全液压钻机液压系统设计与plc控制大学论文Word文档格式.docx
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最后我们需要对整体的设计进行理论上的分析与验证。
在所有设计均完成后我们要进行仿真实验以及液压试验台上的验证实验。
关键词：
工况分析；
液压系统设计；
PLC控制系统设计
Abstract
Withthedevelopmentofthesocietyandthecontinuousimprovementofhumanproduction,moreandmoreofthemechanicalequipmentisappliedtoproductionfield.Makemechanicalequipmentgraduallyintothepublicview,itiswellknowninthegreatageofknowledgeexplosion,thecompetitionbetweencountriesandinthefinalanalysisisthecompetitionofproductivity,theproductivityisthecoreoftoday'
scompetition.Thedevelopmentofproductiveforcesdecidedtoeveryenterpriseandeventhefateofthecountry.Alongwiththeprogressofscienceandtechnology,moreandmorescientificknowledgehavebeenappliedtoproductionpractice,thehydraulicsystembecauseofitsincomparablesuperiorityalsograduallybeingusedinmanyfields.Duetoitsstableandreliablehydraulicsystemandotherfactors,suchasbigpowerinthedailyproductionofmechanicalequipmentintheswiftandviolentdevelopment.
Productionefficiencyisanimportantindextothesurvivalofanenterprise,thedevelopmentofanenterpriseanditsproductionefficiencyisinseparable,manythankstothedevelopmentofindustrializationofmovingequipmentuseintoindustriesinsteadoftraditionalartificialmanuallabor.PLCsystemwithitsstrongmaneuverabilitysimpleeasytouse,safeandreliablegraduallyintothemanyemergingareas,sothecombinationofhydraulicsystemandPLCcontrolsystemusedinthefieldofengineeringmachinery.
Onthegraduationdesigntopicisaboutthekeepupwiththepaceofsocialproductivity.SubjecttofullhydraulicdrillingrighydraulicsystemdesignandPLCcontrol,mainlyembodiesthePLCcontroltheoryapplicationinmechanicalproduction.Thedesigntaskofdrivingsystemhasaunifiedcontrolhydraulicsystem,hydraulicsystemdifferencesdirectlyaffectthesuccessorfailureofthefinaldesign,whilethecontrolsystemwithPLCsystemforfulloperation,thepartdirectlydeterminesitsmarketinthefieldofproduction,productivityinthefieldofautomation.Itsbasicdesignparametersis:
thedrillpipetopushschedulefor600mm,maximumthrust30KN,thepullingforceof60largestKN,returntodrillfor:
speedof10-100r/min,themaximumtorqueof2000Nm.HydraulicsystemdesignandchoiceoffullyhydraulicdrillPLCcontrolquantityofclothisdividedintodesignobjects.
ThistopicmainlyistousethePLCcontrolsystemofhydraulicdriveknowledgeandknowledge,reflectthemechanicalandhydraulicknowledge,andthecombinationofelectricalcontrol.Inneedtocompletethefollowing:
inthedesignofhydraulicschematicdiagramdesign,jobrequirementanalysis,analysisofworkingcondition,thedeterminationofprocessparameters,thestructureandprinciplesoffullyhydraulicdrill,theselectionofhydrauliccomponents,theperformanceofcalculus,dynamicsimulation,thechoiceofcontrolscheme,theperformanceoftypeselectionofPLC,ladderdiagramdesign,PLChardwarecircuitdesignandsimulationandverificationinthehydraulictest-bed.Conclusionfromtheabovepointsyouneedtofirstthebasicworkingprincipleofhydraulicdrillingriganditsbasiccompositionhaveabasicunderstandingof,whenthedesignshouldfullyconsidertheworkoftheactualsituation.Secondlytoanalyzetheworkingconditionofeachinstitutionandloadingconditions.Andthenthenextstepforuslayingafoundationfortheanalysisanddesignofthehydraulicsystemprovidestheorybasis.Accordingtotheanalysisofthefronttoconsiderthechoiceofhydrauliccomponents.
Keywords:
operatingmodeanalysis;
Thedesignofthehydraulicsystem;
PLCcontrolsystemdesign.
