全液压钻机(毕业设计)

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1、1 第 1 章 绪论 全液压钻机在矿山、铁路、公路、水电、煤炭和建筑等工程施工中是不可缺少的主要施 工设备之一。 特别是随着液压控制技术和计算机技术的结合更促进了钻孔技术的进步， 自动 化凿岩及自动凿岩设备也相继出现，同时也向着大功率、高效率的方向发展。全液压钻机在 国际上已广泛使用,而且也是中国新型钻机发展的主要方向。因此，对于全液压钻机液压系 统的研究有很现实的意义。12 1.1.全液压钻机简介 1.1.1 全液压钻机工作原理 全液压钻机又称全油压钻机，一种用油压驱动和控制所有运转部件的钻机。具体而言， 就是在钻机工作过程中钻臂调整定位，行走机构的前行、后退、左转、右转、履带的小角度 摆动

2、以及钎杆的旋进、 退出、 推进、 冲击以及钎杆倾角的调整、 固定等都是由液压系统实现。 这类钻机借高压变量油泵和变量油马达实现无级变速，可简化传动机构,去掉齿轮变速箱， 既减轻了钻机重量， 又能充分利用动力按其结构型式， 可分为立轴式全液压钻机和动力头式 全液压钻机两种。 1.1.2 全液压钻机液压系统设计要求 基于全液压钻机对破碎岩石钻孔工程中的作用,对全液压钻机液压系统基本要求有3： （1） 液压执行元件布局合理。 要求钻机液压系统结构简单，体积小，重量轻， 维修方便， 且液压元件的标准化、通用化程度高。 （2） 控制方法得当。 在液压系统中， 执行元件需改变运动速度和方向， 对于与多个元

3、件， 则还有动作顺序及互锁要求， 钻机换杆机构中要实行一定的自动循环， 要慎重选择各种控制 方式。行程控制、压力控制、时间控制等组合要得当。 （3）系统安全可靠性。在设计时需要针对不同功能的液压回路，采取不同的措施以确保 液压回路及系统的安全可靠性。为防止系统过载，应设置安全阀；为防止举升机构在其自重 及失压情况下自动落下必须有平衡回路；支腿回路有液压锁；回转机构应有缓冲、限速及制 动装置等，以确保安全。另外，要防止回路间的相互干扰。 （4） 要有效利用液压功率。 提高液压系统效率不仅能节约能量， 而且可以防止系统过热。 在工作循环中，所需流量差别较大时，应采用双泵和变量泵供油或增设蓄能器，在

4、系统处于 保压停止工作时，应使泵卸荷等。 （5）防止液压冲击。在液压系统中，由于工作机构运动速度的变换、工作载荷的突然消 失以及冲击载荷等因素， 常常会产生液压冲击而影响系统的正常工作， 因此设计系统原理图 时要采取相应的预防措施。 在对工作负载突然消失而引起的液压冲击， 要在回油路上加背压 阀；对由冲击负载产生的液压冲击，要在油路入口加安全阀等。 2 1.2 国内外发展状况 1.2.1 国外发展状况 七十年代初，发明了液压凿岩机和液压钻车，七十年代中期，液压钻车投入应用，这标 志这采掘机械化程度的巨大提高。 此后， 各国的凿岩设备制造商研制开发各种型号的液压钻 机数百种，并大多自成系列。目前

5、，国外的液压凿岩钻机技术日趋成熟，产品不断完善， 品 种规格齐全，使用日益广泛。一直以来凿岩钻机的核心产品是全液压凿岩机，而钻机的作用 是使液压凿岩机的优越性得以充分发挥。世界著名公司液压凿岩钻机的研发情况如下46： 法国塞克马公司： 20 世纪 60 年代末， 该公司研制出 RPH235 型液压凿岩机用在实验室 内凿岩。 法国蒙塔-伯特公司：1970 年该公司退出第一台型号为 H50 液压凿岩机，在生产中钻孔 总长度达到 14000m，被批量生产，投入应用。 瑞典阿特拉斯科普柯公司：1973 年该公司研制出 Cop1038 型掘进用液压凿岩机，之后 不断进行技术创新，推出新产品，2005 年

6、推出 Cop1132,冲击功率 11kW、冲击频率 100Hz。 其钻孔直径 3351mm,采用双缓冲系积大、防止灰尘、水和切削物体进入机器，从而延长 了使用寿命。 另外， 该公司开发的基于网络的 RCS(Rig Control System)控制系统,是一个有硬 件、软件组成的控制平台,能实现远程故障诊断和实时工控,相继又提出高级 ABC (Advanced Boom Con2trol)控制系统,能实现凿岩工作全自动化,实现快速准确地控制整个凿岩钻孔过 程。 芬兰汤姆洛克公司： 该公司研发的凿岩机目前已发展到 10 个系列产品。其中 HL4000 系列液压凿岩机供露天钻车配套使用，可钻凿炮孔

