1、湖南工業大學本科畢業設計（論文）第1章 緒論 1.1 引言 21世紀，一個高速發展的新時代，機械化、智能化將席卷全球。人類的大部分勞力活動將由機械代替，主要體現在資源開發和基礎建設方面上，而鉆孔機械順勢成為了重要組成部分。礦產資源豐富，且為人類必不可少的東西，所以采礦、用礦成了人們所需。本設計主要就采礦工具、鑿巖設備潛孔鉆機作此研究。由于礦床存在的地理位置有所不一，為了能更好的采礦，人們根據各種條件不斷的更新采礦工藝和相應的鑿巖設備。各種開采挖掘發展迅猛，因此用到潛孔鉆機的地方非常多，成為采礦機械中的重要一員。潛孔鉆機可用于井下跟露天開采，主要用于鉆深孔，爆破孔。它比傳統的鑿巖機更優越，功的利

2、用率更高，減輕了損壞，特別是在鉆大孔上面更為突出。它的優點主要體現在污染少，利用率高，能大范圍使用等，適應現時代的發展需求，以人為本，經濟實用，節能環保的理念，是現今運用最廣的鉆孔設備6。12 潛孔鉆機的發展與現狀 12.1潛孔鉆機在國外的發展 近年來，鉆機產業發展迅猛，國外許多潛孔鉆機制造公司研發制造出了一系列新產品。像Arias L830型潛孔鉆機；古河的PCR一200一DH型履帶式潛孔鉆機；Sanvik公司的推出的TITONl00型潛孔L830型鉆機。特別是ROCCopco公司的ROC潛孔鉆機，為其配備了能提供3MPa氣壓的壓縮機裝置，是潛孔鉆機事業的又一發展。為其設計了新的輸送裝置，可

3、鉆直徑達140mm的深孔。以實現自動化為主題進行設計制造，使其達到了很高的程度。在智能化上面也做的很好，部分功能均已實現智能化，如臂架的自動定位。節省場地標記和定位時間，提高了工作效率，使經營者集中監測鉆井過程。并且在安全和環保上提升了檔次，操作人員與機器設備的關系得到了很大的改善。隨著國家最新排放標準和智能化法規的實施，多數鉆機公司都給柴油機某些方面性能進行了優化，達到了很高的標準15。1.2.2潛孔鉆機在國內的發展國內潛孔鉆機起步比較晚，起源于上世紀中期的河北宣化，在國家的大量扶持跟發展下，潛孔鉆機的各方面參數得到了長足的進步，制造技術創新也得到了很大的提高，在國內外都有了很高的名聲，為此

4、許多國外知名大企業都來此投資。由于宣化的鉆機產品質量過硬，技術研究相當的好，將其整理后，一些大學作為教材來作為教學內容來指導。經過40來年的發展，宣化的鉆機生產已經很規范化了，形成了重要生產基地。鉆機主要用于為各種挖掘爆破打孔，能提供雄厚的技術力量，先進的生產制造技術和管理水平的相當完善，在產品的開發和改進上 ，擁有強大的技術團隊，雄厚資深的研究背景，因此，潛孔鉆機在中國肯定能有大市場，能很好的發展。1997年，我國潛孔鉆機產業得到了飛躍，自行研發出的輔助行走、升降、回轉、表面定位的潛孔鉆機，成功申請了國家專利，隨著一體化液壓潛孔鉆機的問世，引發了國內鉆機的發展高潮。其通用化設計理念成果，很好

5、的突顯了它的高性能跟經濟實用性8。雖然這幾十年發展迅速，出了不斐的成績，但還沒達到與國際高水平接軌的程度。國外發展迅速，而且起步早，我國從起步到自行研發，經過幾十年艱苦奮斗，能有如此成果已然不易。隨著設計方法的不斷創新和生產技術發展，涌現了許多的新的技術，大大的推動工程機械的前進步伐。一體化液壓潛孔鉆機的問世，標志著鉆機技術更上一層樓，國內由湖南山河智能股份公司做得最好。它的自主研發團隊與中南大學智能機械研究所強強聯合，研發生產出的一體化液壓潛孔鉆是國內現今最優良的鉆機。運用的技術先進，配置高，能耗低，性價比高于國外很多，為人們所廣泛使用10。現今，隨著社會的發展，機械工程領域飛躍也十分顯著，

6、在鉆機設計上，運用各種新穎的思想理念和先進的制造技術，使產品達到想象中的完美程度。運用計算機優化，使其功與機器的匹配率和負載適應性達到了很高的程度，實現了動力-泵-負載有機了協調，使其具有高性能和可靠性。我國是發展中國家，以經濟建設為中心，所以在有些方面的投入會相對少些，由于此局限性，對液壓潛孔鉆機系統的研究還不深入，因此在這方面的研究與世界先進水平還有一段差距。在大型工程設備的液壓回轉系統的動態特性對回轉特性的影響方面的研究還不足，才達到中等偏上水平。緩沖設計，密封裝置是影響動力頭平穩性的最大因素，這些成為了我國工程機械上的一些發展難點。1.2.3國內潛孔鉆機發展存在的問題 （1）安全方案設

