活塞型盤式離合器設(shè)計(jì)

1、活塞型盤式離合器設(shè)計(jì)活塞型盤式離合器設(shè)計(jì) 摘摘 要：要： 活塞型盤式離合器的基本特點(diǎn)在于其摩擦副的工作表面為環(huán)狀平面，而 摩擦片在工作時(shí)沿軸向移動(dòng)，氣室主要是推盤的氣缸和活塞所組成，活塞與離合 器體的法蘭連成一體。工作時(shí)，壓縮空氣沿通道進(jìn)入氣室，使氣缸（推盤）移動(dòng)， 掛合離合器。氣動(dòng)摩擦離合器（簡稱氣離合器）是一種通用的機(jī)械傳動(dòng)部件，其 主要功用是使工作機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，便于換擋以及過載保護(hù)。對氣離合器的使用要求 也和其他離合器一樣，要求它工作可靠，掛合平穩(wěn)，摘開迅速，散熱性好，使用 壽命長，結(jié)構(gòu)簡單輕巧，制造維護(hù)方便。由于氣離合器不僅具有一般摩擦離合器 操作平穩(wěn)，可在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中掛合和過載保護(hù)的

2、優(yōu)點(diǎn)，而且傳動(dòng)更柔和（利用 空氣的緩沖效果） ，操作更加迅速，方便，省力，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離集中控制，因 而在石油鉆機(jī)上獲得了廣泛的應(yīng)用。 本文的主要內(nèi)容是根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成了離合器的總體設(shè)計(jì)，通過對離合器 的結(jié)構(gòu)方案分析對比，對其結(jié)構(gòu)形式，基本尺寸和主要參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對活 塞型盤式離合器的各零部件進(jìn)行選型和校核計(jì)算。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞： 離合器 ； 活塞 ； 盤式； 氣動(dòng)摩擦 The design of the clutch piston disc Abstract： Piston-type clutch basic characteristics of the work in its surf

3、ace friction ring plane, while the friction plate at work along the axial movement. Push plate chamber is mainly composed of cylinder and piston, the piston and the clutch body flange fused. When its work, the compressed air into the chamber along the channel, so that the cylinder (push plate) mobil

4、e, hanging together clutch. Air friction clutch (referred to as air clutch) is a common mechanical drive components, and its main function is to make a smooth start working machine, easy to shift, and overload protection. The use of gas clutch and clutch requirements as to require it is reliable and

5、 stable hanging together, picking open quickly, good heat dissipation, long life, simple structure, light, manufacturing and maintenance. As the gas clutch friction clutch operation is not only stable in general, can be linked to the process is running, the advantages of joint and overload protectio

6、n, and drive more gently (the use of air cushion effect), the operation is more rapid, convenient, energy, easy to implement long-range focus control, and therefore on the oil rig to obtain a wide range of applications. The main content is based on the design requirements to complete the overall des

7、ign of the clutch, the clutch through the analysis and comparison of the structure of the program, its structure, basic dimensions and main parameters of the design, and piston- type disc clutch components for each Selection and verification of the calculation. Keywords: Clutch ; Piston; Disc ; Air

8、friction 目目 錄錄 1 緒論 .1 1.1 摩擦離合器的功用與要求.1 1.1.1 摩擦離合器的功用.1 1.1.2 對摩擦離合器的要求.1 1.1.3 摩擦離合器的類型.2 1.2 我國鉆機(jī)氣離合器的使用情況.2 1.2.1 徑向作用一一氣胎式(簡稱氣胎式).2 1.2.2 軸向作用推盤式（簡稱盤式）.4 1.2.3 氣胎式的使用情況.5 1.2.4 推盤式的使用情況.8 2 設(shè)計(jì)要求及其技術(shù)參數(shù) .10 2.1 基本要求：.10 2.2 技術(shù)參數(shù) : .10 3 結(jié)構(gòu)方案分析 .11 3.1 從動(dòng)盤數(shù)的選擇：雙盤活塞型離合器.11 3.2 離合器的結(jié)構(gòu)布置.11 3.3 離合器的

9、散熱通風(fēng).11 3.4 活塞型盤式離合器的特點(diǎn)：.12 4 離合器主要參數(shù)的選擇 .13 4.1 摩擦系數(shù).13 4.1.1 摩擦材料概述.13 4.1.2 常用摩擦材料.13 4.1.3 摩擦系數(shù)的分析.15 4.1.4 幾點(diǎn)建議.17 4.2 摩擦因數(shù)F、摩擦面數(shù) Z 和離合器間隙T.18 4.3 單位壓力P.18 0 5 離合器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .20 5.1 氣離合器的轉(zhuǎn)矩特性.20 5.1.1 影響轉(zhuǎn)矩特性的因素.20 5.1.2 摩擦系數(shù).20 5.2 摩擦型盤式離合器承載能力的計(jì)算.21 5.3 氣離合器的熱負(fù)荷特性與摘掛特性.23 5.3.1 熱負(fù)荷特性.23 5.3.2 掛合時(shí)間

10、與操作性能.24 5.4 氣離合器的使用情況分析.26 5.5 參數(shù)的優(yōu)化.26 6 主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核 .28 6.1 彈簧的設(shè)計(jì).28 6.2 從動(dòng)盤總成的設(shè)計(jì).29 6.2.1 從動(dòng)盤轂.29 6.2.2 從動(dòng)盤的設(shè)計(jì).29 6.2.3 摩擦片的設(shè)計(jì).29 6.3 壓盤的設(shè)計(jì).29 6.3.1 對壓盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求:.29 6.3.2 壓盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選擇.30 7 重要零件的校核 .31 7.1 銷的強(qiáng)度校核.31 7.2 鍵連接強(qiáng)度計(jì)算.31 8 國外鉆機(jī)氣離合器的應(yīng)用情況與動(dòng)向 .33 8.1 美國.33 8.2 俄羅斯.34 8.3 羅馬尼亞 .37 9 關(guān)于革新我國鉆機(jī)

11、氣離合器的幾點(diǎn)意見 .39 10 總結(jié) .41 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .42 致謝致謝 .43 附錄附錄 .44 1 緒論緒論 氣動(dòng)摩擦離合器（簡稱氣離合器）是一種通用的機(jī)械傳動(dòng)部件，其主要功用 是使工作機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，便于換擋以及過載保護(hù)。對氣離合器的使用要求也和其他 離合器一樣，要求它工作可靠，掛合平穩(wěn)，摘開迅速，散熱性好，使用壽命長， 結(jié)構(gòu)簡單輕巧，制造維護(hù)方便。由于氣離合器不僅具有一般摩擦離合器操作平穩(wěn)， 可在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中掛合和過載保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，而且傳動(dòng)更柔和（利用空氣的緩沖 效果） ，操作更加迅速，方便，省力，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離集中控制，因而在石油鉆 機(jī)上獲得了廣泛的應(yīng)用。目前，不僅在鉆機(jī)的各主

12、要機(jī)組（絞車，轉(zhuǎn)盤和鉆井泵） 上，而且在各中間傳動(dòng)裝置以及一些輔助機(jī)組（如壓風(fēng)機(jī)）上，都采用了各種類 型的氣離合器。 近年來，在國外鉆機(jī)上應(yīng)用的各種氣離合器基本上可分為兩大類: 1徑向離合器，包括氣胎式（簡稱胎式）和多氣室。這兩種離合器又 都可以再分為普通型和通風(fēng)型。 2軸向離合器（簡稱盤式離合器） ，按其氣室構(gòu)造不同，可分為隔膜型， 氣囊型和活塞型三種。 氣離合器是一種以壓縮空氣作為工作介質(zhì)，而依靠其主動(dòng)部分和從動(dòng)部分 工作表面之間的摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)矩的一種傳動(dòng)部件。因此，各類氣離合器的結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在其氣室和摩擦片上。 目前, 在我國, 由于氣離合器的損壞比較嚴(yán)重, 大大影響了鉆井時(shí)效

