凿岩机设计资料

1、摘要液压凿岩机是一种应用于建筑、采矿和地质工程的凿岩设备， 因为效率高、凿岩速度快、环境污染低和易于实现自动化而逐渐取 代气动凿岩机。随着计算机技术和机电一体化技术的发展，进一步 提高液压凿岩机的凿岩效率，完善自动凿岩技术，成为目前国内外 相关研究机构的研究热点。这些研究，将会促进液压凿岩机的进一 步发展和应用。本文对液压凿岩机的结构进行改造设计。主要包括对冲击机构、 转钎机构的结构设计及液压系统的设计，并对液压凿岩机普遍出现 的卡紧问题予以提出了解决方案，及通过对冲击锤开均压槽来实现 它的防卡紧作用。目前，我国液压凿岩机的推广处于“瓶颈”阶段， 液压凿岩机在矿山开采的广泛使用将会推动矿山机械

2、高效、安全、 稳定的发展。关 键词 液 压凿岩机 冲击 机构 转 钎机 构 矿山 机械IAbstractThe hydraulic pressure rock drillis a kind of cutting rockequipment which apply to architecture, mining and geologic engineering. This equipment has replaced pneumatic rock drill gradually because it's apt to be roboticized and it' s highef

3、ficiency, high chisel rock speed, low environment pollution. With the development of computer science and Mechatronics technique, To improve the cutting rock efficiency, consummate the cutting rock technique has become new and important research content and which will accelerate the speed of The hyd

4、raulic pressure rock drill ' s development and applications.This paper designs The hydraulic pressurerock drill ' sconfiguration and changes part of its structure. Including impact mechanism, rotary mechanism, and hydraulicpressuresystem. Furthermore, this paper solves the problem of clip &#

5、39; and defending clip' and now, The hydraulic pressure rockdrill has not used in Mining machinery, its application abroadly will promote the development of Mining machinery efficiently, safely and steadily.Keywords hydraulic rock drill impact mechanism rotary mechanism Mining machinery目录摘 要 IAB

6、STRACT I I第 1 章 绪 论 11.1 国内外液压凿岩机发展概况 11.1.1 国外液压凿岩机发展概况 . 11.1.2 国内液压凿岩机发展概况 . 21.2 液 压 凿 岩 机 的 基 本 功 能 与 组 成 31.3 液压 凿岩 机类型 41.3.1 液 压 凿 岩 机 分 类 41.4 研究 的意 义与研究内容 5第 2 章 液压 凿岩 机的 常规 设计 . 62.1 总 体 方 案 设 计 62.2 活塞的设 计 62.3 缸 体 的 设 计 102.3.1 液压缸 性能参数的计 算 . 102.3.2 液压缸主要 几何尺 寸的计算 112.4 凿 岩 转 钎 轴 的 设 计

7、 122.5 液 压 凿 岩 机 回 油 蓄 能 器 的 设 计 152.6 转 钎 齿 轮 的 设 计 及 强 度 校 核 192.6.1 选择齿轮类 型、精 度等级、材料 及齿数 192.6.2 按齿面接触强度设计 202.6.3 按齿根弯曲强度计算 222.7 液压凿岩机卡紧的改进设计 242.7.1 改 进 的 目 的 和 意 义 242.7.2 液压卡紧危害 252.7.3 改进措施 25第 3 章液压凿岩机液压系统设计. 263.1 典 型 系 统 介 绍 、 分 析 与 比 较 263.2 液压 系统 的合理性分析 323.3 液压系统 设计要 点 323.4.1 液压凿岩机用油

8、 34结 论 38致 谢 39参考 文献 40附录 1 42附录 2 454第 1 章 绪 论液压凿岩机是七十年代生产并得到应用的一种新型凿岩机械 这种凿岩机一出现就受到各国采矿界的重视，是凿岩技术史上的 项重大突破。1.1 国内 外液 压 凿岩 机发 展 概况1.1.1 国 外液压 凿 岩机发 展 概况自 1861 年气动凿岩机开始应用以来，经 过不断改进、完善，各 类气动凿岩机在矿山、铁路、公路、水电、煤炭和建筑工程施工中 发挥了巨大的作用。进入 20世纪以来，随着各类工程在岩石断面上 掘进的工作量日益增加，生产效率要求越来越高，气动凿岩机的钻 凿能力与生产发展需要之间的矛盾日益加剧.生产

9、的发展迫切要求 使用效率高、生产能力大的新型凿岩机来取代气动凿岩机。20世 纪 20 年 代 ，英 国 人 多 尔 曼 在 斯 塔 福 德 制 造 出 第 一 台 液 压 凿岩机。大约 40年之后，另一位英国人萨特立夫也制成了一台液压凿 岩机 。不 久 ，美国 Gardner-Denver 公司 根据 尤布科斯 专利 制 成了 MP- III 型液压 凿岩 机。以上几 种液压凿 岩机 都 因一些关 键的技术 问题没 能很好地解决，所以未能在生产中得到推广应用。1970 年，法国蒙塔贝特（Mo ntabert） 公司首先研制成功第一代可 用于 生产的 H50 型液压凿 岩机， 开 始在 世 界范

