【終稿全套】液壓鑿巖機設計【含6張CAD圖紙+文檔】

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目錄 摘要 I Abstract II 目錄 III 第一章 緒論 1 1.1 液壓鑿巖機的發(fā)展 1 1.2 液壓鑿巖機的基本結構 6 1.3 液壓鑿巖機沖擊機構的結構類型 8 第二章 液壓鑿巖機的沖擊工作原理及結構分析 9 2.1前腔回油后腔常壓型液壓鑿巖機沖擊工作原理 9 2.2后腔回油前腔常壓型液壓鑿巖機沖擊工作原理 10 2.3 雙面回油型液壓鑿巖機沖擊工作原理 11 2.4無閥型液壓鑿巖機沖擊工作原理 12 2.5 有閥型液壓鑿巖機沖擊機構的結構分析 13 第三章 輕型獨立回轉液壓鑿巖機的回轉機構 16 3.1 回轉機構 16 3.2 內回轉式 17 3.3 外回轉式 17 第四章 液壓系統(tǒng)設計 19 4.1 液壓沖擊機構控制原理圖 19 4.2 配流閥系統(tǒng)的設計 20 4.3 蓄能器的設計 27 4.4 活塞防空打裝置的設計 31 結論 36 參考文獻 37 致謝 38 世界最新機械設計理念 來源:中國科技期刊 摘要:根據目前國內外設計學者進行機械產品設計時的主要思維特點，將產品方案的設計方法概括為系統(tǒng)化、結構模塊化、基于產品特征知識和智能。這幾種方法的特點及其相互間的有機聯(lián)系，提出產品方案設計計算機實現的努力方向。 關鍵詞：機械產品方案設計方法發(fā)展趨勢 設計文件是將語義設計網作為設計工具，在其開發(fā)的活性語義設計網ASK中，采用結點和線條組成的網絡描述設計，結點表示元件化的單元(如設計任務、功能、構件或加工設備等)，線條用以調整和定義結點間不同的語義關系，由此為設計過程中的所有活動和結果預先建立模型，使早期設計要求的定義到每一個結構的具體描述均可由關系間的定義表達，實現了計算機輔助設計過程由抽象到具體的飛躍。 系統(tǒng)化設計方法 系統(tǒng)化設計方法的主要特點是：將設計看成由若干個設計要素組成的一個系統(tǒng)，每個設計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設計要素結合后，即可實現設計系統(tǒng)所需完成的任務。 系統(tǒng)化設計思想于70年代由德國學者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統(tǒng)理論為基礎，制訂了設計的一般模式，倡導設計工作應具備條理性。德國工程師協(xié)會在這一設計思想的基礎上，制訂出標準VDI2221技術系統(tǒng)和產品的開發(fā)設計方法。 1. 將用戶需求作為產品功能特征構思、結構設計和零件設計、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎，從產品開發(fā)的宏觀過程出發(fā)，利用質量功能布置方法，系統(tǒng)地將用戶需求信息合理而有效地轉換為產品開發(fā)各階段的技術目標和作業(yè)控制規(guī)程的方法。 2. 將產品看作有機體層次上的生命系統(tǒng)，并借助于生命系統(tǒng)理論，把產品的設計過程劃分成功能需求層次、實現功能要求的概念層次和產品的具體設計層次。同時采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達產品的功能要求，形成產品功能系統(tǒng)結構。 3. 將機械設計中系統(tǒng)科學的應用歸納為兩個基本問題：一是把要設計的產品作為一個系統(tǒng)處理，最佳地確定其組成部分（單元）及其相互關系；二是將產品設計過程看成一個系統(tǒng)，根據設計目標，正確、合理地確定設計中各個方面的工作和各個不同的設計階段。 由于每個設計者研究問題的角度以及考慮問題的側重點不同，進行方案設計時采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統(tǒng)化設計方法。 4. 設計元素法 用五個設計元素（功能、效應、效應載體、形狀元素和表面參數）描述“產品解”，認為一個產品的五個設計元素值確定之后，產品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設計學者采用了類似方法描述產品的原理解。 5. 圖形建模法 研制的“設計分析和引導系統(tǒng)”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產品的功能結構及其相關的抽象信息，實現了系統(tǒng)結構、功能關系的圖形化建模，以及功能層之間的聯(lián)接。 將設計劃分成輔助方法和信息交換兩個方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用圖形符號、具有內容豐富的語義模型結構、可以描述集成條件、可以劃分約束類型、可以實現關系間的任意結合等特點，將設計方法解與信息技術進行集成，實現了設計過程中不同抽象層間信息關系的圖形化建模。 6. “構思”—“設計”法 將產品的方案設計分成“構思”和“設計”兩個階段?！皹嬎肌彪A段的任務是尋求、選擇和組合滿足設計任務要求的原理解?！霸O計”階段的工作則是具體實現構思階段的原理解。 將方案的“構思”具體描述為：根據合適的功能結構，尋求滿足設計任務要求的原理解。即功能結構中的分功能由“結構元素”實現，并將“結構元素”間的物理聯(lián)接定義為“功能載體”，“功能載體”和“結構元素”間的相互作用又形成了功能示意圖(機械運動簡圖)。方案的“設計”是根據功能示意圖，先定性地描述所有的“功能載體”和“結構元素”，再定量地描述所有“結構元素”和聯(lián)接件(“功能載體”)的形狀及位置，得到結構示意圖。Roper，H.