挖掘機回轉(zhuǎn)機構(gòu)畢業(yè)設計

1、斗容1m3挖掘機回轉(zhuǎn)機構(gòu)設計2015 年 6 月 摘 要 近年來，我國的基建工程有日益增多的趨勢，國家也要大力發(fā)展基建工程來拉動經(jīng)濟增長，而挖掘機作為土方施工必不可少的機械設備，將在我國的基礎設施建設方面發(fā)揮舉足輕重的作用。 挖掘機在進行作業(yè)時，其回轉(zhuǎn)機構(gòu)要承受軸向載荷，徑向載荷，和傾覆力矩，對其剛度，強度與穩(wěn)定性就有一定的要求。所以，挖掘機的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)對保持挖掘機整體的穩(wěn)定性方面有重要作用，對挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的研究有助于國家發(fā)展各種不同類型的挖掘機。 針對斗容1m3挖掘機的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，我進行了驅(qū)動方案分析，回轉(zhuǎn)支承選型設計，回轉(zhuǎn)速度控制及制動方案與制動器設計，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)各部件的受力校核及選型，還采用

2、了有限元方法來進行優(yōu)化設計。 國內(nèi)的挖掘機廠商對國內(nèi)市場的把握還不夠大，對挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的不斷優(yōu)化對國內(nèi)廠商制造更大更多類型的挖掘機有重要的意義。關鍵詞：機械設備；挖掘機；回轉(zhuǎn)機構(gòu)設計；有限元 第一章 緒 論1.1 液壓挖掘機及其回轉(zhuǎn)機構(gòu)介紹 液壓挖掘機是一種多功能周期作業(yè)的土方機械,廣泛應用于交通運輸，水利工程，礦山采掘和電力工程等機械施工中。它的工作過程先是以鏟斗的切割刃切削土壤，裝滿后再提升、回轉(zhuǎn)至卸土位置，把土卸空后鏟斗再回原來位置開始下一次作業(yè)，如此循環(huán)。 所以挖掘機對于對于減輕工人繁重的體力勞動，加快施工進度，提高施工機械化水平，促進各項建設事業(yè)的發(fā)展，都起著很大的作用。一臺斗容1

3、m3挖掘機每班的生產(chǎn)率基本上等于300-400個工人一天的工作量。所以很有必要大力發(fā)展液壓挖掘機，提高其工作性能，讓其更好地提高生產(chǎn)率，為國民建設與國民經(jīng)濟服務。 挖掘機的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、轉(zhuǎn)臺和液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)等組成?；剞D(zhuǎn)支承的內(nèi)外座圈間設有滾動體，其底座跟帶齒的內(nèi)座之間用螺栓連接，外座圈跟轉(zhuǎn)臺用螺栓連接。挖掘機工作裝置上的各種載荷與力矩經(jīng)過回轉(zhuǎn)支承傳給底架。回轉(zhuǎn)機構(gòu)的小齒輪既能繞自身自轉(zhuǎn)又能繞轉(zhuǎn)臺中心公轉(zhuǎn)，帶動轉(zhuǎn)臺繞底架回轉(zhuǎn)，相當于行星機構(gòu)。1.2國內(nèi)外發(fā)展概況工國外發(fā)達國家在挖掘機技術上一直處于領先優(yōu)勢，他們從20世紀80年代就開始生產(chǎn)特大型挖掘機，例如，美國生產(chǎn)的斗容132m&

4、#179;的步行式拉鏟挖掘機，斗容50-150m³剝離用挖掘機；b-e（布比賽路斯-伊利）公司生產(chǎn)的斗容量107m³的剝離用挖掘機，斗容量168.2m³的步行式拉鏟挖掘機等。從20世紀后期開始， 國際上挖掘機的生產(chǎn)向微型化、多功能化、大型化、專用化和自動化的方向發(fā)展。 國內(nèi)的挖掘機生產(chǎn)商雖然要有很強的創(chuàng)新意識，并且要針對市場與用戶的各種要求來開發(fā)出新一代挖掘機的變型產(chǎn)品（如高原型車、焊接車等），爭取步入大型挖掘機市場，不能只依靠國外進口，把握市場方向。同時，國內(nèi)的廠商要提高用戶服務，樹立良好的品牌形象，力求企業(yè)與用戶實現(xiàn)雙贏局面。只有這樣，國內(nèi)廠商才可能慢慢把失去

5、的市場份額奪過來。 1.3 本設計的目的和意義 目前我國及發(fā)展中國家的基礎工程建設相當多，挖掘機的產(chǎn)銷量很大。作為工程機械應用專業(yè)的學生，通過此設計，可以很全面地掌握挖掘機的構(gòu)造和作業(yè)環(huán)境及要求；掌握產(chǎn)品設計思路與方法；鍛煉其綜合運用機械類基礎知識解決實際問題的能力和提高對計算機軟件的應用水平；本設計要求完成上臺車回轉(zhuǎn)機構(gòu)方案設計及結(jié)構(gòu)設計。研究內(nèi)容包括，驅(qū)動方案分析確定，傳動設計，回轉(zhuǎn)支承選型設計，回轉(zhuǎn)速度控制及制動方案與制動器設計。1.3研究的基本思路與采用的方法通過查閱相關資料進行回轉(zhuǎn)馬達與回轉(zhuǎn)支承的選型，計算嚙合齒輪參數(shù)，計算液壓系統(tǒng)參數(shù)。結(jié)合三維建模及分析修改設計方案及結(jié)構(gòu)參數(shù)；標準

