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1、黑龙江八一农垦大学毕业论文（设计） I 摘要 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， 创新提出了轻型独立回转液压凿岩机的新构型，研制了 YYT-30 型轻型独立回转液压 凿岩机。该机型的问世，有望取代传统的支腿式气动凿岩机，成为我国中小矿山和 一般工程施工中凿岩机械的主力机型。 该机技术性能先进，结构新颖，具有耗能少、体积小、重量轻、冲击能大、钻速 快、噪声低、振动小，工人劳动强度低等优点，可广泛用于大理石，花岗岩，金属 矿，非金属矿和煤矿等矿山开凿石，用于地质勘探坑探巷道掘进以及采石，水电， 铁路，港口，基地，基建，国防工程中钻凿炮眼。 关键词：关键词：液压凿
2、岩机；独立回转；冲击能 黑龙江八一农垦大学毕业论文（设计） II Abstract After analyzing the impacting principle of all kinds of hydraulic rock drills and various structures of portable hydraulic rock drill, a new structure of portable independent rotary hydraulic rock drill, YYT 30 portable independent rotary hydraulic rock dril
3、l, is put forward in the dissertation, and made in reality. It will become main style in medium and small-scale mines and general engineering machines in our country, which will replace traditional legged pneumatic rock drill hopefully. The machine of advanced technology, the new structure, with les
4、s energy consumption, small size, light weight, the impact energy, faster penetration rate, low noise, vibration small, workers advantage of low labor intensity, can be widely used in marble, granite, metal Ore, non-metallic minerals such as coal mines and cut stone. Exploration for geological prosp
5、ecting pit roadway excavation and quarrying, electricity, water, railways, ports, bases, infrastructure, national defense projects in the drilling Perforation. Key words: hydraulic rock drills; portable independent rotary; impact energy 黑龙江八一农垦大学毕业论文（设计） III 目录 摘要 I ABSTRACTII 1 绪论- 1 - 1.1 国内外液压凿岩机
6、发展概况- 1 - 1.1.1 国外液压凿岩机发展概况- 1 - 1.1.2 国内液压凿岩机发展概况- 2 - 1.2 液压冲击机构设计理论研究体系概况- 3 - 1.2.1 蓄能器- 3 - 1.2.2 配流阀(换向阀)- 3 - 1.2.3 防空打和钎尾反弹理论- 4 - 2 轻型独立回转液压凿岩机的总体结构- 5 - 2.1 液压凿岩机的基本结构- 5 - 2.2 液压凿岩机冲击机构的结构类型分析- 6 - 2.2.1 液压凿岩机的基本结构类型- 6 - 2.2.2 液压凿岩机的冲击工作原理- 7 - 2.2.3 有阀型液压凿岩机冲击机构的结构分析- 11 - 2.3 轻型独立回转液压凿
7、岩机总体结构方案- 12 - 3 液压冲击机构的设计.- 15 - 3.1 设计理论分析.- 15 - 3.2 冲击活塞系统的设计- 17 - 3.2.1 活塞系统设计的基本要求- 17 - 3.2.2 活塞零件的设计计算- 17 - 3.2.3 活塞台肩部分的设计计算- 18 - 3.3 蓄能器的设计- 21 - 3.4 换向信号孔位置的确定- 23 - 3.5 活塞防空打装置的设计方法- 23 - 参考文献.- 25 - 黑龙江八一农垦大学毕业论文（设计） - 1 - 1 绪论 1.1 国内外液压凿岩机发展概况 1.1.1 国外液压凿岩机发展概况 自 1861 年气动凿岩机开始应用以来，经
8、过不断改进、完善，各类气动凿岩机在 矿山、铁路、公路、水电、煤炭和建筑工程施工中发挥了巨大的作用。进入 20 世纪 以来，随着各类工程在岩石断面上掘进的工作量日益增加，生产效率要求越来越高， 气动凿岩机的钻凿能力与生产发展需要之间的矛盾日益加剧。生产的发展迫切要求 用效率高、生产能力大的新型凿岩机来取代气动凿岩机。 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（表 1.1） ，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
