液壓鉆機液壓系統(tǒng)設計含開題及7張CAD圖,液壓,鉆機,系統(tǒng),設計,開題,CAD 液壓鉆機液壓系統(tǒng)設計 摘要 本設計選擇了液壓鉆機的設計，主要原因是當前我國地質(zhì)勘探、工程建設和農(nóng)田水利等事業(yè)正在逐漸完善，對各種鉆探設備尤其是鉆機提出了更多的要求。 本文介紹了對液壓鉆機的工作原理，特點優(yōu)勢，詳細的說明了液壓系統(tǒng)的設計思路，液壓系統(tǒng)壓力的選定，液壓油泵和液壓馬達的設計計算和選型，液壓油缸的設計計算和選型以及控制原件、輔助原件的選型。 關鍵詞：液壓鉆機；液壓系統(tǒng)；選型計算 Abstract This design chose the design of the hydraulic drilling rig, the main reason is that current our country geological exploration, engineering construction and the cause of the irrigation and water conservancy etc is gradually perfect, for all kinds of drilling equipment, especially drill more requirements are put forward. On the working principle of hydraulic drill has been introduced in this paper, characteristic advantage, detail the design idea of hydraulic system, hydraulic system pressure is selected, the design of the hydraulic pump and hydraulic motor calculation and type selection, design and calculation of hydraulic oil cylinder and the choice and control of the original, auxiliary of the original selection. Key words: hydraulic drill rig; The hydraulic system; Selection of 前言 當前我國地質(zhì)勘探、工程建設和農(nóng)田水利等事業(yè)正在逐漸完善，對各種鉆探設備尤其是鉆機提出了更多的要求?，F(xiàn)在市場上流行的鉆機中以液壓的鉆機為主，這些鉆機在承擔各種煤礦爆破項目中起到了至關重要的作用。但是，我們通過調(diào)查和了解發(fā)現(xiàn)，隨著生產(chǎn)建設項目的擴大，市場對上鉆探的液壓鉆機的需求量正在逐步上漲，尤其是全液壓鉆機，市場前景更加樂觀。全液壓鉆機的設計不僅對鉆機這個生產(chǎn)行業(yè)有著重要的經(jīng)濟意義，同時間接推動了我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，意義十分重大。 鉆探是地質(zhì)勘探工作的重要手段之一。鉆機是實現(xiàn)該手段的主要設備。其基本功用是以機械動力帶動鉆頭向地殼鉆孔并采取巖石礦心。鉆機同時還是進行石油、工程地質(zhì)鉆探、天然氣勘探及開采、水文水井鉆探、等工程的重要設備。