1、-_第 1 章 绪论1.1 引言21 世纪，一个高速发展的新时代，机械化、智能化将席卷全球。人类的大部分劳力活动将由机械代替，主要体现在资源开发和基础建设方面上，而钻孔机械顺势成为了重要组成部分。矿产资源丰富，且为人类必不可少的东西，所以采矿、用矿成了人们所需。本设计主要就采矿工具、凿岩设备潜孔钻机作此研究。由于矿床存在的地理位置有所不一，为了能更好的采矿，人们根据各种条件不断的更新采矿工艺和相应的凿岩设备。各种开采挖掘发展迅猛，因此用到潜孔钻机的地方非常多，成为采矿机械中的重要一员。潜孔钻机可用于井下跟露天开采，主要用于钻深孔，爆破孔。它比传统的凿岩机更优越，功的利用率更高，减轻了损坏，特别
2、是在钻大孔上面更为突出。它的优点主要体现在污染少，利用率高，能大范围使用等，适应现时代的发展需求，以人为本，经济实用，节能环保的理念，是现今运用最广的钻孔设备 6。12 潜孔钻机的发展与现状 12.1 潜孔钻机在国外的发展 近年来，钻机产业发展迅猛，国外许多潜孔钻机制造公司研发制造出了一系列新产品。像 Arias L830 型潜孔钻机；古河的 PCR 一 200 一 DH 型履带式潜孔钻机；Sanvik 公司的推出的 TITONl00 型潜孔 L830 型钻机。特别是 ROCCopco 公司的 ROC 潜孔钻机，为其配备了能提供 3MPa 气压的压缩机装置，是潜孔钻机事业的又一发展。为其设计了
3、新的输送装置，可钻直径达 140mm 的深孔。以实现自动化为主题进行设计制造，使其达到了很高的程度。在智能化上面也做的很好，部分功能均已实现智能化，如臂架的自动定位。节省场地标记和定位时间，提高了工作效率，使经营者集中监测钻井过程。并且在安全和环保上提升了档次，操作人员与机器设备的关系得到了很大的改善。随着国家最新排放标准和智能化法规的实施，多数钻机公司都给柴油机某些方面性能进行了优化，达到了很高的标准 15。1.2.2 潜孔钻机在国内的发展-_国内潜孔钻机起步比较晚，起源于上世纪中期的河北宣化，在国家的大量扶持跟发展下，潜孔钻机的各方面参数得到了长足的进步，制造技术创新也得到了很大的提高，在
4、国内外都有了很高的名声，为此许多国外知名大企业都来此投资。由于宣化的钻机产品质量过硬，技术研究相当的好，将其整理后，一些大学作为教材来作为教学内容来指导。经过 40 来年的发展，宣化的钻机生产已经很规范化了，形成了重要生产基地。钻机主要用于为各种挖掘爆破打孔，能提供雄厚的技术力量，先进的生产制造技术和管理水平的相当完善，在产品的开发和改进上 ，拥有强大的技术团队，雄厚资深的研究背景，因此，潜孔钻机在中国肯定能有大市场，能很好的发展。1997 年，我国潜孔钻机产业得到了飞跃，自行研发出的辅助行走、升降、回转、表面定位的潜孔钻机，成功申请了国家专利，随着一体化液压潜孔钻机的问世，引发了国内钻机的发
5、展高潮。其通用化设计理念成果，很好的突显了它的高性能跟经济实用性 8。虽然这几十年发展迅速，出了不斐的成绩，但还没达到与国际高水平接轨的程度。国外发展迅速，而且起步早，我国从起步到自行研发，经过几十年艰苦奋斗，能有如此成果已然不易。随着设计方法的不断创新和生产技术发展，涌现了许多的新的技术，大大的推动工程机械的前进步伐。一体化液压潜孔钻机的问世，标志着钻机技术更上一层楼，国内由湖南山河智能股份公司做得最好。它的自主研发团队与中南大学智能机械研究所强强联合，研发生产出的一体化液压潜孔钻是国内现今最优良的钻机。运用的技术先进，配置高，能耗低，性价比高于国外很多，为人们所广泛使用 10。现今，随着社
6、会的发展，机械工程领域飞跃也十分显著，在钻机设计上，运用各种新颖的思想理念和先进的制造技术，使产品达到想象中的完美程度。运用计算机优化，使其功与机器的匹配率和负载适应性达到了很高的程度，实现了动力-泵-负载有机了协调，使其具有高性能和可靠性。我国是发展中国家，以经济建设为中心，所以在有些方面的投入会相对少些，由于此局限性，对液压潜孔钻机系统的研究还不深入，因此在这方面的研究与世界先进水平还有一段差距。在大型工程设备的液压回转系统的动态特性对回转特性的影响方面的研究还不足，才达到中等偏上水平。缓冲设计，密封装置是影响动力头平稳性的最大因素，这些成为了我国工程机械上的一些发展难点。1.2.3 国内
