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液压凿岩机设计【6张CAD图纸和毕业论文】【答辩通过】

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全套设计-液压凿岩机设计

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关键词：: 全套设计液压凿岩机

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摘要

凿岩机械是采掘、建筑、工程建设等领域应用广泛的的工程机械。尽管世界凿岩机，尤其是凿岩机技术有很大发展，但在我国其主导产品几十年来没有大的变化。我国大量的中小矿山及一般工程施工中仍普遍使用能耗高、破岩效率低、易损零件多、寿命低、噪声高、环境污染严重的支腿式气动凿岩机。研制开发轻型独立回转液压凿岩机就是在这样的背景下提出的。用轻型独立回转凿岩机替代传统的气动凿岩机能明显提高凿岩作业效率、显著降低耗能、减少噪声污染和空气污染，迅速提高我们凿岩和工程施工的装备技术水平。

本文在综合分析各类液压凿岩机冲击工作原理和轻型液压凿岩机各种结构的基础上，提出了轻型独立回转液压凿岩机的构型，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凿岩机的液压系统，其包括：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。

针对所设计的液压凿岩机，利用计算机辅助设计软件画出其装配图和部分典型零件图，然后对其进行分析研究，了解其结构原理，对本次设计的成果进一步巩固加深，达到设计的最终目的。

关键词：凿岩机；设计；轻型；独立回转；研究；冲击机构

Abstract

Rock drill equipements are widely used in excavation, construction and other filed. In despite of the world Hydraulic rock drills ,especially Hydraulic rock drill technology had great developed,in our country the main product of rock drill had little change during several years.In our country ,many middle and small mine and common engineering work also use pneumatic rock drill,which has great energy waste ,lower efficiency rock drill,much easy damange part,shorter life,high yawp,great pollution.In this backdrop develop new light independency circumgrate rock drill has been put forward.New light independency circumgrate rock drill which replaces the pneumatic rock drill can obviously advanced the rock drill efficiency,reduce energy waste,reduce yawp and air pollution,rapidly develop rock drill and work equipment technology level.

In this study, analyse a lot of hydraulic rock drills ,and raise light independence circumgyrate hydraulic rock drill type,and design mostly parts.

Keywords：Rock;drill;design;light;independency;circumgyrate;research;strike machine

摘要I

AbstractII

目录III

第一章绪论1

1.1 液压凿岩机的发展1

1.2 液压凿岩机的基本结构6

1.3 液压凿岩机冲击机构的结构类型8

第二章液压凿岩机的冲击工作原理及结构分析9

2.1前腔回油后腔常压型液压凿岩机冲击工作原理9

2.2后腔回油前腔常压型液压凿岩机冲击工作原理10

2.3 双面回油型液压凿岩机冲击工作原理11

2.4无阀型液压凿岩机冲击工作原理12

2.5 有阀型液压凿岩机冲击机构的结构分析13

第三章轻型独立回转液压凿岩机的回转机构16

3.1 回转机构16

3.2 内回转式17

3.3 外回转式17

第四章液压系统设计19

4.1 液压冲击机构控制原理图19

4.2 配流阀系统的设计20

4.3 蓄能器的设计27

4.4 活塞防空打装置的设计31

结论36

参考文献37

致谢38

附件139

附件240

第一章绪论

1.1 液压凿岩机的发展

1.1.1 液压冲击机械发展简史

20世纪60年代初期，德国Krupp公司研制出了实用的液压碎石机，它首先用于城市建筑施工工程；1970年法国Montabert公司首先研制成功了世界上第一台实用的液压凿岩机，并很快投入批量生产、推广使用；随后瑞典、德国、美国、芬兰、日本等国陆续研制出了各种型号的液压凿岩机或液压碎石机投放市场。与传统的气动冲击机械相比，液压冲击机械具有能耗低、效率高、环境污染小、操作方便、易于实现自动化等优点，它们在生产实践中显示了巨大的优越性和广阔的发展前景，因而引起了工程界和矿业界的高度重视。在短短的30年里，世界上先后出现了包括瑞典的Atlas...Copco、Linden..Ali mark公司，法国的Montaber、Emir... Secorna公司芬兰Tamroc公司，日本的古河Furukam矿业株式会社，美国的 Garder..Den—verIngersol..Rand公司和德国的Krup公司等著名公司在内的30多家液压冲击机械专业生产厂家，在世界范内形成了一个新兴的工业产业。目前，已有数百种液压凿岩机和液压碎石机的系列产品问世，一些先进的产品已历经了几代更新。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，液压凿岩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液压凿岩机一嗍0型导轨式液压凿岩机，不久以后，由中南工业大学研制的YYG90型液压凿岩机、北京科技大学研制的YS一5000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凿岩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。