6、件或選用總成要完成選型匹配計算，寫出具體的型號。生成二維設計圖，按標準要求完成標注、打印出二維設計圖； 第二章 方案設計 2.1 回轉(zhuǎn)方案選擇1）高速方案：采用高速液壓馬達，經(jīng)過齒輪減速箱來帶動小齒輪繞齒圈滾動，從而使平臺回轉(zhuǎn)?？梢允褂?種回轉(zhuǎn)方案：1 一級正齒輪和一級行星齒輪傳動2 兩級行星齒輪傳動3 兩級正齒輪傳動4 一級正齒輪和兩級行星齒輪傳動在高速軸上裝了機械制動器，我國目前對一級行星齒輪傳動和一級正齒輪和兩級行星齒輪傳動進行了系列化和專業(yè)化生產(chǎn)。方案優(yōu)點：馬達采用了高速馬達，又加了齒輪減速機構(gòu)，可靠性效率都比較高，同時又能降低成本縮小體積。設置了機械制動器，不需要背壓補油，降低了油液

7、發(fā)熱與功率損失，可與軸向柱塞泵零件通用。2）低速方案：這種馬達轉(zhuǎn)速比較低，但扭矩比較大，帶動小齒輪并讓轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)的時候，中間不用加減速器。這種方案采用的液壓馬達通常為靜力平衡式，內(nèi)曲線式和星型柱塞式等。不用經(jīng)過減速器驅(qū)動的回轉(zhuǎn)機構(gòu)多是內(nèi)曲線式的，而且這種馬達轉(zhuǎn)速低，扭矩大。 方案優(yōu)點：這種馬達傳動比較簡單，起動的時候制動性能也比較好，零件比較少，可靠性比較好，對油污的敏感性也比較小。 為了經(jīng)濟性、可靠性和效率，選用了方案2。2.2 回轉(zhuǎn)機構(gòu)齒輪嚙合方案的確定 內(nèi)齒式齒輪嚙合結(jié)構(gòu)緊湊能節(jié)省尺寸，受外部環(huán)境影響小。而外齒式齒輪嚙合傳動受外部環(huán)境影響比較大，比較浪費橫向尺寸。所以選用內(nèi)齒式齒輪嚙合傳動

8、。2.3 回轉(zhuǎn)軸承選型（1）單排滾球式滾道端面中心d偏滾珠中心而且滾道是圓弧形曲面的，滾道半徑r=0.52d，滾珠與滾道接觸角(水平線與作用力的夾角)一般45°，所以可以傳各種方向的軸向、徑向載荷與傾覆力矩。（2）雙排滾球式 它的滾珠分了2排，下排比上排收到的載荷小，所以下排滾珠比較小。接觸角(水平線與作用力的夾角)=90°，所以能承受很大的軸向載荷與傾覆力矩。（3）交叉滾柱式 滾動體做成了圓錐或圓柱形，接觸角常為45°，相鄰滾珠軸線交叉排列，滾道做成平面的，可以傳遞各種方向的載荷與力矩。（4）組合滾子式跟雙排滾珠式類似，帶第三排滾珠直于上、下兩排滾柱，能傳遞徑向

9、載荷。主要用在直徑與受到的載荷都比較大的大型的液壓挖掘機上。 現(xiàn)實應用最廣泛的是上述（1）（2）（3）3種。 縱觀液壓挖掘機回轉(zhuǎn)支承發(fā)展歷程，開始采用的雙排異徑球式，后來發(fā)展成用單排交叉滾柱式，近來單排四點接觸球式得到了迅速的發(fā)展。對比這三種回轉(zhuǎn)支承，單排四點接觸球式的全部滾動體都能同時分擔載荷，而另外兩種只有一般滾動體可以承受載荷，所以其靜容量遠超另外兩種。綜合以上結(jié)論，此次的液壓挖掘機回轉(zhuǎn)軸承的選型選用單排四點接觸球式滾動軸承式，2.4滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承的系列標準及其具體選型滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承，不少國家已有系列標準，由專門的軸承廠制造，主機成更具用途選用即可。我國制定的滾動支撐系列標準分兩

10、大類，六種結(jié)構(gòu)形式，四十種規(guī)格。第一類或稱第一系列為接觸角，滾柱按1：1排列的交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承，以代號“hj”表示。第二類或稱為第二系列為接觸角的四點接觸球式回轉(zhuǎn)支承，以代號“hs”表示。每一類按座圈不帶齒（代號“b”），帶外齒（代號“w”）和帶內(nèi)齒（代號“n”）的不同分為三種結(jié)構(gòu)形式。每一類按滾道中心直徑的大小分為二十種規(guī)格。例如hjn-2820表示滾道中心直徑，具有內(nèi)齒機構(gòu)形式的交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承。我國指定的滾動軸承職稱系列標準有一下特點：1.尺寸參數(shù)比較齊全（滾道中心直徑范圍是），符合主機系列，可滿足發(fā)展需要；2.兩種系列的安裝尺寸，毛胚尺寸完全相同，可以互換：3.齒輪有兩種模數(shù)以滿足

11、不同的主機需要，內(nèi)外齒的原始齒形均為標準型（即壓力角，齒頂高系數(shù)，齒頂間隙系數(shù)）.為了減少小齒輪齒數(shù)，提高其承載能力，改善傳動性能，內(nèi)齒式采用高度變位（變位系數(shù)+0.35），外齒式采用角度變位（當大齒圈齒數(shù)為95116時變位系數(shù)取+1.0；當齒數(shù)為117136時取+1.15；當齒數(shù)等于和大于137時取+1.4）4.滾動體材料為gcr15及gcr15simn,表面硬度為hrc6155.座圈材料為50mn,50simn，5crmnmo等，滾道表面硬度為hrc5565，硬化層深度為35mm.參考單斗液壓挖掘機表3-2滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承參數(shù)系列，初步選取四點接觸球式滾動回轉(zhuǎn)支承系列，其基本技術參數(shù)如下

