机械毕业设计（论文）凿岩台车的液压系统设计【全套图纸】.doc

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1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：凿岩台车的液压系统设计学生姓名：学 号：0604103410专 业：机械设计制造及其自动化班 级：机06 -4班指导教师： 凿岩台车的液压系统设计摘 要凿岩台车是钻凿井下平行巷道的掘进台车。由于在矿山井下作业，台车体积受井下巷道空间的限制，要求台车重量轻，外形尺寸小，结构紧凑 。但是台车的液压系统比较复杂，液压元件数量多，管路复杂 。在有限的空间内，容纳必备的液压元件，合理地布置管路，保证台车操作 、检测和维修方便，是凿岩台车设计者必须解决的一个重要课题 。在设计液压凿岩钻车液压系统时试制一种整体扦入式集成液压系统。它即具有能控制液压凿岩机

2、“旋转 、冲击 、自动冲击 、推进及防止卡钎 ”的多种功能，又能使液压元件集成于一体，占用空间小，操作维修方便，该液压系统使用寿命长 、安全，使液压凿岩机能达到最佳钻进速，逐渐被各种型号液压凿岩台车所应用 。关键词： 凿岩台车 液压系统 液压元件Drill rigs hydraulic system designAbstractDrill rig is drilling underground car driving parallel to the roadway. As underground mining operations, underground car tunnel under t

3、he volume of space limitations require car light weight, small dimensions, compact structure. But the cars hydraulic system is more complex, the number of hydraulic components and more complex pipelines. In the limited space to accommodate necessary hydraulic components, reasonable layout of piping,

4、 to ensure car operations, testing and maintenance convenience, the drill rig designer must address an important issue. Hydraulic Rock Drill in the design of hydraulic systems, a holistic Qian trial-in integrated hydraulic system. It is able to control the hydraulic rock drill with spin, impact, aut

5、omatic shock, promote and prevent card filler in a variety of functions, enable the hydraulic components integrated in one, small footprint and easy maintenance, long service life of the hydraulic system, security, to make the best function of hydraulic rock drill drilling speed, gradually various m

6、odels applied hydraulic drill rig.Key words: Drill rig hydraulic system hydraulic components目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言61.1 钻孔台车的概述61.2 国内外凿岩台车液压系统的研究现状71.2.1 国内凿岩台车液压系统的研究现状71.2.2 国外凿岩台车液压系统的研究现状9第二章 设计要求分析及液压系统设计方案的制定102.1 设计要求分析102.1.1 设计题目112.1.2 设计技术参数说明 112.1.3 工况分析及其技术参数122.2 液压系统设计方案的拟订122.2.1

7、选用开式系统或闭式系统122.2.2 选用节流调速，容积调速或分级调速13 2.2.3 选用油泵的类型.13 2.2.4 选用油缸和马达 . 13 2.2.5 确定控制方式. .13 2.2.6 确定工作液体 .13第三章 凿岩台车液压系统工作原理图设计.14 3.1 本系统工作过程及其分析14 凿岩机的旋转.14 凿岩机的冲击.14 凿岩机的推进14 凿岩机的定位15 3.2 本系统中的液压回路及其作用.15 3.2.1 卸载回路. .15 节流调速回路16 第四章 液压系统计算. .164.1初选系统工作压力164.2液压执行元件的计算与选型16 4.2.1推进凿岩机的液压缸的计算与选型.