1.1.2 研究现状

一. 液压冲击器的研究

液压冲击器是液压冲击机械(如液压凿岩机、液压碎石机等)的关键部件，长期以来，液压冲击器系统运动规律的研究与探索一直是人们关注的焦点。按照研究时所采用的数学模型的不同，可分为线性模型和非线性模型两种研究方法。

a. 线性研究方

线性研究方法对冲击器作一些必要的假设，将其运动规律用明确的线性数学模型表示，可方便地求得解析解。线性研究方法的前提是以“液压油压力恒定不变”为基本假设并忽略某些影响因素，以此为基础，对液压冲击器进行了大量的研究与探索。

首先提出“在保证冲击末速度为给定值的条件下，油压完全相等的压力控制是效率最高的最佳控制”观点的是前苏联学者O.II.Azin MOB和C.A.ACOB等人，并提出了峰值推力最小的最佳设计方案。在冲击器的早期研究中，许多国内学者也提出过相似的观点。人们将冲击器的工作过程分为三个阶段：即回程加速、回程制动和冲程，并认为在整个过程中油压恒定不变。中南工业大学杨襄璧教授提出了著名的抽象设计变量理论，该理论的核心是以冲程时间比：a=冲程时间()／周期时间(T)作为抽象设计变量，由此推导出了液压冲击器结构与性能参数的整套设计公式，并对液压冲击器进行了一系列的优化研究；何清华教授以冲击器结构特征系数——活塞前后腔有效面积比作为无量纲设计变量，对冲击器进行了优化设计。