利用圖論理論，借助于由他定義的“總設計單元(GE)”、“結構元素(KE)”、“功能結構元素(FKE)”、“聯(lián)接結構元素(VKE)”、“結構零件(KT)”、“結構元素零件(KET)”等概念，以及描述結構元素尺寸、位置和傳動參數間相互關系的若干種簡圖，把設計專家憑直覺設計的方法做了形式化的描述，形成了有效地應用現有知識的方法，并將其應用于“構思”和“設計”階段。 7. 鍵合圖法 將組成系統(tǒng)元件的功能分成產生能量、消耗能量、轉變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結合，實現功能結構的自動生成和功能結構與鍵合圖之間的自動轉換，尋求由鍵合圖產生多個設計方案的方法。 提倡在產品功能分析的基礎上，將產品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結構，通過選擇和組合這些模塊化基本結構組建成不同的產品。這些基本結構可以是零件、部件，甚至是一個系統(tǒng)。 本結構應該具有標準化的接口(聯(lián)接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經濟化，具有互換性、相容性和相關性。我國結合軟件構件技術和CAD技術，將變形設計與組合設計相結合，根據分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和CAD技術將它們組合成不同品種、不同規(guī)格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案。 以設計為目錄作為選擇變異機械結構的工具，提出將設計的解元素進行完整的、結構化的編排，形成解集設計目錄。并在解集設計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設計工程師選擇解元素。 網絡技術的蓬勃發(fā)展，異地協(xié)同設計與制造，以及從用戶對產品的功能需求→設計→加工→裝配→成品這一并行工程的實現成為可能。但是，達到這些目標的重要前提條件之一，就是實現產品方案設計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設計軟件愈來愈多地應用于產品的方案設計中，虛擬現實技術以及多媒體、超媒體工具也在產品的方案設計中初露鋒芒。目前，德國等發(fā)達國家正著力于研究超媒體技術、產品數據交換標準STEP，以及標準虛擬現實造型語言上基于虛擬環(huán)境的標準交換格式)在產品設計中的應用。 機械產品的方案設計正朝著計算機輔助實現、智能化設計和滿足異地協(xié)同設計制造需求的方向邁進，由于產品方案設計計算機實現方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達到上述目標的方案設計工具軟件。作者認為，綜合運用文中四種類型設計方法是達到這一目標有效途徑。雖然這些方法的綜合運用涉及的領域較多，不僅與機械設計的領域知識有關，而且還涉及到系統(tǒng)工程理論、人工智能理論、計算機軟硬件工程、網絡技術等各方面的領域知識，但仍然是產品方案設計必須努力的方向。國外在這方面的研究已初見成效，我國設計學者也已意識到CAD技術與國際交流合作的重要性，及其應當采取的措施。 基于產品特征知識設計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產品的特征及其設計領域專家的知識和經驗，建立相應的知識庫及推理機，再利用已存儲的領域知識和建立的推理機制實現計算機輔助產品的方案設計。 機械系統(tǒng)的方案設計主要是依據產品所具有的特征，以及設計領域專家的知識和經驗進行推量和決策，完成機構的型、數綜合。欲實現這一階段的計算機輔助設計，必須研究知識的自動獲取、表達、集成、協(xié)調、管理和使用。為此，國內外設計學者針對機械系統(tǒng)方案設計知識的自動化處理做了大量的研究工作，采用的方法可歸納為下述幾種。 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 摘要 鑿巖機械是采掘、建筑、工程建設等領域應用廣泛的的工程機械。盡管世界鑿巖機，尤其是鑿巖機技術有很大發(fā)展，但在我國其主導產品幾十年來沒有大的變化。我國大量的中小礦山及一般工程施工中仍普遍使用能耗高、破巖效率低、易損零件多、壽命低、噪聲高、環(huán)境污染嚴重的支腿式氣動鑿巖機。研制開發(fā)輕型獨立回轉液壓鑿巖機就是在這樣的背景下提出的。用輕型獨立回轉鑿巖機替代傳統(tǒng)的氣動鑿巖機能明顯提高鑿巖作業(yè)效率、顯著降低耗能、減少噪聲污染和空氣污染，迅速提高我們鑿巖和工程施工的裝備技術水平。 本文在綜合分析各類液壓鑿巖機沖擊工作原理和輕型液壓鑿巖機各種結構的基礎上，提出了輕型獨立回轉液壓鑿巖機的構型，對其主要部件進行了設計和研究。 在設計中，本文重點的是設計液壓鑿巖機的液壓系統(tǒng)，其包括：配流閥系統(tǒng)的設計；蓄能器的設計；活塞防空打裝置的設計；液壓沖擊機構液壓控制原理圖。 針對所設計的液壓鑿巖機，利用計算機輔助設計軟件畫出其裝配圖和部分典型零件圖，然后對其進行分析研究，了解其結構原理，對本次設計的成果進一步鞏固加深，達到設計的最終目的。 關鍵詞：鑿巖機；設計；輕型；獨立回轉；研究；沖擊機構 Abstract Rock drill equipements are widely used in excavation, construction and other filed. 