毕业设计（论文）-小型液压挖掘机设计.doc

摘 要小型液压挖掘机具有多功能，不仅用作土石方的挖掘工作，而且通过工作装置的更换，还可以用作起重、装载、抓取、打桩、钻孔等多种作业。它在各种工程施工中功用更大，已成为机械化施工中广泛使用的不可缺少的重要机械装备。目前国内挖掘机市场主要由外资品牌产品所占领，国产挖掘机所占份额较少，通过对回转机构的优化设计，提高生产率、降低运行成本，以达到提高国产挖掘机的技术水平，进一步扩大市场份额，是国产挖掘机的出路所在。因此，该项目的研发具有重要的意义和工程应用价值。本说明书论述了履带挖掘机的发展概况，论证并计算了该挖掘机的总体设计方案，阐述了工作装置、行走装置、传动系统和液压系统的工作原理和特点。说明书较详细地计算了产品的主要性能参数，验算了主要构件的强度和工作稳定性，详述了主要工作参数的选择依据和方法。本设计的重点方面是回转机构的设计，和现有回转机构相比能更好的实现其功能。关键词：小型挖掘机； 工作装置； 行走装置； 回转装置 ；液压系统ABSTRACTThe designed compact excavator has a lot of function, not only is used as an excavator in earth work, but also is used for hoisting、loading、fetching ,pile driving、drilling and so on. It has more uses in every engineering construction, and has been indispensable important mechanical equipment in mechanical construction.Domestic excavator market mainly occupied by foreign brands, and share less brand. Through the optimal design of rotating bodies, improve productivity, reduce operating costs, and enhance technical leve further expand market share , which is the key to domestic excavator. Therefore the research and development of this project show important significance and application value.The synopsis treatises the development of track excavator, demonstrates and calculates the overall design proposal of this excavator and elaborates the work principles and features of work equipment、walk equipment、transmission agent and hydraulic circuit。It calculates in detail the main performance parameters of the product，checks the intensity of main part and work stability and recounts the choose basis and means of main work parameters. The emphasis is the design of slewing mechanism. Compared to the existing slewing mechanism，it can achieve its function better.Key Word: Compact Excavator； Working Equipment； Walking Equipment； Volating Vquipment； Hydraulic Pressure SystemI目 录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1小型挖掘机简介11.2选题的目的和意义11.3国内外发展现状11.4国内外发展趋势21.5研究方法31.6预期结果及意义3第2章 小型挖掘机总体设计42.1 小型挖掘机的整机性能42.2小型挖掘机的选型42.2.1 小型挖掘机整机结构的选型42.2.2 工作装置的选型42.2.3 行走装置的选型42.2.4回转装置的选型52.3 小挖总体参数的确定52.4本章小结6第3章 工作装置设计73.1概述73.1.1结构强度要求73.1.2经济性要求83.1.3其它性能要求83.2结构方案83.2.1动臂及斗杆的结构形式83.2.2动臂液压缸和斗杆液压缸的布置93.2.3铲斗的结构特点及斗容量计算113.3反铲装置自身几何参数123.4各功能运动的动力特性要求133.5 动臂强度计算143.6工作范围153.7本章小结15第4章 行走装置设计164.1对行走装置的要求164.2行走装置的设计计算174.3本章小结19第5章 回转装置设计205.1回转机构的传动方式及特点205.2回转支承的选择215.3对回转轴承强度的校核215.4转台最大回转速度225.5连接螺栓计算235.6本章小结23第6章 液压系统设计246.1对液压系统的要求246.2泵和马达的选取256.3油箱的设计286.4本章小结29第7章 最终传动系统设计307.1预定传动比的计算307.2行星式齿轮减速器设计317.2.1 行星传动的运动学、动力学分析317.2.2行星减速器的同心条件计算327.3齿轮强度的校核337.3.1第一级太阳轮强度校核337.3.2第二级太阳轮强度校核347.3.3第三级太阳轮强度校核367.4本章小结37结论38参考文献39致谢40附录41第1章 绪 论1.1小型挖掘机简介小型挖掘机的定义：国标GB/T8498-1999土方机械基本术语中规定，整机质量6t的挖掘机为小型挖掘机，国内一般将10t以下的都称为小型挖掘机。