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2 20 01 15 5 屆屆學學士士論論文文畢畢業(yè)業(yè)答答辯辯全液壓鉆機液壓系統(tǒng)設計報 告 人：汪締洪指導教師：胡波2015年5月29日核技術與自動化工程學院成都理工大學核技術與自動化工程學院主要內(nèi)容：單擊此處添加文字內(nèi)容 選題背景單擊此處添加文字內(nèi)容 調(diào)查分析單擊此處添加文字內(nèi)容 液壓系統(tǒng)自動化改造單擊此處添加文字內(nèi)容 液壓系統(tǒng)設計1243單擊此處添加文字內(nèi)容 結(jié)論5成都理工大學核技術與自動化工程學院選題背景1（）成都理工大學核技術與自動化工程學院選題背景1課題背景論文題目來自教師的科研課題。主要用于解決生產(chǎn)企業(yè)中部分問題，具有較強的理論研究意義和較大的工程實踐價值。鉆機背景12中國是全球最大的煤炭生產(chǎn)國，也是世界上礦產(chǎn)資源較為豐富的國家，無論是在煤礦安全生產(chǎn)中還是在其他地質(zhì)鉆探中，都離不鉆機。而現(xiàn)在鉆機的功能逐漸增強，傳統(tǒng)機械傳動方式在鉆機使用中已經(jīng)越來越不合適。（）成都理工大學核技術與自動化工程學院選題背景1液壓傳統(tǒng)優(yōu)勢3易于操縱控制并實現(xiàn)過載保護，工作安全可靠布局靈活方便，調(diào)速范圍大，工作平穩(wěn)易于實現(xiàn)自動化成都理工大學核技術與自動化工程學院調(diào)查分析2（）成都理工大學核技術與自動化工程學院總體狀況在我國，液壓傳動地質(zhì)鉆探設備主要分為兩類：一類是全液壓動力頭鉆機，一類是液壓立軸式鉆機。調(diào)查分析2兩類鉆機主要特性對比分別讓鉆機在相同的鉆進工藝和鉆進條件下，通過比較兩類鉆機的鉆進時間以及鉆進后鉆孔的質(zhì)量甚至是施工成本方面來對其進行分析和對比。12（）成都理工大學核技術與自動化工程學院2調(diào)查分析鉆孔深度（m）鉆進施工時間（h）動力頭鉆機比立軸式鉆機節(jié)省時間動力頭鉆機立軸式鉆機50051062021.7%10001152131313.8%1500191620828.7%2000282529193.3%鉆機鉆進2000以下深度鉆進施工時間對比（）成都理工大學核技術與自動化工程學院調(diào)查分析2比較結(jié)果3從施工效率上說，全液壓動力頭鉆機施工效率更高，鉆進相同的深度，動力頭鉆機所消耗的時間更少。從施工質(zhì)量上來說，全液壓動力頭鉆機給進行程長，無須重復次的倒桿，鉆進過程平穩(wěn)，無論在鉆孔質(zhì)量和巖心取樣上都高于立軸式鉆機。從施工成本上來說，動力頭鉆機購置成本都雖然較高，但是施工效率更高，反過來也會使得鉆機的施工成本下降。在購置一段時間后，動力頭鉆機成本可以和立軸式鉆機相持平甚至是更低?？偨Y(jié)：動力頭鉆機優(yōu)勢更加明顯，也更適合在未來的發(fā)展，是未來鉆機的主要發(fā)展方向。成都理工大學核技術與自動化工程學院液壓系統(tǒng)設計3（）成都理工大學核技術與自動化工程學院液壓系統(tǒng)設計3液壓系統(tǒng)設計過程1全頭鉆機在未來發(fā)展中具有絕對的優(yōu)勢，因此有必液壓動力要對其液壓系統(tǒng)進行了解，根據(jù)鉆機上的主要技術參數(shù)，通過反求證方式，進行液壓系統(tǒng)設計。（）成都理工大學核技術與自動化工程學院液壓系統(tǒng)設計3液壓系統(tǒng)原理圖2根據(jù)液壓鉆機主要技術參數(shù)和所設計的原理圖，得到了和說明書上相似的結(jié)果，表明，液壓系統(tǒng)的設計是合理可行的。（）成都理工大學核技術與自動化工程學院3液壓系統(tǒng)設計3當前液壓系統(tǒng)存在的問題和不足之處鉆機整體操作閥全是手動閥，手動閥換向時瞬間沖擊力過大，液壓系統(tǒng)容易發(fā)生故障。不能滿足自動化控制要求，根據(jù)經(jīng)驗來判斷給進行程來確定鉆機是否倒桿等此液壓系統(tǒng)中卡盤夾持器和給進液壓缸間采用了聯(lián)動控制，使得液壓系統(tǒng)的難度加大，控制出現(xiàn)故障的幾率也越大。在回油路中，液壓系統(tǒng)運行過程中油液中會產(chǎn)生雜質(zhì)，堵塞回油過濾器，使系統(tǒng)壓力損失增大，系統(tǒng)效率降低。成都理工大學核技術與自動化工程學院4液壓系統(tǒng)自動化改造（）成都理工大學核技術與自動化工程學院液壓系統(tǒng)自動化改造4對原液壓系統(tǒng)中存在的問題進行改進將原系統(tǒng)中手動閥替換為電磁閥，既能改善手動閥控制時產(chǎn)生的瞬間沖擊力，也能通過PLC進行控制。鉆機的液壓系統(tǒng)設計過程中在滿足要求的同時要盡可能使液壓系統(tǒng)簡單，將聯(lián)動控制出獨立出來，既可以使液壓系統(tǒng)變得簡單易懂，也能夠通過簡單編程進行自動化控制1在回油濾油器旁并聯(lián)一個單向閥，可起旁通作用，當過濾器堵塞達到一定壓力損失時，單向閥打開通油。（）成都理工大學核技術與自動化工程學院改進后液壓系統(tǒng)原理圖4液壓系統(tǒng)自動化改造2（）成都理工大學核技術與自動化工程學院液壓系統(tǒng)自動化改造43自動化控制為了能夠達到自動化控制要求，需要在液壓系統(tǒng)基礎上添加PLC控制系統(tǒng)，以滿足目前各生產(chǎn)企業(yè)對高生產(chǎn)效率的要求。根據(jù)液壓系統(tǒng)要求，方案設計。確定輸入輸出設備，進行I/O口分配。根據(jù)設計繪制出電路圖。根據(jù)控制要求，編寫程序（）成都理工大學核技術與自動化工程學院液壓系統(tǒng)自動化改造4自動化控制I/O口分配4PLC軟元件元件元件文字符號元件文字符號元件名稱元件名稱控制功能控制功能數(shù)字量數(shù)字量輸入入I0.0SB1點動開關準備I0.1SB2點動開關鉆孔I0.2SB3點動開關升鉆具I0.3SB4點動開關降鉆具I0.4SB5點動開關擰緊鉆桿I0.5SB6點動開關拆卸鉆桿I0.6SB7點動開關復位I0.7KP1壓力繼電器卡盤高壓松開I1.0KP2壓力繼電器夾持器高壓松開I1.1SQ1行程開關油缸前進終點I1.2SQ2行程開關油缸后退終點I1.3SB8點動開關急停模模擬量量輸入入AIW12壓力變送器馬達正轉(zhuǎn)油路壓力AIW14壓力變送器給進油缸前進油路壓力數(shù)字量數(shù)字量輸出出Q0.1YV1電磁閥切換到卡夾油路Q0.2YV2電磁閥切換到進轉(zhuǎn)油路Q0.3YV3電磁閥控制馬達正轉(zhuǎn)Q0.4YV4電磁閥控制馬達反轉(zhuǎn)Q0.5YV5電磁閥控制油缸前進（）成都理工大學核技術與自動化工程學院液壓系統(tǒng)自動化改造4PLC控制線路接線圖5根據(jù)上表中I/O口分配，可以繪制出如圖所示電路簡圖。（）成都理工大學核技術與自動化工程學院4液壓系統(tǒng)自動化改造PLC程序流程圖6成都理工大學核技術與自動化工程學院結(jié)論5（）成都理工大學核技術與自動化工程學院結(jié)論5改造實物圖片1（）成都理工大學核技術與自動化工程學院結(jié)論4取得成果通過相關調(diào)研，將全液壓動力頭鉆機和立軸式鉆機兩類鉆機進行性能比較，由于動力頭鉆機比立軸式鉆機優(yōu)勢更加明顯，發(fā)展?jié)摿Ω泳薮蟆θ簤簞恿︻^鉆機進行液壓系統(tǒng)研究根據(jù)鉆機機身上所提供技術參數(shù)，對液壓系統(tǒng)進行反向求證設計，得到與鉆機說明書類似的結(jié)果。2（）成都理工大學核技術與自動化工程學院結(jié)論分析4取得成果所設計的液壓系統(tǒng)是符合要求的，為了滿足相關企業(yè)要求，將PLC控制融入液壓系統(tǒng)控制中，完成了相關改造，也滿足了生產(chǎn)企業(yè)的需求。2成都理工大學核技術與自動化工程學院謝謝！謝謝！成都理工大學畢業(yè)設計（論文） I 全液壓鉆機液壓系統(tǒng)設計 作者姓名：汪締洪 專業(yè)班級：機械三班 指導教師：胡波 摘 要 一 臺液壓鉆機性能的優(yōu)劣，主要取決于液壓系統(tǒng)的設計和使用。