高爐開口機(jī)液壓設(shè)計(jì)及原理

1、<p>　　開口機(jī)液壓設(shè)計(jì)及原理</p><p>　　摘要：本文在綜合分析各類液壓開口機(jī)沖擊工作原理和輕型液壓開口機(jī)各種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析輕型獨(dú)立回轉(zhuǎn)液壓開口機(jī)的結(jié)構(gòu)類型，對其主要部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。在設(shè)計(jì)中，本文重點(diǎn)的是設(shè)計(jì)液壓開口機(jī)的液壓系統(tǒng)，其包括：活塞的設(shè)計(jì)，配流閥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；蓄能器的設(shè)計(jì)；活塞防空打裝置的設(shè)計(jì)；液壓沖擊機(jī)構(gòu)液壓控制原理圖。</p><p>　　關(guān)鍵詞：

2、開口機(jī)；設(shè)計(jì)；輕型；獨(dú)立回轉(zhuǎn)；研究；沖擊機(jī)構(gòu)</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論3</b></p><p>　　1.1 液壓開口機(jī)的發(fā)展3</p><p>　　1.2 液壓開口機(jī)的研究現(xiàn)狀4</p><p>　　1.3

3、液壓開口機(jī)的發(fā)展趨勢7</p><p>　　1.4 本課題的意義及設(shè)計(jì)內(nèi)容8</p><p>　　第2章 液壓開口機(jī)的沖擊工作原理及結(jié)構(gòu)分析9</p><p>　　2.1 液壓開口機(jī)的基本結(jié)構(gòu)9</p><p>　　2.2 液壓開口機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型11</p><p>　　2.3 液壓開口機(jī)的沖擊工作原

4、理12</p><p>　　2.4 有閥型液壓開口機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析16</p><p>　　2.5 輕型獨(dú)立回轉(zhuǎn)液壓開口機(jī)總體方案的確定18</p><p>　　第3章 液壓沖擊機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的建立21</p><p>　　3.1 液壓沖擊機(jī)構(gòu)的線性模型21</p><p>　　3.2 液壓沖擊機(jī)構(gòu)的非線

5、性模型28</p><p>　　第4章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)31</p><p>　　4.1 液壓沖擊機(jī)構(gòu)控制原理及設(shè)計(jì)理論分析32</p><p>　　4.2 活塞系統(tǒng)設(shè)計(jì)35</p><p>　　4.3 配流閥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)37</p><p>　　4.4 蓄能器的設(shè)計(jì)42</p><p>

6、;　　4.5 活塞防空打裝置的設(shè)計(jì)46</p><p>　　結(jié)論錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)50</b></p><p><b>　　附件151</b></p><p>　　附件2錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　

7、第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 液壓開口機(jī)的發(fā)展</p><p>　　20世紀(jì)20年代，英國人多爾曼在斯塔福德制造出第一臺(tái)液壓開口機(jī)。大約40年之后，另一位英國人薩特立夫也制成了一臺(tái)液壓開口機(jī)。不久，美國Gardner－Denver 公司根據(jù)尤布科斯專利制成了MP－Ⅲ型液壓開口機(jī)。以上幾種液壓開口機(jī)都因一些關(guān)鍵的技術(shù)問題沒能很好地解決，所以未能在生產(chǎn)中得到推

8、廣應(yīng)用。1970年，法國蒙塔貝特（Montabert）公司首先研制成功第一代可用于生產(chǎn)的H50型液壓開口機(jī)，開始在世界范圍內(nèi)應(yīng)用液壓鉆孔設(shè)備。由于液壓開口機(jī)和氣動(dòng)開口機(jī)相比具有明顯的優(yōu)越性，瑞典、英國、美國、德國、芬蘭、奧地利、瑞士和日本等國陸續(xù)研制出各種型號(hào)的液壓開口機(jī)，使液壓開口機(jī)技術(shù)和生產(chǎn)在30多年間有了很大發(fā)展。目前在國外，液壓開口機(jī)已經(jīng)成為導(dǎo)軌式開口機(jī)產(chǎn)品的主流。90年代先進(jìn)國家的巖石開挖工程采用的液壓鉆孔設(shè)備占鉆孔設(shè)備總量的

9、80%以上。其中瑞典AasCopco、芬蘭Tamock、法國Secoma等公司的液壓開口機(jī)及配套產(chǎn)品在世界上具有代表性。前兩者的液壓鉆孔設(shè)備銷售量占世界銷售總量的一半以上。目前國外的液壓開口機(jī)正向重型、大功率和自動(dòng)化方向發(fā)展超重型大功率液壓開口機(jī)已能鉆鑿直徑180-27</p><p>　　我國開展液壓沖擊機(jī)械的研究工作起步于70年代初期，基本與國際研究水平同步 ，但由于當(dāng)時(shí)我國液壓技術(shù)發(fā)展較慢，液壓開口機(jī)與液壓

10、碎石機(jī)未能在我國普遍推廣應(yīng)用。直到80年代，我國科研人員走技術(shù)引進(jìn)和自行開發(fā)相結(jié)合的道路 ，在突破了試驗(yàn)研究的許多關(guān)鍵技術(shù)之后，取得了迅速的發(fā)展。1980年長沙礦冶研究院研制成功了我國第一臺(tái)YYG—80型液壓開口機(jī)，不久以后，由中南工業(yè)大學(xué)研制的YYG90型液壓開口機(jī)、北京科技大學(xué)研制的YS—5000型液壓碎石機(jī)和長沙礦山研究院研制D型液墊式 液壓碎石沖擊器也相繼通過了國家有關(guān)部門組織的技術(shù)鑒定。近年來，隨著我國對外開放政策的深入和科學(xué)

11、技術(shù)的長足進(jìn)步，液壓沖擊機(jī)械這個(gè)新興的技術(shù)產(chǎn)業(yè)也得到了迅猛發(fā)展，目前國內(nèi)已經(jīng)有十幾家單位研制生產(chǎn)了數(shù)十種型號(hào)的液壓開口機(jī)和液壓碎石機(jī)的系列產(chǎn)品，在我國的能源開發(fā)、城市建筑、隧道工程建設(shè)中獲得了較好的應(yīng)用[13]。</p><p>　　1.2 液壓開口機(jī)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 數(shù)學(xué)模型的研究</p><p>　　按照人們在研究沖擊機(jī)構(gòu)時(shí)所采用的數(shù)學(xué)

12、模型不同，可以把研究液壓沖擊機(jī)構(gòu)的方法分為線性模型法和非線性模型法兩種。線性模型法就是抓住液壓沖擊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的主要因素，忽略次要因素，對沖擊機(jī)構(gòu)作一些必要的假設(shè)，將活塞受力狀態(tài)進(jìn)行簡化，得出用線性數(shù)學(xué)模型表示的沖擊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這種模型揭示液壓沖擊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律直接明了，有確切的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可方便地求得解析解。但由于這種方法忽略了一些實(shí)際存在的因素，故只是粗略地描述了沖擊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。非線性模型較多地考慮液壓沖擊機(jī)構(gòu)的影響因素，較全面地

13、分析了沖擊機(jī)構(gòu)的受力狀態(tài)，用高階非線性微分方程組描述其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。這種模型能較精確地揭示液壓沖擊機(jī)構(gòu)的物理現(xiàn)象，但方程求解困難，描述不直觀，只能通過計(jì)算機(jī)求得數(shù)值解。但必須指出，由于液壓沖擊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，非線性模型也是建立在一些假設(shè)基礎(chǔ)上的，所以也只能是近似地描述沖擊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。</p><p>　　1.2.2 蓄能器的研究</p><p>　　液壓沖擊器的所有運(yùn)動(dòng)體工作時(shí)始終處于劇

14、烈的變速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其配流控制閥的換向頻率高達(dá)50～60要求在極短的時(shí)間內(nèi)完成大開口量的油路切換動(dòng)作，壓力、流量變化都非常劇烈，系統(tǒng)不可避免地存在壓力脈動(dòng)和液壓沖擊。因此，液壓沖擊器系統(tǒng)中設(shè)置蓄能器的目的就是為了吸收這種壓力脈動(dòng)和液壓沖擊，同時(shí)在正常工作時(shí)吸收供過于求的能量，當(dāng)系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)需要大量壓力油時(shí)，蓄能器可補(bǔ)充供不應(yīng)求的能量，這樣可減小液壓泵的容量，從而減少電機(jī)功率消耗和系統(tǒng)發(fā)熱。沖擊活塞 、配流控制閥和蓄能器三者耦合運(yùn)動(dòng)完成液壓

