WJ084-武钢四炼钢220T钢包LF液压系统设计
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wj084
武钢
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摘 要 种在真空条件下利用电弧加热的炉外精炼技术。它是将在一般炼钢炉中初炼的钢液置于专用钢包内进行 精炼的。 设备主要有钢包、炉盖、电弧加热系统、真空系统以及加料装置。 宜生产超低硫（脱硫效率可达 50%70%，至 下）、超低氧钢（全氧可控制在（ 2050） 。 温幅度大，温度控制精确。 金化功能，易于实现成分的窄控制。 资少。炉体和电弧炉差不太 多。 除冶炼超低 C、 S、 别适合轴承钢、合金结构钢、工具钢、弹簧钢等。 精炼原料： 钢水、氩气、石墨电极、合金线。渣：石灰、萤石、 合脱氧剂、铝粒等脱氧剂。 正是由于 炼法具有以上的优点，使得对 压系统设计 的研究具有深远的意义 关键词 ： 炉外精炼； 钢包电解； 液压系统 目 录 绪论 . 错误 !未定义书签。 1 设计任务 .题目名称 .主要技术参数及要求 .设计方案 . 液压系统计算与选型 .载荷的组成分析与计算 . 液压缸的载荷分析与计算 . 液压马达载荷的分析与计算 .初选系统工作压力 .计算液压缸的主要结构尺寸和液压马达的排量 . 计算液压缸的主要结构尺寸 . 计算液压马达的排量 .计算液压缸和液压马达所需要的流量 . 液压缸工作时所需的 流量 . 液压马达的流量 .确定液压系统的工况 . 压力循环图的绘制 . 流量循环图的绘制 . 11 3 制定基本方案和绘制液 压系统图 .制定基本回路方案 .选择液压动力源 . 液压元件与专用件的选择及设计 .液压泵的选择 .电机的选择 .液压阀的选择 . 液压缸回路元件的选择 . 液压马达回路元件的选择 . 错误 !未定义书签。 蓄能器的选择 .管道尺寸的确定 . 管道的分类 . 管道的计算与选择 .油箱容量的确定 .滤油器的选择 .加热器的选择 . 液压系统性能验算 .验算回路中的压力损失 . 管路沿程损失 . 管路的局部损失 . 阀类元件的局部损失 .液压系统的发热温升计算 . 液压系统的发热功率的计算 . 液压系统散热功率的计算 . 冷却器的计算与选择 . 液压站的设计 .液压站的结构设计 .液压站叠加回路的设计 .液压系统的安装 .管路的安装与清洗 .液压站的维护 .束语 .考文献 .谢 .1 设计任务 本次主要是针对液压系统的设计，其细节如下。 题目名称 武钢四炼钢 220T 钢包 压系统设计 主要技术参数及要求 1、 钢水及钢包重 220T； 2、 电极升降系统 垂直位移 1500移比例控制； 3、 包盖及其提升系统采用液压装置； 4、 系统最高工作压力约 28 设计方案 此次设计主要是对 钢包电极精炼 液压系统的设计。在现代工业生产中，自动化程度越来越高，而液压系统也因为其易于实现自动化，又易于实现过载保护，工作平稳，可无级调速，控制精度高等优点而被广泛应用。在冶金行业方面采用液压系统是发展趋势，现在也已经广泛应用于实践中。本设计要求液压系统更安全、更可靠，而且要求能够平稳、准确地完成搅拌脱硫搅拌等一系列动作。 整个装置在 电极精炼 时的机械运动过程如下： 钢包升降油缸 下降 （ 3s） 包盖旋转油缸 开启（ 5s） 包盖 升降油缸下降 （ 3s） 电极升降油缸下降(10s) 包盖 升降油缸上升 （ 3s) 电极升降油缸上升 （ 10s） 包盖旋转油缸开启 （ 5s） 回到原位，准备下一个循环（ 42s）。 其中， 钢包 升降动作由 钢包 升降油缸实现， 包盖的旋转动作由包盖旋转油缸实现，包盖和电极的升降动作分别 由 包盖、电极升降升降 油缸实现 。 本设计的特殊之处是在一个工作循环中，各个液压缸的动作在不同时间段进行并有先后顺序，故采用一个液压缸结合行程开关解决该问题，在计算相关 参数时，为了保证各项符合强度要求，运用大行程状态时相关数值代入计算。为了 保证各步骤升降与包盖旋转动作 的安全性，在设计方案的时候考虑到锁紧状态，本设计中采用液压锁紧方式，提高系统的可靠性，液压锁紧采用一个双液控单向 阀 ， 其中电极升降的位置控制关乎电解的质量， 是设计的重点。 本设计为了提高系统的可靠性，采用一工一备形式的电机泵组和蓄能器提供压力油，保证在有一个液压泵不能正常工作的情况下系统也能正常工作。 钢包升降油缸、包盖旋转油缸、包盖升降油缸、电极升降油缸 是顺序工作的，整个系统还设计有油过滤保证液压油的清洁度。 2 液压系统计算与选型 液压系统的设计步骤并无严格的顺序，各步骤之间往往要互相穿插进行。此次设计是从实际情况出发，有机的结合各种传动形式，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的液压系统，其设计步骤如下。 