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内容简介：: 目录摘要 . 错误 !未定义书签。 Abstract . 错误 !未定义书签。目录 . 1 第一章绪论 . 错误 !未定义书签。 1.1 液压凿岩机的发展 . 错误 !未定义书签。 1.2 液压凿岩机的基本结构 . 错误 !未定义书签。 1.3 液压凿岩机冲击机构的结构类型 . 错误 !未定义书签。第二章液压凿岩机的冲击工作原理及结构分析 . 错误 !未定义书签。 2.1 前腔回油后腔常压型液压凿岩机冲击工作原理 . 错误 !未定义书签。 2.2 后腔回油前腔常压型液压凿岩机冲击工作原理 . 错误 !未定义书签。 2.3 双面回油型液压凿岩机冲击工作原理 . 错误 !未定义书签。 2.4 无阀型液压凿岩机冲击工作原理 . 错误 !未定义书签。 2.5 有阀型液压凿岩机冲击机构的结构分析 . 错误 !未定义书签。第三章轻型独立回转液压凿岩机的回转机构 . 错误 !未定义书签。 3.1 回转机构 . 错误 !未定义书签。 3.2 内回转式 . 错误 !未定义书签。 3.3 外回转式 . 错误 !未定义书签。第四章液压系统设计 . 错误 !未定义书签。 4.1 液压冲击机构控制原理图 . 错误 !未定义书签。 4.2 配流阀系统的设计 . 错误 !未定义书签。 4.3 蓄能器的设计 . 错误 !未定义书签。 4.4 活塞防空打装置的设计 . 错误 !未定义书签。结论 . 错误 !未定义书签。参考文献 . 错误 !未定义书签。致谢 . 错误 !未定义书签。 nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 I 摘要凿岩机械是采掘、建筑、工程建设等领域应用广泛的的工程机械。尽管世界凿岩机，尤其是凿岩机技术有很大发展，但在我国其主导产品几十年来没有大的变化。我国大量的中小矿山及一般工程施工中仍普遍使用能耗高、破岩效率低、易损零件多、寿命低、噪声高、环境污染严重的支腿式气动凿岩机。研制开发轻型独立回转液压凿岩机就是在这样的背景下提出的。用轻型独立回转凿岩机替代传统的气动凿岩机能明显提高凿岩作业效率、显著降低耗能、减少噪声污染和空气污染，迅速提高我们凿岩和工程施工的装备技术水平。本文在综合分析各类液压凿岩机冲击工作原理和轻型液压凿岩机各种结构的基础上，提出了轻型独立回转液压凿岩机的构型，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凿岩机的液压系统，其包括：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。针对所设计的液压凿岩机，利用计算机辅助设计软件画出其装配图和部分典型零件图，然后对其进行分析研究，了解其结构原理，对本次设计的成果进一步巩固加深，达到设计的最终目的。关键词：凿岩机；设计；轻型；独立回转；研究；冲击机构 nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 II Abstract Rock drill equipements are widely used in excavation, construction and other filed. In despite of the world Hydraulic rock drills ,especially Hydraulic rock drill technology had great developed,in our country the main product of rock drill had little change during several years.In our country ,many middle and small mine and common engineering work also use pneumatic rock drill,which has great energy waste ,lower efficiency rock drill,much easy damange part,shorter life,high yawp,great pollution.In this backdrop develop new light independency circumgrate rock drill has been put forward.New light independency circumgrate rock drill which replaces the pneumatic rock drill can obviously advanced the rock drill efficiency,reduce energy waste,reduce yawp and air pollution,rapidly develop rock drill and work equipment technology level. In this study, analyse a lot of hydraulic rock drills ,and raise light independence circumgyrate hydraulic rock drill type,and design mostly parts. Keywords ： Rock;drill;design;light;independency;circumgyrate;research;strike machine nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 III 目录摘要 .I Abstract . II 目录 . III 第一章绪论 . 