15、沖擊器正常而有效的工作，蓄能器是液壓沖擊器的重要組成部件，其設(shè)計(jì)好壞直接影響液壓沖擊器的整機(jī)性能，因此人們對蓄能器進(jìn)行了大量的研究工作。提出了回油蓄能器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法；以集中參數(shù)為基礎(chǔ)，建立了高壓隔膜式蓄能器的動(dòng)態(tài)模型，分析了蓄能器系統(tǒng)的頻率特性，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了蓄能器與液壓沖擊器的耦合特性，得出了最優(yōu)工作參數(shù)比；通過實(shí)驗(yàn)測定液壓碎石機(jī)的蓄能器工況，研究了蓄能器充氣腔容積和充氣壓力的變化對液壓碎石機(jī)性能的影響。</p>

16、;<p>　　1.2.3 配流閥的研究</p><p>　　有閥液壓開口機(jī)的沖擊機(jī)構(gòu)是一個(gè)具有位置反饋的閥控活塞隨動(dòng)系統(tǒng)。配流閥對活塞的控制屬于開關(guān)型控制，閥換向過程中的時(shí)間、位移、耗油量等都是影響沖擊機(jī)構(gòu)性能的重要因素。北京科技大學(xué)劉萬靈教授等在《液壓開口機(jī)換向閥的動(dòng)特性分析》一文中，通過理論分析和實(shí)測的手段，對換向閥進(jìn)行了研究，得出了閥的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，揭示了換向閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定了換向閥影響液壓

17、開口機(jī)的主要參數(shù)。中南大學(xué)齊任賢、劉世勛教授對換向閥控制過程進(jìn)行了理論分析，同時(shí)對換向閥的造型設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究，得出了一些有益的規(guī)律性結(jié)論：如換向閥作高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于回油阻力的響，可能出現(xiàn)速度飽和現(xiàn)象。解決該問題的有效方法是減小閥芯重量和行程，同時(shí)適當(dāng)加大油道直徑等。</p><p>　　1.2.4 釬尾反彈能量吸收裝置及防空打裝置的研究</p><p>　　液壓沖擊器工作時(shí)不可避

18、免地會(huì)出現(xiàn)釬尾沖擊反彈現(xiàn)象和空打現(xiàn)象，因此，釬尾反彈能量吸收裝置與防空打裝置的工作性能對液壓沖擊器的使用壽命起著很大的影響。國內(nèi)有關(guān)專家系統(tǒng)分析了釬尾反彈的因素，探討了釬尾反彈能量吸收的方法；建立了防空打緩沖過程的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了仿真研究；進(jìn)行了釬尾反彈能量吸收裝置及防空打裝置的計(jì)算機(jī)仿真研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)；應(yīng)用波動(dòng)力學(xué)理論，導(dǎo)出了沖擊器各部件的回彈速度計(jì)算公式，并指出回彈的能量可通過沖擊器各部件的合理設(shè)計(jì)而加以利用；中南工業(yè)大學(xué)液壓工程機(jī)

19、械研究所研制了二級(jí)防空打緩沖裝置，該裝置充分利用了釬尾反彈能量吸收裝置的能力，是一種創(chuàng)新研究。</p><p>　　1.2.5 液壓沖擊器輸出參數(shù)調(diào)節(jié)的研究</p><p>　　沖擊鉆孔破碎理論與實(shí)踐表明：對于某種確定的工作對象(如巖石、路基等)，均存在一個(gè)特定單位最優(yōu)沖擊能與之相匹配，只有在這一最優(yōu)的單位沖擊能作用下，工作對象破碎過程所消耗的能量才最少。因此，在鉆孔破碎作業(yè)過程中，當(dāng)工作

20、對象的物理性質(zhì)(如硬度)或具體工作狀挽。(如鉆孔爆破工藝的平巷中深孔掘進(jìn))發(fā)生變化時(shí)，為了降低鉆孔破碎成本和提高生產(chǎn)效率，出現(xiàn)了輸出工作參數(shù)可以調(diào)節(jié)的液壓沖擊器。</p><p>　　事實(shí)上，液壓沖擊器能實(shí)現(xiàn)變參數(shù)輸出的特點(diǎn)也正是其取代氣動(dòng)沖擊器的一個(gè)重要原因，因?yàn)闅鈩?dòng)沖擊器只有一個(gè)恒定的活塞行程，是不可調(diào)節(jié)的。目前，世界上許多液壓沖擊機(jī)械制造商紛紛推出一些行程可調(diào)的液壓沖擊器系列產(chǎn)品，如瑞典Atlas.Copc

21、o公司于20世紀(jì)80年代率先推出了CoP1238系列三擋液壓開口機(jī)；美國Gardner—Denver公司HPR—1型自動(dòng)調(diào)節(jié)行程液壓開口機(jī)；法國Emico.Secoma公司的RPH200型三擋液壓開口機(jī)以及日本三菱商事株式會(huì)社的MKB1300型液壓碎石機(jī)。中南工業(yè)大學(xué)也于80年代首先進(jìn)行了這方面的研究工作，成功研制了YYG系列自動(dòng)換擋液壓開口機(jī)，并已開始用于生產(chǎn)實(shí)踐 ，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。上述液壓沖擊器都是基于行程反饋原理設(shè)計(jì)的，這些液壓沖

22、擊器輸出工作參數(shù)的調(diào)節(jié)主要是通過改變系統(tǒng)的輸入壓力(流量)，或增設(shè)多個(gè)回程反饋信號(hào)孔，通過控制各信號(hào)孔的開關(guān)來調(diào)節(jié)活塞行程，以改變液壓沖擊器的沖擊能和沖擊頻率。由于受到結(jié)構(gòu)的限制(缸體上不可能設(shè)置太多回程反饋信號(hào)孔)，這種原理只能實(shí)現(xiàn)液壓沖擊器工作參數(shù)的有級(jí)調(diào)節(jié)，在使用過程中沖擊能與沖擊頻率調(diào)節(jié)不方便，并且沖擊能和沖擊頻率的同</p><p>　　1.2.6 液壓沖擊器計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的研究</p&

23、gt;<p>　　1988年北京科技大學(xué)以設(shè)計(jì)工作程式為線索，將參數(shù)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算和仿真驗(yàn)算統(tǒng)一起來，形成了液壓沖擊機(jī)構(gòu)CAD軟件。該軟件的參數(shù)優(yōu)化是以液壓沖擊機(jī)構(gòu)的理想線性模型為基礎(chǔ)，而仿真驗(yàn)算是以沖擊機(jī)構(gòu)的非線性模型為基礎(chǔ)。1994年，中南工業(yè)大學(xué)系統(tǒng)地研究了多擋液壓沖擊器的設(shè)計(jì)理論[13]，編寫了YYG系列液壓開口機(jī)設(shè)計(jì)的仿真通用軟件，實(shí)現(xiàn)了該系列液壓開口機(jī)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪圖。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用于液壓沖擊機(jī)械，大大

24、提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，為這種機(jī)械產(chǎn)品的理論設(shè)計(jì)研究和產(chǎn)業(yè)化提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保證。</p><p>　　1.3 液壓開口機(jī)的發(fā)展趨勢</p><p>　　液壓沖擊機(jī)械在過去的3O多年里得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。隨著全球經(jīng)濟(jì)的巨大發(fā)展，資源開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)顯得尤為重要 世界市場特別是中國市場對液壓沖擊設(shè)備的需求量日益擴(kuò)大，對其性能的要求也越來越高，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。就目前來看，液壓沖擊機(jī)械大致有以

25、下發(fā)展動(dòng)向:</p><p>　　(1)產(chǎn)品更新?lián)Q代周期短，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。瑞典AtIaCopco公司推出COP1838、CoP1440系列液壓開口機(jī)取代O0lP1238系列機(jī)型；德國的Krupp公司推出了沖擊能和頻率可調(diào)節(jié)的液壓破碎錘，實(shí)現(xiàn)了液壓破碎錘工作參數(shù)輸出的連續(xù)控制；國內(nèi)中南工業(yè)大學(xué)先后研制YYG90、YYG9IOA、YYG90B、YYG145等系列液壓開口機(jī)。</p><p>

