液压挖掘机行走装置设计

1 液压挖掘机行走装置设计液压挖掘机行走装置设计 摘要摘要 当今随着科技的不断进步与发展 各行各业都面临着技术的革新 同时也面临着来自多方面 的挑战 而随着社会的发展进步 工程机械在各行各业中起到了举足轻重的地位 然而 在不同的 环境下 对挖掘机等工程机械的大小 性能的要求有所不同 各种性能参数决定其工作环境 工程 机械在国民生产中有着很重要的位置 它在很大程度上取代了原始的 落后的生产工具 它在现今 中国和全世界的飞速发展的今天功不可没 而挖掘机的行走装置是整个机械的支撑部分 它承受机 械的自重及工作装置挖掘时的反力 使挖掘机稳定的支撑在地面工作 也是挖掘机在工作场地自由 移位的装置 行走装置设计的好坏会影响挖掘机的机动性 爬坡能力 越野性能 接地比压以及挖 掘机的稳定性等 本设计的主要特点是 本方案设计中提出多种方案 从理论上 实际经验上 可靠性 可实现 性 综合性能等进行方案比较 从而选择最佳方案 技术设计中应考虑总体配置合理 安全 选材 加工方法和技术条件可行 制图正确 标注齐全符合国家标准 充分注意整机各子系统之间的相关 性 力求整机性能的一致性和最优化性 关键字 液压挖掘机 行走装置 底盘 2 as technology continues to progress and development all walks of life are faced with technology innovation is also facing challenges from a wide range 3 4 目录目录 目 录 1 绪论 1 1 1挖掘机行走装置的组成 1 1 2国内外挖掘机行走装置的研究现状 2 1 2 1行走装置的国外研究现状 2 1 2 2行走装置的国内研究现状 3 1 3 液压挖掘机的分类与优缺点及适用范圈 4 1 4 课题研究的主要内容 4 本设计所要完成的主要任务 4 1 6 课题研究的目的和意义 5 2 挖掘机行走装置的总体方案设计 6 2 1 履带式液压挖掘机的组成 6 挖掘机行走装置设计的依据 6 履带式行走装置的主要特点 6 设计的主要参数 7 挖掘机行走装置总体设计原则 7 挖掘机行走装置总体设计的方法 8 挖掘机行走装置的动力装置的比较与选型 8 行走装置传动方式的确定 9 机械式 10 液力机械式 10 全液压式 静液压式和液压机械式 11 电力式 11 行走装置行走方式的确定 12 液压挖掘机行走装置的设计原则 12 液压挖掘机行走装置的介绍与比较 13 3 挖掘机行走装置的详细设计 16 3 1 行走装置的总体几何尺寸设计 16 5 3 2 行走装置驱动轮的设计 18 主要参数的确定 18 强度校核 19 行走装置轮边减速器的设计 20 行星齿轮的传动特点 20 行星减速器传动方案的选定 21 3 3 3 减速器传动比的分配原则 22 3 3 4 行星减速器齿轮的配齿 22 行走装置功率及挖掘力的设计 23 3 4 1 发动机功率 23 液压功率 23 挖掘力参数 Pf 的计算 24 最大转弯力矩的计算 24 平均接地比压的计算 24 3 5 行走装置的牵引力计算 24 3 5 1 履带运行阻力计算 25 3 5 2 牵引力的校核 34 3 6 行走装置液压马达的选型 34 3 7 行走装置张紧机构的设计 36 液压挖掘机张紧装置的结构及工作原理 37 履带式底盘对张紧装置的设计要求 37 张紧弹簧的设计 38 弹簧强度的校核 43 张紧油缸主要尺寸的设计 44 行走装置四轮一带等零件的选型 45 履带的选型 45 支重轮的选型 45 托链轮的选型 46 3 9 4 导向轮的选型 47 3 9 5 驱动轮的设计 47 6 3 9 6 行走架 47 3 9 7 推土装置 48 4 设计总结 49 参考文献 51 7 1 绪论绪论 1 1 挖掘机行走装置的组成挖掘机行走装置的组成 履带式行走装置如图 所示由 四轮一带 即引导轮 支重轮 托 链轮 驱动轮 履带 张紧装置 行走机构 行走架 推土装 置 选用 组成 图 履带式行走装置 挖掘机行走运行时 驱动轮在驱动力矩的作用下产生一个拉力 企图把履带从支重 轮下拉出 由于支重轮下的履带与地面间有足够的附着力 阻止履带的拉出 迫使整 机克服阻力向前移动使驱动轮卷动履带 导向轮再把履带铺设到地面上 从而使挖掘机 沿着履带轨道向前持续运行 挖掘机转向时 由安装在两条履带上 分别由液压泵供油 的行走马达通过对油路的控制 很方便地实现转向或就地转弯 以适应挖掘机在各种地 面 场地上运动 下面介绍主要组成部分的功能和结构特点 支重轮 挖掘机的重力通过支重轮传给履带 在挖掘和行走时还经常受到冲击 所 以支重轮所承受的载荷很大 支重轮的工况恶劣 密封性要求可靠 支重轮的布置设计 需考虑履带链轨的节距 以免引起下车共振现象 托链轮 用于托起上部履带 防止其过度下垂 在托链轮的布置设计时 需考虑履 带脱离驱动轮的离去角和滑向引导伦的引入角 以减小履带运行过程时的内阻 托链轮 的结构与支重轮类似 所以在有些挖掘机上用支重轮来替代 履带 履带是将挖掘机的重力及工作和行走时的载荷传给地面 挖掘机履带按材质 可以分为钢履带与 橡胶履带 钢履带耐磨性好 维修方便 经济性好因而运用普及 橡胶履带是为了保护路面不受损伤一般运用在小型液压挖掘机上 钢履带由履带板 链 8 轨节 履带销轴和销套等组成 