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目 錄
引言.............................................................1
第1章 緒論
1.1 旋挖鉆機(jī)簡(jiǎn)介………………………………………………………………4
1.2 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容…………………………………………………………5
第2章 液壓缸
2.1 液壓缸簡(jiǎn)介…………………………………………………………………6
2.2 液壓缸類型…………………………………………………………………6
2.3 液壓缸工作原理……………………………………………………………8
2.4 液壓缸的組成………………………………………………………………9
第3章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 液壓系統(tǒng)的確定……………………………………………………………14
3.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求………………………………………………………14
3.3 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………………15
第4章 液壓系統(tǒng)保養(yǎng)
4.1 旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的保養(yǎng)…………………………………………………32
致謝…………………………………………………………………………………35
參考文獻(xiàn).........................................................36
附錄…………………………………………………………………………………37
45T旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)液壓缸設(shè)計(jì)
內(nèi)容摘要:
本文主要介紹了旋挖鉆機(jī)變幅機(jī)構(gòu)液壓缸的設(shè)計(jì)。液壓缸的設(shè)計(jì)包括了系統(tǒng)工作壓力的確定、液壓缸活塞直徑的確定和活塞桿直徑的確定、液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算、缸蓋厚度的確定、缸體長(zhǎng)度的確定以及活塞桿穩(wěn)定性的驗(yàn)算。本文結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，先依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，確定了液壓缸安裝方案，設(shè)計(jì)了液壓缸活塞及活塞桿尺寸參數(shù)，校核了匹配的連接螺栓，銷軸等；完成了變幅及變角度液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算。然后利用AutoCAD，Pro/Engineer輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)，完成了液壓缸所有零件的二維及三維建模。通過(guò)分析的數(shù)據(jù)校核了先前的設(shè)計(jì)，同時(shí)為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和系列化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞:
變幅液壓缸，變角度液壓缸，AutoCAD，Pro/Engineer
45T spiral drill luffing mechanism design of hydraulic cylinder
Content abstract:
This design is mainly introduced the rotating drill luffing mechanism design of hydraulic cylinder. The design of hydraulic cylinder including ensure pressure system of the hydraulic cylinder piston, piston rod diameter and the diameter and wall thickness and diameter of hydraulic cylinder cylinder, the thickness of the calculation of the length, and the cylinder piston rod stability of calculation. In this thesis, by the use of traditional design and computer-aided engineering（CAE）, firstly based on experience of the formula calculation to determined the installation scheme of the hydraulic cylinder, design size parameters of hydraulic cylinder piston and piston, Check the matching of connecting bolts, pin shaft, etc.;complete the design and calculation of the range and angle of hydraulic cylinder. Then by the use of AutoCAD,Pro / MECHANICA platform, Complete all parts of the hydraulic cylinder 2d and 3d modeling.The analysis data verificated the previous design, at the same time ,applied references for further Optimal Design and Series Design.
Keywords:
The luffing hydraulic cylinder，Variable Angle of hydraulic cylinder, AutoCAD，Pro/Engineer
引 言
旋挖鉆機(jī)是一種適合建筑基礎(chǔ)工程中成孔作業(yè)的施工機(jī)械。該類鉆機(jī)一般采用液壓履帶式伸縮底盤(pán)、自行起落可折疊鉆桅、伸縮式鉆桿、帶有垂直度自動(dòng)檢測(cè)調(diào)整、孔深數(shù)碼顯示等，整機(jī)操縱一般用液壓先導(dǎo)控制、負(fù)荷傳感，具有操作輕便、舒適等特點(diǎn)。主、副兩個(gè)卷?yè)P(yáng)可適用工地多種情況的需要。該類鉆機(jī)配合不同鉆具，適用于干式或濕式及巖層的成孔作業(yè)，還可配掛長(zhǎng)螺旋鉆、振動(dòng)樁錘等，實(shí)現(xiàn)多種功能，是市政建設(shè)、鐵路、公路橋梁、地下連續(xù)墻、水利、防滲護(hù)坡等理想的基礎(chǔ)施工設(shè)備。
旋挖鉆機(jī)的發(fā)展歷史
旋挖鉆機(jī)是在回轉(zhuǎn)斗鉆機(jī)和全套管鉆機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，第二次世界大戰(zhàn)前，美國(guó)CALWELD首先研制出回轉(zhuǎn)斗，短螺旋鉆機(jī)。二十世紀(jì)五十年代，法國(guó)BENOTO將全套管鉆機(jī)應(yīng)用于樁基礎(chǔ)施工，而后由歐洲各國(guó)將其組合并不斷完善，發(fā)展成為今天的多功能組合模式。
