第３０卷第２２期 Ｖｏ１．３Ｏ Ｎｏ．２２ 企业技术开发 ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＩＣＡＬ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ０Ｆ ＥＮＴＥＲＰＲＩＳＥ ２０１１年１１月 ＮＯＶ．２０ｌ１ ＺＤＹ３２００Ｓ全液压钻机液压系统设计 林小亮 （安徽淮北矿业集团勘探工程公司，安徽淮北２３５０００） 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。 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—８９３７（２０１１）２２～０１７８—０３ 关键词：工况分析；主要参数；结构特点 中图分类号：ＴＨ１３７ １ ＺＤＹ３２００Ｓ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：０～０．２２ｍ／ｓ；起拔力：７０ ｋＮ；起拔速度：０—０．３２ ｍ／ｓｏ 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・ｎｌ。在变量 泵一定量马达的回路中液压马达的输出转矩为： １ １＝Ｖ。ＴＩ△ｐ ⅡⅡｌ＝Ｋｄ△ｐ盯ＦＴ （１） 式中：Ｔｍ为液压马达输出转矩； 一为液压马达机械 效率；Ｖ 为液压马达排量；△ｐｍ为液压马达进、出口压力 差；Ｋ Ｖ 常数（认为 是常数）。 式（１）为变量泵一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ｉｚ＝２．５６，所以ｉ＝ｉ１×ｉ２＝６．４８９，则取ｉ＝６． ４８９。推算油马达输出的转速Ｉ１和最大的转矩Ｔ。 ｎ油马达输出＝１７５×６．４８９＝１ １３５．５７ ｒ／ａｒｉｎ （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 作者简介：林小亮，安徽淮北矿业集团勘探工程公司。 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。 Ｖｍ＝ （４） 式中：Ｖ 为液压马达的排量，单位为ｍ３／ｒ；Ｔ为液压 马达的负载转矩，单位为Ｎ・ｍ；Ａｐ为液压马达进、出口压 力差，单位为Ｐａ，ＡＰ＝Ｐ 一Ｐ ； 为液压马达的机械效率， 取０．９。 由式（３）取Ｔ＝４９３．１４Ｎ・ＩＴＩ。 液压马达的最大工作压力： 即液压系统压力ＡＰ＝２１ＭＰａ＝２１ Ｘ １０６ｐａ。 Ｖｍ－－－鱼： 堡 ： ＝ｌ６３．９５×１０－６ ｍ３／ｒ，取： ２１×１０６×０．９ Ｖ￣１６０ ｍｌ／ｒ （５） 所以本钻机所选择的马达为斜轴式变量马达 Ａ６Ｖ１６０ＭＡ，油马达排量４０ １６０ ｍｌ／ｒ。 ②计算液压缸尺寸，因本钻机的工作状况，决定液压 缸的结构为单活塞杆液压缸。 无杆腔为工作腔时（起拔）。 Ｐ。Ａ ・Ｐ２Ａ２＝ （６） ｍｎ 有杆腔为工作腔时（给进）。 第３０卷第２２期 林小亮：ＺＤＹ３２００Ｓ全液压钻机液压系统设计 １７９ ＰＩＡ２・Ｐ２Ａ ＝ 一 （７） ４计算液压马达和液压缸所需流量 式中：Ｐ 为液压缸的工作腔压力；Ｐ２为液压缸的回油 液压马达的最大流量为： 腔压力；Ａ 为液压缸无杆腔的有效面积，Ａ ＝，ｒｒＤ２／４；Ａ 为 ｑｍ￣＝ｇ ｎ ～ （９） 液压缸有杆腔的有效面积，Ａ：＝叮Ｔ（Ｄ２＿ｄ２）／４；Ｄ为液压缸内 式中：ｑ一为液压马达最大流量，单位ｒｎｌ／ｍｉｎ；Ｖ 为液 径；ｄ为活塞杆直径；Ｆ０为液压缸的最大工作力；Ｆ为液压 压马达排量，单位ｍｌ／ｒ；ｎ 一为液压马达最高转速参考工 缸的最大外负载，无杆腔为工作腔时（起拔），Ｆ＝７０ ｋＮ，有 况分析部分，单位ｒ／ａｒｉｎ。 杆腔为工作腔时（给进），Ｆ＝１０２ ｋＮ；１１ 为液压缸的机械 由式（２）和（５）可得： 效率，一般取（０．９～０．