1、中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 1 页1 绪 论1.1 引言全套图纸，加 153893706钻机：在地质勘探中，带动钻具向地下钻进，获取实物地质资料的机械设备。又称钻探机。主要作用是带动钻具破碎孔底岩石，下入或提出在孔内的钻具。可用于钻取岩心 、 矿心、岩屑、气态样、液态样等，以探明地下地质和矿产资源等情况。我国是产煤大国，煤炭也是我国最主要的能源，是保证我国国民经济飞速增长的重要物质基础。本轻型液压浅孔钻机主要应用于钻煤注水，也可用于煤矿井下其它工程钻孔。1.2 钻探机械概论1.2.1 钻探机械的发展我国在 11 世纪就已形成较完善的冲击式钻探设备和技术。最早的回转式钻机于 1
2、9 世纪后期出现于瑞士，当时是靠人力驱动，后来才使用蒸汽机作动力。进入 20 世纪，内燃机和电动机取代了蒸汽机。最早的钻探机为机械传动,结构比较简单,性能较差。自 20 世纪 50 年代初发展为机械与液压相结合形式，变速档次增多，有部分参数实现仪表控制。自 70 年代以后，为适应高速金刚石钻探，液压化程度提高，钻具的转数最快可达 10001500 转/分，有的高达 2400 转/分，钻探效率也大幅度提高。钻机在我过发展主要在一下几个方面：中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 2 页(一)地质岩心钻机方面钻探工艺的创新和发展必将推进钻探机械的更新与发展，新的高水平的钻探机械的出现，又必将
3、促进钻探新工艺的推广和创新，二者是以钻探工艺为先导而又相辅相成的。随着我国 70 年代金刚石绳索取心钻探技术的飞速发展，高速金刚石钻机为满足工艺上的需要在许多部门中向系列化发展。至峥目前为止，小口径岩心钻机仍以立轴式油压钻机为主体，以宽的转速范围(档数最多达 12 档)、大通径的立轴、自动定心油压卡盘等结构特点来满足多工艺钻探的要求。代表性的金刚石岩心立轴式钻机有地矿部 XY 型钻机、冶金部的 YL 型钻机、煤炭系统的TK 型钻机由 100 m 到 1500 m 都形成了各有特色的系列产品。此外，其它部门(核工业、水电、有色等)也生产了一些不同型号的钻机。上述这类钻机不论其性能还是质量都达到了
4、较高的水平，其中有的钻机的性能指标已达到了当时国际水平。同时，有的探矿厂在现有钻机的基础上，又自行开发了横向派生产品，有的改成轻便型钻机，有的改成多功能钻机。为满足多工艺钻探的要求，长行程、动力头式的全液压钻机也进行了研制，如 XD-4 型电液操纵的全液压钻机，FXD-300 型多功能全浓压动力头钻机等。坑道钻机已研制成功的有 DK-75 型、DK-100 型、DK-150 型，DK-300 型正在研制中。另外，全液压钻石一 300 型坑道钻机也已小批量生产。（二）水文水井钻机方面人类对地下水资源的需求量是越来越大，从而促进了水文水井钻机的迅猛发展。由结构简单、价格低廉的农用水井钻机到机械化程
5、度高的全液压动力头式的水文水井钻机，由单一的冲击或回转钻机到多工艺空气钻进钻机，由适用于正循环钻进的钻机到适用于正反循环(气举、泵吸、泵举)钻机，由散装式钻机到车装钻机，由孔深 150m, 300m, 400m, 500m.,600 m 水文水井钻机到 1200m, 1500m 的地热钻机，多达 20 余种不同规格的钻机，其中大部分都已批量生产。具有代表性的机型有:SPJ-300 型转盘式散装钻机己生产近 2600 台，具有回转、冲击性能的 SPC 型系列车装钻机已有 5 种产品，其中 SPC-300H 型钻机已生产近 400台。另外，还有红星型钻机、ZWY-550 型钻机、SDY-600 型
6、全液压动力头钻机、TsJ-looo 型转盘式钻机等。地热钻机有 RPS-2000 型、SP-1500 型两种。（三）工程地质和工程施工钻机自 60 年代我国自行设计了第一台 SH-30 型工程地质钻机开始，不论在规格品种、结构型式和具有的功能方面都有了长足的进展，并各有特色。具有回转。冲击、振动、静压等多功能的 G 型工程地质钻机已有 6 种不同规格的产品，该机是机械动力头长行程钻机，有车装和拖挂式两种运载方式。这种机型是目前国内主力钻机，广泛用于工程地质勘察，其钻孔深度为 30-120 m。同类型的钻机还有:GJD-2 型、GJDC-2 型, CSG-24 型等。为了搬迁方便，以轻便为特点的