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 目錄 摘要 I Abstract II 目錄 III 第一章 緒論 1 1.1 液壓鑿巖機的發(fā)展 1 1.2 液壓鑿巖機的基本結構 6 1.3 液壓鑿巖機沖擊機構的結構類型 8 第二章 液壓鑿巖機的沖擊工作原理及結構分析 9 2.1前腔回油后腔常壓型液壓鑿巖機沖擊工作原理 9 2.2后腔回油前腔常壓型液壓鑿巖機沖擊工作原理 10 2.3 雙面回油型液壓鑿巖機沖擊工作原理 11 2.4無閥型液壓鑿巖機沖擊工作原理 12 2.5 有閥型液壓鑿巖機沖擊機構的結構分析 13 第三章 輕型獨立回轉液壓鑿巖機的回轉機構 16 3.1 回轉機構 16 3.2 內回轉式 17 3.3 外回轉式 17 第四章 液壓系統(tǒng)設計 19 4.1 液壓沖擊機構控制原理圖 19 4.2 配流閥系統(tǒng)的設計 20 4.3 蓄能器的設計 27 4.4 活塞防空打裝置的設計 31 結論 36 參考文獻 37 致謝 38 附件1 39 附件2 40 40 第一章 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、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 自動化等優(yōu)點，它們在生產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，世界上先后出現了包括瑞典的Atlas...Copco、Linden..Ali mark公司，法國的Montaber、Emir... Secorna公司芬蘭Tamroc公司，日本的古河Furukam礦業(yè)株式會社，美國的 Garder..Den—verIngersol..Rand公司和德國的Krup公司等著名公司在內的30多家液壓沖擊機械專業(yè)生產廠家，在世界范內形成了一個新興的工業(yè)產業(yè)。目前，已有數百種液壓鑿巖機和液壓碎石機的系列產品問世，一些先進的產品已歷經了幾代更新。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 ，但由于當時我國液壓技術發(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用。直到80年代，我國科研人員走技術引進和自行開發(fā)相結合的道路 ，在突破了試驗研究的許多關鍵技術之后，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一嗍0型導軌式液壓鑿巖機，不久以后，由中南工業(yè)大學研制的YYG90型液壓鑿巖機、北京科技大學研制的YS一5000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部門組織的技術鑒定。近年來 ，隨著我國對外開放政策的深入和科學技術的長足進步，液壓沖擊機械這個新興的技術產業(yè)也得到了迅猛發(fā)展，目前國內已經有十幾家單位研制生產了數十種型號的液壓鑿巖機和液壓碎石機的系列產品，在我國的能源開發(fā)、城市建筑、隧道工程建設中獲得了較好的應用。 1.1.2 研究現狀 一. 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注的焦點。按照研究時所采用的數學模型的不同，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 線性研究方法對沖擊器作一些必要的假設，將其運動規(guī)律用明確的線性數學模型表示，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”為基本假設并忽略某些影響因素，以此為基礎，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)學者O.II.Azin MOB和C.A.ACOB等人，并提出了峰值推力最小的最佳設計方案。在沖擊器的早期研究中，許多國內學者也提出 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)大學楊襄璧教授提出了著名的抽象設計變量理論，該理論的核心是以沖程時間比：a=沖程時間()／周期時間(T)作為抽象設計變量，由此推導出了液壓沖擊器結構與性能參數的整套設計公式，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構特征系數——活塞前后腔有效面積比作為無量綱設計變量，對沖擊器進行了優(yōu)化設計。 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構的本質關系，有確切的數學表達式，求解方便，但它忽略了許多影響因素，需用經驗系數修正。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70年代，國外就有人將計算機數字仿真技術應用于風動鑿巖機的研究，并指出這種研究方法能夠獲得較為精確的結果。1976年，日本學者槌口正雄提出了一種液壓沖擊裝置的非線性數學模型；1980年，北京科技大學的學者提出了一個以蓄能器壓力為工作壓力的非線性數學模型，并求得了穩(wěn)定的仿真數字解；1983年，中南工業(yè)大學何清華教授使用狀態(tài)切換法建立了全面的數學模型，提出了“準勻加速計算法”(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，北京科技大學陳孝忠、陳定遠教授建立了沖擊機構非線性數學模型，并用BASIC語言編寫了仿真程序 ，取得了與實測結果較為一致的仿真數據。 二. 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50～60要求在極短的時間內完成大開口量的油路切換動作，壓力、流量變化都非常劇烈，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，當系統(tǒng)短時間內需要大量壓力油時，蓄能器可補充供不應求的能量，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設計方法；以集中參數為基礎，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。 三. 