13、和鉆機(jī) 的工作能力, 成為鉆機(jī)中的主要薄弱環(huán)節(jié)之一, 隨著鉆井速度的提高和鉆井深度 的增加, 這個(gè)問題變得更加突出。為更好地適應(yīng)我國石油工業(yè)發(fā)展的形勢, 鉆機(jī) 氣離合器的革新也就成為當(dāng)前舊鉆機(jī)改造和新鉆機(jī)設(shè)計(jì)制造中的一個(gè)重要課題。 1.1 摩擦離合器的功用與要求摩擦離合器的功用與要求 1.1.1 摩擦離合器的功用摩擦離合器的功用 (1) 傳遞與切斷動(dòng)力； (2) 微動(dòng)操作； (3) 實(shí)現(xiàn)柔性傳動(dòng)； (4) 過載保護(hù)。 (5) 保證動(dòng)力機(jī)空載啟動(dòng)。 1.1.2 對摩擦離合器的要求對摩擦離合器的要求 (1) 能傳遞足夠的動(dòng)力； (2) 結(jié)合平穩(wěn)，分離徹底； (3) 易損件的壽命較長；磨損后容易更換

14、和調(diào)整； (4) 盡量減小從動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以減少結(jié)合時(shí)的時(shí)間和沖擊。 (5) 具有良好的散熱性能。 1.1.3 摩擦離合器的類型摩擦離合器的類型 1）按照片數(shù)分類 單片式 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、散熱好、間隙容易保證，但結(jié)合時(shí)的平穩(wěn) 定性較差、傳遞大功率的單片式摩擦離合器的徑向尺寸大。 多片式 特點(diǎn)：結(jié)合平穩(wěn)、片的尺寸相同時(shí)，能傳遞較大的功率，但 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、分離時(shí)片間間隙不易保持均勻、散熱較差。 2） 按工作條件分類 干式 特點(diǎn)：摩擦系數(shù)大、許用比壓小、摩擦片的壽命短、結(jié)合平穩(wěn) 性差、調(diào)正間隙次數(shù)多，片數(shù)少、結(jié)構(gòu)較簡單,采用風(fēng)冷， 暴露在空氣中。 濕式 特點(diǎn)：片數(shù)多、摩擦系數(shù)小、許用比壓大、使用壽

15、命長、結(jié)合平穩(wěn)、 無需經(jīng)常調(diào)整間隙、維修不太方便。 3）按工作原理分類 常壓式 特點(diǎn)：結(jié)合時(shí)靠彈簧壓緊、常態(tài)為壓緊狀態(tài)、壓緊彈簧有自動(dòng)補(bǔ)償 作用，無須經(jīng)常調(diào)整間隙、傳遞功率大小能較準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)、 分離時(shí)需要較大的操縱力、適合聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的鉆機(jī)。 非常壓式 特點(diǎn)：結(jié)合時(shí)靠杠桿壓緊、常態(tài)為分離狀態(tài)、操縱較省力、傳遞 功率大小不易控制、需要經(jīng)常調(diào)整間隙、結(jié)合時(shí)平穩(wěn)定性 較好、適用于單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的鉆機(jī)。 1.21.2 我國鉆機(jī)氣離合器的使用情況我國鉆機(jī)氣離合器的使用情況 目前國內(nèi)外鉆機(jī)上應(yīng)用的各種氣離合器, 基本上可以分為以下兩大類 1.2.11.2.1 徑向作用一一氣胎式徑向作用一一氣胎式(簡稱氣胎式簡稱氣胎

16、式) 依其結(jié)構(gòu)形式的不同, 又可分為普通型(圖1) 和通風(fēng)型(圖2)。 圖圖 1 1 普通型氣胎離合器普通型氣胎離合器 圖圖 2 2 通風(fēng)型氣胎離合器通風(fēng)型氣胎離合器 1.2.21.2.2 軸向作用軸向作用推盤式（簡稱盤式）推盤式（簡稱盤式） 按氣動(dòng)機(jī)構(gòu)型式的不同, 又可分為隔膜型（圖 3）、氣囊型 和活型（圖 4 ） 。我國各油田在用的重型鉆機(jī)約有幾十種型號(hào)（原型號(hào)已改裝的除外） , 其上所配的氣離合器計(jì)有三個(gè)國家生產(chǎn)的氣胎式和推盤式兩大類共 20 多種型號(hào) , 大量使用的是普通型氣胎。 圖圖 3 3 隔膜型推盤離合器隔膜型推盤離合器 圖圖 4 4 活塞型盤式離合器活塞型盤式離合器 1.2.

17、31.2.3 氣胎式的使用情況氣胎式的使用情況 各油田使用的氣胎式基本上都是普通型, 其中絕大部分都是國產(chǎn)的, 少量 是羅馬尼亞的, 個(gè)別是美國的。在使用中存在的主要問題有以下幾個(gè)方面: 1. 工作性能差, 使用壽命根據(jù)勝利油田臨盤地區(qū)年的統(tǒng)計(jì),平均每臺(tái)重型鉆 機(jī)一年消耗氣胎約在13 個(gè)以上。各型離合器的平均使用壽命相差也很 大, 即使在同一地區(qū), 使用同一型號(hào)的鉆機(jī), 對于型號(hào)尺寸完全相同的離合器也 是如此。其中以國產(chǎn) 1302 型鉆機(jī)滾筒軸離合器（1070) 損壞最嚴(yán)重, 臨盤地 區(qū)鉆一口 3200 米的井, 平均要消耗 7 個(gè)氣胎, 嚴(yán)重時(shí)達(dá)到 12 個(gè)（在井深 2800 米以后, 有時(shí)

18、起鉆一趟就要更換 2 個(gè)） 。油田的使用實(shí)踐以及 試驗(yàn)研究和理論分析表明: 氣胎離合器的使用壽命主要取決于其工作時(shí)的熱狀態(tài) (熱負(fù)荷) 。對于這種主要靠摩擦作用進(jìn)行工作的離合器, 由于其主動(dòng)和被動(dòng) 兩部分之間在掛合時(shí)存在轉(zhuǎn)速差, 而氣胎充氣也要有一定時(shí)間, 離合器傳遞扭矩 的增長也需要有一個(gè)過程。因此, 其掛合過程總是存在一個(gè)打滑階段(圖5, 圖中 W主和 w被分別表示離合器主動(dòng)和被動(dòng)部分的角速度） , 圖圖 5 5 離合器的典型掛合過程離合器的典型掛合過程 而摩擦表面打滑就必然發(fā)熱, 結(jié)果使摩擦輪的穩(wěn)定溫度可達(dá)120150 。在這種 情況下, 石棉膠木摩擦墊片和石棉橡膠襯片實(shí)際上并不能有效地

