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1、1.3国内外液压钻机的发展水平1国外发展水平国外生产液压轻便钻机厂家较多，下面以TD-150S型钻机为例。就国外液压钻机的发展水平作一介绍。TD-l50S全液压钻机，是法国AM G公司根据现场实践设计的，并反复改进的典型钻机。在法国、美国、墨西哥和中国的西部、新疆、内蒙古等地多年使用，反应良好。对难以涉足的山地和丘陵地区有较强的适应性。1.1性能特点TD-150S轻便钻机主要适应于山地、丘陵山高水缺地区的中硬以上的地层。具有山地钻机的特点：全液压无级调速和调压、空气洗井、泥浆洗井、钻井方式可以采用多种形式。可选用牙轮钻头、麻花钻头、潜孔锤等工具因而根据不同的岩层选择最佳方式、转速和钻压。该钻机
2、采用空气压缩系统和潜孔锤及其组合快速装卸方式，以便中硬、硬岩层及缺水地区的钻井，具有独特性和较强的适应一性。1.2结构特点TD-150S液压轻便钻机为单体挂式组合及快速接头连接，整机机组质量949 kg，可分解为11个部件，最重的部件为95 kg，符合每单体重量可由两人在山地搬迁的原则。采用双缸四冲程汽油机。直接驱动双联泵。液压组合控制阀采用硬质铝合金整体和拼装相接合的方式其强度和重量得到控制。液压控制阀与液压油箱组合成同一单体+阀件采用标准件，液压油箱采用铝合金，利于散热：液压钻机采用顶驱方式和硬铝合金嵌入式水龙头，这是液压钻机优于机械钻机的独特结构。2国内发展水平 80年代末，四川石油管理
3、局在引进加拿大液压山地钻机CT-155型的基础上，测绘研制了DY一30型山地全液压钻机。90年代初成功地投入了山地地震勘探。DY-30型钻机具备了全液压无级调速和调压，空气洗井、空气胞沫洗井、泥浆洗井、回转切削、击方式或两者复合方式钻进的特点，可以根据不同岩层选择最佳转速钻压和方式钻进。且采用挂式组合及快速穿销连接，拆装快速简便；整机重839 kg，可分解为10-20个独立的单元部件，每个部件可由两名搬运工搬迁于山地之间，使地震勘探能深入到以前难以涉足的禁区。DY-30型钻机的能已达到国外80年代的先进水平，功能齐全尚属国内首创。除DY-30型钻机外，还有总公司物探局徐水机械厂生产的山地液压地
4、震钻机。北京探矿机械厂近期推出专利产品橡胶履带车式XYLI型钻、衡阳探矿机械厂的XJ lI0-1型、长沙探矿机械厂的QPY-30型钻机等。均属液压给进、机械卷扬提升钻机，在机动性强、拆装简便、操作方便、易维修等方面，与国外钻机相比差距较大。2 钻机的总体设计2.1 本设计钻机的应用场合 LWD-90型矿用钻机广泛适用于冶金、矿山、煤炭、水电建设、道桥、国防施工等露天土石方工程爆孔的钻凿。也可简单地通过更换钻杆、钻头，配置空压机、气动冲击器变为旋转钻机或潜孔钻机来使用，因此，LWD-90型冻土钻机其实是一款多功能多用途钻机。2.2设计方案的确定 2.2.1本设计钻机的特点 LWD-90型矿用钻机
5、是一台采用柴油发动机为动力源的全液压驱动钻机，机动灵活，作业范围广，其履带行走，钻具回转、加压、钻架升降、钻架补偿、钻架水平摆动和前后倾斜均采用液压驱动，动力强劲、保护系统完备，调速范围广、操控容易简单、可靠性高，适用范围广。2.2.2 总体设计方案的确定经过调研和几次方案论证，考虑到现场特点，从实用角度出发，确定方案如下： 1.井上和野外作业，动力选柴油机；2.考虑到有软岩石、硬岩石的钻进，除了正常的钻进速度外，增加高速100r/min；2.3 钻机的技术特性和要求2.3.1设计要求全液压钻机用于露天矿进行打孔作业，其钻杆的旋转、推进、起拔以及钻杆倾角的调整、固定等均由液压传动来实现。钻机工
6、作时噪声大，钻机附近粉尘较大，整个工作环境相当恶劣。要求完成的主要设计内容包括：1) 根据钻机工况要求，拟定液压系统方案；2) 根据给定的技术参数，对液压系统进行计算，并对液压元件进行选型；3) 编写设计计算说明书(格式见附录)，并绘制液压系统原理图。4) 完成行走，回转，加压/提升，钻机升降，钻架补偿和收放支腿等动作2.3.2 设计参数已知该钻机的主要技术参数如下表所示，设计该钻机的液压驱动系统。钻孔直径 90140mm钻孔深度（单杆） 03.5m钻孔方向 0 90水平摆动范围 0 30钻具转速（发动机转速1000rpm时）100rpm（发动机转速1500rpm时）150rpm推进轴压35K
