全液壓鉆機(jī)夾持器機(jī)械設(shè)計(jì)與分析【含CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)】

全液壓鉆機(jī)夾持器機(jī)械設(shè)計(jì)與分析【含CAD圖紙、說(shuō)明書(shū)】,含CAD圖紙、說(shuō)明書(shū),液壓,鉆機(jī),夾持,機(jī)械設(shè)計(jì),分析,cad,圖紙,說(shuō)明書(shū),仿單 全液壓鉆機(jī)夾持器設(shè)計(jì)與分析 摘要 本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)一種新型的全液壓鉆機(jī)夾持器。首先分析鉆機(jī)在實(shí)際工作中受各種因素的影響，分析工況要求，設(shè)計(jì)出合適的油箱回路，支撐缸的回路，推進(jìn)缸的回路，夾持器的液壓回路以及液壓馬達(dá)的液壓回路，分析闡述各種液壓回路的工作情況。選擇合理的液壓元件，完成整個(gè)液壓回路的組裝。再者，夾持器的設(shè)計(jì)類型為常閉型夾持器，其結(jié)構(gòu)分布均勻，依靠碟簧和增力缸夾緊，用液壓松開(kāi)，能夠夾持為73mm與63mm的鉆桿。主要用于煤炭工程類全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)裝卸鉆桿，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便利、有良好的市場(chǎng)推廣效益。本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出合理的夾持器結(jié)構(gòu)，盡量使整個(gè)夾持器的體積小，計(jì)算好碟簧與夾持器液壓缸所能提供的夾持力，算出夾持器各零部件的大小尺寸，對(duì)整個(gè)夾持器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元受力分析，找出不合理的結(jié)構(gòu)部位并加以改進(jìn)。 關(guān)鍵詞：夾持器設(shè)計(jì)；液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)；有限元分析 The design and analysis of fully hydraulic drill gripper ABSTRACT This design is mainly design a new type of fully hydraulic drill gripper. First analysis of drill is influenced by various factors in the practical work, analysis of working condition requirements, design a suitable tank circuit, support cylinder loop, boost cylinder loop, gripper hydraulic circuit and hydraulic motor hydraulic circuits, analysis in this paper, the working condition of various kinds of hydraulic circuits. Choose the reasonable hydraulic components, a complete assembly of the hydraulic circuit. Moreover, the design of the gripper types for holder normally closed type, the structure distribution evenly, relying on the disc spring and a cylinder clamping force, with hydraulic loosening, can clamping drill pipe is 73 mm and 63 mm. Mainly used for coal engineering hydraulic power head drill loading and unloading drill rod, its simple structure, convenient operation, good marketing benefit. This design request to design the reasonable structure of gripper, try to make the holder of small volume, good computing saucer reed and the clamping force of gripper hydraulic cylinder can provide, calculate the size of parts of gripper, the structure of the holder in finite element stress analysis, find out the unreasonable structure parts and improved. Keywords: gripper;hydraulic;The finite element analysis 目錄 1緒論 1.1背景簡(jiǎn)介………………………………………………………………………………1 1.1.1國(guó)外研究狀況 …………………………………………………………………1 1.1.2國(guó)內(nèi)研究狀況 …………………………………………………………………1 1.2設(shè)計(jì)目的………………………………………………………………………………2 2全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析………………………………………………………3 2.1全液壓鉆機(jī)的主要參數(shù)………………………………………………………………3 2.2液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)………………………………………………………………………3 2.2.1選擇系統(tǒng)的壓力…………………………………………………………………3 2.2.2液壓系統(tǒng)工況分析………………………………………………………………4 2.2.3液壓回路設(shè)計(jì)與功能的實(shí)現(xiàn)……………………………………………………7 2.2.4液壓系統(tǒng)原理圖中的各種控制回路……………………………………………8 2.3按照要求選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)液壓元件型號(hào)……………………………………………13 3鉆機(jī)夾持器的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………15 3.1 液壓夾持器的分類、特點(diǎn)及選用……………………………………………………15 3.1.1常閉式液壓夾持器………………………………………………………………15 3.1.2常開(kāi)式液壓夾持器………………………………………………………………15 3.1.3液壓松緊型夾持器………………………………………………………………16 3.1.4復(fù)合式液壓夾持器………………………………………………………………17 3.2夾持器結(jié)構(gòu)方案的選擇與確定………………………………………………………17 3.2.1方案1 ……………………………………………………………………………17 3.2.2方案2 ……………………………………………………………………………18 3.2.3方案3 ……………………………………………………………………………19 3.2.4方案的確定………………………………………………………………………20 3.3夾持能力的計(jì)算………………………………………………………………………20 3.3.1鉆具的自重計(jì)算 ………………………………………………………………20 3.3.2克服鉆桿轉(zhuǎn)矩所需要的夾持力…………………………………………………21 3.3.3碟形彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算…………………………………………………………22 全液壓鉆機(jī)夾持器設(shè)計(jì)與分析 3.4計(jì)算夾持器的結(jié)構(gòu)參數(shù)………………………………………………………………29 