常用履带板分为单筋 双筋和三筋三种 单筋履带板 筋较高 易插入地面产生较大的牵引力 主要用于推土机上 双筋履带板筋稍矮易于转 向 且履带板刚度较好 三筋履带板由于筋多 使履带板的强度和刚度都得以提高 承 重能力大 所以在挖掘机上广泛应用 三筋履带板上有四个联接孔 中间有清泥孔 当链轨绕过驱动轮时可借助轮齿清除链轨节上的淤泥 相邻两履带板制成搭接部分 防 止履带板之间夹进石块而产生过高的张力 导向轮 导向轮用于引导履带正确运转 可以防止跑偏和越轨 大部分液压挖掘机 的导向轮同时起到了支重轮的作用 这样可增加履带对地面的接触面积 减小比压 导 向轮的轮面大多制成光面 中间有挡肩环作导向用 两侧的环面则能支撑轨链起支重轮 的作用 导向轮的中间挡肩环应有足够的高度 两侧边的斜度要小 导向轮与最靠近的 支重轮距离愈小则导向性能愈好 驱动轮 用来将行走机构的动力传递给履带 因此对驱动轮的主要要求是啮合平稳 并在履带因销套磨损而伸长时 仍能很好啮合 不得有 跳齿 现象 履带行走装置的 驱动轮通常放在后部 这样既可缩短履带张紧段的长度 减少功率损失 又可提高履带 的使用寿命 1 2 国内外挖掘机行走装置的研究现状国内外挖掘机行走装置的研究现状 1 2 1行走装置的国外研究现状行走装置的国外研究现状 近些年来 随着微电子技术 计算机技术 制约技术通信技术等新技术的日益渗透 到液压挖掘机技术中 智能化的进一步运用 使得动力系统内部一些制约元件能够随着 挖掘机具体工作情况而改变 从而提高工作效率 使操纵变得更容易 世界各工业发达 国家的液压挖掘机技术得以迅速提高 像国外的这些厂家如日本的小松 日立 神钢 住友等 美国的卡特 韩国的大宇 现代 尤其是德国的挖掘机 技术都已经很先进了 而今 挖掘机技术更是朝着智能 环保的方向进展 像 Carnegie Mellon 大学的自主装 载系统 澳大利亚机器人中心 英国兰卡斯特大学的智能挖掘机等都在开始新兴技术的 融合进展 上世纪 80 年代初 美国 KraftTeleRobtics 公司和 John Deere 公司等都相 继成功开发出遥控挖掘机 日本小松制作所以 PC200 2 型液压挖掘机为基本机型进行 遥控挖掘机研制 1 1 如今 随着市政设施及公路养护压力的增加 工程机械行业主机面临着向更小发展 的趋势 可靠耐用的小型工程机械将成为市场追逐的热点之一 因此 与其相配套的 基础零部件也需要向体积更小效率更高以及寿命更长发展 同时 各类吨位工程机械造 9 型外观的升级也对基础件的空间占用设计提出了更高的要求 2 2 所以挖掘机逐渐的向 节约空间的紧凑型方向发展 本设计将对行走装置向这方面进一步改善 据统计 2011 年 11 月份 主要合资生产企业斗山 小松 日立分别实现销售 1513 2000 和 1451 台 同比增长 6 9 38 4 和 34 市场份额 10 5 13 9 和 10 1 同比下降 5 7 2 6 和 2 3 个百分点 11 月份 民族挖掘机品牌三一 山河智能 柳工和厦工销量 2105 391 475 和 205 台 同比分别增长 297 2 98 5 70 9 和 105 市场份额 14 7 2 7 3 3 和 1 4 同比分别上升 8 6 0 5 0 1 和 0 3 个百分点 其中三一单月份额首次跃居行业第一 这也是三一历史上单月份额最高的一个月 前 11 个月累计 斗山 小松 日立份额分 别下降 2 24 0 95 和 1 37 个百分点 三一 厦工和柳工分别提升 1 81 0 46 和 0 12 个百分点 3 3 面对国内挖掘机的发展前景 我们应看准时机打出自己的品牌 抢占市场 从而提 高国际知名度 1 2 2行走装置的国内研究现状行走装置的国内研究现状 从国内挖掘机的市场和企业的发展状况 我们不难看出国内挖掘机的行走装置发展 存在着几个问题 4 4 结构单一 没有自己的品牌 配套系统不健全 产品自主开发能力不足 很多企业一哄而上 没有优化资源 将企业做大形成强有力的竞争力 同时 国产挖掘机规格主要集中在 30t 以下 6t 以下的规格比较齐全 以 1 5t 30t 基本形成系列 200t 以上基本空白 因此我国挖掘机还处于 进展期 我国挖掘 机企业在研发系统和试验系统建设方面雏形难见 产品的开发基本上处于仿造阶段 电 控技术只有山东众友等少数公司自己开发 大多数企业都在选购 节能减排 降噪安全 部件精细作业的工作装置 不同功能的附属装置等方面的研发个别企业才刚刚起步 大 多数企业没有能力涉及 目前我国挖掘机的质量问题主要体现在 结构件 电控 发动 机 液压件等核心部件 以及诸如轴销 司机室 四轮一带等其他部件 国内挖掘机厂 家诸如广西玉柴 柳工股份 三一重工 河北宣工 徐工 山河智能 龙工集团等 正 在崛起的江西南特 桂林华力 湖南九五重工 南昌华工 大连黑猫 合肥振宇等 但是 小型液压挖掘机发展迅速 因为其兼具有中型挖掘机的多项功能 又具有运 输 能耗 灵活性 适应性等方面优势 而且价格低 重量轻保养维修方面等优点得到 10 广泛的应用 5 5 故此在本设计主要针对小型挖掘机 同时对其中涉及的零部件进行规 划性的设计 以方便实现流水线生产 1 31 3 液压挖掘机的分类与优缺点及适用范圈液压挖掘机的分类与优缺点及适用范圈 按行走方式分类 轮胎式 液压挖挖掘机它可以分为标准汽车底盆 特种汽车底盘 