正確合理地設計和 使用液壓傳統(tǒng)系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)，對于提高各類液壓機械的工作品質(zhì)和技術經(jīng)濟性能 具有重要的意義，而全液壓鉆機作為一種全油壓驅(qū)動鉆機，對執(zhí)行元件所有的控制和驅(qū) 動都離不開液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)的研究和設計顯得 更加 重要。 近年來， 由于全液壓鉆機 的優(yōu)點十分明顯，在國外 已經(jīng)替代了所有的機械傳動鉆機。 在煤礦的安全生產(chǎn)中 以及地 質(zhì)勘探中 ，無論是鉆進工程孔還是瓦斯抽放孔，都離不開鉆機。隨著液壓技術的不斷發(fā) 展和改進，全液壓鉆機在 鉆井 安全生產(chǎn)中已經(jīng)越來越廣泛。 了解全液壓鉆機的液壓系統(tǒng) 對我國未來液壓鉆機的全面發(fā)展有著非常重要的作用。 液壓鉆機的核心是液壓系統(tǒng)，要了解液壓鉆機就必須充分了解液壓系統(tǒng)。 本 文主要 針對實驗室 已有 ZDY540 型 液壓鉆機 進行分析 和研究， 并將 PLC 控制融入液壓控制系 統(tǒng)中，完成了對液壓控制系統(tǒng)的自動化改造。本論文 主要內(nèi)容 如下： 通過 對 目前鉆機 市場進行 調(diào)研，分析對比目前國內(nèi)使用最多的兩類鉆機的 性能 ， 推 測出 未來鉆機的發(fā)展的方向 ； 對未來 發(fā)展具有很好的發(fā)展前景的鉆機 進行 主要結(jié)構(gòu) 以及 工作原理 的介紹 ； 根據(jù)相應企業(yè)對全液壓鉆機的要求，進行 全液壓鉆機 液壓系統(tǒng)的設計 ，并 能 根據(jù) 相應 技術 參數(shù)完成液壓系統(tǒng)功能的原理設計； 目前所采用的鉆機大部分采用的是手動液壓控制，為了能順應現(xiàn)在發(fā)展的 潮流 以 及各使用企業(yè)的相應要求， 增加 工作效率，減輕工人 勞動 負擔， 將 PLC控制融入液壓系 統(tǒng)控制中， 對其進行 自動化改造。 關鍵詞 ：全液壓鉆機 液壓 卡 盤 夾持器 液壓 系統(tǒng) PLC控制 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） II The design of the hydraulic system for the full hydraulic drilling rig Abstract The performance of a hydraulic drill is mainly determined by the design and use of the hydraulic system. There has an important significance that the design and use of traditional hydraulic system in the hydraulic control system by the correct and reasonable way can improve the various types of hydraulic machinery work quality and technical economic performance. And full hydraulic drilling rig as a full hydraulic drive drilling rig, the implementation of all the components of the control and driving are inseparable from the hydraulic system, the research and design of the hydraulic system is more important than others. In recent years, it has replaced all the mechanical drive rigs abroad because of the advantages of the full hydraulic drill rig. In coal mine safety production and geological exploration, whether the drilling engineering borehole or the gas drainage hole, isnt separated from the drilling rig. With the development and improvement of the hydraulic technology, the hydraulic drill rig is becoming more and more widely use in the drilling safety. It is very important for the hydraulic system of the hydraulic drill to develop the hydraulic drill in the future. The core of the hydraulic drilling machine is hydraulic system. To understand the hydraulic drilling machine, we must fully know of the hydraulic drilling machine hydraulic system. This paper mainly discusses the research and analysis of the ZDY540 type hydraulic drilling machine which is in our school laboratory, the main contents are as follows: Through the research of current rig market, we can compare of the different performance of the two kinds of the drilling rigs which used at most in the country and speculate of the development by the drilling rig； An introduction to the drilling rig which has a promising prospect for its future development in terms of the main structure and its operational principle； According to the requirements of the corresponding enterprise of hydraulic drilling rig, and hydraulic system design, to complete the function of the corresponding parameters on the 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） III basis of the design principle of hydraulic system； The used drilling rig are manually used to control the hydraulic valve at the moment, in order to better adapt to the current development trends and the requirements of the enterprises, making the automation reconstruction of this hydraulic drilling rig to reduce the labors burden and make the drill more efficient. Keywords: The hydraulic drilling rig; Hydraulic chuck; Clamper; The hydraulic system; Automation 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） IV 目 錄 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 前 言 . 