26、　　(2)產(chǎn)品性能向大沖擊能、高頻率、大扭矩方向發(fā)展。瑞典Atlas.Copco公司的COP1238HF型液壓開口機(jī)沖擊頻率可達(dá)，沖擊能達(dá)440J,扭矩500-700N·m；中南工業(yè)大學(xué)研制的YYG145型多擋液壓開口機(jī)，其輸出最大沖擊能也達(dá)到330J，沖擊頻率達(dá)，扭矩為450N·m。</p><p>　　(3)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和釬具質(zhì)量不斷改進(jìn)，鉆鑿 破碎的經(jīng)濟(jì)性和精確性大幅度提高。瑞典Atla

27、s.Copco公司的COP1838液壓開口機(jī)的鉆孔速度比COP1238型提高80％，釬具壽命延長80％。</p><p>　　(4)采用智能化控制。這里指鉆孔破碎過程的計(jì)算機(jī)化，它包括兩個(gè)方面：一是采用電液控制技術(shù)，對液壓沖擊器的工作參數(shù)進(jìn)行控制，使其可根據(jù)工作對象的不同物理性質(zhì) 自動(dòng)地?zé)o級(jí)調(diào)節(jié)活塞行程，從而改變其輸出的沖擊能和沖擊頻率，以保證在最佳工況下工作；二是對液壓鉆車鉆臂定位系統(tǒng)控制，使其能迅速而準(zhǔn)確可靠

28、地移動(dòng)到指定位置，目前中南大學(xué)完成的國家“863”項(xiàng)目——隧道開口機(jī)器人的研究就是這個(gè)發(fā)展方向。</p><p>　　(5)液壓沖擊機(jī)械性能參數(shù)測試測控的計(jì)算機(jī)化。以計(jì)算機(jī)為核心，采用各種可視化軟件(Ⅶ、VC等)，實(shí)現(xiàn)測試技術(shù)與手段的虛擬化。</p><p>　　(6)液壓沖擊機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制技術(shù)的信息化。任何一種機(jī)械產(chǎn)品從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制造到投入使用，離不開各種信息(包括結(jié)構(gòu)參數(shù)、控制參

29、數(shù)、價(jià)格因子及市場需求等)的集中分析、儲(chǔ)存、加工和處理，使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)以智能、動(dòng)力、結(jié)構(gòu)和傳感組成的有序信息流的在線分析與處理，完成對液壓沖擊機(jī)械系統(tǒng)的信息化設(shè)計(jì)與控制。</p><p>　　隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，液壓沖擊機(jī)械20世紀(jì)70年代問世以來，在短短30年中獲得了迅速的發(fā)展，目前在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中，已形成了一個(gè)重要的新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，并取得了顯著的社會(huì)效 益和經(jīng)濟(jì)效益，以液壓沖擊器及其控制系統(tǒng)

30、為核心技術(shù)的研究也提高到了一個(gè)新水平。由于種種原因，國內(nèi)產(chǎn)品還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場的需求，一些生產(chǎn)廠和大學(xué)研究機(jī)構(gòu)投入了相當(dāng)?shù)娜肆唾Y金進(jìn)行液壓沖擊機(jī)械的開發(fā)研究，以提高我國在這一領(lǐng)域的技術(shù)水平。</p><p>　　1.4 本課題的意義及設(shè)計(jì)內(nèi)容</p><p>　　開口機(jī)械是采掘、建筑、工程建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的工程機(jī)械。盡管世界開口機(jī)，尤其是液壓開口機(jī)技術(shù)有很大發(fā)展，但在我國其主導(dǎo)產(chǎn)品幾十

31、年來沒有大的變化。我國大量的中小礦山及一般工程施工中仍普遍使用能耗高、破巖效率低、易損零件多、壽命低、噪聲高、環(huán)境污染嚴(yán)重的支腿式氣動(dòng)開口機(jī)。研制開發(fā)輕型獨(dú)立回轉(zhuǎn)液壓開口機(jī)就是在這樣的背景下提出的。用輕型獨(dú)立回轉(zhuǎn)液壓開口機(jī)替代傳統(tǒng)的氣動(dòng)開口機(jī)能明顯提高鉆孔作業(yè)效率、顯著降低能耗、減少噪聲污染和空氣污染，迅速提高我國鉆孔和工程施工的裝備技術(shù)水平。</p><p>　　本文的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：</p>

32、<p>　?。?）原理介紹，介紹液壓開口機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和沖擊工作原理。</p><p>　?。?）確定總體結(jié)構(gòu)方案，分析各種類型的沖擊機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，然后確定輕型獨(dú)立回轉(zhuǎn)液壓開口機(jī)的總體結(jié)構(gòu)方案。</p><p>　　（3）建立數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)出活塞系統(tǒng)、配流閥系統(tǒng)、蓄能器、防空打裝置以及配流閥換向信號(hào)孔位置的設(shè)計(jì)計(jì)算公式。</p><p>　?。?）根據(jù)計(jì)算公式對

33、輕型獨(dú)立回轉(zhuǎn)液壓開口機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。</p><p>　　第2章 液壓開口機(jī)的沖擊工作原理及結(jié)構(gòu)分析</p><p>　　2.1 液壓開口機(jī)的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　液壓開口機(jī)主要由沖擊機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、供水排粉裝置及防塵系統(tǒng)等部分組成，其鉆孔作業(yè)是沖擊、回轉(zhuǎn)、推進(jìn)與巖孔沖洗功能的綜合。目前各生產(chǎn)廠家的液壓開口機(jī)結(jié)構(gòu)都不盡相同，各有自己的特點(diǎn)。如有帶

34、行程調(diào)節(jié)裝置的，也有無此裝置的；有采用中心供水的，也有采用旁側(cè)供水的；缸體內(nèi)有帶缸套的也有無缸套的；為了防止深孔鉆孔時(shí)釬桿卡在巖孔內(nèi)拔不出來，國外有幾種新型液壓開口機(jī)在供水裝置前面還設(shè)有反沖裝置。下面介紹液壓開口機(jī)的一些基本結(jié)構(gòu)：</p><p><b>　　（1）沖擊機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　液壓沖擊機(jī)構(gòu)由缸體、活塞、配流閥、蓄能器及前后支撐套與密封裝置等組

35、成[13]，它的作業(yè)原理如圖2-1，它是沖擊做功的關(guān)鍵部件，它的性能直接決定了液壓開口機(jī)整機(jī)的性能。</p><p>　　圖2-1沖擊式開口機(jī)作業(yè)原理</p><p>　　1—活塞 2—釬尾 3—接釬套 4—釬桿 5—釬頭</p><p><b>　　1）活塞</b></p><p>　　活塞是傳遞沖擊能量的主要零件，其

36、形狀對破巖效果有較大影響。由波動(dòng)力學(xué)理論可知，活塞直徑與釬尾直徑越接近越好，且在總長度上直徑變化越小越好。通過對氣動(dòng)開口機(jī)和液壓開口機(jī)兩種活塞的效果比較發(fā)現(xiàn)，液壓開口機(jī)的活塞只比氣動(dòng)開口機(jī)的活塞重19％，可是輸出功率卻提高了一倍，而釬桿內(nèi)的應(yīng)力峰值則減小了20％。因此，雙面回油型液壓開口機(jī)的活塞斷面變化最小，且細(xì)長，是最理想的活塞形狀。</p><p><b>　　2）配流閥</b><

37、/p><p>　　液壓開口機(jī)的配流閥有多種形式，概括起來有套閥和芯閥兩大類，芯閥按形狀又可分為柱狀閥和筒狀閥。套閥只有一個(gè)零件，結(jié)構(gòu)簡單，其結(jié)構(gòu)受活塞的制約，只能制成三通閥。而芯閥是一個(gè)部件，由多個(gè)零件組成，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可制成三通或四通閥。三通閥適用于單面回油的機(jī)型，而雙面回油型液壓開口機(jī)則必須采用四通閥。</p><p><b>　　3）蓄能器</b></p&g

38、t;<p>　　液壓沖擊機(jī)構(gòu)的活塞只在沖程時(shí)才對釬尾作功，而回程時(shí)不對外作功，為了充分利用回程能量，需配備高壓蓄能器儲(chǔ)存回程能量，并利用它提供沖程時(shí)所需的峰值流量，以減小液壓泵的排量。此外，由于閥芯高頻換向引起壓力沖擊和流量脈動(dòng)，也需配置蓄能器，以保證機(jī)器工作的可靠性，提高各部件的壽命。目前，國內(nèi)外各種有閥型液壓開口機(jī)都配有一個(gè)或二個(gè)高壓蓄能器，有的液壓開口機(jī)為了減少回油的脈動(dòng)，還設(shè)有回油蓄能器。因液壓開口機(jī)的沖擊頻率高，