8、16 4.2.1.1 液压缸内径的确定.16 验算系统的压力.17 液压缸最高允许压力P的确定.17 耐压试验压力P的确定.18 活塞杆直径的计算.18 液压缸的流量计算.19 液压缸的功和功率.22 液压缸的总效率 23 液压缸型号的选择 24 千斤顶（液压缸）的计算与选择.24 仰俯液压缸的计算与选择.25 确定主要参数.25 确定缸筒的内径、有杆腔面积和无杆腔面积.25 验算系统的压力计算26 流量的计算. 26 缸筒壁厚的计算.28 活塞的设计.31 结构的确定.31 材料的确定.31 活塞杆的设计.31 结构的确定31 确定活塞杆直径31 确定活塞杆强度计算31 活塞杆弯曲稳定性验算

9、32 活塞杆材料及其技术要求32 活塞杆的导向及其密封.32 液压缸型号的选择.32 举升液压缸的计算与选型 33. 大臂延伸液压缸的计算与选型.33 推进补偿液压缸的计算与选型.34 靠邦液压缸的计算与选型.35 顶篷保护液压缸的计算与选型.36 转向液压缸的计算与选型.37 旋转液压缸（摆动油马达）的计算与选型.384.3液压马达的计算与选型.38 液压马达类型的选择.38 凿岩机液压马达的排量.38 液压马达型号的选择.39 电缆卷筒液压马达的排量.40 液压马达型号的选择.41 4.4液压泵的选型.41 主泵的选型.41 确定液压泵的工作压力.41 确定液压泵的流量.42 液压泵的规格

10、选择42 辅助液压泵（回转泵和缓冲油泵）的选型43 4.5电机的选择.44 4.6液压控制元件的选择.44 换向阀的选择.45 单向阀和液控换向阀的选择.45 节流阀的选择45 溢流阀的选择46 4.7过滤器的选型.48 4.8蓄能器的计算与选择.50 蓄能器有效容积的计算50 蓄能器容器计算.50 蓄能器型号的选择51第五章 液压装置的设计.51 5.1 液压油箱的设计.52 油箱的功能.51 油箱的分类.51 油箱的设计要点.52 确定油箱的容量和有效面积.53 油箱的选择.54 油箱附件的配置及其注意事项.54 空气滤清器.54 液位计、温度计55 5.2液压管道尺寸的确定.55管道内径

11、的计算55 推进梁上的推进油缸连接管道内径的确定.55 千斤顶（液压缸）连接管道内径的确定56 仰俯液压缸的连接管道内径的确定56 举升液压缸的连接管道内径的确定.57 大臂延伸液压缸连接管道内径的确定.58 靠帮液压缸连接管道内径的确定.59 转向液压缸连接管道内径的确定60 凿岩机液压马达连接管道内径的确定.60 电缆卷筒液压马达连接管道内径的确定.60 5.3 通道块的设计. 61第六章 液压系统性能验算.61 6.1 验算回路中的压力损失.61 6.2 液压系统的发热温升计算.62 计算发热功率.62 计算散热功率.63 6.3冷却器的计算与选择.64结束语.66参考文献.67第一章

12、引言1.1钻孔台车的概述阿特拉斯*.科普柯 BOOMER - 281单臂凿岩台车特性：(1) 该台车车身矮小,结构紧凑,设备宽度窄,转弯半径小,非常适合我国的地下矿山的采掘作业。(2) 台车设备性能先进，凿岩效率高。在中硬岩石条件下的纯凿岩速度为2. 50 m /min。同时可以根据不同的岩石性质,液压凿岩控制系统参数可以调节,使凿岩机的扭矩、钎杆转速、冲击功率以及推进力等参数达到最佳匹配。(3) 台车采用柴油- 电力驱动。行驶过程中由柴油机驱动液压传动装置,在行走的过程中,电缆要达到长度的要求,机动比较灵活。工作时,由电动机驱动液压泵,提供液压凿岩机所需要的工作油压。液压凿岩机能量利用率高,

13、输出功率大。噪音小,工作面废气污染小。(4) 台车的操作及自动控制均为液压控制。性能稳定性可靠,特别是在冲击、回转、推进回路中应用防卡阀,达到最佳的凿岩性能。Boomer 281 液压凿岩台车为隧道和矿山用全液压凿岩台车，采用直接控制方式，配备BUT28钻臂和COP1838凿岩机。 1.2 国内外凿岩台车液压系统的研究现状 国内凿岩台车液压系统的研究现状在交通道路、地下建筑、地下资源开采等工程项目中,隧道开凿是一项重要内容。目前我国矿山生产使用的设备很多都是粗放型的，效率低，能耗高、安全性差。 有些是模仿测绘国外产品，未掌握核心技术，现代新技术如检测技术、控制技术等未得到很好应用， 无自主知识

