MG100型錨桿鉆機液壓系統（石油）設計【含CAD圖紙全套+畢業(yè)答辯論文】

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下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 第 1 章 緒論 題的背景、意義及目的 鉆孔機械是地下水開采及基本建設基礎施工必不可少的設備，鉆機產品也隨之進入快速發(fā)展的階段。近年來，國內的許多廠家相繼生產出各種形式的反循環(huán)鉆機，應用于全國各地的橋梁、建筑、水利等工程施工過程中。但從現有的國產沖擊反循環(huán)鉆機的使用情況來看，仍存在一些問題需要認真討論與分析，并在技術上作出相應的改進和提高，才能更有利于我國鉆機制造業(yè)的發(fā)展，并進一步提高我國同類鉆機的設計和制造水平。其中錨桿鉆機是實現錨桿支護技術 圖 1－ １ 錨桿鉆機 的重要機械設備，隨著錨桿支護技術的飛速發(fā)展，用于鉆鑿錨桿孔的錨桿鉆機也得到了 快速發(fā)展。展望它的發(fā)展，有助于不斷促進錨桿鉆機設備的技術進步， 其更加適應現代支護技術的需要 ]2[ 。 以往鉆機的設計研制過程 ,比較注重鉆機本身的輸出特性，一味通過追求盡可能大的轉速和轉矩來提高鉆機的破巖鉆進能力。但對于單體錨桿鉆機來說 ,要求體積小、重量輕、因而不能無限止地提高轉速、轉矩和推力。只有最大限 度地提高鉆機輸出功 ]5[ 。 圖 1－ 2 主臂伸縮式錨桿鉆機 課題來源： 于 北京建筑機械化研究院 合作的 國家十一五重點攻關項目 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 率的利用率，即提高破巖鉆削效率，才能在有限的輸出功率下取得較高的鉆進速度。 現在氣動、液壓單體回轉式錨桿鉆機是一個時期的主流，綜觀國外錨桿鉆機發(fā)展歷程以及國內多方面實踐 ,針對煤礦經濟狀況與煤巖、 半煤巖巷道的具體特點 ，在具有壓縮空氣源的條件下 ， 氣動回轉式錨桿鉆機仍為首選產品 ， 是產品生產與開發(fā)的主流。但如何 解決壓縮空氣工作壓力不足 ， 合理選擇壓縮空氣管網系統 ，正確確定空壓機及其動力系統的技術參數 ,開發(fā)新型的提高壓縮空氣壓力的機械設備 ， 將成為進一步發(fā)揮該類鉆機作用的關鍵。 液壓回轉式錨桿鉆機因其工作壓力高、扭矩大、動力系統可不受外界影響 ，在一些場合下是合理的機型。一個時期內 ,液壓錨桿鉆機主要用于與掘進機配套 ,共用該液壓泵站。經過一定時期以后 ， 用戶會根據錨桿支護的需要與具體條件 ，進行綜合技術經濟分析 ， 在適宜的場所確定采用液壓回轉式錨桿鉆機。由于液壓錨桿鉆機使用量的增加 ， 礦物油介質的安全性問題會日益突出 ， 開發(fā)難燃液錨 桿鉆機的問題將適時提到日程上來。今后回轉式錨桿鉆機的發(fā)展前途 ， 將是如何擴大鉆進巖石的范圍、提高產品可靠性與減輕機重 ]5[ 。 電動錨桿鉆機的動力單一 ， 是人們理想的首選機型。但因目前技術水平所限 ,其支腿配套方式、扭矩 都不利于其更快地向前發(fā)展。在一定時期內 ， 電動錨桿鉆機產品仍會以“技術攻關為”基本特征。 高新技術的發(fā)展 ， 有利于錨桿孔鉆進技術的變革幾十年來 ， 錨桿孔鉆進設備已有了一定的提高 ， 隨著知識經濟的發(fā)展 ， 錨桿鉆機及其配套鉆具會逐漸變 革 ，預計在以下方面會引起產品的重大變化 ： 1、 結構參數的優(yōu)化以及高科技新材料的應用 ， 使單體錨桿鉆機性能提高、重量減輕。采用了高新技術的巖石鉆頭將使回轉式鉆進方式擴大應用范圍。 2、 微電子技術在不同動力、不同類型錨桿鉆機上的應用 ， 可能會使錨桿鉆機發(fā)生某些根本性的變革 ， 例如改變鉆機特性、改善操作性能、提高可靠性等。國外已探討計算機控制的錨桿孔鉆進與錨桿安裝的綜合性自動化設備。鑿巖機器人的成功應用必將有力地促進錨桿孔鉆進設備的進步。 3、 錨桿孔鉆進設備的發(fā)展 ， 以錨桿支護技術與鑿巖技術的發(fā)展為基礎 ， 錨桿支護新類型 、新材料的出現會對錨桿鉆機的結構參數、技術性能與功能提出新的要求。 我國煤礦用錨桿鉆孔設備存在的主要技術 圖 1－ 3 新型錨桿鉆機 問題，雖然開發(fā)的品種多 ， 但性能適宜且可靠下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 性好的產品不多。 截止目前 ,我國已開發(fā) 了 40 多種型號和不同類型的錨桿鉆機 ，但適于井下使用且可靠性較好的只有 3~4 種產品 。 