履带式液压挖掘机之行走装置的设计及校核

1、第五章履带式液压挖掘机之行走装置的设计及校核挖掘机的行走装置有多种结构形式，市场上常见的主要有履带式、轮式和步履式行走装置，其因此液压挖掘机行走装置应尽最满足以卜要求:图5-1不同形式的行走装置主要功能是支撑和运行,驱动力：要有较人的驱动力，使挖掘机在湿软或高低不平具有良好的爬坡性能和转向性能；通过性：在不增人行走装置高度的前提卜使挖掘机貝有较人的离地间隙，以提高其不平地面上的越野性能；稳定性：行走装置具有较人的支撑而积或较小的接地比压，以提高挖掘机的稳定性：安全性：挖掘机在斜坡卜行时不发生I、滑和超速溜坡现彖，以提高挖掘机的安全性：(5)方便性：行走装置的外形尺寸应符合道路运输的要求。5.1

2、履带式行走装置履带式行走装置是国内外挖掘机市场上应用最为普遍的一种结构形式，其突出的优点是：牵引力人，接地比压小，因而越野性能及稳定性好，爬坡能力强，且转弯半径小，机动灵活。缺点：运行速度低，运行和转弯时功率消耗大，零部件磨损快，钢履带板易损坏路面一般只作场地内部运行，长距离运行时需借用其它运输车辆。5.1.1履带式行走装置组成履带式行走装置如图5-2所示由“四轮一带“(即引导轮2、支重轮6、托链轮7、驱动轮8、履带3),张紧装置4,行走机构9,行走架6,推土装置1(选用)组成。1/24图5-2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卜产生一个拉力，企图把履带从支重轮卜拉出，由J

3、：支重轮卜的履带与地而间有足够的附着力，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、分别由液压泵供汕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而、场地上运动。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

4、筋较高，易插入地而产生较人的牵引力，主要用推土机上；双筋履带板筋稍矮易转向，且履带板刚度较好，三筋履带板由筋多，使履带板的强度和刚度都得以提高，承重能力人，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Z间夹进石块而产生过高的张力。463785图5-3履带的典型结构及其组成1一左链轨节右链轨节销轴4一销套锁紧销套（用户组装特制）销垫锁紧销垫（用户组装特制）锁紧销轴（用户组装特制）螺栓螺母11一履带板吨位不同的挖掘机选用节距不同的履带，挖掘机用履带的技术要求及规格尺寸可参考国家建筑工业行业标准J

5、G/T57-1999,目前，该标准没有涵盖小挖和特大型挖掘机应用的履带规格，在这些挖掘机履带选型时，可根据机器的技术条件，参照履带生产厂家的技术标准。表5-1液压挖掘机用主要履带节距规格应用机器质量（吨）3.5为104040节距（nun）1011351401541711751902032162292603172/24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人，支垂轮的工况恶劣，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，以免引起卜车共振现象。挖掘机用支重轮的技术要求及规格尺寸可参考国家建筑工业行业标准JG/T59-1999液压挖掘机

6、支重轮以及生产厂家的技术标准。129345652787图5-4支重轮的典型结构及其组成*1-1-丄端盖轴轴套浮动油封浮动油封环0形圈销轮体托链轮用托起上部履带，防止其过度卜垂。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來替代。挖掘机用托链轮的技术要求及规格尺寸可参考国家建筑工业行业标准JG/T58-1999液压挖掘机托链轮以及生产厂家的技术标准。图5-5托链轮的典型结构及其组成3/24端盖螺塞螺钉4一垫片轴套轮体浮动油封浮动油封环端盖轴4导向轮用引导履带正确运转，可以防止跑偏和越轨，人

7、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而积，减小比压。导向轮的轮面人多制成光面，中间有挡肩坏作导向用，两侧的坏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，两侧边的斜度耍小，导向轮与最靠近的支重轮距离愈小则导向性能愈好。轮体浮动油封浮动油封环4一螺栓垫圈销连接板密封圈9一滑轨10轴套11一螺塞图5-6导向轮的典型结构及其组成5驱动轮用來将行走机构的动力传递给履带，因此对驱动轮的主耍要求是啮合平稳，并在履带因销套磨损而伸长时，仍能很好啮合，不得有“跳齿”现彖。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

8、履带的使用寿命。图5-7驱动轮的典型结构123456786张紧装置:张紧装置能够调整履带的张紧度，张紧装置的弹簧当履带行走时产生过人的阻力时迫使导向轮向驱动轮方向移动，并压缩弹簧，使履带松驰，起到绥冲和保护作用。张紧油缸弹簧限位套支承座螺母螺钉组合垫圈加汕工具7行走机构：行走机构包括行走马达、行走减速机和行走制动阀。行走马达一般为变彊轴向柱塞斜盘式，带有停车制动器（湿式单片常闭式）。马达由來自泵的压力油操作旋转，并将扭矩传递到行走减速装置。行走减速机为多级行星齿轮减速式，降低行走马达的速度，増人行走马达的扭矩，使驱动轮和履带转动。行走制动阀的作用是保护行走汕路o3/z气1一行走制动阀彳亍走马达

