SWDM-20旋挖钻机液压系统设计

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321目 录摘要 1关键词 11 前言21.1 旋挖钻机概述21.2 国内外现状及水平31.3 山河智能旋挖发展状况32 旋挖钻机的分类及施工工艺32.1 国内外旋挖钻机分类42.2 旋挖钻机施工工艺步骤43 SWDM-20型旋挖钻机性能分析43.1 SWDM-20旋挖钻机规格型号及原理43.1.1 功能及其使用条件43.1.2 型号组成及意义53.1.3 产品结构特征53.2 SWDM-20旋挖钻机结构组成及功能53.2.1 底盘53.2.2 转台73.2.3 钻桅及变幅机构83.2.4 主、副卷扬93.2.5 动力头94 SWDM-20旋挖钻机液压系统 104.1 液压系统分析 104.1.1 液压系统简介 114.1.2 多路换向阀 114.1.3 动力头工作原理 124.1.4 主卷扬工作原理 134.1.5 回转工作原理 134.1.6 变幅机构液压原理 144.2 液压系统动力设计 154.2.1 设计要求154.2.2 确定液压系统基本方案 174.2.3 绘制动力液压系统图 194.2.4 液压缸选择设计 194.2.5 确定液压泵的工作压力和流量 224.2.6 液压马达的选择 234.2.7 油管内径计算 234.2.8 确定油箱容积 244.2.9 液压控制阀的选择 254.2.10 其他液压元件的选择254.2.11 蓄能器的设计计算264.2.12 计算液压系统的发热功率274.2.13 计算液压系统的散热功率和冷却面积284.2.14 油箱的尺寸设计 294.2.15 验算回路中的压力损失304.2.16 旋挖钻机技术参数315 结束语 33参考文献34致 谢36 SWDM-20旋挖钻机液压系统设计 摘 要：旋挖钻机是适应当前综合经济发展需求的灌注桩基础施工机械，旋挖钻机的发展根据复杂的工程实际情况和需求，综合了岩土力学、施工学原理、机械动力学、机电一体化技术和人体工程学等工业技术与理论，具有现代特点。本设计对国内外旋挖钻机的发展情况进行了全面的分析，肯定了旋挖钻机在桩基础等应用领域的前景和发展趋势。通过对湖南山河智能机械股份有限公司SWDM-20旋挖钻机整体性能要求的详细分析以及液压系统对工作环境和工作条件的要求，从实际出发，对SWDM-20旋挖钻机液压系统进行了设计计算。此设计在整体上结构布局合理,液压元件的选择和使用具有较好的经济性和实用性,并且性能方面得到了最好的发挥。关键词：液压系统；底盘；回转台；动力头；主副卷扬The design of SWDM-20 multi Auger drills hydraulic systemStudent: Liu YiTutor: Mo Ya-wu(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract:Auger drill is to adapt to the current overall economic development needs of the pile foundation construction machinery, auger drill development projects under complex circumstances and needs, a comprehensive rock mechanics, construction principles, mechanical dynamics, electromechanical integration, technology and ergonomics, such as industrial technology and theory with modern features. Design of the drilling rig for the development of a comprehensive analysis, affirmed the auger drill in pile foundation in such areas of application prospects and development trends. by Hunan Shanhe intellectual machinery Inc SWDM-20 multi auger drill requirements of the