D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1980.03.002 北京钢铁学院学报 1980年第3期 有阀型液压凿岩机有关问题的探讨 矿机教研室液压凿岩机科研组 执笔李大诒 摘 要 本文根据研制TYYG-20型液压凿岩机过程中的体会及测试结果,就机器的类 型、结构及设计中一些主要问题,作了初步分析。其中有的问题已在测试中得到验 证,有的问题尚待进一步研究,但可参照进行基本的设计计算。 一、概 述 有阀型是液压凿岩机的主要结构型式,现在国外试验用于生产並积累一定进尺量的都属 于有阀型,国内正在研制中的也多属于此类型。这是利用静压传动、由滑阀与活塞组成的拖 动系统,按阀控活塞的结构可以分为两大类型:【一单面回油(即差动油缸),【一双面回 油(图1)。 压油 三 (1)后腔回油钎尾(2)前腔阿油纤尼 图1a单面回油 图1b双面回油 液压凿岩机与风动凿岩机相同,活塞只在冲程(冲击钎尾行程)对外作功,而在回程则 完全不作功,在I-类型(单面回油)中,钎杆可在活塞小面积一端(后腔回油),也可在 大面积一端(前腔回油),因而衍化出I~1、I-2两类型。不论液压凿岩机结构如何变化, 其工作原理基本上都属于以上类型。 虽然有阀型液压凿岩机是滑阀活塞组成的拖动系统,但它和一般的阀控随动系统不同, 阀总是快速换位,在全开口量、全流量工作,而不是利用阀的缝隙进行控制调节,因此,它具有 较高的能量利用效举,一般阀腔随动系统的理论和要求,对液压凿岩机来说就不完全适用。 9
北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 有阀型液压凿岩机有关问题的探讨 矿机教研 室 液 压 凿岩机 科研 组 执笔 李大 谙 摘 要 本文根 据 研 制 一 型 液 压 凿岩机过 程 中的体会及 测试 结果 , 就机器 的类 型 、 结 构 及 设 计 中一 些 主要 问题 , 作 了初 步分 析 。 其 中有 的 问题 已在测试 中得 到验 证 , 有 的 问题 尚待进 一 步研 究 , 但 可参 照进 行墓本的设 计计算 。 概 述 有 阀型 是液压 凿岩机 的主要结 构型 式 , 现在 国外 试 验 用 于生产 业积 累 一 定进尺 量的都属 于有阀型 , 国 内正 在 研制 中的 也 多属 于此 类型 。 这 是利 用静压传动 、 由滑 阀 与活塞组成的拖 动系统 , 按 阀控 活 塞的 结构可 以 分 为两 大 类型 一 单面 回油 即 差 动 油 缸 , 一双 面 回 油 图 。 回油 压油 后 腔回汕 钎尾 前腔 回 油扦尾 图 单面 回 油 图 双 面 回 油 液压 凿岩机 与风 动 凿岩机相 同 , 活塞 只在 冲程 冲击钎尾 行 程 对外 作功 , 而在 回程 则 完全不 作 功 , 在 一 类型 单面 回油 中 , 钎杆可在 活 塞 小面 积一端 后腔回油 , 也可 在 大面积 一端 前腔回 油 , 因而衍 化出 一 、 一 两 类型 。 不论 液压 凿岩机结构如 何变 化 , 其工 作原理 从 木上都属 于 以 上 类型 。 虽然有阀型 液压 凿岩机 是滑 阀活塞组 成 的拖 动系统 , 但 它 和 一般 的 阀控 随 动系统不 同 , 阀总 是快 速换 位 , 在 全开 口 量 、 全 流量工 作 , 而不 是利 用 阀 的缝 隙进行控 制调节 , 因此 , 它 具有 较高 的能 量利 用 效率 , 一般 阀腔随 动 系统 的理论和 要求 , 对 液压 凿岩机来说 就不完 全适 川 。 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.1980.03.002