鉆機的技術性能要保證在施工中能滿足合理的工藝要求，以最優(yōu)規(guī)程達到預計的質(zhì)量要求，維護保養(yǎng)簡單容易，安裝拆卸搬遷方便，節(jié)省能耗，具有低速大載荷的能力，利于快速鉆進，鉆進輔助時間短，鉆孔施工周期短，體力勞動強度低等。概括起來說，液壓鉆機要為好、快、省地完成鉆探生產(chǎn)任務創(chuàng)造有利條件。 III 目 錄 摘要 I Abstract II 前言 III 1.鉆機的設計要求以及設計參數(shù) 1 1.1鉆機的設計要求 1 1.2鉆機的設計參數(shù) 1 2.運動與負載分析 1 2.1運動分析 2 2.2負載分析 2 2.3負載圖F-t和速度圖v-t圖的繪制 2 3.擬定液壓系統(tǒng)原理圖 3 3.1整體設計思路 3 3.2液壓系統(tǒng)設計 4 3.3液壓鉆機工作原理 5 4.液壓系統(tǒng)主要參數(shù) 5 4.1系統(tǒng)參數(shù)的確定 5 4.2液壓缸的選定 6 4.3液壓泵和馬達及電機的確定 6 4.4液壓閥及輔助元件的確定 8 4.5液壓油的選擇 8 4.6液壓元件明細表 9 5.總結體會 9 6.參考資料 10 致 謝 11 IV 1.鉆機的設計要求以及設計參數(shù) 1.1鉆機的設計要求 全液壓鉆機主要用于礦洞打孔作業(yè)，其鉆桿的回轉(zhuǎn)、推進、提升及鉆桿的斜向打孔的定位及調(diào)整等工作均由液壓系統(tǒng)控制完成。鉆機工作時噪聲大，鉆機附近粉塵較大，工作環(huán)境相當惡劣。 要求完成的主要設計內(nèi)容包括： 1) 根據(jù)液壓鉆機的工況要求，擬定液壓系統(tǒng)方案； 2) 根據(jù)給定的液壓鉆機技術參數(shù)，對液壓系統(tǒng)進行設計計算，并選擇液壓元件、確定液壓元件的型號。 3) 編寫設計計算說明書(格式見附錄)，并繪制液壓系統(tǒng)原理圖。 1.2鉆機的設計參數(shù) 已知該液壓鉆機的主要技術參數(shù)如下表所示，請設計該鉆機的液壓驅(qū)動系統(tǒng)。 表1鉆機的主要技術參數(shù) 項目 參數(shù) 項目 參數(shù) 鉆桿 傾角 0~90° 支撐液壓缸最大工作行程 560mm 一次推進行程 800mm 液壓馬達 數(shù)量 1臺 最大推進力 35kN 最大工作轉(zhuǎn)速 160r/min 最大拉力 70kN 單臺馬達額定轉(zhuǎn)矩 630Nm 回轉(zhuǎn)頭 輸出轉(zhuǎn)速 10~100r/min 加壓油缸 行程 950mm 減速比 1:1.6 最大推進力 37kN 輸入轉(zhuǎn)速 160r/min 最大拉力 70kN 最大輸出轉(zhuǎn)矩 2000Nm 2.運動與負載分析 2.1運動分析 圖1液壓鉆機結構簡圖 1-支撐液壓缸 2-液壓馬達 3-加壓油缸 液壓鉆機主要結構如上圖所示，鉆頭(圖中未畫出)安裝在回轉(zhuǎn)頭上。液壓缸1為支撐液壓缸用于支撐工作滑臺并調(diào)節(jié)鉆桿的角度，使其在0~90°(水平向上)范圍內(nèi)擺動；工作時，液壓馬達2驅(qū)動工作滑臺上的回轉(zhuǎn)頭以帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)，同時加壓油缸3推動工作臺前進，給鉆桿提供推力。反之，加壓油缸3退回且鉆桿反向旋轉(zhuǎn)，以拔出鉆桿。 2.2負載分析 在液壓鉆機工作前，支撐缸調(diào)節(jié)滑臺角度并鎖死，工作時推進缸推動滑臺前進，最大推進力37KN，最大拉力70KN，由此可知推進時由液壓缸有桿腔工作，回退時由液壓缸無桿腔工作。 在全液壓鉆機的工作過程中,主要的運動元件是液壓馬達。