高炉开铁口机大臂旋转设备液压系统设计.doc

辽宁科技大学本科毕业设计（论文） 第55页 高炉开铁口机大臂旋转设备液压系统设计摘 要开铁口机是完成打开高炉铁口的关键设备，随着在现代冶炼技术的发展进步, 老式简易开铁口机的不足逐渐暴露出来，已不能满足现代化高炉的要求，开铁口机的改制势在必行。本课题研究的是全液压开铁口机的液压系统设计，该控制系统利用液压控制灵活、迅速的优势，一改以往人工操纵换向为液压系统识别自动控制换向。开铁口机从回转开始工作到工作结束回到停放位置，均采用液压全自动控制，不需人工干预，提高了开孔能力和开孔速度，适应了现代化大型高炉的要求。该系统主要由冲击、转钎、推进及回转四部分的液压控制系统组成，本课题主要设计了这四部分中推进与回转部分的液压控制系统，及对这两部分液压系统的组合和系统性能验算，同时论述了各部分的计算设计过程和必要的强度校核。关键词 开铁口机；液压系统设计；液压全自动控制ABSTRACTTaphole drill is a key equipment to open the taphole blast furnace, With modern smelting technology in the development and progress, Easy open old iron deficiencies machine gradually exposed, Has been unable to satisfy the requirements of modern blast furnace, Taphole drill restructuring inevitable. This topic research is entire hydraulic pressure opens the iron gate machine hydraulic system design, The control system uses hydraulic control flexibility, rapid advantages, as soon as changed formerly the manual control commutation for the hydraulic system recognition automatic control commutation. The Taphole driller from the beginning of the end of the work to return to the work space for parking, adopted hydraulic automatic control, does not need the manual intervention, enhanced has opened the hole ability and opens the hole speed, adapted the modernized large-scale blast furnace request. This system mainly of the impact, the extension rock drill, advances and rotates four part of hydraulic control system composition, The design of the topics issues of this part of the four hydraulic systems, And the total hydraulic system, the composition and properties of checking system, It also explains the parts of the design process and calculating the necessary strength check.Key words taphole trill；hydraulic hystem design；hydraulic system recognition automatic control commutation目 录摘 要IABSTRACTII目 录III1绪论11.1开铁口机国内发展现状11.1.1开铁口机国内引入状况11.1.2开铁口机国内开发状况11.1.3开铁口机国外的应用与发展状况21.2国内外开铁口机存在的问题21.3开铁口机的发展前景31.3.1国内各结构开铁口机应用情况31.3.2国际开铁口机的发展趋势31.4 全液压开铁口机31.4.1全液压开口机简介31.4.2全液压开口机的发展前景32 .