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釬尾沖擊反彈現象和空打現象，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。國內有關專家系統(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學模型并進行 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)化設計；應用波動力學理論，導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計而加以利用；中南工業(yè)大學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。 四. 液壓沖擊器輸出參數調節(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，當工作對象的物理性質(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效率，出現了輸出工作參數可以調節(jié)的液壓沖擊器。 事實上，液壓沖擊器能實現變參數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的液壓沖擊器系列產品，如瑞典Atlas..Copco公司于20世紀80年代率先推出了CoP1238系列三擋液壓鑿巖機；美國Gardner— Denver公司HPR一1型自動調節(jié)行程液 壓鑿巖機；法國Emico..Secoma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，并已開始用于生產實踐 ，填補了國內空白。上述液壓沖擊器都是基于行程反饋原理設計的，這些液壓沖擊器輸出工作參數的調節(jié)主要是通過改變系統(tǒng)的輸入壓力(流量)，或增設多個回程反饋信號孔，通過控制各信號孔的開關來調節(jié)活塞行程，以改變液壓沖擊器的沖擊能和沖擊頻率。由于受到結構的限制(缸體上不可能設置太多回程反饋信號孔)，這種原理只能實現液壓沖擊器工作參數的有級調節(jié)，在使用過程中沖擊能與沖擊頻率調節(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)無級調節(jié)工作參數的液壓沖擊器就成了研究熱點。中南工業(yè)大學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節(jié)工作參數的構想，并推出了這種新型液壓沖擊器產品。它主要是通過控制活塞回程壓力大小來無級調節(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各自獨立無級調節(jié)，而主機功率變化不大。對于液壓沖擊器工作參數調節(jié)理論的研究，國內外的許多學者作了大量的工作。為適應在不同工況下工作，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)、無級地調節(jié)工作參數以滿足不同工況的要求，即所謂變行程無級調節(jié)的液壓沖擊器。關于這種新型液壓沖擊機械的理論研究、結構設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備便成為促進液壓沖擊機械技術進步的重要課題。 五. 液壓沖擊器計算機輔助設計(CAD)的研究 1988年北京科技大學以設計工作程式為線索，將參數優(yōu)化、結構尺寸計算和仿真驗算統(tǒng)一起來，形成了液壓沖擊機構 CAD軟件。該軟件的參數優(yōu)化是以液壓沖擊機構的理想線性模型為基礎，而仿真驗算是以沖擊機構的非線性模型為基礎。1994年，中南工業(yè)大學系統(tǒng)地研究了多擋液壓沖擊器的設計理論，編寫了YYG系列液壓鑿巖機設計的仿真通用軟件，實現了該系列液壓鑿巖機的計算機自動繪圖。計算機輔助設計應用于液壓沖擊機械，大大提高了設計質量，為這種機械產品的理論設計研究和產業(yè)化提供了堅實的技術保證。 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)展和廣泛應用。隨著全球經濟的巨大發(fā)展，資源開發(fā)和基礎設施的建設顯得尤為重要 世界市場特別是中國市場對液壓沖擊設備的需求量 日益擴大，對其性能的要求也越來越高，新產品不斷涌現。就目前來看，液壓沖擊機械大致有以下發(fā)展動向: (1)產品更新?lián)Q代周期短，新產品不斷涌現。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節(jié)的液壓破碎錘，實現了液壓破碎錘輸出工作參數的連續(xù)控制；國內中南工業(yè)大學先后研制YYG90、YYG9IOA、YYG90B、YYG145等系列液壓鑿巖機。 (2)產品性能向大沖擊能、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500.700N·m；中南工業(yè)大學研制的 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450N·m。 (3)產品結構設計和釬具質量不斷改進，鉆鑿 破碎的經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，對液壓沖擊器的工作參數進行控制，使其可根據工作對象的不同物理性質 自動地無級調節(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，使其能迅速而準確可靠地移動到指定位置，目前中南大學完成的國家“863”項目——隧道鑿巖機器人的研究就是這個發(fā)展方向。 (5)液壓沖擊機械性能參數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(Ⅶ 、VC等)，實現測試技術與手段的虛擬化。 (6)液壓沖擊機械系統(tǒng)設計與控制技術的信息化。