3.4.1缸筒的壁厚計(jì)算…………………………………………………………………29 3.4.2計(jì)算油管內(nèi)徑大小………………………………………………………………32 3.4.3計(jì)算聯(lián)接螺栓的尺寸……………………………………………………………33 3.4.4面蓋的螺栓最小內(nèi)徑計(jì)算………………………………………………………33 3.4.5夾持器的活塞設(shè)計(jì)………………………………………………………………34 3.4.6夾持器的密封設(shè)計(jì)………………………………………………………………34 3.4.7關(guān)于緩沖裝置的設(shè)置……………………………………………………………35 3.4.8關(guān)于排氣裝置的設(shè)置……………………………………………………………35 3.5全液壓鉆機(jī)夾持器……………………………………………………………………35 3.5.1夾持器的solidworks建模 ……………………………………………………36 3.5.2夾持器的強(qiáng)度校核………………………………………………………………37 4總結(jié)…………………………………………………………………………………………43 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………………44 致謝 …………………………………………………………………………………………45 1 畢 業(yè) 論 文（ 設(shè) 計(jì) ） 題 目： 全液壓鉆機(jī)夾持器設(shè)計(jì)與分析 （Title）：The design and analysis of fully hydraulic drill gripper 系 別： 機(jī)電工程系 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 日 期： 全液壓鉆機(jī)夾持器設(shè)計(jì)與分析 摘要 本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)一種新型的全液壓鉆機(jī)夾持器。首先分析鉆機(jī)在實(shí)際工作中受各種因素的影響，分析工況要求，設(shè)計(jì)出合適的油箱回路，支撐缸的回路，推進(jìn)缸的回路，夾持器的液壓回路以及液壓馬達(dá)的液壓回路，分析闡述各種液壓回路的工作情況。選擇合理的液壓元件，完成整個(gè)液壓回路的組裝。再者，夾持器的設(shè)計(jì)類型為常閉型夾持器，其結(jié)構(gòu)分布均勻，依靠碟簧和增力缸夾緊，用液壓松開(kāi)，能夠夾持為73mm與63mm的鉆桿。主要用于煤炭工程類全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)裝卸鉆桿，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作便利、有良好的市場(chǎng)推廣效益。本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出合理的夾持器結(jié)構(gòu)，盡量使整個(gè)夾持器的體積小，計(jì)算好碟簧與夾持器液壓缸所能提供的夾持力，算出夾持器各零部件的大小尺寸，對(duì)整個(gè)夾持器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元受力分析，找出不合理的結(jié)構(gòu)部位并加以改進(jìn)。 關(guān)鍵詞：夾持器設(shè)計(jì)；液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)；有限元分析 The design and analysis of fully hydraulic drill gripper ABSTRACT This design is mainly design a new type of fully hydraulic drill gripper. First analysis of drill is influenced by various factors in the practical work, analysis of working condition requirements, design a suitable tank circuit, support cylinder loop, boost cylinder loop, gripper hydraulic circuit and hydraulic motor hydraulic circuits, analysis in this paper, the working condition of various kinds of hydraulic circuits. Choose the reasonable hydraulic components, a complete assembly of the hydraulic circuit. Moreover, the design of the gripper types for holder normally closed type, the structure distribution evenly, relying on the disc spring and a cylinder clamping force, with hydraulic loosening, can clamping drill pipe is 73 mm and 63 mm. Mainly used for coal engineering hydraulic power head drill loading and unloading drill rod, its simple structure, convenient operation, good marketing benefit. This design request to design the reasonable structure of gripper, try to make the holder of small volume, good computing saucer reed and the clamping force of gripper hydraulic cylinder can provide, calculate the size of parts of gripper, the structure of the holder in finite element stress analysis, find out the unreasonable structure parts and improved. Keywords: gripper;hydraulic;The finite element analysis 目錄 1緒論 1.1背景簡(jiǎn)介………………………………………………………………………………1 1.1.1國(guó)外研究狀況 …………………………………………………………………1 1.1.2國(guó)內(nèi)研究狀況 …………………………………………………………………1 1.2設(shè)計(jì)目的………………………………………………………………………………2 2全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析………………………………………………………3 2.1全液壓鉆機(jī)的主要參數(shù)………………………………………………………………3 2.2液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)………………………………………………………………………3 2.2.1選擇系統(tǒng)的壓力…………………………………………………………………3 2.2.2液壓系統(tǒng)工況分析………………………………………………………………4 2.2.3液壓回路設(shè)計(jì)與功能的實(shí)現(xiàn)……………………………………………………7 2.2.4液壓系統(tǒng)原理圖中的各種控制回路……………………………………………8 2.3按照要求選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)液壓元件型號(hào)……………………………………………13 3鉆機(jī)夾持器的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………15 3.1 液壓夾持器的分類、特點(diǎn)及選用……………………………………………………15 3.1.1常閉式液壓夾持器………………………………………………………………15 