19、防止氣胎不受熱, 而且這種離合器又沒有必要的強(qiáng)制通風(fēng)裝置, 因此往往使氣胎面的溫度達(dá)到 110140 , 在這種高溫作用下,離合器就很快損壞, 一般出現(xiàn)以下幾種情況: （1） 摩擦片迅速磨損。據(jù)統(tǒng)計(jì)平均每進(jìn)尺一千米約消耗摩擦片65塊。 （2） 氣胎燒壞（一般在半圓槽處燒穿） 。 （3） 氣胎胎面因長期與過熱的摩擦片接觸而損壞9出現(xiàn)裂紋或裂口而漏氣)。 （4） 由于周圍高溫介質(zhì)的作用, 使氣胎很快老化而失去彈性或漏氣。 既然這種離合器的發(fā)熱是由于其本身的工作特性（掛合過程必然有一個(gè)打滑 階段）所引起的, 所以離合器的工作性能及其工況就在很大程度上影響到它本身 的使用壽命。離合器的工作性能主要是指

20、以下兩方面： （1）氣胎的氣室容積。它決定了進(jìn)、放氣的時(shí)間。氣室容積小, 進(jìn)、放 氣的時(shí)間就短, 亦即摘掛打滑 的時(shí)間就短。但掛合時(shí)間或掛合 速度（即傳遞扭矩增長的速度） 在很大程度上又會(huì)影響到鉆機(jī)起 升系統(tǒng)的動(dòng)載, 即隨著氣胎氣室容積的減小（充氣時(shí)間縮短） ,打 滑時(shí)間縮短, 熱損失減少, 但掛合速度增大, 動(dòng)載增加。 （2）摩擦材料的物理特性。主要是指摩擦系數(shù)數(shù)值的大小及其穩(wěn)定性 （不隨溫度、比壓和圓周速度而改變, 尤其重要的是對于溫度變化 的穩(wěn)定性） 和熱動(dòng)力特性。摩擦材料的摩擦系數(shù)越大, 穩(wěn)定性越 好, 打滑時(shí)間就越短, 熱損失就越小。摩擦材料的熱容量越大, 導(dǎo) 熱性越小, 則摩擦片和

21、氣胎的溫升就越小。如果摩擦材料的摩擦系 數(shù)不穩(wěn)定, 其數(shù)值隨溫度上升而減小, 則發(fā)熱和溫升會(huì)反過來使打 滑時(shí)間加長, 形成“惡性循環(huán)” , 這對離合器的使用壽命是十分 不利的。 至于影響到離合器使用壽命的工況, 主要是指離合器單位摩擦表面所傳遞 的功率、傳遞的轉(zhuǎn)速和掛合頻率, 這三個(gè)數(shù)值越大, 熱損失就越大。所以一般離 合器的損壞往往都發(fā)生在井較深, 起下鉆或處理事故(負(fù)荷大、掛合頻繁) 的過程 中。 根據(jù)上述分析, 可以進(jìn)一步從下述幾方面找出離合器損壞的各種具體原因: (1) 離合器結(jié)構(gòu)陳舊。國產(chǎn)普通型氣胎式離合器的結(jié)構(gòu)基本上是沿襲蘇聯(lián)五十年 代的產(chǎn)品, 氣室容積大, 消耗氣量大, 進(jìn)氣慢（

22、700和1070）離合器約67秒）, 掛合時(shí), 打滑時(shí)間長, 發(fā)熱嚴(yán)重, 易燒壞氣胎。 目前國內(nèi)使用的普通型離合器, 氣胎很靠近摩擦表面, 通風(fēng)散熱的條件很 差, 容易受熱, 而且其扭矩主要由氣胎承受, 因而氣胎很易損壞, 尤其是在井深 傳遞功率大、掛合頻繁時(shí), 更為嚴(yán)重。例如1302型鉆機(jī)滾筒軸離合器 （1070）在2700米以下, 一般起鉆兩趟左右, 就要更換一個(gè)氣胎。而美國NE 400型鉆機(jī)滾筒軸上的低速離合器, 由于采用了通風(fēng)完善、氣胎承扭很小的通 風(fēng)型氣胎式（42VC-600型） , 在渤海灣打了8 口井(一般井深為25002600)米, 最深的3200米) , 離合器未見損壞, 甚

23、至其摩擦片的磨損也不大。 (2)主要零件的工作性能或制造質(zhì)量較差。由于鉆機(jī)在實(shí)際工作時(shí)存在著 動(dòng)載, 離合器摩擦片的摩擦系數(shù)大大低于制造廠的試驗(yàn)值, 因此目前國產(chǎn)摩擦片 的摩擦系數(shù)的數(shù)值及其穩(wěn)定性不能滿足油田進(jìn)一步提高鉆井速度和鉆深井的要求, 其耐磨性也還不夠高, 而在繁重的工況下, 打滑、發(fā)熱較嚴(yán)重, 磨損較快, 大大 影響離合器的使用壽命。 此外, 氣胎的制造質(zhì)量不穩(wěn)定?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)有一批氣胎的質(zhì)量較差, 進(jìn)氣后, 氣胎向兩側(cè)(軸向)變形, 這不僅大大降低了其傳遞扭矩的能力(或工作時(shí)打滑) , 而且往往因側(cè)面磨損而損壞。 (3) 離合器的工況不合適, 使離合器的熱負(fù)荷過大。這主要是由于在設(shè)計(jì)

24、機(jī)、選用離合器時(shí)沒有考慮離合器的熱負(fù)荷所造成的。例如, 130 一2型鉆機(jī)滾筒 軸的1070 離合器, 由于柴油機(jī)一變矩器在空負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速很高, 而鉆機(jī)上并沒有配 備司鉆控制柴油機(jī)調(diào)速桿的裝置, 從而無法保持在低速狀態(tài)下掛合離合器, 而離 合器掛合時(shí)的能量損失與其轉(zhuǎn)速的平方成正比, 所以離合器在掛合時(shí)產(chǎn)生的熱損 失很大, 以致氣胎很快燒壞。此外, 這種鉆機(jī)的滾筒軸上只有這一個(gè)離合器, 和 130 一1型鉆機(jī)相比, 離合器的掛合更加頻繁。雖然130 一1型鉆機(jī)也沒有裝司鉆調(diào) 節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的裝置, 但其傳遞轉(zhuǎn)速和掛合頻率都較低, 熱負(fù)荷較小, 所以 其1070離合器的使用壽命比130 一2型鉆機(jī)的1

25、070 離合器高得多(表3)。 羅馬尼亞3DH 一200A 型鉆機(jī)上的總離合器CB600125型(損壞較快的一個(gè)原因 也是由于熱負(fù)荷過大, 所以在以后設(shè)計(jì)的F系列的同級鉆機(jī)中就改用了隔膜型推 盤式。 （4）操作維護(hù)不當(dāng)以及檢修不及時(shí)。掛合時(shí), 重復(fù)操作次數(shù)過多, 使打滑時(shí) 間加長,摩擦表面發(fā)熱加劇。摩擦表面落入油污, 不及時(shí)清除, 也會(huì)使離合器在 掛合時(shí)更容易打滑發(fā)熱, 若污染氣胎, 則會(huì)使氣胎先期損壞。羅馬尼亞3DH 一 200A型鉆機(jī)上的CB300100 型離合器內(nèi)部裝有一副軸承, 不僅使離合器的散熱 條件差, 而且離合器容易受到軸承的潤滑脂的污染而損壞。 此外, 摩擦片磨損后未及時(shí)更換或