7、N 钻具推进行程 3.5m回转扭矩（最大） 3200 Nm推进速度（发动机转速1000rpm时） 03.3m/min （发动机转速1500rpm时） 04.9m/min提升速度（发动机转速1000rpm时） 02.5m/min （发动机转速1500rpm时） 03.8m/min行走形式 液压驱动履带自行式行走速度（发动机转速1000rpm时） 1.5Km/h （发动机转速1500rpm时） 2.2Km/h 爬坡坡度 20发动机功率90kw最大外形尺寸（长宽高） mm：钻架放倒时 450024002800钻架立起时 3500240045002.4运动与负载分析2.4.1运动分析.主机由于矿山环境
8、恶劣，工作条件差，所以要求该钻机动作准确，控制容易工作可靠。钻机主机部分结构如上图所示，钻头(图中未画出)装夹在回转头上。液压缸1用于支撑工作滑台并调节其倾角，使其在090(水平向上)范围内升降；工作时，两台液压马达2和3共同驱动工作滑台上的回转头以带动钻杆旋转，同时推进缸4推动工作滑台前进。反之，推进缸4退回，同时钻杆反向旋转，以拔出钻杆。.钻机行走钻级行走可采用电动机驱动，但其调速范围小，力矩小，需要较大的减速器，工作可靠性差。也可采用液压马达驱动，能实现无极调速，调速范围大，力矩大，可靠性高，所以本设计拟采用液压马达驱动。液压马达按照结构可分为：1.齿轮式齿轮泵的优点: 它的主要优点是结
9、构简单，制造方便，价格低廉，体积小，重量轻，自吸性能好，对油液污染不敏感，工作可靠等。其缺点是流量脉动大，噪声大，排量不可调。齿轮泵被广泛的应用于采矿设备，冶金设备，建筑机械，工程机械，农林机械等各个行业，而且还容易引起困油现象。2.叶片式叶片马达在机床、工程机械、船舶、压铸及冶金设备中应用十分广泛。叶片泵具有流量均匀、运转平稳、噪声低、体积小重量轻等优点。其缺点是对油液污染较敏感，转速不能太高。3.柱塞式结构较复杂，零件数较多，自吸性差,制造工艺要求较高，成本较贵，油液对的污染较敏感，要求较高的过滤精度，对使用和维护要求较高。因钻机负载大，因此应选用柱塞式液压马达。马达速度由换向阀开口大小来
10、控制要求：行走马达要求最大扭矩8000Nm 行走速度：1.5-2.2Km/M 爬坡：15所以拟采用压力16MPa.回转回转可采用电动或液压驱动。因液压驱动，若采用低速大扭马达，则可直接传动钻杆，钻具，钻头。若采用电机驱动，则必须装配减速机。为了简化结构，减少传动环节，提高可靠性，增大调速范围，实现无极调速，提高，钻机队矿山复杂多变的地质条件的适应性，拟采用低速大扭矩液压马达来实现回转。要求：回转力矩 3000Nm 转速 100-150 r/min由于回转力矩大拟采用柱塞式马达。回转速度由换向阀开口大小来控制。.加压/提升最简单的方式是才用液压缸来实现。要求：加压35KN 提升10KN 速度加压
11、05m/min 提升05m/min液压缸的类型有：单杆活塞（单作用式（靠外力或重力回程）双作用式（往复运动都靠也压力）。.其他动作其他动作即为辅助动作，包括，钻架的升降（即立架和落架）、右后/右后支腿架上下补偿采用单杆双作用液压缸来实现，考虑到在钻孔过程中的稳定性，则在辅助动作回路中设计双向液压锁来将油缸活塞杆锁定在所需要的一个位置上。.控制阀为了提高钻机的可控性，拟采用液控手柄和多路阀来实现流量和方向的控制，满足钻机的动作要求。方向阀分：单向阀，液控单向阀和换向阀。换向阀分滑阀和钻阀滑阀分手动换向阀、电磁换向阀、液动换向阀、电液换向阀、机动换向阀、液压比例换向阀、电磁比例换向阀。另按通油口油