本液壓系統(tǒng)中按照單個液壓馬達驅(qū)動回轉(zhuǎn)頭設計,回轉(zhuǎn)頭的減速比為1∶1.6 ,即馬達的轉(zhuǎn)速最大為160 r/ min ,液壓馬達轉(zhuǎn)矩大于625 Nm。 在鉆頭沒接觸到巖體或地面時，工作臺以較小的輸出力和較大的攻進速度前進，當接觸巖體或地面后，負載變大，攻進速度減小。鉆完后以較大的力和較大的速度退回，詳細過程見下面的負載圖（圖2）和速度圖（圖3）。 2.3負載圖F-t和速度圖v-t圖的繪制 圖2負載圖F-t 圖3速度圖v-t 3.擬定液壓系統(tǒng)原理圖 3.1整體設計思路 為了保證了操作人員的安全使其工作環(huán)境相對來說噪聲降低,粉塵量較小，在本次設計中決定將整個液壓鉆機分為液壓源部分、操作控制臺部分和鉆機工作三部分。這樣設計,控制臺可以靈活地放置在較遠的地方，便利于各種工作場地的布置,同時可使操作人員始終處于最佳觀察控制位置。 根據(jù)這一思路,要求液壓系統(tǒng)不僅要功能齊全,性能安全可靠,而且還要操作簡便,觀測性好,要能隨時反映各部分的工作狀況,以便操作者采取合適的措施進行控制,使鉆機始終工作在最佳狀態(tài)。 3.2液壓系統(tǒng)設計 根據(jù)總體設計思路,該全液壓鉆機液壓系統(tǒng)主要由液壓源、控制系統(tǒng)、各執(zhí)行機構及輔助元件組成。根據(jù)液壓鉆機工況要求，擬定液壓系統(tǒng)方案如下： 1-油箱 2-吸油過濾器 3-回油過濾器 4-電機 5-液壓泵 6-安全閥 7-壓力過濾器 8、15-調(diào)速閥 9-溢流閥 10-換向閥 11、12-液控單向閥 13-支撐缸 14-液壓馬達 16-壓力表 17-單向節(jié)流閥 18-加壓油缸 圖4液壓回路原理圖 詳細液壓系統(tǒng)原理圖見A3圖紙。 各種液壓回路的選擇與確定 由工況圖可知，當加壓油缸和液壓馬達工作時要求支撐缸鎖定，不能因為系統(tǒng)壓力不穩(wěn)而出現(xiàn)上下浮動，故支撐缸進出油口設置兩個液控單向閥，形成鎖緊回路，保證支撐缸的穩(wěn)定性。這臺液壓鉆機工作臺運動速度低，工作負載為阻力負載且工作中負載變化較小，故可選用進口節(jié)流調(diào)速回路。為提高速度和負載的剛度，可選用調(diào)速閥調(diào)速，并在加壓油缸進油口設置單向調(diào)速閥。液壓馬達有正反轉(zhuǎn)，液壓缸有伸出和縮回，故采用三位四通O型中位機能的手動換向閥實現(xiàn)回路的換向。從液壓鉆機工況圖中可以看出快進、工進、快退三種工況所需的流量與壓力變化很大，為了達到節(jié)能效果采用變量泵。在液壓泵出口加安全閥來限定系統(tǒng)最高壓力，變量泵根據(jù)系統(tǒng)情況自行改變油壓，當達到安全閥調(diào)定值時，安全閥打開，保證各液壓元件的安全。 3.3液壓鉆機工作原理 壓油源部分由油箱1、吸油過濾器2、電機4、液壓泵5、安全閥6、壓力表P1、壓力過濾器7和回油過濾器3組成,其功能為向執(zhí)行機構提供壓力油。控制顯示部分由調(diào)速閥8、三位四通換向閥10、液控單向閥11、12、單向調(diào)速閥18、分流節(jié)流閥15、壓力表P2、P3、P4、P5組成。各執(zhí)行機構同處鉆機主體部分,如下圖所示,由液壓缸13、液壓馬達14、16和液壓缸19組成。 當液壓泵正常工作后，三位四通換向閥S1閥芯向右動作左位機能工作液壓油通過液控單向閥進入支撐缸13，支撐缸13伸出，使工作臺角度變化達到預定鉆孔角度，三位四通換向閥閥芯向左動作換到中位機能，液控單向閥11、12關閉，支撐缸鎖定。三位四通換向閥S2閥芯向左（向右）動作，左位（右位）機能工作，液壓馬達旋轉(zhuǎn)。