ZDY3200S全液压钻机液压系统设计

林小亮

摘要：文章主要介绍了ZDY3200S钻机液压系统设计计算、工况分析、主要参数、液压原理及液压系统图。

关键词：工况分析；主要参数；结构特点

中图分类号：TH137文献标识码：A文章编号：1006-8937（2011）22-0178-03

1ZDY3200S全液压钻机的主要参数

根据市场调研，用户需求 ZDY3200S全液压钻机的主要技术参数为：

①回转参数。转速范围：50～175 r/ min； 扭矩范围：2300～850 N·m；主轴内径：75 mm。

②进给参数。给进行程：600 mm；给进力：102 kN；给进速度：0～0.22 m/s； 起拔力：70 kN；起拔速度：0～0.32 m/s。

③使用范围。钻孔深度：350/100 m；终孔直径：150/200 mm；钻杆直径：63.5/73 mm。

2液压系统的工况分析 （负载与运动）

ZDY3200S钻机的液压系统需执行三个功能回转、给进、夹持，三个功能分别由三个执行元件。一个执行元件是液压马达，为钻机提供回转部分的转速和转矩；一个执行元件是液压油缸，为钻机提供给进部分的给进力和起拔钻具的起拔力；另一个执行元件也是液压油缸，是夹持器、卡盘部分，提供夹持钻杆的夹紧力。

①钻机的回转部分。ZDY3200S钻机的回转为一档无级变速50～175 r/min，最大扭矩为3200 N·m。在变量泵—定量马达的回路中液压马达的输出转矩为：

Tm=Vm?驻pm?浊mm=Kml?驻pm=T （1）

式中：Tm为液压马达输出转矩；?浊mm为液压马达机械效率；Vm为液压马达排量；?驻pm为液压马达进、出口压力差；Km1=Vm?浊mm常数（认为?浊mm是常数）。

式（1）为变量泵—定量马达容积调速回路的转矩特性方程。因此在液压马达的输出部分连接了变速箱，回转传动经变速后输出。参考西安ZDY3200S钻机可知，变速箱部分是无级一档变速，齿轮箱部分的传动比初步设计分别为i1=2.535和i2=2.56，所以i=i1×i2=6.489，则取i=6.489。推算油马达输出的转速n和最大的转矩T。

n油马达输出=175×6.489=1 135.57 r/min （2）

T最大=3200÷6.489=493.14 N·m （3）

②钻机的给进部分。液压缸的负载，随着钻头的回转供给相应的给进力102 kN，给进速度为0～0.22 m/s；随着钻孔深度的增加,添加钻杆时快速回升卡盘时，所需的起拔速度0.32 m/s，起拔钻具时提供最大的起拔力70 kN。

③钻机的夹持部分。夹持结构为液压打开，碟弹夹紧。液压打开方式为油缸活塞形式。夹持油缸有一定的结构限制，油压只需打开碟形弹簧即可。

3液压系统主要参数

压力和流量是液压系统最主要的两个参数。根据这两个参数来计算和选择液压元件、辅助件和原动机的规格型号。

3.1初选系系统压力

初选系系统压力选定的是否合理，直接关系到整个系统压力统设计的合理性。在液压系统功率一定的情况下，若系统压力选得过低，则液压元、辅件的尺寸和重量就增加，系统造价也相应增加；若系统压力选得较高，则液压设备的重量、尺寸和造价会相应降低。然而,若系统压力选用过高，由于对制造液压元、辅件的材质、密封、制造精度等要求的提高，反而会增大或增加液压设备的尺寸、重量和造价，其系统效率和使用寿命也会相应下降，因此也不能一味追求高压。根据经验本钻机的液压系统工作压力选定为21 MPa。

3.2计算液压马达排量和液压缸尺寸

①计算液压马达排量。

（7）

式中：P1为液压缸的工作腔压力；P2为液压缸的回油腔压力；A1为液压缸无杆腔的有效面积，A1=?仔D2/4；A2为液压缸有杆腔的有效面积，A2=?仔（D2-d2）/4；D为液压缸内径；d为活塞杆直径；F0为液压缸的最大工作力；F为液压缸的最大外负载，无杆腔为工作腔时（起拔），F=70 kN，有杆腔为工作腔时（给进），F=102 kN；?浊nm为液压缸的机械效率，一般取（0.9～0.97），选取?浊nm=0.95。