overall performance of a detailed analysis hydraulic systems and the working environment and working conditions, from reality, right SWDM-20 multi auger drill the hydraulic system design. the design on the whole reasonable structure, hydraulic components and the use of the option with better economic and practical, and performance is the best play. Key words： hydraulic system; chassis; turntable; top drive; hoist and winch deputy1 前 言1.1 旋挖钻机概述 旋挖钻机具有装机功率大、输出扭矩大、轴向压力大、机动灵活、施工效率高、环保等特点，配合不同钻具，适应我国大部分地区的地质条件，成为适合建筑基础工程中成孔作业最理想的施工机械。近年来，青藏铁路、北京地铁、奥运场馆、首都机场新航站楼等大型工程的施工中，旋挖钻机高效、环保、效益高的优势得到公认，国内掀起了“旋挖钻热”。旋挖钻机是“十五”期间发展最快的桩工机械产品。“十一五期间”发展势头喜人，2008年销量达到962台，同比增幅达76.8%；2009年上半年累计销量达700台，下半年依然增势不减。从销售数据来看，它似乎没有受到金融危机的影响。旋挖钻机作为近年来刚刚兴起的工程机械产品，其所需要的资金投入、技术投入相对较大。另外根据工程机械行业协会预计，2009年至2015年，国内工程机械保持平稳增长，道路建设、重点工程、出口是拉动市场持续增长的关键因素。2010年国内工程机械需求总额为3600亿元人民币，2015年达到5700亿元人民币；2009年至2015年平均增幅为11.3%。旋挖钻机也保持了稳定的增长，未来国家铁路投资规模的进一步加大，旋挖钻机用于民用建筑的增加及出口的增加，必将带动市场的快速发展。SWDM-20旋挖钻机采用自制专用液压伸缩专用底盘，主、副卷扬安装在回转平台上，其工作装置对回转支撑的倾翻载荷相对较小，同时，配重按照主机稳定性要求设计，从结构设计上保证了整机稳定性非常好，其实施效果是360度可进行施工作业。而采用挖机底盘的旋挖钻机稳定性存在先天性不足。只能在顺履带方向的一定角度范围内施工，绝对不容许在与履带垂直的方向进行施工1。1.2 国内外现状及水平 “十一五”期间我国将投巨资进行铁路、公路、电力、城市公共设施等的建设，桩基础施工机械必将有一个大的发展。仅铁路建设方面，就有数条高速客运专线如武广、郑西、石太、京津、京沪等相继开工，高速客运专线有60以上为桥梁，桥桩的直径大多在1.5m以下，深度40m以内，恰好适合旋挖钻机施工。 除了京沪高铁项目之外，“十一五”期间，我国将建设铁路新线17000km，其中客运专线7000km；既有线增建二线8000km，既有线电气化改造15000km。2010年全国铁路营业里程达到9万km，续转和新安排建设项目达200多个，其中客运专线项目28个，建设总投资12500亿元。这些项目中旋挖钻机等设备都将成为铁路建设采购的重点。有关专家预测，未来23年旋挖钻机国内市场需求可达600800台/年。 1.3 山河智能旋挖发展状况山河智能多功能旋挖钻机是一种新型钻孔灌注桩施工设备，融合了现代液压桩工机械新技术和新工艺，发动机等关键配套件国际化采购，采用自己研制的可伸缩式履带专用底盘，稳定性明显优于采用通用底盘的同类钻机；自主研发的控制系统集成度高、功能强大，反应快、精度高；可实现钻桅自装自卸；变幅机构结构新颖，驱动力大，稳定性好；可配多种钻具，适应粘土层、沙层、卵石层和中风化岩层等复杂地质条件下的施工。 随着不断加强国际营销服务网络的建设，国际市场的拓展将成为该公司发展新的增长点，“SUNWARD”品牌不断走向全球，服务世界。2 旋挖钻机的分类及施工工艺2.1 国内外旋挖钻机分类：（1） 按底盘结构可分为轮式、履带式和步履式底盘的旋挖钻机。其中履带式底盘又可分为专用底盘结构和选用通用挖掘机或履带吊底盘结构两种结构形式；（2） 按动力头悬挂装置的结构可分为钻桅式和臂架式旋挖钻机；（3） 按动力源不同可分为电动和内燃驱动的旋挖钻机；（4） 按工作装置的结构形式分：钻桅加双三角平行四边形连杆变幅机构和钻桅加大三角架支撑两种机型；(5) 旋挖钻机根据其主要工作参数扭矩、发动机转速、钻孔直径、钻孔深度及整机重量可以分为小型机、中型机、大型机。