7、計和人機結合方面的設計上缺陷。總體來講在安全和設計思路上考慮得更為周到。例如國外的產品，在接卸桿處裝有傳感器控制和急停裝置，對及時且有效的處理和防止事故的發生，能最大限度的保護操作工人和機器的安全，減少事故的發生，在安全保護措施上的設計更為合理周到。(2)在使用過一段時間后，由于各部件間的消耗磨損等，精確度等方面達不到要求，就會暴露一些深層次的問題，例如匹配、油的溫度、熱平衡和可靠性等問題。密封出現問題，這時候就會出現漏油現象，這些細節在國外都是做的非常好的。 (3)智能化、自動化程度不高，在高效方面也有所欠缺。產品質量和性能要求是人們所需要的。由于工期等多方面因素，施工單位對設備要求非常高，

8、效率與質量必須得到保證，而且還經濟，降低人力成本14。 13潛孔鉆機的發展趨勢 由于我國地勢復雜，礦產資源分布不均勻，且大部分開采都屬于困難型，因此鉆機的應用十分廣泛，而潛孔鉆機作為鉆機中的龍頭，獨占了其中50%60%，潛孔鉆機應用最廣的是在露天鐵礦、有色金屬礦山和石灰石礦山。潛孔鉆機普遍的應用于國內外，發展潛力巨大，是工程機械中重要的一員。 14 潛孔鉆機在實際應用中出現的問題潛孔鉆機在實際應用中表現出了一些漏洞，主要是鉆的孔會發生一定角度的偏斜。除了與現今的制造水平有關外，客觀因素影響也巨大，主要體現在巖層構質不一跟鉆頭軸壓力不穩定上。潛孔鉆機在鉆深孔上比別的鉆機更具優勢，所以在這上面應用

9、很多，但是鉆孔越深，桿的接頭就越多，偏角就會增大，而且軸壓力不斷的變化，對于鉆孔質量的準確性就會降低。鉆頭漂移，鉆頭的回轉會使孔呈錐形。所以巖層結構和受力不均是使鉆孔不精準的最大影響因素?？椎牟痪_，對于爆破等各方面的影響會更大，使采礦率下降，使鉆孔深度收到局限，增加開采成本8。 1.5 選題依據、主要研究內容、研究思路及方案1.5.1選題依據在SWDB120型一體化液壓潛孔鉆機回轉機構液壓系統的設計上，現今，隨著社會的發展，機械工程領域飛躍也十分顯著，在鉆機設計上，運用各種新穎的思想理念和先進的制造技術，使產品達到想象中的完美程度。在設計中，運用Pro/E三維立體仿真，再通過優化設計分析，在

10、保證各項指標規格的同時使其達到最優，使外形更加自然流暢。使用符合人機工程學的人機界面加漆和自然親和的制定，實現了真正的自然人機一體化。本鉆機采用最先進的制造技術、實用可靠的液壓系統、優質的部件，保證了系統的穩定性和可靠性，提高了作業效率，具有以下特點：（1）鉆機動力頭，內燃發動機，空壓機三位有機的結合在一體，使其擁有了很好的靈敏性，對地勢環境要求更加簡易，且能使線路布置更為簡單合理，可行性更高。（2）對操縱室的設計極為合理，室內有冷暖空調，空氣清新凈化設備，鉆機的各個操縱桿都在司機的最舒適的操作范圍內，由液壓先導操縱手柄對各項操作進行集中控制，能用最舒適的姿態完成最艱難的操作。各項指示燈的安裝

11、位置也很合理，司機能很好的掌握作業情況。（3）設有靈敏度很高的自動防卡鉆設備，能使鉆機更好的運行。對于孔深也有裝置進行測量和儀表進行顯示。在室外也設有擴音器等設備，使操作更加安全。（4）設有能自動拆卸鉆桿的裝置，能減輕操作者的勞動量，降低疲勞強度，很好的實現了自動化，進而更好的提高工作效率。（5）回轉機構設有液壓減震裝置，能很好的減少沖擊載荷，使巖層能很好的吸收沖擊力，保證鉆孔的順利進行，達到保護鉆機的功用，延長其壽命，提高鉆孔效率。1.5.2主要研究內容主要內容：設計計算一體化液壓潛孔鉆機動力頭回轉機構的液壓系統，妥善解決傳動部分與工作部分的聯接，完成工作要求。（1）對一體化液壓潛孔鉆機進行

12、結構分析。（2）設計一體化液壓潛孔鉆機的動力頭回轉機構。（3）繪制一體化液壓潛孔鉆機動力頭回轉機構的液壓系統圖。1.5.3研究思路及方案一體化液壓潛孔鉆機的回轉動力頭采用全液壓驅動的方式，其主要組成有五個部分，它們分別是：原動力部分：采用雙聯變量式液壓柱塞泵，能適應各種巖層環境；執行驅動部分：擺線液壓馬達；控制部分：液壓系統中需要的各種閥塊，有壓力控制閥，方向控制閥，流量控制閥；輔助部分、傳動介質部分?；剞D動力頭由四部分組成，分別是：作為連接不分的法蘭盤、提供動力的動力機、傳遞能量的連接件、調節速度的減速箱?；剞D力矩跟轉速由動力機產生，然后經其他三部分傳遞給鉆桿，它再帶動沖擊器和鉆頭對巖層進行