12、:滾道中心直徑：外形尺寸： 安裝尺寸： 內(nèi)齒參數(shù)： 四點接觸球式滾動回轉(zhuǎn)支承滾球尺寸： 接觸角圖 2.1回轉(zhuǎn)支承2.5 主要性能參數(shù) 斗容量 1m³ 整機使用質(zhì)量（含配重） 30000 其中預估： 上車 19900 下車 9100 柴油機 型號 saa6d102e-2 額定功率 125/2100 行駛速度范圍: 低速范圍 vi=03.1 km/h 高速范圍 v=05.5 km/h最大爬坡角 35º 軌距 2380 mm 每側(cè)履帶接地尺寸(長×寬) 6470×2980 mm 運輸工況外形尺寸(長×寬×高) 9865×2980&

13、#215;3015液壓系統(tǒng)參數(shù):鏟斗油缸-個數(shù)×缸徑×行程(mm) 130×1020×90回轉(zhuǎn)液壓回路(mpa) 28.4控制液壓回路(mpa) 3.2先導油路斗桿油缸-個數(shù)×缸徑×行程(mm) 140×1635×100動臂油缸-個數(shù)×缸徑×行程(mm) 130×1335×90行走液壓回路(mpa) 37.3主泵最大流量(l/min) 439第三章 結(jié)構(gòu)設計3.1回轉(zhuǎn)支承的受力分析決定回轉(zhuǎn)支承壽命的主要是靜容量，因為其常在低速大負荷下運轉(zhuǎn)。為了研究滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承的受力狀態(tài)

14、，求出滾動體受的最大作用力，以便與驗算滾道與滾動體間的接觸強度?；剞D(zhuǎn)支撐的座圈是一個多支點彈性體,主要以滾動體為支點，承受著傾覆力矩m徑向載荷fr以及軸向載荷fa的共同作用。設內(nèi)座圈與底架固定，外座圈與轉(zhuǎn)臺固定，轉(zhuǎn)臺經(jīng)外座圈，滾動體，內(nèi)座圈到底架是力的傳遞路線，如下圖2.3所示。圖3.1 回轉(zhuǎn)支承受力簡圖內(nèi)外座圈間的內(nèi)力分布跟制造方法有關，為了計算的簡化，假設：受力變形只發(fā)生在滾動體與滾道接觸處，內(nèi)外座圈為絕對剛體；滾道與滾動體接觸良好，無加工誤差，無徑向間隙和軸向間隙。 用在滾動體上的軸向、徑向載荷與傾覆力矩的疊加內(nèi)力進行計算，經(jīng)過分析后得出挖掘機在直立狀態(tài)下受到的載荷為最大。 總軸向力v=

15、23kn 徑向力的分析包括了小齒輪與齒圈間嚙合力和風力和慣性作用下產(chǎn)生的離心力其中c風載體型系數(shù)取0.7 kh高度休整系數(shù)取1q風壓值取25公斤/m2f迎風面按照外傾5°來進行計算:= 1.37kn所以= +5.2+1.37+4350kn各力對回轉(zhuǎn)中心取距的傾斜力矩m為391kn.m3.2靜載系數(shù)的確定一般用回轉(zhuǎn)支承的靜、動容量來決定回轉(zhuǎn)支承的負荷能力，動容量指回轉(zhuǎn)支承回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)不會疲勞破壞出現(xiàn)裂紋的能力，而靜容量指回轉(zhuǎn)支承的滾動體與滾道接觸處在靜負荷的作用下的永久變形量之和到了滾動體直徑的萬分之一但不影響回轉(zhuǎn)支承正常運轉(zhuǎn)的能力。挖掘機回轉(zhuǎn)速度比較低，所以只需要計算其回轉(zhuǎn)支承的靜

16、容量。這種回轉(zhuǎn)支承的承載角，其靜態(tài)參照載荷計算可以參照以下公式： fa´=（fa +2 fr）fs 258t其中fa軸向力 fr徑向力 fs靜載系數(shù)取1.25m´=m fs79×104n·m m傾斜力矩 計算安全系數(shù):軸向e額定靜負荷容量為:coa=3000kn 當量軸向載荷:cp= 2296kn 所以 1.31查挖掘機設計手冊知,安全系數(shù)在1.201.35之間符合設計要求3.3 回轉(zhuǎn)支承的選型經(jīng)過計算初步選擇支承：qna1600-40內(nèi)嚙合式的,模數(shù)m=12,齒數(shù)z=116,=1600,=1744，n表示內(nèi)齒式，40表示滾球直徑，1600代表它的回轉(zhuǎn)滾

17、道中心直徑為1600mm。jb2300-84給出了所選支承的承載曲線圖，圖中標出了（fa，m）坐標，并且在靜態(tài)承載力曲線下面。所以，選擇的支承型號符合要求。 圖3.1 qna1600-40承載曲線圖確定滾動體的數(shù)目：z=d/d-0.51273.4最大接觸應力校核 滾動體所受載荷分別為：pv=v/z5kn phmax=kh/iz1.86kn(i=1) pmmax=km/zd6.8kn該支承滾珠接觸角為45度，承受的最大等效載荷為： nmax= pv/sin+ phmax/cos+ pmmax/ sin75kn1928公斤最大接觸點應力： 10000式中：最大的正應力； 接觸處的換算曲率半徑； 其

18、中：0.09 查設計手冊可知當hb<300時校核成立。3.5支撐連接螺栓強度計算（1）連接螺栓的最大工作載荷p0計算p0=4m/nd+fa/n式中 m傾覆力矩，根據(jù)前面計算得m=628kn.m fa軸向力，根據(jù)前面計算得fa =560kn d螺栓分布圓直徑，根據(jù)回轉(zhuǎn)支承型號查得d=1540mm n螺栓分布的個數(shù)，根據(jù)回轉(zhuǎn)支承型號查得n=40故 p0=4m/nd+fa/n =28.79kn（2） 連接螺栓預緊力的計算為防止座圈與支撐面之間存在間隙，提高連接螺栓疲勞強度，通常都設置較大的預緊力，其大小如下： py=ky p0（1-） 其中 工作載荷分配系數(shù)，對于不用彈簧墊圈的高強度螺栓通常取

