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XX大學北方信息工程學院畢業(yè)設計 液壓鑿巖機的設計與分析 XX大學北方信息工程學院 畢業(yè)設計 題 目 液壓鑿巖機的設計與分析 系 別 機電信息系 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學生姓名 白東升 學 號 B11020101 年級 級 指導教師 　 二零一五年三月五日 摘 要 在國民經(jīng)濟建設中，礦石是不可或缺的基礎原材料。作為重要的基礎產(chǎn)業(yè)，礦山開采行業(yè)的發(fā)展程度成為一個國家社會發(fā)展水平和綜合實力的重要衡量指標。我國經(jīng)濟正處于高速發(fā)展期，基礎設施建設成為國內(nèi)投資最主要的方式。因此，礦山作為最主要的原材料之一，必然也處于擴張階段。礦山生產(chǎn)過程中，大部分原料要進行礦山開采，礦山開采是生產(chǎn)礦山磚，柱子用量最大的原料，開采后的面積較大，硬度較高，因此礦山開采設備在礦山開采加工廠家中占有比較重要的地位。在新的市場需求的驅動下，礦山開采設備的更新和優(yōu)化升級更加迫切。國內(nèi)礦山開采設備生產(chǎn)企業(yè)充分挖掘市場潛力，大力發(fā)展大型環(huán)保節(jié)能的礦山開采液壓鑿巖機械，在綠色環(huán)?；V山開采的轉變中揮積極作用。一般生產(chǎn)大型礦山開采液壓鑿巖機的企業(yè)對設備環(huán)保指數(shù)上都有嚴格的要求。各企業(yè)在生產(chǎn)設備時，都充分考慮到設備在運行中可能會出現(xiàn)的種題。 液壓系統(tǒng)自世紀問世以來發(fā)展很快，在工作中的廣泛適應性，使其在國民經(jīng)濟各部門獲得了廣泛的應用。由于液壓缸在結構方面，功能方面，已經(jīng)比較成熟，目前國內(nèi)外液壓缸的發(fā)展不僅體現(xiàn)在控制系統(tǒng)方面，也主要表現(xiàn)在高速化、高效化、低能耗；機電液一體化，以充分合理利用機械和電子的先進技術促進整個液壓系統(tǒng)的完善；自動化、智能化，實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動診斷和調整，具有故障預處理功能；液壓元件集成化、標準化，以有效防止泄露和污染等四個方面。作為液壓缸兩大組成部分的控制元件和執(zhí)行元件，由于技術發(fā)展趨于成熟，國無較大差距，主要差別在于加工工藝和安裝方面。良好的工藝使液壓缸在過濾、冷卻及防止沖擊和振動方面，有較明顯改善。在油路結構設計方面，國內(nèi)外液壓缸都趨向于集成化、封閉式設計，插裝閥、疊加閥和復合化元件及其本身在液壓系統(tǒng)中得到較廣泛的應用作為現(xiàn)代機械設備實現(xiàn)傳動與控制的重要技術手段，液壓技術在國民經(jīng)濟各領域得到了廣泛的應用。與其他傳動控制技術相比，液壓技術具有能量密度高﹑配置靈活方便﹑調速范圍大﹑工作平穩(wěn)且快速性好﹑易于控制并過載保護﹑易于實現(xiàn)自動化和機電體化整合﹑系統(tǒng)設計制造和使用維護方便等多種顯著的技術優(yōu)勢，因而使其成為現(xiàn)代機械工程的基本技術構成和現(xiàn)代控制工程的基本技術要素。智能液壓鑿巖機是加工各種礦山開采的主要設備，適用于各類礦山開采廠的礦山開采的加工，如下料、開孔、開槽、拉伸等。本文根據(jù)智能液壓鑿巖機的用途﹑特點和要求，利用液壓傳動的基本原理，擬定出合理的液壓系統(tǒng)圖，再經(jīng)過必要的計算來確定液壓系統(tǒng)的參數(shù)，然后按照這些參數(shù)來選用液壓元件的規(guī)格和進行系統(tǒng)的結構設計。智能液壓鑿巖機的液壓系統(tǒng)呈長方形布置，外形新穎美觀，動力系統(tǒng)采用液壓系統(tǒng)，結構簡單、緊湊、動作靈敏可靠。該機并設有腳踏開關，可實現(xiàn)半自動工藝動作的循環(huán)。液壓傳動和氣壓傳動稱為流體傳動，是根據(jù)17世紀帕斯卡提出的液體靜壓力傳動原理而發(fā)展起體傳動技術水平的高低已成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。 由此可見，隨著科學技術的迅速發(fā)展，液壓技術將獲得進一步發(fā)展，在各種機械設備上的應用將更加廣泛。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提要求也進一步提高，因此礦山開采設備的需求量也逐年增加，由于天然礦山開采的不規(guī)則性和礦山開采資源的有限性使用使得礦山開采的合理使用方法——礦山開采液壓式鑿巖機得到迅速的發(fā)展，并通過中控系統(tǒng)來控制整個礦山開采機械的動作，使礦山開采的加工得到自動化的水平。因此液壓鑿巖機的需求量也大量增加，國內(nèi)外各種高性能的液壓鑿巖機種類很多，但是價格也極為昂貴。 