喷浆搅拌装置液压系统及集成阀块设计.docx
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喷浆搅拌装置液压系统及集成阀块设计
本科毕业设计说明书
喷浆搅拌装置液压系统及集成阀块设计
THEDESIGNOFTHEHYDRAULICSYSTEMANDPOWERFUELTANKOFASHOTCRETINGSTIRINGDEVICE
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喷浆搅拌装置液压系统及集成阀块设计
摘要
煤矿机械采用液压原理工作越来越多，液压在煤矿的发展的过程中占据了举足轻重的作用。
煤矿矿井采掘面采掘前要利用相关装置进行支护，一般矿井采掘面采用的是混凝土支护，煤矿井下巷道的支护方式中如采用锚喷、锚喷网或纯喷射混凝土等，都需要对巷道岩石表面喷射混凝土，凝结硬化后达到支护的目的。
喷射的喷浆料是将一定配比的水泥、砂子、石子和速凝剂拌合的混合物。
因此，喷浆料的混合程度，直接影响喷浆工艺和支护的质量。
课题的研究目的是设计出一种具有自动搅拌功能的喷浆料搅拌装置，课题研究成果将大大减轻井下工人劳动强度，大大减少喷浆辅助作业工时，提高喷浆作业效率，对于提高喷浆作业质量和井下料场的利用率，以及净化喷浆作业环境等也具有重要意义。
本课题系统设计包括对装置的工作原理图最优化设计和功能实现，对电机、液压泵、阀块等各种液压元件的选型计算；其集成阀块设计需要对系统原理图进行规划，选择不同的集成方式，需要对集成阀块的集成原理进行设计，确定集成阀的内部油孔道设计、空间位置、连接方式析等，绘制出集成阀的SolidWorks三维图，展示阀块内部的管道设计，同时要绘制集成阀的二维CAD图，展现阀块的结构特点、深孔加工、粗糙度要求等。
关键字：
喷浆搅拌，液压系统设计，集成阀块设计，SolidWorks
1.绪论
1.1引言
煤矿机械采用液压原理工作越来越多，液压在煤矿的发展的过程中占据了举足轻重的作用。
同时在液压领域，集成阀块在液压系统中的应用越来越受到工程人员的重视，通过集成阀块在工程中的应用，很好的解决了煤矿机械在液压系统实际中的遇到的问题，很好地服务于煤矿工业实际生产作业。
煤矿矿井采掘面采掘前要利用相关装置进行支护，一般矿井采掘面采用的是混凝土支护，煤矿井下巷道的支护方式中如采用锚喷、锚喷网或纯喷射混凝土等，都需要对巷道岩石表面喷射混凝土，凝结硬化后达到支护的目的。
喷射的喷浆料是将一定配比的水泥、砂子、石子和速凝剂拌合的混合物。
因此，喷浆料的混合程度，直接影响喷浆工艺和支护的质量。
在井下混凝土搅拌一般是采用人工搅拌，耗时耗力，于是采用机械装置进行混合物自动化搅拌成为一种研究方向。
1.2研究背景
目前全国绝大多数的煤矿井下巷道锚网喷支护的混凝土料均采用人力搅拌和上料，部分煤矿研发了一些搅拌上料装置，但还存在一些问题和不足。
徐州中部矿山设备有限公司开发研制的JPSI-L系列转子式混凝土喷射机组，虽然将搅拌和上料与喷浆机组合作业，但是它仅仅依靠横置的螺旋搅拌器进行搅拌，很难实现将混凝土搅拌均匀，另外其螺旋搅拌器的进料仍然采取人工方式，劳动强度大粉尘易飞扬等问题还是没有解决。
山东天河科技有限公司研制的机械化装车、混料、上料无尘化喷浆系统，体积过于庞大，结构和系统相对复杂，造价比较昂贵，不适合中小巷道，更不能在斜巷中进行作业。
莱芜市万祥矿业有限公司设计的井下搅拌站，规模太大，配有专门的装料仓和输送机，只适合在大型煤矿推广。
还有一些煤矿或公司设计的喷浆混凝土料搅拌与上料装置，也都不能直接使用矿车搅拌和运输，需要专门的装置，不便直接应用。
国内各大煤矿对喷浆料的拌合主要存在以下问题：