14、产权， 不能出口。长期以来， 以中南大学、北京科技大学等为主的高校及相关科研院所一直在研究、 推动我国凿岩机械的发展，并几乎与国外同步。1972年冶金工业部组织中南工业大学与长沙矿冶研究院研制液压凿岩钻车和液压凿岩机。1980年我国第一台C GJ2Y型液压凿岩钻车和YYG80型液压凿岩机通过了冶金部的鉴定。随后北京科技大学、 中国煤炭科学院等十个单位参与这方面的研究工作，并开发出一系列产品。中南大学在纯国产化液压凿岩设备研制中成果比较突出，除CGJ2Y钻车外，我国第一台用于实际生产的KZL120型露天液压钻车和配套的YYG250 重型液压凿岩机以及CG J S-2Y B铁路隧道半断面钻车都由该

15、校研制成功。并且早在86年就进行了学习再现式凿岩台车的实验室研究工作。值得指出的是，这些成果不是照搬国外技术，不但在机构上有创新，而且形成了有特色的理论研究和设计方法。我国几家凿岩企业为我国钻凿设备发展做出了一定的努力。 但随着逐步市场化，这些企业因为体制上的原因，导致技术创新严重滞后，产品性能难以提升，高档次的国产液压凿岩设备始终没能形成大气候。尤其在改革开放的现在，受进口产品的严重冲击，在众多的重点工程中， 几乎是国外设备的一统天下。经过几十年的发展 ,液压凿岩设备在我国始终未能得到推广应用。绝大部分矿山 ,特别是中小型矿山仍然在普遍使用气体凿岩设备 ,原来使用液压凿岩设备的矿山有的也已经

16、停用。造成这种局面的原因主要是: (1)液压凿岩设备的一次性投资太大 ,维修保养成本也较高 ,中小矿山难以承受。 ( 2)我国劳动力成本相对便宜 ,劳动力素质普遍偏低 ,使用简单便宜又容易操作的气动凿岩机既经济实惠又易于管理 ,这为液压凿岩机的推广无疑增添了客观上的障碍。 (3)国产设备的系列型号不够完善 ,质量稳定性较差 ,整体性能尚不能令人满意 ,相关辅助配套设施也不齐全 ,给用户在选型时造成了一定困难。3) 由于我国基础工业水平与国外发达国家相比相对落后 ,受研发制造水平和加工工艺的限制 ,几十年来液压凿岩机虽然研制的型号很多 ,但形成稳定批量生产的产品却不多 ,目前我国一些矿山、交通

17、、隧道、水电等大型工程所用液压凿岩设备的首选仍然是瑞典 Atlas Copco、 芬兰 Tamrock (现属 Sandvik)等国外大型知名公司的产品 ,要想摆脱这种困境 ,国内相关的研发机构和生产单位必须走出重成果轻产品的误区 ,优化整合各自的技术、 人力及资金资源 ,生产出高质量的好产品 ,才能在激烈的市场竞争中赢得一席之地。 国外凿岩台车液压系统的研究现状在交通道路、地下建筑、地下资源开采等工程项目中，隧道开凿是一项重要内容。钻爆法是隧道开凿的传统施工方法，迄今为止，在国内外隧道施工中仍占据主要的地位。凿岩台车是钻爆法隧道施工的必备工程装备，与其他工程装备一样，在不断的工程实践中和用户