目前錨桿鉆機技術發(fā)展狀況有以下基本特點 ： 1 單體氣動回轉式錨桿鉆機是錨桿鉆機產品 的主 流 ， 在齒輪 式 、柱塞式和葉片式 3 種類型氣動馬達中 ， 葉片馬達式已基本淘汰 ， 齒輪式馬達與柱塞式馬達在扭矩 不同氣壓下 的性能、噪聲特性、機重、對潤滑的要求與抗污染等方面各有優(yōu)缺點 ， 在不同使用條件下都有各自的市場。總的來說國產氣動錨桿鉆機的水平逐步提高 ， 齒輪氣動馬達式已基本能代替進口產品 ， 但玻璃鋼支腿等部分的可靠性應進一步提高 ； 柱塞馬達式錨桿鉆機尚處于小批量生產階段 ,尚需進一步考核。 2 電動錨桿鉆機的輸出特性較差 ， 鉆孔速度低 ， 電機可靠性及防水性存在嚴重問題 ， 尚無良好的推進方式。近期尚難大量用于井下錨桿支護。 3 液壓錨桿鉆機輸出的扭矩高于氣動錨桿鉆機 ， 與掘進機配套是較優(yōu)越的工作方式。但輸出扭矩仍然偏低 ,液壓系統容易發(fā)熱。由 于以礦物油為工作介質 ， 在煤礦井下使用中存在安全隱患。 隨著錨噴支護技術的推廣和應用， 作為錨噴施工工具的錨桿鉆機的優(yōu)劣直接影響著錨桿孔施工和生產效率，錨桿鉆機按動力源分電動錨桿鉆機、氣動錨桿鉆機和液壓錨桿鉆機。通過上述分析與研究，由于液壓錨桿鉆機具有扭矩大、鉆削破巖性好等特點，從而得到推廣應用，本課題所涉及的錨桿鉆機液壓系統設計是液壓錨桿鉆機的重要組成部分，它意在研究液壓錨桿鉆機的液壓原理與輔助部分，總體方案包括主機和泵站的液壓部分及接頭與管路等。主機的液壓部分主要由液壓馬達、操縱臂液缸、支腿液缸等組 成，液壓泵站主要由液壓泵、溢流閥、油箱和濾油器等組成。液壓馬達和支腿作為鉆機的執(zhí)行元件 ， 一個作旋轉運動 ,輸出扭矩 ； 一個作直線運動 ， 作為鉆機工作時的支撐。通過對錨桿鉆機液壓系統設計，進而更好的推進液壓錨桿鉆機的推廣應用 ]5[ 。 內外研究現狀及分析 地下鑿巖和露天竄孔是礦山和巖石工程中的第一道生產工序。它直接影響勞動生產率的提高和生產成本的降低，因此對其設備水平的 提高，各方面都給予了高度重視。特別是近幾年來，隨著科學技術的飛速發(fā)展，國外鑿巖（穿孔）設備已明顯呈現 以下發(fā)展趨勢：一是設備向大型化發(fā)展；二是地下鑿巖的液壓化已成定局；三是自動化和智能化成度越來越高；四是維修性和可靠性日益提高；五是大型牙輪鉆機上已廣泛采用靜態(tài)交流電機驅動變頻調速 。 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 外錨桿鉆機技術發(fā)展狀況 目前國外應用較為普遍的單體錨桿鉆機主要有風動和液壓錨桿鉆機兩種。風動錨桿鉆機有澳大利亞的克萊姆公司 ， 阿明克公司 和瑞典 等 ;液壓錨桿鉆機有英國 ， 澳大利亞 等。 特別是澳利亞在風動錨桿鉆機方面一直保持著較為領先的 技術和產品 ， 主要有柱塞馬達與齒輪馬達 2 種 ， 采用玻璃鋼碳素纖維支腿 ， 產品特點是重量輕，扭矩大，噪音低，耗氣量小，機身矮等 ]2[ 。 新型錨機組的出現雖然只有 10 多年 ，這種一體化的錨桿支護技術在國外越來越受 圖 1－ 4 多臂式錨桿鉆機 到重視 ， 發(fā)展也很快 ， 常采用性能優(yōu)良，技術先進，操作維修方便，并且可以進行多孔鉆進。應用范圍廣的錨桿鉆機與采掘設備配套的錨機組 。 如喬伊公司生產的 14采掘錨機組 ， 2采錨機組 ， 鮑拉特公司的 掘錨機組 ，郎艾道公司的 錨桿鉆車等班工作效率已達 120~240 根 ]2[ 。 內錨桿鉆機的研制狀況 我國煤礦專用錨桿鉆機的研究始于 20 世紀 70 年代末 ,先后研制過機械支腿式錨桿鉆機，鉆車式錨桿鉆機 ， 支腿與導軌式液壓錨桿鉆機，支腿式氣動錨桿鉆機，非機械傳動電動錨桿鉆機，機載式錨桿鉆機等錨桿鉆機按結構不同有鉆車 式、 機載 式、 單體式 ;按破巖原理不同有回轉 式、 沖擊 式、 沖擊回轉 式、 回轉沖擊式 ； 按產品破巖機構動力不同有氣 動 、 電動 、 液動三大系列 30 多個品種 ]3[ 。 動錨桿鉆機 氣動錨桿鉆機是以 壓縮氣體 為動力 ， 按破巖方式不同可分為旋轉沖擊式和旋轉式。氣動旋轉沖擊式又稱手持式氣腿鑿巖機 ， 該類鉆機采用氣動沖擊鑿巖 ， 鉆孔速度快 ,特別適合在中硬巖石中鉆 孔 、 動力單 一 、 重量輕、搬運方便、 操作簡單。其缺點是噪音大 ， 工作環(huán)境較為艱苦 ， 影響人的身心健康 ， 在風壓低時會影響鉆孔效率。 圖 1－ 5 氣動錨桿鉆機 氣動旋轉式錨桿鉆機是 20 世紀 80 年代我國在引國外同類鉆機的基礎上開發(fā)研制成功的。主要由風馬達，氣腿和操縱臂組成?，F有的機型有 列， 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 系 列， 列等。由于采用工程塑料等新型材料制成多級伸縮式氣腿 ， 重量更輕，操作移動方便 ， 不僅能鉆孔 ， 換上附件還能安裝樹脂和水泥砂漿錨桿。