隧道鑿巖機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)

第1章 緒論4.1推進(jìn)器的最大推進(jìn)力的計(jì)算 18=1.555523208+300+150Sin6=7273.66N 18Fy:鑿巖機(jī)的最優(yōu)軸推力，取Fy=R=7273.66N 19=9351.372N 19 機(jī)械傳動(dòng)總效率； 194.2 推進(jìn)器液壓馬達(dá)的選型 194.4 前變幅液壓缸的主要參數(shù)計(jì)算 224.4.1 前變幅液壓缸的行程計(jì)算 224.4.2 前變幅液壓缸的有效面積計(jì)算 224.4.3 液壓缸的內(nèi)直徑和活塞桿的外直徑的計(jì)算 224.4.4 驗(yàn)算最大承受力 234.4.5 導(dǎo)向距離計(jì)算 234.4.6 液壓缸的最大流量計(jì)算 234.5 翻轉(zhuǎn)液壓缸的參數(shù)計(jì)算3（p158） 234.5.1 回轉(zhuǎn)扭矩的計(jì)算 234.5.2 油缸推力的計(jì)算 244.5.3 翻轉(zhuǎn)液壓缸的直徑計(jì)算 254.5.4 螺旋棒參數(shù)設(shè)定 254.5.5 活塞行程的計(jì)算 254.6 伸縮缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 254.6.1 伸縮缸內(nèi)徑和活塞桿徑的估算 251 伸縮缸內(nèi)徑估算 252 活塞桿徑的估算 254.6.2 伸縮缸有效面積計(jì)算 264.6.3 伸縮缸的流量估算 264.7 推進(jìn)器補(bǔ)償缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 264.7.1 補(bǔ)償缸內(nèi)徑和活塞桿徑的估算 261 補(bǔ)償缸內(nèi)徑估算 264.7.2 補(bǔ)償缸有效面積計(jì)算 264.7.3 補(bǔ)償缸的流量估算 264.8 擺角缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 264.8.1 擺角缸內(nèi)徑和活塞桿徑的估算 261 擺角缸內(nèi)徑估算 264.8.2 擺角缸有效面積計(jì)算 264.8.3 擺角缸的流量估算 264.9 泵的主要參數(shù)計(jì)算和選型 274.9.1 泵的總流量計(jì)算 274.9.2 泵的功率計(jì)算9 274.9.3 泵的選型 274.10.1 換向閥的選型 294.10.2 溢流閥的選型 294.10.3 液壓鎖的選型 294.10.4 單向閥的選型 29第1章 緒論1.1 隧道鑿巖機(jī)器人的研究和發(fā)展隧道開(kāi)挖是現(xiàn)代交通、能源、采掘、建筑等大規(guī)模基本建設(shè)中的一項(xiàng)難度大、耗資耗時(shí)多、勞動(dòng)條件差的施工作業(yè)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外資料顯示，堅(jiān)硬巖石的巷道掘進(jìn)與礦石開(kāi)采主要采用鑿巖爆破法，在今后的一段較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)還將會(huì)被采用。因此，鑿巖技術(shù)的發(fā)展主要是改進(jìn)鑿巖設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，改善操作和安全生產(chǎn)條件。自20世紀(jì)70年代末以來(lái)，液壓鑿巖機(jī)和與之配套的液壓臺(tái)車(chē)形成了高效節(jié)能、勞動(dòng)條件好的液壓鑿巖設(shè)備，在世界發(fā)達(dá)國(guó)家采掘作業(yè)中率先開(kāi)始逐步取代原有的低效耗能、勞動(dòng)條件十分差的手持式氣動(dòng)鉆孔機(jī)具。為了將隧道開(kāi)挖水平提到一個(gè)新高度，幾乎在液壓鑿巖臺(tái)車(chē)實(shí)用化的同時(shí)，國(guó)外許多廠商都將計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)引入新型液壓鑿巖設(shè)備。隨后，世界上許多發(fā)達(dá)國(guó)家都推出了具有機(jī)器人特征的半自動(dòng)計(jì)算機(jī)輔助鑿巖臺(tái)車(chē)和全自動(dòng)鑿巖臺(tái)車(chē)。由于這類鑿巖臺(tái)車(chē)主要用于隧道的開(kāi)挖，所以它又稱為隧道鑿巖機(jī)器人。從1972年開(kāi)始，挪威工程合同公司在世界上率先進(jìn)行這項(xiàng)研究，1978年即拿出基本可實(shí)用的隧道鑿巖機(jī)器人樣機(jī)。而該國(guó)的Bever公司、電子公司、Furuholmen公司、AWV公司也參與競(jìng)爭(zhēng)，其中Bever 公司開(kāi)發(fā)的軟件最為出色，該公司開(kāi)發(fā)的Bever全自動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)（包括專用的配套控制硬件），已為多個(gè)國(guó)家的隧道鑿巖機(jī)器人生產(chǎn)廠家所采用；日本東洋公司也早在1982年開(kāi)始研制成AD系列兩臂和四臂鑿巖機(jī)器人。在世界上最早實(shí)現(xiàn)液壓鑿巖機(jī)實(shí)用化的法國(guó)Montabert公司從80 年代開(kāi)始已推出六種Robofore型鑿巖機(jī)器人。美國(guó)Ingersoll-Rand公司從80年代后期也陸續(xù)推出了3GBC-CR/CC、3GC-CC/CR等隧道鑿巖機(jī)器人。在這里不得不提的是，瑞典的Atlas-Copco公司和芬蘭的Tamrock公司生產(chǎn)的液壓鑿巖設(shè)備占全球產(chǎn)量一半以上，盡管它們不是鑿巖機(jī)器人的率先研制者，但憑借自己在這個(gè)領(lǐng)域中數(shù)一數(shù)二的實(shí)力，也先后在87年和85年研制成功RobotBoom系列和Datamatic系列鑿巖機(jī)器人。德國(guó)的沙爾茨基特公司1987年也展出過(guò)具有多處理機(jī)的BW45P型鑿巖機(jī)器人。英國(guó)的Boart Robot型雙臂鑿巖機(jī)器人也在此取得了較好的應(yīng)用效果。還有重要的一點(diǎn)是它們的產(chǎn)品各具特點(diǎn)。Atlascopco公司生產(chǎn)的Rocket Boomer系列臺(tái)車(chē)，有鉆臂控制(Advanced Boom ContNl)和鉆孔過(guò)程檢測(cè)(Measure WMe Dr5mng)功能；Tamrock公司生產(chǎn)的Axera系列臺(tái)車(chē)，對(duì)鉆臂定位與鑿巖過(guò)程分別有TCAD、TDATA兩種控制方式，形成具有電子控制系統(tǒng)的常規(guī)鑿巖臺(tái)車(chē)的換代產(chǎn)品。這種先進(jìn)鑿巖臺(tái)車(chē)的綜合效益在國(guó)外隧道實(shí)際施工中已得到充分展現(xiàn)。