1 1.1 論文的目的及意義 . 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 2 1.3 論文的主要研究內(nèi)容 . 4 第 2 章 鉆機的市場調(diào)研及發(fā)展方向 . 6 2.1 鉆機的主要特性對比 . 6 2.1.1 施工效率對比 . 6 2.1.2 施工質(zhì)量對比 . 9 2.1.3 施工成本對比 . 10 2.1.4 鉆機適應性對比 . 10 2.2 鉆機發(fā)展方向 . 10 第 3 章 全液壓動力頭鉆機基本結(jié)構(gòu)簡介 . 12 3.1 主機 . 12 3.1.1 動力頭部分 . 12 3.1.2 給進裝置 . 15 3.1.3 夾持器 . 16 3.1.4 機架 . 16 3.2 泵站 . 17 3.3 操作臺 . 17 3.4 ZDY540 型全液壓鉆機的結(jié)構(gòu)特點 . 18 第 4 章 ZDY540 全液壓鉆機液壓系統(tǒng)設計 . 19 4.1 ZDY540 全液壓鉆機主要參數(shù) . 19 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） V 4.2 給進液壓系統(tǒng)的工況分析 . 19 4.3 液壓系統(tǒng)設計計算 . 22 4.3.1 初選系統(tǒng)壓力 . 22 4.3.2 計算和確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸和液壓馬達的排量 . 22 4.3.3 計算液壓缸和液壓馬達的流量 . 27 4.3.4 制定基本方案，擬定液壓系統(tǒng)圖 . 27 4.3.5 元件選型與設計 . 29 4.3.6 驗算液壓系統(tǒng)性能 . 32 第 5 章 液壓鉆機的自動化改造 . 34 5.1 PLC 概述 . 34 5.2 液壓鉆機自動化改造 . 35 5.3 改造后液壓原理圖（圖 5-1 所示） . 36 5.4 PLC 控制設計 . 36 5.4.1 方案設計 . 37 5.4.2 PLC 的 I/O 端口分配 . 38 5.4.3 選定 PLC 型號 . 39 5.4.4 電路控制 . 39 5. 4.5 PLC 控制程序 . 40 5.5 液壓鉆機實物圖 . 41 結(jié) 論 . 42 致 謝 . 43 參考文獻 . 44 附件 1 液壓缸尺寸系列表和液壓馬達公稱排量表 . 45 附件 2 PLC 控制程序梯形圖 . 46 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 前 言 1.1 論文的目的及意義 全液壓鉆機是全液壓動力頭式鉆機的簡稱，主要區(qū)別于采用機械傳動和液壓給進的 半液壓式鉆機。全液壓鉆機由電動液壓泵站提供動力，以礦物油為工作介質(zhì)，通過對工 作介質(zhì)的流量、壓力和方向的控制，驅(qū)動鉆具完成所需要的動作 1。 中國是全球最大的煤炭生產(chǎn)國， 也是世界上礦產(chǎn) 資源 較為豐富的國家， 而大多數(shù)的 煤礦 或者其他礦產(chǎn)資源 并不是露于地表而都是從井下進行挖取采集。據(jù)有關數(shù)據(jù)顯示， 煤炭的開采總量中 95%以上都是通過井下開采而得 到 。 從煤礦的角度來看， 由于煤炭多 來源于地下，在煤層中或多或少的包含了瓦斯氣體，瓦斯氣體對于煤礦的開采和井 下的 施工安全都極具挑戰(zhàn)性。近年來，隨著 社會的不斷進步， 礦 產(chǎn) 的開采速度也在不斷加快， 逐漸增加的礦 產(chǎn) 開采總量和 礦產(chǎn)挖掘深度也使得在 礦井下瓦斯突出和爆炸的危險性增 大 。如果在煤礦礦洞中 采用大量的通風孔或者是大通風及直接將瓦斯抽放到大氣中，不 僅會導致 大氣環(huán)境 遭到破壞 ，同樣也不符合國家節(jié)能減排的要求。在重慶大學劉新榮等 在煤層瓦斯涌出量與煤層埋藏深度關系的探討 一文中就曾這樣說到：煤層的掩埋深 度越深，煤層里面涌出的瓦斯總量也就越大 2。自新中國成立后，一共發(fā)生了 14 起特 別重大的事故，每起事故都造成了 100 人以上的人員傷亡。在這些事故中，瓦斯或者煤 塵引起的爆炸事故高達 13 次 3。由于瓦斯事故會造成如此嚴重的后果，必須對這類事 故進行提前預防，而預防瓦斯事故最簡單有效的方法是將煤層里的瓦斯氣體通過鉆孔后 再抽出處理。 不僅僅是因為煤礦安全的原因，就目前情況來看， 在 煤礦安全施工和 地質(zhì) 鉆探施工中應用到 最多的 液壓 鉆機主要有兩種，一種是 液壓 立軸式鉆機，另一種是全液 壓動力頭 鉆機 。 自 20 世紀 90 年代以來，為了保證煤炭能夠在安全的條件下進行生產(chǎn)，大部分的大 型煤礦都在瓦斯含量較高的煤層鉆孔，將煤層里的瓦斯氣體通過所鉆孔抽出在綜合 利用， 這種常用的瓦斯抽放鉆孔設備就是坑道鉆機。這種鉆機通常通過高壓變量泵和定量馬達 來實現(xiàn)無極變速，以去除傳統(tǒng)機械冗重而復雜的傳動機構(gòu) （傳統(tǒng)的傳動機構(gòu)一般由變速 箱來進行變速，采用機械變速的方式，是一種有級變速，而且變速箱通常由齒輪組組成， 重量大，結(jié)構(gòu)復雜，對齒輪的加工精度要求也很高，既不方便操作和維護，同時也只能 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 2 針對一些特定的地質(zhì)環(huán)境進行鉆進） ，且由于煤礦井下空間狹窄，擁有復雜的機構(gòu)的機 械在井下安裝和作業(yè)都非常具有挑戰(zhàn)性，這種結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)速較高 且 工作平穩(wěn)，采用全 液壓傳動，能進行無極調(diào)速，對鉆孔工藝適應性強的優(yōu) 點的鉆機， 使得傳統(tǒng)的機械傳動 的鉆機逐漸被淘汰 。 在目前國內(nèi)市場上使用最多的兩種鉆機中， 立軸式鉆機和 全液壓動 力頭鉆機 各 具有 有優(yōu)點， 因此研究和分析 這 兩 種 鉆機的傳動和控制系統(tǒng) 有著不可或缺的 重要意義 ，也能通過分析了解目前市場上以及各種鉆機在未來的發(fā)展趨勢 。 同時為了 夠 真正地做出一臺適用且高效的煤礦鉆機，就必須要對鉆機的結(jié)構(gòu)和工作原理有了充分的 了解，才能夠根據(jù)實際情況進行有效的創(chuàng)新或改進臺鉆 機。隨著現(xiàn)代化的步伐加快，人 們對工作效率的要求也越來越高， 在對目前鉆探發(fā)展的方向有了充分的理解之后 ，新型 的鉆機的研究和開發(fā)勢在必得 。 液壓系統(tǒng)作為液壓鉆機的核心部分， 其設計主要的參數(shù)是 流經(jīng)液壓系統(tǒng)各執(zhí)行元件 和各種液壓控制閥的 壓力和流量， 一個 液壓系統(tǒng)的設計的優(yōu)劣直接會影響到鉆機的工作 性能和 使用 效率。在目前來看，液壓系統(tǒng)設計的主流依舊是采用簡單的 手動閥、泵 等來 構(gòu)成 相應 的液壓系統(tǒng)，這類的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成相對簡單，但是操作 卻不夠簡便，最為主要 的是 它 很 難于實現(xiàn)自動化控制的需求。隨著發(fā)展的不斷進步，自動化 趨勢越來越明顯 ， 在充分融入 可編程序控制器（ PLC）的基礎 上說發(fā)展而來的 新型液壓系統(tǒng) 必將 是主流發(fā) 展趨勢。