18、需求中成熟和完善，其蕴含的技术水平也与科学技术的进步相适应，随时代在不断发展。20 世纪40年代出现的风动钻架(也称为瑞典方法)开始了隧道开凿的快速发展，6070年代以风动多臂凿岩钻车为代表，到了7080年代, Tam rock、Atlas等公司相继研制出了全液压凿岩台车，液压凿岩技术带动了隧道施工的环保、节能和快速凿钻，90年代是计算机控制的机器人化的凿岩钻车的广泛应用时期。 现在，新出现了隧道凿岩机器人控制系统的发展： 由于隧道中的视觉条件而影响凿岩台车的钻臂操作，恐怕是在机械化台车中使用电子与计算机控制的最初动因之一，远在1970年挪威Ingeri Thor Furuholmen A /

19、S (2004年更名为Skanska Norway AS)公司就预见到了这一点，并于1972年开始了自动凿岩台车的研究计划，但由于设备造价高而且当时凿岩行业还不太接纳这一技术，因此研究计划暂时搁置。1977年这一计划重新开始并于次年完成了三臂自动凿岩台车样机的制造及试验。其实这时自动凿岩的市场前景仍不明朗，但有几个有利的因素：台车熟练操作工变得紧缺，人工费用的增长超过了设备费用；政府对于安全和劳动条件(如司机室的隔音及空气质量等)方面的法规；微电子技术的发展及微处理器在其他工业控制领域的成功应用。可以说正是由于这些因素再加上Furuholmen公司开发新型、现代化凿岩台车的积极性，才使这一计划

20、进一步延续到开发自动凿岩台车的工程样机。 第1台工程样机综合考虑了传感器与控制系统的安装，使电子控制系统具有很好的抗损坏和防潮设计。但台车仍由人工操作，自动装置只实现了测量与显示，以检验电子控制系统的可靠性和适用性。 这台工程样机初次用于奥斯陆的一个大型下水道工程,需要钻爆12条隧道。任务和时间都很集中，大约一年时间里，这台钻车连续工作(按两班制) ,共钻孔380000 ,爆破量接近270000 岩石。工程实践表明该台车钻孔能力高，电子装置和传感器的维护工作非常少。工程结束后，对钻车的全面检查结果显示，自动测量与显示系统有助于减小工作过程中臂的磨损。 第2台工程样机于1979年完工，增加了计算

21、机自动控制钻臂定位和钻孔循环。两个月的调试结束后，这台钻车被用于挪威南部的两个公路隧道工程,开始的时候使用手动控制，逐渐过度到自动方式，经过对自动支撑和折弯补偿处理的程序调整后，钻车主要工作在自动控制模式，设备的运行令人满意，在坚硬的玄武岩上累计钻孔120 000 m，自动进行弯道边缘孔的钻凿也达到了非常理想的效果,维护工作非常少。以上综述了凿岩台车自动控制系统的发展历程，以Atlas最新推出的全电脑控制凿岩台车为例，介绍了台车自动控制系统的现状。提出模块化的软硬件设计，分布式控制，网络服务和三维图形显示技术是凿岩台车计算机控制系统的进一步发展方向。第二章 设计要求分析及液压系统设计方案的制定

22、2.1 设计要求分析设计题目 凿岩台车液压系统设计设计技术参数说明推进梁上的推进油缸的最大载荷 =25KN 活塞杆行程： S=1600 活塞杆单行程的动作时间： t=50 s千斤顶（液压缸）的活塞杆最大受力： =3.1 KN 活塞杆行程： S=400 活塞杆单行程的动作时间： t=50s 仰俯液压缸的活塞杆最大受力： =1.8N 活塞杆行程： S=450 活塞杆单行程的动作时间： t=30s 举升液压缸的活塞杆最大受力： =127 KN 活塞杆行程： S=550 活塞杆单行程的动作时间： t=40s 大臂延伸液压缸的活塞杆最大受力： = 25 KN 活塞杆行程： S=1250 活塞杆单行程的动

