液压凿岩机课程设计液压凿岩机主要由冲击机构、回转机构、钎尾反弹吸收装置组成。

冲击机构：冲击机构是冲击作功的关键部件，它由缸体、活塞、换向阀、蓄能器等主要部件和导向与封闭装置等组成。

液压凿岩机现在主要有两种结构：单面回油前腔常压油型和双面回油型液压凿岩机。

双面回油型的主要优点是：活塞形状最为合理，有利于提高活塞与钎具的寿命，增强破岩效果；排油时间长，回油管中峰值流量较小，减少了回油阻力和压力脉动；采用较高的压力油，供油流量较小，可使各方面的尺寸小一些。

缺点是：阀和缸体结构复杂、工艺性差、要求加工精度高；回程制动阶段前腔可能有吸空现象；采用高压油需要加强密封。

故只有加工设备与技术等个方面能够保证，此方案才可行。

前腔常压油型的优点是：结构简单、工艺性好、制造成本低、回程制动阶段无吸空现象。

缺点是：活塞形状不如双面回油型好、排油时间较短、回油管中峰值流量大、回油阻力和压力波动较大（此缺点可用回油蓄能器来减少其影响）。

本设计采用单面回油前腔常压油型。

活塞冲击机构的主体。

设计的已知参数是冲击能E=90J和冲击频率f=50Hz,由用户或生产需要而定。

需要设定的参数是冲击末速度v和供油压力p。

根据我国目m前钎尾允许应力计算，v一般不大于10m/s,国外也不大于12m/s。

供油压力各m厂家根据自己的情况，选择是不同的。

有的采用较高压力，这样容易在小流量下得到较高的冲击能，使机器、管路和泵等尺寸小些，但对加工精度和密封要求高。

有的采用较低压力，虽然供油流量大些，但加工与密封要求较低，维修性好。

我国目前自己研制的液压凿岩机多选择较低压力，一般在（10-15）Mpa。

本次设计中选用v=9 m/s，P=14Mpa。

m根据理论分析和试验研究，缓和的入射波形比陡起的有较高的凿入效率。

因此，细长活塞比短粗活塞凿入效率要高。

这也是液压凿岩机优于气动凿岩机的理论根据。

活塞是主要传递冲击能量的零件，其形状对传递能量的破岩效果有较大的影响。

从波动力学理论可知，活塞直径越接近钎尾的直径越好，且在总长度上直径变化越小越好。

表2-1为气动和液压凿岩机两种活塞直径的效果比较。

由图可知，活塞重量只差19%，可是输出功率则相差一倍，而钎杆内的应力峰值则减少了20%。

只从这点出发，可知液压凿岩机的活塞断面变化越小，且细长，是最理想的活塞形状。

具体设计时应遵守以下原则：1.活塞应为细长形，并减少不必要的断面变化，以利于提高能量传递效率和提高钎具寿命；2.活塞冲击头的面积应尽量与钎尾端部的面积相等或接近，并要有一定的锥部长度，以利于冲击波的传递；3.要保证活塞全程及超行程时不致损伤两端密封结构；4.设计好防空打油垫尺寸及活塞各段的封油长度；5.一般货代与缸体的配合间隙为0.05-0.08；活塞与支承套的配表2-1 两种活塞直径效果的比较项目气动活塞液压活塞差值百分比活塞重量/kg冲击末速度/(m/s)冲击能/N.m冲击频率/bpm输出功率/kw钎杆中的应力峰值/Mpa7.99.83791648103449.410.0470260020278+19%-+24%+58%+100%-20%合间隙为0.03-0.05.在加工质量和过滤精度能保证的情况下，间隙可选小一些。