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 鉆探設備多使用于野外環(huán)境 ，工作條件 相對其他設備來說 比較惡劣，載荷變化范圍 大， 導致 發(fā)動機 的工作狀態(tài) 經(jīng)常偏離低油 量消 耗區(qū)， 既消耗了燃油，工作效率也不高， 機器性能得不到充 分發(fā)揮 ，況且，為了便于維修和護理，有時甚至 還 需要 將鉆探設備進 行 搬遷和運輸，因此， 無論從其重量或者 體積 上來說都會受到 很大的限制。從 20 世紀 中期以來，液壓技術 陸續(xù)在鉆探設備上使用，由于當時的液壓元件的制造精度不高，完 善性也不好、成本高，導致 最初的液壓技術也僅僅只 能 用于鉆機的給進系統(tǒng)。隨著液壓 技術的快速發(fā)展，全液壓鉆機 在世界各國都相機被推出， 由于液壓鉆機的工作效率相對 較高且操 作簡單，使用和推廣的速度也 就 較快，特別是 針對煤礦井下安全生產(chǎn)的 液壓鉆 機。 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 3 液壓鉆機的出現(xiàn)不僅讓施工的安全性得到了很大的提高，同時也能增強一個企業(yè)的 自動化水平，減少鉆井的輔助時間以及主要工作機械的搬遷時間，使生產(chǎn)效率得到了提 高，也 能 將煤礦中煤層中最具有威脅性的瓦斯氣體抽出，使得井下工作人員的安全得到 了更好的保證，也為井下機械提供了可靠的工作環(huán)境，全液壓坑道式鉆機的主機采用液 壓傳統(tǒng)，其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，傳動平穩(wěn)，動作準確，可以在大范圍內(nèi)實現(xiàn)無極調(diào)速， 也比傳統(tǒng)的機械傳動類機械更容易獲得各種復雜的動作。 液壓系統(tǒng)作 為 全液壓 鉆機的 核心 組成部分， 它的發(fā)展 歷程很漫長 。在國外， 20 世紀 80 年代以前，由于當時工業(yè)水平有限，很多情況下我們都只能考慮液壓系統(tǒng)工作能力 的可靠性及其成本，采用 的都是 定量泵 提供液壓油源的 液壓系統(tǒng)，也就是說液壓系統(tǒng)是 由定量泵供油， 在 回路中并聯(lián)一個溢流閥， 也就是 通過改變回路中流量控制元件通流面 積的大小來控制流入執(zhí)行元件或自執(zhí)行元件流出的流量，利用節(jié)流調(diào)速方法來調(diào)節(jié)執(zhí)行 元件的速度，這種方法 雖然 功率損失大，效率低，但由于其結(jié)構(gòu)簡單成本低等優(yōu)點，依 舊在廣泛的被使用中 4。從 1994 年開始，中國煤炭工業(yè)部要求全液壓鉆機的效率大于 43%，且煤礦生產(chǎn)能力的不斷加大，煤礦設備所需求的功率也越來越大，這也就使得傳 統(tǒng)的定量泵液壓系統(tǒng)越來越滿足不了當前的工業(yè)需求 1。在鉆機鉆進過程中，負載 也 不 是恒定不變 的 ，在 這種 變負載的系統(tǒng)中，定量泵的效率也 就 不能滿足要求。在負載變化 的過程中， 在 充分 考慮到 使全液壓鉆機工作效率提高的同時，又要 相應 減少燃油的損耗 ， 由初期的定量泵改為變量泵， 也就是 通過變量泵來隨時調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力和流量，讓 鉆機 能夠 穩(wěn)定高效的運行 。自機電一體化 逐步 整合到鉆機上 ，液壓鉆機一般通過電機通過聯(lián) 軸 器直接與液壓泵相連，鉆機的結(jié)構(gòu)也越來越緊湊，在這 幾十年的發(fā)展歷程 中 ，液壓系 統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)有了較為成熟的進步， 使得 全 液壓 鉆機 的液壓系統(tǒng)也 有了更多的控制方法 和手段。 液壓鉆機在國外的發(fā)展較早，生產(chǎn)液壓鉆機的企業(yè)也有很多。法國的 AMG 公司總 結(jié)多年的鉆機使用經(jīng)驗，經(jīng)過多次的改良設計的 TD-1500S 全液壓鉆機，由于性能優(yōu)良， 效率高，占據(jù)著國外鉆探市場很大的份額 5。隨著液壓傳動技術的日益發(fā)展以及 液壓 元 件 的 制造技術的不斷提升，給全液壓鉆機的發(fā)展提供了技術支持 和發(fā)展方向 。除了典型 的 TD-1500S 的全液壓鉆機外，國外還 有很多先進的全液壓鉆機，如阿特拉斯研發(fā)生產(chǎn) 的 ECM-580 型液壓鉆機、加拿大阿特拉斯 .科普柯公司研究的 CS1000P6L 全液壓鉆機、 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 4 澳大利亞威力朗沃礦業(yè)設備公司的 VLD-1000 型鉆機，這些鉆機機構(gòu)動作平穩(wěn)、系統(tǒng)穩(wěn) 定可靠到、效率高。而且隨著電液比例技術的應用，國外先進鉆機設備制造商開始研究 用電液比例技術的智能自動化鉆進技術技術及其設備，并且取得了一定的成果。在上個 世紀末 ， 國外很多家生產(chǎn)企業(yè)都已經(jīng)推出了自己的全自動鉆機，這類鉆機能降低工人的 勞動強度，對工人的要求也更加低，這類鉆機無論在國外還是國內(nèi)，其發(fā)展前景 都是相 當樂觀的。 從 1958 年 開始著手研制全液壓鉆機 ， 但是由于液壓元 件 的研制和生產(chǎn)產(chǎn) 能 跟不上 等原因， 鉆機 的研制工作進展十分緩慢，甚至曾一度中斷過。 從上個世紀八十年代后， 為了積極響應國家環(huán)保政策，從加拿大引進了 CT-155 液壓鉆機，在國內(nèi)設備技術人員 的積極攻關下，在九十年代初仿制并推出了一款當時國內(nèi)功能最為齊全的 全 液壓鉆機 DY-30。隨后國內(nèi)很多的廠家也開始積極研究， 例如 煤炭系統(tǒng)鄭州煤礦機械廠的中州 1200 米 全液壓轉(zhuǎn)盤鉆機，石家莊煤礦機械廠的 K56 800 米 全液壓 動力頭 鉆機 ，地質(zhì) 系 統(tǒng)的 XD 600 米 全液壓動力頭鉆機和冶金系統(tǒng)的 100 米 、 250 米 坑道用全液壓動力頭 鉆機， 其中 還 包括較為典型的 ZDY3200S 和 ZDY540 型 等 全 液 壓鉆機。這類鉆機為井 下 礦產(chǎn)安全生產(chǎn)提供一種先進的設備 同時也給 礦產(chǎn)的安全挖取提供了有利 的保證。 就 目 前來看，我國很多自行設計并生產(chǎn)的鉆機，無論在給進 性能 還是鉆機重量指數(shù)、功率指 數(shù)等技術參數(shù)都基本達到或接近國外同 類 鉆機的技術水平。但是 由于 我國的工業(yè)基礎較 低， 鉆機 的生產(chǎn)制造工藝有時打不到設計要求，以及材質(zhì)質(zhì)量低等各種 原因， 以致影響 鉆機的可靠性和耐久性 ； 同時在鉆機零件生產(chǎn)上也還尚未實現(xiàn)標準化 和通用化，鉆機品 種與系列 尚 不甚齊全 。 對于液壓鉆機的研究和發(fā)展 上 ， 我 們 離發(fā)達國家的差距還很大， 還有很長的 一段 路 程 要 去 走。 1.3 論文的主要研究內(nèi)容 全液壓鉆機的液壓系統(tǒng)是設計過程中的重點，其主要控制鉆機各部件的動作執(zhí)行， 液壓系統(tǒng)設計的優(yōu)劣性直接關系到液壓鉆機的性能和功效。 基于上述研究現(xiàn)狀和相關設 計背景， 本文主要針對實驗室已有 ZDY540 型的坑道式 全 液壓鉆機進行研究和分析，主 要內(nèi)容如下： 對目前 市場上比較成熟的 兩類 鉆機 （ 立軸式 鉆機和液壓動力頭式鉆機 ） 進行 市場 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 5 調(diào)研， 從施工效率、 施工 成本、施工質(zhì)量 以及 鉆機自適應性 對比 來分析鉆機的性能， 推 測未來 鉆機市場發(fā)展方向。 ZDY540 型 全 液壓鉆機 從結(jié)構(gòu)上來說 為煤礦用全液壓動力頭式鉆機，充分了解其 結(jié)構(gòu)和工作原理 ，對其主要基本部件進行簡單的介紹 。 