近年來(lái)在國(guó)內(nèi)重大工程中也引進(jìn)數(shù)臺(tái)有計(jì)算機(jī)圖形導(dǎo)向控制功能的液壓鑿巖臺(tái)車(chē)，取得明顯經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。但同時(shí)，高昂的設(shè)備價(jià)格、不適合中國(guó)的圖形操作界面與布圖方式、分居兩家的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(BEVER系統(tǒng))以及臺(tái)車(chē)本體(各臺(tái)車(chē)制造商)之間的協(xié)調(diào)性使整機(jī)的作業(yè)可靠性降低，在使用中還有其過(guò)高的易損件備件費(fèi)用和較長(zhǎng)的定貨周期等因素，限制了這種先進(jìn)設(shè)備在中國(guó)的推廣。1972年冶金工業(yè)部組織中南工業(yè)大學(xué)與長(zhǎng)沙礦冶研究院研制液壓鑿巖鉆車(chē)和液壓鑿巖機(jī)，1980年我國(guó)第一臺(tái)CGJ2Y型液壓鑿巖鉆車(chē)和YYG80型液壓鑿巖機(jī)通過(guò)了冶金部的鑒定。隨后北京科技大學(xué)、中國(guó)煤炭科學(xué)院等十個(gè)單位參與這方面的研究工作，并開(kāi)發(fā)出一系列產(chǎn)品，且中南大學(xué)（即中南工業(yè)大學(xué)）承擔(dān)了以國(guó)家“863”智能機(jī)器人為主題的實(shí)用化隧道鑿巖機(jī)器人的研發(fā)任務(wù)，在純國(guó)產(chǎn)化液壓鑿巖設(shè)備的研制中成果比較突出，除CGJ2Y鉆車(chē)外，國(guó)內(nèi)第一臺(tái)用于實(shí)際生產(chǎn)的KZL120型露天液壓鉆車(chē)和配套的YYG250 重型液壓鑿巖機(jī)以及CGJS-2YB鐵路隧道半斷面鉆車(chē)都由該校研制成功。該校早在1986年就開(kāi)始進(jìn)行學(xué)習(xí)再現(xiàn)式鑿巖機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)室研究工作。值得指出的是，這些成果不是照搬國(guó)外技術(shù)，不但在機(jī)構(gòu)上有創(chuàng)新，而且形成了有特色的理論研究和設(shè)計(jì)方法，并在科研過(guò)程中，以可靠、經(jīng)濟(jì)、高效為目標(biāo)，與湖南山河智能產(chǎn)業(yè)園合作，對(duì)臺(tái)車(chē)的本體與SUNWARD控制系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)，并于2000年底完成整機(jī)調(diào)試。目前兩單位仍聯(lián)合開(kāi)發(fā)研究，預(yù)將國(guó)產(chǎn)的隧道鑿巖機(jī)器人充分發(fā)揮其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，提高我國(guó)在這一領(lǐng)域的技術(shù)掌握能力和設(shè)備生產(chǎn)能力。1.2 隧道鑿巖機(jī)器人的顯著優(yōu)點(diǎn)1、大幅度提高爆破后斷面的精度高效率避免超挖（大于設(shè)計(jì)斷面）和欠挖（小于設(shè)計(jì)斷面）。比常規(guī)臺(tái)車(chē)可減少5%甚至15%的超挖量，僅此一項(xiàng)，因襯砌材料和石碴運(yùn)輸量減少帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益就十分可觀； 2、減少鉆孔時(shí)的移位輔助時(shí)間鑿巖機(jī)器人工作鉆臂（即機(jī)械手）的軌跡已程序化，并能預(yù)先優(yōu)化確定最短移動(dòng)路線，變換新孔時(shí)間。與人工操作相比，可由3060秒減少到1030秒，可提高工效四分之一左右； 3、實(shí)現(xiàn)孔底共面控制提高爆破率每次爆破都不可能將鉆孔深度上的所有巖石崩塌下來(lái)，一般只能達(dá)到90%左右， 由于鑿巖機(jī)器人的布孔位置、鉆孔的角度、特別是各個(gè)孔的孔底的共面性等精度都大大超過(guò)了人工操作，所以爆破率可提高5%以上； 4、提高鉆進(jìn)速度鑿巖機(jī)器人的自適應(yīng)鉆進(jìn)系統(tǒng)可根據(jù)巖石的變化情況自動(dòng)調(diào)節(jié)沖擊能量、沖擊頻率、回轉(zhuǎn)速度、推進(jìn)力，并使這幾個(gè)參數(shù)達(dá)到最佳匹配，有效提高鉆孔速度，同時(shí)減少鉆頭、鉆具等較貴重配件的消耗（因地質(zhì)情況的變化，排出巖渣能力不夠等原因引起的卡鉆事故明顯降低）； 5、明顯改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)效率除個(gè)別的操作、監(jiān)視外，操作者免除了頻繁的操作、觀察、選擇等工作，一個(gè)人至少能同時(shí)監(jiān)控2個(gè)鉆臂（機(jī)械手）。封閉的操作室更為操作者提供了良好的工作環(huán)境；6、 降低隧道開(kāi)挖成本 圖1-1 鑿巖機(jī)器人全襯套和不稱套的情況經(jīng)濟(jì)分析1盡管采用鑿巖機(jī)器人會(huì)因?yàn)樵O(shè)備成本、維修費(fèi)用、管理費(fèi)用等升高而導(dǎo)致隧道開(kāi)挖成本增加，但它與超挖量和運(yùn)輸量減少帶來(lái)的效益相比就微不足道了。據(jù)日本85年的資料，僅超挖量減少一項(xiàng)，每長(zhǎng)1200m 隧道可節(jié)約1 億日元（相當(dāng)人民幣1000萬(wàn)）左右。這方面水平最高的挪威的鑿巖機(jī)器人長(zhǎng)期使用的結(jié)果表明，其經(jīng)濟(jì)效益也確實(shí)是十分顯著的。圖1-1反映了采用隧道鑿巖機(jī)器人后每米全襯砌隧道和不襯砌實(shí)際節(jié)約的費(fèi)用（美元）情況。從圖中可以看出，隧道斷面增大，全襯砌隧道節(jié)約的費(fèi)用不是線性增加，而是增加得更快。圖中數(shù)據(jù)是挪威鑿巖機(jī)器人長(zhǎng)期使用后總結(jié)出來(lái)的。該圖繪制時(shí)，綜合考慮了超挖、運(yùn)輸、人工、維修、管理、資金投入等11項(xiàng)費(fèi)用的增減。總之，開(kāi)展隧道鑿巖機(jī)器人的研制的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，或者說(shuō)其必要性是顯而易見(jiàn)的。1.3 基本結(jié)構(gòu)和工作原理1.3.1 隧道鑿巖機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu) 整臺(tái)隧道鑿巖機(jī)器人由液壓鑿巖機(jī)、鏈?zhǔn)酵七M(jìn)器、直接定位式鉆臂(具有無(wú)誤差的液壓平移機(jī)構(gòu))、直角定位式輔助臂、伸縮式門(mén)架、行走輪系、穩(wěn)車(chē)支腿、液壓系統(tǒng)、電纜卷簡(jiǎn)、動(dòng)力箱、可升降的司機(jī)室以及高壓沖洗水、潤(rùn)滑劑、補(bǔ)油箱組成的臺(tái)車(chē)本體，與由操作單元、傳感器組、控制器(由上、下位機(jī)構(gòu)成兩級(jí)控制結(jié)構(gòu))、監(jiān)示報(bào)警單元組成的控制系統(tǒng)構(gòu)成。