液压凿岩机液压系统设计说明书

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毕业设计〔论文〕题目液压凿岩机液压系统设计
学生：
学生学号：
指导教师：
机械工程学院机械设计制造及其自动化专业班
2011年6月15日
毕业设计〔论文〕任务书
摘要
凿岩机械是采掘、建筑、工程建设等领域应用广泛的的工程机械。

尽管凿岩机技术已经有很大发展，但在我国其主导产品几十年来没有大的变化。

我国大量的中小矿山及一般工程施工中仍普遍使用能耗高、破岩效率低、易损零件多、寿命低、噪声高、环境污染严重的支腿式气动凿岩机,研制开发轻型独立回转液压凿岩机就是在这样的背景下提出的。

用轻型独立回转凿岩机替代传统的气动凿岩机能明显提高凿岩作业效率、显著降低耗能、减少噪声污染和空气污染，迅速提高我们凿岩和工程施工的装备技术水平。

本文在综合分析各类液压凿岩机冲击工作原理和轻型液压凿岩机各种结构的基础上，提出了轻型独立回转液压凿岩机的结构类型，对其主要部件进行了设计和研究。

在设计中，本文重点的是设计液压凿岩机的液压系统，其包括：活塞的设计，配流阀系统的设计；蓄能器的设计；活塞防空打装置的设计；液压冲击机构液压控制原理图。

针对所设计的液压凿岩机，利用电脑辅助设计软件AUTO CAD2007及CAXA2005画出了其装配图和部分典型零件图，然后对其进行分析研究，了解其结构原理，对本次设计的成果进一步稳固加深，到达设计的最终目的。

关键词：凿岩机；设计；轻型；独立回转；研究；冲击机构
Abstract
Drilling machinery is widely used in excavation, construction and other filed. In despite of the world Hydraulic rock drill sespecially Hydraulic rock drill technology had great developed, in our country the main product of rock drill had little change in recent decade . A large number of small and medium-sized mining in our country and the general engineering construction in common use is still high energy consumption, broken rock the efficiency is low, the more vulnerable parts, life expectancy, noise is high, the pollution of the environment a pneumatic drill machine, leg type developed light independent rotary hydraulic drill machine is in this context of the proposed. With light independent to replace the traditional aerodynamic rotary drill machine more drilling can obviously increase efficiency, reduce energy consumption, significantly lower noise pollution and air pollution, the rapid increase of drilling engineering construction and our equipment technology level.
hydraulic drill machine working principle and light hydraulic drill machine all the structures are put forward, based on the back of the hydraulic drill machine light independent type structure, the main components of the design and research. In the design, this paper is to design the hydraulic system of hydraulic drill machine, which include: the design with flow valve system design; The design of the accumulator; The piston air defense play device design; Hydraulic impact mechanism hydraulic control principle diagram.
According to the design of hydraulic drill machine, using a computer aided design software AUTO CAD2007 and CAXA2005 draw its assembly drawings and some typical parts drawing, then analyses the research, understand the structure and principle, the design of the achievements, to deepen further consolidate the final purpose of the design.
Keywords：Drill machine; Design; Light; Independent turned; Research; Impact mechanism ; strike machine
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
目录.............................................................................................................. I II 第1章绪论. (1)
1.1液压凿岩机的发展 (1)
1.2液压凿岩机的研究现状 (2)
1.3液压凿岩机的发展趋势 (5)
1.4本课题的意义及设计内容 (6)
第2章液压凿岩机的冲击工作原理及结构分析 (7)
2.1液压凿岩机的基本结构 (7)
2.2液压凿岩机冲击机构的结构类型 (9)
2.3液压凿岩机的冲击工作原理 (9)
2.4有阀型液压凿岩机冲击机构的结构分析 (13)
2.5轻型独立回转液压凿岩机总体方案确实定 (15)
第3章液压冲击机构数学模型的建立 (18)
3.1液压冲击机构的线性模型 (18)
3.2液压冲击机构的非线性模型 (24)
第4章液压系统设计 (28)
4.1液压冲击机构控制原理及设计理论分析 (28)
4.2活塞系统设计 (31)
4.3配流阀系统的设计 (33)
4.4蓄能器的设计 (39)
4.5活塞防空打装置的设计 (42)
结论 (46)
参考文献 (47)
致谢 (48)
附件1 (49)
附件2 (64)
第1章绪论
液压凿岩机的发展
20世纪20年代，英国人多尔曼在斯塔福德制造出第一台液压凿岩机。

