摘要
鑿巖機(jī)械是采掘、建筑、工程建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的的工程機(jī)械。盡管世界鑿巖機(jī)，尤其是鑿巖機(jī)技術(shù)有很大發(fā)展，但在我國(guó)其主導(dǎo)產(chǎn)品幾十年來(lái)沒(méi)有大的變化。我國(guó)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(yán)重的支腿式氣動(dòng)鑿巖機(jī)。研制開(kāi)發(fā)輕型獨(dú)立回轉(zhuǎn)液壓鑿巖機(jī)就是在這樣的背景下提出的。用輕型獨(dú)立回轉(zhuǎn)鑿巖機(jī)替代傳統(tǒng)的氣動(dòng)鑿巖機(jī)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(shù)水平。
本文在綜合分析各類液壓鑿巖機(jī)沖擊工作原理和輕型液壓鑿巖機(jī)各種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了輕型獨(dú)立回轉(zhuǎn)液壓鑿巖機(jī)的構(gòu)型，對(duì)其主要部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。
在設(shè)計(jì)中，本文重點(diǎn)的是設(shè)計(jì)液壓鑿巖機(jī)的液壓系統(tǒng)，其包括：配流閥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；蓄能器的設(shè)計(jì)；活塞防空打裝置的設(shè)計(jì)；液壓沖擊機(jī)構(gòu)液壓控制原理圖。
針對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓鑿巖機(jī)，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件畫(huà)出其裝配圖和部分典型零件圖，然后對(duì)其進(jìn)行分析研究，了解其結(jié)構(gòu)原理，對(duì)本次設(shè)計(jì)的成果進(jìn)一步鞏固加深，達(dá)到設(shè)計(jì)的最終目的。
關(guān)鍵詞：鑿巖機(jī)；設(shè)計(jì)；輕型；獨(dú)立回轉(zhuǎn)；研究；沖擊機(jī)構(gòu)
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(jī)的發(fā)展 1
1.2 液壓鑿巖機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 6
1.3 液壓鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型 8
第二章 液壓鑿巖機(jī)的沖擊工作原理及結(jié)構(gòu)分析 9
2.1前腔回油后腔常壓型液壓鑿巖機(jī)沖擊工作原理 9
2.2后腔回油前腔常壓型液壓鑿巖機(jī)沖擊工作原理 10
2.3 雙面回油型液壓鑿巖機(jī)沖擊工作原理 11
2.4無(wú)閥型液壓鑿巖機(jī)沖擊工作原理 12
2.5 有閥型液壓鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 13
第三章 輕型獨(dú)立回轉(zhuǎn)液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 16
3.1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 16
3.2 內(nèi)回轉(zhuǎn)式 17
3.3 外回轉(zhuǎn)式 17
第四章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19
4.1 液壓沖擊機(jī)構(gòu)控制原理圖 19
4.2 配流閥系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20
4.3 蓄能器的設(shè)計(jì) 27
4.4 活塞防空打裝置的設(shè)計(jì) 31
結(jié)論 36
參考文獻(xiàn) 37
致謝 38
44
第一章 緒論
1.1 液壓鑿巖機(jī)的發(fā)展
1.1.1 液壓沖擊機(jī)械發(fā)展簡(jiǎn)史
20世紀(jì)60年代初期，德國(guó)Krupp公司研制出了實(shí)用的液壓碎石機(jī)，它首先用于城市建筑施工工程；1970年法國(guó)Montabert公司首先研制成功了世界上第一臺(tái)實(shí)用的液壓鑿巖機(jī)，并很快投入批量生產(chǎn)、推廣使用；隨后瑞典、德國(guó)、美國(guó)、芬蘭、日本等國(guó)陸續(xù)研制出了各種型號(hào)的液壓鑿巖機(jī)或液壓碎石機(jī)投放市場(chǎng)。與傳統(tǒng)的氣動(dòng)沖擊機(jī)械相比，液壓沖擊機(jī)械具有能耗低、效率高、環(huán)境污染小、操作方便、易于實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，它們?cè)谏a(chǎn)實(shí)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(xiàn)了包括瑞典的Atlas...Copco、Linden..Ali mark公司，法國(guó)的Montaber、Emir... Secorna公司芬蘭Tamroc公司，日本的古河Furukam礦業(yè)株式會(huì)社，美國(guó)的 Garder..Den—verIngersol..Rand公司和德國(guó)的Krup公司等著名公司在內(nèi)的30多家液壓沖擊機(jī)械專業(yè)生產(chǎn)廠家，在世界范內(nèi)形成了一個(gè)新興的工業(yè)產(chǎn)業(yè)。目前，已有數(shù)百種液壓鑿巖機(jī)和液壓碎石機(jī)的系列產(chǎn)品問(wèn)世，一些先進(jìn)的產(chǎn)品已歷經(jīng)了幾代更新。我國(guó)開(kāi)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(guó)際研究水平同步 ，但由于當(dāng)時(shí)我國(guó)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(guó)普遍推廣應(yīng)用。直到80年代，我國(guó)科研人員走技術(shù)引進(jìn)和自行開(kāi)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(zhǎng)沙礦冶研究院研制成功了我國(guó)第一臺(tái)液壓鑿巖機(jī)一嗍0型導(dǎo)軌式液壓鑿巖機(jī)，不久以后，由中南工業(yè)大學(xué)研制的YYG90型液壓鑿巖機(jī)、北京科技大學(xué)研制的YS一5000型液壓碎石機(jī)和長(zhǎng)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(guò)了國(guó)家有關(guān)部門(mén)組織的技術(shù)鑒定。近年來(lái) ，隨著我國(guó)對(duì)外開(kāi)放政策的深入和科學(xué)技術(shù)的長(zhǎng)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(guó)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(guó)的能源開(kāi)發(fā)、城市建筑、隧道工程建設(shè)中獲得了較好的應(yīng)用。
1.1.2 研究現(xiàn)狀
一. 液壓沖擊器的研究