7、 QPC-30 型、QJD-5o 型、QP-50 型、QD-1 型等钻孔深度 30-50 m 的轻型不程地质钻机等已批量中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 3 页生产。另外，还研制了钻深 50-100 m 全液压车装钻机如:CYH-50 型、YDC-100 型，JK_1 型。为了施工灌注桩钻孔，工程施工钻机从 80 年代异军突起，发展迅猛异常。初期为满星灌注桩施工的迫切需求，用岩心钻机、水文水井钻机改装的施工钻机有 XY-4G, XY-5G, GJC-40H, GPS-10, SPC-300H 型及 OZ 型冲击钻机，都发挥了重要作用。同时新设计出由几百 mm 到 3m 多种孔径的反
8、循环施工钻机，如机械动力头式的 GDF-12，具有回转、自动冲击井有自行机构的 GJD-1500 多功能钻机，CF=1 型冲击反循环钻机，桩径 0.8-2m 的 GZQ 型 6 种潜孔钻机，转盘式的有 GPS-15、最大桩径 3m 的 BDM-4, QFZ-200 等。另外，不同规格的螺旋钻机和短螺旋钻机也批量生产，连续墙用钻机等也正在研制中。钻探工艺的创新和发展必将推进钻探机械的更新与发展，新的高水平的钻探机械的出现，又必将促进钻探新工艺的推广和创新，二者是以钻探工艺为先导而又相辅相成的。随着我国 70 年代金刚石绳索取心钻探技术的飞速发展，高速金刚石钻机为满足工艺上的需要在许多部门中向系列
9、化发展。至峥目前为止，小口径岩心钻机仍以立轴式油压钻机为主体，以宽的转速心有占、真范围(档数最多达 12 档卜大通径的立轴、自动油压卡盘等结构特点来满足多工艺钻探的要求。代表性的金刚石岩心立轴式钻机有地矿部 XY 型钻机、冶金部的 Y I.型钻机、煤炭系统的 T1C 型钻机由 100 m 到 1500 m 都形成了各有特色的系列产品。此外，其它部门(核工业、水电、有色等)也生产了一些不同型号的钻机。上述这类钻机不论其性能还是质量都达到了较高的水平，其中有的钻机的性能指标已达到了当时国际水平。同时，有的探矿厂在现有钻机的基础上，又自行开发了横向派生产品，有的改成轻便型钻机，有的改成多功能钻机。为
10、满足多工艺钻探的要求，长行程、动力头式的全液压钻机也进行了研制，如 XD-4 型电液操纵的全液压钻机，FXD-300 型多功能全液压动力头钻机等。坑道钻机已研制成功的有 DK-75 型、DK-100 型、DK-150 型，DK-300 型正在研制中。另外，全液压钻石一 300 型坑道钻机也已小批量生产。目前钻机的发展方向主要趋于全液压型钻机，这应该从国外液压钻机的发展谈起。国外全液压钻机是由 so 年代兴起，初期以水文水井钻机、工程施工钻机居多，随之扩展到岩心钻机、工程地质钻机等领域。随着国外液压件的飞速发展，液压传动方式的优越性在工程机械中越来越得到充分地发挥，同样也受到了钻探机械的青睐。目
11、前国外从岩心、水文水井、工程地质、工程施工、特种钻探工程等钻探设备到坑探掘进设备几乎被全液压设备所取代，可谓之全液压钻机的时代。我国全液压钻机也是从 so 年代初开始研制的，到目前为止，各部门研制的全液压钻机已达近 30 台之多，其品种已涉及到各类钻机，有的已通过正式鉴定，但中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 4 页正式批量生产的甚少。投入的人、材、物与取得的社会经济效益很不相称。虽然探矿界对全液压钻机的优越性并不怀疑，但就目前全液压钻机的发展现状，在近期还搞不搞，如何搞也存有异议，使全液压钻机的发展又处于低潮。为什么我国的全液压钻机发展缓慢跟不上时代的步伐，我认为是受多种因素制约，
12、也是一个系统工程问题，现从以下几方面进行分析：(一)设计能力和水平多年来，各研究所、院校、工厂的科技人员在研制各类全液压钻机的过程中积累了一定的经验，基本具备研制各类全液压钻机的能力。但在液压系统的设计，液压元件的选择和匹配，冷却、过滤、密封等的设计方面与国外全液压钻机相比显得设计粗糙，影响了全液压钻机的质量和水平 0 在设计指导思想上过于追求高的机械化、自动化程度，不仅增加了设计难度，使其结构复杂性又增加了不可靠因素和成本，有些脱离国情，影响了推广使用。(二)液压元件的品种、规格、质量尚不能满足钻探工况的便用典求我们研制的全液压钻机功能基本上都能较好的完成钻探工艺要求，但其主要问题是整机可靠
