目 錄引言.1第 1 章 緒論1.1 旋挖鉆機簡介………………………………………………………………41.2 本設(shè)計的主要內(nèi)容…………………………………………………………5第 2 章 液壓缸2.1 液壓缸簡介…………………………………………………………………62.2 液壓缸類型…………………………………………………………………62.3 液壓缸工作原理……………………………………………………………82.4 液壓缸的組成………………………………………………………………9第 3 章 液壓系統(tǒng)設(shè)計3.1 液壓系統(tǒng)的確定……………………………………………………………143.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求………………………………………………………143.3 液壓缸的設(shè)計計算…………………………………………………………15第 4 章 液壓系統(tǒng)保養(yǎng)4.1 旋挖鉆機液壓系統(tǒng)的保養(yǎng)…………………………………………………32致謝…………………………………………………………………………………35參考文獻(xiàn).36附錄…………………………………………………………………………………37145T 旋挖鉆機變幅機構(gòu)液壓缸設(shè)計內(nèi)容摘要:本文主要介紹了旋挖鉆機變幅機構(gòu)液壓缸的設(shè)計。液壓缸的設(shè)計包括了系統(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算、缸蓋厚度的確定、缸體長度的確定以及活塞桿穩(wěn)定性的驗算。本文結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計和計算機輔助工程技術(shù)，先依據(jù)經(jīng)驗公式計算，確定了液壓缸安裝方案，設(shè)計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)計計算。然后利用 AutoCAD，Pro/Engineer 輔助設(shè)計平臺，完成了液壓缸所有零件的二維及三維建模。通過分析的數(shù)據(jù)校核了先前的設(shè)計，同時為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計和系列化設(shè)計提供了依據(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 cylinderContent 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/Engineer2引 言旋挖鉆機是一種適合建筑基礎(chǔ)工程中成孔作業(yè)的施工機械。該類鉆機一般采用液壓履帶式伸縮底盤、自行起落可折疊鉆桅、伸縮式鉆桿、帶有垂直度自動檢測調(diào)整、孔深數(shù)碼顯示等，整機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。主、副兩個卷揚可適用工地多種情況的需要。該類鉆機配合不同鉆具，適用于干式或濕式及巖層的成孔作業(yè)，還可配掛長螺旋鉆、振動樁錘等，實現(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、防滲護坡等理想的基礎(chǔ)施工設(shè)備。旋挖鉆機的發(fā)展歷史旋挖鉆機是在回轉(zhuǎn)斗鉆機和全套管鉆機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，第二次世界大戰(zhàn)前，美國 CALWELD 首先研制出回轉(zhuǎn)斗，短螺旋鉆機。二十世紀(jì)五十年代，法國 BENOTO 將全套管鉆機應(yīng)用于樁基礎(chǔ)施工，而后由歐洲各國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將安裝在載重汽車上和附著在履帶起重機上的鉆機引入歐洲，動力頭為固定式，不能自行安裝套管，難以適應(yīng)硬質(zhì)土層施工，1960 年德國維爾特和蓋爾茨蓋特公司同時開發(fā)了可動式動力頭。1975 年德國寶峨公司研制了配有伸縮鉆桿的 BG7 型鉆機，該鉆機直接從底盤提供動力，配置可鎖式鉆桿實現(xiàn)加壓鉆孔，鉆孔扭矩增大，可實現(xiàn)在緊密砂礫和巖層的鉆孔。日本于 1960 年從美國引進(jìn) CALWELD 旋挖鉆機，同時加藤制作所開發(fā)了 15-H 型鉆機。以后開發(fā)了可配套搖管裝置和抓斗的鉆機，1965 年日立建機研制了利用挖掘機底盤裝有液壓加壓裝置的鉆機，1974 年開發(fā)了利用液壓履帶起重機底盤由液壓馬達(dá)驅(qū)動的鉆機。1980 年日立建機與土力公司合作開發(fā)了為提高單樁承載力和擴底灌注樁的施工領(lǐng)域。德國寶峨的加入和日立建機與住友建機的聯(lián)盟進(jìn)一步促進(jìn)了旋挖鉆機技術(shù)在日本的發(fā)展。日本的旋挖鉆機扭矩比歐洲的同類產(chǎn)品小。目前國外的旋挖鉆機主要生產(chǎn)廠家為：德國：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：APE、Ingersoll-Rand；英國：BSP 等。31984 年天津探礦機械廠首次從美國 RDI 公司引起車載式旋挖鉆機。1988 年北京城建工程機械廠仿制了土力公司 1.5m 直徑附著式旋挖鉆機。