19、0.25 ky接合面緊密性安全系數(shù)，一般取ky1.52.0，在此取2故 py=ky p0（1-） =43.19kn 螺栓上的預緊應力y=10 pyf1 其中f1 螺紋根部的斷面積。 f1 = d24=0.2524=0.05n 故 y=10 pyf1 = 10×15.9×1000/0.05=3mpa螺栓的預緊應力通常是y 0.50.7s，其中s為螺栓的屈服極限查得螺栓的屈服極限s為15mpa，故符合預緊力要求。（3）螺栓最大計算載荷pj=50.4kn（4） 螺栓強度計算靜強度安全系數(shù)：1.21.5 計算3.35疲勞強度安全系數(shù)： 23 計算5.63.6回轉(zhuǎn)齒輪強度校核挖掘機轉(zhuǎn)

20、臺轉(zhuǎn)速比較低，傳動比比較大，其回轉(zhuǎn)齒輪為開式，其主要破壞形式為疲勞彎曲破壞，所以只需要對驅(qū)動小齒輪做彎曲強度計算。計算最大彎曲應根據(jù)力f max直齒圓柱齒輪齒根彎曲應力計算公式即f max= （mpa） pu 運轉(zhuǎn)中出現(xiàn)在分度圓上最大圓周嚙合力（kn） pu= 油馬達驅(qū)動機構(gòu)的額定輸出扭矩，=1.5kn.mm齒輪模數(shù)，m=5mmz小齒輪齒數(shù)，z=12q齒形系數(shù)。根據(jù)齒數(shù)z=12，變位系數(shù)x=+0.15，由曲線圖查得q=3b齒寬，b=45mme影響載荷系數(shù)，取e=1.25將上述參數(shù)代入3-6式得： =齒根疲勞極限應力：= （mpa） （3.7）式中 壽命系數(shù)，由壽命系數(shù)圖查得：=1.9彎曲強度最

21、小安全系數(shù)，由表查得：=1.5 尺寸系數(shù)，由尺寸系數(shù)圖查得：=1相對應力集中系數(shù)，由系數(shù)圖查得：=0.88由2-7式計算得： =525×1.9×1/0.88×1.5=755.67mpa計算結(jié)果表明：，齒根抗彎強度足夠。3.7回轉(zhuǎn)軸承齒輪設計3.7.1參數(shù)選擇回轉(zhuǎn)機構(gòu)速度不是很快，其沖擊很輕微，取7級的精度，采用軟-軟齒面組合。查表選擇小齒輪的材料為調(diào)質(zhì)處理過的40cr鋼，硬度241286hbs;大齒輪選擇調(diào)質(zhì)處理過的材料為zg42simn鑄鋼，硬度190240 hbs；粗選取=127，=117（參考已有的產(chǎn)品）9.75由表取齒寬系數(shù)=0.6，按軟齒面齒輪對稱安裝。

22、3.7.2齒面接觸疲勞強度齒面接觸疲勞強度的計算公式(1) 初選載荷系數(shù)，計算名義轉(zhuǎn)矩=3000由表查得使用系數(shù)ka=1.75 。由圖試取動載荷系數(shù) kv=1.18。由表，按齒輪在兩軸承中間對稱布置，7級精度，初取kh=1.3 。由表按齒面未硬化，直齒輪，7級精度，初取kh=1.3 。(2)初選系數(shù)和參數(shù)因選用標準齒輪，初選重合度系數(shù)z=0.9，節(jié)點區(qū)域系數(shù)zh=2.5，查手冊確定彈性系數(shù)ze=188.9。齒面接觸許用應力查手冊可知：齒輪材料接觸疲勞極限應力hlim1=800mpa，hlim2=560mpa 。小齒輪應力循環(huán)次數(shù)大齒輪應力循環(huán)次數(shù)查手冊可知：接觸疲勞強度壽命系數(shù)zn（允許有一定

23、量點蝕）為：zn1=0.95，zn2=1.03。 查手冊取安全系數(shù)sh=1。(3) 齒輪分度圓直徑等主要幾何尺寸的計算148.67mmb=0.4148.67=60mm取小齒輪與大齒輪的寬度=85mm，=80mm12取m=12中心距630mm分度圓直徑144mm，1404mm基圓直徑135.32mm，1319.32mm齒頂圓直徑173.93mm，1385mm齒根圓直徑118.8mm，1440mm重合度38.92， 17.691.69(4) 由計算結(jié)果來校核前面得假設正確與否41667n查手冊得合理，取因=0.6， b=200，7級精度，對稱布置，查手冊得。計算載荷系數(shù)按，查手冊查得。標準齒輪，節(jié)

24、點區(qū)域系數(shù)。齒面接觸疲勞強度校核<=576.8mpa所以齒面接觸疲勞強度是安全的。 3.7.3校核齒根彎曲疲勞強度其計算公式為(1) 確定載荷系數(shù)查手冊。則 (2) 確定參數(shù)經(jīng)過查手冊，小齒輪齒形系數(shù) ，大齒輪齒形系數(shù) 。查手冊可知；小齒輪應力修正系數(shù) ，大齒輪應力修正系數(shù)；重合度系數(shù)。(3) 確定彎曲疲勞許用應力彎曲疲勞許用應力查取齒輪材料彎曲疲勞極限應力，。查得計算彎曲疲勞強度的壽命系數(shù)：，；取應力修正系數(shù) ；查手冊查得尺寸系數(shù)，安全系數(shù) 。(4) 校核齒輪彎曲疲勞強度比較按大齒輪來校核彎曲疲勞強度足夠。3.8轉(zhuǎn)臺運動分析圖3.2轉(zhuǎn)臺運動特性3.8.1 起動加速過程圖3.3