载荷的组成分析与计算 液压系统的载荷一般有液压缸的载荷和液压马达的载荷，这两种不同执行元件的载荷计算是不同的，在本设计中有以下计算步骤。 液压缸的载荷分析与计算 液压缸的载荷来源一般有工作载荷 轨摩擦载荷 荷 本设计中， 钢包升降油缸、包盖旋转油缸、包盖升降油缸、电极升降油缸 交替工作。可知对于 钢包、包盖、电极 ，其工作载荷近似等于所 承受的负载 的重量，有考虑到惯性载荷的作用，取外载荷 为负载 重量的 包盖旋转 油缸，由于它只是采用机械固定的方法起 到推动包盖 的作用，它所受的外载荷不 是很大。 由此可见： 钢包 升降油缸的外载荷为 1.3 2000010=2860000N 包盖电极升降 油缸的外载荷为 w 650 0 2 包盖旋转 油缸的外载荷为 =20000N 除外载荷 用于活塞上的载荷还包括液压缸密封处的摩擦阻力于各种缸的密封材质和密封形式不一样，密封阻力难以精确计算，一般估算为： (1F (式中 一般取为 设计中取为 (所以 钢包 升降油缸外载荷1F=2860000/010526N， 包盖、电极升降 油缸外载荷 2F =65000/ 包盖旋转 油缸外载荷3F=20000/ 初选系统工作压力 压力的选择要根据载荷的大小和设备而定，同时需要考虑执行元件的装配空间，经济条件及元件供应情况的限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的尺寸，反之，压力选得太高，对缸、阀等元件的材质，密封，制造、精度等要求也高 。 根据本次的设计任务要求系统最高工作压力不高于 28虑到系统工作压力应比最高工作压力低 10%20%，系 统的最小工作压力应比最高工作压力低30%40%。故取系统额定工作压力为 8系统的最小工作压力为6了保证在最小工作压力的情况下仍然能够工作，在本设计中 用为工作压力来计算选型。 计算液压缸的主要结构尺寸和液压马达的排量 液压缸的选型与其在具体工况的实际需要有关系 ， 液压马达的排量与其型号也有密切的关系。在本设计中对其计算如下。 计算液压缸的主要结构尺寸 液压缸有关的设计参数如图 示，其中图 (a)为液压缸活塞杆工作在受压状态时的受力， 图 (b)为活塞杆工作在受拉状态时的受力 9。 图 塞杆受力示意图 活塞杆受压时，其受力为： 2211 (活塞杆受拉时，其受力为： 1221 (式中： 21 为无杆腔的有效作用面积 （ ； ）（ 222 为有杆腔的有效作用面积 （ 液压缸在受压状态下，其活塞面积为1221 p 。 运用上式必须先确定 D 与 d 的关系，根据机械设计手册 10，按工作压力选取=d/D=取背压 根据这一比例关系，结合公式 (（ 1）对于搅拌器升降油缸 缸径计算公式为 D= 4 代入数据，得 查阅机械设计手册表20 00塞杆直径为 11 代入数据得 20 查阅 查阅机械设计手册表 20合公称尺寸。 无杆腔的面积4211 (代入数据得： 221 6 3 4 945 0 0 结合上述公式有杆腔的面积为 2222 5 9 2 44 )320500( (（ 2） 对于包盖升降油缸及电极升降油缸 缸径计算公式为 D= 4 代入数据，得 4 2 142 查阅 查阅机械设计手册表20 取 0塞杆直径为 22 代入数据得 2 阅 查阅机械设计手册表 2052 无杆腔的面积为 4221 代入数据得： 221 2 6480 结 合上述公式有杆腔的面积为 2222 3 64 )4580( （ 3） 对于包盖旋转油缸： 0 5 2433 取221 2222 4 74)2850( 考虑到液压缸活塞杆的强度，需要将液压缸的尺寸放大，结合冶金设备用标准液压缸系列查机械设计手册 10 0择型号为 为包盖旋转 油缸，选择型号为 盖升降油缸，选择型号为 极升降 油缸。 0择型号为 00/320/液压缸作为钢包升降油缸。 计算液压缸所需要的流量 液压缸和液压马达的流量是其工作特性指标之一，对流量的计算有助于我们对液压系统的了解，在本设计中作了如下计算。 液压缸工作时所需的流量 Q= (式中： A 为液压缸有效作用面积 （ ； v 为活塞与缸体的相对速度 （ m/s）。 v=100mm/s 则 1V 夹 =1000L/ 2V 开 =1000L/。 （ 确定液压系统的工况 工况图包括压力循环图、流量循环图、和功率循环图。它们是调整参数、选择液压泵、阀等元件的依据。因为功率是由压力和流量决定的，所以在本设计中只绘制压力循环图和流量循环图。 压力循环图的绘制 （ 1） 确定液压缸的工作压力的确定 钢包升降油缸 油缸 下降 （ 活塞伸出）时，由公式 (： 6 3 4 93 0 1 0 5 2 6111 。 