大约40年之后，另一位英国人萨特立夫也制成了一台液压凿岩机。

不久，美国Gardner－Denver 公司根据尤布科斯专利制成了MP－Ⅲ型液压凿岩机。

以上几种液压凿岩机都因一些关键的技术问题没能很好地解决，所以未能在生产中得到推广应用。

1970年，法国蒙塔贝特〔Montabert〕公司首先研制成功第一代可用于生产的H50型液压凿岩机，开始在世界范围内应用液压凿岩设备。

由于液压凿岩机和气动凿岩机相比具有明显的优越性，瑞典、英国、美国、德国、芬兰、奥地利、瑞士和日本等国陆续研制出各种型号的液压凿岩机，使液压凿岩机技术和生产在30多年间有了很大发展。

目前在国外，液压凿岩机已经成为导轨式凿岩机产品的主流。

90年代先进国家的岩石开挖工程采用的液压凿岩设备占凿岩设备总量的80%以上。

其中瑞典AasCopco、芬兰Tamock、法国Secoma 等公司的液压凿岩机及配套产品在世界上具有代表性。

前两者的液压凿岩设备销售量占世界销售总量的一半以上。

目前国外的液压凿岩机正向重型、大功率和自动化方向发展超重型大功率液压凿岩机已能钻凿直径180-275毫米的炮孔，凿岩速度是牙轮或潜孔钻机的2-4倍，而能耗仅为潜孔钻机的1/4。

我国开展液压冲击机械的研究工作起步于70年代初期，基本与国际研究水平同步，但由于当时我国液压技术发展较慢，液压凿岩机与液压碎石机未能在我国普遍推广应用。

直到80年代，我国科研人员走技术引进和自行开发相结合的道路，在突破了试验研究的许多关键技术之后，取得了迅速的发展。

1980年长沙矿冶研究院研制成功了我国第一台YYG—80型液压凿岩机，不久以后，由中南工业大学研制的YYG90型液压凿岩机、北京科技大学研制的YS—5000型液压碎石机和长沙矿山研究院研制D 型液垫式液压碎石冲击器也相继通过了国家有关部门组织的技术鉴定。

近年来，随着我国对外开放政策的深入和科学技术的长足进步，液压冲击机械这个新兴的技术产业也得到了迅猛发展，目前国内已经有十几家单位研制生产了数十种型号的液压凿岩机和液压碎石机的系列产品，在我国的能源开发、城市建筑、隧道工程建设中获得了较好的应用[13]。

1.2 液压凿岩机的研究现状
数学模型的研究
按照人们在研究冲击机构时所采用的数学模型不同，可以把研究液压冲击机构的方法分为线性模型法和非线性模型法两种。

线性模型法就是抓住液压冲击机构运动的主要因素，忽略次要因素，对冲击机构作一些必要的假设，将活塞受力状态进行简化，得出用线性数学模型表示的冲击机构运动规律。

这种模型揭示液压冲击机构的运动规律直接明了，有确切的数学表达式，可方便地求得解析解。

但由于这种方法忽略了一些实际存在的因素，故只是粗略地描述了冲击机构的运动规律。

非线性模型较多地考虑液压冲击机构的影响因素，较全面地分析了冲击机构的受力状态，用高阶非线性微分方程组描述其运动规律。

这种模型能较精确地揭示液压冲击机构的物理现象，但方程求解困难，描述不直观，只能通过电脑求得数值解。

但必须指出，由于液压冲击机构运动的复杂性，非线性模型也是建立在一些假设基础上的，所以也只能是近似地描述冲击机构的运动规律。

蓄能器的研究
液压冲击器的所有运动体工作时始终处于剧烈的变速运动状态，其配流控制阀的
H要求在极短的时间内完成大开口量的油路切换动作，压力、流换向频率高达50～60
z
量变化都非常剧烈，系统不可防止地存在压力脉动和液压冲击。

