液压凿岩机结构.docx
《液压凿岩机结构.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《液压凿岩机结构.docx（50页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
液压凿岩机结构
、才▲、■
刖言
冲击凿岩是破碎中硬以上岩石的主要工序，在采掘与开挖岩石工程中广泛应用。
在冲击凿岩系统中，凿岩机是完成能量转换的动力机构，钎杆是动力传递机构，钎头是破碎岩石的工作机构。
凿岩机输出的能量借助钎杆和钎头（凿岩钎具）传递给岩石，达到破碎岩石形成炮孔的目的。
凿岩机的性能好坏是影响凿岩生产率和成本最关键的设备。
液压凿岩机与气动凿岩机相比，因具有节能、高效、作业条件好等显著优点,近十几年来，在国外得到迅速发展，在国内一些矿山也逐步扩大使用。
液压凿岩机的理论研究在国内外都取得很大进展，但系统论述液压凿岩机的理论、设计和应用方面的书籍非常少。
本次设计是针对液压凿岩机机构和液压系统设计，在设计中选择合理的结构和液压系统会使液压凿岩机的工作性能有很大的改善，效率高等优点。
参数:
YM系列液压隔膜计量泵，最大流量4000L/h，供油压力25-32Mpa。
XHM11-70Cf罢线马达，理论排量682ml/r,额定压力25Mpa,最高压力35Mpa,额定转矩2667N.m,单位理论转矩114（N.m/Mpa）,最大功率175Kw最高可连
续转速240r/min,马达重量94kg。
1绪论
它与气动凿岩机
卡钻事故少、
各类气动凿岩
液压凿岩机是以高压液体作动力的一种新型高效凿岩设备。
相比具有能量消耗少、凿岩速度快、效率高、噪音小、易于控制、钻具寿命长等许多有点，在近十几年获得了迅速发展。
自1861年气动凿岩机开始应用以来，经过不断改进、完善,机在矿业开发和开挖工程中发挥了巨大的作用。
但气动凿岩机是以压缩空气作为传递能量的介质，因此存在着两个根本性弱点：
一是能耗大，它的能量利用总效率只略咼于10%二是作业环境恶劣，噪声咼、油雾大，特别是在地下作业，此问题更加突出。
为了解决这些问题，人们一直在进行新的传递能量介质的探索。
本世纪20年代，英国多尔曼在斯塔福德制成一台液压凿岩机。
由于当时工业水平还不高，液压技术也不够完善，故未能用于生产。
60年代国外出现了多种液压凿岩机专利，并有多家公司开始研制液压凿岩机。
1970年蒙塔贝特公司首先
70年代
制成第一代可用于生产的野鸭凿岩机。
随后，瑞典、英国、美国、德国、芬兰、奥地利、瑞士和日本等国陆续研制出各种型号的液压凿岩机投放市场。
研制液压凿岩机的还有前苏联、波兰、南非和我国等。
一经生产实践，就显示出
了液压凿岩机的优越性。
它与气动凿岩机相比，大幅度降低了能耗（仅为同两级
气动凿岩机的1/3-1/4）;提高了纯钻孔速度一倍以上；改善了作业环境（噪音可降低10dB（A）-15dB（A）,无油雾）；主要零件寿命长，钎具消耗少；为凿岩作业实现自动化创造了有利条件。
70年代初期，投放市场的野鸭凿岩机虽然显示出巨大优越性，但也暴露出设计中的种种缺陷，各公司都在改进、完善设计，并向系列化迈进。
80年代是液压凿岩机迅速发展和成熟阶段。
各国公司为了加强
竞争，都加快了产品的更新换代，并向多品种方面发展，如1981年市场上销售
的约有48个型号，到1984年已有71个型号，至1989年初已超过100个型号。
但有竞争能力的仅有12家公司，50多个型号，销售量也大幅度增加了。
液压凿岩机在发展趋势是：
增大冲击功率，以提高钻孔速度；改进结构设计和钎具质量，
提高钻孔经济性和精确性；深孔凿岩增设反冲装置，提高成孔率；采用智能化控制等。