意大利土力公司首先從美國(guó)將安裝在載重汽車上和附著在履帶起重機(jī)上的鉆機(jī)引入歐洲，動(dòng)力頭為固定式，不能自行安裝套管，難以適應(yīng)硬質(zhì)土層施工，1960年德國(guó)維爾特和蓋爾茨蓋特公司同時(shí)開(kāi)發(fā)了可動(dòng)式動(dòng)力頭。1975年德國(guó)寶峨公司研制了配有伸縮鉆桿的BG7型鉆機(jī)，該鉆機(jī)直接從底盤(pán)提供動(dòng)力，配置可鎖式鉆桿實(shí)現(xiàn)加壓鉆孔，鉆孔扭矩增大，可實(shí)現(xiàn)在緊密砂礫和巖層的鉆孔。
日本于1960年從美國(guó)引進(jìn)CALWELD旋挖鉆機(jī)，同時(shí)加藤制作所開(kāi)發(fā)了15-H型鉆機(jī)。以后開(kāi)發(fā)了可配套搖管裝置和抓斗的鉆機(jī)，1965年日立建機(jī)研制了利用挖掘機(jī)底盤(pán)裝有液壓加壓裝置的鉆機(jī)，1974年開(kāi)發(fā)了利用液壓履帶起重機(jī)底盤(pán)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的鉆機(jī)。1980年日立建機(jī)與土力公司合作開(kāi)發(fā)了為提高單樁承載力和擴(kuò)底灌注樁的施工領(lǐng)域。德國(guó)寶峨的加入和日立建機(jī)與住友建機(jī)的聯(lián)盟進(jìn)一步促進(jìn)了旋挖鉆機(jī)技術(shù)在日本的發(fā)展。日本的旋挖鉆機(jī)扭矩比歐洲的同類產(chǎn)品小。
目前國(guó)外的旋挖鉆機(jī)主要生產(chǎn)廠家為：德國(guó)：BAUER、LIEBHERR、Delmag、WIRTH、MGF,意大利SoilMec、MAIT、CMV、CASAGRANDE、IMT、ENTEGO；西班牙：LLAMADA。日本：日車車輛、HITACHI、住友、加藤；芬蘭：JUNTTAN、TAMROCK；美國(guó)：APE、Ingersoll-Rand；英國(guó)：BSP等。
1984年天津探礦機(jī)械廠首次從美國(guó)RDI公司引起車載式旋挖鉆機(jī)。1988年北京城建工程機(jī)械廠仿制了土力公司1.5m直徑附著式旋挖鉆機(jī)。1994年鄭州勘察機(jī)械廠引進(jìn)英國(guó)BSP公司附著式旋挖鉆機(jī)，1998年上海金泰股份有限公司與寶峨合作組裝BG15。1999年哈爾濱四海工程機(jī)械公司和徐州工程機(jī)械股份公司先后開(kāi)發(fā)了附著式旋挖鉆機(jī)和獨(dú)立式旋挖鉆機(jī)。2001年經(jīng)緯巨力第一臺(tái)旋挖鉆機(jī)試制成功。2003年后三一、山河智能等多家生產(chǎn)廠家的旋挖鉆機(jī)陸續(xù)下線，產(chǎn)銷兩旺。
目前，國(guó)內(nèi)的旋挖鉆機(jī)主要生產(chǎn)廠家為：湖南山河智能、湖南三一、徐工、中聯(lián)重科、徐州東明、北京巨力、天津?qū)毝搿⑹仪f煤機(jī)、連云港黃海、哈爾濱四海、內(nèi)蒙古北方重汽、宇通重工、南車時(shí)代、山東鑫國(guó)、鄭州勘察等。
國(guó)內(nèi)產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀
中國(guó)旋挖鉆機(jī)產(chǎn)業(yè)起步晚，但發(fā)展較快。早在20世紀(jì)90年代初，國(guó)內(nèi)旋挖鉆機(jī)需求量少，市場(chǎng)基本被國(guó)外鉆機(jī)所壟斷。中國(guó)于1986年首次在基礎(chǔ)施工中使用進(jìn)口旋挖鉆機(jī)。
中國(guó)最近幾年開(kāi)發(fā)的旋挖鉆機(jī)技術(shù)水平起點(diǎn)高，但品種少，還不能滿足不斷發(fā)展的基礎(chǔ)施工市場(chǎng)的需求。目前國(guó)內(nèi)旋挖鉆機(jī)生產(chǎn)廠家一般是在參考國(guó)外同類型產(chǎn)品技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，有的甚至是引進(jìn)國(guó)外技術(shù)生產(chǎn)，所選用關(guān)鍵件一般為進(jìn)口件，技術(shù)水平基本上達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。但品種較少，基本上屬于動(dòng)力頭扭矩在180~220kn.m之間，最大鉆孔直徑2m，最大鉆深60m的產(chǎn)品，有待進(jìn)一步向兩頭發(fā)展，開(kāi)發(fā)最大鉆孔直徑1.2m和3m左右的旋挖鉆機(jī)，以滿足市場(chǎng)需要。
國(guó)外產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀
目前在國(guó)內(nèi)銷售旋挖鉆機(jī)的國(guó)外公司主要有德國(guó)寶峨公司、意大利士力公司、MAIT公司、IMT公司、CWV公司等。
目前國(guó)外的旋挖鉆機(jī)一般都設(shè)有搖管裝置，由2個(gè)或3個(gè)液壓馬達(dá)的大扭矩動(dòng)力頭，液壓系統(tǒng)采用恒功變量自動(dòng)控制、自鎖互扣鉆桿、先進(jìn)的監(jiān)控儀表，同時(shí)配有各種保險(xiǎn)裝置等，但各家公司的旋挖鉆機(jī)都有自己的技術(shù)特點(diǎn)。
第1章 緒論
1.1 旋挖鉆機(jī)簡(jiǎn)介
旋挖鉆機(jī)是二戰(zhàn)以后意大利人發(fā)明的，因使用中的高效率和可靠的質(zhì)量，而為業(yè)主和建筑公司帶來(lái)豐厚的利潤(rùn)，后歐州人、日本人等隨著各國(guó)恢復(fù)建設(shè)的全面展開(kāi)而大面積使用，使其更加完善，功能更多，目前己成為世界各國(guó)鐵路、公路、水利、工民建施工中的主要樁基成孔工具。旋挖鉆主要用來(lái)對(duì)地基基礎(chǔ)樁基成孔，其鉆頭有多種形式：如回轉(zhuǎn)斗、短螺旋、巖芯鉆頭等，根據(jù)地質(zhì)條件的不同，更換不同的鉆頭，以達(dá)到高速、高質(zhì)的成孔要求。旋挖鉆機(jī)是一種適合建筑基礎(chǔ)工程中成孔作業(yè)的施工機(jī)械。廣泛用于市政建設(shè)、公路橋梁、高層建筑等地基礎(chǔ)施工工程，配合不同鉆具，適應(yīng)于干式（短螺旋），或濕式（回轉(zhuǎn)斗）及巖層（巖心鉆）的成孔作業(yè)，旋挖鉆機(jī)具有裝機(jī)功率大、輸出扭矩大、軸向壓力大、機(jī)動(dòng)靈活，施工效率高及多功能特點(diǎn)。旋挖鉆機(jī)適應(yīng)我國(guó)大部分地區(qū)的土壤地質(zhì)條件，使用范圍廣，基本可滿足橋梁建設(shè)，高層建筑地基礎(chǔ)等工程的使用。目前，旋挖鉆機(jī)已被廣泛推廣于各種鉆孔灌注樁工程。
旋挖鉆機(jī)因具有施工速度快、成孔質(zhì)量好、環(huán)境污染小、操作靈活方便、安全性能高及適用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì), 已成為鉆孔灌注樁施工的主要成孔設(shè)備, 不少重點(diǎn)工程的業(yè)主為確保工程進(jìn)度和質(zhì)量, 均將其作為指定施工設(shè)備, 從而替代了傳統(tǒng)的沖擊和回旋鉆機(jī)成孔設(shè)備。目前我國(guó)工程界的大多數(shù)旋挖鉆機(jī)均為德國(guó)和意大利的產(chǎn)品, 并已占據(jù)主導(dǎo)地位。
圖1-1 旋挖鉆機(jī)示意圖
1.2 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是對(duì)旋挖鉆機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)裝置及變幅機(jī)構(gòu)上變幅液壓缸和變角度液壓缸的設(shè)計(jì)。液壓缸的設(shè)計(jì)包括了系統(tǒng)工作壓力的確定、液壓缸活塞直徑的確定和活塞桿直徑的確定、液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算、缸蓋厚度的確定、缸體長(zhǎng)度的確定以及活塞桿穩(wěn)定性的驗(yàn)算。
第2章 液壓缸
2.1 液壓缸簡(jiǎn)介