不足之處是需要有一力的氣源 ， 壓力較小時鉆孔效率會降低。 氣動錨桿鉆機特性分析 氣動錨桿鉆機的切割機構由氣動馬達實現 ， 氣動馬達的機械輸出具有明顯的軟特性 (圖 1－ 6)。推進機構由氣缸完成 ， 由于氣體的可壓縮性 ， 其推力和推進速度也具有彈性輸出的特點。它與氣動馬達的軟特性一起 ， 共同組成了回轉機構和推進機構的彈性配合這與巖石鉆孔特性極其相似， 合理的選擇兩個機構 的輸出參數 ， 使其 隨著巖石鉆進阻力的 圖 1－ 6 氣動馬達輸出特性 ]7[ 變化 ,鉆機的轉矩，轉速和推進力 !推進速度同時彈性配合地變化 ， 即能自動保證較好的鉆進效果。 氣動馬達空轉時轉速最高 ,隨鉆進阻力增大 、 轉速下降 、 氣壓增 加 、 轉矩增大。一般情況 ,在額定轉矩和額定轉速下工作 ,當巖石鉆進阻力超過額定值時 ， 氣動馬達轉速變慢 ， 推進氣缸速度亦變慢 ， 氣體被 壓縮積蓄能量直至足于克服鉆進阻力時 ，鉆機繼續(xù)正常工作。因此風動錨桿鉆機又具有一定的過載能力 ， 這比液壓鉆機和電動鉆機具有更大的性能優(yōu)勢。 電動錨桿鉆機是由專用防爆電機驅動實現旋轉切削的。其結構形式目前多為便攜式。這類鉆機采用電動機與液壓油缸相結合的形式 ， 電動機安裝在液壓油缸頂端 ， 通過齒輪減速 ， 帶動鉆孔主軸旋轉。 電動錨桿鉆機的特點是動力源單一 ， 不需要二次能量轉換 ， 因此能耗少 ， 效率高，重量輕 ， 鉆孔速度快 ， 可直接進入迎頭作業(yè) ， 特別適用于煤巷和回采巷道的支護。其主要缺點是功率增大會受到 電機重量的限制。 電動錨桿鉆機的性能分析 圖 1－ 7 異步電動機輸出特性 ]7[ 電動錨桿鉆機的切割機構由電動機通過減速器驅動鉆具回轉。為使結構簡單，重 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 量輕，價格低 ， 錨桿鉆機一般采用鼠籠式異步電動機 ,因而其機械輸出特性表現出明顯的鼠籠電動機的特點 (圖 1)。圖中最大轉矩 額定轉矩 比 K 為電動機的過載能力。對錨桿鉆機來說 ， 有兩點是重要的 :異步電動機的硬特性 ,即 轉速 n 隨轉矩 M 的增大下降不多 (圖 1－ 7 中 )， 由于鼠籠式電動機轉子自我閉 合電路不能外接附加電阻改變機械特性 ， 轉子繞組的內電阻為一常量 ,這樣 ,與巖石鉆孔的相應特性差別較大。異步電動機的過載能力 ， 一般 K=116~215， 對于2~3爆型錨桿鉆機用電動機 ， K 在 118 左右。 電動錨桿鉆機的鉆進推力由井下靜壓水產生的 壓力提供。鉆進時 ， 在額定轉矩范圍內 (圖 2 中 ),轉速變化不大 ， 輸出功率基本穩(wěn)定 ， 有較好的鉆進效果。但若超過 D 點后 ， 鉆機只能依靠其過載能力短時在 工作 ， 若時間過長或巖石阻力超過對應的 ， 鉆機即卡鉆停止 ， 這種頻繁卡鉆的現象時有發(fā)生 ，使回轉 機構產生早期損壞。 液壓錨桿鉆機是通過液壓馬達驅動旋轉切削破巖的。通常都附帶泵站 ， 由泵站輸送的液壓油提供動力 ， 帶動液壓馬達轉動。現多采用低速轉動的結構 ， 省去 齒輪傳動機構 ， 直接帶動鉆機。 液壓錨桿鉆機可分為單體型和手持型 2種形式。 單體鉆機主要是 列 ， 由主機 ,操縱架和泵站三大部分組成。這種機型只能鉆頂部錨桿孔 ， 但鉆孔平穩(wěn) ， 一次推進行程長。不足的是重量較重 ， 一般均在 70上 ， 移動費力。 圖 1－ 8 液壓錨桿鉆機 手持式鉆 機主要有 列 ， 列。這類鉆機液壓馬達直接安裝在推進油缸頂端 ， 不需要減速裝置 ， 液壓馬達直接帶動鉆機主軸旋轉。不僅可鉆頂部孔 ， 還可鉆邊幫孔和迎頭炮孔。重量輕，操作簡單方便 ， 缺點是推進引程短 ， 一般需要換釬桿。 為改變液壓錨桿鉆機由于泵站重量大 ， 移動不方便缺陷 ， 目前泵站 ， 液壓錨桿鉆機常與采掘機械或裝巖機配套使用 ， 結合在一起構成采掘裝錨機組 (機載錨桿鉆機 )。這是采掘機械化應用的發(fā)展趨勢 ， 實現了采掘與支護平行作業(yè)。 目前中科院南京所研制的機載錨桿鉆機可與 中小型懸臂式掘進 機 如 160 )配套 ， 構成掘錨機組 ,掘出頂板即可及時支護 ， 適用于巖石硬度 f 齒輪 1 硬度取值范圍 6～ 62 齒輪 1 硬度 0 齒輪 2 材料及熱處理 0輪 2 硬度取值范圍 8～ 55 齒輪 2 硬度 2 齒輪精度 為 7 級 三 、齒輪基本參數 模數 (法面模數 ) 齒輪 1 齒數 3 齒輪 1 變位系數 輪 1 齒寬 0(齒輪 1 齒寬系數 Φ 輪 2 齒數 0 齒輪 2 變位系數 輪 2 齒寬 0(齒輪 2 齒寬系數 Φ 變位系數 準中心距 實際中心距 A=齒數比 U=輪 1 分度圓直徑 齒輪 1 齒頂圓直徑 齒輪 1 齒根圓直徑 