（1）需要二次上料或二次搅拌，不能直接利用矿车进行搅拌[1]；
（2）需要在井下设置多个储料仓，建立较大的搅拌站，且不能充分利用[2]；（3）搅拌不充分，难以达到支护强度要求，回弹率高；（4）大多仍采用人力现场搅拌，劳动强度大，工作效率低，粉尘污染影响健康。
为克服以上缺点，设计一种喷浆料搅拌装置，适合用在中小型巷道中，可远离掘进工作面，直接在矿车中进行搅拌。
搅拌充分，结构紧凑易拆装，机械自动化程度较高，系统安全可靠，实现喷浆料的机械自动化搅拌。
1.3研究意义
目前淮南矿业集团公司所属煤矿的岩巷开拓掘进，一般采用支护强度高、柔性让压、施工简单、工程投资低的锚网喷支护。
此支护工艺流程中最重要的一步是使用喷浆机进行喷射混凝土作业。
但是，喷浆机工作时所需要的混凝土料之前需要经过人工搅拌均匀后、再经运输和人工上料到达喷浆机的料斗，与喷浆机配合作业，形成一组联合配套的作业系统。
目前，喷浆用混凝土料的搅拌中存在如下主要问题：
混凝土搅拌过程，主要是依靠人工进行。
当需要进行喷浆作业时，需提前通过人力将水泥与砂子和碎石的混合料在料场进行搅拌，再从料场取出装入矿车。
人力搅拌不均匀不充分，使喷浆料回弹率高，工人劳动强度大，工作效率低，粉尘飞扬危害健康。
因此，课题的研究目的是设计出一种具有自动搅拌功能的喷浆料搅拌装置，
课题研究成果将大大减轻井下工人劳动强度，大大减少喷浆辅助作业工时，提高喷浆作业效率，对于提高喷浆作业质量和井下料场的利用率，以及净化喷浆作业环境等也具有重要意义。
1.4研究内容
本课题研究的是关于喷浆搅拌装置液压系统设计及其集成阀块设计，本喷浆搅拌装置设计思路是通过液压系统来实现其自动搅拌功能，通过控制水平油缸的伸缩来实现矿车的水平运动，控制竖直同步油缸的运动来实现搅拌旋转马达的上下运动，控制马达的速度调节来控制搅拌的速度，从而达到对喷浆自动搅拌的功能。
本课题系统设计包括对装置的工作原理图最优化设计和功能实现，对电机、液压泵、阀块等各种液压元件的选型计算，确定其所需的转速、排量、压力和外形尺寸等；其集成阀块设计需要对系统原理图进行规划，选择不同的集成方式，需要对集成阀块的集成原理进行设计，确定集成阀的内部油孔道设计、空间造型、连接方式及有限元分析等，绘制出集成阀的solidworks三维图，展示阀块内部的管道设计，同时要绘制集成阀的二维CAD图，展现阀块的结构特点、深孔加工、粗糙度要求等。
1.5研究思路和方法
本课题喷浆搅拌装置的功能目的确定设计流程，总的思路主要是根据原理来设计选型，再选择各种设计方案，将不同的设计方案进行比较和取舍，找到一种最优化的设计方案，该设计流程图如图1-1所示。
在原理图设计方面，采用根据实际成本需要来设计，做到能达到相应的功能却最优化的液压元件选型。
在集成阀块设计设计方面，做到阀块集成的最优化，在实现相应功能的同时又满足位置、空间、尺寸等方面的要求。
在软件绘图方面要用到AutoCAD和SolidWorks软件进行绘图，通过二维图来设计液压系统原理图和集成阀块的三维结构，通过三维图来实现集成阀块的三维设计和内部管道的分布展示。
图1-1毕业设计研究思路流程图
2.液压系统选型计算
2.1液压系统具体工作原理图
经过综合设计，设计了以下的原理图，见图2-1。
图2-1喷浆搅拌系统原理图
1.油箱2.先导式溢流阀3.吸油滤油器4.电机5.双联泵
6.高压滤油器7.单向阀8.压力表9.压力表10.手动换向阀11.单向阀（液控）12.单向节流阀13.三向接头14.同步支撑油缸15.分流集流阀
16.水平牵引油缸17.双向液压马达
、
2.2液压系统具体工作原理
本装置液压系统包括支撑油缸带动支架的上下竖直运动，水平牵引油缸带动矿车的在轨道上的水平运动和液压马达带动的双向旋转搅拌运动。