9、彳亍走减速机 #/24 /24图5-9行走机构的典型结构及其组成行走架行走架一般由中间架与左右履带梁组成，根据其结构形式可分为X架（如图5-10）与H架（如图5-11）。目前市场上又根据其卜车宽度的是否变化分为固定式与伸缩式。图5-10X型行走架图5-11伸缩式行走架 #/24 #/24 /24 #/24増加整机的稳定性。图5-12推土装置推土装置在小型挖掘机上，一般都装有推土装置，其主要功能是推土平地，同时在挖掘作业时辅助支撑,1一推土铲轴轴套4一防尘圈螺栓螺母油杯护帽油缸5.1.2履带式行走装置布置设计一、设计方式及步骤履带行走装置由运行速度低，一般为广5km/h,因此设计时主要保证支承性

10、能，并兼顾运行性能，其步骤是：初定“四轮一带”等有关参数和行走系结构布置；计算承载能力，包括接地比压和行走架结构强度计算：选择行走机构传动方案，拟定行走液压系统，确定行走液压马达主参数和减速器速比，验证行走速度、爬坡能力和原地转弯能力等。二、结构布置及参数履带支承长度L,轨距B和履带板宽度b应合理匹配，使接地比压，附着性能和转弯性能均符合要求；履带节距t。和驱动轮齿数z应在满足强度、刚度的情况卜尽可能取较小值以降低履带高度：驱动轮齿数一般为奇数，z二19辽3。为使H。不致过人，又兼顾履带运动的平稳性，当t。取小值时则Z取大值,当to取大值时Z取小值。 #/24 #/24 /24 #/24驱动轮

11、节圆直径式中：1驱动轮与履带销销啮合次数吗(5-2)根据规格化后的t。和Z确定“四轮”直径:(5-1)Dk节圆直径，(mm)托链轮在现在设计中为了提高托链轮的可靠性，托链轮常用支重轮來代替;当L2000mm时，托链轮的个数为2,Lt7/2；否则，取1个。rTOC o 1-5 h z（6）履带板总和：n=（5-3）*计算后再圆整。7fl式中：Z/履带全长，2厶+土/。+-1Z0+2A（54）212丿（7）履带缓冲弹簧张紧力和工作行程的确定履带行走装置的导向轮通过缓冲弹簧和张紧装置固定在履带架上，它可沿履带架滑动以改变轮距，保证履带的拆装，减少运行过程中的冲击，避免轨链脱轨。缓冲弹簧应有足够的预紧

12、力，该力应保证缓冲弹簧不会因外來的微小冲击而产生变形，引起履带跳动或脱轨，但过丿、会恶化履带架受力，加剧零部件磨损，降低行走装置效率。缓冲弹簧安装载荷：(5-5)F=l.35&式中：Fk条履带的牵引力，（N）缓冲弹簧刚度：(5-6)K=F/（A-厶）式中：尸一缓冲弹簧安装载荷；（N）厶。一弹簧自由长度；（m）Li一弹簧安装长度；（m）(5-7)弹簧承受最人载荷时长度：厶=厶0-（尸5/心）式中：Fmax:缓冲弹簧最人载荷：经验值F“2F弹簧理论压缩行程：(5-8)x=L、L、弹簧理论压缩行程应小压死行程；因驱动轮会夹石行走，刚压死行程应人或等J：齿高。（8）行走系结构布置，根据已选定的轮距和四

13、轮直径确定四轮位置支重轮数最根据履带架的长短而定。靠近导向轮的一个支重轮，应保证导向轮在缓冲行程中不致受到干涉、靠近驱动轮的一个支重轮勿与驱动轮相碰；尽最避免支重轮与履带轨链在行走时发生共振。驱动轮布置在后方可缩短履带驱动段的长度，减少功率损失。托轮主要用來限制履带上分支垂度和抑制履带跳动。托轮上轮缘平面的高度应高驱动轮的节圆半径，以便履带脱离驱动轮的啮合，便履带借自重滑向导向轮和便排泥；导向 #/24 /24轮，驱动轮卜方与支重轮卜缘耍有一升变彊，以防止刚性轨琏在绕过导向轮时呈多角形的轨链节在接地时顶起导向轮使整机摇晃，升变鼠为：图5-14升变量示意图2sin.360V*(l_cosa)(5

