WFY200型液壓鑿巖機結(jié)構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD+UG】

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In despite of the world Hydraulic rock drills ,especially Hydraulic rock drill technology had great developed,in our country the main product of rock drill had little change during several years.In our country ,many middle and small mine and common engineering work also use pneumatic rock drill,which has great energy waste ,lower efficiency rock drill,much easy damange part,shorter life,high yawp,great pollution.In this backdrop develop new light independency circumgrate rock drill has been put forward.New light independency circumgrate rock drill which replaces the pneumatic rock drill can obviously advanced the rock drill efficiency,reduce energy waste,reduce yawp and air pollution,rapidly develop rock drill and work equipment technology level. In this study, analyse a lot of hydraulic rock drills ,and raise light independence circumgyrate hydraulic rock drill type,and design mostly parts. Keywords:Rock drill；design；light；independency；circumgyrate ；research ；strike；machine III 目錄 摘要 .I ABSTRACT.II 目錄 .III 第 1 章 緒論 .1 1.1 液壓鑿巖機的發(fā)展 .1 1.1.1 液壓沖擊機械發(fā)展簡史 .1 1.1.2 研究現(xiàn)狀 .2 1.1.3 發(fā)展趨勢 .5 1.2 液壓鑿巖機的基本結(jié)構(gòu) .6 1.3 液壓鑿巖機沖擊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型 .8 第 2 章 液壓鑿巖機的沖擊工作原理及結(jié)構(gòu)分析 .10 2.1 油后腔常壓型液壓鑿巖機沖擊工作原理 .10 2.2 油前腔常壓型液壓鑿巖機沖擊工作原理 .11 2.3 雙面回油型液壓鑿巖機沖擊工作原理 .12 2.4 無閥型液壓機沖擊工作原理 .13 2.4.1 后腔排油階段 .13 2.4.2 后腔壓縮階段 .14 2.4.3 后腔進油階段 .14 第 3 章 無閥輕型液壓鑿巖機總體結(jié)構(gòu)方案 .16 3.1 沖擊機構(gòu) .16 3.1.1 活塞 .16 3.1.2 蓄能器 .17 3.1.3 缸體 .18 3.2 回轉(zhuǎn)機構(gòu) .18 3.3 釬尾反彈能量吸收裝置 .19 3.4 供水裝置 .20 3.4.1 中心供水 .20 3.4.2 旁側(cè)供水 .20 3.5 潤滑與防塵系統(tǒng) .21 3.6 液壓反沖裝置 .22 3.7 輕型液壓鑿巖機的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 .23 第 4 章 無閥輕型液壓鑿巖機結(jié)構(gòu)設(shè)計 .24 4.1 沖擊機構(gòu)設(shè)計 .24 IV 4.1.1 沖擊機構(gòu)總體方案的確定 .24 4.1.2 活塞的設(shè)計 .24 4.1.3 缸體的設(shè)計 .28 4.2 回轉(zhuǎn)機構(gòu) .28 4.3 蓄能器的設(shè)計 .29 4.4 液壓馬達的選擇 .31 4.5 水洗裝置的設(shè)計 .32 第 5 章 總結(jié) .33 致謝 .34 參考文獻 .35 1 第 1章 緒論 1.1 液壓鑿巖機的發(fā)展 1.1.1 液壓沖擊機械發(fā)展簡史 20 世紀(jì) 60 年代初期，德國 Krupp 公司研制出了實用的液壓碎石機，它首先用于 城市建筑施工工程；1970 年法國 Montabert 公司首先研制成功了世界上第一臺實用的 液壓鑿巖機，并很快投入批量生產(chǎn)、推廣使用；隨后瑞典、德國、美國、芬蘭、日本 等國陸續(xù)研制出了各種型號的液壓鑿巖機或液壓碎石機投放市場。與傳統(tǒng)的氣動沖擊 機械相比，液壓沖擊機械具有能耗低、效率高、環(huán)境污染小、操作方便、易于實現(xiàn) 自 動化等優(yōu)點，它們在生產(chǎn)實踐中顯示了巨大的優(yōu)越性和廣闊的發(fā)展前景，因而引起了 工程界和礦業(yè)界的高度重視。 在短短的 30 年 里，世界上先后出現(xiàn)了包括瑞典的 Atlas Copco Linden Ali mark 公 司，法國 的 Montaber Secorna 公司芬蘭 Tamrock 公司，日本的古河 Furukam 礦業(yè)株 式會社 ，美國的 GarderDen verIngersolRand 公司和德國的 Krup 公司等著名公司在內(nèi) 的 30 多家液壓沖擊機械專業(yè)生產(chǎn)廠家，在世界范內(nèi)形成了一個新興的工業(yè)產(chǎn)業(yè)。目前， 已有數(shù)百種液壓鑿巖機和液壓碎石機的系列產(chǎn)品問世，一些先進的產(chǎn)品已歷經(jīng)了幾代 更新。 我國開展液壓沖擊機械的研究工作起步于 70 年代初期，基本與國際研究水平同步 ，但由于當(dāng)時我國液壓技術(shù)發(fā)展較慢，液壓鑿巖機與液壓碎石機未能在我國普遍推廣 應(yīng)用。直到 80 年代 ，我國科 研人員走技術(shù)引進和自行開發(fā)相結(jié)合的道路 ，在突破 了試驗研究的許多關(guān)鍵技術(shù)之后 ，取得了迅速的發(fā)展。 1980 年長沙礦冶研究院研制成功了我國第一臺液壓鑿巖機型導(dǎo)軌式液壓鑿巖機， 不久以后，由中南工業(yè)大學(xué)研制的 YyG9o 型液壓鑿巖機、北京科技大學(xué)研制的 YS- 5000 型液壓碎石機和長沙礦山研究院研制 D 型液墊式液壓碎石沖擊器也相繼通過了國 家有關(guān)部門組織的技術(shù)鑒定。