为了提高劳动生产率和节能降耗、降低成本，采矿向深孔大直径发展，要求凿岩的深度和直径增大，而液压凿岩机钻孔机深度超过35m后，钻孔精度不易保证，故90年代又出现了水力潜孔冲击器，它是液压凿岩技术的新发展。
我国从70年代初开始研制液压凿岩机。
1973年11月制出第一台样机。
几
经改进，定名为YYG-80型液压凿岩机，于1976年8月装于CGJ-2丫型全液压掘进钻车上，开始进行工业试验，1980年9月通过部级鉴定。
这是我国最早用于
生产的第一台液压凿岩机，为芯阀式双面回油型。
1975年开始研制采矿型液压凿岩机，1976年研制出第一台样机，经试验后，又做改进设计，定名为TYYG-20
型，1980年配制凿岩台架和液压泵站，于1981年进行工业试验，1983年通过部级鉴定。
这是我国最早的套阀式后腔回油型液压凿岩机。
1976年开始研制芯阀式前腔回油型液压凿岩机，1977年试制出样机，定名为FYYG-20型。
经试验，
改进为芯阀式后腔回油型YYG-250A型液压凿岩机，1986年通过省级鉴定。
同时,
70年代以来还研制出YYG-65型液压凿岩机，经多次改进，定名为YYG-90型液
压凿岩机。
80年代又研制出YYG-30和YYT-30型手持式和支腿式液压凿岩机,芯阀式后腔回油型YYG-90A型液压凿岩机，CYY-20型液压凿岩机，YYGJ-145型
液压凿岩机。
80年代中期我国又引进了4种液压凿岩机制造技术。
据不完全统计，我国已有16家工厂制造并鉴定了近30种各类轻、中、重型的液压凿岩机。
属于引进技术的5种，属于消化的4种，国内自行设计的近20种。
2液压凿岩机的基本机构
液压凿岩机主要由冲击机构、回转机构、钎尾反弹吸收装置组成。
2.1冲击机构
冲击机构是冲击作功的关键部件，它由缸体、活塞、换向阀、蓄能器等主要部件和导向与封闭装置等组成。
在设计冲击机构前，首先应根据各方面的制造水平和外购件的质量水平等情
况，确定采用单面回油前腔常压油型，还是采用双面回油型液压凿岩机。
双面回油型的主要优点是：
活塞形状最为合理，有利于提高活塞与钎具的寿命，增强破岩效果；排油时间长，回油管中峰值流量较小，减少了回油阻力和压力脉动；采用较高的压力油，供油流量较小，可使各方面的尺寸小一些。
缺点是：
阀和缸体结构复杂、工艺性差、要求加工精度高；回程制动阶段前腔可能有吸空现象；采用高压油需要加强密封。
故只有加工设备与技术等个方面能够保证，此方案才可行。
前腔常压油型的优点是：
结构简单、工艺性好、制造成本低、回程制动阶段无吸空现象。
缺点是：
活塞形状不如双面回油型好、排油时间较短、回油管中峰值流量大、回油阻力和压力波动较大（此缺点可用回油蓄能器来减少其影响）。
以上分析可知采用单面回油前腔常压油型较好。
具体设计如下。
2.1.1活塞
这是冲击机构的主体。
设计的已知参数是冲击能E=90J和冲击频率f=50Hz,由用户或生产需要而定。
需要设定的参数是冲击末速度Vm和供油压力P。
根据我国目前钎尾允许应力计算，Vm一般不大于10m/s,国外也不大于12m/s。
供油压力各厂家根据自己的情况，选择是不同的。
有的采用较高压力，这样容易在小流量下得到较高的冲击能，使机器、管路和泵等尺寸小些，但对加工精度和密封要求高。
有的采用较低压力，虽然供油流量大些，但加工与密封要求较低，维修性好。
我国目前自己研制的液压凿岩机多选择较低压力，一般在（10-15）Mpa本
次设计中选用Vm=9m/s,P=14Mpa
因为岩石的破碎是靠应力波传递的能量来完成的，故需研究入射波形对凿入效果的影响。
国内外学者在这方面进行了大量的研究，由于活塞的形状和撞击面
接触条件不同，所产生的入射波形也各异。