第一章引言
1.1问题分析及其对策
1.1.1国家制造业的发展状况
在现在工业的发展过程中，机械的加工方式越来越多，一个好的加工方式也许可以改变一种格局。
而我们国家由于工业化进程不是特别完善，目前还处于大力发展的阶段。
许多自动化设备需要在日常生产中得到应用。
1.1.2提出问题
在机械行业的加工中安全是重中之重的话题，而效率是企业赖以生存及发展的命门所在，而这两个方面在某些情况下看起来是矛盾的传统的钻机存在以下几点不足：
1.由于没有采用高度的执行设备，故自动化程度不高，在生产中难以进行大批量的生产；
2.工作环境不好，设备的效率不高；
3自动化程度不高，占用大量的人工。
1.1.3分析相关的问题及制定解决方案
在以往我们的钻机的自动化程度不高，效率不高，体积大系统的抗干扰能力差。
而且操作比较繁琐，增大了工人的工作量。
所以在以后的社发展进程中机械相关设备与液压系统及PLC控制系统相结合的方向会越来越多。
我们主要对钻机的液压传动系统以及控制系统的改进，去解决上面所提到的问题。
通过使用先进的传动系统来节约动力。
引进先进的控制系统去实现系统的自动化操作。
下面对各部分提出改正方案：
（1）传动系统为了便于改进日后的加工操作以及日常的工作要求，在完成整体的设计计算后对该传动系统进行整改和调整。
（2）控制系统PLC控制系统可靠性能高，抗干扰能力强，维修简单操作性强便于学习与应用而且价格低，使用方便，扩充灵活功能也非常完善。
所以我们使用PLC控制系统对液压钻机进行控制。
1.2本课题主要设计内容与目标
我们通过对传统钻机的改进，重点是对传动系统与控制系统的设计。
通过我们这个课题的设计克服钻机原来所具有的部分不足使其性能得以提高，并实现机械生产中的自动化。
我们设计完成后需要满足以下要求：
1.实现自动化可以连续的应用与工业生产，提高加工效率，改善产品加工质量;
2.可以减少工作人员的工作量；
3.设备适应性强，可以满足设计要求；
4.经济成本低。
第二章全液压钻机的工作原理与基本构成
2.1全液压钻机自身的基本组成
首先从应该从系统仿真建模的方面，工程钻机分为四个主要部分：
操作、机械、液压、动力这几个系统构成。
它是一个整体，整体性能与各部分息息相关分。
1.动力系统
以为钻机本身的使用环境在室内，环境温度的变化大，容易受到污染，所以使用柴油机。
它检修方便、使用性能可靠、成本低，满足工程钻机特点。
2.液压系统
它主要动作有回转器的回转、钻具的给进、钻具的夹紧等，所有的机器运动都靠液压传动来完成。
由以上的要求，把它们连接在一起就构成工程钻机自己的液压系统。
柴油机是通过泵把机械能使液压油为媒介，转化为液压能，传递给马达和给进油缸，从而实现整个过程。
该钻机依据钻进的动作要求和工艺特点采用双泵系统，使用恒压变量泵和负载敏感泵各一个。
3.机械系统
钻机本身的机械系统是做完钻机各个规定动作的首要执行者，大概包括：
履带行走装置：
整个钻机的支撑部分及基体，承担整个钻机的全部质量及钻进过程中造成外载荷的反作用力，而且可以完成短距离的行走运动，搬迁简单，节约作业辅助的时间。
回转装置：
在机器某个工作位置，让机身环绕中央回转轴旋转某个角度，从而使整机在不用移动的情况下就可以完成多角度施工。
工作装置：
它是钻机形成钻进运动的主要构成部分，常用的有回转器、机身、卸扣器、夹持器等。
整个钻机的核心是工作装置，它是钻机的执行机构。
当钻机做钻进时，工作装置使得钻杆给进及旋转；
当钻具起下时，除要驱动钻杆后退和前进外，还应该实现机械可以拧卸钻杆。
4.操纵装置
该的操纵装置是系统对执行元件控制、换向阀等机构的操作装置，通过管路连接将所有的执行元件集中于一个操作平台上，通过使用液压手柄实现对钻机的各种工作过程的控制。
2.2全液压钻机的工作原理
全液压钻机通过以钻头进行钻进工作的机械，各个部分的运动是通过液压缸本身伸缩来完成。