为调节给进及起拔的速度，本钻机的液压系统回路上分别设有减压阀和节流阀。

根据液压回路特点选取背压的经验数据如表1所示。

选取本钻机的液压缸回路的背压为1 MPa。

杆径比（即活塞杆直径与活塞直径的比）d/D。

一般按下述原则选取：

当活塞杆受拉时，一般取d/D=0.3~0.5，当活塞杆受压时，为保证压杆的稳定性，一般取d/D=0.5~0.7。杆径比d/D还常常按液压缸的往返速比 i=v2 / v1（其中v2 、v1分别为液压缸正反行程速度）的要求来选取。其经验数据如表2所示。

由钻机的给进参数可知：

D=81.3 mm，d=44.7 mm。

参考表3、表4液压缸内径和活塞直径系列，选取本钻机的液压缸D/d为：

D=80 mm，d=50 mm （8）

4计算液压马达和液压缸所需流量

液压马达的最大流量为：

qmax=Vm nm max（9）

式中：qmax为液压马达最大流量，单位ml/min；Vm为液压马达排量，单位ml/r；nm max为液压马达最高转速参考工况分析部分，单位r/min。

由式（2）和（5）可得：

qmax=1135.57×163.95=185 767.9 ml/min

液压缸的最大流量为：

qmax=AVmax （10）

式中：A为液压缸的有效面积，A=?仔D2/4（m2）；Vmax为液压缸的最大速度（起拔钻杆时），此时回转器不工作，Vmax=0.32 m/s。

qmax=?仔×0.082/4×0.32=1.608×10-3m3/s

=96509.6 ml/min

在本钻机工作时，液压马达和液压缸是并联连接，而且液压马达和液压缸的流量不是同时达到最大。

在本钻机的液压系统中，由于变量泵产生的流量还将消耗于液压泵、液压马达、液压缸和阀等的内泄上，因而变量泵产生的流量，只有在满足泄漏外尚有多余时，才能使液压马达、液压缸建立起足够的压力、输出转矩和压力。以此来确定液压系统的最小流量qmin。

由于液压缸的最大流量大于液压马达的最大流量，选取液压执行元件的最大流量为96509.6 ml/min。

液压系统的最小流量，根据经验公式可算出：

qmax=96509.6 ml/min×（1+5％）=101335.1 ml/min （11）

5计算出液压马达和液压缸的总功率

液压马达和液压缸在钻机打孔时，给进和回转同时进行。液压系统的功率为：

（12）

式中：P为液压系统压力kgf / cm2；qmin为液压系统的最小流量m3/h。

P总功率=210×101 335.1×1×10-6×60/36.7=34.79 kW。

需要指出的是，式中的P仅是系统的静态压力。系统工作过程中存在过渡过程中的动态压力，其最大值往往比静态压力要大很多。所以选取液压泵的额定压力时应比系统最高压力大25%～60%，使液压泵有一定的压力储备。最高系统的压力储备宜取小值。中、低压系统的压力储备应取大值,本系统压力储备取大值。

6主要液压元件的选择

6.1液压马达

根据式（3）和（5）的计算结果需满足钻机的最大转矩，以液压马达的性能参数转矩、转速、工作压力等为依据进行选择。本钻机选用液压马达的参数为：V=160 ml/r。此马达为斜轴式变量马达。

6.2液压缸

根据式（8）的计算结果，参考液压缸的基本参数（负载、运动方式等）为依据进行选择。本钻机的液压缸选用80/50的车用液压油缸。

6.3液压泵

本钻机采用双泵系统，电动机直接带动主泵，主泵在经过皮带轮带动副泵，为整个系统提供油压。变量油泵和变量马达组合进行无级调速，转速和扭矩可在大范围内调整，提高了钻机对不同钻进工艺的适应能力。

①确定液压泵的工作压力。

PP=P1+?驻P

式中：P1为执行元件（液压马达）的最大工作压力；?驻P为液压泵出口到执行元件入口之间的压力损失。

?驻P=21+1=22 MPa。

②确定液压泵的流量。本钻机液压系统的执行元件液压马达和液压缸同时动作，但流量不同时达到最大。液压马达随着转矩的增大，工作压差随着增大，流量减小。

为液压系统最大工作压力；qp为液压泵流量；?浊P为液压泵总效率；容积效率与机械效率的乘积取0.86。

PP=220×89×10-3×60/46×0.86=26.69 kW

由转速及功率确定电动机的型号：YBK2-225S-4；电动机功率：37 kW；额定转速：1 480 r/min，验算符合假设电机转速的设定值。

7结论

按照选定型号的液压泵、液压马达、液压缸样本上的技术参数进行验算，能够达到本钻机要求的性能参数，系统温升可以得到控制。

参考文献:

[1] 冯德强.钻机设计[M].北京:中国地质大学出版社,1993.