毕业设计（论文）-EBZ160掘进机液压系统设计（全套图纸）.pdf

设计说明书 摘要摘要 掘进机液压系统是煤炭生产和建设的基础系统， 在煤炭工业中具 有基础性的关键地位。本设计力图结合行业标准和设计规范，根据工 作要求和设计目的进行掘进机的液压系统设计， 确定符合要求的掘进 机的相关参数。在液压系统设计部分，基本上确定各零部件的液压使 用原理及参数计算。这里分析计算了截割部、行走机构、装运机构、 中间运输机等载荷分析。马达部分的确定：装载部的星轮机构马达、 行走机构的驱动马达、中间运输机的驱动马达等。油缸部分的确定： 升降油缸、回转油缸、履带行走机构的张紧油缸、铲板部的升举油缸 的计算设计。液压缸的结构设计部分，进行了伸缩油缸的机构设计计 算， 并绘制零件图。 也进行了泵站的参数计算确定和液压系统的计算， 评估液压系统性能。最后进行掘进机的通过性分析与稳定性分析。 关键词：纵轴式掘进机；液压缸；液压系统设计 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 设计说明书 Abstract Machine hydraulic system is the foundation of coal production and construction system, the coal industry has the basic key position to this design combined with industry standards and design specifications, according to the job requirements and design purpose machine hydraulic system design, make sure to meet the requirements of related parameters of the machine in the hydraulic system design part, basically determine the parts of hydraulic use principle and parameter calculation analysis here to calculate the cutting part running gear shipment mechanism intermediate conveyor and load analysis to determine the motor parts: loading of the department of star wheel mechanism motor running gear drive motor intermediate conveyor drive motor for the determination of oil cylinder part: lifting cylinder rotary cylinder telescopic cylinder crawler walking mechanism of tensioning cylinder shovel plate of the department of lifting cylinder 设计说明书 design calculation of hydraulic cylinder structure design part。 Keywords: vertical shaft type machine; hydraulic cylinder; Hydraulic system design 目录目录 第一章 绪论 . 1 1 引言 . 1 2 掘进机的发展历程 . 1 2.1 掘进机的发展史 . 1 2.2 工况描述 . 2 3 掘进机液压系统的发展史 . 3 4 EBZ160 的主要技术参数 . 4 5 设计要求及目的 . 6 第二章 执行机构的相关参数计算 . 7 1 工况分析及载荷计算公式 . 7 2 截割回转油缸的设计计算 . 8 2.1 负载压力的确定 . 8 2.2 活塞直径 D 与活塞杆直径 d 的确定 . 11 2.3 油缸的安装距及行程计算 . 