13、性差，钻机好用而不耐用，故障率令使用者望而生畏，使用中离不开“保健医生即造成故障率高的主要原因之一，就是液压元件选用不尽合理和液压元件本身内在质量不高。我国主要液压元件(泵、马达、阀)不仅品种规格少，而且质量未完全过关，寿命偏低。近几年从国外引进了液压件生产线，情况已有改观，但从总体讲尚不能满足钻机设计上的选择。在国外，设计者主要精力是放在液压系统的设计上，其元件可从世界各国选其性能质量优良的产品，不仅设计周期短，而且钻机可靠。在我国不具备此条件，给设计者造成很大困难，设计者主要精力放在元件的反复选购上或自行设计、仿制元件上，有些喧宾夺主，其实际效果不佳。采用进口元件用在样机上是可行的，但要批
14、量生产不符合国情。总之，由于液压件选择余地小，质量尚未完全过关，严重影响了全液压钻机的发展。(三)使用单位的操作、维修及技术，管理素质有待提高全液压钻机与机械式钻机相比，其技术管理、操作、维修保养的水平相对地都要高。因此对钻探队的技术人员和工人的技术培训极待加强，以新工艺、新设备促进钻探队技术素质的提高，反之，又可促进新工艺、新设备的推广与发展，以形成一个良性循环，使全液压钻机有推广使用的坚实基础。(四)价格高影响了推广使用钻机成本高低是使用单位极为关注的，虽然全液压钻机优点突出，但由于我国液压件较贵，钻机为提高机械化程度又增加了辅助部件一，为了增加钻机的机动性采用车装式，另外，维修保养的成本
15、也要有所增加，使全液压钻机价格更昂贵了。在目前勘探量不饱满，经费短缺的情况下，使用单位要购置这样的设备是有困难的。同时用户还有这样的疑虑，在国内劳动力如此低廉的情况卞，一台全中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 5 页液压钻机的价格可以购买数台半液压机械钻机，而一台全液压钻机未必能超过数台机械钻机创造的经济效益，在讲究经济效益的今日，使用单位是不能不考虑的。自 20 世纪 80 年代以后，在世界范围内钻探机的发展比较迅速。由于液压技术具有部件间的连接机动性强，操作集中省力，扭矩和转数变化范围大等特点，以及以上问题的逐步解决，全液压钻机普遍得到研制与应用。为了适应各种钻探工艺参数的要求，
16、能实现多工艺钻探的多功能钻探机已陆续问世，它可以用一台设备代替几种不同性能的设备使用。随着矿产开采深度的不断加大，新型深孔钻探机也不断出现，而且应用计算机进行控制，使钻探科学化成为现实。1.2.2 钻探机械的类型由于使用目的、工作能力和施工场所的不同，钻机的分类也不同。按破碎岩石的方式可分为：回转式钻机、冲击式钻机和冲击回转式钻机等；按钻探深度可分为:地表取样机（250 米） 、浅孔钻机（50300 米） 、中深孔钻机（300600米） 、深孔钻机（6006000 米） 、超深孔钻机（600015000 米） ；根据用途可分为：岩心钻机、水文地质水井钻机、石油钻机等；按施工场地可分为地表钻机、
17、坑道钻机、海底沉没式钻机等。利用钻探机，自地表按一定角度，沿一定轨迹,钻一定深度和直径的孔，取出地层的有代表性岩心、矿心或岩屑，以达到探明地下地质和矿产资源以及探索地球奥秘的目的。目前钻探机的钻进深度从 2 米到 15000 米，其间分成若干档次。既能用于陆地,也用于江、河、湖、海，以至在月球上取样。它在人类生产和生活活动中，起着重要的作用。1.3 本课题应解决的主要问题1.3.1 轻型液压浅孔钻机的主要用途1.煤矿井下煤层的钻探；2.工程地质勘察；3.固体矿产勘探钻进；4.小型建筑施工的打孔。1.3.2 课题要解决的问题在上述几种主要用途的要求下，显然无论从钻机能力和结构各方面，都需要进一步
18、改进和提高。如何满足其需要，又能达到体轻易迁、身小力大、功能增加，是放在从事钻探设备研究和制造者面前的一项课题。在地质勘探工作中，钻探工作发挥着重要的骨干作用。钻机是钻探工程技术的关键设备。钻机性能的优劣、质量的好坏、搬迁修理的难易等，都直接影响钻探生产。如果我们能把钻机设计中的某些因素与结构，进行认真的总结与整理，中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 6 页用来作为评价比较和设计各种型式钻机的参考，则是十分有益的。1.3.3 课题研究对象轻型液压浅孔钻机的特点1.本钻机采用单立柱的结构，结构简单，使钻机的总重量降低，拆运方便；2.本钻机立柱与调节杆、导轨组成的铁三角结构，使钻机结构轻