39、故都采用反應(yīng)靈敏、動(dòng)作快的隔膜式蓄能器。</p><p><b>　　4）缸體</b></p><p>　　缸體是液壓開口機(jī)的主要零件，體積和重量都較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔道和油槽多，要求加工精度高。為解決此問題，各型液壓開口機(jī)采取了不同的辦法。有的加前后缸套，以利于油路和沉割槽的加工，且維修時(shí)便于更換；有的不加襯套，為便于加工，把缸體分為幾段；而輕型液壓開口機(jī)大多采用整體

40、式缸體。</p><p><b>　　5）活塞導(dǎo)向套</b></p><p>　　活塞的前后兩端都有導(dǎo)向套支承，其結(jié)構(gòu)有整體式和復(fù)合式兩種。前者加工簡單，后者性能優(yōu)良。目前國內(nèi)多采用整體式，少數(shù)采用復(fù)合式。</p><p><b>　?。?）回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要用于轉(zhuǎn)動(dòng)

41、釬具和接卸釬桿。在液壓開口機(jī)中，因輸出扭矩較大，所以主要采用獨(dú)立外回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)一套齒輪裝置并帶動(dòng)釬尾作獨(dú)立的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因擺線液壓馬達(dá)體積小、扭矩大、效率高，故液壓開口機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)普遍采用這種馬達(dá)。</p><p><b>　?。?）供水裝置</b></p><p>　　液壓開口機(jī)大都采用壓力水作為沖洗介質(zhì)，其供水裝置的作用就是供給沖洗水以排除巖孔內(nèi)的巖

42、碴，它有中心供水式和旁側(cè)供水式兩種。中心供水式裝置與一般氣動(dòng)開口機(jī)中心供水方式相同，壓力水從開口機(jī)后部的注水孔通過水針從活塞中間孔過，進(jìn)入前部釬尾來沖洗鉆孔。這種供水方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)頭部分體積小，但密封比較困難。旁側(cè)供水裝置是液壓開口機(jī)廣泛采用的結(jié)構(gòu)。沖洗水通過開口機(jī)前部的供水套進(jìn)入釬尾的進(jìn)水孔去沖洗鉆孔。這種供水方式由于水路短，易于實(shí)現(xiàn)密封，且即使發(fā)生漏水也不會(huì)影響開口機(jī)內(nèi)部的正常潤滑，其缺點(diǎn)是機(jī)頭部分增加了長度。</p

43、><p>　　2.2 液壓開口機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型</p><p>　　液壓開口機(jī)按其沖擊機(jī)構(gòu)配油方式的不同可分為兩大類:有閥型和無閥型。前者按閥的結(jié)構(gòu)可分為套閥式和芯閥式:按回油方式又有單面回油和雙面回油兩種:單面回油又分為前腔回油和后腔回油兩種。其分類關(guān)系及相應(yīng)代表型號(hào)見表2-1。</p><p>　　表2-1液壓開口機(jī)的分類[12]</p><

44、p>　　2.3 液壓開口機(jī)的沖擊工作原理</p><p>　　液壓開口機(jī)以液壓流體作為傳遞能量的介質(zhì)，其沖擊工作原理主要是由沖擊機(jī)構(gòu)的配油方式?jīng)Q定的。</p><p>　?。?）前腔回油后腔常壓型液壓開口機(jī)沖擊工作原理[13]</p><p>　　此型液壓開口機(jī)是通過改變前腔的供油和回油來實(shí)現(xiàn)活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的，有套閥式和芯閥式兩種。圖2-1所示位套閥式的沖擊工

45、作原理。當(dāng)套閥處于左端位置時(shí)，高壓油進(jìn)入活塞前腔A，由于活塞前腔受壓面積大于后腔受壓面積，活塞前端作用力遠(yuǎn)大于后端作用力，故活塞開始作回程運(yùn)動(dòng)(圖2-1a)。當(dāng)活塞回程到一定位置時(shí)，使推閥腔C與后腔B切斷，與回油腔D連通，推閥腔B的油壓急劇下降，于是套閥作回程換向并向右快速運(yùn)動(dòng)，關(guān)閉活塞前腔的壓油口，開啟回油口，活塞前端作用力急劇減小使活塞處于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)(圖2-1b)。當(dāng)活塞回程速度為零即到達(dá)回程終點(diǎn)時(shí)，活塞在后端作用力的作用下開始作

46、沖程運(yùn)動(dòng)(圖2-1c)。當(dāng)活塞在沖程中離沖擊點(diǎn)還有一定距離時(shí)，推閥腔C與壓油腔B相通，套閥進(jìn)行沖程換向，在此過程中，活塞高速?zèng)_擊釬尾(2-1d)。與此同時(shí)，沖程換向完畢，活塞前腔進(jìn)入高壓油，又開始作下一次循環(huán)的回程運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　圖2-1前腔回油后腔常壓型液壓開口機(jī)沖擊工作原理</p><p>　　(a)回程 (b)回程換向 (c)沖程 (d)沖程換向</p>&

47、lt;p>　　1—缸體2—活塞3—套閥4—蓄能器</p><p>　　A—前腔 B—后腔 C—推閥腔 D—回油腔</p><p>　?。?）后腔回油前腔常壓型液壓開口機(jī)沖擊工作原理[13]</p><p>　　此型液壓開口機(jī)是通過改變后腔的供油和回油來實(shí)現(xiàn)活塞的沖擊往復(fù)運(yùn)動(dòng)的，也有套閥式和芯閥式兩種，其套閥式液壓開口機(jī)沖擊工作原理如圖2-2所示。當(dāng)套閥4處于右

48、端位置時(shí)，缸體后腔與回油相通，于是活塞2在缸體前腔高壓油的作用下，向右作回程加速運(yùn)動(dòng)(圖2-2a)。當(dāng)活塞超過回程換向信號(hào)孔位A時(shí)，配流閥右端推閥面與高壓油相通，因該面積大于閥左端的面積，所以配流閥向左運(yùn)動(dòng)進(jìn)行回程換向，高壓油通過機(jī)體內(nèi)部孔道與活塞后腔相通，活塞向右作減速運(yùn)動(dòng)，后腔的油一部分進(jìn)入蓄能器3，一部分從機(jī)體內(nèi)部通道流入前腔，直至回程終點(diǎn)(圖2-2b)。由于活塞軸肩后端面積大于活塞軸肩前端面積，因此活塞后端面作用力遠(yuǎn)大于前端面作

49、用力，活塞向左作沖程加速運(yùn)動(dòng)(2-2c)當(dāng)活塞越過沖程信號(hào)孔位B時(shí)，配流閥右推閥面與回油通道相通，配流閥進(jìn)行沖程換向(2-2d)，為活塞回程作好準(zhǔn)備，與此同時(shí)活塞沖擊釬尾做功，完成一個(gè)工作循環(huán)。</p><p>　　圖2-2前腔常壓后腔回油型液壓開口機(jī)沖擊工作原理</p><p>　　(a)回程加速(b)回程換向、回程制動(dòng)(c)沖程加速(d)沖程換向、沖擊釬尾</p><

50、;p>　　1—缸體2—活塞3—蓄能器4—配流閥</p><p>　　A—回程換向信號(hào)孔位 B—沖程換向信號(hào)孔位</p><p>　　（3）雙面回油型液壓開口機(jī)沖擊工作原理[13]</p><p>　　此類液壓開口機(jī)都為四通芯閥式結(jié)構(gòu)，采用前后腔交替回油，其沖擊工作原理如圖2-3所示。在沖程開始階段(圖2-3a)，閥芯2位于左端，活塞4位于右端，高壓油經(jīng)油路進(jìn)入

