液壓鑿巖機(jī)的分析與設(shè)計(jì)【含CAD圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計(jì)論文】

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液壓系統(tǒng)自世紀(jì)問世以來發(fā)展很快，在工作中的廣泛適應(yīng)性，使其在國民經(jīng)濟(jì)各部門獲得了廣泛的應(yīng)用。由于液壓缸在結(jié)構(gòu)方面，功能方面，已經(jīng)比較成熟，目前國內(nèi)外液壓缸的發(fā)展不僅體現(xiàn)在控制系統(tǒng)方面，也主要表現(xiàn)在高速化、高效化、低能耗；機(jī)電液一體化，以充分合 理利用機(jī)械和電子的先進(jìn)技術(shù)促進(jìn)整個(gè)液壓系統(tǒng)的完善；自動(dòng)化、智能化，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)診斷和調(diào)整，具有故障預(yù)處理功能；液壓元件集成化、標(biāo)準(zhǔn)化，以有效防止泄露和污染等四個(gè)方面。作為液壓缸兩大組成部分的控制元件和執(zhí)行元件，由于技術(shù)發(fā)展趨于成熟，國無較大差距，主要差別在于加工工藝和安裝方面。良好的工藝使液壓缸在過濾、冷卻及防止沖擊和振動(dòng)方面，有較明顯改善。在油路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)外液壓缸都趨向于集成化、封閉式設(shè)計(jì)，插裝閥、疊加閥和復(fù)合化元件及其本身在液壓系統(tǒng)中得到較廣泛的應(yīng)用作為現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)與控制的重要技術(shù)手 段，液壓技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與其他傳動(dòng)控制技術(shù)相比，液壓技術(shù)具有能量密度高﹑配置靈活方便﹑調(diào)速范圍大﹑工作平穩(wěn)且快速性好﹑易于控制并過載保護(hù)﹑易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和機(jī)電體化整合﹑系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造和使用維護(hù)方便等多種顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因而使其成為現(xiàn)代機(jī)械工程的基本技術(shù)構(gòu)成和現(xiàn)代控制工程的基本技術(shù)要素。智能液壓鑿巖機(jī)是加工各種礦山開采的主要設(shè)備，適用于各類礦山開采廠的礦山開采的加工，如下料、開孔、開槽、拉伸等。本文根據(jù)智能液壓鑿巖機(jī)的用途﹑特點(diǎn)和要求，利用液壓傳動(dòng)的基本原理，擬定出合理的液壓系統(tǒng)圖，再經(jīng)過 必要的計(jì)算來確定液壓系統(tǒng)的參數(shù)，然后按照這些參數(shù)來選用液壓元件的規(guī)格和進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。智能液壓鑿巖機(jī)的液壓系統(tǒng)呈長方形布置，外形新穎美觀，動(dòng)力系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、動(dòng)作靈敏可靠。該機(jī)并設(shè)有腳踏開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)工藝動(dòng)作的循環(huán)。液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)稱為流體傳動(dòng)，是根據(jù) 17 世紀(jì)帕斯卡提出的液體靜壓力傳動(dòng)原理而發(fā)展起體傳動(dòng)技術(shù)水平的高低已成為一個(gè)國家工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。 由此可見，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，液壓技術(shù)將獲得進(jìn)一步發(fā)展，在各種機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用將更加廣泛。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提 要求也進(jìn)一步提高，因此礦山開采設(shè)備的需求量也逐年增加，由于天然礦山開采的不規(guī)則性和礦山開采資源的有限性使用使得礦山開采的合理使用方法 —— 礦山開采液壓式鑿巖機(jī)得到迅速的發(fā)展，并通過中控系統(tǒng)來控制整個(gè)礦山開采機(jī)械的動(dòng)作，使礦山開采的加工得到自動(dòng)化的水平。因此液壓鑿巖機(jī)的需求量也大量增加，國內(nèi)外各種高性能的液壓鑿巖機(jī)種類很多，但是價(jià)格也極為昂貴。 