2.2 旋挖钻机施工工艺步骤：（1）旋挖钻机的就位；（2）钻头轻轻着地，旋转，开钻；（3）当钻头里装满土砂料，提升出孔外；（4）旋挖钻机旋回，将钻头内的土砂料倾倒在土方车或地上；（5）关上钻头活门，旋挖钻机旋回到原位，锁上钻机旋转体；（6）放下钻头，放入泥浆。按照工地现场土质情况，放下一定长度的护筒； （7）钻孔完成，进行第一次清孔，并测定深度；（8）放入钢筋笼；（9）放入导管；（10）进行混凝土灌注；（11）拔出护筒，清理桩头沉淤回填，成桩。3 SWDM-20型旋挖钻机性能分析3.1 SWDM-20旋挖钻机规格型号及原理3.1.1 功能及其使用条件SWDM-20型旋挖钻机是一种用于桩基础工程现场灌注桩钻孔施工的桩工机械。其施工安全、文明、质量好、公害低、效率高而广泛应用于道路、桥梁、码头、高层建筑等大型重点工程的基础施工。可配置不同的机具实现多功能施工。主要如下：（1）作为基本功能，配置不同的钻具如短螺旋钻头、螺旋回转斗、岩心螺旋钻头等，采用相应的钻进工艺，可适用于各种粘性土、粉土、填土、中等密实以上的砂土、碎石土、中等硬度风化岩层的干式(短螺旋)或湿式(回转斗)、岩层（岩心钻）的成孔作业。（2）通过匹配设计，可配置液压打桩锤进行预制混凝土桩或钢桩施工；（3）通过匹配设计，可配置长螺旋钻头、液压抓斗，分别进行长螺旋钻孔和地下连续墙施工4。3.1.2 型号组成及意义SWDM20旋挖型号组成及意义如下：S W D M 20 最大回转扭矩（10KNm） Drilling Machine（钻孔机）SUNWARD（山河智能）3.1.3 产品结构特征该设备采用自制专用液压伸缩专用底盘，大滚筒卷扬平台布置，整机稳定性好，钢丝绳寿命长。变幅机构采用山河智能专利技术，变幅幅度大，任意起落，自主装卸方便灵活。辅助支腿，功能多样。动力头结构设计合理，润滑可靠，动力强劲。电控系统自主开发，功能齐全先进可靠，维护方便。液压系统节能安全。此外还有主、副卷扬、钻桅、钻杆、钻头、发动机系统、驾驶室、机棚、配重组成。关键结构件材料采用低合金高强度钢，确保设备合理的结构强度。该机自带动力，具有履带行走、底盘履带轨距可伸缩、自行起落钻桅、伸缩钻杆、全液压驱动等功能棚、转台、边纵梁及配重均。该机的机采用大圆弧流线形设计造型。整机结构合理，外形美观，操作界面充分体现人性化设计, 驾驶室带防坠物保护装置，驾驶室内配有空调，操作舒适。如图1所示。图1 SWDM-20旋挖钻机外观图Fig. 1 Picture of SWDM-20 multi auger drills outward3.2 SWDM-20旋挖钻机结构组成及功能3.2.1 底盘该机底盘采用专用的履带可伸缩式45吨底盘结构，由山河智能公司自主设计制造，四轮一带采用进口件，其中履带板采用加强的三筋结构，具有结构可靠，刚性好，承载力大，稳定性好的特点。SWDM-20型旋挖钻机采用专为旋挖工法而整体设计的内藏式液压油缸履带可伸缩式，45吨专用底盘如图2、几何尺寸大、履带宽度800mm、底架加工均采用抛丸工艺处理，箱型结构的底架，具有足够的强度，刚性和稳定性避免了采用通用的挖掘机底盘所带来的整机不稳的问题。同时接地面积大，接地比小更有利于在沿海、沿河软地基工作不易产生缩孔5。 图2 专用底盘结构Fig.2 Structure of dedicated chassis底盘包括车架及行走装置。车架底架为箱形焊接结构，两纵梁间距由液压油缸控制，从而可以改变履带轨距。行走装置包括行走减速机、驱动轮、支重轮、托链轮、导向轮、履带总成及张紧装置等组成。履带行走机构是由液压泵供油驱动液压马达，经减速机、驱动轮带动履带，使之前进或后退。行走减速机为力士乐的GFT80T3型，减速机的高速端带有常闭多片式停车制动器，停车时，在弹簧作用下自行制动，行走时液压控制制动器脱开。其行走装置如图3。履带张紧装置由张紧油缸、张紧弹簧、导向轮、油杯等组成。履带张紧装置的作用是保持履带一定的张紧度，在其工作中或行驶时起缓冲作用。履带松到一定程度可用黄油枪通过油嘴向张紧油缸注入黄油，驱动轮外移，使履带张紧，调整比较方便。3.2.2 转台转台由回转减速机、回转支承、转台主体、钻桅支承等组成。其作用是承载上部重量，并使之作回转运动。1.行走减速机 2.驱动轮 3.支重轮 4.托链轮 5.张紧装置 6.导向轮 7.履带总成图3 行走装置Fig. 