HY215挖掘機結(jié)構(gòu)設(shè)計

目錄

摘要.........................................................3

Abstract.......................................................4

引言.........................................................5

1緒論..........................................................6

1.1液壓挖掘機研究的背景和意義................................6

1.2液壓挖掘機研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)..............................6

1.3本文研究的主要內(nèi)容.......................................8

2HY-215挖掘機工作裝置方案設(shè)計..................................9

2.1HY-215挖掘機的基本組成和工作原理.........................9

2.2工作裝置結(jié)構(gòu)方案的確定...................................9

3HY-215挖掘機工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計.................................11

3.1工作裝置機構(gòu)計算........................................11

3.2油缸較點及行程確定......................................12

3.3工作裝置的計算...........................................12

4HY-215挖掘機行走裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計................................19

4.1行走裝置設(shè)計原則.........................................19

4.2輪式行走裝置的傳動設(shè)計...................................20

4.3輪式液壓挖掘機行走裝置的結(jié)構(gòu)形式.........................20

4.4輪式行走裝置的構(gòu)造.......................................21

5HY-215挖掘機整機傳動系的設(shè)計................................23

5.1選擇液壓馬達類型、行走速度及傳動比.......................23

5.2實際速度及牽引力.........................................25

5.3挖掘機行走裝置參數(shù).......................................25

5.4變速箱設(shè)計.............................................26

5.5輪邊減速器.............................................34

6其他部件設(shè)計................................................35

6.1軸和軸承設(shè)計.............................................35

6.2軸承、鍵和連軸器的選擇...................................36

結(jié)論........................................................36

參考文獻.......................................................40

致謝........................................................41

本科論文

摘要

工程機械對當代基本建設(shè)的施工現(xiàn)場具有關(guān)鍵影響，而工程機械中的

挖掘設(shè)備則起著關(guān)鍵而不可或缺的作用。本文中關(guān)鍵設(shè)計工作的關(guān)鍵是以

下幾個層次：在液壓挖掘機的每個工作中清除設(shè)備的結(jié)構(gòu)，搜索相關(guān)信息

并整合經(jīng)驗公式定律，以在工作中設(shè)計整個設(shè)備挖掘機，采用比例法和工

作經(jīng)驗計算公式得出了工作中裝置各部分的基本規(guī)格并對它進行了應(yīng)力分

析，然后得出了其二維CAD工程圖，然后使用SolidWorks繪制每個設(shè)備的

三維模型。安裝每臺設(shè)備后，對其進行健身模擬。該設(shè)計的主要特點是：

在計劃方案設(shè)計中明確提出了各種計劃方案，并從可信度，完整性，綜合

性等角度比較了計劃方案，選擇了計劃方案。其結(jié)構(gòu)特點是，在行走構(gòu)件

中間的傳動系統(tǒng)根據(jù)液壓缸的伸縮型選擇傳動齒輪和液壓傳動系統(tǒng)，以在

整個挖掘和行走過程中完成驅(qū)動力的傳遞。分動箱和旋轉(zhuǎn)維修平臺的較接

技術(shù)設(shè)計應(yīng)考慮到整個設(shè)備的有效性和安全性；材料的選擇，生產(chǎn)加工方

法和技術(shù)標準參照有關(guān)技術(shù)文件；根據(jù)設(shè)計的主要參數(shù)繪制工程圖。充分

注意整個設(shè)備各個子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，以確保整個設(shè)備特性的一致性

和最佳控制使整體挖掘設(shè)備重量更輕，傳動系統(tǒng)穩(wěn)定，工作效率高，結(jié)構(gòu)

緊湊本文主要介紹了HY-215挖掘機機構(gòu)，并對主要結(jié)構(gòu)進行了相關(guān)計算。

關(guān)鍵詞：挖掘機；機械；工作原理;

本科論文

Abstract

Conasdstructionmachiasdnerypsadysanimasdportantroasdlein

modasderncasdnstruction,aasddtheexcavsadatorequipasdmentin

constasdructionmachineryplaysanimportantandindispensablerole.Howto

makethemeasdchanicalequipmasdentworknormasdally,efficasdientlyand

wellhasbsdfecometheprisdfmaryprofdblemthatdfeedstobesdfolvedin

mesdfchanicalmansdfagement.Forthemodernexcavator,theproblemofthe

excavatorindustryismorecommon,andtheoccurrenceofitsmechanicalfailure

forpeoplewhohaveadeepunderstandingofitsstructureandworkingprinciple,

aslongastheycarefullyanalyzeit,theywillbeabletoeliminateit.Howsdfever,

intheprdsfocessoftrosdfubleshooting,dodisasdsfdsembleblinsddly,

othsderwise,itwillleadtofailure,orevendamagethenormalcomponents,

resusdltingindissasdtisfactionbetsdweencustsdomersandmansdufacturers.

Combinedwithpractice,thispaperintroduceshy-215excavatormechanismand

itsworkingprinciple,andanalyzesandeliminatessomecommonfaults.

Keywords:excavatingmachinery;Mechanics;workingprinciple;