一般来说，细长的活塞，入射波幅低
而作用时间长；短粗的活塞，入射波幅高而作用时间短。
活塞形状与入射波的关
系见图2-1。
图中所示的活塞重量基本相同，而活塞长度L和活塞直径d,不同,
钎头直径d2相同。
根据理论分析和试验研究，缓和的入射波形比陡起的有较高的凿入效率。
因此，细长活塞比短粗活塞凿入效率要高。
这也是液压凿岩机优于气动凿岩机的理论根据。
L/ull/udt/ia
Figure2-1pistonshapeandtherelationshipbetweentheincidentwave
活塞是主要传递冲击能量的零件，由图2-1可知，其形状对传递能量的破岩
效果有较大的影响。
从波动力学理论可知，活塞直径越接近钎尾的直径越好，且
在总长度上直径变化越小越好。
表2-1为气动和液压凿岩机两种活塞直径的效果
比较。
由图可知，活塞重量只差19%可是输出功率则相差一倍，而钎杆内的应
力峰值则减少了20%只从这点出发，可知液压凿岩机的活塞断面变化越小，且
细长，是最理想的活塞形状。
具体设计时应遵守以下原则：
1.活塞应为细长形，并减少不必要的断面变化,
以利于提高能量传递效率和提高钎具寿命；2.活塞冲击头的面积应尽量与钎尾端
部的面积相等或接近，并要有一定的锥部长度，以利于冲击波的传递；3.要保证
活塞全程及超行程时不致损伤两端密封结构；4.设计好防空打油垫尺寸及活塞各
段的封油长度；5.一般货代与缸体的配合间隙为0.05-0.08;活塞与支承套的配
表2-1两种活塞直径效果的比较
Table2-1Pistondiameter,theeffectoftwotypesofComparative
项目
气动活塞
液压活塞
差值百分比
活塞重量/kg
7.9
9.4
+19%
冲击末速度/（m/s）
9.8
10.0
-
冲击能/N.m
379
470
+24%
冲击频率/bpm
1648
2600
+58%
输出功率/kw
10
20
+100%
钎杆中的应力峰值/Mpa
344
278
-20%
合间隙为0.03-0.05.在加工质量和过滤精度能保证的情况下，间隙可选小一些。
根据以上原则本次设计的活塞形状如图2-2;
2.1.2活塞行程调节装置
为了适应钻凿不同性质的岩石，许多液压凿岩机的性能参数都是可以调节
以得到不同的冲击能和
大大提高了液压凿岩机
的。
现在主要应用活塞行程调节装置来改变活塞的行程,冲击频率。
这样一台液压凿岩机可适应多种情况的岩石,的使用范围。
但原理基本上是一样
各型液压凿岩机的行程调节装置的具体结构是不同的，
的。
行程调节装置的工作原理见图2-3。
在行程调节杆上沿轴向铣有3个长度不
等的油槽，沿圆周它们互差120度。
当调节杆处于图2-3b所示位置时，反馈孔
A通过油道与配留阀阀芯的左端面相通，一旦活塞回程左凸肩越过反馈孔A,活
塞前腔高压油就通过阀芯的左端面，同时，活塞右侧封油面也刚好封闭了阀芯右端面与高压油相通的油道，并使其与系统的回油相通，这样阀芯在左端面高压油的作用下，迅速由左位移到右位，于是活塞前腔与回油相通，而后腔与高压油相通，活塞由回程加速度转为回程制动。
由于反馈孔A是三个反馈孔最左端的一个，所以这种情况下活塞运动的行程最短，输出冲击能最小而频率最高。
当调节杆处于图2-3C所示位置时，反馈孔A被封闭，活塞行程越过反馈孔A并不能将系统
的高压油引到阀芯左端面，因而不会引起换向阀换向，只有当活塞越过反馈孔B
时，阀芯左端面才与高压油相通，使阀芯换向，动作同前。
此时活塞行程较前者
为长，因此冲击能较高而频率则较低。
当调节杆处于图2-3d所示的位置时，反
馈孔A和B都被圭寸闭，只有当活塞回程越过反馈孔C时才能引起阀芯换向。
