卡盘构件包括空心轴4，沿空心轴4轴向依次设置推力卸载构件和常闭夹紧构件，推力卸载构件位于空心轴4的主动端，常闭夹紧构件位于空心轴4的从动端；

沿空心轴4轴向依次设置一级减速构件2和动力卡盘构件1，一级减速构件2的第一齿轮21通过马达3带动，第二齿轮22同轴固设在空心轴4 的外壁上，带动空心轴4和动力卡盘构件1上的旋转部件转动，一级减速构件2包括第一齿轮21、第二齿轮22、一级减速构件外壳23、第二球轴承24、空心轴端盖25和一级减速构件外壳端盖26。一级减速构件外壳23通过三列第二球轴承24与空心轴4转动连接，靠近空心轴4的端部依次设置一级减速构件外壳端盖26和空心轴端盖25，第二齿轮22同轴固定在空心轴4外壁上并位于一级减速构件外壳23内，第一齿轮21与马达3传动连接，第一齿轮21与第二齿轮22啮合。

常闭夹紧构件包括碟簧17、滑移体16和卡瓦体，卡瓦体嵌设在空心轴 4轴壁内(距离空心轴4端部有一定的距离，该距离大概为卡瓦高度的1/3～ 1/2)，滑移体16与卡瓦体沿锥面贴合套设，碟簧17在滑移体16的一端顶紧保证卡瓦体在轴向对钻杆的抱紧力，推力卸载构件在滑移体16的另一端顶紧给卡瓦体抱紧的钻杆提供卸载力。

结合图3，滑移体16为外壁带有环形凸台的圆柱形构件，环形凸台为碟簧安装台，碟簧安装台上设置碟簧安装位，滑移体16的内壁为锥形面，即卡瓦贴合面，碟簧安装台靠近卡瓦贴合面的锥形面大口端同轴设置，碟簧17同时在碟簧安装台和滑移体16的锥形面的小口端端面进行滑移体16 的顶紧；碟簧安装台的宽度为滑移体16的锥形面的小口端端面宽度的2倍，滑移体16的卡瓦贴合面的锥度为16.4°。

结合图4，卡瓦110为类似于直角梯形的构件，卡瓦110的锥形面为贴合面，最好的，贴合面上带有多个凸台，增大贴合面的摩擦力，卡瓦的直角面为合金抱紧面，合金抱紧面上并列设置有硬质合金块，且在合金抱紧面上沿周向设置弹簧挡圈安装位，用于卡设弹簧挡圈；

卡瓦8的锥度角α＝8.2°，卡瓦8的锥度角与滑移体16的卡瓦贴合面的锥度角角度相同，方向相反；卡瓦体安装端的空心轴轴壁厚度h1与非卡瓦体安装端的空心轴轴壁厚度h2的厚度差为10.5mm，加厚处壁厚35mm，未加厚处壁厚24.5mm，增加壁厚可延长卡瓦在槽内滑动的行程，起导向作用；可以保证卡瓦与空心轴轴壁的接触面不小于70％，保证卡瓦设置的牢固性。

推力卸载构件包括液压油缸12和活塞体13，活塞体13的位移给滑移体16的移动提供动力，液压油缸12的行程距离小于碟簧17的总变形量的距离，避免油缸的损坏和液压系统发热。

还包括卡瓦端盖18，碟簧17设置在卡瓦端盖18和滑移体16之间，使滑移体16沿锥向顶紧卡瓦110，卡瓦110压紧弹簧挡圈给钻杆提供抱紧力。

还包括动力卡盘外壳11，卡瓦端盖18外还设置防尘盖19，防尘盖19 与动力卡盘外壳11组成夹紧构件的壳体，夹紧构件的壳体与液压油缸12 连接，活塞体13与滑移体16之间还设置转向套15和第一球轴承14，转向套15可以对第一球轴承14进行径向约束，较少第一球轴承14的径向移动带来的部件损坏。

卡瓦110的硬度采用调质后的普通硬度，滑移体16采用氮化处理，硬度大于HV500，一硬一软的受力让软零件变形，防止硬碰硬使设备整体损坏。碟簧17为29个，碟簧17的型号为碟簧外径×碟簧内径＝50×25.4～4.1(mm)，硬质合金块与钻杆之间的摩擦系数μ＝0.5，夹紧钻杆直径为φ73mm和φ89mm两种规格。液压油缸的行程为26mm，单个碟簧的压平时变形量为1.1mm，所以碟簧的总变形量为：29×1.1＝31.9mm。