13、作用以此滿足我們所需。 第2章 回轉系統的總體設計2.1一體化潛孔鉆機動力頭回轉機構系統分析2.1.1潛孔鉆機結構總成及介紹潛孔鉆機的形成鉆孔基本思路，破碎鑿巖方法，沖擊旋轉使巖石破碎，進而達到需要效果。鑿巖時，沖擊器沒入孔內，由于有空氣壓縮裝置，對孔底部不斷施加氣壓，形成很大的沖擊力，鉆具與鉆頭主軸同時轉動，因此，在每次完成沖擊以后，鉆頭相對于原來都會轉過一個角度，為下次沖擊做好準備，沖擊器是通過高壓氣來提供能量的，進而完成做功，鉆孔會有很多巖石顆粒跟粉塵，若不弄掉它們，它們會與鉆具再次研磨，浪費掉很多無用功，而且會降低鉆具的壽命。所以必須將它們處理掉。而高速沖擊的鉆桿就能帶走它們，使孔底干

14、凈。 一體化液壓潛孔鉆機為沖擊回轉式鑿巖鉆孔，機械外觀主視圖2.1、外觀主視俯圖2-2如下所示，由推進系統、回轉裝置、鉆桿庫、鉆架、補償油缸、滑架、舉升油缸、卸桿器、吸塵罩、除塵裝置、行走架、機架、支腿、后支架、空壓機及壓氣系統、柴油機泵組、油箱、液壓系統及多路閥組、司機室、護欄、鉆架支座、等部分組成10。2.1一體化液壓潛孔鉆機外觀主視圖2.2一體化液壓潛孔鉆機外觀俯視圖本鉆機總體結構部分有：（1）柴油機泵組配裝玉柴YC6L280-30柴油機，功率70KW。（2）壓氣系統本鉆機的壓氣系統配制成螺桿空壓機，由空壓機給動力頭機構提供氣壓，清除孔內灰塵和雜質，使鉆孔質量更高。（3）液壓系統全液壓鉆

15、機的各個動作、行程，一般用液壓比例先導閥或者電磁閥對其進行操作控制，還能迅速變換機構的運行速度，不僅反應靈敏，而且效果明顯，最大限度的提高鉆孔精度。（4）滑架滑架是潛孔鉆機的一個重要組成部件，主要用來支撐和連接鉆架，液壓缸對滑架和鉆架作用，從而實現它兩結構總成的升降和改變鉆孔的方向。（5）鉆桿鉆桿可分為兩部分，第一部分稱為主鉆桿，它的上端與回轉機構接頭聯接，下端與沖擊器接頭聯接；第二根稱為副鉆桿，它主要是用來對主鉆桿進行加長。主副鉆桿各內外螺紋接頭為錐形。（6）機架機架是相當于汽車的底盤，很多的部件結構都安裝在它上面。后支架主要用在運輸過程中，滑架和鉆架落下時對它們進行支撐保護。在到達鉆孔地點

16、后，將鉆架和滑架立起來，此刻將護欄安裝機架上。在機架的四腳各裝有一條支腿油缸，用于鉆孔時鉆機的調平和支撐。（7）油箱 油箱是用來儲存油液，且還有散發熱量、沉淀污物及安裝平臺等作用，由過濾器和測量油溫跟液位的計量器組成。（8）回轉機構該回轉機構是由液壓馬達、減速齒輪箱、管接頭、運行滑板和供氣機中轉站構成。該機構的推進功能靠固定在滑板上的鏈條是由軸銷和彈簧減震機構而進行緊固的?；剞D機構產生動力的機構是液壓馬達，可以輸出的轉速為050轉/分并帶有連續可調的功能。（9）推進機構推進機構由多方面組成的，它包括推進液壓缸，鏈輪鏈條組及其帶有緩沖作用的彈簧。其一端繞過主動鏈輪的鏈條在軸銷的作用下緊固在滑板的

17、上側，而它的另一端則經過從動輪固定在緩沖彈簧上，連接在滑板下部的是緩沖彈簧的另一側，推進和提升兩個功能的實現是在液壓馬達正反轉來完成的。在自動控制系統的控制下推進液壓馬達具備了緩沖的性能。（10）卸桿器 卸桿器是由各個不同的構件所組成的，它由上卸桿器體、下卸桿器體、上卡爪、下卡爪、卡桿缸及卸桿缸等部分構成。在卸桿作用的時候，卡桿缸將下鉆桿卡牢，同樣在上鉆桿處由也是由卡桿缸卡牢，在卸桿缸動作時其連接螺紋會開始松動，在回轉機構的作用下卸下鉆桿。（11）沖擊器 沖擊器選用山特維克高風壓沖擊器。（12）行走機構行走機構的設計結構比較復雜，由液壓馬達、行走支架、多級齒輪減速器、張緊裝置與從動輪等組成。其