1994 年鄭州勘察機械廠引進(jìn)英國 BSP 公司附著式旋挖鉆機，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械公司和徐州工程機械股份公司先后開發(fā)了附著式旋挖鉆機和獨立式旋挖鉆機。2001 年經(jīng)緯巨力第一臺旋挖鉆機試制成功。2003 年后三一、山河智能等多家生產(chǎn)廠家的旋挖鉆機陸續(xù)下線，產(chǎn)銷兩旺。目前，國內(nèi)的旋挖鉆機主要生產(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?、石家莊煤機、連云港黃海、哈爾濱四海、內(nèi)蒙古北方重汽、宇通重工、南車時代、山東鑫國、鄭州勘察等。國內(nèi)產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀中國旋挖鉆機產(chǎn)業(yè)起步晚，但發(fā)展較快。早在 20 世紀(jì) 90 年代初，國內(nèi)旋挖鉆機需求量少，市場基本被國外鉆機所壟斷。中國于 1986 年首次在基礎(chǔ)施工中使用進(jìn)口旋挖鉆機。中國最近幾年開發(fā)的旋挖鉆機技術(shù)水平起點高，但品種少，還不能滿足不斷發(fā)展的基礎(chǔ)施工市場的需求。目前國內(nèi)旋挖鉆機生產(chǎn)廠家一般是在參考國外同類型產(chǎn)品技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)計的，有的甚至是引進(jìn)國外技術(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)到了國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。但品種較少，基本上屬于動力頭扭矩在 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，開發(fā)最大鉆孔直徑 1.2m 和 3m 左右的旋挖鉆機，以滿足市場需要。國外產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀目前在國內(nèi)銷售旋挖鉆機的國外公司主要有德國寶峨公司、意大利士力公司、MAIT 公司、IMT 公司、CWV 公司等。目前國外的旋挖鉆機一般都設(shè)有搖管裝置，由 2 個或 3 個液壓馬達(dá)的大扭矩動力頭，液壓系統(tǒng)采用恒功變量自動控制、自鎖互扣鉆桿、先進(jìn)的監(jiān)控儀表，同時配有各種保險裝置等，但各家公司的旋挖鉆機都有自己的技術(shù)特點。4第 1 章 緒論1.1 旋挖鉆機簡介旋 挖 鉆 機 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 豐 厚 的 利 潤 ， 后 歐 州 人 、 日 本 人 等 隨 著 各 國 恢 復(fù) 建設(shè) 的 全 面 展 開 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 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 來對 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 是 一 種 適 合 建 筑 基 礎(chǔ) 工 程 中 成 孔 作 業(yè) 的 施 工 機 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 具 有 裝 機功 率 大 、 輸 出 扭 矩 大 、 軸 向 壓 力 大 、 機 動 靈 活 ， 施 工 效 率 高 及 多 功 能 特 點 。旋 挖 鉆 機 適 應(yīng) 我 國 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 已 被 廣 泛 推 廣 于 各種 鉆 孔 灌 注 樁 工 程 。旋挖鉆機因具有施工速度快、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等優(yōu)勢, 已成為鉆孔灌注樁施工的主要成孔設(shè)備, 不少重點工程的業(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)的沖擊和回旋鉆機成孔設(shè)備。目前我國工程界的大多數(shù)旋挖鉆機均為德國和意大利的產(chǎn)品, 并已占據(jù)主導(dǎo)地位。圖 1-1 旋挖鉆機示意圖51.2 本 設(shè) 計 的 主 要 內(nèi) 容本 設(shè) 計 的 主 要 內(nèi) 容 是 對 旋 挖 鉆 機 的 變 幅 機 構(gòu) 裝 置 及 變 幅 機 構(gòu) 上 變 幅 液 壓缸 和 變 角 度 液 壓 缸 的 設(shè) 計 。 液壓缸的設(shè)計包括了系統(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算、缸蓋厚度的確定、缸體長度的確定以及活塞桿穩(wěn)定性的驗算。6第 2 章 液壓缸2.1 液壓缸簡介液 壓 缸 是 將 液 壓 能 轉(zhuǎn) 變 為 機 械 能 的 、 做 直 線 往 復(fù) 運 動 （ 或 擺 動 運 動 ） 的液 壓 執(zhí) 行 元 件 。 它 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 工 作 可 靠 。 