近年來 ，隨著我國對外開放政策的深入和科學(xué)技術(shù)的長 足進步，液壓沖擊機械這個新興的技術(shù)產(chǎn)業(yè)也得到了迅猛發(fā)展，目前國內(nèi)已經(jīng)有十幾 家單位研制生產(chǎn)了數(shù)十種型號的液壓鑿巖機和液壓碎石機的系列產(chǎn)品，在我國的能源 開發(fā)、城市建筑、隧道工程建設(shè)中獲得了較好的應(yīng)用。 2 1.1.2 研究現(xiàn)狀 1、液壓沖擊器的研究 液壓沖擊器是液壓沖擊機械(如液壓鑿巖機、液壓碎石機等)的關(guān)鍵部件，長期以來， 液壓沖擊器系統(tǒng)運動規(guī)律的研究與探索一直是人們關(guān)注的焦點。按照研究時所采用的 數(shù)學(xué)模型的不同，可分為線性模型和非線性模型兩種研究方法。 a.線性研究方法 線性研究方法對沖擊器作一些必要的假設(shè)，將其運動規(guī)律用明確的線性數(shù)學(xué)模型 表示，可方便地求得解析解。線性研究方法的前提是以“液壓油壓力恒定不變” 為基本 假設(shè)并忽略某些影響因素，以此為基礎(chǔ)，對液壓沖擊器進行了大量的研究與探索。 首先提出“在保證沖擊末速度為給定值的條件下，油壓完全相等的壓力控制是效率 最高的最佳控制” 觀點的是前蘇聯(lián)學(xué)者 OII Azin MOB 和 CA6 ACOB 等人，并 提出了峰值推力最小的最佳設(shè)計方案。在沖擊器的早期研究中，許多國內(nèi)學(xué)者也提出 過相似的觀點。人們將沖擊器的工作過程分為三個階段：即回程加速、回程制動和沖 程，并認為在整個過程中油壓恒定不變。中南工業(yè)大學(xué)楊襄璧教授提出了著名的抽象 設(shè)計變量理論，該理論的核心是以沖程時間比：a=沖程時間 ( )周期時間( T)作為抽1T 象設(shè)計變量，由此推導(dǎo)出了液壓沖擊器結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)的整套設(shè)計公式 ，并對液壓沖 擊器進行了一系列的優(yōu)化研究；何清華教授以沖擊器結(jié)構(gòu)特征系數(shù)活塞前后腔有 效面積比作為無量綱設(shè)計變量，對沖擊器進行了優(yōu)化設(shè)計。 b.非線性研究方法 采用線性研究方法可揭示液壓沖擊器結(jié)構(gòu)的本質(zhì)關(guān)系，有確切的數(shù)學(xué)表達式，求 解方便，但它忽略了許多影響因素，需用經(jīng)驗系數(shù)修正。液壓沖擊器是一個由活塞 、 配流控制閥和蓄能器等部件組成的相互制約的運動系統(tǒng)，為了較精確地揭示其運動 規(guī) 律和物理特性 ，非線性研究方法越來越受到人們的重視。早在 20 世紀(jì) 70 年代，國外 就有人將計算機數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)動鑿巖機的研究，并指出這種研究方法能夠獲 得較為精確的結(jié)果。1976 年， 日本學(xué)者槌口正雄提出了一種液壓沖擊裝置的非線性數(shù) 學(xué)模型；1980 年，北京科技大學(xué)的學(xué)者提出了一個以蓄能器壓力為工作壓力的非線性 數(shù)學(xué)模型，并求得了穩(wěn)定的仿真數(shù)字解；1983 年，中南 工業(yè)大學(xué)何清華教授使用狀態(tài) 切換法建立了全面的數(shù)學(xué)模型，提出了“準(zhǔn)勻加速計算法”( PUA 法)，并對各狀態(tài)切換 間的誤差進行了修正，提高了仿真精度；1987 年，北京科技大學(xué)陳孝忠、陳定遠教授 3 建立了沖擊機構(gòu)非線性數(shù)學(xué)模型，并用 BASIC 語言編寫了仿真程序 ，取得了與實測 結(jié)果較為一致的仿真數(shù)據(jù)。 2、蓄能器的研究 液壓沖擊器的所有運動體工作時始終處于劇烈的變速運動狀態(tài)，其配流控制閥的 換向頻率高達 5060 要求在極短的時間內(nèi)完成大開口量的油路切換動作，壓力、流zH 量變化都非常劇烈，系統(tǒng)不可避免地存在壓力脈動和液壓沖擊。因此，液壓沖擊器系 統(tǒng)中設(shè)置蓄能器的目的就是為了吸收這種壓力脈動和液壓沖擊，同時在正常工作時吸 收供過于求的能量，當(dāng)系統(tǒng)短時間內(nèi)需要大量壓力油時，蓄能器可補充供不應(yīng)求的能 量，這樣可減小液壓泵的容量，從而減少電機功率消耗和系統(tǒng)發(fā)熱。沖擊活塞 、配流 控制閥和蓄能器三者耦合運動完成液壓沖擊器正常而有效的工作，蓄能器是液壓沖擊 器的重要組成部件，其設(shè)計好壞直接影響液壓沖擊器的整機性能，因此人們對蓄能器 進行了大量的研究工作。提出了回油蓄能器的參數(shù)設(shè)計方法；以集中參數(shù)為基礎(chǔ)，建 立了高壓隔膜式蓄能器的動態(tài)模型，分析了蓄能器系統(tǒng)的頻率特性，在此基礎(chǔ)上，進 一步分析了蓄能器與液壓沖擊器的耦合特性，得出了最優(yōu)工作參數(shù)比；通過實驗測定 液壓碎石機的蓄能 器工況，研究了蓄能器充氣腔容積和充氣壓力的變化對液壓碎石機 性能的影響。 3、釬尾反彈能量吸收裝置及防空打裝置的研究 液壓沖擊器工作時不可避免地會出現(xiàn)釬尾沖擊反彈現(xiàn)象和空打現(xiàn)象，因此，釬尾 反彈能量吸收裝置與防空打裝置的工作性能對液壓沖擊器的使用壽命起著很大的影響。 國內(nèi)有關(guān)專家系統(tǒng)分析了釬尾反彈的因素，探討了釬尾反彈能量吸收的方法；建立了 防空打緩沖過程的數(shù)學(xué)模型并進行 了仿真研究；進行了釬尾反彈能量吸收裝置及防空 打裝置的計算機仿真研究和優(yōu)化設(shè)計；應(yīng)用波動力學(xué)理論，導(dǎo)出了沖擊器各部件的回 彈速度計算公式，并指出回彈的能量可通過沖擊器各部件的合理設(shè)計而加以利用；中 南工業(yè)大學(xué)液壓工程機械研究所研制了二級防空打緩沖裝置，該裝置充分利用了釬尾 反彈能量吸收裝置的能力，是一種創(chuàng)新研究。 3、液壓沖擊器輸出參數(shù)調(diào)節(jié)的研究 沖擊鑿巖破碎理論與實踐表明：對于某種確定的工作對象 ( 如巖石、路基等) ， 均存在一個特定單位最優(yōu)沖擊能與之相匹配，只有在這一最優(yōu)的單位沖擊能作用下， 工作對象破碎過程所消耗的能量才最少。因此 ，在鑿巖破碎作業(yè)過程中，當(dāng)工作對象 4 的物理性質(zhì)(如硬度) 或具體工作狀挽(如鑿巖爆破工藝的平巷中深孔掘進)發(fā)生變化時， 為了降低鑿巖破碎成本和提高生產(chǎn)效率，出現(xiàn)了輸出工作參數(shù)可以調(diào)節(jié)的液壓沖擊器。 事實上，液壓沖擊器能實現(xiàn)變參數(shù)輸出的特點也正是其取代氣動沖擊器的一個重 要原因，因為氣動沖擊器只有一個恒定的活塞行程，是不可調(diào)節(jié)的。