包盖旋转油缸开启时 4 72 0 0 0 0232 包盖升降 油缸 下降 （活塞 伸出 ）时，由公式 (： 3 6 4 2 1222 电极 升降油缸下降（活塞伸出）时，由公式 (： 电极 升降油缸上升（活塞退回）时，取背压为 2P=公式 (： 3 6 2 4 2 12124 包盖升降油缸上升 （活塞 退回 ）时， 由公式 (： 包盖旋转油缸开启 时， 由公式 ( M P 6 32 0 0 0 0118 钢包升降油缸上升（活塞退回）时 5 9 2 4 6 3 4 1 0 5 2 62 127 因为正常工作时的运动过程： 钢包升降油缸下降 （ 3s） 包盖旋转油缸 开启（ 5s） 包盖 升降油缸下降 （ 3s） 电极升降油缸下降 (10s) 电极升降油缸上升 （ 10s） - 包盖 升降油缸上升 （ 3s) 包盖旋转油缸开启 （ 5s）- 钢包上升（ 3s）。 回到原位，准备下一个循环（ 42s）。回到原位，准备下一个循环（ 42s） ,如此形成一个循环，因此系统的压力循环图如图 力循环图 流量循环图的绘制 在整个系统正常工作过程中 : 1 钢包下降 （ 3s） 1V=1000L/ 2 包盖旋转 (5s) 2V 开 =1000L/ 3 包盖 升降油缸下降 300s) =1000L/ 4 电极下降 10000s) Q 5 包盖 上升 1000s) 000L/ 6 电极上升 (10s) QL/ 7 包盖旋转 (5s) 1V=1000L/ 钢包上升（ 3s） m i n/5 4 560101 0 5 9 2 4 628 Q = m 总总 因此其流量循环图如图 量循环图 3 制定基本方案和绘制液压系统图 对于不同的工况我们采用的具体方案不一样 ，对控制要求不高的系统就采用一般的液压系统，但是本设计中控制要求比较高，所以本设计采用比例的控制系统。具体方案设计如下。 制定基本回路方案 根据设计任务可知，本次设计主要设计四个液压回 路：钢包升降油缸回路，包盖旋转 油缸回路，包盖 升降油缸 回路，电极升降油缸回路。各 设计原理图如图 由于钢包升降回路流量太大，选择插装阀控制。 图 包 升降油缸原理图 电极升降是本设计的重点，选择比例电磁阀 极升降回路原理图 旋转 油缸回路与升降油缸回路类似， 工作压力要比升降油缸回路的正常工作的压力小，工作时间也不长，所以在本设计中就利用双单向节流阀实现调速以及 减压，同样在回路中加双液控单向阀，起到液压锁的作用，提高其可靠性。 其设计原理图如图 图 盖升降、旋转 油缸原 理图 选择液压动力源 液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。在本系统中采用变量泵来满足工况要求。在本系统中长时间系统的流量较小，为了节省能源提高效率，增设蓄能器作为应急动力源和辅助动力源 11。 4 液压元件与专用件的选择及设计 液压泵的选择 结合在毕业实习中看到的泵站液压系统，在本设计中液压泵采取一工一备的方式。其选型过程如下 10： （ 1） 确定液压泵的最大压力 P (式中： 液压缸最大工作压力 ( 初算时可依据经验数据选取。管路简单、流速不大的，取 P=路复杂、进口油调速阀的，取 P =在本系统中取 P =1 则 () （ 2） 确定液压泵的流量 在本设计中由于采用了蓄能器作为辅助动力源，所以计算液压泵的流量应该以平均流量来计算： (式中： K 为 系统的泄漏系数，一般取 K=系统中取 K= Q 为 同时动作的马达的平均流量。 从流量循环图上查得，液压缸的平均流量是 取泄漏系数 K= 则： 那么泵的流量 Q = （ 3） 选择液压泵的型号 一般泵的额定工作压力比 20%60%， 则液压泵的额定压力为： 1+25%） 由于液压泵的性能对整个系统的运行有很大的影响，在本设计中采用质量有保证的的泵，根据 机械设计手册 10 20合参数 Q 和 择型号为 柱塞泵，其各项性能参数如表 表 泵主要技术参数 公称排量（ mL/r） 250 额定转速（ r/ 1500 额定压力（ 35 液压泵容积效率（） 定功率（ 218 最大流量（ L/ 364 电机的选择 电机是与泵相连的，在选择电机的时候，电机功率 据经验公式 (式中： 工作压力，在本系统中为 则根据表 数据有 64/60 查机械设计手册 (单行本 )减速器电机与电器 14 0，选择 两台 型号为 电机 （一供一备） ，其额定功率为 250速为 1487r/ 液压阀的选择 在本系统中阀的选择是根据系统的工作压力和实际通过阀的最大流量，结合阀的安装方式，选择有定型产品的的阀件。溢流阀按通过液压泵的最大流量选取；选 择节流阀和调速阀时，应该考虑最小稳定流量应该满足执行机构最低稳定速度的要求。控制阀的流量一般要选的比实际通过的流量大一些，必要时可以允许有 20%以内的短时间过流量 15。在本系统中主要选取的元件主要有双单向节流阀、双液控单向阀、换向阀，其选取步骤如下。 