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1、液压钻机液压系统设计摘要本设计选择了液压钻机的设计，主要原因是当前我国地质勘探、工程建设和农田水利等事业正在逐渐完善，对各种钻探设备尤其是钻机提出了更多的要求。本文介绍了对液压钻机的工作原理，特点优势，详细的说明了液压系统的设计思路，液压系统压力的选定，液压油泵和液压马达的设计计算和选型,液压油缸的设计计算和选型以及控制原件、辅助原件的选型。关键词：液压钻机；液压系统；选型计算AbstractThisdesignchosethedesignofthehydraulicdrillingrig,themainreasonisthatcurrentourcountrygeologicalexplor
2、ation,engineeringconstructionandthecauseoftheirrigationandwaterconservancyetcisgraduallyperfect,forallkindsofdrillingequipment,especiallydrillmorerequirementsareputforward.Ontheworkingprincipleofhydraulicdrillhasbeenintroducedinthispaper,characteristicadvantage,detailthedesignideaofhydraulicsystem,h
3、ydraulicsystempressureisselected,thedesignofthehydraulicpumpandhydraulicmotorcalculationandtypeselection,designandcalculationofhydraulicoilcylinderandthechoiceandcontroloftheoriginal,auxiliaryoftheoriginalselection.Keywords:hydraulicdrillrig;Thehydraulicsystem;Selectionof前言当前我国地质勘探、工程建设和农田水利等事业正在逐渐完
4、善，对各种钻探设备尤其是钻机提出了更多的要求。现在市场上流行的钻机中以液压的钻机为主，这些钻机在承担各种煤矿爆破项目中起到了至关重要的作用。但是，我们通过调查和了解发现，随着生产建设项目的扩大，市场对上钻探的液压钻机的需求量正在逐步上涨，尤其是全液压钻机，市场前景更加乐观。全液压钻机的设计不仅对钻机这个生产行业有着重要的经济意义，同时间接推动了我国国民经济的发展，意义十分重大。钻探是地质勘探工作的重要手段之一。钻机是实现该手段的主要设备。其基本功用是以机械动力带动钻头向地壳钻孔并采取岩石矿心。钻机同时还是进行石油、工程地质钻探、天然气勘探及开采、水文水井钻探、等工程的重要设备。钻机的技术性能要
5、保证在施工中能满足合理的工艺要求，以最优规程达到预计的质量要求，维护保养简单容易，安装拆卸搬迁方便，节省能耗，具有低速大载荷的能力，利于快速钻进，钻进辅助时间短，钻孔施工周期短，体力劳动强度低等。概括起来说，液压钻机要为好、快、省地完成钻探生产任务创造有利条件。摘要IAbstractII前言III1 .钻机的设计要求以及设计参数111钻机的设计要求11.2钻机的设计参数12 .运动与负载分析12.1 运动分析22. 2负载分析23. 3负载图F-t和速度图v-t图的绘制23.拟定液压系统原理图33.1 整体设计思路33. 2液压系统设计44. 3液压钻机工作原理54 .液压系统主要参数51.
6、1系统参数的确定54. 2液压缸的选定65. 3液压泵和马达及电机的确定66. 4液压阀及辅助元件的确定87. 5液压油的选择88. 6液压元件明细表95 .总结体会96 .参考资料10致谢111 .钻机的设计要求以及设计参数1.1 钻机的设计要求全液压钻机主要用于矿洞打孔作业，其钻杆的回转、推进、提升及钻杆的斜向打孔的定位及调整等工作均由液压系统控制完成。钻机工作时噪声大，钻机附近粉尘较大，工作环境相当恶劣。要求完成的主要设计内容包括：1）根据液压钻机的工况要求，拟定液压系统方案；2）根据给定的液压钻机技术参数，对液压系统进行设计计算，并选择液压元件、确定液压元件的型号。3）编写设计计算说明