關鍵詞： 礦石 礦山開采設備 液壓技術 液壓鑿巖機 absraote Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors. This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic .The principle, technical pare-maters, transmiting system and main parts structure of mincing ma-chine were introduced.The productingcapacity was analysed.Keywords Mincing machine Holds plate Cutting blade Transfer augerFixture design process of drilling pump cover and reaming holes is designed with 18H7 include part machining process design, process design and fixture three. In process design should first of all parts for analysis, to understand part of the process to design blank structure, and choose the good parts machining datum, design the process routes of the parts; then the parts of each step in the process to the size calculation, the key is to determine the craft equipment and the cutting dosage of each working procedure design; then the special fixture, the fixture for the various components of the design, such as the connecting part positioning devices, clamping element, a guide element, fixture and machine tools and other components; positioning error calculated by the analysis of fixture, jig structure the rationality and the deficiency, pay attention to improving and will design in.Concurrent Engineering is the first to shorten product development cycles as a means to develop. Products will be characterized by the development, production engineering involved in the acts broken down into a series of tasks, such as market analysis, design, process design, production plans and equipment purchases, processing, quality assurance, testing and after sales service.design, production, and service of all project-related personnel and product information integration as a whole, and stressed that all relevant departments and the interests of the overall goal line. to the establishment of a competent and reasonable charge of the project personnel structure of the working group coordinated management model, by the Working Group in the ministries responsible for project elements, and the promotion of the coordination of tasks.parallel processing stages of the work. According to the project in the different tasks of the linkages between the different ministries mandate of the elements of the work process can be completely overlap or duplication. In accordance with these principles, formulate a reasonable, and optimize the work plan, and the location in which the necessary settings assessment, the Working Group by the project implementation so that all sub-tasks in parallel, to move forward in an orderly manner, so as to ensure the smooth implementation of the whole project . According to the traditional methods of work, the work of the various stages in a row serial. In