二、各型結构及此較 1.】-1型:单面回油、后腔回油、三通阔配油。 国外多数厂家的产品采用这种类型结构。图2为TYYG-20型结构原理,已对国外同类 结构作了较大改进,实验中证明是可用的。其工作原理如下: 压油 S回油 5提冲 闲换位前 0 F. F+F=F 前 F ③ 后 ⊙在冲击点 阀换位后 回油 ①套阀,②活塞,③推阀面,④反馈孔路,⑤蓄能器。 图21-1型结构原理 (1)二位三通阀配油。因为阀只与后腔联通,可采用与活塞同腔同轴运动的套阀,因而 有较简单的结构。 (2)活塞前腔受压面积为后腔的一半(F:≈女F2),並与压油常通,后腔进压油並回 油。在进压油时因受力大于前腔一倍,推动活塞冲击钎尾作功,在回油时活塞在前腔油压作 用下被推回后瑞终点。 (3)阀上三个受压面F:'+F,'=Fg',由于F,'恒受压油力,F,'恒受回油力,因此当 F,受压油力时,阀向前运动,F。'受回油力时阀向后运动,並自动在前或后位上定位。 (4)为推阀孔路。活塞回程运动中F,面越过推阀孔④1,反馈压油至阀F,'面,推阀至 前位,使后腔由回油变为进压袖。在冲程接近终点时,活塞上环槽联通推阀孔④2、④,阀 F,'接回油,阀自前位向后位运动,使后腔回油。由于活塞与阀的协调运动,在处理好冲程 与回程能量分配关系后,可形成连续有效的向前冲击。 (5)为蓄能器。由于活塞在回程与冲程中速度均由0至最大值变化,随之进排油的瞬时 流量变化增大,根据冲程、回程能量分配的要求,並且须在回程蓄能,因此在压油管路接蓄 能器⑤,兼作蓄能与消减油压脉动用。在回油管路因系间歇回油,且瞬时流量峰值较大,亦 宜接入消振用蓄能器。 I-2型:前腔回油,结构原理基本相同,但钎杆在图2后端,反馈袖孔位应作相应变 动,属于这类型的国外结构有AD一101型。 10
二 、 各型桔构及 比 较 一理 单 面 回油 、 后 胜 回油 、 三通门砚油 。 国外 多数厂 家的产验叩口 结 构作了较大改进 , 实 采用这种类型结构 。 图 为 一 型 结构原理 , 已对 国外 同类 中证 明是可用 的 。 其工作原理如下 卿京习 入 匀端铸岌薰彝交勿 一 扭回 色 ,翻 断 口口 喝 前 回知 卜 一 ‘换位前 峪 阵一一 二 ‘ 必 一在冲击点 ① 套阀, 二位三通 阀配油 。 有较简单的结构 。 ② 活塞, ③ 推 阀面 , ④ 反 馈 孔 路, ⑤ 蓄 能器 。 图 一 型 结 构 原 理 因为阀只 与后腔联通 , 可采 用 与 活 塞 同腔 同轴运 动的套 阀 , 因而 活塞前腔受 压 面积 为后腔的 一半 , “ 士 , 业 与压油 常通 , 后腔 进压油 业 回 油 。 在进 压 油时 因受 力大 于前腔 一倍 , 推 动 活塞冲 击钎尾 作功 , 在 回 油 时活 塞在 前腔油压作 用 下被 推 回 后端 终点 。 阀上三个受压 面了 ‘ , 由于 尹 恒受压油力 , ’ 恒受 回 油力 , 因此 当 声 受压油 力时 , 阀向前运 动 , 产 受 回油 力时 阀 向后运 动 , 业 自动在前或后 位 上定位 。 为推 阀孔路 。 活 塞 回程运 动 中, 面越过推阀孔 ④ ,, 反 馈压油 至 阀 ‘ 面 , 推 阀至 前位 , 使后腔 由回油 变 为进压油 。 