3.1.2常開(kāi)式液壓夾持器………………………………………………………………15 3.1.3液壓松緊型夾持器………………………………………………………………16 3.1.4復(fù)合式液壓夾持器………………………………………………………………17 3.2夾持器結(jié)構(gòu)方案的選擇與確定………………………………………………………17 3.2.1方案1 ……………………………………………………………………………17 3.2.2方案2 ……………………………………………………………………………18 3.2.3方案3 ……………………………………………………………………………19 3.2.4方案的確定………………………………………………………………………20 3.3夾持能力的計(jì)算………………………………………………………………………20 3.3.1鉆具的自重計(jì)算 ………………………………………………………………20 3.3.2克服鉆桿轉(zhuǎn)矩所需要的夾持力…………………………………………………21 3.3.3碟形彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算…………………………………………………………22 3.4計(jì)算夾持器的結(jié)構(gòu)參數(shù)………………………………………………………………29 3.4.1缸筒的壁厚計(jì)算…………………………………………………………………29 3.4.2計(jì)算油管內(nèi)徑大小………………………………………………………………32 3.4.3計(jì)算聯(lián)接螺栓的尺寸……………………………………………………………33 3.4.4面蓋的螺栓最小內(nèi)徑計(jì)算………………………………………………………33 3.4.5夾持器的活塞設(shè)計(jì)………………………………………………………………34 3.4.6夾持器的密封設(shè)計(jì)………………………………………………………………34 3.4.7關(guān)于緩沖裝置的設(shè)置……………………………………………………………35 3.4.8關(guān)于排氣裝置的設(shè)置……………………………………………………………35 3.5全液壓鉆機(jī)夾持器……………………………………………………………………35 3.5.1夾持器的solidworks建模 ……………………………………………………36 3.5.2夾持器的強(qiáng)度校核………………………………………………………………37 4總結(jié)…………………………………………………………………………………………43 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………………44 致謝 …………………………………………………………………………………………45 全液壓鉆機(jī)夾持器設(shè)計(jì)與分析 第1章 緒論 全液壓鉆機(jī)夾持器作為煤礦工程類鉆機(jī)的一個(gè)重要部件,其作用主要是在裝卸鉆桿時(shí)，與鉆機(jī)馬達(dá)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鉆桿間對(duì)接、脫離，鉆頭拆卸等動(dòng)作。如發(fā)生緊急情況，液壓夾持器能夾持孔內(nèi)鉆具，防止孔內(nèi)鉆具滑移，因此其性能的好壞將直接影響到鉆機(jī)整機(jī)的性能、鉆進(jìn)效率以及鉆孔的質(zhì)量等。 1.1背景簡(jiǎn)介 1.1.1國(guó)外研究狀況 在上個(gè)世紀(jì)70年代初期，西方的發(fā)達(dá)國(guó)家基本上都換代使用全液壓動(dòng)力鉆機(jī)。主要是全液壓鉆機(jī)擁有體積小重量輕，容易操作，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，行程長(zhǎng)且可以斜向鉆孔的優(yōu)點(diǎn)。在七十年代初期，外國(guó)人發(fā)明了液壓鉆車。后來(lái)到了七十年代中期，外國(guó)的液壓鉆車投入應(yīng)用，這標(biāo)志這采掘機(jī)械化很大程度上得到提高。自此此后，各國(guó)的鉆機(jī)制造廠研制開(kāi)發(fā)數(shù)百種各種各樣的液壓鉆機(jī)，并大多自成系列。國(guó)外的液壓鉆機(jī)技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品不斷完善成熟，品種規(guī)格較為齊全，使用日益廣泛。20世紀(jì)90年代初，Atlas Copco公司研制出世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)化巖心鉆機(jī)，鉆頭壓力、轉(zhuǎn)速、沖洗液量、給進(jìn)、加接鉆桿、提鉆等所有過(guò)程都是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。我國(guó)鉆機(jī)技術(shù)方面與國(guó)外有不少差距。國(guó)外鉆機(jī)的參數(shù)較大，長(zhǎng)行程，機(jī)械化程度普遍較高，速度可選擇范圍廣闊，液壓系統(tǒng)的壓力高、可靠性很好。鉆頭和鉆機(jī)的性能優(yōu)越，鉆探的能力十分優(yōu)越。鉆塔的設(shè)計(jì)為整體液壓起降式，操作工人安裝拆卸都很方便。液壓的參數(shù)可以自由變化，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。國(guó)外的鉆機(jī)能創(chuàng)造很好的效率，一般的鉆進(jìn)效率可以達(dá)到2000m/月。鉆探壽命可達(dá)到1000m。國(guó)外目前用于煤層氣勘探和開(kāi)采鉆井的主要是全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)。美國(guó)雪姆公司、瑞典阿特拉斯·科普柯公司、德國(guó)寶峨公司、意大利維爾公司都研發(fā)了各種型號(hào)的全液壓動(dòng)力頭煤層氣鉆機(jī)，具有專業(yè)化、智能化、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在世界主要的煤層氣開(kāi)采國(guó)家被普遍使用。其中國(guó)外的全液壓鉆機(jī)夾持器的制造成本低、技術(shù)含量高、運(yùn)行效率快、反應(yīng)敏捷還具有良好的自動(dòng)定心功能，超越我國(guó)的技術(shù)水平。 1.1.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)液壓鉆機(jī)設(shè)備近年來(lái)得到快速發(fā)展。但是受制于機(jī)械制造液壓技術(shù)總體水平低下，即使研制開(kāi)發(fā)的類型種類繁多，但是真正成為生產(chǎn)產(chǎn)品的卻少之又少，引進(jìn)國(guó)外技術(shù)或仿制國(guó)外產(chǎn)品居多。作為最新一代的鉆機(jī)，智能化全液壓動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)式巖心鉆機(jī)的研制和應(yīng)用在我國(guó)仍處于起步階段。國(guó)內(nèi)機(jī)械制造基礎(chǔ)工業(yè)相對(duì)落后，使得液壓夾持器和其他液壓元件的質(zhì)量難以滿足鉆機(jī)工況要求，可靠性差、維修水平低、成本偏高，而且設(shè)備配套簡(jiǎn)單，工藝單一，大多屬于仿制國(guó)外中檔產(chǎn)品，只有極少數(shù)廠家能夠形成批量生產(chǎn)能力，絕大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)缺乏新產(chǎn)品研發(fā)能力。國(guó)內(nèi)的廠家引進(jìn)了許多國(guó)外著名品牌液壓鉆機(jī)，對(duì)鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)、配置、功能進(jìn)行了大量的研究與實(shí)驗(yàn)。但是跟國(guó)外好的產(chǎn)品相比，還是形似神非，很多的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)功能不能匹配上，容易發(fā)生安全故障或者生命危險(xiǎn)。很多液壓系統(tǒng)分配很不合理，配置不均衡，液壓泵提供的油壓不能充分利用，導(dǎo)致鉆機(jī)的工作效率低。