23、作时间： t=40 s 推进补偿液压缸的活塞杆最大受力： = 20KN 活塞杆行程： S=1250mm活塞杆单行程的动作时间： t= 45 s 靠帮液压缸的活塞杆最大受力： = 51KN 活塞杆行程： S=300mm活塞杆单行程的动作时间： t=40s 转向液压缸的活塞杆最大受力： =127KN 活塞杆行程： S=400活塞杆单行程的动作时间： t=40s 凿岩机液压马达的转速： n=140 转矩： T=0.55KN 压差： =20MPa 工况分析及其技术参数2.2 液压系统设计方案的拟订 本系统采用了五个泵，一个变量泵，四个定量泵，一个油箱，十七个油缸。在液压系统要完成的任务和要求的基础上，

24、大概的计算一下系统的输出功率范围，以便确定液压系统的基础形式，包括一下几个具体内容。 选用开式系统或闭式系统 通常对于固定式的机械设备总是采用开式系统。即系统中包括一个主油箱，作为油液循环的开口环节，有利于油液的冷却和净化。但不够紧凑，不过固定式的机械设备对于紧凑的要求并不严格，本系统采用开式系统.。 选用节流调速或者容积调速这要根据系统的功率大小和系统的特点而定。正如前述，对于系统的功率要求不高的小功率系统，常用节流调速，固其结构简单方便；对于效率要求较高的大功率系统，则宁愿使用结构复杂的容积调速或分级调速，皆在尽量减少能量损失。此凿岩台车液压系统设计要求功率较高，但采用节流调速。 选用油泵

25、的类型目前，液压系统应用最为广泛的油泵有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。一般情况下，中低压系统多使用齿轮泵和叶片泵，而高压系统则主要应用各种柱塞泵，当然这种划分并非是绝对的。近些年来，由于设计和制造工艺的不断改善和提高，齿轮泵和叶片泵的工作压力也有显著的提高，有些已经达到高压水平，所以选择的应有一定的灵活性，本系统为高压系统，因此采用主泵为柱塞泵，还有齿轮泵。 选用油缸和马达一般来说，工作机构作直线往复运动，都选用各种油缸驱动；作回转运动的，都采用各种油马达驱动；摆动的，则选用各种摆动油缸驱动。同样，这也不是绝对的。 确定控制方式控制方式从不同的角度来分，可以有手动、机动、气动、电动、液动、电液动等；

26、也可以分为压力控制、行程控制，还可以分为内控式和外控式等。根据功率范围、精度要求、自动化程度、能源形式、使用场合以及使用的频率程度和利用率等因素而定。 确定工作液体常用的工作液体有矿物油、合成油和水浮油。液压传动系统几乎都采用前两种油液，特别是各种矿物油，它既可以满足一般的液压系统的要求，价格又便宜，合成油具有优良的品质指标和特殊性质。但目前产量较少，成本高，不宜使用，常用于某些专门技术要求的精密系统中，而水乳油液只用于水压机或者某些需要抗燃的系统中。总之，在满足要求的前提下，尽量选择价格便宜的，一般工作液体不可以优材劣用，以免造成浪费。第三章 凿岩台车的液压系统工作原理图的设计3.1 本系统

27、工作过程及其分析 凿岩机的旋转一般情况下，凿岩机内的液压马达旋转的压力4.5 5MPa。在液压回路中装有溢流阀，以防止凿岩机在凿岩的过程中比卡住，使的系统的压力升高，而导致油管的破裂。在操作手动换向阀换向时，油液的流动情况为：进油路：油箱 回转泵 调速阀 手动换向阀 液压马达回油路：液压马达 手动换向阀 回到油箱 凿岩机的冲击凿岩机的冲击有低压冲击和高压冲击，在台车出厂时，设定低冲击的压力为13MPa,高冲击的压力在19 21MPa。凿岩机在凿岩的过程中，凿岩机的钎杆既要旋转，又要冲击和推进，这样才能把岩石凿开，便于打孔。 凿岩机的推进凿岩机的推进是把凿岩机放在一个油缸上，是由油缸的活塞杆往复