液压缸回路元件的选择 液压元件的性能对整个系统的影响比较大，所以在本设计中阀类元件均采用力士乐公司产品。搅拌器升降油缸回路、闸板开闭油缸回路以及搅拌器夹紧油缸回路的最大工作压力均为 28流量分别为 3=据以上数据查力士乐公司产品手册 13知，所需 6 通径阀的最大流量均比 ，所以在这三个回路中所选用的阀均为 6 通径且型号一样，其所选元件的参数如表 表 顶紧、锁紧回路的各元件参数 参数 元件 型号 通径 (最大流量 (L/最大压力 ( 名称 平衡阀 00 10 80 单向节流阀 2 10 160 液控单向阀 0 250 25 三位四通电磁阀（比例式） 412 10 100 35 截止阀 1010 60 35 三位四通电磁阀 50 80 蓄能器的选择 蓄能器主要用于储存油液的压力能，其主要功能有：辅助动力源、系统保压和吸收系统脉动，缓和液压冲击。在本系统中，正常工作时流量比较小， 使用蓄能器可以存储多余的流量，同时可以吸收系统脉动，缓和冲击。蓄能器的计算与选型如下： （ 1）做蓄能器时容积的计算 蓄能器在作储能用时，是与油泵一起供油的，因而需要蓄能器排出的有效油量应按下式计算 V (式中 : K 为油液泄 漏 系数。一般取 K= 泵的总供油量（指在一个工作循环内系统所需的平均流量） ; t 为最大耗油时泵工作时间。 代入数据得： （ 2）做应急动力源时其有效工作容积为 V （此处的 动作的工作容积） ( 式中 : K 为油液泄 漏 系数。一般取 K= 代入数据得： 30785.0 又有公式 2 (V= (式中： 系统最高工作压力 ,本设计中 系统最低工作压力 ,本设计中 为蓄能器最大容积； 为蓄能器最小容积。 根据公式 (： 1=2 代入数据得： 1=合公 式 (： V 据经验一般取 34） V (在本设计中取 V= 3 圆整后取 50L， 网上查询 选取 4个容积为 63型号为 管道尺寸的确定 管道的作用是保证油路的连通，并便于拆卸、安装；根据工作压力、安装位置确定管件的连接 结构；与泵、阀等连接的管件应由其接口尺寸决定管径。 管道的分类 在液压传动中，常用的管道有钢管、铜管、胶管、尼龙管和塑料管等。 钢管能承受较高的压力，价廉；但弯制比较困难，弯曲半径不能太小，多用在压力较高、装置位置比较方便的地方。一般采用无缝钢管，也可用焊接钢管。 紫铜管能承受的压力较低 （ p 0，经过加热冷却处理后，紫铜管软化，装配时可按需要进行弯曲；但价贵且抗振能力较弱。尼龙管用在低压系统；塑料管一般只作回油管用。 胶管作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。低压胶管是麻绳或棉线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，成本高，因此非必要时不用。 本次设计的液压系统中采用钢管，钢管材料对于中、高压系统采用 20号钢。而对于联接两个相对运动部件之间的管路则考虑用软管联接。软管分高、低压两种。高压软管是以钢丝编织或钢丝缠绕为骨架的橡胶软管，用于压力油路。低压软管是以麻线或棉线编织体为骨架的橡胶软管，用于压力较低的回油路或气动管路中。所以本系 统中的压力油路软管采用高压软管。 管道的计算与选择 根据机械设计手册 10， 钢管内油液的流速推荐值 v 一般按下面原则选取： 吸油管路取 v m/s，一般取 1m/s 以下； 压油管路取 v m/s； 短管道及局部收缩处取 v 510m/s； 回流管路取 v m/s； 泄油管路取 v 1m/s。 管子内径的计算公式如下：v ( 式中： ； v 为管内允许流速 （ m/s） ，按推荐值选定。 根据以上公式计算各管道内径。 (1) 泵吸油口管径的计算 取泵的吸油管路流速为 v=1m/s， 则 0 0 012 0 61 1 3 0 因此选用钢管通径为 80 (2) 泵压油口管径的计算 取泵的压油管路流速为 v=4m/s， 则 0 0 042 0 61 1 3 0 ， 选用钢管通径 为 40 油箱容量的确定 油箱在本系统中的功能，主要是储油和散热，也起着分离油液中的气体及沉淀污物的作用。 油箱有开式和闭式两种。开式油箱应用广泛，箱内液面与大气相通，为防止油液被大气污染，在油箱顶部设置空气滤清器，并兼作注油口。闭式油箱一般指箱内液面不直接与大气连通，而将通气孔与具有一定压力的惰性气体相接，充气压力可达 系统采用开式油箱，在清洗盖板上设置空气滤清器。 在本系统中油箱的设计充分考虑了油箱设计的注意事项。油箱必须有足够大的容量，以保证系统工作时能够保持一定的液位高 度。油箱的排油口与回油口之间的距离应尽可能远些，管口都应插入最低液面之下，以免发生吸空和回油冲溅产生气泡。管口制成 45的斜角，以增大吸油及出油的截面，本系统中的回油管和泄油管均须设置斜角。