關(guān)鍵詞： 礦石 礦山開采設(shè)備 液壓技術(shù) 液壓鑿巖機(jī) 學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 2 is a to do to a to or It in to in to in is of of it to on of of is to a by of to it of in in to in to in of of is 8H7 In of to of to of of in to is to of of as a by of to is to as a to be by in a of as of as a of to of a of of by in of of of to in of of of be or X 大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 3 a in by so in to in an so as to of to of of in a In a at in to a of be be by of of X 大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 4 目 錄 1 緒論 ...........................................................................................................................................題的來源與研究的目的與意義 ...........................................................................壓鑿巖機(jī)的應(yīng)用 .....................................................................................................壓鑿巖機(jī)的組成 .....................................................................................................壓鑿巖機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 ...........................................................................................壓鑿巖機(jī)的分類 .................................................................................................... 液壓鑿巖機(jī)的總體結(jié)構(gòu)分析 .............................................................................................. 壓鑿巖機(jī)的基本結(jié)構(gòu) .......................................................................................... 壓鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型 ......................................................................... 壓鑿巖機(jī)的沖擊工作原理 .................................................................................. 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .................................................................................................................... 壓沖擊機(jī)構(gòu)控制原理 ........................................................................................... 塞系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ........................................................................................................ 流閥 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ....................................................................................................配流閥設(shè)計(jì)的基本要求 ....................................................................................能器的設(shè)計(jì) ..............................................................................................................塞防空打裝置的設(shè)計(jì) ........................................................................................... 擬定液壓系統(tǒng)圖 .......................................................................................................................擇液壓基本回路 ........................................................................................................ 