10、围内 应用液压 凿岩 设 备。由于液压凿岩机和气动凿岩机相比具有明显的优越性 （ 表 1.1）, 瑞典、英国、美国、德国、芬兰、奥地利、瑞士和日本等国陆续研 制出各种型号的液压凿岩机，使液压凿岩机技术和生产在 30多年间 有了很大发展 （ 表 1.2） 。目前在国外， 液压凿岩机已经成为导轨式 凿岩机产品的主流。90 年代先进国家的岩石开挖工程采用的液压凿 岩设备占凿岩设备总量的80%以上。其瑞典 Atlas Copco、芬兰 Tamrock 、 法国 Secoma 等公司的液压凿岩机及配套产品在世界上具 有代表性.前两者的液压凿岩设备销售量占世界销售总量的一半以 上。目前国外的液压凿岩机正向

11、重型、大功率和自动化方向发展，超 重型大功率液压凿岩机己能钻凿直径 180-275 毫米的炮孔， 凿岩速 度是牙轮或潜孔钻机的2-4倍，而能耗仅为潜孔钻机的1/4。它可以 完成自动移位和定位、自动开孔、自动防卡钎、自动凿岩、自动退 钎等凿岩循环，并可遥控的全自动液压凿岩机械己较多应用于隧道 开挖。液压凿岩机器人技术和产品也在20世纪80年代开始开发。日本东洋公司的AD系列、法国Montabert 公司的Robofore 系列、 瑞典 Atlas Copco 公司的系列 以及芬兰Tamrock公司的Datamatic 系列凿岩机器人都已问世。表1.1、液压和气动凿岩机的比较比较性能气动凿岩机液压

12、凿岩机能量利用率10%30-40%噪声液压凿岩机比气动凿岩机降低10-15Db（ A）排气油污有无凿岩效率液压凿岩机比气动凿岩机提高1倍以上主要零部件寿命短长钎具消耗多少工作介质压缩空气液压油、乳化液介质压力，Mpa0.4-0.514-20每米炮孔成本1: 0.77实现自动化的难易程度困难容易使用维护方便较困难表1.2 液压凿岩机的发展进步20世纪70年代20世纪80年代20世纪90年代凿岩机型号近40个近100个超过100个年产量接近2000台10000台以上20000台以上冲击功率，KW1020401.1.2 国内液压凿岩机发展概况我国从上世纪70年代开始研制液压凿岩机。1973年11月制

13、造 出第一台YYG- 80型液压凿岩机样机，后几经改进，于1980年9月 在湘东钨矿通过了部级鉴定。目前我国己有北京科技大学、中南工 业大学、长沙矿冶研究院、煤炭科学研究院北京建井研究所、沈阳 风动工具厂、天水风动工具厂和衢州煤矿机械厂等十多个单位研制 的二十多种型号的液压凿岩机通过了省部级鉴定。为发展我国的液压凿岩机技术和产品，近十多年来，莲花山冶 金机械厂、沈阳风动工具厂、天水风动工具厂、宣化风动工具厂、 南京工程机械厂先后耗资 1000 万美元从 Atlas Copco 和 Secoma 公 司引 进 4 种 重型 导轨式液 压凿岩机 制造 技 术。但由 于各方面 原因， 除莲花山冶金机

14、械厂的HYD200和HYD300型液压凿岩机产品产量和 质量比较稳定外，其余的产品均未形成批量能力，质量也有很大差 距。这 远远不能满足我国工程部门需求。近 10 年来，我 国大型矿山 及大型工程均采用了引进的大型液压钻车。共从 5 个国家 7 个公司 购进全液压凿岩设备近 30 个型号 500 多台套，重型液压凿岩机 1200 余台，耗资几十亿人民币。我国一些单位也看到具体国情对轻型液压凿岩机的大量需求。 长沙矿冶研究院等十多家科研单位和企业曾经研制过多个型号的支 腿式液压凿岩机，但 大都没有成功。其 主要原因是:1) 这些产品大多 不合理地采用了内回转结构，从结构设计上就不满足液压凿岩机高

15、 频率、大扭矩的需要:2) 在材料选择和制造工艺方面仍受气动凿岩机 的影响，达不到液压凿岩机的性能要求。1.2 液 压 凿岩机 的基 本功 能与 组 成冲击凿岩作业由冲击、推进、回转、冲洗四种功能组成。 冲击的主要功能是使岩石破碎。供给凿岩机的能量，推动缸体内 活寒作往复运动，当活塞向右运动，加速到一定速度时，冲击钎具 将能量以应力波的形式通过钎具传递给岩石，使岩石破碎。凿岩机 完成冲击功能的部分称为冲击机构(通称冲击器)。冲击能和冲击频 率是其主要指标。推进有两个功能，一是推动凿岩机和钎具压向岩石工作面，并 使钎头在钻凿炮孔时始终与岩石接触; 二是从炮孔中退出钎具，准 备 钻凿下一个炮孔。借