12 2.4 液压缸活塞杆的平均速度计算公式 . 14 2.5 液压缸壁厚和外径等的计算 . 15 3 伸缩液压缸的设计计算 . 18 3.1 工况分析 . 18 3.2 主要参数确定 . 20 结语 . 24 参考文献 . 25 设计说明书 设计说明书 1 第一章第一章 绪论绪论 1 引言引言 用掘进机掘进巷道的初步尝试，应归功于上个世纪初。在此之前 曾出现：英格罩斯型隧道钻进机和普列依斯型掘进掩护支架(英国)、 安德逊型掘进机(美国)，后者可与掩护板配合或单独工作。单独工作 时，安德逊型掘进机用辅助液压油缸移动，其形式与现代掘进机的概 念相符合。 但由于很多结构上的缺点， 这几种机器均未得到工业应用。 第二次世界大战以后，掘进机开始得到工业应用。在美国，考虑 煤层特点，带双钻削头的掘进机得到广泛应用，用于掘进煤巷和房柱 式开采。在西欧和前苏联也得到了广泛的发展。 2 掘进机的发展历程掘进机的发展历程 2.1 掘进机的发展史掘进机的发展史 悬臂式掘进机是煤矿掘进巷道常用设备， 它的发展使得矿井巷道 的掘进速度和效率大幅度提升。目前，世界上各主要产煤国用掘进机 掘进的巷道已占巷道总长的 40到 50，近年来，悬臂式掘进机不 仅用于煤及软岩巷道的掘进， 在中等硬度的半煤岩巷道掘进中也取得 了良好的技术经济效果， 国外的某些重型掘进机已能截割某些较硬的 岩石巷道。 我国悬臂式掘进机的发展是主要经历了三个阶段。第一阶段 60 年代初到 70 年代末主要是引进国外掘进机为主。这一阶段的主要特 点是：使用范围越来越广，切割能力逐步提高。第二阶段 70 年代末 设计说明书 2 到 80 年代， 与国外合作生产了几种悬臂式掘进机并逐步实现国产化。 这一阶段的主要特点是： 可靠性高， 已经能适应我国煤巷掘进的需要， 出现了重型机。第三阶段由 80 年代至今，重型机型大批出现，悬臂 式掘进机的设计与制造水平已经相当先进。这一阶段的主要特点是： 设计水平较为先进，可靠性大幅度提高，功能更加完善。经过三个阶 段发展，我国悬臂式掘进机的设计、生产、使用进入了一个较高的水 平，已跨入国际先进行列，可与国外的悬臂式掘进机相媲美。 2.2 工况描述工况描述 悬臂式巷道掘进机是一种综合掘进设备，集切割、行走、装运、 喷雾灭尘于一体，包含多种机构，具有多重功能。悬臂式掘进机作业 线主要由主机与后配套设备组成。主机把煤石切割破落下来，转运机 构把破碎的煤渣转运至机器尾部卸下， 由后配套转载机、 运输机运走。 悬臂式掘进机的切割臂可以上下、左右自由摆动，能切割任意形状的 巷道断面，切割出的表面精确、平整，便于支护。履带式行走机构使 机器调动灵活，便于转弯、爬坡，对复杂地质条件适应性强。该系列 掘进机主要用于采煤准备巷道的掘进，适用于掘进破碎煤岩硬度 f4-12，断面 6-50m的煤或半煤岩巷道，也可用于其他巷道施工，断 面形状任意。一般来说，这类悬臂式掘进机的重量为 20120t，最 大切割功率已达 300kW，能切割岩石的最大单向抗压强度可达 170MPa。 悬臂垂直掘进机回转时，截割头由下向上摆（或由上向下摆动） ， 把截割头看成是一个整体，把向上进给力（截割力）简化为一个集中 设计说明书 3 力作用在截割头中部，当截割臂处于水平位置时，这时升降液压缸提 供切割臂的进给力最小；当切割臂处于向上极限位置时，这时升降油 缸提供切割臂的进给力最大。由于 EBZ160 的整机外形尺寸为 92.9 1.8 米，所以巷道的高度应略大于 1.8m，宽度应大于 2.9m，巷道坡 度18；能够在煤层、半煤层下施工，切割煤岩最大单向抗压强度 可达 80Mpa，经济截割时为 60MPa。 3 掘进机液压系统的发展史掘进机液压系统的发展史 我国的液压工业开始于 20 世纪 50 年代，目前正处于迅速发展， 提高的阶段。其产品最初只用于机床和锻压设备，后来才用到拖拉机 和工程机械上。自从 1964 年从国外引进一些液压元件生产技术，同 时进行自行设计液压产品以来， 我国的液压件生产已从低压到高压形 成系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。