在这
种情况下，活塞行程最长，冲击能最大，冲击频率最低。
til
图2-3液压凿岩机行程调节原理
Figure2-3TheprincipleofHydraulicrockdrillstrokeadjustment
2.1.3活塞轴向推力的计算
表2-2液压凿岩机参数
Table2-2TheparametersofHydraulicrockdrillparameters
机重
冲击功率
冲击频率
回转速度
最大转矩
冲击压力
/kg
/kw
/Hz
（r/min）
/N.m
/Mpa
39
5.5
50
350
175
17
由凿岩原理可知，为了取得较高的凿入效率，钎头必须与孔底岩石有良好的
接触。
因此，必须对凿岩机施加轴向推力，这个力也就作用在了活塞上。
钻孔时,
如推力过大，势必压迫钎杆使它转动困难，这既增加了回转阻力，又增加了钎头的磨损；推力过小，贝U钎头跳离眼底，凿碎效率就低。
因此，为使活塞冲程时，
钎头始终与岩石接触，应用动量定理可得最小轴向推力F（N）
tp
式中m---活塞质量（kg）;
Vm---活塞冲程最大速度（m/s）;
最优轴向推力Fop（N）还应包括克服摩擦力Ff（N）和凿岩机自重力等。
式中G---凿岩机自重力（N）;
a—炮孔倾角，向上倾斜取正值，向下倾斜取负值。
式（2-1）中Vz和£是与岩石性质、活塞形状、钎头结构等多种因素有关,
故不易确定，最容易确定的是凿岩机的冲击频率f（f%,tpaT，a—运动
学特征系数，T—活塞运动一个周期的时间）和mvm（vm
垄，E—凿岩机的冲
m
（2-3）
击能），故一般可将式（2-2）写为:
式中f---凿岩机冲击频率（Hz）;
E---凿岩机的冲击能（J）；
Kr---计算最优轴向推力的修正系数。
F=6787N
2.1.4换向阀结构
液压凿岩机的换向阀有多种多样的形式，概括起来有套阀和芯阀两大类，芯
对换向阀的要求是：
阀芯的响应速度快，过渡时间短，过渡冲击小，控制能
量消耗少。
具体设计时应遵守以下原则:
油位置。
量尽可能轻些，以减少耗油量和提高换向速度。
表2-3三种换向阀比较
Table2-3Comparisonofthethreevalve
类型
柱状阀
筒状阀
套阀
结构特点
有单独阀体，阀芯
有单独阀体，阀芯
只有一个套阀，套
在阀体内运动配
在阀体内运动配
在活塞上与活塞
油
油
作同轴运动配油
结构复杂性
是一个部件，由多
是一个部件，由多
只有一个套阀零
个零件组成，结构
个零件组成，结构
件，结构简单，整
复杂
复杂
机尺寸紧凑
耗油量、漏损
按本身要求定尺
尺寸稍大，耗油量
受活塞的制约，尺
寸，故尺寸小，耗
和漏损比柱状阀
寸较大，耗油量及
油量和漏损较小
略大
漏损稍大
工艺性
加工精度、表面粗
加工精度、表面粗
套阀本身加工工
糙度要求咼，加工
糙度要求咼，加工
艺性好，缸体加工
难度较大，油路比
难度稍好，油路比
难度较大
较复杂
较复杂
适应性
可制成三通或四
可制成三通或四
只能制成三通阀，
通阀
通阀
适用单面回油的
机型
而双
前腔常压油型液压凿岩机是利用差动活塞的原理，故只需用三通滑阀,
因而可以做得比较短，从而减轻了阀芯
通滑阀阀芯比四通滑阀阀芯少一个台肩，
重量，这可提高冲击机构的效率。
另外三通滑阀只有3个关键尺寸和1条通向液
压缸的孔道，结构简单，工艺性好，而四通滑阀则有5个关键尺寸和2个通向液
压缸的孔道，结构复杂，工艺性差，因此加工难度大。
由上述可知选用标准3100型号三通滑阀会比较经济适用。
2.1.5蓄能器
冲击机构的活塞只在冲程时才对钎尾作功，而回程时不对外作功，为了充分
利用回程能量，需要配置高压蓄能器储存回程能量，并利用它提供冲程时所需的峰值流量，以减小泵的排量。