液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算 ...............................................................................................................壓系統(tǒng)的壓力損失計(jì)算 ............................................................................................壓系統(tǒng)的熱量溫升計(jì)算 ............................................................................................論 .............................................................................................................................................考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................謝 .............................................................................................................................................X 大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 5 1 緒論 題的來源及研究的目的和意義 液壓鑿巖機(jī)作為礦山開采的不可或缺的機(jī)械設(shè)備，在當(dāng)代機(jī)械工業(yè)占據(jù)著非 常重要的地方，隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，礦山開采設(shè)備也在不斷地發(fā)展。 液壓鑿巖機(jī)首先是從美國開始研制的。 1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)液壓鑿巖機(jī)。日本是液壓鑿巖機(jī)發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自 1969 年從美國引進(jìn)二種典型液壓鑿巖機(jī)后，大力研究液壓鑿巖機(jī)的研究。據(jù)報(bào)道， 1976 年從事液壓鑿巖機(jī)的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá) 50 多個(gè)。 1979 年 120 多個(gè)大學(xué)和國家研究部門用在液壓鑿巖機(jī)的研究費(fèi)用 42%。 1979 年日本液壓鑿巖機(jī)的產(chǎn)值達(dá) 443 億日元，產(chǎn)量為 14535 臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá) 222 億日元，是 1978年的二倍。具有記憶功能的液壓鑿巖機(jī)產(chǎn)值約為 67 億日元，比 1978 年增長 50%。智能液壓鑿巖機(jī)約為 17 億日元，為 1978 年的 6 倍。截止 1979 年，液壓鑿巖機(jī)累計(jì)產(chǎn)量達(dá) 56900 臺(tái)。在數(shù)量上已占世界首位，約占 70%，并以每年 50%～ 60%的速度增長。使用液壓鑿巖機(jī)最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到 1990 年將有 55 萬液壓鑿巖機(jī)投入到礦山開采行業(yè)工作。 第三代液壓鑿巖機(jī)則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) 柔性制造單元 (重要一環(huán)。 隨著液壓鑿巖機(jī)的研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開展很多。當(dāng)代科技發(fā)展越來越迅猛，工業(yè)的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)大與否有著直接關(guān)系，所以迫切需要不斷地研發(fā)出新型的適合多種類型的礦山開采加工設(shè)備。 壓鑿巖機(jī)的應(yīng)用 液壓鑿巖機(jī) 的運(yùn)用在 礦山開采 領(lǐng)域十分的廣泛，所以 礦山開采 技術(shù)也越發(fā)的需要改革進(jìn)步。傳統(tǒng) 礦山開采 方法：采用鑿子和鏨子等工具進(jìn)行 剝落和研磨方式來進(jìn)行，這是老一套的做法。但是，這種傳統(tǒng)方法由于粉塵和勞動(dòng)強(qiáng)度過大、工效太低、尺寸精度和表面質(zhì)量很差而逐漸的被淘汰了。目前中國陸續(xù)研制出了各種專用的 礦山開采設(shè)備，如 采煤機(jī) 、 液壓鑿巖機(jī) 、 掘進(jìn)機(jī) 、 礦車等， 它們的工作效率大大超過手工加工，還實(shí)現(xiàn)了 礦山開采 的工業(yè)化批量生產(chǎn)。 學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 6 壓鑿巖機(jī)的組成 液壓鑿巖機(jī)主要由沖擊機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、釬尾反彈吸收裝置組成。