旋转钻机液压系统毕业设计.doc

设计（论文）专用纸旋转钻机I的机电液系统设计及数控加工编程液压系统设计及零件数控加工自动编程学校： 专业： 班级： 学生姓名： 指导教师： 教师单位： 教师职称： 时间： Design of electromechanical-hydraulic system and NC programming of rotary rigDesign of hydraulic system and NC programming of machine partUniversity: Major: Grade: Name: Advisor: Department: Academic Title: Date： 目录摘要1ABSTRACT2前言3第一章 液气压传动及旋转钻机简介51.1液气压传动的发展概况51.2液压传动在机械行业中的应用51.3 旋转钻机的发展及特点61.4液压系统的基本组成8第二章 旋转钻机的液压系统和电控原理设计92.1旋转钻机的基本结构92.2 工况分析92.3拟定液压系统原理图102.3.1确定供油方式102.3.2方向控制回路的设计102.4液压系统图的总体设计122.4.1翻转工作循环122.4.2升降缸工作循环132.5电控系统图的总体设计132.5.1串联电阻降压启动原理分析及特点132.5.2三台电动机控制的原理及方法142.5.2辅助电路16第三章 液压系统的计算和元件选型173.1 液压系统设计参数173.2液压执行元件载荷力计算173.3液压系统主要参数的计算183.3.1初选系统工作压力183.3.2液压缸内径D和活塞杆直径d的确定183.3.3计算液压执行元件实际工作压力193.3.4计算液压执行元件实际所需流量193.4液压元件的选择203.4.1确定液压泵规格和驱动电机功率203.4.2阀类元件及辅助元件的选择223.4.3 管道尺寸的确定233.5液压系统的验算253.5.1系统温升的验算26第四章 液压集成油路的设计274.1液压油路板的结构设计274.2液压集成块结构与设计294.2.1液压集成回路设计294.2.2液压集成块及其设计30第五章 液压站结构设计335.1 液压站的结构型式335.2 液压泵的安装方式335.3液压油箱的设计345.3.1 液压油箱有效容积的确定345.3.2 液压油箱的外形尺寸设计355.3.3 液压油箱的结构设计355.4液压站的结构设计385.4.1 电动机与液压泵的联接方式385.4.2 液压泵结构设计的注意事项38结论40总结及体会41致谢42附录44附录A 英文原文44附录B 中文译文53 IV 设计（论文）专用纸摘要作为现代机械设备实现传动与控制的重要技术手段，液压技术在国民经济各领域得到了广泛的应用。与其他传动控制技术相比，液压技术具有能量密度高、配置灵活方便、调速范围大、工作平稳且快速性好、易于控制并过载保护、易于实现自动化和机电液一体化整合、系统设计制造和使用维护方便等多种显著的技术优势，因而使其成为现代机械工程的基本技术构成和现代控制工程的基本技术要素。旋转钻机是用切削式钻头破碎岩石的钻孔机械，也称旋转切削式钻机。在采矿工程中应用旋转钻机已有多年的历史，但多数是应用在井下煤矿且钻孔直径很小，如煤矿电钻等。本文根据旋转钻机的用途特点、要求和工作环境，利用液压传动的基本原理，拟定出合理的液压系统图，再经过必要的计算来确定液压系统的参数，然后按照这些参数来设计液压缸并选用液压元件的规格和进行系统的结构设计。该液压系统呈长方形布置，动力系统采用电气控制系统和液压系统，结构简单、紧凑、动作灵敏可靠。可实现不同工况下的煤层钻孔要求。关键词：旋转钻机；液压系统；电控系统；液压站ABSTRACTAs one of the modem machinery equipment transmission and control important technical means，hydraulic technology in the field of national economy has been widely used.Compared with other transmission control technology, hydraulic technology has high energy density, flexible and convenient configuration, large speed range, rapid and smooth work ability, easy to be controlled and overload protection, easily