此外，由于阀芯高频换向引起压力冲击和流量脉动，
也需要配置蓄能器吸收系统的压力冲击和流量脉动，以保证机器工作的可靠性，提高各部件的寿命。
目前，国内外各种有阀型液压凿岩机都配有1个和2个高压
蓄能器。
有的液压凿岩机为了减少回油的脉动。
还设有回油蓄能器。
因液压凿岩
机冲击频率较高，故都采用反映灵敏、动作快的隔膜式蓄能器。
蓄能器结构各厂家并不相同，有的薄一些，有的厚一些，这可根据整机布置,并参考已有蓄能器来具体确定。
具体设计时应遵守以下原则:
在有效工作容积范围内变化时，要使隔膜的挠曲和变形尽量小些。
响应要灵敏。
连接螺钉要有足够的强度。
（2-4）
工作容积的确定:
VVmaxVmin
Vmin----系统在最高工作压力时的蓄能器充气腔容积。
Vmax与Vmin可根据已知的活塞运动学参数计算出。
现以前腔常压油型液压凿
岩机为例，并设其优化目标为瞬间流量峰值最小（活塞冲击一次隔膜只振动一
因冲击一次只排油一次，故其工作容积:
Sp21pt：
式中T---活塞运动一个周期的时间；
Qh--泵的供油流量;
0---考虑各部漏损和推阀芯换向所用流量后的修正系数，约为
本次设计选用JYM系列液压隔膜计量泵，它在10济100%流量调节范围内,精度达到±1%通过改变柱塞有效行程，来改变流量，泵运行和停止状态均可调
节流量。
内置压力释放阀，以保护泵体和管路。
ABS1Cr18Ni9Ti、316不锈钢泵头材料，最大流量4000L/h，最高压力32Mpa则Qh=3000L/h。
222
AreArAf=
*222*192=386mm2
在活塞的设计知道vm=9m/s，T=1/f=1/50=0.02s将这么数据代入式（2-5）和（2-6）得出V520.6cm3
2.2回转机构
该机构主要用于转动钎具和接卸钎杆。
在液压凿岩机中，因输出转矩较大，故主要采用独立外回转机构。
用液压马达驱动一套装置，带动钎具回转。
因摆线液压马达的体积小、转矩大、效率高，故液压凿岩机回转机构中普遍采用这种马达。
转钎齿轮一般采用直齿轮。
2.2.1回转结构中齿轮和轴的校核
系统的尺寸和重量减小，但容积效率会下降。
某些液压凿岩机液压系统的工
作压力如下：
冲击器，
14Mpa—25Mpa回转机构，10Mpa—20Mpa推进机构,4Mpa-14Mpa这里取冲击器18Mpa；回转机构15Mpa；推进机构12Mpa。
2）系统形式的选择选择系统形式，就是确定各回路的结构（开式或闭式，串联或并联）、液压泵的形式（定量或变量）、液压泵的数量等。
另外，尚需确定操作的方式（手动、电动或液动）、调速、调压的形式和液压泵的卸荷方式等。
2）拟定液压系统原理图拟定液压系统原理图，大致可按以下顺序进
行：
1）画出驱动各工作机构的液动机。
2）初步拟定出实现液动机所需运动的各种控制回路，包括方向控制回路、压力控制回路和速度控制回路。
3）画出液压泵、溢流阀、过滤器、冷却器和油箱等元件。
4）最后，根据各液动机的动作循环及其他要求，将各回路以串联或并联等方式连接起来，并加入必要的单向阀和压力表等元件，组成一个完整的液压系
统原理图。
5）组合基本回路时，要防止回路间的相互干扰。
324液压元件的计算和选择
（1）选择液动机根据液动机的最大外载荷和系统的动作压力，可以对
液动机的主要尺寸和所需流量进行计算。
大流量Qmax（m3/s）为
QmaxAvmax
（3-5）
式中A----液压缸的有效面积（m2）；
Vmax----液压缸活塞移动的最大速度（m/s）。
对于液压马达，所需最大流量Qmax（m3/s）为
Qmaxqn
max
（3-6）
式中q----液压马达的排量（m3/r）；