齒輪 1 齒頂高 齒輪 1 齒根高 齒輪 1 全齒高 齒輪 1 齒頂壓力角 α ) 齒輪 2 分度圓直徑 齒輪 2 齒頂圓直徑 齒輪 2 齒根圓直徑 齒輪 2 齒頂高 齒輪 2 齒根高 齒輪 2 全齒高 齒頂高系數 載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 頂隙系數 c*=力角 α *=20(度 ) 四 、強度校核數據 齒 輪 1 接觸強度極限應力 σ 齒輪 1 抗彎疲勞基本值 σ 齒輪 1 接觸疲勞強度許用值 [σ H]1=齒輪 1 彎曲疲勞強度許用值 [σ F]1=齒輪 2 接觸強度極限應力 σ 齒輪 2 抗彎疲勞基本值 σ 齒輪 2 接觸疲勞強度許用值 [σ H]2=齒輪 2 彎曲疲勞強度許用值 [σ F]2=接觸強 度用安全系數 曲強度用安全系數 觸強度計算應力 σ H=接觸疲勞強度校核 σ H≤ [σ H]=滿足 齒輪 1 彎曲疲勞強度計算應力 σ 齒輪 2 彎曲疲勞強度計算應力 σ 齒輪 1 彎曲疲勞強度校核 σ [σ F]1=滿足 齒輪 2 彎曲疲勞強度校核 σ [σ F]2=滿足 齒輪 1 復合齒形系數 輪 1 應力校正系數 輪 2 復合齒形系數 輪 2 應力校正系數 液壓馬達的選擇 經過查找和對比選擇依頓系列馬達，該系列馬達結構緊湊、性能可靠，適合非公路運輸車輛。最終選取該公司的盤配流馬達 4000 系列中的無軸承馬達（連續(xù)形式），采用帶有 3/4 英寸對開發(fā)蘭油口，它的主要參數： 排量 625 r； (s) 最高轉數 151 r/ 扭矩 970 壓力 115 295 值）； 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 壓沖擊器設計 如何提高旋轉式錨桿鉆機的適應范圍 ， 以解決實際工作中存在的上述問題 ，是旋轉式錨桿鉆機進一步研究的內容之一 ， 為此 ,本文提出具有沖擊功能的旋轉式錨桿鉆機 ， 其基本思路是 ： 在現有旋轉式錨桿鉆機結構基礎上 ， 增加一個沖擊機構 ，即液壓沖擊器， 構成所謂沖擊旋轉式錨桿鉆機 。 在正常頂板條件下 ， 該錨桿鉆機仍以旋轉方式打錨桿孔 ， 以充分發(fā)揮旋轉高效的特點 ， 但同時根據需要 ， 可以輔以沖擊 ， 在旋轉鉆孔時超前沖擊破巖 ， 使孔底巖石產生微觀裂隙 ， 以使旋轉鉆孔更為有效 ； 當遇到局部堅硬巖石 時 ， 以沖擊鉆孔為主 ， 充分發(fā)揮沖擊破巖的特點 ， 并輔以旋轉切削 ， 從而有效地解決不同圍巖頂板條件下的打錨桿孔問題 。 通常，封閉的容積式液體傳動稱為液壓傳動，液壓振動是輸出振動頻率為脈沖的液壓傳動的特殊形式。液壓振動定義為：以液體為工作介質，將壓力能轉換活塞運動的動能，以輸出振動的形式來進行能量傳遞的傳動方式。液壓振動產生的反方法有：直流液壓、交流液壓、自動配流、強制配流、自激振蕩、液壓射流。液壓振動的能量輸出有振動式和沖擊式兩種。 擊旋轉鉆孔時的破巖 理 如圖 3－ 1 所示 ， 沖擊旋轉鉆孔時 ，鉆頭上同時作 用著兩個方向的 3 個力 ，即旋轉方向的徑向力 鉆進方向的軸向靜載荷 沖擊力 其中 是由旋轉破巖產生的 ， 斷的作用在鉆頭上 ， 是由沖擊機構產生的 ， 間斷時間由鉆機的沖擊頻率決定 ]6[ 。 圖 3－ 1 破巖機理 上述 3個力相輔相成地使鉆頭進行有效地沖擊旋轉破巖 ， 一方面 ， 沖擊力 使孔底的堅硬巖體產生微觀裂紋和旋轉 切削時的超前破碎 ， 以便旋轉切削時 ,能在堅硬頂板 條件下更為有效地快速鉆孔 ， 另一方面 ,靜壓力 作用 ， 又使沖擊破巖更為有效 。 當靜動載荷同時作用在鉆頭上時 ， 每次沖擊巖石破碎深度和體積比單純的沖擊要大的多 。 當沖擊能量一定時 ， 隨預加靜載荷 增加 ,破碎穴體積也相應的增加 ， 其原因一是預加靜載荷使巖石內部形成預加應力 ， 二是預壓靜載荷改善了沖擊能量的傳遞條件 ， 使能量的有效利用率增加 。 此外 ， 沖擊旋轉鉆孔是斜沖擊破碎巖石 ， 因而存在最優(yōu)施力角 (鉆頭與巖石表面成某一角度切入巖石 ， 該角度稱之謂施力角 )， 對于每一種巖石 ,下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 當斜沖擊破碎時 ， 都有一個最優(yōu)施力角 ,即鉆頭與巖石面成這一 角度切入時 ， 最容易使巖石破碎 各鉆孔參數能根據巖石的最優(yōu)施力角自動匹配 ， 因而能以最優(yōu)的施力角度切入巖石 ， 對硬巖進行有效的破碎 ]6[ 。 壓沖擊器結構原理 液壓沖擊器是以流體為傳遞能量介質的閥控油缸系統其工作過程服從流體運動和機械運動規(guī)律且受多種因素的影響與制約 ， 運動規(guī)律十分復雜 ， 需采用非線性數學模型進行分析 。 