7、潜孔钻机发展存在的问题 （1）安全方案设计和人机结合方面的设计上缺陷。总体来讲在安全和设计思路-_上考虑得更为周到。例如国外的产品，在接卸杆处装有传感器控制和急停装置，对及时且有效的处理和防止事故的发生，能最大限度的保护操作工人和机器的安全，减少事故的发生，在安全保护措施上的设计更为合理周到。(2)在使用过一段时间后，由于各部件间的消耗磨损等，精确度等方面达不到要求，就会暴露一些深层次的问题，例如匹配、油的温度、热平衡和可靠性等问题。密封出现问题，这时候就会出现漏油现象，这些细节在国外都是做的非常好的。 (3)智能化、自动化程度不高，在高效方面也有所欠缺。产品质量和性能要求是人们所需要的。由于
8、工期等多方面因素，施工单位对设备要求非常高，效率与质量必须得到保证，而且还经济，降低人力成本 14。13 潜孔钻机的发展趋势由于我国地势复杂，矿产资源分布不均匀，且大部分开采都属于困难型，因此钻机的应用十分广泛，而潜孔钻机作为钻机中的龙头，独占了其中 50%60%，潜孔钻机应用最广的是在露天铁矿、有色金属矿山和石灰石矿山。潜孔钻机普遍的应用于国内外，发展潜力巨大，是工程机械中重要的一员。14 潜孔钻机在实际应用中出现的问题潜孔钻机在实际应用中表现出了一些漏洞，主要是钻的孔会发生一定角度的偏斜。除了与现今的制造水平有关外，客观因素影响也巨大，主要体现在岩层构质不一跟钻头轴压力不稳定上。潜孔钻机在
9、钻深孔上比别的钻机更具优势，所以在这上面应用很多，但是钻孔越深，杆的接头就越多，偏角就会增大，而且轴压力不断的变化，对于钻孔质量的准确性就会降低。钻头漂移，钻头的回转会使孔呈锥形。所以岩层结构和受力不均是使钻孔不精准的最大影响因素。孔的不精确，对于爆破等各方面的影响会更大，使采矿率下降，使钻孔深度收到局限，增加开采成本 8。1.5 选题依据、主要研究内容、研究思路及方案1.5.1 选题依据在 SWDB120 型一体化液压潜孔钻机回转机构液压系统的设计上，现今，随着社会的发展，机械工程领域飞跃也十分显著，在钻机设计上，运用各种新颖的思想理念和先进的制造技术，使产品达到想象中的完美程度。在设计中，
10、运用 Pro/E 三维立体仿真，再通过优化设计分析，在保证各项指标规格的同时使其达到最优，使外形更加自然流畅。使用符合人机工程学的人机界面加漆和自然亲和的制定，实现-_了真正的自然人机一体化。本钻机采用最先进的制造技术、实用可靠的液压系统、优质的部件，保证了系统的稳定性和可靠性，提高了作业效率，具有以下特点：（1）钻机动力头，内燃发动机，空压机三位有机的结合在一体，使其拥有了很好的灵敏性，对地势环境要求更加简易，且能使线路布置更为简单合理，可行性更高。（2）对操纵室的设计极为合理，室内有冷暖空调，空气清新净化设备，钻机的各个操纵杆都在司机的最舒适的操作范围内，由液压先导操纵手柄对各项操作进行集
11、中控制，能用最舒适的姿态完成最艰难的操作。各项指示灯的安装位置也很合理，司机能很好的掌握作业情况。（3）设有灵敏度很高的自动防卡钻设备，能使钻机更好的运行。对于孔深也有装置进行测量和仪表进行显示。在室外也设有扩音器等设备，使操作更加安全。（4）设有能自动拆卸钻杆的装置，能减轻操作者的劳动量，降低疲劳强度，很好的实现了自动化，进而更好的提高工作效率。（5）回转机构设有液压减震装置，能很好的减少冲击载荷，使岩层能很好的吸收冲击力，保证钻孔的顺利进行，达到保护钻机的功用，延长其寿命，提高钻孔效率。1.5.2 主要研究内容主要内容：设计计算一体化液压潜孔钻机动力头回转机构的液压系统，妥善解决传动部分与
12、工作部分的联接，完成工作要求。（1）对一体化液压潜孔钻机进行结构分析。（2）设计一体化液压潜孔钻机的动力头回转机构。（3）绘制一体化液压潜孔钻机动力头回转机构的液压系统图。1.5.3 研究思路及方案一体化液压潜孔钻机的回转动力头采用全液压驱动的方式，其主要组成有五个部分，它们分别是：原动力部分：采用双联变量式液压柱塞泵，能适应各种岩层环境；执行驱动部分：摆线液压马达；控制部分：液压系统中需要的各种阀块，有压力控制阀，方向控制阀，流量控制阀；辅助部分、传动介质部分。回转动力头由四部分组成，分别是：作为连接不分的法兰盘、提供动力的动力机、传递能量的连接件、调节速度的减速箱。回转力矩跟转速由动力机产