26、摩擦輪磨損后未及時(shí)檢修以及氣路故障未及時(shí) 排除（如氣路漏氣或繼氣器等元件失效以致使進(jìn)氣壓力不足）等都會(huì)使離合器在 掛合時(shí)摩擦片抱不住摩擦輪而打滑發(fā)熱以致燒壞氣胎。 2. 國產(chǎn)的離合器型號(hào)尺寸少, 進(jìn)口的離合器缺配件。 1.2.4 推盤式的使用情況推盤式的使用情況 在油田上使用的推盤式絕大多數(shù)是羅馬尼亞生產(chǎn)的, 國內(nèi)雖然也先后設(shè)計(jì) 試制過五、六種型號(hào), 但目前基本上還處在沒有定型的試用階段。國產(chǎn)離合器存 在的主要問題是高速的總離合器（2610型） 在速度高時(shí)往往摘不開, 低速的 滾筒軸離合器（2780型） 在重負(fù)荷時(shí)打滑發(fā)熱。這除了是由于摩擦片的性能 或彈簧的質(zhì)量不能滿足要求之外, 重要原因之一

27、仍然是司鉆控制柴油機(jī)調(diào)速桿裝 置上存在問題所造成, 此外, 橡膠隔膜的使用壽命也比較短（打一口3000多米的 井, 2780型上的隔膜往往要損壞二、三個(gè)） 其性能還有待于進(jìn)一步改善。 羅馬尼亞DH和F系列鉆機(jī)上的離合器, 一般很少出現(xiàn)摘不開或打滑的現(xiàn)象。 4LD150D型鉆機(jī)滾筒軸上的低速離合器（CD150）在重負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)打滑 的現(xiàn)象, 往往也是由于在掛合時(shí)沒有正確使用司鉆控制臺(tái)上柴油機(jī)的調(diào)速裝置 。羅馬尼亞生產(chǎn)的推盤式離合器有時(shí)還出現(xiàn)彈簧折斷而使離合器失效的現(xiàn)象, 這 主要是由于彈簧的裝配或制造質(zhì)量不好而引起的。 2 2 設(shè)計(jì)要求及其技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)要求及其技術(shù)參數(shù) 2.12.1 基本要求：基本

28、要求： 1）在任何條件下，既能可靠地傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，并有適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩 儲(chǔ)備，又能防止過載。 2）接合時(shí)要完全、平順、柔和，保證起初起步時(shí)沒有抖動(dòng)和沖擊。 3）分離時(shí)要迅速、徹底。 4）從動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小，以減輕換檔時(shí)變速器齒輪間的沖擊，便于換 檔和減小同步器的磨損。 5）應(yīng)有足夠的吸熱能力和良好的通風(fēng)效果，以保證工作溫度不致過高， 延長壽命。 6）具有足夠的強(qiáng)度和良好的動(dòng)平衡，一保證其工作可靠、使用壽命長。 2 2. .2 2 技技術(shù)術(shù)參參數(shù)數(shù) : : 鉆機(jī)級別： ZJ45 輸入功率 1100kw 最低轉(zhuǎn)速 41r/min 最高轉(zhuǎn)速 108min 3 3 結(jié)構(gòu)方案分析結(jié)構(gòu)方案分析 3.1

29、3.1 從動(dòng)盤數(shù)的選擇從動(dòng)盤數(shù)的選擇 雙盤活塞型離合器雙盤活塞型離合器 盤式離合器的基本特點(diǎn)在于其摩擦副的工作表面為環(huán)狀平面，而摩擦片在工 作時(shí)沿軸向移動(dòng)。按其摩擦副數(shù)目的不同，可以分為單盤，雙盤或多盤等幾種形 式（在鉆機(jī)中采用的主要是單盤和雙盤，少數(shù)采用三盤的） 。鉆機(jī)上常用的軸向 離合器按其氣室的構(gòu)造的不同，又可以分為隔膜型，氣囊型和活塞型。但無論是 哪種類型，也都和一般軸向摩擦離合器一樣，它產(chǎn)生摩擦轉(zhuǎn)矩的工作機(jī)構(gòu)仍舊的 由帶摩擦片的摩擦盤和主動(dòng)盤，中間盤，推盤，連接盤，外齒圈，彈簧等零件所 組成。 3.23.2 離合器的結(jié)構(gòu)布置離合器的結(jié)構(gòu)布置 活塞型離合器的氣室主要是推盤的氣缸和活塞所

30、組成，活塞與離合器體的法 蘭連成一體。工作時(shí)，壓縮空氣沿通道進(jìn)入氣室，使氣缸（推盤）移動(dòng)，掛合離 合器。離合器產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩的機(jī)構(gòu)是陪中間盤所隔開的兩副摩擦盤，摩擦盤兩 面都裝有摩擦片，而這兩副摩擦盤的外側(cè)分別與側(cè)盤和主動(dòng)盤相鄰。主動(dòng)盤通常 是用鍵與轉(zhuǎn)矩輸入軸相連接，中間盤和側(cè)盤往往是通過花鍵或內(nèi)齒而套在主動(dòng)盤 上，并可沿軸向滑動(dòng)，摩擦盤則以其外齒分別與兩個(gè)外齒圈想嚙合，也可沿外齒 圈坐軸向移動(dòng)。連接盤用螺栓與兩個(gè)外齒圈相連接。 當(dāng)離合器不工作時(shí)，由于彈簧的作用，可使摩擦盤與中間盤，側(cè)盤，主動(dòng)盤 之間保持預(yù)先調(diào)好的軸向間隙，所以，輸入軸帶動(dòng)主動(dòng)盤，中間盤和側(cè)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)， 摩擦盤靜止不動(dòng)，這時(shí)沒有

31、動(dòng)力輸出，而掛合離合器時(shí)，推盤在壓縮空氣的推動(dòng) 下，克服彈簧力推動(dòng)側(cè)盤，摩擦盤和中間盤，使它們壓緊在主動(dòng)盤上，由于在摩 擦片和相應(yīng)各圓盤的工作表面之間產(chǎn)生摩擦力，而使轉(zhuǎn)矩經(jīng)摩擦盤，外齒圈和鏈 接盤傳遞出去。 3.33.3 離合器的散熱通風(fēng)離合器的散熱通風(fēng) 試驗(yàn)表明，摩擦片的磨損是隨壓盤溫度的升溫而增大的，當(dāng)壓盤工作表 面超過 180200時(shí)摩擦片的磨損劇烈增加。正常使用條件的離合器，工作表面 是瞬時(shí)溫度一般在 180 以下。在特別頻繁是使用下，壓盤表面的瞬時(shí)溫度有可能 達(dá)到 1000.過高的溫度能使壓盤受壓變形產(chǎn)生裂紋和碎裂。為使摩擦表面溫度不 致過高，除要求壓盤有足夠大的質(zhì)量以保證足夠的熱容

32、量外，還要求散熱通風(fēng)好。 改善離合器散熱通風(fēng)結(jié)構(gòu)的措施有：在壓盤上設(shè)散熱筋，或鼓風(fēng)筋；在離合器中 間壓盤內(nèi)鑄通風(fēng)槽；在離合器外殼內(nèi)裝導(dǎo)流罩。 3.43.4 活塞型盤式離合器的特點(diǎn)：活塞型盤式離合器的特點(diǎn)： 軸向離合器的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊。它比外形尺寸相同的徑向離合器可傳 遞更大的轉(zhuǎn)矩，而且離心力對轉(zhuǎn)矩的影響很小，因而可以在較高的轉(zhuǎn)速下工作。 其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量和慣量都比較大，散熱條件也較大。此外，離合器的主 動(dòng)和從動(dòng)一般只能裝在同一根軸上。 4 4 離合器主要參數(shù)的選擇離合器主要參數(shù)的選擇 4.14.1 摩擦系數(shù)摩擦系數(shù) 4.1.14.1.1 摩擦材料概述摩擦材料概述 摩擦片是離合器中最重