本科論文

引言

最近的一段時間內(nèi)，隨著金屬業(yè)、固態(tài)燃料業(yè)、發(fā)電等行業(yè)的大力持

續(xù)發(fā)展，挖掘機等大型工業(yè)設(shè)備的需求越來越大，而且大面積用到搭蓋房

子、修路、水資源方面的建設(shè)、植樹造林、播種糧食、港口開發(fā)等方面。

因為工作情況十分多樣，操作挖掘機一般是靠著操作人員的閱歷，依據(jù)實

際情況決定操作方式。這樣的情況會導(dǎo)致缺乏經(jīng)驗者不能很好的操控挖掘

機，所以就要機器本身隨著環(huán)境變化而做出調(diào)整。這就使得挖掘機設(shè)計要

具有平凡性、統(tǒng)一性?？墒峭诰驒C的工作裝置又十分復(fù)雜，且自由度多，

各點的確定需要復(fù)雜的計算。這些原因就導(dǎo)致的挖掘機設(shè)計耗費資金多，

且需要的時間長。這種情況就拖慢了市場經(jīng)濟的發(fā)展，而且使廠商的經(jīng)濟

效益變低?，F(xiàn)在國家露天礦產(chǎn)的開采范圍漸漸變大。這就導(dǎo)致挖掘機的需

求不斷變大，要求更大容量的挖掘機。因為容量越大，成本越低。而液壓

挖掘機相對于機械挖掘機有十分多的優(yōu)勢。可目前對于挖掘機的研究還不

太豐富，挖掘機的主要構(gòu)件有工作裝置和行走裝置，它們的設(shè)計是否合理

直接影響挖掘機的性能和使用壽命。因此本課題主要研究的就是整體的開

發(fā)、工作裝置的設(shè)計和優(yōu)化，使研究和制造時間變短、減少成本、延長使

用壽命。

本科論文

1緒論

1.1液壓挖掘機研究的背景和意義

中國露天煤礦的開采規(guī)模不斷擴大，這正是我國的現(xiàn)況。我們需要大

型的挖掘機來滿足對采礦叉車的不斷增長的需求。但是國內(nèi)對于大型液壓

反鏟挖掘機的研究很少。對挖掘機開發(fā)的基礎(chǔ)是其工作性能和可靠性的研

究，本論文的主題就是對工作裝置的優(yōu)化，縮短研發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本,

提高設(shè)計質(zhì)量。

各種工程結(jié)構(gòu)的速度決定了現(xiàn)代化的速度，工程機械的水平直決定了

建筑速度。傳統(tǒng)的研發(fā)管理和設(shè)計方法無法主動設(shè)計產(chǎn)品參數(shù)，而無法手

動重復(fù)進行產(chǎn)品性能分析。

我們需要面對和其他國家間的差距，加大科研力度，提高技術(shù)水平，

只有這樣才能大力發(fā)展我國工程機械制造。

1.2液壓挖掘機研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)

挖掘機在基礎(chǔ)建設(shè)中起著十分關(guān)鍵的作用，地球能源減少，人們對環(huán)

境保護越來越重視，節(jié)能減排已成為大家關(guān)注的重點。開發(fā)智能化多功能

挖掘機使其成為真正的挖掘機機器人仍然是人們的目標。由于開挖過程中

載荷的突然變化，一些學(xué)者開始使用振動開挖方法來降低開挖阻力，降低

能耗并延長機器壽命。近年來，隨著人性的發(fā)展，挖掘機已發(fā)展為滿足人

類對大型項目需求的強大動力。

1.2.1國外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)

第一臺液壓挖掘機于1950年在意大利生產(chǎn)。強大的挖掘能力，高生產(chǎn)

率，多功能性和易操作性在工程建設(shè)中起著重要作用。由于科學(xué)技術(shù)的進

步，大型水電項目以及對大型露天礦的需求，液壓挖掘機已發(fā)展成高速，

高壓，大鏟斗容量和大功率的領(lǐng)域。隨著液壓挖掘機產(chǎn)量的增加和其用途

的擴大，舉世聞名的挖掘機制造商已采用各種先進技術(shù)來提高其產(chǎn)品的競

爭力。一些外國公司已經(jīng)開始在德國和法國開發(fā)用于采礦的大型液壓挖掘

機。

就液壓挖掘機的功能而言，液壓挖掘機的工作設(shè)備正在向多功能方向發(fā)

展。如果安裝了其他操作裝置，則液壓挖掘機可用于舉升，夾緊，推動，

刮削，展開，挖掘，裝載，銃削，拆卸，拆卸和壓縮。通常，可以在2分

鐘內(nèi)在室內(nèi)更換工作單元。動臂的結(jié)構(gòu)和工作裝置的斗桿不同，這增加了

本科論文

主機的可用性。從而縮短設(shè)計周期，提高產(chǎn)品性能和可靠性，并快速響應(yīng)

市場和用戶需求。

設(shè)計過程中必須經(jīng)過嚴格的科學(xué)測試和用戶評估才能最終生產(chǎn)。通過之

后，需要通過各種性能測試和可靠性測試，例如組件強度測試，系統(tǒng)測試,

過程測試和耐久性測試。輕型作業(yè)裝置的設(shè)計和制造會削弱強度，而沒有

注意電子計算機技術(shù)的應(yīng)用，事實上，對挖掘機作業(yè)裝置的研究已經(jīng)非常

成熟。該產(chǎn)品的應(yīng)用加速了新產(chǎn)品的開發(fā)，并縮短了新產(chǎn)品設(shè)計中的2-3

年的批量生產(chǎn)周期。

采用新的結(jié)構(gòu)和新的材料，采用現(xiàn)代的設(shè)計技術(shù)和先進的制造技術(shù)，并

保證和改善液壓挖掘機的性能是重要的方法［2］o

1.2.2國內(nèi)挖掘機研究現(xiàn)狀和發(fā)展

自1980年代以來國內(nèi)對挖掘機工作裝置設(shè)計理論和方法的研究可總

結(jié)如下。

(1)工作裝置的運動分析。工作裝置的運動分析與挖掘機的力學(xué)分析

有關(guān)，是其他分析和設(shè)計的基礎(chǔ)。文獻［15］使用個人編寫的軟件分析和模

擬了液壓小型反鏟挖掘機在各種靜態(tài)姿態(tài)角下的理論斷裂力。［16］將矩陣

轉(zhuǎn)換原理應(yīng)用于單斗式反鏟液壓挖掘機。我做了詳細的描述：文獻［17］對

液壓挖掘機反鏟工作裝置的主要部件進行了動力和動力分析，并獲得了關(guān)

鍵點的坐標和反鏟裝置的約束條件，以實現(xiàn)挖掘力。參考文獻［18］使用拉

格朗日方程建立了挖掘機在開挖過程中運動的動力學(xué)模型，并計算了動能,

勢能和開挖力來分析開挖單元之間的力和運動。關(guān)系，控制工作計劃和模

擬提供了基礎(chǔ)。

(2)優(yōu)化作業(yè)設(shè)備。參考文獻［19］編譯了挖掘機工具設(shè)計軟件，以使

用變換矩陣創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，并快速有效地計算了挖掘機工具。參考文獻［20］