18、驅動方式采用雙作用液壓馬達在減速器作用下實現的。為了安裝方便，減速機安裝在履帶寬度之內，運用黃油進行調節潤滑，速度控制采用不同的檔位，并且采用了剎車制動器，在操作安全上得到了極大的保證，減速機的潤滑采用N220裝在減速機內部實施不間斷潤滑效果。（13）司機可在室內對所有操作進行控制，而且操縱姿態舒適，通過控制手柄、電磁閥或腳踏閥來對鉆機的各個動作進行控制和調節。2.2 一體化潛孔鉆機動力頭回轉機構系統分析2.2.1動力頭主要組成部分 動力元件：雙聯變量式液壓柱塞泵。 執行元件：動力頭、擺線液壓馬達。 控制元件：它是控制系統中執行元件的流量、壓力和方向的，各種閥塊，其中包括壓力閥、方向閥、流量閥

19、等。 輔助元件：油箱、管道、過濾器及各種指示儀表等2。 工作介質：液壓油，傳遞能量和信號。2.2.2動力元件的分布本鉆機回轉部分選用左右雙回轉擺線液壓馬達對稱布置的結構，回轉裝置的初始位置布置在鉆機的軸線上面，動力頭安裝在回轉支座上的，它上面安裝有兩個小齒輪軸，它們與左右液壓馬達的活塞桿端的矩形花鍵分別相連。不止能實現諸多功能，在外觀形態上也有可觀性。另一個關鍵問題是使回轉裝置能實現正反回轉的功能，回轉支座上動力頭的兩個小齒輪軸的旋轉是通過馬達的活塞桿來回伸縮運動來推動的。一體化液壓潛孔鉆機回轉動力頭由四部分組成，分別是：作為連接部分的法蘭盤、提供動力的動力機、傳遞能量的連接件、調節速度的減速

20、箱?；剞D力矩跟轉速由動力機產生，然后經其他三部分傳遞給鉆桿，它再帶動沖擊器和鉆頭對巖層進行作用以此滿足我們所需16。動力頭的外形如圖2.3所示：圖2.3動力頭外形結構1、液壓馬達（帶小齒輪） 2、大齒輪 3、箱體 4、主軸 5、法蘭盤 6、連接體兩液壓馬達的連接方式是大油腔與小油腔互相交叉連接。運作過程大致如下：壓力油從油管進入左小腔、右大腔時，左活塞桿則會做收縮運動，右活塞桿則向外伸。進而推動回轉座上的動力頭做逆時針旋轉運動，與巖層形成強大的剪切力矩，從而實現運動目的，完成部分功能要求。反之則右活塞桿會收縮，左活塞桿向外伸，從而推動支座與前方向相反的運動。大部分鉆機在實際作業中，回轉機構的運

21、動范圍基本上都在中間位置左右兩邊的600范圍間，可整個的工作設備需要從左到右發角度范圍為1800，轉到支座兩邊的極限位置。 鉆機在工作時，動力頭與地面接觸，會產生很大的慣性沖擊，很可能損壞液壓系統。為了很好的保護回路，減輕液壓沖擊，使用了溢流閥，它的作用是進行溢流緩沖，還使用了彈簧減震，它也是緩沖裝置，從而來延長回轉機構的工作壽命。動力頭回轉支座的結構簡圖大致如圖2.4、2.5、2.6所示： 圖2.4動力頭支座立板圖2.5動力頭支座側板圖2.6動力頭支座底板在SWDB120型一體化液壓潛孔鉆機回轉機構液壓系統的設計上，現今，隨著社會的發展，機械工程領域飛躍也十分顯著，在鉆機設計上，運用各種新穎

22、的思想理念和先進的制造技術，使產品達到想象中的完美程度。第3章 回轉動力頭機構液壓原理技術參數的計算3.1液壓馬達參數的確定3.1.1主要參數的組成鉆頭和沖擊器的能量來自于動力機，它的回轉力矩跟轉速作用給鉆桿，而連接件，法蘭盤跟減速箱就是其中的連接件。液壓系統的設計和液壓元件的選擇，它們的主要依據參數是排量跟壓力。液壓泵的工作壓力取決于外負載的大小和排油管路上的壓力損失，而與液壓泵的排量無關；液壓執行元件（即馬達）的運動速度和結構尺寸決定了排量2。3.1.1.1液壓馬達轉矩的計算本系統的壓力設為10MPa，最大驅動扭矩為=2000N.m,其機械效率為=0.95，則馬達慣性力矩=。 則載荷力矩：

23、 ， （3.1） 3.1.1.2液壓馬達排量的計算液壓馬達的輸出轉矩公式是所以液壓馬達的排量： = （3.2）式中：液壓馬達的最大負載力矩， 進、出油口壓差，pa； 液壓馬達的機械效率，齒輪馬達和柱塞馬達取0.90.95，葉片馬達取0.80.9。液壓馬達的排量也要滿足最小的轉要求 （3.3）式中通過液壓馬達的最小流量；液壓馬達的最小轉速2。3.2液壓馬達選型3.2.1回轉裝置結構選擇潛孔鉆機是一種回轉式鉆孔機械設備，它是用鉆頭的對巖層的沖擊和回轉運動從而使巖層破裂，它們總稱為潛孔沖擊器?；剞D動力裝置的設計極為重要，作為鉆機的最重要組成部件，為系統動力源，所以它好壞直接影響鉆機效率，生產率跟鉆孔