液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的、做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)）的液壓執(zhí)行元件。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。用它來(lái)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可免去減速裝置，并且沒(méi)有傳動(dòng)間隙，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，因此在各種機(jī)械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。液壓缸輸出力和活塞有效面積及其兩邊的壓差成正比；液壓缸基本上由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置組成。
緩沖裝置與排氣裝置視具體應(yīng)用場(chǎng)合而定，其他裝置則必不可少。
2.2 液壓缸的類型
根據(jù)常用液壓缸的結(jié)構(gòu)形式，可將其分為四種類型：
1.活塞式
單活塞桿液壓缸只有一端有活塞桿。如圖所示是一種單活塞液壓缸。其兩端進(jìn)出口油口A和B都可通壓力油或回油，以實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)，故稱為雙作用缸。
圖2-1 單桿活塞式液壓缸
2.柱塞式
（１）柱塞式液壓缸是一種單作用式液壓缸，靠液壓力只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，柱 塞回程要靠其它外力或柱塞的自重；
?。ǎ玻┲豢扛滋字С卸慌c缸套接觸，這樣缸套極易加工，故適于做長(zhǎng)行程液壓缸；
?。ǎ常┕ぷ鲿r(shí)柱塞總受壓，因而它必須有足夠的剛度；
（４）柱塞重量往往較大，水平放置時(shí)容易因自重而下垂，造成密封件和導(dǎo)向單邊磨損，故其垂直使用更有利。
圖2-2 柱塞式液壓缸
3.伸縮式
伸縮式液壓缸具有二級(jí)或多級(jí)活塞，伸縮式液壓缸中活塞伸出的順序式從大到小，而空載縮回的順序則一般是從小到大。伸縮缸可實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的行程，而縮回時(shí)長(zhǎng)度較短，結(jié)構(gòu)較為緊湊。此種液壓缸常用于工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械上。
圖2-3 伸縮式液壓缸
4.擺動(dòng)式
擺動(dòng)式液壓缸是輸出扭矩并實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件，也稱擺動(dòng)式液壓馬達(dá)。有單葉片和雙葉片兩種形式。定子塊固定在缸體上，而葉片和轉(zhuǎn)子連接在一起。根據(jù)進(jìn)油方向， 葉片將帶動(dòng)轉(zhuǎn)子作往復(fù)擺動(dòng)。
圖2-4 擺動(dòng)式液壓缸
2.3 液壓缸工作原理
液壓傳動(dòng)原理－以油液作為工作介質(zhì)，通過(guò)密封容積的變化來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)，通過(guò)油液內(nèi)部的壓力來(lái)傳遞動(dòng)力。
1、動(dòng)力部分－將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能（液壓能）。例如：液壓泵。
2、執(zhí)行部分－將液壓泵輸入的油液壓力能轉(zhuǎn)換為帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu)的機(jī)械能。例如：液壓缸、液壓馬達(dá)。
3、控制部分－用來(lái)控制和調(diào)節(jié)油液的壓力、流量和流動(dòng)方向。例如：壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。
4、輔助部分－將前面三部分連接在一起，組成一個(gè)系統(tǒng)，起貯油、過(guò)濾、測(cè)量和密封等作用。例如：管路和接頭、油箱、過(guò)濾器、蓄能器、密封件和控制儀表等。
???? 在一定體積的液體上的任意一點(diǎn)施加的壓力,能夠大小相等地向各個(gè)方向傳遞.這意味著當(dāng)使用多個(gè)液壓缸時(shí),每個(gè)液壓缸將按各自的速度拉或推,而這些速度取決于移動(dòng)負(fù)載所需的壓力。
???? 在液壓缸承載能力范圍相同的情況下,承載最小載荷的液壓缸會(huì)首先移動(dòng),承載最大載荷的液壓缸最后移動(dòng)。
??? ? 為使液壓缸同步運(yùn)動(dòng),以達(dá)到載荷在任一點(diǎn)以同一速度被頂升,一定要在系統(tǒng)中使用控制閥或同步頂升系統(tǒng)元件。
2.4 液壓缸的組成
從上面所述的液壓缸典型結(jié)構(gòu)中可以看到，液壓缸的結(jié)構(gòu)基本上可以分為缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置和排氣裝置五個(gè)部分，分述如下。
(1)缸筒和缸蓋。一般來(lái)說(shuō)，缸筒和缸蓋的結(jié)構(gòu)形式和其使用的材料有關(guān)。工作壓力p＜10MPa時(shí)，使用鑄鐵；p＜20MPa時(shí)，使用無(wú)縫鋼管；p＞20MPa時(shí)，使用鑄鋼或鍛鋼。圖2-5所示為缸筒和缸蓋的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式。圖2-5(a)所示為法蘭連接式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工，也容易裝拆，但外形尺寸和重量都較大，常用于鑄鐵制的缸筒上。圖2-5(b)所示為半環(huán)連接式，它的缸筒壁部因開(kāi)了環(huán)形槽而削弱了強(qiáng)度，為此有時(shí)要加厚缸壁，它容易加工和裝拆，重量較輕，常用于無(wú)縫鋼管或鍛鋼制的缸筒上。圖2-5(c)所示為螺紋連接式，它的缸筒端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外徑加工時(shí)要求保證內(nèi)外徑同心，裝拆要使用專用工具，它的外形尺寸和重量都較小，常用于無(wú)縫鋼管或鑄鋼制的缸筒上。圖2-5(d)所示為拉桿連接式，結(jié)構(gòu)的通用性大，容易加工和裝拆，但外形尺寸較大，且較重。圖2-5(e)所示為焊接連接式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，但缸底處內(nèi)徑不易加工，且可能引起變形。
圖2-5缸筒和缸蓋結(jié)構(gòu)
(a)法蘭連接式(b)半環(huán)連接式(c)螺紋連接式(d)拉桿連接式(e)焊接連接式
1—缸蓋2—缸筒3—壓板4—半環(huán)5—防松螺帽6—拉桿
(2)活塞與活塞桿。可以把短行程的液壓缸的活塞桿與活塞做成一體，這是最簡(jiǎn)單的形式。但當(dāng)行程較長(zhǎng)時(shí)，這種整體式活塞組件的加工較費(fèi)事，所以常把活塞與活塞桿分開(kāi)制造，然后再連接成一體。圖2-6所示為幾種常見(jiàn)的活塞與活塞桿的連接形式。
圖2-6(a)所示為活塞與活塞桿之間采用螺母連接，它適用負(fù)載較小，受力無(wú)沖擊的液壓缸中。螺紋連接雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便可靠，但在活塞桿上車螺紋將削弱其強(qiáng)度。圖2-6(b)和(c)所示為卡環(huán)式連接方式。圖2-6(b)中活塞桿5上開(kāi)有一個(gè)環(huán)形槽，槽內(nèi)裝有兩個(gè)半圓環(huán)3以?shī)A緊活塞4，半環(huán)3由軸套2套住，而軸套2的軸向位置用彈簧卡圈1來(lái)固定。圖2-6(c)中的活塞桿，使用了兩個(gè)半圓環(huán)4，它們分別由兩個(gè)密封圈座2套住，半圓形的活塞3安放在密封圈座的中間。圖2-6(d)所示是一種徑向銷式連接結(jié)構(gòu)，用錐銷1把活塞2固連在活塞桿3上。這種連接方式特別適用于雙出桿式活塞。
圖2-6常見(jiàn)的活塞組件結(jié)構(gòu)形式