目前，世界上許 多液壓沖擊機械制造商紛紛推出一些行程可調(diào)的液壓沖擊器系列產(chǎn)品，如瑞典 AtlaCopco 公司于 2 世紀(jì) 80 年代率先推出了 C oP1238 系列三擋液壓鑿巖機 ；美 國 GardnerDenver 公司 HPR-1 型自動調(diào)節(jié)行程液 壓鑿巖機；法國 EmicoSecoma 公司的 RPH200 型三擋液壓鑿巖機以及日本三菱商事株式會社的 MKB1300 型液壓碎石機。中 南工業(yè)大學(xué)也于 80 年代首先進行了這方面的研究工作，成功研制了 YYG 系列自動換 擋液壓鑿巖機，并已開始用于生產(chǎn)實踐 ，填補了國內(nèi)空白。上述液壓沖擊器都是基于 行程反饋原理設(shè)計的，這些液壓沖擊器輸出工作參數(shù)的調(diào)節(jié)主要是通過改變系統(tǒng)的輸 入壓力( 流量) ，或增設(shè)多個回程反饋信號孔，通過控制各信號孔的開關(guān)來調(diào)節(jié)活塞行 程，以改變液壓沖擊器的沖擊能和沖擊頻率。由于受到結(jié)構(gòu)的限制(缸體上不可能設(shè)置 太多回程反饋信號孔)，這種原理只能實現(xiàn)液壓沖擊器工作參數(shù)的有級調(diào)節(jié)，在使用過 程中沖擊能與沖擊頻率調(diào)節(jié)不方便，并且沖擊能和沖擊頻率的同步增減引起主機功率 變化很大，限制了液壓沖擊器工作范圍的擴大和工作效率的提高。因此，在主機功率 變化不大的情況下，開發(fā)無級調(diào)節(jié)工作參數(shù)的液壓沖擊器就成了研究熱點。中南工業(yè) 大學(xué)液壓工程機械研究所提出了基于壓力反饋原理獨立無級調(diào)節(jié)工作參數(shù)的構(gòu)想，并 推出了這種新型液壓沖擊器產(chǎn)品。它主要是通過控制活塞回程壓力大小來無級調(diào)節(jié)沖 擊器的單次沖擊能；同時，通過控制變量泵的流量，無級調(diào)節(jié)沖擊器的頻率。這樣可 使沖擊能與沖擊頻率在較大的范圍內(nèi)各自獨立無級調(diào)節(jié)，而主機功率變化不大。對于 液壓沖擊器工作參數(shù)調(diào)節(jié)理論的研究，國內(nèi)外的許多學(xué)者作了大量的工作。為適應(yīng)在 不同工況下工作，如工作對象的硬度、沖擊阻力和施工工藝的不同，要求液壓沖擊器 能夠自動、連續(xù)、無級地調(diào)節(jié)工作參數(shù)以滿足不同工況的要求，即所謂變行程無級調(diào) 節(jié)的液壓沖擊器。關(guān)于這種新型液壓沖擊機械的理論研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制方法目前 尚屬空白，因此，開發(fā)研制這類性能更為先進的設(shè)備便成為促進液壓沖擊機械技術(shù)進 步的重要課題。 5、液壓沖擊器計算機輔助設(shè)計(CAD)的研究 1988 年北京科技大學(xué)以設(shè)計工作程式為線索，將參數(shù)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)尺寸計算和仿真 5 驗算統(tǒng)一起來， 形成了液壓沖擊機構(gòu) C AD 軟件。該軟件的參數(shù)優(yōu)化是以液壓沖擊 機構(gòu)的理想線性模型為基礎(chǔ)，而仿真驗算是以沖擊機構(gòu)的非線性模型為基礎(chǔ)。1994 年， 中南工業(yè)大學(xué)系統(tǒng)地研究了多擋液壓沖擊器的設(shè)計理論，編寫了 YYG 系列液壓鑿巖機 設(shè)計的仿真通用軟件，實現(xiàn)了該系列液壓鑿巖機的計算機自動繪圖。計算機輔助設(shè)計 應(yīng)用于液壓沖擊機械，大大提高了設(shè)計質(zhì)量，為這種機械產(chǎn)品的理論設(shè)計研究和產(chǎn)業(yè) 化提供了堅實的技術(shù)保證。 1.1.3 發(fā)展趨勢 液壓沖擊機械在過去的 3O 多年里得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。隨著全球經(jīng)濟的巨 大發(fā)展，資源開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)顯得尤為重要 世界市場特別是中國市場對液壓沖 擊設(shè)備的需求量 日益擴大，對其性能的要求也越來越高，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。就目前來 看，液壓沖擊機械大致有以下發(fā)展動向: (1)產(chǎn)品更新?lián)Q代周期短，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。瑞 典 AtIa Copco 公司推出 COP1838、 CoP1440 系列液壓鑿巖機取代 O0lP1238 系列機型；德國的 Krupp 公司推 出了沖擊能和頻率可調(diào)節(jié)的液壓破碎錘，實現(xiàn)了液壓破碎錘輸出工作參數(shù)的連續(xù)控制； 國內(nèi)中南工業(yè)大學(xué)先后研制 YYG90、YYG9IoA、 YYG90B、YYG145 等系列液壓鑿巖 機。 (2)產(chǎn)品性能向大沖擊能、高頻率、大扭矩方向發(fā)展。瑞典 Atlas-Copco 公司的 COP1238HF 型液壓鑿巖機沖擊頻率可達 ，沖擊能達 440J,扭矩 500-zH105 700Nm；中南工業(yè)大學(xué)研制的 YYG145 型多擋液壓鑿巖機輸出最大沖擊能也達到 330J，沖擊頻率達 ，扭矩為 450Nm。zH5 (3)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計和釬具質(zhì)量不斷改進，鉆鑿 破碎的經(jīng)濟性和精確性大幅度提高。 瑞典 Atla - Copco 公司的 COP1838 液壓鑿巖機的鉆孔速度比 COP1238 型提高 80， 釬具壽命延長 80。 (4)采用智能化控制。這里指鑿巖破碎過程的計算機化，它包括兩個方面：一是采 用電液控制技術(shù)，對液壓沖擊器的工作參數(shù)進行控制，使其可根據(jù)工作對象的不同物 理性質(zhì) 自動地?zé)o級調(diào)節(jié)活塞行程，從而改變其輸出的沖擊能和沖擊頻率，以保證在最 佳工況下工作；二是對液壓鉆車鉆臂定位系統(tǒng)進行控制，使其能迅速而準(zhǔn)確可靠地移 動到指定位置，目前中南大學(xué)完成的國家“863” 項目 隧道鑿巖機器人的研究就是這 6 個發(fā)展方向。 (5)液壓沖擊機械性能參數(shù)測試測控的計算機化。以計算機為核心，采用各種可視 化軟件( 、 VC 等)，實現(xiàn)測試技術(shù)與手段的虛擬化。 (6)液壓沖擊機械系統(tǒng)設(shè)計與控制技術(shù)的信息化。