沖擊機(jī)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)向與封閉裝置等組成。在設(shè)計(jì)沖擊機(jī)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，確定采用單面回油前腔常壓油型，還是采用雙面回油型液壓鑿巖機(jī)。雙面回油型的主要優(yōu)點(diǎn)是：活塞形狀最為合理，有利于提高活塞與釬具的壽命，增強(qiáng)破巖效果；排油時(shí)間長，回油管中峰值流量較小，減少了回油阻力和壓力脈動(dòng)；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(diǎn)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(dòng)階段前腔可能有吸空現(xiàn)象；采用高壓油需要加強(qiáng)密封。故只有加工設(shè)備與技術(shù)等個(gè)方面能夠保證，此方案才可行。前腔常壓油型的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、制造成本低、回程制動(dòng)階段無吸空現(xiàn) 象。缺點(diǎn)是：活塞形狀不如雙面回油型好、排油時(shí)間較短、回油管中峰值流量大、回油阻力和壓力波動(dòng)較大（此缺點(diǎn)可用回油蓄能器來減少其影響）。以上分析可知采用單面回油前腔常壓油型較好。液壓鑿巖機(jī)的換向閥有多種多樣的形式，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。 壓鑿巖機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 20 世紀(jì) 20 年代，英國人多爾曼在斯塔福德制造出第一臺(tái)液壓鑿巖機(jī)。大約 40 年之后，另一位英國人薩特立夫也制成了一臺(tái)液壓鑿巖機(jī)。不久，美國 司根據(jù)尤布科斯專利制成了 型液壓鑿巖機(jī)。以上幾種液壓鑿巖機(jī)都因一些關(guān)鍵的技術(shù)問題沒能很好地解決，所以未能在生產(chǎn)中得到推廣應(yīng)用。 1970 年，法國蒙塔貝特（ 司首先研制成功第一代可用于生產(chǎn)的 液壓鑿巖機(jī)，開始在世界范圍內(nèi)應(yīng)用液壓鑿巖設(shè)備。由于液壓鑿巖機(jī)和氣動(dòng)鑿巖機(jī)相比具有明顯的優(yōu)越性，瑞典、英國、美國、德國、芬蘭、奧地利、瑞士和日本等國陸續(xù)研制出各種型號(hào)的液壓鑿巖機(jī)，使液壓鑿巖機(jī)技術(shù)和生產(chǎn)在 30 多年間有了很大發(fā)展。目前在國外，液壓鑿巖機(jī)已經(jīng)成為導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)產(chǎn)品的主流。 90 年代先進(jìn)國家的巖石開挖工程采用的液壓鑿 巖設(shè)備占鑿巖設(shè)備總量的 80%以上。其中瑞典 芬蘭 國 公司的液壓鑿巖機(jī)及配套產(chǎn)品在世界上具有代表性。前兩者的液壓鑿巖設(shè)備銷售量占世界銷售總量的一半以上。目前國外的液壓鑿巖機(jī)正向重型、大功率和自動(dòng)化方向發(fā)展超重型大功率液壓鑿巖機(jī)已能鉆鑿直徑 180學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 7 毫米的炮孔，鑿巖速度是牙輪或潛孔鉆機(jī)的 2，而能耗僅為潛孔鉆機(jī)的 1/4。我國開展液壓沖擊機(jī)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(shí)我國液壓技術(shù)發(fā)展較慢，液壓鑿巖機(jī)與液壓碎石機(jī)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(jìn)和自行開發(fā)相結(jié)合的道路，在突破了試驗(yàn)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(tái) 80 型液壓鑿巖機(jī)，不久以后，由中南工業(yè)大學(xué)研制的 京科技大學(xué)研制的 5000 型液壓碎石機(jī)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(duì)外開放政策的深入和科學(xué)技術(shù)的長足進(jìn)步，液壓沖擊機(jī)械這個(gè)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(hào)的液壓鑿巖機(jī)和液壓碎石機(jī)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。 壓鑿巖機(jī)的分類 液壓鑿巖機(jī)的種類繁多，主要分為以下幾個(gè)類型： 風(fēng)動(dòng)式 風(fēng)動(dòng)式以壓縮空氣驅(qū)使活塞在氣缸中向前沖擊 ，使鋼釬鑿擊巖石，應(yīng)用最廣。 電動(dòng)式 電動(dòng)式由電動(dòng)機(jī)通過 曲柄連桿機(jī)構(gòu) 帶動(dòng)錘頭沖擊鋼釬，鑿擊巖石。并利用排粉機(jī)構(gòu)排出石屑，內(nèi)燃式利用內(nèi)燃機(jī)原理，通過汽油的燃爆力驅(qū)使活塞沖擊鋼釬，鑿擊巖石。適用于無電源、無氣源的施工場(chǎng)地。 液壓式 液壓式依靠液壓通過惰性氣體和沖擊體沖擊鋼釬，鑿擊巖石。這些鑿巖機(jī)的沖擊機(jī)構(gòu)在回程時(shí)，由轉(zhuǎn)釬機(jī)構(gòu)強(qiáng)迫鋼釬轉(zhuǎn)動(dòng)角度，使 釬頭 改變位置繼續(xù)鑿擊巖石。