7、直径 180 230mm 其凿速为同级潜孔钻 机或牙轮钻机的 24 倍,能量消耗仅为潜孔钻机的 1 /4。 日本东洋公司:1982 年该公司研制出 THMJ223502AD 四臂和 THCJ222AD 凿岩机器人， 具有钻进自适应系统,还有气压、水压、液压和电压等方面的连锁监控功能。机械臂定位误 差在 5cm 以内,凿岩机器人定位时间为 2538 s。 日本古河公司： 该公司推出 T3RW22102177Y 型凿岩钻机， 适用巷道断面 15. 24m 12. 08m,配用凿岩机型号为 HD210，钻臂型号为 JE331,发动机功率为 122. 7kW。 美国互动科技有限公司 ：该公司开发出 2

8、45 型凿岩自动控制系统。 英国 Perard Torgue Tension 公司:70 年代末该公司研制计算机辅助凿岩钻车,采用激光导 向,精确定位的闭环控制，由计算机经过各种传感器和电液阀进行监测和控制。 其中法国的塞马克公司最早研发出实用的液压钻机， 而瑞典的阿特拉斯科普柯公司和芬 兰的汤姆洛克公司的产品技术水平具有代表性,，它们研制的液压钻机最富盛名，销售份额 占全球一半以上。 1.2.2 国内发展状况 自 1980 年 9 月研制成功国内第一台 YYG280 液压凿岩机及 CGJ2Y 全液压凿岩钻车以 来,相继引进国外成熟技术装备，大大促进了研制液压凿岩设备的发展进程。从 1984

9、年起， 为加速我国有关机械制造厂生产液压凿岩设备，沈阳风动工具厂、南京工程机械厂、天水风 动工具厂、宣化采掘机械厂和沈阳有色冶金设备总厂，分别从阿特拉斯科普柯公司、互动科 技有限公司进液压凿岩机和液压凿岩钻车制造技术，并已形成批量生产,产品技术性能已达 到国外同类产品水平。 3 1987 年宣化采掘机械厂与中南工业大学合作研制 KZL2120 型露天液压凿岩钻车， 配装 的重型液压凿岩机为 YYG250A 型凿岩机，于 1989 年通过机械电子部鉴定。天水风动工具 厂从阿特拉斯科普柯公司引进 TROC712H 和 ROC812H 两个系列的履带式露天液压凿岩钻 车制造技术，1988 年已正式进

10、行生产销售,部分产品返销国外。由此逐步形成我国液压凿岩 设备产品系列和研制使用格局， 也标志着我国自行研制的全液压钻车结合国情已进入了成熟 阶段。 王小亮在论文“ZDY760 全液压钻机液压系统设计”中给出了全液压钻机液压系统的一 般设计方法； 中南大学李候清在其硕士论文中着重研究重型液压凿岩机， 从软件仿真的角度 设计钻机液压系统； 燕山大学赵燕在其硕士论文中对阿特拉斯科普柯公司的全液压凿岩台车 BOOMER282 的液压系统进行了分析；中南大学赵宏强、吴万荣等一直着力研究钻机液压 系统，设计出潜孔钻机夹持器等产品，推动国内钻机的发展。 综上所述,我国液压凿岩设备近年得到快速发展。但因机械制

11、造工艺液压技术总体水平 限制， 虽然研制开发类型很多， 但形成生产的产品较少， 引进国外技术或仿制国外产品居多。 目前,产品已形成系列化，产品技术性能和水平基本达到国外同类产品的水平，而制造质量 和可靠性日趋稳定，基本满足我国矿山需求。 1.3 本文研究背景 国内引进许多国外著名品牌液压钻机产品，对其结构、配置、功能进行了大量的研究。 但与国外好的产品相比，还是形似神非，有的设计结构与参数不匹配，导致容易发生故障， 维修保养费用高，有的液压系统分配不合理，配置不均衡，油压不能充分利用，导致工作效 率低，浪费大，成本高。现在国内对于液压钻机的研制开发技术缺点主要有：液压钻机结构 的设计不合理；液

