超小型智能液压挖掘机机械结构设计--毕业论文.doc

超小型智能液压挖掘机机械结构设计超小型智能液压挖掘机机械结构设计摘要 近年来我国经济增长速度迅速，我国基础建设项目的不断增多，小型液压挖掘机的市场越来越大。液压挖掘机是工程机械的重要机种，而小型液压挖掘机可以满足市政建设和农田建设，因此受到了广大施工作业单位的看好，其生产制造业也日益扩大。现在新产品的设计对计算机仿真技术的应用越来越多，利用专业的cad软件进行设计，并直接在虚拟样机上进行修改，这可以大大提高产品的开发效率，缩短新产品的设计周期，加速产品更新换代的进程。本文根据任务书的设计要求，结合各机构的工作特点和设计要求，在参考和分析CAT303.5ECR微型液压挖掘机的基础上，运用proe软件设计了无尾式小型液压挖掘机计算机辅助设计。这次设计建立了液压挖掘机工作装置、回转支撑装置、行走装置的三维模型，并对主要工作装置进行力学分析和计算。最后完成整机的组装，并通过控制动臂油缸、斗杆油缸、和铲斗油缸的运动来模拟挖掘机的作业过程，最终获得运动包络曲线。对运动包络曲线分析，获得挖掘机的最大挖掘高度、最大卸载高度、最大回转半径、最大挖掘深度。关键词：小型液压挖掘机,工作装置,回转支撑装置,行走装置 ,辅助设计1The Design of Smart Micro Hydraulic Excavators Mechanical StructureAbstractNowadays,more and more projects are being under construction with the development of countrys economy.So the market of small hydraulic excavator is expanding.As a main kind of the construction machinery,and also the small hydraulic excavator can be used to publicworks and farmland construction.Base on the above reasons ,it is popular with many companies.By the way,a lot of businessmen are willing to invest in this field.The adaption of computer simulation to new kind of product is becoming very universal.For the reason that when engineers design new product,they can change the parameter on the simulator conveniently.Therefore,this can help improve the efficiency and faster the regeneration of the product.This article is written according to the requirements of assignment book.And also,it is met with all mechanism characters.Taking the CAT303.5ECR as a design model and applying proe software to this design,the small hydraulic excavator 3D model with all swinging function can be designed. This design has set up small hydraulic excavators working device、rotary and support device、walking device.And also taking the main structures into mechanical analysis .At last assemble all the working device、rotary and support device、walking device as one complete machine.Once the complete machine is done,we can simulate the