全回轉(zhuǎn)步履式液壓挖掘機(jī)剖析

1、第一章緒 論 1.1 概述產(chǎn)品設(shè)計(jì)是產(chǎn)品生產(chǎn)的第一道工序。傳統(tǒng)的產(chǎn)品的生產(chǎn)過程是：首先由設(shè)計(jì) 者根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)計(jì)出產(chǎn)品、或者在已有的產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行模仿、或者改 進(jìn)已有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)出新產(chǎn)品，然后做出模型或樣品，再進(jìn)行試驗(yàn)，對設(shè)計(jì)上的 問題進(jìn)行改進(jìn)，重新設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和分析，不但要耗費(fèi)大量的時(shí)間，也要 耗費(fèi)大量的人力和物力。在設(shè)計(jì)中要求對機(jī)器的工作原理、功能、結(jié)構(gòu)、零部 件設(shè)計(jì)、甚至加工制造和裝配都要確定下來。雖然不同的設(shè)計(jì)者可能有不同的 設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟，機(jī)械設(shè)計(jì)的共性規(guī)律是客觀存在的，其一般步驟是：目 標(biāo)預(yù)測、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、加工設(shè)計(jì)、試生產(chǎn)。它需要不斷地總結(jié)和完善。 用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方

2、法，產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和風(fēng)格在很大程度上受設(shè)計(jì)人員水平的局限， 有時(shí)嚴(yán)重限制設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高。單斗挖掘機(jī)是一種重要的工程機(jī)械，廣泛應(yīng)用在房屋建筑、道路工程、水利 建設(shè)、農(nóng)田開發(fā)、港口建設(shè)、國防工事等的土石方施工和礦山采掘工業(yè)中，對 減輕繁重的體力勞動(dòng)、保證工程質(zhì)量、加快建設(shè)速度、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率起巨 大作用。單斗挖掘機(jī)分機(jī)械傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)兩種。機(jī)械傳動(dòng)挖掘機(jī)已有一百多 年歷史，近一、二十年來，隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)在工程機(jī)械上的廣泛應(yīng)用，單斗 液壓挖掘機(jī)有了通速發(fā)展，在中小型單斗挖掘機(jī)中，液壓挖掘機(jī)幾乎取代了機(jī) 械傳動(dòng)挖掘機(jī)，大型單斗液壓挖掘機(jī)也應(yīng)用日廣，這是由于液壓挖掘機(jī)具有重 量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、挖掘

3、力大、傳動(dòng)平穩(wěn)、操縱簡便，以及容易實(shí)現(xiàn)無 級變速和自動(dòng)控制等一系列優(yōu)點(diǎn)。挖掘機(jī)要完成其獨(dú)特的功能，大部分零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作條件惡劣，這些零 件的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)是一件比較困難的工作。 全回轉(zhuǎn)步履式液壓挖掘機(jī) ( 以下簡 稱步挖機(jī) ) 為斗容量小于 0. 6m3 的小型挖掘機(jī) , 與一般挖掘機(jī)的區(qū)別在于下車 沒有行走和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) ,采用4 個(gè)支腳支承整機(jī) , 依靠工作裝置和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)機(jī)械的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。它主要由工作裝置、平臺、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、下車、 動(dòng)力裝置和液壓系統(tǒng)等組成。 其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單 ,質(zhì)量輕,故障少,性能良好 , 成本只有同等級履帶式挖掘機(jī)的50 %60 %,便于制造和維護(hù)；

4、缺點(diǎn)是行走和轉(zhuǎn) 向速度慢。步挖機(jī)在結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)考慮以下要求 :(1) 整機(jī)具有較高的穩(wěn)定性 , 在全域內(nèi) (360) 挖掘性能良好 ；(2) 步履行走性好 , 即步挖機(jī)能開進(jìn)沒有道路的施工現(xiàn)場 ；(3) 支腳調(diào)整簡便、迅速、適應(yīng)性強(qiáng) , 安全可靠 ；(4) 小型步挖機(jī)長距離轉(zhuǎn)場移動(dòng)時(shí) , 能自行上、下運(yùn)輸車輛 ；(5) 為了防止支腳沉陷和挖掘時(shí)的水平移動(dòng) , 支承爪上部為水平板 , 下部為放射 狀的爪；(6) 能在靠近建筑物的邊角和狹小場地上挖掘作業(yè)。(7) 其工作簡圖如圖 1-1 所示：E操縱手柄機(jī)篷冋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)行走輪IJ90?3底架圖 1-1-14個(gè)支腳的長度和在水平面內(nèi)的調(diào)節(jié)尺寸主