19、便的同时又能保证承受更大工作负载的能力；3.本钻机为新型全液压钻机，克服了传统电钻是出现的电机卡死烧毁、漏水漏电和易引起突发瓦斯事件的特点。4. 本钻机由主机、操作台及泵站三部分组成，各部分之间通过胶管连接，主机部分由相互配合的立柱总成、托架总成及回转总成构成。5.本钻机由液压缸推进、液压马达直接驱动，架柱高度为可调式，并且采用液压缸顶紧设计，技术先进，结构合理，动力强劲、钻孔速度快、操作安全可靠。2 轻型液压浅孔钻机2.1 概述本轻型液压浅孔钻机（QXZJ）是井下系列钻机的一种小型钻机。这种钻机主要用于钻煤层注水孔，也可用于煤矿井下其它工程钻孔，比如排水、瓦斯和安装孔等。轻型液压浅孔钻机采用
20、液压传动，主要有泵站、动力头、油缸推进机架、立柱和操纵台等部分组成。这种坑道钻机具有体积小，重量轻，操作简便，解体性能好等特点。数分钟之内便可完成分解或组合，或便于搬迁，该机不仅占地面积小而且能适应各种不同工作环境的需要，所以即为适合煤矿井下使用。2.2 主要使用范围本钻机适用于煤质中硬或中硬以下的煤层。2.3 使用环境条件1、 可在周围空气中的甲烷、煤尘、硫化氢、二氧化碳等不超过煤矿安全规程中所规定的安全含量的矿井中使用。中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 7 页2、 海拔高度小于 3m3、 周围介质温度不超过40 摄氏度、不低于-10 摄氏度。4、 环境温度为25 摄氏度时，周围
21、空气湿度不大于 97。5、 周围介质中无足以腐蚀和破坏绝缘的气体和导电尘埃。2.4 安全警示1. 该产品必须取得矿用产品安全标志后方可下井使用。2. 该产品的电控腔急接线腔的箱盖严禁在带电的情况下打开。该产品在箱盖的显著位置已标有“严禁带电开盖”的字样。3. 用的隔离开关“QS”严禁带电离合。4. 该产品的电路严禁乱拆乱调。5.该产品在煤矿井下使用时，必须配用 YB160M-4 型防爆电机。6.该产品在煤矿井下使用时，必须配用符合防爆要求的高压胶管。7.泵的使用压力出厂时已经调定，非专业人员严禁随意调整。8.压力油管严禁相互缠绕，一面管内压力升高油管弹起造成人身伤害和财产损失。9.使用前及使用
22、中请密切注意压力表的指示情况，如有异常，请立即停止操作，待故障排除后方可继续使用。10.使用中如发现有液压油或机油渗漏现象，应立即停机，排除故障并拭净及其表面残留的油渍；对泄露的油液仔细掩埋和清除后方可继续使用。中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 8 页3 轻型液压浅孔钻机设计3.1 轻型液压浅孔钻机总体方案3.1.1 已知条件钻孔深：25m钻孔速度：1.4m/s钻头转速：270r/min推进行程：1000mm钻杆直径：33-50mm适应岩石硬度：f8整机最大高度：2740mm整机做最小高度：2220mm可调整高度：520mm3.1.2 浅孔钻机总体传动方案的确定总体方案如下图 3-
23、1中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 9 页液压泵站图 3.1本轻型液压浅孔钻机借鉴了 ZYJ280/150 架柱式液压回转钻机，它由主机、操作台及泵站三部分组成，各部分之间通过胶管连接，主机部分由相互配合的立柱总成、托架总成及回转总成构成。创新点：本本钻机采用立柱式机体主要优点：1、比类似产品重量轻、钻孔速度快、精度高、定位准确、操作简便、维修费用极低。2、可以钻不同方位，不同角度的孔，适用于各种复杂的地理环境及工作面。3.1.3 传动系统的基本计算1、钻压的计算由有关资料可知，煤层的硬度介于 14 级之间，也即压入硬度在 01000Mpa 之间，属于中软以下硬度的岩石，而本钻机按
24、适应岩石硬度为 f8 的钻压来算，可实现钻机同时适应井上和井下的工作要求。为实现对 8 级及以下岩层的钻进，应选择胚块式针状硬质合金作为钻头上的切削具，钻头形状如图 3.2中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 10 页图 3.2每块针状硬质合金所承受的压力值为 P2000N/块。次钻头上衔接有 5 块合金，由钻压计算公式C=Pm式中-C 为钻压P 合金压力值 P=2000N/块m 合金个数 m=5所以C=Pm=2000*5=10kN2、转矩的计算经多方的试验和研究(见探矿工程学概论)，在岩芯钻探中，钻机钻进功率为：d123N=+式中 钻进功率；空转钻杆柱的功率；1克服由于传送钻压、钻杆