80 年代起更加速 了对国外先进液压产品和技术的有计划引进，消化，吸收和国产化工 作，以确保我国的液压技术能在产品质量，经济效益，研究开发等各 个方面全方位地赶上世界水平。随着工业迅猛发展逐日发展壮大，相 继建立了科研机构和专业生产厂家， 从事液压技术研究和液压产品生 产 3.1 国内掘进机液压系统的发展国内掘进机液压系统的发展 （1）最早采用定量系统（分动箱齿轮泵结构、行走斜轴柱塞马达自 制减速机） ； （2）过渡期定量系统（三联叶片泵、紧凑型行走马达减速机） ； （3）以上两种系统可靠性差、不能满足大负荷需要； 设计说明书 4 （4）采用变量系统。 3.2 国内掘进机液压系统发展趋势国内掘进机液压系统发展趋势 （1）高压、大流量方向发展； （2）高可靠性方向发展 ； （3）多采用国外大品牌元件； （4）变量、先导控制成为趋势。 3.3 国外掘进机液压系统新动向国外掘进机液压系统新动向 （1）电液遥控比例控制； （2）加强油液清洁采用单独过滤系统； （3）阀前接阻尼器吸振截峰使油流更加稳定，减少紊流发生。 4 EBZ160 的主要技术参数的主要技术参数 整机 EBZ160 外形参数（长宽高） （m） 92.91.8 总重（t） 45 总功率（kW） 246 经济/最大截割硬度 (Mpa） 60/80 对地压强（Mpa） 0.14 理论生产能力（m/h） 210 设计说明书 5 定义截割范围 EBZ160 高度（m） 2.4-4.8 宽度（m） 2.9-5.0 面积（m） 6.96-24 铲板部 EBZ160 装载宽度（m） 2.9/2.6 星轮转数（rpm） 30 装载形式 三星齿轮 第一运输机 EBZ160 形式 双边链刮板 链速（m/min） 56 涨紧形式 液压缸+卡板、 丝 杠 坡度 18 行走部 EBZ160 形式 履带式/整体式 履带宽度（mm） 550/600 制动方式 片式自动 行走速度（m/min） 0-9.0 设计说明书 6 液压系统 EBZ160 二联变量柱塞泵 （ml/r） 145/90 换向阀 液压先导控制 油箱容量（L） 500 油泵电动机隔爆 空冷式 90kV-4P, 1140/660V 5 设计要求及目的设计要求及目的 设计用途：设计符合要求的纵轴式悬臂掘进机液压系统。 基本要求： 1)最大掘高 4.5m； 2)最大掘宽 5.6m； 3)巷道坡度18； 4)能够在煤层、半煤层下施工，切割煤岩最大单向抗压强度可达 80Mpa，经济截割时为 60MPa。 涨紧形式 液压缸+卡板 设计说明书 7 第二章第二章 执行机构的相关参数计算执行机构的相关参数计算 液压系统原理图 系统的工作压力取决于液压执行元件的负载。目前，掘进机液压 系统的压力一般为 1020MPa。 1 工况分析及载荷计算公式工况分析及载荷计算公式 工况分析包括绘制负载(压力)、 速度(流量)和功率变化规律的分 析图表，掘进机的液压系统是一个包含多个执行元件的复杂系统，各 执行元件的工作顺序和作业时间，充分地利用原动机功率。 执行元件上的外负载包括工作负载，摩擦负载和惯性负载三部分。 （1）对于液压缸，外负载为： 设计说明书 8 ifc FFFF+= 式中： F工作负载（重力负载） ； f F摩擦负载 （工作机构在满负载下起动时的静摩擦负载） ； i F惯性负载。 2 截割回转油缸的设计计算截割回转油缸的设计计算 2.1 负载压力的确定负载压力的确定 1 2 3 4 5 M Mi Mf Mc O2 O1 v 截割机构简图 1、截割头 2、悬臂 3、回转盘 4、回转油缸 5、回转台 设计说明书 9 截割机构数学建模 机构在工作时，被截割煤壁对截割头的反力为负载阻力，而悬臂 对截割头产生的力为牵引力，此时，截割头的线速度为牵引速度，牵 引力和牵引速度由回转台上的 2 个双作用油缸提供，在回转盘上，工 作机构此时的受力包括： 驱动力矩 01c M， 摩擦力矩 01f M， 惯性力矩 01i M 和负载力矩 01 M，由力矩平衡原理得出回转盘力矩平衡方程： 01010101ifn MMMM+= (1)负载力矩 a PRM 0101 = 式中： a P截割时的负载力(牵引力)，N； 01 R截割头回转半径， 010101 cosLaR+=，m； a回转中心至升降回转点距离，m； 设计说明书 10 01 L 升降回转点至截割头中心点距离，m； 01 一悬臂升降转动角(与水平面夹角)，( o )。 