realized automation and electromechanical integration ,system integration design ,easy maintenance in manufacturing operation and other significant advantages in technology , which make it become the basic technology of modern mechanical engineering and the basic technology of modern control engineering.Rotary drilling rig is with a cutting bit broken rock drilling machine, also known as the rotary cutting type drill.In mining engineering in the application of rotary drilling rig has many years of history, but most is used in underground coal mines and the hole diameter is very small, such as coal electric drill, etc.This paper, based on the use of rotary drilling rig, characteristics, requirements and working environment, using the basic principle of hydraulic transmission, and formulate a reasonable hydraulic system diagram, again through the calculations necessary to determine the parameters of hydraulic system, then according to these parameters to design hydraulic cylinder and hydraulic components of the specification and system structure design.Rectangular arrangement of the hydraulic system, power system USES electric control system and hydraulic system, the structure is simple, compact, and reliable.Can be realized under different working conditions of coal seam drilling requirements.Keywords: rotary rig；hydraulic system；Electric control system；hydraulic station前言在露天矿山生产、建筑、水利、电力、铁路工程的土石方工程施工中，开挖前需对露天挖掘场地进行穿孔爆破，以达到松动岩层，提高工作效率，降低生产成本的目的。目前采用机械破碎岩石钻孔的方法，主要有三种类型，分别是:冲击一转动破碎岩石钻孔，是采用冲击载荷和转动钎具一定角度，并施加合理的推力来破碎岩石。适合在中硬、坚硬的岩石中钻孔，钻孔设备有潜孔钻和凿岩机等;旋转破碎岩石钻孔，是采用旋转式多刃钎具切割岩石，同时施加较大的推力破碎岩石。适应于磨蚀性小及中硬以下的岩石中钻孔，此类钻孔设备有电钻和旋转钻机;旋转冲击破碎钻孔是施加很大的轴压，使钻头旋转滚齿传递冲击和压入力，滚齿压入岩石的作用比冲击作用大，通过旋转一冲击破碎岩石，典型设备为牙轮钻机。根据露天开采矿岩量对用各种不同方法钻孔的数据的分析表明，大部分矿岩的坚固性系数f在16以下(f6的占23%30%，f=616的占65%70%)，即大部分矿岩处在能够合理使用冲击一转动式和牙轮式钻机的范围内。国内大型露天矿所用的钻机发展比较迅速，型号规格也比较齐全，但是在中硬以下软岩进行爆破钻孔方面，还没有一种更加适宜的钻机。