挖掘机及回转系统设计

Ixx 大学毕业设计说明书 目 录摘 要 .11. 绪论 .21.1 概述 .21.2 国内外挖掘机的发展概况 .21.3 本设计所研究的主要内容 .31.4 本设计的技术难点及相应的措施 .42. PC360-7 挖掘机结构功能分析 .52.1 PC360-7 挖掘机总功能的确定 .52.2 PC360-7 挖掘机的黑箱图 .52.3 PC360-7 挖掘机的功能分解图 .62.4 PC360-7 挖掘机的功能结构图 .62.5 PC360-7 挖掘机的原理解组合 .72.6 原理方案的评价与决策 .83. PC360-7 挖掘机总体设计 .103.1 整机总体参数的初步确定 .103.2 重量参数的初步确定 .103.3 整机及各部分结构型式的初步确定 .133.3.1 动臂结构型式的初步确定 .133.3.2 底盘行走装置结构型式的初步确定 .133.3.3 斗杆结构型式的初步确定 .143.3.4 传动型式的初步确定 .143.3.5 回转机构结构型式的初步确定 .143.4. 功率参数及发动机的初步选定 .153.4.1 整机功率参数的初步确定 .153.4.2 发动机的初步选定 .153.5 回转速度、工作循环时间及生产率的估算 .154. PC360-7 挖掘机回转系统设计 .174.1 液压回转系统 .174.2 电机回转系统 .184.3 回转支撑装置类型的选择 .194.4 回转机构参数的选择 .204.5 最佳转速计算 .204.6 回转功率的计算 .214.7 回转电机的选择 .21IIxx 大学毕业设计说明书4.8 回转支承结构的选择 .224.9 回转循环时间计算 .235. PC360-7 挖掘机传动计算 .255.1 回转小齿轮参数的确定 .255.2 回转机构齿轮传动传动比计算 .255.3 回转减速器的设计计算 .265.3.1 回转减速器设计方案 .265.3.2 主要参数的确定 .265.3.3 高速级齿数的确定 .265.3.4 低速级齿数的确定 .275.3.5 按接触强度初算 a1-c1 传动的中心距和模数 .285.3.6 a1-c1 传动的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的校核 .315.3.7 按接触强度初算 a2-c2 传动的中心距和模数 .366. PC360-7 挖掘机回转结构的设计 .396.1 高速级输入轴 .396.2 高低速级中间轴 .406.3 低速级输出轴 .406.4 内齿轮的设计 .416.5 行星齿轮的设计 .416.6 转臂的设计 .426.6.1 高速级转臂 .426.6.2 低速级转臂 .436.7 浮动用齿式联轴器 .446.8 箱体的设计 .446.9 其它机构及系统的设计 .45总结与体会 .46致 谢 .48【参考文献】 .49xx 大学毕业设计说明书 摘 要随着我国改革开放的不断深入，国民经济的大力发展，我国基础设施建设项目的增多，挖掘机的需求量越来越大。为了更深入的学习、借鉴国外挖掘机的核心技术，根据节能环保的要求，对 PC360-7 中型液压挖掘机进行了整机及回转系统的设计。在参照、分析现有整机参数和机体各机构的基础上，设计了新一代 33T 的混合动力中型液压挖掘机。本设计的重点是回转系统的设计，它分为回转电机、回转减速机、回转支承三大部分。回转电机根据等效替换原则选择，回转减速机根据计算传动比为 35.8 设计为 NGW 型二级行星减速器。挖掘机的回转系统理论上采用了混合动力综合控制系统，加装了制动能、热能相关能量回收装置，具有调速更快，回转更稳定，低耗更环保，能量回收再利用的优点。关键词：PC360-7 液压挖掘机，混合动力，回转减速机，环保AbstractWith the deepening of Chinas reform and opening up, the development of the national economy, the increasing of infrastructure construction projects, the demand for hydraulic excavator is more. In order to further study the core technology, according to the requirements of energy conservation and environmental protection, it will be designed again. On the analyzing existing machine, it is designed a new generation of 33 t hybrid medium hydraulic excavator. Rotary system is the key to the design. The rotary system consists of rotary motor, speed reducer and slewing. Rotary motor is selected by the equivalent substitution