使用復(fù)雜的方法來優(yōu)化和解決液壓挖掘機鏟斗的聯(lián)鎖機制，并提供了程序

設(shè)計過程的框圖。參考文獻［21］提出使用一種優(yōu)化方法來分析和計算挖掘

機在各種工況和特定解決方案下的穩(wěn)定性系數(shù)，并找到并分析挖掘機在特

定工況下最不穩(wěn)定的姿態(tài)。檢查挖掘機的穩(wěn)定性。性分析提供了理論計算

公式和特定的分析方法。參考文獻［22］已經(jīng)開發(fā)了一種液壓挖掘機車間成

本通用分析軟件，該軟件只能分析現(xiàn)有模型，并且原則上不能設(shè)計和優(yōu)化

工作設(shè)備參數(shù)。

本科論文

太原重工業(yè)大學(xué)和韓國的浙江大學(xué)分別于1988年和1990年代初開發(fā)了大

型液壓挖掘機CAD軟件系統(tǒng)。集成智能CAD系統(tǒng)；此外，太原重型機械有

限公司使用UG開發(fā)適用于6-8m挖掘機的3D模擬軟件，徐州工程學(xué)院使用

I-DEAS軟件對WY20機器和WY20A工作單元的3D實體進行建模。我做的。

大氣完備性但是，由于客觀條件的限制，大多數(shù)產(chǎn)品設(shè)計和制造工作仍使

用傳統(tǒng)的設(shè)計方法和理論，但是使用優(yōu)化的設(shè)計方法，但其中許多主要是

為家用小型液壓挖掘機設(shè)計的。完成

(3)反鏟工作裝置的設(shè)計狀態(tài)。由于惡劣的采礦條件，液壓挖掘機尚

未在礦山中得到廣泛使用，因此在中國對液壓挖掘機的研究很少，也沒有

形成自我設(shè)計的系統(tǒng)。由于液壓技術(shù)的最新發(fā)展和液壓部件的質(zhì)量改進，

大型液壓反鏟挖掘機僅在礦山中使用，工作裝置主要部件的合理設(shè)計對于

工業(yè)發(fā)展是必要的。

當前對液壓挖掘機工作設(shè)備設(shè)計的研究重點如下。①提高工作設(shè)備結(jié)構(gòu)件

的可靠性和耐久性。挖掘機設(shè)計人員無需進行繁瑣的計算。因此，非常有

必要開發(fā)用于工作設(shè)備設(shè)計的專用工具軟件［3］。

1.3本文研究的主要內(nèi)容

本文主要設(shè)計步行和工作設(shè)備，該設(shè)備包括以下五個部分。

(1)工作裝置主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

(2)挖掘機工作裝置的詳細機構(gòu)動力學(xué)分析。

(3)挖掘機的作業(yè)裝置的整體設(shè)計。

(4)計算工作裝置各部分的基本尺寸。

(5)根據(jù)要求初步設(shè)計行走裝置的總體方案。

(6)相關(guān)參數(shù)，如助行器和助行器的結(jié)構(gòu)。

(7)確定行走機構(gòu)的傳動方式，行走液壓馬達的主要參數(shù)和傳動比。

(8)進行齒輪箱設(shè)計，軸和其他相關(guān)組件的選擇，并計算相關(guān)驅(qū)動齒輪的

強度。

本科論文

2HY-215挖掘機工作裝置方案設(shè)計

2.1HY-215挖掘機的基本組成和工作原理

工作裝置，頂部轉(zhuǎn)盤和行走裝置這三部分組成了HY-215挖掘機。動力

單元，傳動機構(gòu)，回轉(zhuǎn)機構(gòu)，輔助設(shè)備和駕駛室組成了頂部轉(zhuǎn)盤部分。動

臂，斗桿，鏟斗和動臂油缸，斗桿缸和鏟斗油缸組成了工作裝置。

工作時，動臂油缸使動臂降低，讓鏟斗接觸挖掘表面，然后操作斗桿

油缸和鏟斗油缸來挖掘和裝載鏟斗。然后操作鏟斗桿和鏟斗油缸將鏟斗旋

轉(zhuǎn)到合適的位置，然后鏟斗放回油缸，然后來回旋轉(zhuǎn)鏟斗以分離物料。卸

載后，打開的鏟斗油缸伸出以關(guān)閉前鏟斗和后鏟斗，并且在開挖操作的第

二個周期內(nèi)將工作裝置轉(zhuǎn)移到開挖現(xiàn)場。當作業(yè)現(xiàn)場被運輸時，行走馬達

操作以驅(qū)動行走機構(gòu)完成移動操作[4]o

由于實際挖掘工作中土壤質(zhì)量，挖掘表面條件和挖掘機液壓系統(tǒng)的差

異，挖掘過程中反鏟裝置的三個液壓缸的運動調(diào)節(jié)可以隨意變化。以上過

程只是一般的理想過程。

2.2工作裝置結(jié)構(gòu)方案的確定

反鏟工作裝置是由動臂，鏟斗，鏟斗，工作液壓缸和連桿機構(gòu)這些部

分組成的。與正鏟工作裝置相比，反鏟動臂短且截面積大。動臂的底部較

接在轉(zhuǎn)盤上，動臂油缸通常為雙缸，并且頂部動臂的底部較接點較高，并

且在動臂缸的底部較接點之后。這種布置允許動臂具有特定的向上和向下

角度，以滿足挖掘和卸載的需要，并且還可以確保動臂機構(gòu)具有必要的提

升和鎖定扭矩。

桿也是焊接的箱形結(jié)構(gòu)或鑄造混合結(jié)構(gòu)。臂的一端錢接到動臂的頂部,

而臂缸的兩端錢接到動臂和臂的底部以形成杠桿機構(gòu)。由于反鏟挖掘通常

是通過挖掘來控制的，因此該結(jié)構(gòu)布置適合向前推動，并且液壓缸的大空

腔可以施加很大的挖掘力。

挖掘機反鏟的鏟斗可根據(jù)卸料結(jié)構(gòu)和卸料方法分為前卸料型和底卸料

型。從前部卸料斗中卸土?xí)r，鏟斗直接通過鏟斗油缸旋轉(zhuǎn)，土壤插入物從

鏟斗的前部排出。該結(jié)構(gòu)簡單，鏟斗主體為一體式結(jié)構(gòu)，剛性和強度都比