水力成孔是以水作为循环介质，通过泵送高压水排出岩碴，在松软煤层中钻进时，循环水对孔壁的冲刷、浸泡等破坏作用相当严重，炮孔极易坍塌，成孔困难;风力排碴对孔壁破坏小，但钻进过程中孔口粉尘大、现场施工条件恶劣;螺旋钻进属于干式钻进，它利用螺旋钻杆排碴，与水力、风力成孔工艺相比较，螺旋钻进有以下优点:钻进过程中不需要冲洗设备，减少了孔壁破坏率，成孔率高;钻进辅助设备少，减少了劳动强度，提高钻进效率;钻进中振动小、噪音低等优点。本课题来源于云南省小龙潭矿务局。第一章 液气压传动及旋转钻机简介1.1液气压传动的发展概况液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。 第一个使用液压原理的是1795年英国约瑟夫布拉曼(Joseph Braman,1749-1814)，在伦敦用水作为工作介质,以水压机的形式将其应用于工业上,诞生了世界上第一台水压机。1905年他又将工作介质水改为油,进一步得到改善。 我国的液压工业开始于20世纪50年代，液压元件最初应用于机床和锻压设备。60年代获得较大发展，已渗透到各个工业部门，在机床、工程机械、冶金、农业机械、汽车、船舶、航空、石油以及军工等工业中都得到了普遍的应用。当前液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声、低能耗、长寿命、高度集成化等方向发展。同时，新元件的应用、系统计算机辅助设计、计算机仿真和优化、微机控制等工作，也取得了显著成果。 目前，我国的液压件已从低压到高压形成系列，并生产出许多新型元件，如插装式锥阀、电液比例阀、电液伺服阀、电业数字控制阀等。我国机械工业在认真消化、推广国外引进的先进液压技术的同时，大力研制、开发国产液压件新产品，加强产品质量可靠性和新技术应用的研究，积极采用国际标准，合理调整产品结构，对一些性能差而且不符合国家标准的液压件产品，采用逐步淘汰的措施。由此可见，随着科学技术的迅速发展，液压技术将获得进一步发展，在各种机械设备上的应用将更加广泛。1.2液压传动在机械行业中的应用机床工业磨床、铣床、刨床、拉床、压力机、自动机床、组合机床、数控机床、加工中心等工程机械挖掘机、装载机、推土机等汽车工业自卸式汽车、平板车、高空作业车等农业机械联合收割机的控制系统、拖拉机的悬挂装置等轻工机械打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等冶金机械电炉控制系统、轧钢机控制系统等起重运输机械起重机、叉车、装卸机械、液压千斤顶等矿山机械开采机、提升机、液压支架等建筑机械打桩机、平地机等船舶港口机械起货机、锚机、舵机等铸造机械砂型压实机、加料机、压铸机等本次设计的旋转钻机用于露天煤矿爆破前的钻孔施工，钻孔设计深度为12m，设计孔径为120mm。钻机钻孔时，回转机构和加压机构通过钻杆向多刃切削钻头施加作用力。钻头在轴压力作用下侵入煤层，又在回转扭矩的作用下切削破碎煤层。该钻机采用螺旋钻杆排碴方式，钻杆在孔中转动时与孔壁构成一个螺旋输送器，孔底煤碴在离心力、擦力等各种阻力作用下沿钻杆上的螺旋叶片逐步向上输送，从而使钻具不断向下移动，完成钻进过程。该钻机的液压系统呈长方形布置，动力系统采用电气控制系统和液压系统，结构简单、紧凑、动作灵敏可靠。可实现不同工况下的煤层钻孔要求。1.3 旋转钻机的发展及特点 随着国内外煤炭工业的大量开发，旋转钻机的使用范围在逐步的发展和扩大。六十年代以，我国煤炭、化工等露天矿山使用的是钢绳冲击式钻机和少量陈旧的旋转钻机；六十年代初期，我国研制成功了适合于煤矿使用的ZX-150型旋转钻机；七十年代以后，更多的煤炭系统单位和矿机制造厂进行了旋转钻机的研制，试制出了多种机型，通过鉴定定型的有ZX-150A、YQ-160、KX-150型等旋转钻机。旋转钻机适于中硬以下、磨蚀性较小的岩石中钻孔，实践证明，在岩石坚固性系数f6的岩石中钻孔时，与牙轮钻相比，效率高、能耗小、轴压力小、成孔质量好，而且切削式钻头制造修复方便。钻机动力头主要有三种方式：柴油机、电动机和液压马达驱动。用柴油机作动力，可以扩大钻机的使用范围，特别有利于开发边远和缺乏电力的地区。如美国Drilteeh公司的D40K，Igersoll-Rand公司的T4型和德国Sazlgitter公司的LB6l0型就是用柴油机驱动的；电机驱动动力头转速调节不便、启动扭矩小，与电动机驱动相比液压装置在同等体积下能产生更大的动力，液压装置体积小、重量轻、结构紧凑，且液压装置工作比较平稳，易于实现快速启动、制动，能在较大范围内实现无级调速。由于液压传动的突出优点，目前在旋转钻机上得到了更广泛的应用；目前旋转钻机的技术发展不断提升，为旋转钻机的完善提供了更好的理论基础。1、大型钻机多用履带式行走机构，小型钻机多用轮胎式，矿用钻机采用履带式的居多。