液壓沖擊器是液壓沖擊機(jī)械(如液壓鑿巖機(jī)、液壓碎石機(jī)等)的關(guān)鍵部件，長(zhǎng)期以來(lái)，液壓沖擊器系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究與探索一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。按照研究時(shí)所采用的數(shù)學(xué)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(duì)沖擊器作一些必要的假設(shè)，將其運(yùn)動(dòng)規(guī)律用明確的線性數(shù)學(xué)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(shè)并忽略某些影響因素，以此為基礎(chǔ)，對(duì)液壓沖擊器進(jìn)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(diǎn)的是前蘇聯(lián)學(xué)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(shè)計(jì)方案。在沖擊器的早期研究中，許多國(guó)內(nèi)學(xué)者也提出 過(guò)相似的觀點(diǎn)。人們將沖擊器的工作過(guò)程分為三個(gè)階段：即回程加速、回程制動(dòng)和沖程，并認(rèn)為在整個(gè)過(guò)程中油壓恒定不變。中南工業(yè)大學(xué)楊襄璧教授提出了著名的抽象設(shè)計(jì)變量理論，該理論的核心是以沖程時(shí)間比：a=沖程時(shí)間()／周期時(shí)間(T)作為抽象設(shè)計(jì)變量，由此推導(dǎo)出了液壓沖擊器結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)的整套設(shè)計(jì)公式，并對(duì)液壓沖擊器進(jìn)行了一系列的優(yōu)化研究；何清華教授以沖擊器結(jié)構(gòu)特征系數(shù)——活塞前后腔有效面積比作為無(wú)量綱設(shè)計(jì)變量，對(duì)沖擊器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
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(jié)構(gòu)的本質(zhì)關(guān)系，有確切的數(shù)學(xué)表達(dá)式，求解方便，但它忽略了許多影響因素，需用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)修正。液壓沖擊器是一個(gè)由活塞 、配流控制閥和蓄能器等部件組成的相互制約的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，為了較精確地揭示其運(yùn)動(dòng) 規(guī)律和物理特性 ，非線性研究方法越來(lái)越受到人們的重視。早在20世紀(jì)70年代，國(guó)外就有人將計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)的研究，并指出這種研究方法能夠獲得較為精確的結(jié)果。1976年，日本學(xué)者槌口正雄提出了一種液壓沖擊裝置的非線性數(shù)學(xué)模型；1980年，北京科技大學(xué)的學(xué)者提出了一個(gè)以蓄能器壓力為工作壓力的非線性數(shù)學(xué)模型，并求得了穩(wěn)定的仿真數(shù)字解；1983年，中南工業(yè)大學(xué)何清華教授使用狀態(tài)切換法建立了全面的數(shù)學(xué)模型，提出了“準(zhǔn)勻加速計(jì)算法”(PUA法)，并對(duì)各狀態(tài)切換間的誤差進(jìn)行了修正，提高了仿真精度；1987年，北京科技大學(xué)陳孝忠、陳定遠(yuǎn)教授建立了沖擊機(jī)構(gòu)非線性數(shù)學(xué)模型，并用BASIC語(yǔ)言編寫(xiě)了仿真程序 ，取得了與實(shí)測(cè)結(jié)果較為一致的仿真數(shù)據(jù)。
二. 蓄能器的研究
液壓沖擊器的所有運(yùn)動(dòng)體工作時(shí)始終處于劇烈的變速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其配流控制閥的換向頻率高達(dá)50～60要求在極短的時(shí)間內(nèi)完成大開(kāi)口量的油路切換動(dòng)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(dòng)和液壓沖擊。因此，液壓沖擊器系統(tǒng)中設(shè)置蓄能器的目的就是為了吸收這種壓力脈動(dòng)和液壓沖擊，同時(shí)在正常工作時(shí)吸收供過(guò)于求的能量，當(dāng)系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)需要大量壓力油時(shí)，蓄能器可補(bǔ)充供不應(yīng)求的能量，這樣可減小液壓泵的容量，從而減少電機(jī)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(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)好壞直接影響液壓沖擊器的整機(jī)性能，因此人們對(duì)蓄能器進(jìn)行了大量的研究工作。提出了回油蓄能器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法；以集中參數(shù)為基礎(chǔ)，建立了高壓隔膜式蓄能器的動(dòng)態(tài)模型，分析了蓄能器系統(tǒng)的頻率特性，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)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(shù)比；通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定液壓碎石機(jī)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(duì)液壓碎石機(jī)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(shí)不可避免地會(huì)出現(xiàn)釬尾沖擊反彈現(xiàn)象和空打現(xiàn)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(duì)液壓沖擊器的使用壽命起著很大的影響。國(guó)內(nèi)有關(guān)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(guò)程的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行 了仿真研究；進(jìn)行了釬尾反彈能量吸收裝置及防空打裝置的計(jì)算機(jī)仿真研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)；應(yīng)用波動(dòng)力學(xué)理論，導(dǎo)出了沖擊器各部件的回彈速度計(jì)算公式，并指出回彈的能量可通過(guò)沖擊器各部件的合理設(shè)計(jì)而加以利用；中南工業(yè)大學(xué)液壓工程機(jī)械研究所研制了二級(jí)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(shù)調(diào)節(jié)的研究
沖擊鑿巖破碎理論與實(shí)踐表明：對(duì)于某種確定的工作對(duì)象(如巖石、路基等)，均存在一個(gè)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(duì)象破碎過(guò)程所消耗的能量才最少。因此，在鑿巖破碎作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)工作對(duì)象的物理性質(zhì)(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(jìn))發(fā)生變化時(shí)，為了降低鑿巖破碎成本和提高生產(chǎn)效率，出現(xiàn)了輸出工作參數(shù)可以調(diào)節(jié)的液壓沖擊器。