16、助链条或油缸等给凿岩机施加推进力。推进力 也是凿岩作业的主要工作指标之一。回转的主要功能是使钎头每冲 击一次回转到一个新的 位置， 进行新的 岩石破碎 ，同时在 回转过程 中也可将已发生裂纹的 岩石表面部分剥落下来。这一功能由凿岩机 的回转机构完成。转钎转矩和转钎速度为其主要指标。冲洗作用是从钻孔内清除被破碎下来的岩屑。如果冲洗不足， 钻孔中将发生重复凿磨，不 但使钻孔速度减慢，且 使钎头加速磨损，甚至在个别情况下卡钻。冲洗介质多用压力水或压缩空气。用压缩 空气时，为防止产生粉尘，必须有岩粉收集器等除尘装置，或气水 合用。用压力水作冲洗介质时，因通过凿岩机的部位不同，可分为 中心给水和旁侧给水

17、两种形式。由上可知，整个凿岩系统是由液压凿岩机和钎具组成的（穿凿对 象一岩石除外），统称凿岩机具。液压凿岩机由冲击和回转两大机构 组成，并配有供水、防尘、润滑系统。钎具由钎尾、接钎套、钎杆 和钎头组成。1.3液压凿岩机类型目前，国企市场上销售的液压凿岩机种类很多。据不完全统计， 已有十多个国家的几十家公司生产50多种不同类型的液压凿岩机。 不少公司已从单机发展成为系列产品，并有相应得液压钻车配套， 广泛应用于冶金、煤炭、交通等工业部门。1.3.1液压凿岩机分类由于目前采用的钻眼方法有旋转式、冲击式和旋转-冲击式等三 种，因此，适于这些方法所用的液压凿岩机也相应的分为三种结构 形式，即旋转式、冲

18、击式和旋转-冲击式液压凿岩机。其中，旋转式 和冲击式的结构比较简单，而旋转-冲击式液压凿岩机的结构复杂， 类型较多，应用也最普遍。旋转式冲击式（有阀型）r交变阀型士、钿 柱阀型 止动阀型 有阀型 <丨*rm钿液压凿岩机'旋转-冲击式（包括半液压式i差动阀型）'套阀型无阀型压力脉冲型 自激震荡型1.4 研究 的意义与 研究 内容凿岩机械是采掘、建 筑、工 程建设等领域应用广泛的工程机械。 尽管世界凿岩机，尤其是液压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

19、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。用轻型独立回转液压凿岩 机替代传统的气动凿岩机能明显提高凿岩作业效率、显 著降低能耗、 减少噪声污染和空气污染，迅速提高我国凿岩和工程施工的装备技 术水平。国产采矿用液压凿岩机与气动凿岩机比较, 纯凿岩速度要快一 倍以上,但凿岩作业的稳定性比不上气动凿岩机,这是液压凿岩机未 能象气动凿岩机那样普遍应用的原因之一。而影响液压凿岩机稳定 作业的一个重要因素就是液压卡紧。防止产生液压卡紧是提高采矿 用液压凿岩机凿岩作业稳定性的有效措施。5第 2 章 液压凿岩机的结构设计本 章 主 要 包 括 有 阀 型 液 压

20、凿 岩 机 的 结 构 设 计 ，且 主 要 是 冲 击 机 构 的设计及回转机构的设计。2.1 总 体 方案 设 计。首 先应 根 据各方面 的制 造水平和 外购 件的 质量水平等情 况，确 定采用单面回油前腔常压油型，还是采用双面回油型液压凿岩机。 双面回油型的主要优点是: 活塞形状最为合理，有 利于提高活塞与钎 具的寿命，增强破岩效果；排油时间长，回油管中峰值流量较小， 减小了回油阻力和压力脉动；采用较高的压力油，供油流量较小， 可使各方面的尺寸小一些。缺点是: 阀和缸体结构复杂、工艺性差、 要求加工精度高；回程制动阶段前腔可能有吸空现象；采有高压油 需要加强密封，故只有加工设备与技术等

21、各方面能够保证，此方案 才可 行。前腔常 压油 型的 优点 是 : 结构简 单、工 艺 性好，制造 成本低、 回程制动阶段无吸空现象。缺 点是:活塞形状不如双面回油型好、排 油时 间较短、回 油 管中峰值 流量大、回 油 阻力 和压 力波动较大 （ 此 缺 点可用回油蓄能器来减少其影响）。由以上分析，根据我国在一段长时间内的情况，宜选用前腔常 压双面回油型较好。本文的主要研究内容如下:（1）介绍液压凿岩机的基本结构和冲击工作原理，分析各种类 型的冲击机构的特点，提 出液压凿岩机的几种结构并分析其优缺点， 然后确定液压凿岩机的总体结构方案。（2）对液压凿岩机目前的几种液压系统类型分析对比，得出适