5、要影響步挖機(jī)在橫向和縱向的穩(wěn)定性以及行走時(shí)的通過性（通過某一最窄的路段）,同時(shí)考慮步挖機(jī)對橫向與縱 向穩(wěn)定性要求接近,因此,a1、a2、bl和b2之間的比值一般?。?22.5 ；ai器2 2.5；biai= 1.1 1.3 ;理=1.11.3;a2為適應(yīng)作業(yè)場地大小和作業(yè)條件多變，前支腳由可伸縮的兩節(jié)組成，其長度可進(jìn)行34級的調(diào)節(jié)，伸縮比a l max 丿小1.8 1. 9 。l min后支腳長度約為前支腳回縮狀態(tài)下的長度，每個(gè)支腳座上有24個(gè)定位銷 孔,這樣前、后支腳在水平面內(nèi)從最小到最大位置可進(jìn)行23檔的有級調(diào)節(jié)， 以適應(yīng)各作業(yè)條件要求的整機(jī)穩(wěn)定性。4個(gè)支腳在垂直方向的運(yùn)動(dòng)由4個(gè)油缸 控制

6、,可無級調(diào)節(jié)。支腳上下調(diào)節(jié)尺寸除滿足步挖機(jī)在凹凸不平和斜坡上作業(yè)時(shí) 能調(diào)平上車外，還要滿足上、下運(yùn)輸車輛的高度要求。前支腳向下調(diào)節(jié)角度應(yīng)與 最大長度相互協(xié)調(diào)。前支腳向下調(diào)節(jié)角度過大，造成支腳油缸力臂太小，油缸受 力過大,對油缸閉鎖不利。后支腳向上調(diào)節(jié)尺寸使行走輪下邊緣高于底座下部 1025cm ,向下調(diào)節(jié)尺寸見圖1-2。2 3圖中nih3。3 4圖1-1-1 1. 2挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)橋機(jī)構(gòu)件設(shè)計(jì)思路分析步驟輪擺式挖掘機(jī)以液壓驅(qū)動(dòng)作為動(dòng)力，其設(shè)計(jì)的主要步驟是：（1）.根據(jù)挖掘機(jī)的工作方式確定其驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)。挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)橋處于動(dòng)力傳動(dòng) 端，其基本功能是增大由傳動(dòng)軸或變速器傳來的轉(zhuǎn)矩，并將動(dòng)力合理地分配四個(gè)擺

7、臂驅(qū)動(dòng)輪，另外還承受作用于路面和車架或車身之間的垂直力和橫 向力驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足如下基本要求：1）所選擇的主減速比應(yīng)能保證挖掘機(jī)具有最佳的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。2）外形尺寸要小，保證有必要的離地間隙。3）齒輪及其它傳動(dòng)件工作平穩(wěn)，噪聲小。4）在各種轉(zhuǎn)速和載荷下具有高的傳動(dòng)效率。5）在保證足夠的強(qiáng)度、剛度條件下，應(yīng)力求質(zhì)量小，尤其是簧下質(zhì)量應(yīng)盡量 小,以改善挖掘機(jī)平順性。6）結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝性好，制造容易，拆裝，調(diào)整方便7）擺臂整體結(jié)構(gòu)簡圖如下圖1-2-1所示。圖1-2-1（2）.確定平行可移式擺臂的結(jié)構(gòu)。由于輪擺式挖掘機(jī)設(shè)計(jì)用于斜坡，山體等復(fù) 雜環(huán)境下工作，為保證挖掘機(jī)的工作平穩(wěn)和可靠性，故