事實(shí)上，液壓沖擊器能實(shí)現(xiàn)變參數(shù)輸出的特點(diǎn)也正是其取代氣動(dòng)沖擊器的一個(gè)重要原因，因?yàn)闅鈩?dòng)沖擊器只有一個(gè)恒定的活塞行程，是不可調(diào)節(jié)的。目前，世界上許多液壓沖擊機(jī)械制造商紛紛推出一些行程可調(diào)的液壓沖擊器系列產(chǎn)品，如瑞典Atlas..Copco公司于20世紀(jì)80年代率先推出了CoP1238系列三擋液壓鑿巖機(jī)；美國(guó)Gardner— Denver公司HPR一1型自動(dòng)調(diào)節(jié)行程液 壓鑿巖機(jī)；法國(guó)Emico..Secoma公司的RPH200型三擋液壓鑿巖機(jī)以及日本三菱商事株式會(huì)社的MKB1300型液壓碎石機(jī)。中南工業(yè)大學(xué)也于80年代首先進(jìn)行了這方面的研究工作，成功研制了YYG系列自動(dòng)換擋液壓鑿巖機(jī)，并已開(kāi)始用于生產(chǎn)實(shí)踐 ，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。上述液壓沖擊器都是基于行程反饋原理設(shè)計(jì)的，這些液壓沖擊器輸出工作參數(shù)的調(diào)節(jié)主要是通過(guò)改變系統(tǒng)的輸入壓力(流量)，或增設(shè)多個(gè)回程反饋信號(hào)孔，通過(guò)控制各信號(hào)孔的開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)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(jié)構(gòu)的限制(缸體上不可能設(shè)置太多回程反饋信號(hào)孔)，這種原理只能實(shí)現(xiàn)液壓沖擊器工作參數(shù)的有級(jí)調(diào)節(jié)，在使用過(guò)程中沖擊能與沖擊頻率調(diào)節(jié)不方便，并且沖擊能和沖擊頻率的同步增減引起主機(jī)功率變化很大，限制了液壓沖擊器工作范圍的擴(kuò)大和工作效率的提高。因此，在主機(jī)功率變化不大的情況下，開(kāi)發(fā)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)工作參數(shù)的液壓沖擊器就成了研究熱點(diǎn)。中南工業(yè)大學(xué)液壓工程機(jī)械研究所提出了基于壓力反饋原理獨(dú)立無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)工作參數(shù)的構(gòu)想，并推出了這種新型液壓沖擊器產(chǎn)品。它主要是通過(guò)控制活塞回程壓力大小來(lái)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)沖擊器的單次沖擊能；同時(shí)，通過(guò)控制變量泵的流量，無(wú)級(jí)調(diào)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(nèi)各自獨(dú)立無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，而主機(jī)功率變化不大。對(duì)于液壓沖擊器工作參數(shù)調(diào)節(jié)理論的研究，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者作了大量的工作。為適應(yīng)在不同工況下工作，如工作對(duì)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(dòng)、連續(xù)、無(wú)級(jí)地調(diào)節(jié)工作參數(shù)以滿足不同工況的要求，即所謂變行程無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的液壓沖擊器。關(guān)于這種新型液壓沖擊機(jī)械的理論研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制方法目前尚屬空白，因此，開(kāi)發(fā)研制這類性能更為先進(jìn)的設(shè)備便成為促進(jìn)液壓沖擊機(jī)械技術(shù)進(jìn)步的重要課題。
五. 液壓沖擊器計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的研究
1988年北京科技大學(xué)以設(shè)計(jì)工作程式為線索，將參數(shù)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算和仿真驗(yàn)算統(tǒng)一起來(lái)，形成了液壓沖擊機(jī)構(gòu) CAD軟件。該軟件的參數(shù)優(yōu)化是以液壓沖擊機(jī)構(gòu)的理想線性模型為基礎(chǔ)，而仿真驗(yàn)算是以沖擊機(jī)構(gòu)的非線性模型為基礎(chǔ)。1994年，中南工業(yè)大學(xué)系統(tǒng)地研究了多擋液壓沖擊器的設(shè)計(jì)理論，編寫(xiě)了YYG系列液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)的仿真通用軟件，實(shí)現(xiàn)了該系列液壓鑿巖機(jī)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪圖。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用于液壓沖擊機(jī)械，大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，為這種機(jī)械產(chǎn)品的理論設(shè)計(jì)研究和產(chǎn)業(yè)化提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保證。
1.1.3 發(fā)展趨勢(shì)
液壓沖擊機(jī)械在過(guò)去的3O多年里得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。隨著全球經(jīng)濟(jì)的巨大發(fā)展，資源開(kāi)發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)顯得尤為重要 世界市場(chǎng)特別是中國(guó)市場(chǎng)對(duì)液壓沖擊設(shè)備的需求量 日益擴(kuò)大，對(duì)其性能的要求也越來(lái)越高，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。就目前來(lái)看，液壓沖擊機(jī)械大致有以下發(fā)展動(dòng)向:
(1)產(chǎn)品更新?lián)Q代周期短，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。瑞典AtIa Copco公司推出COP1838、 CoP1440系列液壓鑿巖機(jī)取代O0lP1238系列機(jī)型；德國(guó)的Krupp公司推出了沖擊能和頻率可調(diào)節(jié)的液壓破碎錘，實(shí)現(xiàn)了液壓破碎錘輸出工作參數(shù)的連續(xù)控制；國(guó)內(nèi)中南工業(yè)大學(xué)先后研制YYG90、YYG9IOA、YYG90B、YYG145等系列液壓鑿巖機(jī)。
(2)產(chǎn)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(jī)沖擊頻率可達(dá)，沖擊能達(dá)440J,扭矩500.700N·m；中南工業(yè)大學(xué)研制的 YYG145型多擋液壓鑿巖機(jī)輸出最大沖擊能也達(dá)到330J，沖擊頻率達(dá)，扭矩為450N·m。
(3)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和釬具質(zhì)量不斷改進(jìn)，鉆鑿 破碎的經(jīng)濟(jì)性和精確性大幅度提高。瑞典Atla.Copco公司的COP1838液壓鑿巖機(jī)的鉆孔速度比COP1238型提高80％，釬具壽命延長(zhǎng)80％。
(4)采用智能化控制。這里指鑿巖破碎過(guò)程的計(jì)算機(jī)化，它包括兩個(gè)方面：一是采用電液控制技術(shù)，對(duì)液壓沖擊器的工作參數(shù)進(jìn)行控制，使其可根據(jù)工作對(duì)象的不同物理性質(zhì) 自動(dòng)地?zé)o級(jí)調(diào)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(duì)液壓鉆車(chē)鉆臂定位系統(tǒng)進(jìn)行控制，使其能迅速而準(zhǔn)確可靠地移動(dòng)到指定位置，目前中南大學(xué)完成的國(guó)家“863”項(xiàng)目——隧道鑿巖機(jī)器人的研究就是這個(gè)發(fā)展方向。
(5)液壓沖擊機(jī)械性能參數(shù)測(cè)試測(cè)控的計(jì)算機(jī)化。以計(jì)算機(jī)為核心，采用各種可視化軟件(Ⅶ 、VC等)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試技術(shù)與手段的虛擬化。
