锚杆钻机液压系统 (1)

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3.3 液压缸工作压力的初选

对于不同的液压设备，由于工作条件不同。通常选用液压缸的工作压力也不同。工作压力是确定执行元件结构参数的主要依据。它的大小影响执行元件的尺寸和成本，乃至整个系统的性能。在系统功率一定时，一般选用较高的工作压力，使执行元件和系统的结构紧凑、质量轻、经济性好。但是，若工作压力选得过达不到预期的经济效果，反而会降低元件的容积效率、增加系统发热、降低元件寿命和系统可靠性；反之，若工作压力选得过低，就会增大执行元件及整个高，则会提高对元件的强度、刚度及密封要求和制造精度要求，不但系统的尺寸，使结构变得庞大。所以应根据实际情况选取适当的工作压力。

表3—2 各类设备常用的工作压力 设备类型 压力压 力 说 明 设备类型 压 力 压力说 明 范围等 级 范围等级 /MPa /MPa 低噪声，油压机，冶 空间机床，压 高可靠性金机械，挖21-31.5 高压 有限，铸机，汽＜7 低压 系统 掘机，重型响应车 机械 速度快 农业机 追求械、工况 大作车辆、注7-20 中压 一般系统 金刚石压 超高用力、塑机、船机、耐压试＞31.5 压 减轻舶、搬运验机、飞重 量 机械、工机、液压机程、冶金具 机械 本次设计根据《液压传动设计手册》表20-2-11如上表3—2选用工作压力为20MPa。

3.4 液压缸内径D的计算

液压缸的内径由压力p和负载Fmax决定，由FmaxApm液压缸的计算内径：

4D2pm，得

D4Fmax （3—6） pm 第2 页

式中：

Fmax—活塞杆上的最大外负载；N

P—选定系统的工作压力；Map

m—液压缸的机械效率。综合考虑排液对活塞产生的背压，活塞和活塞杆处密封及导套产生的摩擦力，以及运动件质量产生的惯性力等因素的影响，一般取机械效率m=0.9～0.95，此处取中间值m=0.93；

D14Fmax1442300mm53.82mm

pm3.14200.93D24Fmax2438400mm51.28mm

pm3.14200.93参照《机械设计手册》表30-104液压缸内径系列，选取液压缸内径的标准

值：D1=80mm，D2=80mm。

3.5 液压缸的壁厚和外径的确定

根据液压缸的内径，选取液压缸的外径，参考《机械设计手册》表20-6-9，如下图表3—3，其中A代表工程液压缸，B代表冶金液压缸。则选取液压缸的外径为：D11D1295mm

表3—3 缸筒外径的选取

液压缸的壁厚由液压缸的强度条件计算，液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度。由材料力学可知承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。

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中、高压液压缸一般用无缝钢管作缸筒，大多属于薄壁筒，即D/10时，其最薄处的壁厚用材料力学薄壁圆筒公式计算，即：

pD （3—7）

2[]式中:

Δ—薄壁筒壁厚；

P—缸筒内液体的压力；

[σ]—缸筒材料的许用应力,[]bn,b为材料的抗拉刚度

n为安全系数，当D/10时，一般取n=5。

pD1200.08103mm6.6mm2[]2122

pD2200.082103mm6.6mm2[]21221表3—4 液压缸用精密无缝钢管尺寸（GB8713-1988）（mm） 壁 厚 内 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 5.0 6.0 7.5 10.0 12.5 15.0 20.0 径 外 径 80 ─ ─ 85 86 ─ 90 92 95 100 105 110 ─ 表3—5 液压缸用精密无缝钢管内径公差尺寸（GB8713-1988） 公差带/μm 内径公称尺寸/mm H8 >80～120 +54 0 H9 +87 0 H10 +140 0 根据《机械设计手册（下册）》，液压缸用精密内径无缝钢管优先选用尺寸系列见表3—4。查表得出液压缸壁厚和外径的标准值。

液压缸的壁厚：

127.5mm

以上可知，满足壁厚的强度要求。

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H9：+87

由内径尺寸公差见表3.5，液压缸内径公差带：

0

液压缸内径的锥度、椭圆度误差应小于或等于直径公差的一半。弯曲度在500mm长度上应不大于0.03mm，端面的不垂直度在直径100mm上不大于0.04mm。缸体的内径与螺纹或卡环的不同心度允差为0.02～0.05mm。一般用调质处理，241～285HBS。