变幅装置是由调角连接板、桅杆伸缩油缸等组成。
水平面的位置和机身通过大臂改变油缸的伸缩来完成。
当机身被固定在某一位置水平后，可以通过改变托架摆动油缸的前伸与缩进来完成机身在水平面内的转动。
在工作时，通过先加载钻杆，再调整大臂油缸、使大臂调整油缸、托架摆动油缸，让机身变幅使之钻进到指定位置。
操纵桅杆前伸与缩进油缸，使钻头靠近地面。
给进油缸实现最大行程后，回转马达转动停止，把另外一根钻杆加载在夹杆装置上，继续使回转钻机，中间需要不断加载钻杆，直到使之钻进到设计的深度。
在实际进程中，因为材料的不同，给进机身与变幅装置在实际钻进循环中动作配合是不同的，根据现场具体情况来确定，上述情况只是基于理想的钻进过程。
总而言之，全液压钻机使用大臂油缸、桅杆伸缩油缸机身、大臂调整油缸具有三个确定自由度，它可以完成现实运动，然后通过履带马达来驱动，让钻进空间距离可以按水平方向得到发展，从而实现多角度，多变幅的钻进要求。
第三章设计要求及工况分析
3.1任务及要求
根据给定的要求来进行分析设计，以明确系统数据，对它原来的方案去分析，拟定液压系统基本原理图。
选择所需液压元件及进行液压系统性能的验算，最后做完工作图，拟写技术文件。
3.2原始参数值
从任务书中得到系统各液压缸的给定参数值，现给出几个主要的技术参数值，全液压钻机在进行钻孔工作中，钻杆的提升、推进、回转及钻杆可以斜向打孔的调整和定位等工作全部由液压系统控制实现。
钻杆：
推进行程：
600mm
最大推进力：
30KN
最大拉力：
60KN
回转头：
输出转速：
10~100r/min
最大输出转矩：
2000Nm
第四章拟定液压系统原理图
液压系统课题最重要的是设计液压系统原理图。
其将影响到系统的工作性能和设计方案的合理性、经济性。
一般先依据工作重要部件的基本要求，确定液压执行元件所需类型，然后按照动作与性能要求，最后选择液压，再把回路整合成完整的液压系统。
4.1确定液压执行元件的类型
首先在选定液压系统原理图的时候，必须按照主机所需基本要求去确定液压执行元件型。
4.1.1运动和负载分析
负载分析
机器在工作前，倾角由支撑缸，工作时最大推进力30kN，最大拉力是60kN，当钻杆没接触到钻物的时候，滑台以较大的负载速度和较小的负载力前进，当接触后，由于压力变大，但负载速度却减小。
详细过程如下所示（图4.1.2）和（图4.1.3）。
图4.1.2
图4.1.3
4.1.2液压缸的选定
1.液压缸的计算选择
液压缸在工作的中，它的作用是调动回转头，钻杆的运动，根据它的工作性质，首先来确定选择用工程系列液压缸，由于它最大距离需要达到600mm，想到安装时候的要求，故初步选定为HSGK01-80/40E-5210型液压缸，该缸行程为600mm，D是80mm，d为55mm。
当马达额定压力小于14MPa时，缸也是为14MPa。
此时，
该压力缸的最大推力为：
F=14×
106[（80/1000）2-（55/1000）2]π/4=37.9kN＞30kN最大拉力为：
F=14×
10-3×
802×
π/4=70.336kN＞60kN
此液压缸达到要求，故选择HSGK01-80/40E-5210型液压缸。
2．定位缸的计算选择
定位缸在这个过程中，只是固定工作滑台，它主要的任务是能否实现钻杆区间内调节。
由钻机的工作结构，让长度比560mm大即可，再根据安装形式，因此选KOSMEK-VL0163型液压缸，其行程为600mm，满足其要求。
表4.1按工作压力选取d/D
工作压力/MPA
≤5.0
5.0～7.0
≥7.0
d/D
0.5～0.55
0.62～0.70
0.7
同理可以确定夹紧缸为DN100-10020号
4.2选择液压基本回路
4.2.1调压回路