8、需從其擺臂方面進(jìn)行 設(shè)計(jì)，即其擺臂各角度需要三維立體擺動(dòng)。以保證挖掘機(jī)操作員在任意工作 平面處于水平位置。當(dāng)車輪采用擺臂獨(dú)立懸架時(shí)，擺臂應(yīng)為一根連接左右驅(qū) 動(dòng)車輪的剛性空心梁（圖51），而主減速器、差速器及車輪傳動(dòng)裝置都裝在 它里面。（圖 1-2-2）擺臂設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)滿足如下基本要求；1）該擺臂為可移動(dòng)式擺臂，在結(jié)構(gòu)簡單的基礎(chǔ)上，易于加工。為了使擺臂的 左右運(yùn)動(dòng)可靠，滿足剛度要求，故設(shè)計(jì)成平行四邊形四桿鉸鏈機(jī)構(gòu)，如下 圖：該平行四邊形鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)自由度為1,故該結(jié)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)，F(xiàn) = 6n -(5P5 4F43R) = 6 3 -(5 2 4 1 3 1) = 1平行四邊形機(jī)構(gòu)是雙曲柄機(jī)構(gòu)的一

9、個(gè)特例。組成四邊形對邊的構(gòu)件長度分 別相等。從動(dòng)曲柄和主動(dòng)曲柄的回轉(zhuǎn)方向相同，角速度時(shí)時(shí)相等。根據(jù)已 知條件，該四桿機(jī)構(gòu)最大的內(nèi)外轉(zhuǎn)動(dòng)角度為 30：貝U: A點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為30，如下運(yùn)動(dòng)簡圖：已知擺臂長1.2米，為滿足擺臂內(nèi)外擺角 30，故鉸鏈的端桿長度應(yīng)滿足：L1=L*sin15 =1.2 sin15 = 0.3m2) 為保證挖掘機(jī)行進(jìn)方便可靠，擺臂應(yīng)具有輪式結(jié)構(gòu)，3) 擺臂外形尺寸要小，保證挖掘機(jī)重量較輕。(3) .根據(jù)挖掘機(jī)工作條件計(jì)算，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)橋及擺臂外形，結(jié)構(gòu)大小，幷進(jìn)行 臨界受力分析，對關(guān)鍵部位及零件進(jìn)行強(qiáng)度及抗疲勞強(qiáng)度校核。繪制各個(gè)零 件圖，擺臂的計(jì)算主要按作業(yè)時(shí)的工況。作業(yè)時(shí)有

10、支腿支承，輪胎離地，但作業(yè)過程中機(jī)器的晃動(dòng)較大，長期作業(yè)后，在松軟地面上支腿容易陷人地面而 出現(xiàn)輪胎支地情況，司機(jī)也不易察覺。此外，也要考慮支腿失靈的情況。因此 實(shí)際的最大橋荷應(yīng)考慮輪胎支地工況。作業(yè)時(shí)主要考慮三種情況挖掘作業(yè)時(shí)計(jì)算挖掘力及機(jī)器重量作用于橋的垂直力當(dāng)垂直力很大時(shí)一般水平力很小可 忽略起吊重物時(shí)，按機(jī)器的抗傾翻能力考慮裝滿鏟斗后在任意位置突然啟動(dòng) 提升或下降過程中突然制動(dòng)，此時(shí)有巨大的慣性力作用，正常情況下后者要 大一些。 1. 3主要參數(shù)的選擇主要參數(shù)的選擇與整機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和工作要求有關(guān)，其中最重要的參數(shù)有斗容量、機(jī)重和功率(g、G N)。斗容量主要依據(jù)工作條件和適用范圍選擇。

11、 發(fā)動(dòng)機(jī)功率則取決于各機(jī)構(gòu)的力、力矩和工作速度。選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的功率時(shí)，既要滿足步挖機(jī)作業(yè)過程中的動(dòng)力要求，還要使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率得到充分利用。 機(jī)重通常作為主設(shè)計(jì)參數(shù)和系列等級的分級標(biāo)志 ，設(shè)計(jì)時(shí)，以機(jī)重為指標(biāo)，可 利用經(jīng)驗(yàn)公式確定其它總體參數(shù)。常用的經(jīng)驗(yàn)公式為 ：尺寸參數(shù)：Li%卩G質(zhì)量參數(shù)：Gi二 KGiG功率參數(shù)：Ni-K Ni G式中:G 整機(jī)質(zhì)量,單位t ;KLi、KGi、KNi 分別是尺寸、質(zhì)量和功率系數(shù)。根據(jù)步挖機(jī)的作業(yè)性能、速度和生產(chǎn)率的要求，可初步確定液壓系統(tǒng)的流量Q :Q =max nd2Vmax,2 nnaxq ?m3/s式中:d 油缸直徑,m ;Vmax工作油缸最大移動(dòng)速度,