25、柱弯曲并与孔壁接触而产生摩擦阻力时2N中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 11 页增加的功率；钻头破碎岩石所需的功率(包括钻头与孔底的摩擦功率)3N1).关于空转钻杆柱的功率 1对于以 50mm 锁接头连接的钻杆，钻 69mm 钻孔可用下式计算空转功率 1N=0.64L 1N2n3式中 n钻杆柱的钻速，n=4.5r/sL钻杆柱长度，L=25m=0.6425 124.53.=0.514kw2).关于摩擦增加的功率 3N由于钻杆柱承受轴向力而使钻杆柱弯曲与孔壁发生摩擦因而增加的功率，可由下式计算：=aCn2式中 a经验系数，取 a=2.46 210C钻头上的轴向压力，C=10knn钻杆钻
26、速，n=4.5r/s=2.46 100004.52N210=1.2kw3)关于钻头在孔底破碎岩石所需的功率 3N钻头破碎岩石的功率，常用下式计算：= A3Nb式中 破碎孔底单位面积消耗的功率硬质合金和金刚石钻头钻进时=50 150 w/ ，计算取b41042m=100 w/N2中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 12 页A底孔破碎岩石的面积，A= = 142D1420.69=0.00374m代入数值计算得： =3.74kw3N由以上计算可知，d123=+0.54.74kw钻机的钻速 = = =28.26rad/m6n.0所以，钻机的转矩为：M= = =193NmdN5428.3.1.
27、4 液压马达、液压泵以及电机的选择计算1、液压马达的选择由前面计算的扭矩：M=193Nm；钻机的工作转速 n=270r/s选择液压马达的型号为：BYM-160排量 V=160ml/min转速：10r/min-320 r/min最大工作压力：12Mpa最大工作扭矩：210Nm重量：7.8kg马达的相关参数的计算：将马达的钻速确定为 270 r/min 时马达的理论流量： 160270 43.2L/minMtQ马达的实际流量： 43.2/0.98 44.08L/mintv马达输入功率： 7.347kwMiPp-364.0810马达输出功率： 5.454kwobN中国矿业大学 2008 届本科生毕业
28、设计 第 13 页马达总效率： 0.742MtoiP5.473马达机械效率： 0.76mtv0.2982、液压缸的基本计算1)液压缸内径的计算液压缸的工作压力应 F=C,式中 C 为钻压计算取，F=10kN液压缸内径： 23.5710FpD式中F 液压缸的工作压力（kN）p 液压缸的工作压力 p 11Mpa代入数值有2103.5734.Dm根据机械设计手册液压缸缸筒内径系列(摘自 GB/T2348-1993)圆整成标准值： 40m2)活塞杆直径 的计算d计算根据速度比的要求来计算活塞杆直径，1D式中 活塞杆直径d为液压缸内径为速度比221Dd为活塞杆的缩入速度2为活塞杆的伸出速度1计算取 ，1
29、.460.56dD代入数值计算： 0.52.dm中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 14 页根据活塞杆外径尺寸系列圆整成标准值 28dm3)液压缸的流量计算液压缸的伸出速度也即钻机的钻进速度 =1.4m/s22QA:缸 缸式中 液压缸的流量缸液压缸的伸出速度2活塞无杆端面积，A226210.5314.0514ADm液压缸的机械效率，缸 98缸代入数值： 2Q:缸 缸61.45098.7/minL4)泵的选择与计算由上面在计算可知泵的输出流量 QQ4.081.79M缸5/minL泵的输出功率： BoBPp:式中 泵的输出功率泵的出口流量Q泵的出口压力Bp中国矿业大学 2008 届本科生
30、毕业设计 第 15 页代入数值：36Q45.8710.kwBoBPp: 所需液压泵的排量 nvV:式中 泵的排量泵的实际流量Q泵的容积效率， =0.985 vv代入数值计算的泵的排量3Q45.8710.89/n6vVmlr:由此查机械设计手册选用液压泵的型号为：CB32CB32 的技术规格型号排量/ml 1r压力/Mpa 转速/r 1min容积效 率(%) 驱动功 率/kw 重量 /kg最低 最高 最低最高CB32 3210 12.5 150090 8.72 6.45)电机的选择根据以上选泵的驱动功率 ，在此选择电机为防爆型电机，8.72BiPkw由机械设计手册选择电机型号：YB160M-4Y