22、 用于矿山掘进用的液压凿岩机类型。2.2 活塞 的 设计这是冲击机构的主体。设计的已知参数是冲击能 E 和冲击频率f，由用户或生产需要而定。需要设定的参数是冲击末速度Vm。和供油压力P。根据我国目前钎尾允许应力计算，vm 般不大于iom/s, 国外也不大于12m/s。供油压力各厂家根据自己的情况，选择是不同 的。有的采用较高压力（如瑞典Atlas Copco 公司），这样容易在小 流量下得到较高的冲击能，使机器、管路和泵等尺寸小些，但对加 工精度和密封要求高。有的采用较低压力（如芬兰Tamrock公司）， 虽然供油流量大些，但加工与密封要求较低，维修性也好。我国目 前自己研制的液压凿岩机多选择

23、较低压力，一般在（10-15 ） MPa 范围。然后，根据经验或优化结果选取无量纲设计变量值a或C或） 及一些损失系数，对活塞的结构参数和供油流量进行确定。具体设计应遵循以下原则：1）活塞应为细长形，并减少不必要的断面变化，以利于提高能 量传递效率和提高钎具使用寿命。2）活塞冲击头的面积应尽量与钎尾端部的面积相等或接近，并 要有一定的锥部长度，以利于冲击波的传递。3）保证活塞重量和前后腔受压面积等于或接近已得出的结果参 数。4）采用套阀时要考虑阀的工作长度。5）要保证活塞全行程及超行程时不致损伤两端密封结构。6）设计好防空打油垫尺寸及活塞各端的封油长度。7）与缸体（或缸套）的配合间隙，要结合考

24、虑泄露损失、加工成本（精度）与过滤精度。要在提高可靠性的基础上，考虑提高效 率，以确定合理的配合间隙，一般活塞与缸体的配合间隙为 0.05-0.08；活塞与支撑套的配合间隙为0.03-0.05。在加工质量和过滤精度能保证的情况下，间隙可选小一些。令活塞冲程加速时间与活塞运动周期之比为ts:-的通常最优值在0.290.382 之间取：值为0.3:被称为冲程时间比或运动学特征系数。因为它是无量纲量，故将其 定义为抽象设计变量。根据分析得到以下一系列运动学参数表达式冲程时间ts = . T回程时间tr =(1T回程加速时间tr1回程制动时间活塞行程1 SVmT2回程加速行程Sr12 - 1- 2回程

25、制动时间Sr2VmT回程最大速度CtVrm _Vm1 a冲程加速度Vm:T回程加速加速度 - : 2 /rl =3V ma T回程制动加速度P- r2Vm2T式中'-回程制动加速度与冲程加速度的比值，口1 -k式中K取0.2' =1.5图2-1 活塞的结构由上述各式得出活塞质量2EmpV；=2 398 = 7.96 kg活塞前腔受压面积mp : ri PasPo1 -k p2 - p：2.55 10 "m2活塞后腔受压面积A24.92 10,mp asPan p。1 -k p2 - p；活塞最大直径/兀 2d = A)d1 = 44mm4活塞后腔直径' : 2

26、d?二 d - A> = 38mm.42.3缸体的设计缸体是冲击机构的主要零件，体积和重量大，孔道多，结构复 杂，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；如北京科技大学和桂林冶金机械厂合作研制的YYG-250型液 压凿岩机和芬兰Tamrock公司的HL系列液压凿岩机等。有的不加衬 套，为便于加工，把缸体分为几段（需解决分界面密封问题）;如 Sccoma公司和Atlas Copco公司的液压凿岩机等.至于小型液压凿岩 机多采用整体式缸体。缸体的总长度和内孔直径应根据活塞的结构尺寸，同时考虑到 前后导向套的长

27、度和直径以及活塞行程而定，并注意留出空打距离 和行程余量。缸体内孔道较多，设计时要保证各孔道要求的过流面积，并尽可能缩短 长度和减少工艺孔。特别应使连接蓄能器的孔道短些，以提高隔膜的响应速 度。2.3.1液压缸性能参数的计算1、液压缸的输出力（1）单杆活塞式液压缸的推力F1Fj =R A, =15 44 2 =2.28 10°KN4式中F1-液压缸推力KNp1 -工作压力MpaAi-活塞作用面积jiA1D4D-活塞直径(2)、单杆活塞式液压缸的拉力F2F2=P2A2=15 442 -382 匸5.79 103 KN4式中F2-液压缸拉力KNP2-工作压力MpaA2-液压缸有杆腔作用面

28、积: . 2 2A2 D-d242.3.2d1 -活塞杆直径液压缸主要几何尺寸的计算1、液压缸内径D的计算根据载荷力的大小和选定的系统压力来计算D757 10=pF =3.57 10228 104 = 49.18mm15式中F-液压缸推力P-选定的工作压力2、缸筒壁厚的计算按标准取外径d=60mm故液压缸壁厚 二d-D =11mm2.4凿岩转钎轴的设计1、材料的选取转钎轴相当于扭杆弹簧，选用热轧弹簧钢；热处理后硬度达到 HRC50左右。材料为铬锰钢。2、结构设计和有效工作长度计算考虑到结构简化及工艺上加工方便，取等直径圆杆。为减轻端部与 杆体连接处的应力集中，取圆弧过度。圆锥过度部分的当量长度