hydraulic excavators working process by control three hydro-cylinders movement.We can get the envelop curve by simulating the movement of the hydraulic excavator.And in the meantime,we can get the height of the highest excavation、the height of the highest unload、the longest value of the swinging circle、the height of the deepest value.keywords：small hydraulic excavator,working device,rotary and support device,walking device ,aided design3目录第1章 前言.11.1 课题背景及目的.11.2 国内外小型挖掘机的发展情况.1 1.2.1 国内小型挖掘机的发展现状.1 1.2.2 国外挖掘机的发展现状.21.3本次设计的主要内容.2第2章 挖掘机工作装置的总体设计.4 2.1工作装置构成.4 2.2油缸的布置.5 2.3工作装置主要参数的初步确定.5 2.4工作装置机构尺寸的计算.6 2.4.1 铲斗机构的参数选择.6 2.4.2 动臂机构的参数选择.,.6 2.4.3 斗杆机构的参数选择.7 2.5液压缸的设计.9 2.5.1 挖掘力的确定.9 2.5.2 工作装置油缸作用力的确定.9 2.5.3 液压缸缸径和活塞杆直径的计算.10 2.5.4 液压缸缸壁厚和外径的计算.11第3章 挖掘机回转机构设计.13 3.1 回转轴承类型的确定.13 3.2 回转滚盘的计算选型.15 3.2.1 当量负荷的计算.16 3.2.2 计算静态参照载荷.19 3.3 回转小齿轮参数的确定.20 3.3回转机构的参数选择.20 3.4.1 平台转动惯量.20 3.4.2 回转平台启动力矩和制动力矩.20 3.4.3 回转平台最大转速的确定. .21 3.4.4 回转马达的选择.21 3.4.5 回转装置总传动比.22第4章 行走装置设计. 23 4.1 行走装置选型与构造.23 4.2 履带行走装置的设计.24 4.2.1履带的设计.24 4.2.2驱动轮的设计.26 4.2.3 支重轮的设计.28 4.2.4 托轮的设计.29 4.2.5 导向轮的设计.304.3 履带行走装置的计算.31 4.3.1选择油马达类型、行走速度及传动比.31 4.3.2 油马达主参数的确定.31 4.3.3 履带牵引力的计算.32 4.3.4 原地转弯能力的校核.32 4.3.5 爬坡能力的校核.32第5章 推土铲的设计.34 5.1 推土铲结构方案的选择.34 5.2 推土铲结构尺寸的确定.34 5.2.1 推土铲高度的确定.34 5.2.2 曲面板的形状及参数.34 5.2.3切削刃的结构和参数.35 5.2.4 推土铲液压缸的选取及铰点位置的确定.36结论38参考文献39附录：图纸清单及编号40致谢4131第1章 前言1.1 课题背景及目的小型液压挖掘机是用于多种目的的施工机械，它不仅同一般的挖掘机一样，通用性高，利用面广，而且具备了大中型液压挖掘机所没有的功能，可在市区住宅区的建筑物旁、道路旁等狭窄场所进行小型土方工程和铺设小孔径管道工程等施工。 现在挖掘机的种类众多，其基本分类类型如下：根据液压挖掘机主要机构是否全部采用液压传动可分为全液压传动和非全液压传动；根据行走机构的不同可分为履带式液压挖掘机、轮胎式液压挖掘机、悬挂式液压挖掘机、汽车式液压挖掘机、拖式液压挖掘机；根据工作装置类型可分为铰接式和伸缩臂式挖掘机。现在应用较为广泛的是履带式液压挖掘机和轮胎式液压挖掘机，履带式行走装置的液压挖掘机可以有更大的爬坡能力，低的接地比压，挖掘工作时更稳定和安全，通常，履带行走的液压挖掘机多为全液压传动；轮胎式液压挖掘机具有行走速度快，机动性能好，可在多种路面通行的特点,目前，轮胎式液压挖掘机的行走部分大多数采用机械传动和单独液压马达的集中传动。其他应用比较少的悬挂式挖液压挖掘机是将工作装置安装在轮胎式或履带式拖拉机上，可以达到一机多用的目的；汽车式液压挖掘机一般采用标准的汽车底盘，速度快，机动性能好；拖拉式液压挖掘机没有行走传动机构，行走时由拖拉机牵引。小型挖掘机具有小巧、灵活、多功能和高效率的特点，具有大中型挖掘机的多项功能，又具有运输、能耗、灵活性、适应性等方面的优势。