任何一種機械產(chǎn)品從構(gòu)思、設(shè)計 、制造到投入使用，離不開各種信息 (包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、控制參數(shù)、價格因子及市場需 求等) 的集中分析、儲存、加工和處理，使用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實現(xiàn)以智能、動力、 結(jié)構(gòu)和傳感組成的有序信息流的在線分析與處理，完成對液壓沖擊機械系統(tǒng)的信息化 設(shè)計與控制。 隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，液壓沖擊機械 20 世紀(jì) 70 年代問世以來，在短短 30 年中獲得 了迅速的發(fā)展，目前在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中，已形成了一個重要的新技術(shù)產(chǎn) 業(yè)，并取得了顯著的社會效 益和經(jīng)濟效益，以液壓沖擊器及其控制系統(tǒng)為核心技術(shù)的 研究也提高到了一個新水平。由于種種原因，國內(nèi)產(chǎn)品還遠遠不能滿足市場的需求， 一些生 產(chǎn)廠和大學(xué)研究機構(gòu)投入了相當(dāng)?shù)娜肆唾Y金進行液壓沖擊機械的開發(fā)研究， 以提高我國在這一領(lǐng)域的技術(shù)水平。 1.2 液壓鑿巖機的基本結(jié)構(gòu) 液壓鑿巖機主要由沖擊機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、水洗裝置及防塵系統(tǒng)等部分組成，其鑿 巖作業(yè)是沖擊、回轉(zhuǎn)、推進與巖孔沖洗功能的綜合。 目前各生產(chǎn)廠家的液壓鑿巖機結(jié)構(gòu)都不盡相同，各有自己的特點。如有帶行程調(diào) 節(jié)裝置的，也有無此裝置的;有采用中心供水的，也有采用旁側(cè)供水的 ;缸體內(nèi)有帶缸套 的也有無缸套的;為了防止深孔鑿巖時釬桿卡在巖孔內(nèi)拔不出來，國外有幾種新型液壓 鑿巖機在供水裝置前面還設(shè)有反沖裝置。下面介紹液壓鑿巖機的一些基本構(gòu)。 (1)沖擊機構(gòu) 液壓沖擊機構(gòu)由缸體、活塞、配流閥、蓄能器及前后支撐套與密封裝置等組成， 它是沖擊作功的關(guān)鍵部件，它的性能直接決定了液壓鑿巖機整機的性能。 1) 活塞 活塞是傳遞沖擊能量的主要零件，其形狀對破巖效果有較大影響。由波動力學(xué)理 論可知，活塞直徑與釬尾直徑越接近越好，且在總長度上直徑變化越小越好。 通過對氣動和液壓鑿巖機兩種活塞的效果比較發(fā)現(xiàn)，液壓鑿巖機的活塞只比氣動 7 鑿巖機的活塞重 19%，可是輸出功率卻提高了一倍，而釬桿內(nèi)的應(yīng)力峰值則減小了 20%。 因此，雙面回油型液壓鑿巖機的活塞斷面變化最小，且細長，是最理想的活塞形狀。 2) 配流閥 液壓鑿巖機的配流閥有多種形式，概括起來有套閥和芯閥兩大類，芯閥按形狀又 可分為柱狀閥和筒狀閥。套閥只有一個零件，結(jié)構(gòu)簡單，其結(jié)構(gòu)受活塞的制約，只能 制成三通閥。而芯閥是一個部件，由多個零件組成，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可制成三通或四 通閥。三通閥適用于單面回油的機型，而雙面回油型液壓鑿巖機則必須采用四通閥。 3) 蓄能器 液壓沖擊機構(gòu)的活塞只在沖程時才對釬尾作功，而回程時不對外作功，為了充分 利用回程能量，需配備高壓蓄能器儲存回程能量，并利用它提供沖程時所需的峰值流 量，以減小液壓泵的排量。此外，由于閥芯高頻換向引起壓力沖擊和流量脈動，也需 配置蓄能器，以保證機器作的可靠性，提高各部件的壽命。目前，國內(nèi)外各種有閥 型液壓鑿巖機都配有一個或二個高壓蓄能器，有的液壓鑿巖機為了減少回油的脈動， 還設(shè)有回油蓄能器。因液壓鑿巖機的沖擊頻率高，故都采用反應(yīng)靈敏、動作快的隔膜 式蓄能器。 4) 缸體 缸體是液壓鑿巖機的主要零件，體積和重量都較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔道和油槽多， 要求加工精度高。為解決此問題，各型液壓鑿巖機采取了不同的辦法。有的加前后缸 套，以利于油路和沉割槽的加工，且維修時便于更換; 有的不加襯套，為便于加工，把 缸體分為幾段；而輕型液壓鑿巖機大多采用整體式缸體。 5) 活塞導(dǎo)向套 活塞的前后兩端都有導(dǎo)向套支承，其結(jié)構(gòu)有整體式和復(fù)合式兩種。前者加工簡單， 后者性能優(yōu)良。目前國內(nèi)多采用整體式，少數(shù)采用復(fù)合式。 (2)回轉(zhuǎn)機構(gòu) 回轉(zhuǎn)機構(gòu)主要用于轉(zhuǎn)動釬具和接卸釬桿。在液壓鑿巖機中，因輸出扭矩較大，所 以主要采用獨立外回轉(zhuǎn)機構(gòu)，該機構(gòu)由液壓馬達驅(qū)動一套齒輪裝置并帶動釬尾作獨立 的回轉(zhuǎn)運動。因擺線液壓馬達體積小、扭矩大、效率高，故液壓鑿巖機回轉(zhuǎn)機構(gòu)普遍 采用這種馬達。 (3)供水裝置 液壓鑿巖機大都采用壓力水作為沖洗介質(zhì)，其供水裝置的作用就是供給沖洗水以 8 排除巖孔內(nèi)的巖碴，它有中心供水式和旁側(cè)供水式兩種。 中心供水式裝置與一般氣動鑿巖機中心供水方式相同，壓力水從鑿巖機后部的注 水孔通過水針從活塞中間孔穿過，進入前部釬尾來沖洗鉆孔。這種供水方式的優(yōu)點是 結(jié)構(gòu)緊湊，機頭部分體積小，但密封比較困難。 旁側(cè)供水裝置是液壓鑿巖機廣泛采用的結(jié)構(gòu)。沖洗水通過鑿巖機前部的供水套進 入釬尾的進水孔去沖洗鉆孔。這種供水方式由于水路短，易于實現(xiàn)密封，且即使發(fā)生 漏水也不會影響鑿巖機內(nèi)部的正常潤滑，其缺點是機頭部分增加了長度。 1.3 液壓鑿巖機沖擊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型 液壓鑿巖機按其沖擊機構(gòu)配油方式的不同可分為兩大類:有閥型和無閥型。前者按 閥的結(jié)構(gòu)可分為套閥式和芯閥式:按回油方式又有單面回油和雙面回油兩種 :單面回油又 分為前腔回油和后腔回油兩種。其分類關(guān)系及相應(yīng)代表型號見表 1.1。 表 1.1 液壓鑿巖機分類 類型 有閥型 無閥型 單面回油回油方 式 后腔回油 前腔回油 雙面回油 雙面回油 活塞運 動 三通閥控差動 三通閥控差動 四通閥控 活塞自配 油 閥的結(jié) 構(gòu) 套閥 芯閥 套閥 芯閥 芯閥 無 國 外 Tamrock 公司的 HE HL 系列 Momtabert 的 H 系列 SIG 的 HMB 系列 Sccoma 公司 的 Hydrastar 系列 GD 公 司的 HRP 系列 Tension 公司 的 RD 系列 Alimak 公司的 AD 系列 Sccoma 公司的 RPH35 Atlas Copco 公 司的 COP 系列 Ingersoll Rand 公司 的 HARD- III Joy 公司的 JH- 2 典 型 產(chǎn) 品 國 內(nèi) TTYYG-20 YYG-250B YYG-80 系 9 第 2章 液壓鑿巖機的沖擊工作原理及結(jié)構(gòu)分析 液壓鑿巖機以液壓流體作為傳遞能量的介質(zhì)，其沖擊工作原理主要是由沖擊機構(gòu) 的配油方式?jīng)Q定的。 