在 冲程接近 终点 时 , 活 塞 上环槽联通 推 阀孔④ 、 ④ , 阀 声 接 回油 , 阀 自前位 向后位运 动 , 使 后腔回油 。 由于 活塞 与 阀的协调运 动 , 在处理好 冲程 与 回程 能 量分 配关系后 , 可形成连 续有效 的向前 冲 击 。 为蓄能 器 。 由于活 塞在回程与 冲程 中速 度 均 由 。 至 最大 值变 化 , 随 之 进排 油 的 瞬 时 流 量变 化增大 , 根据 冲 程 、 回程 能量 分配的要求 , 业且须 在 回程 蓄 能 , 因此在压 油 管路接 蓄 能 器⑤, 兼作蓄 能 与 消减 油压 脉 动用 。 在 回油 管路 因系间 歇 回 油 , 且瞬 时流量峰 值较大 , 亦 宜 接入 消 振用 蓄能器 。 一型 前腔回 油 , 结 构原理 基本 相 同 , 但 钎杆 在 图 后端 , 反 馈油孔 位应 作 相应 变 动 , 属于这 类型 的 国外结 构有 一 型
2.I型:双面回油、四通 回0 P压 阔配油 工作原理与I一型基本相 同,国外型号是C0p1038,其 特点是: (1)活塞在前后腔受压积 大致相等,前后腔交替回油, (2)四通阀配油,因此必须 用芯阀。阀上前后有两个推阀 面,推阀孔路有不同布置。 3.比较:对三类型结构可 以作如下比较: (1)能量利:二类型在合 钎尾 理设计中均可实现回程能量利 用,达到相近的能量利用效率。 F ⊙OQF: (2)阀的配置:I一类型可 (图示回程起点,阀已换位) 以用芯阀,也可以用套阀,套阀 ①芯阀,②活塞,④推阀反馈孔路,⑤着能器。 可有较简单结构。【一类型则必 图3I-型结构原理 须用芯阀。 (3)瞬时流量:在I一类型结构中,一腔进油回油,活塞受压面积约为另一腔的二倍, 两腔间回流量大,通过孔路的瞬时流量峰值约为【一类型的二倍,要求各孔路有较大面积。 这是I一类型不如I一类型处。 (4)蓄能器的容积:不受结构不同的影响,各类型基木相同。 (5)内漏因素:I一类型因一腔常通压油,在活塞结构大体相似时,比I一类型约大H出 50%。 从以上比较看:各类型主要条件差别不大,结合具体应用,I一类型套阀的结构简单, 重量小,较适宜于小型机器;大型机器耗油量大,要求蹶时流量和回油量小,I一类型可能 更适宜些。 三、两个关使部件一一閥和蓄能器 阀:冲击部的运动件是活塞和阀。参考国外经验,活塞应是长园柱形,断面变化次数 少,直径变化小。由于油压比风压高20~30倍,处理好缸体、油腔间的结构布置,这个要求 是比较容易实现的。 滑阀则是一个颇为关键的问题,简化整体结构,提高能量利用效率,在很大程度上取决 于滑阀结构。各类型机器采用两种滑阀:芯阀(图3)、套阀(图2)。 1.对滑阀的要求: (1)换向时间短,尽可能减少换位时对活塞腔油压的影响。一般可取滑阀运动时间为活 塞运动时间10~20%,不大于25%。 (2)耗油量少。换向快,要求推阀力大,耗油量相应加大,初步计算表明,当阀换向时 11