13、生，然后经其他三部分传递给钻杆，它再带动冲击器和钻头对岩层进行作用以此满足我们所需。-_第 2 章 回转系统的总体设计2.1 一体化潜孔钻机动力头回转机构系统分析2.1.1 潜孔钻机结构总成及介绍潜孔钻机的形成钻孔基本思路，破碎凿岩方法，冲击旋转使岩石破碎，进而达到需要效果。凿岩时，冲击器没入孔内，由于有空气压缩装置，对孔底部不断施加气压，形成很大的冲击力，钻具与钻头主轴同时转动，因此，在每次完成冲击以后，钻头相对于原来都会转过一个角度，为下次冲击做好准备，冲击器是通过高压气来提供能量的，进而完成做功，钻孔会有很多岩石颗粒跟粉尘，若不弄掉它们，它们会与钻具再次研磨，浪费掉很多无用功，而且会降低
14、钻具的寿命。所以必须将它们处理掉。而高速冲击的钻杆就能带走它们，使孔底干净。 一体化液压潜孔钻机为冲击回转式凿岩钻孔，机械外观主视图 2.1、外观主视俯图 2-2 如下所示，由推进系统、回转装置、钻杆库、钻架、补偿油缸、滑架、举升油缸、卸杆器、吸尘罩、除尘装置、行走架、机架、支腿、后支架、空压机及压气系统、柴油机泵组、油箱、液压系统及多路阀组、司机室、护栏、钻架支座、等部分组成 10。-_2.1 一体化液压潜孔钻机外观主视图2.2 一体化液压潜孔钻机外观俯视图本钻机总体结构部分有：（1）柴油机泵组配装玉柴 YC6L280-30 柴油机，功率 70KW。（2）压气系统本钻机的压气系统配制成螺杆空
15、压机，由空压机给动力头机构提供气压，清除孔内灰尘和杂质，使钻孔质量更高。（3）液压系统全液压钻机的各个动作、行程，一般用液压比例先导阀或者电磁阀对其进行操作控制，还能迅速变换机构的运行速度，不仅反应灵敏，而且效果明显，最大限度的提高钻孔精度。（4）滑架滑架是潜孔钻机的一个重要组成部件，主要用来支撑和连接钻架，液压缸对滑架和钻架作用，从而实现它两结构总成的升降和改变钻孔的方向。（5）钻杆-_钻杆可分为两部分，第一部分称为主钻杆，它的上端与回转机构接头联接，下端与冲击器接头联接；第二根称为副钻杆，它主要是用来对主钻杆进行加长。主副钻杆各内外螺纹接头为锥形。（6）机架机架是相当于汽车的底盘，很多的部
16、件结构都安装在它上面。后支架主要用在运输过程中，滑架和钻架落下时对它们进行支撑保护。在到达钻孔地点后，将钻架和滑架立起来，此刻将护栏安装机架上。在机架的四脚各装有一条支腿油缸，用于钻孔时钻机的调平和支撑。（7）油箱油箱是用来储存油液，且还有散发热量、沉淀污物及安装平台等作用，由过滤器和测量油温跟液位的计量器组成。（8）回转机构该回转机构是由液压马达、减速齿轮箱、管接头、运行滑板和供气机中转站构成。该机构的推进功能靠固定在滑板上的链条是由轴销和弹簧减震机构而进行紧固的。回转机构产生动力的机构是液压马达，可以输出的转速为 050 转/分并带有连续可调的功能。（9）推进机构推进机构由多方面组成的，它
17、包括推进液压缸，链轮链条组及其带有缓冲作用的弹簧。其一端绕过主动链轮的链条在轴销的作用下紧固在滑板的上侧，而它的另一端则经过从动轮固定在缓冲弹簧上，连接在滑板下部的是缓冲弹簧的另一侧，推进和提升两个功能的实现是在液压马达正反转来完成的。在自动控制系统的控制下推进液压马达具备了缓冲的性能。（10）卸杆器卸杆器是由各个不同的构件所组成的，它由上卸杆器体、下卸杆器体、上卡爪、下卡爪、卡杆缸及卸杆缸等部分构成。在卸杆作用的时候，卡杆缸将下钻杆卡牢，同样在上钻杆处由也是由卡杆缸卡牢，在卸杆缸动作时其连接螺纹会开始松动，在回转机构的作用下卸下钻杆。（11）冲击器冲击器选用山特维克高风压冲击器。（12）行走
18、机构行走机构的设计结构比较复杂，由液压马达、行走支架、多级齿轮减速器、张紧装置与从动轮等组成。其驱动方式采用双作用液压马达在减速器作用下实现的。为了安装方便，减速机安装在履带宽度之内，运用黄油进行调节润滑，速度控制采用不同的档位，并且采用了刹车制动器，在操作安全上得到了极大的保证，减速机-_的润滑采用 N220 装在减速机内部实施不间断润滑效果。（13）司机可在室内对所有操作进行控制，而且操纵姿态舒适，通过控制手柄、电磁阀或脚踏阀来对钻机的各个动作进行控制和调节。2.2 一体化潜孔钻机动力头回转机构系统分析2.2.1 动力头主要组成部分 动力元件：双联变量式液压柱塞泵。 执行元件：动力头、摆线