31、B160M-4 技术参数型号额定功率/kw满载是额定电流 A满载是额定转速r/min满载时效率 %满载时功率因数 cos额定转矩额定电流最大转矩重量/KgYB160 11 22.6 1460 88 0.84 2 7 2.3 148中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 16 页M-43.2 推进液压缸的设计计算3.2.1 液压缸的设计计算步骤1)根据主机的运动要求，按表 23.6-39 选择液压缸的类型。根据机构的结构要求，按表 23.6-40 选择液压缸的安装方式。(见机械设计手册)2)根据主机的动力分析和运动分析，确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸。例如液压缸的推力、速度、作用时间、
32、内径、行程及活塞杆直径等。3)根据选定的工作压力和材料进行液压缸的结构设计。例如缸体壁厚、缸盖结构、密封形式、排气与缓冲等。4)液压缸性能的验算。3.2.2 液压缸类型与安装方式根据主机的运动要求选择液压缸的类型为：双作用单活塞杆式推力液压缸。液压缸的安装方式为底部螺栓固定，头部耳环连接。3.2.3 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 1F3110FpA式中 液压缸推力（kN）1工作压力（Mpa）活塞的作用面积（ ）1A2m24D活塞直径（m）代入数值：2310.138kFN 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 17 页2）单杆活塞式液压缸的推力 2F
33、3210pA式中 液压缸推力（kN）2F工作压力（Mpa）p活塞的作用面积（ ）2A2m2()4Dd活塞直径（m）活塞杆直径（m）d代入数值：22321(0.4.8)107.5FkN （2）液压缸的输出速度1）单杆活塞式液压缸外伸时的速度1160vqA式中 活塞外伸的速度（m/min）1进入液压缸的流量（ ）vq3/ms活塞的作用面积（ ）1A224D活塞杆直径（m）代入数值计算得 =1.4m/s12）单杆活塞式液压缸活塞缩入时的速度21式中 活塞的缩入速度中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 18 页速度比代入数值： 21.46.2.04/ms（3）液压缸的作用时间液压缸的作用时间
34、t 为VAsq式中 液压缸的作用时间（s）tA液压缸的作用面积（ ）2m活塞杆伸出时 22213.40.156D活塞杆缩入时22222.()(0.8).04144AdmS液压缸行程， S=1m故，活塞伸出时的作用时间 160.25170.9t s活塞缩入时的作用时间 26.838.t（4）液压缸的储油量液压缸的储油量 V 为As式中 液压缸的储油量（ ）3m液压缸的作用面积（ ）A2液压缸的行程（ ）s代入数值： 230.1256.10Vm（5）液压缸的输出功率液压缸的输出功率 N 为中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 19 页NF式中 液压缸的输出功率（kW）液压缸的输出力（kW）
35、液压缸的输出速度（m/s）代入数值： 13.840.26NkW3.2.4 液压缸主要几何尺寸的计算液压缸的主要几何尺寸，包括液压缸的内径 D，活塞杆直径 d 和液压缸的行程 s 等。（1）液压缸内径 D 的计算液压缸的工作压力 F C,式中 C 为钻压故，F 10kn液压缸内径： 23.5710Fp式中F 液压缸的工作压力p 液压缸的工作压力 p 11Mpa代入数值有2103.5734.Dm根据机械设计手册液压缸缸筒内径系列(摘自 GB/T2348-1993)圆整成标准值： 40m（2）活塞杆直径 的计算d计算根据速度比的要求来计算活塞杆直径，1D式中 活塞杆直径d为液压缸内径为速度比221D
36、d为活塞杆的缩入速度2中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 20 页为活塞杆的伸出速度1计算取 ，1.460.56dD代入数值计算： 0.52dm根据活塞杆外径尺寸系列（GB/2348-1993）圆整成标准值 (3)液压缸行程 s 的确定液压缸行程 s，主要依据机构的运动要求而定。但为了简化工艺和降低成本，应该根据 GB2349-1980 给出的标准系列值。根据钻机的给进要求，综上述选择液压缸的行程为 s=1000mm3.2.5 液压缸结构参数的计算液压缸的结构参数，主要包括缸筒壁厚、油口直径、缸低厚度、缸头厚度等。（1）缸筒壁厚的计算1）标准液压缸外径，本液压缸属于工程机械拥缸，故应