另外，為保證臺(tái)車(chē)的正常使用與維修方便，配備了一個(gè)具有基本工具與維修包的移動(dòng)式維修間。若根據(jù)項(xiàng)目的研制內(nèi)容分成軟件、硬件兩大類，則可分解如下面的表1-1所示。 表1-1 鑿巖機(jī)器人結(jié)構(gòu)1 斷面設(shè)計(jì)軟件隧道斷面形狀，炮孔布置， (離線) 孔位移動(dòng)路徑的優(yōu)化及相應(yīng) 軟件數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和繪圖 隧 機(jī)載控制軟件鉆孔過(guò)程自適應(yīng)控制，車(chē)體 道定位，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，孔位導(dǎo)向 顯示，孔位移動(dòng)控制，傳感 鑿器信號(hào)采集、分析，各種報(bào) 警信號(hào)采集、分析、處理 巖 機(jī) 斷面孔位設(shè)計(jì)硬件辦公室CAD系統(tǒng) 器 機(jī)載計(jì)算機(jī)及控制器系統(tǒng) 控制硬件 人 硬件 各種傳感器，報(bào)警裝置 推進(jìn)器 機(jī)械（鉆）臂 液壓系統(tǒng) 執(zhí)行硬件動(dòng)力系統(tǒng) 行走、定位、氣、水等輔助裝置 車(chē)體 車(chē)架、操作室、控制箱等 1.3.2 國(guó)內(nèi)鑿巖機(jī)器人的基本原理隧道鑿巖機(jī)器人主要完成兩個(gè)基本功能，即移位尋孔定位與鉆鑿炮孔。另外，還有裝藥、行走、穩(wěn)車(chē)、補(bǔ)油、收放電纜等輔助功能。我國(guó)首臺(tái)隧道鑿巖機(jī)器人已經(jīng)在2000年底整機(jī)調(diào)試成功。該設(shè)備采用門(mén)架式車(chē)體，適應(yīng)于國(guó)內(nèi)隧道的通風(fēng)條件。1、技術(shù)原理鉆臂移位尋孔定位采用分配式電液比例控制，比例閥與電磁換向閥分配組合控制鉆臂的8個(gè)執(zhí)行液壓缸，實(shí)現(xiàn)空間水平變幅、前變幅單動(dòng)、大臂伸縮、托架翻轉(zhuǎn)、推進(jìn)補(bǔ)償、推進(jìn)梁外擺動(dòng)作；鉆鑿炮孔采用電液比例控制，實(shí)現(xiàn)鑿巖的沖擊、推進(jìn)、回轉(zhuǎn)動(dòng)作。 2、工作原理隧道鑿巖機(jī)器人的工作原理可分為三個(gè)部分：與常規(guī)液壓臺(tái)車(chē)一致的部分，如臺(tái)車(chē)本體的基本功能部分；適應(yīng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)而對(duì)臺(tái)車(chē)本體進(jìn)行改造的部分，如液壓系統(tǒng)、傳感器安裝與操作布置；計(jì)算機(jī)控制臺(tái)車(chē)特有的部分，如SUNWARD控制系統(tǒng)。這里只講述第三部分的工作原理。為實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道鑿巖機(jī)器人的計(jì)算機(jī)控制，首先要對(duì)作業(yè)的對(duì)象隧道斷面進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，包括斷面輪廓與斷面上的炮孔布置；設(shè)計(jì)完成的隧道斷面通過(guò)電子盤(pán)傳送至機(jī)載控制系統(tǒng)；具有感覺(jué)能力的臺(tái)車(chē)駛近斷面后用支腿調(diào)平停車(chē)，操作鉆臂使隧道激光通過(guò)推進(jìn)梁上的兩個(gè)靶孔，依靠隧道激光、隧道樁號(hào)(里程)，對(duì)隧道鑿巖機(jī)器人進(jìn)行車(chē)體定位，建立起鑿巖機(jī)器人坐標(biāo)系與斷面坐標(biāo)系的聯(lián)系，形成斷面上炮孔的位置與姿態(tài)相對(duì)于鑿巖機(jī)器人坐標(biāo)系的關(guān)系；將此關(guān)系轉(zhuǎn)化為鑿巖機(jī)器人鉆臂上各關(guān)節(jié)的目標(biāo)控制量，即鉆臂末端(推進(jìn)器頂尖)在隧道斷面上的定位控制量；控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)(泵、閥、缸)達(dá)到控制目標(biāo)量，完成鉆臂的定位過(guò)程，快速、準(zhǔn)確地自動(dòng)找到炮孔位置(炮孔點(diǎn)要求)，并控制推進(jìn)梁達(dá)到設(shè)計(jì)的姿態(tài)(外插角要求)；鉆臂定位完成后，轉(zhuǎn)入鑿巖過(guò)程的控制，實(shí)現(xiàn)輕沖開(kāi)孔，炮深共底，自動(dòng)回退，自動(dòng)防卡功能；一個(gè)炮孔完成后分配下一個(gè)鉆臂定位目標(biāo)控制量，直至斷面上所有炮孔鉆鑿?fù)瓿?；保存文檔信息，下載到電子盤(pán)送回辦公室進(jìn)行資料處理與管理。當(dāng)然，還少不了整個(gè)控制過(guò)程的中文界面團(tuán)形監(jiān)控與報(bào)警、手動(dòng)操作優(yōu)先權(quán)(若計(jì)算機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，仍能進(jìn)行手動(dòng)操作，達(dá)到常規(guī)鑿巖臺(tái)車(chē)的功能)、系統(tǒng)故障簡(jiǎn)單的診斷功能和自校正功能。1.4 國(guó)內(nèi)研發(fā)的鑿巖機(jī)器人顯著特點(diǎn) 與國(guó)外的電腦導(dǎo)向臺(tái)車(chē)相比，我國(guó)研發(fā)的隧道鑿巖機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：1、門(mén)架式結(jié)構(gòu)適合我國(guó)鐵路隧道施工要求，不產(chǎn)生煙霧污染，通風(fēng)條件好；門(mén)架式結(jié)構(gòu)中間可通過(guò)312型挖裝機(jī)進(jìn)行裝碴。斷面爆破時(shí)臺(tái)車(chē)可不退出洞外或叉道，縮短輔助時(shí)間。 2、這種門(mén)架式結(jié)構(gòu)可以伸縮，便于大件運(yùn)輸，運(yùn)輸時(shí)工作臂與輔助臂和車(chē)架可以不拆卸，進(jìn)行整體運(yùn)輸，避免運(yùn)輸時(shí)液壓管路、電纜、控制線路的斷開(kāi)。當(dāng)然，對(duì)于特殊情況，也可以分體運(yùn)輸。 3、具有我國(guó)鐵路隧道標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)的斷面設(shè)計(jì)(TUCAD)系統(tǒng)。 4、采用具有電腦導(dǎo)向功能的雙三角結(jié)構(gòu)工作臂。直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的工作臂由于其單缸運(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)單，進(jìn)口的電腦導(dǎo)向臺(tái)車(chē)大都采用這種結(jié)構(gòu)。