較好。不需要額外的圓柱體來減少土壤，但是在行走土壤以排干土壤時，

前壁和水平面之間的角度大于45步。隨著鏟斗的旋轉(zhuǎn)角度增加，鏟斗缸的

本科論文

力增加，鏟斗的挖掘力減小，或者卸土的時間增加。另外，前卸料斗也會

影響有效卸料高度。

打開底部傾卸桶的底部以降低土壤。所示的鏟斗用特殊的缸關(guān)閉。如

果在挖掘過程中，關(guān)閉鏟斗底部并放下土壤，請打開鏟斗底部并從底部除

去土城。這種結(jié)構(gòu)的卸土性能較好，鏟斗角度應(yīng)較小，但必須加卸土缸，

鏟斗開口的底部也會影響有效卸貨高度。當前很少使用這種類型的鏟斗打

開方法，并且目前在挖掘機中使用其他類型的底部卸料桶。鏟斗由兩半組

成，并通過頂部錢鏈連接。卸載缸安裝在鏟斗的后壁上。當氣缸縮回時一，

鏟斗（直板）的前壁通過杠桿系統(tǒng)向上傾斜，從而土壤從底部排出。這樣,

裝卸高度大，裝卸時間短，在裝卸過程中鏟斗可以靠近車身，并且前額也

被控制為打開以允許相對緩慢地排出土壤或石頭可以減少。車輛振動可延

長車輛壽命。另外，該鏟斗可以用來選擇非常流行的石材.，但是鏟斗的重

量增加了，從而降低了鏟斗的容量，并降低了相同尺寸工作設(shè)備的整機穩(wěn)

定性。兩部分之間的張力差。通過采用底部傾卸式鏟斗結(jié)構(gòu)，可以減小鏟

斗角度，因此在某些挖掘機中，鏟斗缸的連桿機構(gòu)被取消，從而鏟斗缸在

某種程度上直接連接到鏟斗主體。簡化的結(jié)構(gòu)。增加鏟斗挖掘力［5］。

如果使用挖掘機來挖掘相對較軟的物體或裝載散裝物料，則可以使用

裝載鏟斗而不是反鏟鏟斗。如果默認情況下，整機的重量不變，則可以顯

著增加鏟斗的容量。生產(chǎn)率。裝載鏟斗是一種前部卸載方法，通常不使用

鏟斗齒，以減少挖掘松散物料時的挖掘阻力。

表2.15m3反鏟液壓挖掘機主要油缸的主要參數(shù)

油缸名稱只數(shù)內(nèi)徑工作壓力全縮時的長度全伸時的長度行程

動臂油缸215630158026601080

斗桿油缸119730160026601060

鏟斗油缸21563014002320920

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3HY-215挖掘機工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1工作裝置機構(gòu)計算

3.1.1動臂及斗桿長度確定

由公式計算得L=4.1m

由公式計算結(jié)果如表3.1所示。

表3-1

計算參數(shù)計算方法計算公式計算結(jié)果最終數(shù)值

動臂長度L1經(jīng)驗公式法L1=(0.98~1.1)L4.0~4.54.25

斗桿長度L2經(jīng)驗公式法L2=(0.8~0.95)L3.3~3.93.40

轉(zhuǎn)動半徑L3經(jīng)驗公式法L3=(0.48~0.60)L2.0~2.52.50

3.1.2機構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍確定

液壓反鏟5小挖掘機尺寸如表3.2所示。

表3.2挖掘機工作尺寸

最大挖掘深度m

水平鏟裝時的最小挖掘半徑6.5

停機平面上的最大挖掘半徑9

最大挖掘半徑10

最大挖掘高度11

動臂、斗桿等機構(gòu)的轉(zhuǎn)角范圍如表3.3所示。

表3.3挖掘機轉(zhuǎn)角范圍

工作裝置動臂結(jié)構(gòu)斗桿機構(gòu)鏟斗機構(gòu)

最小轉(zhuǎn)角2°53°127°

最大轉(zhuǎn)角81°114°262°

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3.2油缸鍍點及行程確定

3.2.1動臂油缸的錢點及行程確定

初取動臂油缸全伸和全縮時的力臂比匕=1.1,油缸全伸和全縮時的長

度比4=L6,?2=0o

由動臂油缸較點及行程計算得卬=30。，由于A錢點在平臺的端部，計算

得（4C=796n/n,lCB=2800/7/n,lBF-l450nm,￡lmin-15S0nm,L]max-266（him,

動臂油缸行程4=1080%機

3.2.2斗桿油缸較點及行程確定

初取斗桿油缸全伸和全縮時的力臂比k2=\.\,油缸全伸和全縮時的長

度比：4=1.65,%=3。。

經(jīng)斗桿油缸較點及行程計算得：以mm=1600??，%，L2=2660Mm,斗桿油

缸行程4=&max-Lmin=1。6加小

3.2.3鏟斗油缸較點及行程確定

初取斗桿油缸全伸和全縮時的力臂比&=1.1,油缸全伸和全縮時的長

度比：4=1.61⑹。

經(jīng)鏟斗油缸錢點及行程計算得：L3min=140077772,J?ax=2320〃如斗桿油

缸行程4=L3imx-L3min=92Onmo

3.3工作裝置的計算

3.3.1動臂與平臺較點位置C的確定

對由反鏟挖掘機改裝的反鏟來說，動臂較座往往就沿用反鏟動臂的較

座。一般，錢座都在轉(zhuǎn)臺中心的前方（XQ0）,近來大型反鏟的錢座卻有向

后移（靠近回轉(zhuǎn)中心線）的趨勢。

設(shè)計時，Xc、Yc可用類比法確定或根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計公式初步選取，在此