并且小型挖掘机价格低、质量轻、保养维修方便，所以其市场极其巨大，现在我国挖掘机行业进入了一个快速发展的时期，随着我国企业设置、城市再建、住宅建设等投资的增加，小型液压挖掘机将会有一个很好的发展，小型液压挖掘机的需求量会越来越大。因此，开发新品种、高质量、高效节能的挖掘机具有重要的意义。1.2 国内外小型挖掘机的发展概况 1.2. 1 国内小型挖掘机的发展现状 我国小型液压挖掘机，特别是微型智能液压挖掘机开发比较晚。国内小挖目前已形成1.5T至8T全系列产品，并占有国内市场的主要份额，且略有出口。国内小挖目前的整体技术水平处于国际二十世纪八十年代末九十年代初水平，与国外先进技术的差距主要体现在整机匹配、微操作性能、维修性、可靠性及外观质量上。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出具规模。 现在我国小型挖掘机行业有了较大的发展，近十年小型挖掘机企业从当初的仅有几家发展到现在的50多家，这不得不说是一个大跨越。现在挖掘机市场需求不断扩大，形成了巨大的挖掘机市场空间，但该行业主要由合资企业和外资企业所垄断。为了发展名族挖掘机产业，必须瞄准国际先进水平，围绕国内外两个市场，在充分利用国际化配套和国外先进技术的基础上，增强自主创新意识，掌握核心设计制造技术，发挥性价比优势，提高产品竞争力，把我国液压挖掘机产品做大做强。 1.2.2 国外小型挖掘机的发展现状 当前挖掘机全世界年总产量为15-20万台，其中液压挖掘机为10.5-18.5。而其中小型液压挖掘机的比例过半。现在世界上生产挖掘机的企业有300多家，比较著名的大约有50家左右，主要集中在几个主要工业发达国家，像日本的小松、久保田，美国的Bobcat、卡特彼勒，英国的JCB。 挖掘机的生产从产品规格上看，在稳定和完善主力机型的基础上向大型化、微型化方向发展；从功能上看，在满足基本功能的基础上 ，向功能化、专用化方向发展；从产品性能上看，向高校节能化、自动化、信息化、智能化的方向发展。 1） 液压挖掘机的大型化和微型化2） 液压挖掘机的多功能化3） 液压挖掘机的电子化、信息化4） 液压挖掘机设计制造手段的现代化5） 增强液压挖掘机的安全性和舒适性6） 液压挖掘机的液压系统得到进一步的改进总之，工业发达国家的液压挖掘机生产较早，产品线齐全，技术成熟，可以说是渐趋完美，工作性能可靠，操作舒适。1.3 本次设计的主要内容 本文设计的是无尾式超小型液压挖掘机，设计的内容主要包括工作装置、回转支撑装置、行走装置进行机械结构。具体内容如下 （1）确定挖掘机机械结构的整体方案： （2）确定挖掘机工作装置为铰接式工作装置，其中动臂采用整体弯动臂；液压挖掘机的回转支撑采用滚动轴承回转支撑；行走装置确定为履带行走装置。 （ 3）在对挖掘机机械结构方案经过对比、确定之后，进行工况分析，对各主要零件进行参数计算并设计挖掘机工作装置、回转支撑装置、行走装置。对整个装置的主要零件尺寸参数进行分析计算、进行必要的强度校核。 （4）利用三维仿真软件对工作装置进行三维建模，并进行运动仿真。第2章 挖掘机工作装置的总体设计2.1 工作装置构成 这次设计的工作装置采用铰接式反铲工作装置（如图2-1），铰接式工作装置是现在挖掘机最常见和通用的一种结构形式。现在反铲工作装置的动臂普遍采用的是整体弯动臂结构（如图2-2），整体弯动臂结构相对于整体直动臂结构可以有更大的挖掘深度,而斗杆一般是由钢板焊接而成的箱型结构，一端与动臂铰接，另一端与铲斗铰接（如图2-3）。动臂、铲斗、斗杆的材料选用钢板，并将用铰链连接在一起。图2-1 反铲工作装置 图2-2 整体式弯动臂 图2-3 斗杆 利用图2-1可以对挖掘机工作装置的自由度进行分析计算出自由度为3，这里计算出的自由度可以作为后面仿真运动时的参考。2.2 油缸的布置 动臂油缸一般不知在动臂前下方，下端与回转平台铰接，常见的又两种具体布置形式，动臂前倾和动臂后倾两种。当两种方案的油缸安装尺寸、最大挖掘高度和最大挖掘半径相同时，后倾方案的最大挖掘深度比前倾方案小，即h12时称为长动臂段斗杆方案，当K11.5时属于短动臂长斗杆方案，而中间方案的适用性更强，故取值为K1=2。 据统计，最大挖掘半径R1值一般与L1+L2+L3的和很接近。因此由要求的R1,已定的L3和K1可按下列近似经验公式初选L1和L2： (2-4) (2-5) R1由任务书给出为3850，而L3=R=610带入（2-5）可以求得L2=1080,L1=2200。 