ZDY3200S全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、ZDY3200S全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)   摘 要:文章主要介紹了ZDY3200S鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算、工況分析、主要參數(shù)、液壓原理及液壓系統(tǒng)圖。   關(guān)鍵詞:工況分析;主要參數(shù);結(jié)構(gòu)特點(diǎn)   中圖分類號(hào):TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-8937(2011)22-0178-03   1 ZDY3200S全液壓鉆機(jī)的主要參數(shù)    根據(jù)市場調(diào)研,用戶需求 ZDY3200S全液壓鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為:  ?、倩剞D(zhuǎn)參數(shù)。轉(zhuǎn)速范圍:50~175 r/ min; 扭矩范圍:2300~850 N?m;主軸內(nèi)徑:75 mm。  ?、谶M(jìn)

2、給參數(shù)。給進(jìn)行程:600 mm;給進(jìn)力:102 kN;給進(jìn)速度:0~0.22 m/s; 起拔力:70 kN;起拔速度:0~0.32 m/s。  ?、凼褂梅秶c@孔深度:350/100 m;終孔直徑:15000 mm;鉆桿直徑:63.5/73 mm。   2 液壓系統(tǒng)的工況分析 (負(fù)載與運(yùn)動(dòng))    ZDY3200S鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)需執(zhí)行三個(gè)功能回轉(zhuǎn)、給進(jìn)、夾持,三個(gè)功能分別由三個(gè)執(zhí)行元件。一個(gè)執(zhí)行元件是液壓馬達(dá),為鉆機(jī)提供回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩;一個(gè)執(zhí)行元件是液壓油缸,為鉆機(jī)提供給進(jìn)部分的給進(jìn)力和起拔鉆具的起拔力;另一個(gè)執(zhí)行元件也是液壓油缸,是夾持器、卡盤部分,提供夾持鉆桿的夾緊力。   

3、①鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)部分。ZDY3200S鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)為一檔無級(jí)變速50~175 r/min,最大扭矩為3200 N?m。在變量泵―定量馬達(dá)的回路中液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩為:   Tm=Vm?駐pm?濁mm=Kml?駐pm=T (1)   式中:Tm為液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩;?濁mm為液壓馬達(dá)機(jī)械效率;Vm為液壓馬達(dá)排量;?駐pm為液壓馬達(dá)進(jìn)、出口壓力差;Km1=Vm?濁mm常數(shù)(認(rèn)為?濁mm是常數(shù))。   式(1)為變量泵―定量馬達(dá)容積調(diào)速回路的轉(zhuǎn)矩特性方程。因此在液壓馬達(dá)的輸出部分連接了變速箱,回轉(zhuǎn)傳動(dòng)經(jīng)變速后輸出。參考西安ZDY3200S鉆機(jī)可知,變速箱部分是無級(jí)一檔變速,齒輪箱部分的傳動(dòng)比初步設(shè)計(jì)分

4、別為i1=2.535和i2=2.56,所以i=i1i2=6.489,則取i=6.489。推算油馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)速n和最大的轉(zhuǎn)矩T。   n油馬達(dá)輸出=1756.489=1 135.57 r/min (2)   T最大=32006.489=493.14 N?m (3)    ②鉆機(jī)的給進(jìn)部分。液壓缸的負(fù)載,隨著鉆頭的回轉(zhuǎn)供給相應(yīng)的給進(jìn)力102 kN,給進(jìn)速度為0~0.22 m/s;隨著鉆孔深度的增加,添加鉆桿時(shí)快速回升卡盤時(shí),所需的起拔速度0.32 m/s,起拔鉆具時(shí)提供最大的起拔力70 kN。  ?、坫@機(jī)的夾持部分。夾持結(jié)構(gòu)為液壓打開,碟彈夾緊。液壓打開方式為油缸活塞形式。夾持油缸有一定的

