ZDY3200S全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計

林小亮

摘要：文章主要介紹了ZDY3200S鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計計算、工況分析、主要參數(shù)、液壓原理及液壓系統(tǒng)圖。

關(guān)鍵詞：工況分析；主要參數(shù)；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

中圖分類號：TH137文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8937（2011）22-0178-03

1ZDY3200S全液壓鉆機(jī)的主要參數(shù)

根據(jù)市場調(diào)研，用戶需求 ZDY3200S全液壓鉆機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為：

①回轉(zhuǎn)參數(shù)。轉(zhuǎn)速范圍：50～175 r/ min； 扭矩范圍：2300～850 N·m；主軸內(nèi)徑：75 mm。

②進(jìn)給參數(shù)。給進(jìn)行程：600 mm；給進(jìn)力：102 kN；給進(jìn)速度：0～0.22 m/s； 起拔力：70 kN；起拔速度：0～0.32 m/s。

③使用范圍。鉆孔深度：350/100 m；終孔直徑：150/200 mm；鉆桿直徑：63.5/73 mm。

2液壓系統(tǒng)的工況分析 （負(fù)載與運(yùn)動）

ZDY3200S鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)需執(zhí)行三個功能回轉(zhuǎn)、給進(jìn)、夾持，三個功能分別由三個執(zhí)行元件。一個執(zhí)行元件是液壓馬達(dá)，為鉆機(jī)提供回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩；一個執(zhí)行元件是液壓油缸，為鉆機(jī)提供給進(jìn)部分的給進(jìn)力和起拔鉆具的起拔力；另一個執(zhí)行元件也是液壓油缸，是夾持器、卡盤部分，提供夾持鉆桿的夾緊力。

①鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)部分。ZDY3200S鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)為一檔無級變速50～175 r/min，最大扭矩為3200 N·m。在變量泵—定量馬達(dá)的回路中液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩為：

Tm=Vm?駐pm?濁mm=Kml?駐pm=T （1）

式中：Tm為液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩；?濁mm為液壓馬達(dá)機(jī)械效率；Vm為液壓馬達(dá)排量；?駐pm為液壓馬達(dá)進(jìn)、出口壓力差；Km1=Vm?濁mm常數(shù)（認(rèn)為?濁mm是常數(shù)）。

式（1）為變量泵—定量馬達(dá)容積調(diào)速回路的轉(zhuǎn)矩特性方程。因此在液壓馬達(dá)的輸出部分連接了變速箱，回轉(zhuǎn)傳動經(jīng)變速后輸出。參考西安ZDY3200S鉆機(jī)可知，變速箱部分是無級一檔變速，齒輪箱部分的傳動比初步設(shè)計分別為i1=2.535和i2=2.56，所以i=i1×i2=6.489，則取i=6.489。推算油馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)速n和最大的轉(zhuǎn)矩T。

n油馬達(dá)輸出=175×6.489=1 135.57 r/min （2）

T最大=3200÷6.489=493.14 N·m （3）

②鉆機(jī)的給進(jìn)部分。液壓缸的負(fù)載，隨著鉆頭的回轉(zhuǎn)供給相應(yīng)的給進(jìn)力102 kN，給進(jìn)速度為0～0.22 m/s；隨著鉆孔深度的增加,添加鉆桿時快速回升卡盤時，所需的起拔速度0.32 m/s，起拔鉆具時提供最大的起拔力70 kN。

③鉆機(jī)的夾持部分。夾持結(jié)構(gòu)為液壓打開，碟彈夾緊。液壓打開方式為油缸活塞形式。夾持油缸有一定的結(jié)構(gòu)限制，油壓只需打開碟形彈簧即可。

3液壓系統(tǒng)主要參數(shù)