(6)液壓沖擊機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制技術(shù)的信息化。任何一種機(jī)械產(chǎn)品從構(gòu)思、設(shè)計(jì) 、制造到投入使用，離不開(kāi)各種信息 (包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、控制參數(shù)、價(jià)格因子及市場(chǎng)需求等)的集中分析、儲(chǔ)存、加工和處理，使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)以智能、動(dòng)力、結(jié)構(gòu)和傳感組成的有序信息流的在線分析與處理，完成對(duì)液壓沖擊機(jī)械系統(tǒng)的信息化設(shè)計(jì)與控制。
隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，液壓沖擊機(jī)械20世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)，在短短30年中獲得了迅速的發(fā)展，目前在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中，已形成了一個(gè)重要的新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，并取得了顯著的社會(huì)效 益和經(jīng)濟(jì)效益，以液壓沖擊器及其控制系統(tǒng)為核心技術(shù)的研究也提高到了一個(gè)新水平。由于種種原因，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)的需求，一些生 產(chǎn)廠和大學(xué)研究機(jī)構(gòu)投入了相當(dāng)?shù)娜肆唾Y金進(jìn)行液壓沖擊機(jī)械的開(kāi)發(fā)研究，以提高我國(guó)在這一領(lǐng)域的技術(shù)水平。
1.2 液壓鑿巖機(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(wú)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(wú)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(lái)，國(guó)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。下面介紹液壓鑿巖機(jī)的一些基本結(jié)構(gòu)。
(1)沖擊機(jī)構(gòu)
液壓沖擊機(jī)構(gòu)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(guān)鍵部件，它的性能直接決定了液壓鑿巖機(jī)整機(jī)的性能。
1)活塞
活塞是傳遞沖擊能量的主要零件，其形狀對(duì)破巖效果有較大影響。由波動(dòng)力學(xué)理論可知，活塞直徑與釬尾直徑越接近越好，且在總長(zhǎng)度上直徑變化越小越好。通過(guò)對(duì)氣動(dòng)和液壓鑿巖機(jī)兩種活塞的效果比較發(fā)現(xiàn)，液壓鑿巖機(jī)的活塞只比氣動(dòng)鑿巖機(jī)的活塞重19%，可是輸出功率卻提高了一倍，而釬桿內(nèi)的應(yīng)力峰值則減小了20%。因此，雙面回油型液壓鑿巖機(jī)的活塞斷面變化最小，且細(xì)長(zhǎng)，是最理想的活塞形狀。
2)配流閥
液壓鑿巖機(jī)的配流閥有多種形式，概括起來(lái)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(gè)零件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其結(jié)構(gòu)受活塞的制約，只能制成三通閥。而芯閥是一個(gè)部件，由多個(gè)零件組成，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可制成三通或四通閥。三通閥適用于單面回油的機(jī)型，而雙面回油型液壓鑿巖機(jī)則必須采用四通閥。
3)蓄能器
液壓沖擊機(jī)構(gòu)的活塞只在沖程時(shí)才對(duì)釬尾作功，而回程時(shí)不對(duì)外作功，為了充分利用回程能量，需配備高壓蓄能器儲(chǔ)存回程能量，并利用它提供沖程時(shí)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(dòng)，也需配置蓄能器，以保證機(jī)器〔作的可靠性，提高各部件的壽命。目前，國(guó)內(nèi)外各種有閥型液壓鑿巖機(jī)都配有一個(gè)或二個(gè)高壓蓄能器，有的液壓鑿巖機(jī)為了減少回油的脈動(dòng)，還設(shè)有回油蓄能器。因液壓鑿巖機(jī)的沖擊頻率高，故都采用反應(yīng)靈敏、動(dòng)作快的隔膜式蓄能器。
4)缸體
缸體是液壓鑿巖機(jī)的主要零件，體積和重量都較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔道和油槽多，要求加工精度高。為解決此問(wèn)題，各型液壓鑿巖機(jī)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(shí)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(jī)大多采用整體式缸體
5)活塞導(dǎo)向套
活塞的前后兩端都有導(dǎo)向套支承，其結(jié)構(gòu)有整體式和復(fù)合式兩種。前者加工簡(jiǎn)單，后者性能優(yōu)良。目前國(guó)內(nèi)多采用整體式，少數(shù)采用復(fù)合式。
(2)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要用于轉(zhuǎn)動(dòng)釬具和接卸釬桿。在液壓鑿巖機(jī)中，因輸出扭矩較大，所以主要采用獨(dú)立外回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)一套齒輪裝置并帶動(dòng)釬尾作獨(dú)立的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因擺線液壓馬達(dá)體積小、扭矩大、效率高，故液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)普遍采用這種馬達(dá)。
(3)供水裝置
液壓鑿巖機(jī)大都采用壓力水作為沖洗介質(zhì)，其供水裝置的作用就是供給沖洗水以排除巖孔內(nèi)的巖碴，它有中心供水式和旁側(cè)供水式兩種。
中心供水式裝置與一般氣動(dòng)鑿巖機(jī)中心供水方式相同，壓力水從鑿巖機(jī)后部的注水孔通過(guò)水針從活塞中間孔穿過(guò)，進(jìn)入前部釬尾來(lái)沖洗鉆孔。這種供水方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)頭部分體積小，但密封比較困難。
旁側(cè)供水裝置是液壓鑿巖機(jī)廣泛采用的結(jié)構(gòu)。沖洗水通過(guò)鑿巖機(jī)前部的供水套進(jìn)入釬尾的進(jìn)水孔去沖洗鉆孔。這種供水方式由于水路短，易于實(shí)現(xiàn)密封，且即使發(fā)生漏水也不會(huì)影響鑿巖機(jī)內(nèi)部的正常潤(rùn)滑，其缺點(diǎn)是機(jī)頭部分增加了長(zhǎng)度。
1.3 液壓鑿巖機(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(wú)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(jiàn)下表。
表1-1液壓鑿巖機(jī)的分類
類型
有閥型
無(wú)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(yùn)動(dòng)
三通法控差動(dòng)
三通法控差動(dòng)
四通閥控
活塞自配油
閥的結(jié)構(gòu)
套閥
心閥
套閥
心閥
芯閥
無(wú)
典型產(chǎn)品
國(guó)外
Tamrock公司的HE,HL系列
古河株式會(huì)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(guó)內(nèi)
TTYYG.20
YYG.250B
YYG.90A
YYG.80系列
第二章 液壓鑿巖機(jī)的沖擊工作原理及結(jié)構(gòu)分析