28、直线运动来实现此动作的。凿岩机的高推进压力为6.5 10MPa，低推进的压力为4MPa。在凿岩机凿岩的过程中，凿岩机的钎杆既要旋转，又要冲击和推进，是一个连续的过程，这样才能把岩石在一个很短的时间内凿开，便于打孔，提高在矿山作业的时间和减小工人的劳动强度。在液压回路中装有溢流阀，以防止凿岩机在凿岩的过程中比卡住，使的系统的压力升高，而导致油管的破裂。 凿岩机的定位凿岩机在矿山作业时，打孔要有一定的精度和准确度，尤其是在巷道工作面的。凿岩机的定位系统对整个凿岩机的在精确作业有很高的要求。凿岩机的定位是通过定位手柄的上下左右四个位置的选择，就可以控制台车大臂上下左右的移动，其实大臂的运动是通过手动

29、比例换向阀来控制四个液压缸实现的。3.2本系统中的液压回路及其作用：3.2.1 卸载回路此回路的功能是在台车启动过程中，当需要刹车是给台车底盘卸载。还有当凿岩机在打孔的过程中，由于凿岩机被岩石卡住时，系统的压力会随着卡住时间的推移而升高，此时，从油泵压出来的液压油通过卸荷阀回到油箱了，以防止压力升高，损坏液压元器件。 节流调速回路由于我国的各个矿山的地质结构和矿石的软硬度都是有所不同的，所以凿岩机在作业时，针对不同的矿山地质情况，需要调节系统的压力。在系统的回油处也设有节流阀。第四章 液压系统的计算4.1 初选系统工作压力参考机械设计手册第五版第5卷表212-11选系统工作压力为25MPa。4

30、.2 液压执行元件的计算与选型 推进凿岩机的液压缸的计算与选型 已知参数（工艺给定）： 活塞杆最大受力： =25KN 活塞杆行程： S=1600mm活塞杆单行程的动作时间： t=30s 液压缸内径的确定：根据公式：=PA-PA 式（-1）选自机械设计手册单行本液压传动与控制-式23.45式中： A=D-无杆腔活塞有效工作面积 （ m ）； A= ( Dd)-有杆腔活塞有效工作面积 （ m ）； F: 外载荷； F: 活塞受力 P: 油缸的工作腔受力； P: 油缸的回油腔压力； d： 活塞杆直径； D： 油缸的内径； ： 液压缸机械效率； 令 杆径比：=查机械设计手册单行本液压传动与控制表23.

31、45， 取=0.7有 D= 式（-2）其中： F = 25KN= 25N = 0.9 P= 25MPa = 25Pa P= 1MPa = 1Pa 查机械设计手册单行本液压传动与控制表23.44 取P= 1MPa把数据代入式（-2）中得： D = = 54.88 mm根据液压缸的内径的推荐值选： D = 63 mm 验算系统的压力：由 式 （-1） 可得： 式（-3）把已知参数代入式（-3） 有P = +1= 17.48MPa因而初选压力符合要求，故本系统额定压力为25MPa。 液压缸最高允许压力P的确定最高允许压力P也是动态试验压力，是液压缸在瞬间所能承受的极限压力： P式中： ：额定压力 = 25MPa代入数据： P=1.525 =37.5MPa选最高压力为25MPa 耐压试验压力P的确定耐压试验压力P是液压缸在检查质量时需承受的实验压力，在此压力下不出现变形或破裂 P=1.5=1.525 =37.5MPa 活塞杆直径的计算由式 =得： d=D 式（-4）把D=63 代入式式（-4）中得： d =44.1mm根据活塞杆直径的推荐值取d =45mm.由 D=63mm d =45mm可知 A=D=63=3115.67 mm A= ( Dd)=（63-45）=1526.04 mm其中： A