principle, speed reducer is designed into the secondary planetary gear reducer. The new design uses integrated control system, braking energy and heat recovery device, with faster, more stable and environmentally, low consumption, energy recycling.Keywords: PC360-7 hydraulic excavator, hybrid, speed reducer, environmental 2xx 大学毕业设计说明书1. 绪论1.1 概述纵观国内外工程机械上下几百年的发展历程，展现的是不朽的经典，孕育的是深厚的文化，淘出的是世界的经济。随着全球经济的不断发展，越来越多的工程项目的出现，新的世纪，新的劳动工具的再次转型与升级。低碳环保、节能环保的观念已经深入人心，为了更好的实现中国的伟大复兴，为了更好的与世界工程、工业接轨，工程机械的再次升级是目前的首要任务。这是一个艰难漫长的过程，更是一个自主创新的过程，是一个难得的机遇与挑战。面对着我国现有工程机械的发展概况，经营模式以及管理制度，我们急切的呼吁-创新。本设计就是在现有的 PC360-7 液压挖掘机基础上的一种大胆的尝试和创新，以回转电机为回转动力源的新型混合动力液压挖掘机便应运而生了。根据参照、借鉴、学习但不抄袭的原则，该混合动力新型液压挖掘机通过混合动力综合控制器控制以及相应的储能装置进行能量的存储和释放，达到机电一体化智能控制方便、快捷、稳定的效果和能量的实时回收与再利用。 1.2 国内外挖掘机的发展概况 1.2.1 国内挖掘机的发展概况 我国从第一台挖掘机的诞生到今天已有近 60 年的发展历史，大体上可以分成以下三个阶段:(1) 测绘仿制阶段(19671977 年)这个阶段是最基本的阶段，是不成熟的阶段。尽管如此，敢于探索进取的祖辈们通过多年坚持不懈的努力奋斗，最终研究出了多款成功产品，将我国挖掘机事业继续向前推进着。表 1 开发成功的主要产品如 表1 所 示，它 们的出现代表着我国液压挖掘机行业逐渐由开始的初步形成到进一步发展壮大的发展历程。(2)技术研发革新阶段(19781986 年)技术的革新才能最终引领时代的风骚。各个机械厂家均掀起了一场技术革新的革命。他们大力引进世界著名挖掘机品牌，学习其核心技术，不断的为自己充电，使其在残酷的挖掘机竞争行业中终有一席立足之地。表 2 各机械厂引进情况机械厂厂名称上海建筑机械厂贵阳矿山机器厂合肥矿山机器厂长江挖掘机械厂杭州重型机械厂挖掘机型号 WYl00 W4-60 WY60 WYl60 WY2503xx 大学毕业设计说明书机械厂名长江挖掘机厂贵阳矿山机器厂合肥矿山机器厂上海建筑机械厂杭州重型机械厂北京建筑机械厂引进国家 德国 德国 德国 德国 德国 德国引进公司 利勃海尔 利勃海尔 利勃海尔 利勃海尔 德玛克 奥加凯引进型号R972 R982A912 R912R922 R962R942 A922H55 H85RH6 MH6(3) 联合外资持续发展阶段(1987至今)由于国内对挖掘机的需求量的不断提高,供需矛盾日益扩大,国外各著名挖掘机制造厂商看好中国市场,纷纷前来创办合资企业 1。国内挖掘机品牌在经历了外资企业的洗礼下，经过了几十年的不断拼搏、奋斗，才能由最初的全军覆没到今天的稳定发展。它们现在不仅占据着整个国内大部分市场，更是傲视国际市场，近似疯狂地展开国际并购措施来拓宽自己的产业链，增强自身的竞争实力，实现开拓新市场的需要（见图 1） 。图 1 近 3 年中国挖掘机市场销量变化情况1.2.2 国外挖掘机的发展概况 第一台手动挖掘机问世至今已有 130 多年的历史，期间经历了由蒸汽驱动斗回转挖掘机到电力驱动和内燃机驱动回转挖掘机、应用机电液一体化技术的全自动液压挖掘机的逐步发展过程 2。从 20 世纪后期开始,国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展 3。 尽管近几年来，整个国际工程机械行业状况不容乐观，但是国外的许多著名挖掘机品牌商纷纷采取有力措施，迅速改变运营模式，管理制度，及时调整销售对象，静中求变，变中求稳，力求将损失降低到最低限度。1.3 本设计所研究的主要内容本次所设计的挖掘机为小松 PC360-7 中型反铲液压挖掘机，根本依据为现有的小松 PC360-7 中型反铲液压挖掘机的相关参数及结构型式，在此基础上将动力更换为混合动力，回转系统部分等效替换为一回转电机驱动的机电控制系统。主要设计内容为整个挖掘机的设计及回转系统的设计，主要包括整机部分整机参数的确定、4xx 大学毕业设计说明书动臂结构型式的确定，行走装置结构型式的确定，传动型式的确定，以及回转系统部分回转电机的选择，回转支撑类型的选择，回转减速机的设计等等。PC360-7 挖掘机总体设计的合理性、全面性是整个设计任务顺利完成的保证；回转系统设计的优劣对其它机构部件设计的质量起着决定性的作用。