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)液壓鉆機(jī)缺點(diǎn)主要是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，鉆機(jī)元器件的精度不達(dá)標(biāo)，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不能合理化等。從現(xiàn)在看來(lái)目前我們國(guó)家的產(chǎn)品也逐漸形成系列化，產(chǎn)品技術(shù)性能和水平逐漸接近國(guó)外同類產(chǎn)品的水平，質(zhì)量和產(chǎn)品的穩(wěn)定性日益增強(qiáng)，基本上可以滿足我國(guó)礦山需求。但是國(guó)外的鉆機(jī)在性能效率上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國(guó)，如果要從國(guó)外引進(jìn)一套先進(jìn)設(shè)備少則一百萬(wàn)，多則上千萬(wàn)不等。因此全液壓鉆機(jī)夾持器作為鉆機(jī)的重要組成部件，它的研究與開(kāi)發(fā)迫在眉睫。目前，我國(guó)正在大力發(fā)展西部落后地區(qū)，基礎(chǔ)建設(shè)的需求日益增加。所以我國(guó)想加快西部經(jīng)濟(jì)的發(fā)展就要發(fā)展本國(guó)的鉆機(jī)技術(shù)，而鉆機(jī)夾持器的設(shè)計(jì)對(duì)于鉆機(jī)技術(shù)的提高有很大的作用。 1.2設(shè)計(jì)目的 本設(shè)計(jì)的全液壓鉆機(jī)夾持器與之配套的鉆機(jī)類型為煤礦工程用鉆機(jī)，這類型的鉆機(jī)鉆孔深度一般為200m左右。設(shè)計(jì)出來(lái)的鉆機(jī)液壓執(zhí)行元件布局要合理，鉆機(jī)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，體積要小，維修要方便，液壓元件盡量標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。夾持器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)潔，穩(wěn)定性高，使用壽命長(zhǎng)，且能夠滿足鉆機(jī)的日常使用要求，有一定的市場(chǎng)推廣效益。 第2章 全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析 2.1全液壓鉆機(jī)的主要參數(shù) 設(shè)計(jì)全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)鉆桿的回轉(zhuǎn)、推進(jìn)、起撥及鉆桿的斜向打孔的定位及調(diào)整的自動(dòng)工作循環(huán)。具體要求如下： 鉆桿：最大推進(jìn)力：40KN；最大拉力：70KN；一次推進(jìn)行程：700mm?； 回轉(zhuǎn)頭：輸出轉(zhuǎn)速：10~100?r/min；減速比：1:1.6?；輸入轉(zhuǎn)速：80r/min? 最大輸出轉(zhuǎn)矩：2000N?m? 支撐液壓缸：最大工作行程：700mm 液壓馬達(dá)：最大工作轉(zhuǎn)速：160?r/min? 額定轉(zhuǎn)矩：630N?m? 推進(jìn)缸：行程：1000mm；最大推進(jìn)力：45KN；最大起撥力：75KN 鉆桿的直徑設(shè)定為63mm和73mm,終孔直徑為150mm，鉆孔深度為200m。 鉆機(jī)類型為ZDY系列。 圖2.1 鉆機(jī)主機(jī)部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.2液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.2.1選擇系統(tǒng)的壓力 液壓系統(tǒng)壓力的選定：主要考慮執(zhí)行元件與其他的液壓元件的尺寸重量以及本系統(tǒng)的安全性和效率，從而選擇合適的系統(tǒng)壓力，保證機(jī)械的正常運(yùn)作。如果設(shè)計(jì)壓力選低了，這會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行元件的重量增加，結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及材料成本上升。如果設(shè)計(jì)壓力選高了，這會(huì)導(dǎo)致液壓元件的密封性能和材料的強(qiáng)度要求有所上升，這無(wú)形中導(dǎo)致成本的上升。由于農(nóng)用機(jī)械，小型工程機(jī)械，建筑機(jī)械的設(shè)計(jì)壓力為10~18Mpa［15］。因此本液壓系統(tǒng)的工作壓力選定為18Mpa. 表2.1 各種類型機(jī)器的工作壓力 機(jī)械類型 機(jī) 床 農(nóng)業(yè)機(jī)械 小型工程機(jī)械 建筑機(jī)械 液壓鑿巖機(jī) 液壓機(jī) 大中型挖掘機(jī) 重型機(jī)械 起重運(yùn)輸機(jī)械 磨床 組合機(jī)床 龍門(mén)刨床 拉床 工作壓力/MPa 0.8~2 3~5 2~8 8~10 10~18 20~32 2.2.2液壓系統(tǒng)工況分析 全液壓鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)鉆桿的回轉(zhuǎn)，推進(jìn)，起拔，斜向打孔定位調(diào)整以及裝卸鉆桿的自動(dòng)工作循環(huán)。其中回轉(zhuǎn)功能是由液壓馬達(dá)提供的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩完成。推進(jìn)，起拔功能是由推進(jìn)液壓缸執(zhí)行的，鉆桿的斜向打孔定位及調(diào)整則是由支撐液壓缸執(zhí)行的。最后的裝卸鉆桿是由液壓夾持器與液壓卡盤(pán)共同完成的。 1.鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)部分 由于液壓馬達(dá)在工作的時(shí)候，其負(fù)載會(huì)隨著地質(zhì)層的變化而跟隨著變化，這就需要調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的流量，從而增加或減少液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，使得馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)矩能夠保持穩(wěn)定，提高鉆探工作的穩(wěn)定。按照經(jīng)驗(yàn)，在這種情況下我們的液壓系統(tǒng)就要選擇變量泵-定量馬達(dá)的組合形式。 液壓馬達(dá)的輸出部分與變速箱相連，經(jīng)回轉(zhuǎn)頭輸給鉆桿。變速箱為無(wú)極一檔變速，按照要求其減速比為1:1.6，因此計(jì)算液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速n和最大轉(zhuǎn)矩。 （2.1） （2.2） 鉆機(jī)的參數(shù)中液壓馬達(dá)要求的最大轉(zhuǎn)速為160，額定轉(zhuǎn)矩630.但為1250，因此我們采用雙液壓馬達(dá)的形式作為動(dòng)力輸出。 根據(jù)上述的數(shù)據(jù)，選擇BM-E315型擺線齒輪馬達(dá)，其額定轉(zhuǎn)速為320，額定轉(zhuǎn)矩為630，額定工作壓力為14Mpa，適用于工程，石油，采礦等機(jī)械使用。符合設(shè)計(jì)的要求。［14］ 2.鉆機(jī)的推進(jìn)，起拔和斜向打孔定位調(diào)整部分 （1）推進(jìn)液壓缸的計(jì)算與選擇： 推進(jìn)缸的作用是推進(jìn)或拉回回轉(zhuǎn)頭，達(dá)到鉆桿的推進(jìn)和起拔的目的。要求推進(jìn)力達(dá)到45KN，最大起拔力為75KN，行程為1000mm。因此推進(jìn)時(shí)需要液壓缸為有桿工作，起拔時(shí)為無(wú)桿工作。根據(jù)要求選擇合適的工程系列的液壓缸。選擇HSGK90/63*HEZ型的工程液壓缸，該液壓缸的工作壓力為14Mpa，行程為1000mm。［14］ 液壓缸的最大推力： (>45KN) （2.3） 液壓缸的最大起拔力： (>75KN) （2.4） 合符工作要求，因此選擇推進(jìn)缸為HSGK90/63*HEZ型的工程液壓缸。 （2）支撐缸的計(jì)算與選擇 支撐缸的作用是用于支撐工作滑臺(tái)并調(diào)節(jié)其傾角，使得鉆桿能夠在0~（水平向上）的范圍內(nèi)進(jìn)行鉆探。