挖掘机回转与行走装置的设计Word文档下载推荐.doc
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第1章绪论 7
1.1小型液压挖掘机的工作特点和基本类型 7
1.1.1小型液压挖掘机的工作特点 7
1.1.2小型液压挖掘机的基本类型 9
1.2国内外研究现状和未来发展趋势 10
1.2.1国内外研究现状 10
1.2.2未来的发展趋势 11
1.3主要设计内容 11
第2章整体设计 13
2.1小型液压挖掘机的组成 13
2.2行走机构的选择 14
2.2.1履带式行走的特点 14
2.2.2轮胎式行走的特点 14
2.3回转装置的选择 15
第3章主要参数的计算 16
3.1总体几何尺寸 16
3.2行走装置的计算 17
3.2.1履带运行阻力计算 17
3.2.2平均接地比压的计算计算 20
第4章行走装置的设计 21
4.1四轮一带的设计 21
4.1.1履带的选型设计 21
4.1.2驱动轮的选型设计 25
4.1.3导向轮的设计 27
4.1.4支重轮的设计 29
4.1.5托轮的计算 33
4.2张紧装置的选型设计 35
4.2.1张紧弹簧的设计 36
4.2.2油缸的设计 39
4.3行走架的设计 39
第5章回转装置 41
5.1回转机构的设计 42
5.1.1回转机构的参数选择 42
5.1.2最佳转速的计算 43
5.2回转支承的选型设计 44
5.2.1支承型式的选择 45
5.2.2滚动轴承的参数 45
5.2.3回转机构的容量 46
5.3回转小齿轮的设计 47
第6章设计总结 49
参考文献 50
致谢 51
附录:
图纸名号目录 52
第1章绪论
1.1小型液压挖掘机的工作特点和基本类型
1.1.1小型液压挖掘机的工作特点
小型液压挖掘机无论是在体积还是作业效率方面都具有相当大的优势。
由于小型挖掘机能够在过去挖掘机无法作业的地方进行施工,其机紧凑的体积以及专门化的设计使其即使在许多有所限制的施工现场依旧能够很好的完成工作,所以近年来小型机深受用户欢迎。
但是这只是小型机的众多优点之一,除了体积轻巧之外,制造商还为小型机也开发了许多大型挖掘机才具备的技术,使其拥有拥有更为舒适的驾驶环境和更加多样化的挖掘功能。
小型挖掘机能够适应多种工况施工现场作业的几大原因:
第一,小型挖掘机设计轻巧,决定了其能够在大型挖掘机无法施工的环境中进行作业。
现在许多工程建设都在城区进行,由于城区空间的限制,因此小型挖掘机适应能力强的特点便体现了出来。
第二,小型挖掘机在各个施工现场间的转移非常方便,小型的运输工具就可将其载动,无需动用大型拖车或是重型卡车。
通常,完整的一套挖掘施工设备包括小型挖掘机、小型轮型装载机和其他钻探工具等若干设备由一辆重型卡车或是拖车就可轻易的从一处移至另一工程现场。
第二,小型挖掘机的尾部旋转半径为零的设计使其变得更节省空间。
尾部旋转半径为零通常是指挖掘机的机身上部的转动半径不会超出履带的长度,在作业空间有限的情况下,尾部旋转半径为零保证了操作人员能够更专心于铲斗的操作而无需考虑施工现场是否有障碍物阻碍驾驶室的转动,从而提高了劳动效率,降低了劳动强度。
同时,这也保证了挖掘机自身和施工现场周围建筑物不被损坏。
第三,采用了橡胶履带是小型机的另一显著特点。
当挖掘机在狭窄施工范围内施工时,橡胶履带可以减少对草坪,花木以及道路的损坏。
而且,橡胶履带的使用有效地降低了挖掘机的总重量,这将意味着更低的油耗。
另外,橡胶履带的强度足够高,并和铁制履带是可以相互替换的。
第四,小型挖掘机还有一个主要的设计特点使其适合狭窄区域的作业,就是其特殊的后臂以及前臂的设计。
小型挖掘机的后臂与机身之间是采用铰接结构,这使得其拥有一个很大的摆动范围。
得益于这一设计,就算在周围有障碍物,小型挖掘机时也能避开障碍物进行作业而无需经常移动机身。
同时,这也为小型挖掘机能够在墙壁或是围墙的旁边进行挖掘作业提供了方便。
有时挖掘机需要进行近距离的作业时,甚至可以卸下后臂。
后臂和前臂具备折叠功能而使小型挖掘机运输和停放时所占的空间更小。
第五,小型挖掘机的另一个特点是可以进行360度的旋转。
360度旋转加上尾部旋转半径为零这两个特点使得小型挖掘机能够尽量减少机身的移动。