通學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 8 過柴油的燃爆力驅(qū)使活塞沖擊鋼釬，如此不斷地沖擊和旋轉(zhuǎn)，并利用排粉機(jī)構(gòu)排出石屑，即可鑿成炮孔。 內(nèi)燃式 內(nèi)燃鑿巖機(jī)不用更換機(jī)頭內(nèi)部零件，只需按要求搬動(dòng) 手柄 ，即可作業(yè)。具有操作方便，更加省時(shí)，省力，具有鑿速 快、效率高等特點(diǎn)。在巖石上鑿孔，可垂直向下、水平向上小于 45°垂直向下最深鉆孔達(dá)六米。無論在高山、平地，無論在 40°的酷熱或零下 40°的 嚴(yán)寒地區(qū) 均可進(jìn)行工作，本機(jī)具有廣泛的適應(yīng)性。 內(nèi)燃鑿巖機(jī)具有礦山開采鑿孔、建筑施工、水泥路面、柏油路面等各種劈裂、破碎、搗實(shí)、鏟鑿等功能，廣泛用于礦山、建筑，消防，地質(zhì)勘探，筑路，采石， 建筑，國防工程等。 2 液壓鑿巖機(jī)的總體結(jié)構(gòu)分析 壓鑿巖機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 液壓鑿巖機(jī)主要由沖擊機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、供水排粉裝置及防塵系統(tǒng)等部分組成， 其鑿巖作業(yè)是沖擊、回轉(zhuǎn)、推進(jìn)與巖孔沖洗功能的綜合。目前各生產(chǎn)廠家的液壓鑿巖 機(jī)結(jié)構(gòu)都不盡相同，各有自己的特點(diǎn)。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(shí)釬桿卡在巖孔內(nèi)拔不出來，國外有幾種新型液壓鑿巖機(jī)在供水裝置前面還 設(shè)有反沖裝置。 其總體方案圖結(jié)構(gòu)圖如下： 學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 9 液壓鑿巖機(jī)總體方案結(jié)構(gòu)圖 壓鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型 液壓鑿巖機(jī)按其沖擊機(jī)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(hào)見表 2學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 10 壓鑿巖機(jī)的沖擊工作原理 液壓鑿巖機(jī)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(jī)構(gòu) 的配油方式?jīng)Q定的。（ 1）前腔回油后腔常壓型液壓鑿巖機(jī)沖擊工作原理此型液壓鑿巖機(jī)是通過改變前腔的供油和回油來實(shí)現(xiàn)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的，有套閥式和芯閥式兩種。圖 2套閥處于左端位置時(shí)，高壓油進(jìn)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(yuǎn)大于后端作用力，故活塞開始作回程運(yùn)動(dòng) (圖 2當(dāng)活塞回程到一定位置時(shí)，使推閥腔 切斷，與回油腔 閥腔 是套閥作回程換向并向右快速運(yùn)動(dòng)，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(dòng)運(yùn)行狀態(tài) (圖 2當(dāng)活塞回程速度為零即到達(dá)回程終點(diǎn)時(shí)，活塞在后端作用力的作用下開始作沖程運(yùn)動(dòng) (圖 2當(dāng)活塞在沖程中離沖擊點(diǎn)還有一定距離時(shí)，推閥腔 相通，套閥進(jìn)行沖程換向，在此過程中，活塞高速?zèng)_擊釬尾 (2與此同時(shí)，沖程換向完畢，活塞前腔進(jìn)入高壓油，又開始作下一次循環(huán)的回程運(yùn)動(dòng)。 3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 壓沖擊機(jī)構(gòu)控制原理 學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 11 沖擊工作原理主要是由沖擊機(jī)構(gòu)的配油方式?jīng)Q定的。（ 1）前腔回油后腔常壓型液壓鑿巖機(jī)沖擊工作原理此型液壓鑿巖機(jī)是通過改變前腔的供油和回油來實(shí)現(xiàn)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的，有套閥式和芯閥式兩種。圖 2套閥處于左端位置時(shí)，高壓油進(jìn)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(yuǎn)大于后端作用力，故活塞開始作回程運(yùn)動(dòng) (圖 2當(dāng)活塞回程到一定位置時(shí)，使推閥腔 切斷，與回油腔 閥腔 是套閥作回程換向并向右快速運(yùn)動(dòng)，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(dòng)運(yùn)行狀態(tài) (圖 2當(dāng)活塞回程速度為零即到達(dá)回程終點(diǎn)時(shí)，活塞在后端作用力的作用下開始作沖程運(yùn)動(dòng) (圖 2當(dāng)活塞在沖程中離沖擊點(diǎn)還有一定距離時(shí)，推閥腔 相通，套閥進(jìn)行沖程換向，在此過程中，活塞高速?zèng)_擊釬尾 (2與此同時(shí)，沖程換向完畢，活塞前腔進(jìn)入高壓油，又開始作下一次循環(huán)的回程運(yùn)動(dòng)。其中液壓控制原理簡圖如下圖所示： 液壓沖 擊機(jī)構(gòu)簡化后的結(jié)構(gòu)模型示意圖。