1 1.1 液压凿岩机的发展 . 1 1.2 液压凿岩机的基本结构 . 6 1.3 液压凿岩机冲击机构的结构类型 . 8 第二章液压凿岩机的冲击工作原理及结构分析 . 9 2.1 前腔回油后腔常压型液压凿岩机冲击工作原理 . 9 2.2 后腔回油前腔常压型液压凿岩机冲击工作原理 . 10 2.3 双面回油型液压凿岩机冲击工作原理 . 11 2.4 无阀型液压凿岩机冲击工作原理 . 12 2.5 有阀型液压凿岩机冲击机构的结构分析 . 13 第三章轻型独立回转液压凿岩机的回转机构 . 16 3.1 回转机构 . 16 3.2 内回转式 . 17 3.3 外回转式 . 17 第四章液压系统设计 . 19 4.1 液压冲击机构控制原理图 . 19 4.2 配流阀系统的设计 . 20 4.3 蓄能器的设计 . 27 4.4 活塞防空打装置的设计 . 31 结论 . 36 参考文献 . 37 致谢 . 38 附件 1. 错误 !未定义书签。附件 2. 错误 !未定义书签。 nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 IV nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 1 第一章绪论 1.1 液压凿岩机的发展 1.1.1 液压冲击机械发展简史 20 世纪 60 年代初期，德国 Krupp 公司研制出了实用的液压碎石机，它首先用于城市建筑施工工程； 1970 年法国 Montabert 公司首先研制成功了世界上第一台实用的液压凿岩机，并很快投入批量生产、推广使用；随后瑞典、德国、美国、芬兰、日本等国陆续研制出了各种型号的液压凿岩机或液压碎石机投放市场。与传统的气动冲击机械相比，液压冲击机械具有能耗低、效率高、环境污染小、操作方便、易于实现自动化等优点，它们在生产实践中显示了巨大的优越性和广阔的发展前景，因而引起了工程界和矿业界的高度重视。在短短的 30 年里，世界上先后出现了包括瑞典的 Atlas.Copco、Linden.Ali mark 公司，法国的 Montaber、 Emir. Secorna 公司芬兰 Tamroc 公司，日本的古河 Furukam 矿业株式会社，美国的 Garder.Den verIngersol.Rand 公司和德国的Krup 公司等著名公司在内的 30 多家液压冲击机械专业生产厂家，在世界范内形成了一个新兴的工业产业。目前，已有数百种液压凿岩机和液压碎石机的系列产品问世，一些先进的产品已历经了几代更新。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，液压凿岩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液压凿岩机一嗍 0型导轨式液压凿岩机，不久以后，由中南工业大学研制的 YYG90 型液压凿岩机、北京科技大学研制的 YS 一 5000 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凿岩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。 nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 2 1.1.2 研究现状一 . 液压冲击器的研究液压冲击器是液压冲击机械 (如液压凿岩机、液压碎石机等 )的关键部件，长期以来，液压冲击器系统运动规律的研究与探索一直是人们关注的焦点。按照研究时所采用的数学模型的不同，可分为线性模型和非线性模型两种研究方法。 a. 线性研究方线性研究方法对冲击器作一些必要的假设，将其运动规律用明确的线性数学模型表示，可方便地求得解析解。线性研究方法的前提是以“液压油压力恒定不变”为基本假设并忽略某些影响因素，以此为基础，对液压冲击器进行了大量的研究与探索。首先提出“在保证冲击末速度为给定值的条件下，油压完全相等的压力控制是效率最高的最佳控制”观点的是前苏联学者 O.II.Azin MOB 和 C.A.ACOB 等人，并提出了峰值推力最小的最佳设计方案。在冲击器的早期研究中，许多国内学者也提出过相似的观点。人们将冲击器的工作过程分为三个阶段：即回程加速、回程制动和冲程，并认为在整个过程中油压恒定不变。中南工业大学杨襄璧教授提出了著名的抽象设计变量理论，该理论的核心是以冲程时间比： a=冲程时间 ( 1T )周期时间 (T)作为抽象设计变量，由此推导出了液压冲击器结构与性能参数的整套设计公式，并对液压冲击器进行了一系列的优化研究；何清华教授以冲击器结构特征系数活塞前后腔有效面积比作为无量纲设计变量，对冲击器进行了优化设计。 b. 非线性研究方法采用线性研究方法可揭示液压冲击器结构的本质关系，有确切的数学表达式，求解方便，但它忽略了许多影响因素，需用经验系数修正。液压冲击器是一个由活塞、配流控制阀和蓄能器等部件组成的相互制约的运动系统，为了较精确地揭示其运动规律和物理特性，非线性研究方法越来越受到人们的重视。早在 20 世纪 70 年代，国外就有人将计算机数字仿真技术应用于风动凿岩机的研究，并指出这种研究方法能够获得较为精确的结果。 1976 年，日本学者槌口正雄提出了一种液压冲击装置的非线性数学模型；1980 年，北京科技大学的学者提出了一个以蓄能器压力为工作压力的非线性数学模型，并求得了稳定的仿真数字解； 1983 年，中南工业大学何清华教授使用状态切换法建立了全面的数学模型，提出了“准匀加速计算法” (PUA 法 )，并对各状态切换间的误差进行了修正，提高了仿真精度； 1987 年，北京科技大学陈孝忠、陈定远教授建立了冲击机构nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 3 非线性数学模型，并用 BASIC 语言编写了仿真程序，取得了与实测结果较为一致的仿真数据。