在水平位置时， o 0 01 =时，负载载荷力矩最大： 95400)cos210 . 4 650 . 0 ( 01 0101 += = a PRM Nm463644= (2)摩擦力矩 010120101101 )1 ()1 ( ccjfzff MMMMM+=+= 式中： zf M回转盘轴向摩擦力矩，mN ； 011 滚动推力轴承效率； jf M回转盘径向摩擦力矩，mN ； 012 滚动轴承效率； 01c M驱动力矩，mN 。 010120101101 )1 ()1 ( ccjfzff MMMMM+=+= Nm 2 . 23182 463644)97 . 0 98 . 0 2( = = (3)惯性力矩 )4/( 0101 tJMi= 式中： 01 J一回转盘回转效应， 2 mN ， ABL KJ= 01 ； 22 2 010101 179175 . 28600 3 1 3 1 NmRmJ=； 角速度变化值，srad /； t 回转盘从静止开始转动的启动时间，s。 要求在2 . 0=ts 内达到回转的速度，则min/46r=， 设计说明书 11 Nm tJM 5 . 17170 42 . 060 46 17917 )4/( 1 = = = (4)各负载计算 受到液压缸效率的影响，驱动力总应高于总外负载，设液压缸效 率为 0.9，各负载计算见表。 回转油缸的负载 工况 计算公式 液压缸负载 kNF / 液压缸驱动力 kNF / 0 起动 01 01 01 / ) 22 (R M M F i f += 31.0 34.5 回转截割 01 / ) 22 (R M M F k += 374.5 416 2.2 活塞直径活塞直径 D 与活塞杆直径与活塞杆直径 d 的确定的确定 查 EBZ160 掘进机的技术参数表可知，EBZ160 掘进机整个截割部 重量为 7.8 吨，所以重力负载为 F 负=7.8t。同时由于截割部在整个 工作过程中速度很慢， 所以可以考虑忽略惯性负载力 F 惯， 即 F 惯=0。 初选系统压力为 16MPa，取负载压力为 PL= 2 3 PS=10.67MPa。掘进机的 截割速度范围为 2m/s4m/s，这里取速度为 2m/s。 由于工作环境比较差，回转左右进行，确定采用合适的差动液压缸。 利用这时活塞杆较粗可以通油的有利条件。 则由公式： P1A1-P2A2= cm F 设计说明书 12 PLA= 22 L Pd 4 （D - ） =374500/0.9 式中：A有效作用面积。 cm 液压缸机械效率，一般取 0.90.97。 D液压缸内经； d活塞杆直径； F最大外负载； 回路上取背压MPap5 . 1 2 =，根据工作情况和要求，确定宽径比 62. 0/=Dd 计算得 D=154.3mm, d=92.6mm 根据 GB/T7938-1987 选定液压缸额定压力为 16MPa， 根据 GB/T2348-1993 将液压缸内径圆整为 D=160mm， 根据 GB/T2348-1993 将活塞杆直径圆整为 d=110mm。 有效作用面积 A= 22 d 4 （D - ） =10597.5mm 2 无杆腔的面积 A2= 2 4 D =20096mm 2 ， 有杆腔的面积 A1= 2 d 4 =9498.5mm 2 。 2.3 油缸的安装距及行程计算油缸的安装距及行程计算 EBZ160 掘进机的截割部回转油缸处于伸出的状态时受到煤岩的 垂直阻力为 4t，作用力臂长 L 为 4400mm，截割部左、右极限角均为 30 o ，回转油缸安装铰耳 O1 到 O2 间的距离为 1160mm，回转油缸安装 铰耳点 01 到截割部回转中心的水平距离为 2240mm，回转油缸安装铰 设计说明书 13 耳点（3 处）到截割部回转中心的水平距离为 170mm，截割部回转中 心俩侧的铰耳间距离为 1580mm，回转油缸安装铰耳点距截割部回转 中心的平行距离为 815mm， 截割部从右极限摆到左极限位置需要 30s。 由 tanQ1= 1 r L ，所以 Q1= 1 r arctan L 同理 Q2= 2 13 arctan 2() L LL+ ， 又 sinQ1= 4 r L ，所以 L4= r sin 1 设计说明书 14 由 L5= 2 2sin 2 L ，Q3=Q1-Q2-Q4， 得 cosQ3= 222 546 54 2 LLL L L + ，从而计算出安装距 L6。 