（1）实现由支撑油缸带动支架的上下运动液压支路系统：
本装置液压系统采用双联泵来提供压力源，前泵由于提供压力较小，用于提供水平牵引油缸水平运动和竖直支撑油缸的上下运动，后泵提供压力大，用于提供双向旋转马达的双向旋转运动。
双联泵前泵5通过吸油滤油器3从油缸1吸油，再通过高压滤油器6将油液流入系统，经过单向阀7，流入手动换向阀10，再经过液控单向阀双向液压锁11，接着流入单向节流阀，再流入并联的竖直支撑油缸14，在回流到单向节流阀和液压锁，经手动换向阀回流至油缸1，完成油缸的上升运动动作，反之，通过手动换向阀的换向可以完成油缸的下降动作。
（2）实现水平牵引油缸的水平运动的液压支路系统：
双联泵5前泵2提供压力源，压力油经过吸油滤油器3从油缸1吸油，再经过高压滤油器6油液流入系统，经过单向阀7，流入控制水平牵引油缸的手动换向阀10，再经过进油的单向节流阀，再流入水平牵引油缸16，接着回流到单向节流阀，经手动换向阀回流至油缸1，完成水平牵引油缸的水平左移运动，反之，通过手动换向阀的换向可以完成水平牵引油缸的右移运动。
（3）实现双向液压马达的双向旋转运动的液压支路系统：
双联泵5后泵1提供较大的压力源，双联泵5同样通过吸油滤油器3从油缸1吸油，再通过高压滤油器6将油液流入系统，经过单向阀和手动换向阀，在经过单向节流阀，流入双向液压马达的一端，在通过另一端流入单向节流阀，再经过单向节流阀，手动换向阀流入油缸1，由此完成液压马达的双向旋转搅拌运动。
（4）整个液压系统的保护系统：
在液压系统的两路油路支路设有压力表8，9和两个先导式溢流阀2，在压力过大时通过溢流阀来减小系统的压力使其达到实际所需的压力，在双联泵的前泵和后泵都设有溢流阀是为了对不同的支路进行不同的压力调节，满足实际工作的需要。
为了进一步了解喷浆搅拌装置液压系统工作的具体情况，对各种阀块处于各位的工作情况，并对应运动工况的实际情况，见表2-2。
动作名称
手动换向阀1
手动换向阀2
手动换向阀3
左位
中位
右位
左位
中位
右位
左位
中位
右位
空程下降
+
+
+
搅拌下降
+
+
+
搅拌左移
+
+
+
搅拌右移
+
+
+
搅拌上升
+
+
+
空程上升
+
+
+
表2-2喷浆搅拌系统的全自动、半自动工作各阀门部位机能循环图表
其中“+”代表阀工作的位置所处位处于工作状态，手动换向阀1主要是控制同步支撑油缸运动换向，手动换向阀2主要是控制水平牵引油缸的换向，手动换向阀3主要是控制双向液压马达的转向。
上表2-2主要是将各个换向阀的不同位机能的工作情况，通过对喷浆搅拌装置的工作一个循环，对应出各个阀的机能工作情况。
2.3液压缸的选型计算
2.3.1液压缸设计压力选择
在以输出力为主的设计中，首先要选择设计（确定）工作压力。
由不同液压设备或不同负载下设计参考压力，选择的压力应符合国家标准，如下表2-3、表2-4和表2-5。
表2-3各类液压缸设备常用的设计压力
设计压力/
机床类
精加工机床（如各类磨床）
半精加工机床（如组合机床）
龙门刨床
拉床
0.8～2
3～5
2～8
8～10
农业机械、小型工程机械、工程机械辅助机构
10～16
液压机、大中型液压机、中型机械
20～32
表2-4不同负载下的设计参数压力
负载/
≤5
5～10
10～20
20～30
30～50
≥50
设计压力/
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
≥5
表2-5液压缸的公称压力
（GB7938——1987）
pn/
1.0
1.6
2.5
4.0
6.3
10.0
16.0
25.0
31.5
40.0
通过上述标准，由于喷浆搅拌装置的工作负载小于20kN，所以液压缸设计的要求压力为10MPa，故液压缸公称压力