51、缸體后腔，推動(dòng)活塞向左作加速運(yùn)動(dòng)。活塞向左運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位，打開沖程換向信號(hào)孔口，高壓油經(jīng)推閥油路作用在閥芯的左推閥面，推動(dòng)閥芯向右運(yùn)動(dòng)進(jìn)行沖程換向(圖2-3b)配流閥右端腔室中的油經(jīng)推閥油路進(jìn)入活塞中間腔，再經(jīng)回油通道返回油箱，為回程運(yùn)動(dòng)作好準(zhǔn)備，與此同時(shí)，活塞打擊釬尾。在完成沖程運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)，活塞即刻進(jìn)入回程運(yùn)動(dòng)(圖2-3c),高壓油經(jīng)進(jìn)油路進(jìn)入缸體前腔，推動(dòng)活塞向右作加速運(yùn)動(dòng)?；钊蛴疫\(yùn)動(dòng)打開回程換向信號(hào)孔口A時(shí)，高壓油經(jīng)推閥油路作用在

52、閥芯的右端面，推動(dòng)閥芯回程換向(圖2-3d )，閥左端腔室中的油經(jīng)推閥油路、活塞中間腔和回油通道返回油箱，閥芯運(yùn)動(dòng)到左端，為下一循環(huán)作好準(zhǔn)備。</p><p>　　圖2-3雙面回油型液壓開口機(jī)沖擊工作原理</p><p>　　(a)沖程加速 (b)沖程換向 (c)回程加速 (d)回程換向</p><p>　　1—蓄能器2—配流閥3—缸體4—活塞</p>

53、<p>　　（4）無閥型液壓開口機(jī)沖擊工作原理[13]</p><p>　　該型液壓開口機(jī)沒有專門的配流閥，而是一種利用活塞運(yùn)動(dòng)位置變化自行配油的無閥結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是利用油的微量可壓縮性，以較大容積的工作腔(活塞的前腔和后腔)和壓油腔形成液體彈簧作用，在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生壓縮儲(chǔ)能和膨脹作功。其沖擊工作過程如圖2-4所示。</p><p>　　2-4a表示無閥型液壓開口機(jī)回程開始的

54、情況，這時(shí)活塞前腔與高壓油相通，后腔與回油相通，于是活塞向右作回程加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞回程運(yùn)動(dòng)到圖2-4b的位置時(shí)，活塞的前腔和后腔均處于封閉狀態(tài)，形成液體彈簧。由于活塞的慣性以及前腔高壓油的膨脹，使活塞繼續(xù)作回程運(yùn)動(dòng)，這時(shí)活塞后腔的油液被壓縮儲(chǔ)能，壓力逐漸升高，直到活塞回程使前腔與回油相通，后腔與高壓油相通，即活塞到達(dá)如圖2-4c的位置時(shí)，活塞開始向左作沖程運(yùn)動(dòng)?；钊\(yùn)動(dòng)到一定位置，其前后腔又處于封閉狀態(tài)，形成液體彈簧，活塞沖擊釬尾做功。

55、同時(shí)活塞的前腔與高壓油相通，后腔與回油相通，又為活塞回程運(yùn)動(dòng)作好準(zhǔn)備，如此不斷往復(fù)循環(huán)。</p><p>　　圖2-4無閥型液壓開口機(jī)沖擊工作原理</p><p>　　(a)回程 (b)前腔膨脹，后腔壓縮儲(chǔ)能 (c)沖程</p><p>　　1—活塞2—前腔3—缸體4—壓油腔5—后腔</p><p>　　無閥型液壓開口機(jī)的特點(diǎn)是：只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)

56、件，結(jié)構(gòu)簡單;由于利用油液的微量可壓縮性，所以工作腔和壓油腔容積較大，致使機(jī)器尺寸和重量均較大;為了不使工作腔容積過大，就得限制每次的沖擊排量，使活塞運(yùn)動(dòng)行程減小，沖擊能減小，在這種情況下要達(dá)到一定的輸出功率，只得提高沖擊頻率。但對鉆孔作業(yè)來說，確定沖擊頻率的條件是一次沖擊所產(chǎn)生的應(yīng)力波不致與前一次沖擊所產(chǎn)生的應(yīng)力波重疊并累積起來，所以過高的沖擊頻率也未必有利。由于存在上述不足，故尚未見到無閥型液壓開口機(jī)在鉆孔作業(yè)中推廣應(yīng)用。</

57、p><p>　　2.4 有閥型液壓開口機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析</p><p>　　前腔回油后腔常壓型、后腔回油前腔常壓型和雙面回油型液壓沖擊機(jī)構(gòu)由于配油方式的不同而具有各自的特點(diǎn)[12]：</p><p>　　1)活塞回程制動(dòng)階段的吸空問題</p><p>　　在活塞回程制動(dòng)階段，前腔常壓型沖擊機(jī)構(gòu)從原理上不會(huì)產(chǎn)生前腔的吸空問題，而后腔常壓型和雙面

58、回油型沖擊機(jī)構(gòu)則必然會(huì)產(chǎn)生前腔的吸空現(xiàn)象，這對活塞、缸體及回油管都是有害的。對于相同規(guī)格的液壓沖擊機(jī)構(gòu)而然，雙面回油型的前腔受壓面積比較小，因而空穴現(xiàn)象的危害程度也較小，而后腔常壓型的前腔面積比雙面回油型的前腔面積大得多，因而空穴現(xiàn)象的危害程度也大得多。</p><p>　　2)活塞沖程階段的前腔油壓液流動(dòng)阻力問題</p><p>　　在沖程階段，前腔常壓型的前腔油液要被壓到后腔，因而產(chǎn)生

59、一定的阻力，但因其前腔受壓面積較小，所以阻力也較小。而雙面回油型和后腔常壓型的前腔是接通回油的，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生回油阻力。雙面回油型的前腔面積小，因而回油阻力小，而后腔常壓型的前腔面積大得多，因而回油阻力也大得多。</p><p>　　3)配油閥的耗油量和工藝性</p><p>　　前腔常壓型與后腔常壓型是利用了差動(dòng)活塞的原理，所以只需采用三通閥，而雙面回油型則必須采用四通閥。四通閥的典型結(jié)構(gòu)是

60、三槽二臺(tái)肩，四通滑閥的典型結(jié)構(gòu)是五槽三臺(tái)肩，三通閥比四通閥少一個(gè)臺(tái)肩，因而可以做得比較短，可以減輕閥芯重量，節(jié)省閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)的耗油量。</p><p>　　三通閥只有三個(gè)關(guān)鍵尺寸和一條通向油缸的孔道，結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，而四通閥則有五個(gè)關(guān)鍵尺寸和二條通向油缸的孔道，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝性差。相應(yīng)的雙面回油型的油缸缸體結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，加工難度大。</p><p>　　4)活塞運(yùn)動(dòng)中的排油問題<

61、/p><p>　　在活塞的沖程和回程中，雙面回油型沖擊機(jī)構(gòu)都存在排油過程，排油時(shí)間長，排油比較均勻，流量峰值小，有利于減少回油管的流量壓力脈動(dòng)，減小回油阻力。與之對比，前腔常壓型配油閥只在活塞回程中由后腔排油，排油時(shí)間短，流量峰值大，回油阻力大，回油壓力脈動(dòng)大，這是前腔常壓型的主要缺陷，一般通過安裝回油蓄能器來減小其不利影響。</p><p><b>　　5)活塞形狀</b&g

62、t;</p><p>　　雙面回油型的活塞形狀最為合理，活塞各臺(tái)階的直徑差小，可以做得細(xì)長，撞擊時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力峰值小，持續(xù)時(shí)間長，有利于提高活塞和釬具的壽命，增強(qiáng)破巖效果。相比之下，前腔常壓型和后腔常壓型的活塞直徑差要大一些，因此效果也差一些。</p><p>　　通過以上分析可得如下結(jié)論：</p><p>　　后腔常壓型液壓沖擊機(jī)構(gòu)在回程制動(dòng)過程中存在嚴(yán)重的吸空現(xiàn)象

63、以及回油阻力過大等問題，缺點(diǎn)比較明顯，實(shí)踐證明是一種不可取的結(jié)構(gòu)，目前己經(jīng)被淘汰。</p><p>　　前腔常壓式液壓沖擊機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，沒有吸空現(xiàn)象，配流閥耗油量少，能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)，可作為中重型液壓開口機(jī)的首選結(jié)構(gòu)形式。但由于其回油壓力脈動(dòng)較大，因此在設(shè)計(jì)輕型液壓開口機(jī)時(shí)應(yīng)盡量避免采用這種結(jié)構(gòu)。</p><p>　　雙面回油型液壓沖擊機(jī)構(gòu)具有不間歇回油、排油時(shí)間長、回油壓力脈動(dòng)小以