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。
2.1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(guò)改變前腔的供油和回油來(lái)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2-1所示位套閥式的沖擊工作原理。當(dāng)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(kāi)始作回程運(yùn)動(dòng)(圖2-1a)。當(dāng)活塞回程到一定位置時(shí)，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(yùn)動(dòng)，關(guān)閉活塞前腔的壓油口，開(kāi)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2-1b)。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(kāi)始作沖程運(yùn)動(dòng)(圖2-1c)。當(dāng)活塞在沖程中離沖擊點(diǎn)還有一定距離時(shí)，推閥腔C與壓油腔B相通，套閥進(jìn)行沖程換向，在此過(guò)程中，活塞高速?zèng)_擊釬尾(2-1d)。與此同時(shí)，沖程換向完畢，活塞前腔進(jìn)入高壓油，又開(kāi)始作下一次循環(huán)的回程運(yùn)動(dòng)。
圖2-1 前腔回油后腔常壓型液壓鑿巖機(jī)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(jī)沖擊工作原理
此型液壓鑿巖機(jī)是通過(guò)改變后腔的供油和回油來(lái)實(shí)現(xiàn)活塞的沖擊往復(fù)運(yùn)動(dòng)的，也有套閥式和芯閥式兩種，其套閥式液壓鑿巖機(jī)沖擊工作原理如圖2-2所示。當(dāng)套閥4處于右端位置時(shí)，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(yùn)動(dòng)(圖2-2a)。當(dāng)活塞超過(guò)回程換向信號(hào)孔位A時(shí)，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(yùn)動(dòng)進(jìn)行回程換向，高壓油通過(guò)機(jī)體內(nèi)部孔道與活塞后腔相通，活塞向右作減速運(yùn)動(dòng)，后腔的油一部分進(jìn)入蓄能器3，一部分從機(jī)體內(nèi)部通道流入前腔，直至回程終點(diǎn)(圖2-2b)。由于活塞臺(tái)肩后端面大于活塞臺(tái)肩前端面，因此活塞后端面作用力遠(yuǎn)大于前端面作用力，活塞向左作沖程加速運(yùn)動(dòng)(2-2c)當(dāng)活塞越過(guò)沖程信號(hào)孔位B時(shí)，配流閥右端推閥面與回油相通，配流閥進(jìn)行沖程換向(2-2d)，為活塞回程作好準(zhǔn)備，與此同時(shí)活塞沖擊釬尾作功，完成一個(gè)工作循環(huán)。
圖2-2前腔常壓后腔回油型液壓鑿巖機(jī)沖擊工作原理
(a)回程加速(b)回程換向、回程制動(dòng)(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(hào)孔位 B—沖程換向信號(hào)孔位
2.3 雙面回油型液壓鑿巖機(jī)沖擊工作原理
此類液壓鑿巖機(jī)都為四通芯閥式結(jié)構(gòu)，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(kāi)始階段(圖2-3a)，閥芯2位于左端，活塞4位于右端，高壓油經(jīng)油路進(jìn)入缸體后腔，推動(dòng)活塞向左作加速運(yùn)動(dòng)?；钊蜃筮\(yùn)動(dòng)到預(yù)定位，打開(kāi)沖程換向信號(hào)孔口，高壓油經(jīng)推閥油路作用在閥芯的左推閥面，推動(dòng)閥芯向右運(yùn)動(dòng)進(jìn)行沖程換向(圖2-3b)配流閥右端腔室中的油經(jīng)推閥油路進(jìn)入活塞中間腔，再經(jīng)回油通道返回油箱，為回程運(yùn)動(dòng)作好準(zhǔn)備，與此同時(shí)，活塞打擊釬尾。在完成沖程運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)，活塞即刻進(jìn)入回程運(yùn)動(dòng)(圖2-3c),高壓油經(jīng)進(jìn)油路進(jìn)入缸體前腔，推動(dòng)活塞向右作加速運(yùn)動(dòng)。 活塞向右運(yùn)動(dòng)打開(kāi)回程換向信號(hào)孔口A時(shí)，高壓油經(jīng)推閥油路作用在閥芯的右端面，推動(dòng)閥芯回程換向(圖2-3d )，閥左端腔室中的油經(jīng)推閥油路、活塞中間腔和回油通道返回油箱，閥芯運(yùn)動(dòng)到左端，為下一循環(huán)作好準(zhǔn)備。
圖2-3雙面回油型液壓鑿巖機(jī)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(wú)閥型液壓鑿巖機(jī)沖擊工作原理
該型液壓鑿巖機(jī)沒(méi)有專門(mén)的配流閥，而是一種利用活塞運(yùn)動(dòng)位置變化自行配油的無(wú)閥結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)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(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生壓縮儲(chǔ)能和膨脹作功。其沖擊工作過(guò)程如圖2-4所示。
2-4a表示無(wú)閥型液壓鑿巖機(jī)回程開(kāi)始的情況，這時(shí)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(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞回程運(yùn)動(dòng)到圖2-4b的位置時(shí)，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(yùn)動(dòng)，這時(shí)活塞后腔的油液被壓縮儲(chǔ)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(dá)如圖2-4c的位置時(shí)，活塞開(kāi)始向左作沖程運(yùn)動(dòng)。活塞運(yùn)動(dòng)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(shí)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(yùn)動(dòng)作好準(zhǔn)備，如此不斷往復(fù)循環(huán)。
圖2-4無(wú)閥型液壓鑿巖機(jī)沖擊工作原理
(a)回程 (b)前腔膨脹，后腔壓縮儲(chǔ)能 (c)沖程
1—活塞 2—前腔 3—缸體 4—壓油腔 5—后腔
無(wú)閥型液壓鑿巖機(jī)的特點(diǎn)是:只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)器尺寸和重量均較大;為了不使工作腔容積過(guò)大，就得限制每次的沖擊排量，使活塞運(yùn)動(dòng)行程減小，沖擊能減小，在這種情況下要達(dá)到一定的輸出功率，只得提高沖擊頻率。但對(duì)鑿巖作業(yè)來(lái)說(shuō)，確定沖擊頻率的條件是一次沖擊所產(chǎn)生的應(yīng)力波不致與前一次沖擊所產(chǎn)生的應(yīng)力波重疊并累積起來(lái)，所以過(guò)高的沖擊頻率也未必有利。由于存在上述不足，故尚未見(jiàn)到無(wú)閥型液壓鑿巖機(jī)在鑿巖作業(yè)中推廣應(yīng)用。
2.5 有閥型液壓鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)由于配油方式的不同而具有各自的特點(diǎn):
1)活塞回程制動(dòng)階段的吸空問(wèn)題