圖 3－ 2為液壓沖擊器的結構示意圖 ， 根據流體運動和機械運動理論 ， 可以建立其數學模型 。 它主要由沖擊機構 、 配油機構 !高壓蓄能器 、 回油 蓄能器以及連接它們的油道構成 。 沖擊機構由沖擊活塞和缸體組成 ， 配油機構由配油閥閥芯和閥體組成 。 活塞運動速度是不斷變化的 ， 因此 ， 液壓沖擊器所需要的高壓油流量和所排出的流量是不斷變化的 ， 而液壓泵所提供的流量卻 可以認 圖 3－ 2 配流式液壓沖擊器 ]11[ 為是基本不變的 ， 這樣 ， 蓄能器就始終處于 排油或充油狀態(tài) ， 其氣腔體積不斷變化 ， 故液壓沖擊器高壓腔 、 回油腔的壓力始終是變化的活塞在一個運動周期內 ,配油閥閥芯往返運動各一次 ， 而閥芯的運動引起液壓沖擊器內部 油流方向的突變 ，這就不可避免地會產生液壓沖擊 ， 從而使高壓腔 !回油腔的壓力在有規(guī)律地變化的同時產生高頻波動 。 所以 ， 沖擊活塞所受到的作用力是非常復雜的 ， 其運動規(guī)律自然就十分復雜 ， 完全按實際情況建立液壓沖擊器的數學模型就很困難 ， 甚至是做不到的 。 既使是建立了這樣的數學模型 ， 求它的解也會遇到難以解決的數學難下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 題 。 一個仿真模型應能盡量全面反映被仿真對象的實際物理過程 ， 但要完全做到不失真是不可能的 。 為了分析和解決問題的方便 ， 對實際系統中一些難以全面考慮而對分析結果影響不大的因素可作出一些適當的假設 ， 這里假設 ： (1)、 油液 不可壓縮且工作過程中溫度處處一樣 ； (2)、 油液的粘度不受壓力的影響 ； (3)、 除蓄能器隔膜外沖擊器所有元件均為絕對剛體 ； (4)、 蓄能器隔膜變形時無任何抗力且質量為零 ； (5)、 大部分情況下忽略油液的質量 ， 該考慮時僅當作集中參數來處理 ； (6)、 沒有改變油泵的排量時 ,油泵的供油量恒定不變 ； (7)、 油液中壓力波的傳遞時間忽略不計 。 液壓沖擊器是由活塞、配流閥和蓄能器等組成的一個運動系統而活塞是動作的關鍵部件，因此探討活塞運動規(guī)律、建立沖擊器的理論模型是十分有意義的，這是設計液壓振動的理論基礎 ]1[ 。 本運動方程 根據運動體的動力平衡 、 流量平衡 (即液體連續(xù)性原理 )及氣體狀態(tài)方程 ， 可以列出描述沖擊機構三大運動體聯合運動的基本微分方程組 ， 即液壓沖擊器的數學模型 ， 主要由如下四組類型的物理方程式組成 ： 1、 活塞 、 閥芯 、 回油管油柱的動力平衡方程式 活塞的動力平衡方程式 ]11[ ： y p' )+y'P ,+FG(MP +P ( , ) , (3－ 1) 式中 y p' )—— 活塞的慣性力 ， N ： y'P ,—— 活塞所受的摩擦阻力 ， N； FG(— 密封處的滑動摩擦力 , N； — 活塞質量 ， g—— 重力加速度 ， m/ ? —— 活塞軸線與水平方向的夾角 ， 度 ； 氮氣室壓力 ， 氮氣室與活塞接觸面面積 ， 4/21?D ； , )—— 活塞的主動油壓用力 ， N； y'P ， y p' —— 活塞運動的速度 、 加速度 ， m/s、 m/ ， —— 工作缸對應的壓力差 ， —— 活塞的有效作用面積 ， 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 閥芯的動力平衡方程式 ]11[ ： y'V)+y'V,+ y'V,y'P ,=A?, , (3－ 2) 式中 y'V)—— 閥芯的慣性力 ， N； y'V,—— 閥芯所受的粘性摩 擦阻力 ， N； y'V,y'P ,—— 閥的液動力 (包括穩(wěn)態(tài)液動力和瞬態(tài)液動力 )， N； A?,—— 閥芯所受的主動油壓作用力 ， N； y'V， y'V—— 閥芯的運動速度 、 加速度 ， m/s、 m/ — 配油閥的壓力差 ， — 閥芯的有效作用面積 ， 回油管油柱的動力平衡方程式 ： y'0)+y'0)=0,0p?) (3－ 3) 式中 y'0)—— 回油管油柱的慣性力 ， N； y'0)—— 回油管油柱粘性 摩擦 力 ， N； 0,0p?)—— 回油管油柱的主動油壓作用力 ， N； y'0、 y'0—— 回油管油柱的速度 、 加速度 ， m/s、 m/ 0p?—— 回油管油柱的壓力差 ， 回油管油柱的有效作用面積 ， 2、 區(qū)段流量平衡方程 ]11[ 工作缸進油側 (活塞 !閥芯同時運動時 ) y'P ， ， v)= y'P )? 