【文章內(nèi)容簡介】 參數(shù)、價格因子及市場需求等)的集中分析、儲存、加工和處理，使用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實現(xiàn)以智能、動力、結(jié)構(gòu)和傳感組成的有序信息流的在線分析與處理，完成對液壓沖擊機械系統(tǒng)的信息化設(shè)計與控制。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，液壓沖擊機械 20 世紀(jì) 70 年代問世以來，在短短 30 年中獲得了迅速的發(fā)展，目前在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中，已形成了一個重要的新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，并取得了顯著的社會效 益和經(jīng)濟效益，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新水平。由于種種原因，國內(nèi)產(chǎn)品還遠遠不能滿足市場的需求，一些生產(chǎn)廠和大學(xué)研究機構(gòu)投入了相當(dāng)?shù)娜肆唾Y金進行液壓沖擊機械的開發(fā)研究，以提高我國在這一領(lǐng)域的技術(shù)水平。 本課題的意義及設(shè)計內(nèi)容鑿巖機械是采掘、建筑、工程建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的工程機械。盡管世界鑿巖機，尤其是液壓鑿巖機技術(shù)有很大發(fā)展，但在我國其主導(dǎo)產(chǎn)品幾十年來沒有大的變化。我國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)重的支腿式氣動鑿巖機。研制開發(fā)輕型獨立回轉(zhuǎn)液壓鑿巖機就是在這樣的背景下提出的。用輕型獨立回轉(zhuǎn)液壓鑿巖機替代傳統(tǒng)的氣動鑿巖機能明顯提高鑿巖作業(yè)效率、顯著降低能耗、減少噪聲污染和空氣污染，迅速提高我國鑿巖和工程施工的裝備技術(shù)水平。本文的主要設(shè)計內(nèi)容如下：（1）原理介紹，介紹液壓鑿巖機的基本結(jié)構(gòu)和沖擊工作原理。（2）確定總體結(jié)構(gòu)方案，分析各種類型的沖擊機構(gòu)的特點，然后確定輕型獨立回轉(zhuǎn)液壓鑿巖機的總體結(jié)構(gòu)方案。（3）建立數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)出活塞系統(tǒng)、配流閥系統(tǒng)、蓄能器、防空打裝置以及配流本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書7閥換向信號孔位置的設(shè)計計算公式。（4）根據(jù)計算公式對輕型獨立回轉(zhuǎn)液壓鑿巖機的液壓系統(tǒng)進行綜合設(shè)計。第 2 章 液壓鑿巖機的沖擊工作原理及結(jié)構(gòu)分析 液壓鑿巖機的基本結(jié)構(gòu)液壓鑿巖機主要由沖擊機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(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)、推進與巖孔沖洗功能的綜合。目前各生產(chǎn)廠家的液壓鑿巖機結(jié)構(gòu)都不盡相同，各有自己的特點。如有帶行程調(diào)節(jié)裝置的，也有無此裝置的；有采用中心供水的，也有采用旁側(cè)供水的；缸體內(nèi)有帶缸套的也有無缸套的；為了防止深孔鑿巖時釬桿卡在巖孔內(nèi)拔不出來，國外有幾種新型液壓鑿巖機在供水裝置前面還設(shè)有反沖裝置。下面介紹液壓鑿巖機的一些基本結(jié)構(gòu)：（1）沖擊機構(gòu)液壓沖擊機構(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 [13]，它的作業(yè)原理如圖21，它是沖擊做功的關(guān)鍵部件，它的性能直接決定了液壓鑿巖機整機的性能。圖 21 沖擊式鑿巖機作業(yè)原理1—活塞 2—釬尾 3—接釬套 4—釬桿 5—釬頭1）活塞活塞是傳遞沖擊能量的主要零件，其形狀對破巖效果有較大影響。由波動力學(xué)理論可知，活塞直徑與釬尾直徑越接近越好，且在總長度上直徑變化越小越好。通過對氣動鑿巖機和液壓鑿巖機兩種活塞的效果比較發(fā)現(xiàn)，液壓鑿巖機的活塞只比氣動鑿巖機的活塞重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的活塞斷面變化最小，且細(xì)長，是最理想的活塞形狀。本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書82）配流閥液壓鑿巖機的配流閥有多種形式，概括起來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。套閥只有一個零件，結(jié)構(gòu)簡單，其結(jié)構(gòu)受活塞的制約，只能制成三通閥。而芯閥是一個部件，由多個零件組成，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型，而雙面回油型液壓鑿巖機則必須采用四通閥。