nmax----液压马达的最大转速（r/s）。
在活塞设计中可知活塞的速度vm9m/s，nmax240r/min，q=682ml/r
代入式m3/s
2）选择液压泵的规格选取额定压力比系统压力高25%-60%流量与
系统流量相当的液压泵。
系统压力是指稳态压力。
液压系统在工作中其瞬态压力
有时（如冲击器）比稳态压力高得多，选取的额定压力应比系统的压力高一定值,
以使液压泵有一定的压力储备。
（3）选择控制阀液压凿岩机液压系统的控制阀多为单向阀、溢流阀相
组合的组合阀，使之结构紧凑。
国外液压凿岩机主要生产厂家之一的瑞典Atlas
Copco公司液压系统的换向阀采用液控阀受电磁阀或气动阀的控制，自动化程度较高、但操作环节多；保护装置比较完善。
法国Secoma公司液压凿岩机液压系
统的换向阀采用手动换向阀，比较简单。
换向阀首先应根据液动机的动作要求、卸荷要求、换向平稳性和排除液动机间的相互干扰等因素确定滑阀机能，
然后在
根据通过阀的最大流量、工作压力盒操纵定位方式等选择其型号，或自行设计组合阀。
溢流阀主要根据最大工作压力和通过的最大流量等因素来选择，同时要求反
映灵敏，超调量和卸荷压力小。
小流量以及工作压力选择其型号。
通径。
调单向节流阀7-外部压力控制溢流阀8-电磁换向阀9-推进定量液压泵
10、16、19、24-溢流阀11、14、18-液动换向阀12-减压阀13-手动换向阀17-冲击定量液压泵20-推进单向压力调节阀21-手动换向阀22-回转定量
液压泵23-调速阀
Figure3-1SchematicofHydraulicSystem
F面介绍该系统的工作原理。
当钎头在接触岩石之前，使阀21处于左位,
回转定量液压泵来油经阀21至回转马达1,马达先旋转；使电磁换向阀8处于
右位，推进定量液压泵9来油经阀8和可调单向节流阀6进入推进液压缸右腔推
进液压缸推动凿岩机沿着推进器的滑架空载前行，这时只需3.5Mpa以下的工作
油压，其轴推力只是克服凿岩机与滑架间的摩擦力；当钎头接触到岩石之后，轴推力加大，工作油压上升，当油压上升到4Mpa时，液动换向阀11切换至右位工作，推进压力油经阀11,阀13进入液动换向阀18控制腔室，使阀18切换至左位工作，于是冲击定量液压泵17来油经阀18、过滤器2通到冲击器4,开始冲击，此时冲击泵油压由溢流阀16控制，冲击器在8Mpa的供油压力下工作，其冲技能为正常凿岩时的一半，适应于开眼的需要。
开眼完成后，将推进压力控制溢
流阀7操纵杆缓慢地推到位，于是推进油压逐步增加至8Mpa这时，液动换向
阀14切换至上位工作，断开溢流阀16的回路，冲击回路的压力由溢流阀19所控制，压力保持为16Mpa凿岩机进入正常凿岩状态。
在凿岩时如发生卡钎现象，回转油压随着回转阻力的增加而升高，当回转油压超过调定值后，推进单向压力调节阀20起作用使推进压力降低，推进力相应减少，使钻具凿入岩石的深度减少或停止钻进；当推进压力降到5.5Mpa以下时，液动换向阀14在弹簧力的作用下复位，使凿岩机的冲击能降低一半，当推进压力继续下降到3.5Mpa以下时，
液动换向阀18回至右位工作，冲击器停止冲击，只有回转机构继续回转以使钎
杆脱离卡钎状态。
当钎杆脱离卡钎后，回转压力降到推进压力调节阀20调节值
以下时，推进油压机恢复。
液动换向阀14重又切换至上位工作，液动换向阀18切换至左位工作，冲击器恢复冲击，转入正常工作。
在推进器的前端装设了一个卸荷用顶杆换向阀3,作为终端保险装置。
当凿
岩机钻完一个炮孔时，凿岩机将该阀顶开，使该阀处于右位工作，冲击回路卸荷,凿岩机停止冲击，以防止空打。
由于凿岩机的冲击动作是推进回路的工作压力所控制，因此，只有当钎头顶上岩石后
升级会员 