为了使油液流动时速度变化不致过大，管口应面向箱壁。 油箱应设置隔板将吸、回油管隔开，使液流循环，油液中的气泡与杂质分离和沉淀。隔板结构有溢流式标准型、回流式及溢流式等几种。本系统采用两个隔板交错布置，使液流呈 S 形流动，增加了液压油的流动行程，更利于散热。 初始设计时，先按经验公式 (定油箱的容量，待系统确定后再按 散热进行校核。油箱容量的经验公式为 V= (式中： L)； a 为经验系数，查机械设计手册 10表 a=7。 由表知泵每分钟排出的液压油的体积为： 06/箱容量为 V=7206=1442L， 将其圆整 V=1500L。 滤油器的选择 液压系统 75%左右的故障是由介质的污染造成的，所以在本系统中设置滤油器。滤油 器在本系统中，滤除外部混入或者系统运转中内部产生的液压油中的固体杂质，使油液保持清洁，延长液压元件使用寿命，保证系统工作的稳定性。 滤油器的过滤精度用过滤掉的杂质的颗粒大小表示，一般可分为粗滤油器、普通滤油器、精滤油器及特精滤油器四种。他们分别滤掉的杂质的颗粒公称尺寸为： 100 （ 10（ 510） m 为精滤油器、 （ 15） m 为特精滤油器。本系统中，为了保证油液的清洁度以及兼顾流量，在回油管路上采用精滤油器。 本系统设计充分考虑了选择滤油器时应考虑的几个方面： 1） 根据使用目的选择滤油器的种类，根据安装位置情况选择滤油器的安装形式。 2） 过滤器应具有足够大的通油能力，并且压力损失要小。 3）过滤精度应满足液压系统或元件所需清洁度要求。 4）滤芯所使用的滤材应满足所使用的工作介质的要求，并且有足够的强度。 5）滤油器的强度及压力损失是选择时需要重点考虑的因素，安装滤油器后会对系统造成局部压降或产生背压。 6）滤芯的更换及清洗要方便。 7）应根据系统需要考虑选择合适的滤芯保护附件。 8）结构尽量简单、紧凑，安装形式合理。 9）价格低廉。 综合系统的油液的清洁度要求以及 上述的滤油器选用标准，本系统采用了回油过滤装置以及旁路循环滤油器，其产品选型如下。 查机械设计手册 10 (和 ，考虑油液的过滤精度： 压油路上，选择 0滤油器，过滤精度 10统流量206L/油器通流能力 250L/足系统要求。 回油路上：选择 10滤油器，过滤精度为 10统流 量206/油器通流能力为 250L/足系统要求。 循环冷却过滤回路：选择 10滤油器，过滤精度为 10 加热器的选择 温度太低的时候液压泵启动困难，需首先对油液进行加热。工厂中常用 油用管状点加热器，这两种加热器是用两根管子弯成，用法兰固定，两端通过接头接通电源，用于在敞开式或封闭式油箱中加热用。 还可以加热水和其他导热比油好的液体。 适合在敞开或封闭式的油箱中用，其最高工作温度为 300 。 适合在循环系统内加热油类用，其最高工作温度为 300 。 本系统设计中，采用了 电加热器，将安装在油箱中，具体安装尺寸见油箱加工图。在安装过程中，为了防止加热器 管子表面烧焦液压油，在加热管的外边装上套管。 本系统设计中充分考虑了加热器的使用和安装要求：加热管部分应全部浸入液压油中；不允许因液面降低而使加热管部分外露；为保证电加热器加热管部分全部浸入液压油中，应使之水平安装；使用电加热器的时候，配合系统中 4个温度继电器，当液压油温度升高至预定值时，加热器自行断电。 电加热器的选型需要知道它的发热能力，其计算可按下式进行估算： (式中： N 为 加热器的发热能力； C 为 油的比热 ,查机械设计手 册 10，取 C=2010J/(kgr 为 油的密度，取 r=900kg/ V 为 油箱内油的体积 （ ； Q 为 油加热后的温升 ( ); T 为 加热时间 （ s） 。 由前面计算可知： V=1 Q=25 ， T=45700s。 把上述参数代入上式可得： 519002010 3 查机械设计手册 10 0择 3个型号为 的加热器。 5 液压系统性能验算 液压系统初 步设计是在某些估计参数情况下进行的，当各个回路形式、液压元件及连接管路完全确定后，针对实际情况对所设计的系统进行各项性能分析。本系统采用了常用的液压系统性能验算，主要是进一步确切的计算液压回路的各段压力损失，容积损失和系统效率，发热温升等。根据分析计算发现问题，对某些不合理的设计要进行重新的调整，或者采取其他必要的措施 17。 验算回路中的压力损失 在液压系统的管路中，压力损失包括管路的沿程损失 路的局部压力损失 阀类元件的局部损失 的压力损失为： 321 ( 21 P 悬臂纵轴式掘进机的总体设计 总体设计是机械产品设计过程中的重要内容和主要环节，它是在方案设计之后紧接着进行的设计工作。悬臂纵轴式掘进机 (以下简称掘进机 )的总体设计对整机性能的优劣起着决定性的作用，并决定了各总成、系统、各部件之间的协调性，统一性和匹配关系，从而获得总体的高端 性能和较好的技术经济效益。 