9、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（表 1.2） 。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 Atlas Copco、 芬兰 Tamrock、 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。 表 1.1 液压和气动凿岩机的比较 比较性能气动凿岩机液压凿岩机 能量利用率 10%30-40% 噪声液压凿岩机比气动凿岩机降低 10-15 dB(A) 排气油雾有无 凿岩效率液压凿岩机比气动凿岩机提
10、高 1 倍以上 主要零部件寿命短长 钎具消耗多少 工作介质压缩空气液压油、乳化液 介质压力，MPa04-05 14-20 每米炮孔成本1：077 实现自动化的难易程度困难容易 使用维护方便较困难 黑龙江八一农垦大学毕业论文（设计） - 2 - 表 1.2 液压凿岩机的发展进步 20 世纪 70 年代20 世纪 80 年代20 世纪 90 年代 凿岩机型号近 40 个近 100 个超过 100 个 年产量接近 2000 台10000 台以上20000 台以上 凿岩机冲击功率,kW 102040 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 180-2
11、75 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。它可以完成自动移位和定位、自动开孔、自动防卡钎、 自动凿岩、自动退钎等凿岩循环，并可遥控的全自动液压凿岩机械已较多应用于隧 道开挖。液压凿岩机器人技术和产品也在 20 世纪 80 年代开始开发。日本东洋公司 的 AD 系列、法国 Montabert 公司的 Robofore 系列、瑞典 Atlas Copco 公司的系列 以及芬兰 Tamrock 公司的 Datamatic 系列凿岩机器人都已问世。 1.1.2 国内液压凿岩机发展概况 我国从上世纪 70 年代开始研制液压凿岩机。1973 年 11 月制造
12、出第一台 YYG80 型液压凿岩机样机，后几经改进，于 1980 年 9 月在湘东钨矿通过了部级鉴 定。目前我国已有北京科技大学、中南工业大学、长沙矿冶研究院、煤炭科学研究 院北京建井研究所、沈阳风动工具厂、天水风动工具厂和衢州煤矿机械厂等 10 多个 单位研制的 20 多种型号的液压凿岩机通过了省部级鉴定。 为发展我国的液压凿岩机技术和产品，近十多年来，莲花山冶金机械厂、沈阳 风动工具厂、天水风动工具厂、宣化风动工具厂、南京工程机械厂先后耗资 1000 万 美圆从 Atlas Copco 和 Secoma 公司引进 4 种重型导轨式液压凿岩机制造技术。但由 于各方面原因，除莲花山冶金机械厂的
13、 HYD200 和 HYD300 型液压凿岩机产品产量和 质量比较稳定外，其余的产品均未形成批量能力，质量也有很大差距。这远远不能 满足我国工程部门需求。近 10 年来，我国大型矿山及大型工程均采用了引进的大型 液压钻车。共从 5 个国家 7 个公司购进全液压凿岩设备近 30 个型号 500 多台套，重 型液压凿岩机 1200 余台，耗资几十亿人民币。 我国一些单位也看到具体国情对轻型液压凿岩机的大量需求。长沙矿冶研究院 等十多家科研单位和企业曾经研制过多个型号的支腿式液压凿岩机，但大都没有成 功。其主要原因是：1）这些产品大多不合理地采用了内回转结构，从结构设计上就 不满足液压凿岩机高频率、
14、大扭矩的需要；2）在材料选择和制造工艺方面仍受气动 凿岩机的影响，达不到液压凿岩机的性能要求。 1.2 液压冲击机构设计理论研究体系概况 液压冲击机构是液压凿岩机的关键部件，它主要由缸体、活塞、换向阀、蓄能 器等主要部件和导向与密封装置等组成。它的研究水平直接影响着液压凿岩机的设 黑龙江八一农垦大学毕业论文（设计） - 3 - 计制造和使用。几十年来，人们对液压冲击机构的运动规律及控制理论作了不懈的 探索和研究，对它的认识也逐步由低级阶段向高级阶段发展。 1.2.1 蓄能器 蓄能器是液压凿岩机的重要部件，它的设计品质直接关系到冲击机构能否按设 计要求运动。因此，人们对蓄能器进行了大量的研究工作
15、。 北京科技大学段晓宏等老师以集中参数为基础，建立了高压隔膜式蓄能器的动 态模型，并用实验和计算两种方法分析了蓄能器的频率特性，在此基础上，进一步 分析了蓄能器与液压凿岩机冲击机构的耦合特性，提出了在冲击机构结构和尺寸确 定的情况下，蓄能器容积尺寸的选择计算方法和冲击机构工作时最优工作参数的计 算方法。 中南大学何清华教授对液压冲击机构的回油和回油蓄能器进行全面研究，他指 出：液压凿岩机的工作油压主要取决于本身运动体的惯性力，这是它有别于工作油 压主要取决于外部负载的一般液压机械的显著特点；液压凿岩机的回油背压主要是 由于活塞或阀的控制腔向回油管排油时，随它们加速运动的油液所形成的惯性油压。
16、并指出由于冲击机构的排油流量与回油管中油液流动的流量变化步调不一致，当进 入回油管的流量小于回油管中油液流动的流量时，就会产生空隙现象，为减小惯性 回油压和消除回油空隙，在液压凿岩机上应设置回油蓄能器，并由此推出了回油蓄 能器参数设计计算公式。 天津工程机械研究所冯建华高级工程师通过理论与实验研究，证明了在液压锤 中设置蓄能器的必要性，介绍了一种设计蓄能器的简捷方法。中南大学朱建新教授 通过实验测定了液压碎石机的蓄能器实际工况，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。 1.2.2 配流阀(换向阀) 有阀型液压凿岩机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