型 双面 回油 、 四 通 阁砚 油 工 作 原理 与 一 型 从 木 相 同 , 国外型 号 是 , 其 特点是 活塞在 前后腔受 压 而积 大致 相 等 , 前后腔交 替 回油 四 通 阀配油 , 因此 必须 用 芯 阀 。 阀上 前后 有 两 个 推 阀 雨 , 推 阀孔 路 有不 同布置 。 比较 对 三 类 型 结构可 以作如下 比较 能量利 用 三 类型 在 合 理设 计 中 均可实现 回程 能 量利 用 , 达 到相 近 的能 鼠利 用 效 率 。 阀的 配 贸 一 类型 可 以 用 芯 阀 , 也可 以 用 套阀 , 套 阀 可 有较简单结 构 。 一 类型 则 必 须 用 芯 阀 。 图示回租起点 , 阅已换位 ①芯 阀 ② 活 塞, ④ 推 阀反 馈 孔 路, ⑤ 蓄能 器 。 图 一 型 结构 原 理 瞬 时 流量 在 一 类型 结构 「户 , 一腔进 油 回油 , 活塞 受 压 面积 约 为另一腔 的二倍 , 两腔间 回 流 量 大 , 通 过 孔 路 的瞬 时 流最 峰 值 约 为 一 类型 的二倍 , 要求 各孔 路 有较大 面 积 。 这 是 一 类型不如 一 类型 处 。 蓄 能器 的容 积 不受 结 构不 同的影 响 , 各类型 基本相 同 。 内漏 因素 一类 型 因一腔 常通 压油 , 在 活塞 结构大 体相 似 时 , 比 一 类型 约大 出 。 从 以 上 比 较看 各类型 主要 条件差 别不 大 , 结 合具 体应 用 , 一 类型 套 阀的结构简 单 , 重 量 小 , 较适 宜 于 小 型机 器 , 大 型机 器 耗 油 量大 , 要求瞬 时 流量和 回油 量 小 , 一 类型 可 能 更适 宜 些 。 三 、 两 个 关键 部件一一 阴和 蓄能器 阀 冲击 部的运 动 件 是活塞和 阀 。 参考 国外 经验 , 活塞应 是 长 园柱 形 , 断 而变 化次 数 少 , 直 径 变 化小 。 由于油压 比 风压 高一 倍 , 处 理 好 缸休 、 油 腔 间的结 构布置 , 这个要求 是比 较容 易 实现的 。 滑 阀 则是一个颇 为关键的问题 , 简 化整 体结构 , 提 高 能量利 用效 率 , 在很 大程 度上取 决 于 滑 阀结 构 。 各类型 机器 采 用 两 种 滑 阀 芯 阀 图 、 套 阀 图 。 对 滑 门的共 求 换 向 时间短 , 尽 可 能减 少换位 时对 活塞腔 油 压 的 影 响 。 一般可取 滑 阀运 动时间 为活 塞运 动时间 一 , 不 大 于 。 耗油 最 少 。 换 向 快 , 要 求推 阀 力大 , 耗 油 量相应 加大 , 初步计 算 表 明 , 当阀换 向时
间为活塞运动时间25%时,耗油量为冲击部耗油量5~10%,当减少至15~20%时,耗油冠 增加至10~18%。 (3)尺寸小,重量轻。为了统一换向快、耗油量小矛盾的两个方面,结构上要求运动件 尺寸小、重量轻,並在保证必要的通流面积和封油长度的条件下减少行程。 (4)终点撞击小。滑阀本身是一个近似的等加速运动,且终点速度大,不可能完全避免 撞击,但应考虑可能的缓冲结构。 2。雨类型滑阀比较: 类·型 芯阀(图3) 套阀(图2) 结构特点 有单独的壳体,阀芯在 只有一个阀套,在活塞腔内套 壳体内运动配油。 在活塞上作同轴运动。 结构复杂性 滑阀本身形成一个组件,构造复 结构简单,重量较芯阀为小, 杂,重量大,油路也较复杂。 油路较简单。 面积梯度 较小,油压受影响稍大。 较大,油压迅速升降,能量 利用较好。 阀芯按本身结构定尺寸,容易做 阀套受活塞制约,尺寸不可 耗油量与内漏 到尺寸小,重量轻,耗油量与内 能太小,耗油量与内漏均可 漏均较小。 能较大。 适用性 可制成三通阀或四通阀,用于单 只能制成三通阀,用于单面 面、双面回油。 回油。 8.