such a product development approach, divorced from each other at various stages, are not related, resulting in increased design error, and difficult to discover such a design rework, crusher working principle, main technical parameters, transmission system, the typical parts of the structure design and production capacity analysis.Small twisted paper broken machine for ordinary home, not only can be used for minced meat, can also be used with crushed peanuts, crushed ice, spices and other food, small power requirements, powered by the motor drive, reasonable structure design, can meet the family kitchen generally meat food consisting mainly of minced required. Key word: pneumatic manipulator cylinder pneumatic loop Four degrees of freedom 目 錄 1緒論............................................................................................................................................6 1.1課題的來源與研究的目的與意義............................................................................7 1.2液壓鑿巖機的應用......................................................................................................8 1.3液壓鑿巖機的組成......................................................................................................9 1.4 液壓鑿巖機的發(fā)展現(xiàn)狀............................................................................................9 1.5液壓鑿巖機的分類.....................................................................................................10 2液壓鑿巖機的總體結構分析...............................................................................................11 2.1 液壓鑿巖機的基本結構...........................................................................................11 2.2 液壓鑿巖機沖擊機構的結構類型..........................................................................12 2.3 液壓鑿巖機的沖擊工作原理...................................................................................13 3液壓系統(tǒng)的設計.....................................................................................................................14 3.1 液壓沖擊機構控制原理............................................................................................15 3.2 活塞系統(tǒng)的設計.........................................................................................................16 3.3 配流閥系統(tǒng)的設計.....................................................................................................17 3.3.1配流閥設計的基本要求.....................................................................................17 