'h)+y'v) (3－ 4) 式 (3－ 4)是高壓蓄能器體積變化率的一階微分方程 ， 對時間進行積分 ， 可得氣室的體積變化量 ， 即 ： － 5) 工作缸回油側 (活塞 、 閥芯同時運動時 ) Q1(y'P ， ， v)+Q2(y'P )+y'P )=Q5(y'0)? '1 ) (3－ 6) 同樣可得 ： 1V? = A 2,1 Av y (3－ 7) 式中 Q 油泵的恒值供油量 ， s； Q1(y'P ， ， v) —— 工作缸 、 控制閥的總泄漏油流量 ， s； Q2(y'P )、 Q4 y'P )—— 工作缸 、 控制閥液腔的進 、 排油流量 ， s ； ? V'h )， ? '1 )—— 高 、 低壓蓄能器的進 、 排油流量 ， 進油為負 ， 排油為下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 正 ， s ； Q5(y'0)—— 回油管的排油量 ， s ； — 高壓蓄能器的氣室容積變化量 , 1V? —— 低壓蓄能器的氣室容積變化量 ， 3、 高 、 低壓蓄 能器和氮氣室的氣體狀態(tài)方程 ]11[ 高壓蓄能器 ： h(常量 ) (3－ 8) 低壓蓄能器 ： 1 (常量 ) (3－ 9) 氮氣室 ： N(常量 ) (3－ 10) 式中 低壓蓄能器及氮氣室的初始充氣壓力 ， 0 低壓蓄能器及氮氣室的初始充氣容積 ， 4、 區(qū)段壓力平衡方程 ]11[ 活塞工作腔油壓 ： =p1,h ?,2,1,h ?y2'p ? ?－ 11) 配油閥變壓腔油壓 ： =,1 ?(3－ 12) 式中 閥回油腔油壓 ， 別為蓄能器 、 工作缸進 、 排油道 、 閥液控油道所對應的阻力系數 ， I=1~8； ? — 閥開口量變化所引起的附加壓差 ， 以上四組方程較全面地描述了沖擊器內部的運動規(guī)律 ， 方程中的各個量在沖擊器的各種不同運動中有不同的計算表達式 。 擊器內腔直徑及活塞桿直徑的初算 ]13[ 如圖所示，為沖擊器的活塞部分結構簡圖，該圖中主要有進口壓力 口壓力 載荷 擊器內腔直徑 D、活塞桿直徑 d、活塞桿運動速度 v，其中進口壓力即為系統工作壓力 25口壓力即為系統背壓 載荷包括工 圖 3－ 3 沖擊器活塞結構簡圖 作載荷 導軌摩擦載荷 性載荷 系統中工作載荷即為沖擊器的推力下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 50－ 60 導軌摩擦載荷： (G+ （ 3－ 13） 式中 G—— 運動部件所受的重力，取 10 與導軌平行，即 ； 取摩擦系數 ，所以 10=2 慣性載荷： Fa=a （ 3－ 14） 式中 a 為活塞桿運動的加速度，為了計算可以看作活塞在沖擊過程中為勻加速運動，沖程 s=10擊頻率為 2000－ 2200次 /分，所以每完成一次沖擊過程所需的時間 t=1/s=60/2200=完成每次沖程的時間為 ??t s= 2/1 ， a=所以 ?? 即 以在活塞沖擊的四個過程即沖擊加速、制動、靜止、回程加速中，它們的受力情況分別為： 沖擊加速 g+a= 制動 g+ 靜止 f= 回程加速 g+a=結構圖可看作是雙作用液壓缸，它的受力公式為： ( （ 3－ 15） 式中： 為載荷， 72.8 A—— 活塞有效作用面積， A=4?(； 進油口壓力， 25 油口壓力， 所以 A=代入數值求得： A=3615取 d=50入上述面積公式求得 D= D=86 擊器流量及儲油量的計算 ]13[ 沖擊器活塞的實際作用面積： A=4?（ （ 3－ 16） 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 把數值代公式中，可以計算出： A= 沖擊器的流量： q= （ 3－ 17） 由于活塞在沖擊過程中的時間非常短，可以看作該過程為勻速運動，即v=s/ t? =s，所以，代入公式可知： 流量 q=s。 圖 3－ 4 沖擊器內腔圖 如圖 3－ 4所示，沖擊器內腔由三部分組成，直徑為別為 D=8602=92塞桿直徑 d=50度分別由 6288=188 23成，這三部分的容積分別為： ?(? (3+8)= ?( ? (5)= ?( ? (7)= 儲油量 V=2+章小結 本章通過對液壓動力裝置的分析與設計，初步了解了液壓振動沖擊器的幾種形式及其工作原理，通過對它們優(yōu)缺點的分析對液壓沖擊器進行選型設計，本課題中液壓沖的選取應考慮其沖擊頻率與沖擊功，最終選取配流式液壓沖擊器。并且對主要參數進行計算。 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 第 4 章 錨桿鉆機的液壓系統原理設計分析 體液壓原理圖 如圖 4－ 1所示： 圖 4－ 1 錨桿鉆機液壓原理圖 該原理圖主要由四部分組成：動力源、液壓控制元件液壓執(zhí)行元件和液壓管線及其輔助部分。