阔的改进: 参照以上分析比较,可对阀结构作出相应改进,图2所示套阀,即经改进过並在使用中 证明是可用的: (1)它避免了国外套阀用活塞顶推时的碰撞, (2)能自动柚压定位, (3)推阀面面积可适当安排,不受结构限制, (4)终点有缓冲腔。 蓄能器:它的作用一是活塞每循环速度均由0至最大值变化,通过活塞及通油孔路的瞬 时流量也相应变化,其峰值可达泵的恒定流量5~9倍,须用蓄能器予以调整,其次为实现回 程能量利用,在回程制动阶段须蓄积一定量压油。 用作图法(图4)可以较准确地确定工作循环中蓄能器容积变化△V大,用下式计算充 气蓄能器容积: V= △V大 ne(1-(1)六) 式中, V。一蓄能器充气容积, △V大一由作图法求得蓄能器各次容积变化的最大值, a一工作压力比, 12
间为活塞运 动时间 时 , 耗油 量 为冲击部耗油 量 当减少至 时 , 耗油量 增加 至 。 尺寸小 , 重 量轻 。 为了统 一换 向快 、 耗油 量小矛盾的两个方 面 , 结构 上要求运 动件 尺 寸小 、 重 轻 , 业在 保证必要 的通 流面积 和封油长 度的 条件下减少行程 。 终点撞 击小 。 滑 阀本身是一个近 似 的等加速运 动 , 且 终点速 度大 , 不可能完全避免 掩击 , 但 应考虑 可能的缓 冲结构 。 氮 雨经过滑阔比较 类 型 芯阀 图 套 阀 图 只有一个阀套 , 在 活塞 腔内套 在 活塞 上作 同轴运 动 。 阀芯在 。 ,油 有壳单体独内运的壳动配体 结构特点 结构 复杂 性 滑阀本身形成一个组件 , 构造复 杂 , 重量大 , 油路也较复杂 。 面积梯度 较小 , 油 压受影 响稍大 。 耗油里 与内漏 阀芯按本身结构定尺 寸 , 容 易做 到尺寸 小 , 重 量轻 , 耗油 量与 内 漏 均较小 。 适 用 性 可制成三通 阀或 四 通 阀, 用 于 单 面 、 双 面 回油 。 结 构简单 , 重 量较芯 阀 为小 , 油路 较简单 。 较大 , 油 压迅速 升降 , 能 量 利 用 较好 。 阀套受 活塞 制 约 , 尺 寸不 可 能太 小 , 耗油 量 与内漏 均可 能较大 。 只 能制成 三通 阀 , 用 于单 面 回油 。 阅的改进 参照 以 上分析比 较 , 可对 阀结 构作 出相应 改进 , 图 所 示套阀 , 即经改进过 业 在使 用 中 证 明 是可用 的 它避免 了国外 套阀用 活塞顶推 时的碰 撞 能 自动油压 定位, 推 阀面 面积 可适 当安排 , 不受 结 构限制, 终点有缓 冲腔 。 蓄 能器 它 的作用一 是 活塞 每循环 速度均 由 至 最大 值变 化 , 通 过 活塞 及通 油孔路 的瞬 时 流也相应 变化 , 其峰值可达泵 的恒定 流 量倍 , 须用 蓄 能器予 以 调整 其次 为实现 回 程能量利用 , 在 回程制 动阶段须蓄积 一 定量压油 。 用作图法 图 可 以较准确地 确定 工 作循环 中蓄能器容积 变 化 △大 , 用下式计 算充 气蓄能器容积 △大 , 、 止 、 刀 七 一 气丫丁 少 ’、 改 式 中 。 — 蓄能器充气容积 , △大— 由作图法求得 蓄能器 各次容积 变 化的最大值, — · 工 作压 力比