二 . 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 50 60zH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。三 . 钎尾反弹能量吸收装置及防空打装置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。四 . 液压冲击器输出参数调节的研究冲击凿岩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，在凿岩破碎作业过程中，当工作对象的物理性nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 4 质 (如硬度 )或具体工作状挽。 (如凿岩爆破工艺的平巷中深孔掘进 )发生变化时，为了降低凿岩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.Copco公司于 20 世纪 80 年代率先推出了 CoP1238 系列三挡液压凿岩机；美国 Gardner Denver公司 HPR 一 1型自动调节行程液压凿岩机；法国 Emico.Secoma 公司的 RPH200型三挡液压凿岩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 系列自动换挡液压凿岩机，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。五 . 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nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 5 业大学系统地研究了多挡液压冲击器的设计理论，编写了 YYG 系列液压凿岩机设计的仿真通用软件，实现了该系列液压凿岩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。 1.1.3 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 AtIa Copco 公司推出 COP1838、 CoP1440 系列液压凿岩机取代 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，实现了液压破碎锤输出工作参数的连续控制；国内中南工业大学先后研制 YYG90、 YYG9IOA、 YYG90B、 YYG145 等系列液压凿岩机。 (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 型液压凿岩机冲击频率可达 zH105100 ，冲击能达 440J,扭矩 500.700Nm；中南工业大学研制的 YYG145 型多挡液压凿岩机输出最大冲击能也达到 330J，冲击频率达 zH55 ，扭矩为 450Nm。 (3)产品结构设计和钎具质量不断改进，钻凿破碎的经济性和精确性大幅度提高。瑞典 Atla.Copco 公司的 COP1838 液压凿岩机的钻孔速度比 COP1238 型提高 80 ，钎具寿命延长 80 。 (4)采用智能化控制。这里指凿岩破碎过程的计算机化，它包括两个方面：一是采用电液控制技术，对液压冲击器的工作参数进行控制，使其可根据工作对象的不同物理性质自动地无级调节活塞行程，从而改变其输出的冲击能和冲击频率，以保证在最佳工况下工作；二是对液压钻车钻臂定位系统进行控制，使其能迅速而准确可靠地移动到指定位置，目前中南大学完成的国家“ 863”项目隧道凿岩机器人的研究就是这个发展方向。 (5)液压冲击机械性能参数测试测控的计算机化。以计算机为核心，采用各种可视化软件 ( 、 VC 等 )，实现测试技术与手段的虚拟化。 (6)液压冲击机械系统设计与控制技术的信息化。任何一种机械产品从构思、设计、nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 6 制造到投入使用，离不开各种信息 (包括结构参数、控制参数、价格因子及市场需求等 )的集中分析、储存、加工和处理，使用计算机网络技术可以实现以智能、动力、结构和传感组成的有序信息流的在线分析与处理，完成对液压冲击机械系统的信息化设计与控制。随着生产力的发展，液压冲击机械 20 世纪 70 年代问世以来，在短短 30 年中获得了迅速的发展，目前在国内外广泛应用于各行各业中，已形成了一个重要的新技术产业，并取得了显著的社会效益和经济效益，以液压冲击器及其控制系统为核心技术的研究也提高到了一个新水平。由于种种原因，国内产品还远远不能满足市场的需求，一些生产厂和大学研究机构投入了相当的人力和资金进行液压冲击机械的开发研究，以提高我国在这一领域的技术水平。 1.2 液压凿岩机的基本结构液压凿岩机主要由冲击机构、回转机构、供水排粉装置及防尘系统等部分组成，其凿岩作业是冲击、回转、推进与岩孔冲洗功能的综合。目前各生产厂家的液压凿岩机结构都不尽相同，各有自己的特点。如有带行程调节装置的，也有无此装置的 ;有采用中心供水的，也有采用旁侧供水的 ;缸体内有带缸套的也有无缸套的 ;为了防止深孔凿岩时钎杆卡在岩孔内拔不出来，国外有几种新型液压凿岩机在供水装置前面还设有反冲装置。下面介绍液压凿岩机的一些基本结构。 (1)冲击机构液压冲击机构由缸体、活塞、配流阀、蓄能器及前后支撑套与密封装置等组成，它是冲击作功的关键部件，它的性能直接决定了液压凿岩机整机的性能。 1)活塞活塞是传递冲击能量的主要零件，其形状对破岩效果有较大影响。由波动力学理论可知，活塞直径与钎尾直径越接近越好，且在总长度上直径变化越小越好。