3)密封裝置。 液壓缸中常見(jiàn)的密封裝置如圖2-7所示。圖2-7(a)所示為間隙密封，它依靠運(yùn)動(dòng)間的微小間隙來(lái)防止泄漏。為了提高這種裝置的密封能力，常在活塞的表面上制出幾條細(xì)小的環(huán)形槽，以增大油液通過(guò)間隙時(shí)的阻力。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，摩擦阻力小，可耐高溫，但泄漏大，加工要求高，磨損后無(wú)法恢復(fù)原有能力，只有在尺寸較小、壓力較低、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較高的缸筒和活塞間使用。圖2-7(b)所示為摩擦環(huán)密封，它依靠套在活塞上的摩擦環(huán)(尼龍或其他高分子材料制成)在O形密封圈彈力作用下貼緊缸壁而防止泄漏。這種材料效果較好，摩擦阻力較小且穩(wěn)定，可耐高溫，磨損后有自動(dòng)補(bǔ)償能力，但加工要求高，裝拆較不便，適用于缸筒和活塞之間的密封。圖2-7(c)、圖2-7(d)所示為密封圈(O形圈、V形圈等)密封，它利用橡膠或塑料的彈性使各種截面的環(huán)形圈貼緊在靜、動(dòng)配合面之間來(lái)防止泄漏。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，磨損后有自動(dòng)補(bǔ)償能力，性能可靠，在缸筒和活塞之間、缸蓋和活塞桿之間、活塞和活塞桿之間、缸筒和缸蓋之間都能使用。
對(duì)于活塞桿外伸部分來(lái)說(shuō)，由于它很容易把臟物帶入液壓缸，使油液受污染，使密封件磨損，因此常需在活塞桿密封處增添防塵圈，并放在向著活塞桿外伸的一端。
圖2-7密封裝置
(a)間隙密封(b)摩擦環(huán)密封(c)O形圈密封(d)V形圈密封
(4)緩沖裝置。 液壓缸一般都設(shè)置緩沖裝置，特別是對(duì)大型、高速或要求高的液壓缸，為了防止活塞在行程終點(diǎn)時(shí)和缸蓋相互撞擊，引起噪聲、沖擊，則必須設(shè)置緩沖裝置。
緩沖裝置的工作原理是利用活塞或缸筒在其走向行程終端時(shí)封住活塞和缸蓋之間的部分油液，強(qiáng)迫它從小孔或細(xì)縫中擠出，以產(chǎn)生很大的阻力，使工作部件受到制動(dòng)，逐漸減慢運(yùn)動(dòng)速度，達(dá)到避免活塞和缸蓋相互撞擊的目的。
如圖2-8(a)所示，當(dāng)緩沖柱塞進(jìn)入與其相配的缸蓋上的內(nèi)孔時(shí)，孔中的液壓油只能通過(guò)間隙δ排出，使活塞速度降低。由于配合間隙不變，故隨著活塞運(yùn)動(dòng)速度的降低，起緩沖作用。當(dāng)緩沖柱塞進(jìn)入配合孔之后，油腔中的油只能經(jīng)節(jié)流閥1排出，如圖2-8(b)所示。由于節(jié)流閥1是可調(diào)的，因此緩沖作用也可調(diào)節(jié)，但仍不能解決速度減低后緩沖作用減弱的缺點(diǎn)。如圖2-8(c)所示，在緩沖柱塞上開(kāi)有三角槽，隨著柱塞逐漸進(jìn)入配合孔中，其節(jié)流面積越來(lái)越小，解決了在行程最后階段緩沖作用過(guò)弱的問(wèn)題。
圖2-8液壓缸的緩沖裝置
1—節(jié)流閥
(5)放氣裝置。 液壓缸在安裝過(guò)程中或長(zhǎng)時(shí)間停放重新工作時(shí)，液壓缸里和管道系統(tǒng)中會(huì)滲入空氣，為了防止執(zhí)行元件出現(xiàn)爬行，噪聲和發(fā)熱等不正?，F(xiàn)象，需把缸中和系統(tǒng)中的空氣排出。一般可在液壓缸的最高處設(shè)置進(jìn)出油口把氣帶走，也可在最高處設(shè)置如圖2-9(a)所示的放氣孔或?qū)ｉT(mén)的放氣閥〔見(jiàn)圖2-9(b)、(c)〕。
圖2-9放氣裝置
1—缸蓋2—放氣小孔3—缸體4—活塞桿
第3章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 液壓系統(tǒng)的確定
按照液體流動(dòng)的循環(huán)方式不同，液壓系統(tǒng)可以分為開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)和閉式循環(huán)系統(tǒng)兩種。
閉式循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，油路封閉，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，散熱條件差，為補(bǔ)償油液泄露和進(jìn)行油液更新及冷卻必須設(shè)置完整的補(bǔ)油系統(tǒng)，油液過(guò)濾精度要求也較高。
開(kāi)式循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又可以很好的再油缸中進(jìn)行冷卻和沉淀雜質(zhì)，散熱條件好。適用于多個(gè)液動(dòng)機(jī)進(jìn)行并聯(lián)的情況，也適用與定量油泵、節(jié)流調(diào)速的液壓系統(tǒng)。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示：
圖3-1
液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，它們是設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷。流量取決于液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸。
3.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
1）對(duì)正反循環(huán)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的要求
液壓系統(tǒng)傳動(dòng)時(shí)液壓機(jī)械的一個(gè)組成部分，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要同主機(jī)的總體設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，必須從實(shí)際出發(fā)，有機(jī)的結(jié)合各種傳動(dòng)形式，充分的發(fā)揮液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，力求設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的液壓系統(tǒng)。
1） 在變幅的過(guò)程中要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，但對(duì)速度沒(méi)有精確要求。
2） 支腿油缸在鉆進(jìn)作業(yè)的過(guò)程中要求可以承受很大的支撐力。
3） 在系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題壓力不足的情況下，制動(dòng)器可以自動(dòng)抱死電動(dòng)機(jī)。
2）初選系統(tǒng)的工作壓力
壓力的選擇要根據(jù)載荷的大小和設(shè)備的類型而定。還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經(jīng)濟(jì)條件及元件供應(yīng)情況等的限制。載荷一定的情況下，工作壓力低，勢(shì)必要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，反之壓力選的太高，對(duì)泵、缸、閥等元件的材質(zhì)、密封、制造精度也要求很高，必然要提高成本。對(duì)一般對(duì)于礦山機(jī)械，限制空間尺寸、壓力要求較高。就是說(shuō)液壓系統(tǒng)，必須結(jié)合機(jī)器在特定的使用條件下其性能穩(wěn)定，安全可靠，調(diào)速方便、便于拆裝、造價(jià)便宜，要全面做到這些也絕非易舉，是要有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和對(duì)同類鉆機(jī)具有全面的了解然后參考下表：
表3-1 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力