任何一種機械產品從構思、設計 、制造到投入使用，離不開各種信息 (包括結構參數、控制參數、價格因子及市場需求等)的集中分析、儲存、加工和處理，使用計算機網絡技術可以實現以智能、動力、結構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)的信息化設計與控制。 隨著生產力的發(fā)展，液壓沖擊機械20世紀70年代問世以來，在短短30年中獲得了迅速的發(fā)展，目前在國內外廣泛應用于各行各業(yè)中，已形成了一個重要的新技術產業(yè)，并取得了顯著的社會效 益和經濟效益，以液壓沖擊器及其控制系統(tǒng)為核心技術的研究也提高到了一個新水平。由于種種原因，國內產品還遠遠不能滿足市場的需求，一些生 產廠和大學研究機構投入了相當的人力和資金進行液壓沖擊機械的開發(fā)研究，以提高我國在這一領域的技術水平。 1.2 液壓鑿巖機的基本結構 液壓鑿巖機主要由沖擊機構、回轉機構、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、推進與巖孔沖洗功能的綜合。 目前各生產廠家的液壓鑿巖機結構都不盡相同，各有自己的特點。如有帶行程調節(jié)裝置的，也有無此裝置的;有采用中心供水的，也有采用旁側供水的;缸體內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有反沖裝置。下面介紹液壓鑿巖機的一些基本結構。 (1)沖擊機構 液壓沖擊機構由缸體、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，液壓鑿巖機的活塞只比氣動鑿巖機的活塞重19%，可是輸出功率卻提高了一倍，而釬桿內的應力峰值則減小了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，結構簡單，其結構受活塞的制約，只能制成三通閥。而芯閥是一個部件，由多個零件組成，結構較為復雜，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，還設有回油蓄能器。因液壓鑿巖機的沖擊頻率高，故都采用反應靈敏、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，結構復雜，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)活塞導向套 活塞的前后兩端都有導向套支承，其結構有整體式和復合式兩種。前者加工簡單，后者性能優(yōu)良。目前國內多采用整體式，少數采用復合式。 (2)回轉機構 回轉機構主要用于轉動釬具和接卸釬桿。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機構，該機構由液壓馬達驅動一套齒輪裝置并帶動釬尾作獨立的回轉運動。因擺線液壓馬達體積小、扭矩大、效率高，故液壓鑿巖機回轉機構普遍采用這種馬達。 (3)供水裝置 液壓鑿巖機大都采用壓力水作為沖洗介質，其供水裝置的作用就是供給沖洗水以排除巖孔內的巖碴，它有中心供水式和旁側供水式兩種。 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)點是結構緊湊，機頭部分體積小，但密封比較困難。 旁側供水裝置是液壓鑿巖機廣泛采用的結構。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，易于實現密封，且即使發(fā)生漏水也不會影響鑿巖機內部的正常潤滑，其缺點是機頭部分增加了長度。 1.3 液壓鑿巖機沖擊機構的結構類型 液壓鑿巖機按其沖擊機構配油方式的不同可分為兩大類:有閥型和無閥型。前者按閥的結構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。其分類關系及相應代表型號見下表。 表1-1液壓鑿巖機的分類 類型 有閥型 無閥型 回油方式 單面回油 雙面回油 雙面回油 后腔回油 前腔回油 活塞運動 三通法控差動 三通法控差動 四通閥控 活塞自配油 閥的結構 套閥 心閥 套閥 心閥 芯閥 無 典型產品 國外 Tamrock公司的HE,HL系列 古河株式會社的HD系列 Tension公司的RD系列 GD公司的HPR系列 Ailmakg公司的AD系列 Secoma公司的RPH35系列 Atlas Copco公司的COP系列 Ingersoll.Rand公司的HARD.3 Joy公司的JH.2 國內 TTYYG.20 YYG.250B YYG.90A YYG.80系列 第二章 液壓鑿巖機的沖擊工作原理及結構分析 液壓鑿巖機以液壓流體作為傳遞能量的介質，其沖擊工作原理主要是由沖擊機構的配油方式決定的。 2.1前腔回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活塞的往復運動的，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 （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后腔回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活塞的沖擊往復運動的，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 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構，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\動到預定位，打開沖程換向信號孔口，高壓油經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推閥油路進入活塞中間腔，再經回油通道返回油箱，為回程運動作好準備，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 1—蓄能器 2—配流閥 3—缸體 4—活塞 2.4無閥型液壓鑿巖機沖擊工作原理 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構。