它主要由活塞、缸體、高壓蓄能器、換向閥以及連接它們的油路組成。上部是活塞，下部是換向閥。在一個(gè)工作周期內(nèi)，活塞和換向閥的各腔壓力是交替變化的。沖擊機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)包括四個(gè)部分： 1）沖程加速：沖程開始閥芯位于左端，活塞位于右端，高壓油經(jīng)油路 1進(jìn)入缸體 后腔，推動(dòng)活塞向左做加速運(yùn)動(dòng)。 2）沖程換向：活塞向左加速運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置，打開沖程換向信號(hào)孔 M，高壓油經(jīng) 學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 12 推閥油路 2進(jìn)入配向閥左定位腔，推動(dòng)閥芯向右做沖程換向，配向閥右控制腔中的液壓油精推閥油路 3進(jìn)入活塞中間腔，經(jīng)回油 通道 4返回油箱，為回程運(yùn)動(dòng)做準(zhǔn)備，與此同時(shí)，活塞打擊釬尾。 3）回程加速：完成沖程瞬間，活塞進(jìn)入回程運(yùn)動(dòng)，高壓油經(jīng)進(jìn)油路 5進(jìn)入缸體前腔，推動(dòng)活塞做回程加速運(yùn)動(dòng)。 4)回程換向：活塞向右做回程加速運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置，回程換向信號(hào)孔 壓油精推閥油路 3進(jìn)入配向閥右定位腔推動(dòng)閥芯回程換向，配向閥做控制腔中的液壓油經(jīng)推閥油路 2、活塞中間腔和回油通道 4返回油箱，閥芯運(yùn)動(dòng)到左端，為下一循環(huán)做好準(zhǔn)備。 其中線性模型研究對(duì)液壓沖擊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)作了必要的簡化和假設(shè)，認(rèn)為活塞的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期可分為回程加速、回程制動(dòng)和沖 程加速三個(gè)運(yùn)動(dòng)階段，在這幾個(gè)階段內(nèi)，利用活塞運(yùn)動(dòng)的二段分析和三段分析法進(jìn)行液壓沖擊機(jī)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)，不僅能很快得出明確的解析表達(dá)式，而且能很方便地進(jìn)行沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。液壓鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)的活塞結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)是緊密相關(guān)的，當(dāng)確定一組性能參數(shù)時(shí)，會(huì)得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 令活塞沖程加速時(shí)間與活塞運(yùn)動(dòng)周期之比為α，即：中α被稱為沖程時(shí)間比或運(yùn)動(dòng)學(xué)特征系數(shù)，因?yàn)樗菬o量綱量，故將其定義為抽象設(shè)計(jì) 變量。則根據(jù)活塞運(yùn)動(dòng)的三段分析法可得到下面一系列用抽象設(shè)計(jì)變量α表示的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)表達(dá)式。 沖程時(shí)間： ts= 回程時(shí)間： 1； 回程加速時(shí)間： ( 21 ?? ??? ? ???； 回程制動(dòng)時(shí)間： ( 22 ?? ??； 活塞行程： 21?； 回程加速行程： v m (2)2(1?? ????? ? ???； 回程制動(dòng)行程： (2 32 ?? ???； 學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 13 回程最大速度： ?? 1； 沖程加速度： 回程加速加速度： )2(1? ????? ???； 回程制 動(dòng)加速度： ??2； 式中：β —— 回程制動(dòng)加速度與沖程加速度的比值。由以上式子可求得：??11由此可見，給出一個(gè)α值便確定了液壓沖擊機(jī)構(gòu)的所有運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，因此可以把α的設(shè)計(jì)視為液壓沖擊機(jī)構(gòu)的一種設(shè)計(jì)方法。α的最優(yōu)值在 間。其中液壓沖擊機(jī)構(gòu)方案簡圖如下： 液壓沖擊機(jī)構(gòu)方案簡圖 塞系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 活塞是液壓鑿巖機(jī)的關(guān)鍵零件，它設(shè)計(jì)的好壞直接影響機(jī)器的工作性能和壽命。 活塞設(shè)計(jì)的已知參數(shù)是沖擊能 f，由用戶或生產(chǎn)需要而定。需要設(shè)定的參 數(shù)是沖擊末速度 p。根據(jù)我國目前釬尾允許應(yīng)力計(jì)算， 般不大于 10 供油壓力的選擇應(yīng)考慮機(jī)器的整體結(jié)構(gòu)尺寸、制造工藝水平和密封性能，一般在 10～ 18體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則： 1）活塞應(yīng)為細(xì)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釬具 壽命。 