3.4蓄能器的設計...............................................................................................................18 3.5 活塞防空打裝置的設計............................................................................................19 4擬定液壓系統(tǒng)圖........................................................................................................................20 4.1選擇液壓基本回路.........................................................................................................21 5液壓系統(tǒng)的性能驗算................................................................................................................22 5.1液壓系統(tǒng)的壓力損失計算.............................................................................................23 5.2液壓系統(tǒng)的熱量溫升計算.............................................................................................23 結論..............................................................................................................................................23 參考文獻.....................................................................................................................................24 致謝..............................................................................................................................................25 1緒論 1.1課題的來源及研究的目的和意義 液壓鑿巖機作為礦山開采的不可或缺的機械設備，在當代機械工業(yè)占據(jù)著非常重要的地方，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，礦山開采設備也在不斷地發(fā)展。 液壓鑿巖機首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺液壓鑿巖機。日本是液壓鑿巖機發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型液壓鑿巖機后，大力研究液壓鑿巖機的研究。據(jù)報道，1976年從事液壓鑿巖機的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1979年120多個大學和國家研究部門用在液壓鑿巖機的研究費用42%。1979年日本液壓鑿巖機的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的液壓鑿巖機產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能液壓鑿巖機約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，液壓鑿巖機累計產(chǎn)量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用液壓鑿巖機最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到1990年將有55萬液壓鑿巖機投入到礦山開采行業(yè)工作。 第三代液壓鑿巖機則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 隨著液壓鑿巖機的研究制造和應用的擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。當代科技發(fā)展越來越迅猛，工業(yè)的發(fā)展與經(jīng)濟的強大與否有著直接關系，所以迫切需要不斷地研發(fā)出新型的適合多種類型的礦山開采加工設備。 1.2 液壓鑿巖機的應用 液壓鑿巖機的運用在礦山開采領域十分的廣泛，所以礦山開采技術也越發(fā)的需要改革進步。傳統(tǒng)礦山開采方法：采用鑿子和鏨子等工具進行剝落和研磨方式來進行，這是老一套的做法。但是，這種傳統(tǒng)方法由于粉塵和勞動強度過大、工效太低、尺寸精度和表面質量很差而逐漸的被淘汰了。