29、1_le 3 D。ID。丿進2+迸J 3 20120 丿（20 丿1 15=0.58mm( 2-1)14#式中le-圆锥过渡部分的当量长度。D- 转钎轴的有效直径，D=15mmD0-转钎轴的端部直径，D0 =20mm扭杆的有效长度l =l0 2le =600 2 0.58 = 601mm3、计算单次冲击的转钎角(2-2):*k =2 3.14 150 =1.26° n750式中：.一单次冲击转钎角k-选定的转钎速度，k=150r/min.n-发动机的工作转数，n=750r/min.4、确定转钎扭矩M e = m *M e =1 240 = 240N * m式中Me-所设计凿岩机的转钎

30、扭矩m-类比系数，取m=1.#Me-参考型号的凿岩机的转钎扭矩。Me =240N * m5、计算作用于转钎轴上的扭矩M e 240 MM n253 N m0.95式中M n-作用在转钎轴上的扭矩。-传动效率，取 =0.956、计算转钎轴在扭矩Mn作用下的扭转角对等直径圆杆:MnLGlp(2-3)式中-转钎轴在扭矩作用下的扭转角L-杆的长度。G-材料的切变模量，paG=80109PaI p-极惯性矩，m4二D432(2-4)由（2-3 ）、（ 2-4）式联立得32M nLGD(2-5)32 253 601 仗 4 二 0.3803.14汉80汉 109 汉(15汉 10 )7、计算转钎轴上端面的

31、转角由余弦定理得：（2ef =2L2 -2L2 cos-16L2 2e2v - arccos 21.98°L2式中L-推动爪有效长度，L=100mme-偏心圆盘的偏心矩，e=1.5mm8、计算转钎轴的轴径转钎轴保证有效传递扭矩的条件为：W <e -a(2-6)由（2-5 ）、（ 2-6）联立得32M nl二 GD44 32Mnl_：G 二-=J32x 253x601 汇10=3.14 80 109 0.72=12.81mm转钎轴起保护作用的条件为:T -Mmax(2-7)式中T-发动机曲轴输出扭矩M max-卡钎时转钎轴承受的最大扭矩由（2-4）式得maxGI p 'm

32、axGI p71(2-8)由（2-6 ）、（ 2-7 ）、（ 2-8）得 兀GD4日T32l-得出D32lTnG 日=15.25mm由此得出12.81mm 込 D ：15.25mm9、按强度条件设计转钎轴轴径卡钎时，转钎轴中的剪切应力达到最大值maxa(2-9)式中-max-最大剪应力，GPa! 1-材料的许用剪应力max=G * Gax(2-10)甘中Dax其中rm axDr2l 2l由(2-9 )、( 2-10 )、( 2-11)得=GD 日=1 977GP < b 】max2l故“星G6(2-11)(2-12)92 5 10 601 一 c=921.9mm80 103.43所选用的

33、转钎轴满足（2-9 ）和（2-12 ）的要求即满足工作需要因 此选择转钎轴直径D=14mm.根据算得的转钎扭矩Me =240N *m液压马达的额定压力等几个因素选择液压马达的型号为YMD300-90 型液压马达2.5液压凿岩机回油蓄能器的设计高压蓄能器是液压冲击机构的重要部件之一，由于活塞运动速度在往复运动过程中变化很大。活塞撞击钎尾时的速度最高可达9m/s 以上，并且撞击后其速度很快降为零，因此，活塞运动所需的流量 变化也很大，尤其是活塞撞击钎尾前后，流量瞬间由最大降为零， 这样大的流量变化目前还没有任何液压泵能够适应。另外由于油液 的可压缩性很小，系统的高速换向会产生很大的液压冲击，使系统

34、 的压力高出正常工作压力的几倍，这样的高压会导致系统管路及元 件的损坏，所以必须采取措施来补偿流量瞬变和压力瞬变，一般的 液压冲击机构通常采用安装蓄能器的办法来解决。高压蓄能器的作 用是减小液压泵的最大输出流量，平衡整个工作过程中的流量，从 而在不损失能量的条件下使系统压力波动减小。一般在阀控式液压冲击机构中采用隔膜式蓄能器来满足其频率 响应的需要。使用蓄能器能提高液压冲击机构的效率，延长其使用 寿命。隔膜式蓄能器由容积大致相等的上、下两部分组成，在正常 工作的情况下，要求隔膜振动时偏离中间位置的距离基本相等。1、回油蓄能器的有效排量厶V活塞回程加速段mxdt2=Pg *Ai(2-13)19#

35、活塞回程制动段和冲程段mxdtdt；=pg *- A2(2-14)式中m-活塞质量m=7.96kg#A-活塞前腔作用面积A, =255 10*m2A-活塞后腔作用面积A2 -4.92 10m2#Pg-液压凿岩机工作压力 Pg =15Mpa x-活塞的位移设v =Vo时，回油蓄能器处于从排油到充油的转换点上，两者流量相等。因而蓄能器内压力最大。Vo满足=2.54m/ sQo 1.25汇10彳Vo 4A24.92 10设活塞加速阶段t21分成两部分一部分是速度从0增加到V。所需时间t23，在这段时间内，活塞行 程为S。另一部分是速度从Vo增加到回程最大速度Vom的时间t24，行程为S2。由（2-1