37、根据机械设计手册表 23.6-59 给出的工程机械标准液压缸的缸体外径系列来选择。2）由于本液压缸应用于工程机械，且工作压力较大，应选按中等壁厚来计算，公式如下0(2.3)pDc式中 液压缸壁厚；液压缸工作压力（Mpa）；p液压缸内径（mm）；D缸筒材料的许用应力（Mpa）；对于钢管 =100110Mpa计算取 =110Mpa强度系数，采用无缝钢管时 =1，本缸为无缝钢管加工制造；00中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 21 页计入筒壁公差及腐蚀时的附加厚度，一般可略去。c代入数值： 1401.82(2.3)m3）缸体外径的计算1D式中 缸体外径1代入数值： 402.843.6m圆整
38、后得 =50mm1D（2）液压缸油口直径的计算液压缸油口直径应根据活塞最高运动速度 和油口最高液流速度 而定0max00.13dD式中 液压缸油口直径（m）；0d液压缸内径（m）；D液压缸最大输出速度（m/min）， =2 m/s；ax max油口液流速度（m/s），取 =0.54m/s。0 0代入数值： 02.13410.5d（3）缸底厚度计算本缸为平行缸底，缸底无油孔，但带有螺纹杆，如下图：中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 22 页缸体厚度计算如下式0.43phD式中 缸底厚度（m）；液压缸内径（m）；工作压力（Mpa）；p缸底材料的许用应力（Mpa）计算取 =110Mpa代入
39、数值： ，即缸底厚度 =5.48mm，为适应缸10.43.0.548hmh底的最后设计形状缸底允许加厚。（4）缸头厚度计算由于在液压缸缸头上有活塞杆导向孔，因此其厚度的计算方法与缸底有所不同。如下图HA式中 缸头厚度（m） 导向套滑动面的长度，在缸筒内径 80mm 时，取缸筒内径D中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 23 页的 0.61.0 倍（见液压传动，东北大学出版社）D计算取 0.8.4032ADm自选尺寸，计算取 =8mm A32H缸头形状如下图：3.2.6 液压缸的联接计算（1）缸盖联接计算1）焊接的联接计算液压缸缸底采用对焊时如图 3.3 焊缝的拉应力21()4FD式中
40、液压缸输出的最大推力（N）F由上面计算得 =13800N液压缸外径（m）1D焊缝底径（m）焊接效率，通常取 =0.7中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 24 页代入数值： 251380.4(46).779Pa 强度条件： 式中 焊缝的许用应力,bn焊条的抗拉强度，当采用 焊条时b 42T5b =4201Pa安全系数 =3.34，计算取 =4，计算得nn所以焊缝的强度符合要求。图 3-32）螺纹联接的计算根据缸体外径并参考 GB/T196-2003“普通螺纹 基本尺寸”标准，选择缸体与缸盖联接处螺纹的基本尺寸如下：公称直径（大径）、 （mm）Dd螺 距（mm）p中 径、 （mm）2Dd
41、小 径、 （mm）1Dd48 2 46.701 45.836表 3-1缸体与缸盖用螺纹联接时（如图 3.4），缸体螺纹处的拉应力为21()4KFdD螺纹处的切应力为中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 25 页103.2()KFdD合成应力及强度条件为2n式中 液压缸最大推力（N）；F缸筒内径（m）；D螺纹外径（m）由表 3.1 得 =0.048m；0d0d螺纹内径（m），采用普通螺纹时， 可近似地按下式计算：1 110.825dt螺纹螺距（m）， = =0.002m 代入上式计算的t p=0.045836m；1d螺纹内摩擦系数（ =0.070.2），一般取 =0.12；1K1K1K螺
42、纹预紧力系数，取 =1.251.5，计算取 =1.4螺纹的许用应力。 ， 为缸筒材料的屈服极限，sns为安全系数，取 =1.2 2.5，在此取 =2。本缸的缸筒材料为 45 号钢（中碳nn钢）一般 335MPa， 经淬火并回火处理后 45 号钢屈服极限可达s=640Mpa（见机械设计 ，程志红，东南大学大学出版社） 。故螺纹的许用应s力： 6401320MPa将数值代入以上各式有，螺纹处的拉应力： 22.849.13.14(056.0)中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 26 页螺纹处的切应力： 330.12.480.4172.(56)MPa合成应力： 2249.37n a即有： 故