液壓馬達的轉(zhuǎn)速可以用調(diào)速閥15來實現(xiàn)調(diào)速。三位四通換向閥S3閥芯向左（向右）動作液壓油通過單向調(diào)速閥進入加壓油缸18，來控制鉆桿的前進和后退。溢流閥6、9分別控制系統(tǒng)的最高壓力和系統(tǒng)的工作壓力。壓力表P1顯示液壓泵的出口壓力，P2、P3分別顯示馬達正反轉(zhuǎn)時進出油口的壓力，進而得知鉆桿的轉(zhuǎn)矩，P4、P5顯示加壓油缸進給壓力和后退壓力。 4.液壓系統(tǒng)主要參數(shù) 4.1系統(tǒng)參數(shù)的確定 根據(jù)表2各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力，小型工程機械工作壓力為10~18Mpa，為了減小液壓缸和液壓馬達的外形尺寸，初步暫定系統(tǒng)壓力為16MPa，中低壓液壓系統(tǒng)。 表2各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力 機械類型 機 床 農(nóng)業(yè)機械 小型工程機械 建筑機械 液壓鑿巖機 液壓機 大中型挖掘機 重型機械 起重運輸機械 磨床 組合機床 龍門刨床 拉床 工作壓力/MPa 0.8~2 3~5 2~8 8~10 10~18 20~32 4.2液壓缸的選定 ①加壓油缸的計算選擇 加壓油缸在工作過程中的作用是推進或拉回鉆桿,達到推進或拔起鉆桿的目的,推進時為有桿腔工作,拉回時為無桿腔工作,工作速度一般很慢。根據(jù)其工作性質(zhì),首先確定選擇工程系列液壓缸,因其一次推進行程要求達到800 mm ,考慮到安裝的要求,查機械設計手冊，初步定為HSGK80/ 55*HEZ型液壓缸,該液壓缸行程為950mm，D為80mm，d為55mm。當液壓系統(tǒng)額定壓力限定在16 MPa時,該缸的最大工作壓力也同樣為16 MPa。此時, 該液壓缸的最大推力為: F = 16×106 [(80/ 1000)2- (55/ 1000)2]π/ 4= 42.39KN＞37KN 最大撥起力: F = 16×10- 3×802×π/ 4 = 80.38KN＞70KN 該液壓缸完全符合要求,所以最后確定選擇HSGK80/ 55*HEZ1型液壓缸為加壓油缸。 ②支撐缸的計算選擇 支撐缸在工作過程中只起到固定工作滑臺和調(diào)整鉆孔角度的作用,主要考慮的因素是能否滿足鉆桿在0°～90°(水平向下)范圍內(nèi)調(diào)節(jié),根據(jù)鉆機工作滑臺幾何結構,只要行程大于560 mm即可滿足使用要求,考慮到安裝形式,故在此選定了和推進缸屬同一系列的HSGL63/ 45*HEZ1工程液壓缸,其行程為600 mm ,滿足其要求。 4.3液壓泵和馬達及電機的確定 ①液壓馬達的選擇 根據(jù)液壓鉆機的工況條件，查機械設計手冊，選用QJM型液壓馬達。這是一種內(nèi)曲線液壓馬達，配油軸與轉(zhuǎn)子內(nèi)力平衡，采用可自動補償磨損的軟性塑料活塞環(huán)密封高壓油，具有較高的機械效率和容積效率，能在很低的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，啟動力矩較大。根據(jù)液壓馬達的使用參數(shù)，選擇型號為1QJM11-0.63的液壓馬達。這種馬達排量為0.496L/r，額定工作壓力16Mpa，轉(zhuǎn)速范圍5~320r/min，輸出轉(zhuǎn)矩為734Nm符合設計要求。 