36、3）式得t23V0A1Pgm2.54/= 0.00529s15255 107.9620#s =0.5v0 t23 =0.5 2.54 0.00529 = 0.00672m2Sj2 7.96 66 10“活塞回程加速阶段所需总时间t21为:_ 0.01657spg-A115 2.55 10式中Sj-活塞回程加速阶段行程 s =66 10"m因此:t24 =t21 -t23 =°.°1657-°.°°529 =°.°1128s $ =Sj - s =66 10 3-6.27 10° = 5.928 10

37、76;m蓄能器的有效排量为:v =s2 *A2 -Q0 t24 =5.928 10，4.92 10 -1.25 10” 0.01128 = 1.52 10m32、蓄能器的有效容积Va(2-15)在蓄能器的气腔中，由气体状态方程可得P Vxk二常数式中P-蓄能器的气腔压力 PaVx -蓄能器的气腔体积m3k-气体的多变指数根据（2-15）式得出kP2 0.5Va -0.5 V 二 P1 0.5Va 0.5 V1.41.5 11.51.4 -11.52 10_5m322Va =3.01 10 ；m33、充气压力Pa由（2-15）式得出kPa Vak = Pf 0.5VaPa= 0.568MPa15

38、 沃(0.5 沃 3.01 汇 10“ 1.4(3.01 "0 j4式中Pf-蓄能器隔膜处于中位时气腔的压力，可以认为是回油管路中流量为 Q 时的平均回油背压Pf=1.5 MPa根据工作压力Pg和有效容积Va选择蓄能器的型号为奉化液压公司生产的NXQU -F4/20 -H型液压蓄能器图2-2 回油蓄能器的结构2.6转钎齿轮的设计及强度校核2.6.1 选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1 ）、按传动方案选用直齿圆柱齿轮传动。（2 ）、凿岩机为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB10095-88 ）（3）、材料选择。由于传递扭矩大，故采用合金钢。小齿轮 材料为40Cr （调质）

39、。硬度为280HBS 。大齿轮材料 为45钢（调质）。硬度为240HBS 。(4 )、 选小齿轮齿数为Z1 =24 。大齿轮齿数为Z2 - 'Z = 2.4 24 = 57.6取 Z2 - 58262按齿面接触强度设计(1 )、试选载荷系数Kt =1.3(2) 、计算小齿轮传递的转矩5 R5405Ti =95.5 105=95.5 1052.55 105 Nmmni150(3 )、选取齿宽系数©d=11(4) 、材料强性影响系数ZE=189.8MPa = KHN2'Hlim2 =0.95 540MPa =522.5MPa(5) 、小齿轮接触疲劳强度极限& Hl

40、im1=600MPa ；大齿轮接触疲劳强度极限 匚Hlim2=550MPa(6) 、计算应力循环次数N60n1jlh -60 150 12 8 300 5i； = 2.16 108N2厲 2.16 108卩-2.4=9 107(7) 、接触疲劳寿命系数Khn1 =0.90； Khn2 =0.95(8) 、计算抗疲劳许用应力取失效概率为1%，安全系数S=1 得rK HN H lim 1片 1 =0.9"00MPa =540MPas26(9) 、试计算小齿轮分度圆直径dit ,带入时】中较小的值d1tktT14272d1t-2.32 31.3汉2.55X05 3.4 189.8、 一 c

41、* 疋I =91.8mm12.4<522.5 丿(10) 、计算圆周速度V、，兀宀仆 口13.14 汉 91.8 汉 150,V 一-0.72m/ s60 1000 60 1000(11) 、计算齿宽bb = d *d1t =1 91.8 =91.8mm(12 )、计算齿宽与齿高之比模数d1t91.8me3.825mmZ124齿高h = 2.25mt = 2.25 3.825 二 8.6mmb 91.810.67h 8.6(13) 、计算载荷系数根据v=0.72m/s7级精度 其动载系数Kv =1.05对于直齿轮，假设KAF：100N.mm即可得出K Ha = K Fa= 1.2使用系数

42、Ka =17级精度小齿轮相对支承非对称布置时K=1.05 0.181 0.6 d2 d20.23 10b带入数据后得kh ： =1.353由 b/h=10.67kh 1.353可得出 K< =1.35 故载荷系数K = Ka KV 七Kh，1 1.05 1.2 1.353 = 1.7(14) 、按实际的载荷系数校正所得分度圆直径得d1二 d1t吐=91.V1.3T7100.38mm29#(15) 、计算模数mE= 100.38/24 = 4.1mm2.6.3 按齿根弯曲强度计算弯曲强度设计公式为1、确定公式内各计算数值(1 )、小齿轮弯曲强度极限bFE1=500MPa大齿轮弯曲强度极限二

43、FE2 =380MPa(2) 、弯曲疲劳系数 Kfh1=0.85Kfh2=0.88(3) 、计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数s=1.4得J"0.8L2° = 303.57MPa1.4-2 二 Kfn2 =2 丿88 380 =238.86MPa-1.4(4) 、计算载荷系数KK = Ka KV *KF-. *Kf： - 1 1.05 1.2 1.35 = 1.7Yf .1 =2.65(5) 、取齿行系数Yf：2 =2.226(6) 取应力校正系数Ysal= 1.58丫Sa2 - 1 .746(7)计算大、小齿轮的辛学并加以比较匕F jYFa1 *Ysa12.65 1.