轮胎式钻机用于开采分散的小矿体时更能发挥作用，履带式钻机多用于作业时间长、工作面比较固定的场所；2、采用全液压系统：国外中、小型旋转钻机的工作机构几乎全部采用液压马达作为回转动力。加压、提升系统一般采用液压缸或液压马达，通过链条或钢丝绳传动，可以对轴压力和进给速度进行无级调节；3、可以钻斜孔、平台可回转360度：钻机具有用于调整钻架倾角的专门装置；上、下车独特的水平调节系统的应用，可进行上下车倾斜调节，确保上车驾驶室为水平，此功能既保证了钻孔时的垂直度，又可使操作手在舒适的位置长时间工作而不会感到疲倦；4、控制技术的智能化，；自动垂直调平、发动机的监控、钻孔深度测量及显示、车身工作状态动画显示及虚拟仪表显示、故障检测、报警及信息显示等方面逐步实现智能化控制；5、一机多用；有些钻机可以选用不同的凿岩方式，根据岩石的不同硬度情况，选择不同的钻头。如钻软岩使用切削钻头，钻坚硬岩石使用牙轮钻头或冲击器等；6、电子、电液技术的应用增加，采用轴压、转速自动调节系统，使钻机能在最优状况下工作。1.4液压系统的基本组成 1）能源装置液压泵。它将动力部分（电动机或其它远动机）所输出的机械能转换成液压能，给系统提供压力油液。2）执行装置液压机（液压缸、液压马达）。通过它将液压能转换成机械能，推动负载做功。3）控制装置液压阀。通过它们的控制和调节，使液流的压力、流速和方向得以改变，从而改变执行元件的力（或力矩）、速度和方向，根据控制功能的不同，液压阀可分为村力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为益流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。4）辅助装置油箱、管路、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等.通过这些元件把系统联接起来，以实现各种工作循环。5）工作介质液压油。绝大多数液压油采用矿物油，系统用它来传递能量或信息。第二章 旋转钻机的液压系统和电控原理设计2.1旋转钻机的基本结构旋转钻机，由履带式或轮胎式作为地盘基础车钻杆回转机构、钻架、工作装置（钻杆和钻头等组成）。液压系统的各个部件都安装在机身上，其中钻架内部安装提升缸，翻转油缸中间孔安装履带式地盘上前面，底盘尾部设有安装版，用来油缸及液压元件。 提升油缸采用活塞式双作用缸，当压力油进入油缸上腔，活塞带动钻杆向下运动，其速度慢，压力大，当压力油进入油缸下腔，活塞向上运动，其速度较快，压力较小，符合一般的慢速压制、快速回程的工艺要求。这个钻架装置的翻转和停放是由翻转油缸来控制，当钻机处于工作状态时，钻架需垂直放置。翻转油缸采用活塞式单作用缸，此时，液压油进入油缸上方，活塞向下运动，带动钻架从驾驶室停放处翻转至工作位置。当液压油进入油缸下方是，活塞向上运动，带动钻架由工作位置翻转至驾驶室顶部。这样更有利于钻机的移动和转移。2.2 工况分析本次设计来源于云南省小龙潭矿务局。小龙潭矿务局始建于1953年，属国有大型露天煤矿，现为部级标准化矿务局、国家二级企业，是云南省重要的煤炭生产基地，区内主要可采煤层厚4.37-222.96米，为巨厚复杂结构褐煤。旋转钻机用于露天开采爆破作业前钻孔施工，钻孔孔径为120mm，最大孔深为12m，采用电动机作为动力，螺旋钻杆排碴。近年来由于用电量大幅度提高，煤炭需求量增大，导致小龙潭煤矿供不应求，需扩大开采量。应原钻机满足不了钻孔要求，且回转机构减速器润滑差，易坏，需改进。但应原钻机设计落后，现今缺失大量资料，改进难度大。只能设计一款新型钻机进行钻孔。本次钻机改进数据由小龙潭矿务局提供，钻孔孔径：110mm，孔深;15.5m，钻杆单节长度：1.5m，钻孔装置质量：（减速电机：300kg，单节钻杆：30kg，滑道;140kg，钻架：310kg），钻杆转速：70250r/min，钻杆空提速度：0.3m/s以上，钻孔速度：0.05m/s。1提升负载 提升油缸最大提升力为提升负载： F=(F轴k)/=(300+1030+140)9.83 /0.9=24304N2翻转负载 F=(F自重k)/=(300+30+450)9.83 /0.9=8497.69N其中：卡塞系数k=3; =0.9(液压缸的机械效率，一般取=0.9-0.97)3. 液压缸在各工作阶段的负载值：表1.1： 工作循环各阶段的外负载工况负载组成推力 F/提升F=(F轴k)/24304N翻转F=(F自重k)/8497.69N2.3拟定液压系统原理图2.3.1确定供油方式考虑到该钻机在提升过程中需要承受较大的工作压力，要求系统功率也较大，且要符合一般的慢速压制、快速回程的工艺。现采用初步选定使用变量叶片泵将液压油输入到各种油压机、液动机等液压系统中。