目前中國陸續(xù)研制出了各種專用的礦山開采設備，如采煤機、液壓鑿巖機、掘進機、礦車等，它們的工作效率大大超過手工加工，還實現(xiàn)了礦山開采的工業(yè)化批量生產(chǎn)。 1.3液壓鑿巖機的組成 液壓鑿巖機主要由沖擊機構、回轉機構、釬尾反彈吸收裝置組成。沖擊機構是沖擊作功的關鍵部件，它由缸體、活塞、換向閥、蓄能器等主要部件和導向與封閉裝置等組成。在設計沖擊機構前，首先應根據(jù)各方面的制造水平和外購件的質量水平等情況，確定采用單面回油前腔常壓油型，還是采用雙面回油型液壓鑿巖機。雙面回油型的主要優(yōu)點是：活塞形狀最為合理，有利于提高活塞與釬具的壽命，增強破巖效果；排油時間長，回油管中峰值流量較小，減少了回油阻力和壓力脈動；采用較高的壓力油，供油流量較小，可使各方面的尺寸小一些。缺點是：閥和缸體結構復雜、工藝性差、要求加工精度高；回程制動階段前腔可能有吸空現(xiàn)象；采用高壓油需要加強密封。故只有加工設備與技術等個方面能夠保證，此方案才可行。前腔常壓油型的優(yōu)點是：結構簡單、工藝性好、制造成本低、回程制動階段無吸空現(xiàn)象。缺點是：活塞形狀不如雙面回油型好、排油時間較短、回油管中峰值流量大、回油阻力和壓力波動較大（此缺點可用回油蓄能器來減少其影響）。以上分析可知采用單面回油前腔常壓油型較好。液壓鑿巖機的換向閥有多種多樣的形式，概括起來有套閥和芯閥兩大類，芯閥按形狀又可分為柱狀閥和筒狀閥。 1.4液壓鑿巖機的發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀20年代，英國人多爾曼在斯塔福德制造出第一臺液壓鑿巖機。大約40 年之后，另一位英國人薩特立夫也制成了一臺液壓鑿巖機。不久，美國Gardner－ Denver公司根據(jù)尤布科斯專利制成了MP－Ⅲ型液壓鑿巖機。以上幾種液壓鑿巖機都因一些關鍵的技術問題沒能很好地解決，所以未能在生產(chǎn)中得到推廣應用。1970 年，法國蒙塔貝特（Montabert）公司首先研制成功第一代可用于生產(chǎn)的H50型液壓鑿巖機，開始在世界范圍內(nèi)應用液壓鑿巖設備。由于液壓鑿巖機和氣動鑿巖機相比具有明顯的優(yōu)越性，瑞典、英國、美國、德國、芬蘭、奧地利、瑞士和日本等國陸續(xù)研制出各種型號的液壓鑿巖機，使液壓鑿巖機技術和生產(chǎn)在30多年間有了很大發(fā)展。目前在國外，液壓鑿巖機已經(jīng)成為導軌式鑿巖機產(chǎn)品的主流。90年代先進國家的巖石開挖工程采用的液壓鑿巖設備占鑿巖設備總量的80%以上。其中瑞典AasCopco 、芬蘭Tamock、法國Secoma等公司的液壓鑿巖機及配套產(chǎn)品在世界上具有代表性。前兩者的液壓鑿巖設備銷售量占世界銷售總量的一半以上。目前國外的液壓鑿巖機正向重型、大功率和自動化方向發(fā)展超重型大功率液壓鑿巖機已能鉆鑿直徑180-275毫米的炮孔，鑿巖速度是牙輪或潛孔鉆機的2-4倍，而能耗僅為潛孔鉆機的1/4。我國開展液壓沖擊機械的研究工作起步于70年代初期，基本與國際研究水平同步，但由于當時我國液壓技術發(fā)展較慢，液壓鑿巖機與液壓碎石機未能在我國普遍推廣應用。直到80年代，我國科研人員走技術引進和自行開發(fā)相結合的道路，在突破了試驗研究的許多關鍵技術之后，取得了迅速的發(fā)展。1980年長沙礦冶研究院研制成功了我國第一臺YYG—80型液壓鑿巖機，不久以后，由中南工業(yè)大學研制的YYG90型液壓鑿巖機、北京科技大學研制的YS—5000型液壓碎石機和長沙礦山研究院研制D型液墊式液壓碎石沖擊器也相繼通過了國家有關部門組織的技術鑒定。近年來，隨著我國對外開放政策的深入和科學技術的長足進步，液壓沖擊機械這個新興的技術產(chǎn)業(yè)也得到了迅猛發(fā)展，目前國內(nèi)已經(jīng)有十幾家單位研制生產(chǎn)了數(shù)十種型號的液壓鑿巖機和液壓碎石機的系列產(chǎn)品，在我國的能源開發(fā)、城市建筑、隧道工程建設中獲得了較好的應用。 1.5液壓鑿巖機的分類 液壓鑿巖機的種類繁多，主要分為以下幾個類型： 風動式 風動式以壓縮空氣驅使活塞在氣缸中向前沖擊 ，使鋼釬鑿擊巖石，應用最廣。 電動式 電動式由電動機通過曲柄連桿機構帶動錘頭沖擊鋼釬，鑿擊巖石。并利用排粉機構排出石屑，內(nèi)燃式利用內(nèi)燃機原理，通過汽油的燃爆力驅使活塞沖擊鋼釬，鑿擊巖石。適用于無電源、無氣源的施工場地。 液壓式 液壓式依靠液壓通過惰性氣體和沖擊體沖擊鋼釬，鑿擊巖石。這些鑿巖機的沖擊機構在回程時，由轉釬機構強迫鋼釬轉動角度，使釬頭改變位置繼續(xù)鑿擊巖石。通過柴油的燃爆力驅使活塞沖擊鋼釬，如此不斷地沖擊和旋轉，并利用排粉機構排出石屑，即可鑿成炮孔。 內(nèi)燃式 內(nèi)燃鑿巖機不用更換機頭內(nèi)部零件，只需按要求搬動手柄，即可作業(yè)。具有操作方便，更加省時，省力，具有鑿速快、效率高等特點。在巖石上鑿孔，可垂直向下、水平向上小于45垂直向下最深鉆孔達六米。無論在高山、平地，無論在40的酷熱或零下40的嚴寒地區(qū)均可進行工作，本機具有廣泛的適應性。 內(nèi)燃鑿巖機具有礦山開采鑿孔、建筑施工、水泥路面、柏油路面等各種劈裂、破碎、搗實、鏟鑿等功能，廣泛用于礦山、建筑，消防，地質勘探，筑路，采石，建筑，國防工程等。 2液壓鑿巖機的總體結構分析 2.1液壓鑿巖機的基本結構 液壓鑿巖機主要由沖擊機構、回轉機構、供水排粉裝置及防塵系統(tǒng)等部分組成， 其鑿巖作業(yè)是沖擊、回轉、推進與巖孔沖洗功能的綜合。目前各生產(chǎn)廠家的液壓鑿巖 機結構都不盡相同，各有自己的特點。如有帶行程調節(jié)裝置的，也有無此裝置的；有 采用中心供水的，也有采用旁側供水的；缸體內(nèi)有帶缸套的也有無缸套的；為了防止 深孔鑿巖時釬桿卡在巖孔內(nèi)拔不出來，國外有幾種新型液壓鑿巖機在供水裝置前面還 設有反沖裝置。