掘进机的总体设计，主要包括以下内容： 1）据设计任务书选择机型及各部件结构型式 2）定整机的主要技术性能参数，包括尺寸参数、重量参数、运动参数和技术经济指标 3）按照总体设计的性能要求，确定整机系统 的组成 及它们之间的匹配性以及各个部件的主要技术参数 4）进行必要的总体计算，并绘制传动、液压、电控系统图等。 1选定该机型和各个部件及其结构型式、驱动方式、并进行总体的合理布置 该项内容在确定前，首先应满足设计任务书的内容，特别是用户提出的主要要求经过调研，双方反复交换意见，达到既能满足用户 (或上级 )条件，又能较好的符合本企业产品发展的总体规划。 1）机型的选定 根据掘进机的用途，是用于煤矿井下巷道的掘进还是用于其他行业的工程作业，掘进机的工作条件是用于截割煤巷还是半煤岩巷，煤岩的单向抗压强度 (或普氏系数 及岩石的磨蚀系数。同时应对照行标 995悬臂式掘进机的型式与参数，按其截割煤岩的最大单向抗压强度，选定机型的类别。 2）各部件结构型式、驱动方式的确定 掘进机一般由截割机构、装运机构、行走机构、液压系统、电控系统及辅助装置 (如除尘装置、安全装置、遥控 监测装置 )等组成。 a截割机构。截割机构的驱动方式由交流电动机驱动，在传动系统中一般设齿形联轴节，不设机械式过载保护装置，经两级行星减速器带动主轴前端的截割头。 部分断面掘进机的工作机构有截链式、圆盘铣削式和悬臂截割式 等。因悬臂截割式掘进机机体灵活、体积较小，可截出各种形状和断面的巷道，并能实现选择性截割，而且截割效果好，掘进速度较高；所以，现在主要采用悬臂截割式，并已成为当前掘进机工作机构的一种基本型式。 按截割头的布置方式，分为纵轴和横轴式两种。 纵轴式截割头的优点是：传动方便、结构紧凑，能截出任意形状的断面，易于获得较为平整的断面，有利于采用内伸缩悬臂，可挖柱窝或水沟。截割头的形状有圆柱形、圆锥形和圆锥加圆柱形，由于后两种截割头利于钻进，并使截割表面较平整，故使用较多。这种工作机构的缺点是：由于纵轴式截割头在横向摆 动截割时的反作用力不通过机器中心，与悬臂形成的力矩使掘进机产生较大的振动，故稳定性较差。因此，在煤巷掘进时，需加大机身重量或装设辅助支撑装置。 目前，这种掘进机在部分断面掘进机中使用较多。 b装运机构。它一般由装载机构和中间输送机组成。它们可采用分别驱动或集中联动方式，既可用交流电动机驱动，也可用液压马达驱动。 耙爪式是利用一对交替动作的耙爪来不断地耙取物料并装入转载运输机构。这种方式结构简单、工作可靠、外形尺寸小、装载效果好，目前应用很普遍。但这种装载机构宽度受限制（因为掘进机工作时履带行走机构一般不 调动）。为扩大装载宽度，可使铲板连同整个耙爪机构一起水平摆动，或设计成双耙爪机构，以扩大装载范围。 星轮式机构比耙爪式简单、强度高、工作可靠，但装大块物料的能力较差。 装载机构方案是既能装设耙爪式也可装设星轮式，两者可以互换使用。通常，应选择耙爪式装载机构，但考虑装载宽度问题，可选择双耙爪机构，也可设计成耙爪与星轮可互换的装载机构。部分断面掘进机多采用刮板链式输送机构。输送机构一般是由机尾向机头方向倾斜向上布置的。输送机构可采用联合驱动方式，即将电动机或液压马达和减速器布置在刮板输送机靠近机身一侧，在驱动装 载机构同时，间接地以输送机构机尾为主动轴带动刮板输送机构工作。这样传动系统中元件少、机构比较简单，但装载与输送机构二者运动相牵连，相互影响大。由于该位置空间较小布置较困难。 输送机构采用独立的驱动方式，即将电动机或液压马达布置在远离机器的一端，通过减速装置驱动输送机构。这种驱动方式的传动系统布置简单，和装载机构的运动互不影响。但由于传动装置和动力元件较多，故障点有所增加。 目前，这两种输送机构均有采用，设计时应酌情确定。一般常采用与装载机构相同的驱动方式。 装载机构可以采用电动机驱动，也可用液压马达驱动。但 考虑工作环境潮湿、有泥水，选用液压马达驱动为好。 c行走机构。行走机构一般采用履带型式，履带式行走机构适用于底板不平或松软的条件，不需修路铺轨。具有牵引能力大，机动性能好、工作可靠、调动灵活和对底板适应性好等优点。但其结构复杂、零部件磨损较严重。目前部分断面掘进机通常采用履带式行走机构。两条履带分别由各自的动力来驱动，可实现原地转向。履带的驱动动力有电动机和液压马达两种，电动机驱动一般只设置一种行走速度，液压马达驱动可采用低速大扭矩马达直接带动履带链轮，或采用中速液压马达减速器带动履带链轮的传动方式，它可 实现无极调速。 履带结构型式有滑动和滚动两种，当机器调动速度 10m/型掘进机，宜采用滑动结构型式；当机器的调动速度 10m/重型、特重型掘进机，应采用滚动结构型式。 d液压系统。液压系统多采用开式系统多路阀集中控制 (直接操纵或遥控操纵 )方式。