2.3.2方向控制回路的设计在液压系统中，执行元件的起动、停止或改变运动方向，是利用控制进入执行元件的液流的通、段或改变来实现的，这些控制回路成为方向控制回路，包括换向回路和锁紧回路。1）换向回路 图2-1是翻转油缸的换向回路，采用三位四通换向电磁换向阀来实现换向的回路。当阀处于中位时，华发机能使泵卸载，缸两腔油路封闭，活塞制动。当阀右位工作时，缸大腔进油，活塞向上运动，带动钻架实现提升过程。当阀左位工作时，有杆腔进油，活塞向下运动，带动钻架实现下放。图2-1 换向回路及锁紧回路2）锁紧回路锁紧回路的作用是防止液压缸封闭腔的油外泄，保证执行机构在停止位置时不发生窜动。本次是采用两个液控单向阀（液压锁）的锁紧回路，活塞可以在两个方向上实行锁紧。如图2-1。2.4液压系统图的总体设计图2-2 液压系统控制图2.4.1翻转工作循环 1）翻转 按下起动按钮，电磁铁1YA通电，二位三通电磁换向阀滑阀置左位；电磁铁5YA通电，三位四通电磁换向阀滑阀置左位。这时的油路进油路为：变量泵1换向阀8左位换向阀9左位已打开的液压锁10单向节流阀11液压缸12有杆腔。回油路为：液压缸12无杆腔已打开的液压锁10换向阀9中位油箱油路。2）下放 电磁铁1YA通电，二位三通电磁换向阀滑阀置左位；电磁铁6YA通电，三位四通电磁换向阀滑阀置右位。这时的油路进油路为：变量泵1换向阀8左位换向阀9右位已打开的液压锁10液压缸12无杆腔。回油路为：液压缸12无杆腔已打开的液压锁10换向阀9中位油箱油路。2.4.2升降缸工作循环 1）慢速下放 按下起动按钮，电磁铁1YA通电，二位三通电磁换向阀滑阀置右位；三位四通电磁换向阀滑阀置右位。这时的油路进油路为：变量泵1换向阀8右位三位四通换向阀右位已打开的液压锁单向节流阀双节液压缸有杆腔。回油路为：双节液压缸无杆腔已打开的液压锁三位四通中位溢流阀油箱油路。2）快速提升 电磁铁1YA通电，二位三通电磁换向阀滑阀置右位；三位四通电磁换向阀滑阀置左位。这时的油路进油路为：变量泵1换向阀右左位三位四通换向阀左位已打开的液压锁双节液压缸无杆腔。回油路为：双节液压缸无杆腔已打开的液压锁三位四通换向阀中位溢流阀油箱油路。2.5电控系统图的总体设计根据液压控制回路图可知，其回路中选用一个一个二位三通电磁换向阀，两个三位四通电磁阀，所以在电控回路中用到五个电磁铁。图2-3电气控制图2.5.1串联电阻降压启动原理分析及特点如图3.3.1所示整个旋转钻机用到一个行走电机，一个油泵电机，一个正反转回转电机。本钻机设计采用，其开关采用空气开关，串有熔断器FU实现短路保护。为了限制较大异步电动机的起动电流对电网的影响，本控制回路采用串电阻降压延时起动的自动控制线路如图2-3。当按下启动按钮SB1，接触线圈KM1立即动作，在控制回路中串入电阻Rst降压启动，使起动电流下降：与此同时，KM1的一个动合辅助触点自锁工作，另一个接通，时间继电器KT的线圈，时间西电气开始延时，延时时间一般为5-7秒，待电动机起动后。延时结束，KT的延时闭合动合触点闭合，是接触器KM2得电，KM2的动合主触点将起动电阻Rst短接，电动机全电压工作，这时KM2的动辅助触点断开KM1线圈回路，另一个动合触点使其自锁。KM1失电后，时间继电器KT线圈也十点，也就是说，电动机在正常工作，只有KM2吸合，这样既工作可靠，而且又节约电能。图2-4 串电阻延时启动电路2.5.2三台电动机控制的原理及方法1） 行走电机只需要正转，它是在旋转钻机转移工作场所时才启动的，而在钻机工作时，行走电机必须体制，所以行走电机和回转电机必须实现互锁。根据图2-4所示，当按下启动开关SB4时，行走电机KM3线圈得电，同时KM1的常开触点闭合使其自锁，行走电机正常工作。在行走电机控制回路中必须连接回转电机的常闭触点实现互锁。2） 油泵电机也只需要单方向转动，按下SB6后，KM4线圈得电，其动合触点闭合并实现互锁。油泵电机正常工作，然后根据工作要求操作响应的电磁换向阀，假如翻转油缸工作，按下SB15首先二位三通电磁阀线圈KA15得电，其动合触点闭合实现自锁，接着通过三位四通电磁换向阀通过按钮SB7、SB9实现翻转油缸的对钻架的水平推移，和铅垂下放。同样原理，对于会钻机构的提升，在二位三通电磁阀失电情况下，二级伸缩油缸可以工作，通过SB11、SB13实现二级伸缩油缸油缸的控制，通过线圈得电，其动合触点得电自锁，电磁阀换向实现互锁，并通过上下限位开关SQ1/SQ2实现实现自动自动断电保护。图2-5 液压电控回路3） 回转电机的控制涉及电机正反转控制，根据电路图2-5可知，要和行走电机实现互锁功能，即在回转控制回路中要接触行走电机的动断触点KM3,以便保障安全生产，在回转电机正反转之间也要实现互锁功能。