此外，还有通往油口、排气阀孔的内孔口必须倒角，不允许有飞边、毛刺，以免划伤密封件。为便于装配和不损坏密封件，缸筒内孔口应倒15°角。需要在缸筒上焊接法兰、油口和排气阀座时，都必须在半精加工以前进行，以免精加工后焊接而引起内孔变形。如欲防止腐蚀生锈和提高使用寿命，在缸筒内表面可以度铬，再进行研磨或抛光，在缸筒外表面涂耐油油漆。

3.6 液压缸工作行程S的确定

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4 液压马达的选择

液压马达工作时要考虑的因素有工作压力、转速范围、旋转扭矩、运行扭矩、总效率、容积效率、滑差特性、寿命等机械性能及在机械设备上的安装条件、外观等。

4.1 动力头液压马达选择

根据钻进

na=160rPm，同时要求扭矩大于3.5kN·m，在这里取值为4机械

变速。马达有效工作压力，根据溢流阀工作压力，P=20MPa

(1)马达排量:

qMmax0.159pv （4—1）

qMmax40000.141L/r 60.159pv0.15920100.9查《机械设计手册》表20-5-77，本机液压动力头选用马达JM10-F0.16Ft，查出排量为163ml/r，额定压力为20MPa，最大压力为25MPa，额定转速为500r/min，额定转矩为458N·M，效率大于90%，质量为33.6kg。 所以马达实际输出扭矩为

Mmax0.159pqv0.159201630.9466.5N•m

此转矩大于要求的转矩，所以符合设计要求。

(2)马达流量:

Qqn （4—2）

所以Qqn=163x500=81500ml/min(即81.5L/min)

本机靠开式回路中的两个泵的合流来保证马达的“吸油口”有足够的油压，当钻杆慢进时单泵供油，双泵合流实现钻杆快进。钻杆动力头档位选择共有两档变速，可通过扳动变速手柄选择。动力头变速与液压供油泵选择结合起来可得到四种转速两种扭矩输出。采用双马达式液压动力头，设置与马达并联的旁通单向阀补油防止停钻过程中由于大惯性运动的马达缺油。使用在马达轴上的液压释放机械制动器进行长时间防止负载运动。

4.2 行走装置液压马达的选择

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根据锚固钻机行走时的最大速度为：v=3km/h，nmax=50r/min。牵引工况所需的最大扭矩为：Mmax=3.42KN∙m系统的工作压力为20MPa

（1）马达排量：

qMmax342001.195L/r （4—3）

0.159pv0.159201060.9查《机械设计手册》表20-5-74， F选用马达1JM-F1.6000，查出排量为1608ml/r，额定压力为20MPa，最大压力为25MPa，额定转速为200r/min，额定转矩为46.8N·M，额定功率为96KW，效率大于80%。 所以马达实际输出扭矩为

Mmax0.159pqv0.1591608200.94.62KN.m

此转矩大于要求的转矩，所以符合设计要求。

(2)马达流量:

Qqn （4—4）

所以Qqn=1608x50=80400ml/min(即80.4L/min)

4.3 链轮液压马达的选择

据锚固钻机推进时的最大速度为：v=1085m/min，n=2.6r/min。牵引工况所需的最大扭矩为：Mmax=4.5KN∙m系统的工作压力为20MPa

（1）马达排量：

qMmax450001.57L/r （4—5） 60.159pv0.15920100.9查《机械设计手册》表20-5-74， F选用马达1JM-F1.6000，查出排量为1608ml/r，额定压力为20MPa，最大压力为25MPa，额定转速为200r/min，额定转矩为46.8N·M，额定功率为96KW，效率大于80%。 所以马达实际输出扭矩为

Mmax0.159pqv0.1591608200.94.62KN.m

此转矩大于要求的转矩，所以符合设计要求。

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(2)马达流量:

Qqn （4—6）

所以Qqn=1608x2.6=41808ml/min(即41.8L/min)