2.1 油后腔常壓型液壓鑿巖機沖擊工作原理 此型液壓鑿巖機是通過改變前腔的供油和回油來實現(xiàn)活塞的往復(fù)運動的，有套閥 式和芯閥式兩種。 圖 2-1 所示位套閥式的沖擊工作原理。當(dāng)套閥處于左端位置時，高 壓油進入活塞前腔 A，由于活塞前腔受壓面積大于后腔受壓面積，活塞前端作用力遠 大于后端作用力，故活塞開始作回程運動(圖 2.1a)。當(dāng)活塞回程到一定位置時，使推閥 腔 C 與后腔 B 切斷，與回油腔 D 連通， 推閥腔 B 的油壓急劇下降，于是套閥作回程 換向并向右快速運動，關(guān)閉活塞前腔的壓油口，開啟回油口，活塞前端作用力急劇減 小使活塞處于制動運行狀態(tài)(圖 2.1b)。當(dāng)活塞回程速度為零即到達回程終點時，活塞在 后端作用力的作用下開始作沖程運動(圖 2.1c)。當(dāng)活塞在沖程中離沖擊點還有一定距離 時，推閥腔 C 與壓油腔 B 相通，套閥進行沖程換向，在此過程中，活塞高速沖擊釬尾 (2.1d)。與此同時，沖程換向完畢，活塞前腔進入高壓油，又開始作下一次循環(huán)的回程 運動。 圖 2-1 前腔回油后腔常壓型液壓鑿巖機沖擊工作原理 10 a) 回程 b)回程換向 c) 沖程 d) 沖程換向 1.缸體 2.活塞 3.套閥 4.蓄能器 A.前腔 B.后腔 C.推閥腔 D.回油腔 2.2 油前腔常壓型液壓鑿巖機沖擊工作原理 此型液壓鑿巖機是通過改變后腔的供油和回油來實現(xiàn)活塞的沖擊往復(fù)運動的，也 有套閥式和芯閥式兩種，其套閥式液壓鑿巖機沖擊工作原理如圖 2.2 所示。當(dāng)套閥 4 處于右端位置時，缸體后腔與回油相通，于是活塞 2 在缸體前腔高壓油的作用下，向 右作回程加速運動(圖 2.2a)。當(dāng)活塞超過回程換向信號孔位 A 時，配流閥右端推閥面 與高壓油相通，因該面積大于閥左端的面積，所以配流閥向左運動進行回程換向，高 壓油通過機體內(nèi)部孔道與活塞后腔相通，活塞向右作減速運動，后腔的油一部分進入 蓄能器 3，一部分從機體內(nèi)部通道流入前腔，直至回程終點(圖 2.2b)。由于活塞臺肩后 端面大于活塞臺肩前端面，因此活塞后端面作用力遠大于前端面作用力，活塞向左作 沖程加速運動 (2.2c).當(dāng)活塞越過沖程信號孔位 B 時，配流閥右端推閥面與回油相通， 配流閥進行沖程換向(2.2d)，為活塞回程作好準(zhǔn)備，與此同時活塞沖擊釬尾作功，完成 一個工作循環(huán)。 圖 2.2 前腔常壓后腔回油型液壓鑿巖機沖擊工作原理 (a)回程加速，(b)回程換向，回程制動，(c)沖程加速，(d)沖程換向，沖擊釬尾 11 1.缸體，2.活塞，3 蓄能器，4.配流閥 A 回程換向信號孔位，B 沖程換向信號孔位 2.3 雙面回油型液壓鑿巖機沖擊工作原理 此類液壓鑿巖機都為四通芯閥式結(jié)構(gòu)，采用前后腔交替回油，其沖擊工作原理如 圖 2.3 所示。在沖程開始階段(圖 2.3a)，閥芯 2 位于左端，活塞 4 位于右端，高壓油經(jīng) 油路進入缸體后腔，推動活塞向左作加速運動?；钊蜃筮\動到預(yù)定位，打開沖程換 向信號孔口，高壓油經(jīng)推閥油路作用在閥芯的左推閥面，推動閥芯向右運動進行沖程 換向( 圖 2.3b)配流閥右端腔室中的油經(jīng)推閥油路進入活塞中間腔，再經(jīng)回油通道返回油 箱，為回程運動作好準(zhǔn)備，與此同時，活塞打擊釬尾。在完成沖程運動的瞬時，活塞 即刻進入回程運動(圖 2.3c),高壓油經(jīng)進油路進入缸體前腔，推動活塞向右作加速運動。 活塞向右運動打開回程換向信號孔口 A 時，高壓油經(jīng)推閥油路作用在閥芯的右端面， 推動閥芯回程換向(圖 2.3d )，閥左端腔室中的油經(jīng)推閥油路、活塞中間腔和回油通道 返回油箱，閥芯運動到左端，為下一循環(huán)作好準(zhǔn)備。 圖 2.3 雙面回油型液壓鑿巖機沖擊工作原理 (a)沖程加速 (b)沖程換向 (c)回程加速 (d)回程換向 12 1.蓄能器 2.配流閥 3.缸體 4. 活塞 2.4 無閥型液壓機沖擊工作原理 該型液壓鑿巖機沒有專門的配流閥，而是一種利用活塞運動位置變化自行配油的 無閥結(jié)構(gòu)。其特點是利用油的微量可壓縮性，以較大容積的工作腔(活塞的前腔和后腔) 和壓油腔形成液體彈簧作用，在活塞往復(fù)運動時產(chǎn)生壓縮儲能和膨脹作功。 如圖 2.4 所示,無閥控自配流液壓沖擊器依靠活塞 3 的運動來給工作腔配油,前腔進 油蓄能器 4、后腔回油蓄能器 5 和氮氣室的氮氣腔 7 充有一定初始壓力的氮氣。根據(jù)后 腔油液狀態(tài)的變化,可將活塞運動行程分為排油、壓縮(或膨脹)和進油三個階段。 2.4.1 后腔排油階段 如圖 2.4（a）所示 ,活塞 3 處于回程開始位置,高壓油通過油路 L1 經(jīng)油孔 K3 進入前 腔 10,同時給進油蓄能器 4 充油,后腔 8 經(jīng)油孔 K6、 K5、變壓腔 9 與回油路相通。此時, 在前腔油壓力作用下,活塞向右運動,同時后腔油液經(jīng)油孔 K6、K5 和變壓腔排油孔 K4 流回油箱。 (a) 后腔排油 (b) 后腔壓縮 13 (c)后腔進油 1.錘頭 2.缸體 3.活塞 4.前腔蓄能器 5.后腔蓄能器 6.密封裝置 7.氮氣腔 8.后腔 9.變壓腔 10.前腔 L1.前腔油路 L2.后腔油路 P.進油口 T.回油口 K1 K7.設(shè)置在缸體上的油孔 圖 2.4 無閥控自配流液壓沖擊器工作原理圖 2.4.2 后腔壓縮階段 當(dāng)活塞運動到圖 1b 所示位置時,活塞 3 的臺階將油口封閉,切斷后腔 8 與高壓油路 和回油路的通道,活塞 3 向右運動的結(jié)果是后腔蓄能器 5 充油,蓄能器 5 隔膜腔容積減小, 壓力升高;同時活塞 3 后端面壓縮氮氣室的氮氣腔 7,使氮氣腔壓力升高。為了使液壓振 動系統(tǒng)能夠輸出較大的沖擊能,在活塞 3 壓縮行程完成時,蓄能器 5 隔膜腔壓力和氮氣室 氮氣腔壓力必須低于系統(tǒng)供油壓力。 2.4.3 后腔進油階段 當(dāng)活塞 3 運動到圖 1c 位置時 ,后腔 8 與系統(tǒng)高壓油路相通,蓄能器 5 繼續(xù)充油,直到 蓄能器 5 隔膜腔壓力等于系統(tǒng)供油壓力,同時,活塞 3 繼續(xù)壓縮氮氣室的氮氣腔,由于活塞 3 后腔 8 的作用面積大于前腔 10 的作用面積,故活塞 3 處于回程制動階段,當(dāng)活塞 3 向右 運動速度降到零時,活塞 3 回程運動結(jié)束,沖程運動開始。 活塞 3 沖程階段是回程的逆過程,也由進油行程、膨脹做功行程和排油行程組成,蓄 能器 5 和氮氣腔 7 在活塞 3 沖程時的膨脹行程所做的功遠大于活塞 3 回程壓縮行程所 貯存的壓縮功,其膨脹功與壓縮功之差就是該新型液壓振動系統(tǒng)輸出的沖擊能。 