又 Q5=Q4+Q1-Q2，所以由 cosQ5= 222 547 54 2 LLL L L + 计算出 L7，最后得 出油缸行程 L=L7-L6=550mm。 2.4 液压缸活塞杆的平均速度计算公式液压缸活塞杆的平均速度计算公式 活塞杆推出时的平均速度 V1的计算公式： V1=qcv/ 2 4 D = 0.58m/s 活塞杆缩回时的平均速度 V2的计算公式： V2=qcv/ 22 d 4 （D - ） =1m/s 式中：cv液压缸容积效率，泄漏量很小时可近似取 1； q输入液压缸流量； D活塞直径； d活塞杆直径。 设计说明书 15 液压缸简图 2.5 液压缸壁厚和外径等的计算液压缸壁厚和外径等的计算 对于工程机械和重型机械用液压缸的缸筒，一般都采用无缝钢 管，缸筒壁厚和强度条件3 . 008. 0/=D时的计算公式为： max max 2 3 PD P 式中： max P最大允许压力(mPa)； 缸筒材料的许用应力(mPa)， s n =； s 缸筒材料的屈服强度()； n安全系数3 5n =； 取 max 16PMPa=， 250 =，0.16D =， 则： 6.5mm 查缸筒壁厚度表，取=17mm。176.5 =，符合要求 液压缸壁算出后，即可求出缸体的外径 1 D为： 2 1 += DD=160+34=194mm (1) 缸盖厚度的确定 设计说明书 16 一般液压缸多为平底缸盖， 其有效厚度 可以按照四周嵌住的圆盘强 度公式近似计算。 p n p D 0 433 . 0 式中： 缸盖有效厚度，m； 0 D缸底内径，m； n p液压缸的额定压力，MPa； p 缸筒底部材料的许用应力，MPa。 8 . 6 250 16 62433 . 0 =mm 则取 =12mm。 (2) 最小导向长度 一般的液压缸，最小导向长度 H 应该满足以下要求： 220 DL H+ 550160 107.5 202 =+=mm 取最小导向长度为 230 mm。 式中： L液压缸的最大行程； D液压缸的内径。 (3)缸体长度的确定 液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。 缸体 外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。 一般液压缸缸体长度不应大于 内径的 2030 倍。 缸体长度 DDI3020 设计说明书 17 取缸体长度 I=32004800mm (4) 导向套长度 A=（0.61.0）d = (66110)mm 导向套长度为 100mm (4)活塞宽度 B=（0.61.0）D =（96160）mm 活塞杆宽度 B=150mm 式中 D缸筒内径 H C L B K D l1 (5) 液压缸进出油口尺寸的确定 液压油缸进出口可布置在缸筒或前、后端盖上，连接型式有螺纹 连接、法兰连接等。 根据实际的情况，把液压油缸进出口布置在缸筒上，连接型式采 用螺纹连接。 国家标准 GB/T2878-1993 规定了液压缸进、 出口螺纹的连接尺寸 设计说明书 18 系列。同时对于 16MPa、25MPa 的各种型式的液压缸的油口安装尺寸， 有 ISO8138-1986，ISO8136-1986，ISO8137-1986 的国际标准。油缸 进出口尺寸按 ISO8136-1986 选取。 3 伸缩液压缸的设计计算伸缩液压缸的设计计算 3.1 工况分析工况分析 (1)工作负载计算 202Tt FK F= 式中： 2 F为伸缩机构的轴向力，kN； T K截割头形式的影响系数，横轴式掘进机15 . 1 = T K，纵轴 式掘进机5 . 0= T K； t F 为 截 割 头 沿 截 齿 平 均 直 径 所 产 生 的 周 向 力 ，kN。 0 02 00 19.13 t N F Dn = 83.17kN 式中： 0 N截割电机功率，kW； 0 D截齿的平均回转直径，m； 0 n截割头转速，min/r。 目前市场上绝大多数掘进机的截割速度为 23r/min 和 46r/min， 这两种截割速度被认为是截割硬岩和煤岩的经济截割速度， 所以本次 设计的岩巷掘进机截割转速也定为 46r/min。