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《機械雜志》2014年第六期

1機械手總體設計和特點

JGxxx旋轉機械手主要由底座、旋轉軸系、旋轉臂、夾持器和旋轉油缸組成。如圖1所示。底座全由型材組合焊接而成，提供整個部件的支撐及其與拖車的連接接口；旋轉軸系由旋轉軸和滑動軸承座等組成。旋轉軸靠花鍵實現扭矩的傳遞，滑動軸承座采用國標滑動軸承座，由螺栓連接固定在底座上；旋轉臂也全由型材組合焊接而成，傳遞扭矩，實現載物的旋轉。夾持器由三個油缸、兩個夾持臂、滑動塊和夾持器夾組成。一個端部法蘭連接油缸推動滑動塊直線運動，另兩個單耳板連接油缸依據杠桿原理控制兩夾持臂的開合，夾持鉆桿時，兩油缸推動兩夾持臂閉合，另一油缸推動滑塊夾緊鉆桿，靠摩擦力夾緊鉆桿實現旋轉。各旋轉連接點由銷軸連接，實現轉動；旋轉油缸靠中部法蘭安裝在底座上，由花鍵與旋轉軸連接，提供旋轉扭矩。

2設計計算

2.1JGxxx旋轉機械手夾持器計算對于外徑245mm，重量3000kg的鉆桿，當初始接鉆桿時候受力分析如下：考慮安全系數1.67，分配到單個夾持機構的力G為25.2kN。圖2為鉆具夾持器水平狀態受力分析。根據力平衡：F1＝G＝2.52×104N圖3為鉆具夾持器最高位置的受力分析。取摩擦系數μ＝0.1，故油缸一的推力F2為。

2.2JGxxx旋轉機械手軸系計算分析由于擺動油缸花鍵接口的尺寸限制，軸系的最小直徑為112mm，軸系的結構，受力與約束施加如圖2所示。簡化了軸的結構，軸上花鍵部分以花鍵的最小直徑代替。考慮花鍵材料抗拉強度極限不低于600MPa，初步選用35CrMn。圖5為2009年8月5日受力分析的實驗記錄。圖7為不同條件下的等效應力實驗記錄。根據上述結論，按第三強度理論，做彎扭合成強度校核計算，按照對稱循環應變力時的許用彎曲應力，[σ-1]＝70MPa，σca＝13.1MPa≤[σ-1]，滿足強度條件。按照剛度要求較嚴格的軸取許用撓度為：[y]＝0.0002×h＝0.274mm式中：h為兩個軸承間距，根據文獻[9]結合產品工作條件，取h＝1370mm。變形量y＝0.02mm≤[y]，滿足條件。由于軸的使用轉速很小，應力應變頻率低，不需要精確校核軸的疲勞強度。

2.3花鍵的連接強度計算以傳遞扭矩最大、直徑最小的擺動油缸連接處校核，按照靜連接條件，以工作面上的壓力進行條件性的強度計算，計算公式如下：

2.4JGxxx旋轉機械手軸承座受力計算選用鉛青銅材料，材料牌號為zCuPb10Sn10或zCuPb30，按照變載荷和沖擊載荷條件驗算。簡化軸承載荷，由鉆具重量3000kg與旋轉機械手旋轉部件考慮工作安全情況，根據文獻[9]取安全系數1.67。再考慮特殊情況，如鉆具中裝滿干性的重泥漿等特殊情況，將安全系數再擴大1.6072倍，如此再加載到兩軸承上。根據文獻[9]得單端軸承載荷為：結論：設計滿足規范條件和工作中的使用要求。

作者：鄔靜單位：中國石油川慶鉆探川西鉆探公司