用 它 來 實 現(xiàn) 往 復(fù) 運 動 時 ， 可 免 去 減速 裝 置 ， 并 且 沒 有 傳 動 間 隙 ， 運 動 平 穩(wěn) ， 因 此 在 各 種 機 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 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 現(xiàn) 雙 向 運 動 ， 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 現(xiàn) 一 個 方向 的 運 動 ， 柱 塞 回 程 要 靠 其 它 外 力 或 柱 塞 的 自 重 ； （ ２ ） 柱 塞 只 靠 缸 套 支 承 而 不 與 缸 套 接 觸 ， 這 樣 缸 套 極 易 加 工 ， 故 適于 做 長 行 程 液 壓 缸 ； 7（ ３ ） 工 作 時 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 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 或 多 級 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 現(xiàn) 較 長 的 行 程 ，而 縮 回 時 長 度 較 短 ， 結(jié) 構(gòu) 較 為 緊 湊 。 此 種 液 壓 缸 常 用 于 工 程 機 械 和 農(nóng) 業(yè) 機 械上 。圖 2-3 伸 縮 式 液 壓 缸84.擺動式擺動式液壓缸是輸出扭矩并實現(xiàn)往復(fù)運動的執(zhí)行元件，也稱擺動式液壓馬達(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， 葉片將帶動轉(zhuǎn)子作往復(fù)擺動。圖 2-4 擺 動 式 液 壓 缸2.3 液壓缸工作原理液壓傳動原理－以油液作為工作介質(zhì)，通過密封容積的變化來傳遞運動，通過油液內(nèi)部的壓力來傳遞動力。1、動力部分－將原動機的機械能轉(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)換為帶動工作機構(gòu)的機械能。例如：液壓缸、液壓馬達(dá)。3、控制部分－用來控制和調(diào)節(jié)油液的壓力、流量和流動方向。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，組成一個系統(tǒng)，起貯油、過濾、測量和密封等作用。例如：管路和接頭、油箱、過濾器、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施加的壓力,能夠大小相等地向各個方向傳遞.這意味著當(dāng)使用多個液壓缸時,每個液壓缸將按各自的速度拉或推,而這些速度取決于移動負(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首先移動,承載最大載荷的液壓缸最后移動。9為使液壓缸同步運動,以達(dá)到載荷在任一點以同一速度被頂升,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部分，分述如下。(1)缸筒和缸蓋。一般來說，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，使用鑄鐵；p＜20MPa 時，使用無縫鋼管；p＞20MPa 時，使用鑄鋼或鍛鋼。圖 2-5 所示為缸筒和缸蓋的常見結(jié)構(gòu)形式。圖 2-5(a)所示為法蘭連接式，結(jié)構(gòu)簡單，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，它的缸筒壁部因開了環(huán)形槽而削弱了強度，為此有時要加厚缸壁，它容易加工和裝拆，重量較輕，常用于無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101—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?？梢园讯绦谐痰囊簤焊椎幕钊麠U與活塞做成一體，這是最簡單的形式。但當(dāng)行程較長時，這種整體式活塞組件的加工較費事，所以常把活塞與活塞桿分開制造，然后再連接成一體。圖 2-6 所示為幾種常見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，受力無沖擊的液壓缸中。螺紋連接雖然結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便可靠，但在活塞桿上車螺紋將削弱其強度。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 上開有一個環(huán)形槽，槽內(nèi)裝有兩個半圓環(huán) 3 以夾緊活塞 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 來固定。圖 2-6(c)中的活塞桿，使用了兩個半圓環(huán) 4，它們分別由兩個密封圈座 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 常見的活塞組件結(jié)構(gòu)形式3)密封裝置。 液壓缸中常見的密封裝置如圖 2-7 所示。圖 2-7(a)所示為間隙密封，它依靠運動間的微小間隙來防止泄漏。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，以增大油液通過間隙時的阻力。