在活塞回程制動(dòng)階段，前腔常壓型沖擊機(jī)構(gòu)從原理上不會(huì)產(chǎn)生前腔的吸空問(wèn)題，而后腔常壓型和雙面回油型沖擊機(jī)構(gòu)則必然會(huì)產(chǎn)生前腔的吸空現(xiàn)象，這對(duì)活塞、缸體及回油管都是有害的。對(duì)于相同規(guī)格的液壓沖擊機(jī)構(gòu)而然，雙面回油型的前腔受壓面積比較小，因而空穴現(xiàn)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(xiàn)象的危害程度也大得多。
2)活塞沖程階段的前腔油液流動(dòng)阻力問(wèn)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(chǎn)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(shí)會(huì)產(chǎn)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(dòng)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(jié)構(gòu)是三槽二臺(tái)肩，四通滑閥的典型結(jié)構(gòu)是五槽三臺(tái)肩，三通閥比四通閥少一個(gè)臺(tái)肩，因而可以做得比較短，可以減輕閥芯重量，節(jié)省閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)的耗油量。
三通閥只有三個(gè)關(guān)鍵尺寸和一條通向油缸的孔道，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，而四通閥則有五個(gè)關(guān)鍵尺寸和二條通向油缸的孔道，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，_ 上藝性差。相應(yīng)的雙面回油型的油缸缸體結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，加工難度大。
4)活塞運(yùn)動(dòng)中的排油問(wèn)題
在活塞的沖程和回程中，雙面回油型沖擊機(jī)構(gòu)都存在排油過(guò)程，排油時(shí)間長(zhǎng)，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(dòng)，減小回油阻力。與之對(duì)比，前腔常壓型只在活塞回程中由后腔排油，排油時(shí)間短，流量峰值大，回油阻力大，回油壓力脈動(dòng)大，這是前腔常壓型的主要缺陷， 一 般通過(guò)安裝回油蓄能器來(lái)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(tái)階的直徑差小，可以做得很細(xì)長(zhǎng)，撞擊時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力峰值小，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，有利于提高活塞和釬具的壽命，增強(qiáng)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(guò)以上分析可得如下結(jié)論:
后腔常壓型液壓沖擊機(jī)構(gòu)在回程制動(dòng)過(guò)程中存在嚴(yán)重的吸空現(xiàn)象以及回油阻力過(guò)大等問(wèn)題，缺點(diǎn)比較明顯，實(shí)踐證明是一種不可取的結(jié)構(gòu)，目前己經(jīng)被淘汰。
前腔常壓式液壓沖擊機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)吸空現(xiàn)象，配流閥耗油量少，能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)，可作為中重型液壓鑿巖機(jī)的首選結(jié)構(gòu)形式。但由于其回油壓力脈動(dòng)較大，因此在設(shè)計(jì)輕型液壓鑿巖機(jī)時(shí)應(yīng)盡量避免采用這種結(jié)構(gòu)。
雙面回油型液壓沖擊機(jī)構(gòu)具有不間歇回油、排油時(shí)間長(zhǎng)、回油壓力脈動(dòng)小以及活塞形狀好等優(yōu)點(diǎn)，但其缸體和配油閥結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工工藝性較差，配油閥的耗油量稍高。
第三章 輕型獨(dú)立回轉(zhuǎn)液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
3.1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
輕型液壓鑿巖機(jī)按其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為兩大類：內(nèi)回轉(zhuǎn)式和外回轉(zhuǎn)式。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要是用于轉(zhuǎn)動(dòng)釬具和接卸釬桿。液壓鑿巖機(jī)的輸出扭矩較大，一般在200.1000Nm,因?yàn)槎鄶?shù)采用獨(dú)立外回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)一套齒輪裝置，帶動(dòng)釬具回轉(zhuǎn)，如圖3-1，它由液壓馬達(dá)、齒輪箱、傳達(dá)齒輪裝置和傳動(dòng)軸等組成。
（一）液壓馬達(dá)
液壓鑿巖機(jī)采用的也有馬達(dá)均是低速、大扭矩的擺線液壓馬達(dá)，因?yàn)槭沁@種馬達(dá)的體積小、扭矩大、效率高。
（二）傳動(dòng)齒輪式一對(duì)減速齒輪，其目的是進(jìn)一步降低液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，提高扭矩。
（三）回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑一般采用油霧潤(rùn)滑
圖3-1回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
1.沖擊活塞 2.緩沖活塞 3.傳動(dòng)長(zhǎng)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(nèi)回轉(zhuǎn)式
這種結(jié)構(gòu)的液壓鑿巖機(jī)沿用氣動(dòng)鑿巖機(jī)沖擊活塞帶動(dòng)釬桿旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)方式，在利用液壓振動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)活塞沖擊的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)釬，結(jié)構(gòu)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(jī)的固定參數(shù)與不固定的外界條件所致，內(nèi)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的鑿巖機(jī)是靠施于活塞上的液壓力在克服釬桿轉(zhuǎn)動(dòng)阻力后才得以推動(dòng)活塞作回程加速運(yùn)動(dòng)的。在正常情況下，旋轉(zhuǎn)所需分力和活塞沖擊能可以互相調(diào)節(jié)。但當(dāng)釬桿所需的回轉(zhuǎn)分力即釬桿轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩過(guò)大時(shí)，液壓力不足以克服轉(zhuǎn)釬阻力，活塞將被迫中止沖擊或降速運(yùn)動(dòng)，這時(shí)會(huì)因回轉(zhuǎn)阻力矩突增而形成卡釬。若設(shè)計(jì)使施加
于活塞上的力過(guò)大，或轉(zhuǎn)釬所需分力變小，則活塞回程加速度增大，導(dǎo)致沖擊能加大，鑿巖機(jī)反彈振動(dòng)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(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)統(tǒng)一。特別在不均質(zhì)巖層，內(nèi)回轉(zhuǎn)液壓鑿巖機(jī)常常無(wú)所適從，無(wú)法連續(xù)工作。