44、58= 0.01379-F303.57丫Fa2 丫Sa22.226 1.746238.86= 0.0164431#大齿轮的数值大2、设计计算2 1.7 2.55 105仆2420.01644 二 2.914对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于 由齿根弯曲疲劳强度算得的模数。可取由弯曲强度算得的模 数2.914，取圆整标准值m=3mm 按接触强度算得的分度圆直径d 91.8mm算出小齿轮齿数d191.8乙 130m 3大齿轮齿数Z2 = " Z1 = 2.4 30 = 72由此算得的齿轮传动，即满足齿面抗疲劳强度又满足齿根弯 曲疲劳强度，并结构紧凑，避免浪费。3、几何尺寸计算

45、（1）计算分度圆直径di = Z1 = 30 3 = 90mm d2 = Z2m = 72 3 = 216mm（2）计算中心距a=© +d2 ）/2=（90 + 216）f2=153mm（3）计算齿轮宽度b = d *d =1 90 = 90 mm取 B2 = 90mm（4）验算2T12 2.55 105d1 一 90= 5666.67NKa Ftb1 5666.6790= 62.96 : 100Nmm2.7液压凿岩机卡紧的改进设计2.7.1改进的目的和意义国产采矿用液压凿岩机与气动凿岩机比较,纯凿岩速度要快一倍 以上,但凿岩作业的稳定性比不上气动凿岩机,这是液压凿岩机未能 象气动凿

46、岩机那样普遍应用的原因之一。而影响液压凿岩机稳定作 业的一个重要因素就是液压卡紧。所谓液压卡紧即油液流过活塞（或 阀芯）和缸体（或阀套）的间隙时，作用在活塞（或阀芯）上的不平衡径向 力,使活塞（或阀芯）卡住，或油液因污染有过大颗粒,影响了活塞（或阀 芯）的正常工作,出现的卡紧现象。产生不平衡径向力的主要原因是相 对运动副的加工几何形状误差和同轴度的变化。2.7.2 液压 卡紧 危害液压凿岩 机及 其液 压系 统出现液 压卡紧时 ,会 导致 以下的危 害：（1） 出现轻 度的 液压卡紧使 液压 凿岩机 液压 系统的相对 运动件 （如凿岩 机活塞、手动换 向阀 的阀 芯、柱塞泵 的 柱塞等 ）摩擦

47、 阻力增加 , 出现 动作迟缓 现象 ,甚至拉伤摩 擦表 面,造成 故障 。（2）产生严重的液压卡紧使相对运动件完全卡住:如活塞不能动 作,出现研缸 ；换向阀手 柄操 作困 难,不能换向；柱塞泵 柱塞 不能运动 , 影响吸油和压油等,被迫停机。液 压凿岩机在采矿凿岩的实际工作中, 出现液压卡紧而影响稳定凿岩作业是屡见不鲜的。2.7.3 改进 措施液压 凿岩 机液 压系 统的 卡阀 现象 的消 除方 法 ,是在阀 芯表 面上 开 环形 平衡槽（均压 槽）。由于 阀芯与阀 套的 配 合间隙比 平衡槽深 度小得 多,槽中液体 不流动,可以认为各 处的压力是相等的,但开槽时 需注意 以下几个方面:（1

48、）平衡 槽与 阀芯 外圆 应保 证同 心。 若 加工 时不同心 ,则 经过 热 处理 再磨成形 后,其环 形槽 深浅不一,单 边偏 心, 装配 后产 生液 压卡 紧, 造成换向不良。（2）开槽位置应合理。若 位置设置不当 ,使得阀芯运动到某一工 作位置时,仅有一条均压槽起平衡均压作用,消除不了液压卡紧。正 确 的设计应是在每一个工作位置每一油段至少需要一条以上平衡槽 起均压作用。（ 3）切槽 时必 须使 槽的 侧壁与阀芯 的外表面 垂直 ,以免油中污 物 楔入间隙。并应保证环形槽在整个圆周上宽度不变,以防这些槽中的 液压力产生附加的不平衡力。总之 ,采 用上 述方 法防 止产生 液压卡 紧是提

49、高 采矿用 液压 凿岩机 凿岩作业稳定性的有效措施。第3章液压凿岩机液压系统设计3.1典型系统介绍、分析与比较1、液压系统的分类液压凿岩机液压系统的种类很多.根据某些特证，可以将他们归 纳为如下几种主要类型1）开式系统和闭式系统。2）串联系统和并联系统：3）单泵、双泵和三泵系统。4）定量系统和变量系统。下面按供油液压泵的数量不同介绍一些典型液压系统。2. 三泵系统较多的液压凿岩机液压系统采用三泵供油系统，即由三台液压泵 分别向液压凿岩机的三个执行机构一推进液压缸、回转液压马达和 冲击器供油。三泵系统的主要优点是推进、回转和冲击三个回路的 压力分别可按其工作压力来调整，哪一个回路不工作时，可使该