在三角形CZF中已知、L1和K3，就可以求得 （2-6） （2-7） （2-8） 带入L1和K3、求得L41=1.22m，L42=1.46m。油缸下置时，动臂油缸全伸与全缩时的力臂比K4按不同情况选取，专用反铲要求地面以下挖掘时动臂油缸有足够的闭锁力矩，可取K4。以反铲为主的通用机去。斗杆油缸全缩时最大，常选=。 的大小取决于油缸的布置形式，这里取近似为零。即,又根据已知三角形解得 。通过计算可以得到 ，带入下式 （2-9） （2-10） （2-11） 解得L7=1.15m,。 2.4.3 斗杆机构的参数选择参考国内外同列型挖掘机斗杆挖掘力值，按要求的最大挖掘力确定斗杆油缸的最大作用力臂L9 (2-12) 式中最大挖掘阻力 P2挖掘力 参考cat-303.5ECR斗杆挖掘力为18.9Kn,则P2=18.9Kn 斗杆挖掘阻力 （2-13） 式中挖掘阻力比，由2表0-11查得，去主要挖掘土壤的值时，可得正常挖掘阻力比为2.8 斗杆挖掘时的切削半径，这里可以取=L2+L3=1.1+0.61=1.71m 为 解得=3.586Kn 则L9=324mm 斗杆摆角范围在之间，在满足工作范围和运输要求的前提下此值应取得小些。这里取，则斗杆摆角=。 (2-14) (2-15) 式中为油缸全伸长度与全缩长度之比，一般取值范围为1.61.7，这里取1.6。 解得=764mm，1206mm 斗杆上取决于结构因素，并考虑到工作范围，一般在之间。这里取。 到此，动臂和斗杆的基本长度、角度和各铰点的位置已经确定，其具体参数如下： 表2.1 挖掘机反铲机构的尺寸参数表 机构组成动臂（mm）斗杆（mm）铲斗（mm）机体（mm）L1=2200L2=1100L3=610L41=1220L9=324L24=230L5=360L42=1460B=3002.5 液压缸的设计 2.5.1 挖掘力的确定 挖掘力是衡量反铲装置挖掘性能的重要指标之一。关于挖掘力的概念目前国内外尚无统一的定义， 利用挖掘力与整机质量的关系式可得到所要求的挖掘力。 其关系式如下： （2-16） （2-17） 式中 铲斗挖掘力，Kn 斗杆挖掘力，Kn x整机质量，Kg。 由前面估算得到的整机质量约等于3t，带入上面两个式子，可以得到=17.4Kn,=6.7Kn。 2.5.2 工作装置油缸作用力的确定工作装置各油缸作用力的分析和确定是液压挖掘机工作装置设计的重要任务之一。显然，各油缸的作用力应保证工作装置在挖掘过程中，斗齿应与足够的挖掘力，以及保证在卸载时能够把满斗土壤举升到最大幅度和高度所需的举升力。 2.5.2.1 铲斗油缸推力的计算分析铲斗油缸推理时，工作装置的计算位置为动臂下方到最低位置，铲斗油缸作用力对铲斗与斗杆铰点有最大力臂。 （Kn） (2-18) 式中铲斗挖掘力，为17.4Kn 铲斗油缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂（此位置为摇臂长度），m 对铲斗与斗杆铰点C的力臂，为0.61m把上述数据代入（2-18），经计算可得=37.96Kn 2.5.2.2 斗杆油缸推力的计算分析斗杆油缸作用力时，工作装置的计算位置应为动臂下放到最低位置，斗杆油缸作用力对斗杆与动臂铰点有最大的力臂，即对斗杆产生最大作用力矩。此时斗杆油缸作用力 (2-19) 式中 斗杆挖掘力，为6.7Kn 斗杆挖掘半径，为1.71m 斗杆挖掘时，斗杆油缸对斗杆与动臂铰点的最大作用力臂，为0.324mm把以上数据代入式（2-19），计算得=35.4Kn 2.5.3 液压缸缸径和活塞杆直径的计算 工作压力由任务书给出为20MPa (2-20) 式中 -液压缸工作压力初算是可取系统工作压力，为20MPa 液压缸回油腔背压力，这里根据表2-2执行元件背压的估计值选取1MPa d/D活塞杆直径与液压缸内径之比,按表2-3选择为 F工作循环中最大的外负载 液压缸密封处摩擦力，它的精确值不易求得，故常用液压缸的机械效率计算 F+=F/ 式中 也液压缸的机械效率一般为0.90.97，这里取0.95 2.5.3.1 铲斗油缸缸径D和活塞杆直径d的计算 铲斗油缸缸径的确定应知道铲斗油缸外作用载荷，而F=37.96Kn 由式子（2-20）可得 (2-21) 带入数据可计算的D=51.07mm，又根据表2-4液压缸内径尺寸系列可取63mm。d/D= , 则d= D=36.11,参照表2-5可取40mm。 2.5.3.2 斗杆油缸缸径D和活塞杆直径d的计算 斗杆油缸缸径的确定应知道斗杆油缸外作用载荷，而F= =35.4Kn 把数据带入式子（2-21）可得斗杆油缸内径D=49.3mm，又根据表2-4取50mm。 