旋转钻机I的机电液系统设计及数控加工编程毕业设计说明书.docx

旋转钻机I的机电液系统设计及数控加工编程毕业设计说明书.docx

《旋转钻机I的机电液系统设计及数控加工编程毕业设计说明书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《旋转钻机I的机电液系统设计及数控加工编程毕业设计说明书.docx（64页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

旋转钻机I的机电液系统设计及数控加工编程毕业设计说明书

旋转钻机I的机电液系统设计及数控加工编程

液压系统设计及零件数控加工自动编程

Designofelectromechanical-hydraulicsystemandNCprogrammingofrotaryrigⅠ

DesignofhydraulicsystemandNCprogrammingofmachinepart

University:

Major:

Grade:

Name:

Advisor:

Department:

AcademicTitle:

Date：

摘要

作为现代机械设备实现传动与控制的重要技术手段，液压技术在国民经济各领域得到了广泛的应用。

与其他传动控制技术相比，液压技术具有能量密度高、配置灵活方便、调速范围大、工作平稳且快速性好、易于控制并过载保护、易于实现自动化和机电液一体化整合、系统设计制造和使用维护方便等多种显著的技术优势，因而使其成为现代机械工程的基本技术构成和现代控制工程的基本技术要素。

旋转钻机是用切削式钻头破碎岩石的钻孔机械，也称旋转切削式钻机。

在采矿工程中应用旋转钻机已有多年的历史，但多数是应用在井下煤矿且钻孔直径很小，如煤矿电钻等。

本文根据旋转钻机的用途﹑特点、要求和工作环境，利用液压传动的基本原理，拟定出合理的液压系统图，再经过必要的计算来确定液压系统的参数，然后按照这些参数来设计液压缸并选用液压元件的规格和进行系统的结构设计。

该液压系统呈长方形布置，动力系统采用电气控制系统和液压系统，结构简单、紧凑、动作灵敏可靠。

可实现不同工况下的煤层钻孔要求。

关键词：

旋转钻机；液压系统；电控系统；液压站

ABSTRACT

Asoneofthemodemmachineryequipmenttransmissionandcontrolimportanttechnicalmeans，hydraulictechnologyinthefieldofnationaleconomyhasbeenwidelyused.Comparedwithothertransmissioncontroltechnology,hydraulictechnologyhashighenergydensity,flexibleandconvenientconfiguration,largespeedrange,rapidandsmoothworkability,easytobecontrolledandoverloadprotection,easilyrealizedautomationandelectromechanicalintegration,systemintegrationdesign,easymaintenanceinmanufacturingoperationandothersignificantadvantagesintechnology,whichmakeitbecomethebasictechnologyofmodernmechanicalengineeringandthebasictechnologyofmoderncontrolengineering.

Rotarydrillingrigiswithacuttingbitbrokenrockdrillingmachine,alsoknownastherotarycuttingtypedrill.Inminingengineeringintheapplicationofrotarydrillingrighasmanyyearsofhistory,butmostisusedinundergroundcoalminesandtheholediameterisverysmall,suchascoalelectricdrill,etc.Thispaper,basedontheuseofrotarydrillingrig,characteristics,requirementsandworkingenvironment,usingthebasicprincipleofhydraulictransmission,andformulateareasonablehydraulicsystemdiagram,againthroughthecalculationsnecessarytodeterminetheparametersofhydraulicsystem,thenaccordingtotheseparameterstodesignhydrauliccylinderandhydrauliccomponentsofthespecificationandsystemstructuredesign.Rectangulararrangementofthehydraulicsystem,powersystemUSESelectriccontrolsystemandhydraulicsystem,thestructureissimple,compact,andreliable.Canberealizedunderdifferentworkingconditionsofcoalseamdrillingrequirements.