其中動力源主要是液壓泵，其中包括雙聯泵、輔助泵及散熱器所用的齒 輪泵；液壓控制元件有三塊多路閥塊組成，它們分別為六聯多路閥（兩塊）、四聯閥塊（一個）；由于錨桿鉆機在作業(yè)過程中是支腿先支出，調整平穩(wěn)后，變幅和變角油缸共同調節(jié)使桅桿處于最佳工作位置，然后才開始鉆進，在鉆進過程中只有液壓沖擊器、動力頭馬達（兩個）和加壓馬達四個元件在鉆進過程中共同作用，所以多路閥塊插裝電磁閥以降低控制的復雜性，使液壓原理進一步簡化；液壓執(zhí)行元件由以下幾部分組成，它們分別為動力頭馬達、沖擊器、動力頭加壓馬達、裝卸鉆桿油缸、主臂伸縮油缸（兩個）、夾緊機構油缸（兩個）、夾緊機構旋轉馬達、桅桿水平調整 油缸即變角油缸（兩個）、桅桿擺動油缸及變幅油缸以及支腿油缸（四個）；液壓管線及其輔助部分主要有吸油和回油管線以及濾油器、散熱器等。 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 下圖即為鉆機內部管線布置圖 圖 4機內部 管線布置圖 理圖的各部分原理分析及執(zhí)行元件的選取 力頭部分 力頭馬達 如圖所示，該圖為動力頭部分液壓原理圖，由平衡閥、變量馬達和液壓減速機組成。圖中油口 主油路換向閥相接，油口 S 與油箱連接，殼體泄油與馬達變量油缸泄油均流入油箱。 它的工作原理為： 液壓油通過換向閥流出后通過 流入動力頭平衡閥，流出后分流入動力頭馬達 1 和 2 中，因為這兩個馬達分別控制鉆機的內外層鉆桿同時鉆進，該部分平衡閥的作用主要是過載保護，其原理為當動力頭出現卡鉆或其它故障引起管道內部壓力過大，此時系統繼續(xù)供油 ，如不及時泄出會有安全隱患。 當壓力達到溢流閥的挑頂壓力后，溢流閥打開，液壓油就通過溢流閥經 力頭馬達為變量馬達采用林得系列減速機對其進行調速，其調速過程為，油平衡法流出的高壓油在馬達進口處分流，大部分流入馬達，而另 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 圖 4－ 3 動力頭驅動馬達 圖 4力頭驅動馬達原理圖 一部分在節(jié)流閥后繼續(xù)分流，一路通過三通、溢流閥流入油箱；另一路經節(jié)流閥后繼續(xù)分流，一路經減壓閥形成馬達變量油缸的動力油，此路液壓油的通路為：控制油經減壓閥后流經兩位兩通換向閥，該閥為電液共同控制、彈簧復位，其中液控為減速機內部控制，電磁控制為強制控制，即可實現人為控制。控制油從兩位兩通換向閥流出后經節(jié)流閥流入馬達變量油缸，從而推動該油缸活塞的往復運動來實現對變量馬達的控制，節(jié)流閥主要器系統穩(wěn)定作用，防止流量的急劇變化而引起馬達變量油缸活塞的快速運 動，從而使馬達轉速劇烈變化，引起鉆機的不穩(wěn)定或鉆頭轉矩的急劇變大或變小，損壞元件。主油路換向閥的另一位工作，動力頭的控制過程與該位共中是相同的。 由該鉆機的轉矩、系統壓力、鉆頭轉速及外形尺寸的限制最終選取依頓馬達，具體型號為盤配流馬達 4000 系列。 壓馬達 動力頭在鉆進過程中沿桅桿上下移動，從而實現鉆機的鉆進和裝卸鉆桿，為了有效地實現鉆進和換鉆桿，必須在動力頭處施加可以往復運動的力，該力沿桅桿向下，是對動力頭施加壓力，有效地實現鉆進；沿桅桿向上，式提升動力頭，實現裝卸鉆桿。該力的實現可以有 多種形式，可以通過起升油缸帶動鋼絲繩沿桅桿上部的滑輪的移動來實現；通過馬達帶動滾筒轉動，滾筒轉動帶動鋼絲繩沿桅桿上部的滑輪上下移動來實現；通過馬達帶動鏈輪轉動，鏈輪的轉動帶動帶動鏈沿桅桿上下移動來實現；通過馬 達與齒輪軸向連接，馬達與齒輪同時轉動， 在齒條上移動來實現。該方式可以充分的體現齒輪傳動的優(yōu)點，即傳動平穩(wěn)、準確用容易實現控制，但其缺點是有噪音。通過多方因素的對比，最終選取馬達馬達帶動齒輪、齒條嚙合的方式。該部 分馬達應帶有自動鎖死功能，以防止在換鉆桿過 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 圖 4－ 5 加壓馬達 圖 4－ 6 加壓馬達原理圖 程中發(fā)生危險事故。如圖所示，自動鎖死功能是通過一個單作用油缸作用在變量馬達上來實現的，同樣安裝安全閥起到過載保護的作用。它的原理為：通過換向閥流出的高壓油通過 P 口流入平衡法塊，在其內部分流，一路進入馬達形成馬達的動力油，另一路通過梭閥形成控制油進入單作用油缸，此路液壓油克服油缸內彈簧的阻力使活塞桿縮回，即解除該變量馬達的自鎖，在馬達動力油的作用下式馬達旋轉，實現動力頭的加壓或上提的功能，油路通過 T 時原理相同。 