學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 14 2）活塞沖擊頭部的面積 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）要保證活塞全行程及超行程時(shí)不致?lián)p傷兩端密封結(jié)構(gòu)。 4）活塞應(yīng)具有防空打功能，以免空打時(shí)撞壞缸體。 5）活塞的材質(zhì)應(yīng)具有較好的機(jī)械性能，即表面硬度高，心部韌性好，且具有較好 的耐磨耐沖擊性能。 6）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)。 7）應(yīng)在綜合考慮能量損失、加工精度與過濾精度的基礎(chǔ)上，確定活塞與缸體間合 理的配合間隙。 根據(jù)實(shí)際工況或用戶要求確定沖擊機(jī)構(gòu)性能參數(shù)：沖擊能 E 和沖擊頻率 f；根據(jù)我 國目 前釬尾允許應(yīng)力確定沖擊末速度 據(jù)液壓系統(tǒng)的承載能力確定供油壓力 p；按 近似釬桿直徑確定活塞沖擊端直徑 d。采用抽象設(shè)計(jì)變量理論可得如下活塞計(jì)式： 流閥系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 液壓沖擊機(jī)構(gòu)配流閥有多種結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)其配流系統(tǒng)工作原理的不同，一般可 分為行程反饋配流、壓力反饋配流和電液控制強(qiáng)制配流二種配流方式。輕型獨(dú)立回轉(zhuǎn) 液壓鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)采用行程反饋配流方式。這類沖擊機(jī)構(gòu)實(shí)際上是一種具有行程反 學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 15 饋的閥控活塞隨動(dòng)系統(tǒng)，它工作時(shí)，配流閥從缸體 反饋信號(hào)孔獲得高壓油推動(dòng)閥芯換 向，以實(shí)現(xiàn)油路的切換，活塞則隨供油規(guī)律的改變作周期性回程、沖程變速運(yùn)動(dòng)。具 體地說，閥芯的運(yùn)動(dòng)是通過活塞在缸體內(nèi)的行程反饋信號(hào)來控制的，從而實(shí)現(xiàn)了配流 閥控活塞系統(tǒng)中閥與活塞的互動(dòng)控制。 流閥設(shè)計(jì)的基本要求 配流閥是液壓沖擊機(jī)構(gòu)的重要組成部分，它對(duì)活塞的控制屬于開關(guān)型控制，閥芯 的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)時(shí)間直接決定著活塞的運(yùn)動(dòng)頻率，因此，必須保證閥芯運(yùn)動(dòng)的快速 性。配流閥閥芯質(zhì)量越小、推閥面積越大、運(yùn)動(dòng)行程越小，則閥的運(yùn)動(dòng)頻率越高。但 增加推閥面積，必然會(huì)增加配流 閥的耗油量，雖然閥芯運(yùn)動(dòng)所消耗的壓力油對(duì)于液壓 沖擊機(jī)構(gòu)的工作是必不可少的，但對(duì)液壓沖擊機(jī)構(gòu)的輸出功來說卻是一種能量損失， 所以增加推閥面積會(huì)降低沖擊機(jī)構(gòu)的效率。閥芯的運(yùn)動(dòng)行程越小，則閥的開口量就越 小，油液流經(jīng)閥口時(shí)的壓力損失越人，可見閥芯的運(yùn)動(dòng)行程也不能太小。所以，在設(shè) 計(jì)配流閥時(shí)，必須在保證閥芯動(dòng)作快速、穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，使配流閥的能量損失最小。 具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則： 1)閥芯兩端受力應(yīng)始終處于不平衡狀態(tài)，以保證閥芯穩(wěn)定在沖程或回程的配油位置； 2)在保證閥口全流量時(shí)不致有過大阻力的情 況下，行程盡可能短些，重量盡可能輕些，以減少耗油量和提高換向速度； 3)要保證最小封油長度和進(jìn)入緩沖油墊的長度； 4)保證閥芯兩端推閥面積滿足參數(shù)計(jì)算的要求。 能器的設(shè)計(jì) 高壓蓄能器是液壓沖擊機(jī)構(gòu)最重要的部件之一。由于活塞運(yùn)動(dòng)速度在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過 程中變化很大，活塞撞擊釬尾時(shí)的速度最高可達(dá) 9m/且撞擊后其速度很快降 為零，因此，活塞運(yùn)動(dòng)所需的流量變化也很大，尤其是活塞撞擊釬尾前后，流量瞬間 由最大降為零，這樣大的流量變化目前還沒有任何液壓泵能夠適應(yīng)。另外由于油液的 可壓縮性 很小，系統(tǒng)的高速換向會(huì)產(chǎn)生很大的液壓沖擊，使系統(tǒng)的壓力高出正常工作 壓力的幾倍，這樣的高壓會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)管路及元件的損壞，所以必須采取措施來補(bǔ)償流 量瞬變和壓力瞬變，一般的液壓沖擊機(jī)構(gòu)通常采用安裝蓄能器的辦法來解決。高壓蓄 能器的作用是減小液壓泵的最大輸出流量，平衡整個(gè)工作過程中的流量，從而在不損 失能量的條件下使系統(tǒng)壓力波動(dòng)減小。一般在閥控式液壓沖擊機(jī)構(gòu)中采用隔膜式蓄能 學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 16 器來滿足其頻率響應(yīng)的需要。