本课题的总体设计方案52.1 设计要求52.2 设计方案52.3推进部分液压系统的设计53.液压马达各参数的确定73.1确定参数73.1.1 工作载荷力矩的计算73.1.2 小车在轨道上静摩擦力的计算83.1.3 开铁口时所需驱动力矩的计算83.2 液压马达的选择83.2.1 工进时液压马达转速的计算83.2.2 快退时液压马达转速的计算93.2.3 液压马达的选择93.3 液压马达工作压力的计算93.4 液压马达实际流量的计算93.5 液压系统图的拟定104.回转部分液压系统的设计114.1 回转部分各参数计算124.1.1 参数的计算124.1.2 各阶段的负载计算134.2 执行元件工作压力的确定184.3 液压缸尺寸的计算184.3.1 液压缸工作面积的计算184.3.2 液压缸尺寸的计算194.4 液压缸强度校核204.4.1 液压缸联接方式及材料选择204.4.2 缸筒壁厚和外径计算214.4.3 活塞杆强度验算224.4.4 液压缸固定螺栓的校核计算234.5 液压缸工作压力、流量和功率的计算244.5.1 液压缸工作压力的计算244.5.2 液压缸输入流量的计算244.5.3 液压缸输入功率的计算254.6 液压系统图的拟定255 总液压系统图的确定265.1 总液压系统的分析275.1.1 液压回路的选择275.1.2 总液压系统原理图的确定275.2 总液压控制系统组成及控制原理305.3 总液压系统控制下的自动作业过程315.3.1 总液压系统钻孔前的控制过程315.3.2 总液压系统在铁口钻穿后的控制过程316 液压元件的选择及辅助装置的确定326.1 液压泵的选择336.2 阀类元件的选择346.2.1 液压阀的选取原则346.2.2 液压阀的选择356.3 液压辅件的确定366.3.1 油箱容积的确定376.3.2 油管尺寸的确定376.4蓄能器的选择386.5液压系统的发热温升的计算396.5.1 液压系统的发热功率的计算406.5.2 液压系统的散热功率的计算417 液压系统性能的验算427.1 系统压力损失的验算437.1.1 快进时压力损失的验算437.1.2 工进时压力损失的验467.1.3 快退时压力损失的验算477.1.4 总压力损失的确定507.1.5 阀及压力继电器调整压力的确定51结 论51致 谢52参考文献531绪论 开铁口机是高炉出铁时打开铁口的重要机械，它的可靠性和使用性能直接关系到高炉的生产效率。1.1开铁口机国内发展现状1.1.1开铁口机国内引入状况 随着高炉的大型化和现代化的进程，对开铁口机的要求也在不断的提高，特别是近年来，我国一批大型高炉开始引进消化吸收国外先进技术，使我国高炉炉前设备的硬件水平进入一个新的阶段。 1)20世纪80年代末期，国内引进DDS公司第一代开口机(CHQ1000)用于湘钢3BF，采用矮柱双轨式，在同一行走梁上并排挂两台开口机，集冲钻为一体，广泛应用于国内1000m3以下高炉。 2)20世纪90年代初期，DDS公司第二代开口机(CHQ2000)在武钢3BF使用，采用冲钻分离式，此机与CHQ1000型相比，转速提高了25%，扭矩提高了30%，冲击功提高了40%。 3)1998年12月，DDS公司第三代开口机(CHQ2000L)在昆钢6BF使用，开口机转臂为低柱斜座式，此结构稳定性强，离地面空间小，便于设备检修及备件拆换。此外，该机还根据国外开口工艺增设了逆打装置，1999年10月三峡工业设计研究院将其国产化，并迅速在国内1000m3以上至2000m3以下高炉推广。4)20世纪末，DDS公司与PW公司重组，组建为TMT公司。21世纪初，该公司生产的HS573GH型全液压开口机，随着炉前设备的引入，先后在武钢6BF、7BF，马钢新区1BF、2BF，韶钢6BF，太钢8BF，本钢6BF、7BF、8BF和宝钢4BF使用，这一新技术的应用，对提高中国炉前设备自动化水平起到了积极的推动作用。