轮式拖拉机 底盘和专用轮胎底盘式 轮胎式液压挖掘机主要用于城市建筑等部门 履带运行和支撑装置 这种装置可分为刚性多支点和刚性少支点 挠性多支点 和挠性少支点四种 斗容量大于 的挖掘机多用履带行走装 履带式挖掘机主要用于 露天开采和矿场开矿 迈步式运行装置 这种装置又可分为偏心轮式 绞式 滑块式和液力式 迈步 式又称步行式 挖掘机主要用在松软土壤和沼泽地等接地比较小的工作场所的剥离作业 有些大型采砂场也使用这种迈步式挖掘机 1 4 课题研究的主要内容课题研究的主要内容 了解挖掘机的组成 以及挖掘机各种行走装置的优缺点 熟悉行走装置的设计流程 根据工作要求正确选用行走装置的设计方案 根据相关的基本参数 进行挖掘机行走装置的设计 绘制行走装置的装配图及零件图 整理资料 撰写论文 本设计所要完成的主要任务本设计所要完成的主要任务 行走机构的总体结构方案设计 绘制草图和总装配图 液压马达的选型设计及减速器传动比设计 行走装置的选型及设计 张紧装置的选型及设计 履带链环的选型及设计 11 支重轮 托链轮 履带的选型 所有零 部件设计计算 绘制零 部件图 1 6 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 液压挖掘机在工业与民用建筑 道路建设 农田水力 油田矿山 市政工程 机 场 港口等部门土石方施工中 占有重要位置 并反映了这些部门施工机械化水平 该 课题结合机械设计专业的教学内容和国内外液压挖掘机的应用与发展 对履带式液压挖 掘机底盘作较深入的分析研究 根据设计依据及要求 完成挖掘机行走机构总体及减速 器传动设计 进一步掌握挖掘机的设计方法和步骤 通过毕业设计 使我们进一步巩固 加深对所学的基础理论 基本技能和专业知识的掌握 使之系统化 综合化 培养我们 独立思考 独立工作和综合运用已学知识分析与解决实际问题的能力 尤其注重培养我 们独立获取新知识的能力 培养我们在方案设计 设计计算 工程绘图 文字表达 文 献查阅 计算机应用及工具书使用等方面的基本工作实践能力 使我们树立具有符合国 情和生产实际的正确设计思想和观点 树立严谨 负责 实事求是 刻苦钻研 勇于探 索 勇于创新 善于与他人合作的工作作风 12 2 挖掘机行走装置的总体方案设计挖掘机行走装置的总体方案设计 2 12 1 履带式液压挖掘机的组成履带式液压挖掘机的组成 液压挖掘机主要由发动机 液压系统 工作装置 行走装置和电气控制等部分组成 液压系统由液压泵 控制阀 液压缸 液压马达 管路 油箱等组成 电气控制系统包 括监控盘 发动机控制系统 泵控制系统 各类传感器 电磁阀等 液压挖掘机一般由 工作装置 回转装置和行走装置三大部分组成 其相应的布置如图 图 挖掘机的基本组成 13 挖掘机行走装置设计的依据挖掘机行走装置设计的依据 履带式行走装置的主要特点履带式行走装置的主要特点 机器 的全部重量经支重轮压在履带的接地段上 附着重量等于整机重量 这 相当于全轮驱动的轮式机械 履带与地面之间的附着力由履带与地面之间的摩擦力和切 入土壤的履齿所受的土壤剪切变形抗力构成 故附着性能较好 与同功率的轮式机械相比 由于履带支承面积大 接地压力较小 一般小于 所以对于泥泞 藻泽和松软路面的通过性较好 履带式行走机构总量大 运动惯性大 内部构件运动冲击大 因而运行速度 受限制 一般用于低速场合 结构复杂 机构内部的活动关节多 且磨损严重 维修工作量大 保养调整 不便 牵引力大 通常每条履带的牵引力达机重的 转弯半径小 机 动灵活 采用液压传动 能实现无极调速 每条履带各自有驱动的液压马达及减速装置 设计的主要参数设计的主要参数 工作质量 标准铲斗容量 额定功率 行走速度 高 低 14 回转速度 爬坡能力 挖掘机行走装置总体设计原则挖掘机行走装置总体设计原则 在设计新机械或对现有机械进行改造设计时 设计人员应遵循的基本原则 满足使用要求 满足经济性的要求 满足劳动保护的要求 满足工艺性的要 求 满足机器的结构性能要求 满足某些零部件的耐磨性的要求 满足其他特殊要求 这些要求应贯穿于机械设计的各个阶段 各个部件或总成的性能应相互协调 匹配 力求整体性能的一致性和最优 化 不可盲目追求某个局部的最佳性能 否则 可能造成整体性能恶化 或产生薄弱环 节 即 瓶颈 现象 整机 部件选型及处理某些问题时 应综合考虑技术上的先进性与经济上 的合理性 实现的可行性与可靠性 正确分析所设计的机器在同类机器系列中所处的地位 应为发展系列产品 打下基础 留有余地 由于工程机械的工况多变 受载情况复杂 应科学地处理小概率的极端工 况下的受力分析及相关技术问题 正确地处理继承与创新的辩证关系 应以采用成熟技术 成熟可靠地机电 零部件进行精心设计和科学的综合为主 也应通过深入的理论分析 进行必要的科学实 验 挖掘机行走装置总体设计的方法挖掘机行走装置总体设计的方法 由于总体设计所涉及的技术问题十分复杂 综合运用多科学的理论知识开展设计是 基本的方法 又因工程机械的理论和方法并不完善 经常遇到难以从理论上解决的问题 15 所以在此下列所述的方法解决 采用国内外技术成熟的同类机械的性能参数 取得参考值 对现有国内外同类机器的某种性能参数进行统计分析 找出规律或综合成 经验公式来处理问题 进行一定的模拟试验 以试验结果作为设计依据 采用相似原理的方法 根据现有的同类机器的主要参数 按一定比例关系 