由主要参数表可知截割 电机功率为 160kW。纵轴式掘进机切割头的直径一般为 600900 mm。 大功率的掘进机可以在 1000 mm 以上。这里选择切割头的平均直径为 800 mm。 设计说明书 19 202Tt FK F=0.583.17=41.59kN (2)摩擦阻力计算 02fva Ff F= 式中： v f煤岩与刀齿间的当量动摩擦系数 kN5 .79 10)2/45(cos 6015 016. 0 )2/(cos 016. 0 2 2 2 2 = = = o K h P c zc c kNPP ca 4 .955 .792 .12 .1= 02fva Ff F=0.395.4=28.6kN (3)惯性负载计算 02 a i Gv F gt = 式中： f F为惯性负载，kN； a G截割部重量，kN； g重力加速度， 2 sm； v伸缩速度的变化量， 1 sm； t为v内所对应的时间变化量，s。 02 0.0833 7800 0.2 3.25 a i Gv F gt kN = = = (4)各工况负载计算 受到液压缸效率的影响，驱动力总应高于总外负载，设液压缸效 率为 0.9，各负载计算如表。 设计说明书 20 表为伸缩油缸的负载计算 工况 计算公式 液压缸负载 kN/F 液压缸驱动力 kN/ 0 F 起动进给 i02f 02 =+F FF 31.8 35.4 进给伸进 02f 02 =+F FF 70.2 78.0 3.2 主要参数确定主要参数确定 包括系统工作压力，液压缸型式，规格等的确定。 (1)初选系统工作压力 参照目前实际运用情况，初选定系统工作压力为 16MPa。 (2)确定液压缸型式及规格 由于工作环境比较差，进行进给，确定采用合适的差动液压缸。 利用这时活塞杆较粗可以通油的有利条件。回路上取背压 MPap5 . 1 2 =，根据工作情况和要求，确定宽径比62. 0/=Dd 61 . 1 2 1 = A A )61 . 1 /( 211m ppFA= 6 42 70200 (16 1.5/1.61) 100.9 51.77 10 m = = /4 1 AD = 4 51.77/ 8.1 cm cm = = 取规范标准mmD125=，由 21 61 . 1 AA =，mmDd7862. 0= 设计说明书 21 取标准值，杆径mmd80= 两腔实际有效面积 2 2 2 1 5 . 72,123cmAcmA= (3)最大流量需求 sL sL vAAQ /421 . 0 /)10/0833 . 0 5 . 50( )( max21max = = = (4)液压缸载荷参数见表 表 各工况所需要的压力、流量和功率 工况 计算公式 kN/ 0 F 回油腔压 力 MPa/ 2 p 进油腔压 力 MPa/ 1 p 输入流 量 1 sL/ Q 输入功 率 kW/P 起动给 进 21 20 1 AA pAF p + = vAQ 2 = QpP 1 = 35.4 1.5 22.3 0.421 0.94 进给伸 进 1 220 1 A pAF p + = vAQ 2 = QpP 1 = 78 1.5 3.3 0.421 1.39 (5)液压缸壁厚和外径等的计算 对于工程机械和重型机械用液压缸的缸筒，一般都采用无缝钢 管，缸筒壁厚和强度条件3 . 008. 0/=D时的计算公式为： max max 2 3 PD P 设计说明书 22 式中： max P最大允许压力(mPa)； 缸筒材料的许用应力(mPa)， s n =； s 缸筒材料的屈服强度()； n安全系数3 5n =； 取 max 16PMPa=， 250 =，D=0.125， 则： 4.4mm 查缸筒壁厚度表，取=13.5mm。13.54.4 =，符合要求 液压缸壁算出后，即可求出缸体的外径 1 D为： 2 1 += DD=125+27=152mm (6)缸盖厚度的确定 一般液压缸多为平底缸盖， 其有效厚度 可以按照四周嵌住的圆 盘强度公式近似计算。 p n p D 0 433 . 0 式中： 缸盖有效厚度，m； 0 D缸底内径，m； n p液压缸的额定压力，MPa； p 缸筒底部材料的许用应力，MPa。 8 . 6 2