14、-9) #/24 #/24 /24 #/24行走相关计算A、行走机构输出转速n(5-10)式中:Q进入行走机构流駅：(L/min)i行走减速机速比；q行走马达排量；(cm5/rpm)几一行走马达容积效率；行走机构驱动扭矩M(Nm)(5-11)式中:P进入行走机构压力；(险a)q行走马达排量；(cm5/rpm)加一行走减速机机械效率；(5-12)C.履带式行走装置行走速度VV=30*n*Z*Di(km/h)式中：Z-驱动轮齿数；Dk节圆直径，(mm)D、履带式行走装置行走牵引力R(KN)式中:Z-驱动轮齿数；to履带节距，(mm)5.1.3,履带式行走装置设计计算一、承载能力计算1、履带接地比压

15、计算1）平均接地比压：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儿何中心，対地面产生的压力称为平均接地比压：p=竺3（5-13）1%（+0.35/7。）式中：P-履带平均接地比压，（Pa）m-挖掘机的工作质最，（kg）；L-履带的接地长度，（m）b-履带的宽度，（m）Ho履带高度，（m）g重力加速度，g=9.81m/s2o平均接地比压是履带式液压挖掘机越野性能的一个重耍指标，可以用来与同类型号产品作比较。2）最大接地比压：纵向最大接地比压：当工作装置顺着履带方向，整机重心在纵轴线上移动时，令e示偏心距，刚履带两端的最人、最小接地比压为：(5-14)式中：G整机合力；当

16、静置工况时：G=mg当作业工况：G=mg+作业力的垂直分力当偏心距离e=0时，比压呈矩形分布；当偏心距离eL/6时，比压呈梯形分布；当偏心距离e=U6时，比压呈三角形分布；J21/2这时几远=2p,/=0(见图5-14I)当偏心距离Lebh2(5-27)对于双履带的变形阻力为：5=5,则一条履带的微而积bdx绕履带中心点0转动时的力矩可表示为:式中:卩一接地比压，Pa；的摩擦系数。&一挖掘机转弯时履带与地而图5-21履带转弯阻力计算简图一条履带的转弯阻力矩为: #/24 #/24 /24 #/24(5-45)11Mfni=2fdMin=xdx=p/.i3bLr=-角加g厶式中：m挖掘机丁作质量

17、，(kg)L-履带接地长度，(m)対J双履带行走的液压挖掘机，其转弯阻力矩可认为是单条履带的2倍，即M”严右“3呃(546)5)风载阻力 #/24摩擦系数“3与支承表面土壤性质和转弯半径有关，可用经验公式表示为,_心(5-47)“3_0.85+0.15-B式中：R行走履带的转弯半径，(m)B-履带轨距，(m)口瘁一单侧履带制动条件下，履带转弯时最人摩擦系数，见卜表表5-3履带转弯时最大縻擦系数门心土壤性质心值土壤性质max值有雪的荒地0.6-0.8湿地。耕地0.8-1.0干的土路0.7-0.75沼泽地0.85-0.9干的沙路0.8-0.9潮湿的黏质土0.4-0.5在实际计算时，“3值可近似选取

18、，対丁坚实地面取较小值，对丁松软地面取较人值，一般取值范FBI为“3=0.40.7当挖掘机转弯时，可以把摩擦阻力矩换算为转弯行驶阻力F=y吨L(5-48)r4R由此可见，转弯行驶阻力与转弯半径成反比。将履带平均接地比压山=怛(5-49)2bL代入式(5-48),可得尸=丄xbLp(5-50)f2R由此可见，转弯行驶阻力与履带接地长度平方成正比。从这一点来看，加人履带长度对转弯是不利的。当液压挖掘机以单条履带制动转弯时，履带板侧边与地面刮土的附加阻力系数B(B=1.15),根据式(5-47),由11=3,有“3=心，所以，此时的转弯行驶阻力可表示为：巴冷彳El)在方案设计初期，因履带的轮距与轨距

19、还未确定，整机原地转弯阻力按以卜经验公式來进行验算：Fr=(0.70.9丿(5-52)18/24 /24 #/24风载阻力可表示为：代=仇代（5-53）式中：F-挖掘机的风载阻力，（N）W久一挖掘机工作状态的风压，取qw=250Pa,A,挖掘机的迎风而积，（a?）6）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，惯性阻力斥为：F;=（0.OCO.02）mg（N）（5-54）综上所述，以上6种运行阻力中，以坡度阻力和转弯阻力为最人，往往要占到总阻力的2/3,尤其液压挖掘机的原地转弯阻力比机械式的绕一条履带转弯阻力更人，但转弯和爬坡一般不同时进行。因此，可以根据上坡时作直