3 Travel agencies转台的回转是从液压泵供油驱动液压马达，经回转减速机的小齿轮带动回转支承内齿圈，从而使上车回转。回转减速机采用力士乐公司的GFB36T3B185型减速机，为三级行星齿轮传动带常闭式多片式制动器。回转支承选用徐州回转支承厂的单排、四点接触球式回转支承014.45.1600型。该机转台与专用底盘结构相适应，可内置安装大直径主、副卷扬，并确保主、副卷扬足够的安装空间。既确保了整机结构及重心布置合理，整个钻机重心向后、下方偏移,其布局方式更为合理，在施工现场移机时不会发生倾翻工作稳定性好。主、副卷扬滚筒采用大直径结构，以减少钢丝绳在滚筒上的缠绕层数，从结构设计上减少钢丝绳的相互挤压摩擦、提高钢丝绳的使用寿命。同时减轻了回转支承的受力和回转惯性力，避免了采用挖掘机平台所造成的结构布置受限而带来的回转支承受载过大及不利于产品维护等问题，改善了回转支承的受力状况，方便了产品的保养和维护6。3.2.3 钻桅及变幅机构（1）钻桅采用箱形大截面，具有良好的刚性和稳定性，共有四节，上部鹅头与钻桅、上部一节钻桅与主钻桅、下部一节钻桅与主钻桅之间采用折叠式结构。上部鹅头装有滑轮，主、副卷扬钢丝绳从中穿过；下面一节钻桅装有支腿油缸，当调整轨距时，钻桅转到履带一侧(90方面)，支腿油缸伸出，将该侧履带抬起，即可通过控制阀将履带伸缩油缸自由伸出或缩回，从而加大或缩小轨距。同时可用来作为底盘检修、维护保养、更换履带。每节钻桅都带有滑轨，动力头、钻杆依靠滑轨上下滑动。通过桅杆支腿的支撑可实现履带在最小载荷状态下完成履带的拓展与收缩，克服了无支撑而造成的履带拓展力或收缩力过大、损坏地基等问题。（2）变幅机构如图4所示，由动臂4、三角架1、连杆5及变幅油缸2、6组成。变幅采用两级油缸，动臂变幅油缸调节动臂的幅度，钻桅倾斜油缸调节钻桅的垂直。钻桅左右可调整角度各为5，前后可调整角度分别为5、15。各关节采用自润滑轴承结构，维护保养方便。由于主、副卷扬移到回转平台，减轻了钻桅重量，改善了变幅机构的受力，同时使得旋挖钻机在钻大口径（1200mm）桩孔时，不会产生“点头”而造成的桩孔失圆、超方现象，以及塌孔、缩孔的产生。该钻桅及变幅机构具有如下结构特点：（1）钻桅变幅油缸下铰座与动臂的上铰轴同轴，结构简单，拆装方便，便于维修；（2）钻机运输或转场组装时，利用自身的动力和结构，不需要吊车辅助即可在主钻桅小于90倾角（钻桅处于后倾状态）时实现下钻桅与主钻桅的自装自卸功能，降低了客户的使用成本，并提高了设备装卸时的稳定性。（3）通过钻桅、动臂、三角架、各变幅油缸及连杆各铰接点的优化设计，增大了钻桅的驱动力，确保了动力头处于任意钻桅位置都能实现钻桅的平举和变幅。（4）该机工作半径大，可沿底盘360任意位置钻孔施工，适应能力强。3.2.4 主、副卷扬主卷扬有3档速度；具有可控式自动跟进功能；具有防止钢丝绳过卷保护作用。副卷扬有1档速度，具有下降速度可控的浮动功能。主卷扬用以提升和下放钻杆，副卷扬用以提升钻具、吊放护筒等，卷扬由液压马达驱动，主卷扬可实现快慢两档双速控制，且有自由下放功能，以适应钻进的需要。3.2.5 动力头采用多点强制润滑，工作可靠性高。如图5所示，动力头为双马达、双速减速传动，既能大扭矩钻进，又能快速抛土。动力头主要包括托架和驱动器，托架用以支承驱动器使之在滑轮上运行，并传递加压油缸的加压力，驱动器主要包括两组液压马达、减速机、驱动齿轮及齿轮箱、套管式驱动轴等。工作原理为液压泵供油带动液压马达，经减速机和驱动齿轮的两级减速后，以低速大扭矩的形式通过套管式驱动轴传递给钻杆。动力头一级齿轮箱采用压力喷油润滑，二级轮箱采用油浴润滑79。1.三角架 2.钻桅变幅油缸 3.钻桅 4.动臂 5.连杆 6.动臂变幅油缸图 4 变幅机构结构示意图Fig. 4 Picture of luffings Schematic减速机选用布雷维尼ps065/250mm减速机，有大小两档减速比。当抛土作业时，减速机用小传动比，实现快速甩土。套管式驱动轴采用矩形牙嵌与钻杆配合传递扭矩和压力，由轴承支承，采用油浴润滑；动力头下部有冲撞体，作用是使用回转钻斗时，打开钻斗底门卸土，该部件控制系统为变量泵变量马达系统，可根据土壤地质条件的不同自动改变其扭矩和钻进速度。该机抛土卸渣时，工作效率高。采用2源4级多点循环强制式润滑冷却系统，杜绝了串油现象，润滑及散热效果更好，保证了重要部件的长期可靠工作。整个操作通过电液操纵液压先导控制，在驾驶室内即可完成控制操作。动力头回转速度能根据不同的地层自动适应功能。