3）蓄能器液壓沖擊機構(gòu)的活塞只在沖程時才對釬尾作功，而回程時不對外作功，為了充分利用回程能量，需配備高壓蓄能器儲存回程能量，并利用它提供沖程時所需的峰值流量，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，也需配置蓄能器，以保證機器工作的可靠性，提高各部件的壽命。目前，國內(nèi)外各種有閥型液壓鑿巖機都配有一個或二個高壓蓄能器，有的液壓鑿巖機為了減少回油的脈動，還設(shè)有回油蓄能器。因液壓鑿巖機的沖擊頻率高，故都采用反應(yīng)靈敏、動作快的隔膜式蓄能器。4）缸體缸體是液壓鑿巖機的主要零件，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。為解決此問題，各型液壓鑿巖機采取了不同的辦法。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。前者加工簡單，后者性能優(yōu)良。目前國內(nèi)多采用整體式，少數(shù)采用復(fù)合式。（2）回轉(zhuǎn)機構(gòu)回轉(zhuǎn)機構(gòu)主要用于轉(zhuǎn)動釬具和接卸釬桿。在液壓鑿巖機中，因輸出扭矩較大，所以主要采用獨立外回轉(zhuǎn)機構(gòu)，該機構(gòu)由液壓馬達驅(qū)動一套齒輪裝置并帶動釬尾作獨立的回轉(zhuǎn)運動。因擺線液壓馬達體積小、扭矩大、效率高，故液壓鑿巖機回轉(zhuǎn)機構(gòu)普遍采用這種馬達。（3）供水裝置液壓鑿巖機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鑿巖機中心供水方式相同，壓力水從鑿巖機后部的注水孔通過水針從活塞中間孔過，本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書9進入前部釬尾來沖洗鉆孔。這種供水方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，機頭部分體積小，但密封比較困難。旁側(cè)供水裝置是液壓鑿巖機廣泛采用的結(jié)構(gòu)。沖洗水通過鑿巖機前部的供水套進入釬尾的進水孔去沖洗鉆孔。這種供水方式由于水路短，易于實現(xiàn)密封，且即使發(fā)生漏水也不會影響鑿巖機內(nèi)部的正常潤滑，其缺點是機頭部分增加了長度。 液壓鑿巖機沖擊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型液壓鑿巖機按其沖擊機構(gòu)配油方式的不同可分為兩大類:有閥型和無閥型。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)代表型號見表 21。表 21 液壓鑿巖機的分類 [12]類型 有閥型 無閥型單面回油回油方式后腔回油 前腔回油雙面回油 雙面回油活塞運動 三通法控差動 三通法控差動 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 無國外Tamrock 公司的 HE,HL系列古河株式會社的 HD 系列Tension 公司的 RD 系列GD 公司的HPR 系列Ailmakg公司的AD 系列Sea 公司的 RPH35系列Atlas Copc 公司的 COP 系列Ingersoll.Rand 公司的 Joy 公司的典型產(chǎn)品國內(nèi) 系列 液壓鑿巖機的沖擊工作原理液壓鑿巖機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構(gòu)的配油方式?jīng)Q定的。本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書10（1）前腔回油后腔常壓型液壓鑿巖機沖擊工作原理 [13]此型液壓鑿巖機是通過改變前腔的供油和回油來實現(xiàn)活塞的往復(fù)運動的，有套閥式和芯閥式兩種。圖 21 所示位套閥式的沖擊工作原理。當(dāng)套閥處于左端位置時，高壓油進入活塞前腔 A，由于活塞前腔受壓面積大于后腔受壓面積，活塞前端作用力遠大于后端作用力，故活塞開始作回程運動(圖 21a)。當(dāng)活塞回程到一定位置時，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動，關(guān)閉活塞前腔的壓油口，開啟回油口，活塞前端作用力急劇減小使活塞處于制動運行狀態(tài)( 圖 21b)。當(dāng)活塞回程速度為零即到達回程終點時，活塞在后端作用力的作用下開始作沖程運動(圖 21c)。當(dāng)活塞在沖程中離沖擊點還有一定距離時，推閥腔 C 與壓油腔 B 相通，套閥進行沖程換向，在此過程中，活塞高速沖擊釬尾(21d)。與此同時，沖程換向完畢，活塞前腔進入高壓油，又開始作下一次循環(huán)的回程運動。圖 21 前腔回油后腔常壓型液壓鑿巖機沖擊工作原理(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）后腔回油前腔常壓型液壓鑿巖機沖擊工作原理 [13]此型液壓鑿巖機是通過改變后腔的供油和回油來實現(xiàn)活塞的沖擊往復(fù)運動的，也有套閥式和芯閥式兩種，其套閥式液壓鑿巖機沖擊工作原理如圖 22 所示。當(dāng)套閥 4本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書11處于右端位置時，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，向右作回程加速運動(圖 22a)。