1.1.2开铁口机国内开发状况2005年1月，三峡工业设计研究院组织专班成立项目组，走科研与生产结合道路，用了近半年时间对使用CHY4000A型全液压开口机现场进行观察、跟踪、了解，对泥炮、铁口、钻头、钻杆、开口机给进机构以及风压、水压、油压等进行了反复研究、解剖、试验、分析，终于在2006年逐一解决了以上六个重点问题，并研究开发出具有自主知识产权CHY4000A型全液压开口机，该机主要针对2000m3以上高炉的炉前开铁口作业。它集旋转、振打、逆打、吹扫为一体，钻杆、钻头、水雾化为一体，整机各部位结构紧凑，克服了其它机型在加大冲击功，加大扭矩情况下易松动的问题。具有功率大、效率高、消耗低、故障少、带逆打、安全环保等特点。改写了国内大高炉无大功率、无逆打装置液压开口机的历史。产生了较好的社会效益，并迅速在全国大高炉和特大高炉推广使用。这一新技术的应用使国内炉前操作水平、管理水平都将有一个新的提高。1.1.3开铁口机国外的应用与发展状况 日本冈崎工业株式会社框架式框架式开铁口机：该开铁口机主机旋转点设在高炉框架立柱上，整套机构为全气动式；德国DDS公司立柱高架式开铁口机：该开铁口机有一庞大立柱，转臂以此为轴转动。大臂旋转、倾动机构、提升机构为全液压式。开铁口机、行走马达为全气动式；美国乔伊公司生产的开铁口机是一种全电动开铁口机：该开铁口机打开铁口后能自动退回原位，具有电动进给、电动钻削、无冲击振打功能。大臂转动是电机变速后带动回转，因其为全电动，电机使用寿命不长，近年来在使用中已逐步改为电动转臂、气动钻削、气动前进后退。其立臂回转、钻削、行走为全电动，开铁口角度手工调整，主臂受力不强，大高炉使用不合适；另外卢森堡PW公司PW型开铁口机与德国DDS型结构及原理几乎相伺，采用的同是液压转臂气动开口机、气动行走马达，优越性在于其小结整个机身矮小受力性强结构紧凑，功能齐备。1.2国内外开铁口机存在的问题 进人21世纪，国内外高炉开始向大型化和特大型化方向发展，在高炉操作中，炉前设备面临着比较突出的问题，即现有各机型开口机在功能与功率方面满足不了开铁口工艺要求，尤其是2000m3等级以上的高炉，冶炼强度高、铁口深，采用高强度无水炮泥堵铁口，炮泥在铁口中烧结时间长，且变素很大，造成开口困难、铁口孔道不规则、出铁时间难以控制影响炉内操作、铁口深度不稳定且难维护等，集中反映六个问题: l)开铁口时间长10min30min； 2)钻杆消耗大35根/炉； 3)铁口侵蚀快； 4)正点率较差67%； 5)铁口合格率较差51%； 6)泥炮的打泥量不稳；1.3开铁口机的发展前景1.3.1国内各结构开铁口机应用情况 对我国300m3以上的206座高炉进行了统计，各机型开铁口机使用情况大致如下：全气动式4.6%，全液压式13.2%，液气结合式24.1%，气动吊挂有轨式22.4%，液压吊挂有轨式0.4%，电动吊挂有轨式35.3%。1.3.2国际开铁口机的发展趋势 根据世界各国开铁机综合分析，发现开铁口机基本采用液压驱动大臂的转动。因为液压工作压力高、可压缩性小、运行平稳、功率大、可较好地防止钻削过程中转臂的后移，能够保证整机的稳定性、准确性。1.4 全液压开铁口机1.4.1全液压开口机简介 与风动开铁口机相比较,液压凿岩机钻削、冲打能量大,工作可靠,结构紧凑轻便,可省去专用空压机,液压开铁口机可以和液压泥炮共用一个液压泵站,节省投资,特别是由于钻削和冲打的能量大,开孔速度明显加快,可大大减少钻杆和钻头的消耗。1.4.2全液压开口机的发展前景目前,高炉开铁口机根据动力源可以分为气动、电动、液压三种类型。与气动式开铁口机相比,全液压开铁口机钻削开口的工作油压是风动开铁口机风压的2030倍,故钻削、冲打能量大,工作可靠,结构紧凑轻便,可省去专用空压机,节省投资；与电动开铁口机相比较,开口速度明显加快,开出的孔道平直光滑。另外,目前国内绝大多数高炉均已采用全液压矮身泥炮堵塞出铁口,选用全液压开铁口机可以和泥炮共用液压泵站,因此,全液压开铁口机必将成为其他各种开铁口机的替代产品。2 .本课题的总体设计方案2.1 设计要求 本液压开铁口机适合炉口深度为2500mm左右的现代高炉，开铁口机的钻进方向与铁口轴线的倾斜角度为10，回转部分从停放位置到工作位置需旋转105，旋转时间1214s。打铁口时，钻头直径6080mm，转速范围0300r/min，推进液压马达的推进速度0.0250.05m/s,反退速度为1m/s。冲击部分的冲击频率4050HZ，而冲击能量为250300J。 2.2 设计方案本设计主要对全液压驱动开铁口机的液压系统部分进行设计。而本机的液压系统主要包括冲击部分、转钎部分、推进部分和回转部分共四部分的液压控制系统。