19、液压马达。 控制元件：它是控制系统中执行元件的流量、压力和方向的，各种阀块，其中包括压力阀、方向阀、流量阀等。 辅助元件：油箱、管道、过滤器及各种指示仪表等 2。 工作介质：液压油，传递能量和信号。2.2.2 动力元件的分布本钻机回转部分选用左右双回转摆线液压马达对称布置的结构，回转装置的初始位置布置在钻机的轴线上面，动力头安装在回转支座上的，它上面安装有两个小齿轮轴，它们与左右液压马达的活塞杆端的矩形花键分别相连。不止能实现诸多功能，在外观形态上也有可观性。另一个关键问题是使回转装置能实现正反回转的功能，回转支座上动力头的两个小齿轮轴的旋转是通过马达的活塞杆来回伸缩运动来推动的。一体化液压潜
20、孔钻机回转动力头由四部分组成，分别是：作为连接部分的法兰盘、提供动力的动力机、传递能量的连接件、调节速度的减速箱。回转力矩跟转速由动力机产生，然后经其他三部分传递给钻杆，它再带动冲击器和钻头对岩层进行作用以此满足我们所需 16。动力头的外形如图 2.3 所示：-_图 2.3 动力头外形结构1、液压马达（带小齿轮） 2、大齿轮 3、箱体 4、主轴 5、法兰盘 6、连接体两液压马达的连接方式是大油腔与小油腔互相交叉连接。运作过程大致如下：压力油从油管进入左小腔、右大腔时，左活塞杆则会做收缩运动，右活塞杆则向外伸。进而推动回转座上的动力头做逆时针旋转运动，与岩层形成强大的剪切力矩，从而实现运动目的，
21、完成部分功能要求。反之则右活塞杆会收缩，左活塞杆向外伸，从而推动支座与前方向相反的运动。大部分钻机在实际作业中，回转机构的运动范围基本上都在中间位置左右两边的 600范围间，可整个的工作设备需要从左到右发角度范围为 1800，转到支座两边的极限位置。钻机在工作时，动力头与地面接触，会产生很大的惯性冲击，很可能损坏液压系统。为了很好的保护回路，减轻液压冲击，使用了溢流阀，它的作用是进行溢流缓冲，还使用了弹簧减震，它也是缓冲装置，从而来延长回转机构的工作寿命。动力头回转支座的结构简图大致如图 2.4、2.5、2.6 所示：图 2.4 动力头支座立板-_图 2.5 动力头支座侧板图 2.6 动力头支
22、座底板在 SWDB120 型一体化液压潜孔钻机回转机构液压系统的设计上，现今，随着社会的发展，机械工程领域飞跃也十分显著，在钻机设计上，运用各种新颖的思想理念和先进的制造技术，使产品达到想象中的完美程度。-_第 3 章 回转动力头机构液压原理技术参数的计算3.1 液压马达参数的确定3.1.1 主要参数的组成钻头和冲击器的能量来自于动力机，它的回转力矩跟转速作用给钻杆，而连接件，法兰盘跟减速箱就是其中的连接件。液压系统的设计和液压元件的选择，它们的主要依据参数是排量跟压力。液压泵的工作压力取决于外负载的大小和排油管路上的压力损失，而与液压泵的排量无关；液压执行元件（即马达）的运动速度和结构尺寸决
23、定了排量 2。3.1.1.1 液压马达转矩的计算本系统的压力设为 10MPa，最大驱动扭矩为 =2000N.m,其机械效率为T=0.95，则马达惯性力矩 = 。 m iT20Nm则载荷力矩：， （3.1） mitT195.i3.1.1.2 液压马达排量的计算液压马达的输出转矩公式是 mPVT2所以液压马达的排量：= （3.2）mm2V95.014.373-10.r/m-_式中： 液压马达的最大负载力矩，maxTm.N进、出油口压差，pa；p液压马达的机械效率，齿轮马达和柱塞马达取 0.90.95，叶片马达取0.80.9。液压马达的排量也要满足最小的转要求（3.3）minqV式中 通过液压马达的
24、最小流量；minq液压马达的最小转速 2。3.2 液压马达选型3.2.1 回转装置结构选择潜孔钻机是一种回转式钻孔机械设备，它是用钻头的对岩层的冲击和回转运动从而使岩层破裂，它们总称为潜孔冲击器。回转动力装置的设计极为重要，作为钻机的最重要组成部件，为系统动力源，所以它好坏直接影响钻机效率，生产率跟钻孔成本，开发出最优性能的产品是我们设计的根本目的。钻具破岩需要很大的回转力矩和推力，它的功用就是为其提供能量，使钻机能够很好的运转。本设计中机构的转速和扭矩由工作轴来实现，由动力机通过减速机构来传递。根据钻机各种参数要求和工作地点，工作件需要一个平稳的回转速度，足够的扭矩需求，再通过对现有潜孔钻机