根据以上原则本次设计的活塞形状如图2-2；图2-2 活塞活塞行程调节装置为了适应钻凿不同性质的岩石，许多液压凿岩机的性能参数都是可以调节的。

现在主要应用活塞行程调节装置来改变活塞的行程，以得到不同的冲击能和冲击频率。

这样一台液压凿岩机可适应多种情况的岩石，大大提高了液压凿岩机的使用范围。

各型液压凿岩机的行程调节装置的具体结构是不同的，但原理基本上是一样的。

行程调节装置的工作原理见图2-3。

在行程调节杆上沿轴向铣有3个长度不等的油槽，沿圆周它们互差120度。

当调节杆处于图2-3b所示位置时，反馈孔A通过油道与配留阀阀芯的左端面相通，一旦活塞回程左凸肩越过反馈孔A，活塞前腔高压油就通过阀芯的左端面，同时，活塞右侧封油面也刚好封闭了阀芯右端面与高压油相通的油道，并使其与系统的回油相通，这样阀芯在左端面高压油的作用下，迅速由左位移到右位，于是活塞前腔与回油相通，而后腔与高压油相通，活塞由回程加速度转为回程制动。

由于反馈孔A是三个反馈孔最左端的一个，所以这种情况下活塞运动的行程最短，输出冲击能最小而频率最高。

当调节杆处于图2-3c所示位置时，反馈孔A被封闭，活塞行程越过反馈孔A并不能将系统的高压油引到阀芯左端面，因而不会引起换向阀换向，只有当活塞越过反馈孔B 时，阀芯左端面才与高压油相通，使阀芯换向，动作同前。

此时活塞行程较前者为长，因此冲击能较高而频率则较低。

当调节杆处于图2-3d所示的位置时，反馈孔A和B都被封闭，只有当活塞回程越过反馈孔C时才能引起阀芯换向。

在这种情况下，活塞行程最长，冲击能最大，冲击频率最低。

1-调节杆 2-缸体 3-活塞 4-阀芯 5-蓄能器图 2-3 液压凿岩机行程调节原理活塞轴向推力的计算由凿岩原理可知，为了取得较高的凿入效率，钎头必须与孔底岩石有良好的接触。

因此，必须对凿岩机施加轴向推力，这个力也就作用在了活塞上。

钻孔时，如推力过大，势必压迫钎杆使它转动困难，这既增加了回转阻力，又增加了钎头机重 /kg 冲击功率 /kw 冲击频率 /Hz回转速度 （r/min ）最大转矩 /N.m 冲击压力 /Mpa 395.55035017517的磨损；推力过小，则钎头跳离眼底，凿碎效率就低。

因此，为使活塞冲程时， 钎头始终与岩石接触，应用动量定理可得最小轴向推力F （N ）pzt v F M )1(mvm++=ε （2-1）式中 m ---活塞质量（kg ）；m v ---活塞冲程最大速度（m/s ）； ε ---反弹系数；M ---机体质量（kg ）；z v ---钎具一次冲击的前进末速度（m/s ）； p t ---活塞冲程时间（s ）。

最优轴向推力op F (N)还应包括克服摩擦力f F （N ）和凿岩机自重力等。

αsin G F F F f op ++= （2-2） 式中 G---凿岩机自重力（N ）；α—炮孔倾角，向上倾斜取正值，向下倾斜取负值。

式（2-1）中z v 和ε是与岩石性质、活塞形状、钎头结构等多种因素有关，故不易确定，最容易确定的是凿岩机的冲击频率f(T 1f =,T t p α=，α—运动学特征系数，T —活塞运动一个周期的时间)和m v m （mE v m 2=，E —凿岩机的冲击能），故一般可将式（2-2）写为：Em K F R 2f = （2-3） 式中 f---凿岩机冲击频率（Hz ）； E---凿岩机的冲击能（J ）；R K ---计算最优轴向推力的修正系数。

R K 的取值一般为1.5-2.3，这是对气动凿岩机而言。

根据笔者在实验室的他、液压凿岩机试验台上的试验，R K 值在3.3左右，这里取R K =3.3。

把f=50Hz ，E=90J ，m=9.4kg 代入式（2-3）中得，F=6787N换向阀结构液压凿岩机的换向阀有多种多样的形式，概括起来有套阀和芯阀两大类，芯阀按形状又可分为柱状阀和筒状阀。

