水力驅(qū)動的沖擊破巖系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、純水清潔無毒、使用安全、價格低廉,是一種綠色環(huán)保的傳動介質(zhì)。水壓傳動技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于食品、采煤、采石、冶金、海洋開發(fā)、制藥等行業(yè)。近年來,隨著水壓傳動系統(tǒng)關(guān)鍵元件——水壓柱塞泵和水壓控制閥的研究取得長足進步,水壓傳動的實用范圍也迅速擴大。在采礦業(yè),隨著開采深度的不斷增加,尤其是在硬巖金屬礦深井采掘中,需從地面或高中段引入清潔水去為作業(yè)面降塵降溫。如能充分兼用這部分水因落差產(chǎn)生的水力勢能去驅(qū)動鑿巖機及其它作業(yè)機械,則可大幅度降低生產(chǎn)成

2、本,節(jié)省能量消耗。而水壓鑿巖機及其核心部件——水壓沖擊機構(gòu)則為此項技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。
　　 水壓鑿巖機沖擊機構(gòu)承受高頻沖擊載荷,不僅要解決與水壓柱塞泵等同樣面臨的因水粘性低帶來的泄漏與潤滑性極差的問題,還要研究能承受沖擊載荷作用、耐腐蝕、耐摩擦磨損的沖擊活塞一缸體(套)及密封部件等材料。本文選定水壓沖擊機構(gòu)兩個最主要的關(guān)鍵技術(shù)——沖擊摩擦副的材料配對及泄漏控制開展了研究工作。
　　 在分析了水壓沖擊機構(gòu)運動和受力狀況的基礎(chǔ)

3、上,提出了摩擦副材料的選擇及配對原則,引入聚合物材料與不銹鋼配對作為水壓沖擊機構(gòu)摩擦副新的配對方案。根據(jù)水壓沖擊機構(gòu)工作條件,研制了3種配方的碳纖維增強聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合材料,利用環(huán)塊摩擦試驗機、金相和掃描電子顯微鏡以及散能分光計等設(shè)備對3種復(fù)合材料與不銹鋼在水潤滑條件下的摩擦學特性進行了試驗研究,分析了載荷、對磨時間、碳纖維含量、二硫化鉬含量、銅粉含量等對摩擦系數(shù)和PTFE磨損量的影響。研究發(fā)現(xiàn),在水潤滑下,碳纖維含量為15％

4、的PTFE復(fù)合材料與高溫氮化處理的0Cr17Ni4Cu4Nb在載荷200N、滑動速度5m/s下的摩擦系數(shù)僅為0.011,居國內(nèi)同類材料已見報道之最低位。試驗前15min摩擦系數(shù)隨載荷的增加有所下降,15min后其摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定在0.011-0.014,說明15分鐘后在不銹鋼表面上已經(jīng)覆蓋了碳纖維,兩者之間的摩擦基本變成了碳-碳之間的摩擦,因而摩擦系數(shù)相當?shù)?。碳纖維PTFE復(fù)合材料的主要磨損機理是疲勞磨損,碳纖維含量越高,摩擦系數(shù)就越低

5、;載荷從100N到250N,磨損量隨載荷的增加而降低,從250N開始磨損量隨載荷的增加而增加。
　　 采用線性極化法,對3種不銹鋼材料經(jīng)熱處理或高溫氮化處理后的防銹性能進行了研究,并和未經(jīng)處理的不銹鋼進行了電化學腐蝕對比試驗。結(jié)果表明,不銹鋼經(jīng)熱處理或高溫氮化處理后防銹性能有所下降;經(jīng)熱處理或固溶化處理后的不銹鋼材料中,316L和2205的防銹性能要好于17-4PH。試驗了零件表面鹽浴復(fù)合氮處理、熱噴涂納米陶瓷、鍍硬鉻等表面防銹

6、方法。試驗結(jié)果表明:鹽浴復(fù)合氮化處理技術(shù)可以滿足鑿巖機缸體、連接體、機頭等非直接摩擦件的防腐蝕要求,但不能作為承受強烈沖擊載荷作用的沖擊活塞及配對零件的表面防銹處理方法;通過采取某些改進措施保證鍍鉻層的結(jié)合力和致密性,表面鍍硬鉻防銹可以滿足中低沖擊能(≤120J)鑿巖機沖擊活塞的處理要求。
　　 壓力水在環(huán)形間隙中流動的理論分析和試驗研究以及基于AMESim軟件進行的仿真分析表明:工程流體力學中提出的環(huán)形縫隙中的層流流量計算公式

7、并不是任何條件下都適用,只有配合間隙小于0.01 mm,或配合間隙小于0.03 mm而流體壓力小于6.3MPa,才是完全的層流流動。超出此范圍即為層流與紊流的混合流動,其流量要小于層流流量,間隙越大,壓力越高,越接近紊流。壓力大于10.0MPa,或間隙大于0.05 mm時基本接近于紊流。在工程實際中,大部分的工作狀態(tài)都為混合流或紊流。間隙值在0.02 mm左右、密封長度大于20mm是水壓元件及鑿巖機沖擊機構(gòu)摩擦副配合的最佳間隙值,此時泄

8、漏流量較小,既保證了容積效率,又兼顧了機械加工精度和加工成本。適當增加密封長度可以進一步增大間隙值。在此基礎(chǔ)上,分析了影響沖擊機構(gòu)內(nèi)部能量損失的主要因素,建立了層流和紊流狀態(tài)下配合間隙中泄漏引起的能量損失基本方程;分析了由于能量損失轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃繉α黧w溫度和粘度變化的影響;提出了按密封段分段法計算活塞一個沖擊運動周期內(nèi)內(nèi)部能量損失的新方法,并分別建立了前腔常壓、后腔交變壓力的單面回油型沖擊機構(gòu)在層流和紊流狀況下各密封段的總能量損失方程。提出

9、了最小允許間隙的確定準則,建立了最大間隙與合理密封長度的計算公式和控制范圍。
　　 應(yīng)用上述研究成果,研制成功了國際上第一臺SYYG65型導(dǎo)軌式水壓鑿巖機。該機采用前腔常壓、后腔交變壓力的單面回油型沖擊機構(gòu)和內(nèi)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)釬機構(gòu),最高工作壓力10MPa,使用按分段法建立的基于紊流流動理論的內(nèi)部能量損失方程對活塞與前后支承套、缸套之間的配合間隙大小和密封長度進行了設(shè)計計算,對活塞、缸體、缸套、前后支承套、密封件及配流滑閥等主要零部件的結(jié)

10、構(gòu)、材料選用及配對和防銹處理方法等進行了分析和設(shè)計。在運用等加速模型對鑿巖機沖擊性能進行計算的基礎(chǔ)上,首次運用點變換方法對循環(huán)中的水壓力作功簡便地進行了計算,并對沖擊機構(gòu)的動力過程采用計算機模擬程序作出了更加精確的描述。利用自行研制的國內(nèi)首套水力鑿巖實驗系統(tǒng)開展了導(dǎo)軌式水壓鑿巖機的性能測試工作。試驗結(jié)果表明:在水壓為9.12MPa,流量為73.90L/min時,鑿巖機沖擊能達到85.616J,能量利用率為20.99％,和主要性能參數(shù)的計