根據(jù)鉆機相關技術參數(shù)，對現(xiàn)有的鉆機液壓系統(tǒng)進行研究 和分析 ， 根據(jù)相關設計 要求，繪制出 鉆機 的 液壓系統(tǒng)原理圖。 對液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)進行計算，得出結(jié) 論 ， 并根據(jù)計算結(jié)果對液壓控制系統(tǒng)執(zhí) 行元件進行 選型。 根據(jù)企業(yè)相關要求，結(jié)合當前生產(chǎn)形勢以及生產(chǎn)力水平， 將 PLC 控制理念融入到 鉆機的液壓系統(tǒng)中， 達到自動化 設計 要求。 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 6 第 2 章 鉆機的市場調(diào)研及發(fā)展 方向 液 壓立軸式鉆機和液壓動力頭 （移動回轉(zhuǎn)式） 鉆機是目前市場上以及在 地質(zhì)鉆探施 工中所應用最多的兩種鉆機。立軸式鉆機在我國于上世紀六十年代研制成功 之后 ，歷經(jīng) 數(shù)十年的改良 和創(chuàng)新 ，是 目前 地質(zhì)鉆探 中所用到 的主要機器設備 。動力頭鉆機 問世時間 比立軸式鉆機要晚 ， 因其 具有極其優(yōu)良的技術性能， 一問世就受到極大的關注，發(fā)展速 度快 ， 幾十年的發(fā)展和改進之后， 成熟的產(chǎn)品也比較多，后來者居上。 在我國，全液壓 動力頭鉆機的發(fā)展比起發(fā)達國家要晚很多，而且由于各種技術水平低，工業(yè)水平 也與其 他 發(fā)達 國家有很大的差距，因此曾有很 大一段時間停止發(fā)展過。 2006 年，在國家科技攻 關項目和地質(zhì)大調(diào)查項目的聯(lián)合支持下，勘探技術研究所率先在國內(nèi)推出具有實用水平 的 YDX-3 型 1000m 動力頭鉆機 6。 這臺 鉆機從問世起， 就有了 極高的關注率，不僅 僅 在國內(nèi)銷售，甚至還出口到澳大利亞和伊朗等國家。那么這兩種鉆機究竟有什么優(yōu)點 呢？ 兩者之間未來的發(fā)展又是怎么樣呢？通過相關市場調(diào)研，采用對比分析的方法，來對兩 種全液壓鉆機的主要特性進行分析。 2.1 鉆機的主要特性對比 如何評估一臺鉆機的性能優(yōu)劣性， 不僅僅 只是檢查 鉆機 是否 能夠滿足鉆進工藝、使 用、制造、維修、運輸和環(huán)境保護等各方面的要求，還要充分考量鉆機 在 施工效率、 施 工成本 以及鉆機 在 各種不同鉆孔工藝下 的適應性 。既然這兩種鉆機的應用都十分廣泛， 那么 從 鉆機的鉆進工藝、使用制造以及維修方面等各方面 肯定 都能 夠 滿足要求以及符合 國家的各項法律法規(guī)。 在相同的鉆進條件下，鉆進工藝相同，不同鉆機的施工時間以及 施工后的質(zhì)量都是不相同。 下面 分別 讓鉆機在相同的鉆進工藝和鉆進條件下，通過比較 兩類鉆機的鉆進時間以及鉆進后鉆孔的質(zhì)量甚至是施工成本方面來對其進行分析和對 比。 2.1.1 施工效率對比 從回轉(zhuǎn)器的類型來看動力頭鉆機 和 立軸式鉆機 ，動力頭鉆機 具有以下突出的優(yōu)點： （ 1）導向性好，而且能夠減少機上鉆桿的擺動，可以實現(xiàn)水平、傾斜甚至是仰孔 等全方位鉆孔需求。 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 7 （ 2）給進行程長 。對于 3m 左右的 進程 ， 移動回轉(zhuǎn)式 （動力頭） 鉆機可 一次進給 完 成 ，而立軸式鉆機至少 需要 倒桿 4 次。每次倒桿 都會消耗 一定的時間 ， 最為重要 的是重 復倒桿 后 有 可能造成巖心斷裂，使得倒桿后重新鉆進 的 速度 減 慢， 而且?guī)r心 被堵塞的幾 率 也 大大增加 。在 較軟 的 地質(zhì) 層鉆進時 ， 每次的 倒桿都會使得巖心被堵塞，既不利于鉆 機的鉆進，同時還增加了時間，使得效率大為降低 。因此動力頭鉆機 在 這方面明顯優(yōu)于 立軸式鉆機。 （ 3） 動力頭 鉆機鉆進時 不 使 用鉆塔， 可以 減少搭建鉆塔的時間，同時也可以節(jié)約 一定的成本 ，在交通不便地區(qū) ， 運輸存在極大問題的時候，這種 優(yōu)勢也就越加 明顯 。動 力頭鉆機 在 搬遷 時 可以 根據(jù)需要將主機分為 幾部分 ， 搬遷時間 相對 較短 減 而 立軸式鉆機 搬遷 過程 相對 較為 繁瑣， 所用 的時間也就越長 。 為了對兩類鉆機進行準確的比較，現(xiàn) 將 影響 兩種 不同 鉆機 的施工效率的主要因素 列于表 2-1。 表 2-1 液壓動力頭鉆機與立軸式施工效率的比較 影響因素 液壓動力頭鉆機 立軸式鉆機 給進行程 長 較短 機械鉆速 較高 較低 回次長度 較長 較短 鉆頭壽命 較長 較短 起鉆間隔 較長 較短 起下鉆速度 較慢 較長 平機臺時間 較短 較長 運輸時間 較短 較長 設備安裝時間 較短 較長 接單根時間 較短 較長 倒桿時間 無 有 在鉆進過程中，由于需要同時考慮到 巖層不同硬度對鉆探施工的技術指標 會有一定 的 影響 ，分別讓兩種鉆機在軟巖和硬巖中鉆進 1000m， 統(tǒng)計鉆進 所需的 時間， 鉆機搬遷 說消耗的時間不在 表格中列出 ， 其結(jié)果 分別 見 表 2-2 和表 2-3。 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 8 表 2-2 兩種鉆機 1000m 深 軟巖 鉆進 的 施工效率 對比 動力頭鉆機 立軸式鉆機 機械鉆速 (m/h) 1.8 1.5 回次長度 (m) 2.8 2.5 起鉆間隔 (m) 50 45 起下鉆速度 (m/h) 170 510 鉆進總時間 (h) 556 667 起下鉆總時間 (h) 124 45 撈巖心總時間 (h) 177 197 額外倒桿總時間 (h) 0 133 鉆進施工時間 (h) 857 1042 表 2-3 兩種 鉆機 對 1000m 深 硬巖鉆進的 施工效率 對比 動力頭鉆機 立軸式鉆機 機械鉆速 (m/h) 1.3 1.1 回次長度 (m) 2.8 2.5 起鉆間隔 (m) 30 27 起下鉆速度 (m/h) 170 510 鉆進總時間 (h) 769 909 起下鉆總時間 (h) 208 74 撈巖心總時間 (h) 175 196 額外倒桿總時間 (h) 0 133 鉆進施工時間 (h) 1152 1313 為了能 夠準確的將兩種類型的鉆 機的施工 時間進行準確的比較 ，讓兩類 鉆機 分別 在 軟硬不同的地質(zhì)層 進行 2000 以下 鉆進 ， 在不同的深度分 別 統(tǒng)計兩類鉆機 施工 的時間 ， 其施工時間統(tǒng)計結(jié)果分別列于表 2-4 和 表 2-5。 表 2-4 兩種鉆機在軟巖中施工不同深度 所需鉆孔 時間比較 鉆孔深度（ m） 鉆進施工時間（ h） 動力頭鉆機比立軸式鉆機節(jié) 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 9 動力頭鉆機 立軸式鉆機 省時間 500 382 492 28.7% 1000 857 1042 21.6% 1500 1421 1657 16.6% 2000 2079 2326 11.9% 表 2-5 兩種鉆機在硬巖中施工不同深度 所需鉆孔 時間比較 鉆孔深度（ m） 鉆進施工時間（ h） 動力頭鉆機比立軸式鉆機節(jié) 省時間 動力頭鉆機 立軸式鉆機 500 510 620 21.7% 1000 1152 1313 13.8% 1500 1916 2082 8.7% 2000 2825 2919 3.3% （ 1） 從 上述 數(shù)據(jù)表明，在對軟地質(zhì)層進行鉆進時，無論是立軸式液壓鉆機還是全 液壓 動力頭 鉆機 ， 鉆進 施工 時間都 比較長 ， 相比 立軸式液壓鉆機，全液壓動力頭鉆機 依 舊 具有絕對的優(yōu)勢 。 （ 2） 從上表中數(shù)據(jù)可以看出， 鉆進 2000m 以內(nèi)的 孔，無論 地質(zhì)層的 軟硬程度如何 ， 在鉆進相同深度的條件下， 動力頭鉆機 鉆孔 的 施工時間總是 比 立軸式鉆機 要少 ， 在高節(jié) 奏 高效率的發(fā)展時代 具有絕對的優(yōu)勢 。