因此，液压冲击器系统中设置蓄能器的目的就是为了吸收这种压力脉动和液压冲击，同时在正常工作时吸收供过于求的能量，当系统短时间内需要大量压力油时，蓄能器可补充供不应求的能量，这样可减小液压泵的容量，从而减少电机功率消耗和系统发热。

冲击活塞、配流控制阀和蓄能器三者耦合运动完成液压冲击器正常而有效的工作，蓄能器是液压冲击器的重要组成部件，其设计好坏直接影响液压冲击器的整机性能，因此人们对蓄能器进行了大量的研究工作。

提出了回油蓄能器的参数设计方法；以集中参数为基础，建立了高压隔膜式蓄能器的动态模型，分析了蓄能器系统的频率特性，在此基础上，进一步分析了蓄能器与液压冲击器的耦合特性，得出了最优工作参数比；通过实验测定液压碎石机的蓄能器工况，研究了蓄能器充气腔容积和充气压力的变化对液压碎石机性能的影响。

配流阀的研究
有阀液压凿岩机的冲击机构是一个具有位置反馈的阀控活塞随动系统。

配流阀对活塞的控制属于开关型控制，阀换向过程中的时间、位移、耗油量等都是影响冲击机构性能的重要因素。

北京科技大学刘万灵教授等在《液压凿岩机换向阀的动特性分析》一文中，通过理论分析和实测的手段，对换向阀进行了研究，得出了阀的实际运动轨迹，揭示了换向阀的运动规律，确定了换向阀影响液压凿岩机的主要参数。

中南大学齐任贤、刘世勋教授对换向阀控制过程进行了理论分析，同时对换向阀的造型设计和参数优化进行了研究，得出了一些有益的规律性结论：如换向阀作高速运动时，由于回油阻力的响，可能出现速度饱和现象。

解决该问题的有效方法是减小阀芯重量和行程，同时适当加大油道直径等。

钎尾反弹能量吸收装置及防空打装置的研究
液压冲击器工作时不可防止地会出现钎尾冲击反弹现象和空打现象，因此，钎尾反弹能量吸收装置与防空打装置的工作性能对液压冲击器的使用寿命起着很大的影响。

国内有关专家系统分析了钎尾反弹的因素，探讨了钎尾反弹能量吸收的方法；建立了防空打缓冲过程的数学模型并进行了仿真研究；进行了钎尾反弹能量吸收装置及防空打装置的电脑仿真研究和优化设计；应用波动力学理论，导出了冲击器各部件的回弹速度计算公式，并指出回弹的能量可通过冲击器各部件的合理设计而加以利用；中南工业大学液压工程机械研究所研制了二级防空打缓冲装置，该装置充分利用了钎尾反弹能量吸收装置的能力，是一种创新研究。

液压冲击器输出参数调节的研究
冲击凿岩破碎理论与实践说明：对于某种确定的工作对象(如岩石、路基等)，均存在一个特定单位最优冲击能与之相匹配，只有在这一最优的单位冲击能作用下，工作对象破碎过程所消耗的能量才最少。

因此，在凿岩破碎作业过程中，当工作对象的物理性质(如硬度)或具体工作状挽。

(如凿岩爆破工艺的平巷中深孔掘进)发生变化时，为了降低凿岩破碎成本和提高生产效率，出现了输出工作参数可以调节的液压冲击器。

事实上，液压冲击器能实现变参数输出的特点也正是其取代气动冲击器的一个重
要原因，因为气动冲击器只有一个恒定的活塞行程，是不可调节的。

目前，世界上许多液压冲击机械制造商纷纷推出一些行程可调的液压冲击器系列产品，如瑞典Atlas.Copco公司于20世纪80年代率先推出了CoP1238系列三挡液压凿岩机；美国Gardner—Denver公司HPR—1型自动调节行程液压凿岩机；法国Emico.Secoma公司的RPH200型三挡液压凿岩机以及日本三菱商事株式会社的MKB1300型液压碎石机。