24、成本，開發出最優性能的產品是我們設計的根本目的。鉆具破巖需要很大的回轉力矩和推力，它的功用就是為其提供能量，使鉆機能夠很好的運轉。本設計中機構的轉速和扭矩由工作軸來實現，由動力機通過減速機構來傳遞。根據鉆機各種參數要求和工作地點，工作件需要一個平穩的回轉速度，足夠的扭矩需求，再通過對現有潛孔鉆機的動力機和減速機參考，用雙馬達驅動回轉頭來驅動更為優越合適。由于各種巖層的鉆孔需要的扭力不一樣，為了能更好利用能量，用兩個馬達并聯傳入動力，這樣不僅能在符合設計的參數要求的同時增加動力機的壽命，還能降低成本。如圖3.1所示：圖3.1雙馬達驅動回轉頭3.2.2液壓馬達的型號說明及選擇參數參考：鉆具轉速：0

25、50rpm回轉扭矩：2000 N.m鉆孔最大功率：45KW由于方案的動力采用兩個原動機來實現動力的供給，所以所要選的液壓馬達的扭矩應在0到2000N·m的范圍內。根據資料分析，選用BYM系列低速大扭矩擺線液壓馬達系列。該系列馬達采用補償式端面配流結構，該系列馬達具有較大的排量和較高的輸出扭矩，工作效率高，而且安全可靠。廣泛應用于各行各業。技術參數見表3.13。 表3.1寧波液壓馬達廠生產的BYM型擺線液 壓馬達技術參數與型號說明型號排量/（mL/r）壓力/Mpa轉速/（r/min）效率/%轉矩/N.M舊型號質量/kg額定最高額定最高容積總效率BYM-S1601601416500650

26、9380307BM-D20BYM-S2002001416400520938038420.5BYM-S2502501416320416938048022BYM-S3203201416250325938061422BYM-S40040012.514200260938068523BYM-M31531216163204169380610BM-E30.7BYM-M4003981616250325938078031.5BYM-M5004961616200560938098132.4BYM-M63062516161602089380123633.6BYM-M8007981616125162938015703

27、5.2BYM-L80079512.51420026093801393BM-F54BYM-L100099712.5141602089380174756BYM-L1250124912.5141301699380218958根據表3-1參數和上述計算，經過比較分析，決定選用額定扭矩為614N.m，額定轉速為325RPM的液壓馬達作為回轉頭的動力機，即BYM-S320型號。3.3動力頭輸出參數計算液壓系統的設計，液壓元件的選擇，都需要以傳動裝置作為依據，而動力頭就是本設計的選擇依據。壓力由負載決定，通過壓力來選擇執行元件。3.3.1 輸出動力力矩 （3.4） 式中： 輸出動力矩為612N·m

28、； 動力機產生力矩，N·m； 動力頭內減速箱的傳動比為5； 減速箱傳動效率； =(O91099)t； 傳動級數；鉆桿與鉆桿間和連接件之間的傳動效率；與鉆桿數量、螺紋種類也有關。則動力頭輸出力矩為： = （3.5）3.3.2輸出轉速 （3.6） 式中： 動力頭輸出轉速； 動力機產生回轉轉速。 （3.7）3.3.3工作阻力矩的計算 潛孔鉆機在鉆孔時，鉆具所受到的阻力矩包括很多方面，主要由以下幾種阻力矩組成：在相鄰兩次剪切，鉆具與巖瘤沖擊所產生的剪切力矩。活塞每沖擊一次鉆頭轉過的角度為：(nf)· （3.8）每一次每個鉆刃所能鉆削的巖塊長短是：L=R800 （3.9）其中： （3

29、.10）式中 ： 為i規格的鉆刃數 ；d 在一次剪切中，能剪切的最大寬度；則 ： （3.11）式中： 為鉆具總數 ； 前后兩次鑿切所對當次能鉆深淺的作用程度；巖石抗剪強度 ；為鉆具轉速 ；f沖擊頻率； R鉆頭跟鉆刃各自中心間的加權半徑。 巖石跟鉆刃形成摩擦力矩。表達式為： （3.12）式中： 鉆刃與孔底間的摩擦系數； F鉆頭承受的軸壓力值?？妆陂g的巖粉與鉆桿外緣摩擦會產生阻力矩。鉆孔時，鉆桿會產生彈性變形，小幅度偏擺，會與孔壁和巖粉摩擦產生阻力矩。它的大小與巖石性質、巖粉粒度，鉆頭結構、排粉狀況等密切相關。 其表達式為: （3.13）式中： 是比例系數，通常取 0.1O.3。 因此 ，總阻力矩