以往国内外多采用齿轮泵，近年来掘进机液压系统采用柱塞泵有增多的趋势。 e电控系统。电控系统包括动力部分、控制部分和检测部分。电控系统必须按照煤矿井下防爆要求设计、制造、检验，必须符合 准中的有关规定和要求。为了提 高掘进机在作业时的安全性，操作的灵活性 以及机械传动部分的故障诊断及监控功能，从实用角度考虑，装设必要的离机遥控装置、测控压力、温度、液位及关键部位的故障诊断装置。 3）总体布置 总体布置的内容包括以下几个方面： （ 1）确定各部件在整机说的位置，并对外形尺寸提出要求； （ 2）确定各部件、部件与整机之间的连接方式； （ 3）估算整机重量，并对各部件的重量提出要求； （ 4）布置各操纵机构、司机座位等； （ 5）审核个运动部件的运动空间，排除可能发生的运动干涉。 4） 具体要求 在掘进机总体布置时，需注意以下问题： （ 1）工作机构减速器减速器的进、出轴尽量同轴线； （ 2）悬臂和铲板的尺寸关系相适应，既有利于装载，又要避免截割头截割铲板； （ 3）悬臂的水平和垂直摆动中心的位置可以重合，也可以不重合。从增加机器的稳定性看，摆动这些都高度应尽量降低。在保证悬臂不与其他机构干涉的条件下，摆动中心的位置应尽量靠后，但必须保证中心在机器的纵向对称平面内； （ 4）当各主要部件设计出来之后。应进行校核，不满足需求时需仅需调整，使重心位于履带中心稍偏前且小于 L/6（ 此外，还需求重心位置在截割机构回转台中心线之后，而且 重心高度越低越好，以提高机器作业时的稳定性。 （ 5）总体布置应考虑左右两侧重量对称并照顾工作习惯及方便操作。司机座一般设在机身左侧、且位于机身后部，座椅高度应保证司机的视线，使其哪个很好地操纵机器，截割出规则的巷道； （ 6）操纵台位置要适当，应保证司机操纵方便、省力。仪表显示装置的位置要便于司机观察，又不分散司机正常操作的注意力。 5）传动型式及动力元件的选择 a传动型式及元件选择应遵循的原则 （ 1）技术先进性：能够改善机器性能，提高生产率； （ 2）经济合理性：传动系统尽量简单、元件少，易加工，价格低，维 修容易，使用寿命长； （ 3）工作可靠性 :传动系统的可靠性表现为元件使用寿命，因此也是对元件质量的要求； （ 4）适应性：元件应适应传动系统的载荷、工况及环境等条件的要求。 b各机构对传动系统的要求及传动型式的选择 掘进机的截割、装载、运输、行走等机构一般均为分别传动，各部件受力状态及工作条件不同，因而传动型式有不同的要求。 （ 1）工作机构要求有较大的短时过载能力，而油马达对冲击负荷很敏感，过载负荷能力低，影响截割头正常连续运转。所以，掘进机的工作机构宜采用电动机为动力的机械传动型式。应利用体积小、功率大、过 负荷能力强的专用电动机，并配备可靠的电气保护装置。根据工作机构结构紧凑的特点，通常工作机构的减速器设在悬臂内，成为悬臂的组成部分。截割头调速方式一般采用配换挂轮的方法，变速机构力求简单。 （ 2）耙装机构传动装置的特点是：减速器需装在尺寸有限的铲板下部，因而设计空间较小，工作条件恶劣。减速器经常浸泡在煤岩泥水中，卡料时易过载。 耙装、输送机构若采用机械传动，用于电动机尺寸较大，不便在输送机尾安装，一般是在铲板上部两侧安装两台电动机，作为耙装、输送机构的共同动力，这样势必使减速箱的尺寸增大，在铲板下布置较紧张。 此外，考虑耙爪及链板卡链过载情况，为保护电动机不至烧毁，一般需要在减速器内设安全摩擦片离合器。 耙装、输送机构若采用齿轮油马达传动，由于尺寸小、重量轻，可使二者分别传动，从而简化传动装置，便于在铲板下布置，便于设计密封效果好的机械密封或将减速器与铲板分离，同时可实现过载自动保护。 （ 3）履带行走机构的驱动方式有电动机和油马达驱动两种方式。分别通过机械减速装置或直接由油马达带动履带的主动链轮运转。 机械传动的履带行走机构，一般是将电动机装于两条履带减速器后部，制动方式采用机械液压制动方式。这种传动方式传动可靠 性高，电动机价格低，维修容易，但不能调速，减速箱体积较大，巷道淋水大时，电动机易受潮而烧毁。 履带行走机构采用液压传动型式，系统简单、性能较好、技术先进。液压传动的行走机构中，在液压马达型式选择及调速方式设计方面，有不同的方案。 采用低速大扭矩马达驱动，其特点是系统简单，尺寸小、重量轻，能够实现无级调速及过载自动保护。但液压马达传动复杂、制造费用高，维护较难。 采用齿轮油马达 ,容积效率高，耐冲击性能好，维修容易，造价较低，一台10；尺寸小、重量轻。一台 10为同功率低速大扭矩马达的 1/18，为电动机重量的 1/13。采用齿轮油马达后，减速器尺寸虽然较低速大扭矩马达的大，但较电动式的小（ 机的减速器传动比 i=328）。因此可方便地将马达、减速器、液压制动阀、紧链装置等安装于履带架中间。这种方式在技术性能上优于机械传动，在经济指标上优于低速大扭矩马达传动。