目前松软煤层瓦斯钻机一直是国内外研究热点，很多钻机在钻进过程中，当接续下一根螺旋钻杆时，采用静态接续方法，需要已钻入煤层的长钻具停止转动，这主要因为目前钻机设计采用夹持器形式[1-3]，只起到固定、限位钻杆作用，并不能带动钻杆转动。导致已钻进煤层的钻具部分频繁启停，启停过程的冲击容易造成已钻成煤孔壁的坍塌[4-6]，使钻具被抱死无法启动，严重时导致钻杆断裂，钻具丢失，钻孔无法使用等安全事故[7-9]。为实现自动夹紧松开钻杆功能，提出瓦斯钻机自动化前动力头装置[10]，采用机械卡盘实现夹紧或导向钻杆作用。

卡盘按照获取作用力的方式，主要分为机械卡盘和液压卡盘[11]，传统的机械卡盘夹紧和松开靠手动操作，结构较简单，加工方便，但操作费力，安全可靠性差。液压卡盘具有动作迅速，操作轻便，易于集中控制和实现程序控制等优点，但结构复杂，易损坏，且维修要求高。本前动力头装置采用机械式三爪卡盘结构[12]，吸取传统卡盘成功设计经验，并提出自己的创新，依靠液压马达作为动力，实现无需停止转动而夹紧、松开钻杆，不仅提高钻孔效率，而且能防止由于停钻而造成抱（夹）钻故障的发生，实现钻机远距离控制技术的突破,提高了钻孔作业人员的防护能力,对改善安全生产条件具有重要的意义。

1 结构设计方案

瓦斯钻机前动头装置结构示意图如图1。瓦斯钻机前动力头装置采用瞳孔结构，由卡盘组件、箱体、齿轮、轴、轴承等组成。卡盘组件嵌入大轴承内并安装在动力头箱体上，是夹紧、松开钻具的主要构件。卡盘组件在传统三爪卡盘上进行改进设计，将平面螺旋槽锥齿轮设计为平面螺旋槽圆柱齿轮，这样可由齿轮传动带动卡爪的径向移动，免去人工用伏打扳手旋转锥齿轮实现的夹紧松开过程[13]。因为螺旋槽采用阿基米德螺纹，其螺距相等，齿轮旋转可使3个卡爪同时向中心靠近或退出相同距离，有自动定心的作用。由于圆柱齿轮的影响，卡盘组件不能靠传统盘体实现其位置相对固定，所以针对卡爪改进设计，加长其夹持爪部分，嵌入卡盘体、楔心套楔形槽中，起到连接，固定作用，使卡盘组件成为一个有机整体。卡爪可采用不同的形式，夹持不同规格的钻杆。

近年来，盛通印刷最被行业人士津津乐道的，就是投身教育市场。作为一家以出版印刷为主的企业，盛通印刷在教材、儿童阅读类产品中的份额较大，在教育出版领域积累了大量的资源。而随着我国一系列鼓励教育产业发展的方针政策的出台，家庭消费中对于教育的消费比重持续增长，这为教育产业发展营造了良好的政策、社会和经济环境，也让盛通确定了转型的方向。

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图1 前动头装置结构示意图

2 液压系统

利用ADAMS和 MATLAB/Simulink搭建了动态前动力头虚拟平台，可了解加紧松开钻杆过程中的具体性能，为实际物理样机的开发提供了依据。

在平面螺纹驱动力pr和卡盘夹紧反力F的作用下，卡爪将作逆时针倾转，使卡爪工字槽内A、B 2点与盘体导轨接触，并在接触点受到正压力NA、NB和摩擦力fNA，fNB的作用，由此得卡爪的受力平衡方程：

后来的每一天，果果都变着花样给我做饭，我也会时常在放学的路上，给果果买一个果冻。一天，在饭桌上，果果问我，“你今天怎么给我买两个果冻啊，爸爸不是说一天只能吃一个吗？”“给你的奖励啊，昨天，你教我的几何题，竟然做对了，老师都没想到答案，我说是我们家果果做出来的，老师夸你聪明呐！”果果欢呼雀跃手舞足蹈一番。我问：“果果，有时候你怎么那么聪明呢？”果果突然不说话了，像是突然想起了什么。

将钻机同时工作的回转和加紧工况分成2个独立的系统，使钻进参数调节更为方便,确保钻机工作过程中钻速及转矩达到精确控制。液压系统具备转矩、转速控制功能，可无级调速，同时利用辅助油泵还可以增加一些辅助功能，可满足动态夹紧、松开钻具、卡钻等多种复杂实际工况使用。