通过对气动和液压凿岩机两种活塞的效果比较发现，液压凿岩机的活塞只比气动凿岩机的活塞重19%，可是输出功率却提高了一倍，而钎杆内的应力峰值则减小了 20%。因此，双面回油型液压凿岩机的活塞断面变化最小，且细长，是最理想的活塞形状。 2)配流阀液压凿岩机的配流阀有多种形式，概括起来有套阀和芯阀两大类，芯阀按形状又可nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 7 分为柱状阀和筒状阀。套阀只有一个零件，结构简单，其结构受活塞的制约，只能制成三通阀。而芯阀是一个部件，由多个零件组成，结构较为复杂，可制成三通或四通阀。三通阀适用于单面回油的机型，而双面回油型液压凿岩机则必须采用四通阀。 3)蓄能器液压冲击机构的活塞只在冲程时才对钎尾作功，而回程时不对外作功，为了充分利用回程能量，需配备高压蓄能器储存回程能量，并利用它提供冲程时所需的峰值流量，以减小液压泵的排量。此外，由于阀芯高频换向引起压力冲击和流量脉动，也需配置蓄能器，以保证机器作的可靠性，提高各部件的寿命。目前，国内外各种有阀型液压凿岩机都配有一个或二个高压蓄能器，有的液压凿岩机为了减少回油的脉动，还设有回油蓄能器。因液压凿岩机的冲击频率高，故都采用反应灵敏、动作快的隔膜式蓄能器。 4)缸体缸体是液压凿岩机的主要零件，体积和重量都较大，结构复杂，孔道和油槽多，要求加工精度高。为解决此问题，各型液压凿岩机采取了不同的办法。有的加前后缸套，以利于油路和沉割槽的加工，且维修时便于更换 ;有的不加衬套，为便于加工，把缸体分为几段 ;而轻型液压凿岩机大多采用整体式缸体 5)活塞导向套活塞的前后两端都有导向套支承，其结构有整体式和复合式两种。前者加工简单，后者性能优良。目前国内多采用整体式，少数采用复合式。 (2)回转机构回转机构主要用于转动钎具和接卸钎杆。在液压凿岩机中，因输出扭矩较大，所以主要采用独立外回转机构，该机构由液压马达驱动一套齿轮装置并带动钎尾作独立的回转运动。因摆线液压马达体积小、扭矩大、效率高，故液压凿岩机回转机构普遍采用这种马达。 (3)供水装置液压凿岩机大都采用压力水作为冲洗介质，其供水装置的作用就是供给冲洗水以排除岩孔内的岩碴，它有中心供水式和旁侧供水式两种。中心供水式装置与一般气动凿岩机中心供水方式相同，压力水从凿岩机后部的注水孔通过水针从活塞中间孔穿过，进入前部钎尾来冲洗钻孔。这种供水方式的优点是结构紧凑，机头部分体积小，但密封比较困难。旁侧供水装置是液压凿岩机广泛采用的结构。冲洗水通过凿岩机前部的供水套进入nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 8 钎尾的进水孔去冲洗钻孔。这种供水方式由于水路短，易于实现密封，且即使发生漏水也不会影响凿岩机内部的正常润滑，其缺点是机头部分增加了长度。 1.3 液压凿岩机冲击机构的结构类型液压凿岩机按其冲击机构配油方式的不同可分为两大类 :有阀型和无阀型。前者按阀的结构可分为套阀式和芯阀式 :按回油方式又有单面回油和双面回油两种 :单面回油又分为前腔回油和后腔回油两种。其分类关系及相应代表型号见下表。表 1-1 液压凿岩机的分类类型有阀型无阀型回油方式单面回油双面回油双面回油后腔回油前腔回油活塞运动三通法控差动三通法控差动四通阀控活塞自配油阀的结构套阀心阀套阀心阀芯阀无典型产品国外 Tamrock 公司的 HE,HL系列古河株式会社的 HD系列 Tension公司的 RD系列 GD 公司的HPR 系列 Ailmakg公司的AD 系列 Secoma公司的RPH35 系列 Atlas Copco公司的 COP 系列 Ingersoll.Rand公司的 HARD.3 Joy 公司的 JH.2 国内 TTYYG.20 YYG.250B YYG.90A YYG.80 系列 nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 9 第二章液压凿岩机的冲击工作原理及结构分析液压凿岩机以液压流体作为传递能量的介质，其冲击工作原理主要是由冲击机构的配油方式决定的。 2.1 前腔回油后腔常压型液压凿岩机冲击工作原理此型液压凿岩机是通过改变前腔的供油和回油来实现活塞的往复运动的，有套阀式和芯阀式两种。图 2-1 所示位套阀式的冲击工作原理。当套阀处于左端位置时，高压油进入活塞前腔 A，由于活塞前腔受压面积大于后腔受压面积，活塞前端作用力远大于后端作用力，故活塞开始作回程运动 (图 2-1a)。当活塞回程到一定位置时，使推阀腔 C 与后腔 B 切断，与回油腔 D 连通，推阀腔 B 的油压急剧下降，于是套阀作回程换向并向右快速运动，关闭活塞前腔的压油口，开启回油口，活塞前端作用力急剧减小使活塞处于制动运行状态 (图 2-1b)。当活塞回程速度为零即到达回程终点时，活塞在后端作用力的作用下开始作冲程运动 (图 2-1c)。当活塞在冲程中离冲击点还有一定距离时，推阀腔C 与压油腔 B 相通，套阀进行冲程换向，在此过程中，活塞高速冲击钎尾 (2-1d)。与此同时，冲程换向完毕，活塞前腔进入高压油，又开始作下一次循环的回程运动。 nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 10 图 2-1 前腔回油后腔常压型液压凿岩机冲击工作原理（ a)回程（ b)回程换向（ c)冲程（ d)冲程换向 1 缸体 2 活塞 3 套阀 4 蓄能器 A 前腔 B 后腔 C 推阀腔 D 回油腔 2.2 后腔回油前腔常压型液压凿岩机冲击工作原理此型液压凿岩机是通过改变后腔的供油和回油来实现活塞的冲击往复运动的，也有套阀式和芯阀式两种，其套阀式液压凿岩机冲击工作原理如图 2-2 所示。当套阀 4 处于右端位置时，缸体后腔与回油相通，于是活塞 2 在缸体前腔高压油的作用下，向右作回程加速运动 (图 2-2a)。