因此具有独特的优点。 行走机构的调速方式有两种，一种是采用变量泵。另一种是采用分流或并流的调速方案，如 在机器快速调动时，停止向装载马达 供油，仅向行走马达供油，使掘进机有两种行走速度。 2确定整机主要技术参数 掘进机整机主要技术参数包括尺寸参数 (长宽高 )、重量参数、运动参数和动力参数。 1）尺寸参数 整机长度、宽度的大小直接与其转弯半径有关，推荐轻型机长度 7 5m，中型机长度 8 5m，重型机 应的宽度分别为 3m。 整机的高度直接关系到它的动、静态稳定性，适应范围和通过性的好坏，因此越低越好。当今中外机型发展趋势是矮机型，中、重型机高度 2m，特轻型、轻型机的高度 进机可掘巷道断面的最大、最小高度和宽度应满足设计任务书的要求。卧底深度 250400地间隙 C=B/13+84( 。中间输送机龙门口过料高度最好为 400带接地长度 L 与其中心距 2）重量参数 整机自重是掘进机的 个重要参数，机重太轻，工作稳定性下降，摆动截割时会发生摆尾现象、截割效率下降，截齿磨耗率增加；机重太重时，机动性差，转向灵活性下降。 般它的自重可按 w=(t)估算，式中 为截割头平均截割速度， m/s；也 可参照现有掘进机用类比法来确定，机重 (t)与截割功率（ 比为 0 25 0 4。对于一般煤、岩底板，许用值 于水软化的泥质页岩底板， 0 05 3）运动参数 截割机构的运动参数：截割头的平均截割速度 V：对煤岩的单向抗压强度c 40V=3s； c 60V=22 5m/s， c 60V=l2m/s。但最终 切割速度由切割技术来确定。 4）动力参数 掘进机驱动的动力源都采用交流电动机。截割机构功率大小。实际上一般采用类比法，再结合掘进机一些个性因素及经验来确定。 掘进机在作业过程中，纵轴式和横轴式部需要足够的掏槽推进力和摆动 (水平方向和垂直方向 )力。 根据俄罗斯 (原苏联 )在实验室的试验结果得知，截割煤岩的普氏硬度 f=46(相当于 0 C=4060研磨系数 F=57割时的摆动力 (牵引力 )1 1 34)P， P=M 中 P 为截割头上的平均截割力； 截割 头平均半径； 槽时的进给力 (轴向推力 )R； (v，此力不得大于履带对底板打滑时的极限牵引力。 5）技术经济指标 Q=(m3/式中 m/ 掘进机的设计寿命，在国际上先进的产品可达 3 5年，在此期间它无需升井大修，国内产品一般为 1 2年。 定各主要部件参数及其相互之间的连接关系 1）截割机构技术参数的确定及其连接关系 （ 1)截割机构技术参数的确定截割头上的 截齿排列一般为双头或三头螺旋线布置方式。截割头转速 n=2065r 齿尖的平均截割速度 V=1 5 2 5m s，截割摆动速度 s。截线距离 t=2050(切煤时取大值，切岩时取小值 )。平均单刀力应达到： F 2500N， F 5000N，F 12000N，截齿安装角最佳为 45 48。 (2)截割机构的连接 截割机构悬臂安装在叉形架前端，叉形架固定在回转台上，回转台固定在机架上。根据截割机构在作业过程中的作用力和力矩，应用 臂式掘进机回转支承型式、基本参数和技术要求选定回转支承的结构型式，通过计算确定回转支承规格尺寸。如用户对悬臂不要求有伸缩结构，一般不推荐采用。 2)装运机构参数的确定 (1)装载机构 装载机构与中间输送机采用联动方式或单动方式，装载机构耙爪的转速一般为 2548r 轮的转速可略高一些。采用液压马达直接驱动时，最大输出扭矩应为计算额定扭矩值的 1 5 倍。铲煤板的倾斜角一般为 21 25，它的宽度应比履带外宽大 降最低位置不应小于卧底深度上升最大高度 应达到 350400 (2)中间输送机 中间输送机的链条可采用单链或双链结构形式的圆环链，链速不应超过 s，链条采用美国万向套筒滚子链单链时，链速不应超过 s，一般取 2尾应设多级升降液压缸实现升降，升起时的最小高度应为受料斗高度加 300机尾需要左右摆动时，必须采用一条美国万向套筒滚子链，在转向位置的一侧设置单作用液压缸实现机尾左右摆动 45，以扩大卸载的宽度。 3)行走履带技术参数的确定和连接关系 型式和传动方式有两种，总体设计和总体布置时确定其中一种。 (1)电动机驱动一大传动比减速器 (i 250)带动主动链轮。 一般只能确定一种行走速度 5 (2)速大扭矩液压马达一直接驱动主动链轮或中高速马达一减速箱一带动主动链轮能实现快速调动和慢速作业的需要，行走速度为 0 10m/无级调速。 结构型式有滑动和滚动两种 ，滑动式结构简单，内阻较大，对特轻型、轻型、中型掘进机推荐采用滑动结构式。滚动式运行阻力较小，履带架底部与履带链相接触磨损小。重型 和特重型掘进机推荐采用这种结构型式。履带架底部装设
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