Keywords:

rotaryrig；hydraulicsystem；Electriccontrolsystem；hydraulicstation

前言

在露天矿山生产、建筑、水利、电力、铁路工程的土石方工程施工中，开挖前需对露天挖掘场地进行穿孔爆破，以达到松动岩层，提高工作效率，降低生产成本的目的。

目前采用机械破碎岩石钻孔的方法，主要有三种类型，分别是:

冲击一转动破碎岩石钻孔，是采用冲击载荷和转动钎具一定角度，并施加合理的推力来破碎岩石。

适合在中硬、坚硬的岩石中钻孔，钻孔设备有潜孔钻和凿岩机等;旋转破碎岩石钻孔，是采用旋转式多刃钎具切割岩石，同时施加较大的推力破碎岩石。

适应于磨蚀性小及中硬以下的岩石中钻孔，此类钻孔设备有电钻和旋转钻机;旋转冲击破碎钻孔是施加很大的轴压，使钻头旋转滚齿传递冲击和压入力，滚齿压入岩石的作用比冲击作用大，通过旋转一冲击破碎岩石，典型设备为牙轮钻机。

根据露天开采矿岩量对用各种不同方法钻孔的数据的分析表明，大部分矿岩的坚固性系数f在16以下（f≦≤6的占23%~30%，f=6~16的占65%~70% ），即大部分矿岩处在能够合理使用冲击一转动式和牙轮式钻机的范围内。

国内大型露天矿所用的钻机发展比较迅速，型号规格也比较齐全，但是在中硬以下软岩进行爆破钻孔方面，还没有一种更加适宜的钻机。

水力成孔是以水作为循环介质，通过泵送高压水排出岩碴，在松软煤层中钻进时，循环水对孔壁的冲刷、浸泡等破坏作用相当严重，炮孔极易坍塌，成孔困难;风力排碴对孔壁破坏小，但钻进过程中孔口粉尘大、现场施工条件恶劣;螺旋钻进属于干式钻进，它利用螺旋钻杆排碴，与水力、风力成孔工艺相比较，螺旋钻进有以下优点:

钻进过程中不需要冲洗设备，减少了孔壁破坏率，成孔率高;钻进辅助设备少，减少了劳动强度，提高钻进效率;钻进中振动小、噪音低等优点。

本课题来源于云南省小龙潭矿务局。

第一章液气压传动及旋转钻机简介

1.1液气压传动的发展概况

液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。

如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。

第一个使用液压原理的是1795年英国约瑟夫·布拉曼（JosephBraman,1749-1814），在伦敦用水作为工作介质,以水压机的形式将其应用于工业上,诞生了世界上第一台水压机。

1905年他又将工作介质水改为油,进一步得到改善。

我国的液压工业开始于20世纪50年代，液压元件最初应用于机床和锻压设备。

60年代获得较大发展，已渗透到各个工业部门，在机床、工程机械、冶金、农业机械、汽车、船舶、航空、石油以及军工等工业中都得到了普遍的应用。

当前液压技术正向高压、高速、大功率、高效率、低噪声、低能耗、长寿命、高度集成化等方向发展。

同时，新元件的应用、系统计算机辅助设计、计算机仿真和优化、微机控制等工作，也取得了显著成果。

目前，我国的液压件已从低压到高压形成系列，并生产出许多新型元件，如插装式锥阀、电液比例阀、电液伺服阀、电业数字控制阀等。

我国机械工业在认真消化、推广国外引进的先进液压技术的同时，大力研制、开发国产液压件新产品，加强产品质量可靠性和新技术应用的研究，积极采用国际标准，合理调整产品结构，对一些性能差而且不符合国家标准的液压件产品，采用逐步淘汰的措施。

