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1、液壓系統的工況分析 （負載與運動）

ZDY4000鉆機的液壓油泵系統需執行三個功能回轉、給進、夾持，三個功能分別由三個執行元件。一個執行元件是液壓馬達，為鉆機提供回轉部分的轉速和轉矩；一個執行元件是液壓油缸，為鉆機提供給進部分的給進力和起拔鉆具的起拔力；另一個執行元件也是液壓油缸，是夾持器、卡盤部分，提供夾持鉆桿的夾緊力。

①鉆機的回轉部分。ZDY4000鉆機的回轉為一檔無級變速50～175 r/min，最大扭矩為3200 N?m。在變量泵―定量馬達的回路中液壓馬達的輸出轉矩為。

②鉆機的給進部分。液壓缸的負載，隨著鉆頭的回轉供給相應的給進力102 kN，給進速度為0～0.22 m/s；隨著鉆孔深度的增加,添加鉆桿時快速回升卡盤時，所需的起拔速度0.32 m/s，起拔鉆具時提供最大的起拔力70 kN。

③鉆機的夾持部分。夾持結構為液壓打開，碟彈夾緊。液壓打開方式為油缸活塞形式。夾持油缸有一定的結構限制，油壓只需打開碟形彈簧即可。

2、液壓系統主要參數

壓力和流量是液壓系統最主要的兩個參數。根據這兩個參數來計算和選擇液壓元件、輔助件和原動機的規格型號。

2.1 初選系系統壓力

初選系系統壓力選定的是否合理，直接關系到整個系統壓力統設計的合理性。在液壓系統功率一定的情況下，若系統壓力選得過低，則液壓元、輔件的尺寸和重量就增加，系統造價也相應增加；若系統壓力選得較高，則液壓設備的重量、尺寸和造價會相應降低。

然而,若系統壓力選用過高，由于對制造液壓元、輔件的材質、密封、制造精度等要求的提高，反而會增大或增加液壓設備的尺寸、重量和造價，其系統效率和使用壽命也會相應下降，因此也不能一味追求高壓。根據經驗本鉆機的液壓系統工作壓力選定為21 MPa。

2.2 計算液壓馬達排量和液壓缸尺寸

①計算液壓馬達排量。

式中：P1為液壓缸的工作腔壓力；P2為液壓缸的回油腔壓力；A1為液壓缸無桿腔的有效面積，A1=?仔D2/4；A2為液壓缸有桿腔的有效面積，A2=?仔（D2-d2）/4；D為液壓缸內徑；d為活塞桿直徑；F0為液壓缸的最大工作力；F為液壓缸的最大外負載，無桿腔為工作腔時（起拔），F=70 kN，有桿腔為工作腔時（給進），F=102 kN；?濁nm為液壓缸的機械效率，一般取（0.9～0.97），選取?濁nm=0.95。

為調節給進及起拔的速度，本鉆機的液壓系統回路上分別設有減壓閥和節流閥。根據液壓回路特點選取背壓的經驗數據如表1所示。選取本鉆機的液壓缸回路的背壓為1 MPa。桿徑比（即活塞桿直徑與活塞直徑的比）d/D。一般按下述原則選取：

當活塞桿受拉時，一般取d/D=0.3~0.5，當活塞桿受壓時，為保證壓桿的穩定性，一般取d/D=0.5~0.7。桿徑比d/D還常常按液壓缸的往返速比 i=v2 / v1（其中v2 、v1分別為液壓缸正反行程速度）的要求來選取。其經驗數據如表2所示。

3、計算液壓馬達和液壓缸所需流量

液壓馬達的最大流量為：qmax=Vm nm max （9）式中：qmax為液壓馬達最大流量，單位ml/min；Vm為液壓馬達排量，單位ml/r；nm max為液壓馬達最高轉速參考工況分析部分，單位r/min。由式（2）和（5）可得：qmax=1135.57×163.95=185 767.9 ml/min

液壓缸的最大流量為：qmax=AVmax （10）式中：A為液壓缸的有效面積，A=?仔D2/4（m2）；Vmax為液壓缸的最大速度（起拔鉆桿時），此時回轉器不工作，Vmax=0.32 m/s。qmax=×0.082/4×0.32=1.608×10-3m3/s=96509.6 ml/min在本鉆機工作時，液壓馬達和液壓缸是并聯連接，而且液壓馬達和液壓缸的流量不是同時達到最大。

在本鉆機的液壓系統中，由于變量泵產生的流量還將消耗于液壓泵、液壓馬達、液壓缸和閥等的內泄上，因而變量泵產生的流量，只有在滿足泄漏外尚有多余時，才能使液壓馬達、液壓缸建立起足夠的壓力、輸出轉矩和壓力。以此來確定液壓系統的最小流量qmin。

由于液壓缸的最大流量大于液壓馬達的最大流量，選取液壓執行元件的最大流量為96509.6 ml/min。

液壓系統的最小流量，根據經驗公式可算出：qmax=96509.6 ml/min×（1+5％）=101335.1 ml/min （11）

4、計算出液壓馬達和液壓缸的總功率

液壓馬達和液壓缸在鉆機打孔時，給進和回轉同時進行。液壓系統的功率為：式中：P為液壓系統壓力kgf / cm2；qmin為液壓系統的最小流量m3/h。P總功率=210×101 335.1×1×10-6×60/36.7=34.79 kW。

需要指出的是，式中的P僅是系統的靜態壓力。系統工作過程中存在過渡過程中的動態壓力，其最大值往往比靜態壓力要大很多。所以選取液壓泵的額定壓力時應比系統最高壓力大25%～60%，使液壓泵有一定的壓力儲備。最高系統的壓力儲備宜取小值。中、低壓系統的壓力儲備應取大值,本系統壓力儲備取大值。

5、主要液壓元件的選擇

5.1 液壓馬達

根據式（3）和（5）的計算結果需滿足鉆機的最大轉矩，以液壓馬達的性能參數轉矩、轉速、工作壓力等為依據進行選擇。本鉆機選用液壓馬達的參數為：V=160 ml/r。此馬達為斜軸式變量馬達。

5.2 液壓缸

根據式（8）的計算結果，參考液壓缸的基本參數（負載、運動方式等）為依據進行選擇。本鉆機的液壓缸選用80/50的車用液壓油缸。

5.3 液壓泵

本鉆機采用雙泵系統，電動機直接帶動主泵，主泵在經過皮帶輪帶動副泵，為整個系統提供油壓。變量油泵和變量馬達組合進行無級調速，轉速和扭矩可在大范圍內調整，提高了鉆機對不同鉆進工藝的適應能力。

①確定液壓泵的工作壓力。PP=P1+P式中：P1為執行元件（液壓馬達）的最大工作壓力；?駐P為液壓泵出口到執行元件入口之間的壓力損失。P=21+1=22 MPa。

②確定液壓泵的流量。本鉆機液壓系統的執行元件液壓馬達和液壓缸同時動作，但流量不同時達到最大。液壓馬達隨著轉矩的增大，工作壓差隨著增大，流量減小。

為液壓系統最大工作壓力；qp為液壓泵流量；?濁P為液壓泵總效率；容積效率與機械效率的乘積取0.86。PP=220×89×10-3×60/46×0.86=26.69 kW

由轉速及功率確定電動機的型號：YBK2-225S-4；電動機功率：37 kW；額定轉速：1 480 r/min，驗算符合假設電機轉速的設定值。

6、結 論

按照選定型號的液壓泵、液壓馬達、液壓缸樣本上的技術參數進行驗算，能夠達到本鉆機要求的性能參數，系統溫升可以得到控制。