緊機構部分 圖 4－ 7 夾緊機構 圖 4－ 8 夾緊機構原理圖 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 為實現錨桿鉆機的鉆深在 100 米左右，必須用換鉆桿的方式來實現，在換鉆桿過程中夾緊機構是比可少的，在前面的二章的方案對比中已經選取了夾緊機構， 它的液壓原理圖如圖 4－ 8，圖中元件從左到右依次為：夾緊機構油缸 1、夾緊機構油缸 2、夾緊機構轉動馬達，與之相連的是多聯換向閥，內部采用 H 型閥芯的電 磁換向閥，旋轉馬達帶有自鎖功能，采用行程開關控制其旋轉角度，實現動力頭在工作位置和閑置位置的轉動。它的工作原理為：油泵流出的液壓油通過流入多聯換向閥，在該閥塊內通過控制與馬達相連的電磁換向閥使夾緊機構轉到工作位置，該馬達的自鎖功能也是通過一個單作用油缸控制一個變量馬達來實現的。它的具體實現過程為液壓油在梭閥口處分流，一路為變量馬達的動力油，流入變量馬達；另一路通過梭閥形成馬達控制油缸的動力油，克服彈簧阻力使單作用油缸活塞桿縮回，進而解除馬達的自鎖，在動力油的作用下馬達轉動。然后控制夾緊油缸換向閥，使夾 緊油缸動作，實現夾緊功能。 作用平衡閥 圖 4－ 9 平衡閥原理圖 圖 4－ 10 平衡閥 在本液壓系統的很多部分都用到了平衡閥，圖示為它的原理圖，圖中 A 和 P 和 T 為平衡閥的出口。主要起到也壓縮和過載保護的功能。液壓鎖功能：當系統停止對 A、 B 口供油時，由外力作用使 P、 T 口產生的壓力低于圖中溢流閥的挑頂壓力，液壓油就不會從 P， T 口流回，即起到液壓鎖的功能；過載保護功能：當外 力過大或急劇變化使得 P、 T 口壓力急劇增 大時，油液不能通過單向閥，當壓力大于單向閥的調定壓力時，平衡閥內部的溢流閥溢流，液壓油通過 A 口或 B 口流回油箱，即起到了過載保護的功能。 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 腿部分 圖 4腿換向閥 圖 4－ 12 支腿油缸及換向閥原理圖 錨桿鉆機的作業(yè)環(huán)境大多為護外邊坡和礦井巷道，這些地方的地理為真少是平坦的，因此要保證鉆機的正常作業(yè)必須要利用支腿來實現鉆機在鉆進過程中車體的平穩(wěn)，同樣在支腿油缸上加平衡閥，該部分平衡閥的主要功能為液壓鎖緊功能。該部分的換向閥采用力士樂公司的 差裝多路閥， 插裝三位五通電磁換向閥，能夠實現自動泄油功能，液壓油通過 P 口流入多路閥，在閥塊中各電磁閥均處于中位時，油液通過兩位兩通電磁換向閥的上位即通路經 T 口返回油箱；當電磁換向閥的上位或下位工作時進油路的一部分液壓油通過梭閥作用于兩位兩通換向閥，使其下位工作，即自動泄油回路斷開，保證該部分液壓系統的正常工作，圖中的兩個溢流閥均起到過載保護的功能。 章小結 液壓原理圖是錨桿鉆機液壓系統必不可少的一部分，本章通過對錨桿鉆機液壓原理圖的分析，介紹了鉆機液壓系統的主要執(zhí)行元件： 動力頭馬達、沖擊器、動 力頭加壓馬達、裝卸鉆桿油缸、主臂伸縮油缸（兩個）、夾緊機構油缸（兩個）、夾緊機構旋轉馬達、桅桿水平調整油缸即變角油缸（兩個）、桅桿擺動油缸及變幅油缸以及支腿油缸（四個）。具體介紹了動力頭馬達、加壓馬達、夾緊機構、雙作用平衡閥及支腿多路閥的工作原理。 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 第５章 液壓系統配件計算與選取 力頭加壓馬達 在前面的第 3章中已經對動力頭馬達進行了選取，在此不再重復，下面進行動力頭加壓馬達的計算與選取。 1、馬達轉矩的計算 ]13[ 由于動力頭加壓采用齒輪、齒條的傳動 形式，馬達驅動齒輪轉動，所以馬達的轉矩 T 計算公式為： T＝ F?2F 為加壓力即推力 50 F=60d 為齒輪分度圓直徑， d==60? 103 ? 10 3? ? 、馬達的選取 由齒輪、齒條傳動所需的轉矩及系統工作壓力 25終選取林德公司的 02 系列馬達，其型號為 主要參數為 流量 105r； (s) 轉速 1500 穩(wěn)定壓力 25 功率 94 重量 33臂伸縮油缸 1、油缸載荷計算 ]13[ 由于該油缸內置于主臂內部，所以油缸的載荷主要是主臂兩部分之間的摩擦力和主臂以前的部分的重力分量，經分析當主臂與地面的傾角為 450 時，載荷最大，其值為： F=45+ 045 式中 m 為桅桿、主臂 2 及其連接部分的質量， 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 ? 摩擦系數， g 重力加速度， 10m/代入數值求得 F=、油缸的主要結構尺寸 活塞直徑 D= ? ?)1(2142?? ?? （ 5－ 1） 式中 F —— 活塞外載荷， 1—— 系統壓力 252—— 系統背壓 —— 活塞直徑與活塞桿直徑的比， 入數值求得 D=156 活塞桿直徑 d=156=、 油缸的選取 通過活塞直徑、系統壓力及推力選取 冶金設備標準液壓