使用蓄能器能提高液壓沖擊機(jī)構(gòu)的效率，延長其使用壽 命。如圖所示，隔膜式蓄能器由容積大致相等的上、下兩部分組成，在正 常工作的情況下，要求隔膜振動(dòng)時(shí)偏離中間位置的距離基本相等 根據(jù)線性理論的活塞運(yùn)動(dòng)三段分析法，在活塞的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中，高壓蓄能器的充排油情況如圖。經(jīng)推導(dǎo)可得 : 1)活塞回程加速階段初期，蓄能器的充油量為 :21 Qr ; 式中 : ; 前腔的峰值流量， ；其值為 : ; 學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 17 塞防空打裝置的設(shè)計(jì) 液壓開口機(jī)一般都會(huì)出現(xiàn)“空打”現(xiàn)象。為了避免因“空打”而引起活塞打擊機(jī)體造成機(jī)殼零件的損壞，沖擊機(jī)構(gòu)應(yīng)裝設(shè)防空打裝置。防空打通常采用下面的兩種方法。第一種方法是將防空打裝置獨(dú)立于活塞腔，在開口機(jī)機(jī)頭部分設(shè)置空打套和空打油墊。當(dāng)活塞沖程超過預(yù)定沖擊點(diǎn)位置時(shí)，活塞就打在空打 套上，再通過與高壓油相通的油墊來緩沖。 這種方法非?？煽?，絲毫不影響活塞的運(yùn)動(dòng)，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且必須增加一條連接主機(jī)殼上高壓油腔與機(jī)頭上油墊的油路，增加了加工和密封的困難。因此，該法適用于重型液壓開口機(jī)。第二種方法是在活塞腔里設(shè)置空打油墊。當(dāng)活塞越位時(shí)，活塞臺(tái)肩就進(jìn)入緩 沖油墊區(qū)，依靠密閉油腔產(chǎn)生的油墊來起緩沖作用，吸收活塞的沖擊力。這種方法簡單可靠，基本能消除活塞空打時(shí)的機(jī)械撞擊。 本次設(shè)計(jì)的液壓沖擊機(jī)構(gòu)采用第二種防空打方法，其結(jié)構(gòu)如圖 4當(dāng)活塞空打時(shí)，配流閥已完成沖程換向 ，高壓油進(jìn)入活塞前腔，但此時(shí)的液壓力尚不足以令活塞馬上停止運(yùn)動(dòng)，活塞臺(tái)肩仍以較高的速度進(jìn)入緩沖油墊區(qū)，緩沖區(qū)的油液被全部地封閉起來，只能通過給定的節(jié)流間隙排出，從而使被封閉的油液壓力進(jìn)一步升高，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)囊簤嚎沽εc活塞慣性力相對(duì)抗，以達(dá)到使活塞迅速減速制動(dòng)的目的。 根據(jù)緩沖過程中活塞加速度的變化情況，可以將緩沖過程劃分為兩個(gè)階段 : 第一階段為等減速緩沖階段，第二階段為變減速緩沖階段。為了分析解決問題的方便，建立了如圖坐標(biāo)系，以坐標(biāo)零點(diǎn)作為兩個(gè)緩沖階段的分界點(diǎn)。當(dāng) 01塞處 當(dāng) 0塞處于第二階段緩沖區(qū)。 學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 18 4 擬定液壓系統(tǒng)圖 擇液壓基本回路 選擇調(diào)速回路。該系統(tǒng)的流量、壓力較小，可選用定量泵和溢流閥組成的供油源，液壓系統(tǒng)功率小，滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度低，工作負(fù)載變化小，銑床加工有順銼和逆銼之分，可采用進(jìn)流口節(jié)流的調(diào)速形式，具有承受負(fù)切削的能力，如圖（ a） (a) 選擇快速運(yùn)動(dòng)回路和換向回路。系統(tǒng)采用節(jié)流調(diào)速回路后，不管采用什么油源形式都必須有單獨(dú)的油路直接 通向液壓缸兩腔，以實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)。在本系統(tǒng)中，單桿液壓缸要作差動(dòng)連接，為保證換向平穩(wěn)，采用電液換向閥式換接回路，如圖（ b） 學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 19 （ b） 選擇速度換接回路。避免液壓沖擊，宜選用行程閥來控制速度換接，如圖（ c） （ c） 5 液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算 壓系統(tǒng)的壓力損失計(jì)算 1）、快進(jìn) 滑臺(tái)快進(jìn)時(shí)，液壓缸差動(dòng)連接，進(jìn)油路上通過單向閥 3的流量是 6L/過電液換向閥 4，液壓缸有桿腔的回油與進(jìn)油路匯合，以 并進(jìn)入無桿腔。學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 液壓鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)與分析 20 因此進(jìn)油路上的總壓降為 ∑△ (6/63)2+(6/80)2+(3)2] =(力閥不會(huì)被打開，油泵的流量全部進(jìn)入液壓缸?；赜吐飞?，液壓缸有桿腔中的油液通過電液換向閥 4 和單向閥 9 的流量都是 后與液壓泵的供油合 并，經(jīng)行程閥 5流入無桿腔。由此可算出快進(jìn)時(shí)有桿腔壓力 △ p=(0)2+(3)2+(3)2] =(值小于原估計(jì)值 以是安全的。 2）、工進(jìn) 工進(jìn)時(shí)，油液在進(jìn)油路上通過電液換向閥 4 的流量為 調(diào)速閥 7 處得壓力損失為 液在回油路上通過