64、及活塞形狀好等優(yōu)點(diǎn)，但其缸體和配油閥結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工工藝性較差，配油閥的耗油量稍高。</p><p>　　2.5 輕型獨(dú)立回轉(zhuǎn)液壓開口機(jī)總體方案的確定</p><p>　　如圖2-5所示輕型液壓開口機(jī)按其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為兩大類：</p><p><b>　　（1）內(nèi)回轉(zhuǎn)式</b></p><p>　　這種結(jié)構(gòu)的

65、液壓開口機(jī)沿用氣動(dòng)開口機(jī)沖擊活塞帶動(dòng)釬桿旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)方式，在利用液壓振動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)活塞沖擊的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)釬，結(jié)構(gòu)十分緊湊。但是，它存在兩方面的不穩(wěn)定性，一是卡釬，二是回油管爆裂。</p><p>　　卡釬是由于液壓開口機(jī)的固定參數(shù)與不固定的外界條件所致，內(nèi)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的開口機(jī)是靠施于活塞上的液壓力在克服釬桿轉(zhuǎn)動(dòng)阻力后才得以推動(dòng)活塞作回程加速運(yùn)動(dòng)的。在正常情況下，旋轉(zhuǎn)所需分力和活塞沖擊能可互相調(diào)節(jié)。但當(dāng)釬桿所需的回轉(zhuǎn)分力

66、即阻礙釬桿轉(zhuǎn)動(dòng)力矩過大時(shí)，液壓力不足以克服轉(zhuǎn)釬阻力，活塞將被迫中止沖擊或降速運(yùn)動(dòng)，這時(shí)會(huì)因回轉(zhuǎn)阻礙力矩突增而產(chǎn)生卡釬現(xiàn)象。若設(shè)計(jì)使施加于活塞上的力過大，或轉(zhuǎn)釬所需分力變小，則活塞回程加速度增大，導(dǎo)致沖擊能加大，開口機(jī)反彈振動(dòng)力加大，釬桿易斷，工作不穩(wěn)。兩者的矛盾很難用一種固定的設(shè)計(jì)參數(shù)來統(tǒng)一。特別在不勻質(zhì)巖層，內(nèi)回轉(zhuǎn)液壓開口機(jī)常常無所適從，無法連續(xù)工作。</p><p>　　油管爆裂是設(shè)計(jì)開口機(jī)時(shí)保護(hù)不當(dāng)所致。一

67、般設(shè)計(jì)液壓開口機(jī)時(shí)重視高壓油管的保護(hù)，都設(shè)有高壓蓄能器。低壓油管受到的振動(dòng)破壞性很大，特別是單面回油型液壓開口機(jī)，由于是間歇回油，瞬時(shí)排油的壓力脈動(dòng)形成的振動(dòng)往往大于高壓油管的振動(dòng)，故回油管破壞率高。</p><p>　　由于內(nèi)回轉(zhuǎn)液壓開口機(jī)在工作原理上的缺陷無法從根本上解決，所以這種結(jié)構(gòu)的支腿式液壓開口機(jī)已被市場所淘汰。</p><p><b>　?。?）外回轉(zhuǎn)式</b&

68、gt;</p><p>　　外回轉(zhuǎn)液壓開口機(jī)在結(jié)構(gòu)上都設(shè)置有油馬達(dá)以驅(qū)動(dòng)減速器帶動(dòng)釬桿轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)不同的油路配置又可分為三種：a.獨(dú)立供油外回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；b.內(nèi)部分流供油外回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；c.沖擊與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)串聯(lián)供油的外回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。獨(dú)立供油外回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是中重型液壓開口機(jī)普遍采用的結(jié)構(gòu)，它是分別向沖擊和回轉(zhuǎn)兩部分直接供油的獨(dú)立外回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)尚沒有這種結(jié)構(gòu)的輕型液壓開口機(jī)問世。</p><p>　　圖2-

69、5回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[13]</p><p>　　1—沖擊活塞2—緩沖活塞3—傳動(dòng)長軸4—小齒輪5—大齒輪</p><p>　　6—釬尾7—三邊形花鍵套8—緩沖套筒</p><p>　　內(nèi)部分流外回轉(zhuǎn)液壓開口機(jī)具有單一輸入輸出油管的結(jié)構(gòu)形式，通過設(shè)在機(jī)體內(nèi)的分流閥將輸入的液壓油分別供給沖擊機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的液壓開口機(jī)由于分流閥設(shè)在機(jī)體內(nèi)部，所以增大了開口機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸和

70、能量損失，而且分流閥的調(diào)節(jié)技術(shù)比較復(fù)雜，鉆孔時(shí)工人很難根據(jù)具體的施工條件控制操作，所以尚未得到推廣應(yīng)用。</p><p>　　目前國內(nèi)應(yīng)用比較成功的支腿式液壓開口機(jī)采用的都是沖擊與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)串聯(lián)供油的外回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)保留了單一輸入輸出油管，結(jié)構(gòu)簡單，且利用回轉(zhuǎn)油路作為沖擊機(jī)構(gòu)的高背壓，其間以柔性相連，緩和了油路的高頻振動(dòng)，降低了振幅。但由于沖擊機(jī)構(gòu)的背壓較高，導(dǎo)致了這種結(jié)構(gòu)的液壓開口機(jī)的沖擊能和沖擊頻率都較低，

71、又由于油馬達(dá)的供油為沖擊機(jī)構(gòu)的回油，所以其回轉(zhuǎn)扭矩也不高。由于這種結(jié)構(gòu)的支腿式液壓開口機(jī)與相同檔次的氣動(dòng)開口機(jī)相比在性能上沒有明顯的優(yōu)勢，所以其推廣應(yīng)用受到了一定程度的限制。</p><p>　　盡管各廠家生產(chǎn)的輕型液壓開口機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)形式上各有不同，但其采用的沖擊機(jī)構(gòu)在工作原理上卻完全相同，即全部采用前腔常壓后腔回油型液壓沖擊機(jī)構(gòu)。而前腔常壓型液壓沖擊機(jī)構(gòu)卻存在回油阻力大及回油壓力脈動(dòng)大的缺點(diǎn)，這也是這種

72、液壓開口機(jī)回油管易于爆裂的原因。解決這一問題的辦法是安裝回油蓄能器，而這樣勢必會(huì)增加開口機(jī)的尺寸和重量。供水裝置是液壓開口機(jī)的一個(gè)重要組成部分。由于旁側(cè)供水裝置會(huì)增加機(jī)頭部分的結(jié)構(gòu)尺寸，增大開口機(jī)的重量，這對于對重量要求較為苛刻的輕型液壓開口機(jī)來說是無法忍受的，因此，輕型液壓開口機(jī)大都采用中心供水方式。</p><p>　　綜上所述，本文確定輕型獨(dú)立回轉(zhuǎn)液壓開口機(jī)的總體結(jié)構(gòu)為：雙面回油型液壓沖擊機(jī)構(gòu)＋獨(dú)立供油外回

73、轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)＋中心供水方式。依此設(shè)計(jì)輕型獨(dú)立回轉(zhuǎn)液壓開口機(jī)，該型液壓開口機(jī)具有如下特點(diǎn)：</p><p>　　1）沖擊機(jī)構(gòu)的活塞在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中雙面回油，排油時(shí)間長，排油比較均勻，流量峰值小，有利于減少回油管的流量壓力脈動(dòng)，減小回油阻力。</p><p>　　2）活塞細(xì)長，沖擊端面積與釬尾的斷面積相近，有利于能量傳遞，延長釬具壽命。</p><p>　　3）由于回油壓力脈

74、動(dòng)小，所以無須配置回油蓄能器，因此，該機(jī)只配置一個(gè)高壓蓄能器以供給活塞運(yùn)動(dòng)的峰值流量及減小配流閥換向時(shí)的沖擊壓力。</p><p>　　4）采用獨(dú)立供油的擺線液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪減速器帶動(dòng)釬桿轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)扭矩大。</p><p>　　5）采用獨(dú)立中心供水方式，沖洗水壓力可達(dá)1Mpa 以上，有利于清渣。</p><p>　　第3章 液壓沖擊機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的建立</p&