機(jī)械類型
機(jī)床
農(nóng)業(yè)機(jī)械
液壓機(jī)
磨床
組合機(jī)床
龍門(mén)刨床
拉床
小型機(jī)械
重型機(jī)械
工作壓力
/MPa
0.8~2
3~5
2~8
8~10
10~18
20~32
選取旋挖鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)的工作壓力為16MPa。
3.3 液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算
1）液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算步驟
1） 根據(jù)主機(jī)的運(yùn)動(dòng)要求，按表選擇液壓缸的類型。根據(jù)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)要求，按表選擇液壓缸的安裝方式。
2） 根據(jù)主機(jī)的動(dòng)力分析和運(yùn)動(dòng)分析，確定液壓缸的主要性能參數(shù)和主要尺寸。如液壓缸的推力、速度、作用時(shí)間、內(nèi)徑、行程和活塞桿直徑等。
3） 根據(jù)選定的工作壓力和材料進(jìn)行液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如缸體壁厚、缸蓋結(jié)構(gòu)、密封形式、排氣與緩沖等。
4） 液壓缸性能的驗(yàn)算。
2）液壓缸類型及安裝方式的確定
工作時(shí)液壓缸要求可以雙向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生推拉力。故此我們選用單活塞桿雙作用液壓缸。根據(jù)液壓缸工作壓力的大小，選用拉桿型液壓缸。安裝方式兩端鉸接，剛性導(dǎo)向。
3) 液壓缸的主要性能參數(shù)---旋挖鉆機(jī)變角度液壓缸設(shè)計(jì)
液壓缸的主要尺寸為缸筒內(nèi)徑、活塞桿直徑和缸筒長(zhǎng)度等。
1、 缸筒的內(nèi)徑D的計(jì)算
根據(jù)載荷力的大小和選定的系統(tǒng)壓力來(lái)計(jì)算液壓缸內(nèi)徑D
計(jì)算公式為
式中 D---液壓缸內(nèi)徑（m）
F---液壓缸推力（KN）
P---選定的工作壓力（MPa）
根據(jù)求出的已知數(shù)據(jù)
F=156.5KN P=16MPa
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
D=0.112m
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圓整D=125mm
2、 活塞桿的直徑d
根據(jù)速度比的要求來(lái)計(jì)算活塞桿的直徑d
式中 d---活塞桿直徑（m）
D---液壓缸直徑（m）
---速度比
液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比，一般有2、1.46、1.33、1.25和1.15等幾種。根據(jù)下表選取速度比。
表3-2 和P的關(guān)系
工作壓力p/MPa
≦10
12.5~20
≧20
速度比
1.33
1.46；2
2
由于工作壓力p=16MPa，故選取速度比=1.46。
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
d=70.2mm
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圓整d=70mm
3、 液壓缸行程s的確定
液壓缸行程s，主要依據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求而定。但為了簡(jiǎn)化工藝和降低成本，按標(biāo)準(zhǔn)系列值選取s=1250mm。
4) 液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算
液壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要包括缸筒壁厚、油口直徑、缸底厚度、缸頭厚度等。
1、 缸筒壁厚的計(jì)算
缸筒的材料：45號(hào)鋼
按厚壁筒計(jì)算 對(duì)于中高壓系統(tǒng)，液壓缸厚度一般按厚壁筒計(jì)算。
當(dāng)缸體材料由脆性材料制造時(shí)，缸筒厚度應(yīng)按第二強(qiáng)度理論計(jì)算
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
=12.5mm
2、 缸體外徑的計(jì)算
式中 ---缸體外徑（m）
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
=150mm
按標(biāo)準(zhǔn)圓整=152mm
3、 液壓缸油口直徑的計(jì)算
液壓缸油口直徑應(yīng)根據(jù)活塞最高運(yùn)動(dòng)速度v和油口最高液流速度而定
式中 ---液壓缸油口直徑（m）
D---液壓缸內(nèi)徑（m）
v---液壓缸最大輸出速度（m/min）
---油口液流速度（m/s）
已知：
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
=0.026m=26mm
4、 缸底厚度的計(jì)算
平行缸底，當(dāng)缸底無(wú)油孔時(shí)
式中 h---缸底厚度（m）
D---液壓缸內(nèi)徑（m）
---試驗(yàn)壓力（MPa）
---缸底材料的許用應(yīng)力（MPa）
已知：
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
h=24mm
5、 缸頭厚度的計(jì)算
由于在液壓缸缸頭上有活塞桿導(dǎo)向孔，因此其厚度的計(jì)算方法與缸底有所不同。
選用螺釘連接法蘭型缸頭：
式中 h---法蘭厚度（m）
F---法蘭受力總和（N）
d---密封環(huán)內(nèi)徑（m）
---密封環(huán)外徑（m）
P---系統(tǒng)工作壓力（Pa）
q---附加密封力（Pa）
---螺釘孔分布圓直徑（m）
---密封環(huán)平均直徑（m）
---法蘭材料的許用應(yīng)力（Pa）
已知：采用Y型密封圈
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
F=42KN
h=0.016m=16mm
5) 液壓缸的聯(lián)接計(jì)算
1、 缸蓋聯(lián)接計(jì)算
缸蓋聯(lián)接采用焊接聯(lián)接：
液壓缸缸底采用對(duì)焊時(shí)，焊縫的拉應(yīng)力為
式中 F---液壓缸輸出的最大推力（N）
D---液壓缸直徑（m）
P---系統(tǒng)最大工作壓力（Pa）
---液壓缸外徑(m)
---焊縫底徑（m）
---焊接效率，通常取=0.7
已知：
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
=66.6MPa
若缸頭采用角焊時(shí)，則焊縫應(yīng)力為
式中 h---焊角寬度（m）
已知數(shù)據(jù)同上，按公式代入數(shù)據(jù)，求得
=33.6MPa
2、 螺栓聯(lián)接的計(jì)算
缸體與缸蓋采用螺栓聯(lián)接時(shí)，螺紋處拉應(yīng)力為
螺紋處的切應(yīng)力為
合成應(yīng)力為
式中 Z---螺栓數(shù)
已知：
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
合應(yīng)力為
3、 活塞與活塞桿的聯(lián)接計(jì)算
活塞與活塞桿采用螺紋聯(lián)接時(shí)，活塞桿危險(xiǎn)截面（螺紋退刀槽）處的拉應(yīng)力為
切應(yīng)力為
合成應(yīng)力為
式中
---液壓缸輸出拉力（N）
d---活塞桿直徑（m）
---活塞桿材料的許用應(yīng)力（Pa）
已知：
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
合應(yīng)力為
4、 活塞桿與活塞肩部表面的壓應(yīng)力
已知：