25、的动力机和减速机参考，用双马达驱动回转头来驱动更为优越合适。由于各种岩层的钻孔需要的扭力不一样，为了能更好利用能量，用两个马达并联传入动力，这样不仅能在符合设计的参数要求的同时增加动力机的寿命，还能降低成本。如图 3.1 所示：-_图 3.1 双马达驱动回转头3.2.2 液压马达的型号说明及选择参数参考：钻具转速：050rpm回转扭矩：2000 N.m钻孔最大功率：45KW由于方案的动力采用两个原动机来实现动力的供给，所以所要选的液压马达的扭矩应在 0 到 2000Nm 的范围内。根据资料分析，选用 BYM 系列低速大扭矩摆线液压马达系列。该系列马达采用补偿式端面配流结构，该系列马达具有较大的
26、排量和较高的输出扭矩，工作效率高，而且安全可靠。广泛应用于各行各业。技术参数见表 3.13。表 3.1 宁波液压马达厂生产的 BYM 型摆线液 压马达技术参数与型号说明压力/Mpa 转速/（r/min）效率/%型号 排量/（mL/r） 额定 最高 额定 最高 容积 总效率转矩/N.M旧型号质量/kgBYM-S160 160 14 16 500 650 93 80 307 20BYM-S200 200 14 16 400 520 93 80 384 20.5BYM-S250 250 14 16 320 416 93 80 480 22BYM-S320 320 14 16 250 325 93 8
27、0 614 22BYM-S400 400 12.5 14 200 260 93 80 685BM-D23BYM-M315 312 16 16 320 416 93 80 610 30.7BYM-M400 398 16 16 250 325 93 80 780 31.5BYM-M500 496 16 16 200 560 93 80 981 32.4BYM-M630 625 16 16 160 208 93 80 1236 33.6BYM-M800 798 16 16 125 162 93 80 1570BM-E35.2BYM-L800 795 12.5 14 200 260 93 80 139
28、3 54BYM-L1000 997 12.5 14 160 208 93 80 1747 BM-F56-_根据表 3-1 参数和上述计算，经过比较分析，决定选用额定扭矩为 614N.m，额定转速为 325RPM 的液压马达作为回转头的动力机，即 BYM-S320 型号。3.3 动力头输出参数计算液压系统的设计，液压元件的选择，都需要以传动装置作为依据，而动力头就是本设计的选择依据。压力由负载决定，通过压力来选择执行元件。3.3.1 输出动力力矩 （3.4） 21diM式中： 输出动力矩为 612Nm； dM动力机产生力矩，Nm；动力头内减速箱的传动比为 5；i减速箱传动效率；1=(O91 09
29、9)t； 传动级数；钻杆与钻杆间和连接件之间的传动效率；与钻杆数量、螺纹种类也有关。2则动力头输出力矩为： = （3.5）21iMdm.52916.0564N3.3.2 输出转速 （3.6） 0dn式中： 动力头输出转速； dn动力机产生回转转速。0（3.7）min/452rd3.3.3 工作阻力矩的计算 潜孔钻机在钻孔时，钻具所受到的阻力矩 包括很多方面，主要由以下几种阻zM力矩组成：BYM-L1250 1249 12.5 14 130 169 93 80 2189 58-_在相邻两次剪切，钻具与岩瘤冲击所产生的剪切力矩 。活塞每冲击一次钻1M头转过的角度为：(nf) （3.8）036每一次
30、每个钻刃所能钻削的岩块长短是：L= R80 0 （3.9）其中：（3.10）21/nd式中 ： 为 i 规格的钻刃数 ；2d 在一次剪切中，能剪切的最大宽度；则 ： （3.11）10/dMnkRf式中： 为钻具总数 ；0前后两次凿切所对当次能钻深浅的作用程度；k岩石抗剪强度 ；0为钻具转速 ；dnf冲击频率；R钻头跟钻刃各自中心间的加权半径。 岩石跟钻刃形成摩擦力矩 。表达式为： 2M（3.12）20MF式中： 钻刃与孔底间的摩擦系数；0F钻头承受的轴压力值。孔壁间的岩粉与钻杆外缘摩擦会产生阻力矩 。钻孔时，钻杆会产生弹性变3形，小幅度偏摆，会与孔壁和岩粉摩擦产生阻力矩。它的大小与岩石性质、岩