在 較軟的 地質(zhì)層 鉆進 時， 由于 動力頭鉆機 的給進 行程 比 立軸式鉆機的給 進 行程長， 無須 經(jīng)常起拔鉆桿，巖 心 被破壞的幾率也比 立軸式 鉆 機 要小很多 ，加工所需的 輔助 時間也就 更加少 ，動力頭鉆機節(jié)省時間要更多一些，而且 可以延長鉆頭的使用壽命 。 上述的 對比之中， 只是 針對兩個鉆機 進行鉆孔時 所需 的時間進行對比，在鉆孔 深度 2000m 以內(nèi)的 孔 ， 全液壓動力頭 鉆機具有絕對的優(yōu)勢， 鉆進 工時短， 可以 節(jié)約人力資源 和 成本 ，既經(jīng)濟又可靠 。 2.1.2 施工質(zhì)量對比 動力頭鉆機 給進 行程 長 ， 而立軸式鉆機 相對較短， 在一個回次中倒桿 往往 要比動力 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 10 頭鉆機多 好幾 次。 重復多次的倒桿 可能 會 造成巖心 的斷裂，導致巖心被堵塞， 使后續(xù)的 鉆進受阻， 生產(chǎn)效率 也 會因此受到影響。如果是在軟地質(zhì)層進行鉆進，由于較軟的地質(zhì) 層結(jié)構(gòu)本身不穩(wěn)定，重復次的倒桿加速了巖心的碎裂，不僅生產(chǎn)效率低，出現(xiàn)故障的幾 率也更大 。 由于這個原因，動力頭回轉(zhuǎn)式鉆機無論是在巖心采取或者鉆孔 質(zhì)量 上 都要比 立軸式鉆機 有更明顯的優(yōu)勢 。 同時，動力頭鉆機施工時的長給進行程會 使施工過程 更加 平穩(wěn)，對于改善施工過程 以便 達到更高的標準提供了技術保障。 2.1.3 施工成本對比 鉆機的施工成本不能僅僅從購置成本來考慮，還要充分考慮施工效率和 重置成本。 動力頭鉆機的購置成本 雖然比 立軸式鉆機 要 高 許 多，但由于施工效率 更 高， 在 購置相同 時間后，所產(chǎn)生的經(jīng)濟效 益 比 立軸式 鉆機要高很多，從 另一方面 說，經(jīng)濟收益的增高也 就使得 成本有所 降低 ，而且當產(chǎn)品壽命達 到 使用期限時，設備的折舊費也要高很多 。 從 長遠的角度來看，全液壓動力頭鉆機的施工成本還是明顯低于立軸式鉆機的 ，而收益卻 要高很多。長給進行程不僅帶來施工效率的提升，也使得鉆頭的使用壽命延長，維護和 保養(yǎng)消耗的成本也更加低 。 2.1.4 鉆機適應性對比 為了能使鉆機的利用率達到更高，一般對于一臺鉆機，我們往往希望它 能實現(xiàn)更多 的功能或者說是能夠滿足不同的鉆進工藝性等。然而，不同的鉆機工藝，對鉆機的速度 的要求也就不一樣，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速的鉆機的勢必會更加容易獲得各煤礦開采 企業(yè)的青睞。在相同的工藝條件下，動力頭鉆機的轉(zhuǎn)速范圍更大，可以根據(jù)不同的地質(zhì) 層即時調(diào)整鉆機的轉(zhuǎn)速，采用全液壓控制方式，可以進行無極調(diào)速，適應能力比 立軸式 鉆機要強很多。動力頭鉆機無需鉆塔，施工前無須針對鉆進場地進行特殊布置 ，動力頭 鉆機的機架可調(diào)節(jié)傾角，以便適應 能施工不同傾角的鉆孔。 2.2 鉆機 發(fā)展方向 從上述 比較 結(jié)果來看， 全液壓動力頭鉆機無論 在 施工效率、施工質(zhì)量還是鉆進工藝 的 適應性等 各方面都更勝 于立軸式鉆機。 盡管現(xiàn)在我國全液壓動力頭鉆機的研究還處于 初級階段 ，但 隨著 科學技術的不斷發(fā)展，工業(yè)基礎水平也在不斷提高， 液壓元件的 制作 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 11 成本會逐漸下降， 全液壓動力頭鉆機的制造成本也就相應下降， 而制造的精度越來越高 的同時也會為全液壓動力頭鉆機帶來更加 廣闊的 發(fā)展前景 。全液壓動力頭鉆機 由于施工 效率高、施工質(zhì)量好、事故率低、鉆機適應性強和輕便等特點 ， 會使得全液壓動力頭鉆 機比立軸式鉆機的優(yōu)勢更加突出 6。 隨著可編程序控制器 （ PLC） 在液壓領域的進一步 使 用，自動化的趨勢將會更加明顯，可編程序控制器控制的全液壓動力頭鉆機將是未來 一段時間的主要發(fā)展趨勢 。 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 12 第 3 章 全液壓 動力頭 鉆機 基本 結(jié)構(gòu)簡介 全 液壓動力頭 鉆機 在未來具有很大的前景，是我國鉆機開發(fā)和研制的主要發(fā)展方 向，了解一臺動力頭鉆機的基本結(jié)構(gòu)對于未來進行創(chuàng)新和改造有著重要的意義?；?實驗室已有的液壓動力頭鉆機，對其 基本 結(jié)構(gòu)進行簡單 介紹。 ZDY540型煤礦 用鉆機 是 動力頭式全液壓鉆機 ， 它 的 主要 用途是 用 來針對煤礦井下施工時 所需的 注水孔、地質(zhì) 勘探孔以及其他工程孔的鉆進， 它還有一個更為重要的用途，就是對于煤礦施工時瓦 斯抽放孔的鉆進， 偶爾也 可 用它來鉆進一些地表用于勘探的孔或者工程孔。 這臺鉆機 可以用于一般 硬質(zhì)合金 的取芯 鉆進， 還可以 利用沖擊器進行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進 ，能夠適用 于不同的鉆進工藝，擁有超強的鉆進工藝適應能力 。 3.1 主機 主機由回轉(zhuǎn)器、給進裝置、夾持器及機架組成 7。 3.1.1 動力頭部分 回轉(zhuǎn)器部分和卡盤部分以及連接它們的連接器部分統(tǒng)稱為動力頭部分 （結(jié)構(gòu)簡 1回轉(zhuǎn)器 2 給進裝置 3 夾持器 4 機架 圖 3-1 液壓鉆機主機 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 13 圖如圖 3-2所示） ，動力頭部分是 液壓動力頭 鉆機 最為主要的部分，是產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動和 傳遞軸向給進的主要部分， 工作能 力的大小、效率和穩(wěn)定性 都 將直接影響 到 鉆機的工 作性能。 ZDY540型 全液壓動力頭 鉆機的 回轉(zhuǎn)器由擺線油馬達、變速箱組成。變速箱由二 組直齒輪組成一級傳動 副 ，回轉(zhuǎn)傳動經(jīng)變速后進行輸出， 可以 2檔變速，其變速比分別 是 1.6和 3.43。擺線油馬達 通過帶動花鍵軸上的雙聯(lián)齒輪來 變換雙聯(lián)齒輪與主軸上齒輪 的嚙合位置， 可以讓主軸 獲得兩級轉(zhuǎn)速范圍； 主軸采用空心結(jié)構(gòu)，鉆桿可從中 穿 過 ； 回轉(zhuǎn)器安裝在給進裝置的拖板上，借助單油缸的直推作用， 可以 沿機身導軌往復移動 8。 液壓卡盤 位于動力頭的前端， 一般由夾緊元件、中間傳力機構(gòu)和夾緊動力裝置 等組成，是 其 核心 組成 部 分 。 件 其功能是向鉆桿提供導向和進行上、下鉆桿操作時夾 持穿過主軸中的鉆桿，使動力頭帶動鉆桿一起轉(zhuǎn)動，達到傳遞轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的目的。 它 1馬達 2主軸 3齒輪 4軸承 5箱體 6油缸 7蝶 簧 8卡瓦套 9卡盤 外套 10卡瓦 11防塵罩 12圓螺母 圖 2-2 動力頭 結(jié)構(gòu)簡圖 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 14 的 工作條件最為惡劣，它 不僅要夾緊鉆桿，還要 把來自于回轉(zhuǎn)器的回轉(zhuǎn)運動和來自于 給進機構(gòu)的給進傳遞給鉆桿，使鉆桿可以破碎土層和在孔內(nèi)軸向運動，所以既要承受 軸向載荷也要承受回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。 