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
5、 銷軸、耳環(huán)的聯(lián)接計(jì)算
銷軸的聯(lián)接計(jì)算：
銷軸通常是雙面受剪，為此其直徑d應(yīng)按下式計(jì)算
式中 d---銷軸直徑（m）
F---液壓缸輸出的最大推力（N）
---銷軸材料的許用切應(yīng)力（Pa），對(duì)于45鋼，=70MPa。
已知：
F=156.5KN; =70MPa
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
d=39mm
耳環(huán)的聯(lián)接計(jì)算：
耳環(huán)寬度為
式中 d---銷軸直徑（m）
EW---耳環(huán)寬度（m）
---耳環(huán)材料的許用壓應(yīng)力（Pa），通常取=（0.2~0.25）
---耳環(huán)材料的抗拉強(qiáng)度(Pa)
已知：
F=156.5KN; d=0.039m；=84MPa
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
EW=48mm
6) 活塞桿穩(wěn)定性驗(yàn)算
液壓缸承受軸向壓縮載荷時(shí)，當(dāng)活塞桿直徑d與活塞桿的計(jì)算長(zhǎng)度l之比大于10時(shí)，應(yīng)校核活塞桿的縱向抗彎強(qiáng)度或穩(wěn)定性。
1、 無(wú)偏心載荷
由材料力學(xué)知，受壓細(xì)長(zhǎng)桿，當(dāng)載荷力接近某一臨界值時(shí)，桿將產(chǎn)生縱向彎曲。且其撓度值隨壓縮載荷的增加而急劇增大，以至屈曲破壞。
對(duì)于沒(méi)有偏心載荷的細(xì)長(zhǎng)桿，其縱向彎曲強(qiáng)度的臨界值，可按等截面法和非等截面法計(jì)算。
等截面計(jì)算法：
當(dāng)細(xì)長(zhǎng)比時(shí)，可按歐拉公式計(jì)算臨界載荷。此時(shí)
式中 ---活塞桿縱向彎曲破壞的臨界載荷（N）
n---末端條件系數(shù)
E---活塞桿材料的彈性模量，對(duì)于鋼，取為
J---活塞桿截面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）
實(shí)心活塞桿
d---活塞桿直徑（m）
l---活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度，即活塞桿在最大伸出時(shí)，活塞桿端支點(diǎn)和液壓缸安裝點(diǎn)間的距離（m）
k---活塞桿斷面的回轉(zhuǎn)半徑（m）
實(shí)心活塞桿
A---活塞桿截面積（）I
實(shí)心活塞桿
m---柔性系數(shù)
若活塞桿為實(shí)心桿，并用鋼鐵材料制造時(shí)，上式可以簡(jiǎn)化為
已知：
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
7) 液壓缸的主要性能參數(shù)---旋挖鉆機(jī)變幅液壓缸設(shè)計(jì)
液壓缸的主要尺寸為缸筒內(nèi)徑、活塞桿直徑和缸筒長(zhǎng)度等。
1、 缸筒的內(nèi)徑D的計(jì)算
根據(jù)載荷力的大小和選定的系統(tǒng)壓力來(lái)計(jì)算液壓缸內(nèi)徑D
計(jì)算公式為
式中 D---液壓缸內(nèi)徑（m）
F---液壓缸推力（KN）
P---選定的工作壓力（MPa）
根據(jù)求出的已知數(shù)據(jù)
F=242.5KN P=16MPa
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
D=0.139m
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圓整D=140mm
2、 活塞桿的直徑d
根據(jù)速度比的要求來(lái)計(jì)算活塞桿的直徑d
式中 d---活塞桿直徑（m）
D---液壓缸直徑（m）
---速度比
液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比，一般有2、1.46、1.33、1.25和1.15等幾種。根據(jù)下表選取速度比。
表3-3 和P的關(guān)系
工作壓力p/MPa
≦10
12.5~20
≧20
速度比
1.33
1.46；2
2
由于工作壓力p=16MPa，故選取速度比=1.46。
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
d=79mm
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圓整d=80mm
3、 液壓缸行程s的確定
液壓缸行程s，主要依據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求而定。但為了簡(jiǎn)化工藝和降低成本，按標(biāo)準(zhǔn)系列值選取s=1250mm。
8) 液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算
液壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要包括缸筒壁厚、油口直徑、缸底厚度、缸頭厚度等。
1、 缸筒壁厚的計(jì)算
缸筒的材料：45號(hào)鋼
按厚壁筒計(jì)算 對(duì)于中高壓系統(tǒng)，液壓缸厚度一般按厚壁筒計(jì)算。
當(dāng)缸體材料由脆性材料制造時(shí)，缸筒厚度應(yīng)按第二強(qiáng)度理論計(jì)算
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
=0.014m=14mm
2、 缸體外徑的計(jì)算
式中 ---缸體外徑（m）
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
=160mm
按標(biāo)準(zhǔn)圓整=168mm
3、 液壓缸油口直徑的計(jì)算
液壓缸油口直徑應(yīng)根據(jù)活塞最高運(yùn)動(dòng)速度v和油口最高液流速度而定
式中 ---液壓缸油口直徑（m）
D---液壓缸內(nèi)徑（m）
v---液壓缸最大輸出速度（m/min）
---油口液流速度（m/s）
已知：
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
=0.029m=29mm
4、 缸底厚度的計(jì)算
平行缸底，當(dāng)缸底無(wú)油孔時(shí)
式中 h---缸底厚度（m）
D---液壓缸內(nèi)徑（m）
---試驗(yàn)壓力（MPa）
---缸底材料的許用應(yīng)力（MPa）
已知：
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
h=27mm
5、 缸頭厚度的計(jì)算
由于在液壓缸缸頭上有活塞桿導(dǎo)向孔，因此其厚度的計(jì)算方法與缸底有所不同。
選用螺釘連接法蘭型缸頭：
式中 h---法蘭厚度（m）
F---法蘭受力總和（N）
d---密封環(huán)內(nèi)徑（m）
---密封環(huán)外徑（m）
P---系統(tǒng)工作壓力（Pa）
q---附加密封力（Pa）
---螺釘孔分布圓直徑（m）
---密封環(huán)平均直徑（m）
---法蘭材料的許用應(yīng)力（Pa）
已知：采用Y型密封圈
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
F=65KN
h=0.019m=19mm
9) 液壓缸的聯(lián)接計(jì)算
1、 缸蓋聯(lián)接計(jì)算
缸蓋聯(lián)接采用焊接聯(lián)接：
液壓缸缸底采用對(duì)焊時(shí)，焊縫的拉應(yīng)力為
式中 F---液壓缸輸出的最大推力（N）
D---液壓缸直徑（m）
P---系統(tǒng)最大工作壓力（Pa）
---液壓缸外徑(m)
---焊縫底徑（m）
---焊接效率，通常取=0.7
已知：
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
=77MPa
若缸頭采用角焊時(shí)，則焊縫應(yīng)力為