动力头最大输出扭矩为200KN. M，转速为626rpm,最大抛土速度为130 rpm，有效保证了在粘土情况下的有效作业。动力头主要技术特点：（1）设计、制造融入凿岩技术；（2）根据动力头工作时间长，输出扭矩大，易产生高温、高热的特点，设计制造中采用多点强制润滑，工作可靠性高，对减速机、驱动齿轮的齿轮进行强制冷却并通过一单独回油管路与大油箱相通，采用大循环冷却方式，有效降低高温的产生，冷却润滑效果优于国内外同类产品。保证动力头长时间正常工作。（3）动力头控制采用液压先导控制，使得启动、停止、非常平缓，减少减速机、驱动齿轮的冲击，延长其使用寿命。（4）套管式驱动轴、采用摩阻，机锁通用方式设计制造，在更换摩阻或机锁式钻图 5 SWDM-20型旋挖钻机动力头Fig. 5 Power head of SWDM-20 multi auger drill杆时无需更换套管式驱动轴，提高工作效率，减轻工作强度，降低使用和维护成本。（5）套管式驱动轴与钻杆的硬度，采取不同硬度参数，在工作中使得其只磨损套管不磨损钻杆，有效保护金额价值较大的钻杆。4 SWDM-20旋挖钻机液压系统4.1 液压系统分析4.1.1 液压系统简介旋挖钻机所有功能均由液压驱动，液压系统包括三个部分。（1）下车部分：主要包括中心回转体及其以下部分，通过操纵先导阀使换向阀实现前进、倒退、转向及履带伸缩；系统压力30Mpa。（2）上车部分：可实现桅杆变幅、桅杆角度调整、钻进加压、主、副卷扬、上车回转以及动力头的旋转等功能；系统额定压力按执行机构的不同而不同，分别为28Mpa或30Mpa。（3）先导控制系统：对上述两个系统的主阀进行先导操纵，使操纵轻便、灵活、平稳。系统中有皮囊式蓄能器，确保操纵压力的平稳。此外当发动机意外熄火后，操纵系统短时间内仍能继续工作，以便工作装置收回，系统额定压力3.54Mpa。旋挖钻机液压系统如图6一般采用A8VO斜轴式变量双泵附加3个辅助泵作为液压源，控制主要由M8阀和M4阀组成，执行元件包括A6V、A2F马达等元件。工作时，液压泵分别供油给M8主阀和M4辅助阀、伺服阀及油冷却系统。M8主阀分别控制变幅油缸、主卷扬马达、左右行走马达、动力头马达、副卷扬马达、履带伸缩油缸、立柱支腿油缸和左右斜撑油缸。主阀和辅助阀分别安装在司机室内座椅两侧的先导阀控制。4.1.2 多路换向阀M8和A8VO主泵作为液压挖掘机双回路液压系统的标准配置被广泛应用，而将图6 液压系统示意图Fig. 6 Schematic of hydraulic systemM8阀作为旋挖钻机主阀，配以M4阀为辅助阀，也完全能满足旋挖钻机的工作及使用要求。M8阀为7联整体多路阀，控制原理为三位六通，比例控制。从A8VO主泵输出的液压油经P1、P2口进入该阀，当所有阀杆处于中位时，液压油通过阀内常通油道返回油箱。主阀可以单独控制一个执行元件，也可以同时控制多个执行元件，完成多项复合动作，并可实现动力、主卷扬阀内合流等功能。图7所示为动力头阀内合流原理图，图示位置为不合流状态，P1来油通过二位二通液控换向阀直接返回油箱。当需要动力头马达合流时，在动力头主阀a或b口接通控制油的同时，控制油也接通b1口使二位二通换向阀换向。P1来油通过单向阀进入动力头主阀与P2来油合流后，通过A或B口进入动力头马达，在系统压力不变的情况下，动力头马达流量成倍增加，使马达高速旋转。除M8主阀进油口设有安全阀外，各联还可以根据执行元件的不同要求，配备过载阀和补油阀。M8阀主要油口都在阀体的正反面，总体安装和管路布置简便。M4阀采用6联多路换向阀，功能与M8阀基本相同。该阀的最大特点是与A10VO泵配合，按照负荷传感的原理进行比例控制，执行元件或液压泵的压力变化由各自的压力补偿阀进行调节，即使负载不同，流向执行元件的流量仍保持不变1516。4.1.3 动力头工作原理动力头液压原理如图8工作步骤如下：先将旋挖钻机钻斗下降到钻孔位置，控制M4阀换向将加压油缸活塞杆推出压至动力头上；再控制M8阀换向，从主泵来的高压油进入A6V液压马达，通过减速机与回转套带动钻杆转动，钻头在钻杆自重及加压油缸推力下切削土壤。钻进时，为防止钻头钻进过程中因土壤从硬土层变为软土层，马达发生超速旋转而产生吸空，在马达进、回油口处装有补油阀。图7动力头阀内合流Fig. 7 Powerplant mixing4.1.4 主卷扬工作原理主卷扬用以提升和下放钻杆，由液压马达驱动，可实现双速控制如图9，控制方式为液压先导控制，主副卷扬配有压绳器。工作时，操纵先导阀控制主卷扬M8换向，当马达B腔进油、A腔回油时，主卷扬正常上升；反之A腔进油、B腔回油时，主卷扬下降。