5、結(jié)構(gòu)限制,油壓只需打開碟形彈簧即可。   3 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)    壓力和流量是液壓系統(tǒng)最主要的兩個(gè)參數(shù)。根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)來計(jì)算和選擇液壓元件、輔助件和原動(dòng)機(jī)的規(guī)格型號(hào)。   3.1 初選系系統(tǒng)壓力    初選系系統(tǒng)壓力選定的是否合理,直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)壓力統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。在液壓系統(tǒng)功率一定的情況下,若系統(tǒng)壓力選得過低,則液壓元、輔件的尺寸和重量就增加,系統(tǒng)造價(jià)也相應(yīng)增加;若系統(tǒng)壓力選得較高,則液壓設(shè)備的重量、尺寸和造價(jià)會(huì)相應(yīng)降低。然而,若系統(tǒng)壓力選用過高,由于對制造液壓元、輔件的材質(zhì)、密封、制造精度等要求的提高,反而會(huì)增大或增加液壓設(shè)備的尺寸、重量和造價(jià),其系統(tǒng)效率和使用壽命也會(huì)相應(yīng)

6、下降,因此也不能一味追求高壓。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)本鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)工作壓力選定為21 MPa。   3.2 計(jì)算液壓馬達(dá)排量和液壓缸尺寸   ①計(jì)算液壓馬達(dá)排量。    (7)   式中:P1為液壓缸的工作腔壓力;P2為液壓缸的回油腔壓力;A1為液壓缸無桿腔的有效面積,A1=?仔D2/4;A2為液壓缸有桿腔的有效面積,A2=?仔(D2-d2)/4;D為液壓缸內(nèi)徑;d為活塞桿直徑;F0為液壓缸的最大工作力;F為液壓缸的最大外負(fù)載,無桿腔為工作腔時(shí)(起拔),F(xiàn)=70 kN,有桿腔為工作腔時(shí)(給進(jìn)),F(xiàn)=102 kN;?濁nm為液壓缸的機(jī)械效率,一般取(0.9~0.97),選取?濁nm=0.95。  

7、 為調(diào)節(jié)給進(jìn)及起拔的速度,本鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)回路上分別設(shè)有減壓閥和節(jié)流閥。   根據(jù)液壓回路特點(diǎn)選取背壓的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。    選取本鉆機(jī)的液壓缸回路的背壓為1 MPa。    桿徑比(即活塞桿直徑與活塞直徑的比)d/D。    一般按下述原則選?。?   當(dāng)活塞桿受拉時(shí),一般取d/D=0.3~0.5,當(dāng)活塞桿受壓時(shí),為保證壓桿的穩(wěn)定性,一般取d/D=0.5~0.7。桿徑比d/D還常常按液壓缸的往返速比 i=v2 / v1(其中v2 、v1分別為液壓缸正反行程速度)的要求來選取。其經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。   由鉆機(jī)的給進(jìn)參數(shù)可知:    D=81.3 mm,d=44.7 mm。

8、    參考表3、表4液壓缸內(nèi)徑和活塞直徑系列,選取本鉆機(jī)的液壓缸D/d為:   D=80 mm,d=50 mm (8)   4 計(jì)算液壓馬達(dá)和液壓缸所需流量    液壓馬達(dá)的最大流量為:   qmax=Vm nm max (9)   式中:qmax為液壓馬達(dá)最大流量,單位ml/min;Vm為液壓馬達(dá)排量,單位ml/r;nm max為液壓馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速參考工況分析部分,單位r/min。   由式(2)和(5)可得:   qmax=1135.57163.95=185 767.9 ml/min   液壓缸的最大流量為:   qmax=AVmax (10)   式中:A為液壓缸的有

9、效面積,A=?仔D2/4(m2);Vmax為液壓缸的最大速度(起拔鉆桿時(shí)),此時(shí)回轉(zhuǎn)器不工作,Vmax=0.32 m/s。   qmax=?仔0.082/40.32=1.60810-3m3/s    =96509.6 ml/min   在本鉆機(jī)工作時(shí),液壓馬達(dá)和液壓缸是并聯(lián)連接,而且液壓馬達(dá)和液壓缸的流量不是同時(shí)達(dá)到最大。    在本鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)中,由于變量泵產(chǎn)生的流量還將消耗于液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸和閥等的內(nèi)泄上,因而變量泵產(chǎn)生的流量,只有在滿足泄漏外尚有多余時(shí),才能使液壓馬達(dá)、液壓缸建立起足夠的壓力、輸出轉(zhuǎn)矩和壓力。以此來確定液壓系統(tǒng)的最小流量qmin。    由于液壓缸的最