43、，缸体与缸盖的螺纹联接强度符合要求。图 3.4（2）活塞与活塞杆的联接计算活塞杆与活塞肩部表面的压应力（液压传动设计手册，上海科学技术出版社） 22(0.)()c cpDdd式中 活塞上的孔径（m）；2d活塞孔上的倒角尺寸（m），；c0.002活塞杆上的倒角尺寸（m）；许用压应力，活塞杆材料为 45 号钢，所以c中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 27 页0.75.3521.cs MPa代入数值： 62210476(.8.)(.)ccc所以，活塞与活塞杆的联接符合强度要求。（3）耳环的联接设计根据缸径的大小，参考 JB1068-60 或 GB/T14042-1993（见液压传动设计手
44、册）选择耳环基本尺寸如下表：（mm）1R（mm）d（mm）b20 16 20耳环形状如下图：3.2.7 液压缸强度和稳定性验算由于缸筒的刚度通常都大于活塞杆的刚度，故液压缸的稳定性主要取决于活塞杆的条件（见液压传动，东北大学出版社）。（1）活塞杆稳定性验算液压缸承受轴向压缩载荷时，当活塞杆直径 与活塞杆的计算长度 之比大dl于 10 时（即 ），应校核活塞杆的纵向抗弯强度或稳定性。0ld根据材料力学概念，一根受压的直杆，在其负载力超过稳定临界力是，即已不能维持原有轴线状态下的平衡而丧失稳定。所以液压缸的稳定条件为中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 28 页KkFn式中 活塞杆最大推力
45、；F活塞杆纵向破坏的临界载荷（稳定临界力）；K稳定性安全系数，一般取 =24，计算取 =4。knknkn对于没有偏心载荷的细长杆，其纵向弯曲强度的临界值，可按等截面法和非等截面法计算。如果液压缸在受压状态下的最大挠度点（ 所在位置）发生在由导向中心max偏向活塞杆一边（ ， 导向中心到活塞杆端支点的距离 =1.16m）时，液压1xl1l缸的稳定临界压力可按等截面杆来计算；若最大挠度点偏向缸筒一边（ ），1xl则应按不等界面阶梯杆来计算。其受力图如下图： FFrmax21判别最大挠度点位置的 之值可有下式计算：x14EJF式中 活塞杆材料的弹性模量，对于钢材 ；1E 12.0EPa中国矿业大学
46、2008 届本科生毕业设计 第 29 页活塞杆截面惯性矩，对于实体活塞杆1J 46dJ代入数值：141213.42.03.80.5346EJx mF显然 1l故此处的临界力应按等截面杆计算，等截面计算法如下：根据材料力学压杆稳定的理论，按等截面杆计算稳定临界力是有三种可能情况。a当液压缸的柔度 ，即为最大柔度杆时，稳定应力 可按欧拉1likF公式计算，即 12()kEJFl式中 压杆长度折算系数，取决于液压缸的支撑形式，本缸安装形式为两端固定，故取 =0.5压杆的计算长度（及液压缸安装长度）， =1.13m；l l活塞杆的回转半径， ， 为活塞杆直径；i 4di大柔度杆的最小极限柔度，即临界应
47、力相当于材料比例极限时的柔1度，其值为 ,其中 为比例极限。常用材料的 值11PEP 1见表 3-2b当 ，即为中柔度杆时，稳定临界力 可按雅兴斯基经验公式12 kF计算，即2()kFAab式中 中柔度杆的最小极限柔度。根据实验， ， 为材料2 2sabs的屈服极限。常用材料的 值可按表 3-2 选取；2、 实验常数，见表 3-2ab活塞杆横截面积。A中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 30 页c当 ，即为小柔度压杆（或称短压杆）时，实验证明，它的破坏与2失效现象无关，所以只需惊醒强度验算即可。表 3-2实验参数 a/Pa b/Pa 12钢（A3 或25）531011.4 105 61钢（A5 或45） 4636.17 100 60硅 钢 5890138.17 100 60经计算得液压缸的柔度 ，即.1380.72412故有62()(013.70)83.kFAabkN代入稳定条件公式884Kk kn即液压缸的稳定性符合条件。（2）活塞杆强度验算当 且 时，活塞杆的强度验算。当液压缸仅有轴向压缩载荷 和/10ld1xl F自重 G 的作用，而不承受其它横向作用力和纵向偏心力时，液压缸的初始挠度值可按下式计算，即12120()coslGlaF式中 活