31、粉粒度，钻头结构、排粉状况等密切相关。 其表达式为:（3.13）32MK式中：是比例系数，通常取 0.1O.3。 3因此 ，总阻力矩：-_（3.14）mNMz .450321由于地质复杂多变，所以原动机需要能提供多种扭矩和转速。一般要求或 , 为安全系数，取 1.11.5。12M2dKd通过以上计算和选择，大致上确立了各项主要参数。3.4 齿轮的各参数的计算 3.4.1 压力角 的选择本次设计的齿轮为标准直齿轮，其压力角 选用国家规定的标准值一般为 20o17。3.4.2 齿数的选择在以保持齿轮传动的中心距不变和弯曲强度足够的前提下，增加齿数，不仅能使重合度增大还能提高其平稳性，增加齿轮的寿命
32、，而且模数还可以相对减小。金属切削量也能有所减少，节省材料，减少制造成本，其效益更高。使结构紧凑的同时，提高齿面抗胶合的能力，因轮齿容易磨损和断齿，压力角 =20o的标准直齿圆柱齿轮，为使轮齿免于根切，小齿轮齿数一般取 Z1=1420。在选择外齿变位齿轮时,应使变位后的齿轮避免根切、顶切、干涉和必要的齿顶厚和重合度的要求 15-148。表 3.2 外啮合齿轮变位系数的限制条件-_根据上述参考资料，初步确定小齿轮轴的齿数 Z=14， ， ， 齿201ahd轮的变位系数 =0.12418。174minX3.4.3 模数的选择齿轮的模数的尺寸计算和选择应采用国家标准模数系列，它是其计算中最基本的参数
33、之一，它与齿数决定了分度圆的大小。模数越大则齿距相对会越大，轮齿也就越大，齿轮的抗弯曲能力便越强，综合性能越好，本设计选择模数为 3mm17。3.4.4 齿轮其他主要尺寸的确定已知：钻具转速 050 rpm，马达额定转速为 325/ min， 马达额定扭矩：614N.m，额定功率 45KW， 钻孔直径：150 mm。 通过上面的各项计算和元件的选用，初步选定主轴的转速为 /min。因为马达的转速受外界因素影响比较大，各岩502v层对于转速的大小不相同。不能达到额定的转速。所以取 。min/25r所选小齿轮的齿数为 ，齿轮的传动比 i= ，得到大齿轮的齿14Z421V数为 =70。2Z小齿轮各参
34、数如下：分度圆直径 1dmzm4213基圆直径 =bzo90cscos齿宽 b= =142=42mmd大齿轮各参数如下：分度圆直径 z21732基圆直径 mm70cos6cosb中心距 = =1.5（14+70）=126mm1a21啮合角 =0齿根高 mm31ha-_第 4 章 回转动力头机构液压原理设计4.1 回转动力头机构液压回路的选择虽然现今机械已非常发达，运用的液压系统也更加复杂，但万变不离其宗，不管是多么复杂的系统，它都是由一些简单的回路组成。液压回路设计是否合理，直接对钻机的功能和性能产生影响。液压回路主要包括对压力、方向、动作、速度等方面的控制 1。一个合格的液压系统至少能实现下
35、面几个方面的功能：1、系统必须有过载保护装置，液压泵卸荷回路，能使工作较为平稳、人机的保护措施要可靠、换向冲击小等基本功能；2、达到基本的自动化程度、能实现自动循环功能；3、具有反应灵敏、制动性强、机动性好、控制精度高、稳定性好、可行性强等特点。4.1.1 调速回路的选择执行元件的运行快慢，是通过液压调速回路来进行控制的。对于如何调速，我-_们可以从它的表达式中来寻求调节方法。调速回路有三种：节流调速回路，容积调速回路，容积节流调速回路。选择调速方案时，首先考虑满足使用性能要求，同时应使结构简单、工作可靠、成本低廉等基本要求。调速回路要能达到以下几点基本要求：在规定限度内控制速度，使其达到最优
36、速度比；给动力头执行部件供给足够的力矩；作业效率要在一定范围内，有效功不能有太多的损失；系统要有一定的刚性，在遇到冲击等突然情况时，还能维持正常运转。以下几点可作为选择依据 2-147：（1）功率不大的地方。它有以下几个缺点：速度不稳定，损耗大，效率低。（2）对马达的速度进行调节，在容积调速回路中是经排量来对其进行控制的。这种调节方式损失很少，发热量低，效率高。在大型机械上很常用，比如需要压力大，流量大的大型机床、各种矿山和工程机械的大功率场合，经过分析决定选用容积节流调速回路 2-158。容积节流调速可分为定压式与变压式两种调节方式。定压式主要用于负载相对稳定，功率使用量不大的场合；而变压式