1.4 本设计的技术难点及相应的措施对于小松 PC360-7 中型反铲液压挖掘机的整体设计，基本上没有多大的技术难点，仍然是柴油发动机为主要的动力源，只在回转系统部分将原有的液压回转系统等效替换为相应的电机回转系统，因而此混合动力液压挖掘机的得名由此而来。本设计的主要的技术难点是回转系统部分。回转系统的设计涉及领域广，标准规范较多。参照近些年的国内国外的各项关于混合动力液压挖掘机的报告、会议论文、专利及专题论文，结合现代节能环保的设计理念，将回转系统的设计上升到了一个前所未有的高度。回转系统总体主要包括回转电机的选择，回转支撑类型的选择，回转减速机的设计。其中回转减速机的设计是本设计的技术最大难点。由于回转电机为等效替代原有的回转液压马达，因而回转电机的选取只要依据原有的回转液压马达即可。回转减速机的设计需要综合考虑回转电机的选型及回转支撑的选型，在此二者的基础上，根据具体的传动比关系，最终确定为 NGW 型二级行星减速机。行星减速机具有结构紧凑，传动比大，传递扭矩大的特点。再次根据现有的机械设计相关设计手册选取行星齿轮各设计参数，结合铸造相关工艺特点设计减速机外壳。本设计所采用的主要设计手段是数值计算、计算机绘图（主要绘图软件为Solid Works、AutoCAD 等） 。设计方法主要包括数值计算、计算机绘图（主要绘图软件为 Solid Works、AutoCAD 等。首先对 PC360-7 中型反铲液压挖掘机的整机设计所要达到的技术目标进行综合分析和设计，再对整机中具有决定性作用的零部件之一回转系统进行正确的、全面的分析和设计。在整个设计过程中，一旦发现技术瓶颈和急需要解决的问题，首先应该自己认真的查找相关资料，在大量收集资料的基础上加深对此技术难点的理解，努力争取解决。同时，每周都有两次的老师指导，将已经或将要出现的技术难点、急需解决的问题趁着这些机会向指导老师请教，而后再经过自己的多方思考、考察和整理，最终真正理解其难点的实质性问题所在，从而找到相应的解决问题的方法，最终解决问题并验证相应结论的正确性。5xx 大学毕业设计说明书2. PC360-7 挖掘机结构功能分析2.1 PC360-7 挖掘机总功能的确定挖掘机是一种多功能机械，被广泛应用于水利工程，交通运输，电力工程和矿山采掘等机械施工中，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量，加快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用 4。表 2 PC360-7 挖掘机的设计要求1 功能 基本功能：挖掘土方。2工况适应性铲斗挖掘工况: 由铲斗液压缸单独动作进行挖掘的工况斗杆挖掘工况: 由斗杆液压缸单独动作进行挖掘的工况联合挖掘工况: 由铲斗、斗杆液压缸复合动作进行挖掘的工况环境：摄氏-10-40，相对湿度，40%RH-90%RH，大气压力：70kPa-106kPa3 性能行走速度：3.2-5.5KM/h 回转速度：9.5r/min 工作重量：33-36t 结构尺寸：长 11140 mm 宽 3190 mm高 3280 mm4 生产能力 生产率：理论的、额定的、实际的5 可靠性 可靠度、维修度和有效度6 使用寿命 正常作业的情况下，其使用年限不低于 8 年7 经济成本 材料费用、设计费用、制造加工费用、管理费用8 人机工程 造型美观，操作方便，座椅舒适9 安全 保证人身、设备安全：具有安全保护、自动检测设备状态装置10 包装运输 产品运输、移动方便11 环保指标 工作时尽量少产生烟雾、异味、污染.2.2 PC360-7 挖掘机的黑箱图PC360-7挖掘机需开挖的土方控制指令润滑剂灰尘土方堆驱动能、制动能指令显示图 2 PC360-7 挖掘机的黑箱图信号能耗损的润滑油温度湿度震动噪音湿热振动热量6xx 大学毕业设计说明书2.3 PC360-7 挖掘机的功能分解图挖掘机完成土石方开挖工作动力装置传动功能动力机实现运动运输动力设备 减速机传动功能 传动齿轮能量转换 回转驱动回转功能回转机构转台回转接头行走功能停车、制动制动功能前进、后退及变向回转支承图 3 挖掘机的功能分解图减速机实现驱动执行功能 工作装置开挖工具容纳土方 满斗回转 卸载土方 回位动力供应控制功能 仪表显示方向角度速度润滑信息显示油润滑脂润滑辅助功能润滑系统信息反馈配重平衡夜间照明2.4 PC360-7 挖掘机的功能结构图7xx 大学毕业设计说明书绿化迁移选择开挖开挖土方配重平衡工作执行信号能行走机构制动能驱动能回转机构能量转换容纳土方回转支承回转接头转台显示器机控器电控器土石方堆耗损的润滑剂显示能量信息指令满斗回转 卸载土方堆放整理联接、支承润滑润滑剂显示器显示器 显示器 显示器分离灰尘 温度湿度震动热量 噪声 振动图 4 挖掘机的功能结构图2.5 PC360-7 挖掘机的原理解组合表 3 PC360-7 挖掘机的功能分解功能元分解功能元1 2 3 4 5A 动力 汽油机 柴油机 电动机 液压马达 混合动力需开挖的土方8xx 大学毕业设计说明书B 铲斗 正铲 反铲 抓斗 钳式斗C 回转形式 内齿传动 外齿传动 液轮传动D 行走 履带 轮胎 轨道-车轮 迈步式E 能量传递 齿轮箱 油泵 链传动 皮带传动F 制动 闸瓦制动 带式制动 片式制动 齿式制动 气压制动G 推压 齿轮齿条 液压缸 丝杆螺母 钢丝