由于液壓沖擊器活塞 3 在回程、沖程的循環(huán)過程中系統(tǒng)的壓力波動較大,故可在系 統(tǒng)進油供油油路中設(shè)置進油蓄能器 4 來調(diào)節(jié)液壓沖擊器的流量和壓力,使其能更加有效 穩(wěn)定地工作。 這種新型液壓沖擊器就是在上述活塞回程、沖程的循環(huán)往復(fù)高頻運動下工作,以達 到輸出沖擊能量和頻率的目的。由于簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),不需控制閥的高速頻繁換向動作, 減少了系統(tǒng)流量泄漏和發(fā)熱損失,因而提高了液壓沖擊系統(tǒng)的效率。 無閥型液壓鑿巖機的特點是:只有一個運動件，結(jié)構(gòu)簡單 ;由于利用油液的微量可壓 縮性，所以工作腔和壓油腔容積較大，致使機器尺寸和重量均較大;為了不使工作腔容 積過大，就得限制每次的沖擊排量，使活塞運動行程減小，沖擊能減小，在這種情況 14 下要達到一定的輸出功率，只得提高沖擊頻率。但對鑿巖作業(yè)來說，確定沖擊頻率的 條件是一次沖擊所產(chǎn)生的應(yīng)力波不致與前一次沖擊所產(chǎn)生的應(yīng)力波重疊并累積起來， 所以過高的沖擊頻率也未必有利。 15 第 3章 無閥輕型液壓鑿巖機總體結(jié)構(gòu)方案 液壓鑿巖機主要由沖擊機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、釬尾反彈吸收裝置和機頭部分(內(nèi)含供水 裝置與防塵系統(tǒng)等部分)組成，見圖 3.1。 圖 3.1 液壓鑿巖機結(jié)構(gòu) 1釬尾，2耐磨襯套，3供水裝置，4止動環(huán)，5傳動套，6齒輪套 7單向閥，8轉(zhuǎn)釬套筒襯套，9緩沖活塞，10緩沖蓄能器， 11、17密封套，12活塞前導(dǎo)向套，13缸體，14活塞，16活塞后導(dǎo)向套 A機頭部分 B回轉(zhuǎn)機構(gòu) C 一釬尾反彈吸收裝置 D沖擊機構(gòu) 3.1 沖擊機構(gòu) 沖擊機構(gòu)是沖擊作功的關(guān)鍵部件，它由缸體、活塞、換向閥、蓄能器等主要部件 和導(dǎo)向與密封裝置等組成(見圖 3-1)。 3.1.1 活塞 它是主要傳遞沖擊能量的零件，其形狀對傳遞能量的破巖效果有較大影響。從波 動力學(xué)理論可知，活塞直徑越接近釬尾的直徑越好，且在總長度上直徑變化越小越好。 圖 3.2 為氣動和液壓鑿巖機兩種活塞直徑的效果比較。由圖可知，活塞重量只差 19%，可是輸出功率則相差一倍，而釬桿內(nèi)的應(yīng)力峰值則減少了 20%。只從這點出發(fā)， 16 雙面回油的液壓鑿巖機活塞斷面變化最小，且細長，是最理想的活塞形狀。圖 3.2 是三 種活塞的結(jié)構(gòu)簡圖。 a) 雙面回油型 ( COP 系列) b)前腔常壓油型 c)前腔常壓油型 圖 3.2 活塞的結(jié)構(gòu)簡圖 3.1.2 蓄能器 沖擊機構(gòu)的活塞只在沖程時才對釬尾作功，而回程時不對外作功，為了充分利用 回程能量，需配置高壓蓄能器儲存回程能量，并利用它提供沖程時所需的峰值流量， 以減小泵的排量。此外，由于閥芯高頻換向引起壓力沖擊和流量脈動，也需配置蓄能 器吸收系統(tǒng)的壓力沖擊和流量脈動，以保證機器工作的可靠性，提高各部件的壽命。 目前，國內(nèi)外各種有閥型液壓鑿巖機都配有 1 個或 2 個高壓蓄能器。有的液壓鑿巖機 為了減少回油的脈動。還設(shè)有回油蓄能器。因液壓鑿巖機沖擊頻率較高，故都采用反 17 應(yīng)靈敏、動作快的隔膜式蓄能器，其典型結(jié)構(gòu)見圖 3.4。 這種蓄能器對隔膜的要求較高，除了在設(shè)計上應(yīng)注意其結(jié)構(gòu)和形狀外，隔膜材料 也應(yīng)選擇強度高、彈性好的耐油橡膠或聚氨脂等。 圖 3.4 隔膜式蓄能器結(jié)構(gòu) 1蓄油腔，3氮氣腔，2充氣口，4隔膜，5上蓋，6底座，7密封圈 3.1.3 缸體 缸體是液壓鑿巖機的主要零件(見圖 3.l 中的件號 13)，體積和重量都較大，結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，孔道和油槽多，要求加工精度高。有的廠家為了簡化缸體工藝，加工二三個缸套， 而每個缸套較短，加工精度容易保證。也有的廠家把缸體分為兩段，以保證加工精度。 3.2 回轉(zhuǎn)機構(gòu) 該機構(gòu)主要用于轉(zhuǎn)動釬具和接卸釬桿。在液壓鑿巖機中，因輸出轉(zhuǎn)矩較大,故主要 采用獨立外回轉(zhuǎn)機構(gòu)。用液壓馬達驅(qū)動一套齒輪裝置，帶動釬具回轉(zhuǎn)。因擺線液壓馬 達的體積小、轉(zhuǎn)矩大、效率高，故液壓鑿巖機回轉(zhuǎn)機構(gòu)中普遍采用這種馬達。傳動齒 輪式一對減速齒輪，其目的是進一步降低液壓馬達的轉(zhuǎn)速，提高扭矩?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)的潤 滑一般采用油霧潤滑。典型的齒輪回轉(zhuǎn)機構(gòu)見圖 3.5 18 圖 3.5 齒輪回轉(zhuǎn)機構(gòu) l沖擊活塞，2緩沖活塞，3傳動長軸，4小齒輪，5大齒輪 6釬尾，7王邊形花鍵套，8軸承，9緩沖套筒 圖 3.5 的液壓馬達放在液壓鑿巖機的尾部，通過長軸 3 傳動回轉(zhuǎn)機構(gòu)，也有的液壓 鑿巖機不用長軸，而是把液壓馬達的輸出軸直接插人小齒輪內(nèi)。 3.3 釬尾反彈能量吸收裝置 在沖擊鑿巖過程中，必然存在釬尾的反彈。為防止反彈力對機構(gòu)的破壞，液壓鑿 巖機都設(shè)有反彈能量吸收裝置，其工作原理見圖 3.6，其位置與結(jié)構(gòu)見圖 3.7 中的件號 6。反彈力經(jīng)纖尾的花鍵端面?zhèn)鹘o回轉(zhuǎn)卡盤軸套 2,軸套 2 再傳給緩沖活塞 3，緩沖活塞 的錐面與缸體間充滿液壓油，并與高壓蓄能器 5 相通。這樣，高壓油可起到吸能和緩 沖作用，避免了反彈力直接撞擊金屬件，影響鑿巖機和釬桿的壽命。 19 圖 3.6 釬尾反彈能量吸收裝置原理圖 l釬尾，2回轉(zhuǎn)卡盤軸套，3緩沖活塞，4缸體，5高壓蓄能器 3.4 供水裝置 地下用液壓鑿巖機都用壓力水作為沖洗介質(zhì)。露天大型液壓鑿巖機向下穿孔時， 多用壓縮空氣作為沖洗介質(zhì)(帶捕塵裝置)，這與潛孔鉆是相同的。本節(jié)只介紹壓力水作 為沖洗介質(zhì)的裝置。 3.4.1 中心供水 壓力水從鑿巖機后部的注水孔通過水針從活塞中間孔穿過，進人前部釬尾來沖洗 鉆孔: 這與一般的氣動鑿巖機中心供水方式是相同的。這種供水方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊， 機頭部分體積小，但密封比較困難，容易漏水，沖走潤滑油，造成機內(nèi)零件嚴重磨損。 而且由于水針和釬尾中心孔的偏心，使水針密封圈的壽命降低。 3.4.2 旁側(cè)供水 旁側(cè)供水裝置是液壓鑿巖機廣泛采用的結(jié)構(gòu):沖洗水通過鑿巖機前部的供水套進人 釬尾的進水孔去沖洗鉆孔，其結(jié)構(gòu)見圖 3.7 的左側(cè)所示。 