为了防止主卷扬失速下降，A、B间装有平衡阀。主卷扬下降时，只有当A腔进油压力达到一定的数值时，才能打开平衡阀使回油返回油箱，实现主卷扬平稳下降。当主阀合流时可实现主卷扬的快速上升和下降17。4.1.5 回转工作原理回转运动有精度要求，同时为了防止制动时的高压对回路造成损害，因此需要一个比例阀精确控制，同时要有一个制动阀进行制动。由两个单向阀组成补油回路。系统有节能要求，因此选用定压式容积节流调速回路，此回路由限压式变量叶片泵和调速阀组成，如图10。马达运动速度由调速阀中的节流阀开口来控制，变量泵输出流量则和进入马达的流量自相适应当时，泵的供油压力上升，使限压式变量叶片泵的流量自动减小到；反之，当时，泵的供油压力下降，该泵又自动使。因此，此调速回路使泵的供油量基本恒定。由于泵可按负载压力自动调节流量，有利于节能，减小油液发热。图8 动力头液压原理Fig. 8 Powerplants Hydraulic principle图9 主卷扬液压原理Fig. 9 The hoists hydraulic principle图10 回转液压系统Fig. 10 rotation hydraulic system4.1.6 变幅机构液压原理变幅机构用液控单向阀双向锁紧的回路。用两个液控单向阀可实现对液压缸的双向锁紧。液压泵卸荷，两个液控单向阀均为关闭，活塞被所在不动。活塞可以在任意位置被锁紧如图11。考虑桅杆的功能要求：由于桅杆自身重力的作用，举身过程要比较平稳，而且在任意位置要能被锁定，所以背压阀的压力值要设得比较小；工作是也要很好的被锁住；前倾是也要平稳和能被锁住，所以背压阀值要设得比较大。再考虑到平衡和锁紧的功能，可以使用液控平衡阀来同时实现这两个作用，举身过程中，开始时桅杆自重对液压缸的压力比较大，进油路压力很大，所以回油路上的背压值很小，随着举身过程的图11 变幅机构液压原理Fig .11 Luffing mechanisms Hydraulic principle进行桅杆自重对缸的压力减小，回油路上的背压值也随着增加。前倾过程中，进油路上压力值很小，所以回油路上的背压值特别大，收回过程和此分析相反。要锁紧时可以可以用换向阀切断进油路，从而靠平衡阀直接锁住。图中两个执行元件中的最高压力，可以通过单向阀选出，作为负荷传感压力分别引到负荷传感阀和各压力补偿阀的弹簧腔。为保证桅杆工作时的垂直度，选用一种倾角传感器，将检查到的角度偏差信号转换成电信号，控制电液比例方向流量控制阀，从而调节桅杆的垂直度。4.2液压系统动力设计4.2.1 设计要求设计要求是进行每项工程设计的依据。在制定基本方案并进一步着手进行液压系统各部分设计之前，必须把设计要求以及与设计内容有关的其他方面的情况了解清楚。（1）动力性要求所谓动力性要求，就是在保证发动机不过载的前提下，尽量充分地利用发动机的功率，提高旋挖机的生产效率。尤其是当负载变化时，要求液压系统与发动机的良好匹配，尽量提高发动机的输出功率。例如，当外负载较小时，往往希望增大油泵的输出流量，提高执行元件的运动速度。双泵液压系统中就常常采用合流的方式来提高发动机的功率利用率。（2）操纵性要求旋挖机对调速操纵控制性能的要求很高，如何按照驾驶员的操纵意图方便地实现调速操纵控制，对各个执行元件的调速操纵是否稳定可靠，成为旋挖机液压系统设计十分重要的一方面。旋挖机在工作过程中作业阻力变化大，各种不同的作业工况要求功率变化大，因此要求对各个执行元件的调速性要好。旋挖机在作业过程中需要各个执行元件单独动作，但是在更多情况下要求各个执行元件能够相互配合实现复杂的复合动作，因此如何实现多执行元件的复合动作也是旋挖机液压系统操纵性要求的一方面。当多执行元件共同动作时，要求其相互间不干涉，能够合理分配共同动作时各个执行元件的流盘，实现理想的复合动作。尤其对行走机构来说，左、右行走马达的复合动作问题，即直线行驶性也是设计中需要考虑的重要一方面。如果旋挖机在行使过程中由于液压泵的油分流供应，导致一侧行走马达速度降低，形成旋挖机意外跑偏，很容易发生事故。另外，当多执行元件同时动作时，各个操纵阀都在大开度下工作，往往会出现系统总流量需求超过油泵的最大供油流量，这样高压执行元件就会因压力油优先供给低压执行元件而出现动作速度降低，甚至不动的现象。因此，如何协调多执行元件复合动作时的流量供应问题也是挖掘机液压系统设计中需要考虑的。（3）节能性要求旋挖机工作时间长，能量消耗大，要求液压系统的效率高，就要降低各个执行元件和管路的能耗，因此在旋挖机液压系统中要充分考虑各种节能措施。