由于雙三角結(jié)構(gòu)的工作臂固有的優(yōu)點(diǎn)，因此本臺(tái)車(chē)采用這種雙缸復(fù)合控制定位的結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)工作臂。 5、傳感器組件，不僅進(jìn)行完全鋁裝密封，且傳感原理也不相同，提高了電腦導(dǎo)向系統(tǒng)中傳感器的可靠性、可維護(hù)性與實(shí)用性。 6、整機(jī)的多種工作方式，保證了工作的可靠性。臺(tái)車(chē)具有手動(dòng)和電腦導(dǎo)向2種操作方式，電腦導(dǎo)向系統(tǒng)采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)。上位機(jī)完成任務(wù)分配、人機(jī)交互界面、圖形導(dǎo)引顯示功能；下位機(jī)實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的采集、運(yùn)動(dòng)軌跡的控制功能。還需實(shí)現(xiàn)工作臂移動(dòng)時(shí)，預(yù)先給定孔序的單孔自動(dòng)定位與鑿巖時(shí)的單孔自動(dòng)鉆孔。 7、控制系統(tǒng)與臺(tái)車(chē)本體的統(tǒng)一化設(shè)計(jì)，保證了控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性與可靠性。 8、具有機(jī)載控制器完全本土化的操作界面。 9、有多重防油液污染的過(guò)濾保護(hù)裝置。自主研制的隧道鑿巖機(jī)器人與常規(guī)臺(tái)車(chē)相比不僅具有技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，其可靠性也進(jìn)一步得到提高，SUNWARD控制系統(tǒng)與模塊化臺(tái)車(chē)本體之間結(jié)合一致，可視化圖形操作簡(jiǎn)單，模塊式結(jié)構(gòu)維修方便，降低了隧道施工成本，是隧道鉆爆法作業(yè)施工中具有優(yōu)良性價(jià)比的大型機(jī)械設(shè)備。1.5 選題的意義和設(shè)計(jì)內(nèi)容 隧道鑿巖機(jī)器人是廣泛應(yīng)用于礦山、鐵路、公路、水電建設(shè)、市政及國(guó)防施工等工程爆破孔鉆鑿工程作業(yè)中的工程機(jī)械，且隧道鑿巖機(jī)器人在隧道開(kāi)挖工程中可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的社會(huì)效益。對(duì)這一點(diǎn)，在前面已作了充分闡述?？梢灶A(yù)計(jì)，隧道鑿巖機(jī)器人產(chǎn)業(yè)本身固有的特點(diǎn)令其今后在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)方面的效益愈加顯著，這也是隧道鑿巖機(jī)器人的研發(fā)、設(shè)計(jì)的重大意義所在。隧道鑿巖機(jī)器人的研發(fā)、設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有隧道鑿巖機(jī)器人中的鑿巖機(jī)、鉆臂液壓控制系統(tǒng)、鉆臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和鉆臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及與之相輔的其它相關(guān)設(shè)計(jì)。此次的設(shè)計(jì)，主要是隧道鑿巖機(jī)器人鉆臂的液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，確切的說(shuō)，應(yīng)是隧道鑿巖機(jī)器人鉆臂的位姿控制的液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)思路是首先了解于整個(gè)鑿巖機(jī)器人的鉆臂的結(jié)構(gòu)、工作原理、主要特點(diǎn)，初步確定液壓系統(tǒng)方案，并對(duì)鉆臂進(jìn)行受力分析，求出液壓元件的主要負(fù)載，選擇液壓元件以及其中重要的非標(biāo)準(zhǔn)元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后確定最終的液壓系統(tǒng)方案。在此設(shè)計(jì)中需完成以下工作：繪制液壓原理圖，主要液壓元件的選型，非標(biāo)準(zhǔn)液壓元件的設(shè)計(jì)等。 37第2章 液壓系統(tǒng)方案的擬定第2章 液壓系統(tǒng)方案的擬定2.1 隧道鑿巖機(jī)器人鉆臂位置液壓控制的主要部分圖2-1 隧道鑿巖機(jī)器人鉆臂結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，液壓系統(tǒng)控制的鉆臂主要部分有：鉆臂前變幅液壓缸、鉆臂后變幅液壓缸、鉆臂伸縮缸、推進(jìn)器翻轉(zhuǎn)液壓缸、推進(jìn)器補(bǔ)償液壓缸、推進(jìn)器擺動(dòng)液壓缸等。2.2 液壓平移的主要原理 復(fù)合坐標(biāo)鉆臂結(jié)構(gòu)一般采用雙三角結(jié)構(gòu)。其工作原理有下圖2-2所示。圖2-2 雙三角結(jié)構(gòu)2當(dāng)鉆臂實(shí)現(xiàn)上升或者下降時(shí)，由前、后變幅液壓缸BE、CD、FK、GH相互作用，當(dāng)BE（或者CD）伸長(zhǎng)，同時(shí)FK(或者GH)縮短就能實(shí)現(xiàn)鉆臂的舉升或者下降。當(dāng)然前變幅液壓缸的伸縮長(zhǎng)度和后變幅液壓缸的伸縮長(zhǎng)度是要滿足一定關(guān)系的。雙三角結(jié)構(gòu)的鉆臂決定該鉆臂的液壓控制需要采用液壓平移機(jī)構(gòu)油路控制。如下圖2-3、2-4所示，圖2-3 為一種典型液壓平移機(jī)構(gòu)。其工作原理是：當(dāng)鉆臂升起（或落下）角時(shí)，平移引導(dǎo)缸2的活塞被鉆臂拉出（或縮回），這時(shí)平移引導(dǎo)缸的壓力油排入仰俯角缸1中，使俯仰角缸的活塞縮回（或拉出）圖2-3 平移機(jī)構(gòu)的油路連接31-平移引導(dǎo)缸 2-俯仰角缸于是推進(jìn)器、托架便能下俯（或上仰），角。在設(shè)計(jì)平移機(jī)構(gòu)時(shí)，合理的確定兩油缸的安裝位置和尺寸，就能得到，。在鉆臂升起或下降的過(guò)程中，推進(jìn)器始終是保持平移運(yùn)動(dòng)，這就能滿足鑿巖爆破的工藝要求，操作也簡(jiǎn)單。且該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小，重量輕，工作可靠，不需要增設(shè)其它桿件圖2-4 無(wú)平移引導(dǎo)缸的液壓平移機(jī)構(gòu)油路連接原理31、6-控制閥 2、5-液壓鎖 3-后變幅缸 4-前變幅缸結(jié)構(gòu)，只利用油缸和油管的特殊連接，便可達(dá)到平移的目的，但由于該機(jī)構(gòu)需要平移引導(dǎo)缸并且相應(yīng)的增加油管，也由于油缸安裝角度的特殊要求，使得空間結(jié)構(gòu)不好布置；而圖2-4 采用的是無(wú)平移引導(dǎo)缸的液壓平移機(jī)構(gòu)。