其總體方案圖結構圖如下： 液壓鑿巖機總體方案結構圖 2.2 液壓鑿巖機沖擊機構的結構類型 液壓鑿巖機按其沖擊機構配油方式的不同可分為兩大類:有閥型和無閥型。前者按 閥的結構可分為套閥式和芯閥式:按回油方式又有單面回油和雙面回油兩種:單面回油 又分為前腔回油和后腔回油兩種。其分類關系及相應代表型號見表2-2。 2.3 液壓鑿巖機的沖擊工作原理 液壓鑿巖機以液壓流體作為傳遞能量的介質，其沖擊工作原理主要是由沖擊機構 的配油方式?jīng)Q定的。（1）前腔回油后腔常壓型液壓鑿巖機沖擊工作原理此型液壓鑿巖機是通過改變前腔的供油和回油來實現(xiàn)活塞的往復運動的，有套閥式和芯閥式兩種。圖2-3所示位套閥式的沖擊工作原理。當套閥處于左端位置時，高壓油進入活塞前腔A，由于活塞前腔受壓面積大于后腔受壓面積，活塞前端作用力遠大于后端作用力，故活塞開始作回程運動(圖2-3a)。當活塞回程到一定位置時，使推閥腔C與后腔B切斷，與回油腔D連通，推閥腔B的油壓急劇下降，于是套閥作回程換向并向右快速運動，關閉活塞前腔的壓油口，開啟回油口，活塞前端作用力急劇減小使活塞處于制動運行狀態(tài)(圖2-3b)。當活塞回程速度為零即到達回程終點時，活塞在后端作用力的作用下開始作沖程運動(圖2-3c)。當活塞在沖程中離沖擊點還有一定距離時，推閥腔C與壓油腔B相通，套閥進行沖程換向，在此過程中，活塞高速沖擊釬尾(2-3d)。與此同時，沖程換向完畢，活塞前腔進入高壓油，又開始作下一次循環(huán)的回程運動。 3液壓系統(tǒng)的設計 3.1 液壓沖擊機構控制原理 沖擊工作原理主要是由沖擊機構的配油方式?jīng)Q定的。（1）前腔回油后腔常壓型液壓鑿巖機沖擊工作原理此型液壓鑿巖機是通過改變前腔的供油和回油來實現(xiàn)活塞的往復運動的，有套閥式和芯閥式兩種。圖2-3所示位套閥式的沖擊工作原理。當套閥處于左端位置時，高壓油進入活塞前腔A，由于活塞前腔受壓面積大于后腔受壓面積，活塞前端作用力遠大于后端作用力，故活塞開始作回程運動(圖2-3a)。當活塞回程到一定位置時，使推閥腔C與后腔B切斷，與回油腔D連通，推閥腔B的油壓急劇下降，于是套閥作回程換向并向右快速運動，關閉活塞前腔的壓油口，開啟回油口，活塞前端作用力急劇減小使活塞處于制動運行狀態(tài)(圖2-3b)。當活塞回程速度為零即到達回程終點時，活塞在后端作用力的作用下開始作沖程運動(圖2-3c)。當活塞在沖程中離沖擊點還有一定距離時，推閥腔C與壓油腔B相通，套閥進行沖程換向，在此過程中，活塞高速沖擊釬尾(2-3d)。與此同時，沖程換向完畢，活塞前腔進入高壓油，又開始作下一次循環(huán)的回程運動。其中液壓控制原理簡圖如下圖所示： 液壓沖擊機構簡化后的結構模型示意圖。它主要由活塞、缸體、高壓蓄能器、換向閥以及連接它們的油路組成。上部是活塞，下部是換向閥。在一個工作周期內(nèi)，活塞和換向閥的各腔壓力是交替變化的。沖擊機構的工作狀態(tài)包括四個部分： 1）沖程加速：沖程開始閥芯位于左端，活塞位于右端，高壓油經(jīng)油路1進入缸體 后腔，推動活塞向左做加速運動。 2）沖程換向：活塞向左加速運動到預定位置，打開沖程換向信號孔M，高壓油經(jīng) 推閥油路2進入配向閥左定位腔，推動閥芯向右做沖程換向，配向閥右控制腔中的液壓油精推閥油路3進入活塞中間腔，經(jīng)回油通道4返回油箱，為回程運動做準備，與此同時，活塞打擊釬尾。 3）回程加速：完成沖程瞬間，活塞進入回程運動，高壓油經(jīng)進油路5進入缸體前腔，推動活塞做回程加速運動。 4)回程換向：活塞向右做回程加速運動到預定位置，回程換向信號孔N打開，高壓油精推閥油路3進入配向閥右定位腔推動閥芯回程換向，配向閥做控制腔中的液壓油經(jīng)推閥油路2、活塞中間腔和回油通道4返回油箱，閥芯運動到左端，為下一循環(huán)做好準備。其中線性模型研究對液壓沖擊機構的運動作了必要的簡化和假設，認為活塞的一個運動周期可分為回程加速、回程制動和沖程加速三個運動階段，在這幾個階段內(nèi)，利用活塞運動的二段分析和三段分析法進行液壓沖擊機構的研究和設計，不僅能很快得出明確的解析表達式，而且能很方便地進行沖擊機構的結構參數(shù)設計。液壓鑿巖機沖擊機構的活塞結構參數(shù)和運動學、動力學參數(shù)是緊密相關的，當確定一組性能參數(shù)時，會得到相應的結構參數(shù)。 令活塞沖程加速時間與活塞運動周期之比為α，即： 其中α被稱為沖程時間比或運動學特征系數(shù)，因為它是無量綱量，故將其定義為抽象設計變量。則根據(jù)活塞運動的三段分析法可得到下面一系列用抽象設計變量α表示的運動學參數(shù)表達式。 沖程時間：ts=aT； a 回程時間：tr=(1-a)T； 回程加速時間：； 回程制動時間：； a 活塞行程：； 回程加速行程：； 回程制動行程：； 回程最大速度：； 沖程加速度： ； 回程加速加速度：； 回程制動加速度：； 式中：β——回程制動加速度與沖程加速度的比值。由以上式子可求得： 由此可見，給出一個α值便確定了液壓沖擊機構的所有運動學和動力學參數(shù)，因此可以把α的設計視為液壓沖擊機構的一種設計方法。α的最優(yōu)值在0.29～0.382之間。其中液壓沖擊機構方案簡圖如下： 液壓沖擊機構方案簡圖 3.2 活塞系統(tǒng)的設計 活塞是液壓鑿巖機的關鍵零件，它設計的好壞直接影響機器的工作性能和壽命。 活塞設計的已知參數(shù)是沖擊能E和沖擊頻率f，由用戶或生產(chǎn)需要而定。需要設定的參 數(shù)是沖擊末速度mV和供油壓力p。根據(jù)我國目前釬尾允許應力計算，mV一般不大于10 sm\。