33、要的零件之一，它往往也是離合器的薄弱環(huán)節(jié)之一， 其質(zhì)量的好壞直接影響到離合器的工作性能和使用壽命。提出對摩擦片一下使用 要求： 1.摩擦系數(shù)應(yīng)足夠大（但頻繁掛合的離合器，其摩擦系數(shù)則不宜太大） ，而 動(dòng)摩擦系數(shù)與靜摩擦系數(shù)的差值不應(yīng)太大。同時(shí)要求摩擦系數(shù)穩(wěn)定，即對于溫度 影響的熱穩(wěn)定性（或抗衰退性）和受到油水污染時(shí)的恢復(fù)性以及對于滑動(dòng)速度的 穩(wěn)定性要好，以便操作平穩(wěn)，噪聲小。 2.耐磨性好，并且不會(huì)過度損傷對摩擦材料（但允許有輕微的均勻磨損） 。 3.抗膠合的能力大，即摩擦表面能支承較大的載荷，而不會(huì)出現(xiàn)局部粘結(jié)以 致?lián)p傷工作表面的現(xiàn)象。 4.導(dǎo)熱性能好，熱容量大，熱變形小，能耐高溫。 5有足

34、夠的強(qiáng)度和良好的機(jī)械性能。 6.對油水的吸附性小，與油水不起化學(xué)作用，受到油水的污染時(shí)，不喪失強(qiáng) 度也不變形。 7.對磨損產(chǎn)物或其它污垢有良好的自凈能力。 8.有良好的磨合性。 實(shí)質(zhì)上，要完全滿足上述要去是十分困難的，而關(guān)鍵問題是研制和選用合適 的摩擦材料。目前，鉆機(jī)氣離合器的摩擦片大都采用市面摩擦材料，近年來，在 高速重載的盤式離合器中也開始采用粉末冶金摩擦材料。 4.1.24.1.2 常用摩擦材料常用摩擦材料 在離合器上經(jīng)常使用的摩擦材料有石棉樹脂材料和粉末冶金材料。而常用 有四種摩擦副，以下是關(guān)于四對摩擦副的評價(jià)： 鋼（ 包括合金鋼） 對石棉是國產(chǎn)鉆機(jī)各型離合器唯一選用的摩擦副, 國外也

35、廣泛采用, 其摩擦系數(shù)適中, 有有利的靜動(dòng)摩擦系數(shù)比值, 磨損小, 耐磨 性僅次于鑄鐵對石棉, 而優(yōu)于其他兩對摩擦副。此外, 鋼的導(dǎo)熱性好, 易散失較 多的熱量。但這對摩鑲副許用熱負(fù)荷小, “ 熱衰退” 現(xiàn)象比較明顯,使用溫度 以不超過250300 為宜, 可短時(shí)高溫工作, 但此時(shí)磨損量成倍增長。 鑄鐵(包括合金鑄鐵)對石棉, 在國外鉆機(jī)各型離合器中的應(yīng)用十分普遍, 已開始引起國內(nèi)重視。用鑄鐵制造摩擦盤是極好的材料, 它具有耐磨性好, 耐擦 傷, 耐“ 熱裂” 的特性。特別是在重載情況下。含有鎳、鉻、鑰等元素的高碳 量細(xì)晶鑄鐵材料,摩擦力穩(wěn)定, 與石棉組成的摩擦副的許用熱負(fù)荷約為鋼對石棉 攣擦

36、副許用熱負(fù)荷的數(shù)倍, 從雙盤離合器所測摩擦系數(shù)看, 這對摩捺副在常溫、 變溫、高溫下的摩擦系數(shù)變化幅度不大, 磨耗在四對摩擦副中最小,耐磨性最好, 只是摩擦系數(shù)偏低。但鑄鐵對石棉完全可以得到所要求的摩擦系數(shù), 只要稍加重 視, 這對摩擦副不久即可部分取代國產(chǎn)離合器傳統(tǒng)摩擦副, 而成為石油鉆機(jī)離合 器, 特別是低速大扭矩盤式離合器的主要摩擦對偶材料。 以石棉為主妥成份的摩擦材料焊接傾向小, 瞬間摩擦系數(shù)變化小, 耐磨性 好, 生產(chǎn)工藝簡單, 成本低, 重量輕。缺點(diǎn)是導(dǎo)熱性差, 對溫度比較敏感, 不過 完全能夠適應(yīng)石油鉆機(jī)工況的要求, 因此, 目前仍是石油鉆機(jī)離合器校理想的摩 擦材料。 特制818

37、銅基粉末冶金摩擦片不論與鋼或合金鑄鐵配偶, 其摩捺系數(shù)都較 合適,材料強(qiáng)度亦比石棉片高得多, 尚可通過提高粉末冶金摩擦片單位面積上的 比壓來進(jìn)一步改善和捉高使用性能。此外粉末冶金材料具有良好的導(dǎo)熱性能, 抗 溫度峰值約在500600 , 而摩擦面不產(chǎn)生焊接。它與鋼組成的摩擦副許用 熱負(fù)荷比鋼對石棉片高。就粉末冶金材料的性能而言, 無論與弱還是與鑄鐵組成 摩擦副都能滿足石油鉆機(jī)離合器的使用要求, 但其價(jià)格昂貴5 約為國產(chǎn)石棉片價(jià) 格的數(shù)十倍= , 生產(chǎn)工藝復(fù)雜且耐磨性并不優(yōu)于以石棉為主要成分的摩擦材料。 因此, 在石油鉆機(jī)離合器上使舊其優(yōu)點(diǎn)尚不突出, 這也許就是國內(nèi)外石油鉆機(jī)離 合器均未采用的根

38、本原因。 圖圖 6 6 溫升與動(dòng)摩擦系數(shù)的關(guān)系溫升與動(dòng)摩擦系數(shù)的關(guān)系 圖圖 7 7 滑磨速度與動(dòng)摩擦系數(shù)滑磨速度與動(dòng)摩擦系數(shù) 圖圖8 8 比壓與動(dòng)摩擦系數(shù)的關(guān)系比壓與動(dòng)摩擦系數(shù)的關(guān)系 4.1.34.1.3 摩擦系數(shù)的分析摩擦系數(shù)的分析 據(jù)資料介紹, 任何摩擦副間的摩擦力,主要取決于比壓、滑磨速度和溫度等 條件。通常當(dāng)這些因素中的一個(gè)因素增加時(shí), 摩擦力都趨向于減小, 而其中速度 或溫度的改變又比比壓對摩擦力的影響要大。經(jīng)我們實(shí)測, 得到了如圖 所示的 四對摩擦副的溫升與動(dòng)摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線。 對鉆機(jī)絞車低速大扭矩盤式離合器而言, 溫度對摩擦力的影響最大, 因?yàn)?滑磨速度并不高, 一般在5米/

39、秒以下, 只對傳扭能力有一定影響。鉆機(jī)上的盤 式離合器, 絕大部分采用雙盤以至三盤, 其散熱條件都較差, 從使用現(xiàn)場調(diào)查可 知, 故障多為溫升過高所致。圖 的曲線正好表明了試驗(yàn)工況下,離合器中溫度 對動(dòng)摩擦系數(shù)的影響。另外,通過對四對摩擦副摩擦系數(shù)與溫升關(guān)系的對比, 找 到了一個(gè)由MD240 定速式摩擦材料試驗(yàn)機(jī)測得的動(dòng)摩擦系數(shù), 轉(zhuǎn)化為離合器 實(shí)際動(dòng)摩擦系數(shù)的折算辦法。由于模擬試驗(yàn)與離合器的裝機(jī)使用并不完全一致, 且摩擦學(xué)涉及的因素很多, 故測試結(jié)果只能認(rèn)為是近似位, 而非確定值, 我們通 過對這兩種方法測得的摩擦系數(shù)對比, 得到了表 1 的數(shù)據(jù)。 表表 1 1 從表 的數(shù)據(jù)可以看出： 除鋼