其工作原理是液油通過(guò)控制閥、液壓鎖流入液壓缸3的無(wú)桿腔，而有桿腔的液壓出口連在液壓缸4的無(wú)桿腔。然后再回油。在此間，當(dāng)液壓缸3的活塞桿向前推進(jìn)時(shí)，液壓缸4的活塞也向前推進(jìn)。最終實(shí)現(xiàn)兩個(gè)液壓缸活塞桿的同時(shí)推進(jìn)。而且，在圖2-4中，易知液壓缸4 可以自行控制，不受到液壓缸3的限制。當(dāng)然這應(yīng)用在不需要液壓平移的情況。既是說(shuō)控制閥1控制液壓平移，而控制閥6可以單獨(dú)控制液壓缸4。該機(jī)構(gòu)能克服前者的缺點(diǎn)，只需要利用前、后變幅缸的適當(dāng)比例關(guān)系，便可以達(dá)到平移的目的。其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，平移精度同樣準(zhǔn)確，不足之處是液壓缸3、4必須保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，因此油缸的結(jié)構(gòu)比較特殊。從以上分析可以看出，無(wú)平移引導(dǎo)缸的液壓平移結(jié)構(gòu)更適合雙三角結(jié)構(gòu)的鉆臂控制。故在此采用無(wú)平移引導(dǎo)缸的液壓平移機(jī)構(gòu)。2.3 平衡回路的設(shè)計(jì)圖2-5 平衡回路設(shè)計(jì)1-后變幅液壓缸 2、5-平衡閥 3、6-液壓鎖 4-前變幅液壓缸 7-三位四通閥通常平衡回路一般采用兩個(gè)液控單向閥來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的鎖閉。其原理如上圖2-4所示。當(dāng)液壓油從換向控制閥1通過(guò)液控單向閥2左閥進(jìn)入液壓缸3的無(wú)桿腔，然后通過(guò)液控單向閥2右閥流至下一個(gè)油路或者回油。在此過(guò)程中，如果兩單向閥之間沒(méi)有相互控制，則油液不能回油。只有當(dāng)進(jìn)油路存在壓力使得回油路的單向閥打開(kāi)才能實(shí)現(xiàn)通路。第二種平衡回路是由一個(gè)順序閥和一個(gè)單向閥組成平衡閥（或者是溢流閥和單向閥組成的），其主要是保持垂直放置的液壓缸不因自重而下落。由于用單向閥組成的液壓鎖在一定程度上可以制止液壓缸的下落，這只適用于油壓比較小一點(diǎn)的場(chǎng)合。因?yàn)樵诠ぷ饔蛪罕容^大，只要打開(kāi)單向閥，油路中的油液會(huì)立刻對(duì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)巨大的沖擊，這樣會(huì)損壞液壓元件，并產(chǎn)生較大的損耗。因此這不是一個(gè)理想的平衡回路。因?yàn)橐簤焊椎挠蛪罕容^大，而鉆臂的位置需要精確確定，因此要求平衡回路中，緩沖小，能承受大的油壓，泄漏小。因?yàn)橐缌鏖y存在內(nèi)卸荷，所以選擇順序閥和單向閥組成的平衡閥油路。根據(jù)各種回路、液壓缸的工作要求，共同采用了以上兩種不同的平衡回路，即在采用了順序閥和單向閥后，采用了雙單向閥的液壓鎖。因此，平衡回路的原理圖由上圖2-5所示。2.4 中位換向閥的選擇因?yàn)橹形粨Q向閥主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)液壓缸的工進(jìn)、工退以及停止工作的控制。在鉆臂控制系統(tǒng)中，僅要求對(duì)油路的工進(jìn)、工退和卸荷，故只要采用三位四通電磁換向閥就可以實(shí)現(xiàn)此功能，并可采用電磁控制。見(jiàn)上圖2-5。但為了能夠讓油缸的油液在工作時(shí)能夠不卸荷，保證油缸的定位功能，因此三位四通換向閥的中位改為K型中位機(jī)能的三位四通電磁換向閥。2.5 液壓系統(tǒng)方案的確定2.5.1 擬定方案根據(jù)以上各個(gè)環(huán)節(jié)的確定，因此可以擬出以下幾種液壓系統(tǒng)方案。第一種方案：油路中采用液壓鎖，并且在進(jìn)油路上設(shè)置調(diào)節(jié)閥以便控制有缸回油的速度，以防液壓元件受到?jīng)_擊。此種方案適用于雙三角結(jié)構(gòu)的鉆臂控制。見(jiàn)下圖2-6。第二種方案：采用了由順序閥和液控單向閥組成的平衡閥，并且在進(jìn)出油路上安上雙液控單向閥，以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓元件的保護(hù)。此種方案也適用于雙三角結(jié)構(gòu)的鉆臂控制。見(jiàn)下圖2-7。第三種方案：此種方案是根據(jù)鉆臂控制方法為直角坐標(biāo)鉆臂而設(shè)計(jì)的。其采用的油缸的數(shù)目比較少，而且其進(jìn)出油路只用了液壓鎖進(jìn)行控制，使液壓元件避免受到壓力沖擊。見(jiàn)下圖2-8。2.5.2 幾種液壓方案的比較選擇首先，由于鉆臂的控制機(jī)制不同，在實(shí)現(xiàn)鉆臂的控制中，雙三角的鉆臂控制機(jī)構(gòu)顯然具有更廣泛的應(yīng)用。即雙三角的鉆臂控制機(jī)構(gòu)比直角坐標(biāo)鉆臂控制機(jī)構(gòu)更具有優(yōu)越性。盡管直角坐標(biāo)系鉆臂控制機(jī)構(gòu)的液壓原理更為簡(jiǎn)單，但直角坐標(biāo)系的鉆臂結(jié)構(gòu)會(huì)使液壓控制系統(tǒng)的油缸增多，最大的缺點(diǎn)是產(chǎn)生較大的鑿巖盲區(qū)。而雙三角的鉆臂控制系統(tǒng)則克服了直角坐標(biāo)系的缺點(diǎn)，不僅能減小鑿巖盲區(qū)，而且可以鉆鑿正面孔，兩側(cè)任意方向的鉆孔以及垂直向上的錨桿孔和采礦用孔。故選擇了雙三角結(jié)構(gòu)鉆臂控制方式的液壓方案。在雙三角結(jié)構(gòu)鉆臂控制方式的液壓系統(tǒng)方案中，第一種方案中使用了節(jié)流閥作為液壓缸速度調(diào)節(jié)。由于本液壓系統(tǒng)屬于高壓系統(tǒng)，若采用節(jié)流閥，不僅泄漏較大，會(huì)產(chǎn)生巨大的損耗，而且節(jié)流閥會(huì)限制液壓缸的快速定位。若僅適用液壓鎖控制油路的通和閉，則當(dāng)液壓鎖打開(kāi)的那一刻，巨大的液壓沖擊就會(huì)沖擊電磁閥，導(dǎo)致電磁閥的損壞。第二種方案則是在液壓鎖作用的油路上添加平衡閥。無(wú)論是進(jìn)油或者處油，只有當(dāng)油液壓力大于平衡閥的內(nèi)定的壓力時(shí)，平衡閥才會(huì)通油，這樣不僅僅降低油路的沖擊壓力，而且可以適當(dāng)?shù)臏p輕液壓鎖的工作壓力。圖2-6 第一種液壓系統(tǒng)方案1-后變幅液壓缸 2-前變幅液壓缸 3-鉆臂伸縮缸 4-推進(jìn)器翻轉(zhuǎn)缸 5-推進(jìn)器補(bǔ)償缸 6-濾油器 7-壓力計(jì) 8-節(jié)流閥 9-液壓鎖 10-溢流閥 11-推進(jìn)器擺角缸因此，在這幾種方案比較理想的是第二種液壓系統(tǒng)方案。