壓力和流量是液壓系統(tǒng)最主要的兩個參數(shù)。根據(jù)這兩個參數(shù)來計算和選擇液壓元件、輔助件和原動機(jī)的規(guī)格型號。

3.1初選系系統(tǒng)壓力

初選系系統(tǒng)壓力選定的是否合理，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)壓力統(tǒng)設(shè)計的合理性。在液壓系統(tǒng)功率一定的情況下，若系統(tǒng)壓力選得過低，則液壓元、輔件的尺寸和重量就增加，系統(tǒng)造價也相應(yīng)增加；若系統(tǒng)壓力選得較高，則液壓設(shè)備的重量、尺寸和造價會相應(yīng)降低。然而,若系統(tǒng)壓力選用過高，由于對制造液壓元、輔件的材質(zhì)、密封、制造精度等要求的提高，反而會增大或增加液壓設(shè)備的尺寸、重量和造價，其系統(tǒng)效率和使用壽命也會相應(yīng)下降，因此也不能一味追求高壓。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)本鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)工作壓力選定為21 MPa。

3.2計算液壓馬達(dá)排量和液壓缸尺寸

①計算液壓馬達(dá)排量。

（7）

式中：P1為液壓缸的工作腔壓力；P2為液壓缸的回油腔壓力；A1為液壓缸無桿腔的有效面積，A1=?仔D2/4；A2為液壓缸有桿腔的有效面積，A2=?仔（D2-d2）/4；D為液壓缸內(nèi)徑；d為活塞桿直徑；F0為液壓缸的最大工作力；F為液壓缸的最大外負(fù)載，無桿腔為工作腔時（起拔），F(xiàn)=70 kN，有桿腔為工作腔時（給進(jìn)），F(xiàn)=102 kN；?濁nm為液壓缸的機(jī)械效率，一般取（0.9～0.97），選取?濁nm=0.95。

為調(diào)節(jié)給進(jìn)及起拔的速度，本鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)回路上分別設(shè)有減壓閥和節(jié)流閥。

根據(jù)液壓回路特點(diǎn)選取背壓的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

選取本鉆機(jī)的液壓缸回路的背壓為1 MPa。

桿徑比（即活塞桿直徑與活塞直徑的比）d/D。

一般按下述原則選?。?/p>

當(dāng)活塞桿受拉時，一般取d/D=0.3~0.5，當(dāng)活塞桿受壓時，為保證壓桿的穩(wěn)定性，一般取d/D=0.5~0.7。桿徑比d/D還常常按液壓缸的往返速比 i=v2 / v1（其中v2 、v1分別為液壓缸正反行程速度）的要求來選取。其經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

由鉆機(jī)的給進(jìn)參數(shù)可知：

D=81.3 mm，d=44.7 mm。

參考表3、表4液壓缸內(nèi)徑和活塞直徑系列，選取本鉆機(jī)的液壓缸D/d為：

D=80 mm，d=50 mm （8）

4計算液壓馬達(dá)和液壓缸所需流量

液壓馬達(dá)的最大流量為：

qmax=Vm nm max（9）

式中：qmax為液壓馬達(dá)最大流量，單位ml/min；Vm為液壓馬達(dá)排量，單位ml/r；nm max為液壓馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速參考工況分析部分，單位r/min。

由式（2）和（5）可得：

qmax=1135.57×163.95=185 767.9 ml/min

液壓缸的最大流量為：

qmax=AVmax （10）

式中：A為液壓缸的有效面積，A=?仔D2/4（m2）；Vmax為液壓缸的最大速度（起拔鉆桿時），此時回轉(zhuǎn)器不工作，Vmax=0.32 m/s。

qmax=?仔×0.082/4×0.32=1.608×10-3m3/s

=96509.6 ml/min

在本鉆機(jī)工作時，液壓馬達(dá)和液壓缸是并聯(lián)連接，而且液壓馬達(dá)和液壓缸的流量不是同時達(dá)到最大。

在本鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)中，由于變量泵產(chǎn)生的流量還將消耗于液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸和閥等的內(nèi)泄上，因而變量泵產(chǎn)生的流量，只有在滿足泄漏外尚有多余時，才能使液壓馬達(dá)、液壓缸建立起足夠的壓力、輸出轉(zhuǎn)矩和壓力。以此來確定液壓系統(tǒng)的最小流量qmin。