4.4 转向机构液压马达的选择

据锚固钻机转向时旋转的最大速度为：n=20r/min。牵引工况所需的最大扭矩为：Mmax=7.341KN∙m系统的工作压力为20MPa

（1）马达排量：

qMmax734102.56L/r （4—7）

0.159pv0.159201060.9查《机械设计手册》表20-5-75，选用马达JM14—F2.8F1，查出排量为2827ml/r，额定压力为20MPa，最大压力为25MPa，额定转速为100r/min，额定转矩为8261N·M，重量380kg，效率大于90%。 所以马达实际输出扭矩为

Mmax0.159pqv0.1592827200.98.09KN.m

此转矩大于要求的转矩，所以符合设计要求。 (2)马达流量:

Qqn （4—8）

所以Qqn=2827x20=56540ml/min(即56.54L/min)

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5 液压泵的选择

5.1 液压泵概述

液压泵是液压系统的动力源。要选用能适应执行元件所要求的压力发生回路的泵，同时要充分考虑可靠性、寿命、维修性等以便所选的泵能在系统中长期运行。

液压泵的输出压力应是执行元件所需压力与配管的压力损失和控制阀的压力损失之和。它不得超过样本上的额定压力。强调安全性、可靠性时，还应留有较大的余地。样本上的最高工作压力是短期冲击时允许的压力。如果每个循环中都发生冲击夺力，泵的寿命会显著缩短，甚至损坏。

5.2 确定泵的流量

液压泵的类型也要根据系统的最大工作压力Pmax和最大流量Qmax而定，必须保证正常工作压力为液压泵压力的80%：PHPmax20MPa 同时，液压泵的流量：

QKQQmax （5—1）

式中：Q─系统的漏损系数，一般取KQ=1.1~1.3

由以前章节已经计算出液压系统各部分的流量如下：

1.行走系的两个马达单独工作时的流量为80.4L/min； 2.链轮马达工作时的最大流量为41.8L/min； 3.转向马达工作时的最大流量为56.54L/min；

4.动力头两个马达工作时的最大流量为81.5L/min； 5.动臂液压缸工作时的最大流量为20L/min；

6.主梁调整液压缸工作时的最大流量为20L/min； 7.夹紧液压缸工作时的最大流量为15L/min；

由于动力头回转和进给可能同时工作且流量最大，其他回路系统在钻进时不工作，所以泵的流量可根据动力头回转马达和进给油缸的流量计算:

Q=KQQmax=1.2（81.5+20）=121.8L/min （5—2）

5.3 选择液压泵

根据要求，本机液压泵选择双联泵形式，根据计算出的流量和工作压力，

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查《机械设计手册》选择型号为GPC4-40B1S和型号G5-20-S的齿轮泵实现双联泵。齿轮泵的结构如下图5—1。

图5—1 双联齿轮泵

GPC4型和G5型齿轮泵都是引进美国威格士公司高压齿轮泵的品种，采用高强度铝合金挤压壳体，承载能力高的轴承，浮动侧板结构。具有压力高，转速高、结构简单、维修方便、工作可靠、使用寿命长等特点。主要用于工程机械、矿山机械、起重运输机械等液压装置上。

在选择液压泵时，除考虑工作压力和流量外，还要考虑对液压泵的其他要求，例如重量、价格、使用寿命及可靠性液压泵的安装方式等。本次设计选用的双联齿轮泵具体参数如表5—1所示：

表5—1 双联泵的具体参数 排量 压力/MPa 工作转输入功重量 型号 （ml/r） 速 率 （kg） 额定 最大 GPC4-40-B1-S 42 19.9 23 23 25 25 2000 2000 45 15.2 14.2 G5-20-S-R

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6 油箱的设计计算

油箱的作用主要是储油。此外，油箱有一定的表面积，能够散发油液工作中产生的热量，沉淀油液中油污，逸出渗入油液中的空气，有时它还兼作液压元件和阀块的安装平台。根据系统的具体条件，合理选用油箱的容积、形式和附件，以使油箱充分发挥作用。

选用开式油箱，此种油箱应用广泛，箱内与大气相通，为防止油液被大气污染，在油箱顶部设置空气滤清器，并兼作油口用。油箱的形状为矩形。

8 液压辅助元件的选取

8.1 过滤器的选择

过滤器的选择必须根据具体的系统及其工作条件，考虑元件对污染的敏感性、工作压力及负载特性、流量波动、环境条件和对污染侵入的控制程度等因素。在本机液压系统中，过滤器根据需要安装在吸油路和回油路中如下图8—1所示。