爆油管是設(shè)計(jì)鑿巖機(jī)時(shí)保護(hù)不當(dāng)所致。一般設(shè)計(jì)液壓鑿巖機(jī)時(shí)重視高壓油管的保護(hù)，都設(shè)有高壓蓄能器。低壓油管受到的振動(dòng)破壞性很大，特別是單面回油型液壓鑿巖機(jī)，由于是間歇回油，瞬時(shí)排油的壓力脈動(dòng)形成的振動(dòng)往往大于高壓油管的振動(dòng)，故回油管破壞率高。
由于內(nèi)回轉(zhuǎn)液壓鑿巖機(jī)在工作原理上的缺陷無(wú)法從根本上解決，所以這種結(jié)構(gòu)的支腿式液壓鑿巖機(jī)己被市場(chǎng)所淘汰。
3.3 外回轉(zhuǎn)式
外回轉(zhuǎn)液壓鑿巖機(jī)在結(jié)構(gòu)上都設(shè)置有油馬達(dá)以驅(qū)動(dòng)減速器帶動(dòng)釬桿轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)不同的油路配置又可分為三種:①獨(dú)立供油外回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)②內(nèi)部分流供油外回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)③沖擊與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)串聯(lián)供油的外回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
獨(dú)立供油外回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是中重型液壓鑿巖機(jī)普遍采用的結(jié)構(gòu)，它是直接分別向沖擊和回轉(zhuǎn)兩部分供油的獨(dú)立外回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有這種結(jié)構(gòu)的輕型液壓鑿巖機(jī)問(wèn)世。
內(nèi)部分流外回轉(zhuǎn)液壓鑿巖機(jī)具有單一輸入輸出油管的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)設(shè)在機(jī)體內(nèi)的分流閥將輸入供油分別供給沖擊機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的液壓鑿巖機(jī)由于分流閥設(shè)在機(jī)體內(nèi)部，所以增大了鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸和能量損失，而且分流閥的調(diào)節(jié)技術(shù)比較復(fù)雜，鑿巖時(shí)工人很難根據(jù)具體的施工條件控制操作，所以尚未得到推廣應(yīng)用。
目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較成功的支腿式液壓鑿巖機(jī)采用的都是沖擊與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)串聯(lián)供油的外回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)保留了單一輸入輸出油管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且利用回轉(zhuǎn)油路作為沖擊機(jī)構(gòu)的高背壓，其間以柔性相連，緩和了油路的高頻振動(dòng)，降低了振幅。但由于沖擊機(jī)構(gòu)的背壓較高，導(dǎo)致了這種結(jié)構(gòu)的液壓鑿巖機(jī)的沖擊能和沖擊頻率都較低，又由于油馬達(dá)的供油為沖擊機(jī)構(gòu)的回油，所以其回轉(zhuǎn)扭矩也不高。由于這種結(jié)構(gòu)的支腿式液壓鑿巖機(jī)與相同檔次的氣動(dòng)鑿巖機(jī)相比在性能上沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)，所以其推廣應(yīng)用受到了一定程度的限制。
盡管各廠家生產(chǎn)的輕型液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)形式上各有不同，但其采用的沖擊機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)。而前腔常壓型液壓沖擊機(jī)構(gòu)卻存在回油阻力大及回油壓力脈動(dòng)大的缺點(diǎn)，這也是這種液壓鑿巖機(jī)回油管易于爆裂的原因。解決這一問(wèn)題的辦法是安裝回油蓄能器，而這樣勢(shì)必會(huì)增加鑿巖機(jī)的尺寸和重量。
第四章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
液壓伺服控制系統(tǒng)是由指令裝置、檢測(cè)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(hào)（一般為機(jī)械位移或電壓）與被控制裝置的反饋信號(hào)進(jìn)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(fù)載向著減小信號(hào)偏差方向動(dòng)作。液壓伺服控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力、轉(zhuǎn)矩和功率大；易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的速度、位移及力控制；液壓能的儲(chǔ)存方便，從而可減少電氣設(shè)備裝機(jī)容量。
由以上液壓系統(tǒng)的性質(zhì)和特點(diǎn)設(shè)計(jì)該液壓鑿巖機(jī)的液壓系統(tǒng)。
4.1 液壓沖擊機(jī)構(gòu)控制原理圖
液壓沖擊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖4-1如下：
圖4-1液壓沖擊機(jī)構(gòu)
液壓控制原理簡(jiǎn)圖4-2如下：
圖4-2液壓控制原理簡(jiǎn)圖
4.2 配流閥系統(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(shuō)，閥芯的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)活塞在缸體內(nèi)的行程反饋信號(hào)來(lái)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。
4.2.1配流閥設(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(kāi)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(lái)說(shuō)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(kāi)口量就越小，油液流經(jīng)閥口時(shí)的壓力損失越人，可見(jiàn)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(guò)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(zhǎng)度和進(jìn)入緩沖油墊的長(zhǎng)度;
4)保證閥芯兩端推閥面積滿足參數(shù)計(jì)算的要求。
4.2.2配流閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
目前國(guó)內(nèi)外有閥型液壓鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)配流閥為四通滑閥結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。
通往活塞腔
圖4-3配流閥結(jié)構(gòu)示意圖
配流閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)有閥芯運(yùn)動(dòng)行程、開(kāi)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(jié)構(gòu)尺寸的限制，從油液流經(jīng)閥口的壓降越小越好出發(fā)，考慮到閥芯行程受換向時(shí)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(jù)沖擊機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)確定合理的閥芯直徑。然后可根據(jù)沖擊機(jī)構(gòu)的最大瞬時(shí)流量確定閥的最大開(kāi)口量以及油路、油槽尺寸。根據(jù)最大開(kāi)口量和密封長(zhǎng)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(jù)已初步確定的參數(shù)估算閥芯質(zhì)量，然后根據(jù)沖擊機(jī)構(gòu)換向時(shí)間的要求，采用理想線性模型進(jìn)行計(jì)算。