10、大流量大于液壓馬達(dá)的最大流量,選取液壓執(zhí)行元件的最大流量為96509.6 ml/min。    液壓系統(tǒng)的最小流量,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可算出:   qmax=96509.6 ml/min(1+5%)=101335.1 ml/min (11)   5 計(jì)算出液壓馬達(dá)和液壓缸的總功率   液壓馬達(dá)和液壓缸在鉆機(jī)打孔時(shí),給進(jìn)和回轉(zhuǎn)同時(shí)進(jìn)行。液壓系統(tǒng)的功率為:    (12)    式中:P為液壓系統(tǒng)壓力kgf / cm2;qmin為液壓系統(tǒng)的最小流量m3/h。   P總功率=210101 335.1110-660/36.7=34.79 kW。    需要指出的是,式中的P僅是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力

11、。系統(tǒng)工作過程中存在過渡過程中的動(dòng)態(tài)壓力,其最大值往往比靜態(tài)壓力要大很多。所以選取液壓泵的額定壓力時(shí)應(yīng)比系統(tǒng)最高壓力大25%~60%,使液壓泵有一定的壓力儲(chǔ)備。最高系統(tǒng)的壓力儲(chǔ)備宜取小值。中、低壓系統(tǒng)的壓力儲(chǔ)備應(yīng)取大值,本系統(tǒng)壓力儲(chǔ)備取大值。   6 主要液壓元件的選擇   6.1 液壓馬達(dá)    根據(jù)式(3)和(5)的計(jì)算結(jié)果需滿足鉆機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩,以液壓馬達(dá)的性能參數(shù)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、工作壓力等為依據(jù)進(jìn)行選擇。本鉆機(jī)選用液壓馬達(dá)的參數(shù)為:V=160 ml/r。此馬達(dá)為斜軸式變量馬達(dá)。   6.2 液壓缸   根據(jù)式(8)的計(jì)算結(jié)果,參考液壓缸的基本參數(shù)(負(fù)載、運(yùn)動(dòng)方式等)為依據(jù)進(jìn)行選擇。

12、本鉆機(jī)的液壓缸選用80/50的車用液壓油缸。   6.3 液壓泵   本鉆機(jī)采用雙泵系統(tǒng),電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)主泵,主泵在經(jīng)過皮帶輪帶動(dòng)副泵,為整個(gè)系統(tǒng)提供油壓。變量油泵和變量馬達(dá)組合進(jìn)行無級(jí)調(diào)速,轉(zhuǎn)速和扭矩可在大范圍內(nèi)調(diào)整,提高了鉆機(jī)對不同鉆進(jìn)工藝的適應(yīng)能力。   ①確定液壓泵的工作壓力。   PP=P1+?駐P   式中:P1為執(zhí)行元件(液壓馬達(dá))的最大工作壓力;?駐P為液壓泵出口到執(zhí)行元件入口之間的壓力損失。   ?駐P=21+1=22 MPa。  ?、诖_定液壓泵的流量。本鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件液壓馬達(dá)和液壓缸同時(shí)動(dòng)作,但流量不同時(shí)達(dá)到最大。液壓馬達(dá)隨著轉(zhuǎn)矩的增大,工作壓差隨著增

13、大,流量減小。   為液壓系統(tǒng)最大工作壓力;qp為液壓泵流量;?濁P為液壓泵總效率;容積效率與機(jī)械效率的乘積取0.86。   PP=2208910-360/460.86=26.69 kW   由轉(zhuǎn)速及功率確定電動(dòng)機(jī)的型號(hào):YBK2-225S-4;電動(dòng)機(jī)功率:37 kW;額定轉(zhuǎn)速:1 480 r/min,驗(yàn)算符合假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值。   7 結(jié) 論   按照選定型號(hào)的液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸樣本上的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算,能夠達(dá)到本鉆機(jī)要求的性能參數(shù),系統(tǒng)溫升可以得到控制。      參考文獻(xiàn):      [1] 馮德強(qiáng).鉆機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,1993.

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