它的結(jié)構(gòu)簡單，摩擦阻力小，可耐高溫，但泄漏大，加工要求高，磨損后無法恢復(fù)原有能力，只有在尺寸較小、壓力較低、相對運動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11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，磨損后有自動補償能力，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、動配合面之間來防止泄漏。它結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，磨損后有自動補償能力，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。對于活塞桿外伸部分來說，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，特別是對大型、高速或要求高的液壓缸，為了防止活塞在行程終點時和缸蓋相互撞擊，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封住活塞和缸12蓋之間的部分油液，強迫它從小孔或細(xì)縫中擠出，以產(chǎn)生很大的阻力，使工作部件受到制動，逐漸減慢運動速度，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，孔中的液壓油只能通過間隙 δ 排出，使活塞速度降低。由于配合間隙不變，故隨著活塞運動速度的降低，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。如圖 2-8(c)所示，在緩沖柱塞上開有三角槽，隨著柱塞逐漸進(jìn)入配合孔中，其節(jié)流面積越來越小，解決了在行程最后階段緩沖作用過弱的問題。圖 2-8 液壓缸的緩沖裝置1—節(jié)流閥(5)放氣裝置。 液壓缸在安裝過程中或長時間停放重新工作時，液壓缸里和管道系統(tǒng)中會滲入空氣，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的放氣閥〔見圖2-9(b)、(c)〕 。13圖 2-9 放氣裝置1—缸蓋 2—放氣小孔 3—缸體 4—活塞桿1415第 3 章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計3.1 液壓系統(tǒng)的確定按照液體流動的循環(huán)方式不同，液壓系統(tǒng)可以分為開式循環(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，運動平穩(wěn)。但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，散熱條件差，為補償油液泄露和進(jìn)行油液更新及冷卻必須設(shè)置完整的補油系統(tǒng)，油液過濾精度要求也較高。開式循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，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。適用于多個液動機進(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)行元件的運動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。3.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求1）對正反循環(huán)鉆機液壓系統(tǒng)的要求液壓系統(tǒng)傳動時液壓機械的一個組成部分，液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計要同主機的總體設(shè)計同時進(jìn)行，必須從實際出發(fā)，有機的結(jié)合各種傳動形式，充分的發(fā)16揮液壓傳動的優(yōu)點，力求設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低、效率高、操作簡單、維護方便的液壓系統(tǒng)。1）在變幅的過程中要求運動平穩(wěn)，但對速度沒有精確要求。2）支腿油缸在鉆進(jìn)作業(yè)的過程中要求可以承受很大的支撐力。3）在系統(tǒng)出現(xiàn)問題壓力不足的情況下，制動器可以自動抱死電動機。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。對一般對于礦山機械，限制空間尺寸、壓力要求較高。就是說液壓系統(tǒng)，必須結(jié)合機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、造價便宜，要全面做到這些也絕非易舉，是要有實踐經(jīng)驗和對同類鉆機具有全面的了解然后參考下表：表 3-1 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力機械類型 機床 農(nóng)業(yè)機械 液壓機磨床 組合機床 龍門刨床 拉床 小型機械 重型機械工作壓力/MPa0.8~2 3~5 2~8 8~10 10~18 20~32選取旋挖鉆機的液壓系統(tǒng)的工作壓力為 16MPa。3.3 液壓缸的設(shè)計計算1）液壓缸設(shè)計計算步驟1）根據(jù)主機的運動要求，按表選擇液壓缸的類型。根據(jù)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)要求，按表選擇液壓缸的安裝方式。