所以在回转钻机回路中采用了联动开关SB18和SB19时，当按下按钮SB18时，KM5线圈得电，其反转电机的动合触点闭合实现自锁，电机反转，同时在其正传控制电路中，通过联动开关SB18的动断触点，其电路断开，反之原理相同。图2-6 回转电机联动控制2.5.2辅助电路如图2-6所示控制回路的辅助电路，根据钻机功能特征需要连接辅助电路，但是辅助电路需要考虑，所以辅助电路需要实现变压接入电源指示灯，警报指示灯，照明灯，及警报电铃以配合钻机工作，电源指示灯可以直观看出电机是否通电，照明点灯可以方便旋转钻机在夜间工作，警报灯和警报电铃可以保证安全工作和对事故的发现。 第三章 液压系统的计算和元件选型3.1 液压系统设计参数旋转钻机I液压系统设计参数如下：钻孔孔径 110mm孔深 15.5m钻杆单节长度 1.5m减速电机质量 300kg单节钻杆质量 30kg滑道质量 140kg钻架质量 310kg钻杆转速 70250r/min钻杆空提速度 0.3m/s以上，钻孔速度 0.05m/s。3.2液压执行元件载荷力计算1）升降缸的载荷力 升降缸在钻头钻孔时是轻载，其载荷主要来源孔洞对其的反作用力。此时由钻孔装置的自重带动钻杆下放，升降缸基本不提供动力。外载荷可视为0。提升时，钻头需从钻孔中提出，此时，升降缸要提供动力，提升整个钻孔装置并克服摩擦力做功。这是达到升降缸的最大载荷力(最大载荷见工况分析中的提升载荷)。2）翻转缸的载荷力 翻转缸是把钻孔装置有工作位置翻转至安放位置，或由安放位置翻转至工作位置。这个翻转过程中提供的动力可视为恒定。其载荷力见工况分析中的翻转载荷。表3-1 各液压缸的载荷力液压缸名称工况负载组成推力 F/升降缸提升F=(F轴k)/24304N翻转缸翻转F=(F自重k)/8497.69N3.3液压系统主要参数的计算3.3.1初选系统工作压力按液压机床类型初选液压缸的工作压力为16Mpa,根据升降缸慢进和快退速度要求，采用单作用双节液压缸。根据翻转缸快进和快退速度要求，采用单杆活塞液压缸。3.3.2液压缸内径D和活塞杆直径d的确定 1）确定升降缸的活塞和活塞杆直径 升降缸最大载荷时，为提升状态，其载荷力为24304N，工作在活塞杆受压状态。活塞直径参照参考文献1，表2.2-4，取=0.5Mpa，参考文献1，表2.2-5，取=0.7，按照参考文献2，表2-1-4，取D=50mm按照参考文献2，表2-1-5，取d=36mm2）确定翻转缸的活塞和活塞杆直径 翻转缸最大载荷即为工作载荷，其载荷力为8497.69N。活塞直径参照参考文献1，表2.2-4，取=0.5Mpa，参考文献1，表2.2-5，取=0.7，按照参考文献2，表2-1-4，取D=32mm按照参考文献2，表2-1-5，取d=22mm3.3.3计算液压执行元件实际工作压力按最后确定的液压缸的结构尺寸，计算出各工况时液压执行元件实际工作压力，见表3-2。表3-2 液压执行元件实际工作压力执行元件工况载荷背压力/Mpa工作压力/Mpa计算公式升降缸提升24304N0.512.6翻转缸翻转8497.69N0.5计算液压执行元件实际所需流量按最后确定的液压缸的结构尺寸，计算出各工况时液压执行元件实际所需流量，见表3-3。表3-2 液压执行元件实际工作压力执行元件工况运动速度结构参数流量/(L/s)计算公式升降缸钻孔0.05A2=0.9510-3m20.048Q=A2V提升0.3A1=1.9610-3m20.588Q=A1V翻转缸上翻转0.3A1=0.8010-3m20.240Q=A1V下翻转0.3A2=0.4210-3m20.126Q=A2V3.4液压元件的选择3.4.1确定液压泵规格和驱动电机功率 由前面液压执行元件实际工作压力可知，这个液压系统最大工作压力为12.6Mpa，考虑到进出油路上阀和管道的压力损失为0.3MPa（含回油路上的压力损失折算到进油腔），则液压泵的最高工作压力为上述计算所得的是系统的静态压力，考虑到系统在各种工况的过渡阶段出现的动态压力往往超过静态压力，另外考虑到一定压力贮备量，并确保泵的寿命，其正常工作压力为泵的额定压力的80%左右因此选泵的额定压力应满足：液压泵的最大流量应为：式中液压泵的最大流量同时动作的各执行所需流量之和的最大值，如果这时的溢流阀正进行工作，尚须加溢流阀的最小溢流量。系统泄漏系数，一般取，现取。1选择液压泵的规格由于液压系统的慢近快退，流量变化大，负载压力大，功率大。所以选柱塞式变量叶片泵。柱塞变量泵适用于负载大、功率大的机械设备（如龙门刨床、拉床、液压机），柱塞式变量泵有以下的特点：1） 工作压力高。