式中 h---焊角寬度（m）
已知數(shù)據(jù)同上，按公式代入數(shù)據(jù)，求得
=46.4MPa
2、 螺栓聯(lián)接的計(jì)算
缸體與缸蓋采用螺栓聯(lián)接時(shí)，螺紋處拉應(yīng)力為
螺紋處的切應(yīng)力為
合成應(yīng)力為
式中 Z---螺栓數(shù)
已知：
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
合應(yīng)力為
3、 活塞與活塞桿的聯(lián)接計(jì)算
活塞與活塞桿采用螺紋聯(lián)接時(shí)，活塞桿危險(xiǎn)截面（螺紋退刀槽）處的拉應(yīng)力為
切應(yīng)力為
合成應(yīng)力為
式中 ---液壓缸輸出拉力（N）
d---活塞桿直徑（m）
---活塞桿材料的許用應(yīng)力（Pa）
已知：
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
合應(yīng)力為
4、 活塞桿與活塞肩部表面的壓應(yīng)力
已知：
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
5、 銷軸、耳環(huán)的聯(lián)接計(jì)算
銷軸的聯(lián)接計(jì)算：
銷軸通常是雙面受剪，為此其直徑d應(yīng)按下式計(jì)算
式中 d---銷軸直徑（m）
F---液壓缸輸出的最大推力（N）
---銷軸材料的許用切應(yīng)力（Pa），對(duì)于45鋼，=70MPa。
已知：
F=242.5KN; =70MPa
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
d=47mm
耳環(huán)的聯(lián)接計(jì)算：
耳環(huán)寬度為
式中 d---銷軸直徑（m）
EW---耳環(huán)寬度（m）
---耳環(huán)材料的許用壓應(yīng)力（Pa），通常取=（0.2~0.25）
---耳環(huán)材料的抗拉強(qiáng)度(Pa)
已知：
F=242.5KN;d=0.047m; =70MPa
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
EW=61mm
10) 活塞桿穩(wěn)定性驗(yàn)算
液壓缸承受軸向壓縮載荷時(shí)，當(dāng)活塞桿直徑d與活塞桿的計(jì)算長(zhǎng)度l之比大于10時(shí)，應(yīng)校核活塞桿的縱向抗彎強(qiáng)度或穩(wěn)定性。
1、 無(wú)偏心載荷
由材料力學(xué)知，受壓細(xì)長(zhǎng)桿，當(dāng)載荷力接近某一臨界值時(shí)，桿將產(chǎn)生縱向彎曲。且其撓度值隨壓縮載荷的增加而急劇增大，以至屈曲破壞。
對(duì)于沒(méi)有偏心載荷的細(xì)長(zhǎng)桿，其縱向彎曲強(qiáng)度的臨界值，可按等截面法和非等截面法計(jì)算。
等截面計(jì)算法：
當(dāng)細(xì)長(zhǎng)比時(shí)，可按歐拉公式計(jì)算臨界載荷。此時(shí)
式中 ---活塞桿縱向彎曲破壞的臨界載荷（N）
n---末端條件系數(shù)
E---活塞桿材料的彈性模量，對(duì)于鋼，取為
J---活塞桿截面的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）
實(shí)心活塞桿
d---活塞桿直徑（m）
l---活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度，即活塞桿在最大伸出時(shí)，活塞桿端支點(diǎn)和液壓缸安裝點(diǎn)間的距離（m）
k---活塞桿斷面的回轉(zhuǎn)半徑（m）
實(shí)心活塞桿
A---活塞桿截面積（）I
實(shí)心活塞桿
m---柔性系數(shù)
若活塞桿為實(shí)心桿，并用鋼鐵材料制造時(shí)，上式可以簡(jiǎn)化為
已知：
按公式代入數(shù)據(jù)，求得
第4章 液壓系統(tǒng)保養(yǎng)
4．1 旋挖鉆機(jī)液壓系統(tǒng)的保養(yǎng)
1、液壓系統(tǒng)的清潔度控制：
旋挖鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)十分復(fù)雜，液壓元件零件精度較高，運(yùn)動(dòng)副的配合間隙非常小，液壓系統(tǒng)中有許多變量機(jī)構(gòu)和比例控制閥，因此對(duì)液壓油的清潔度要求很高，清潔度要求在NAS9級(jí)以下。若油液清潔度差，會(huì)加快液壓元件的磨損，使閥芯出現(xiàn)卡滯，阻尼孔堵塞等液壓故障。要保證液壓系統(tǒng)的油液清潔度，要做到以下幾點(diǎn)：
（1）：加油錢(qián)包中液壓油箱內(nèi)部清潔干凈。
（2）：加油時(shí)，將加油口周圍擦抹干凈，用高精度濾油機(jī)往油箱加油，不加油時(shí)要及時(shí)蓋好加油蓋，保證油箱密封。
（3）：雖然在液壓系統(tǒng)的裝配中進(jìn)行了嚴(yán)格的去毛刺清洗工序，但是也不能徹底消除閥塊孔中的毛刺和油管中的污物，工作一段時(shí)間后，毛刺污物會(huì)進(jìn)入濾油器，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間工作，濾油器的濾芯有可能堵塞，此時(shí)液壓油就會(huì)通過(guò)濾油器上的旁通溢流閥進(jìn)入油箱。使油箱里的油液受到污染，所以在首次開(kāi)機(jī)工作500小時(shí)后，要清洗或更換濾油器濾芯，過(guò)濾油箱里的液壓油。以后可每隔工作2000～3000小時(shí)時(shí)，要清洗或更換濾油器濾芯和液壓油。若鉆機(jī)停放一年以上時(shí)間不工作，也要更換或過(guò)濾液壓油。
（4）：若鉆機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間不工作，外面帶有水分的空氣通過(guò)空氣濾清器進(jìn)入油箱，將水分帶入液壓油，使液壓油乳化變質(zhì)，所以要隔一段時(shí)間開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，是油溫升高，消除液壓油中的水分。過(guò)濾或更換液壓油時(shí)，應(yīng)將液壓油從油箱抽出。往油箱加油時(shí)，無(wú)論新液壓油還是用過(guò)的液壓油，必須用濾油機(jī)過(guò)濾加入，注意新液壓油并非是潔凈的。
2、液壓油的溫度控制：
在鉆機(jī)工作時(shí)，油溫一般不超過(guò)80度，最高不得超過(guò)90度。當(dāng)油溫太高時(shí)，油液粘度變得很小，有的潤(rùn)滑作用變差，加快液壓元件的磨損，內(nèi)泄露增大，縮短液壓元件的使用壽命。同時(shí)加速密封件的老化，油液容易變質(zhì)。當(dāng)油液溫度過(guò)低時(shí)，油液粘度變得很大，壓力損失加大，油液流動(dòng)性很差，影響阻尼孔流量，延長(zhǎng)緩沖動(dòng)作時(shí)間是鉆機(jī)反應(yīng)遲緩，嚴(yán)重時(shí)不能工作。因此要控制油液的溫度。當(dāng)油液的溫度超過(guò)80度時(shí)應(yīng)停止工作，讓動(dòng)力頭空載轉(zhuǎn)動(dòng)降溫。當(dāng)油液溫度在-20度以下啟動(dòng)鉆機(jī)時(shí)，最好先開(kāi)機(jī)使動(dòng)力頭空載運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，等油溫回升后再使鉆機(jī)工作。
3、液壓缸上各液壓元件的壓力、流量參數(shù)在出公司前均已調(diào)好，嚴(yán)禁隨意調(diào)動(dòng)，特別是壓力閥中的調(diào)壓參數(shù)，調(diào)高時(shí)危害液壓系統(tǒng)的安全，會(huì)對(duì)機(jī)器產(chǎn)生損壞。調(diào)低時(shí)鉆機(jī)的輸出力和扭矩達(dá)不到要求，影響性能質(zhì)量，確需調(diào)整，須有專業(yè)人員指導(dǎo)下才能調(diào)節(jié)。