12、路分：二位三通、二位二通、三位四通、三位五通、三位六通等。“位”即阀芯相对于阀体的工作位置数目“通”即阀所具有的油口数目，也就是接口接几根管就是几通。换向阀拟采用液控比例换向阀。先导阀采用比例手柄手柄动作则成比例的换向阀动作（换向阀芯移动量和移动方向）2.4.2负载分析在全液压钻机工作前，支撑缸调节滑台倾角，工作时推进缸推动滑台前进，最大推进力30kN，最大起拔力10kN。液压缸的类型有：单杆活塞（单作用式（靠外力或重力回程）双作用式（往复运动都靠也压力）。 在钻杆没接触到待钻物时，滑台以较小的负载力和较大的负载速度前进，接触后，负载力变大，负载速度减小。钻完后以较大的力和较大的速度返回，详细
13、过程见下面的负载图（图2）和速度图（图3）。2.4.3负载图F-t和速度图v-t图的绘制图2负载图F-t 图3速度图v-t2.5液压回路设计2.5.1液压原理图液压系统是整个钻机的核心，钻机的各种动作均由液压系统来实现。液压系统由液压站、管路、多路换向阀、节流阀、电磁阀、先导阀、减压阀、液压锁、钻架起落液压缸、提升与加压液压缸、钻架前后倾斜油缸、行走液压马达、回转液压马达等组成。液压站由电柴油发动机、先导泵、三联齿轮泵（主油泵）、溢流阀、滤油器、油箱等组成。该系统为开式回路，利用先导手柄操纵先导阀输出控制油，依靠控制换向阀实现换向，从而控制主油路或辅助油路的压力油，驱动各个液压缸或液压马达来实
14、现钻机的各部动作。根据总体设计思路,该全液压钻机液压系统主要由高压油源、控制系统、各执行机构及辅件组成。根据钻机工况要求，拟定液压系统方案如下：图7 液压系统原理图 图中包括：调速回路 由工况图可知，这台液压钻机滑台运动速度低，工作负载为阻力负载且工作中变化小，故可选用进口节流调速回路。为有较好的低速平稳性和速度负载特性，可选用调速阀调速，并在推进缸进油口设置单向调速阀。换向回路由工况可知，该液压钻机的液压马达有正反转，液压缸有伸出和缩回，故采用三位四通O型液动换向阀实现回路的换向。锁紧回路由工况可知，当推进缸和液压马达工作时要求支撑缸固定，故支撑缸进油口设置两个液控单向阀，形成锁紧回路，保证
15、支撑缸的稳定性。卸荷回路该钻机采用变量泵加安全阀来保证系统工作压力和最高压力。变量泵根据系统情况自行改变油压，当达到安全阀调定值时，安全阀打开，保证各液压元件的安全。2.5.2 液压回路分析1.动作过程：钻机启动所有阀在中位，钻机卸荷启动。油路1：压油源部分由油箱进口过滤器7经三联泵8多路阀14冷却器12回油滤油器16回油箱。油路2：由油箱进口过滤器7经三联泵8多路阀14冷却器12回油滤油器16回油箱。油路3：由油箱进口过滤器7经三联泵8多路阀20回油箱。油路4：由油箱进口过滤器1经先导泵2先导电磁阀4回油箱。2.行走如图6所示，钻机采用履带式行机构，左右履带各由一台行走马达分别驱动，这两台柱
16、塞式行走液压马达输出轴通过花键分别与两台行星减速机输入轴相连接，减速机的输出轴再与驱动链轮相连接，通过链轮驱动履带行走。图6 履带式行机构控制两台行走马达的正转、停止和反转，可实现钻机的前进、后退、停止与转弯。在马达和行星减速机之间的联结筒内，安装有摩擦离合器，由锁紧液压缸操纵，其油管经梭阀连接在行走马达的进、回油路之间。无论是马达正转还是反转，梭阀都能将压力油供给锁紧液压缸，以实现与马达的压力油同步通断，保证马达回转的同时解锁松闸，马达停止的同时回油加锁抱闸，防止坡道停车时发生溜车现象。 先导阀供油1AT（+）：先导阀电磁阀4左位合流电磁阀9 手柄5 先导溢流阀3 油箱操作先导手柄（行走）即
17、可实现钻机行走、转弯、停止。油路：左行走：左前进泵1 多路阀14（左片）上位左行走马达15左侧平衡阀中的单向 A打开右侧平衡阀B左行走马达15冷却器12回油过滤器16油箱 左后退泵1 多路阀14（左片）下位左行走马达15右侧平衡阀中的单向 B 打开右侧平衡阀A左行走马达15冷却器12回油过滤器16油箱右行走：右前进泵2 多路阀18（右片）上位左行走马达15左侧平衡阀中的单向 A 打开左侧平衡阀B左行走马达15冷却器12回油过滤器16油箱 右后退泵2 多路阀18（右片）下位左行走马达15左侧平衡阀中的单向 B 打开右侧平衡阀A左行走马达15冷却器12回油过滤器16油箱3.回转先导泵供油 各个手柄