因为柱塞与缸孔加工容易，尺寸精度及表面质量可以达到很高的要求，油液泄漏小，容积效率高，能达到的工作压力。 2） 流量范围较大。因为只要适当加大柱塞直径或增加柱塞数目，流量变增大。 3） 改变柱塞的行程就能改变流量，容易制成各种变量型。 4） 柱塞油泵主要零件均受压，使材料强度得到充分利用，寿命长，单位功率重量小。但柱塞式变量泵的结构复杂。材料及加工精度要求高，加工量大，价格昂贵。根据以上算得的和在查阅相关手册液压元件手册黎启柏主编。表1-6-8得：现选用YBP-E型变量叶片泵，排量20-125ml/r，额定压力16Mpa，额定转速100-1500r/min。2与液压泵匹配的电动机的选定 由前面得知，本液压系统最大功率出现在升降缸提升阶段，这时液压泵的供油压力值为12.9Mpa，流量为0.69L/s。液压泵的总效率。柱塞泵为，取0.82。 选用1500r/min的电动机，则驱动电机功率为： 选择电动机Y160M1-2，其额定功率为11KW。3.4.2阀类元件及辅助元件的选择1. 对液压阀的基本要求：(1). 动作灵敏，使用可靠，工作时冲击和振动小。油液流过时压力损失小。(2). 密封性能好。结构紧凑，安装、调整、使用、维护方便，通用性大2. 根据液压阀的工作压力和通过各个阀类的流量确定元件及辅助元件型号和规格主要依据是根据该阀在系统工作的最大工作压力和通过该阀的实际流量，其他还需考虑阀的动作方式，安装固定方式，压力损失数值，工作性能参数和工作寿命等条件来选择标准阀类的规格： 表3.1：旋转钻机液压系统中控制阀和部分辅助元件的型号规格序号元件名称估计通过流量型号规格1变量叶片泵40YBP-E16Mpa，驱动功率11KW2WU网式滤油器80WU-100*18042通径，压力损失0.01MPa3二位三通电磁换向阀4023D1-H10B-TZZ10通径，压力31.5MPa4三位四通电磁换向阀4034D-B10H-T10通径，压力31.5MPa5液压锁40SOE1010通径6单向节流阀40LA-H1010通径7溢流阀40YF3-B10B8压力控制阀40GB70-859压力表开关KFL830E32Mpa，6测点10油箱3.4.3 管道尺寸的确定油管系统中使用的油管种类很多，有钢管、铜管、尼龙管、塑料管、橡胶管等，必须按照安装位置、工作环境和工作压力来正确选用。本设计中油管采用钢管，因为本设计中所须的压力是高压，P=12.9MPa ， 钢管能承受高压，价格低廉，耐油，抗腐蚀，刚性好，但装配是不能任意弯曲，常在装拆方便处用作压力管道一中、高压用无缝管，低压用焊接管。本设计在弯曲的地方可以用管接头来实现弯曲。尼龙管用在低压系统；塑料管一般用在回油管用。胶管用做联接两个相对运动部件之间的管道。胶管分高、低压两种。高压胶管是钢丝编织体为骨架或钢丝缠绕体为骨架的胶管，可用于压力较高的油路中。低压胶管是麻丝或棉丝编织体为骨架的胶管，多用于压力较低的油路中。由于胶管制造比较困难，成本很高，因此非必要时一般不用。1. 管接头的选用：管接头是油管与油管、油管与液压件之间的可拆式联接件，它必须具有装拆方便、连接牢固、密封可靠、外形尺寸小、通流能力大、压降小、工艺性好等各种条件。管接头的种类很多，液压系统中油管与管接头的常见联接方式有：焊接式管接头、卡套式管接头、扩口式管接头、扣压式管接头、固定铰接管接头。管路旋入端用的连接螺纹采用国际标准米制锥螺纹（ZM）和普通细牙螺纹（M）。锥螺纹依靠自身的锥体旋紧和采用聚四氟乙烯等进行密封，广泛用于中、低压液压系统；细牙螺纹密封性好，常用于高压系统，但要求采用组合垫圈或O形圈进行端面密封，有时也采用紫铜垫圈。2. 管道内径计算： （1）式中 q通过管道内的流量 v管内允许流速 ，见表：表3.2：液压系统各管道流速推荐值油液流经的管道推荐流速 m/s液压泵吸油管1-2（一般取1m/s以下）液压系统压油管道2.5，压力高，管道短粘度小取大值液压系统回油管道1.52.5 (1). 液压泵压油管道的内径： 取v=0.5m/s根据液压元件手册黎启柏主编，表6-4-1查得：取d=32mm，钢管的外径 D=42mm； 管接头联接螺纹M422。(2). 液压泵回油管道的内径：取v=2.4m/s根据液压元件手册黎启柏主编，表6-4-1查得：取d=20mm,钢管的外径 D=28mm; 管接头联接螺纹M272。3. 管道壁厚的计算式中： p管道内最高工作压力 Pa d管道内径 m管道材料的许用应力 Pa， 管道材料的抗拉强度 Pan安全系数，对钢管来说，时，取n=8；时，取n=6； 时，取n=4。根据上述的参数可以得到：我们选钢管的材料为45#钢，由此可得材料的抗拉强度=600MPa; (1). 液压泵压油管道的壁厚 (2). 液压泵回油管道的壁厚，所以所选管道适用。