圖2-8 第三種液壓系統(tǒng)方案1-支臂缸 2-仰俯角缸 3-擺臂缸 4-擺角缸 5補(bǔ)償缸 6-濾油器7-壓力計(jì) 8-節(jié)流閥 9-單向閥 10-液壓鎖 11-溢流閥圖2-7 第二種液壓系統(tǒng)方案1-后變幅液壓缸 2-前變幅液壓缸 3-鉆臂伸縮缸 4-推進(jìn)器補(bǔ)償缸 5-推進(jìn)器翻轉(zhuǎn)液壓缸 6-推進(jìn)器擺角缸 7-濾油器 8-平衡閥 9-壓力計(jì) 10-液壓鎖 11-溢流閥 12-電磁換向閥 第3章 系統(tǒng)受力分析第3章 系統(tǒng)受力分析鉆臂在位姿定位過(guò)程中，各個(gè)液壓缸所要承受的力是不同的，而其中在雙三角鉆臂結(jié)構(gòu)中，后變幅液壓缸不僅僅要確保鉆臂的位姿定位的準(zhǔn)確，而且還要支撐鑿巖機(jī)工作時(shí)推進(jìn)器所受到推進(jìn)器工作面的反作用力以及鉆臂各部分給予的重力和力矩。易知，在鉆臂各個(gè)液壓缸負(fù)載中，后變幅液壓缸所承受的力最大。下面對(duì)后變幅液壓缸進(jìn)行受力分析。圖3-1 仰角45時(shí)的受力分析已知鉆臂在工作的過(guò)程中最大仰角為45，最大俯角為30，因此主要對(duì)鉆臂在仰角45、水平0和俯角30時(shí)的極限位置進(jìn)行受力分析。因鉆臂工作時(shí)要承受推進(jìn)力的反作用力，因此應(yīng)該把推進(jìn)力納入計(jì)算范圍內(nèi)。已知最大推進(jìn)力為9351N。但相對(duì)于鉆臂的自重，推進(jìn)力的反作用反而很小。故進(jìn)行受力分析時(shí)可以不計(jì)。如下圖3-1、3-2、3-3所示，均為后變幅液壓缸在極限位置時(shí)的受力分析簡(jiǎn)圖。圖中CD為支臂的支座上的鉸接點(diǎn)、AB則是鉆臂上的鉸接點(diǎn)，G點(diǎn)為支臂與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的連接點(diǎn)，K為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在推進(jìn)架上的支撐點(diǎn)。E、F為后、前變幅液壓缸在鉆臂體上的鉸接點(diǎn)。其中CD、AB為液壓缸在鉆臂支座上的鉸接點(diǎn)，E、F是液壓缸在鉆臂體上的鉸接點(diǎn)。G為支臂與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的連接點(diǎn)，O為整鉆臂體的重心，H為鉆臂后半部分的重心點(diǎn)，I、J為托架頭尾的幾何位置。圖3-3 0時(shí)的受力情況由圖3-1、3-2、3-3中的受力分析簡(jiǎn)圖和平面任意力系平衡條件易知當(dāng)鉆臂在水平狀態(tài)下F液受力最大。在此需說(shuō)明的一點(diǎn)是，當(dāng)鉆臂在打最大斷面炮孔時(shí)，即鉆臂在仰鑿或者俯鑿時(shí)，鉆臂的受力也很大。然而，由于鑿巖機(jī)器人在某些情況下需要打孔的斷面比其最大炮孔斷要小很多，這時(shí)鉆臂不需仰鑿或者俯鑿。故可知鉆臂水平鑿時(shí)后變幅液壓缸的受力比仰或者俯鑿的受力更大。由鉆臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和結(jié)構(gòu)分析6知：圖3-2 俯角30時(shí)的力分析CB=5700mm，AG=880mm，又估算CD=410mm，CE=1640mm，F(xiàn)B=1093mm，AB=274mm，AG=885mm，AH=2/3AG=590mm，現(xiàn)各受力點(diǎn)對(duì)C點(diǎn)取力矩，則 （3-1）式中GB鉆臂總重（包括鉆臂體、支臂缸、前后變幅缸、托架、擺角缸）；GT推進(jìn)器總重（包括導(dǎo)軌、推進(jìn)缸、托釬器、滑板、補(bǔ)償缸、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等）；F液為后變幅液壓缸等效在與鉆臂體同一個(gè)縱面的受力；rB、rZ、r液分別為鉆臂體、推進(jìn)器和F液對(duì)A點(diǎn)的距離。估算GB=1100kg，GT=1000kg，又由圖3-3易知在水平狀態(tài)下r液=394mm。而rB=2850mm、rZ=6290mm。由平面任意力系平衡條件易知 （3-2）則將以上數(shù)值代入式（3-1）、（3-2）得F液=234428.93N由于這個(gè)數(shù)值是指后變幅液壓缸在與鉆臂體在同一縱面下的力值。故每一個(gè)后變幅液壓缸的值則需要將這個(gè)值等效在實(shí)際的液壓缸所在的平面，即在圖3-3中F液所在的位置的垂直紙面的平面上。又因鉆臂有左右擺動(dòng)的極限位置，此種雙三角結(jié)構(gòu)情況下，由幾何知識(shí)易知當(dāng)后變幅液壓缸一個(gè)伸長(zhǎng)一個(gè)縮短的狀態(tài)時(shí)，伸長(zhǎng)的液壓缸承受的力最大，亦可算出后變幅液壓缸最大受力為127893.58N。第4章 液壓元件的選型和計(jì)算第4章 液壓元件的選型和計(jì)算4.1推進(jìn)器的最大推進(jìn)力的計(jì)算1鑿巖機(jī)的選型根據(jù)鑿巖機(jī)工作指標(biāo)要求：高頻率、高扭矩、高沖擊能的標(biāo)準(zhǔn)選擇如下技術(shù)參數(shù)的鑿巖機(jī) 摘自中國(guó)工業(yè)網(wǎng)站：/business/product_main.asp：型號(hào)：YYG150ME 鑿孔直徑：38115mm 工作壓力：25MPa輸出功率：15kW 沖擊能：24350J 沖擊頻率：4060Hz沖擊流量：90L/min 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速：0300r/min 回轉(zhuǎn)扭矩：5001000Nm回轉(zhuǎn)流量：64.8L/min 外觀尺寸：1002mm240mm225mm重量：150kg 廠家：沈陽(yáng)鑿巖機(jī)機(jī)械股份有限公司2推進(jìn)器最大推進(jìn)力的計(jì)算3(p141) （41）(1)鑿巖機(jī)的最優(yōu)軸向推力的計(jì)算4（p69） （42）式中，f指的是沖擊設(shè)備的沖擊頻率；f =55Hze指的是沖擊設(shè)備的沖擊能；e=320Jmk指的沖擊設(shè)備的活塞質(zhì)量；由沖擊能e、活塞質(zhì)量mk、活塞速度v的關(guān)系是則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取鑿巖機(jī)的沖擊速度=8m/s指的是附加軸向力（用以克服機(jī)械摩擦和氣體反沖產(chǎn)生的力）對(duì)導(dǎo)軌式載巖機(jī)取值為200400N。在此取300N。G為鑿巖機(jī)和釬桿的重量。G=150kg為炮孔傾角，取經(jīng)驗(yàn)值=6則= =1.555523208+300+150Sin6=7273.66N(2) 推進(jìn)器最大推進(jìn)力的計(jì)算3(p141)（4-1）中kb：備用系數(shù)， =1.11.3。取 =1.2;Fy:鑿巖機(jī)的最優(yōu)軸推力，取Fy=R=7273.66N其余同上。則推進(jìn)器的最大推進(jìn)力為=1.2(7273.66+1509.8sin6+1509.80.25cos6)=9351.372N3 推進(jìn)器液壓馬達(dá)的最大力矩計(jì)算圖4-1 液壓馬達(dá)鏈條式推進(jìn)器31鏈條松緊調(diào)節(jié)器 2液壓馬達(dá) 3導(dǎo)軌 4推進(jìn)器腔體5滑板 6鏈條 7導(dǎo)向鏈輪已知推進(jìn)器的工作原理是液壓馬達(dá)鏈條式，其結(jié)構(gòu)原理圖如下圖4-1所示。