40、對粉末冶金的比值稍高在 90.7%以外, 其余三種分 別為：78.75,78%,79.4%, 都較接近。國外一家為石油設(shè)備提供摩擦材料的公司, 在有關(guān)材料摩擦系數(shù)的注釋說明中提到, “ 由于其位受溫度、壓力 、速度改變而有偏差, 故摩擦系數(shù)僅作指導(dǎo)用, 實(shí)際設(shè)計(jì)需含20%40%的安全系 數(shù)” 。我們核算該公司為石油鉆機(jī)離合器設(shè)計(jì)者提供的, 按SAE_j661規(guī)范所做 石棉片的變溫曲線與其設(shè)計(jì)實(shí)際計(jì)算所采用的動(dòng)摩擦系數(shù)的比值約為70%左右, 在20%40%的范圍內(nèi)?？梢? 國外在確定動(dòng)摩擦系數(shù)時(shí), 已考慮到試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)與 實(shí)際使用工況的差別, 而給出一個(gè)較寬的安全范圍來保證使用的可靠性。 根據(jù)礦場

41、使用調(diào)查, 離合器摩擦面間的溫度高達(dá)250300 并不罕見。因此, 人們對離合器溫度高達(dá)300時(shí)的傳遞能力, 亦 即此時(shí)的動(dòng)摩擦系數(shù)十分關(guān)心。從表1 中的對比看, 除鋼對粉末冶金的比值為 84.4%外, 其余三對摩擦副的比值分別為70.3%, 69.1%,和71.4% , 大致也在的范圍20%40%內(nèi)。 圖 7 給出了三對摩擦副滑磨速度與動(dòng)摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線。 圖 8 為四對摩擦副比壓與動(dòng)摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線。此曲線較平, 說明 比壓對動(dòng)摩擦系數(shù)的變化影響較溫度與滑磨速度小。 由試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)看出, 離合器的傳遞能力愈強(qiáng), 同樣外阻力矩下的動(dòng)載 系數(shù)愈大。外阻力矩愈大, 動(dòng)載系數(shù)愈小。在同一工作

42、氣壓下, 轉(zhuǎn)數(shù)愈高, 輕載 時(shí)動(dòng)載系數(shù)也愈高。而轉(zhuǎn)數(shù)高到一定程度, 外阻力矩仍不斷增大, 當(dāng)增大到某一 外阻力矩時(shí), 由于摩擦副的不同, 表現(xiàn)略有差異, 但仍有一定規(guī)律可循。即在同 樣外阻力矩下, 轉(zhuǎn)數(shù)愈高動(dòng)載系數(shù)曲線也愈陡。繼續(xù)增大外阻力矩, 較高轉(zhuǎn)數(shù)的 動(dòng)載系數(shù)反而低于此載荷下較低轉(zhuǎn)數(shù)的動(dòng)載系數(shù)。至于在什么轉(zhuǎn)數(shù)下出現(xiàn)此現(xiàn)象,因 氣壓、外阻力矩和摩擦副的不同而異。此現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是滑磨速度的影響, 特 別當(dāng)工作氣壓愈低時(shí), 滑磨速度對摩擦力的影響也愈明顯。滑磨速度愈高, 相應(yīng) 滑磨面間的接觸面積愈小, 傳扭的能力就愈低, 故在滑速增高, 外阻力矩增大時(shí) 動(dòng)載系數(shù)反而不如較低滑速, 相同外阻力

43、矩下的動(dòng)載系數(shù)高。 摩擦件是摩擦離合器的主要組成元件，其工作表面材料的物理性質(zhì)和機(jī)械性能直 接影響離合器的工作性能。對材料的主要要求是：摩擦系數(shù)大而且穩(wěn)定，動(dòng)摩擦 系數(shù)應(yīng)盡量與靜摩擦系數(shù)相近；強(qiáng)度高，能承受沖擊，高速時(shí)不易破裂和剝落； 耐磨、耐高溫、耐腐蝕和導(dǎo)熱性能好，熱變形小；長期靜置時(shí)應(yīng)不致黏連。此外， 還要求使用壽命長，容易加工和價(jià)廉等。常用的摩擦面材料有粉末冶金材料、石 棉基材料和紙基材料。粉末冶金材料：表面許用溫度、許用壓力、高溫下摩擦系 數(shù)和壽命都較高。銅基粉末冶金材料主要用于濕式摩擦面，鐵基粉末冶金材料摩 擦系數(shù)和許用壓力都較銅基為高，但耐磨性較低，多用于干式摩擦面。石棉基材 料

44、：用石棉加黏結(jié)劑和填料模壓而成，固結(jié)在鋼或鐵底板上，許用工作溫度較低。 紙基材料：用石棉、植物纖維或兩者的混合物相互交織，再加填料后由樹脂等黏 結(jié)而成。這種材料具有多孔性，摩擦性能好，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)相近，而且成本較 低。 4.1.44.1.4 幾點(diǎn)建議幾點(diǎn)建議 1）石油鉆機(jī)盤式離合器當(dāng)前仍應(yīng)選用以石棉為主要成分的摩擦材料。重型鉆機(jī) 絞 車低速大扭矩盤式離合器應(yīng)打破我國傳統(tǒng)習(xí)慣, 優(yōu)先選用石棉對合金鑄鐵摩擦副。 鑒于粉末冶金摩擦材料尚不能發(fā)揮其突出優(yōu)點(diǎn), 故應(yīng)繼續(xù)開展以降低其磨損和成 本為主要目標(biāo)的試驗(yàn)研究, 目前暫不采用為妥。 2） 根據(jù)石棉片的特性, 盤式離合器的使用溫度一般不要超過250

45、, 最高短時(shí) 工作溫度不要超過300 。 3）設(shè)計(jì)離合器時(shí), 推盤、金屬摩擦盤和外殼等應(yīng)在弧度、剛性、熱容量允許的 范圍內(nèi)盡量增大通風(fēng)散熱能力, 以避免橡膠隔膜、石棉片、金屬摩擦盤、彈黃等 零件功能降低或早期失效。 4）在鉆機(jī)絞車起升過程中, 特別是重載高速情況下, 司鉆應(yīng)控制油門, 盡可能 降低離合器的掛合轉(zhuǎn)速（柴油機(jī)的掛合轉(zhuǎn)速以降至600轉(zhuǎn)/右為宜） 以便降低動(dòng) 態(tài)掛合過程中的滑磨功及溫升。需換檔時(shí), 儀表應(yīng)給司鉆以明確的顯示, 使司鉆 及時(shí)換檔。 5）離合器時(shí)一定要考慮系統(tǒng)的動(dòng)載峰值及掛合過程氣路氣壓變化的影響, 建議 使用載荷最高不要超過其計(jì)算打滑扭矩的75%。 4.24.2 摩擦因數(shù)