转钎部分由液压马达提供动力，驱动钻杆旋转运动；冲击部分通过液压缸提供动力，活塞杆正反运动，高频率地冲击钻杆尾部；推进部分也由一个送进液压马达通过链条为钻杆提供一个钻进的推进力；回转部分液压缸活塞杆的伸缩驱动，使回转臂实现回转运动，以使整机转到工作位置或停机位置。本课题只做了推进部分和回转部分的液压控制系统设计，分别设计各支路液压控制系统方案。进行总体运动状况分析，开铁口中，转钎部分、冲击部分和推进部分运动时，这时回转部分不能运动，回转液压缸的活塞杆需保持固定的伸长值，使钻杆轴线与铁口轴线一致，顺利完成对铁口的打开；同时当回转部分运动，带动钻进部分转动时，转钎部分、冲击部分和推进部分这三部分也不能运动，不然可能破坏某些部件，发生事故。因此，这就需要液压系统在控制方面，使各分支系统构成一个整体控制系统，使整个运动循序有致。最后再对整个系统进行各方面的校核和验算。2.3推进部分液压系统的设计 开铁口时，推进速度0.0250.05m/s,反退速度为1m/s，工作周期1618mm。根据开铁口机推进部分机械设计得知，该开铁口机在工作时所需的推进力F=20KN，工作压力为16Mpa。链条带动的小车及凿岩机总重量约1500kg，链条节距p=25.4mm,齿数z=17。据此可进行下面推进部分液压系统的设计。3.液压马达各参数的确定3.1确定参数 3.1.1 工作载荷力矩的计算 (3.1)式中 开铁口时液压马达的工作载荷； 液压马达总的机械效率,查机械设计手册-液压分册及根据工厂经验取； 链轮半径(如图5.1),可根据开铁口机进给部分的机械设计计算其值。分度圆直径 由式(3.1)可得：式中 铁口轴线与开铁口机钻头中心线的夹角。图3.1 链轮受力示意图3.1.2 小车在轨道上静摩擦力的计算 (3.2)式中 小车与轨道间的摩擦系数,查机械设计手册-液压分册及根据工厂经验取其摩擦系数=0.02； 小车及凿岩机总重量1500kg； 小车运行时与水平面的夹角,大小为。由式(3.2)可得 3.1.3 开铁口时所需驱动力矩的计算 由以上的计算结果可计算出开铁口的驱动力： 3.2 液压马达的选择3.2.1 工进时液压马达转速的计算其工进时液压马达的转速可由下式进行计算： (3.3)由式(3.3)得 式中 工进时钻头的推进速度,即链轮的速度,为。3.2.2 快退时液压马达转速的计算由式(3.3)可得 式中 快退时钻头的反退速度,即链轮的反退速度，。3.2.3 液压马达的选择根据以上计算可知,推进部分正常工作时,需要的转矩为,最高转速为，取其工作压力为16Mpa，查阅机械设计手册-液压分册, 选取型号为1JMD-63型径向柱塞式的径向柱塞式马达。其理论排量0.78L/r，额定压力16Mpa,转速10200r/min，额定转矩1815，额定功率为37.2KW，机械效率。3.3 液压马达工作压力的计算其实际工作压力可由下式进行计算： (3.4)式中 液压马达的载荷转矩；液压马达每转排量()； 液压马达的机械效率，此处取。由式(3.4)得 由于，所以所选液压马达满足要求。3.4 液压马达实际流量的计算其实际流量可由下式进行计算： (3.5)式中 液压马达的实际流量(L/min)；液压马达每转排量()； 液压马达的转速()。由式(3.5)得 3.5 液压系统图的拟定执行元件的类型:根据此部分系统的特点,工作时转矩较大,速度较低,所以选用了低速大转矩的径向柱塞式液压马达。换向方式确定:虽然推进部分的运动只有进给和快退,但在开铁口机旋转时，此部分不能运动，否则将出现事故。采用三位换向阀，此时推进部分处于中位，就能满足这些要求，同时推进部分有前进和后退运动，要求液压马达有正反转运动，所以采用三位四通换向阀来控制。调速方式的选择:开口机旋转到位后，进给部分在液压马达的恒速带动下,开始打铁口，为了保证液压马达压力和速度的稳定，直到开口机顺利打开铁口,系统可采用进油路节流调速,保证钻杆稳定、平衡地推进。继而可以初步绘出推进部分的液压系统原理图，如图3.2所示。图3.2 推进部分液压系统原理图1,2-滤油器；3-液压泵；4-溢流阀；5-单向阀；6-三位四通电液换向阀；7-叠加式节流阀；8-液压马达4.回转部分液压系统的设计 回转部分从停放位置到工作位置需旋转105的角度，旋转时间1214s，且开铁口机的钻进方向与铁口轴线的倾斜角度为10。由开铁口机回转部分的机械设计得知,该开铁口机的重量约为7300kg,底座以上部分重约为6600kg,其中回转部分重约4600kg,打铁口时的作用力20KN，液压缸活塞杆行程约为960mm。