液压系统在工作时，液压泵必须向系统提供所需要压力的液压油，而且应做到节省能源，减少液压油液发热，还应当提升执行元件运动保障平稳性。
溢流阀打开，同时会将液压泵的压力控制在溢流阀给定以下，确保系统不会由于压力太大被损坏，同时避免液压系统受损。
4.2.2调速回路
本滑台比较缓慢，压力与阻力相同而且工作中改变小，所以用进口节流调速回路。
为了使速度负载特性好和低速平稳性，我们用调速阀调速，而且可以在推进缸中进油的时候再设置单向阀调速。
如图所示：
4.2.3支承油缸锁紧回路
从工作中知道，马达与推进缸要让支撑缸能固定，所以支撑缸进油口应该设置液控单向阀两个，以便锁紧回路形成，让支撑缸的保持平稳。
4.2.4行走系统
油路（取v2=5m/s）及行走马达的调节由于通过的最大流量都为0.73×
10-3m3/s,工作压力是25MPa
于是管径：
dmin=1130
（4-1）
管壁厚：
σmin
（4-2）
4.3液压回路的合成
压油源部分由液压泵、回油过滤器、出口过滤器等组成,它的作用是给机构提供压力油。
由于想到日常的情况工作情况,油箱设计改为封闭结构形式,油箱上装有油空气过滤器、油标、温表等。
电机驱动使液压泵5工作,从而将机械能转变为液压能。
过滤器是由于它工作特殊来进行设置的,由于在这么长时间的应用,有很多液压缸被拉伤的案例,因此对液压泵出口进行精密过滤是非常必要的。
溢流阀即时系统的安全阀。
控制显示部分它由单向调速阀、压力表等组成,它们掌握各个执行元件的压力和显示它的工作压力的功能。
当支撑缸伸处于缩状态时,它的执行元件不工作，在这个时候控制支撑缸活塞杆的伸出缩近的速度,从而的目的得以实现。
压力表此时分别显示进给缸拔起压力或进给压力,调速阀进一步调整液压马达的转速,使得控制钻杆的钻速,而压力表依次显示双马达出、进口的压力大小,进一步做到钻杆的转矩大小。
执行机构都在钻机的主体部分,如下所示,由液压马达和液压缸组成,液压缸用于支撑钻机的工作滑台,它的调节其角度,使其位于0°
～90°
（水平向上）范围内的上升下降。
反过来推进缸向后退时,同时钻杆反向可以旋转,拔出来钻杆。
由设计理念可知,该全液压钻机液压系统主要由控制系统、各执行机构等组成。
根据它的要求，现在拟选液压系统：
图4.3液压回路原理图
第五章液压系统性能参数的确定
5.1液压泵的选用
由可知，钻孔油缸及行走油缸的压力都是25MPa，最大流量是439.2L/min（1.83×
4×
10-3m3/s），因此可选某用一单泵来供油；
因为压桩油缸的压力为25MPa，本身最大为567.2L/min（2.36×
10-3m3/s），所以用它为双泵供油。
而由《机械设计手册》第四卷表23.5—44知钻孔油缸及行走油缸用泵A7V50型号斜轴式轴向柱塞泵；
它的参数如表5.1所示：
表5.1泵的类型及参数值
型号
流量（L/min）
压力（MPa）
排量（ml/r）
泵Ⅰ
A7V500
500
25
5.2电动机的选用
首先我们预设泵的总效率是90%，既η为0.9
电动机Ⅰ是用来驱动泵Ⅰ（A7V500型号）工作，其选用过程如下：
确定类型：
选用三相异步电动机Y系列（IP230），电压为380V。
功率的确定：
（5-1）
转速：
选用转速是1483r/min
由《机械设计手册》第五卷表35.1—10知用Y315M3—4。
它的参数如表5.2.1所示：
表5.2.1电动机型号及参数值
额定功率（kw）
转速（r/min
电流（A）
效率（%）
功率因素（COSФ）
堵转电流
堵转
转矩
额定电流
额定转矩
Y315M-4
220
1483
413
94
0.88
6.5
1.4
5.3液压阀的选用
是依据阀的工作压力来选择液压阀。
这个系统的工作压力均是25MPa，所以要选择中、高压的液
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