18、工作正转：3AT（+）多路阀14中（右片）开 回转马达慢速回转（泵1单独供油）若同时操作18中左位泵2也供油即合流回转快速。反转：3AT（-）多路阀14中（右片）开 回转马达慢速回转（泵1单独供油）若同时操作18中左位泵2也供油即合流回转快速。4.加压/提升先导泵供油 各个手柄工作加压：泵3泵油多路阀20单向平衡阀21加压油缸22多路阀20油箱提升：泵3泵油多路阀20双向液压锁24起落架油缸22双向液压锁24多路阀20油箱5.辅助动作先导泵供油 各个手柄工作操作相应手柄则可实现各辅助动作：1AT（+）泵3先导电磁阀先导阀手柄5油箱2.6液压元件选择计算2.6.1液压马达的确定根据负载分析的参数
19、,参照表1，表2 表1按负载选择工作压力 负载/ KN50工作压力/MPa94L/min则可满足钻机行走速度要求。2.回转马达要求力矩3100（Nm）选1QJM21-1.25验算扭矩所以符合要求。要求流量：额定160L/min所以符合要求。3.加压与提升要求：加压力30KN 提升：10KN因采用一个动滑轮，所以油缸的力以应为加 压力的2倍。加压时：提升时：取加压缸直径D=100mm d=60mm行程要求：3.5m由于采用了一个动滑轮组，所以油缸行程应为实际行程的二分之一 即油缸行程应为3.5/2=1.75m。选油缸活塞杆为2m。验算：4.加压速度要求：推进速度（发动机转速1000rpm时） 0
20、3.3m/min （发动机转速1500rpm时） 04.9m/min所以 符合要求。提升速度（发动机转速1000rpm时） 02.5m/min （发动机转速1500rpm时） 03.8m/min所以 符合要求。2.6.2 液压泵的选择计算1.液压泵的分类：齿轮泵的优点：结构简单，体积小，重量轻，自吸性能好，对污物不敏感，工作可靠，寿命长。允许高速旋转，最大工作压力可达到31.5MPa齿轮泵的缺点：流量压力脉动大，噪声大，排量不可变。 单作用定量泵 单作用变量泵 双作用定量泵 双作用变量泵柱塞泵的优点：结构紧凑单位功率体积小，重量轻，工作压力大，可达32MPa，易实现变量。柱塞泵的缺点：磨擦副多
21、，对油液的污染较敏感，滤油要求高，对材质的加工精度均有较高的要求。价格较贵。 斜盘式轴向柱塞泵叶片泵的优点：叶片泵具有寿命长、噪声低、流量均匀、体积小重量轻。叶片泵的缺点：它对污物敏感，由于叶片的甩出力，磨损，吸油速度等因素的影响。单作用叶片泵 双作用叶片泵2.选齿轮泵： CBFX2063/2063/2025 三联泵 压力20MPa 流量排量63+63+25 ml/r合流 先导泵： CBFX16 排量16ml/r2.6.3辅助元件的选择1.液压阀液压阀的分类：按用途分类方向控制阀 用来控制和改变液压系统液流方向的阀类，如单向阀、液控单向阀、换向阀等。压力控制阀 用来控制和调节液压系统液流压力的
22、阀类，如溢流阀、减压阀、顺序阀等。流量控制阀 用来控制和调节液压系统液流流量的阀类，如节流阀、调速阀、分流集流阀、比例流量阀等。按结构形式分类滑阀 滑阀为间隙密封，阀芯与阀口存在一定的密封长度，因此滑阀运动存在一个死区。 锥阀 锥阀阀芯半锥角一般为12 20 ，阀口关闭时为线密封，密封性能好且动作灵敏。阀口的压力流量方程 球阀 性能与锥阀相同。按控制方式分类定值或开关控制阀 被控制量为定值的阀类，包括普通控制阀、插装阀、叠加阀。比例控制阀 被控制量与输入信号成比例连续变化的阀类，包括普通比例阀和带内反馈的电液比例阀。伺服控制阀 被控制量与（输出与输入之间的）偏差信号成比例连续变化的阀类，包括机
23、液伺服阀和电液伺服阀。数字控制阀 用数字信息直接控制阀口的启闭，来控制液流的压力、流量、方向的阀类，可直接与计算机接口，不需要D/A转换器。2.选择阀 溢流阀3 6通径 电磁阀4 10通径 三位四通“”型 电磁阀9 同4 吸油滤油器1 选100 80 吸油滤油器7 选600 80 回油滤油器选RFA-63020FY 20 630 2路阀14和18 5路阀 平衡阀 通径10液压锁 通径10或20压力表60表 轴向仪表3.油管分类：按照材料分类：硬管总成和软管总成按照应用分类：硬管总成可以分为：吸油管 回油管 压力管路胶管总成：吸油管 回油管 压力管路 树脂管：一般作为先导管来用选择：泵1、泵2