4.2.3 配流閥行程的設(shè)計(jì)計(jì)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(gè)工作周期內(nèi)，閥芯往返運(yùn)動(dòng)各一次，以改變沖擊機(jī)構(gòu)前后腔的油流狀態(tài)。配油閥在左位和右位停頓時(shí)消耗的能量可分為如下三部分:
(1)泄漏損失
根據(jù)流體力學(xué)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(cè)的壓力差，Pa
.油液的動(dòng)力粘度，Pa；
.封油長(zhǎng)度，m；
d.封油段公稱直徑，m；
.環(huán)形縫隙的間隙，m；
.相對(duì)偏心比。
由于配油閥為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以閥芯在左位與在右位時(shí)的泄漏流量是相同的。
由流體力學(xué)可得閥芯在右位時(shí)的泄漏功率損失:
(4-2)
式中：
閥芯運(yùn)動(dòng)行程可表示為:
式中: y—負(fù)開(kāi)口量，m.
則在一個(gè)工作周期內(nèi)，配流閥因泄漏造成的能量損失為:
（4-3）
(2)閥口壓力損失
無(wú)論閥芯處于左位還是右位，在閥的進(jìn)油開(kāi)口處總有高壓油流過(guò)。油流經(jīng)閥
口的壓力損失為:
（4-4）
式中:—油液密度，kg/；
一流量系數(shù)；
— 流量，/S。
若不考慮泄漏的影響，則當(dāng)活塞回程加速時(shí)，閥芯處于左位，流經(jīng)閥口的流量為:
當(dāng)活塞回程制動(dòng)時(shí)，閥芯處于右位，流經(jīng)閥口的流量為:
當(dāng)活塞沖程加速時(shí)，閥芯處于右位，流經(jīng)閥口的流量為:
則高壓油流經(jīng)閥口的能量損失為:
（4-5）
整理得：
（4-6）
(3)閥芯運(yùn)動(dòng)油耗損失
閥芯運(yùn)動(dòng)是由高壓油來(lái)推動(dòng)的。閥芯運(yùn)動(dòng)所消耗的壓力油對(duì)于液壓鑿巖機(jī)的正常工作是必不可少的，但對(duì)鑿巖機(jī)的輸出能來(lái)說(shuō)，卻是一種能量損失。在活塞的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，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(gè)沖擊周期內(nèi)，閥芯運(yùn)動(dòng)所消耗的能量為:
(4-8)
式中:k — 考慮閥芯運(yùn)動(dòng)阻力而引入的系數(shù)。
綜上所述，在一個(gè)沖擊周期內(nèi)，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?jīng)Q定。
4.2.3.2運(yùn)動(dòng)行程的計(jì)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(yùn)動(dòng)行程。
由流體力學(xué)可求得配油閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力為:
（4-11）
式中:— 通過(guò)配油閥回油口的流量，,
— 流速系數(shù)；
— 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(shí)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(shù)引入式(4-14)，并將沖程和回程時(shí)進(jìn)油口和回油口的最大
流量代入 ，可得下面兩個(gè)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(yùn)動(dòng)行程。為了使配油閥工作時(shí)定位穩(wěn)定可靠，在進(jìn)行液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，運(yùn)動(dòng)行程應(yīng)不小于只者之中的最大值。
配油閥的運(yùn)動(dòng)行程是液壓鑿巖機(jī)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，它直接影響配油閥的能量損失和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的大小，而穩(wěn)態(tài)液動(dòng)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(yùn)動(dòng)行程。
4.3 蓄能器的設(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(guò)程中變化很大，活塞撞擊釬尾時(shí)的速度最高可達(dá)9m/s以上，并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(méi)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(lái)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(lái)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(guò)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)中采用隔膜式蓄能器來(lái)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(zhǎng)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(dòng)時(shí)偏離中間位置的距離基本相等。
圖4-4高壓蓄能器的結(jié)構(gòu)
1-蓄能器體 2-隔膜 3-蓄能器體
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4-5所示。
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:
(4-16)
式中:.液壓泵的供油流量，
.回程時(shí)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(shí)的油液消耗量，;其值為:
(4-19)
(3)在活塞回程制動(dòng)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(shí)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(shí)的油液消耗量，;其值與配流閥回程換向時(shí)的油液消耗量相等。
顯然，在活塞的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中，蓄能器的充、排油量應(yīng)當(dāng)相等，即應(yīng)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(chǎn)生的，所以在單次工作循環(huán)中，蓄能器的最大容積變化應(yīng)是上述四項(xiàng)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(jī)構(gòu)的工作頻率很高，在工作過(guò)程中蓄能器的氣體體積和壓力變化都很快，一般認(rèn)為可忽略蓄能器的熱量交換過(guò)程，而將其氣體狀態(tài)變化過(guò)程視為絕熱過(guò)程，根據(jù)范德瓦斯定律，有:
(4-26)
在液壓鑿巖機(jī)正常工作時(shí)，一般要求蓄能器的隔膜振動(dòng)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(shí)的壓力，可認(rèn)為等值于液壓沖擊機(jī)構(gòu)的供油壓力，Pa。
4.4 活塞防空打裝置