25、起動泵時w與t關系圖3.4泵起動時轉(zhuǎn)角與t關系在考慮啟動階段的回轉(zhuǎn)阻力時，忽略風與在傾斜度比較大的坡道上作業(yè)的影響，摩擦阻力矩比較小，占不到總起動力矩的百分之五，所以可以忽略而只考慮慣性阻力矩。假定起動力矩在起動的時候一直不變：常數(shù)（rad/s） （3-1）根據(jù)式3-1和圖3.3的坐標系建立角速度對時間t的微分方程其通解當時,，解得固特解 (3-2)當時 即 (rad/s) (3-3)或 ( s ) （3-4）根據(jù)式3-2和圖3.4的坐標系建立較對時間t的微分方程其通解 當時，解得固特解 當時， 即 （rad） (6-5)起動過程所耗功 (6-6)起動過程所耗功率 (w) (6-7)式中： j

26、 滿斗回轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m） 、分別是滿斗回轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)臺角速度（rad/s）、轉(zhuǎn)臺角（rad）、起動時間（s）3.8.2制動減速過程圖3.5表示采用液壓制動的轉(zhuǎn)臺進行液壓制動時制動力矩的變化。這時，通液壓泵與油箱的油路被斷開，油壓開始呈升高的趨勢，轉(zhuǎn)臺產(chǎn)生的慣性導致馬達的作用變?yōu)榱吮玫淖饔?，如果壓力低于制動閥調(diào)定的壓力，馬達就開始制動。在考慮制動階段的回轉(zhuǎn)阻力時，忽略風與在傾斜度比較大的坡道上作業(yè)的影響，摩擦阻力矩比較小，占不到總起動力矩的百分之五，所以可以忽略而只考慮慣性阻力矩。假定制動力矩在制動的時候一直不變：常數(shù)（rad/s） （3-8）圖3.5實測下轉(zhuǎn)臺的制動力矩變化

27、圖3.6制動時w與t關系根據(jù)式3-8和圖3.6的坐標系建立角速度對時間t的微分方程 其通解 當時 解得固特解 (rad/s) (3-9)當 時， 即 (rad/s) (3-10)或 (s) (3-11)令 則 (s) (3-12)根據(jù)式3-9和圖3.7的坐標系建立轉(zhuǎn)角對制動時間t的微分方程其通解 當時 解得故特解 圖3.7轉(zhuǎn)臺制動時轉(zhuǎn)角與t關系當時 即 (rad) (3-13) (rad) (3-14) (rad) （3-15）3.8.3勻速過程轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)的時間比較長，轉(zhuǎn)角比較大時可能會出現(xiàn)勻速過程，設為轉(zhuǎn)臺只朝一個方向回轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)角，為勻速階段的轉(zhuǎn)角，為勻速回轉(zhuǎn)過程的時間，則 （3-16） （3-1

28、7）3.8.4 空斗時轉(zhuǎn)臺返回過程 對于空斗返回的過程，上面的公式雖然是在滿斗回轉(zhuǎn)狀態(tài)下導出的，只要將滿斗時轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量換為并選取不同的，就可以沿用上述公式。(一) 對于用三角形速度圖 (3-18) (3-19) (3-20) (3-21)(二) 對于梯形速度圖 (3-22) (3-23) (3-24) (3-25) (3-26) (3-27) 通過以上的計算分析，我們的出了回轉(zhuǎn)平臺在轉(zhuǎn)動過程中的轉(zhuǎn)動角度、角加速度、轉(zhuǎn)動時間等一系列轉(zhuǎn)動參數(shù)的計算公式，這為后面我們得出具體的數(shù)據(jù)奠定了基礎。3.9轉(zhuǎn)臺最佳速度的分析計算 為了確定轉(zhuǎn)臺的最佳轉(zhuǎn)速，我們就需要知道確定最佳轉(zhuǎn)速的原則，那就是在經(jīng)常使用

29、的轉(zhuǎn)角范圍之內(nèi)，在角加速度和回轉(zhuǎn)力矩不超過允許值的情況下，應盡可能縮短回轉(zhuǎn)時間。另外，最佳轉(zhuǎn)速也與轉(zhuǎn)臺速度的圖是什么有關。一般常用具有勻速運動階段的梯形速度圖和無勻速運動階段的三角形速度圖推導轉(zhuǎn)臺最佳轉(zhuǎn)速的計算公式。下面我就這兩種不同形式的速度圖加以具體介紹：3.9.1 具有勻速運動階段的梯形速度圖的轉(zhuǎn)臺計算分析 回轉(zhuǎn)循環(huán)時間： (s) (3-28) 所以， (3-29)又已知， ，所以代入上式中可得 (3-30)又 所以， 將上式代入6-28中可得， （3-31） 所以， （3-32） 再將， 代入上式中， (3-33) 式中： 回轉(zhuǎn)機構(gòu)所需液壓功率（kw） 回轉(zhuǎn)機構(gòu)總效率；，其中為回轉(zhuǎn)支承

30、效率；為減速器效率；為液壓馬達效率（包括容積效率和機械效率）； (這里我們?nèi)。? 這里取為1.78； 、 轉(zhuǎn)角，的單位為弧度，的單位為度。3.9.2 具有無勻速運動階段三角形速度圖的轉(zhuǎn)臺最佳速度計算分析對于定量泵驅(qū)動空斗單向回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角 （rad）(3-34) 所以，(3-35)或， (3-35)以代入式6-34中得 (3-36)所以， （6-37）或， （3-38）在這種情況下，我們知道即所以， （3-39）回轉(zhuǎn)循環(huán)時間 （3-40）至此，分別用具有勻速階段的梯形圖和沒有勻速階段的三角形圖的最佳轉(zhuǎn)速的計算分析我們已經(jīng)全部完成了，用正確的運用上述公式代入相關的數(shù)據(jù)，即可得到我們所需要的參數(shù)。3.1