其推進(jìn)行程最大為700mm，因此選擇HSGF*-63/45HEZ型工程液壓缸，其行程為700mm。［14］ 液壓缸的最大推力 （2.5） 即可滿足要求。 （3） 液壓泵的選擇與計(jì)算 全液壓鉆機(jī)在工作時(shí)，消耗流量最大的情況是液壓馬達(dá)正常轉(zhuǎn)動(dòng)且推進(jìn)液壓缸緩慢推進(jìn)時(shí)或者推進(jìn)液壓缸在起拔時(shí)。液壓泵的排量必須大于所消耗的流量。選擇BM-315型擺線齒輪馬達(dá)的排量為312.高性能低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)的容積效率一般為=90%。 液壓馬達(dá)消耗的流量 （2.6） 鉆機(jī)在正常鉆探是，推進(jìn)液壓缸的推進(jìn)速度v=0.2m/mim。 推進(jìn)液壓缸工進(jìn)時(shí)消耗的流量 （2.7） 液壓馬達(dá)正常轉(zhuǎn)動(dòng)且推進(jìn)液壓缸緩慢推進(jìn)時(shí)所消耗的流量=112.65L/min。 推進(jìn)液壓缸回拔時(shí)，速度為V=0.2m/s，液壓泵需要產(chǎn)生的流量為 =76.4L/min < 112.65L/min （2.8） 因此液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)工進(jìn)時(shí)消耗的流量為最大。由于變量泵產(chǎn)生的流量既要滿足液壓馬達(dá)與推進(jìn)液壓缸的消耗，還要滿足其他液壓元件的流量消耗，更要面對(duì)泄露問(wèn)題，本設(shè)計(jì)選取的液壓元件的最大消耗流量為112.65L/min，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式液壓系統(tǒng)的最小流量為 （2.9） 一般礦山機(jī)械的液壓系統(tǒng)使用軸向柱塞泵，這類型的泵的容積效率為96%，轉(zhuǎn)速以1480r/min算，液壓泵的排量 q= （2.10） 因此選擇85PCY14-1B軸向柱塞泵，公稱排量為85mL/r，轉(zhuǎn)速為1500r/min，恒壓變量。［14］ 電動(dòng)機(jī)功率型號(hào)的選擇 （2.11） 因此選擇電動(dòng)機(jī)Y225S-4封閉式三相異步電動(dòng)機(jī)，，37KW，1480r/min。 （4）油箱容積的計(jì)算 一般來(lái)說(shuō)油箱容量與系統(tǒng)的流量有關(guān)，一般容量可取最大流量的3-5倍，最大流量為118L/min，油箱的容積為480L，選擇公稱容量系列為500L JB/T7938-1999［14］ (5) 液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算 由于鉆機(jī)要求連續(xù)作業(yè),工作強(qiáng)度較大,因此有必要進(jìn)行熱平衡驗(yàn)算,確定合適的冷卻器尺寸,以確保油溫保持正常水平。液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量,主要包括液壓泵和液壓馬達(dá)的功率損失,溢流閥溢流損失,油液通過(guò)閥體及管道等的壓力損失所產(chǎn)生的熱量.本設(shè)計(jì)中含有冷卻器，產(chǎn)生的熱量均由冷卻器抵消，把溫度控制在80以內(nèi)即可。 2.2.3液壓回路設(shè)計(jì)與功能的實(shí)現(xiàn) 根據(jù)整體的思路，本設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)包括高壓油源，控制回路，以及各種執(zhí)行元件構(gòu)成。如下圖2.2所示： 1-油箱；2-加熱器；3-溫度計(jì)；4-液位計(jì)；5-吸油過(guò)濾器；6-空氣過(guò)濾器；7-變量泵；8-電動(dòng)機(jī)；9-高壓軟管；10-溢流閥；11,25,26,31，-單向閥；12, 23-調(diào)速閥；13-常開(kāi)液壓卡盤(pán)；14,15-減壓閥；16-夾持器的兩個(gè)主油缸與副油缸；17，18-液控單向閥；19-支撐缸；20，21-單向節(jié)流閥；22-推進(jìn)缸；24-液壓馬達(dá)；27,28,29-截止閥；30-冷卻器；32-帶污染指示器的過(guò)濾器。 圖2.2 全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖 2.2.4液壓系統(tǒng)原理圖中的各種控制回路 （1）回油節(jié)流調(diào)速回路 由于鉆機(jī)做鉆探進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度比較低，工作負(fù)載的變化幅度比較小，為了更加有效地提高鉆探的平穩(wěn)性和鉆探精度，在進(jìn)油處與出油處都設(shè)置單向節(jié)流閥形成回油節(jié)流調(diào)速回路。如下圖2.3所示： 圖2.3 回油節(jié)流調(diào)速回路圖 其工作方式是：當(dāng)鉆機(jī)需要回拔時(shí)，M型三位四通電磁閥S4的右邊得電，電磁鐵將閥S4的右邊閥芯推到中間，高壓油從無(wú)桿腔進(jìn)入推進(jìn)缸，鉆桿回拔。當(dāng)鉆機(jī)需要緩慢鉆進(jìn)時(shí)，M型三位四通電磁閥S4的左邊得電，電磁鐵將閥S4的左邊閥芯推到中間，高壓油從有桿腔進(jìn)入推進(jìn)缸，鉆桿便可以緩慢推進(jìn)，完成鉆探任務(wù)。當(dāng)鉆機(jī)需要停止鉆進(jìn)或者發(fā)生異常情況出現(xiàn)斷電時(shí)，便會(huì)停留在中間閥芯位置，推進(jìn)缸的進(jìn)出油口被電磁閥堵住，使得推進(jìn)缸的活塞固定，以免發(fā)生安全事故。 （2）動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)液壓回路 動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)液壓回路，本設(shè)計(jì)是由一對(duì)型號(hào)相同但轉(zhuǎn)向相反的低速大扭矩液壓馬達(dá)組成，液壓馬達(dá)帶有減速比為1:1.6的減速機(jī)以便增大扭矩力，兩液壓馬達(dá)之間設(shè)有可使兩馬達(dá)實(shí)現(xiàn)串、并聯(lián)作用的Y型三位四通電磁換向閥S5與二位四通電磁閥S6。這種設(shè)計(jì)可以很快地調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的扭矩，需要卸下鉆桿時(shí)可以獲得較大的扭力松開(kāi)鉆桿。如下圖2.4所示： 圖2.4 動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)液壓回路圖 其工作方式是：當(dāng)Y型三位四通電磁換向閥S5的左邊電磁鐵帶電且二位四通電磁閥S6不帶電時(shí)，電磁鐵就把閥S5的左邊閥芯推到中間，高壓油經(jīng)過(guò)閥S5到達(dá)左邊液壓馬達(dá)的左邊，另一條分支則經(jīng)過(guò)閥S6到達(dá)右邊液壓馬達(dá)的右邊，推動(dòng)兩個(gè)相同的液壓馬達(dá)做方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆桿便可以做正轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。左邊的液壓馬達(dá)的回油經(jīng)過(guò)閥S6與右邊液壓馬達(dá)的回油匯合在一起，再經(jīng)閥S5流回油箱。此時(shí)的兩個(gè)液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)連接，轉(zhuǎn)速低扭矩大。 當(dāng)Y型三位四通電磁換向閥S5的左邊電磁鐵和二位四通電磁閥S6同時(shí)帶電時(shí)，閥S6的右邊閥芯被推到左邊位置接通，高壓油經(jīng)過(guò)左邊液壓馬達(dá)、閥S6到達(dá)右邊液壓馬達(dá)的右邊，推動(dòng)兩個(gè)液壓馬達(dá)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)鉆桿做正轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)時(shí)候兩個(gè)馬達(dá)為串聯(lián)連接，轉(zhuǎn)速較并聯(lián)時(shí)快上一倍，但扭矩小了一倍，回油則經(jīng)過(guò)閥S5流回油箱。 