选取10MPa，液压执行元件的背压力选择0.4MPa。
2.3.2液压缸缸径和活塞杆直径选型计算
由表2-1所得液压缸的负载约为15kN，系统工作压力为10MPa。
本设计所选水平油缸、竖直油缸均选用同一种规格型号的活塞杆双作用油缸，由张利平《液压工程简明手册》中设计公式得：
（3-1）
（3-1）
（3-2）
式中：
—液压缸的最大负载力，N；
—主工作腔压力，Pa；
—回油腔压力（背压力），Pa；
—液压缸活塞缸径、活塞杆直径，m；
—液压缸机械效率，一般取
=0.90～0.95；
—杆径比；
—速比。
通过圆整，取竖直支撑液压缸缸径为63mm，活塞杆直径为45mm，行程为700mm，型号选取UYRWF11
700-10W优瑞纳斯冶金重标系列油缸。
同样可选水平液压缸缸径为63mm，活塞杆直径为45mm，行程为1500mm，型号选取UYRWF11
1500-10W；优瑞纳斯冶金重标系列油缸，实物图如2-2所示。
图2-2优瑞纳斯冶金重标系列油缸
2.4液压马达的选型计算
由系统工作压力为10MPa，液压马达的工作转速约为30r/min，工作时螺旋搅拌头的转矩为
左右，故选择1QJM11-0.63型号的液压马达，其具体技术参数如表2-6所示，实物图如图2-3所示。
表2-61QJM11-0.63的液压马达技术参数
1QJM11-0.63液压马达
排量
额定
压力
尖峰压力
转速
范围
最大
功率
额定
转矩
质量
0.664L/r
10MPa
16MPa
4～250r/min
20kW
983N.m
28kg
图2-31QJM11-0.63型号的液压马达
2.5液压泵的选型计算
选择液压泵需要对系统执行元件所需的流量进行计算，再通过总流量大小确定要选的液压泵类型和大小。
通过计算执行元件的最大流量来选择液压泵。
在无杆腔进液时，液压缸所需最大流量计算如下：
式中：
—油缸无杆腔有效作用面积，m；
—油缸无杆腔缸径，m；
—液压缸的最大运行速度，m/s；
—液压油缸所需的最大工作流量，L/min。
（3-5）
当液压马达在工作一定转速下的流量，液压马达需要的流量
（3-5）
式中：
—液压马达工作时所需的转速，r/min；
—液压马达在工作时的扭矩，
；
—液压马达机械效率；
—液压马达所需最大流量，L/min。
将执行元件的总流量Q估算如下:
（3-6）
故初选CBQT－F550/410型号双联泵，见图3-3，该双联泵的相关技术参数见表3-5。
表3-5CBQT－F550/410型号双联泵的相关参数列表
公称排量
允许转速r/min
重量/kg
工作压力/
最高最低
后泵
50
2500
800
10.1
25
前泵
10
20
图3-3CBQT－F550/410型号双联泵
2.6电机的选型计算
考虑到井下工作环境粉尘多和安全因素，由《液压设计简明手册》，选用YB系列防爆电机，具体型号YB180L-4，主要参数：
额定功率22KW，额定转速1470rpm，其相关技术要求见表3-6所示。
表3-6YB180L-4型号电机相关技术参数
电动机型号
额定功率/kW
满载转速/（r/min）
堵转转矩
最大转矩
质量/kg
Y180L-4
22
1470
2.0
2.2
270
图3-4YB180L-4型号电机
2.7液压缸的验算
在液压缸选定后，需要对其推拉力进行验算，看其是否符合实际工作负载的需求。
其中取
，
，
为液压缸机械效率，则
上升时推力
（3-7）
下降时拉力
（3-8）
满足要求。
2.8液压马达的验算
由马达的相关参数得：
排量
L/r，取
，机械效率
，则
（3-9）
，满足要求。
2.9液压泵的验算
由双联泵相关参数知，大泵排量
，小泵排量
，双联泵总流量
，
（3-10）
其中，
（3-11）
故
.