由此可进行下面回转部分液压系统的设计。4.1 回转部分各参数计算4.1.1 参数的计算由回转部分的机械设计知,经机械设计工艺布置后知mm,=3200mm，结构布置如图4.1。 图4.1 开铁口机回转部分示意图 由此根据示意图4.1可计算得出开铁口机工作时的开铁口力。由力矩平衡方程可得: (4.1) = =83.79(KN)所以 =106.33(KN)4.1.2 各阶段的负载计算开铁口机启动阶段的负载 (4.2)式中 静摩擦阻力，查机械设计手册-液压分册及根据工厂经 验取其摩擦系数为=0.2。所以由式(4.2)可得 =12.94(KN)开铁口机快进阶段的负载 (4.3)式中 动摩擦阻力，查机械设计手册-液压分册及根据工厂经验取其摩擦系数为=0.16；开铁口机惯性力，其大小可按下式计算 (4.4)回转运动部件总惯性力矩； 起动或制动过程中角速度增量()； 起动或制动时间(s)。一般机械=0.11.0s；本系统各取1s,回转机械一般取=210(),取=0.51.5 m/； 回转运动部件对机身回转轴的转动惯量()；而 (4.5) 回转半径(m)，可由下式进行估算。 =1.61(m)由式(4.5)可得 ()由式(4.4)可得 =31.38(KN)由式(4.3)得 =(KN)开铁口机恒速阶段的负载 =10.35(KN)减速制动阶段的负载其大小可由以下公式计算: =-31.38=-21.03KN)开铁口机工进阶段的负载 (4.6)=+106.33=116.68(KN)开铁口机快退阶段的负载=10.5(KN)将以上计算的数据列于表格(表4.1所示)。表4.1 液压缸在各工作阶段的负载值工 况负 载 组 成负 载 值（F/KN）推力(F/)/KN启 动F启 = Ffs12.9414.38快 进F进 = Ffd+Fm41.7346.4恒 速F恒 = Ffd10.3511.5制 动F制 = FfdFm-21.0323.37工 进F工 = Ffd+Fg116.68129.64快 退F退 = Ffd10.3511.5注：查阅机械设计手册-液压分册，取液压缸的机械效率=0.9。由前面可知开铁口机启动和制动时间1s，1s，于是根据开铁口机总的回转时间12s计算出恒速时间为12-2=10s。铁口的深度为2500mm，开铁口机工作时，钻头与铁口水平轴线的倾斜角度为，钻头的钻进速度可由下式计算。 (4.7)式中 冲击频率(HZ)； 由钎杆到炮泥的传递系数，取0.8； 钻头直径(cm)，8cm； 钎头换算系数，查矿山机械手册取=0.96； 破碎单位体积炮泥所需能量(J)，查矿山机械手册取=60J。所以由式(4.7)可得 从而可计算出工进的时间。(s)再根据液压缸活塞杆行程960mm，可大致计算出液压活塞杆在每个工作阶段的行程。启动和加速阶段 =80(mm)恒速阶段 =800(mm)减速和制动阶段 =80(mm)进一步可计算出液压缸在进给阶段的速度大小。 =160 =160 利用以上数据即可绘制出图4.2所示液压缸的负载与时间工况图、图4.3所示液压缸的速度与时间工况图、图4.4所示液压缸的行程与时间工况图。图4.2 负载与时间工况图图4.3 速度与时间工况图图4.4 行程与时间工况图4.2 执行元件工作压力的确定由于开铁口机属于大型冶金设备，根据机械设计手册-液压分册的有关要求和工作经验，选取该部分液压系统的工作压力为=16Mpa。4.3 液压缸尺寸的计算 开铁口机在回转过程中，会产生较大的振动，为了使开铁口机的转动较为平稳，需要液压缸保持一定回油背压。根据机械设计手册-液压分册中的液压传动设计部分初选背压=3.0Mpa。4.3.1 液压缸工作面积的计算液压缸有效工作面积()液压缸内径=0.11(m) 所以，查机械设计手册液压分册按冶金设备用UY型液压缸系列（GB/T 2348-1993),选UYWE20125960-25取标准值D=0.125m，活塞杆直径d=0.09m。缸径、杆径取标准值后的有效工作面积无杆腔有效面积 =活塞杆面积 有杆腔面积 4.3.2 液压缸尺寸的计算液压缸缸筒长度L液压缸的缸筒长度L由最大工作行程长度决定，钢筒的长度一般最好不超过其内径的20倍，故经过综合考虑后取。最小导向长度H当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度H。