最大工作压力P大 回程 冲程 a= 最小工作压力P小 e一充气压力比, 米 e=充气压力P充 P小 K一气体绝热系数,K=1.4 246 820 141618 1一蓄能器效率,取0.9。 时间毫秒 这里有两个与工况密切相关的因 8 素: 进油 工作压力比a表达了循环中油压 的 由前腔米 脉动幅量,a不大于1.25,可保证油 2 泵正常工作。 充气压力比e表达了蓄能器容积 2 回油箱 利用率,一般应取在0.7~0.9间。这 排油 个充气压力可保证隔膜工作中在油中 浮动,不撞及壳体,同时蓄能器容积 最小,可得到充分利用。 △V大 对比图4中蓄能器压力曲线与图 充油 7中实测压力曲线,可以认为某本是 2 符合的。 液压酱岩机用蓄能器以隔膜式为 2 好,因其体形小,密封可靠。这种蓄 供油 能器一个关键结构是高压蓄能器进油 孔。此处在不工作时须承受充气高 140 压。国外某型号在隔膜心部加薄金属 120 100 片,进油孔口有多孔板支承,因而充 气压力不能过高,蒂能器容积也较 图4着能器工况 大。我们试用尼龙座板与隔膜胶结, (图中压力曲线单位公斤/厘米) 座板在不工作时封闭孔口支承隔膜,可以按要求压力充气,试验表明是可用的。 四、设计中几个问题 1.油压的形成: 一般油缸、油马达的工作油压主要决定于外加载荷。液压凿岩机不同,其工作袖压主要 决定于泵供油量,而与冲击岩石性质、纤具长短等外载荷条件无关。活塞每次排油量一定, 当流量增加时,活塞运动频率相应增加,从而活塞的运动参数¥(速度)、a(加速度)、 P(油压)、P(作用力)相应变化,当结构参数(活塞重量G、行程S、受压面积F)不变 时,油压p与流量Q有如下关系: p=KQ2 13
。 最大工 作压 力 大 “ 一 最小工 作压力 小 — 充气压力比 , 充气压 力充 ‘ 一 小 — 气 体绝热 系数 , 月— 蓄能器效 率 , 取 这 里有两个与工 况 密切 相关的 因 素 工 作压 力比 表达 了循环 中油压 脉 动幅 量 , 不大 于 , 可保证油 泵 正 常工作 。 充气压力比 表 达 了蓄 能器容积 利用率 , 一般 应取 在 间 。 这 个充气压力可 保证 隔膜工 作 中在 油 中 浮 动 , 不 撞 及壳 体 , 同时蓄 能器容积 最小 , 可得 到充 分利用 。 对 比 图 中蓄 能 器压 力曲线 与图 中实测压 力曲线 , 可以 认 为基 本 是 符 合的 。 液 压 凿岩机用 蓄 能器 以 隔膜式 为 好 , 因其 体形 小 , 密封可靠 。 这 种 蓄 能 器 一 个关 键 结 构是高压 蓄能器进 油 孔 。 此 处在不 工 作 时 须承受 充气 高 压 。 国外 某型 号在 隔膜心部加 薄金属 片 , 进油 孔 口 有多孔板 支承 , 因而 充 气 压 力 不能过 高 , 蓄 能器 容 积 也较 大 。 我们试 用尼 龙座板 与隔膜胶结 , 座 板在不工 作 时封 闭孔 口 支承 隔膜 , 二后尹 ,辱团编 肺幽坦岁 口已 、 氯 彗 ‘ 卜土班气 卜‘‘‘‘二二二刁 函尸,日 图 蓄 能器 工 况 图 中压 力 曲线单位 公 斤厘 米 可 以 按 要求压 力充气 , 试 验 表 明是可用 的 。 四 、 设 计 中几 个 问题 油 压 的形成 一般油 缸 、 油 马达 的工 作油压 主 要 决定 于外 加 载荷 。 液压 凿岩机不 同 , 其工 作 油压 主 要 决定于泵供油 是 , 当流量增 加 时 , 而 与冲击岩石性质 、 钎具 长短 等外 载荷 条件无关 。 活塞每沈排 油 量一 定 , 活塞运 动频 率相应 增加 , 从而 活塞 的运 动参数 速度 、 加速度 、 油压 、 作用 力 相应 变 化 , 当结 构 参数 活塞 重 量 、 行程 、 受 压 面积 不变 时 , 油压 与 流量有如 下关系