24、吸油管： 取回油管：取4.油箱容积的确定液压系统的油箱容积一般取液压泵额定流量的57倍，本设计取6倍，故油箱容积为：5.发动机的选择钻机所需的功率：行走时功率最大选电动机时选90选柴油机时选90结论经过这一学期的艰辛努力，我的毕业设计终于圆满完成了，在我保质保量按时顺利完成我的毕业设计那一瞬间，我心情无比舒畅，好像通过我努力完成了一项重大的工程，骄傲和自豪充满内心。通过这次毕业设计，我得到了很大的收获，学到了很多的专业知识。本次毕业设计是在我学完了大学的全部基础课、专业基础课后也是在我即将离开学校走上工作岗位之前对在大学里所学课程进行的一次全面的、深入的、综合性的总复习，也是一次理论联系实际的
25、实践，是我的一次极好的学习机会。因此它在我大学三年的学习中占有积极重要的地位，是不可替代和磨灭的。就我个人而言，通过本次毕业设计我对自己在大学中所学的知识进行一次全面的回顾，并在此基础上进一步提高了自己的专业素质，也是对自己将来从事的工作进行一次适应性的训练。无论是机械结构设计、液压系统的设计还是CAD绘图能力等方面都得到了很大的巩固和提高，从而锻炼了自己在学习中发现问题，思考问题，解决问题的能力，并培养了我认真、严谨的专业精神，为以后走向工作岗位打下一个坚实的基础。由于对理论知识的掌握不是很牢固，对一些知识的理解还不够透彻扎实，设计中不合理之处在所难免，在一些细节问题上存在不足，这些都有待在
26、以后的工作和学习中进一步学习和改善。离开校园，我将继续保持我的学习习惯继续进步，走向社会，我将以更加优异的成绩回报父母，回报社会。 致谢短暂的三年大学生活很快就要结束了，我曾经是多么憧憬美好的学生时代， 如今当自己临近毕业时，我又留恋已经流逝的三年学生生涯。 大学三年的学习，以今天的毕业论文画了一个句号。历时半载，从论文选题 到搜集资料，从开题报告、写初稿到反复修改，期间经历了喜悦、聒噪、痛苦和 彷徨，在写作论文的过程中心情是如此复杂。如今，伴随着这篇毕业论文的最终 成稿，复杂的心情烟消云散，自己甚至还有一点成就感。其中，从这一次的论文 中，也深刻的体会到，自己知识的匮乏，要完善自己就要不断努
27、力的学习。我要感谢我的导师张吉平老师，他严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样，给了起到了指明灯的作用；他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，让我很快就感受到了设计的快乐并融入其中。其次我要感谢同组同学对我的帮助和指点，没有他的帮助和提供资料，没有他的鼓励和加油，这次毕业设计就不会如此的顺利进行。此次毕业设计历时7周，是我大学学习中遇到过的时段最长、涉及内容最广、工作量最大的一次设计。用老师的一句话概括就是这次毕业设计相当如是把以前的小课程设计综合在一起的过程，只要把握住每个小课设的精华、环环紧扣、增强逻辑，那么这次的任务也就不难了。我此次的任务是做一个项目的招标文件。虽说老师说的话让此次的毕业设计看起来不是那么的可怕，但是当我真的开始着手时，还的确是困难重重。在设计即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到设计的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意! 最后我还要感谢应用技术学院和我的母校辽宁工程技术大学三年来对我的栽培。参考文献 1 成大先 机械设计手册（第五版）第五卷 化学工业出版社. 2009.7。2 左健民 液压与气压传动 机械工业出版社. 2010.7。3 王守城 段俊勇. 液压元件及选用 化学工业出版社. 2007.1。4 杜国森 液压元件产品样本 机械工业出版社. 2000。