由液压马达的容积效率为0.95，排量为0.664L/min，则马达最大转速
满足要求。
2.10电机的验算
泵的驱动功率P按下式计算
当按10MPa系统压力时，
（3-12）
式中：
－双联泵的工作压力，
；
－双联泵的排量，ml/r；
－电机转速，r/min。
因此，选电机功率为22KW可满足要求。
3集成阀块设计
3.1集成阀块的介绍
3.1.1集成阀块设计的定义
一个完整的液压系统由很多液压阀块组成，如何对这些阀块进行连接和集成有着不同的方式。
有管集成和无管集成定义：
有管集成，通过管件将每个管式连接的液压阀块集成起来的一种集成化方式。
无管集成在一种专用或通用的辅助连接件上固定液压控制元件，在辅助连接件内开设一系列油路孔道，通过油路孔道来联系液压控制元件的油路。
无管集成的集成方式有叠加阀式、板式或其复合等几种集成方式。
各类液压设备广泛使用这种集成方式，在行走机械和其他设备也的得到了很多的应用。
3.1.2集成阀块设计的原则
通过分析液压原理图的相关要求，如何正确合理设计集成阀块，具有很高的挑战性，这源于液压阀块内部复杂的孔系和油路通道。
因此，在集成阀块的设计过程中，有一定的技术要求：
（1）液压阀块的通路应该根据液压系统原理图来进行设计；
（2）通过分析得出原理图中需要集成的阀块的种类型号和个数；
（3）集成阀块内部油路设计应采用最合理的设计方式；
（4）集成阀块设计过程中应注意油口的走向和布置；
（5）尽量将重要的元件放置在最顶面，便于工程人员的操作和维修。
3.1.3有管和无管集成优点比较
有管集成阀块作为液压系统设计中比较重要的一部分，集成阀块的有管集成设计有连接方式不复杂，不用专门设计各种辅助连接件等好处，但当较多组成系统的控制元件时，要求有很多的管子和管接头，占用空间大，安装维护和故障诊断不易，从而造成系统布置不便，易产生泄漏，噪音振动大等不良现象。
无管集成在液压阀体上直接做油路，省去大量管件，安装方便，外形美观等优点，但是油路通道较短，压力损失不大，不易泄露。
3.1.4集成阀块设计所需要的软件
SolidWorks三维软件是在AutoCAD二维软件过后的一款很好的三维软件，它弥补了二维软件在空间立体上绘图的缺憾，为我们提供了一种全新的三维设计方法，是在所有的三维设计软件中最简单易学的的，用起来很得心应手，在各种零件绘制、零件装配、零件模拟运行等方面都提供了很大的方便，在实际工程中都得到了广泛的应用。
SolidWorks三维软件在绘制三维图方面，分为零件图绘制、零件装配、生成工程图纸三个部分。
在零件图绘制过程中，其以独特的拉伸、切除、旋转等一系列功能能够对做好的草图进行三维图生成，然后能够在外观设计中设置零件的颜色和材料等一系列参数，在通过设置零件的透明度，还可以看到零件内部的孔道布置和大小，显得十分直观和方便；同时该软件有着全面的标准库，对于某些固定的零件可以从库里调用，只要设置一些所需要的参数即可，这样就减少了设计过程中一些列重复的工作。
在零件装配过程中，可以将绘制好的工程零件进行装配，在装配后还可以通过动画模拟来实现装配体的运动检测和分析；在生成三维体的二维平面图时，不用像二维AutoCAD那么复杂地标记尺寸，只要在工程图纸上直接生成二维图即可，这一点让二维图的设计通过三维图的转化，这一点十分的方便。
本设计中的集成阀块设计将充分利用SolidWorks软件的功能来完成集成阀块的设计，通过软件的异型孔向导可以很方便的对基块上的孔径和螺纹孔进行设计，通过在三维图上的直观体现，可以看到在基块的内部设计的各个孔道的位置分布和方向，这对集成阀块的内部孔径的设计提供了很好的途径，使得集成阀块的设计能够尽量合理，尽量满足工程的需要。