當(dāng)Y型三位四通電磁換向閥S5的右邊電磁鐵帶電且二位四通電磁閥S6不帶電時(shí)，電磁鐵就把閥S5的右邊閥芯推到中間，高壓油經(jīng)過(guò)閥S5到達(dá)右邊液壓馬達(dá)的左邊，另一條分支則經(jīng)過(guò)閥S6到達(dá)左邊液壓馬達(dá)的右邊，推動(dòng)兩個(gè)相同的液壓馬達(dá)做方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆桿便可以做反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。左邊的液壓馬達(dá)的回油經(jīng)過(guò)閥S6與右邊液壓馬達(dá)的回油匯合在一起，再經(jīng)閥S5流回油箱。此時(shí)的兩個(gè)液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)連接，轉(zhuǎn)速低扭矩大。 當(dāng)Y型三位四通電磁換向閥S5的右邊電磁鐵和二位四通電磁閥S6同時(shí)帶電時(shí)，閥S6的右邊閥芯被推到左邊位置接通，高壓油經(jīng)過(guò)右邊液壓馬達(dá)、閥S6到達(dá)左邊液壓馬達(dá)的右邊，推動(dòng)兩個(gè)液壓馬達(dá)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)鉆桿做反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)時(shí)候兩個(gè)馬達(dá)為串聯(lián)連接，轉(zhuǎn)速較并聯(lián)時(shí)快上一倍，但扭矩小了一倍，回油則經(jīng)過(guò)閥S5流回油箱。 當(dāng)Y型三位四通電磁換向閥S5在中間位置時(shí)，鉆桿便緩慢停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 （3）油箱回路 本設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)采用變量泵-安全閥液壓源回路，使其具有控溫，安全，維護(hù)減震的功能，能適應(yīng)鉆機(jī)在惡劣的氣候環(huán)境工作。為機(jī)構(gòu)提供壓力油的部分由油箱，吸油過(guò)濾器，帶污染指示器的過(guò)濾器，變量泵，電動(dòng)機(jī)，高壓軟管，溢流閥，單向閥，截止閥，等元件組成。由于鉆機(jī)經(jīng)常在惡劣的環(huán)境中工作，本設(shè)計(jì)的油箱采用封閉式設(shè)計(jì)，并且在油箱里面安裝有冷卻器，加熱器，溫度計(jì)，液位計(jì)，空氣過(guò)濾器等元器件，保證壓力油的使用安全，工作溫度適宜。如下圖2.5所示： 圖2.5 油箱回路圖 （4）鎖緊回路 由于支撐缸只需要為鉆機(jī)提供0~90度水平方向的鉆進(jìn)角度，當(dāng)鉆桿工作時(shí)，支撐缸需要保持固定，因此本設(shè)計(jì)在支撐缸的兩個(gè)進(jìn)油口上面分別設(shè)置了液控單向閥啊，形成雙液控單向閥鎖緊回路，保證支撐缸的工作穩(wěn)定。如下圖2.6所示： 圖2.6 鎖緊回路圖 其工作方式是：當(dāng)支撐缸需要把鉆桿角度調(diào)小時(shí)，Y型三位四通電磁換向閥S3左邊得電時(shí)，把左邊閥芯推到中間位置上，高壓油通過(guò)17號(hào)液控單向閥，然后高壓油通過(guò)支撐缸有桿腔，在17號(hào)液控單向閥的控制下18號(hào)液控單向閥打開(kāi)，液壓油經(jīng)過(guò)閥S3回流到油箱。 當(dāng)支撐缸需要把鉆桿角度調(diào)大時(shí)，Y型三位四通電磁換向閥S3右邊得電時(shí)，把右邊閥芯推到中間位置上，高壓油通過(guò)18號(hào)液控單向閥，然后高壓油通過(guò)支撐缸無(wú)桿腔，在18號(hào)液控單向閥的控制下17號(hào)液控單向閥打開(kāi)，液壓油經(jīng)過(guò)閥S3回流到油箱。當(dāng)支撐缸需要固定時(shí)，Y型三位四通電磁換向閥S3處于中間位置。 （5）卡盤(pán)的液壓回路 由于本設(shè)計(jì)是針對(duì)夾持器的設(shè)計(jì)，所以液壓卡盤(pán)不做詳細(xì)說(shuō)明，本設(shè)計(jì)的卡盤(pán)為常開(kāi)式卡盤(pán)，由液壓鎖緊，碟簧彈開(kāi)，與夾持器配合。當(dāng)斷電或者其他突發(fā)情況發(fā)生時(shí)，總有一個(gè)能把鉆桿夾住。如下圖2.7所示： 圖2.7 液壓卡盤(pán)回路 其工作方式為：當(dāng)液壓卡盤(pán)需要把鉆桿夾住時(shí)，二位三通電磁換向閥S1不得電，高壓油從液壓卡盤(pán)的左端進(jìn)入，此時(shí)可以卡緊鉆桿。當(dāng)液壓卡盤(pán)要松開(kāi)鉆桿時(shí)，只要二位三通電磁換向閥S1得電，即可。 （6）液壓夾持器的控制回路 此控制回路是本設(shè)計(jì)重要控制回路，夾持器的任務(wù)是與液壓卡盤(pán)配合實(shí)現(xiàn)裝卸鉆桿的動(dòng)作，其主要運(yùn)動(dòng)為夾持與松開(kāi)。本夾持器是以三個(gè)液壓缸組合，兩個(gè)主油缸負(fù)責(zé)松開(kāi)鉆桿，碟簧與副油缸負(fù)責(zé)夾持鉆桿。因此根據(jù)其運(yùn)動(dòng)要求，設(shè)計(jì)回路如下圖2.8所示： 圖2.8 液壓夾持器回路圖 其工作方式為：當(dāng)夾持器需要夾持73mm鉆桿，作擰緊或卸下動(dòng)作時(shí)，截止閥28關(guān)閉，截止閥27打開(kāi)。Y型三位四通電磁換向閥S2右邊得電，右邊的閥芯推到中間位置，高壓油經(jīng)過(guò)減壓閥14進(jìn)入副油缸，回油從兩個(gè)主油缸里面從單向閥26再經(jīng)過(guò)閥S2流回油箱。 當(dāng)夾持器需要夾持73mm鉆桿，但不需要擰緊或卸下鉆桿時(shí)，截止閥28關(guān)閉，截止閥27打開(kāi)。Y型三位四通電磁換向閥S2不得電，閥芯為中間位置，回油從主油缸和副油缸里面經(jīng)過(guò)閥S2流回油箱。夾持器在碟簧的作用下仍然能夾緊鉆桿。 當(dāng)夾持器需要松開(kāi)73mm鉆桿，鉆機(jī)做鉆探運(yùn)動(dòng)時(shí)，截止閥28關(guān)閉，截止閥27打開(kāi)。Y型三位四通電磁換向閥S2左邊得電，左邊的閥芯推到中間位置，高壓油經(jīng)過(guò)減壓閥14再通過(guò)截止閥27進(jìn)入主油缸，回油從副油缸里面經(jīng)過(guò)閥S2流回油箱。 當(dāng)夾持器需要夾持63mm鉆桿，作擰緊或卸下動(dòng)作時(shí)，截止閥28打開(kāi)，截止閥27關(guān)閉。Y型三位四通電磁換向閥S2右邊得電，右邊的閥芯推到中間位置，高壓油經(jīng)過(guò)截止閥28進(jìn)入副油缸，回油從兩個(gè)主油缸里面從單向閥26再經(jīng)過(guò)閥S2流回油箱。 當(dāng)夾持器需要夾持63mm鉆桿，但不需要擰緊或卸下鉆桿時(shí)，截止閥28打開(kāi)，截止閥27關(guān)閉。Y型三位四通電磁換向閥S2不得電，閥芯為中間位置，回油從主油缸和副油缸里面經(jīng)過(guò)閥S2流回油箱。夾持器在碟簧的作用下仍然能夾緊鉆桿。 當(dāng)夾持器需要松開(kāi)63mm鉆桿，鉆機(jī)做鉆探運(yùn)動(dòng)時(shí)，截止閥28打開(kāi)，截止閥27關(guān)閉。Y型三位四通電磁換向閥S2左邊得電，左邊的閥芯推到中間位置，高壓油經(jīng)過(guò)截止閥28再通過(guò)減壓閥15與單向閥25進(jìn)入主油缸，回油從副油缸里面經(jīng)過(guò)閥S2流回油箱。 2.3按照要求選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)液壓元件型號(hào) 表2.2 液壓元件明細(xì)表 序號(hào) 元件名稱 最大通過(guò)流量/ 型號(hào) 1 油箱 — CTW-500 2 加熱器 — GYY2-220/1 3 溫度計(jì) — WTZ-280 4 液位計(jì) — YWZ-100T 5 吸油過(guò)濾器 118.3 WU-160X180 6 空氣過(guò)濾器 — E-120 7 變量泵 118.3 85PCY14-1B 8 電動(dòng)機(jī) — Y225S-4 9 高壓軟管 118.3 M32 10 溢流閥 118.3 DBDH20G10 11 單向閥 118.3 RVP-20-1-0/0.45 12 調(diào)速閥 118.3 MSA30EF160B 14 減壓閥 — DR10DP2-5/75 15 減壓閥 — DR10DP2-5/75 17 液控單向閥 — SV20A230/VA 18 液控單向閥 — SV20A230/VA 19 支撐缸 — HSGF*-63/45HEZ 20 單向節(jié)流閥 — MG20G1.2/2 21 單向節(jié)流閥 — MG20G1.2/2 22 推進(jìn)缸 — HSGK90/63*HEZ 23 調(diào)速閥 112 MSA30EF160B 24 液壓馬達(dá) 112 BM-E315 25 單向閥 — RVP-20-1-0/0.45 26 單向閥 — RVP-20-1-0/0.45 27 截止閥 — YN-100 28 截止閥 — YN-100 29 截止閥 — YN-100 30 冷卻器 118.3 SL-518 31 單向閥 — RVP-20-1-0/0.45 32 帶污染指示器的過(guò)濾器 118.3 YLH-160x 第3章 鉆機(jī)夾持器的設(shè)計(jì) 3.1 液壓夾持器的分類、特點(diǎn)及選用 3.1.1常閉式夾持器 這種類型的夾持器主要依靠彈簧的預(yù)緊力夾緊鉆具，利用油壓松開(kāi)，在不工作的情況下整個(gè)夾持器受到碟簧的作用下處于夾緊狀態(tài)。