7、书（格式见附录），并绘制液压系统原理图。1.2 钻机的设计参数已知该液压钻机的主要技术参数如下表所示，请设计该钻机的液压驱动系统。表1钻机的主要技术参数项目参数项目参数钻杆倾角090支撑液压缸最大工作行程560mm一次推进行程800mm液压马达数量1台最大推进力35kN最大工作转速160rmin最大拉力70kN单台马达额定转矩630Nm回转头输出转速10-100rmin加压油缸行程950mm减速比1:1.6最大推进力37kN输入转速160rmin最大拉力70kN最大输出转矩2000Nm2 .运动与负载分析1 .1运动分析图1液压钻机结构简图I-支撑液压缸2.液压马达3-加压油缸液压钻机主要结构
8、如上图所示，钻头（图中未画出）安装在回转头上。液压缸1为支撑液压缸用于支撑工作滑台并调节钻杆的角度，使其在090（水平向上）范围内摆动；工作时，液压马达2驱动工作滑台上的回转头以带动钻杆旋转，同时加压油缸3推动工作台前进，给钻杆提供推力。反之，加压油缸3退回且钻杆反向旋转，以拔出钻杆。2 .2负载分析在液压钻机工作前，支撑缸调节滑台角度并锁死，工作时推进缸推动滑台前进，最大推进力37KN,最大拉力70KN,由此可知推进时由液压缸有杆腔工作，回退时由液压缸无杆腔工作。在全液压钻机的工作过程中,主要的运动元件是液压马达。本液压系统中按照单个液压马达驱动回转头设计,回转头的减速比为1：1.6,即马达
9、的转速最大为160r/min,液压马达转矩大于625Nmo在钻头没接触到岩体或地面时，工作台以较小的输出力和较大的攻进速度前进，当接触岩体或地面后，负载变大，攻进速度减小。钻完后以较大的力和较大的速度退回，详细过程见下面的负载图（图2）和速度图（图3）。2. 3负载图F-t和速度图v-t图的绘制3.拟定液压系统原理图3.1 整体设计思路为了保证了操作人员的安全使其工作环境相对来说噪声降低,粉尘量较小，在本次设计中决定将整个液压钻机分为液压源部分、操作控制台部分和钻机工作三部分。这样设计,控制台可以灵活地放置在较远的地方，便利于各种工作场地的布置,同时可使操作人员始终处于最佳观察控制位置。根据这
10、一思路,要求液压系统不仅要功能齐全,性能安全可靠,而且还要操作简便,观测性好,要能随时反映各部分的工作状况,以便操作者采取合适的措施进行控制,使钻机始终工作在最佳状态。3. 2液压系统设计根据总体设计思路,该全液压钻机液压系统主要由液压源、控制系统、各执行机构及辅助元件组成。根据液压钻机工况要求，拟定液压系统方案如下:厂油箱2-吸油过滤器3-回油过滤器4-电机5-液压泵6-安全阀7-压力过滤器8、15-调速阀9-溢流阀10-换向阀11、12-液控单向阀13-支撑缸14-液压马达16-压力表17-单向节流阀18-加压油缸图4液压回路原理图详细液压系统原理图见A3图纸。各种液压回路的选择与确定由工
11、况图可知，当加压油缸和液压马达工作时要求支撑缸锁定，不能因为系统压力不稳而出现上下浮动，故支撑缸进出油口设置两个液控单向阀，形成锁紧回路，保证支撑缸的稳定性。这台液压钻机工作台运动速度低，工作负载为阻力负载且工作中负载变化较小,故可选用进口节流调速回路。为提高速度和负载的刚度，可选用调速阀调速，并在加压油缸进油口设置单向调速阀。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型中位机能的手动换向阀实现回路的换向。从液压钻机工况图中可以看出快进、工进、快退三种工况所需的流量与压力变化很大，为了达到节能效果采用变量泵。在液压泵出口加安全阀来限定系统最高压力，变量泵根据系统情况自行改变油压，当
12、达到安全阀调定值时,安全阀打开，保证各液压元件的安全。3 .3液压钻机工作原理压油源部分由油箱1、吸油过滤器2、电机4、液压泵5、安全阀6、压力表P1、压力过滤器7和回油过滤器3组成,其功能为向执行机构提供压力油。控制显示部分由调速阀8、三位四通换向阀10、液控单向阀11、12、单向调速阀18、分流节流阀15、压力表P2、P3、P4、P5组成。各执行机构同处钻机主体部分,如下图所示，由液压缸13、液压马达14、16和液压缸19组成。当液压泵正常工作后，三位四通换向阀Sl阀芯向右动作左位机能工作液压油通过液控单向阀进入支撑缸13,支撑缸13伸出，使工作台角度变化达到预定钻孔角度，三位四通换向阀阀
