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        ZDY3200S全液壓鉆機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計

        2011-12-28 09:03:38林小亮
        關(guān)鍵詞:主要參數(shù)結(jié)構(gòu)特點

        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

        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?。?.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)液壓回路特點選取背壓的經(jīng)驗數(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。

        一般按下述原則選取:

        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.

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