第六,橡胶履带的使用能够降低小型挖掘机对城市地面的破坏程度,同时为了降低工作噪音,制造商都在开发引擎降噪技术,并且在引擎外部加装绝缘材料来提高隔音效果。
较低的噪音分贝使得小型机对施工现场周围的人员的健康损害降低了。
图1.1.1小型液压挖掘机
1.1.2小型液压挖掘机的基本类型
液压挖掘机种类繁多,可以从不同角度对其进行分类。
(1)根据传动方式来分
根据主要机构的传动方式来分可以分为液压式和非液压式挖掘机。
一般来说,这只表现在行走机构上,回转机构和工作机构几乎都采用液压传动。
(2)根据行走机构的类型来分
根据行走方式的不同可以将挖掘机分为履带式、轮胎式、汽车式等。
其中,履带式的应用最广,因为挖掘机一般只在一定范围内工作,不大移动,并且履带在多种地形都具有良好的通过性和工作能力。
有些履带采用橡胶制造,有效降低了车身重量和对路面的破坏。
轮胎式在近几年发展迅速,其移动迅速,机动性好,可在多种路面上行走,作业时采用液压支腿,使前后桥卸荷并提高了整机稳定性,未来有较好的发展前景。
汽车式与轮胎式相似,其多采用标准汽车底盘,安装方便。
(3)根据工作装置来分
根据工作装置类型来分,可以分为铰链式和伸缩臂式,其中铰链式应用较为普遍,这种装置靠构件绕铰点转动来工作。
伸伸缩臂式的动臂由主臂及伸缩臂组成,伸缩臂可以在主臂内伸缩,适于进行平整和清理工作。
1.2国内外研究现状和未来发展趋势
1.2.1国内外研究现状
国内挖掘机市场比装载机等工程机械起步晚,小挖则更晚。
尽管近几年小挖在国内市场的发展速度很快,主要生产厂家已近20余家,市场销量增长率很高,但仍处于启动阶段,大多数企业还是以仿制为主。
在国内小挖生产企业中,以广西玉柴为首,山河智能、江西南特、山东临挖、杭州军联等企业组成的中国小挖团队已经初具规模。
国内小挖目前已能基本覆盖整个系列的全套产品,并占有国内市场半壁江山,且略有出口。
但是目前国内小挖整体技术水平与国外尚有差距,只相当于国际80—90年代水平,达到国际质量技术先进水平的企业寥寥无几。
动力和液压件是掣肘国内企业发展的两大主要配件。
日本、德国等少数国家的厂商不仅基本垄断了关键的泵、阀、马达等技术、制造工艺和产权,把持着约占整机成本40%的采购成本。
也控制了与挖掘机相配套的小型发动机技术。
国产小挖关键配套件的缺失严重阻碍了我国工程机械品质的提升,滞后的售前、售后服务则是制约国产小挖的快速发展的另一个重要因素。
工业发达国家的挖掘机生产较早,法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量3.5-40m3单斗液压挖掘机的主要生产国。
美国,日本和西欧更是占据了世界小型挖掘机市场的70%以上,与国内相比,小松、久保田、山猫,德国的阿特拉斯等公司产品线齐全,所生产的小挖不仅技术成熟先进,而且具有更丰富多样的功能,更高的工作效率和更高的安全性。
1.2.2未来的发展趋势
国外小挖未来的发展趋势:
(1)采用更先进的机电液一体化技术,使得挖掘机更轻,操作效率更高。
(2)大量采用环保技术,有效控制噪音和排放。
(3)更多的人性化设计,使得操作更加简单,运转更平稳,乘坐更舒适,使用更安全。
(4)自动化,信息化,智能化。
国内小挖未来的发展趋势:
在小挖的技术上,国外企业普遍比国内超前一到二代。
国内企业还处于一边追赶,一边创新的阶段,国内小挖目前的技术发展趋势是:
(1)大量将在中大型挖掘机上使用的先进技术移植到小挖上来,提高小挖的技术水平,作业效率更高,操作更平稳。
(2)质量和技术不高是国产小型挖掘机的通病,增加了小挖的初期故障,降低了整机的无故障作业时间,目前都通过大量进口国外原装的器件来克服。
(3)通过全国合作攻关来解决生产制造中的问题,大力研发拥有自主知识产权的技术专利,减少对进口的依赖。
1.3主要设计内容
本次的设计内容为小型液压挖掘机的行走装置和回转装置。
设计为总体设计因此,对整体设计必须从一个更高的层次出发,对整体设计必须提出更高的要求。
主要是对小型液压挖掘机进行深入地分析,并提出切实可行的方案,对整体参数、整体布局、整体结构、整机系统及其主要零部件进行设计计算。