卡盤夾緊元件作用是徑向夾緊鉆桿，有卡瓦式和柱銷式兩種，本 鉆機 采用 的是 常見 的卡瓦式；中間傳力機構(gòu)作用是改變力的大小和方向的機構(gòu)，它將軸向運動 轉(zhuǎn)換成徑向 運動也可以將其他的力轉(zhuǎn)換為加緊力，有時候錯用的某些傳動機構(gòu)還具有增力 作用； 夾 緊動力裝置是產(chǎn)生卡盤軸向運動或者力的機構(gòu)，可以分為機械式和液壓式兩類，這里采 用液壓式 910 液壓卡盤按初始狀態(tài)分為常開式和常閉式兩大類，常開式即不通入液壓油時， 卡盤 是松開的，通入液壓油后，卡盤動作夾緊鉆桿；常閉式即沒有通入液壓油時卡盤通過其 他 的外作用 力，如彈簧力夾緊閉合，通入液壓 由后利用 油 的 壓力使 兩端彈簧壓縮， 卡盤 松開。根據(jù)市場需求 和液壓鉆機的性能需求 ，本鉆機采用的是常開式液壓卡盤。 常開式 液壓卡盤分為全液壓卡盤和膠桶式液壓卡盤 12。 全液壓卡盤是指卡盤的夾緊和松開都 利于液壓油的壓力作用，卡盤自然狀態(tài)也是松開的，故屬于常開式液壓卡盤。活塞與卡 盤外殼之間有 2 個密封空間 A 和 B，通入液壓油時活塞能夠在軸向上往復運動，這樣 會使卡瓦在徑向夾緊或者松開鉆桿。這種結(jié)構(gòu)類似于液壓油缸，原理和組成都很簡單， 可以承受較大的液壓油壓力，故可以產(chǎn)生較大的夾緊力，并且徑向移動距離可以通過改 變密封空間的大小來調(diào)節(jié)，適用范圍較大。但是因為它的 所有 動作都必須依靠液壓油壓 力，如果液壓系統(tǒng)漏油或者損壞停止工作，并沒有安全保護措施阻止鉆桿的非施工動作， 可能造成事故。并且油 缸外置，整個結(jié)構(gòu)的徑向尺寸較大，在回轉(zhuǎn)時可能面臨更多動不 平衡問題。膠筒式液壓卡盤是較為新型常開式液壓卡盤，該液壓卡盤利用膠筒的伸縮性， 在通油和不通油時位置差異來夾緊或者松開卡盤。 這類型 液壓鉆機 卡盤由后端蓋、卡盤 外殼、膠筒、卡瓦、 蝶形 彈簧組、前端蓋等組成 ， 基本 結(jié)構(gòu)圖如圖 2-3 所示 。進油時， 液壓油經(jīng)卡盤后端蓋上孔組進入膠筒外側(cè)的密封腔中，液壓油壓力作用膠筒使其向下膨 脹，彈簧由自然狀態(tài)被壓縮，同時 迫使卡瓦組軸心移動，從而夾緊鉆桿；回油時，彈簧 復位，使卡瓦組徑向遠離孔口中心， ，卡盤松開。膠筒式液壓卡盤 加緊力和膠筒的 面積 大小是分不開的， 膠筒表面積 越 大， 膠筒表面受到 的液壓力也就越大，加緊力就越大， 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 15 但是由于這種類型的卡盤 對密 封性要求較高，液壓油壓力過大時 ， 漏油 的現(xiàn)象也就很容 易 發(fā) 生 。 3.1.2 給進裝置 給進裝置由機身、給進油缸及拖板等部件組成 12。 液壓鉆機的 機身用槽鋼焊接成矩 形殼體， 在 上方 鋪上 導軌， 將 油缸 安 裝在殼體中央， 讓殼體的端部與油缸的尾端連接在 一起 ， 油缸 活塞 桿 則 通過鉸支座與拖板相連，拖板 和 導軌 間則 采用卡槽式相連 的方式 ， 這樣 活塞桿的伸縮 運 動 也就使得 拖板 可以沿 機身導軌往復移動。拖板與回轉(zhuǎn)器之間 一邊 以 銷軸 連接在一起 ， 另 一邊 則 用鉸接螺栓 將 回轉(zhuǎn)器 固定在 拖板上 。 通過 粗徑鉆具時，可 以 將連接 回轉(zhuǎn)器和托板 的 鉸接螺母 松開 ， 讓 回轉(zhuǎn)器翻向銷軸一側(cè)， 將 孔口 退讓 開 。給進 1卡瓦 2傳 拉 盤 3后蓋 4端壓環(huán) 5卡盤 體 6支承環(huán) 7膠筒 8前蓋 9 傳扭盤 10彈簧 11前壓蓋 12滑板 圖 2-3 膠 筒 式 液壓卡盤結(jié)構(gòu)圖 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 16 裝置 整體則 用鎖緊軸瓦 將其 固定在機架的前、后橫梁上 ，使結(jié)構(gòu)更加緊湊 。 3.1.3 夾持器 夾持器也是 液壓鉆機的重要 組成 部件 。 夾持器 通過 螺栓 整體 固定在鉆機機架的前 端， 在鉆孔施工 過程 中上下鉆桿時用它來夾緊鉆桿，并且 當 鉆機 在 鉆進時， 可以 對鉆 桿起一定的導向作用。 在鉆機鉆進結(jié)束，起拔結(jié)束后，機器停機 需要 將 鉆桿 擰卸 時， 它可以 與動力頭 相互 配合進行機械 式 擰卸鉆桿。 夾持器由外殼、卡瓦座、卡瓦組、夾 持器軸、碟形彈簧組、銷軸等零件組成。 和液壓卡盤相似，通過粗徑鉆具時， 拔下 夾 持器 銷軸， 讓 夾持器 向 側(cè)向翻轉(zhuǎn)。 和卡盤不同的是，夾持器中有兩根插桿， 如果要通 過 粗徑鉆具 ，可以 將 插桿抽出，取出 卡瓦 ， 使 夾持器 通孔 擴大 。夾持器 通常 采用浮動 復合常閉式結(jié)構(gòu)， 既 簡單實用， 又讓其 靈活可靠，可左右浮動以減少鉆孔跑偏后卡 瓦和鉆桿之間的相互過度磨損，提高鉆機的適應性和卡瓦的使用壽命 13。 3.1.4 機架 鉆機 機架由立柱、支撐桿、立柱橫梁、支撐桿橫梁、加長桿、爬履式底座等組 成。 它 用于 將動力頭 鉆機 固定 ， 通過 改變前、后橫梁在立柱和支撐桿上的位置， 就 能 夠根據(jù) 不同的 鉆進條件來 調(diào)整 主機 機身的傾角，使鉆機的適應性更強 。 1卡瓦座 2卡瓦 擋 蓋 3卡瓦 4夾持器 殼 體 5密封圈 6活塞 7端蓋 圖 2-4 液壓 鉆機夾持器結(jié)構(gòu)簡圖 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 17 3.2 泵站 液壓泵站是一個液壓系統(tǒng)的重要部件，是各種元、附件組合而成的整體，作為液壓 系統(tǒng)的動力源 ， 不僅要為整個液壓系統(tǒng)存放一定 清潔度的工作介質(zhì)，同時還需要輸出一 定壓力、流量的液體動力的裝置 14。液壓泵站通常由液壓泵組、油箱組件、控溫組件和 過濾器組件等幾個部分組成，每個部分各有各的作用。 液壓泵組由液壓泵、原動機（通 常情況下使 用的是電動機）、聯(lián)軸器組成，油箱組件包括 油箱、液位計、通氣過濾器和 放油塞 等 ；為了能夠保證液壓系統(tǒng)始終在良好的環(huán)境下運行，還需要用控溫組件來控制 油箱中油液的溫度，控溫組件由溫度計、加熱器、冷卻器組成 ，現(xiàn)在相對先進的控溫組 件中還包括有溫度傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測并控制油溫；液壓系統(tǒng)中油液的清潔度會影響 到液壓元件和控制閥，通過安裝各種過濾器，可以分離油液中的固體顆粒、防治堵塞小 截面通道，保證油液的清潔度， 如 : 吸油濾油器、回油濾油器、 空氣濾清器 等。 3.3 操作臺 鉆機的核心設計是液壓系統(tǒng)，無論以前八九十年代的液壓鉆機還是現(xiàn)在的新型鉆機， 都離不開控制中心，這個控制中心 就是 由多個液壓控制閥、壓力表及部件組成 的操作臺 。 1電動機 2聯(lián)軸器 3液壓 泵 4冷卻器 圖 2-5 液壓 泵 站 簡 圖 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 18 操縱臺上 通常 設有 控制馬達回轉(zhuǎn)、起下鉆、卡盤夾持器夾緊和松開等多 個操作手把， 為 了讓系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，還要有 調(diào)節(jié)壓力的 手輪， 為了能對液壓鉆機的狀態(tài)進行實時監(jiān)測， 也還需要 回油壓力表、泵系統(tǒng)壓力表、給進壓力表 等多 塊壓力表。 油管 選用 密封可靠， 裝拆方便 的油管 ，可防止油液漏失及臟物進入液壓系統(tǒng)。 各操縱手把的操作方法和功能 也應改在操作面板上表示出來。 3.4 ZDY540 型全液壓鉆機的結(jié)構(gòu)特點 (1)主機、泵站、操縱臺 3 大 主要 部分組成 的全液壓鉆機 ， 可以根據(jù)不同施工場景 進行拆解，同時由于各部分之間的重量和體積也不是太大， 搬遷方便， 對 鉆 機 場 地的 布 置 也就更加 靈活 。 (2)液壓自動擰卸鉆具， 無需手工拆卸，在大量使工人勞動強度降低的同時也使得工 作效率大大提升。 (3)鉆機能夠 進行無級調(diào)速， 簡化傳動部分不僅 減輕了傳動部分的體積和重量 還可 讓 鉆機的轉(zhuǎn)速和扭矩 在大范圍內(nèi)調(diào)整， 使 鉆機對不同鉆進工藝的適應能力 得到改善 。 (4)夾持器為常閉式結(jié)構(gòu)，可有效防止施工過程中跑鉆現(xiàn)象的發(fā)生，滿足大角度傾斜 孔施工需要 15。 (5)通過操作 臺集中操縱 ，可以 使操縱人員遠離孔口一定距離， 避免 因偶然失誤 而 造 成 的危險和傷害， 確保 人身安全 。 (6)采用通孔式結(jié)構(gòu) 的 回轉(zhuǎn)器，鉆桿長度不 再 受 到 鉆機給進行程的限制 ，因此在合適 的情況下可 以使用較長的鉆桿，以減少上鉆桿的時間。 (7) ZDY540 鉆機的設計采用通用性強的液壓元件，使得鉆機在出現(xiàn)故障時也能更 加方便的進行維護和修理 。 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 19 第 4 章 ZDY540 全液壓鉆機液壓系統(tǒng)設計 4.1 ZDY540 全液壓鉆機主要 參數(shù) 根據(jù) 相關 市場調(diào)研以及 能力范圍，只能對實驗室已有動力頭鉆機進行相關分析和系 統(tǒng)設計 ， 其主要技術 參數(shù) 如表 3-1 所示。 表 3-1 ZDY540 全液壓動力頭鉆機主要參數(shù) 4.2 給進液壓系統(tǒng)的工況分析 ZDY540 鉆機的液壓系統(tǒng)需要執(zhí)行三個 基本 功能，分別是回轉(zhuǎn)、 給進 和 夾持 功能 。 在 鉆機 系統(tǒng) 的設計過程中 ， 每 執(zhí)行 一個功能 都 應該有一個相應的執(zhí)行元件，因此 這三個 功能 就 分別由三個 液壓 執(zhí)行元件來完成。 這三個執(zhí)行元件分別是液壓馬達和給進油缸和 卡盤夾持器，液壓馬達提供回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，給進液壓油缸為鉆機提供給進力和 起拔鉆具所需的起拔力，卡盤夾持器用于夾緊或松開鉆桿， 兩者 相互配合還可以 自動 擰 卸鉆桿 16。 動力分析： 在 鉆機的運行當中，給進油缸的負載力 處于 變動狀態(tài) ， 以下 則 針對給進油缸進行動 力分析，液壓缸在快速進、退階段，啟動時， 給進 油缸的 外負載 是 導軌靜摩擦力， 在 加 速 過程 中 的外負載是導軌動摩擦力和慣性力，恒速 運動 是動摩擦力，在鉆進階段，外負 載是工作負載 也就是 鉆進阻力和動摩擦阻力。起拔階段時， 外負載 是起拔阻 力和動摩擦 阻力。 靜摩擦負載 回轉(zhuǎn) 參數(shù) 給進 參數(shù) 使用 范圍 轉(zhuǎn)速 范圍 低速檔 ： 1070r/min 高速 檔： 10150r/min 給進 /起拔行程： 500mm 進給力 ： 12kN 給進 速度： 00.40m/s 起拔力： 18kN 起拔 速度： 00.28m/s 鉆孔 深度： 75m 開孔直徑 ： 91mm 終孔 直徑： 75mm 鉆桿直徑 ： 42mm 最大 扭矩： 540 主軸 內(nèi)經(jīng)： 45mm 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 20 = ( +) = 0.2(3200+0) = 640 (4-1) 動摩擦負載 = ( +) = 0.1(3200+0) = 320 (4-2) 慣性負載 = = 32009.8 1 = 326.20 (4-3) 工作負載 (鉆進時工作 負載為鉆頭回轉(zhuǎn)提供的相應的給進力，起拔時 工作負載為鉆 頭回轉(zhuǎn)提供的起拔力 ) = 12 = 12000或 = 18 = 18000 (4-4) 現(xiàn) 將 上述 所計算 得到 的 液壓缸的各工況 下 負載 計算 結(jié)果列于表 3-2 中 。 表 3-2 液壓缸各工況負載 工況 外負載 F/N 計算公式 結(jié)果 快進 啟動 = 640 加速 = + = + 646.20 恒速 = 320 工進 = + 12320 快退 啟動 = 640 加速 = + = + 646.20 恒速 = 320 起拔 = 17680 液壓馬達動力分析： 由于本鉆機的回轉(zhuǎn)為兩檔無極變速 1070m/s 和 10150m/s，所要提供的最大轉(zhuǎn)矩 為 540Nm。 在不同的地質(zhì)層鉆進時 ， 液壓馬達的負載會發(fā)生變化。當鉆進硬巖時，馬達負載增 加，為了保證鉆進過程的平穩(wěn)性，保證鉆機的輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，此時需 調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)，減 少 流經(jīng)液壓馬達的流量從而達到 降低馬達轉(zhuǎn)速。反之，當 鉆機鉆進軟巖 時，液壓馬達的 成都理工大學畢業(yè)設計（論文） 21 負載減小，為了 提升鉆機的生產(chǎn)效率，可以適當 增加馬達的流量來 提高馬達的轉(zhuǎn)速。 由上可知，在不同的地質(zhì)層進行鉆進時 ，液壓馬達的負載是不同的，為了能夠保證 鉆進在不同的地質(zhì)層都能穩(wěn)定的鉆進，就必須要 保證輸出的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，而馬達的流量則 根據(jù)相應的負載變化、 不同的地質(zhì)層條件進行調(diào)節(jié)。 要達到這種條件，最簡單的方法就 是 采用變量泵 定量馬達的組合方式 來適應這種鉆進工藝 。 這種調(diào)速方式用于開式循 環(huán)系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)的負載 和壓力均 不變，改變液壓泵的排量，不僅可以改變移動式回 轉(zhuǎn)器（動力頭） 液壓馬達 的轉(zhuǎn)速，也同 樣改變了 其他執(zhí)行機構(gòu)（如給進油缸）的運動速 度，但是卻不會改變回轉(zhuǎn)器的轉(zhuǎn)矩。如果泵 的排量和工作壓力不發(fā)生變化，回轉(zhuǎn)其負載 的變化也會改變系統(tǒng)溢流閥的溢流流量，回轉(zhuǎn)器的的轉(zhuǎn)速也就因此而發(fā)生變化。同樣， 如果系統(tǒng)中與回轉(zhuǎn)液壓馬達并聯(lián)的液動機負載的變化也會引起系統(tǒng)溢流流量和系統(tǒng)中 個液動機的流量重新進行分配，從而也會改變液壓馬達的轉(zhuǎn)速。而這種變化方式卻剛好 符合鉆機對不同地質(zhì)條件進行鉆機的要求，而且由于其結(jié)構(gòu)簡單，散熱條件好，是動力 頭鉆機調(diào)速方案中一種重要的調(diào)速方式。 液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)矩為： = (4-5) 其中 液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)矩； 液壓馬達排量； 液壓馬達的進出口油壓差； 液壓馬達的機械效率； 由于鉆機的回轉(zhuǎn)部分采用變量泵 定量馬達的組合方式，因此液壓 馬達的排量 為定值，液壓馬達的機械效率 也為定值， 由式（ 4-5）可知 液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)矩 此時 僅與液壓馬達的進出口油壓差 有關 17。 參考 產(chǎn)品樣本， 各種大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速擺線液壓馬達的性能參數(shù)， 發(fā)現(xiàn)沒有一種擺線 液壓馬達可以 在一定的轉(zhuǎn)速下 達到本鉆機的技術參數(shù)所需求的轉(zhuǎn)矩 。 由第三章動力頭結(jié) 構(gòu)介紹時說到，回轉(zhuǎn)部分采用減速箱和擺線油馬達組成，減速箱減速比分別是 1.6 和 3.43。現(xiàn)根據(jù)減速比可以計算出擺線液壓油馬達的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩： 油馬達