12、m/ s ;n max回轉(zhuǎn)馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速,r/ s ;q -馬達(dá)排量,m3/ r 。步挖機(jī)無行走機(jī)構(gòu)，鏟斗挖掘時(shí)所克服的最大阻力(考慮復(fù)合動(dòng)作)和動(dòng)臂油缸提升、步挖機(jī)自行上下運(yùn)輸車輛時(shí)所需功率為整機(jī)所需最大功率，由此可初步確定液壓系統(tǒng)所需功率為：PQnt式中：P 工作油缸克服最大阻力所需的壓力，Pa ; Q泵的輸出流量,m3/ s ;t 泵的總效率,一般取t = 0. 870. 9液壓功率確定后就可確定發(fā)動(dòng)機(jī)功率N 發(fā)=(0. 81. 1) Ny=70Kw對于功率較小的發(fā)動(dòng)機(jī)，功率儲備系數(shù)較小，為防止過載熄火，功率系數(shù)可取 大些。 2.1挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)橋擺臂整體設(shè)計(jì)。(1)挖掘機(jī)擺臂受力分析。：挖掘

13、機(jī)擺臂受力臨界條件，當(dāng)斗容量滿載時(shí)，由擺臂為1.2米，最大內(nèi)外擺角 30,最大上下擺角25,做挖掘機(jī)及其單擺臂受力簡圖如下所示：行走裝置擺臂總受力F總 =F牽F重力F挖F牽二F轉(zhuǎn)彎F坡阻F驅(qū)阻1) 驅(qū)動(dòng)阻力的計(jì)算由于挖掘機(jī)工作環(huán)境較差，其驅(qū)動(dòng)阻力包括土壤行駛阻力及克服挖機(jī)的靜摩 擦阻力。P 二 Pth (KPa設(shè)輪寬為b=150mm輪半徑為R=400mm這時(shí)土壤的變形下陷深為h=10mm 則輪端部微面積壓力為dp = pbds p為深度h的比壓力此處的水平阻力為d wi 二 P bd s sinap= p0h= p0 Rcosa _ r cosa0ds 二 Rda0將上面三式聯(lián)立積分得：Fj

14、二.p0bR2 cosasin a - cosa0 sin a da二 p0bR2 0.5 0.5cosa02 - cosa0R-hcos a0 :R1 2代入得 FjPbh2雙輪行進(jìn)阻力為：F2FbP-Po機(jī)重 G=2blp,由于該挖機(jī)為雙輪驅(qū)動(dòng)，則單個(gè)輪胎行進(jìn)阻力為:1舄=辭1 G冷S5 104 心5 1代M 行二 FR = 3.25 1030.5= 1600：i地更科宴運(yùn)行比i力wD3 -山 Q4中容公溝的J1050.0D+05隊(duì)09賢踣Gx 09 -13EW, IB瓠 Wife0.10 0,15遠(yuǎn)冇比昭力僅 議42）坡道阻力的計(jì)算 坡度阻力是由于機(jī)器在斜坡上因自重的分力所引起的。挖掘機(jī)

15、的最大行走允 許坡度35，則一個(gè)輪胎的各受力大小為：F坡阻二 牛sina = 6 0.5 0.5 101.5 104-M 坡阻二 F坡阻 *R=1.5 104 0.5 = 7.25 103- 13）轉(zhuǎn)彎阻力的計(jì)算輪式運(yùn)行裝置轉(zhuǎn)彎時(shí)所受到的阻力較為復(fù)雜，輪胎表面與地面的摩插阻力是所受到的阻力中最為主要的，所以重點(diǎn)研究輪胎在轉(zhuǎn)彎時(shí)與地面的摩擦阻力矩。輪胎與地面的摩擦阻力矩主要與輪胎上比壓的分布以及不同的工況有關(guān)。列： 對于挖掘機(jī)來說，由于轉(zhuǎn)彎時(shí)機(jī)器空載，而且工作裝置是懸起的。因此輪胎上 比壓基本相同；可看作均勻分布。因此，輪胎的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)可看作如圖所示運(yùn)動(dòng)，設(shè)輪胎寬B為150mm著地面積長度L為40