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保留有一最小导向长度。对于一般的液压缸，当液压缸的最大行程为L，缸筒直径为D时，最小导向长度可由下式计算。 (4.8)由式(4.8)可得 (mm)因此这里可以将最小导向长度适当增大一些，最终取。活塞的宽度B 一般活塞的宽度B=(0.61.0)D，所以B=0.8D=0.75125=94mm；导向套滑动面的长度A，在D80mm时取A=(0.61.0)D，在D80mm时取A=(0.61.0)d=67mm。为保证最小导向长度，过分增大A和B都是不适宜的，必要时可在导向套与活塞之间装一隔套，隔套的长度由需要的最小导向长度H决定，即C=H-0.5(A+B)=50mm。活塞杆的长度活塞杆的长度应大于最大工作行程、活塞的宽度、缸头、缸盖及隔套C的长度之和。所以计算如下：由于此处采用的是双作用单活塞杆式液压缸结构，为了让其能正常工作，还应考虑两端耳环的连接情况。所以考虑实际工作环境和连接的需要，取这部分长度为100mm.所以液压缸的总长=960+700+82=1742mm。4.4 液压缸强度校核4.4.1 液压缸联接方式及材料选择 一般情况下缸体、缸盖采用45号钢，缸体并调质到242-285HB，缸体内径采用H8配合，缸盖端按7级精度选取，导向孔的表面粗糙度为Ra1.25um。液压缸体内粗糙度Ra0.2。活塞采用耐磨铸铁，活塞外径对内孔的径向跳动公差值按7级精度选取，端面对内孔轴线垂直公差值按7级精度选取，外径的圆柱度公差值按10级精度选取。根据机械设计要求，活塞、活塞杆与外界相连采用双作用单活塞杆耳环式联接，活塞与活塞杆采用螺纹联接，活塞杆选用实心45钢需调质229-285HB，活塞杆的圆柱度公差值按8级精度选用，端面的垂直度公差值按7级精度选用，表面粗糙度Ra0.063um。 活塞杆的导向套装在液压缸的有杆侧端盖内，用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封。当活塞杆外伸时，通过主密封圈留在活塞杆表层的油膜，即被防尘圈的内唇刮下，这样，在主密封圈与活塞杆之间保留一层油膜，起润滑作用，提高密封圈的使用寿命。耐磨铸铁的导向套，用耐摩材料做，前端盖用碳素钢制成，这样摩擦阻力小，使用寿命长，导向环的沟槽容易加工，磨损后更换也比较方便。活塞的结构型式根据密封装置型式来选活塞结构型式，选择分离式活塞。活塞的密封活塞与缸筒之间采用组合密封装置，提高密封性能，降低摩擦阻力无爬行现象；具有耐摩，安装沟槽简单，装拆方便。作用是防止油液的的泄漏及外界尘埃和异物的侵入，保证液压设备的正常运转。 活塞与活塞杆之间采用间隙密封，配合之间的密封为固定密封，采用O型圈密封，密封槽开在活塞杆上。活塞的导向安装活塞外圆的导向环，具有精确地导向作用，并可吸收活塞运动时产生侧向压力。 选用浮动型导向环，它是高强度塑料制成，装在活塞外圆的矩形沟槽内，侧向保持有间隙。带导向环的活塞，在缸筒内非金属接触，摩擦系数小，无爬行；导向环能改善活塞与缸筒的同轴度，使间隙均匀，减少泄漏；导向环采用耐摩材料，使用寿命长，并具有良好的承载能力。缓冲装置缓冲装置防止和减少液压缸活塞及活塞杆等运动部件在运动时对缸底或端盖的冲击，在它们行程终端实现速度的递减，直至为零。它能以较短的缓冲行程吸收最大的动能。缓冲过程中避免出现压力脉冲及过高的缓冲腔压力峰值，缓冲压力峰值小于供油压力的1.5倍，使压力的变化为渐变过程。这里采用蓄能器。缸筒的连接方式缸筒与缸底采用焊接的方式进行连接，而缸筒与缸盖本处采用螺栓进行连接。构形4.4.2 缸筒壁厚和外径计算缸筒相当于一个两端封闭的圆筒形受压容器，由材料力学知，其应力状态是随着缸筒内径和壁厚的比值的改变而变化的。因此在计算缸壁的合成和壁厚时，必须考虑不同的比值和材质，采用不同的强度计算公式。液压缸的壁厚 根据此设备工作压力要求较高等实际情况，所以采用薄壁筒液压缸，因此可按材料力学薄壁圆筒公式进行计算。 (4.9)式中 液压缸最大工作压力(Mpa)； 缸筒内径(m)； 缸筒材料的许用应力；=，为材料抗拉强度，本液压缸的材料选用45钢，45钢的=600，n为安全系数，一般取n=5，所以=600/5=120Mpa。所以由式(6.4)得 ，即，所以此液压缸是属于薄壁缸筒。缸筒外径缸筒壁厚确定后，由下式可计算出缸筒外径： 查表取其标准值。4.4.3 活塞杆强度验算在液压缸处于稳定工作状态，活塞杆受到的轴向负载力小于稳定临界力时，由于初始挠度的存在，活塞杆将同时受到压缩和弯曲。