13、芯向左动作换到中位机能，液控单向阀11、12关闭，支撑缸锁定。三位四通换向阀S2阀芯向左（向右）动作，左位（右位）机能工作，液压马达旋转。液压马达的转速可以用调速阀15来实现调速。三位四通换向阀S3阀芯向左（向右）动作液压油通过单向调速阀进入加压油缸18,来控制钻杆的前进和后退。溢流阀6、9分别控制系统的最高压力和系统的工作压力。压力表PI显示液压泵的出口压力，P2、P3分别显示马达IE反转时进出油口的压力，进而得知钻杆的转矩，P4、P5显示加压油缸进给压力和后退压力。4 .液压系统主要参数4.1 系统参数的确定根据表2各种机械常用的系统工作压力，小型工程机械工作压力为l（18Mpa,为了减小
14、液压缸和液压马达的外形尺寸，初步暂定系统压力为16MPa,中低压液压系统。表2各种机械常用的系统工作压力机械类型机床农业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/MPa0.8-235288-10I(M820-324.2液压缸的选定加压油缸的计算选择加压油缸在工作过程中的作用是推进或拉回钻杆,达到推进或拔起钻杆的目的,推进时为有杆腔工作,拉回时为无杆腔工作,工作速度一般很慢。根据其工作性质，首先确定选择工程系列液压缸,因其一次推进行程要求达到800mm,考虑到安装的要求,查机械设计手册，初步定为HSGK8055*HEZ型液压缸,该液
15、压缸行程为950mm,D为80mm,d为55mm。当液压系统额定压力限定在16MPa时,该缸的最大工作压力也同样为16MPao此时，该液压缸的最大推力为：F=16106(80/100O)2-(55/100O)2/4=42.39KN37KN最大拨起力：-Q9F=16X1080/4=80.38KN70KN该液压缸完全符合要求,所以最后确定选择HSGK8055*HEZ型液压缸为加压油缸。支撑缸的计算选择支撑缸在工作过程中只起到固定工作滑台和调整钻孔角度的作用，主要考虑的因素是能否满足钻杆在090(水平向下)范围内调节,根据钻机工作滑台几何结构，只要行程大于560mm即可满足使用要求,考虑到安装形式,
16、故在此选定了和推进缸属同一系列的HSGL6345*HEZ工程液压缸,其行程为600mm,满足其要求。4.3液压泵和马达及电机的确定液压马达的选择根据液压钻机的工况条件，查机械设计手册，选用Q川型液压马达。这是一种内曲线液压马达，配油轴与转子内力平衡，采用可自动补偿磨损的软性塑料活塞环密封高压油，具有较高的机械效率和容积效率，能在很低的转速下稳定运转，启动力矩较大。根据液压马达的使用参数，选择型号为IQJMlI-0.63的液压马达。这种马达排量为O.496Lr,额定工作压力16Mpa,转速范围5320rInin,输出转矩为734Nm符合设计要求。qmax=0.496320/0.9=142.8(L
17、min)液压泵的选择全液压钻机在工作时,主要是液压马达在要求的转速下旋转,加压油缸缓慢推进或拔起,泵的额定流量选择主要以液压马达的最大流量来确定液压马达的容积效率大于0.90,所以液压马达所需最大流量为：q=0.496X160/0.9=88.2(Lmin)工程上一般用的液压泵为轴向柱塞泵这种液压泵脉动小，输出压力高，容积效率高，该类型的泵的容积效率大于96%,电机转速按1470r/min计算,故所需泵的排量大于：q=88.21000/(1470X0.96)=62.5(mlr)钻机在钻孔的过程中,加压油缸有缓慢的进给，以20cm/min进给为例,所需流量约为0.53L/min,几乎可以忽略不计。
18、选择排量为80ml/r的泵，电机转速按1470r/min计算,其流量为：一3q=80101470X0.96=112.896(L/min)该规格的液压泵的流量是可以满足其工作要求的。根据以上压力和流量数值查阅机械设计手册，最后确定选取JBN-G80QF柱塞泵，额定转速18(Xkmin,公称排量为80mLr,满足要求。这种液压泵具有工作压力高、寿命长、耐冲击、噪声低、响应快、抗污染能力强、自吸性能好的特点。主要用于矿山、冶金、起重、轻工机械等液压系统中。一3q=80101800X0.96=138.24(L/min)确定电动机功率及型号不计油路损失，液压泵输出压力为16MPa,输出最大流量为138.