基礎(chǔ)上推薦以履帶軸距L為基本長度。

履帶軸距L

L=(2.3?2.7而(2-25)

本科論文

式中：夕為斗容量，rtv,

3.3.2動臂及斗桿長度的確定

同上轉(zhuǎn)斗半徑卜4、4也可用類比法確定或根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計公式初步選

取，在此基礎(chǔ)上推薦以履帶軸距L為基本長度。

3.3.3機構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍確定

在動臂長度八斗桿長度4、轉(zhuǎn)斗半徑4及動臂油缸與平臺較點C初步確

定之后，根據(jù)挖掘機工作尺寸的要求利用解析法求各機構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍，其中

包括動臂機構(gòu)轉(zhuǎn)角、斗桿機構(gòu)轉(zhuǎn)角、鏟斗機構(gòu)轉(zhuǎn)角范圍⑹。

⑴斗桿轉(zhuǎn)角為2和2min的確定

可根據(jù)最大挖掘半徑治；.確定。最大轉(zhuǎn)角2max應(yīng)當不小于

%max2arccos(2-26)

2化

%max根據(jù)停機平面上最小挖掘半徑凡max確定。所謂停機平面上的最小

挖掘半徑依不同工作情況而異，有的是指鏟斗最靠近機體（斗桿油缸全縮）、

斗齒尖處于停機平面而斗底平行于地面，在這種狀態(tài)下開始挖掘時的挖掘

半徑。

圖2.9停機平面上的最小挖掘半徑

如圖2.9所示，這時斗桿和動臂間的夾角為最?。ǎザ?，鏟斗與地面

相交成，角，而斗齒尖V到回轉(zhuǎn)中心的距離為“從幾何推導(dǎo)可知

本科論文

/1ax=(%F)2+(X2—Xc)2(2-27)

式中x。、yc——Q點的橫坐標和縱坐標，且

XQ=ROmin-l3co^;^=/3sin<(2-28)

??^+4min=(%一，3sinS廠+(%min—hC0S0—)(2—29)

_

，2min=l；+—2/|Z2cos^2min(230)

帶入式(2-29)整理后得

仇.Kanxos弓二（仁也G'二（我?則二b三三乂二］（2-31）

2m，n

|_2-/,-/2_

有些挖掘機不要求鏟斗水平鏟入，而往往以一定的后角力開始挖掘，

因而最小挖掘半徑凡min可能比前一種小，加大了停機平面上的挖掘范圍。

在這種情況下QV與水平的夾角將增至°=二+%。根據(jù)有的資料介紹，為使

鏟斗容易切人土壤，開始挖掘時的后角力可取為45。?50。。

應(yīng)該注意不論鏟斗開始挖掘時的位置如何，必須以不碰撞履帶板為原

則，因此

R°min2傳+R］」7+,3C0SS+A（m加（2-32）

127cosJ

式中R——驅(qū)動輪半徑（毫米）；

6——履帶行走裝置水平投影的對角線與縱軸間的夾角；

A——考慮轉(zhuǎn)斗機構(gòu)連桿裝置及余隙在內(nèi)的間隙，初步設(shè)計時可取A

=200?400毫米。

（2）動臂傾角4max和的確定

本科論文

動臂最大傾角根據(jù)最大挖掘高度凡max確定。根據(jù)式（2-17）和（2-

18）經(jīng)過運算得出

max34Sinamax

4M>arcsin乩xiiiuA々J一〃L)I卜?]n//indx(2-33)

’44max7\^44max

因此先確定名皿后，再根據(jù)入皿可得%。

動臂最小傾角6-根據(jù)最大挖掘深度乜皿確定。由（2—20）得到

仇.?arcsin（幺迪二+也土kJ（2-34）

（3）鏟斗轉(zhuǎn)角為m”和4*的確定

轉(zhuǎn)斗機構(gòu)應(yīng)滿足以下要求：滿足工作尺才的要求，即保證所要求的

凡鵬、凡ax、R。*等參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)；挖掘過程中能夠調(diào)整切削后角，

保證工作正常進行，滿足挖掘過程結(jié)束時的轉(zhuǎn)斗要求及卸載要求。

A.a必須滿足工作尺寸的要求

為滿足挖掘高度要求

“max2?■"-4max-（2-35）

為滿足最大挖掘半徑要求

1sn2max

Umax之乃+。28=乃+arcsin^^^（2-36）

44max

為滿足停機平面上最小挖掘半徑要求

“max之^+3+N1+N2（2-37）

(I)

=arcsin-^sin^(2-38)

：出82mill

「44min/

%與、

Z1=arcsin=arcsin(2-39)

’44minJ

本科論文

sm

+arcsinyc~hg+乃一,(2-40)

為滿足最大挖掘深度要求

B.名必須滿足挖掘過程中調(diào)整切削后角的要求

挖掘過程中隨著鏟斗向前運動，斗的切削后角力也不斷發(fā)生改變，為

了保證挖掘正常進行，斗底不應(yīng)與地面發(fā)生摩擦，即為>0,為此必須使（圖

2.10）

"max="+/9+%1

=arcsin

%nax="+3rCSill

將式％代入，整理后得到

“max＜彳萬一6+3rcSin(2-41)

本科論文

才丹泊II日短時

。沙的11配方*

圖2.10鏟斗運動方向與切削后角

C.4必須滿足卸載要求

由于前卸式鏟斗和底卸式鏟斗的卸載方法不同，因此對轉(zhuǎn)角的要求也

不同。

為使卸斗于凈，前卸式鏟斗在卸土?xí)r要求斗底與水平相交成45。以上

的角(見圖2.11a),因此從式(2—35)得

-+

%nin〈萬萬-Umax^2maxI-

底卸式鏟斗卸土?xí)r可假定斗的后壁接近于垂直枚態(tài)，斗底按近于水平

位置(圖2.11b),因此要求

5冗

^3min-^2max~

???”小2萬一用(2一43)

對比(2—42)和(2—43)可見，從卸土要求來看，底卸式鏟斗的轉(zhuǎn)角可

比前卸式少45。左右。

本科論文

根據(jù)裝裁機的要求鏟斗裝滿后斗底必須向上傾斜夕X40。?45。角，顯

然這時QV連線也必然向上翹起夕角。

Umax2生8+。+(乃一C)+夕'