16、mm則輪胎的微面積bdx繞輪胎中心 點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的力矩可表示為：dM 二 p bxdx式中p比壓（kPa）卩一一輪胎與地面的摩擦系數(shù),則一個(gè)輪胎的轉(zhuǎn)彎阻力矩為通常取卩=0.1-0.5之間，這里取0.3M = 2 dM = 2 pb xdx0 0二丄 pbL3= 0.125 0.3 6 103 0.04 1048式中G挖掘機(jī)自重；L 輪胎接地長度；因此，挖掘機(jī)原地轉(zhuǎn)彎時(shí)一個(gè)輪胎的牽引阻力為B2 4GLB= 0.25 GL B= 0.25 0.3 6 103 0.2 10 = 900*并且考慮到轉(zhuǎn)彎時(shí)輪胎板邊緣掛土的附加阻力，故需引加一阻力系數(shù)B，由挖掘機(jī)工作條件根據(jù)上表所選取B =1.15，則挖掘機(jī)

17、的牽引力變?yōu)椋篎轉(zhuǎn)1乎2-0.25 0.5 6 103 1 10 1.15 =1.035 103：4）擺臂受力總分析當(dāng)只有兩只擺臂著地，且位于30坡角的瞬間，F(xiàn)g最大,Ft為工作時(shí)滿載的斗 容量，其受力如圖：則在豎直方向的受力為:G丄4.55漢10丄3Fg = x. Ft/2 工吐 0.5 10310/22 24= 2.55 10 N豎直方向的最大扭矩:M豎二 Fg L =2.55 104 1 =2.55 10、最大行進(jìn)牽引力F、二2F行進(jìn)-2F坡阻，F(xiàn)轉(zhuǎn)彎4二 3000 30000 1800 二 3.48 10 乂最大行進(jìn)牽引扭矩M牽總=2M行進(jìn)M轉(zhuǎn)彎.2M坡阻）= 1500 2 7250

18、90 = 1.69 104、 I2.2擺臂剛度及強(qiáng)度校核該擺臂為剛性空心梁結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)截面圖如下所示:* 1加 * .F1 1I300i270i1F1r由于擺臂承載較大，為加強(qiáng)其強(qiáng)度和剛度，采用了整體箱型焊接結(jié)構(gòu)，由于 要求有較好的焊縫，故該結(jié)構(gòu)的材料選擇焊接性能優(yōu)良的45鋼,E=200GPa取ns - 2J =353MPa,S =598MPa, D 二=176MPa,；bs =100MPaJ =83MPa 并經(jīng)淬火，回火處理，在擺臂內(nèi)部全長范圍內(nèi)，為加強(qiáng)其空間強(qiáng)度，焊有許多隔 板，把擺臂分層若干小箱型結(jié)構(gòu)，使壁體堅(jiān)固，可以承受較大的彎曲應(yīng)力，為 了減輕動(dòng)壁質(zhì)量，隔板中間挖掉一部分。1）梁的強(qiáng)

19、度計(jì)算主要考慮受彎時(shí)的正應(yīng)力，該梁可看成單向受彎，4.55漢 104 漢1決 0.25決MFLyy3亍 0.15I BH3-bh3 0.3漢 0.12 0.27匯 0.0912-212 0.15MPa =31.8MPa 十=176MpaM所計(jì)算截面的彎矩，M=FL系數(shù) 查表的卩=0.25 , L為擺臂的有效作用長度,c 橫截面上的最大拉伸或壓縮正應(yīng)力，丫 橫截面上距中性軸最遠(yuǎn)的點(diǎn)，y表示與x垂直方向,S許用應(yīng)力，F(xiàn)為挖掘機(jī)擺臂端所的最大力該梁的強(qiáng)度完全符合要求該型鋼截面，A=BH-bh IxBH3-bh312=2.68 102）梁的剛度校核擺臂是一長臂梁，承受整個(gè)挖掘機(jī)的重量，以及工作時(shí)的各種阻力，受力狀 態(tài)比較復(fù)雜，但挖機(jī)本身重力是最主要的，為了控制其變形量的范圍，使挖機(jī) 在極端條件下也能正常工作，需對挖機(jī)進(jìn)行剛度校核，在挖機(jī)的本身重力和滿載的情況下，擺臂的受力可看成單端固定梁受集中