旁側(cè)供水由于水路短，易實現(xiàn)其密封，而且沖洗水壓可達 1MPa 以上。且即使發(fā) 生漏水也不會影響鑿巖機內(nèi)部的正常潤滑。缺點是機頭部分增加了長度。 20 圖 3.7 供水、轉(zhuǎn)釬、反彈能量吸收裝置結(jié)構(gòu)圖 1釬尾，2耐磨支承套，3不銹鋼供水套，4密封，5回轉(zhuǎn)機構(gòu) 6反彈能量吸收裝置，7沖擊機構(gòu)缸體，8供水套進水口，9機頭-潤滑防塵系統(tǒng) 供水裝置是液壓鑿巖機的一個重要組成部分，它的作用是供給沖洗水以排除鑿空 內(nèi)的巖渣。由于旁側(cè)供水裝置會增加機頭部分的結(jié)構(gòu)尺寸，增大鑿巖機的重量，這對 于對重量要求較為苛刻的輕型液壓鑿巖機來說是無法忍受的，因此，輕型液壓鑿巖機 大都采用中心供水方式。 3.5 潤滑與防塵系統(tǒng) 沖擊機構(gòu)有自己的液壓油作為運動副的潤滑，而回轉(zhuǎn)機構(gòu)和機頭部分則需防止灰 塵和巖粉進人機器內(nèi)部，損價機器，并造成液壓油的污染。因此，都設(shè)有潤滑與防塵 系統(tǒng)。 一般由鉆車上的一個小氣泵產(chǎn)生壓氣(約 0 . 2MPa)經(jīng)注油器后，將具有一定壓力的 油霧供給回轉(zhuǎn)機構(gòu)和機頭的支承套等潤滑部位，然后從機頭部分向外噴出，以防止粉 塵和污物進入機體。COP 系列液壓鑿巖機的潤滑與防塵系統(tǒng)示意見圖 3.8，其結(jié)構(gòu)見圖 3.7 中的箭頭與通道。 21 圖 3.8 潤滑與防塵系統(tǒng) 3.6 液壓反沖裝置 在一些新的重型液壓鑿巖機上，為了深孔鑿巖時防止釬桿卡在鉆孔內(nèi)拔不出來， 在供水裝置前面加一反沖裝置。其結(jié)構(gòu)如圖 3.9 所示。 圖 3 一比 ccm s3sx 型液壓鑿巖機的反沖裝置 1油腔，2回油接頭，3液控二位二通閥，4閥，3 的液控油路 5供水套，6反沖活塞，7釬尾 油腔 1 經(jīng)可調(diào)節(jié)流閥始終與高壓油相通，回油接頭 2 經(jīng)管路與二位二通閥 3 相連。 當(dāng)釬桿卡在炮孔內(nèi)時，系統(tǒng)通過控制油路 4，使二位二通閥 3 換向，關(guān)閉回油路，油腔 1 內(nèi)形成高壓油，推動反沖活塞 6 向右運動，反沖活塞 6 則經(jīng)釬尾 7 的臺肩，施加一個 拔釬力，使釬桿從鉆孔中退出。正常鑿巖時，油腔 1 內(nèi)的油壓力較低，允許釬桿移動 進行鑿巖作業(yè)。 22 3.7 輕型液壓鑿巖機的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 綜上所述，本文確定輕型獨立回轉(zhuǎn)液壓鑿巖機的總體結(jié)構(gòu)為:雙面回油型液壓 沖擊機構(gòu)+ 獨立供油外回轉(zhuǎn)機構(gòu)+ 中心供水方式。依此設(shè)計了無閥輕型獨立回轉(zhuǎn)液壓鑿 巖機。該鑿巖機具有如下特點: 1) 沖擊機構(gòu)的活塞在往復(fù)運動過程中雙面回油，排油時間長， 排油比較均勻， 流量峰值小，有利于減少回油管的流量壓力脈動，減小回油阻力。 2) 活塞細長，沖擊端面積與釬尾的斷面積相近，有利于能量傳遞，延長釬具壽命。 3) 采用獨立供油的擺線液壓馬達驅(qū)動齒輪減速器帶動釬桿轉(zhuǎn)動，回轉(zhuǎn)扭矩大。 4) 采用獨立中心供水方式，沖洗水壓力可達 1Mpa 以上，有利于清渣。 23 第 4章 無閥輕型液壓鑿巖機結(jié)構(gòu)設(shè)計 本章主要敘述無閥型液壓鑿巖機的常規(guī)設(shè)計。液壓鑿巖機設(shè)計主要包括：沖擊機 構(gòu)的設(shè)計、回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計、水洗裝置設(shè)計。 4.1 沖擊機構(gòu)設(shè)計 4.1.1 沖擊機構(gòu)總體方案的確定 沖擊機構(gòu)是沖擊作功的關(guān)鍵部件，它由缸體、活塞、蓄能器（氮氣室）等主要部 件和封閉裝置等組成。 在設(shè)計沖擊機構(gòu)前，首先應(yīng)根據(jù)各方面的制造水平和外購件的質(zhì)量水平等情況， 來選擇沖擊機構(gòu)的類型。根據(jù)無閥型的結(jié)構(gòu)特征，本文確定設(shè)計雙面回油型液壓鑿巖 機。雙面回油型的主要優(yōu)點是:活塞形狀最為合理，有利于提高活塞與釬具的壽命，增 強破巖效果;排油時間長，回油管中峰值流量較小，減小了回油阻力和壓力脈動 ;采用較 高的壓力油，供油流量較小，可使各方面的尺寸小一些。缺點是:閥和缸體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 工藝性差、要求加工精度高;回程制動階段前腔可能有吸空現(xiàn)象 ;采有高壓油需要加強密 封。具體設(shè)計如下。 4.1.2 活塞的設(shè)計 1、活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計 活塞是沖擊機構(gòu)的主體。設(shè)計的已知參數(shù)是沖擊能 E=200J，沖擊頻率 f 選擇 40Hz。另外需要設(shè)定的參數(shù)是沖擊末速度 Vm 和供油壓力 P。根據(jù)我國目前釬尾允許應(yīng) 力計算，V m 一般不大于 l0m/s，國外也不大于 12m/s。供油壓力各廠家根據(jù)自己的情況， 選擇是不同的。有的采用較高壓力(如瑞典 Atlas Copco 公司)，這樣容易在小流量下得 到較高的沖擊能，使機器、管路和泵等尺寸小些，但對加工精度和密封要求高。有的 采用較低壓力( 如芬蘭 Tamrock 公司)，雖然供油流量大些，但加工與密封要求較低，維 修性也好。我國目前自己研制的液壓鑿巖機多選擇較低壓力，一般在(10-15)MPa 范圍。 本次設(shè)計中選用 Vm 對=9m/s，P=14MPa 。 因為巖石的破碎是靠應(yīng)力波傳遞的能量來完成的，故需研究入射波形對鑿入效果 的影響。國內(nèi)外學(xué)者在這方面進行了大量的研究，由于活塞的形狀和撞擊面接觸條件 24 不同，所產(chǎn)生的入射波形也各異。一般來說，細長的活塞，入射波幅低而作用時間長； 短粗的活塞，入射波幅高而作用時間短?；钊螤钆c入射波的關(guān)系見圖 4.1。圖中所示 的活塞重量基本相同，而活塞長度 L 和活塞直徑 不同，釬頭直徑 相同。1d2d 根據(jù)理論分析和試驗研究，緩和的入射波形比陡起的有較高的鑿入效率。因此， 細長活塞比短粗活塞鑿入效率要高。這也是液壓鑿巖機優(yōu)于氣動鑿巖機的理論根據(jù)。 圖 4.1 活塞形狀與入射波形的關(guān)系 活塞是主要傳遞沖擊能量的零件，由圖 4.1 可知，其形狀對傳遞能量的破巖效果 有較大的影響。從波動力學(xué)理論可知，活塞直徑越接近釬尾的直徑越好，且在總長度 上直徑變化越小越好。表 4.1 為氣動和液壓鑿巖機兩種活塞直徑的效果比較。圖 2.2 所示為兩種活塞二維圖。