放大或缩小来初步确定相对应得参数 挖掘机行走装置的动力装置的比较与选型挖掘机行走装置的动力装置的比较与选型 考虑到挖掘机所需的动力较大 环境与经济方面的问题 普通的的电力发动机和逐 渐退出舞台的蒸汽机已经无法满足挖掘机的动力需求 所以这里考虑的主要是燃油机 其所产生的动力与经济效益 已经逐渐成为中 大型机械的主导动力源 而当今燃油机 的主要产品有两大类为 汽油机和柴油机 这里主要对这两种燃油机进行比较分析 从 而选出适合挖掘机的发动机 柴油发动机的优点有 热效率和经济性较好 柴油机采用压缩空气的办法提高空气 温度 使空气温度超过柴油的自燃燃点 这时再喷入柴油 柴油喷雾和空气混合的同时 自己点火燃烧 因此 柴油发动机无需点火系 同时 柴油机的供油系统也相对简单 因此柴油发动机的可靠性要比汽油发动机的好 由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需 要 柴油机压缩比很高 汽油发动机一般将汽油喷入进气管同空气混合成为可燃混合气再进入汽缸 经火花 塞点火燃烧膨胀作功 人们通常称它为点燃式发动机 而柴油机一般是通过喷油泵和喷 油咀将柴油直接喷入发动机气缸 和在气缸内经压缩后的空气均匀混合 在高温 高压 下自燃 推动活塞作功 人们把这种发动机通常称之为压燃式发动机 汽油机汽车具有转速高 轿车用汽油机转速可高达 转 分 货车用 汽油机达 转 分左右 质量轻 工作时噪声小 起动容易 制造和维修费用低等 特点 故在中 小型货车及军用越野车上得到广泛应用 其不足之处是燃油消耗较高 因而燃油经济性较差 柴油机车因压缩比高 燃油消耗平均比汽油机车低 左右 所以燃油经济性较好 一般货车大都采用柴油机 柴油机的弱点是转速较汽油机低 一 般最高转速在 转 分左右 质量大 制造和维修费用高 因为喷油泵 16 和喷油器加工精度要求高 但目前柴油机的这些弱点正在逐渐得到克服 它的应用范 围正在向中 轻型货车扩展 国外柴油轿车也有很快的发展 其最高转速可达 转 分 通常 柴油发动机与汽油发动机相比热效率高 因而从节约能源 降低燃料 成本角度上讲 柴油发动机的推广使用具有重大意义 柴油发动机与汽油发动机相比具 有功率大 寿命长 动力性能好的特点 它排放产生的温室效应比汽油低 一氧 化碳与碳氢排放也低 在整车的使用寿命期氮氧化合物排放略大于汽油机 柴油机的不 足之处是有害颗粒物排放大 近年来 柴油发动机采用涡轮增压 中冷 直喷 尾气催 化转换和颗粒捕集器等先进技术 柴油发动机的排放已达到欧 欧 排放标准 在欧洲 柴油车比较普及 随着环保与节能可持续发展的严格要求 柴油机将成为主导 的产品 普通柴油机的是由发动机凸轮轴驱动 借助于高压油泵将柴油输送到各缸燃油室 这种供油方式要随发动机转速的变化而变化 做不到各种转速下的最佳供油量 而随着 电控柴油机的共轨喷射式系统的产生与应用 较好解决了这个问题 所以从挖掘机作业环境与工作要求 同时考虑到经济与环境保护的方向出发 选择 柴油机作为挖掘机的动力源是最佳的选择 行走装置传动方式的行走装置传动方式的确定确定 传动系是动力装置和行走机构之间的动力传动和操纵 控制机构组成的 系统 它将动力装置输出的功率传给驱动轮 并改变动力装置的功率输出特性以满足工 程机械作业行驶要求 传动系根据动力传动形式分为机械式 液力机械式 全液压式和电传动式等四种传 动系统类型 机械式机械式 所谓机械传动是指传动系统中采用刚性零部件传递动力的方式 它是通过齿轮 齿 条 带 链等机件传递动力和进行控制 工程机械中使用机械传动系统由来已久 下面 介绍轮胎式与履带式行走的机械式主要传动路线 同时比较机械式传动的优缺点 17 轮式 发动机 主离合器 变速箱 传动轴 主传动器 差速器 轮边减速器 履带式 发动机 主离合器 变速箱 传动器 中央传动 终传动装置 优点 结构简单 工作可靠 价廉 传动效率高 可利用惯性作业等 缺点 当外阻力变化剧烈时易熄火 换档时动力中断时间长 机械循环作业时频繁换档劳动强度大 传动系零部件受到的冲击载荷大 机械变速箱档位较多 结构复杂 液力机械式液力机械式 在上述机械传动系统中串联或并联加入液力变矩器 或液力偶合器 后 使发动机 输出的动力通过液力变矩器 或液力偶合器 及机械传动部件传到驱动轮 这个系统称 为液力机械传动系统 液力机械传动分两种情况 一种是在车辆以低速行驶时 发动机 发出的功率 一部分通过液力元件 液力变矩器 另一部分通过机械变速箱 经汇 流行星排汇流后输给主动轮 亦称功率分流式传动 另一种是在车辆高速行驶时利用闭 锁离合器将变矩器闭锁 使功率仅从机械部件传递 液力机械传动的研究对象是如何最 大限度地把液力传动和机械传动的优点结合成一个有机的整体 下面介绍轮胎式与履带 式行走的液力机械式主要传动路线 同时比较液力机械式传动的优缺点 轮式 发动机 变矩器 动力换档 变速箱 传动轴 主传动器 差速器 轮边减 速器 履带式 发动机 变矩器 动力换档 变速箱 中央传动 终传动装置 优点 变速箱档位少 动力换档轻 简化结构 发动机功率利用好 防熄火 换档次数少 劳动强度低 传动系振动小 机械零部件寿命长 机械可实现零起步 起步平稳 缺点 与机械传动系比较 成本相对较高 传动效率较低 适用范围 中 大型施工机械 推土机 装载机 铲运机 高级轿车 重型汽车 等 液力机械式传动系统与机械式传动系统相比有何优点 能自动适应外阻力的 