对三种换向阀的分析比较见表2-2。

对换向阀的要求是：阀芯的响应速度快，过渡时间短，过渡冲击小，控制能量消耗少。

具体设计时应遵守以下原则：1.阀芯两端受力应始终处在平衡状态，以保证阀芯稳定在冲程或回程配油位置。

2.在保证阀口全流量时不致有过大阻力的情况下，行程尽可能短些，重量尽可能轻些，以减少耗油量和提高换向速度。

3.要保证最小封油长度和进入缓冲油垫的长度。

4.保证阀芯两端面积满足参数计算的要求。

5.阀芯径向最薄部位不小于2mm。

表2-3 三种换向阀比较类型柱状阀筒状阀套阀结构特点有单独阀体，阀芯在阀体内运动配油有单独阀体，阀芯在阀体内运动配油只有一个套阀，套在活塞上与活塞作同轴运动配油结构复杂性是一个部件，由多个零件组成，结构复杂是一个部件，由多个零件组成，结构复杂只有一个套阀零件，结构简单，整机尺寸紧凑耗油量、漏损按本身要求定尺寸，故尺寸小，耗油量和漏损较小尺寸稍大，耗油量和漏损比柱状阀略大受活塞的制约，尺寸较大，耗油量及漏损稍大工艺性加工精度、表面粗糙度要求高，加工难度较大，油路比较复杂加工精度、表面粗糙度要求高，加工难度稍好，油路比较复杂套阀本身加工工艺性好，缸体加工难度较大适应性可制成三通或四通阀可制成三通或四通阀只能制成三通阀，适用单面回油的机型前腔常压油型液压凿岩机是利用差动活塞的原理，故只需用三通滑阀，而双面回油型液压凿岩机则必须采用四通滑阀。

三通滑阀的典型结构是三槽二台肩，即阀体上有3个槽，阀芯上有2个台肩。

四通滑阀的典型结构是五槽三台肩。

三通滑阀阀芯比四通滑阀阀芯少一个台肩，因而可以做得比较短，从而减轻了阀芯重量，这可提高冲击机构的效率。

另外三通滑阀只有3个关键尺寸和1条通向液压缸的孔道，结构简单，工艺性好，而四通滑阀则有5个关键尺寸和2个通向液压缸的孔道，结构复杂，工艺性差，因此加工难度大。

由上述可知选用标准3100型号三通滑阀会比较经济适用。

蓄能器冲击机构的活塞只在冲程时才对钎尾作功，而回程时不对外作功，为了充分利用回程能量，需要配置高压蓄能器储存回程能量，并利用它提供冲程时所需的峰值流量，以减小泵的排量。

此外，由于阀芯高频换向引起压力冲击和流量脉动，也需要配置蓄能器吸收系统的压力冲击和流量脉动，以保证机器工作的可靠性，提高各部件的寿命。

目前，国内外各种有阀型液压凿岩机都配有1个和2个高压蓄能器。

有的液压凿岩机为了减少回油的脉动。

还设有回油蓄能器。

因液压凿岩机冲击频率较高，故都采用反映灵敏、动作快的隔膜式蓄能器。

蓄能器结构各厂家并不相同，有的薄一些，有的厚一些，这可根据整机布置，并参考已有蓄能器来具体确定。

具体设计时应遵守以下原则：（1）在有效工作容积范围内变化时，要使隔膜的挠曲和变形尽量小些。

（2）响应要灵敏。

（3）连接螺钉要有足够的强度。

（4）选择合适的隔膜材料。

工作容积的确定：min ma V V V x -=∆ （2-4） 式中max V ----系统在最低工作压力时的蓄能器充气腔容积；min V ----系统在最高工作压力时的蓄能器充气腔容积。

maxV 与min V 可根据已知的活塞运动学参数计算出。

现以前腔常压油型液压凿岩机为例，并设其优化目标为瞬间流量峰值最小（活塞冲击一次隔膜只振动一次），此时3/1=α，冲程段蓄能器的排油时间Tt p 1852=，冲程叫速度Tv a m p 3=。

因冲击一次只排油一次，故其工作容积：022re )(ηp H p t Q S A V -=∆ （2-5） 式中 re A ----活塞后腔有效工作面积，f r re A A A -=； 2p S ----活塞冲程从排油起至打击钎尾的距离（行程）； Tv t S m p p p 2162521222==α （2-6）式中 T---活塞运动一个周期的时间； H Q --泵的供油流量；0η---考虑各部漏损和推阀芯换向所用流量后的修正系数，约为1.1.本次设计选用JYM 系列液压隔膜计量泵，它在10%至100%流量调节范围内，精度达到±1%。