30、： （3.14）由于地質復雜多變，所以原動機需要能提供多種扭矩和轉速。一般要求或,為安全系數，取1.11.5。通過以上計算和選擇，大致上確立了各項主要參數。3.4齒輪的各參數的計算 3.4.1壓力角的選擇本次設計的齒輪為標準直齒輪，其壓力角選用國家規定的標準值一般為20o17。3.4.2齒數的選擇在以保持齒輪傳動的中心距不變和彎曲強度足夠的前提下，增加齒數，不僅能使重合度增大還能提高其平穩性，增加齒輪的壽命，而且模數還可以相對減小。金屬切削量也能有所減少，節省材料，減少制造成本，其效益更高。使結構緊湊的同時，提高齒面抗膠合的能力，因輪齒容易磨損和斷齒，壓力角=20o的標準直齒圓柱齒輪，為使輪齒

31、免于根切，小齒輪齒數一般取Z1=1420。在選擇外齒變位齒輪時,應使變位后的齒輪避免根切、頂切、干涉和必要的齒頂厚和重合度的要求15-148。表3.2 外嚙合齒輪變位系數的限制條件根據上述參考資料，初步確定小齒輪軸的齒數Z=14，齒輪的變位系數=0.12418。3.4.3模數的選擇齒輪的模數的尺寸計算和選擇應采用國家標準模數系列，它是其計算中最基本的參數之一，它與齒數決定了分度圓的大小。模數越大則齒距相對會越大，輪齒也就越大，齒輪的抗彎曲能力便越強，綜合性能越好，本設計選擇模數為3mm17。3.4.4齒輪其他主要尺寸的確定已知：鉆具轉速 050rpm，馬達額定轉速為325/min，馬達額定扭矩

32、：614N.m，額定功率45KW，鉆孔直徑：150mm。通過上面的各項計算和元件的選用，初步選定主軸的轉速為/min。因為馬達的轉速受外界因素影響比較大，各巖層對于轉速的大小不相同。不能達到額定的轉速。所以取。所選小齒輪的齒數為，齒輪的傳動比i=，得到大齒輪的齒數為=70。小齒輪各參數如下：分度圓直徑 基圓直徑 =齒寬 b=1×42=42mm大齒輪各參數如下：分度圓直徑 基圓直徑 中心距 =1.5×（14+70）=126mm嚙合角 =齒根高 mm第4章 回轉動力頭機構液壓原理設計4.1 回轉動力頭機構液壓回路的選擇雖然現今機械已非常發達，運用的液壓系統也更加復雜，但萬變不離

33、其宗，不管是多么復雜的系統，它都是由一些簡單的回路組成。液壓回路設計是否合理，直接對鉆機的功能和性能產生影響。液壓回路主要包括對壓力、方向、動作、速度等方面的控制1。一個合格的液壓系統至少能實現下面幾個方面的功能：1、系統必須有過載保護裝置，液壓泵卸荷回路，能使工作較為平穩、人機的保護措施要可靠、換向沖擊小等基本功能；2、達到基本的自動化程度、能實現自動循環功能；3、具有反應靈敏、制動性強、機動性好、控制精度高、穩定性好、可行性強等特點。4.1.1 調速回路的選擇執行元件的運行快慢，是通過液壓調速回路來進行控制的。對于如何調速，我們可以從它的表達式中來尋求調節方法。調速回路有三種：節流調速回路

34、，容積調速回路，容積節流調速回路。選擇調速方案時，首先考慮滿足使用性能要求，同時應使結構簡單、工作可靠、成本低廉等基本要求。調速回路要能達到以下幾點基本要求：在規定限度內控制速度，使其達到最優速度比；給動力頭執行部件供給足夠的力矩；作業效率要在一定范圍內，有效功不能有太多的損失；系統要有一定的剛性，在遇到沖擊等突然情況時，還能維持正常運轉。以下幾點可作為選擇依據2-147：（1）功率不大的地方。它有以下幾個缺點：速度不穩定，損耗大，效率低。（2）對馬達的速度進行調節，在容積調速回路中是經排量來對其進行控制的。這種調節方式損失很少，發熱量低，效率高。在大型機械上很常用，比如需要壓力大，流量大的大

35、型機床、各種礦山和工程機械的大功率場合，經過分析決定選用容積節流調速回路2-158。容積節流調速可分為定壓式與變壓式兩種調節方式。定壓式主要用于負載相對穩定，功率使用量不大的場合；而變壓式則在速度較低，負載變化量大，功率中小型場合用得較多。使用場合不一樣，調速方式就不一樣。泵的調節一般用電業比例閥，對閥而言是節流調速。 因為潛孔鉆機的工作環境變化大和其工作原理的特點，液壓系統需要泵為其提供壓力小而流量大和壓力大，流量小的油液。再結合節能環保和高效率等方面來對泵進行選擇，雙聯式變量柱塞泵是最為合適的。如圖4.1所示：圖4.1 雙聯式變量柱塞泵4.1.2制動回路的選擇性能參數設計的好不好，會直接影