2）根據(jù)主機的動力分析和運動分析，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。如缸體壁厚、缸蓋結(jié)構(gòu)、密封形式、排氣與緩沖等。4）液壓缸性能的驗算。2）液壓缸類型及安裝方式的確定工作時液壓缸要求可以雙向運動產(chǎn)生推拉力。故此我們選用單活塞桿雙作17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)---旋挖鉆機變角度液壓缸設(shè)計液壓缸的主要尺寸為缸筒內(nèi)徑、活塞桿直徑和缸筒長度等。1、缸筒的內(nèi)徑 D 的計算根據(jù)載荷力的大小和選定的系統(tǒng)壓力來計算液壓缸內(nèi)徑 D計算公式為式中 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=125mm2、活塞桿的直徑 d根據(jù)速度比的要求來計算活塞桿的直徑 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)運動速度比，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=70.2mm23.5710FP???1D???18根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圓整 d=70mm3、液壓缸行程 s 的確定液壓缸行程 s，主要依據(jù)機構(gòu)的運動要求而定。但為了簡化工藝和降低成本，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、缸筒壁厚的計算缸筒的材料：45 號鋼 按厚壁筒計算 對于中高壓系統(tǒng)，液壓缸厚度一般按厚壁筒計算。當(dāng)缸體材料由脆性材料制造時，缸筒厚度應(yīng)按第二強度理論計算按公式代入數(shù)據(jù)，求得=12.5mm?2、缸體外徑的計算1D??式中 ---缸體外徑（m）按公式代入數(shù)據(jù)，求得=150mm1按標(biāo)準(zhǔn)圓整 =152mm3、液壓缸油口直徑的計算液壓缸油口直徑應(yīng)根據(jù)活塞最高運動速度 v 和油口最高液流速度 而定0v61034%25bsbpMPan????0.4(1)23ypD????00.13vdD?19式中 ---液壓缸油口直徑（m）0dD---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）0v已知： 0.125;./;.1/Dsvs??按公式代入數(shù)據(jù)，求得=0.026m=26mm0d4、缸底厚度的計算平行缸底，當(dāng)缸底無油孔時式中 h---缸底厚度（m）D---液壓缸內(nèi)徑（m）---試驗壓力（MPa）yp---缸底材料的許用應(yīng)力（MPa）???已知：??0.125;4;12yDPMaPa???按公式代入數(shù)據(jù)，求得h=24mm5、缸頭厚度的計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）??0.43yphD????03()cpFDdh????22()4HFdpdq????20d---密封環(huán)內(nèi)徑（m）---密封環(huán)外徑（m）HdP---系統(tǒng)工作壓力（Pa）q---附加密封力（Pa）---螺釘孔分布圓直徑（m）0D---密封環(huán)平均直徑（m）cpd---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=42KNh=0.016m=16mm5) 液壓缸的聯(lián)接計算1、缸蓋聯(lián)接計算缸蓋聯(lián)接采用焊接聯(lián)接：液壓缸缸底采用對焊時，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)1D---焊縫底徑（m）2---焊接效率，通常取 =0.7??已知：??005;8;54;16910HcpddmDMPa???21()4F?????1256.;50.1;0.35;07FkNmD??21按公式代入數(shù)據(jù)，求得=66.6MPa?若缸頭采用角焊時，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)接的計算缸體與缸蓋采用螺栓聯(lián)接時，螺紋處拉應(yīng)力為螺紋處的切應(yīng)力為合成應(yīng)力為??231.n??????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 65.nMPa??3、活塞與活塞桿的聯(lián)接計算12FxDh???214KFdZ???103.d1014;.5;.2;9230ZKFNdm??48.23?22活塞與活塞桿采用螺紋聯(lián)接時，活塞桿危險截面（螺紋退刀槽）處的拉應(yīng)力為23切應(yīng)力為合成應(yīng)力為 ??231.n??????式中 ---液壓缸輸出拉力（N）1Fd---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 26.4nMPa??4、活塞桿與活塞肩部表面的壓應(yīng)力已知：1292;70;5FkNAm??按公式代入數(shù)據(jù)，求得 53.4cMPa?124KFd???103.Fd21()4Ddp??sn??110.5;92;3.KFNdm95.103?2()cF??245、銷軸、耳環(huán)的聯(lián)接計算銷軸的聯(lián)接計算：銷軸通常是雙面受剪，為此其直徑 d 應(yīng)按下式計算式中 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）??c? ??c?b?