50、回 路处于卸荷状态，因此系统效率较高。另外，由于三个回路各自独 立，某一回路的压力流量变化不会对其他回路产生干扰。缺点是结 构不紧凑。图7 Mercury-14 液压系统图图 7 所示是 法国 Eimco-Secoma 公司 生产的 Mercury-14 型液压 凿 岩机 液压系统 简图 。当 钎头在接触岩 石之 前，使 阀 22 处于左 位，回 转定 量液压泵 来油 经阀 22 至回转马达 1， 马达 先旋 转，使电磁换 向 阀 8 处于右位，推进定量液压泵 9来油经阀 8 和可调单向节流阀 6 进人推进液压缸右腔，推进液压缸推动凿岩机沿着推进器的滑架空 载前进，这 时只需 3.5MPa 以

51、下的工作油压，其 轴推力只是克服凿岩 机与滑架间的摩擦力;当钎头接触到岩石之后，轴推力加大，工作油 压上升，当油压上升到 4MPa 时，液动换向阀 11 切换至右位工作， 推进压力油经阀11、阀13进入液动换向阀18控制腔室，使阀18切 换至左位工作，于是冲击定量液压泵 17来油经阀 18、过滤器 2通到 冲击器 4， 开始冲击。此时冲击泵油压由溢流阀 16 控制， 冲击器在 8MPa 的供油压力下工作，其 冲击能为正常凿岩时的一半，适 应于开 眼的需要， 开眼完成后， 将推进压力控制溢流阀 7 操纵杆缓慢地推 到位，于是推进油压逐步增加至8MPa。这时，液动换向阀14切换 至上位工作，断开溢

52、流阀 16 的回油路，冲击回路的压力由溢流阀 19 所控制，压力保持为16Mpa，凿岩机进人正常凿岩状态。在凿岩时， 如发生卡钎现象， 回转油压随着回转阻力的增加而升高， 当回转油 压超过调定值后， 推进单向压力调节阀 23 起作用使推进压力降低、 推进力相应减少， 使钻具凿入岩石的深度减少或停止钻进;当推进压 力降到 5.5MPa 以下时， 液动换向阀 14 在弹簧力的作用下复位， 使 凿岩机的冲击能降低一半， 当推进压力继续下降到 3.5MPa 以下时， 液动换向阀 18 回至右位工作，冲击器停止冲击，只有回转机构继续 回转以使钎杆脱离卡钎状态， 当钎杆脱离卡钎后， 回转压力降到推 进压力

53、调节阀 23 调节值以下时， 推进油压恢复。 液动换向阀 14 重 又切换至上位工作，液动换向阀 18 换至左位工作，冲击器恢复冲击， 转入正常工作。Mercury-14 型的凿岩钻车在推进器的前端装设了一个卸荷用顶 杆换向阀 3， 作为终端保险装置.当凿岩机钻完一个炮孔时， 凿岩机 将该阀顶开， 使该阀处于右位工作， 冲击回路卸荷， 凿岩机停止冲 击， 以防止空打。 由于凿岩机的冲击动作是由推进回路的工作压力 所控制， 因此， 只有当钎头顶上岩石后， 冲击器才能冲击， 这样， 可防止工作过程中冲击机构的空打。3、双泵系统图8所示是一种双泵供油液压凿岩机液压系统原理图图8双泵供油液压系统图该系

54、统其冲击器22和推进液压缸17由压力补偿变量轴间柱塞 泵2供油;回转液压马达由压力伺服变量 柱塞泵3供油，泵4给泵3提供伺服控制 压力油。冲击器和推进液压缸供油泵2采 用了四级压力控制，二位二通电磁换向阀 10断电时。该阀处于位,溢流阀9在低 压下开启，泵2卸荷，这是第一级；开眼 时要求轻推、轻打，这时使阀10通电， 置（1）位，溢流阀9即关闭，起安全阀 作用，再使二位二通电磁换向阀8通电， 置（1）位，则泵2的供油压力受调整压 力较低的顺序阀7的控制，以适应开眼需 要，这是第二级；正常凿岩工况时。阀10 置位，阀8置（2）位，泵2的供油压 力即由调整压力较高的顺序阀5来控制， 这是第三级；电磁换向阀10通电置（1）位， 电磁换向阀8断电置（2）位，由于溢流 阀9的调整压力高于顺序阀5的调整压 力，它起安全阀的作用，这是第四级.。因 为推进油压较冲击压力低，推进回路上设置了减压阀11和14、推 进工况时，三位四通电磁换向阀12置（1）位，来油经减压阀11和 14两级减压，并经节流阀16后进到推进液压缸17下腔，这样可控 制推力大小和推进速度，回退工况时，三位四通电磁换向阀12置（2） 位，泵2来油经减压阀11 一级减压后进到推进液压缸17上腔.由于 此时二位二通电磁阀19置（2）