46、摩擦因數(shù)f f 摩擦面數(shù)摩擦面數(shù)Z Z和離合器間隙和離合器間隙tt 摩擦片的摩擦因數(shù) f 取決于摩擦片所用的材料及其工作溫度、單位壓力和滑 磨速度等因素。摩擦因數(shù) f 的取值范圍見下表 2。 表 2 兩種摩擦材料的性能對比 項(xiàng)目石棉樹脂材料粉末冶金材料 常溫（120） 0.550.53 變溫（最低點(diǎn)) 0.400.55 摩擦系數(shù) 高溫（250） 0.420.55 常溫（120） 0.060.04 磨損 （毫米/30 分鐘） 高溫（250） 0.130.02 本次設(shè)計(jì)取 = 0.40 。 摩擦面數(shù) Z 為離合器從動(dòng)盤數(shù)的兩倍，決定于離合器所需傳遞轉(zhuǎn)矩的大小及 其結(jié)構(gòu)尺寸。本次設(shè)計(jì)取雙片離合器 Z

47、 = 4。 離合器間隙t 是指離合器處于正常結(jié)合狀態(tài)、分離套筒被回位彈簧拉到后 極限位置時(shí)，為保證摩擦片正常磨損過程中離合器仍能完全結(jié)合，在分離軸承和 分離杠桿內(nèi)端之間留有的間隙。該間隙t 一般為 34mm 。本次設(shè)計(jì)取t =3 mm 。 4.34.3 單位壓力單位壓力 p p0 單位壓力 p 決定了摩擦表面的耐磨性，對離合器工作性能和使用壽命有很 0 大影響，選取時(shí)應(yīng)考慮離合器的工作條件、發(fā)動(dòng)機(jī)后備功率的大小、摩擦片尺寸、 材料及其質(zhì)量和后備系數(shù)等因素。p 取值范圍見表 3。 0 表表 3 摩擦片單位壓力摩擦片單位壓力 p 的取值范圍的取值范圍 0 摩擦片材料 單位壓力 p /Mpa 0 模

48、壓0.150.25 石棉基材料 編織0.250.35 銅基 粉末冶金材料 鐵基 0.350.50 金屬陶瓷材料0.701.50 p 選擇：0.10 MPa p0 1.50 MPa ，本次設(shè)計(jì)取 p = 0.3MPa 。 00 5 5 離合器的設(shè)計(jì)與計(jì)算離合器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 5.15.1 氣離合器的轉(zhuǎn)矩特性氣離合器的轉(zhuǎn)矩特性 通常，用來表示摩擦離合器的工作性能的一個(gè)主要的特性指標(biāo)就是極限摩擦 轉(zhuǎn)矩，它是指摩擦離合器在穩(wěn)定工況下所能傳遞的摩擦轉(zhuǎn)矩的最大值。其計(jì)算通 式 M摩 max=NR 公斤米 （5-1） 式中 摩擦系數(shù) R摩擦表面的有效作用半徑，米 N通過氣室作用在摩擦表面的有效正壓力，公斤。

49、而 N=pA（5-2） 式中 p壓縮空氣通過氣室作用在摩擦表面上的有效壓力， 公斤/厘米； A摩擦表面的有效面積，厘米 5.1.1 影響轉(zhuǎn)矩特性的因素影響轉(zhuǎn)矩特性的因素 根據(jù)極限摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算通式（5-1）和（5-2）可以看到影響其離合器轉(zhuǎn)矩 特性的因素主要有以下幾個(gè)方面： 壓縮空氣通過氣室作用在摩擦表面的有效壓力主要又取決于三個(gè)因素： 1） 氣源壓力 鉆機(jī)上配備的氣源壓力通常都在 710 公斤/厘米范圍 之內(nèi)，最高達(dá) 12 公斤/厘米，一般都不采用高壓氣源。 2）離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的承壓面在摩擦表面的面積之比 對于胎式徑向離合器和單盤軸向離合器，其面積比一般都可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 由于多盤式離合器

50、，其實(shí)有效的面積比往往要比名義值低很多，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng) 考慮到這點(diǎn)。 3) 離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)和復(fù)位機(jī)構(gòu)在工作時(shí)產(chǎn)生的壓力損失 對于有復(fù)位機(jī)構(gòu)的離合器，尤其是盤式離合器，為了使離合器能迅速摘開，往 往采用強(qiáng)力的復(fù)位彈簧，因而其壓力損失可達(dá) 1.5 公斤/厘米。 5.1.2 摩擦系數(shù)摩擦系數(shù) 由于摩擦系數(shù)越大，產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩也就越大，離合器在滑摩過程中產(chǎn)生 的熱量也就越大，所以，對摩擦系數(shù)數(shù)值選擇必須根據(jù)離合器的實(shí)際使用條件綜 合考慮。此外，由于在離合器的工作過程中，摩擦系數(shù)的數(shù)值往往隨摩擦表面的 狀態(tài)，溫度，比壓，滑動(dòng)速度等因素而變化。而摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性有直接影響到 摩擦轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性，從而會(huì)造成工

51、作的不平穩(wěn)，不安全以及產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。所 以在選用摩擦材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到摩擦系數(shù)數(shù)值的穩(wěn)定性。如圖 中，d/d0 的摩擦材料好，掛合平穩(wěn)，工作中不易產(chǎn)生振動(dòng)。 圖圖 9 9 摩擦系數(shù)的變化特性摩擦系數(shù)的變化特性 1.摩擦表面的有效面積 摩擦表面的有效面積是指摩擦表面上實(shí)際能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的有效面積。它 主要決定于有效面積的實(shí)際接觸狀態(tài)，而影響其接觸狀態(tài)的因素有摩擦片的剛性， 熱變形，摩擦間隙的不均勻性，摩擦片的磨損的不對稱性等。所以，摩擦面的機(jī) 構(gòu)應(yīng)該越簡單越好。普通型胎式離合器的接觸狀態(tài)接近 100%，單盤式離合器在 80%一下，而多盤式離合器大多數(shù)在 50%一下。因?yàn)槎啾P式離合器在使用過程中，

52、 其摩擦間隙變得不均勻，摩擦片及其加壓盤發(fā)生熱變形，同時(shí)，由于在摩擦表面 上圓周速度不同而往往易使摩擦片產(chǎn)生不對稱的磨損，從而使接觸狀態(tài)大為惡化。 但在一定的空間內(nèi)，增大摩擦面積唯一有效辦法還是采用增加摩擦表面的多盤式 軸向離合器。 2.摩擦面積的有效半徑 摩擦表面的有效半徑，對于胎式徑向離合器，就是按其摩擦輪的半徑， 而對于盤式軸向離合器，一般只能取相當(dāng)于摩擦片寬度一半處的半徑，而 不能按摩擦片的最外緣計(jì)算。 5.2 摩擦型盤式離合器承載能力的計(jì)算摩擦型盤式離合器承載能力的計(jì)算 對于不同類型的離合器，按其極限摩擦轉(zhuǎn)矩的計(jì)算式具有不同的形式。 對于軸向離合器，其摩擦表面就是裝在摩擦盤上的摩擦片

53、表面，所以其極限摩擦 轉(zhuǎn)矩不熟離心力的影響。但式（1）只能代表單盤離合器的極限摩擦轉(zhuǎn)矩的基本 關(guān)系式，因此，對于盤式軸向離合器，在一般情況下，應(yīng)采用下式： M摩 max=k Z摩 N R計(jì) (5-3) 1 K 式中 掛合系數(shù)。低速離合器的掛合系數(shù)不能過大，最好為 1 K 1,011.03. 本設(shè)計(jì)?。?1 K k摩擦狀態(tài)系數(shù)，取 k=0.8. Z摩 摩擦表面（摩擦副）的數(shù)量： R計(jì) 相當(dāng)摩擦力作用的計(jì)算半徑。 由已知功率 P=1100Kw Mmax= = =256.2Kw 9549P n 9549 1100 41 Mmax= M摩 max 下面是 Z摩 和 R計(jì)的計(jì)算方法： 如果用 a, b