---耳環(huán)材料的抗拉強度(Pa)b已知：F=156.5KN; d=0.039m； =84MPa??c?按公式代入數(shù)據(jù)，求得 EW=48mm6) 活塞桿穩(wěn)定性驗算液壓缸承受軸向壓縮載荷時，當(dāng)活塞桿直徑 d 與活塞桿的計算長度 l 之比大于 10 時，應(yīng)校核活塞桿的縱向抗彎強度或穩(wěn)定性。1、無偏心載荷由材料力學(xué)知，受壓細(xì)長桿，當(dāng)載荷力接近某一臨界值時，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。??0.64Fd????cFEWd?25對于沒有偏心載荷的細(xì)長桿，其縱向彎曲強度的臨界值，可按等截面法和非等截面法計算。等截面計算法：當(dāng)細(xì)長 比時，可按歐拉公式計算臨界載荷 。此時kP式中 ---活塞桿縱向彎曲破壞kP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，對于鋼，取為 12.0EPa??J---活塞桿截面的轉(zhuǎn)動慣量（ ）4m實心活塞桿d---活塞桿直徑 （m）l---活塞桿計算長度，即活塞桿在最大伸出時，活塞桿端支點和液壓缸安裝點間的距離（m）k---活塞桿斷面的回轉(zhuǎn)半徑（m）實心活塞桿A---活塞桿截面積（ ）I2實心活塞桿 m---柔性系數(shù)若活塞桿為實心桿，并用鋼鐵材料制造時，上式可以簡化為已知：164;2.0;.210nEPaJm?????;2.9l?按公式代入數(shù)據(jù)，求得 7) 液壓缸的主要性能參數(shù)---旋挖鉆機變幅液壓缸設(shè)計液壓缸的主要尺寸為缸筒內(nèi)徑、活塞桿直徑和缸筒長度等。2knJPl?6dJ??4JdKA?d?412.kndl.7594KmPNlmnK?261、缸筒的內(nèi)徑 D 的計算根據(jù)載荷力的大小和選定的系統(tǒng)壓力來計算液壓缸內(nèi)徑 D計算公式為式中 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=140mm2、活塞桿的直徑 d根據(jù)速度比的要求來計算活塞桿的直徑 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)運動速度比，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=80mm3、液壓缸行程 s 的確定液壓缸行程 s，主要依據(jù)機構(gòu)的運動要求而定。但為了簡化工藝和降低成23.5710FP???1D???27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、缸筒壁厚的計算缸筒的材料：45 號 鋼 按厚壁筒計算 對于中高壓系統(tǒng)，液壓缸厚度一般按厚壁筒計算。當(dāng)缸體材料由脆性材料制造時，缸筒厚度應(yīng)按第二強度理論計算按公式代入數(shù)據(jù)，求得=0.014m=14mm?2、缸體外徑的計算12D??式中 ---缸體外徑（m）按公式代入數(shù)據(jù)，求得=160mm1按標(biāo)準(zhǔn)圓整 =168mm3、液壓缸油口直徑的計算液壓缸油口直徑應(yīng)根據(jù)活塞最高運動速度 v 和油口最高液流速度 而定0v式中 ---液壓缸油口直徑（m）0dD---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）0v已知： 0.125;./;.1/Dsvs??61034%25bsbpMPan????0.4(1)23ypD?????0.13vD?28按公式代入數(shù)據(jù)，求得=0.029m=29mm0d4、缸底厚度的計算平行缸底，當(dāng)缸底無油孔時式中 h---缸底厚度（m）D---液壓缸內(nèi)徑（m）---試驗壓力（MPa）yp---缸底材料的許用應(yīng)力（MPa）???已知：??0.125;4;12yDPMaPa???按公式代入數(shù)據(jù)，求得h=27mm5、缸頭厚度的計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）HdP---系統(tǒng)工作壓力（Pa）q---附加密封力（Pa）---螺釘孔分布圓直徑（m）0D---密封環(huán)平均直徑（m）cpd??0.43yphD????03()cpFDdh????22()4HFdpdq????29---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=65KNh=0.019m=19mm9) 液壓缸的聯(lián)接計算1、缸蓋聯(lián)接計算缸蓋聯(lián)接采用焊接聯(lián)接：液壓缸缸底采用對焊時，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)1D---焊縫底徑（m）2---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，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??006;72;6;1410HcpdmdmDMPa???21()4FD?????124.5;680.1;0.15;07FkNmD???12FxDh??