中南工业大学也于80年代首先进行了这方面的研究工作，成功研制了YYG系列自动换挡液压凿岩机，并已开始用于生产实践，填补了国内空白。

上述液压冲击器都是基于行程反馈原理设计的，这些液压冲击器输出工作参数的调节主要是通过改变系统的输入压力(流量)，或增设多个回程反馈信号孔，通过控制各信号孔的开关来调节活塞行程，以改变液压冲击器的冲击能和冲击频率。

由于受到结构的限制(缸体上不可能设置太多回程反馈信号孔)，这种原理只能实现液压冲击器工作参数的有级调节，在使用过程中冲击能与冲击频率调节不方便，并且冲击能和冲击频率的同步增减引起主机功率变化很大，限制了液压冲击器工作范围的扩大和工作效率的提高。

因此，在主机功率变化不大的情况下，开发无级调节工作参数的液压冲击器就成了研究热点。

中南工业大学液压工程机械研究所提出了基于压力反馈原理独立无级调节工作参数的设想，并推出了这种新型液压冲击器产品。

它主要是通过控制活塞回程压力大小来无级调节冲击器的单次冲击能；同时，通过控制变量泵的流量，无级调节冲击器的频率。

这样可使冲击能与冲击频率在较大的范围内各自独立无级调节，而主机功率变化不大。

对于液压冲击器工作参数调节理论的研究，国内外的许多学者作了大量的工作。

为适应在不同工况下工作，如工作对象的硬度、冲击阻力和施工工艺的不同，要求液压冲击器能够自动、连续、无级地调节工作参数以满足不同工况的要求，即所谓变行程无级调节的液压冲击器。

关于这种新型液压冲击机械的理论研究、结构设计与控制方法目前尚属空白，因此，开发研制这类性能更为先进的设备便成为促进液压冲击机械技术进步的重要课题。

液压冲击器电脑辅助设计(CAD)的研究
1988年北京科技大学以设计工作程式为线索，将参数优化、结构尺寸计算和仿真验算统一起来，形成了液压冲击机构CAD软件。

该软件的参数优化是以液压冲击机构的理想线性模型为基础，而仿真验算是以冲击机构的非线性模型为基础。

1994年，中
南工业大学系统地研究了多挡液压冲击器的设计理论[13]，编写了YYG 系列液压凿岩机设计的仿真通用软件，实现了该系列液压凿岩机的电脑自动绘图。

电脑辅助设计应用于液压冲击机械，大大提高了设计质量，为这种机械产品的理论设计研究和产业化提供了坚实的技术保证。

1.3 液压凿岩机的发展趋势
液压冲击机械在过去的3O 多年里得到了迅速发展和广泛应用。

随着全球经济的巨大发展，资源开发和基础设施的建设显得尤为重要 世界市场特别是中国市场对液压冲击设备的需求量日益扩大，对其性能的要求也越来越高，新产品不断涌现。

就目前来看，液压冲击机械大致有以下发展动向:
(1)产品更新换代周期短，新产品不断涌现。

瑞典AtIaCopco 公司推出COP1838、CoP1440系列液压凿岩机取代O0lP1238系列机型；德国的Krupp 公司推出了冲击能和频率可调节的液压破碎锤，实现了液压破碎锤工作参数输出的连续控制；国内中南工业大学先后研制YYG90、YYG9IOA 、YYG90B 、YYG145等系列液压凿岩机。