36、響生產效率，鉆孔的質量跟操作環境。鉆孔精確作為潛孔鉆機的一大優勢，所以在設計其性能參數上很講究?；剞D制動分為開式和閉式兩種，它們有明顯的區別。開式回轉制動的操作復雜，制動時比較緩慢，需要先斷油再制動，手和腳共同操作來實現，制動性能和效果由操作者決定，主觀因素太大，需要的協調性太強，不能適應其要求，所以已被淘汰。然而閉式制動則是通過切斷油路和控制機械閉式制動器或者兩者合用來對其進行制動的。能實現自動回轉制動，而且效果明顯，靈敏性強，用操作閥斷開油路，再用時續控制制動閥，所以操作起來更為簡便。能使回轉精確，沖擊力較小，而且在停機時還能進行機械制動，安全性更高，所以選閉式制動。使用溢流橋在控制馬達的

37、制動過程中擁有著十分巨大的優勢，如果電磁換向閥復位至中位時，液壓馬達的運轉在慣性力的驅使下還會繼續轉動，此刻高壓油通過單向閥時溢流閥會對其進行限壓，而另一端的單向閥靠油箱吸取液壓油。該回路不僅可以限制其引起的液壓沖擊，而且也可以使馬達穩定制動，這幾個單向閥起到了對馬達的自動補給液壓油的功能3-403。圖4.2溢流橋制動回路4.1.3快速運動和換向回路的選擇選用了容積節流調速回路，實現快速運動，就必須設置單獨的油路，將其直接與液壓馬達的兩腔相聯接。換向閥作為換向回路中的主體閥，它的選用尤為重要。（1）換向閥的工作原理是：當前應用最廣的是滑閥式換向閥，每一個換向閥都是由若干個沉割槽的閥體和若干個臺

38、肩的閥芯這兩個主要部件構成。換向閥的原理是依靠閥芯與閥體的相對運動來切換液流的方向達到換向的目的的。其工作原理如圖4.3所示4-139： 本系統采用電液換向閥式換向連接回路，調壓問題在油源中已經解決,所以在此就不作過多闡述。卸荷在液壓系統設計中非常重要，但此系統中如果采用中位機能為Y型的三位五通換向閥，屆時將不需要為其設置專用的油路跟元件，所以選用三位五通換向閥。圖4.3三位五通換向閥在此次設計中，為了能使活塞桿工進時活得較高的速度，用液壓馬達差動連接的方式。因此換向回路中采用如下形式：圖4.4 電液換向閥4.2液壓系統原理圖4.2.1 一體化液壓潛孔鉆機液壓原理圖 通過上面的設計概述，對本孔

39、鉆機各部分組成和總體結構有了大概的了解，可以設計出如圖4.5的液壓原理圖，由于空間限制，下面只對其主要部分進行更透徹的分析與介紹。圖4.5一體化液壓潛孔鉆機液壓原理圖4.2.2動力頭回轉機構液壓原理圖本液壓回路需要各種元件和閥體在上面的設計中均已選好，下圖是將上述選出的各種回路組合在一起初步得到動力頭回轉機構液壓原理圖，如圖4.6所示： 圖4.6動力頭回轉機構液壓原理圖上圖為初步制定的液壓原理圖，但仔細分析可發現，此系統還存在一些問題，所以進行如下改進：（1） 雙聯式液壓泵的差動連接，很可能出現供油過足而使整個系統油壓過高現象，因此要在泵中串聯一個單向閥A防止此現象的發生。（2） 在回轉機構運

40、作時，若回油路直接連通油箱，這樣會嚴重影響液壓馬達的差動連接效果。阻止油液在回轉時返回油箱，導致回轉油壓不足因而影響鉆機的正常作業，更好的消除安全等隱患，因此要在回油路上串聯一個液控順序閥B。（3） 為方便操作人員讀取和調控油壓，遇見情況后及時的做出處理，減少不必要的事情發生，在油路中需要設立一個油壓表C和遠程調壓控制閥。 修改后的液壓系統圖如圖4.7所示：圖4.7 調整后的動力頭回轉機構液壓原理圖1、過濾器 2、背壓閥 3.雙聯式柱塞泵 4、回油過濾器 5、液控單向閥 6、節流閥7、三位四通電液換向閥 8、液壓擺線馬達 9、液壓馬達液壓鎖 A、液壓單向閥 B、液控順序閥 C、油壓表 D、遠程

41、調壓閥4.3 液壓元件的選擇一個完成的液壓系統必須要有此四類液壓元件，它們分別是控制、執行、動力和輔助元件。它是液壓系統的核心，與控制回路組成各種系統。閥體跟管道連接液壓元件組成基本回路，所以它的選擇尤其重要。以下分別對各類元件進行選擇確定4。4.3.1 液壓馬達的選擇（1） 液壓馬達的選擇在前面的計算中，液壓馬達排量已經通過計算得到，為139mL/r，在鉆機正常運作時，輸出轉矩2100N.m，系統壓力為10Mpa,選用BYM系列低速大扭矩擺線液壓馬達。 =81L/min, （4.1）V =250 mL/r, （4.2）=325r/min, (4.3）在P=16Mpa時，T=2900N.m的輸