由表 4.1 和圖 4.2 可知，活塞重量只差 19%，可是輸出功率則 相差一倍，而釬桿內(nèi)的應(yīng)力峰值則減少了 20%。只從這點出發(fā)，可知液壓鑿巖機的活塞 斷面變化越小，且細長，是最理想的活塞形狀。 具體設(shè)計時應(yīng)遵守以下原則：1.活塞應(yīng)為細長形，并減少不必要的斷面變化，以 利于提高能量傳遞效率和提高釬具壽命；2.活塞沖擊頭的面積應(yīng)盡量與釬尾端部的面 積相等或接近，并要有一定的錐部長度，以利于沖擊波的傳遞；3.要保證活塞全程及 25 超行程時不致?lián)p傷兩端密封結(jié)構(gòu)；4.設(shè)計好防空打油墊尺寸及活塞各段的封油長度；5.保 證活塞重量和前后腔受壓面積等于或接近已得出的結(jié)果參數(shù)；6.采用套閥時，要考慮 閥的工作長度。7.與缸體(或缸套)的配合間隙，要結(jié)合考慮泄漏損失、加工成本(精度)與 過濾精度;要在提高可靠性的基礎(chǔ)上考慮提高效率，以確定合理的配合間隙41,42。 一般活塞與缸體的配合間隙為 0.05-0.08；在加工質(zhì)量和過濾精度能保證的情況下，間 隙可選小一些。 圖 4.2 兩種活塞二維圖 表 4.1 兩種活塞直徑效果的比較 項目 氣動活塞 液壓活塞 差值百分比 活塞重量/kg 沖擊末速度/(m/s) 沖擊能/N.m 沖擊頻率/bpm 輸出功率/kw 釬桿中的應(yīng)力峰值/Mpa 7.9 9.8 379 1648 10 344 9.4 10.0 470 2600 20 278 +19% - +24% +58% +100% -20% 根據(jù)以上原則本次設(shè)計的活塞形狀如圖 4.3 所示； 26 圖 4.3 活塞 2、活塞軸向推力計算 本文設(shè)計的無閥型液壓鑿巖機參數(shù)如表 4.1 所示。 表 4.1 液壓鑿巖機參數(shù) 機重 /kg 沖擊功率 /kw 沖擊頻率 /Hz 回轉(zhuǎn)速度 （r/min） 最大轉(zhuǎn)矩 /N.m 沖擊壓力 /Mpa 39 5.5 30 350 175 17 由鑿巖原理可知，為了取得較高的鑿入效率，釬頭必須與孔底巖石有良好的接觸。 因此，必須對鑿巖機施加軸向推力，這個力也就作用在了活塞上。鉆孔時，如推力過 大，勢必壓迫釬桿使它轉(zhuǎn)動困難，這既增加了回轉(zhuǎn)阻力，又增加了釬頭的磨損；推力 過小，則釬頭跳離眼底，鑿碎效率就低。因此，為使活塞沖程時，釬頭始終與巖石接 觸，應(yīng)用動量定理可得最小軸向推力 F（N） （4-1）pztvM)1(mv 式中 m -活塞質(zhì)量（kg ） ； -活塞沖程最大速度（m/s） ；v -反彈系數(shù)； M -機體質(zhì)量（ kg） ； -釬具一次沖擊的前進末速度（m/s） ；zv -活塞沖程時間（s） 。pt 最優(yōu)軸向推力 (N)還應(yīng)包括克服摩擦力 （N）和鑿巖機自重力等。opFfF 27 （4.2）sinGFfop 式中 G-鑿巖機自重力（ N） ； 炮孔傾角，向上傾斜取正值，向下傾斜取負值。 式（4.1）中 和 是與巖石性質(zhì)、活塞形狀、釬頭結(jié)構(gòu)等多種因素有關(guān)，故不zv 易確定，最容易確定的是鑿巖機的沖擊頻率 f( , ，運動學(xué)特征系數(shù)，T1ftp T活塞運動一個周期的時間)和 （ ，E 鑿巖機的沖擊能） ，故一般可將mv2 式（4.2）寫為： （4.3）KFR2f 式中 f-鑿巖機沖擊頻率（ Hz） ； E-鑿巖機的沖擊能（J ） ； -計算最優(yōu)軸向推力的修正系數(shù)。RK 的取值一般為 1.5-2.3，這是對氣動鑿巖機而言。根據(jù)筆者在實驗室的他、液壓 鑿巖機試驗臺上的試驗， 值在 3.3 左右，這里取 =3.3。把RKRK f=40Hz，E=200J，m=9.4kg 代入式（4.3）中得， F=8094N 4.1.3 缸體的設(shè)計 根據(jù)上文設(shè)計的活塞的相關(guān)尺寸，并參考第 3 章中沖擊機構(gòu)的機構(gòu)，本文將沖擊 機構(gòu)缸體設(shè)計成如圖 4.4 所示結(jié)構(gòu)。 28 圖 4.4 缸體 4.2 回轉(zhuǎn)機構(gòu) 該機構(gòu)主要用于轉(zhuǎn)動釬具和接卸釬桿。在液壓鑿巖機中，因輸出轉(zhuǎn)矩較大，故主 要采用獨立外回轉(zhuǎn)機構(gòu)。用液壓馬達驅(qū)動一套裝置，帶動釬具回轉(zhuǎn)。因擺線液壓馬達 的體積小、轉(zhuǎn)矩大、效率高，故液壓鑿巖機回轉(zhuǎn)機構(gòu)中普遍采用這種馬達。轉(zhuǎn)釬齒輪 一般采用直齒輪。 目前，某些液壓鑿巖機液壓系統(tǒng)的工作壓力如下：沖擊器，14Mpa25Mpa；回轉(zhuǎn) 機構(gòu)，10Mpa 20Mpa；推進機構(gòu)，4Mpa14Mpa。這里取沖擊器 18 Mpa；回轉(zhuǎn)機構(gòu) 15 Mpa；推進機構(gòu) 12 Mpa。依據(jù)上述參數(shù)，并參考有閥液壓鑿巖機回轉(zhuǎn)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)， 本文設(shè)計的回轉(zhuǎn)機構(gòu)如圖 4.5 所示。 圖 4.5 回轉(zhuǎn)機構(gòu) 4.3 蓄能器的設(shè)計 沖擊機構(gòu)的活塞只在沖程時才對釬尾作功，而回程時不對外作功，為了充分利用 29 回程能量，需要配置高壓蓄能器儲存回程能量，并利用它提供沖程時所需的峰值流量， 以減小泵的排量。此外，由于閥芯高頻換向引起壓力沖擊和流量脈動，也需要配置蓄 能器吸收系統(tǒng)的壓力沖擊和流量脈動，以保證機器工作的可靠性，提高各部件的壽命。 目前，國內(nèi)外各種有閥型液壓鑿巖機都配有 1 個和 2 個高壓蓄能器。有的液壓鑿巖機 為了減少回油的脈動。還設(shè)有回油蓄能器。因液壓鑿巖機沖擊頻率較高，故都采用反 映靈敏、動作快的隔膜式蓄能器。 蓄能器結(jié)構(gòu)各廠家并不相同，有的薄一些，有的厚一些，這可根據(jù)整機布置，并 參考已有蓄能器來具體確定。具體設(shè)計時應(yīng)遵守以下原則： （1）在有效工作容積范圍內(nèi)變化時，要使隔膜的撓曲和變形盡量小些。 （2）響應(yīng)要靈敏。 （3）連接螺釘要有足夠的強度。 （4）選擇合適的隔膜材料。 工作容積的確定： （4.4）minaVx 式中 -系統(tǒng)在最低工作壓力時的蓄能器充氣腔容積；maxV -系統(tǒng)在最高工作壓力時的蓄能器充氣腔容積。in 與 可根據(jù)已知的活塞運動學(xué)參數(shù)計算出?，F(xiàn)以前腔常壓油型液壓鑿巖機為maxi 例，并設(shè)其優(yōu)化目標(biāo)為瞬間流量峰值最?。ɑ钊麤_擊一次隔膜只振動一次） ，此時 ，沖程段蓄能器的排油時間 ，沖程叫速度 。因沖擊一次只排3/1Ttp1852Tvamp3 油一次，故其工作容積： （4.5）022re)(pHptQSAV 式中 -活塞后腔有效工作面積， ；reAfr -活塞沖程從排油起至打擊釬尾的距離（行程） ；2pS （4.6）TvtSmpp2165