則液壓馬達(dá)的功率可按下式計(jì)算 (4-3)式中Rmax最大軸推力，N； 機(jī)械傳動(dòng)總效率；v 鑿巖機(jī)推進(jìn)速度，；式中d為主動(dòng)鏈輪直徑，m；n主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速，。則有=9351.327 N; 估算=0.90; =23m,取=2.5m故25.976kW在推進(jìn)器內(nèi)，估算主鏈輪直徑為200mm,則液壓馬達(dá)的最大扭矩為935.1372Nm。4.2 推進(jìn)器液壓馬達(dá)的選型因?yàn)樵谒淼黎弾r機(jī)器人工作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)卡釬現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)液壓馬達(dá)承受的扭矩急劇加大，但是液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速卻很小，故選取低速大扭矩液壓馬達(dá)。根據(jù)如下表1的液壓馬達(dá)適用工況與適用范圍，選取軸向柱塞馬達(dá)。表4-1 各種液壓馬達(dá)的適用工況與應(yīng)用范圍5馬達(dá)類型主要特性適用范圍齒輪馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不大，速度平穩(wěn)性要求不高，噪聲限制不嚴(yán)鉆床，通風(fēng)設(shè)備葉片馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不大，噪聲要求小磨床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，機(jī)床操縱機(jī)構(gòu)擺線馬達(dá)負(fù)載速度中等，體積要求小塑料機(jī)械、煤礦機(jī)械、挖掘機(jī)行走機(jī)械軸向柱塞馬達(dá)負(fù)載大，有變速要求，負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，低速平穩(wěn)性要求高起重機(jī)、絞車(chē)、鏟車(chē)、內(nèi)燃機(jī)車(chē)、數(shù)控機(jī)床球塞馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大，速度中等塑料機(jī)床，行走機(jī)械等內(nèi)曲線徑向馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩很大，轉(zhuǎn)速低，平穩(wěn)性高的場(chǎng)合挖掘機(jī)、拖拉機(jī)、起重機(jī)、采煤機(jī)等參考下表2的一些數(shù)據(jù)和內(nèi)容，選取型號(hào)為QJM系列的液壓馬達(dá)。表4-2液壓馬達(dá)產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)概覽5型號(hào)額定壓力最小轉(zhuǎn)速最大轉(zhuǎn)速額定扭矩廠家柱塞馬達(dá)JM系列1016512506363004218713昆山液壓件廠1JMD16104002016140471430太原礦山機(jī)械廠1JM-F20100500200400068.616010太原礦山機(jī)械廠NJM1625121000.85403892114480沈陽(yáng)工廠液壓件廠QJM102018001001600021542183寧波液壓馬達(dá)廠QKM10201600400450084010490寧波液壓馬達(dá)廠則，參考下表4-3QJM型通孔液壓馬達(dá)技術(shù)參數(shù)以及前面估算的液壓馬達(dá)的最大扭矩及其工況，選取型號(hào)為2QJM 21-0.5T65通孔的軸向柱塞馬達(dá)。性能如下：排量：0.248L/rev 額定壓力：16MPa尖峰壓力：31.5MPa 轉(zhuǎn)速范圍：2400r/min 最大輸出轉(zhuǎn)矩：1175Nm 通孔直徑：65mm廠家：寧波甬源（旋球）液壓馬達(dá)有限公司（即原寧波液壓馬達(dá)廠）另外由設(shè)計(jì)手冊(cè)軟件版2.0得知該液壓馬達(dá)的重量為45kg.型 號(hào)排量(L/rev)壓力（MPa）轉(zhuǎn)速范圍r/min額定輸出扭矩 Nm通孔直徑（mm）額定尖峰1QJM01-0.1T400.110168-800148401QJM01-0.16T400.16310168-6302411QJM01-0.2T400.20310168-5003001QJM11-0.32T500.31710165-500469501QJM11-0.4T500.40410165-4004981QJM11-0.5T500.510165-3207342QJM21-0.32T650.317,0.1591631.52-630751652QJM21-0.5T650.496,0.2481631.52-40011752QJM21-0.63T650.664,0.3321631.52-32015722QJM21-1.0T651.01,0.50510162-25014952QJM21-1.25T651.354,0.67710162-20020042QJM32-0.63T750.635,0.3182031.51-5001880752QJM32-1.0T751.06,0.532031.51-40031382QJM32-1.25T751.30,0.652031.52-32038332QJM32-2.0T752.03,1.0216252-20048072QJM32-2.5T752.71,1.3610161-1604011表4-3 QJM型通孔液壓馬達(dá)技術(shù)參數(shù)注：此表摘于/tkmd.htm4.3液壓系統(tǒng)壓力的確定由于本液壓系統(tǒng)是液壓鑿巖機(jī)器人中的一部分液壓系統(tǒng)，而液壓鑿巖機(jī)器人的液壓系統(tǒng)是利用高壓的液壓系統(tǒng)進(jìn)行主要工作的，因此，確定本液壓系統(tǒng)是高壓系統(tǒng)，其系統(tǒng)壓力（即工作壓力）初步確定為20MPa，后下一章后變幅液壓缸的設(shè)計(jì)中也算得系統(tǒng)的壓力為20MPa。4.4 前變幅液壓缸的主要參數(shù)計(jì)算4.4.1 前變幅液壓缸的行程計(jì)算由上一章可知前變幅液壓缸在等效在鉆臂體縱切面的最長(zhǎng)為1301mm，最短為985mm。因此由幾何知識(shí)得知當(dāng)前變幅液壓缸在45仰角和45水平擺動(dòng)的極限位置時(shí)液壓缸的最長(zhǎng)為1413.89mm,取其近似值為1414mm。而當(dāng)前變幅液壓缸在俯角30和45水平擺動(dòng)的極限位置時(shí)液壓缸的最短為879.17mm，也取其近似值為879mm。因此可知液壓缸的行程為S=1414mm-879mm=535mm。4.4.2 前變幅液壓缸的有效面積計(jì)算1 雙三角機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系由于在雙三角鉆臂結(jié)構(gòu)中，前、后變幅液壓缸必須滿足一定的關(guān)系才能實(shí)現(xiàn)雙三角的液壓平移。