当活塞超过回程换向信号孔位 A 时，配流阀右端推阀面与高压油相通，因该面积大于阀左端的面积，所以配流阀向左运动进行回程换向，高压油通过机体内部孔道与活塞后腔相通，活塞向右作减速运动，后腔的油一部分进入蓄能器 3，一部分从机体内部通道流入前腔，直至回程终点 (图 2-2b)。由于活塞台肩后端面大于活塞台肩前端面，因此活塞后端面作用力远大于前端面作用力，活塞向左作冲程加速运动(2-2c)当活塞越过冲程信号孔位 B 时，配流阀右端推阀面与回油相通，配流阀进行冲程换向 (2-2d)，为活塞回程作好准备，与此同时活塞冲击钎尾作功，完成一个工作循环。 nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 11 图 2-2 前腔常压后腔回油型液压凿岩机冲击工作原理 (a)回程加速 (b)回程换向、回程制动 (c)冲程加速 (d)冲程换向、冲击钎尾 1 缸体 2 活塞 3 蓄能器 4 配流阀 A 回程换向信号孔位 B 冲程换向信号孔位 2.3 双面回油型液压凿岩机冲击工作原理此类液压凿岩机都为四通芯阀式结构，采用前后腔交替回油，其冲击工作原理如图2-3 所示。在冲程开始阶段 (图 2-3a)，阀芯 2 位于左端，活塞 4 位于右端，高压油经油路进入缸体后腔，推动活塞向左作加速运动。活塞向左运动到预定位，打开冲程换向信号孔口，高压油经推阀油路作用在阀芯的左推阀面，推动阀芯向右运动进行冲程换向 (图2-3b)配流阀右端腔室中的油经推阀油路进入活塞中间腔，再经回油通道返回油箱，为回程运动作好准备，与此同时，活塞打击钎尾。在完成冲程运动的瞬时，活塞即刻进入回程运动 (图 2-3c),高压油经进油路进入缸体前腔，推动活塞向右作加速运动。活塞向右运动打开回程换向信号孔口 A 时，高压油经推阀油路作用在阀芯的右端面，推动阀芯回程换向 (图 2-3d )，阀左端腔室中的油经推阀油路、活塞中间腔和回油通道返回油箱，阀芯运动到左端，为下一循环作好准备。 nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 12 图 2-3 双面回油型液压凿岩机冲击工作原理 (a)冲程加速 (b)冲程换向 (c)回程加速 (d)回程换向 1 蓄能器 2 配流阀 3 缸体 4 活塞 2.4 无阀型液压凿岩机冲击工作原理该型液压凿岩机没有专门的配流阀，而是一种利用活塞运动位置变化自行配油的无阀结构。其特点是利用油的微量可压缩性，以较大容积的工作腔 (活塞的前腔和后腔 )和压油腔形成液体弹簧作用，在活塞往复运动时产生压缩储能和膨胀作功。其冲击工作过程如图 2-4 所示。 2-4a 表示无阀型液压凿岩机回程开始的情况，这时活塞前腔与高压油相通，后腔与回油相通，于是活塞向右作回程加速运动。当活塞回程运动到图 2-4b 的位置时，活塞的前腔和后腔均处于封闭状态，形成液体弹簧。由于活塞的惯性以及前腔高压油的膨胀，使活塞继续作回程运动，这时活塞后腔的油液被压缩储能，压力逐渐升高，直到活塞回nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 13 程使前腔与回油相通，后腔与高压油相通，即活塞到达如图 2-4c 的位置时，活塞开始向左作冲程运动。活塞运动到一定位置，其前后腔又处于封闭状态，形成液体弹簧，活塞冲击钎尾作功。同时活塞的前腔与高压油相通，后腔与回油相通，又为活塞回程运动作好准备，如此不断往复循环。图 2-4 无阀型液压凿岩机冲击工作原理 (a)回程 (b)前腔膨胀，后腔压缩储能 (c)冲程 1 活塞 2 前腔 3 缸体 4 压油腔 5 后腔无阀型液压凿岩机的特点是 :只有一个运动件，结构简单 ;由于利用油液的微量可压缩性，所以工作腔和压油腔容积较大，致使机器尺寸和重量均较大 ;为了不使工作腔容积过大，就得限制每次的冲击排量，使活塞运动行程减小，冲击能减小，在这种情况下要达到一定的输出功率，只得提高冲击频率。但对凿岩作业来说，确定冲击频率的条件是一次冲击所产生的应力波不致与前一次冲击所产生的应力波重叠并累积起来，所以过高的冲击频率也未必有利。由于存在上述不足，故尚未见到无阀型液压凿岩机在凿岩作业中推广应用。 2.5 有阀型液压凿岩机冲击机构的结构分析前腔回油后腔常压型、后腔回油前腔常压型和双面回油型液压冲击机构由于配油方式的不同而具有各自的特点 : 1)活塞回程制动阶段的吸空问题 nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 14 在活塞回程制动阶段，前腔常压型冲击机构从原理上不会产生前腔的吸空问题，而后腔常压型和双面回油型冲击机构则必然会产生前腔的吸空现象，这对活塞、缸体及回油管都是有害的。对于相同规格的液压冲击机构而然，双面回油型的前腔受压面积比较小，因而空穴现象的危害程度也较小，而后腔常压型的前腔面积比双面回油型的前腔面积大得多，因而空穴现象的危害程度也大得多。 2)活塞冲程阶段的前腔油液流动阻力问题在冲程阶段，前腔常压型的前腔油液要被压到后腔，因而产生一定的阻力，但因其前腔受压面积较小，所以阻力也较小。而双面回油型和后腔常压型的前腔是接通回油的，此时会产生回油阻力。双面回油型的前腔面积小，因而回油阻力小，而后腔常压型的前腔面积大得多，因而回油阻力也大得多。 3)配油阀的耗油量和工艺性前腔常压型与后腔常压型是利用了差动活塞的原理，所以只需采用三通阀，而双面回油型则必须采用四通阀。屯通阀的典型结构是三槽二台肩，四通滑阀的典型结构是五槽三台肩，三通阀比四通阀少一个台肩，因而可以做得比较短，可以减轻阀芯重量，节省阀芯运动时的耗油量。三通阀只有三个关键尺寸和一条通向油缸的孔道，结构简单，工艺性好，而四通阀则有五个关键尺寸和二条通向油缸的孔道，结构复杂， _ 上艺性差。相应的双面回油型的油缸缸体结构也比较复杂，加工难度大。 4)活塞运动中的排油问题在活塞的冲程和回程中，双面回油型冲击机构都存在排油过程，排油时间长，排油比较均匀，流量峰值小，有利于减少回油管的流量压力脉动，减小回油阻力。