当对各个执行元件进行调速控制时，系统所需流量大于油泵的输出流量，此时必然会导致一部分流量损失掉。系统要求此部分的能量损失尽量小;当旋挖机处于空载不工作的状态下，如何降低泵的输出流量，降低空载回油的压力，也是降低能耗的关键。（4）安全性要求旋挖机的工作条件恶劣，载荷变化和冲击振动大，对于其液压系统要求有良好的过载保护措施，防止油泵过载和因外负载冲击对各个液压作用元件的损伤。回转机构和行走装置有可靠的制动和限速；防止动力头因自重而快速下降和整机超速溜坡。（5）其它性能要求实现零部件的标准化、组件化和通用化，降低旋挖机的制造成本:液压旋挖机作业条件恶劣，各功能部件要求有很高的工作可靠性和耐久性;由于旋挖机在城市建设施工中应用越来越多，因此要不断提高旋挖机的作业性能，降低振动和噪声，重视其作业中的环保性。4.2.2确定液压系统基本方案按照液流循环方式的不同，静液压传动系统可以分为开式循环系统和闭式循环系统两种。对于开式循环系统，油泵自油箱吸油，供入油马达后，低压油直接返回油箱。油马达通过换向阀改变运动方向。开式循环系统的优缺点为：（1）系统比较简单；（2）系统散热条件好；（3）由于油泵直接从油箱吸油，因此油箱需要较大的容积；（4）因为油箱较大，空气和油液及管路接触的机会较多，容易渗入管路，造成管路振动；（5）当系统采用不可自吸的油泵时，需要一个较大的辅助供油泵。对于闭式循环系统，油泵的进油管直接与油马达的排油管连通，形成一个闭合回路。为了补偿系统中的泄漏损失，还需要专设一个辅助供油泵。油马达一般是通过改变油泵的液流方向来改变运动方向。因此，在闭式系统中常采用双向变量轴向柱塞泵。闭式循环系统的优缺点为：（1）系统比较复杂；（2）系统中的流量基本上都在主管路内循环，与油箱中交换的油量仅为系统中泄漏的那一部分，因此系统的散热条件较差，管路容易发热。为了改善这种情况，可以采用流量较大的辅助泵，增加与油箱交换的油量，成为一种半闭式循环系统；（3）油箱所需容积较小，比较紧凑；（4） 无论是高压管路还是低压管路都有一定的压力，因此空气进入管路的机会较少，运转比较平稳；（5） 由于系统中的流量基本上都在主管路内循环，同时在辅助泵的出口管路中可以采用过滤精度较高的滤油器，因此系统比较容易保持干净；（6） 由于闭式系统中一般都采用变量轴向柱塞泵，因此，在一般情况下不需要用换向阀来改变油马达的运转方向，减少了换向时的冲击。一般来说，通常车辆的静液压传动系统均为闭式系统，从元件配置上看，技术比较成熟，比较致命的缺陷如下：无法实现多执行系统的动作要求，如旋挖钻机包括液压转向系统、走行系统、动力头回转系统以及立桅定位系统等，为了驱动多个系统，势必要再增加液压泵源，导致成本升高，结构复杂，布置困难。国内厂家生产的液压泵和液压马达，由于技术性能与国外产品存在较大差距，如果使用国外的进口产品，则价格昂贵，产品开发增加。因此可见，选用一泵多用，能协调工作，节能省功，性能优良，价格较低的开式系统十分必要，山河智能旋挖钻机液压元件主要采用力士乐公司的产品。执行元件形式：有双向定量液压马达，双向变量液压马达，如表1，由于变量液压马达可实现变速，因此可减小减速机传动比，同时可以很好地与负载相适应；而定量马达只能被动承受负载的变化，寿命较短。故选用变量液压马达。液压执行元件运动控制回路：调速回路有三种：节流调速回路，容积调速回路，容积节流调速回路。表1 液压泵、马达Table. 1 Hydraulic pump、motor名 称 注 解 图形符号 液压泵单向双向把机械能转换为液压能 定排量变排量液压马达单向双向把液压能转换为转动形式的机械能 节流调速回路：节流调速回路通过改变流量控制阀阀口的通流面积来控制流进或流出执行元件的流量，以调节其运动速度。节流调速回路的特点(1)效率较低，机械特性较软，变载下的运动平稳性较差，只适合在负载小、低速、小功率的场合；(2) 在负载变化较大，v稳定性要求较高的场合，则用调速阀替代节流阀，当P P min，qV不随P而变化，所以速度刚性明显优于节流阀调速。 (3) 虽解决了速度稳定性问题，但因既有P溢，又有P节，还有P减，所以，P更大，一般用于P 较小，但F变化较大而v稳定性要求较高的场合。容积调速回路：通过改变泵和马达的工作容积V从而调节速度。容积调速回路的特点：没有溢流损失和节流损失，且工作压力随负载而变化，因此效率高，发热少。容积节流调速回路：既可改变q，又可改变V。因此选用容积节流调速回路。由于定压式容积节流调速回路大多用在负载变化不大的中小功率场合，而变压式容积节流调速回路用在负载变化大、速度较低的中小功率场合，故选用定压式容积节流调速回路。