18 变化 使机械能在一定范围内无级地变更其输出轴转矩与转速 当阻力增加时 则自动 降低转速 增加转矩 从而提高机械的平均速度与生产率 因液力传动的工作介 质是液体 所以能吸收并消除来自内燃机及外部的冲击和振动 从而提高了机械的寿命 因液力装置自身具有无级调速的特点 故变速器的档位数可以减少 并且因采用 动力换档变速器 减小了驾驶员的劳动强度 简化了机械的操纵 全液压式 静液压式和液压机械式 全液压式 静液压式和液压机械式 液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式 该传动方式取 消了主离合器 变速箱 后桥等传动部件 使工作装置的操纵和整机驱动方式统一 可 减轻机重 结构紧凑 总体布置简单 原地转向性能好 可实现牵引力和速度的无极调 整 大大提高了牵引性能 下面介绍静液压式与液压机械式行走的全液压式主要传动路 线 同时比较全液压式传动的优缺点 静液压式 发动机 液压泵 液压马达 轮边减速器 液压机械式 发动机 液压泵 液压马达 减速箱 轮边减速器 优点 无级变速 速度变化范围大 可实现微动 系统元件少 布置方便 维护和操作简单 液压系统本身可实现制动 缺点 液压元件加工精度和密封要求高 国产件的寿命 短 使用维护要求高 电力式电力式 电力传动是利用电力设备并调节电参数来传递动力和进行控制 采用发电机驱动发 电机发电 通过电力驱动电动机 进而驱动行走机构与工作机构 工程机械中最常见的 电力传动系统是 电动轮 的形式 其基本原理是有发动机带动直流发电机 然后用发 电机输出的电能驱动装在车轮中的直流电动机 车轮和直流电动机 包括减速装置 装成一体称为 电动轮 下面介绍电力式的主要传动路线 同时比较电力式传动的优 缺点 组成 内燃机 发电机 电动机 减速装置 驱动轮 优点 动力装置与车轮间无刚性联系 易总体布置和维修 无级变速 功率利用好 19 电动轮通用性好 易组合成多种驱动形式 可采用电制动 制动器寿命长 系统易实现自动化 操作方便 缺点 价高 耗有色金属量大 自重大 适用于大型 重型作业机械 表 几种传动方式的主要传动特性比较 比较 方式 功能与重量 比 转矩与转动 惯量比 响应速度可控性负载刚度调速范围 机械式小小低差中等小 电力式小小中等中等差中等 全液压式大大高好好好 从上述的介绍与比较不难看出 对本课题所研究的挖掘机类型选择液压式传动方式 是最合理的 而随着液压技术的不断发展和创新 液压方面的一些缺点已逐渐改善 它 的一些独特的优点一直受工程机械的喜爱 如今 流体传动技术水平的高低已成为一个 国家工业发展水平的重要标志 所以 在本设计的传动方式选用液压式 行走装置行走方式的确定行走装置行走方式的确定 液压挖掘机行走装置的设计原则液压挖掘机行走装置的设计原则 因为行走装置兼有液压挖掘机的支撑和运行两大功能 因此液压挖掘机行走装置应 尽量满足以下要求 应有较大的驱动力 使挖掘机在湿软或高低不平等不良地面上行走时具有良好 的通过性能 爬坡性能和转向性能 在不增大行走装置高度的前提下使挖掘机具有较大的离地间隙 以提高其不平 地面上的越野性能 行走装置具有较大的支撑面积或较小的接地比压 以提高挖掘机的稳定性 挖掘机在斜坡下行时不发生下滑和超速溜坡现象 以提高挖掘机的安全性 行走装置的外形尺寸应符合道路运输的要求 20 液压挖掘机行走装置的介绍与比较液压挖掘机行走装置的介绍与比较 液压挖掘机的行走装置 按结构可分为履带式和轮胎式两大类 履带式行走装置的特点是 驱动力大 通常每条履带的驱动力可达机重的 接地比压小 因而越野性能及稳定性好 爬坡能力 大 一般为 最大的可达 且转弯半径小 灵活性好 履带式行 走装置在液压挖掘上使用较为普遍 但履带式行走装置制造成本高 运行速度低 运 行和转向时功率消耗大 零件磨损快 因此 挖掘机长距离运行时需借助于其他运输车 辆 轮胎式行走装置与履带式的相比 优点是运行速度快 机动性好 运行时轮胎不 损坏路面 因而在城市建设中很受欢迎 缺点是接地比压大 爬坡能力小 挖掘作业时 需要用专门支腿支撑 以确保挖掘机的稳定性和安全性 履带式行走装置组成与工作原理 履带式行走装置由 四轮一带 即驱动轮 导 向轮 支重轮 托轮 以及履带 张紧装置和缓冲弹簧 行走机构 行走架等组成 挖掘机运行时 驱动轮在履带的紧边 驱动段及接地段 支撑段 产生一个拉力 企图把履带从支重轮下拉出 由于支重轮下的履带与地面间有足够的附着力 阻止履带 的拉出 迫使驱动轮卷动履带 导向轮再把履带铺设到地面上 从而使挖掘机借支重轮 沿着履带轨道向前运行 液压传动的履带行走装置 挖掘机转向时由安装在两条履带 上 分别由两台液压泵供油的行走马达 用一台油泵供油时需采用专用的控制阀来操纵 通过对油路的控制 很方便地实现转向或就地转弯 以适应挖掘机在各种地面 场地上 运动 轮胎式行走装置轮胎式液压挖掘机行走装置的结构型式很多 有采用标准汽车底盘 的可轮式拖拉机底盘的 但斗容量稍大 工作性能要求较高的轮胎式液压挖掘则采用专 用的轮胎式底盘行走装置 无支腿 全轮驱动 转台布置在两轴的中间 两轴轮距相同 其优点是省去了 支腿 结构简单 便于在狭窄工地上作业 机动性好 缺点是挖掘机行走时转向桥负载 大 转向操作费力或需要设置液压助力装置 因此这种结构型式的行走装置仅适用小型 轮胎式液压挖掘机 双支腿 全轮驱动 转台偏于固定轴 