3.5液压系统的验算上面已经计算出该液压系统中进，回油管的内径分别为32mm,20mm。但是由于系统的具体管路布置和长度尚未确定，所以压力损失无法验算。3.5.1系统温升的验算在整个工作循环中，提升过程中流量最大，且发热量最大。为了简化计算，主要考虑提升时的发热量。一般情况下，提升过程做功的功率损失大引起发热量较大，所以只考虑提升时的发热量，然后取其值进行分析。当V=0.3m/s时即 此时泵的效率为0.9，泵的出口压力为12.6MP，则有即P输出=7.3KW此时的功率损失为：假定系统的散热状况一般，取，油箱的散热面积A为系统的温升为根据机械设计手册成大先P20-767：油箱中温度一般推荐30-50所以验算表明系统的温升在许可范围内。第四章 液压集成油路的设计通常使用的液压元件有板式和管式两种结构。管式元件通过油管来实现相互之间的连接，液压元件的数量越多，连接的管件越多，结构越复杂，系统压力损失越大，占用空间也越大，维修、保养和拆装越困难。因此，管式元件一般用于结构简单的系统。板式元件固定在板件上，分为液压油路板连接、集成块连接和叠加阀连接。把一个液压回路中各元件合理地布置在一块液压油路板上，这与管式连接比较，除了进出液压油液通过管道外，各液压元件用螺钉规则地固定在一块液压阀板上，元件之间由液压油路板上的孔道勾通。板式元件的液压系统安装 、调试和维修方便，压力损失小，外形美观。但是，其结构标准化程度差， 互换性不好，结构不够紧凑，制造加工困难，使用受到限制。此外，还可以把液压元件分别固定在几块集成块上，再把各集成块按设计规律装配成一个液压集成回路，这种方式与油路板比较，标准化、系列化程度高，互换性能好，维修、拆装方便，元件更换容易；集成块可进行专业化生产，其质量好、性能可靠而且设计生产周期短。使用近年来在液压油路板和集成块基础上发展起来的新型液压元件叠加阀组成回路也有其独特的优点，它不需要另外的连接件，由叠加阀直接叠加而成。其结构更为紧凑，体积更小，重量更轻，无管件连接，从而消除了因油管、接头引起的泄漏、振动和噪声。本次设计基于安装空间和油箱结构的考虑采用3块集成块组成。4.1液压油路板的结构设计液压油路板一般用灰铸铁来制造，要求材料致密，无缩孔疏松等缺陷。液压油路板的结构如图5-1、图5-1、图5-3所示，液压油路板正面用螺钉固定液压元件，表面粗糙度值为Ra0.8um,背面连接压力油管（P）、回油管（T）、泄露油管（L）和工作油管（AB）等。油管与液压油路板通过管接头用米制细牙螺纹或英制管螺纹连接。液压元件之间通过液压油路板内部的孔道连接，除正面外，其它加工面和孔道的表面粗糙度值为Ra6.312.5um.图5-1 液压油路板1图5-2 液压油路板2图5-3 液压油路板3此外液压油路板的安装固定也是很重要的。油路板一般采用框架固定（考虑液压站空间此次油路板采用螺钉联接）要求安装维修和检测方便。它可安装固定在机床或机床附属设备上，但比较方便的是安装在液压站上。4.2液压集成块结构与设计4.2.1液压集成回路设计1）把液压回路划分为若干单元回路，每个单元回路一般由三个液压元件组成，采用通用的压力油路P和回油路T，这样的单元回路称液压单元集成回路。设计液压单元集成回路时，优先选用通用液压单元集成回路，以减少集成块设计工作量，提高通用性。2）把各个液压单元集成回路连接起来，组成液压集成回路，一个完整的液压集成回路由底板、供油回路、压力控制回路、方向回路、调速回路、顶盖及测压回路等单元液压集成回路组成。液压集成回路设计完成后，要和液压回路进行比较，分析工作原理是否相同，否则说明液压集成回路出了差错。4.2.2液压集成块及其设计旋转钻机液压站由油箱顶板3个液压集成块组成，液压集成块之间的油路由管道相连，集成块由四个螺钉将其紧固在液压油箱上，液压泵通过泵支撑座与油箱顶板连接，组成液压站（见第五章），液压元件分别固定在各集成块上，组成一个完整的液压系统。下面分别介绍其设计。（1）油箱顶板及供油块设计图5-4为油箱顶板、供油口及回油口，其作用是连接集成块组、液压泵的供油和整个液压系统的回油。液压泵供应的压力油P使用吸油管由供油口引入各集成块，液压系统回油路T及泄漏油路L经回油口引入液压油箱冷却沉淀。图5-3 油箱顶板及液压集成块安装位置设计图（2）集成块设计集成块的设计步骤：1）制作液压元件样板。根据产品样本，对照实物绘制液压元件顶视图轮廓尺寸，虚线绘出液压元件底面各油口位置的尺寸，按照轮廓线剪下来，便是液压元件样板。若产品样本与实物有出入，则以实物为准。若产品样本中的液压元件配有底板，则样板可按底板提供的尺寸来制作。若没有底板，则要注意，有的样本提供的是元件的俯视图，做样板时应把产品样本中的图