d/D= ,则d=D =34.86，查表2-5可取36mm。 2.5.3.3 动臂液压缸缸径D和活塞直径d的确定 动臂油缸的作用力应该是工作装置三个油缸里所需推理最大的一个油缸。因此，可以在已经计算出来的斗杆油缸缸径和铲斗油缸缸径的基础上进行初步选定D=80mm，d=D =56.56mm，取56mm 2.5.4 液压缸壁厚和外径的计算 液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。 液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径D与其壁厚的比值D/10的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算 （2-22） 式中 液压缸壁厚（mm） D液压缸内径 （mm） 试验压力，一般取最大工作压力1.251.5倍（MPa）。 缸筒材料的需用应力，无缝钢管为100110MPa 2.5.4.1 铲斗液压缸壁厚和外径带入数据到式（2-22）得到=9.45mm，取10mm。液压缸壁厚算出来后即可求出缸体的外径D，=83mm 2.5.4.2 斗杆液压缸壁厚和外径带入数据到式（2-22）得到=6.25mm，取7mm。则斗杆缸体外径=64mm。 2.5.4.3 动臂液压缸壁厚和外径带入数据到式（2-22）得到=15.74mm，取16mm。=100mm 2.5.5 液压缸工作行程的确定液压缸工作行程长度，可根据机构实际工作行程和参照液压缸生产商的标准来确定，并参照表2-6中的系类尺寸来选取标准值。 2.5.5.1 铲斗液压缸D=63mm，参照HSG型工程液压缸，其最大行程为800mm，又L最大行程10D=1063=630mm，参考表2-6可最终确定斗杆液压缸工作行程L=630mm。 2.5.5.2 斗杆液压缸D=50,参照HSG型工程液压缸，其最大行程为600mm，又L最大行程10D=1050=500mm，参考表2-6，确定为500mm 2.5.5.3 动臂液压缸径D=80mm，参照HSG型工程液压缸，其最大行程为1000mm，又L最大行程10D=1080=800mm，参考表2-6，确定为800mm。第3章 挖掘机回转机构设计3.1 回转轴承类型的确定回转支撑装置的主要结构类型有两种：转柱式回转支撑滚动轴承式回转支撑。 如图3-1，转柱式回转支撑由固定在回转体1上的上、下支撑轴4和6，上、下轴承座3和7组成。轴承座有螺栓固定与机架5，回转体与支撑轴组成转柱，插入轴承座的轴承中，外壳固定在机架5上的摆动液压缸输出轴插入支撑轴6内，驱动回转体相对于机架转动。工作装置铰接在回转体上，与回转体一起回转。3-1转柱式回转支撑 1-回转体；2-摆动液压缸；3-上轴承座；4-上支撑轴；5-机架；6-下支撑轴；7下轴承座 滚动轴承式回转支撑是一个回转滚盘，其结构上相当于一个放大了的滚动轴承，回转滚盘相对于传统回转支撑有较多的优点：回转滚盘动作更平稳、尺寸小、结构紧凑、承载能力大、回转摩擦阻力小、维护方便、使用寿命长。如图3-2所示，回转滚盘一般由上下座圈、内（外）座圈、滚动体、保持架、密封装置、润滑系统、及连接螺栓等组成。内座圈和外座圈可相应加工成内齿圈或外齿圈。图3-2回转滚盘的结构 1-上座圈；2-滚珠；3-调整垫片；4-下座圈；5-内齿圈；6-保持架 这次设计采用的是单排轻型滚珠滚盘，如图3-3所示，其滚道是圆弧形曲面，滚珠与内外座圈滚道为四点接触，能同时承受轴向力，径向力和倾翻力矩。单排轻型滚珠滚盘多数是由内、外圈合成一个整体，滚珠和导向体从内圈或外圈上的圆孔中装进滚道里，然后将装配圆孔堵塞。这种支撑装置的优点是：成本较低、质量轻、结构紧凑。此外，它可以允许在安装中出现微小的误差。 图3-3单排内齿式滚珠滚盘 一般情况下，挖掘机回转滚盘的安装方式为座式安装，如图3-4所示。回转滚盘在运动过程中承受的载荷通常有轴向力、径向力、倾覆力矩。 图3-4回转支撑滚盘的安装方式及承载示意图3.2 回转滚盘的计算选型 这次设计采用的回转滚盘是上海邦典的rothe erde，如图3-4。根据表1-4中滚盘外径经验系数为0.5估算滚盘外径为=0.721m。则初选滚盘型号为230.20.0600.013 TYPE 21/850.0。该型号的滚盘具体结构尺寸如图3-5所示， 图3-5滚盘结构 回转滚盘的静态承载能力曲线如图3-6，表示回转滚盘保持静态时所承受的最大负载能力。TYPE 21/850.0对应的静态承载能力曲线为8。 图3-6静态承载能力曲线