由此可见，随着科学技术的迅速发展，液压技术将获得进一步发展，在各种机械设备上的应用将更加广泛。

1.2液压传动在机械行业中的应用

机床工业——磨床、铣床、刨床、拉床、压力机、自动机床、组合机床、数控机床、加工中心等

工程机械——挖掘机、装载机、推土机等

汽车工业——自卸式汽车、平板车、高空作业车等

农业机械——联合收割机的控制系统、拖拉机的悬挂装置等

轻工机械——打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等

冶金机械——电炉控制系统、轧钢机控制系统等

起重运输机械——起重机、叉车、装卸机械、液压千斤顶等

矿山机械——开采机、提升机、液压支架等

建筑机械——打桩机、平地机等

船舶港口机械——起货机、锚机、舵机等

铸造机械——砂型压实机、加料机、压铸机等

本次设计的旋转钻机用于露天煤矿爆破前的钻孔施工，钻孔设计深度为12m，设计孔径为120mm。

钻机钻孔时，回转机构和加压机构通过钻杆向多刃切削钻头施加作用力。

钻头在轴压力作用下侵入煤层，又在回转扭矩的作用下切削破碎煤层。

该钻机采用螺旋钻杆排碴方式，钻杆在孔中转动时与孔壁构成一个螺旋输送器，孔底煤碴在离心力、擦力等各种阻力作用下沿钻杆上的螺旋叶片逐步向上输送，从而使钻具不断向下移动，完成钻进过程。

该钻机的液压系统呈长方形布置，动力系统采用电气控制系统和液压系统，结构简单、紧凑、动作灵敏可靠。

可实现不同工况下的煤层钻孔要求。

1.3旋转钻机的发展及特点

随着国内外煤炭工业的大量开发，旋转钻机的使用范围在逐步的发展和扩大。

六十年代以，我国煤炭、化工等露天矿山使用的是钢绳冲击式钻机和少量陈旧的旋转钻机；六十年代初期，我国研制成功了适合于煤矿使用的ZX-150型旋转钻机；七十年代以后，更多的煤炭系统单位和矿机制造厂进行了旋转钻机的研制，试制出了多种机型，通过鉴定定型的有ZX-150A、YQ-160、KX-150型等旋转钻机。

旋转钻机适于中硬以下、磨蚀性较小的岩石中钻孔，实践证明，在岩石坚固性系数f≤6的岩石中钻孔时，与牙轮钻相比，效率高、能耗小、轴压力小、成孔质量好，而且切削式钻头制造修复方便。

钻机动力头主要有三种方式：

柴油机、电动机和液压马达驱动。

用柴油机作动力，可以扩大钻机的使用范围，特别有利于开发边远和缺乏电力的地区。

如美国Drilteeh公司的D40K，Igersoll-Rand公司的T4型和德国Sazlgitter公司的LB6l0型就是用柴油机驱动的；电机驱动动力头转速调节不便、启动扭矩小，与电动机驱动相比液压装置在同等体积下能产生更大的动力，液压装置体积小、重量轻、结构紧凑，且液压装置工作比较平稳，易于实现快速启动、制动，能在较大范围内实现无级调速。

由于液压传动的突出优点，目前在旋转钻机上得到了更广泛的应用；目前旋转钻机的技术发展不断提升，为旋转钻机的完善提供了更好的理论基础。

1、大型钻机多用履带式行走机构，小型钻机多用轮胎式，矿用钻机采用履带式的居多。

轮胎式钻机用于开采分散的小矿体时更能发挥作用，履带式钻机多用于作业时间长、工作面比较固定的场所；

2、采用全液压系统：

国外中、小型旋转钻机的工作机构几乎全部采用液压马达作为回转动力。

加压、提升系统一般采用液压缸或液压马达，通过链条或钢丝绳传动，可以对轴压力和进给速度进行无级调节；

3、可以钻斜孔、平台可回转360度：

钻机具有用于调整钻架倾角的专门装置；上、下车独特的水平调节系统的应用，可进行上下车倾斜调节，确保上车驾驶室为水平，此功能既保证了钻孔时的垂直度，又可使操作手在舒适的位置长时间工作而不会感到疲倦；