31、0回轉(zhuǎn)機構(gòu)的參數(shù)選擇計算轉(zhuǎn)臺最佳轉(zhuǎn)速的時候，要先做好回轉(zhuǎn)機構(gòu)的運動特性分析，確定轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)角范圍與起動、制動力矩等參數(shù)。3.10.1轉(zhuǎn)動慣量的計算對于反鏟的方式，由經(jīng)驗公式得:滿斗回轉(zhuǎn)時：空斗回轉(zhuǎn)時：由設計任務書我們知道，代入上式可得： 滿斗回轉(zhuǎn)時： n·m·s 空斗回轉(zhuǎn)時： n·m·s所以， ,式中g單斗液壓挖掘機的整機重量（t）. 3.10.2回轉(zhuǎn)所需起動力矩和制動力矩估算行走系統(tǒng)跟地面摩擦產(chǎn)生的力矩應該超過回轉(zhuǎn)最大啟動與制動力矩。當機械制動時可取，僅靠液壓制動時可取。m為作用在轉(zhuǎn)臺上的最大制動力矩。行走系統(tǒng)與地面摩擦產(chǎn)生的力矩可按下面公式計

32、算： (n·m)式中：g挖掘機總重（t）. 附著系數(shù)，對平履帶板取0.3，對帶筋履帶板取0.5由于本設計采用的是機械制動。所以 (n·m)對于機械制動，一般取，因為，所以 (n·m)6.3.3 轉(zhuǎn)角的選取 從上面的計算最佳轉(zhuǎn)速的公式可以看出，當m、j、c、k這些參數(shù)確定后，轉(zhuǎn)角決定了轉(zhuǎn)臺的最佳轉(zhuǎn)速，所以選取比較合適的轉(zhuǎn)角很重要。一般情況下，中小型液壓挖掘機轉(zhuǎn)角范圍在之間，標準轉(zhuǎn)角選擇在之間比較適當，結(jié)合本設計實際情況，這里選取，即。3.11回轉(zhuǎn)速度和時間的計算 按兩種方法進行計算：（一） 按三角速度圖計算1. 液壓馬達所需功率 式中： nm 2. 轉(zhuǎn)臺最佳轉(zhuǎn)速 式

33、中： ° n·m·s 由此得 3. 回轉(zhuǎn)機構(gòu)速比由此得 m=26109.4 nm則 mnm nm所以，馬達選取是合理的。4. 校核最佳轉(zhuǎn)速 式中: 與前計算的最佳轉(zhuǎn)速基本相等，固選取合理。5. 滿斗單向最大速度 6. 回轉(zhuǎn)循環(huán)時間 （6-40） 7. 各階段的延續(xù)時間，角加速度和轉(zhuǎn)角 = =1.007 rad = =0.630rad =1.009 rad =0.631 rad (二) 按梯形速度圖計算 1.轉(zhuǎn)臺最佳轉(zhuǎn)速 r/min則 ， 2. 回轉(zhuǎn)機構(gòu)速比由此得 nm nm 所以，轉(zhuǎn)矩沒有問題。3. 校核 = 與前面計算的最佳轉(zhuǎn)速有不小的差距，所以對于本次設計，采

34、用這種計算方法不太合適，還是采用第一種三角形速度圖無勻速階段的計算方法較為合適。對于，梯形圖速度法，這里就不再繼續(xù)計算了。4.回轉(zhuǎn)循環(huán)時間第4章 回轉(zhuǎn)機構(gòu)關鍵構(gòu)件有限元分析4.1 有限元分析介紹4.1.1 有限元方法介紹有限元法是將連續(xù)介質(zhì)離散為有限多個單元來進行分析計算的方法。它是1960年由美國的clough（克拉夫）在首先提出使用的。40多年來，該方法已由由靜力平衡問題擴展到穩(wěn)定性問題、動力學問題和波動問題分析的對象由彈性材料擴展到塑性、粘塑性和復合材料等，彈性力學平面問題擴展到板殼問題、空間問題，從固體力學擴展到流體力學熱傳導學、電磁學等領域。有限元法(fem)是一個cae(計算機輔助

35、工程、計算機輔助工程)是一個重要的分支,它是提高產(chǎn)品性能,加快產(chǎn)品開發(fā)過程的有效方法,從分析的角度來解決問題的總體性能及其相關產(chǎn)品,解決濫用在傳統(tǒng)的設計和制造過程中,使用該技術產(chǎn)品的各種工況進行了分析,預測產(chǎn)品的整體性能,并改進產(chǎn)品設計,提高產(chǎn)品性能。有限元法(fem)和強大的分析功能,與此同時,許多如pro / e、ug、catia具有非常強大的造型功能結(jié)合的優(yōu)勢都使用,可以很容易地和迅速實現(xiàn)了cad軟件建立三維模型,運動模擬機制,然后將其導入有限元分析軟件,該模型(fem)進行分析。如果要進行修改，只需要改其中一部分就行。通過使用有限元法(fem)分析機構(gòu),可以獲得整體,部分在各種各樣的信

36、息,如變形、應力分布狀況,在實用的前提下,系統(tǒng)或組件可以判斷是否符合要求,發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié),學習哪些方面需要修改,以優(yōu)化系統(tǒng)與其他傳統(tǒng)的力學方法相比,有限元方法有許多優(yōu)點:1）可以分析的形狀非常復雜,不均勻的各種實際工程結(jié)構(gòu);2）可模擬各種復雜的材料本構(gòu)關系、條件和荷載；3）可以進行結(jié)構(gòu)動力分析；4）由于預處理和后處理技術的發(fā)展可以大量的方案的比較分析,并迅速圖計算結(jié)果,從而優(yōu)化項目計劃。用有限元進行分析的基本步驟：1） 對象離散化。根據(jù)需要和計算精度來將分析的對象離散為有限多個單元，一般來說,單元分裂更詳細的規(guī)則描述變形情況更準確地說,越接近實際變形,但計算量就越大。 2）單元特性分析。首先位移