供油壓力的選擇應考慮機器的整體結構尺寸、制造工藝水平和密封性能，一般在 10～18Mpa范圍內(nèi)。具體設計時應遵循以下原則： 1）活塞應為細長形，并減少不必要的斷面變化，以利于提高能量傳遞效率和釬具 壽命。 2）活塞沖擊頭部的面積應盡量與釬尾端部的面積相等或接近，并要有一定的錐部 長度，以利于沖擊波的傳遞。 3）要保證活塞全行程及超行程時不致?lián)p傷兩端密封結構。 4）活塞應具有防空打功能，以免空打時撞壞缸體。 5）活塞的材質應具有較好的機械性能，即表面硬度高，心部韌性好，且具有較好 的耐磨耐沖擊性能。 6）保證活塞重量和前后腔受壓面積等于或接近已得出的結果參數(shù)。 7）應在綜合考慮能量損失、加工精度與過濾精度的基礎上，確定活塞與缸體間合 理的配合間隙。 根據(jù)實際工況或用戶要求確定沖擊機構性能參數(shù)：沖擊能E和沖擊頻率f；根據(jù)我 國目前釬尾允許應力確定沖擊末速度mV；根據(jù)液壓系統(tǒng)的承載能力確定供油壓力p；按 近似釬桿直徑確定活塞沖擊端直徑d。采用抽象設計變量理論可得如下活塞計式： 3.3 配流閥系統(tǒng)的設計 液壓沖擊機構配流閥有多種結構形式，根據(jù)其配流系統(tǒng)工作原理的不同，一般可 分為行程反饋配流、壓力反饋配流和電液控制強制配流二種配流方式。輕型獨立回轉 液壓鑿巖機沖擊機構采用行程反饋配流方式。這類沖擊機構實際上是一種具有行程反 饋的閥控活塞隨動系統(tǒng)，它工作時，配流閥從缸體反饋信號孔獲得高壓油推動閥芯換 向，以實現(xiàn)油路的切換，活塞則隨供油規(guī)律的改變作周期性回程、沖程變速運動。具 體地說，閥芯的運動是通過活塞在缸體內(nèi)的行程反饋信號來控制的，從而實現(xiàn)了配流 閥控活塞系統(tǒng)中閥與活塞的互動控制。 3.3.1配流閥設計的基本要求 配流閥是液壓沖擊機構的重要組成部分，它對活塞的控制屬于開關型控制，閥芯 的運動速度和運動時間直接決定著活塞的運動頻率，因此，必須保證閥芯運動的快速 性。配流閥閥芯質量越小、推閥面積越大、運動行程越小，則閥的運動頻率越高。但 增加推閥面積，必然會增加配流閥的耗油量，雖然閥芯運動所消耗的壓力油對于液壓 沖擊機構的工作是必不可少的，但對液壓沖擊機構的輸出功來說卻是一種能量損失， 所以增加推閥面積會降低沖擊機構的效率。閥芯的運動行程越小，則閥的開口量就越 小，油液流經(jīng)閥口時的壓力損失越人，可見閥芯的運動行程也不能太小。所以，在設 計配流閥時，必須在保證閥芯動作快速、穩(wěn)定的基礎上，使配流閥的能量損失最小。 具體設計時應遵循以下原則： 1)閥芯兩端受力應始終處于不平衡狀態(tài)，以保證閥芯穩(wěn)定在沖程或回程的配油位置； 2)在保證閥口全流量時不致有過大阻力的情況下，行程盡可能短些，重量盡可能輕些，以減少耗油量和提高換向速度； 3)要保證最小封油長度和進入緩沖油墊的長度； 4)保證閥芯兩端推閥面積滿足參數(shù)計算的要求。 3.4蓄能器的設計 高壓蓄能器是液壓沖擊機構最重要的部件之一。由于活塞運動速度在往復運動過 程中變化很大，活塞撞擊釬尾時的速度最高可達9m/s以上，并且撞擊后其速度很快降 為零，因此，活塞運動所需的流量變化也很大，尤其是活塞撞擊釬尾前后，流量瞬間 由最大降為零，這樣大的流量變化目前還沒有任何液壓泵能夠適應。另外由于油液的 可壓縮性很小，系統(tǒng)的高速換向會產(chǎn)生很大的液壓沖擊，使系統(tǒng)的壓力高出正常工作 壓力的幾倍，這樣的高壓會導致系統(tǒng)管路及元件的損壞，所以必須采取措施來補償流 量瞬變和壓力瞬變，一般的液壓沖擊機構通常采用安裝蓄能器的辦法來解決。高壓蓄 能器的作用是減小液壓泵的最大輸出流量，平衡整個工作過程中的流量，從而在不損 失能量的條件下使系統(tǒng)壓力波動減小。一般在閥控式液壓沖擊機構中采用隔膜式蓄能 器來滿足其頻率響應的需要。使用蓄能器能提高液壓沖擊機構的效率，延長其使用壽 命。如圖所示，隔膜式蓄能器由容積大致相等的上、下兩部分組成，在正常工作的情況下，要求隔膜振動時偏離中間位置的距離基本相等 根據(jù)線性理論的活塞運動三段分析法，在活塞的一個運動周期中，高壓蓄能器的充排油情況如圖。經(jīng)推導可得: 1) 活塞回程加速階段初期，蓄能器的充油量為:; 式中:Q-液壓泵的供油流量，; Q-回程時活塞前腔的峰值流量，；其值為:; 3.5 活塞防空打裝置的設計 液壓開口機一般都會出現(xiàn)“空打”現(xiàn)象。為了避免因“空打”而引起活塞打擊機體造成機殼零件的損壞，沖擊機構應裝設防空打裝置。防空打通常采用下面的兩種方法。第一種方法是將防空打裝置獨立于活塞腔，在開口機機頭部分設置空打套和空打油墊。當活塞沖程超過預定沖擊點位置時，活塞就打在空打套上，再通過與高壓油相通的油墊來緩沖。 這種方法非常可靠，絲毫不影響活塞的運動，但結構比較復雜，而且必須增加一條連接主機殼上高壓油腔與機頭上油墊的油路，增加了加工和密封的困難。因此，該法適用于重型液壓開口機。第二種方法是在活塞腔里設置空打油墊。當活塞越位時，活塞臺肩就進入緩 沖油墊區(qū)，依靠密閉油腔產(chǎn)生的油墊來起緩沖作用，吸收活塞的沖擊力。這種方法簡單可靠，基本能消除活塞空打時的機械撞擊。 本次設計的液壓沖擊機構采用第二種防空打方法，其結構如圖4-7所示其工作原理是:當活塞空打時，配流閥已完成沖程換向，高壓油進入活塞前腔，但此時的液壓力尚不足以令活塞馬上停止運動，活塞臺肩仍以較高的速度進入緩沖油墊區(qū)，緩沖區(qū)的油液被全部地封閉起來，只能通過給定的節(jié)流間隙排出，從而使被封閉的油液壓力進一步升高，產(chǎn)生適當?shù)囊簤嚎沽εc活塞慣性力相對抗，以達到使活塞迅速減速制動的目的。 