与之对比，前腔常压型只在活塞回程中由后腔排油，排油时间短，流量峰值大，回油阻力大，回油压力脉动大，这是前腔常压型的主要缺陷，一般通过安装回油蓄能器来减小其不利影响。 5)活塞形状双面回油型的活塞形状最为合理，活塞各台阶的直径差小，可以做得很细长，撞击时产生的应力峰值小，持续时间长，有利于提高活塞和钎具的寿命，增强破岩效果。相比之下，前腔常压型和后腔常压型的活塞直径差要大一些，因此效果也差一些。通过以上分析可得如下结论 : 后腔常压型液压冲击机构在回程制动过程中存在严重的吸空现象以及回油阻力过nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 15 大等问题，缺点比较明显，实践证明是一种不可取的结构，目前己经被淘汰。前腔常压式液压冲击机构具有结构简单，无吸空现象，配流阀耗油量少，能量利用率高等优点，可作为中重型液压凿岩机的首选结构形式。但由于其回油压力脉动较大，因此在设计轻型液压凿岩机时应尽量避免采用这种结构。双面回油型液压冲击机构具有不间歇回油、排油时间长、回油压力脉动小以及活塞形状好等优点，但其缸体和配油阀结构比较复杂，加工工艺性较差，配油阀的耗油量稍高。 nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 16 第三章轻型独立回转液压凿岩机的回转机构 3.1 回转机构轻型液压凿岩机按其回转机构的结构特点可分为两大类：内回转式和外回转式。回转机构主要是用于转动钎具和接卸钎杆。液压凿岩机的输出扭矩较大，一般在200.1000Nm,因为多数采用独立外回转机构，该机构由液压马达驱动一套齿轮装置，带动钎具回转，如图 3-1，它由液压马达、齿轮箱、传达齿轮装置和传动轴等组成。（一）液压马达液压凿岩机采用的也有马达均是低速、大扭矩的摆线液压马达，因为是这种马达的体积小、扭矩大、效率高。（二）传动齿轮式一对减速齿轮，其目的是进一步降低液压马达的转速，提高扭矩。（三）回转机构的润滑一般采用油雾润滑图 3-1 回转机构 1.冲击活塞 2.缓冲活塞 3.传动长轴 4.小齿轮 5.大齿轮 6.钎尾 7.三边形花键套 8.缓冲套筒 nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 17 3.2 内回转式这种结构的液压凿岩机沿用气动凿岩机冲击活塞带动钎杆旋转的传动方式，在利用液压振动原理实现活塞冲击的同时又实现了转钎，结构十分紧凑。但是，它存在两方面的不稳定性，一是卡钎，二是回油管爆裂。卡钎是由于液压凿岩机的固定参数与不固定的外界条件所致，内回转结构的凿岩机是靠施于活塞上的液压力在克服钎杆转动阻力后才得以推动活塞作回程加速运动的。在正常情况下，旋转所需分力和活塞冲击能可以互相调节。但当钎杆所需的回转分力即钎杆转动阻力矩过大时，液压力不足以克服转钎阻力，活塞将被迫中止冲击或降速运动，这时会因回转阻力矩突增而形成卡钎。若设计使施加于活塞上的力过大，或转钎所需分力变小，则活塞回程加速度增大，导致冲击能加大，凿岩机反弹振动力加大，钎杆易断，工作不稳。两者的矛盾很难用一种固定的设计参数来统一。特别在不均质岩层，内回转液压凿岩机常常无所适从，无法连续工作。爆油管是设计凿岩机时保护不当所致。一般设计液压凿岩机时重视高压油管的保护，都设有高压蓄能器。低压油管受到的振动破坏性很大，特别是单面回油型液压凿岩机，由于是间歇回油，瞬时排油的压力脉动形成的振动往往大于高压油管的振动，故回油管破坏率高。由于内回转液压凿岩机在工作原理上的缺陷无法从根本上解决，所以这种结构的支腿式液压凿岩机己被市场所淘汰。 3.3 外回转式外回转液压凿岩机在结构上都设置有油马达以驱动减速器带动钎杆转动。根据不同的油路配置又可分为三种 : 独立供油外回转结构内部分流供油外回转结构冲击与回转机构串联供油的外回转结构。独立供油外回转结构是中重型液压凿岩机普遍采用的结构，它是直接分别向冲击和回转两部分供油的独立外回转结构。目前国内尚没有这种结构的轻型液压凿岩机问世。内部分流外回转液压凿岩机具有单一输入输出油管的结构形式，通过设在机体内的分流阀将输入供油分别供给冲击机构和回转机构。这种结构的液压凿岩机由于分流阀设在机体内部，所以增大了凿岩机的结构尺寸和能量损失，而且分流阀的调节技术比较复杂，凿岩时工人很难根据具体的施工条件控制操作，所以尚未得到推广应用。目前国内应用比较成功的支腿式液压凿岩机采用的都是冲击与回转机构串联供油nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 18 的外回转结构。这种结构保留了单一输入输出油管，结构简单，且利用回转油路作为冲击机构的高背压，其间以柔性相连，缓和了油路的高频振动，降低了振幅。但由于冲击机构的背压较高，导致了这种结构的液压凿岩机的冲击能和冲击频率都较低，又由于油马达的供油为冲击机构的回油，所以其回转扭矩也不高。由于这种结构的支腿式液压凿岩机与相同档次的气动凿岩机相比在性能上没有明显的优势，所以其推广应用受到了一定程度的限制。尽管各厂家生产的轻型液压凿岩机的回转机构在结构形式上各有不同，但其采用的冲击机构在工作原理上却完全相同，即全部采用前腔常压后腔回油型液压冲击机构。而前腔常压型液压冲击机构却存在回油阻力大及回油压力脉动大的缺点，这也是这种液压凿岩机回油管易于爆裂的原因。解决这一问题的办法是安装回油蓄能器，而这样势必会增加凿岩机的尺寸和重量。 nts青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 19 第四章液压系统设计液压伺服控制系统是由指令装置、检测装置、比较环节、伺服放大器、控制元件、执行元件、校正环节组成。它

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