后桥 一边 其特点是 减轻了转向桥 的负载 使转向操作较轻便 支腿装在固定轴一边 保证了挖掘机作业时的稳定性 这 21 种结构型式的行走装置多用于小型轮胎式液压挖掘机 四支腿 单轴驱动 转台远离中心 其特点是 驱动轮的轮距较宽 而转向轮 的轮距较小 转向时绕垂直轴转动 由于车轮形成三支点布置 受力较好 无需悬挂摆 动装置 行驶时转向半径小 作业时四支腿支撑 稳定性好 其缺点是 在松软地面上 行驶会形成三道轮辙 行驶阻力增大 而且三支点底盘的横向稳定性差 因此这种结构 型式的行走装置仅适用于小型挖掘机 四支腿 全轮驱动 转台接近固定轴 后桥 一边 其特点是 前轴摆动 由 于重心偏后 因此转向时阻力小 易操作 并且通过采用大型轮胎和低压轮胎 因而对 地面要求较低 这种结构型式的行走装置广泛应用于中型 大型挖掘机上 与履带式 液压挖掘机行走装置相比较 轮胎式行走装置的主要特点是 要求地面平整 坚实 以免轮辙过深 增加挖掘机行驶阻力 转向阻力 影响 挖掘机的稳定性 轮胎式挖掘机的行走速度通常不超过 爬坡能力为 为了改善挖掘机的越野性能 宜采用全轮驱动 液压悬挂平衡摆动轴 作业时 由液压支腿支撑 使前后桥卸荷并整机稳定性得以提高 综上 履带式行走系比之轮胎式有以下特点 履带式挖掘机的驱动轮只卷绕履带而不在地面滚动 机器全重经支重轮压在多 片履带板上 全部重量都是附着重量 这相当于全轮驱动的轮式机器 加上履带支承 面上同时抓地的履齿较轮式机器同时抓地的胎面花纹多得多 所以履带式机器的牵引附 着性能要好得多 与同马力的轮胎式机器相比 由于履带支承面大 接地比压小 一般小于 所以在松软土壤上的下陷深度小 因而滚动阻力小 有利于发挥较大的 牵引 力 履带销子 销套等运动副使用中要磨损 要有张紧装置调节履带张紧度 它兼 起一定的缓冲作用 履带式行走系重量大 运动惯性大 缓冲减振作用小 结构中最好有某些弹性 元件 履带式行走系结构复杂 金属消耗多 磨损严重 维修量大 运行速度受限制 履带式行走装置是液压挖掘机用得最多的一种装置 22 所以 考虑到挖掘机一般在野外作业 工作载荷变化大 作业环境恶劣 技术保养 条件差 而履带式行走装置又是液压挖掘机用得最多的一种装置 因此本设计采用了履 带式行走装置 综上所述总体方案的选型设计 最终确定行走装置的动力路线为 柴油机 液压 泵 控制阀 液压马达与减速器总成 驱动轮 履带 23 3 挖掘机行走装置的详细设计挖掘机行走装置的详细设计 3 13 1 行走装置的总体几何尺寸设计行走装置的总体几何尺寸设计 由于本设计初始设计时 一些相关的参数还无法提前确定 所以按照标注选定法 理论分析计算法等方法得出的参数值不可能都是完全切合的 因此在未知参数的前提下 本设计有的参数采用了经验公式法进行计算 1 履带带长K K K KA G1 3 3 1 1 1 40 13 5 1 3 3332mm 式中 KA 为尺寸系数 1 25 1 5 本设计取KA 1 40 G为整机重量 本设计G 13 5 吨 本设计除特殊说明外 G 含相同 考虑到整体布局 类比同型产品可在此基础上增大 故 可取为 驱动轮与导向轮轴向中心距 L Ki G1 3 3 1 2 式中 Ki 为尺寸系数 本设计取 Ki 考虑到整体布局 类比同型产品可在此基础上增大 故 可取为 轨距 B KB G1 3 3 1 3 式中 KB 为尺寸系数 本设计取 KB 考虑到整体布局 类比同型产品可在此基础上增大 故 可取为 24 履带高度H0 H0 KT G1 3 3 1 4 式中 KT 为尺寸系数 本设计取 KT 为了整体的整体布局 考虑将其扩大 左右 计算得H0 履带板宽 根据 中华人民共和国建筑工业行业标准 液压挖掘机履带 规格系列查取 底盘总宽 C B b 3 1 5 履带接地长度L接 L接 L 0 35 Dk 3 1 6 L 0 35 K L 式中 Dk 为驱动轮直径 约为 后端支重轮到驱动轮间距C3 C3 KC1 lt 3 1 7 式中 KC1为尺寸系数 本设计取 lt为履带节距 根据 中华人民共和国建筑工业行业标准 液压挖掘机 履带 规格系列查取lt 前端支重轮到导向轮间距C1 C1 KC2 lt 3 1 8 25 式中 KC2为尺寸系数 本设计取 两端支重轮间距lo lo L C1 C3 3 1 9 转台离地高h1 h1 K0 G1 3 3 1 10 式中 K0为尺寸系数 本设计取 为了整体的整体布局 考虑将其扩大 左右 计算得h1 相邻两支重轮间距 t1 t1 1 2 lt 3 1 11 1 9 171 325mm 现将行走机体的主要线性尺寸列于表 3 1 3 23 2 行走装置驱动轮行走装置驱动轮的设计的设计 驱动轮是将传动系统的动力传至履带 以产生使车辆运动的驱动力 因此 要求驱 动轮与履带的啮合性能要良好 即在各种不同行驶条件和履带不同磨损程度下啮合应平 稳 进入和退出啮合要顺利 不发生冲击 干涉和脱落履带的现象 其次要耐磨且便于 更换磨损元件 主要参数的确定主要参数的确定 节距 驱动轮节距应与履带节距相等 lt 项目履带长度 K 轨距 B轮距 L履带总高 H0 转台离地高 h1 履带板宽 b 结果 mm 366519902880890980500 26 齿数 增加驱动轮齿数 能使履带速度均匀性改善 摩擦损失减少 但会 导致驱动轮直径增大 引起机重和整机高度的增加 驱动轮齿数一般为奇数 