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，在活塞往復運動時產生壓縮儲能和膨脹作功。其沖擊工作過程如圖2-4所示。 2-4a表示無閥型液壓鑿巖機回程開始的情況，這時活塞前腔與高壓油相通，后腔與回油相通，于是活塞向右作回程加速運動。當活塞回程運動到圖2-4b的位置時，活塞的前腔和后腔均處于封閉狀態(tài)，形成液體彈簧。由于活塞的慣性以及前腔高壓油的膨脹，使活塞繼續(xù)作回程運動，這時活塞后腔的油液被壓縮儲能，壓力逐漸升高，直到活塞回程使前腔與回油相通，后腔與高壓油相通，即活塞到達如圖2-4c的位置時，活塞開始向左作沖程運動。活塞運動到一定位置，其前后腔又處于封閉狀態(tài)，形成液體彈簧，活塞沖擊釬尾作功。同時活塞的前腔與高壓油相通，后腔與回油相通，又為活塞回程運動作好準備，如此不斷往復循環(huán)。 圖2-4無閥型液壓鑿巖機沖擊工作原理 (a)回程 (b)前腔膨脹，后腔壓縮儲能 (c)沖程 1—活塞 2—前腔 3—缸體 4—壓油腔 5—后腔 無閥型液壓鑿巖機的特點是:只有一個運動件，結構簡單;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生的應力波不致與前一次沖擊所產生的應力波重疊并累積起來，所以過高的沖擊頻率也未必有利。由于存在上述不足，故尚未見到無閥型液壓鑿巖機在鑿巖作業(yè)中推廣應用。 2.5 有閥型液壓鑿巖機沖擊機構的結構分析 前腔回油后腔常壓型、后腔回油前腔常壓型和雙面回油型液壓沖擊機構由于配油方式的不同而具有各自的特點: 1)活塞回程制動階段的吸空問題 在活塞回程制動階段，前腔常壓型沖擊機構從原理上不會產生前腔的吸空問題，而后腔常壓型和雙面回油型沖擊機構則必然會產生前腔的吸空現象，這對活塞、缸體及回油管都是有害的。對于相同規(guī)格的液壓沖擊機構而然，雙面回油型的前腔受壓面積比較小，因而空穴現象的危害程度也較小，而后腔常壓型的前腔面積比雙面回油型的前腔面積大得多，因而空穴現象的危害程度也大得多。 2)活塞沖程階段的前腔油液流動阻力問題 在沖程階段，前腔常壓型的前腔油液要被壓到后腔，因而產生一定的阻力，但因其前腔受壓面積較小，所以阻力也較小。而雙面回油型和后腔常壓型的前腔是接通回油的，此時會產生回油阻力。雙面回油型的前腔面積小，因而回油阻力小，而后腔常壓型的前腔面積大得多，因而回油阻力也大得多。 3)配油閥的耗油量和工藝性 前腔常壓型與后腔常壓型是利用了差動活塞的原理，所以只需采用三通閥，而雙面回油型則必須采用四通閥。屯通閥的典型結構是三槽二臺肩，四通滑閥的典型結構是五槽三臺肩，三通閥比四通閥少一個臺肩，因而可以做得比較短，可以減輕閥芯重量，節(jié)省閥芯運動時的耗油量。 三通閥只有三個關鍵尺寸和一條通向油缸的孔道，結構簡單，工藝性好，而四通閥則有五個關鍵尺寸和二條通向油缸的孔道，結構復雜，_ 上藝性差。相應的雙面回油型的油缸缸體結構也比較復雜，加工難度大。 4)活塞運動中的排油問題 在活塞的沖程和回程中，雙面回油型沖擊機構都存在排油過程，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。與之對比，前腔常壓型只在活塞回程中由后腔排油，排油時間短，流量峰值大，回油阻力大，回油壓力脈動大，這是前腔常壓型的主要缺陷， 一 般通過安裝回油蓄能器來減小其不利影響。 5)活塞形狀 雙面回油型的活塞形狀最為合理，活塞各臺階的直徑差小，可以做得很細長，撞擊時產生的應力峰值小，持續(xù)時間長，有利于提高活塞和釬具的壽命，增強破巖效果。相比之下，前腔常壓型和后腔常壓型的活塞直徑差要大一些，因此效果也差一些。 通過以上分析可得如下結論: 后腔常壓型液壓沖擊機構在回程制動過程中存在嚴重的吸空現象以及回油阻力過大等問題，缺點比較明顯，實踐證明是一種不可取的結構，目前己經被淘汰。 前腔常壓式液壓沖擊機構具有結構簡單，無吸空現象，配流閥耗油量少，能量利用率高等優(yōu)點，可作為中重型液壓鑿巖機的首選結構形式。但由于其回油壓力脈動較大，因此在設計輕型液壓鑿巖機時應盡量避免采用這種結構。 雙面回油型液壓沖擊機構具有不間歇回油、排油時間長、回油壓力脈動小以及活塞形狀好等優(yōu)點，但其缸體和配油閥結構比較復雜，加工工藝性較差，配油閥的耗油量稍高。 第三章 輕型獨立回轉液壓鑿巖機的回轉機構 3.1 回轉機構 輕型液壓鑿巖機按其回轉機構的結構特點可分為兩大類：內回轉式和外回轉式?；剞D機構主要是用于轉動釬具和接卸釬桿。液壓鑿巖機的輸出扭矩較大，一般在200.1000Nm,因為多數采用獨立外回轉機構，該機構由液壓馬達驅動一套齒輪裝置，帶動釬具回轉，如圖3-1，它由液壓馬達、齒輪箱、傳達齒輪裝置和傳動軸等組成。 （一）液壓馬達 液壓鑿巖機采用的也有馬達均是低速、大扭矩的擺線液壓馬達，因為是這種馬達的體積小、扭矩大、效率高。 （二）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速，提高扭矩。 （三）回轉機構的潤滑一般采用油霧潤滑 圖3-1回轉機構 1.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 7.三邊形花鍵套 8.緩沖套筒 3.2 內回轉式 這種結構的液壓鑿巖機沿用氣動鑿巖機沖擊活塞帶動釬桿旋轉的傳動方式，在利用液壓振動原理實現活塞沖擊的同時又實現了轉釬，結構十分緊湊。但是，它存在兩方面的不穩(wěn)定性，一是卡釬，二是回油管爆裂。 卡釬是由于液壓鑿巖機的固定參數與不固定的外界條件所致，內回轉結構的鑿巖機是靠施于活塞上的液壓力在克服釬桿轉動阻力后才得以推動活塞作回程加速運動的。在正常情況下，旋轉所需分力和活塞沖擊能可以互相調節(jié)。