20、线行走的情况计算履带行走装置，并根据平道上转弯的情况来验算。故在实际计算履带行走装置的牵引力时，总是从卜而两种组合情况中选用较丿、者，即爬坡时：你=巧+耳+代+你+坊55）转弯时：FT=F（I+Fr+Fw+Fll+Fi（5-56）式中：仔一履带式液压挖掘机的行走牵引力，（N）耳一履带式液压挖掘机行走时的运行阻力，（N）耳一履带式液压挖掘机行走时的坡道阻力，（N）Rv履带式液压挖掘机行走时行风载阻力，（N）耳一履带式液压挖掘机行走时的转弯阻力，（N）斥一不稳定运动状态时的惯性阻力，（N）你一履带式液压挖掘机行走时的内阻力，（N）在対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

21、用整机重力估算液压挖掘机的行走牵引力，即：巧=（）.730.85丿mg（5-57）若挖掘机的液压功率Pt为已知，则可根据卜列公式验算行走速度等参数p-Fru（5-58）T3600贰式中：PT液压泵的输出功率，（kW）rj行走传动机构的效率，取0.80.85；尺，一泵或马达的变最系数（如采用定时泵和定最马达，则取R=1）；Ft牵引力，（N）u行走速度，（km/h）采用变起泵系统的挖掘机在爬坡或转弯时可根据阻力的増加，自动降低行走速度，増加牵引力;在平坦路面上又能自动提速，提高行走速度。因此，牵引力和行走速度两者通常都能满足要求。在采用定堂泵系统时，如果发动机功率不太富裕，则可以适当降低行走速度，

22、满足必需的最丿、行走牵引力，使挖掘机在一般路面能实现原地转弯。目前采用变堂泵或变最马达的履带式液压挖掘机的最人行走速度一般在2.55.5km/h范围内，采用定鼠泵和定鼠马达的行走速度一般在1.53km/h范围内。人型液压挖掘机的行走牵引力相对J*整机重力的比值和行走速度都较中小型液压挖掘机的低。为了保证挖掘机在坡道上运行，应验算其附着力，即牵引力必须小履带和地而Z间的附着力:Ft7=（pmgcosa（5-59）式中：（p一履带和地面间的附着系数挖掘机的地面附着力，（N）加一挖掘机整机质量，（kg）a坡度角。表F2履带和地面间的附着系数（p地面情况平履带具有尖筋的履带地面情况平履带具有尖筋的履带

23、公路03040.6-0.8难以通过的断绝路0.2-0.30.5-0.6土路0.4-0.50.8-0.9结冰的坚实道路0.15-0.30.3-0.5不良的野路03040.6-0.7例：设计一履带式液压挖掘机，已知机重G=8500kg,采用双联轴向变鼠泵，液压泵最高压力P=27.5Mpa,最人流量Qe尸2*85L/min,两泵分别驱动左右行走马达，履带节距A154mm,驱动轮齿数为Z=21,行走减速机的速比1=50,行走马达高速排量4=32c/为7,行走马达低速排量q2=55cm5/rpm,行走马达容积效率久=0.96,行走减速机的机械效率久，=0.86。计算：1）行走机构输出转速与驱动扭矩；2）

24、行走装置的行走速度与牵引力；3）行走机构高速时原地转弯能力校核；4）低速时行走装置能否爬角度为30度的坡。解：1）行走机构输出转速与驱动扭矩；由八=2可可得产q085高速时行走机构输出转速为：卩=二一久=右右996=51（LPm）i*50*32低速时行走机构输出转速为:（Lpm）由可知久=占0込2967高速时行走机构驱动扭矩为:275*32-*0.86=6022(Nm)2低速时行走机构驱动扭矩为：2詹八专93035】血）2）行走装置的行走速度与牵引力;驱动轮节圆Dk=k.(180SillIT154一:一=522.4675(mm)Sill180222龙 #/24 #/24 /24 #/24由V=

25、30*/?*Z*Dx.可知行走装置高速时行走速度：%=30*6*Z*q*10_44982,所以原地能转弯。低速时行走装置能否爬角度为30度的坡30度坡道阻力为：F.=mgsiiiZ=8500*9.8*sin30=41650(N)运行比阻力为：Fd=mgcosa=0.12*8500*9.8*cos30=8657(N)运行比阻力系数取=0.12行走装置的内阻力为F=0.06/=0.06*8500*9.8=4998(N)行走装置爬30度坡的总阻力为：F=FS+Fd+Fn=41650+8657+4998=47517(N)低速时行走牵引力7；=79247.347517,所以爬30度坡。二.行走架结构强度计算行走架按挖掘作业工况和行走转弯工况确定载荷。计算位置选择在支承点可能出现最人的支反力位置。対反铲作业，一般考虑有：横向挖掘，动臂上，卜较点连线水平，斗杆铅直，铲斗缸挖掘，切向