使得啮合 过程中每个齿都能和节销啮合 为使 不致过大 又兼顾履带运动 的平稳性 当lt取小值时则 取大值 当 lt取大值时 取小值 所以 取 驱动轮直径的确定 驱动轮的节圆直径Dk 按下式计算 Dk 式中 驱动轮与履带销销啮合次数 驱动轮的齿顶圆直径 De 按下式计算 De 0 165 0 170 lt Z K 齿根圆直径 的计算公式如下 D1 Dk Di 式中 Di为履带锁紧销套的外径 根据 中华人民共和国建筑工业行业标准 液压挖 掘机履带 规格系列查取Di 齿根圆弧偏心距 e 0 07 lt Di 强度校核强度校核 按机械零部件的计算方法验算轮齿的齿面接触强度 驱动轮轮齿齿面挤压应力应满 27 足 j 184 j 184 j 式中 驱动轮齿宽度 履带销套外径 查对应履带型号得 j 许用用挤压应力 j 综上可以看出 条件满足 符合强度要求 行走装置轮边减速器的设计行走装置轮边减速器的设计 行星齿轮的传动特点行星齿轮的传动特点 行星齿轮传动与普通齿轮传动相比较 他具有许多独特的优点 它的最 显著的特点是 在传递动力时它可以进行功率分流 同时 其输入轴与输出轴具有同轴 性 具输出轴与输入轴均设置在同一轴线上 所以 行星齿轮传动已经被人们用来代替 普通齿轮传动 而作为各种机械传动系统中的减速器 增速器和变速装置 尤其是对于 要求体积小 质量轻 结构紧凑和传动效率高的航空发动机 起重运输 石油化工和兵 器等的齿轮传动装置以及需要差速器的汽车和坦克等车辆的齿轮传动装置 行星齿轮传 动已经得到了越来越广泛的应用 行星齿轮传动的主要特点如下 体积小 质量轻 结构紧凑 承载能力大 由于行星齿轮传动具有功率分流 和各中心构成共轴线式的传动以及合理的运用内啮合齿轮副 因此可使其结构非常紧凑 再由于在中心轮的周围均匀的分布着数个行星轮来共同分担载荷 从而使得每个齿轮所 承载的负荷较小 并允许这些齿轮采用较小的模数 此外 在结构上充分利用了内啮合 承载能力大和内齿圈本身的可容积 从而有利于缩小其外形尺寸 使其体积小 质量小 结构紧凑且承载力大 一般 行星齿轮传动的外形尺寸和质量约为普通齿轮传动的 即相同的载荷条件下 28 传动效率高 由于行星齿轮传动结构的对称性 即它 具有数个均匀分布的行星轮 使得作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力能相互平衡 从而有利于达到提高传动效率的作用 在传动类型选择恰当 机构布置合理的情况下 其效率可达 传动比较大 可以实现运动的合成与分解 只要适当选择行星 齿轮传动的类型及配齿方案 便可以少用几个齿轮而获得很大的传动比 在仅作为传递 运动的行星齿轮传动中 其传动比可达到几千 应该指出 行星齿轮传动在其传动比很 大时 仍然可以保持结构紧凑 质量小 体积小等许多优点 而且 它还可以实现运动 的合成与分解以及实现各种变速的复杂运动 运动平稳 抗冲击和震动能力较强 由于采用了数个相同的 行星轮 均布的分布在中心论的周围 从而可使得行星轮与转臂的惯性力相互平衡 同 时 也使与啮合的齿数增多 故 行星齿轮的传动平稳 抗冲击和震动能力较强 工作 较可靠 总之 行星齿轮具有质量小 体积小 传动比大几小效 率高 类型 选型得当 等优点 因此 行星齿轮传动已经广泛应用于工程机械 矿山机械 冶金机 械 起重运输机械 轻工机械 石油化工机械 机床 机器人 汽车 坦克 火炮 飞 机 轮船 仪器和仪表等各个方面 行星齿轮传动不仅适用于高转速 大功率 而且在 低速大转矩的传动装置上也已经获得应用 他几乎可以适用一切功率和转速范围 故目 前行星传动技术已经世界各国机械传动发展的重点之一 行星减速器传动方案的选定行星减速器传动方案的选定 行星减速器的传动形式有很多种 以下对最为典型的三种传动形式作简要说明 1 高速马达和定轴行星混合式行走减速机构 此种传动系统一般采用定量的柱塞式 叶片式或齿轮式高速液压马达 行走液压系 统压力一般采用中压 而马达的转速较高 最高时可以达到 3000r min 所以要求齿轮 减速机构的传动比也比较大 这种传动方式的部件通用化程度比较高 便于安装 使用 和维修 但是轴向和径向尺寸均较大 对中小型液压挖掘机的最小轴距和最小离地间隙 都有一定的限制 2 低速大转矩马达和一级定轴齿轮减速机构 29 一级定轴齿轮减速器安装在履带架上 大齿轮和驱动轮装在同一轴上 小齿轮和行 走马达装在同一轴上 这种方案的缺点是马达的径向尺寸大 低速大转矩马达的成本较 高 使用寿命也低于高速马达 在中小型液压挖掘机上的使用也爱到了限制 3 斜盘式轴向柱塞马达和双行星排减速机构 此机构析液压系统压力可以高达 300MPa 以上 马达转速一般在 2200 r min 以内 双行星排具有较大的传动比 省去了定轴齿轮传动 结构紧凑 适合于专业化批量生产 其中共齿圈式双行星排的结构有以下几种 如图 4 2 比较上述三种典型方案 a 图为齿圈输出带动驱动轮 输出稳定 结构比较紧凑 布局合理 同时也能获得较大的图为行星架输出 传动比 效率也较高 b 图齿圈固定 这种结构设计较为复杂 因此本设计选择 a 图结构为减速器的传动方案 图 4 2 行星减速器 3 3 33 3 3 减速器传动比的分配原则减速器传动比的分配原则 由于单级齿轮减速器的传动比最大不超过 10 当总传动比要求超过此值时 应采用 二级或多级减速器 此时就应考虑各级传动比的合理分配问题 