37、则在速度较低，负载变化量大，功率中小型场合用得较多。使用场合不一样，调速方式就不一样。泵的调节一般用电业比例阀，对阀而言是节流调速。因为潜孔钻机的工作环境变化大和其工作原理的特点，液压系统需要泵为其提供压力小而流量大和压力大，流量小的油液。再结合节能环保和高效率等方面来对泵进行选择，双联式变量柱塞泵是最为合适的。如图 4.1 所示：图 4.1 双联式变量柱塞泵4.1.2 制动回路的选择性能参数设计的好不好，会直接影响生产效率，钻孔的质量跟操作环境。钻孔-_精确作为潜孔钻机的一大优势，所以在设计其性能参数上很讲究。回转制动分为开式和闭式两种，它们有明显的区别。开式回转制动的操作复杂，制动时比较缓
38、慢，需要先断油再制动，手和脚共同操作来实现，制动性能和效果由操作者决定，主观因素太大，需要的协调性太强，不能适应其要求，所以已被淘汰。然而闭式制动则是通过切断油路和控制机械闭式制动器或者两者合用来对其进行制动的。能实现自动回转制动，而且效果明显，灵敏性强，用操作阀断开油路，再用时续控制制动阀，所以操作起来更为简便。能使回转精确，冲击力较小，而且在停机时还能进行机械制动，安全性更高，所以选闭式制动。使用溢流桥在控制马达的制动过程中拥有着十分巨大的优势，如果电磁换向阀复位至中位时，液压马达的运转在惯性力的驱使下还会继续转动，此刻高压油通过单向阀时溢流阀会对其进行限压，而另一端的单向阀靠油箱吸取液压
39、油。该回路不仅可以限制其引起的液压冲击，而且也可以使马达稳定制动，这几个单向阀起到了对马达的自动补给液压油的功能 3-403。图 4.2 溢流桥制动回路-_4.1.3 快速运动和换向回路的选择选用了容积节流调速回路，实现快速运动，就必须设置单独的油路，将其直接与液压马达的两腔相联接。换向阀作为换向回路中的主体阀，它的选用尤为重要。（1）换向阀的工作原理是：当前应用最广的是滑阀式换向阀，每一个换向阀都是由若干个沉割槽的阀体和若干个台肩的阀芯这两个主要部件构成。换向阀的原理是依靠阀芯与阀体的相对运动来切换液流的方向达到换向的目的的。其工作原理如图 4.3 所示 4-139：本系统采用电液换向阀式换
40、向连接回路，调压问题在油源中已经解决,所以在此就不作过多阐述。卸荷在液压系统设计中非常重要，但此系统中如果采用中位机能为 Y 型的三位五通换向阀，届时将不需要为其设置专用的油路跟元件，所以选用三位五通换向阀。图 4.3 三位五通换向阀在此次设计中，为了能使活塞杆工进时活得较高的速度，用液压马达差动连接的方式。因此换向回路中采用如下形式：至 工 作 执 行 部 分-_图 4.4 电液换向阀4.2 液压系统原理图4.2.1 一体化液压潜孔钻机液压原理图通过上面的设计概述，对本孔钻机各部分组成和总体结构有了大概的了解，可以设计出如图 4.5 的液压原理图，由于空间限制，下面只对其主要部分进行更透彻的
41、分析与介绍。-_图 4.5 一体化液压潜孔钻机液压原理图4.2.2 动力头回转机构液压原理图本液压回路需要各种元件和阀体在上面的设计中均已选好，下图是将上述选出的各种回路组合在一起初步得到动力头回转机构液压原理图，如图 4.6 所示：过 滤 器2:背 压 阀3双 联 式 柱 塞 泵回 油 过 滤 器液 控 单 向 阀6节 流 阀7三 位 四 通 电 液 换 向 阀8摆 线 液 压 马 达9液 压 马 达 液 压 锁-_图 4.6 动力头回转机构液压原理图上图为初步制定的液压原理图，但仔细分析可发现，此系统还存在一些问题，所以进行如下改进：（1）双联式液压泵的差动连接，很可能出现供油过足而使整个
42、系统油压过高现象，因此要在泵中串联一个单向阀 A 防止此现象的发生。（2）在回转机构运作时，若回油路直接连通油箱，这样会严重影响液压马达的差动连接效果。阻止油液在回转时返回油箱，导致回转油压不足因而影响钻机的正常作业，更好的消除安全等隐患，因此要在回油路上串联一个液控顺序阀 B。（3）为方便操作人员读取和调控油压，遇见情况后及时的做出处理，减少不必要的事情发生，在油路中需要设立一个油压表 C 和远程调压控制阀。修改后的液压系统图如图 4.7 所示：-_图 4.7 调整后的动力头回转机构液压原理图1、过滤器 2、背压阀 3.双联式柱塞泵 4、回油过滤器 5、液控单向阀 6、节流阀7、三位四通电液
