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1、开口机液压设计及原理摘要：本文在综合分析各类液压开口机冲击工作原理和轻型液压开口机各种结构的基础上，分析轻型独立回转液压开口机的结构类型，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开口机的液压系统，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。关键词：开口机；设计；轻型；独立回转；研究；冲击机构目录第1章 绪论31.1 液压开口机的发展31.2 液压开口机的研究现状41.3 液压开口机的发展趋势71.4 本课题的意义及设计内容8第2章 液压开口机的冲击工作原理及结构分析92.1 液压开口机的基本结构92.2 液压开口机冲
2、击机构的结构类型112.3 液压开口机的冲击工作原理122.4 有阀型液压开口机冲击机构的结构分析162.5 轻型独立回转液压开口机总体方案的确定18第3章 液压冲击机构数学模型的建立213.1 液压冲击机构的线性模型213.2 液压冲击机构的非线性模型28第4章 液压系统设计314.1 液压冲击机构控制原理及设计理论分析324.2 活塞系统设计354.3 配流阀系统的设计374.4 蓄能器的设计424.5 活塞防空打装置的设计46结论错误!未定义书签。参考文献50附件151附件2错误!未定义书签。第1章 绪论1.1 液压开口机的发展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开口
3、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开口机。不久，美国GardnerDenver 公司根据尤布科斯专利制成了MP型液压开口机。以上几种液压开口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型液压开口机，开始在世界范围内应用液压钻孔设备。由于液压开口机和气动开口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开口机，使液压开口机技术和生产在30多年间有了很大发展。目前在国外，液压开口机已经成为导轨式开口机产品的主流。
4、90年代先进国家的岩石开挖工程采用的液压钻孔设备占钻孔设备总量的80%以上。其中瑞典AasCopco、芬兰Tamock、法国Secoma等公司的液压开口机及配套产品在世界上具有代表性。前两者的液压钻孔设备销售量占世界销售总量的一半以上。目前国外的液压开口机正向重型、大功率和自动化方向发展超重型大功率液压开口机已能钻凿直径180-275毫米的炮孔，钻孔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，液压开口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
5、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YYG80型液压开口机，不久以后，由中南工业大学研制的YYG90型液压开口机、北京科技大学研制的YS5000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开口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 液压开口机的
6、研究现状1.2.1 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
7、冲击机构的物理现象，但方程求解困难，描述不直观，只能通过计算机求得数值解。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。1.2.2 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，其配流控制阀的换向频率高达5060要求在极短的时间内完成大开口量的油路切换动作，压力、流量变化都非常剧烈，系统不可避免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
8、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。1.2.3 配流阀的研究有阀液压开口机的冲击机构是一个具有位置反馈的阀控活塞随动系
9、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开口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开口机的主要参数。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。1.2.4 钎尾反弹能量吸收装置及防空打装置
10、的研究液压冲击器工作时不可避免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计算机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。1.2.5 液压冲击器输出参数调节的研
11、究冲击钻孔破碎理论与实践表明：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，在钻孔破碎作业过程中，当工作对象的物理性质(如硬度)或具体工作状挽。(如钻孔爆破工艺的平巷中深孔掘进)发生变化时，为了降低钻孔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
12、.Copco公司于20世纪80年代率先推出了CoP1238系列三挡液压开口机；美国GardnerDenver公司HPR1型自动调节行程液压开口机；法国Emico.Secoma公司的RPH200型三挡液压开口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系列自动换挡液压开口机，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
13、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构想，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
14、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。1.2.6 液压冲击器计算机辅助设计(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
15、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系列液压开口机设计的仿真通用软件，实现了该系列液压开口机的计算机自动绘图。计算机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 液压开口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
16、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系列液压开口机取代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等系列液压开口机。(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型液压开口机冲击频率可达，冲击能达440J,扭矩500-700Nm；中南工业大学研制的YYG145型多挡液压开口机，其输出最大冲击能也达到330J，冲击频率达，扭矩为450Nm。(3)产品结构设计和钎具质量不断改进，钻