否则将影响到减速器外 形尺寸的大小 承载能力能否充分发挥等 根据使用要求的不同 可按下列原则分配传 动比 1 使各级传动的承载能力接近于相等 2 使减速器的外廓尺寸和质量最小 3 使传动具有最小的转动惯量 4 使各级传动中大齿轮的浸油深度大致相等 30 3 3 43 3 4 行星减速器齿轮的配齿行星减速器齿轮的配齿 行星排的正确啮合和传动 应满足四个配齿条件 即是传动比条件 同 心条件 装 配条件以及相邻条件 根据已知的传动比范围 由表 取行星轮数目 查表 配齿 可得如下可行传动比方案 本设计选 方案 配齿如下表 排数太阳轮 齿数行星轮 齿数齿圈 齿数行星轮数目 第行星排 第行星排 行走装置功率及挖掘力的设计行走装置功率及挖掘力的设计 3 4 1 发动机功率发动机功率 根据经验公式估算 N 17 7 92 7Q 式中 标准铲斗容量 考虑到柴油机的功率必须充分满足主机工作过程的动力要求 取发动机功率为 千瓦 在设计允许范围内 31 液压功率液压功率 根据经验公式 P 0 75 0 88 N 式中 为发动机功率 挖掘力参数挖掘力参数P Pf f的计算的计算 挖掘力参数Pf的计算 Pf Kf 式中 Pf 为最大反铲挖掘力 Kf为为挖掘潜力系数 本设计取 最大转弯力矩的计算最大转弯力矩的计算 最大转弯力矩Mw Mw Kw 5 79 吨 米 式中 为转弯系数 取为 为摩擦系数 不良路面取 平均接地比压的计算平均接地比压的计算 平均接地比压Pc 32 Pc 式中 b履带接地宽度 即 为履带接地区段长度 3 5 行走装置的牵引力计算行走装置的牵引力计算 牵引力计算是液压挖掘机行走装置设计计算的主要内容之一 由于液压挖掘机的发 动机和油泵的主要参数及其它一些总体参数主要根据挖掘工况确定 因此 对行走装置 来说实际上是在已定的功率条件下验算挖掘机的行走速度 爬坡能力和转弯能力 挖掘机行走时 需要克服行走中所遇到的各种运动阻力 牵引力也就是用于克服这 些运动阻力的 牵引力计算原则是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 牵引平衡方程为 式中 为驱动轮的扭矩 为驱动轮节圆半径 为履带牵引力 为运行时各阻力之和 本设计采用在目前大多数履带式液压挖掘机的行走牵引力 的经验公式计算 T 0 70 0 85 G 吨 下面分别对各阻力作计算 3 5 13 5 1 履带运行阻力计算履带运行阻力计算 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支重轮 导向 33 轮和驱动轮等滚动阻力和轴颈摩擦阻力等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 3 5 1 13 5 1 1 土壤变形的阻力土壤变形的阻力 即外部行驶阻力即外部行驶阻力 土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 对于一条履带的变形阻力为 Fw1 p0bh2 对于双履带的变形阻力为 Fw1 2Fw1 p0bh2 式中 p0 土壤的变形模量 如下表 取 履带宽度 受压表面下陷深度 土壤变形模量po 单位 KN mn 2 相对含水量 耗水量 塑性上限 土质 10 5 1 0 0 5 沙土147 09 490 3 粘性土980 6 1470 9196 12 588 3649 03 98 06 松土1470 9 2451 5490 3 980 6 而 可以用以下简化式计算 h 式中 履带接地区段部位的接地比压 用平均比压 土壤抗陷系数 取 故 Fw1 p0bh2 500 5 2 0 174KN 3 5 1 23 5 1 2 履带对地面的水平挤压力履带对地面的水平挤压力 图 表示地面在履带滚轮作用下的变形情况 若履带宽度为 则圆周上挤压土 34 壤的微段 的面积为 则 面上所受挤压力为 dFp p bds 式中 深度 处的比压力 变形土壤 段圆弧面上的总挤压力 挤压力的水平分为 d dFpsina 3 5 7 又根据图 设滚轮半径为 则有 ds Rda 3 5 8 p0h p0 Rcosa Rcosa0 3 5 9 将式 和式 代入式 得 d bR2p0 cosasina cosa0sina da 在土壤变形圆弧段的包角范围内对上式积分 得到 bR2p0 cos2a0 cosa0 将 代入上式 并经整理化简得到单条履带对地面的水平挤压力 p0bh2 b 3 5 10 3 5 1 33 5 1 3 履带的运行比阻力履带的运行比阻力 双履带的地面总变形阻力即为运行阻力 2 b 3 5 11 令履带运行比阻力系数 即 3 5 12 将式 3 5 12 代入式 3 5 11 并整理得 3 5 13 式中 运行比阻力系数 根据试验确定 见表 挖机总工作质量 履带接地长度 表 3 5 1 运行比阻力系数 图 3 5 履带对水平地面的挤压力 35 由以上分析可得到如下结论 履带运行阻力与成正比 故多支点履带装置比少支点履带的地面变形阻力小 运行比阻力系数与平均比压力成正比 运行比阻力系数与成反比 故地面愈松软 阻力就愈大 运行比阻力系数与履带支承长度 成反比 如果从减小来看 在同样的平均比 压力下 应采用较长的履带 而不用宽履带 在实际计算中 通常采用 计算运行比阻力 在坡道中运行比阻力为 其