(2)产品性能向大冲击能、高频率、大扭矩方向发展。

瑞典Atlas.Copco 公司的COP1238HF 型液压凿岩机冲击频率可达z H 105100 ，冲击能达440J ,扭矩500-700N·m ；中南工业大学研制的YYG145型多挡液压凿岩机，其输出最大冲击能也到达330J ，冲击频率达z H 55，扭矩为450N·m 。

(3)产品结构设计和钎具质量不断改良，钻凿 破碎的经济性和精确性大幅度提高。

瑞典Atlas.Copco 公司的COP1838液压凿岩机的钻孔速度比COP1238型提高80％，钎具寿命延长80％。

(4)采用智能化控制。

这里指凿岩破碎过程的电脑化，它包括两个方面：一是采用电液控制技术，对液压冲击器的工作参数进行控制，使其可根据工作对象的不同物理性质 自动地无级调节活塞行程，从而改变其输出的冲击能和冲击频率，以保证在最正确工况下工作；二是对液压钻车钻臂定位系统控制，使其能迅速而准确可靠地移动到指定位置，目前中南大学完成的国家“863”项目——隧道凿岩机器人的研究就是这个发展方向。

(5)液压冲击机械性能参数测试测控的电脑化。

以电脑为核心，采用各种可视化软
件(Ⅶ、VC等)，实现测试技术与手段的虚拟化。

(6)液压冲击机械系统设计与控制技术的信息化。

任何一种机械产品从构思、设计、制造到投入使用，离不开各种信息(包括结构参数、控制参数、价格因子及市场需求等)的集中分析、储存、加工和处理，使用电脑网络技术可以实现以智能、动力、结构和传感组成的有序信息流的在线分析与处理，完成对液压冲击机械系统的信息化设计与控制。

随着生产力的发展，液压冲击机械20世纪70年代问世以来，在短短30年中获得了迅速的发展，目前在国内外广泛应用于各行各业中，已形成了一个重要的新技术产业，并取得了显著的社会效益和经济效益，以液压冲击器及其控制系统为核心技术的研究也提高到了一个新水平。

由于种种原因，国内产品还远远不能满足市场的需求，一些生产厂和大学研究机构投入了相当的人力和资金进行液压冲击机械的开发研究，以提高我国在这一领域的技术水平。

1.4 本课题的意义及设计内容
凿岩机械是采掘、建筑、工程建设等领域应用广泛的工程机械。

尽管世界凿岩机，尤其是液压凿岩机技术有很大发展，但在我国其主导产品几十年来没有大的变化。

我国大量的中小矿山及一般工程施工中仍普遍使用能耗高、破岩效率低、易损零件多、寿命低、噪声高、环境污染严重的支腿式气动凿岩机。

研制开发轻型独立回转液压凿岩机就是在这样的背景下提出的。

用轻型独立回转液压凿岩机替代传统的气动凿岩机能明显提高凿岩作业效率、显著降低能耗、减少噪声污染和空气污染，迅速提高我国凿岩和工程施工的装备技术水平。

本文的主要设计内容如下：
〔1〕原理介绍，介绍液压凿岩机的基本结构和冲击工作原理。

〔2〕确定总体结构方案，分析各种类型的冲击机构的特点，然后确定轻型独立回转液压凿岩机的总体结构方案。

〔3〕建立数学模型，导出活塞系统、配流阀系统、蓄能器、防空打装置以及配流阀换向信号孔位置的设计计算公式。

〔4〕根据计算公式对轻型独立回转液压凿岩机的液压系统进行综合设计。

第2章液压凿岩机的冲击工作原理及结构分析
液压凿岩机的基本结构
液压凿岩机主要由冲击机构、回转机构、供水排粉装置及防尘系统等部分组成，其凿岩作业是冲击、回转、推进与岩孔冲洗功能的综合。

目前各生产厂家的液压凿岩机结构都不尽相同，各有自己的特点。

如有带行程调节装置的，也有无此装置的；有采用中心供水的，也有采用旁侧供水的；缸体内有带缸套的也有无缸套的；为了防止深孔凿岩时钎杆卡在岩孔内拔不出来，国外有几种新型液压凿岩机在供水装置前面还设有反冲装置。