12、压钻机元器件精度不达标；液压系统的设计致使能量不能充分利用等。 1.4 本文研究的主要内容及目的 本文主要研究对象是全液压钻机的液压系统 。具体研究内容如下： 1、确定液压系统的形式。在全面分析全液压钻机的整体结构、钻孔工艺过程之后，对 全液压钻机液压系统进行工况分析和原理设计，设计液压系统原理图。 2、确定系统的主要参数。根据全液压钻机工作特性选定合适的系统压力，运用流体力 学等相关理论计算得出系统各泵出口流量以及液压执行元件所需流量。 3、液压元件设计选型。 根据液压系统的主要参数进一步计算液压元件液压泵、 液压缸、 液压马达、液压阀、管件、油箱等的结构参数，查阅相关国家标准，选择匹配的液

13、压元件。 4、液压系统的校核。针对所设计的液压系统进行热平衡校核，验证液压系统的稳定性 以及合理性。 本文研究的主要目的是分析全液压钻机整体结构、设计全液压钻机液压系统，为全液压 钻机操作者的使用以及今后全液压钻机的研发提供一定的指导意义。 4 第 2 章 全液压钻机液压系统方案研究 2.1 全液压钻机整体结构 全液压钻机整体结构如图所示： 对其结构分析如下1： （1）转钎机构 转钎机构由回转马达驱动，回转马达是钻机的主要部件，做为钻机动力源，将回转扭矩 和转速已经冲击器的冲力通过钻杆传递到钻头， 完成钻孔作业， 并且与夹持器一起完成钻杆 的拧紧松卸操作。 （2）推进器 推进器的作用是凿岩时完

14、成凿岩机推进和退出的动作， 从而带动钻杆钻进和提拔， 给予 钎具足够的推力。其推进力大小、进给速度的快慢要根据岩石条件进行调节，避免能量浪费 或者能耗不足。 （3）冲击器 冲击器由缸体、配流套阀、导向套和后盖组成，它是冲击做功的主要部件。 （4）夹持器 夹持器在接卸杆时完成夹紧和放松钻杆的动作， 通常夹持器有上、 下两个液压油缸来保 证钻杆的稳固性。 （5）托架 托架是钻臂与推进器之间相联系的机构 ，它的上面有燕尾槽托持着推进器，左端与钻 臂铰接。依靠摆角缸、仰俯角缸的作用完成推进器的水平摆动以及俯仰角运动。 5 （6）补偿机构 补偿缸连接着托架和推进器，两端分别与托架和推进器铰接，形成补偿机

15、构。这一机构 作用是使推进器做前后移动， 给予推进器一定的推力。 由于钻臂是以转柱的铰接点为圆心做 摆动的机构，当其做摆角运动时，推进器顶尖与工作面的间距就会拉大，而凿岩时必须使顶 尖与工作面接触， 因此必须要设置补偿机构。 补偿机构用一个液压缸来推进推进器前后移动， 其行程由钻臂运动时顶尖与工作面的最大距离决定。 （7）钻臂 钻臂是支撑托架、推进器、凿岩机的工作臂，由一些方向阀控制支臂缸、摆臂缸、折叠 臂角缸、 俯仰角缸以及摆角缸来执行钻臂和推进器的上下左右移动， 从而使装有凿岩机的推 进机构在不同的距离和不同的方向定位。 支臂缸完成钻臂的上下运动， 摆臂缸完成钻臂的左 右摆动，折叠臂角缸完

16、成钻臂的伸缩，俯仰角缸完成推进器的上下运动，摆角缸完成推进器 的左右摆动。 （8）底盘 底盘的履带行走机构由四轮一带、张紧装置、缓冲弹簧、行走机构和行走架等组成。 （9）车体 车体上布置着操作台、邮箱、电气箱、油泵、行走装置和稳车支腿等，还有液压、电气、 供水等系统。车体对钻车起着平衡和稳固的作用。 2.2 液压钻机作业过程 钻机靠行走机构以及履带摆动机构来实现平稳运动，如前进、后退、左转、右转；钻机 靠支腿稳固机构来实现钻孔过程中车体的固定， 防止跑偏； 钻机靠变幅机构来实现钻孔的精 确定位；钻机直接执行机构是回转推进冲击机构，在钻进深孔的同时，需要换杆机构来接卸 杆。因此，全液压钻机包括回转推进冲击机构、行走机构、换杆机构、变幅机构、支腿稳固 机构以及履带摆动机构六大部分。 下面针对全液压钻机直接执行机构进行钻孔动作分析：冲击凿岩作业由冲击、推进、 回 转、冲洗四种功能组合而成，原理图如下： 图 2-1 凿岩机原理 6 图 2-2 受力分析图 根据岩石的力学性质， 岩石破碎与受力大小和受力速度有关， 冲击力能够很快促使岩石 由塑性体变为脆性体， 当冲击