4、首次開(kāi)機(jī)或拆卸維修后，液壓管路中存有空氣，要開(kāi)機(jī)空載運(yùn)行，油缸在工作允許的最大行程內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，排出管路中的氣體，必要時(shí)松開(kāi)管路接頭排氣。特別是馬達(dá)的補(bǔ)油口，松開(kāi)補(bǔ)油口處的接頭，開(kāi)機(jī)使補(bǔ)油管中的氣體排出，流出油后再擰緊接頭。首次開(kāi)機(jī)后液壓系統(tǒng)中有氣存在容易產(chǎn)生氣蝕和振動(dòng)爬行。
5、主卷?yè)P(yáng)浮動(dòng)是在動(dòng)力頭打鉆情況下使用，可使主卷?yè)P(yáng)隨鉆桿自由下放，嚴(yán)禁在其它工況中進(jìn)行主卷?yè)P(yáng)浮動(dòng)操作，否則會(huì)使鉆桿自由落體或掉落，出現(xiàn)機(jī)件損壞的嚴(yán)重故障。
6、鉆機(jī)上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用了馬達(dá)與減速機(jī)，減速機(jī)的制動(dòng)用于停車制動(dòng)，利用摩擦片牢靠的鎖定機(jī)械裝置。在轉(zhuǎn)動(dòng)情況下的制動(dòng)用平衡閥進(jìn)行制動(dòng)，不能用減速機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。否則會(huì)使減速機(jī)摩擦片燒壞，損壞減速機(jī)，還會(huì)因慣性過(guò)大停轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，讓減速機(jī)來(lái)制動(dòng)，損壞減速機(jī)。要經(jīng)常檢查主卷?yè)P(yáng)減速機(jī)制動(dòng)口壓力，正常壓力在20至25bar之間，低于20bar時(shí)，要在減速機(jī)減壓閥的彈簧上加0.5—1mm墊片或其它辦法提高壓力，此處壓力太低時(shí)容易燒壞減速機(jī)。
7、鉆機(jī)上液壓膠管分為高壓膠管和低壓膠管。高壓膠管鋼絲層數(shù)較多，可承受高壓，低壓膠管鋼絲層數(shù)均為一層，承受壓力較低。所以在更換膠管時(shí)，要弄清楚原膠管的型號(hào)和承壓情況，不要用低壓膠管代替高壓膠管，防止膠管爆裂。值得注意的是主卷?yè)P(yáng)的兩個(gè)浮動(dòng)油管可輔控制閥上的LS油管為高壓6通徑油管，是二層鋼絲的，容易與一層膠管混淆。主油管用于傳送一定流量的液壓油，膠管通徑較大，不要用小通徑膠管代替大通徑膠管，否則會(huì)加大管路的壓力損失，降低鉆機(jī)的工作效率。
8、旋挖鉆機(jī)上的油缸、主卷?yè)P(yáng)承受負(fù)載，維修或更換時(shí)一定要注意安全。油缸上的平衡閥 維修或更換時(shí)，要將油缸活塞桿收縮到底時(shí)才能拆換。主卷?yè)P(yáng)馬達(dá)減速機(jī)維修或更換時(shí)，要拆卸鉆桿等負(fù)載，在不讓主卷?yè)P(yáng)承受任何外力時(shí)，方可拆換馬達(dá)減速機(jī)。
9 、泵油異常噪聲多是吸油管密封不嚴(yán)實(shí)或吸油阻力太大造成的，此時(shí)常伴有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)爬行現(xiàn)象。應(yīng)檢查吸油管卡箍是否松動(dòng)，吸油濾芯是否堵塞。若存在問(wèn)題要進(jìn)行處理。
10、油缸運(yùn)動(dòng)爬行與缸內(nèi)存在空氣和平衡閥出現(xiàn)故障有關(guān)，油缸按最大行程動(dòng)作幾次可以排出油缸內(nèi)的氣體。平衡閥的故障多是閥芯上有贓物使閥芯運(yùn)動(dòng)不靈活造成的，應(yīng)拆下平衡閥清洗或更換平衡閥。
11、一般油缸沉降有兩個(gè)原因，一是油缸內(nèi)部的密封損壞產(chǎn)生的內(nèi)泄露，二是平衡閥有內(nèi)泄露。判斷是何種情況漏油的辦法是，拆掉主閥與平衡閥相連的油管，觀察接頭處有無(wú)漏油，若漏油為平衡閥問(wèn)題，應(yīng)更換平衡閥。不漏油，則為油缸有內(nèi)泄露，應(yīng)維修或更換油缸。
12、主卷?yè)P(yáng)承受較重的負(fù)荷，操作時(shí)應(yīng)勻速扳動(dòng)手柄，從上升轉(zhuǎn)到下降或下降轉(zhuǎn)到上升，應(yīng)使手柄在中位稍作停留再扳到位，不允許快速扳到位或反復(fù)快扳，這樣會(huì)損壞馬達(dá)減速機(jī)和發(fā)生掉鉆桿問(wèn)題。
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附錄
有限元素分析與設(shè)計(jì)42（2006）298 - 313
大型軸承螺栓接頭數(shù)值模式的發(fā)展
作者：奧里安 韋迪納，*，迪米特里 尼瑞巴 ，讓 癸樂(lè)特布
加拿大H3C公司3A7,魁北克，蒙特利爾，沙田，車站中心，蒙特利爾Ecole理工學(xué)院，機(jī)械工程系，P.O 6079信箱
摘要：
螺栓接頭的傳統(tǒng)理論并沒(méi)有考慮到外部負(fù)載的復(fù)雜性，既沒(méi)有其相關(guān)連接的不靈活性，也沒(méi)有接觸的非線性。本文論述了可以快速，精確的計(jì)算直徑軸承上承受很大傾覆力矩的緊固螺栓的二維數(shù)值模型。該模型的獨(dú)特性是在于一個(gè)特殊的有限元素的使用，像一環(huán)，除了在軸向方向。其軸向剛度是控制螺栓組裝方式的局部剛度。該模型調(diào)整為三維有限元的模擬，并在幾種類型的軸承中表現(xiàn)了優(yōu)異效果。
關(guān)鍵詞：螺栓接頭;數(shù)值模式;轉(zhuǎn)盤(pán)軸承;有限元分析
1、 介紹
提供快捷，準(zhǔn)確的結(jié)果，是對(duì)實(shí)際工程的挑戰(zhàn)之一，主要是在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期階段。涉及不同的螺栓接頭的機(jī)械系統(tǒng)的制造商需要合適的計(jì)算模型，該計(jì)算模型需要考慮整體解決方案。大量的模型近似的部件和螺栓剛度使用錐體，球體，相當(dāng)于瓶裝或其他分析模型[1-4]。 根據(jù)傳統(tǒng)理論，最初是為那些居中或稍微偏離中心的負(fù)荷發(fā)展，該負(fù)荷的剛度為常數(shù)。然而，有限元模擬以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出強(qiáng)勁的非線性由于接觸面積的變化[5-7]與外部負(fù)載。剛度非線性特性進(jìn)行了研究格洛斯[8]和吉洛[9]，他們提出了一個(gè)非線性模型，但只有板樣的配置。
另一個(gè)傳統(tǒng)理論的弱點(diǎn)在于所謂的負(fù)載系數(shù)的計(jì)算方法。負(fù)荷因素試圖測(cè)量傳送到螺栓上面的外在的力量。在外部力量的成員上應(yīng)用所在地管轄的負(fù)載因子和剛度成員的方式分配。張[10]開(kāi)發(fā)了一種新的螺栓接頭分析模型，并考慮到剛性還原會(huì)與殘余力量有關(guān)，壓縮變形和尺寸變化的外力是因?yàn)槌蓡T輪換造成的。這種模式有它的局限性，并不適用于螺栓裝配時(shí)的成員有不同的幾何形狀，或在外部勢(shì)力不是在成員接口對(duì)稱的。
對(duì)于具體模型，我們提出對(duì)大型軸承可以看作為一個(gè)圓形法蘭盤(pán)，考慮到不同的非線性特性以及不同的配置或通過(guò)適當(dāng)?shù)膸缀蝿偠确植嫉耐ㄓ媚Ｐ偷幕A(chǔ)。
2、 回轉(zhuǎn)支承
本文提出的模型是對(duì)特定的大直徑螺栓軸承合適。這些大型軸承（高達(dá)13米（43英尺））也被稱為“回轉(zhuǎn)支承”，是用起重機(jī)，雷達(dá)菜，隧道掘進(jìn)機(jī)，軸承套圈等。二是夾在主框架由高強(qiáng)度的螺栓預(yù)裝。一個(gè)或兩個(gè)環(huán)是提供齒，使擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。連接就像大量的一個(gè)個(gè)又厚又狹小的螺栓固定一個(gè)非常嚴(yán)格的框架圓柱法蘭。
該系統(tǒng)的另一個(gè)特殊性是重要的和可變的傾覆力矩。軸承是遭受同樣重