75、gt;<p>　　液壓沖擊機(jī)構(gòu)是以液體為工作介質(zhì)，將壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，活塞以往復(fù)運(yùn)動(dòng)形式通過沖擊釬尾進(jìn)行能量傳遞的。它的輸入?yún)?shù)是液體的工作壓力和流量，輸出的參數(shù)是活塞的沖擊能和運(yùn)動(dòng)頻率。研究活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立液壓沖擊機(jī)構(gòu)的理論模型是十分有意義的，這是設(shè)計(jì)液壓開口機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)的理論基礎(chǔ)。</p><p>　　3.1 液壓沖擊機(jī)構(gòu)的線性模型</p><p>　　液壓沖擊機(jī)構(gòu)的線

76、性模型是目前在工程設(shè)計(jì)和一般的理論分析中廣泛應(yīng)用的一種數(shù)學(xué)模型。根據(jù)活塞在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中的回程加速、回程制動(dòng)和沖程加速等三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，該模型有兩種描述方法。一種使用較多的方法是假設(shè)供油壓力恒定，將活塞上述三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的加速度在數(shù)值上分為兩種，即回程加速一種，回程制動(dòng)與沖程加速的加速度在數(shù)值上相等，由此可導(dǎo)出一系列簡明的表達(dá)式，本文稱之為活塞運(yùn)動(dòng)的二段分析法，該法的活塞運(yùn)動(dòng)速度示意圖如圖3-1 所示[13]。另一種方法本文將其稱為活塞運(yùn)

77、動(dòng)的三段分析法，它根據(jù)活塞在回程制動(dòng)與沖程加速這兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的加速度數(shù)值有較大差別的實(shí)際工況，將三種狀態(tài)的加速度分為數(shù)值不同的三種，由此導(dǎo)出更完善、更符合實(shí)際工況的表達(dá)式。</p><p>　　圖3-1 活塞運(yùn)動(dòng)速度圖</p><p>　　Vm—沖擊末速度 Vrm—回程最大速度 tr1—回程加速時(shí)間 tr2—回程制動(dòng)時(shí)間</p><p>　　tr—回程時(shí)間 ts—

78、沖程時(shí)間 T—活塞運(yùn)動(dòng)周期</p><p>　　3.1.1 活塞運(yùn)動(dòng)的二段分析法</p><p>　　采用該法分析活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)的假設(shè)條件為[12,15]：</p><p>　　（1）油液是不可壓縮的；</p><p>　?。?）在活塞和閥芯運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)械摩擦損失、流體壓力損失、漏損均為零；</p><p>　?。?

79、）忽略活塞沖擊釬尾后的短暫停頓和反彈速度；</p><p>　?。?）系統(tǒng)工作壓力無波動(dòng)，回油背壓為零；</p><p>　　（5）配油閥是瞬時(shí)切換的，且忽略換向時(shí)所需流量。</p><p>　　根據(jù)以上假設(shè)，可建立活塞運(yùn)動(dòng)方程為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>

80、　　式中：——活塞質(zhì)量，kg；</p><p><b>　　——活塞加速度，；</b></p><p>　　p——工作壓力，Pa；</p><p>　　A1、A2——活塞前后腔受壓面積，；</p><p>　　——活塞回程加速時(shí)間，s；</p><p>　　T——活塞運(yùn)動(dòng)周期，s。</p&g

81、t;<p>　　由上式可得活塞運(yùn)動(dòng)加速度為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　如圖3-1所示，活塞的運(yùn)動(dòng)速度為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　活塞的運(yùn)動(dòng)位移為：</b></p

82、><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　經(jīng)整理可得活塞回程加速階段加速度為：</p><p><b>　　（3-5）</b></p><p>　　活塞回程制動(dòng)和沖程加速階段加速度為：</p><p><b>　?。?-6）</b><

83、;/p><p>　　活塞回程最大速度為：</p><p><b>　　（3-7）</b></p><p><b>　　活塞沖擊末速度為：</b></p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　活塞回程加速行程為：</p>

84、<p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　　回程制動(dòng)行程為：</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　活塞運(yùn)動(dòng)行程為：</b></p><p><b>　?。?-11

85、）</b></p><p><b>　　活塞運(yùn)動(dòng)周期為：</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p><b>　　活塞的沖擊頻率為：</b></p><p><b>　　（3-13）</b></p>

86、<p>　　3.1.2 活塞運(yùn)動(dòng)的三段分析法</p><p>　　由于密封摩擦阻力、粘性摩擦阻力在活塞回程制動(dòng)階段與油壓形成的減速力方向相同，而在沖程加速階段這些力與驅(qū)動(dòng)活塞加速的油壓力方向相反，顯然回程制動(dòng)加速度在數(shù)值上大于沖程的加速度?；谏鲜龇治?，綜合考慮各種阻力和回油背壓對活塞運(yùn)動(dòng)的影響，可得活塞運(yùn)動(dòng)微分方程為[12.13]：</p><p><b>　　（3-

87、14）</b></p><p>　　式中：k——綜合阻力系數(shù)；</p><p>　　——回油背壓，Pa。</p><p>　　則活塞運(yùn)動(dòng)加速度為：</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p><b>　　活塞運(yùn)動(dòng)速度為：</b></p&

88、gt;<p><b>　?。?-16）</b></p><p><b>　　活塞的位移為：</b></p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　　經(jīng)計(jì)算可得回程加速階段加速度為：</p><p><b>　?。?-18）</

89、b></p><p>　　回程制動(dòng)階段加速度為：</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　沖程加速階段加速度為：</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　其它如回程最大速度、沖擊末速度、活塞行程以及運(yùn)動(dòng)周期等表

90、達(dá)式與二段分析法完全相同。這樣，當(dāng)沖擊機(jī)構(gòu)的主要性能參數(shù)（沖擊能E、沖擊頻率f、供油壓力p、沖擊速度）確定后，就可以根據(jù)上述兩種方法確定的解析表達(dá)式來計(jì)算確定沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸。</p><p>　　3.1.3 液壓沖擊機(jī)構(gòu)的變加速模型</p><p>　　盡管液壓沖擊機(jī)構(gòu)線性模型在工程設(shè)計(jì)上也適用，但條件簡化太大，尤其是其中的二段分析法距離沖擊機(jī)構(gòu)的實(shí)際工況相差甚遠(yuǎn)，其結(jié)果可能會(huì)對產(chǎn)品研

91、制的周期和試制成本產(chǎn)生影響。如前所述，線性模型方法將活塞運(yùn)動(dòng)視為等加速過程，而事實(shí)上活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律十分復(fù)雜，在運(yùn)動(dòng)過程中要受到各種阻力的影響，其運(yùn)動(dòng)過程是一變加速過程。因此有必要在分析和研究沖擊活塞這一變加速運(yùn)動(dòng)過程的基礎(chǔ)上直接對反映其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型求解，以提高液壓開口機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)精度。為了分析與計(jì)算上的方便，同時(shí)又不失其精確性，作如下假設(shè)[12,14,15]：</p><p>　　1）油液是不可壓縮的，

92、且粘性不隨溫度和壓力而變化；</p><p>　　2）系統(tǒng)工作壓力及回油背壓無波動(dòng)；</p><p>　　3）忽略活塞沖擊釬尾后的短暫停頓和反彈速度；</p><p>　　4）換向閥是瞬時(shí)切換的。</p><p>　　基于以上假設(shè)，根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，得活塞的運(yùn)動(dòng)微分方程為：</p><p><b>　　(3-2

93、1)</b></p><p>　　式中：——粘性摩擦阻力系數(shù)，N·s/m；</p><p>　　——密封摩擦阻力，N；</p><p>　　F——活塞所受的有效液壓推力，N。</p><p>　　根據(jù)流體力學(xué)可導(dǎo)出粘性阻力系數(shù)為：</p><p><b>　　(3-22) </b&

94、gt;</p><p>　　式中：l——密封長度，m；</p><p>　　d——密封面內(nèi)圓柱直徑，m；</p><p>　　δ——半徑間隙，m；</p><p>　　μ——油液的動(dòng)力粘度，Pa·s；</p><p><b>　　ε——偏心比。</b></p><p&

95、gt;<b>　　密封摩擦阻力為：</b></p><p><b>　?。?-23）</b></p><p>　　式中：f——摩擦系數(shù)；</p><p>　　L——密封圈的密封寬度，m。</p><p>　　活塞所受的液壓推力為：</p><p><b>　?。?-

96、24）</b></p><p>　　根據(jù)以上分析可知，活塞在各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段所受的液壓推力和密封阻力均可視為常量，將二者相加后，活塞的運(yùn)動(dòng)方程可表示為：</p><p><b>　?。?-25）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　考慮活塞各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段的初