當(dāng)活塞超過回程換向信號孔位 A 時，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，所以配流閥向左運動進行回程換向，高壓油通過機體內(nèi)部孔道與活塞后腔相通，活塞向右作減速運動，后腔的油一部分進入蓄能器 3，一部分從機體內(nèi)部通道流入前腔，直至回程終點(圖 22b)。由于活塞軸肩后端面積大于活塞軸肩前端面積，因此活塞后端面作用力遠大于前端面作用力，活塞向左作沖程加速運動(22c)當(dāng)活塞越過沖程信號孔位 B 時，配流閥右推閥面與回油通道相通，配流閥進行沖程換向(22d)，為活塞回程作好準(zhǔn)備，與此同時活塞沖擊釬尾做功，完成一個工作循環(huán)。圖 22 前腔常壓后腔回油型液壓鑿巖機沖擊工作原理(a)回程加速(b)回程換向、回程制動(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—回程換向信號孔位 B—沖程換向信號孔位（3）雙面回油型液壓鑿巖機沖擊工作原理 [13]此類液壓鑿巖機都為四通芯閥式結(jié)構(gòu)，采用前后腔交替回油，其沖擊工作原理如圖 23 所示。在沖程開始階段(圖 23a)，閥芯 2 位于左端，活塞 4 位于右端，高壓油經(jīng)油路進入缸體后腔，推動活塞向左作加速運動?；钊蜃筮\動到預(yù)定位，打開沖程換向信號孔口，高壓油經(jīng)推閥油路作用在閥芯的左推閥面，推動閥芯向右運動進行沖程本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書12換向(圖 23b)配流閥右端腔室中的油經(jīng)推閥油路進入活塞中間腔，再經(jīng)回油通道返回油箱，為回程運動作好準(zhǔn)備，與此同時，活塞打擊釬尾。在完成沖程運動的瞬時，活塞即刻進入回程運動(圖 23c),高壓油經(jīng)進油路進入缸體前腔，推動活塞向右作加速運動?；钊蛴疫\動打開回程換向信號孔口 A 時，高壓油經(jīng)推閥油路作用在閥芯的右端面，推動閥芯回程換向(圖 23d )，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，閥芯運動到左端，為下一循環(huán)作好準(zhǔn)備。圖 23 雙面回油型液壓鑿巖機沖擊工作原理(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（4）無閥型液壓鑿巖機沖擊工作原理 [13]該型液壓鑿巖機沒有專門的配流閥，而是一種利用活塞運動位置變化自行配油的無閥結(jié)構(gòu)。其特點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)運動時產(chǎn)生壓縮儲能和膨脹作功。其沖擊工作過程如圖 24 所示。24a 表示無閥型液壓鑿巖機回程開始的情況，這時活塞前腔與高壓油相通，后腔本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書13與回油相通，于是活塞向右作回程加速運動。當(dāng)活塞回程運動到圖 24b 的位置時，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)作回程運動，這時活塞后腔的油液被壓縮儲能，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，即活塞到達如圖 24c 的位置時，活塞開始向左作沖程運動?；钊\動到一定位置，其前后腔又處于封閉狀態(tài)，形成液體彈簧，活塞沖擊釬尾做功。同時活塞的前腔與高壓油相通，后腔與回油相通，又為活塞回程運動作好準(zhǔn)備，如此不斷往復(fù)循環(huán)。圖 24 無閥型液壓鑿巖機沖擊工作原理(a)回程 (b)前腔膨脹，后腔壓縮儲能 (c)沖程1—活塞 2—前腔 3—缸體 4—壓油腔 5—后腔無閥型液壓鑿巖機的特點是：只有一個運動件，結(jié)構(gòu)簡單。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，致使機器尺寸和重量均較大。為了不使工作腔容積過大，就得限制每次的沖擊排量，使活塞運動行程減小，沖擊能減小，在這種情況下要達到一定的輸出功率，只得提高沖擊頻率。但對鑿巖作業(yè)來說，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，所以過高的沖擊頻率也未必有利。由于存在上述不足，故尚未見到無閥型液壓鑿巖機在鑿巖作業(yè)中推廣應(yīng)用。本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書14 有閥型液壓鑿巖機沖擊機構(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構(gòu)由于配油方式的不同而具有各自的特點 [12]：1)活塞回程制動階段的吸空問題在活塞回程制動階段，前腔常壓型沖擊機構(gòu)從原理上不會產(chǎn)生前腔的吸空問題，而后腔常壓型和雙面回油型沖擊機構(gòu)則必然會產(chǎn)生前腔的吸空現(xiàn)象，這對活塞、缸體及回油管都是有害的。對于相同規(guī)格的液壓沖擊機構(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壓液流動阻力問題在沖程階段，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，此時會產(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活塞