4、控制技术的智能化，；自动垂直调平、发动机的监控、钻孔深度测量及显示、车身工作状态动画显示及虚拟仪表显示、故障检测、报警及信息显示等方面逐步实现智能化控制；

5、一机多用；有些钻机可以选用不同的凿岩方式，根据岩石的不同硬度情况，选择不同的钻头。

如钻软岩使用切削钻头，钻坚硬岩石使用牙轮钻头或冲击器等；

6、电子、电液技术的应用增加，采用轴压、转速自动调节系统，使钻机能在最优状况下工作。

1.4液压系统的基本组成

1）能源装置——液压泵。

它将动力部分（电动机或其它远动机）所输出的机械能转换成液压能，给系统提供压力油液。

2）执行装置——液压机（液压缸、液压马达）。

通过它将液压能转换成机械能，推动负载做功。

3）控制装置——液压阀。

通过它们的控制和调节，使液流的压力、流速和方向得以改变，从而改变执行元件的力（或力矩）、速度和方向，根据控制功能的不同，液压阀可分为村力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。

压力控制阀又分为益流阀（安全阀）、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。

根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。

4）辅助装置——油箱、管路、蓄能器、滤油器、管接头、压力表开关等.通过这些元件把系统联接起来，以实现各种工作循环。

5）工作介质——液压油。

绝大多数液压油采用矿物油，系统用它来传递能量或信息。

第二章旋转钻机的液压系统和电控原理设计

2.1旋转钻机的基本结构

旋转钻机，由履带式或轮胎式作为地盘基础车钻杆回转机构、钻架、工作装置（钻杆和钻头等组成）。

液压系统的各个部件都安装在机身上，其中钻架内部安装提升缸，翻转油缸中间孔安装履带式地盘上前面，底盘尾部设有安装版，用来油缸及液压元件。

提升油缸采用活塞式双作用缸，当压力油进入油缸上腔，活塞带动钻杆向下运动，其速度慢，压力大，当压力油进入油缸下腔，活塞向上运动，其速度较快，压力较小，符合一般的慢速压制、快速回程的工艺要求。

这个钻架装置的翻转和停放是由翻转油缸来控制，当钻机处于工作状态时，钻架需垂直放置。

翻转油缸采用活塞式单作用缸，此时，液压油进入油缸上方，活塞向下运动，带动钻架从驾驶室停放处翻转至工作位置。

当液压油进入油缸下方是，活塞向上运动，带动钻架由工作位置翻转至驾驶室顶部。

这样更有利于钻机的移动和转移。

2.2工况分析

本次设计来源于云南省小龙潭矿务局。

小龙潭矿务局始建于1953年，属国有大型露天煤矿，现为部级标准化矿务局、国家二级企业，是云南省重要的煤炭生产基地，区内主要可采煤层厚4.37-222.96米，为巨厚复杂结构褐煤。

旋转钻机用于露天开采爆破作业前钻孔施工，钻孔孔径为120mm，最大孔深为12m，采用电动机作为动力，螺旋钻杆排碴。

近年来由于用电量大幅度提高，煤炭需求量增大，导致小龙潭煤矿供不应求，需扩大开采量。

应原钻机满足不了钻孔要求，且回转机构减速器润滑差，易坏，需改进。

但应原钻机设计落后，现今缺失大量资料，改进难度大。

只能设计一款新型钻机进行钻孔。

本次钻机改进数据由小龙潭矿务局提供，钻孔孔径：

110mm，孔深;15.5m，钻杆单节长度：

1.5m，钻孔装置质量：

（减速电机：

300kg，单节钻杆：

30kg，滑道;140kg，钻架：

310kg），钻杆转速：

70～250r/min，钻杆空提速度：

0.3m/s以上，钻孔速度：

0.05m/s。

1．提升负载提升油缸最大提升力为提升负载：

F=（F轴×k）/

=[（300+10×30+140）×9.8×3]/0.9=24304N

2．翻转负载F=（F自重×k）/

=[（300+30+450）×9.8×3]/0.9=8497.69N

其中：

卡塞系数k=3;