本系统液压缸可按下式进行强度验算： (4.10)式中 活塞杆外径； 液压缸最大推力(或拉力)；活塞杆材料的许用应力；=，其中为材料的屈服极限，这里取，为安全系数，通常取。由式 (4.10)得 因为活塞杆直径，所以活塞杆强度满足要求。4.4.4 液压缸固定螺栓的校核计算液压缸固定螺栓直径在工作过程中同时受拉应力和偶转应力，可按下式进行校核： (4.11)式中 螺栓直径；固定螺栓个数；螺栓拧紧系数，查机械设计手册取=1.4；螺栓材料的许用应力；=，其中为材料的屈服极限， 为安全系数，通常取，这里取。由式(4.11)得 所以取。从而可以绘制出此液压缸的装配图，如附图所示。4.5 液压缸工作压力、流量和功率的计算4.5.1 液压缸工作压力的计算查阅机械设计手册-液压分册，本系统的背压力可在1.23.0MPa范围内选取，故暂定工进时=3.0Mpa，快速运动时=1.2Mpa。液压缸在工作循环各阶段的工作压力如下：快进阶段 恒速阶段 工进阶段 =10.39(Mpa)快退阶段 =4.25(Mpa)4.5.2 液压缸输入流量的计算快进快退速度均为v=0.16m/s；工进速度v=0m/s；则液压缸各阶段的输入流量如下：快进阶段 快退阶段 （m3/s）4.5.3 液压缸输入功率的计算液压缸在各阶段的输入功率如下：快进阶段 =7.8(KW)快退阶段 =4.0(KW)4.6 液压系统图的拟定 确定执行元件的类型:根据这部分系统的特点和快进快退速度相同，所以可选用无杆腔面积等于两倍的有杆腔面积的液压缸。换向方式确定:为了便于开铁口机的回转部分在打铁口时停止转动，使调整方便，所以采用三位换向阀。阀的中位机能的选择对保证系统工作性能有很大作用，能保证开铁口时,活塞杆不缩回,直到开铁口机顺利打开出铁口，此处选择“Y”型中位机能，使换向阀处于中位时油液完全流回油箱，不对叠加式叠加式液控单向阀产生推力。调速方式的选择:开铁口机由停放位置旋转到工作位置，打铁口完成后再由工作位置旋转到停放位置，在每次旋转接近终点时,由于载荷突然减小,为了保持开口机旋转动作的平衡性,可采用叠加式节流阀,调节速度，同时给予系统背压,防止突进。从而可以初步绘出回转部分的液压系统原理图，如图4.5所示。图4.5 回转部分液压系统原理图1,2-滤油器；3-液压泵；4-溢流阀；5-单向阀；6-三位四通电液换向阀；7,8-叠加式液控单向阀；9,10-叠加式节流阀；11-液压缸5 总液压系统图的确定5.1 总液压系统的分析5.1.1 液压回路的选择推进部分液压马达回路由开铁口机运动分析知，该部分要求实现快进、工进、快退动作。采用三位四通换向阀实现其运动的换向。为了控制转钎速度，在进油路上采用节流调速控制调节。回转部分液压缸回路 由开铁口机回转部分运动过程知，该部分要求实现快进、快退、停止动作。采用三位四通换向阀实现其运动的换向。为了保持开口机旋转动作的平衡性，在进、回油路上采用叠加式节流阀控制。5.1.2 总液压系统原理图的确定控制油路的拟定现代工业需要高度的自动化，炉前开铁口属于高温作业，一不小心，设备就可能被铁水烧坏。为避免此类事故，避让动作快速、协调是关键，而仅靠操纵工的专心和快速反应是难以做到的。本课题利用液压控制系统控制的灵活性、反应的快速性，采用自动化控制作业。即开铁口机从停放位置到炉口，打开铁口再回到停放位置，整个过程不需人工干预，液压岩机自动旋转、推进，打开铁口后自动停冲、停钻，反退、最后开铁口机转臂自动快速回到初始位置。开铁口机旋转到炉口后需停止运动，推进部分开始进给，为了实现这一顺序动作，可在回转部分设置一行程开关来完成。打完铁口，推进马达需反转，迅速将钻进部分带出铁口，然后推进部分也停止工作，回转快速缩回，带动开铁口机回到停放位置。同样这一系列顺序动作也可通过行程开关来实现。在打开铁口后，为了避免铁水飞溅到设备上，推进部分需快速反向运动，带动钻进部分退出铁口。为了快速实现这一动作，可使用压力继电器，和采用一个节流阀，当铁口被钻穿时推进负载在穿孔的瞬间突然降低至接近于零，压力继电器的压力突然升高，控制换向阀的换向，从而实现顺序动作。换向阀的选取 根据此系统高度自动化的特点，很多部分的顺序动作采用了行程开关和行程换向阀，本机的换向阀大多使用了电液换向阀，即时接受控制信号，快速完成换向。辅助装置的选取 为了避免工作时电机或液压泵出现故障，本设备的液压泵和电机均使用1台工作1台备用的原则。