qmax =0.496×320/0.9= 142.8 (L/ min) ②液壓泵的選擇 全液壓鉆機在工作時,主要是液壓馬達在要求的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn),加壓油缸緩慢推進或拔起,泵的額定流量選擇主要以液壓馬達的最大流量來確定液壓馬達的容積效率大于0.90 ,所以液壓馬達所需最大流量為: q = 0.496×160/ 0.9= 88.2 (L/ min) 工程上一般用的液壓泵為軸向柱塞泵這種液壓泵脈動小，輸出壓力高，容積效率高,該類型的泵的容積效率大于96 % ,電機轉(zhuǎn)速按1470 r/ min計算,故所需泵的排量大于: q = 88.2×1000/（1470×0.96）=62.5 (ml/r) 鉆機在鉆孔的過程中,加壓油缸有緩慢的進給,以20 cm/ min進給為例,所需流量約為0.53 L/ min ,幾乎可以忽略不計。 選擇排量為80 ml/ r的泵,電機轉(zhuǎn)速按1470 r/ min計算,其流量為: q = 80×10- 3×1470×0.96 = 112.896 (L/ min) 該規(guī)格的液壓泵的流量是可以滿足其工作要求的。 根據(jù)以上壓力和流量數(shù)值查閱機械設計手冊，最后確定選取JBN-G80QF柱塞泵，額定轉(zhuǎn)速1800r/min，公稱排量為80mL/r，滿足要求。這種液壓泵具有工作壓力高、壽命長、耐沖擊、噪聲低、響應快、抗污染能力強、自吸性能好的特點。主要用于礦山、冶金、起重、輕工機械等液壓系統(tǒng)中。 q = 80×10- 3×1800×0.96 = 138.24 (L/ min) ③確定電動機功率及型號 不計油路損失，液壓泵輸出壓力為16MPa，輸出最大流量為138.24 (L/ min)，液壓泵總效率，這時液壓泵的驅(qū)動電動機的功率為： 根據(jù)此數(shù)值查閱機械設計手冊，選用電動機型為Y225M-4異步電動機，其額定功率為45kW，額定轉(zhuǎn)速為1470r/ min。 4.4液壓閥及輔助元件的確定 ①液壓閥的確定 根據(jù)實際工作壓力以及流量大小即可選擇液壓閥。 ②油箱容積的確定 液壓系統(tǒng)的油箱容積如不加冷卻裝置，自然風冷，一般取液壓泵額定流量的5～7倍，本設計取6倍，故油箱容積為： 考慮到實際工作環(huán)境,油箱設計為封閉結構,其上裝有油溫表、油標、空氣過濾器等。 ③過濾器的選擇 過濾器的功用是過濾液壓油中的雜質(zhì)，降低油液污染度，保證液壓系統(tǒng)正常工作。由于液壓系統(tǒng)的各類故障絕大多數(shù)有液壓油污染造成，而過濾器是保持油液清潔的主要手段，所以合理的選用和設置液壓系統(tǒng)中的過濾器顯得非常重要。 由于泵的自吸能力都不是很好，則吸油口過濾器應該選擇粗過濾。管路上的壓力過濾器是保護液壓系統(tǒng)中的各個元件且承受高壓，則應該選用大流量高精度高強度的過濾器。會有過濾器主要是防止液壓元件、執(zhí)行機構在工作中的正常磨損產(chǎn)生的粉末、金屬屑等污染物隨液壓油流回油箱，則應該選擇大流量高精度的過濾器。 根據(jù)以上原則查機械設計手冊選擇過濾器型號如下： 吸油過濾器：WU-160×180S 油路過濾器：ZU-H160×10S 回油過濾器：ZU-A250×10S 管道及連接件的確定 管道及連接件由液壓元件的尺寸確定。液壓缸的進出油管按輸入、輸出的最大流量來計算。 4.5液壓油的選擇 液壓工作介質(zhì)的功用是載能和潤滑、冷卻，其特點對液壓系統(tǒng)的工作品質(zhì)及功能具有很大影響。不同的工作機械設備和系統(tǒng)，對工作液體的要求不同。根據(jù)液壓鉆機的工況條件查機械設計手冊選用L-HM32。