43、换向阀 8、液压摆线马达 9、液压马达液压锁 A、液压单向阀 B、液控顺序阀 C、油压表 D、远程调压阀4.3 液压元件的选择一个完成的液压系统必须要有此四类液压元件，它们分别是控制、执行、动力和辅助元件。它是液压系统的核心，与控制回路组成各种系统。阀体跟管道连接液压元件组成基本回路，所以它的选择尤其重要。以下分别对各类元件进行选择确定 4。4.3.1 液压马达的选择（1） 液压马达的选择在前面的计算中，液压马达排量已经通过计算得到，为 139mL/r，在钻机正常运作时，输出转矩 2100N.m，系统压力为 10Mpa,选用 BYM 系列低速大扭矩摆线液压马达。 =81L/min, （4.1）
44、maxqV =250 mL/r, （4.2）=325r/min, (4.3）axn在 P=16Mpa 时，T=2900N.m 的输出扭矩，m=22kg,灌注油量 3L。（2） 马达实际所需流量计算本设计中动力头的箱体选用盐城市宝利来精密机械制造有限公司生产的部件，其传动比为 i=5，质量 m=220kg。所以马达转速为：n=i 45r/min=5 45r/min=225 r/min （4.6）由此马达实际所需流量为：-_=V n=250 225 r/min=56.3L/min （4.7）q610rm/3（3）BYM 系列摆线液压马达的分析BYM 系列摆线马达是一种低速大转速液压马达，其结构图如
45、 4.8 图所示。它使用端面配油的方式，此种方式能提高马达的使用寿命和容积效率，提高了其性能优势。该系列马达优点明显，具有适用范围广，能输出多种转速而且转矩大，不仅在低速时能运行稳定，在高速运作下也能保持平稳，而且工作效率高、使用寿命长，占地面积小，质量较轻，有利于搬运，可以直接与工作机构相连等优点，因而适用于各种低速重载的传动装置，能广泛应用于各行各业 3-61。4.8 摆线液压马达结构图13-密封；4前盖；5止推环；6壳体；7配流轴；8花键轴；9推力轴承；10辅助配油板；11限制块；12后盖；13定子；14摆线转子4.3.2 液压泵的选择（1） 液压泵工作压力的确定(4.8) Pp1式中：
46、 液压执行元件最高工作压力， =10Mpa；1P液压泵出口到执行元件入口之间所有沿程压力损失和局部夜里损失之和，取 =1Mpa。所以泵工作压力为 2-193：=10+1=11Mpa (4.9)pP（2）液压泵流量的确定(4.10) max)(qKP-_式中 ： 同时动作的各执行元件所需流量之和的最大值，对于工作中式中需maxq要溢流的系统，尚需加上溢流阀的最小溢流量，可取其额定流量的 10%，此处取。 s/105.34K系统泄漏系数，一般取 K1.11.3，大流量取小值，小流量取大值，此处取 1.2。所以液压泵流量：=56.3 1.2=67.6 L/min (4.11) pq因为系统压力损失、
47、泄漏等是经验所取，而且理论值与实际不是非常一致，而且系统中需要有一定的压力储备，因此所选的额定压力都要比最大工作压力大2560 2-194。（3）液压泵驱动功率的确定： = 14.56kw （4.12）%85106.7q63pP其中 液压泵的总效率 2p表 4.1 液压泵的总效率 4类型 齿轮泵 螺杆泵 叶片泵 柱塞泵总效率/% 6080 7585 5482 8186考虑到整个钻机的其它工况动作，选择武汉富鑫达液压气动设备有限公司的 L2F液压柱塞泵，其： =130 , =50 Kw,V=50 mL/r。速度 1450r/min 时，maxqin/lmaxPq=72L/min， =35Kw。P
48、4.3.3 油管的选择油管的计算主要是确定油管的内径和管壁的厚度，因本系统的制动阀安装在液压马达上面的，所以计算出马达进出油管的管径即可。油管内径计算式为(4.13) vqd2式中:q通过管道内的流量，取最大流量 ；min/5.6qL油管中推荐的流速，吸油管取 0.51.5m/s；压油管取 2.55m/s；回油管v取 1.52.5m/s，此处吸油管取 1.2m/s，压油管取m/s 4-312。则有：-_液压马达进油管： （4.14）msLd 21 10./2.1in56.q2液压马达出油管： （4.15）m32 ./5i按标准值选取： =11mm （4.16)1d=5.3mm （4.17）2整个系统的油管都选用橡胶软管，经久耐用，可以随意弯折，能很好的适应潜孔钻机山野工作环境。