54、分別代表主動(dòng)盤和從動(dòng)盤的數(shù)量， Z摩可寫成 Z摩 =a + b 1 （5-4） 所以 Z摩=2+31=4 將同一副摩擦表面（摩擦副）上所欲的摩擦力看成是均勻作用的相當(dāng)摩擦力， R計(jì)可近似地按下式計(jì)算(精確度達(dá) 3%)： R計(jì)=1/2 （R外+ R內(nèi)） （5-5） 其中，R外和 R內(nèi)分別代表摩擦片的外緣和內(nèi)緣的半徑。 于是，式（2）可改寫成 M摩 max= 1/2 Z摩 N（R外+ R內(nèi)） (5-6) 對于各種軸向離合器，按其氣室結(jié)構(gòu)的不同，在利用上式計(jì)算極限摩擦轉(zhuǎn) 矩時(shí)，其有效正壓力 N 的計(jì)算式也是不完全相同的。例如圖所示的氣囊型盤式離 合器，根據(jù)其氣室結(jié)構(gòu)，可得到其有效正壓力的計(jì)算式： N

55、=/4 (DH) （d+H）(PminPo)CZ(+) （5-7） 式中 D ，d, H 分別表示離合器在掛合狀態(tài)下環(huán)狀氣囊的外徑，內(nèi)徑 和寬度： Z, C， 分別表示壓縮彈簧的數(shù)量，剛性系數(shù)和預(yù)壓量; 取 3mm. 離合器在自由狀態(tài)下各副摩擦盤之間軸向間隙的總和。 取 12mm. 其他符號(hào)的意義同前， Po =0.3 0.35 公斤/厘米。 Pmin=9Kg/cm =882 kPa C彈簧= =625KN/m 44 3 8 10d 8 Dn 44 3 8 10 8 N=/4 (Dd)(PminPo)CZ(+) = （1.1 0.7 ） （88229.4）6254（0.003+0.012） =

56、444.4 KNm R計(jì) = = =450 mm 1 Mmax kK zQ 256.2 0.84 444.4 0.4 軸孔的直徑 dmin= = 314 mm 3 0 P A n 取 d孔=340 mm 摩擦片內(nèi)外徑的確定 取 r= 360 mm 所以 R= 540mm . 5.3 氣離合器的熱負(fù)荷特性與摘掛特性氣離合器的熱負(fù)荷特性與摘掛特性 5.3.1 熱負(fù)荷特性熱負(fù)荷特性 從對離合器工作過程的分析中可以看到，在掛合階段總是會(huì)產(chǎn)生話滑磨， 滑磨會(huì)使摩擦表面發(fā)熱和磨損，然而滑磨也是摩擦離合器所具有的一種保護(hù)機(jī)能。 但如果在掛合時(shí)離合器主動(dòng)從動(dòng)兩部分的相對轉(zhuǎn)速很大或是從動(dòng)部分的慣量很 大，滑磨就

57、很顯著，以致使摩擦表面大量發(fā)熱和劇烈磨損，特別是在掛合頻繁時(shí)， 摩擦表面會(huì)積累大量的熱，如圖 10，從而使離合器的使用壽命和工作特性大幅度 下降。 圖圖 10 氣離合器的熱負(fù)荷特性氣離合器的熱負(fù)荷特性 1摘掛頻繁的升溫曲線； 2摘掛不頻繁的升溫曲線； T掛合一次的溫升 ； T兩次掛合間隔的降溫 所以，離合器的熱負(fù)荷特性在于其掛合特性是密切相關(guān)的，它也反映了離 合器本身所具有的散熱性能。而決定其散熱性能的主要因素之一是離合器的結(jié)構(gòu)。 一般認(rèn)為胎式離合器的散熱性能比較好，而盤式離合器的散熱性能最差。 通常采用以下兩種特性指標(biāo)來表示氣離合器的熱負(fù)荷特性： （1） 能量指標(biāo) a.平均發(fā)熱強(qiáng)度 b.平均

58、比滑磨功在離合器掛合一次的掛合階段中，其摩擦表面的平 均發(fā)熱強(qiáng)度與其平均比滑磨功（即在一次滑磨過程的延續(xù)時(shí)間內(nèi)，單 位摩擦表面的滑磨功的平均值）是等效的，因而它也可以作為離合器 的熱負(fù)荷特性指標(biāo)。 （2） 溫度指標(biāo) 通常還以離合器掛合終了時(shí)，摩擦片的平均溫度作為表征其熱 負(fù)荷特性的溫度指標(biāo)。 5.3.2 掛合時(shí)間與操作性能掛合時(shí)間與操作性能 為了掛合平穩(wěn)，一般希望掛合操作逐漸完成。至于摘開，則應(yīng)該越快月好， 特別是當(dāng)離合器與其它機(jī)構(gòu)存在連續(xù)作用時(shí)，這就更加必要。 影響掛合時(shí)間的因素，有以下兩個(gè)方面; a 充氣時(shí)間 它是指在從充氣源到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣路中充氣到額定壓力 （離合器達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩）所需要的

59、時(shí)間（如圖）在一定的 氣源壓力下，它取決于氣路中管線的構(gòu)成及其尺寸。 通常為了考慮一定的安全裕量，充氣時(shí)間應(yīng)按產(chǎn)生比額定轉(zhuǎn)矩大 50%65%的 轉(zhuǎn)矩來計(jì)算。 c.從動(dòng)部分達(dá)到同步轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間 對于操作的遙控性。各種氣離合器都能實(shí)現(xiàn)。至于適應(yīng)操作多樣的要求 （如緩慢掛合，反復(fù)的半掛合，微動(dòng)操作，以及頻繁快速的摘掛操作等等則往往 取決于離合器的撒熱性，具有敞開的結(jié)構(gòu)的胎式徑向離合器，尤其是通風(fēng)型胎式 離合器遠(yuǎn)較多盤式軸向離合器優(yōu)越。幾遍是普通胎式徑向離合器，其掛合頻率也 可達(dá)到 3080 次/分。 此外，盤式離合器在掛合時(shí)還會(huì)產(chǎn)生軸向推力，此推力會(huì)使軸承溫度上升， 并對其相關(guān)零件帶來不良的影響

60、。 圖圖 11 壓力增長的特性壓力增長的特性 5.4 氣離合器的使用情況分析氣離合器的使用情況分析 為了合理地設(shè)計(jì)離合器，除了了解各類離合器的結(jié)構(gòu)與特性，根據(jù)使用條件 進(jìn)行必要的計(jì)算外，還必須對離合器的使用情況進(jìn)行分析，以了解影響氣離合器 使用質(zhì)量的各種因素。 我國各油田在用的重型和超重型鉆機(jī)有十幾種型號(hào)（原型號(hào)已改裝的除外） ， 大都采用的是活塞型盤式離合器， 。這種離合器在使用中存在的主要問題是：工 作性能較差，使用壽命較高。造成離合器先期損壞的原因，除了離合器（主要的 摩擦片）本身的制造質(zhì)量之外，主要有以下兩個(gè)方面： 1）選型不合理 沒有根據(jù)實(shí)際使用工況選擇合適的型號(hào)，或是在設(shè)計(jì)和選用離