在斷電或者發(fā)生故障時(shí)，夾持器處于夾緊狀態(tài)，可以防止鉆桿跑鉆，安全可靠。如下圖3.1所示： 圖3.1 常閉式夾持器圖 3.1.2常開(kāi)式夾持器 這種夾持器采用液壓夾緊、彈簧松開(kāi)的方式，夾持器在不工作的時(shí)候一般處于松開(kāi)狀態(tài)。工作時(shí)夾持器靠油缸的推力產(chǎn)生夾持力，油壓的下降將直接引起夾持力的下降，則需要在油路上設(shè)置液壓鎖來(lái)保持壓力。如下圖3.2所示： 圖3.2 常開(kāi)式夾持器圖 3.1.3液壓松緊型夾持器 夾持器的松開(kāi)與夾緊都是由液壓實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)夾持器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，兩邊通入高壓油的時(shí)候，卡瓦便向著中心收緊，實(shí)現(xiàn)夾住鉆桿的目的。當(dāng)高壓油從另外一個(gè)入口進(jìn)入時(shí)，卡瓦向外松開(kāi)，便能達(dá)到松開(kāi)鉆桿的作用。這種夾持器架構(gòu)對(duì)稱，但是夾緊力是隨著油壓變化而變化的。如下圖3.3所示： 圖3.3 液壓松緊式夾持器圖 3.1.4復(fù)合式液壓夾持器 復(fù)合式液壓夾持器主要有主油缸和副油缸，主油缸負(fù)責(zé)把鉆桿松開(kāi)，當(dāng)高壓油進(jìn)入主油缸時(shí)，主油缸的活塞桿推動(dòng)缸體運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)頂柱把力傳給副油缸，使得副油缸的碟簧壓縮，然后在圓形彈簧的作用下把主油缸也向后推移，達(dá)到鉆桿松開(kāi)的目的。當(dāng)夾持器需要夾緊時(shí)，副油缸上接上高壓油，副油缸的活塞就對(duì)鉆桿產(chǎn)生推力，而且碟簧也夾緊鉆桿。復(fù)合式夾持器開(kāi)口量大、開(kāi)啟壓力低、體積小、性能可靠、并且也可以實(shí)現(xiàn)突然斷電時(shí)夾緊鉆具，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，重量非對(duì)稱布置，在某些特定的使用場(chǎng)合可能引起一定的偏載。如下圖3.4所示： 圖3.4 復(fù)合式夾持器圖 3.2夾持器結(jié)構(gòu)方案的選擇與確定 以上的鉆機(jī)夾持器的四個(gè)分類，本人查閱了大量有關(guān)于全液壓鉆機(jī)夾持器與液壓系統(tǒng)的相關(guān)資料以及文獻(xiàn)后，對(duì)全液壓鉆機(jī)夾持器以及相關(guān)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，進(jìn)而設(shè)計(jì)出新型夾持器以及相關(guān)的液壓系統(tǒng)。通過(guò)這段時(shí)間對(duì)其他人設(shè)計(jì)出來(lái)的夾持器結(jié)構(gòu)的觀察，對(duì)于夾持器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般是分為三種方案。 3.2.1方案1 第一種方案是通過(guò)杠桿原理減少液壓缸的尺寸從而減少整個(gè)夾持器的體積?？雌饋?lái)好像很好的選擇，結(jié)構(gòu)也比較多的選擇，但是這必然使得液壓缸的行程增加不少，使得總體上的尺寸并沒(méi)有減少多少，而且增加了不少的零部件，零件的強(qiáng)度要求提高了不少。對(duì)力學(xué)上的分析較為嚴(yán)格。由于行程比起其他類型的夾持器要長(zhǎng)，因此在反應(yīng)方面會(huì)比較慢。這種類型的夾持器一般適用于夾持直徑約63mm及以下的鉆桿。如下圖3.5與圖3.6所示： 圖3.5 夾持器結(jié)構(gòu) 圖3.6 夾持器結(jié)構(gòu) 3.2.2方案2 第二種方案就是直接利用液壓缸的推力夾持鉆桿或者使用碟簧輔助夾持。這種方法結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)單，對(duì)零件的強(qiáng)度要求沒(méi)那么高，制造的成本比較低，響應(yīng)的速度比較快，耐用性高。市面上流通比較廣泛，不過(guò)體積由于油缸的關(guān)系會(huì)稍微地變大。這類型的夾持器可夾持大部分的鉆桿，實(shí)用性能比較高。一般的煤礦工程鉆機(jī)的夾持器都是這種類型。這種類型的夾持器會(huì)比較有經(jīng)濟(jì)效益。如下圖3.7所示： 圖3.7 夾持器結(jié)構(gòu) 3.2.3方案3 第三種方案就是采用雙夾持器或使用高科技的材料和技術(shù)制造出更加實(shí)用的夾持器，不過(guò)制造的難度比較大而且繁瑣。最重要的是制作的成本比較高，當(dāng)然制作完成后使用的效果也會(huì)十分的明顯，一般使用在比較先進(jìn)的鉆機(jī)設(shè)備上面。一些鉆孔深度達(dá)到兩三千米的鉆機(jī)會(huì)使用這類型的夾持器。先進(jìn)的夾持器一般都是能夠脫離碟簧的限制，使用液壓或者氣壓等動(dòng)力源對(duì)夾持器進(jìn)行控制，其反應(yīng)速度極其快。再加上使用某些高科技的材料，其夾持器的密封性能十分強(qiáng)大，能夠使用更加強(qiáng)的壓力進(jìn)行工作。由于鉆機(jī)需要鉆兩三千米的，鉆桿的重量會(huì)極其大。因此很多深孔鉆機(jī)都會(huì)使用這類型的夾持器，其他類型的夾持器很難應(yīng)付這種情況所需要的夾持力。如圖3.8所示： 圖3.8 雙夾持器結(jié)構(gòu) 3.2.4方案的確定 根據(jù)上述的三種方案，第一種方案的實(shí)用性能不佳，很多時(shí)候會(huì)由于其他問(wèn)題而造成夾持器的自鎖卡死問(wèn)題，導(dǎo)致夾持器的正常使用受到阻礙，維護(hù)的成本比較高。最重要的是本設(shè)計(jì)是針對(duì)直徑63mm和73mm的鉆桿進(jìn)行夾持的地。方案1的最佳夾持直徑是63mm以下，所以不選擇。第二種方案的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，使用廣泛，一般都不會(huì)出現(xiàn)卡死的狀況。比較適合本設(shè)計(jì)得要求。第三種方案的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度很高，技術(shù)方面和材料方面比較高端。況且一般的使用在深孔鉆機(jī)上面。使用在本設(shè)計(jì)上面會(huì)顯得大材小用。因此我決定采用第二種方案，類型選擇為常閉式液壓夾持器。結(jié)構(gòu)方面兩邊有蝶簧且在普通的常閉式液壓夾持器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)增力缸。 3.3夾持能力的計(jì)算 本設(shè)計(jì)要求鉆桿的直徑為63mm與73mm,鉆進(jìn)深度為200m， 3.3.1鉆具的自重計(jì)算 1.先按照73mm的鉆桿的重量進(jìn)行設(shè)計(jì)。 (<75KN) （3.1） -每米鉆桿的質(zhì)量 =14.46kg/m -鉆桿的總長(zhǎng)度 l=200m -重力加速度 g=9.8N/kg G-鉆桿總質(zhì)量 kg -鉆頭的質(zhì)量 =6kg 克服鉆具自重所需的夾持力 = （3.2） -鉆孔時(shí)的傾角，本鉆桿能在0~90度內(nèi)隨意傾斜，設(shè)計(jì)時(shí)按照計(jì)算定=90度 -卡瓦與鉆桿間的摩擦系數(shù)，取=0.25 2.若按照63mm的鉆桿的重量進(jìn)行設(shè)計(jì)。 (<75KN) （3.3） -每米鉆桿的質(zhì)量 =9.32kg/m -鉆桿的總長(zhǎng)度 l=200m -重力加速度 g=9.8N/kg G-鉆桿總質(zhì)量 kg -鉆頭的質(zhì)量 =6kg 1. 克服鉆具自重所需的夾持力 = （3.4） -鉆孔時(shí)的傾角，本鉆桿能在0~90度內(nèi)隨意傾斜，設(shè)計(jì)時(shí)按照計(jì)算定=90度 -卡瓦與鉆桿間的摩擦系數(shù)，取=0.25 3.3.2克服鉆桿轉(zhuǎn)矩所需要的夾持力 1.克服73mm鉆桿轉(zhuǎn)矩所需夾持力 （3.5） M-鉆機(jī)的最大輸出扭矩，本設(shè)計(jì)要求M=2000Nm d-鉆桿的直徑 d=73mm 當(dāng)鉆機(jī)需要扭開(kāi)鉆桿時(shí)，需要同時(shí)克服鉆具的自重和轉(zhuǎn)矩所需要的夾緊力。 （3.6） 夾持器在需要克服73mm鉆桿自重和所需的夾緊力=70.97KN,克服鉆桿扭矩所需的夾緊力為=109.58KN,克服鉆桿自重和扭矩所需的夾緊力的合力夾緊力F=130.5KN。 2.克服鉆桿轉(zhuǎn)矩所需要的夾持力 （3.7） M-鉆機(jī)的最大輸出扭矩，本設(shè)計(jì)要求M=2000Nm d-鉆桿的直徑 d=63mm 當(dāng)鉆機(jī)需要扭開(kāi)鉆桿時(shí)，需要同時(shí)克服鉆具的自重和轉(zhuǎn)矩所需要的夾緊力。 （3.8） 夾持器在需要克服63mm鉆桿自重和所需的夾緊力=36.6KN,克服鉆桿扭矩所需的夾緊力為=127KN,克服鉆桿自重和扭矩所需的夾緊力的合力夾緊力F=132KN。 3.3.3蝶形彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算 蝶形彈簧有A,B,C三種系列，本設(shè)計(jì)中要求蝶形彈簧要克服鉆桿的重力的夾緊力，碟簧與增力缸的合力姚大于鉆桿的重力和扭矩的合力的夾緊力F。 1.選擇碟簧的系列與組合形式 一般來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)夾持器都是采用對(duì)合組合，本設(shè)計(jì)選擇A系列的碟簧，尺寸型號(hào)為GB/T1972-1992 材料為［13］ 下圖3.9所示即為碟簧的示意圖 圖3.9 碟簧的示意圖 2.計(jì)算碟簧的壓載荷 （3.9） = =179.41KN >132KN -碟簧平時(shí)載荷 N -碟形彈簧的外徑D=160mm -碟簧的厚度 t=10mm -內(nèi)錐高 =3.5mm -泊松比 =0.3 E-彈性模量 E= -無(wú)支承面 =1 =0.69 /= （3.10） 由于A系列的，根據(jù)/=0.395，得出=0.36.變形量［13］ 如下圖3.10所示： 圖3.10 圖 計(jì)算出對(duì)合組合的片數(shù)i，并取整 本設(shè)計(jì)要求=10mm 片 (3.11) 圓整后取i=8片，則實(shí)際的變形量為10.08mm 其中-夾緊時(shí)的總變形量 -單個(gè)碟形彈簧的變形量 3.確定碟簧的開(kāi)口量 夾持器的開(kāi)口量大容易通過(guò)鉆桿，可以減少卡瓦與鉆桿之間的摩擦損耗，選擇合適的開(kāi)口量可以使得夾持器的結(jié)構(gòu)更加精簡(jiǎn)，開(kāi)啟壓力適宜。 鉆桿的直徑先選擇63mm來(lái)計(jì)算。當(dāng)夾持器夾緊鉆桿時(shí)，總變形量=10.08mm。因此碟簧在自由狀態(tài)下的卡瓦口直徑為=42.84mm，要使得鉆桿容易通過(guò)或取出，本設(shè)計(jì)打開(kāi)卡瓦的直徑設(shè)計(jì)為=68mm。 所以開(kāi)啟時(shí)碟簧的變形量 ===12.58mm (3.12) 單片碟簧的變形量 =12.58/8=1.57mm (3.13) 計(jì)算打開(kāi)碟簧的載荷 (3.14) = =84.82KN -碟簧的載荷 -碟形彈簧的外徑D=160mm -碟簧的厚度 t=10mm -內(nèi)錐高 =3.5mm -泊松比 =0.3 E-彈性模量 E= -無(wú)支承面 =1 =0.69 開(kāi)啟夾持器的總負(fù)載 (3.15) = =87.33KN -副油缸直徑 =80mm -液壓系統(tǒng)的背壓 =0.5Mpa 此時(shí)主油缸的最低開(kāi)啟壓力 (3.16) = =5.8Mpa <18Mpa -主油缸的直徑 =160mm -活塞的直徑 =80mm 使用63mm鉆桿時(shí)候，減壓閥15需要調(diào)節(jié)到5.8Mpa即可。 當(dāng)要擰卸鉆桿時(shí)，夾持器的碟簧與副油缸同時(shí)工作，提供需要的夾緊力。 (3.17) = =133.97KN >132KN滿足要求 -主油缸的直徑 =160mm -活塞的直徑 =80mm -副油缸直徑 =80mm -液壓系統(tǒng)的背壓 =0.5Mpa -碟簧負(fù)載 =70.97KN -副油缸壓力油的壓力 =14Mpa 下一步鉆桿的直徑選擇73mm來(lái)計(jì)算。由于之前63mm的鉆桿的總變形量為10.08mm，要使得鉆桿能夠被夾住，就要使碟簧的總變形量增加5mm。當(dāng)夾持器夾緊鉆桿時(shí)，總變形量=15.08mm。因此碟簧在自由狀態(tài)下的卡瓦口直徑為=42.84mm，要使得鉆桿容易通過(guò)或取出，本設(shè)計(jì)打開(kāi)卡瓦的直徑設(shè)計(jì)為=78mm。 所以開(kāi)啟時(shí)碟簧的變形量 ===17.58mm (3.18) 單片碟簧的變形量 =17.58/8=2.19mm (3.19) 單個(gè)碟簧的最大變形量，即內(nèi)錐高=3.5mm，大于2.19mm。所以符合要求。 計(jì)算夾持73mm鉆桿時(shí)，打開(kāi)碟簧的載荷 (3.20) = =115.78KN -碟簧的載荷 N -碟形彈簧的外徑D=160mm -碟簧的厚度 t=10mm -內(nèi)錐高 =3.5mm -泊松比 =0.3 E-彈性模量 E= -無(wú)支承面 =1 =0.69 計(jì)算夾持73mm鉆桿時(shí)，碟簧夾持力的大小 碟簧的變形量為15.08mm。即 =15.08/8=1.88 (3.21) (3.22) = =100.35KN -碟簧的夾持力 -碟形彈簧的外徑D=160mm -碟簧的厚度 t=10mm -內(nèi)錐高 =3.5mm -泊松比 =0.3 E-彈性模量 E= -無(wú)支承面 =1 =0.69 開(kāi)啟夾持器的總負(fù)載 (3.23) = =118.28KN -副油缸直徑 =80mm -液壓系統(tǒng)的背壓 =0.5Mpa 此時(shí)主油缸的最低開(kāi)啟壓力 (3.24) = =7.84Mpa <18Mpa -主油缸的直徑 =160mm -活塞的直徑 =80mm 當(dāng)要擰卸鉆桿時(shí)，夾持器的碟簧與副油缸同時(shí)工作，提供需要的夾緊力。 (3.25) = =132.9KN >130.5KN滿足要求 -主油缸的直徑 =160mm -活塞的直徑 =80mm -副油缸直徑 =80mm -液壓系統(tǒng)的背壓 =0.5Mpa -碟簧的夾持力 =100.35KN -副油缸壓力油的壓力 =8Mpa 由于使用73mm鉆桿時(shí)，碟簧的夾持力有100.35KN，因此副油缸只需要提供大于40KN的夾持力即可擰開(kāi)鉆桿。因此此時(shí)副油缸的高壓油的壓力 ==8Mpa (3.26) 此時(shí)液壓回路中的減壓閥14調(diào)節(jié)到略大于8Mpa即可。 3.4計(jì)算夾持器的結(jié)構(gòu)參數(shù) 3.4.1缸筒的壁厚計(jì)算 當(dāng)時(shí)為薄壁缸筒，液壓缸的缸筒厚度一般按照薄壁筒計(jì)算［14］ （3.27） 9.6mm -液壓缸缸筒厚度 mm -試驗(yàn)壓力Mpa，工作壓力16Mpa時(shí)，=1.5p。當(dāng)工作壓力16Mpa時(shí)，=1.25p。本設(shè)計(jì)取=1.5p D-液壓缸的內(nèi)徑 D=160mm -缸體材料許用應(yīng)力（Mpa） 一般高壓液壓缸筒選擇無(wú)縫鋼管的材料為45鋼，本設(shè)計(jì)主油缸的材料也采用45鋼 = -缸體材料的抗拉強(qiáng)度（Mpa） n-安全系數(shù) n=3.5~5，取n=5. 對(duì)于鍛鋼=100~120Mpa 鑄鋼=100~110Mpa 鋼管=100~110Mpa 鑄鐵=60Mpa 取=100Mpa 因此主油缸的厚度大于9.6mm即可，由于主油缸的缸筒不僅只承受液壓油的壓力，還要承受整體夾持器的重力與正常工作運(yùn)動(dòng)時(shí)的扭矩等應(yīng)力，而且在缸體的頂部還需要鉆孔，為了有足夠的螺紋深度與安全需要，本設(shè)計(jì)取厚度為15.5mm。 副油缸按照中等壁厚計(jì)算