42、出扭矩，m=22kg,灌注油量3L。（2） 馬達實際所需流量計算本設計中動力頭的箱體選用鹽城市寶利來精密機械制造有限公司生產的部件，其傳動比為i=5，質量m=220kg。所以馬達轉速為：n=i45r/min=545r/min=225 r/min （4.6）由此馬達實際所需流量為：=Vn=250225 r/min=56.3L/min （4.7）（3）BYM系列擺線液壓馬達的分析BYM系列擺線馬達是一種低速大轉速液壓馬達，其結構圖如4.8圖所示。它使用端面配油的方式，此種方式能提高馬達的使用壽命和容積效率，提高了其性能優勢。該系列馬達優點明顯，具有適用范圍廣，能輸出多種轉速而且轉矩大，不僅在低速時

43、能運行穩定，在高速運作下也能保持平穩，而且工作效率高、使用壽命長，占地面積小，質量較輕，有利于搬運，可以直接與工作機構相連等優點，因而適用于各種低速重載的傳動裝置，能廣泛應用于各行各業3-61。4.8擺線液壓馬達結構圖13-密封；4前蓋；5止推環；6殼體；7配流軸；8花鍵軸；9推力軸承；10輔助配油板；11限制塊；12后蓋；13定子；14擺線轉子4.3.2 液壓泵的選擇（1） 液壓泵工作壓力的確定 (4.8) 式中：液壓執行元件最高工作壓力，=10Mpa； 液壓泵出口到執行元件入口之間所有沿程壓力損失和局部夜里損失之和，取=1Mpa。所以泵工作壓力為2-193： =10+1=11Mpa (4.

44、9)（2）液壓泵流量的確定 (4.10) 式中 ：同時動作的各執行元件所需流量之和的最大值，對于工作中式中需要溢流的系統，尚需加上溢流閥的最小溢流量，可取其額定流量的10%，此處取。 K系統泄漏系數，一般取K1.11.3，大流量取小值，小流量取大值，此處取1.2。所以液壓泵流量： =56.31.2=67.6 L/min (4.11) 因為系統壓力損失、泄漏等是經驗所取，而且理論值與實際不是非常一致，而且系統中需要有一定的壓力儲備，因此所選的額定壓力都要比最大工作壓力大25602-194。（3）液壓泵驅動功率的確定： = 14.56kw （4.12）其中 液壓泵的總效率2表4.1 液壓泵的總效率

45、4類型齒輪泵螺桿泵葉片泵柱塞泵總效率/%6080758554828186考慮到整個鉆機的其它工況動作，選擇武漢富鑫達液壓氣動設備有限公司的L2F液壓柱塞泵，其：=130 ,=50 Kw,V=50 mL/r。速度1450r/min時，q=72L/min，=35Kw。4.3.3 油管的選擇油管的計算主要是確定油管的內徑和管壁的厚度，因本系統的制動閥安裝在液壓馬達上面的，所以計算出馬達進出油管的管徑即可。油管內徑計算式為 (4.13) 式中:q通過管道內的流量，取最大流量；油管中推薦的流速，吸油管取0.51.5m/s；壓油管取2.55m/s；回油管取1.52.5m/s，此處吸油管取1.2m/s，壓油

46、管取m/s4-312。則有：液壓馬達進油管： （4.14）液壓馬達出油管： （4.15）按標準值選取： =11mm （4.16)=5.3mm （4.17）整個系統的油管都選用橡膠軟管，經久耐用，可以隨意彎折，能很好的適應潛孔鉆機山野工作環境。第5章 液壓系統的性能驗算液壓系統設計完成后，有些參數并不一定是準確的，可行性還也不是很高，此時要對系統的一些技術性能指標進行一些必要的驗算，或者從設計方案中選出較好的方案。然而影響系統性能的因素較復雜，參數很多，“有的地方牽一發而動全身”，再加上具體的液壓裝置也未設計制造出來，所以進行完全驗算是不顯示的，只能采用一些簡化公式進行部分近似估算，本設計只對發

47、熱溫升和壓力損失進行驗算5。5.1回路壓力損失驗算壓力損失主要包括三個方面，管道內的沿程損失、局部損失和閥類元件處的局部損失。閥類元件的局部壓力損失可以從產品樣本中查出，所以在這兒不作說明。通過閥類元件的實際流量為q，公稱流量為qn，若它們不相等時則可用如下近似關系進行運算： （5.1）沿程壓力損失 （5.2）式中：為沿程壓力損失，pa；為管路長度；v為液流速度，m/s；d為管路內徑，m；為液體密度，kg/m3;為沿程阻力系數。所以總壓力損失為： （5.3）5.2發熱溫升驗算 發熱溫升是指液壓系統在運作時，元件做功對油液溫度的影響，對它的驗算主要是用熱平衡對其進行估算的。單位時間內液壓泵輸入功率pi和液壓執行元件有限功率p0之差為液壓系統的熱量Hi（單位以KW計）。假如熱量全由油箱散發出去，油面高度是油箱高度80%且通風良好時，液壓油溫升(OC)的計算公式可以用單位時間內輸入熱量Hi和油箱有效容積V（L）近似地表示成5 （5.4）有效功率為 （5.5）所以=13.74 （5.6）又液壓泵驅動功率為=14.56則液壓系統發熱量為=14.56-1