图8—1 过滤器

液压主泵吸油口有粗过滤器1, 2，过滤器配置了旁通阀，旁通阀打开时，可拆下过滤器进行清洗。泵系统回油经回油滤油器3后进入油泵的吸口处，即油泵吸油口为两路进油:一路为吸油过滤，另一路为回油过滤，形成联合补油过滤回路，充分保证了补油泵进油的可靠性。

选择过滤器的过滤精度参照《机械设计手册》下册的表30—259（P2515）,即分别为下面的表8—1，8—2和8—3。

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[19] 李宁 . 液压土锚钻机工作机构的仿真分析与优化[D] . 陕西：西安建筑科技大学,2006,

4-15

[20] 李宁，原思聪，王发展 . 基于ADMS的液压土锚钻机工作机构仿真与优化[J] . 建筑机

械，2006， (4):69-71

[21] 柴荣，龚荣林，马小盟 . 导向钻机非开挖技术在城市管线铺设中的应用[J] . 中国煤田

地质，2003，(3)：61-62 [22] 任凤鸣，袁兵，朱艳峰 . 非开挖技术在城市管道工程中的应用[J] . 广东工业大学学报，

2003，(2):60-64

[23] 窦斌，蒋国盛 . 建立特殊条件下导向钻孔轨迹跟踪和控制的数学模型[J] . 煤田地址与

勘探，2003，(2):63-64

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附 录

序 号 文 件 名 称 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 图纸清单、编号及说明 图 号 图纸大小 软件版本 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 备 注 已出图 已绘制 已绘制 已绘制 已出图 已绘制 已绘制 已出图 已绘制 已出图 已出图 已绘制 已绘制 已出图 已绘制 已绘制 无阀冲击性全液压MGZJ.02-01 A0 锚固钻机 液压系统原理图 MGZJ.02-02 A1 动臂活塞杆 动臂液压缸筒 动臂液压缸总装 MGZJ.02-03 A2 MGZJ.02-04 A2 MGZJ.02-05 A1 主梁调整液压缸筒 MGZJ.02-06 A2 主梁调整缸活塞杆 MGZJ.02-07 A2 主梁调整缸总装 导向环 端盖 缸头 活塞 活塞挡圈 泵站总装图 出油法兰 缓冲橡胶块 MGZJ.02-08 A1 MGZJ.02-09 A4 MGZJ.02-10 A3 MGZJ.02-11 A3 MGZJ.02-12 A4 MGZJ.02-13 A4 MGZJ.02-14 A1 MGZJ.02-15 A4 MGZJ.02-16 A4 第13 页

17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 进油法兰 平键联轴器1 平键联轴器2 支撑套 吊钩 放油嘴 隔板 回油座 清洗空端盖 箱板 MGZJ.02-17 A4 MGZJ.02-18 A4 MGZJ.02-19 A4 MGZJ.02-20 A3 MGZJ.02-21 A4 MGZJ.02-22 A4 MGZJ.02-23 A4 MGZJ.02-24 A4 MGZJ.02-25 A2 MGZJ.02-26 A4 液压油箱焊接组件 MGZJ.02-27 A1 油箱盖板 油箱总装 右侧板 支角 左侧板 油箱盖板盖 油箱盖板垫片 油箱总装图 MGZJ.02-28 A4 MGZJ.02-29 A1 MGZJ.02-30 A4 MGZJ.02-31 A4 MGZJ.02-32 A4 MGZJ.02-33 A4 MGZJ.02-34 A4 MGZJ.02-35 A1 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 清华天河PCCAD2008 已绘制 已绘制 已绘制 已绘制 已绘制 已绘制 已绘制 已绘制 已绘制 已绘制 已绘制 已绘制 已出图 已绘制 已绘制 已绘制 已绘制 已绘制 已绘制 第14 页

36 37 38 操纵台总装图 压力表接头螺母 压力表座 MGZJ.02-36 A1 MGZJ.02-37 A4 MGZJ.02-38 A4

清华天河已出图 PCCAD2008 清华天河已绘制 PCCAD2008 清华天河已绘制 PCCAD2008

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