对于泵来说是容积调速，对于阀来说是节流调速18。4.2.3 绘制动力液压系统图液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多数是用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。为节省能源提高效率，液压泵的供油量要尽量与系统所需流量相匹配。对在工作循环各阶段中系统所需油量相差较大的情况，一般采用多泵供油或变量泵供油。对长时间所需流量较小的情况，可增设蓄能器做辅助油源。油液的净化装置是液压源中不可缺少的。一般泵的入口要装有粗过滤器，进入系统的油液根据被保护元件的要求，通过相应的精过滤器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁性过滤器或其他型式的过滤器。根据液压设备所处环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施1920。动力液压原理图如图12所示。动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。4.2.4 液压缸选择设计图12动力液压原理Fig.12 The dynamic Hydraulic principle分析液压缸所受外负载F包括三种类型：式中工作负载运动部件速度变化时的惯性负载；摩擦阻力负载，启动时为静摩檫阻力，启动后动摩擦阻力，由下式求取G 执行部件重力，设其为500 kg；活塞与活塞缸有5 mm过盈配合产生的弹性变形后的弹力，与活塞缸作用。取其为1000N。f 输送缸壁摩擦系数，这里取静摩擦系数为02，动摩擦系数为01。可求 = 0.210000 = 2000 N = 0.110000 = 1000 N上式中为静摩擦阻力，为动摩擦阻力。式中 g重力加速度：时间内的速度变化量。加速或减速时间，一般=0.10.5 S，取=01 S，其中当泵车在低压大排量泵送时，换向次数为24次min。即油缸在6424=2.5 S完成一次吸料和送料过程，一个循环。由公司参数算出活塞的平均速度； （1） 液压缸主要尺寸的确定油缸采用活塞式液压缸。油缸内径的确定：计算液压缸内径D和活塞杆直径d。最大负载F为496012.7N(已求出)，由于设计的高压系统为30MPa，按照液压工具手册可取为0，为1。考虑到快进、快退速度相等，取为0.7。将上述数据代入公式：根据液压工具手册，将液压缸内径圆整为标准系列直径D=140mm；活塞杆直径d，按及活塞杆直径系列取d=98mm。（2）油缸壁厚的选择和较核：设计考虑到采用板式连接代替油管，需在油缸两端加工出两安装版而出来，应而采用厚壁式油缸。即，因，取 根据：其中D为缸筒内径。为缸筒许用应力，为材料的抗拉强度，n为安全系数，n=5。因为该设计采用厚壁式油缸，D=140mm，假设=14mm，则可求出，得出该材料的=194x5=970MP。查常用工程材料表，选用合金钢铸造，材料为20镍锰锑，=1080。最后选择壁厚=16。带入数据验算满足公式，进而满足要求。（3）活塞杆直径d和较核：以上确定d=98mm，其中活塞杆材料为高强度的Q278，=490。为许用应力。按下式：进行验算，活塞杆直径满足要求，圆整取d=100 mm。4.2.5 确定液压泵的工作压力和流量根据公式+ (4.1)-是执行元件的最高工作压力,本系统的最高工作压力是钻桅变幅油缸的入口压力；-是从液压泵出口液压缸之间的管路损失。管路复杂，进口有调速阀，则取=1Mpa。多液压缸同时工作时，而且系统使用蓄能器铺助动力源时，则液压泵输出流量公式应为: (4.2)其中 K-系统泄露系数，取K=1.2Tt-液压系统工作周期Vi-每个液压缸的工作周期中的总耗油 z-液压缸的个数变幅油缸的最大流量： 回转的最大流量：由公司参数可知: =494L/min大泵流量：=80%=395L/min小泵流量：=20%=99L/min大泵排量：=178ml/r小泵排量：=44ml/r =0.9L/s按照泵的排量 和、的值来选择液压泵。根据以上求的泵的排量、和、的值，按系统中给定的液压泵的形式，从机械设计手册第四卷得双联柱塞泵：主泵: A8VO柱塞式串联变量双泵。最大排量178ml/r,该泵按总功率恒定进行变量、总功率按4段进行控制、高压切断、中位负流量控制额定压力31MPa，系统设定压力主油泵34Mpa，副油泵为26Mpa2125。4.2.6 液压马达的选择（1）计算液