^3maxarcsiny^sin%臉］+a^sinj丫。>：+萬一，+夕(2-44)

<^44min)\^44min>

根據(jù)以上所得的公式(2-35)?(2-44)就可以初步確定動臂、斗桿、

鏟斗的轉(zhuǎn)角范圍。

圖2.11不同卸載方式對4的影響

本科論文

4HY-215挖掘機行走裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1行走裝置設(shè)計原則

整機的支撐部分為行走裝置，在工作過程中可以將挖掘機穩(wěn)定地支撐

在地面上并且承受工作裝置的機械重量和反作用力。同時，挖掘機可用于

在建筑工地上運輸期間的工作，以及在運輸過程中的現(xiàn)場移動（輪式助行

器）。

因此，在設(shè)計單斗式液壓挖掘機的行走裝置時，需要盡可能地滿足以

下要求。

1.牽引力強，具有出色的越野性能和強大的加速和轉(zhuǎn)向能力。

2.底盤高，以使在不平坦的地面上行走時，挖掘機可以表現(xiàn)出出色的

性能。

3.支撐面積必須大。

4.抓地力強，當挖掘機從斜坡下降時不會出現(xiàn)超速斜坡或滑動，提高

安全性和可靠性。

5.行走裝置的尺寸符合道路要求。

出色的機動性和快速的行駛速度（通常可達20KM/h）是輪胎式行走裝

置與履帶式相比具有最大的優(yōu)勢。如果從齒輪箱中取出齒輪箱并將其拖動

到拖拉機進行長距離運輸，則速度可以達到60KM/h。輪胎式步行設(shè)備的缺

點是它們具有較高的地面壓力（150-500KPa）和較低的攀爬能力（通常小

于65%）。在挖掘過程中，需要特殊的支腿支架來穩(wěn)定機身。當前，默認

情況下僅使用鏟斗容量為1m的輪胎式步行設(shè)備。

下一個挖掘機。單斗式液壓挖掘機的行走機構(gòu)根據(jù)傳動方式可分為液

本科論文

壓式和機械式兩種。

選擇步行設(shè)備的類型時、必須根據(jù)工作場所土壤的狀況，工作量，運

輸距離和工作條件來確定。

4.2輪式行走裝置的傳動設(shè)計

更換單斗式液壓挖掘機輪胎位置的更常見方法是將行走液壓馬達直

接安裝到變速箱。變速箱引導(dǎo)前驅(qū)動軸和后驅(qū)動軸，以通過車輪側(cè)減速齒

輪驅(qū)動前軸和后軸或輪胎。變速箱具有特殊的氣動或液壓控制，越野齒輪

和公路齒輪。

液壓機械變速器采用高速液壓馬達，使用可靠。該時鐘傳輸系統(tǒng)比機

械傳輸更簡單。省略了上下變速箱和垂直軸。在轉(zhuǎn)向性能方面正確選擇液

壓組件和變速箱齒輪可以減少齒輪之間的急劇牽引力變化。

4.3輪式液壓挖掘機行走裝置的結(jié)構(gòu)形式

輪胎行走裝置的主要特征：

a）具有強大的越野能力：

b）輪式挖掘機的運動速度通常不超過20KM/ho地面的最大比壓為150至

500KPa。攀爬能力為40-60%。標準鏟斗容量小于0.6立方米的挖掘機可

以使用與履帶相同的旋轉(zhuǎn)平臺和上部機構(gòu)。

c）大多數(shù)輪胎式步行設(shè)備都使用全輪驅(qū)動。液壓懸掛平衡擺軸，并在操作

過程中由液壓腳支撐。卸下驅(qū)動橋，使其運行穩(wěn)定。

d）長途運輸效率高。

輪式液壓助行器驅(qū)動液壓馬達直接連接至變速箱（變速箱安裝在底盤

上），動力從變速箱軸通過變速箱輸出至前后驅(qū)動軸，或者使車輪減速以

驅(qū)動車輪。

輪式單斗液壓挖掘機無法高速行駛，后軸通常采用結(jié)構(gòu)簡單的牢固連

接方法。前橋可以懸掛和振動。

軸和前軸通過中間的擺動較鏈銷連接。在錢鏈的兩側(cè)設(shè)置有兩個懸架

液壓缸，懸架液壓缸的一端連接到框架5,并且活塞桿的一端連接到前軸。

挖掘機在運行時，控制閥1將關(guān)閉油箱車間與油箱之間的通道。向左拐，

將兩個懸掛式液壓缸的工作室連接起來，然后將它們連接到油箱。前軸可

本科論文

以適應(yīng)路面的高低坡度，上下擺動可以保持輪胎與地面之間足夠的附著力。

4.4輪式行走裝置的構(gòu)造

由于輪胎挖掘機的行駛速度不高，特殊輪胎場所通常由箱形車架，轉(zhuǎn)

向前軸，后軸，行走傳動機構(gòu)和支腿組成。因此。后軸為鏟斗式堅固的懸

架，前軸采用平衡裝置，中間帶有較接的液壓懸架。。

4.4.1懸掛裝置選擇

由于其行走速度不高，因此通常采用后軸的剛性連接以簡化結(jié)構(gòu)。然而,

為了提高步行性能，前軸通常由秋千懸架平衡裝置制成。車架和前軸通過

中央擺動銷連接。在錢鏈的兩側(cè)設(shè)置有兩個懸架液壓缸，該液壓缸的一端

連接至框架，并且活塞桿的一端連接至前軸?？刂崎y有兩個位置。標記的

位置是挖掘機在運行過程中的狀態(tài)。控制閥切斷兩個液壓缸工作室與燃油

箱之間的連接。此時，液壓缸將前橋的平衡懸架鎖定。為了穩(wěn)定運行，當

挖掘機行走時，控制閥向左移動。連接兩個懸掛的液壓缸的工作室并連接

至燃油箱。前軸可以適應(yīng)道路的坡度。在使輪胎與地面保持良好接觸的同

時，充分利用牽引力。。

4.4.2轉(zhuǎn)向機構(gòu)