根據(jù)緩沖過程中活塞加速度的變化情況，可以將緩沖過程劃分為兩個階段: 第一階段為等減速緩沖階段，第二階段為變減速緩沖階段。為了分析解決問題的方便，建立了如圖坐標系，以坐標零點作為兩個緩沖階段的分界點。當01xx時，活塞處r第一階段緩沖區(qū),當0x時，活塞處于第二階段緩沖區(qū)。 4擬定液壓系統(tǒng)圖 4. 1選擇液壓基本回路 選擇調速回路。該系統(tǒng)的流量、壓力較小，可選用定量泵和溢流閥組成的供油源，液壓系統(tǒng)功率小，滑臺運動速度低，工作負載變化小，銑床加工有順銼和逆銼之分，可采用進流口節(jié)流的調速形式，具有承受負切削的能力，如圖（a） (a) 選擇快速運動回路和換向回路。系統(tǒng)采用節(jié)流調速回路后，不管采用什么油源形式都必須有單獨的油路直接通向液壓缸兩腔，以實現(xiàn)快速運動。在本系統(tǒng)中，單桿液壓缸要作差動連接，為保證換向平穩(wěn)，采用電液換向閥式換接回路，如圖（b） （b） 選擇速度換接回路。避免液壓沖擊，宜選用行程閥來控制速度換接，如圖（c） （c） 5液壓系統(tǒng)的性能驗算 5.1液壓系統(tǒng)的壓力損失計算 1）、快進 滑臺快進時，液壓缸差動連接，進油路上通過單向閥3的流量是6L/min，通過電液換向閥4，液壓缸有桿腔的回油與進油路匯合，以12.24L/min通過行程閥5并進入無桿腔。因此進油路上的總壓降為 ∑△pv=[0.2(6/63)2+0.5(6/80)2+0.3(12.24/63)2] =(0.019+0.038+0.058)MPa=0.115MPa 壓力閥不會被打開，油泵的流量全部進入液壓缸?；赜吐飞?，液壓缸有桿腔中的油液通過電液換向閥4和單向閥9的流量都是6.24L/min，然后與液壓泵的供油合并，經(jīng)行程閥5流入無桿腔。由此可算出快進時有桿腔壓力p2與無桿腔壓力p1之差 △p=p2-p1=[0.5(6.24/80)2+0.2(6.24/63)2+0.3(12.24/63)2] =(0.039+0.020+0.058)MPa =0.117MPa此值小于原估計值0.5MPa，所以是安全的。 2）、工進 工進時，油液在進油路上通過電液換向閥4的流量為0.5L/min,在調速閥7處得壓力損失為0.5MPa，油液在回油路上通過換向閥4的流量是0.25L/min，在背壓閥10處得壓力損失為0.5MPa，通過順序閥11的流量為（6+0.24）=6.24L/min，因此這時液壓缸回油腔的壓力p2為p2=[0.5(0.24/80)2+0.5+0.3(6.24/63)2] =(0.002+0.5+0.030)MPa =0.532MPa；此值小于原估計值0.8MPa。重新計算工進時液壓缸進油腔壓力p1 p1=(F`+p2A2)/A1； =(4182+0.53210610.0110-4)/19.6310610-4 =2.40 MPa；此數(shù)值與2.54MPa接近。 3）、快退 快退時，油液在進油路上通過換向閥4的流量為6L/min；油液在回油路上通過單向閥7、換向閥4和單向閥13的流量都是11.76L/min，因此進油路上總壓降為 ∑△pv1=[0.2(6/63)2+0.5(6/80)2]=(0.019+0.038)MPa=0.057 MPa 此值較小，所以液壓泵驅動電動機的功率是足夠的?；赜吐飞峡倝航禐? ∑△pv2=[0.2(11.76/63)2+0.5(11.76/80)2+0.2（11.76/63）2] =(0.037+0.074+0.037)MPa=0.148MPa 此值與0.135MPa接近，不必重算。所以快退時液壓泵的最大工作壓力pp應為 pp=p1+∑△pv1=(2.17+0.057)MPa=2.227MPa； 因此液壓泵卸荷的順序閥11的調壓應大于2.227MPa。 5.2液壓系統(tǒng)的熱量溫升驗算 工進在整個工作循環(huán)過程中所占的時間幾乎占據(jù)整個工作循環(huán)周期，所統(tǒng)發(fā)熱和油液溫升可用工進時的情況來計算。 工進時液壓缸的有效功率為: PO=Fv= kW=0.056 Kw 液壓泵的輸入總功率 Pi==0.32Kw 由此得液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量 Hi=Pi-Po=(0.32-0.056)Kw=0.264kW 油液溫升的近似值 △ T=(0.264103)/℃=6.7℃ 溫升沒有超出允許范圍，液壓系統(tǒng)中不需要設置冷卻器。 結 論 本文所設計的液壓鑿巖機的設計與分析，設計原理比較簡單，功能比較簡單，設計比較合理，能夠滿足部分不同規(guī)格石材的切割等功能，方便快捷。 在論文完成之際，我首先向我的導師致以衷心的感謝和崇高的敬意！在這期間，導師在學業(yè)上嚴格要求，精心指導，在生活上給了我無微不至的關懷，給了我人生的啟迪，使我在順利的完成學業(yè)階段的學業(yè)的同時，也學到了很多做人的道理，明確了人生目標。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，淵博的學識，實事求是的作風，平易近人、寬以待人和豁達的胸懷，深深感染著我，使我深受啟發(fā)，必將終生受益。 經(jīng)過近半年努力的設計與計算，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因為它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學四年來對所學知識的應用和體現(xiàn)。 四年的學習和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的能