  

图2 液压系统图

3 工作原理

工作时主动力液压马达通过二级减速齿轮传动带动整个卡盘转动，同时副动力伺服马达带动卡盘上的平面螺纹齿轮要保持转速与整个主卡盘速度相同，此时平面螺纹齿轮与卡盘相对速度为0，不会带动卡爪产生向心运动。当要夹紧钻杆时，平面螺纹齿轮转动速度要大于主卡盘动力齿轮，与卡盘主转速产生差速，使得卡爪向心运动夹住钻杆，在夹紧钻杆后，平面螺纹齿轮始终保持转速要稍大与卡盘主转速，这样能产生较大夹紧力，保证钻具牢固性；需要松开钻杆时，动力齿轮速度不变，平面螺纹齿轮减速，使得与平面螺纹啮合的卡爪做径向退出工作过程，整个过程中卡盘不会停止转动，并能实现动态夹紧松开过程。

钻机前动力头的液压系统采用泵、马达双变量系统[14-15]，液压系统图如图2。

应用该平台分析了最初夹紧松开过程速度，系统速度模拟图如图3，当钻机启动工作8 s后，前动力头系统速度逐渐增加至钻机额定转速2.5 r/s,在加紧松开钻具过程中，前动力头保持钻机额定转速，12 s时调节机构增速使三爪径向内移，卡盘夹紧钻杆；17 s时调节机构减速使三爪径向外移，卡盘松开钻杆，结果速度模拟结果分析与设计要求一致。

根据国家相关规定，对于科研经费中的差旅费、会议费、咨询费等有支出定额限制的项目，需进行定额支出标准控制的费用项目，宜采用内置报销表单方式，提高控制效率。以差旅费为例，事先在系统内嵌入不同地区的住宿费、餐费等报销标准，报销时选择并填写出差地区、天数等信息，系统会自动计算报销最高标准，便于相关人员进行审批。同样咨询费、会议费等，也采用类似管理模式。

  

图3 系统速度模拟图

4 卡盘夹紧力研究

取卡爪为研究对象，卡爪受力简图如图6。

  

图4 调节齿轮的受力图

对调节齿轮轴线o取矩得：

20例患者均接受MRA与MRI检查，应用日本东芝1.5T超导磁共振扫描仪，扫描参数设置：3D TOF MRA方法，其中TR=42ms，TE=8ms，Ta=35°，或者采用3DPC方法，其中TR=24ms，TE=11ms，Ta=15°，层厚：1mm，行连续扫描。其中原始图像应用最高强度的投影MIP方法实施自动化处理，重建后获得患者三维血管图像。接受MRI检查患者均在其头部MRI实施平扫基础上采取3D血管成像扫描检查，其轴位显示野：20cm×20cm。

 

式中：pr′为 pr的反作用力；a、b、c、d 为 fNB、F、pr′、fNA 作用距离。

  

图5 平面螺纹齿的受力简图

 

解式（3）、式（4）得：

 

调节齿轮的端面图如图4。Mn为其驱动力矩,Mf为调节齿轮轴轴颈摩擦力矩，为摩擦系数，T为调节轮齿与平面螺纹齿轮作用力，R1为调节齿轮的分度圆半径，β为调节齿轮齿形压力角，取值20°，Tt为T的切向分量，Tr为T的法向分量，Tt=Tcosβ，Tr=Tsinβ。

  

图6 卡爪受力简图

传动部分由动力部分和调节部分组成，其中动力部分为二级传动，可将液压马达减速至钻杆钻机合理速度。主马达工作通过输入轴带动整个卡盘转动，是卡盘主要旋转动力；调节部分副马达与调速齿轮配合工作，主要功能为卡爪的径向移动夹紧松开钻具提供动。

 

 

联立以上方程得：

 

取平面螺纹齿轮为研究对象，平面螺纹齿的受力简图如图5。平面螺纹轮齿受到调节齿轮接触压力T的作用沿逆时针方向旋转,平面螺纹则受到卡爪牙弧的法向反力p、摩擦力FP、T的反作用力 Tt′、盘丝内孔摩擦阻力Fv作用。平面螺纹轴颈摩擦圆半径，又 知 pt=psinα、pr=pcosα，FPt=fpr=fpcosα，α为平面螺纹螺旋升角（h处），平面螺纹轮齿分度圆半径R2，h为平面螺纹平面螺纹与卡爪牙弧的作用半径，r2为平面螺纹轮齿内孔半径，取h=r2+1/2（R2-r2）=1/2（R2+r2）。

综合式（2）、式（6）、式（10），对于调节齿轮输入扭矩Mn，输出的卡盘夹紧力F为：

相关性研究有两个目的：①探索变量之间的联系；②从被试在一个变量上的得分去预测他在另一个变量上的得分.在相关研究中，可以在相同的时间点或不同的时间点测量变量.在预测研究中，用于测量的变量必须在对被预测的变量进行测量之前作测量.[1]在数据分析方面，相关性研究的数据用相关系数和回归分析处理，预测性研究主要用回归分析处理.