輪胎挖掘機的駕駛室放置在旋轉(zhuǎn)平臺上。轉(zhuǎn)盤可以旋轉(zhuǎn)360度，因此

挖掘機必須具有特殊的轉(zhuǎn)向機構(gòu)來控制駕駛室中輪胎的轉(zhuǎn)向。

轉(zhuǎn)向機構(gòu)必須滿足：的轉(zhuǎn)向機構(gòu)

(1)轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)不影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的操作。

(2)轉(zhuǎn)向輪胎的轉(zhuǎn)向應(yīng)具有以下特征。輪胎的旋轉(zhuǎn)與方向盤成比例旋

轉(zhuǎn)。方向盤不動，輪胎也應(yīng)停止旋轉(zhuǎn)。

(3)易于操作。減輕勞動強度；

(4)在轉(zhuǎn)向的影響下，有必要減小反作用于方向盤的車輪的力。

可以實現(xiàn)上述轉(zhuǎn)向的機構(gòu)包括機械轉(zhuǎn)向，液壓動力轉(zhuǎn)向和氣動動力轉(zhuǎn)

向，其中最常見的是液壓轉(zhuǎn)向。

4.4.3轉(zhuǎn)向方式

本科論文

a）前輪轉(zhuǎn)向；b）后輪轉(zhuǎn)向；c）四輪轉(zhuǎn)向；d）斜形轉(zhuǎn)向

圖2.12各種轉(zhuǎn)向方式

液壓挖掘機的轉(zhuǎn)向性能也是影響工作效率的因素之一。為了使輪胎挖

掘機具有更大的靈活性，您可以在轉(zhuǎn)向機構(gòu)上增加一組4位6通閥。方向

盤可根據(jù)需要以4種方式進行操作，如圖2.12所示。

a）這是前輪轉(zhuǎn)向的常見情況。

b）后輪的轉(zhuǎn)向有助于在倒車和行走時進行轉(zhuǎn)向。

c）對于前輪和后輪轉(zhuǎn)向，車身時間越長，旋轉(zhuǎn)半徑越小。

d）整個身體傾斜，以便汽車可以離開或接近工作表面以進行傾斜轉(zhuǎn)向。

本科論文

5HY-215挖掘機整機傳動系的設(shè)計

設(shè)計重量為11噸，輪胎規(guī)格為9.00-20o輪胎功率半徑r=0.491

米。挖掘機最大牽引力P=0.6機器重量；發(fā)動機功率N=58.8KW,轉(zhuǎn)速

2000r/min;油泵的最大流量為2X1001/min；最高工作壓力21Mpa。最大

行駛速度為31Km/h,設(shè)計采用全橋驅(qū)動。

基于已知參數(shù)。檢查機器設(shè)計手冊，選擇長江液壓配件廠的油泵G20*

-**15系列。額定壓力為21MPa,采用計量泵系統(tǒng)。

5.1選擇液壓馬達類型'行走速度及傳動比

(1)確定油馬達的參數(shù)

該挖掘機使用計量系統(tǒng)，因此液壓馬達使用兩速計量低速大扭矩(軸

向柱塞液壓馬達)。最大行駛速度在設(shè)計手冊中給出為v=31Km/h。

它基于原型數(shù)據(jù)，請參閱機器設(shè)計手冊。液壓馬達選自長江液壓配件

廠的GM-16液壓馬達。額定壓力21MPa.

Q=200L/minon=1800r/min。

222=0.lllL/r(3—1)

1800

q=q_=Q.115L/min(3—2)

=2=222_xo.98=1704r/min(3—3)

NMq70.115

Afmax一擊X3XqX",

本科論文

=0.159X30X0.115X0.9=493.7N.M(3—4)

=

Me.X^pXqX〃

=0.159X30X0.115X0.8=439N.M(3—5)

式中\(zhòng)p-一壓力損失，30a,/"=10?a

77――容積效率，0.98

n機械效率，0.9

/MKImax-一額定扭矩(N.M)

M@實際扭矩即油馬達啟動扭矩(N.M)

(2)傳動L分配

以開始牽引力為基礎(chǔ)來計算第一齒輪速度(越野檔位)。那么總

傳輸速率為：：

.=o-G八”(3一6)

一一MQ/

式中G—機重⑴；

“一-油馬達啟動扭矩(N.M);

r-一輪胎半徑(m);

—一軸與變速箱總效率。0.8.

，/3

第二速度(高速)取決于挖掘機的最大速度和汕馬達的最大速度。總

傳輸率為：

0.377”一一一7、

式中n--油馬達最大轉(zhuǎn)速(r/min);

r-一輪胎半徑(m);

v-—挖掘機最大行駛速度(Km/h).

_0.377〃八,

0.377x0.491x1704

31

=10.175

本科論文

根據(jù)上述總傳輸速率進行計算。變速箱和傳動軸的傳動比指定如下：

驅(qū)動軸:通常用于帶有驅(qū)動軸和輪側(cè)減速器的普通工程車輛。因此，驅(qū)動軸

的總減速比是理想的

請參考原型，以選擇本機的傳動軸傳動比為21.