但當釬桿所需的回轉分力即釬桿轉動阻力矩過大時，液壓力不足以克服轉釬阻力，活塞將被迫中止沖擊或降速運動，這時會因回轉阻力矩突增而形成卡釬。若設計使施加 于活塞上的力過大，或轉釬所需分力變小，則活塞回程加速度增大，導致沖擊能加大，鑿巖機反彈振動力加大，釬桿易斷，工作不穩(wěn)。兩者的矛盾很難用一種固定的設計參數來統(tǒng)一。特別在不均質巖層，內回轉液壓鑿巖機常常無所適從，無法連續(xù)工作。 爆油管是設計鑿巖機時保護不當所致。一般設計液壓鑿巖機時重視高壓油管的保護，都設有高壓蓄能器。低壓油管受到的振動破壞性很大，特別是單面回油型液壓鑿巖機，由于是間歇回油，瞬時排油的壓力脈動形成的振動往往大于高壓油管的振動，故回油管破壞率高。 由于內回轉液壓鑿巖機在工作原理上的缺陷無法從根本上解決，所以這種結構的支腿式液壓鑿巖機己被市場所淘汰。 3.3 外回轉式 外回轉液壓鑿巖機在結構上都設置有油馬達以驅動減速器帶動釬桿轉動。根據不同的油路配置又可分為三種:①獨立供油外回轉結構②內部分流供油外回轉結構③沖擊與回轉機構串聯(lián)供油的外回轉結構。 獨立供油外回轉結構是中重型液壓鑿巖機普遍采用的結構，它是直接分別向沖擊和回轉兩部分供油的獨立外回轉結構。目前國內尚沒有這種結構的輕型液壓鑿巖機問世。 內部分流外回轉液壓鑿巖機具有單一輸入輸出油管的結構形式，通過設在機體內的分流閥將輸入供油分別供給沖擊機構和回轉機構。這種結構的液壓鑿巖機由于分流閥設在機體內部，所以增大了鑿巖機的結構尺寸和能量損失，而且分流閥的調節(jié)技術比較復雜，鑿巖時工人很難根據具體的施工條件控制操作，所以尚未得到推廣應用。 目前國內應用比較成功的支腿式液壓鑿巖機采用的都是沖擊與回轉機構串聯(lián)供油的外回轉結構。這種結構保留了單一輸入輸出油管，結構簡單，且利用回轉油路作為沖擊機構的高背壓，其間以柔性相連，緩和了油路的高頻振動，降低了振幅。但由于沖擊機構的背壓較高，導致了這種結構的液壓鑿巖機的沖擊能和沖擊頻率都較低，又由于油馬達的供油為沖擊機構的回油，所以其回轉扭矩也不高。由于這種結構的支腿式液壓鑿巖機與相同檔次的氣動鑿巖機相比在性能上沒有明顯的優(yōu)勢，所以其推廣應用受到了一定程度的限制。 盡管各廠家生產的輕型液壓鑿巖機的回轉機構在結構形式上各有不同，但其采用的沖擊機構在工作原理上卻完全相同，即全部采用前腔常壓后腔回油型液壓沖擊機構。而前腔常壓型液壓沖擊機構卻存在回油阻力大及回油壓力脈動大的缺點，這也是這種液壓鑿巖機回油管易于爆裂的原因。解決這一問題的辦法是安裝回油蓄能器，而這樣勢必會增加鑿巖機的尺寸和重量。 第四章 液壓系統(tǒng)設計 液壓伺服控制系統(tǒng)是由指令裝置、檢測裝置、比較環(huán)節(jié)、伺服放大器、控制元件、執(zhí)行元件、校正環(huán)節(jié)組成。它是將輸入信號（一般為機械位移或電壓）與被控制裝置的反饋信號進行比較，將其差值傳遞給控制裝置，以變更液壓執(zhí)行元件的輸入壓力或流量，使負載向著減小信號偏差方向動作。液壓伺服控制系統(tǒng)的特點是驅動力、轉矩和功率大；易于實現直線運動的速度、位移及力控制；液壓能的儲存方便，從而可減少電氣設備裝機容量。 由以上液壓系統(tǒng)的性質和特點設計該液壓鑿巖機的液壓系統(tǒng)。 4.1 液壓沖擊機構控制原理圖 液壓沖擊機構簡圖4-1如下： 圖4-1液壓沖擊機構 液壓控制原理簡圖4-2如下： 圖4-2液壓控制原理簡圖 4.2 配流閥系統(tǒng)的設計 液壓沖擊機構配流閥有多種結構形式，根據其配流系統(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制配流二種配流方式。輕型獨立回轉液壓鑿巖機沖擊機構采用行程反饋配流方式。這類沖擊機構實際上是一種具有行程反饋的閥控活塞隨動系統(tǒng)，它工作時，配流閥從缸體反饋信號孔獲得高壓油推動閥芯換向，以實現油路的切換，活塞則隨供油規(guī)律的改變作周期性回程、沖程變速運動。具體地說，閥芯的運動是通過活塞在缸體內的行程反饋信號來控制的，從而實現了配流閥控活塞系統(tǒng)中閥與活塞的互動控制。 4.2.1配流閥設計的基本要求 配流閥是液壓沖擊機構的重要組成部分，它對活塞的控制屬于開關型控制，閥芯的運動速度和運動時間直接決定著活塞的運動頻率，因此，必須保證閥芯運動的快速性。配流閥閥芯質量越小、推閥面積越大、運動行程越小，則閥的運動頻率越高。但增加推閥面積，必然會增加配流閥的耗油量，雖然閥芯運動所消耗的壓力油對于液壓沖擊機構的工作是必不可少的，但對液壓沖擊機構的輸出功來說卻是一種能量損失，所以增加推閥面積會降低沖擊機構的效率。閥芯的運動行程越小，則閥的開口量就越小，油液流經閥口時的壓力損失越人，可見閥芯的運動行程也不能太小。所以，在設計配流閥時，必須在保證閥芯動作快速、穩(wěn)定的基礎上，使配流閥的能量損失最小。 具體設計時應遵循以下原則 1)閥芯兩端受力應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入緩沖油墊的長度; 4)保證閥芯兩端推閥面積滿足參數計算的要求。 4.2.2配流閥的結構設計 目前國內外有閥型液壓鑿巖機沖擊機構的配流閥主要有芯閥、套閥二種形式，其中以三通閥和四通閥居多。本文研究的液壓沖擊機構配流閥為四通滑閥結構，其結構如圖4-3所示。 通往活塞腔 圖4-3配流閥結構示意圖 配流閥的結構參數有閥芯運動行程、開口處閥芯直徑、推閥腔油壓作用面積和定位腔油壓作用面積。的確定，主要受結構尺寸的限制，從油液流經閥口的壓降越小越好出發(fā)，考慮到閥芯行程受換向時間與耗油量的限制不能大，則閥芯直徑越大越好。按這一原則再根據沖擊機構的整體結構確定合理的閥芯直徑。然后可根據沖擊機構的最大瞬時流量確定閥的最大開口量以及油路、油槽尺寸。根據最大開口量和密封長度可初步確定閥芯行程。為了確定推閥腔和定位腔的油壓作用面積，可先根據已初步確定的參數估算閥芯質量，然后根據沖擊機構換向時間的要求，采用理想線性模型進行計算。 4.2.3 配流閥行程的設計計算 4.2.3.1 配油閥的能量損失分析 配油閥部分由閥芯和閥體組成。