９７），选取＂ｑ，ｍ－－０．９５。 ｑ ＝１ １３５．５７×１６３．９５＝１８５ ７６７．９ ｍｌ／ｍｉｎ 为调节给进及起拔的速度，本钻机的液压系统回路 液压缸的最大流量为： 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 表１背压经验数据 回路特点 背压（ＭＰａ） 回油路上设有节流阀０．２－０．５ 回油路上有背压阀或调速阀０．５￣１．５ 采用补油泵的闭式回炉 １－１．５ 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＝ｖ ／ｖ （其中ｖ：、ｖ 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。 表２液压缸常用往返速比 ｉ １．１ １．２ １＿３３ １．４６ １．６１ ２ ｄ／Ｄ ０－３ ０．４ ｏ．５ ｏ．５５ Ｏ．６２ Ｏ．７ 由钻机的给进参数可知： ｉ＝０．３２／０．２２＝１．４５。取ｄ／Ｄ＝０．５５。 无杆腔为工作腔时： ２ｌ×盯Ｄ２／４—０．５×盯（Ｄ２－ｄ ）／４：！ ０．９５ Ｄ＝８１．３８ ｍｍ，ｄ＝４４．７ ｍｍ。 有杆腔为工作腔时： ２１×１Ｔ（Ｄ２－ｄ２）／４—０．５× Ｄ２／４：２Ｑ ！ ０．９５ Ｄ＝８１３ 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） 表３液压缸内径系列（ＧＢ２３４８—８０） １６ ２０ ２５ ３２ ４０ ５０ ６３ ８０ （９Ｏ） １００ （１１０） １２５ （１４０） １６０ 表４活塞直径系列（ＧＢ２３４８—８０） １６ ２Ｏ ２２ ２５ ２８ ３２ ３６ ４０ ４５ ５０ ５６ ６３ ７０ ８０ ｑ～：ＡＶ一 （１０） 式中：Ａ为液压缸的有效面积，Ａ＝－ｒｒＤ２／４（ｍ２）；Ｖ一为 液压缸的最大速度（起拔钻杆时），此时回转器不工作， Ｖ Ｏ．３２ ｒｎ／ｓ。 ｑ ＝１Ｔ ｘ 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ｑ 。 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： ｑ．￣＝９６５０９．６ ｍｌ／ｍｉｎ×（Ｉ＋５％）＝１０１３３５．１ ｍｌ／ｍｉｎ（１ １） 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： ｐ＝卫ｇ ‘ ｋＷ （１２） ３６．７ 式中：Ｐ为液压系统压力ｋｇｆ／ｅｍ ；ｑ 为液压系统的 最小流量ｍ３／ｈ。 Ｐ总功率＝２１０×１０１ ３３５．１×ｌ×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 １８０ 企业技术开发 ２０１１年１１月 载、运动方式等）为依据进行选择。本钻机的液压缸选用 选液压泵的性能参数为：额定排量为６３ ｍＬ／ｒ，额定压力 ８０／５０的车用液压油缸。 ６．３液压泵 为２１ ＭＰａ，最大工作压力为３５ ＭＰａ的柱塞泵，即可满足 系统需要。此时液压泵的流量为８９ Ｌ／ｍｉｎ。 ④确定驱动液压泵的功率。 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 ＰＰ＝ Ｔ１Ｐ 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。 式中：Ｐ 为液压系统最大工作压力；ｑ。为液压泵流 量；－ｑ 为液压泵总效率；容积效率与机械效率的乘积取 ①确定液压泵的工作压力。 Ｐｅ＝Ｐｌ＋ＡＰ ０．８６。 Ｐｅ＝２２０×８９×１０４×６０／４６×０．８６＝２６．６９ ｋＷ 式中：Ｐ 为执行元件（液压马达）的最大工作压力； ＡＰ为液压泵出口到执行元件入口之间的压力损失。 ＡＰ＝２１＋１＝２２ ＭＰａ。 由转速及功率确定电动机的型号：ＹＢＫ２—２２５Ｓ一４；电 动机功率：３７ ｋＷ；额定转速：１ ４８０ ｒ／ａｒｉｎ，验算符合假设 ②确定液压泵的流量。