同时对本系统的压力控制也相当重要，在各支路进油处设置压力表，以随时观察其油路的压力。同时为了保养该设备，使油路不发生堵塞，洁净液压油，在液压泵之前及回油支路中使用过滤器。经过上面的分析，便可拟定出本开铁口机完整的液压系统原理图,如图5.1所示，同时列出电液铁和行程开关、换向阀的动作顺序表(表5.1)。 图5.1 开铁口机液压系统原理图表5.1 继电器、行程开关及各换向阀动作顺序表 动作顺序元件动 作动作顺序元件16.116.216.316.4YJ1YA2YA3YA4YA5YA开铁口机旋转到炉口+推进部分开始工作+打铁口完成退出铁口+开铁口机回转+开铁口机回到停放位置+停 止注：+(-)表示换向阀交替换向。5.2 总液压控制系统组成及控制原理液压控制系统原理如图5.1所示。各液压泵给系统供油，先导型电磁溢流阀(5.1、5.2)限制系统工作压力及控制各部分的工作状态。各滤油器将液压油过滤(开铁口机各部分,特别是冲击、转钎部分对油液清洁度要求高，故采用二次滤油)。单向阀8.1主要防止非工作状态时油液倒流。叠加式节流阀12.2控制转臂朝炉口方向或朝停放位置回转的转速。液压锁11保证钻孔过程中换向阀10处于中位时转臂保持不动。 电液换向阀9、10控制着各工作机构的工作状态。各换向阀既能接受手动按钮控制，又能接受行程开关或压力继电器的控制。1YA通电，电液溢流阀不卸荷，开铁口机旋转对准炉口，压下行程开关16.4，使2YA断电，4YA通电；推进马达带动钻进部分运动接近炉口，行程开关16.2一直被压下，让4YA继续通电。行程开关16.1被推进马达反转带动的钻进部分压下后，使5YA断电，3YA通电。开铁口机回转到停放位置，当触动并压下行程开关16.3，使3YA失电，开铁口机停止运动。当叠加式节流阀12.1上的压力达到调定值，压力继电器14动作，使5YA通电，推进系统液压马达反转将钻进部分带出铁口。5.3 总液压系统控制下的自动作业过程5.3.1 总液压系统钻孔前的控制过程开始作业之前，按下电液换向阀按钮，1YA通电，电液溢流阀不卸荷，同时2YA通电，转臂朝着炉口方向回转；当回转快到位时，碰到行程开关16.4并压下，使2YA断电，4YA通电，则推进马达驱动钻冲部分朝炉口方向前进。回转系统油液流动情况如下： 进油路：液压泵3单向阀8.1电液换向阀10(左位)叠加式叠加式液控单向阀11叠加式节流阀12.2截止阀6.3液压缸左腔； 回油路：液压缸右腔截止阀6.4叠加式节流阀12.2叠加式叠加式液控单向阀11 电液换向阀11(右位)滤油器2油箱。推进系统油液流动情况如下： 进油路：液压泵3单向阀8.1电液换向阀9(左位)叠加式节流阀12.1截止阀6.5液压马达； 回油路：液压马达截止阀6.6叠加式节流阀12.1电液换向阀9(右位)滤油器2油箱。5.3.2 总液压系统在铁口钻穿后的控制过程 钻进部分自动退让。当铁口被钻穿时由于推进负载在穿孔的瞬间突然降低至接近于零，推进速度突然大幅度升高，节流阀的出口压力在瞬间升高，当油液压力达到调定值，压力继电器14动作，4YA断电，5YA通电，换向阀9换向，钻进部分在马达的带动下开始回退。 推进系统油液流动情况如下： 进油路：液压泵单向阀8.1电液换向阀9(右位)叠加式节流阀12.1截止阀6.5液压马达； 回油路：液压马达截止阀6.6叠加式节流阀12.1电液换向阀9(左位)滤油器2油箱。转臂自动快速退让。当推进马达带动钎杆钎头从铁口拔出，推进小车上的碰头作用于行程开关16.1，使5YA断电，3YA通电，换向阀9、10换向，换向阀9处于中位，推进部分停止工作。换向阀10处于右位，这样，转臂以较快的速度回退；当转臂回退快接近起点时，行程换向阀16.3被压下，转臂回到起点，停止转动，与此同时，2YA断电，系统处于卸荷状态，整机停止工作。回转系统油液流动情况如下： 进油路：液压泵单向阀8.1换向阀10(右位)叠加式叠加式液控单向阀11叠加式节流阀12.2截止阀6.4液压缸右腔； 回油路：液压缸右腔截止阀6.4叠加式节流阀12.2叠加式叠加式液控单向阀111换向阀10(左位)油箱。6 液压元件的选择及辅助装置的确定6.1 液压泵的选择推进部分所需液压泵的流量 由推进部分设计可知，液压马达所需流量为110.14L/min (L/min)回转部分所需液压泵的流量1)泵工作压力的确定泵的工作压力可按缸的工作压力加上元件的压力损失来确定，所以只有等到计算完系统压力损失后，才能最终确定。初算时可按下式确定