在一個工作周期內，閥芯往返運動各一次，以改變沖擊機構前后腔的油流狀態(tài)。配油閥在左位和右位停頓時消耗的能量可分為如下三部分: (1)泄漏損失 根據流體力學可知，環(huán)形縫隙上由于泄漏引起的功率損失為: （4-1） 式中:環(huán)形縫隙兩側的壓力差，Pa .油液的動力粘度，Pa； .封油長度，m； d.封油段公稱直徑，m； .環(huán)形縫隙的間隙，m； .相對偏心比。 由于配油閥為對稱結構，所以閥芯在左位與在右位時的泄漏流量是相同的。 由流體力學可得閥芯在右位時的泄漏功率損失: (4-2) 式中： 閥芯運動行程可表示為: 式中: y—負開口量，m. 則在一個工作周期內，配流閥因泄漏造成的能量損失為: （4-3） (2)閥口壓力損失 無論閥芯處于左位還是右位，在閥的進油開口處總有高壓油流過。油流經閥 口的壓力損失為: （4-4） 式中:—油液密度，kg/； 一流量系數； — 流量，/S。 若不考慮泄漏的影響，則當活塞回程加速時，閥芯處于左位，流經閥口的流量為: 當活塞回程制動時，閥芯處于右位，流經閥口的流量為: 當活塞沖程加速時，閥芯處于右位，流經閥口的流量為: 則高壓油流經閥口的能量損失為: （4-5） 整理得： （4-6） (3)閥芯運動油耗損失 閥芯運動是由高壓油來推動的。閥芯運動所消耗的壓力油對于液壓鑿巖機的正常工作是必不可少的，但對鑿巖機的輸出能來說，卻是一種能量損失。在活塞的一個運動周期內，閥芯左右各換向一次所消耗的壓力油體積為: (4-7) 式中 因此，在一個沖擊周期內，閥芯運動所消耗的能量為: (4-8) 式中:k — 考慮閥芯運動阻力而引入的系數。 綜上所述，在一個沖擊周期內，配油閥的能量損失為: (4-9) 上式中， 分別由(4-3),( 4-6)和(4-8)式決定。 4.2.3.2運動行程的計算 將(4-3),( 4-6)和(4-8)式代入式(4-9)并令，可得： （4-10） 式中： 解方程式，可以求得使配油閥能量損失最小的閥芯運動行程。 由流體力學可求得配油閥的穩(wěn)態(tài)液動力為: （4-11） 式中:— 通過配油閥回油口的流量，, — 流速系數； — 閥口處的液流角。 由圖4-3，配油閥在沖程換向前以及回程換向前的瞬間，兩端推閥腔的壓力均等于回油壓力，所以，此時閥芯所受的液壓力為: （4-12） 由此可知，若使閥芯定位穩(wěn)定，必須使: （4-13） 將安全系數引入式(4-14)，并將沖程和回程時進油口和回油口的最大 流量代入 ，可得下面兩個方程: （4-14） （4-15） 很顯然，由(4-10).(4-14).(4-15)三式可分別求出滿足各自條件的閥芯運動行程。為了使配油閥工作時定位穩(wěn)定可靠，在進行液壓鑿巖機設計時，運動行程應不小于只者之中的最大值。 配油閥的運動行程是液壓鑿巖機的一個重要設計參數，它直接影響配油閥的能量損失和穩(wěn)態(tài)液動力的大小，而穩(wěn)態(tài)液動力的大小又直接決定著閥的定位穩(wěn)定性。因此，必須在保證配油閥定位穩(wěn)定的前提下，確定使能量損失最小的配油閥運動行程。 4.3 蓄能器的設計 高壓蓄能器是液壓沖擊機構最重要的部件之一 。由于活塞運動速度在往復運動過程中變化很大，活塞撞擊釬尾時的速度最高可達9m/s以上，并且撞擊后其速度很快降為零，因此，活塞運動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。另外由于油液的可壓縮性很小，系統(tǒng)的高速換向會產生很大的液壓沖擊，使系統(tǒng)的壓力高出正常工作壓力的幾倍，這樣的高壓會導致系統(tǒng)管路及元件的損壞，所以必須采取措施來補償流量瞬變和壓力瞬變，一般的液壓沖擊機構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)壓力波動減小。一般在閥控式液壓沖擊機構中采用隔膜式蓄能器來滿足其頻率響應的需要。使用蓄能器能提高液壓沖擊機構的效率，延長其使用壽命。隔膜式蓄能器由容積大致相等的上、下兩部分組成(如圖4-4)，在正常工作的情況下，要求隔膜振動時偏離中間位置的距離基本相等。 圖4-4高壓蓄能器的結構 1-蓄能器體 2-隔膜 3-蓄能器體 根據線性理論的活塞運動三段分析法，在活塞的一個運動周期中，高壓蓄能 器的充排油情況如圖4-5所示。 經推導可得: (1)活塞回程加速階段初期，蓄能器的充油量為: (4-16) 式中:.液壓泵的供油流量， .回程時活塞前腔的峰值流量，;其值為: (4-17) 圖4-5蓄能器工作圖 (2)在活塞回程加速階段末期，蓄能器的排油量為: (4-18) 式中:一一配流閥回程換向時的油液消耗量，;其值為: (4-19) (3)在活塞回程制動階段以及沖程加速階段初期，蓄能器充油量為: (4-20) 式中:沖程時活塞后腔的峰值流量，;其值為: (4-21) (4)在活塞沖程加速階段后期，蓄能器排油量為: (4-22) 式中:配流閥沖程換向時的油液消耗量，;其值與配流閥回程換向時的油液消耗量相等。 顯然，在活塞的一個運動周期中，蓄能器的充、排油量應當相等，即應有: (4-23) 求解上式可得液壓泵的供油流量為: (4-24) 另外，由上述分析可知，在一般情況下，蓄能器的充排油變化是交替產生的，所以在單次工作循環(huán)中，蓄能器的最大容積變化應是上述四項值中的最大值。此值即為蓄能器的工作容積，表示為: i=1~4 (4-25) 由于液壓沖擊機構的工作頻率很高，在工作過程中蓄能器的氣體體積和壓力變化都很快，一般認為可忽略蓄能器的熱量交換過程，而將其氣體狀態(tài)變化過程視為絕熱過程，根據范德瓦斯定律，有: (4-26) 在液壓鑿巖機正常工作時，一般要求蓄能器的隔膜振動偏離中間位置的距離基本相等。在蓄能器最大和最小壓力位置上使用上式，則有: (4-27) 整理得蓄能器充氣容積為: (4-28) 式中:r— 蓄能器最大和最小工作壓力之比， 可得: (4-29) 則蓄能器的充氣壓力為: (4-30) 式中:P一蓄能器隔膜處于中間位置時的