=0.9（

——液压缸的机械效率，一般取

=0.9-0.97）

3.液压缸在各工作阶段的负载值：

表1.1：

工作循环各阶段的外负载

工况

负载组成

推力F/

提升

F=（F轴×k）/

24304N

翻转

F=（F自重×k）/

8497.69N

2.3拟定液压系统原理图

2.3.1确定供油方式

考虑到该钻机在提升过程中需要承受较大的工作压力，要求系统功率也较大，且要符合一般的慢速压制、快速回程的工艺。

现采用初步选定使用变量叶片泵将液压油输入到各种油压机、液动机等液压系统中。

2.3.2方向控制回路的设计

在液压系统中，执行元件的起动、停止或改变运动方向，是利用控制进入执行元件的液流的通、段或改变来实现的，这些控制回路成为方向控制回路，包括换向回路和锁紧回路。

1）换向回路图2-1是翻转油缸的换向回路，采用三位四通换向电磁换向阀来实现换向的回路。

当阀处于中位时，华发机能使泵卸载，缸两腔油路封闭，活塞制动。

当阀右位工作时，缸大腔进油，活塞向上运动，带动钻架实现提升过程。

当阀左位工作时，有杆腔进油，活塞向下运动，带动钻架实现下放。

图2-1换向回路及锁紧回路

2）锁紧回路

锁紧回路的作用是防止液压缸封闭腔的油外泄，保证执行机构在停止位置时不发生窜动。

本次是采用两个液控单向阀（液压锁）的锁紧回路，活塞可以在两个方向上实行锁紧。

如图2-1。

2.4液压系统图的总体设计

图2-2液压系统控制图

2.4.1翻转工作循环

1）翻转按下起动按钮，电磁铁1YA通电，二位三通电磁换向阀滑阀置左位；电磁铁5YA通电，三位四通电磁换向阀滑阀置左位。

这时的油路进油路为：

变量泵1→换向阀8左位→换向阀9左位→已打开的液压锁10→单向节流阀11→液压缸12有杆腔。

回油路为：

液压缸12无杆腔→已打开的液压锁10→换向阀9中位→油箱油路。

2）下放电磁铁1YA通电，二位三通电磁换向阀滑阀置左位；电磁铁6YA通电，三位四通电磁换向阀滑阀置右位。

这时的油路进油路为：

变量泵1→换向阀8左位→换向阀9右位→已打开的液压锁10→液压缸12无杆腔。

回油路为：

液压缸12无杆腔→已打开的液压锁10→换向阀9中位→油箱油路。

2.4.2升降缸工作循环

1）慢速下放按下起动按钮，电磁铁1YA通电，二位三通电磁换向阀滑阀置右位；三位四通电磁换向阀滑阀置右位。

这时的油路进油路为：

变量泵1→换向阀8右位→三位四通换向阀右位→已打开的液压锁→单向节流阀→双节液压缸有杆腔。

回油路为：

双节液压缸无杆腔→已打开的液压锁→三位四通中位→溢流阀→油箱油路。

2）快速提升电磁铁1YA通电，二位三通电磁换向阀滑阀置右位；三位四通电磁换向阀滑阀置左位。

这时的油路进油路为：

变量泵1→换向阀右左位→三位四通换向阀左位→已打开的液压锁→双节液压缸无杆腔。

回油路为：

双节液压缸无杆腔→已打开的液压锁→三位四通换向阀中位→溢流阀→油箱油路。

2.5电控系统图的总体设计

根据液压控制回路图可知，其回路中选用一个一个二位三通电磁换向阀，两个三位四通电磁阀，所以在电控回路中用到五个电磁铁。

图2-3电气控制图

2.5.1串联电阻降压启动原理分析及特点

如图3.3.1所示整个旋转钻机用到一个行走电机，一个油泵电机，一个正反转回转电机。

本钻机设计采用，其开关采用空气开关，串有熔断器FU实现短路保护。