37、模式的選擇。有限元法(fem)通常采用位移法,因此應該合理的選擇方式的位移(位移函數(shù))。然后分析了單元的力學性能?；趩卧牟牧咸匦浴⑿螤?、大小、節(jié)點數(shù)量、位置及其意義,并找出節(jié)點力和節(jié)點位移之間的關系,即元素剛度矩陣派生,這是一個關鍵步驟的分析。最后計算等效節(jié)點力。單元邊界上的表面力、體積力或集中力相當于轉(zhuǎn)移到節(jié)點,也是使用等效節(jié)點力,而不是所有單元上的力。3）單元組集。利用結(jié)構(gòu)力的邊界條件和平衡條件把各個單元按原來的結(jié)構(gòu)重新聯(lián)結(jié)起來，形成整體剛度矩陣。4）求解未知節(jié)點位移。解出有限元方程求出節(jié)點位移，然后根據(jù)節(jié)點位移來求出別的未知量。 與計算機技術的迅速發(fā)展和廣泛應用有限元法也被快速的發(fā)展

38、和廣泛的應用。回轉(zhuǎn)機構(gòu)由于其惡劣的工作環(huán)境和復雜的力量,傳統(tǒng)力學方法分析了力學的應用程序不能完全滿足設計的需要。應用有限元法(fem)分析,可以應用程序中的挖掘機的理論分析各種問題的力學和工程數(shù)值模擬,將挖掘機的設計和改善起到很大的推動作用。4.1.2 ansys軟件介紹 ansys軟件是能進行流體、結(jié)構(gòu)、電磁場、聲場的耦合場分析的大型通用有限元分析軟件。它是由美國ansys公司開發(fā)的可以與大多數(shù)cad軟件接口,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換,比如pro /工程師,nastran軟件,alogor,i - deas,autocad,等,是一種先進的cad工具在現(xiàn)代產(chǎn)品設計。ansys軟件是美國核安全局（n

39、qa）、美國機械工程師協(xié)會（asme）以及近二十種專業(yè)技術協(xié)會認證的標準分析軟件，它還是是第一個通過iso9001質(zhì)量認證的大型設計軟件。在國內(nèi)被國務院17個部委推廣使用。一般的機械結(jié)構(gòu)都比較復雜，受到較多負載的情況下，理論分析比較難以解決，要想解決的話，就必須要采用數(shù)值模擬的方法來簡化機構(gòu)再進行分析。由于電腦工業(yè)的發(fā)展,相應的軟件也應運而生,ansys軟件廣泛應用于工程、機械、電氣、民事、電子、航空等領域的使用,可以實現(xiàn)一定程度的信譽,贏得了社會各界的好評。用該軟件，即能節(jié)省成本又能縮短設計時間。到80年代初,一些大的國際工程面向有限元通用軟件主要包括:ansys，nastran，aska，

40、adina，sap等。今天的9.0版本跟1971年的最初版本有了很大不同，最初版本只能提供熱與結(jié)構(gòu)線性分析，現(xiàn)在可用來求流體、結(jié)構(gòu)、電磁場、電力及碰撞等問題。它將有限元、優(yōu)化技術與計算機圖形學完美結(jié)合，包含了前后置處理與各種解題程序，它已然成為了解決現(xiàn)代工程學問題必不可少的工具之一。4.2結(jié)構(gòu)有限元分析流程 pro/mechanica structure結(jié)構(gòu)分析軟件包,包含兩種工作方式,即就是:限元模式(fem-mode)工作流程，基本模式(native-mode)工作流程,有，如圖4.1和4.2所示。該軟件包可以進行結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化。 圖4.1基本工作流程 圖4.2有限元模式的工作流程基本工作

41、模式將使用mechanica的適配型p碼功能,它可以讓用戶創(chuàng)建材料、連接、約束、載荷、測量等模型圖素并進行網(wǎng)格劃分,然后利用自己的求解器來找出解決問題得方法。fem模式則使用mechanica的有限元模型功能來取代p碼功能,該功能可以創(chuàng)建約束、載荷和理想化等fem模型圖素,同時也可使用h碼元素將模型網(wǎng)格化,然后再運行第三方有限元軟件(如: nastran、ansys、abaqus等)來進行預覽,分析并獲取分析結(jié)果。本論文將按照有限元分析工作流程,利用pro/mechanica structure結(jié)構(gòu)分析軟件包,完成對關鍵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)分析和評估。4.3齒輪的結(jié)構(gòu)有限元分析（1）因為齒輪是軸對稱的零

42、件，而且受到的載荷也是對稱的，所以將pro/engineer中建立的齒輪模型截取一個齒模型導入pro/mechanica中進行計算。（2）設置齒輪材料屬性選用齒輪彈性模量e=206gpa,材料為40cr;密度=7.82×10-6kg/mm3;泊松比=0.3。同時將材料屬性分配給齒輪模型。（3）添加約束條件對齒輪采取靜力分析,選取兩側(cè)面為對稱面,分別對x、y、z三個方向上的平動和轉(zhuǎn)動進行約束,其過程底面進行約束。（4）施加載荷提取其中一個直齒進行分析,在齒輪齒面嚙合線上建立局部坐標系,齒根所受彎曲應力是最大的時候是嚙合到齒頂時，所以將載荷加載在極限位置的齒頂處。將齒面上的法向載荷fn在

43、節(jié)點處分解為2個相互垂直的徑向力fr與圓周力ft兩個分力。該齒輪實際傳遞的最大扭矩t=20062n·m,齒輪壓力角=20°標準值。則徑向力fr=ft·tan=3467 n,圓周力ft= 2t/d= 9526 n,加載結(jié)果。（5）建立分析文件類型分析有限元模式選擇中使用的“結(jié)構(gòu)”(結(jié)構(gòu))結(jié)構(gòu)力學分析,可以計算出位移、結(jié)構(gòu)的應力、應變和力參數(shù),如計算的過程中,該求解器可以判斷每一個單元的非線性邊界應力連續(xù)性是否達到了單元階次標準,并在計算結(jié)果中給出應力誤差報告,從精度和計算速度方面都比較合適。圖4.3 創(chuàng)建有限元分析（6）有限元網(wǎng)格劃分通過pro / mechanic