下面介绍液压凿岩机的一些基本结构：
〔1〕冲击机构
液压冲击机构由缸体、活塞、配流阀、蓄能器及前后支撑套与密封装置等组成[13]，它的作业原理如图2-1，它是冲击做功的关键部件，它的性能直接决定了液压凿岩机整机的性能。

图2-1冲击式凿岩机作业原理
1—活塞 2—钎尾 3—接钎套 4—钎杆 5—钎头
1〕活塞
活塞是传递冲击能量的主要零件，其形状对破岩效果有较大影响。

由波动力学理论可知，活塞直径与钎尾直径越接近越好，且在总长度上直径变化越小越好。

通过对气动凿岩机和液压凿岩机两种活塞的效果比较发现，液压凿岩机的活塞只比气动凿岩机的活塞重19％，可是输出功率却提高了一倍，而钎杆内的应力峰值则减小了20％。

因此，双面回油型液压凿岩机的活塞断面变化最小，且细长，是最理想的活塞形状。

2〕配流阀
液压凿岩机的配流阀有多种形式，概括起来有套阀和芯阀两大类，芯阀按形状又可分为柱状阀和筒状阀。

套阀只有一个零件，结构简单，其结构受活塞的制约，只能
制成三通阀。

而芯阀是一个部件，由多个零件组成，结构较为复杂，可制成三通或四通阀。

三通阀适用于单面回油的机型，而双面回油型液压凿岩机则必须采用四通阀。

3〕蓄能器
液压冲击机构的活塞只在冲程时才对钎尾作功，而回程时不对外作功，为了充分利用回程能量，需配备高压蓄能器储存回程能量，并利用它提供冲程时所需的峰值流量，以减小液压泵的排量。

此外，由于阀芯高频换向引起压力冲击和流量脉动，也需配置蓄能器，以保证机器工作的可靠性，提高各部件的寿命。

目前，国内外各种有阀型液压凿岩机都配有一个或二个高压蓄能器，有的液压凿岩机为了减少回油的脉动，还设有回油蓄能器。

因液压凿岩机的冲击频率高，故都采用反应灵敏、动作快的隔膜式蓄能器。

4〕缸体
缸体是液压凿岩机的主要零件，体积和重量都较大，结构复杂，孔道和油槽多，要求加工精度高。

为解决此问题，各型液压凿岩机采取了不同的方法。

有的加前后缸套，以利于油路和沉割槽的加工，且维修时便于更换；有的不加衬套，为便于加工，把缸体分为几段；而轻型液压凿岩机大多采用整体式缸体。

5〕活塞导向套
活塞的前后两端都有导向套支承，其结构有整体式和复合式两种。

前者加工简单，后者性能优良。

目前国内多采用整体式，少数采用复合式。

〔2〕回转机构
回转机构主要用于转动钎具和接卸钎杆。

在液压凿岩机中，因输出扭矩较大，所以主要采用独立外回转机构，该机构由液压马达驱动一套齿轮装置并带动钎尾作独立的回转运动。

因摆线液压马达体积小、扭矩大、效率高，故液压凿岩机回转机构普遍采用这种马达。

〔3〕供水装置
液压凿岩机大都采用压力水作为冲洗介质，其供水装置的作用就是供给冲洗水以排除岩孔内的岩碴，它有中心供水式和旁侧供水式两种。

中心供水式装置与一般气动凿岩机中心供水方式相同，压力水从凿岩机后部的注水孔通过水针从活塞中间孔过，进入前部钎尾来冲洗钻孔。

这种供水方式的优点是结构紧凑，机头部分体积小，但密封比较困难。

旁侧供水装置是液压凿岩机广泛采用的结构。

冲洗水通过凿岩机前部的供水套进入钎尾的进水孔去冲洗钻孔。

这种供水方式由于水路短，易于实现密封，且。