在整体设计中,回转装置的设计、底盘行走系统的设计是最重要的,也是整机设计的关键所在。
因为对于整个挖掘机而言,回转装置和底盘行走系是整个机器工作的前提和保证,它将决定整个机器的性能和质量。
回转装置的设计必须考虑全面,比如外形尺寸、形状、工作过程中不能相互干涉、强度、刚度等等。
而对于底盘行走系统,履带式比轮式更加稳定,转弯半径更小,接地比压更大,附着性能更好,结构布置更加紧凑,执行操作更加方便。
此次设计的回转装置采用液压传动,360度全回转平台,运行更加平稳。
底盘行走系采用履带式行走底盘,在设计底盘过程中尽量采用标准件,以便更换方便。
具体设计任务为:
(1)行走机构的总体方案结构设计,绘制草图和总装配图。
(2)回转装置的结构设计。
(3)张紧装置的选型设计。
(4)四轮一带的选型设计。
(5)回转支撑的选型设计。
(6)所有零部件设计计算,绘制零部件图
第2章整体设计
2.1小型液压挖掘机的组成
小型液压挖掘机的总体结构包括动力装置、工作装置、回转机构、操纵机构、传动系统、行走机构和辅助设备等,如图2.1所示。
常用的全回转式小型液压挖掘机的动力装置、传动系统的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室等都安装在可回转的平台上,通常称为上部转台。
因此又可将小型液压挖掘机的构造概括成上部转台、工作装置和行走机构等三部分。
2.2行走机构的选择
2.2.1履带式行走的特点
履带式行走方式具有较大的驱动力(可达机重的35%一45%),较小的接地比压(40一150kPa).因而具有稳定的越野性能,出众的爬坡能力(一般为50%一80%)和小的转弯半径,灵活性出色.液压挖掘上普遍使用履带式行走装置(如图2.2.1.)。
履带式行走装置的缺点是:
较高的制造成本,较低的行走速度,运行和转向时的大功率消耗.零件易磨损,因此,履带式挖掘机需要借助于其他运输车量进行长距离运行。
图2.2.1履带式行走
2.2.2轮胎式行走的特点
与履带式相比,行走速度快、机动性好,行走时轮胎对路面损坏小是轮胎式行走装置的优点,因而其多用于城市建设中。
但是轮胎式接地比压大,载荷能力低.挖掘作业时为了确保挖掘机的稳定和施工安全,需要用专门的支撑腿。
图2.2.2轮胎式行走
综上所述,由于小型液压挖掘机施工规模较小,不需要大范围移动,且需要应对各种工作场地,所以选择履带式行走较为适宜。
2.3回转装置的选择
按照转台的回转角度可以分为:
完全回转和不完全回转,小型液压挖掘机的回转支撑装置用于承载回转平台以上机体的重量并实现回转运动。
除了在悬挂式上和伸缩臂式液压挖掘机的上游采用半回转的的回转机构外,现代液压挖掘机普遍采用了完全回转的液压传动方式。
合理选择回转机构,可以提高生产率和能量利用率。
据此本设计采用完全回转机构。
第3章主要参数的计算
3.1总体几何尺寸
在本次设计中,由于某些参数不能完全由已知条件直接推出,因此一些地方采用了经验公式进行计算。
(1)履带长:
=
其中尺寸系数(可取1.25—1.5)为整机重量(本机=6吨,以下皆同)
考虑到整体布局,可在此基础上放大10%,故可取2608mm
(2)驱动轮与导向轮的中心距:
其中为尺寸系数(可取1.0—1.2)
考虑到整体布局,可在此基础上放大10%,故可取2060mm
(3)轨矩:
其中为尺寸系数(可取0.75—0.85)
考虑到整体布局,可在此基础上放大10%,故可取1520mm
(4)履带高度:
其中为尺寸系数(可取0.3—0.35)
可在此基础上扩大17%,故可取637mm
(5)履带板宽:
根据国家标准手册JG/T57-1999并参照已有小挖的参数,可取为mm
(6)底盘总宽:
(7)履带接地长度:
其中为驱动轮直径,为
(8)后端支重轮到驱动轮间距:
=
其中为尺寸系数(可取2.4—2.6)为履带节距,查国家标准可取140mm
(9)前端支重轮到导向轮间距:
其中为尺寸系数(可取2.4—3)
(10)两端支重轮间距:
(11)转台离地高:
其中为尺寸系数(可取0.13—0.42)
从整体布局考虑,将其扩大3%,可取320mm
(12)相邻两支重轮间距:
3.2行走装置的计算
挖掘机行走时,牵引力被用来克服行走中所遇到的各种运动阻力。