 

以卡盘结构参数和摩擦系数为研究对象，在Matlab/Simulink搭建了整个方程数学模型，夹紧力与摩擦系数关系如图7，发现摩擦系数对卡盘夹紧力影响最大，减小摩擦系数对有助于增大夹紧力。

  

图7 夹紧力与摩擦系数关系

因此设计工艺采取润滑等减小摩擦系数的措施，使卡盘动摩擦系数降低至0.05，根据卡盘结构的设计数据和已知的一些文献数据[16]，可得出卡盘动态夹紧力，卡盘设计参数见表1。

 

表1 卡盘设计参数

  

M/（kN·m）β/（°）R1/mmR2/mmr2/mmfαF/kN 6.4 20 40 105 77 0.05 1.28 44.73

5 结语

1）对卡盘组件夹紧力研究发现，摩擦系数对卡盘夹紧力影响较大，采取适当措施降低摩擦系数可增大其工作过程中动态夹紧力，计算数值表明适用于井下钻机使用要求。

2）本机械卡盘通过液压动力实现自动夹紧松开工件过程，避免钻机接续钻杆停机过程，实现快速接续或拆卸钻杆，减少瓦斯钻机的人工操作过程，有助于实现钻机全自动化过程，提高井下工作效率。

参考文献：

［1］ 姚亚峰，姚宁平，彭涛.松软煤层套管钻机夹持机构设计与分析［J］.煤炭科学技术，2013（6）：73-76.

［2］ 王清峰.远距离控制防突钻机自动装卸钻杆机构的设计［J］．煤炭技术，2009，35（5）：12-14．

［3］ 邬迪，田宏亮，殷新胜，等.ZDY6000LD（A）型履带式全液压坑道定向钻进钻机的设计［J］．煤炭工程，2011（1）：98-100.

［4］ 张国锋，解毅，许丽莹.软岩巷道钢桁架力学性能试验及支护研究［J］.采矿与安全工程学报，2016，33（4）：649-654．

［5］ 秦刚伟，秦法秋．突出煤层瓦斯抽采钻孔技术探讨［J］.煤炭技术，2009，28（11）：183-185．

［6］ 李乔乔，姚宁平，王力，等.井下可回收式组合钻具设计及特性分析［J］.煤矿安全，2016，47（11）：127-130.

［7］ 雷丰励.松软突出煤层长钻孔装备及钻进工艺研究［J］.煤炭科学技术，2017（4）：93-97.

［8］ 侯红，凌标灿，罗维.松软突出煤层中三角型钻杆成孔技术研究［J］.煤炭科学技术，2012（8）：67-70.

［9］ 蒋邦友，王连国，顾士坦，等．阳城矿深部复合型软岩大巷破坏机制与支护设计［J］．采矿与安全工程学报，2016，33（3）：452-459．

［10］ 辛宇鹏，熊小晋，武斌波，等．一种松软煤层瓦斯钻机自动装卸钻杆装置及其使用方法：201611091182.3［P］.2016-12-01.

［11］ 熊俊伟，张腾，王玉保，等.双向液压卡盘设计与分析［J］.机械工程师，2012（12）：30-32.

［12］ 郭文亮，张鹏，武斌波，等．一种自动夹紧松开机械式卡盘：201611089951.6［P］.2016-12-01.

［13］ 余凤燕.加工偏心轴专用三爪卡盘设计［J］.价值工程，2015（10）：175-176.

［14］ 邓昀，袁辉，董新旺.TD2000/600型液压顶驱式钻机设计及应用［J］.煤炭科学技术，2013（S2）：250-253.

［15］ 卢宁，赵继云，张德生.煤矿井下全液压钻机的现状及发展趋势［J］.煤矿机械，2011（3）：1-3.

［16］ 张耀文.三爪卡盘静态夹紧力研究［J］.制造技术与机床，1999（9）：15-17.