本钻机液压系统的执行元件 电机转速的设定值。液压马达和液压缸同时动作，但流量不同时达到最大。液 ７结论 压马达随着转矩的增大，工作压差随着增大，流量减小。 按照选定型号的液压泵、液压马达、液压缸样本上的 ｑ ≥ｋ（∑ｑ） 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。 式中：ｋ为系统泄漏系数；（∑ｑ）一为执行元件的最 ｑｐ≥１０１ Ｕｍｉｎ 大流量。 参考文献： ③根据压力、流量选取液压泵的型号。因本钻机是采 Ⅲ１冯德强．钻机设计 】．北京：中国地质大学出版社，１９９３ 用电动机与液压泵联接。取电动机的转速为１ ４８０ ｒ／ｍｉｎ。 （上接第１７７页）前于较高端的两巷高差的０．４６倍。不 煤层倾角也不变，存在一个系数假设为 ，即这个工作 过根据实际情况会有所出入，即：Ｓ＝０．４６（Ｈ Ｈ，），式中：Ｓ 面伪斜计算公式就可以变为：Ｓ＝Ｌ×ｔｇＩ－ｔ ｏｌ，３即Ｓ＝Ｌ× 为伪斜超前距离，ｍ；Ｈ ，Ｈ 为工作上出口标高、下出口标 ｔｇ ，则： ＝（１／ ）×ａｒｃｔｇＳ／Ｌ。设工作面（开切眼）与回风 高，ｍ。 巷垂线调斜成 角时，运输机出现滑移现象，８００为一 ４．２作面的真倾角推断伪斜数值 个循环进度，则运输机将上窜８００ Ｘ ｔｇ （ｍｍ）。根据现场 ①利用真倾角推断工作面伪斜。根据经验，伪斜角一 实测，当＾ｙ＝０时，即工作面与风机两巷垂直时，每推进一 般设计为切眼坡度角的１／３。实践证明：开切眼坡度角小 个循环，运输机下滑５１ １Ｔｉｍ，若要运输机不下滑，必须 于１５。的综采工作面伪斜较易调整与掌握，但当工作面 ８００×ｔｇ＾ｙ＝５１，所以＾ｙ＝１。４４’。设伪斜距离（运输巷比材 切眼坡度角大于ｌ０。时，因为生产中实际伪斜还受所用 料巷多推的距离）为ｘ，工作面长度Ｍ为１９４ ｍ，则： 设备（支架、前部后部运输机等）及其连接方式的影响，工 Ｘ＝Ｍｓｉｎ ，得Ｘ＝１２．４。 作面的实际伪斜较难掌握。即：Ｓ＝Ｌ×ｔｇ ／３，式中：Ｓ为伪 斜超前距离，ｍ；Ｌ为工作面倾斜长度，１ＴＩ； 为煤层倾 角，。。按照经验公式，煤层倾角９。，采长为１９４ ｍ时， 伪斜超前距离应为ｌ０．２ ＩＴＩ，但当伪斜控制在１０．２ Ｉｎ时，回 采过程中，运输机有下滑倾向，后逐渐加大伪斜距离，运 输机下滑速度变缓。当伪斜加大为１２ ＩＴＩ时，运输机停止 下滑，当超前距离为１４ ｍ时，运输机开始上窜，伪斜为 １８ ＩＩｌ时，运输机上窜２ １ＴＩ。当伪斜降至１０ Ｉ１３时，工作面开 始有下滑趋势，在工作面倾角没有大的变化的情况下，伪 斜控制在１０．５～１２．５ １１１＂之间，工作面运输机没有明显的 经过实践验证，将工作面调斜成机头超前于机尾 １０．５～ｌ２．５ ＩＴＩ之间伪斜能保证工作面的正常推进。 ５结语 ３２ Ｉ Ｉ 综采工作面作为我矿唯一推进的工作面，担 负着全矿全年的生产任务，确定伪斜是工作面能够顺利 高效生产的主要因素之一，对我矿具有十分重要的意义。 通过利用经验公式，结合现场的实测，对３２：１１㈦综采工 上窜下滑，都能保证工作面的正常推进。 ②真倾角的变化对伪斜的影响。在煤层倾角变小后， 伪斜距离保持不变，运输机开始上窜，伪斜调小到一定值 参考文献：后，工作面推进正常。这说明，在采长不变的情况下，伪斜 大倾角煤层综采技术实践［Ｊ１．煤矿开采，２００９，（２）． 超前距离与煤层倾角变化有关，当煤层倾角变小，工作面 ［１】李乃芳．作面的伪斜给出了控制范围，并针对工作面出现上窜下 滑现象做出解释并给出相应的处理措施，对即将开采的 ３２：１ ２＿。 综采工作面伪斜的确定具有一定的借鉴价值。 ２］廖米和，刘广文．关于综放工作面运输机窜动的控制［Ｊ１＿煤 运输机有上窜趋势，当煤层倾角变大时，反之。因此，理论 ［矿机电，２００３，（２）． 上，只要找出倾角系数随煤层倾角的变化规律，就可以通 过计算确定出伪斜距离的波动范围。当采长不变，若假设