3.2分解液压系统绘制叠加液压回路图
液压叠加回路图是在液压系统原理图的重新布置，通过对液压叠加回路的分析后采用相应的具体叠加方式。
在绘制液压系统叠加图之前，应该对系统所需要的一些叠加阀进行研究，根据液压回路的基本原理来确定该选用哪种形式的叠加阀，以满足系统工作需要满足的流量和压力等，选择合适的叠加阀来进行叠加，选择一定的公称压力和公称通径，并将选择的阀块和普通的阀块进行比较，看是否满足系统的要求。
最后，将选择好的叠加阀按照一定的系列和顺序排列好，一般以液压油源、执行元件、叠加阀、手动阀的顺序放置元件，随后绘制好液压叠加回路图，再叠加回路图中用细点画线将各叠加阀进行分类，标明阀块间的油路方式。
本喷浆搅拌装置的液压回路图系统，有三个执行器，两个串联的的支撑油缸、一个水平牵引油缸和一个双向液压马达，故由三个液压回路组成。
叠加回路图将各种元件分类，分为手动换向阀，叠加阀，油源基块三类，通过叠加回路图对元件进行不同的分层，然后按照这个叠加原理图来进行阀块的叠加合成。
通过细点化线将各种元件进行分区分类，绘制后的叠加回路图4-1如下：
图3-1喷浆搅拌装置叠加回路液压原理图
在绘制喷浆搅拌装置叠加回路液压原理图遇到以下一些问题：
（1）应将绘制的液压原理图分为几个叠加部分，整体上分为换向阀、叠加阀和基块三大部分；
（2）在布置液压元件时，要将换向阀至于装置的最顶层，用做顶盖，执行器液压泵放在装置的最下面，通过孔道与基块相连接，在中间部分则放置各种叠加阀；
（3）组成的回路有时会受到部分叠加阀叠加顺序的限制，因此要注意:
在设计过程中，当双单向节流阀和双液控单向阀组合时，在执行器的下面设置前者，这样可以防止在非正常情况下后者不能正常启闭带给液压缸的冲击；
（4）如果液压系统的执行器回路较多，则采用多撂阀来进行叠加设计；
（5）本系统中一个回路中含有液控单向阀系统，则它的主换向阀要用H型或Y型中位机能，这样一来保证中位时接油箱，释放压力使阀芯复位，便于锁紧液压缸。
3.3集成块材料和叠加阀选型
3.3.1集成块材料的选择
对于集成阀块的材料选择可用锻压、铸造等方式获得，常用的有热轧钢板、碳钢、铸铁和铝合金等，由于该集成阀块适用于中高压力系统，故选择45号钢较为合适。
3.3.2液压元件在安装面的加工精度要求
油路块各平面的铣削和磨削余量不小于2mm。
集成阀块基块上的液压阀安装平面的表面粗糙度应满足厂家产品样本的要求，通常
不大于0.8
。
块间结合面的平行度共差一般为0.03
，其余四个侧面与结合面的垂直度公差为0.1
，块间结合面不允许有内凹的平面度缺陷。
液压阀的安装孔粗糙度不大于
0.8
，末端管接头的密封面和O形圈沟槽的粗糙度不大于
3.2
，一般油孔道的粗糙度不大于
12.5
。
3.3.3叠加阀块的选型和绘制
在集成阀块上进行叠加，故应选用一定型号的叠加阀块，再根据选用的叠加阀块的尺寸来进行集成阀块的设计。
（1）叠加阀块的选型
a.先导溢流阀
选用立新公司的板式安装的先导溢流阀DB10A15X/20Y/2（或叠加式先导溢流阀ZDB10VP1-L3X2，通径为10，工作压力达20MPa，流量可达100L/min。
选用DB10A1-L5X/20Y/Z型号的溢流阀，其实物图、二维图及尺寸图如下图3-2、图3-3所示：
图3-2DB10A1-L5X/20Y/Z先导溢流阀实物图
图3-3DB10A1-L
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