其中必須要滿足的是每時(shí)每刻前、后臂幅液壓缸的長(zhǎng)度與鉸座所形成的三角形要相似，此相似比已經(jīng)估算為2/3；2 液壓缸的伸縮速度比因?yàn)闀r(shí)刻保持相似，前、后變幅液壓缸的伸縮量也必須滿足相似條件，由幾何關(guān)系易證明其伸縮速度比也為2/3即 （4-4）3液壓缸的流量關(guān)系另外，由于液壓平移的油路中可以看出，后變幅液壓缸的輸出的油液全部輸入前變幅液壓缸中，即前、后變幅液壓缸的流量比值為1。即 （4-5）4液壓缸有效面積計(jì)算由有 （4-6）則1816432=122464.4.3 液壓缸的內(nèi)直徑和活塞桿的外直徑的計(jì)算由于前變幅液壓缸的安裝方式為液壓缸安在支座上，活塞桿安裝在鉆臂體上。因此其有效工作面積為無(wú)桿腔的有效面積。無(wú)桿腔的有效面積為 （4-7）故可算得前變幅液壓缸的內(nèi)直徑為124.90mm，圓整為125mm。另外由表311 液壓缸參數(shù)的綜合應(yīng)用得知，當(dāng)系統(tǒng)壓力為大于20MPa時(shí)，其油缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度比為=2。而由式（53）有因此由上式得。則可得D=124.90mm，圓整后得D=124mm。易得d=91.91mm,圓整d=90mm。因?qū)嶋H中的液壓缸的有效面積比理論值大，故取前變幅液壓缸內(nèi)直徑為125mm，活塞桿的外直徑為95mm。其有效面積為=12265.63。4.4.4 驗(yàn)算最大承受力其最大承受力為=12265.63200.85=208515.71N。此值比后變幅液壓缸的最大負(fù)載127893.58N還大，因此能滿足結(jié)構(gòu)受力要求。4.4.5 導(dǎo)向距離計(jì)算由表311易知后變幅液壓缸的導(dǎo)向距離H80mm。因此次設(shè)計(jì)未能進(jìn)行前變幅液壓缸的設(shè)計(jì)，故此不計(jì)。4.4.6 液壓缸的最大流量計(jì)算由于后液壓缸活塞推進(jìn)最大速度為=2.5m/min，則前液壓缸活塞的最大速度為2.523=1.67m/min由流量計(jì)算公式有=12265.631.67m/min=340.71mL/s。4.5 翻轉(zhuǎn)液壓缸的參數(shù)計(jì)算3（p158）4.5.1 回轉(zhuǎn)扭矩的計(jì)算當(dāng)推進(jìn)器回轉(zhuǎn)到90時(shí)，回轉(zhuǎn)油缸受力最大，如下圖1所示。其阻力矩為： （4-8）式中推進(jìn)器總重（包括導(dǎo)軌、推進(jìn)缸、托釬器、滑板、補(bǔ)償缸、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等）；推進(jìn)器總重心到回轉(zhuǎn)油缸中心的的最大力臂?；剞D(zhuǎn)扭矩 （4-9）式中 載荷不均勻系數(shù)，取=1.41.6。取K=1.5。圖4-2 翻轉(zhuǎn)液壓缸受力計(jì)算示意圖3則由式（59）、（510）有 （4-10）已知=1000kg, =885mm，=1.5，代入（511）得=1.510009.80.885=13009.5 Nm4.5.2 油缸推力的計(jì)算設(shè)油缸推力為，則 （4-11）式中螺旋升角；摩擦角，；螺旋牙形夾角之半；螺旋副摩擦角系數(shù)； 螺旋棒螺紋中徑； 機(jī)械傳動(dòng)效率。由式（512）有 （4-12）設(shè)計(jì)此傳動(dòng)副為梯形螺紋傳動(dòng)，其牙形角為30,則=15。選擇材料副為鋼和鋼，則=0.11（參考新編機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)東北大學(xué)出版社）,則易求得=6.5。估取14，估取0.9。（參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)軟件版）取250mm。將以上數(shù)據(jù)代入式（513）易得=1200967.32 N。4.5.3 翻轉(zhuǎn)液壓缸的直徑計(jì)算因?yàn)?（4-13）式中油缸效率，=0.90.98；油缸工作壓力。已知=20。代入式（514）易求得D=348.4mm，圓整為350mm。4.5.4 螺旋棒參數(shù)設(shè)定設(shè)螺旋中徑為250mm，可由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得：當(dāng)螺紋中徑為250mm時(shí)，螺紋的公稱直徑為270mm，螺距為40mm，小徑為228mm，假設(shè)螺紋頭數(shù)=4，則由螺旋棒的導(dǎo)程公式 （4-14）易求得=160mm。4.5.5 活塞行程的計(jì)算活塞行程 （4-15）式中螺旋棒的導(dǎo)程。 推進(jìn)器所需要的回轉(zhuǎn)角度。設(shè)計(jì)推進(jìn)器所需要回轉(zhuǎn)角度為270，則得=120mm。4.6 伸縮缸的設(shè)計(jì)計(jì)算4.6.1 伸縮缸內(nèi)徑和活塞桿徑的估算1 伸縮缸內(nèi)徑估算由鉆臂的幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析假設(shè)鉆臂的伸縮缸內(nèi)徑為140mm。2 活塞桿徑的估算由于在大于20MPa高壓系統(tǒng)中，液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速比=2，即有D=21/2d的關(guān)系。D為液壓缸內(nèi)徑，d為活塞桿直徑。已知D=140mm,則易知活塞桿直徑為100mm（圓整值）。4.6.2 伸縮缸有效面積計(jì)算由于伸縮缸的安裝方式為活塞桿安裝在下位，則易知其有效面積為A=(D2-d2)/4=3.14(1402-1002)/4=7536mm2。4.6.3 伸縮缸的流量估算設(shè)伸縮缸的最大伸長(zhǎng)速度為Vmax=2.5m/s，則伸縮缸的最大流量為Qmax=AVmax=753610-62.5/60=31410-6m3/s=314mL/s。4.7 推進(jìn)器補(bǔ)償缸的設(shè)計(jì)計(jì)算4.7.1 補(bǔ)償缸內(nèi)徑和活塞桿徑的估算1 補(bǔ)償缸內(nèi)徑估算由推進(jìn)器的幾何結(jié)構(gòu)假設(shè)推進(jìn)器補(bǔ)償缸內(nèi)徑為70mm。2 活塞桿徑的估算由于在大于20MPa高壓系統(tǒng)中，液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速比=2，即有D=21/2d的關(guān)系。D為液壓缸內(nèi)徑，d為活塞桿直徑。已知D=70mm,則易知活塞桿直徑為50mm（圓整值）。4.7.2 補(bǔ)償缸有效面積計(jì)算其有效面積為A=D2/4=3.147024=3846.5mm2。4.7.3 補(bǔ)償缸的流量估算設(shè)補(bǔ)償缸的最大伸長(zhǎng)速度為Vmax=2.5m/s，則補(bǔ)償缸的最大流量為Qmax=AVmax=3846.510-62.5/60=16010-6m3/s=160.271mL/s。4.8 擺角缸的設(shè)計(jì)計(jì)算4.8.1 擺角缸內(nèi)徑和活塞桿徑的估算1 擺角缸內(nèi)徑估算