由于液壓缸的最大流量大于液壓馬達(dá)的最大流量，選取液壓執(zhí)行元件的最大流量為96509.6 ml/min。

液壓系統(tǒng)的最小流量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可算出：

qmax=96509.6 ml/min×（1+5％）=101335.1 ml/min （11）

5計算出液壓馬達(dá)和液壓缸的總功率

液壓馬達(dá)和液壓缸在鉆機(jī)打孔時，給進(jìn)和回轉(zhuǎn)同時進(jìn)行。液壓系統(tǒng)的功率為：

（12）

式中：P為液壓系統(tǒng)壓力kgf / cm2；qmin為液壓系統(tǒng)的最小流量m3/h。

P總功率=210×101 335.1×1×10-6×60/36.7=34.79 kW。

需要指出的是，式中的P僅是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力。系統(tǒng)工作過程中存在過渡過程中的動態(tài)壓力，其最大值往往比靜態(tài)壓力要大很多。所以選取液壓泵的額定壓力時應(yīng)比系統(tǒng)最高壓力大25%～60%，使液壓泵有一定的壓力儲備。最高系統(tǒng)的壓力儲備宜取小值。中、低壓系統(tǒng)的壓力儲備應(yīng)取大值,本系統(tǒng)壓力儲備取大值。

6主要液壓元件的選擇

6.1液壓馬達(dá)

根據(jù)式（3）和（5）的計算結(jié)果需滿足鉆機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，以液壓馬達(dá)的性能參數(shù)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、工作壓力等為依據(jù)進(jìn)行選擇。本鉆機(jī)選用液壓馬達(dá)的參數(shù)為：V=160 ml/r。此馬達(dá)為斜軸式變量馬達(dá)。

6.2液壓缸

根據(jù)式（8）的計算結(jié)果，參考液壓缸的基本參數(shù)（負(fù)載、運(yùn)動方式等）為依據(jù)進(jìn)行選擇。本鉆機(jī)的液壓缸選用80/50的車用液壓油缸。

6.3液壓泵

本鉆機(jī)采用雙泵系統(tǒng)，電動機(jī)直接帶動主泵，主泵在經(jīng)過皮帶輪帶動副泵，為整個系統(tǒng)提供油壓。變量油泵和變量馬達(dá)組合進(jìn)行無級調(diào)速，轉(zhuǎn)速和扭矩可在大范圍內(nèi)調(diào)整，提高了鉆機(jī)對不同鉆進(jìn)工藝的適應(yīng)能力。

①確定液壓泵的工作壓力。

PP=P1+?駐P

式中：P1為執(zhí)行元件（液壓馬達(dá)）的最大工作壓力；?駐P為液壓泵出口到執(zhí)行元件入口之間的壓力損失。

?駐P=21+1=22 MPa。

②確定液壓泵的流量。本鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件液壓馬達(dá)和液壓缸同時動作，但流量不同時達(dá)到最大。液壓馬達(dá)隨著轉(zhuǎn)矩的增大，工作壓差隨著增大，流量減小。

為液壓系統(tǒng)最大工作壓力；qp為液壓泵流量；?濁P為液壓泵總效率；容積效率與機(jī)械效率的乘積取0.86。

PP=220×89×10-3×60/46×0.86=26.69 kW

由轉(zhuǎn)速及功率確定電動機(jī)的型號：YBK2-225S-4；電動機(jī)功率：37 kW；額定轉(zhuǎn)速：1 480 r/min，驗(yàn)算符合假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)定值。

7結(jié)論

按照選定型號的液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸樣本上的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，能夠達(dá)到本鉆機(jī)要求的性能參數(shù)，系統(tǒng)溫升可以得到控制。

參考文獻(xiàn):

[1] 馮德強(qiáng).鉆機(jī)設(shè)計[M].北京:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,1993.