44、a autogem(自動網(wǎng)格行分隔符)工具來進行有限元網(wǎng)格自動劃分。autogem可根據(jù)幾何參考來劃分網(wǎng)格。本文直接了選取直齒輪幾何實體進行劃分,在劃分過程中設置控制參數(shù)并用四面體網(wǎng)格來完成,如圖4.4所示。圖4.4 創(chuàng)建網(wǎng)格對該回轉(zhuǎn)齒輪輪齒共設置了2840 elements and 751 nodes。（7）網(wǎng)格檢測劃分網(wǎng)格后，系統(tǒng)彈出了如圖4.5的對話框，設置對話框的各個選項后，單擊“check”按鈕就可以檢測網(wǎng)格精度，可以看到模型中創(chuàng)建的變形小于0. 400000的單元只有3%，中比例小于0. 100000的單元只有2%，長寬比大于7. 000000單元沒有。所以可以看出，只有少數(shù)精度較

45、差的單元，劃分的網(wǎng)格精度基本符合要求。圖4.5 網(wǎng)格檢測結(jié)果（8）運行分析求解在求解過程中pro/mechanica給了七種求解器,即ansys模式、displayonly模式、cos-mos/m模式、nastran模式、supertab模式、patran模式,本文選擇ansys模式作為有限元的求解器,可以輸出ansys軟件識別的分析結(jié)果文件，如圖4.6。圖4.6 有限元求解（9）顯示并獲取計算結(jié)果求解完畢后輸出you_madachilun_fuben.ans格式齒輪文件并保存,就可利用ansys軟件直接輸出結(jié)果。輸出的結(jié)果中包括了靜力分析的各種物理量,例如:位移、應力、應變能、應變等。本文選

46、用了云紋圖進行表示,可以看出直齒輪的應力應變情況,如圖4.7所示。 圖4.7 應變與應力云圖從云圖上可以看到,齒輪的最大變形發(fā)生在齒頂處，最大變形為0.0119mm，齒頂嚙合處受到的應力最大，最大應力值為71.196mpa。支架梁的材料的屈服極限為206gpa滿足要求，符合經(jīng)驗設計的情況，說明齒輪更易失效的形式是齒面接觸疲勞失效，在優(yōu)化設計中可以進行熱處理等方法來調(diào)節(jié)齒輪的硬度，從而設計出更優(yōu)越的產(chǎn)品。4.4 支架梁的結(jié)構(gòu)有限元分析（1）將在pro/engineer中建立的支架梁模型導入pro/mechanica中進行計算。（2）設置材料屬性選用齒輪材料為鋼,泊松比=0.3;密度=7.82&#

47、215;10kg/mm3;彈性模量e=2.1×105mpa，然后將材料屬性分配給齒輪模型。（3）添加約束條件本文對支架梁進行靜力分析,對插入履帶框的部分創(chuàng)建面域，分別對x、y、z三個方向上的轉(zhuǎn)動和平動進行約束。（4）施加載荷在梁的上面加面載荷f=v=230kn。（5）建立分析文件有限元模式下，選擇為“結(jié)構(gòu)(structural)”來進行結(jié)構(gòu)力學分析,可以得到結(jié)構(gòu)的應力、應變、位移和力等參數(shù),該求解器可以判斷每個單元的邊界應力非線性連續(xù)性能不能達到單元的階次標準的要求,并輸出應力誤差報告,保證了計算精度與速度。圖4.8 創(chuàng)建有限元分析（6）有限元網(wǎng)格劃分網(wǎng)格控制采用“boundary”

48、(邊界)選項，選“triangles”(三角面)方式顯示網(wǎng)格獲得較高精度的網(wǎng)格，如圖4.9。圖4.9 創(chuàng)建網(wǎng)格對支架梁共設置了5880 elements and 2922 nodes（7）網(wǎng)格檢測劃分了網(wǎng)格后，系統(tǒng)彈出了“element qualty checks”對話框，設置完各個選項后，單擊“check”就可以檢測網(wǎng)格精度，檢測結(jié)果如圖4.10所示，由圖可見中比例小于0. 100000的單元只有1%，模型中沒有創(chuàng)建的長寬比大于7. 000000單元?？梢钥吹剑挥猩贁?shù)精度較差的單元，所以劃分的網(wǎng)格精度符合要求。圖4.10 網(wǎng)格檢測（8）運行分析求解在求解過程中pro/mechanica提供

49、了七種求解器,即ansys模式、displayonly模式、cos-mos/m模式、nastran模式、supertab模式、patran模式,本文選用ansys模式。圖4.11 有限元求解（9）顯示并獲取計算結(jié)果求解完后輸出dipanzhijia-liang.ans格式文件保存,就能用ansys直接輸出結(jié)果。本設計選用云紋圖,得到了支架梁的應變情況,如圖4.12所示： 圖4.12 應變云圖與最大位移節(jié)點應力情況,如圖所示： 圖4.13 應力云圖與最大應力節(jié)點結(jié)果分析：根據(jù)ansys的分析結(jié)果可知，最大變形發(fā)生在支撐板邊緣四角處，最大變形為0.15446mm，支架梁在與履帶框限位的附近所受應力最大，最大應力值為23.707mpa。材料屈服極限為290mpa，所以支架梁滿足強度要求。從云圖上可看出,受應變很小，在優(yōu)化設計中可通過增加該部分的厚度來改善承載能力，從而進一步優(yōu)化。4.5 支撐板的結(jié)構(gòu)有限元分析（1）、將在pro/engineer中創(chuàng)建的支撐板模型導入pro/mechanica中計算。（2）、設置材料屬性選用齒輪材料為鋼,彈性模量e=2.1×105mpa;泊松比=0.3;密度=7.82×10-6kg/mm3。同時將材料屬性分配給支撐板模型。（3）、添加約束條件本文對支架梁采取靜力分析,對與