變速箱：第一檔,-=223=45

1'21

第二檔j/四吏=0.485

1221

5.2實際速度及牽引力

越野檔速度：0,377x1704x0,491.3.4Km/h

v21x4.5

439x923x0,8.好

牽引力為：=66

/max0.491

變速箱輸出軸扭矩：M=Xi=439x4.5=19755N.加

0.377xl704x0.491弗/h

公路檔速度：v==31

10.175

牽引力為：T=439x10.175x0.8=7.28KN

/皿,0.491—

5.3挖掘機行走裝置參數(shù)

行走裝置類型:輪胎類型；

挖掘機重量：11噸；

牽引力：66KN

輪胎規(guī)格:9.00—20;

輪胎動態(tài)半徑：0.491m;

油馬達:的主要參數(shù)

排量：0.115L/min;

扭矩:493.7N.m

速度：1704r/min;

流量：200L/min

在公路上行駛時的主要參數(shù)

速度：31Km/h;

變速箱傳動比：0.485

變速箱輸出軸扭矩:212.9N.m

本科論文

變速箱和驅(qū)動軸效率:0.85

駕駛越野齒輪時的主要參數(shù)：

速度：3.4Km/h;

變速箱傳動比：4.5

變速箱輸出軸扭矩：1975.5N.m

變速箱和驅(qū)動軸效率:0.85

5.4變速箱設(shè)計

設(shè)計的變速箱可以保證：

(1)更改傳輸速率。擴展驅(qū)動輪的扭矩和轉(zhuǎn)速范圍，以滿足不斷變化

的駕駛條件。在良好的條件下運行發(fā)動機時，進行啟動，加速，上升等操

作。

(2)倒檔?？梢栽诎l(fā)動機的旋轉(zhuǎn)方向不變的前提下來回行駛車輛。

(3)實現(xiàn)中立。可以切斷至變速箱系統(tǒng)的動力傳輸，以使發(fā)動機啟動

并怠速運轉(zhuǎn)。發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，車輛可以長時間停放，這便于變速箱的換檔

和輸出。

此設(shè)計使用機械變速。即，齒輪套筒由于吸引力而通過操作機構(gòu)移動。

變速箱中有兩對嚙合齒輪，這些齒輪不斷嚙合，嚙合套筒運動。因此，兩

對齒輪的中心距必須相同。

5.4.1低速檔齒輪設(shè)計

根據(jù)您的設(shè)計計劃，使用直圓柱齒輪傳動裝置。由于傳輸速度慢，因

此使用7步精度(GB10095-88)來嚙合牙齒表面。

1)材料選擇

參見表10-1中的[3],第189頁，小齒輪材料為40Cr(淬火和回火后

淬火表面)，硬度為50HRC,大型齒輪材料為40Cr(回火)，硬度為280HBS。

2)確定齒數(shù)

選小齒輪齒數(shù)Zi=18.大齒輪齒數(shù)z，=Z|X，=18X4.5=81,

取Z?=81。

3)按齒面接觸強度設(shè)計

由設(shè)計公式進行計算，即

本科論文

(3—8)

式中K,---載荷系數(shù)；

緒,---齒輪分度圓直徑；

0---齒寬系數(shù)；

u---齒輪傳動比；

Z——彈性影響系數(shù)；

T--一齒輪所傳遞的扭矩

［同---材料許用應(yīng)力。

a確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值

①試選載荷系數(shù)K,=L3

②小齒輪所傳遞的扭矩

Ti=4.39.10，N.加

③由參考文獻［3］第201頁，表10—7兩支撐相對小齒輪作不對稱布

置，

故?、?=L0

④由參考文獻［3］第198頁，表10—6彈性影響系數(shù)，

取z<=189.8MPa

⑤由參考文獻［3］第207頁，表10—21d調(diào)質(zhì)處理合金鋼的b”.

查得小齒輪得接觸疲勞強度極限er”一=1200MPa；

大齒輪的接觸疲勞強度極限2=80。MPa

⑥計算應(yīng)力循環(huán)系數(shù)

Nr60nt比卜

=60X1704X8X200X6

=9.82Xh(3——9)

N^nJL.

=60X1704X8X200X6

4.5

=2.18-IO”

式中n---轉(zhuǎn)速；

j---同側(cè)齒廓嚙合次數(shù)；

L“---工作小時數(shù)。

本科論文

⑦由參考文獻［3］第203頁，圖10T9灰鑄鐵接觸疲勞壽命系數(shù)Ko

查得除改95；K〃;S97

⑧計算接觸疲勞許用應(yīng)力

取失效概率為1%。安全系數(shù)為S=1

=

1HNICTHlinI

=0.95X1200=1140MPa(3-10)

=

[1HN2O'

QS

=0.97X800=776MPa

b計算

①計算小齒輪分度圓直徑4，代入［翔］中較小的數(shù)值

([>2.32(

"[GU

=2.32X1.3x4,39xlQ54.5+1,/189.8

—、入T776

=80.469mm

②計算圓周速度口

=兀d“ri】=4.85m/s(3—11)

60x1000

③計算齒寬）

方=%4=80.469mm

④計算齒寬與齒高之比%

模數(shù)：加=4/Z「4.47mm

齒高：=2.25m=2.25X4.47=10.06mm

%=80.469/10.06=8.0

⑤計算載荷系數(shù)

根據(jù)v=4.85m/s。7級精度.查參考文獻［3］第192頁，圖10-8動載

系數(shù)K值

本科論文

得動載系數(shù)K=L14。

由參考文獻［3］第190頁，表10-2取使用系數(shù)K「2.0,7級精度.

由參考文獻［3］第193頁，表10-3

439000

及KAF\=X40.235(3—12)

b80.469

=539.2N.mm>100N.mm

查得1

小齒輪相對支撐非對稱布置時：

12+0.18(1+0.6次2)0〃2+0.23X10%(3—13)

KH=1.

=1.12+0.18(1+0.6xl)xl+0.23x80.469x10?

=1.593

=1.593得K=1.46。故載荷系數(shù)

/ri八加AF”

(3-14)

kvku,kup

=2X1.14X1.1X1J)93

=3.995

⑥按實際得載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑。有

〃=乩?低=80.469義黑=11：2.25mm(3—15)

⑦計算模數(shù)

M=d/z=11^=6,,23(3—16)

18

4)按齒根彎曲強度設(shè)計

彎曲強度的設(shè)計公式為：

m2|2叮億丫)(3—17)

式中k---載荷系數(shù)

f---齒寬系數(shù)；

本科論文

Z1-------齒輪齒數(shù)；

y---齒形系數(shù)；

Fa

---應(yīng)力校正系數(shù)；

「---齒輪所傳遞的扭矩；

卜』一一彎曲疲勞強度極限。

a確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值：

①由參考文獻［3］第204頁，圖10-20齒輪的彎曲疲勞強度極限

CTFE

查得小齒輪得彎曲疲勞強度極限b