行走装置的牵引力应该大于总阻力,而牵引力又不会超过机械与地面的附着力,这就是牵引力的计算原则。
3.2.1履带运行阻力计算
履带运行时,由于驱动轮与履带轨链的啮合,履带销轴间的摩擦以及导向轮、驱动轮、支重轮等滚动阻力和轴颈摩擦阻力等一起构成了履带运行的阻力;
履带式行走装置的运行阻力有土壤变形阻力、坡度阻力、内阻力和转弯阻力及风阻力和惯性阻力。
(1)土壤变形阻力
壤变形阻力是土壤对履带运行的阻力,由于支重轮沿履带滚动,履带使土壤受挤压变形而引起的。
土壤变形阻力的估算公式为:
其中:
为运行比阻力,取地面种类为深砂类,则取值为0.1—0.15
(2)坡度阻力
坡度阻力是机器在斜坡上因自重的分力所引起的。
设坡角为α,则坡度阻力为:
其中取α=,为挖掘机整车质量
(3)转弯阻力
履带行走装置转弯时所受到的阻力较为复杂,其中包括了履带板与地面的摩擦阻力,履带板侧面剪切土壤的剪切阻力以及履带板突筋挤压土壤的挤压阻力等。
这些阻力要全部进行详细计算是困难的,但因第一项阻力最大,也是最主要的,所以重点研究履带板在转弯时与地面的摩擦阻力矩。
转弯阻力的经验公式为:
其中为,取值为0.5—0.6
(4)内阻力
履带运行时由于履带销轴间的摩擦以及支重轮,导向轮和驱动轮等滚动阻力和轴颈摩擦力构成履带的内阻力,其粗算公式如下:
(5)惯性阻力
挖掘机的行走工况较为复杂,惯性阻力主要指整机启动行驶时的惯性力,惯性阻力为:
综上所述,以上几种运行阻力中,以坡度阻力和转弯阻力最大,一般可能占到总阻力的2/3,尤其液压挖掘机原地转弯时的阻力要比机械式的绕一条履带转弯的阻力更大,但是转弯和爬坡通常不同时进行。
因此,可以根据上坡时作直线行走情况计算履带行走装置,并根据平道上转弯的情况来进行验算。
故在实际计算履带行走装置的牵引力时,总是在下面两种组合情况中选用较大者,即:
爬坡时:
转弯时:
—履带式液压挖掘机的行走牵引力
—履带式液压挖掘机行走时的运行阻力
—履带式液压挖掘机行走时的坡道阻力
—履带式液压挖掘机行走时的转弯阻力
—不稳定运动状态时的惯性阻力
—履带式液压挖掘机行走时的内阻力
于是有:
在对液压挖掘机的履带底盘进行设计计算时,有些阻力很难精确计算,因此可用整机重力估算液压挖掘机的行走牵引力,即:
又有,附着力为:
其中,为附着力系数,为坡度角
由此可以得出,满足牵引力计算原则,符合设计原则。
3.2.2平均接地比压的计算
履带式液压挖掘机的两条履带与水平地面完全接触,且整机重心在接地面积的几何中心,对地面产生的压力称为平均接地比压,平均接地比压是履带式液压挖掘机越野性能的一个重要指标,可以用来与同类型号产品作比较,其计算公式为:
P—履带平均接地比压,(Pa)
m—挖掘机的工作质量,(kg)
L—履带的接地长度,(m)
b—履带的宽度,(m)
—履带高度,(m)
第4章行走装置的设计
1-导向轮;
2-橡胶履带;
3-张紧装置;
4-支重轮;
5-驱动轮;
6-减速机
图4履带式行走装置的结构图
履带式行走装置的结构图如图4所示,行走装置的设计主要包括“四轮一带”(驱动轮、导向轮、支重轮、托轮)的设计、张紧装置的设计和行车架的设计。
4.1四轮一带的设计
4.1.1履带的选型设计
履带工作条件恶劣,要求具有足够的强度和刚度、耐磨性好、质量轻以减少材料的消耗量,并减轻履带运行时的动载荷,要求履带能和地面有很好的附着性能,又要考虑减少行驶及转向的阻力。
掘机的履带有整体式和组合式两种。
整体式的啮合齿直接与驱动轮啮合,与履带板一体成型,支重轮的滚动轨道就是履带板本身。
整体式的优点是每一节履带铸造成整体,结构简单、制造方便、重量轻、易拆装,缺点是销孔间隙大、易进泥沙、易磨损,在机械式挖掘机中使用较多,适于高速车辆。
目前液压挖掘机中广泛采用了工业拖拉机型式的组合式履带。
它由履带板、链轨节、履带销轴和销套等组成。
这种型式用紧配合连接销套与左右链轨节,为保证转动灵活,履带销轴以一定的间隙插入销套,另两个链轨节孔与其两端紧配合。
为了方便整个履带的安装和拆卸,锁紧履带销与链轨节孔配合较松。
这种结构
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