为了限制较大异步电动机的起动电流对电网的影响，本控制回路采用串电阻降压延时起动的自动控制线路如图2-3。

当按下启动按钮SB1，接触线圈KM1立即动作，在控制回路中串入电阻Rst降压启动，使起动电流下降：

与此同时，KM1的一个动合辅助触点自锁工作，另一个接通，时间继电器KT的线圈，时间西电气开始延时，延时时间一般为5-7秒，待电动机起动后。

延时结束，KT的延时闭合动合触点闭合，是接触器KM2得电，KM2的动合主触点将起动电阻Rst短接，电动机全电压工作，这时KM2的动辅助触点断开KM1线圈回路，另一个动合触点使其自锁。

KM1失电后，时间继电器KT线圈也十点，也就是说，电动机在正常工作，只有KM2吸合，这样既工作可靠，而且又节约电能。

图2-4串电阻延时启动电路

2.5.2三台电动机控制的原理及方法

1）行走电机只需要正转，它是在旋转钻机转移工作场所时才启动的，而在钻机工作时，行走电机必须体制，所以行走电机和回转电机必须实现互锁。

根据图2-4所示，当按下启动开关SB4时，行走电机KM3线圈得电，同时KM1的常开触点闭合使其自锁，行走电机正常工作。

在行走电机控制回路中必须连接回转电机的常闭触点实现互锁。

2）油泵电机也只需要单方向转动，按下SB6后，KM4线圈得电，其动合触点闭合并实现互锁。

油泵电机正常工作，然后根据工作要求操作响应的电磁换向阀，假如翻转油缸工作，按下SB15首先二位三通电磁阀线圈KA15得电，其动合触点闭合实现自锁，，接着通过三位四通电磁换向阀通过按钮SB7、SB9实现翻转油缸的对钻架的水平推移，和铅垂下放。

同样原理，对于会钻机构的提升，在二位三通电磁阀失电情况下，二级伸缩油缸可以工作，通过SB11、SB13实现二级伸缩油缸油缸的控制，通过线圈得电，其动合触点得电自锁，电磁阀换向实现互锁，并通过上下限位开关SQ1/SQ2实现实现自动自动断电保护。

图2-5液压电控回路

3）回转电机的控制涉及电机正反转控制，根据电路图2-5可知，要和行走电机实现互锁功能，即在回转控制回路中要接触行走电机的动断触点KM3,以便保障安全生产，在回转电机正反转之间也要实现互锁功能。

所以在回转钻机回路中采用了联动开关SB18和SB19时，当按下按钮SB18时，KM5线圈得电，其反转电机的动合触点闭合实现自锁，电机反转，同时在其正传控制电路中，通过联动开关SB18的动断触点，其电路断开，反之原理相同。

图2-6回转电机联动控制

2.5.2辅助电路

如图2-6所示控制回路的辅助电路，根据钻机功能特征需要连接辅助电路，但是辅助电路需要考虑，所以辅助电路需要实现变压接入电源指示灯，警报指示灯，照明灯，及警报电铃以配合钻机工作，电源指示灯可以直观看出电机是否通电，照明点灯可以方便旋转钻机在夜间工作，警报灯和警报电铃可以保证安全工作和对事故的发现。

第三章液压系统的计算和元件选型

3.1液压系统设计参数

旋转钻机I液压系统设计参数如下：

钻孔孔径110mm

孔深15.5m

钻杆单节长度1.5m

减速电机质量300kg

单节钻杆质量30kg

滑道质量140kg

钻架质量310kg

钻杆转速70～250r/min

钻杆空提速度0.3m/s以上，

钻孔速度0.05m/s。

3.2液压执行元件载荷力计算

1）升降缸的载荷力升降缸在钻头钻孔时是轻载，其载荷主要来源孔洞对其的反作用力。

此时由钻孔装置的自重带动钻杆下放，升降缸基本不提供动力。

外载荷可视为0。

提升时，钻头需从钻孔中提出，