19、24(L/min),液压泵总效率p=0.9,这时液压泵的驱动电动机的功率为：PPmaXomax.二屿X1瞅24=40.96KW60,，600.9根据此数值查阅机械设计手册，选用电动机型为Y225M-4异步电动机，其额定功率为45kW,额定转速为1470rmin4.4液压阀及辅助元件的确定液压阀的确定根据实际工作压力以及流量大小即可选择液压阀。油箱容积的确定液压系统的油箱容积如不加冷却装置，自然风冷，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：V=（6x138.24）=829.44L考虑到实际工作环境,油箱设计为封闭结构,其上装有油温表、油标、空气过滤器等。过滤器的选择过滤器的功用
20、是过滤液压油中的杂质，降低油液污染度，保证液压系统正常工作。由于液压系统的各类故障绝大多数有液压油污染造成，而过滤器是保持油液清洁的主要手段，所以合理的选用和设置液压系统中的过滤器显得非常重要。由于泵的自吸能力都不是很好，则吸油口过滤器应该选择粗过滤。管路上的压力过滤器是保护液压系统中的各个元件且承受高压，则应该选用大流量高精度高强度的过滤器。会有过滤器主要是防止液压元件、执行机构在工作中的正常磨损产生的粉末、金属屑等污染物随液压油流回油箱，则应该选择大流量高精度的过滤器。根据以上原则查机械设计手册选择过滤器型号如下：吸油过滤器：WU-160X180S油路过滤器：ZU-H160IOS回油过滤器
21、：ZU-A25010S管道及连接件的确定管道及连接件由液压元件的尺寸确定。液压缸的进出油管按输入、输出的最大流量来计算。4.5液压油的选择液压工作介质的功用是载能和润滑、冷却，其特点对液压系统的工作品质及功能具有很大影响。不同的工作机械设备和系统，对工作液体的要求不同。根据液压钻机的工况条件查机械设计手册选用L-HM32。这种液压油具有很好的抗磨性，适用低、中、高压液压系统。4 .6液压元件明细表表5液压元件明细表序号元件名称最大通过流量/Lmin型号1油箱、温度计、液面表CTW-2002吸油过滤器160WU-160180S3回油过滤器250ZU-A250X10S4电机Y225M-45液压泵1
22、38.24JBN-G80QF6安全阀200DB10A-2-30/31.57油路过滤器160ZU-H160XlOS8调速阀160MSA30EP1609溢流阀200DB10A-2-30/31.510多路换向阀160ZS2-L25F-T-011液控单向阀SVPP20PA12液控单向阀SVPP20PA13支撑缸HSGL6345*HEZ114液压马达138.24JBN-G8OQF15调速阀160MSA30EP16016带截止阀的压力表YN-10017单向调速阀100QA-H2018加压油缸HSGK8055*HEZ5 .总结体会通过这次毕业设计，加强了自己的专业能力。包括：液压系统方案设计，液压系统的设计
23、与计算（包括：负载分析和运动分析，元件计算与选型，系统性能验算等），液压装置的结构设计（包括：结构类型的确定，油路块设计，液压泵站的设计等），以及相关设计软件（如AutoCAD,Pro/Engineer等）和机械设计手册的熟练使用等。这次毕业设计提高了我的综合运用机械设计知识及其他理论知识来解决实际问题的能力，真正做到了学以致用。我觉得更为重要的一点是它让我更理性的认识了我们的专业,学会查阅资料的能力。同时培养了我们的团队精神和吃苦耐劳的能力，相信我们有了些许设计方面的经验，将在设计应用方面有更大的进步。6 .参考资料1张利平.液压传动设计指南.化学工业出版社.2009.7。2雷天觉.新编液压
24、工程手册.北京理工大学出版社.2005.9。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.2000.4。5成大先机械设计手册.化学工业出版社.2000。6孙文质.液压控制系统.国防工业出版社.1985.1。7张利平.液压传动系统及设计.化学工业出版社.2000.4。通过本次毕业设计让我收获很大。使我对液压钻机的性能做了进一步更深刻的了解。在老师的悉心指导下,现已基本掌握了液压钻机的结构原理、适用范围，液压系统的设计以及液压元件的选择。老师的严谨治学，深深地感染和激励着我。从刚开始进入课题时的茫然，到毕业设计的顺利完成，中间有许多新知识要学，老师不仅在大局上给我以引导，同时还在细节上给我指出要注意的问题，这让我少走了很多弯路，很快就上手了。老师在我毕业设计上倾注了大量的时间和心血。在此，谨向老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！我还要感谢机械系领导给我们提供专门的实验室,让我有一个做毕业设计的良好环境。正是由于老师和系领导的帮助与支持，我才能克服在毕业设计中遇到的困难和疑惑，顺利地完成了这次设计工作。在此，我对在这次毕业设计中，帮助过我的老师、同学和朋友表示诚挚的感谢！