97、始條件，求解微分方程（3-25）可得活塞運(yùn)動(dòng)加速度為：</p><p><b>　?。?-26）</b></p><p><b>　　活塞運(yùn)動(dòng)速度為：</b></p><p><b>　?。?-27）</b></p><p><b>　　活塞的位移為：</b&g

98、t;</p><p><b>　?。?-28）</b></p><p>　　根據(jù)活塞運(yùn)動(dòng)各個(gè)階段的終止條件，即可由式（3-26）、（3-27）、（3-28）求得活塞運(yùn)動(dòng)的所有運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。</p><p>　　3.2 液壓沖擊機(jī)構(gòu)的非線性模型</p><p>　　如前所述，應(yīng)用線性模型在一定程度上可基本滿足工程設(shè)計(jì)的需要，

99、并且有確切的代數(shù)表達(dá)式，求解方便。但它畢竟忽略了很多影響因素，需用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行修正。實(shí)際上，沖擊機(jī)構(gòu)在工作過程中，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)的油液流量由于活塞運(yùn)動(dòng)速度的變化始終是變化的，而蓄能器與沖擊活塞的工作是緊密配合的，蓄能器不斷地充油或排油造成本身液腔的容積變化，從而又迫使蓄能器氣腔容積作相應(yīng)的變化，這時(shí)氣腔壓力也作相應(yīng)的變化，這樣系統(tǒng)的工作壓力就不斷地變化。因此，將活塞、配流閥和蓄能器作為一個(gè)互相制約的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來研究，是十分必要的。這就需要建

100、立這一系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型。為了分析與計(jì)算上的方便，同時(shí)又不失其必要的精確性，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，作如下假設(shè)：</p><p>　　1）液壓泵的供油量為定值；</p><p>　　2）忽略油液的可壓縮性；</p><p>　　3）油液的工作溫度保持不變，且忽略油液粘度隨壓力的變化；</p><p>　　4）蓄能器氣腔工作為等熵過程；</p

101、><p>　　5）忽略活塞和閥芯運(yùn)動(dòng)的機(jī)械摩擦阻力；</p><p>　　6）忽略管路系統(tǒng)的彈性。</p><p>　　基于以上假設(shè)，根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理和液體連續(xù)性方程，以不裝回油蓄能器的液壓開口機(jī)為對象，可建立基本數(shù)學(xué)模型如下：</p><p>　　（1）活塞及配流閥的動(dòng)力平衡方程</p><p>　　考慮到活塞運(yùn)動(dòng)過程中，

102、受粘性阻力、密封阻力和受液壓沖擊而不斷變化的有效液壓推力對活塞運(yùn)動(dòng)的影響，建立活塞運(yùn)動(dòng)的基本動(dòng)力方程如下：</p><p><b>　?。?-29）</b></p><p>　　式中：——活塞受到的粘性摩擦阻力，N；</p><p>　　Δp——密封面兩端的壓力差，Pa。</p><p>　　配流閥在換向過程中，油液流速

103、的大小及方向不斷發(fā)生變化，閥芯不僅受到粘性阻力及液壓推力的作用，還會(huì)受到穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和瞬態(tài)液動(dòng)力影響，這就使得閥芯的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，閥芯的動(dòng)力平衡方程可表示為：</p><p><b>　?。?-30）</b></p><p>　　式中：——閥芯的質(zhì)量，kg；</p><p>　　——閥芯受到的粘性摩擦阻力，N；</p><p&

104、gt;　　——穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)液動(dòng)力，N；</p><p>　　——閥芯受到的有效液壓推力，N；</p><p>　　——閥口兩側(cè)壓差，Pa；</p><p>　　——閥芯的位移，m；</p><p><b>　　——速度，；</b></p><p><b>　　——加速度，。</b&g

105、t;</p><p>　　（2）油液流量平衡方程</p><p>　　活塞在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，運(yùn)動(dòng)速度是不斷變化的，因此，液壓沖擊機(jī)構(gòu)活塞運(yùn)動(dòng)所需要的高壓油流量和所排出的流量也是不斷變化的，而液壓泵所提供的流量卻可以認(rèn)為是基本不變的，這樣，蓄能器就始終處于充油或排油狀態(tài)。根據(jù)液體連續(xù)性方程可建立流量平衡方程如下：</p><p>　　高壓油流量平衡方程為：</p

106、><p><b>　?。?-31）</b></p><p>　　式中：——系統(tǒng)供油流量，；</p><p>　　——活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)的耗油量，；</p><p>　　——閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)的耗油量，；</p><p>　　——活塞部分的油液泄漏量，；</p><p>　　——配流閥部分的油液

107、泄漏量，；</p><p>　　——蓄能器氣腔工作容積的變化量，。</p><p>　　低壓油流量平衡方程為：</p><p><b>　　（3-32）</b></p><p>　　式中：——系統(tǒng)回油管路流量，；</p><p>　　——活塞回油腔的排油量，；</p><p&g

108、t;　　——配流閥推閥腔的排油量，；</p><p>　　——活塞部分排到回油管路的泄漏量，；</p><p>　　——配流閥部分排到回油管路的泄漏量，。</p><p>　?。?）高壓蓄能器氣體狀態(tài)方程</p><p>　　高壓腔內(nèi)油液壓力變化與蓄能器內(nèi)氣體壓力變化處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。由于活塞沖擊運(yùn)動(dòng)發(fā)生在極短的時(shí)間內(nèi)，因此近似認(rèn)為蓄能器內(nèi)氣

109、體壓力能轉(zhuǎn)換過程為可逆，因此有如下氣體狀態(tài)方程；</p><p><b>　?。?-33）</b></p><p>　　式中：——蓄能器工作壓力，Pa；</p><p>　　——蓄能器充氣壓力，Pa；</p><p>　　——蓄能器壓力為ph時(shí)的氣腔容積，；</p><p>　　——蓄能器的最大氣

110、腔容積，；</p><p>　　n——多變指數(shù)，n＝1.4</p><p>　?。?）閥口及管路阻力平衡方程</p><p>　　配流閥的基本原理是靠改變閥芯相對于閥體的位置，來實(shí)現(xiàn)與閥體相連的幾個(gè)油路之間接通或斷開，即使是接通或斷開瞬間，閥芯內(nèi)部油液也必須滿足液體連續(xù)性條件，因此管路內(nèi)部流量及壓力變化與閥口處壓力、流量的變化息息相關(guān)，參考液壓傳動(dòng)對換向閥系統(tǒng)的研究

111、[12,13]，列寫閥口及管路阻力平衡方程如下：</p><p>　　閥口兩側(cè)的壓力差方程為：</p><p><b>　?。?-34）</b></p><p>　　式中：——通過閥口的流量，；</p><p><b>　　——閥口流量系數(shù)；</b></p><p>　　——

112、閥口過流面積，；</p><p><b>　　——油液密度，。</b></p><p>　　管路兩端的壓力差方程為：</p><p><b>　?。?-35）</b></p><p>　　式中：——管路兩端壓差，Pa；</p><p>　　——與局部阻力系數(shù)及流體性質(zhì)有關(guān)的系

113、數(shù)，；</p><p>　　——通過管路的流量，；</p><p>　　以上述基本方程為基礎(chǔ)，考慮閥和活塞不同運(yùn)動(dòng)階段的漏損及阻力變化，寫出上述方程中的每一項(xiàng)表達(dá)式，就能建立沖擊機(jī)構(gòu)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型，再運(yùn)用這些數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)求解，就可對液壓沖擊機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)作較精確的分析和計(jì)算。</p><p>　　第4章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p

114、>　　液壓伺服控制系統(tǒng)是由指令裝置、檢測裝置、比較環(huán)節(jié)、伺服放大器、控制元件、執(zhí)行元件、校正環(huán)節(jié)組成。它是將輸入信號(hào)（一般為機(jī)械位移或電壓）與被控制裝置的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，將其差值傳遞給控制裝置，以變更液壓執(zhí)行元件的輸入壓力或流量，使負(fù)載向著減小信號(hào)偏差方向動(dòng)作。液壓伺服控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力、轉(zhuǎn)矩和功率大；易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的速度、位移及力控制；液壓能的儲(chǔ)存方便，從而可減少電氣設(shè)備裝機(jī)容量。</p><p>