這種液壓油具有很好的抗磨性，適用低、中、高壓液壓系統(tǒng)。 4.6液壓元件明細表 表5液壓元件明細表 序號 元件名稱 最大通過流量/ 型號 1 油箱、溫度計、液面表 — CTW-200 2 吸油過濾器 160 WU-160×180S 3 回油過濾器 250 ZU-A250×10S 4 電機 — Y225M-4 5 液壓泵 138.24 JBN-G80QF 6 安全閥 200 DB10A-2-30/31.5 7 油路過濾器 160 ZU-H160×10S 8 調(diào)速閥 160 MSA30EP160 9 溢流閥 200 DB10A-2-30/31.5 10 多路換向閥 160 ZS2-L25F-T-O 11 液控單向閥 — SVPP20PA 12 液控單向閥 — SVPP20PA 13 支撐缸 — HSGL63/ 45*HEZ1 14 液壓馬達 138.24 JBN-G80QF 15 調(diào)速閥 160 MSA30EP160 16 帶截止閥的壓力表 — YN-100 17 單向調(diào)速閥 100 QA-H20 18 加壓油缸 — HSGK80/ 55*HEZ 5.總結體會 通過這次畢業(yè)設計，加強了自己的專業(yè)能力。包括：液壓系統(tǒng)方案設計，液壓系統(tǒng)的設計與計算(包括：負載分析和運動分析，元件計算與選型，系統(tǒng)性能驗算等)，液壓裝置的結構設計(包括：結構類型的確定，油路塊設計，液壓泵站的設計等)，以及相關設計軟件(如AutoCAD，Pro/Engineer等)和機械設計手冊的熟練使用等。 這次畢業(yè)設計提高了我的綜合運用機械設計知識及其他理論知識來解決實際問題的能力，真正做到了學以致用。我覺得更為重要的一點是它讓我更理性的認識了我們的專業(yè)，學會查閱資料的能力。同時培養(yǎng)了我們的團隊精神和吃苦耐勞的能力，相信我們有了些許設計方面的經(jīng)驗，將在設計應用方面有更大的進步。 6.參考資料 [1] 張利平. 液壓傳動設計指南. 化學工業(yè)出版社. 2009.7。 [2] 雷天覺. 新編液壓工程手冊. 北京理工大學出版社. 2005.9。 [3] 王守城, 段俊勇. 液壓元件及選用. 化學工業(yè)出版社. 2007.1。 [4] 杜國森. 液壓元件產(chǎn)品樣本. 機械工業(yè)出版社. 2000.4。 [5] 成大先. 機械設計手冊. 化學工業(yè)出版社. 2000。 [6] 孫文質(zhì). 液壓控制系統(tǒng). 國防工業(yè)出版社. 1985.1。 [7] 張利平. 液壓傳動系統(tǒng)及設計. 化學工業(yè)出版社. 2000.4。 致 謝 通過本次畢業(yè)設計讓我收獲很大。使我對液壓鉆機的性能做了進一步更深刻的了解。在XXX老師的悉心指導下,現(xiàn)已基本掌握了液壓鉆機的結構原理、適用范圍，液壓系統(tǒng)的設計以及液壓元件的選擇。XXX老師的嚴謹治學，深深地感染和激勵著我。 從剛開始進入課題時的茫然，到畢業(yè)設計的順利完成，中間有許多新知識要學，XXX老師不僅在大局上給我以引導，同時還在細節(jié)上給我指出要注意的問題，這讓我少走了很多彎路，很快就上手了。XXX老師在我畢業(yè)設計上傾注了大量的時間和心血。在此，謹向XXX老師表示崇高的敬意和衷心的感謝！我還要感謝機械系領導給我們提供專門的實驗室，讓我有一個做畢業(yè)設計的良好環(huán)境。正是由于XXX老師和系領導的幫助與支持，我才能克服在畢業(yè)設計中遇到的困難和疑惑，順利地完成了這次設計工作。 在此，我對在這次畢業(yè)設計中，幫助過我的老師、同學和朋友表示誠摯的感謝！ 11