而国际标准中也规定整机质量6t的为小型挖掘机（Compact Excavator）；有的标准将4t以下的规定为微型挖掘机（Mini Excavator）。小型挖掘机用途非常广泛。在建筑工程中，可用来挖掘基坑、排水沟，拆除旧有建筑物，平整场地等。更换工作装置后，可进行装卸、安装、打桩和拔除树根等作业。在水利施工中，可用来开挖水库、运河、水电站堤坝的基坑、排水或灌溉的沟渠，疏浚和挖深有河道等。在铁路、公路建设中，用来挖掘土方、建筑路基、平整地面和开挖路旁排水沟等。在石油、电力、通信业的基础建设及市政建设中，用来挖掘电缆沟和管道沟等。在露天采矿场上，可用来剥离表土、采掘矿石或煤，也可用来进行堆弃、装载和钻孔等作业。在军事工程中，可用来筑路、挖壕沟和掩体、建造各种军事建筑物。1.2选题的目的和意义随着我国全面建设小康社会的继续深入，城镇基础设施的建设将会再次迎来高峰，小型挖掘机的需求也会迅速扩张，在国家节能减排政策的指导下，提高其生产效率和节约运行成本，将会大大提高小型挖掘机的市场竞争力，符合时代的主题，因此，在参考国内液压挖掘机的基础上，根据所提供的技术参数要求进行小型挖掘机的结构设计，其中重点进行回转机构的设计。对于一些空间狭小，土石方作业量少，城市密集区域，道路的承载强度低等诸多环境下，大中型挖掘机很难发挥其作用，而小型挖掘机其具有多功能，体积小，机动灵活的特点满足施工要求，具有重要的使用价值，通过本次设计，力图使得液压挖掘机总体技术水平和可靠性得到提高，使之更好的满足施工要求。1.3国内外发展现状国外最初的“小挖”为轮胎式带左右偏转液压缸，不可作360回转的简易机型，有点像目前国内的农用“小挖”，由于轮胎式在软地面的行走性和通过性差，后来逐渐被履带式小挖所替代；而不带全回转机构的“小挖”，挖掘范围小，无法实现后部卸料，使用上受到了很大的限制。此后，国外在“小挖”上增加了上部回转机构，解决了后部卸料等问题，提高了“小挖”的工作性能，形成了“小挖”的基本结构。后来，其在回转半径、后部视野、动臂仰角、机械性能等方面得到进一步改善，发展为现在的标准型。为了满足在非常狭窄区域内工作，上世纪80 年代中期，后方小回转型“小挖”首先在日本开发成功，它的机体后部可以在车宽范围内进行回转，并利用动臂与平台连接处的摆动机构可使工作装置进行左右摆动，完成侧向挖掘工作；后方小回转型小挖的后部为圆型，外壳由三次曲面构成，因此视野开阔，具有良好的运输性。目前，国外几乎所有的挖掘机制造商对小型挖掘机的生产都有涉猎，型号 齐全、性能优越、多功能化是其最显著的特点。世界上专业批量生产小型挖掘机的著名企业有20多家，主要分布在日本、美国、韩国和欧洲等发达国家和地区。处于前列的有日本的小松、久保田、石川岛、洋马，美国的凯斯、卡特、山猫，德国的阿特拉斯、雪孚，韩国的现代、斗山（大宇）等公司。我国挖掘机生产起步较晚，从 1954 年抚顺挖掘机厂生产第一台机械式单斗挖掘机至今，大体经历了测绘仿制、自主研发和发展提高三个阶段。新中国成立初期，以测绘仿制前苏联 20 世纪 3040 年代的机械式单斗挖掘机为主，开始了我国的挖掘机生产历史，由于当时国家经济建设的需要，先后建立起十多家挖掘机生产厂。1989年玉柴在天津工程机械研究所的帮助下开发、试制、生产1.3吨的小型液压挖掘机，1990年正式投产。目前有众多厂家在生产“小挖”，但大多数企业在生产规模、品种、质量等方面与国外大公司相比还有一段差距。国内企业在“小挖”的技术上普遍比国外要落后一到二代。目前处于生产标准型“小挖”阶段，主要为56t 级产品，比重占70% 以上，其中短尾动臂无偏转型占95%，主要以柳工、玉柴、山河智能、三一重工和徐挖机械等为代表的自主品牌挖掘机，其在短短的两三年时间内占据了20的市场份额，进展显著。1.4国内外发展趋势国外发展趋势：（1）大量采用机电液一体化技术，使“小挖”的操作重量更轻、作业效率更高；（2）通过采用后方小回转结构，使“小挖”更适合在狭隘地带工作；（3）在“小挖”上大量采用环保节能技术，使“小挖”的噪声更低、排放控制得更好；（4）人性化设计技术大量采用，使操作更简单，动作更平稳，维修更方便；（5）采用发热量更小的系统，使“小挖”的发热量减小，有利于减小机体的体积，使“小挖”的回转半径更小；（6）强调对道路的保护，在“小挖”上更普遍地采用橡胶履带；（7）加大了对整机稳定性研究的力度。国内目前的技术发展趋势是：（1）大量采用在中大型挖掘机上使用的先进技术，如三泵系统和负荷传感系统，提高整机的技术性能，提高作业效率和操作的平稳性；（2）集中力量解决国产挖掘机质量不高的通病，通过大量采用国外原装的液压和电气元器件，减少“小挖”的初期故障，提高整机的无故障作业时间；（3）通过全国大协作，解决装饰外观的美感问题。1.5研究方法通过查阅国内外小型挖掘机相关文献资料，并结合已知技术参数，运用经验公式法，确定其他技术参数，进行工作装置、行走装置、回转装置及液压系统的设计，其中分析国内外小型挖掘机的回转机构的结构形式，找出符合设计要求的结构方案，根据结构合理的选择参数，能否对达到提高小型挖掘机生产率和节约运行成本的目的，运用计算机辅助设计软件进行总装配图和液压系统图的绘制。1.6预期结果及意义通过对国内外小型挖掘机回转机构的分析，对于全液压式合理的确定回转机构的结构和参数对提高挖掘机的生产率和节约运行成本具有重要意义。通过本次结构的设计使得小型挖掘机总体技术水平和可靠性得到一定提高，比较好的满足了施工要求。随着国内能源的紧缺和基础设施建设的加快，小型挖掘机的市场潜力巨大，对其的技术性能要求在不断提高，不仅仅停留在能完成基本的作业，还要能够节约运行的成本的同时，提高生产率，这种产品将会更具市场竞争力，符合时代的主题。53第2章 小型挖掘机总体设计2.1 小型挖掘机的整机性能小型挖掘机的主要技术性能包括：发动机功率、铲斗斗容、整机质量、最大行走牵引力、最大挖掘力、接地比压、作业尺寸范围。2.2小型挖掘机的选型2.2.1 小型挖掘机整机结构的选型小型挖掘机根据动力传递和控制方式可分为机械式、半液压式和全液压式。机械式挖掘机工作装置的动作依靠机械传动机构和钢丝绳的牵拉，目前仅在矿用等大型挖掘机上采用，半液压式挖掘机的工作装置的动作由液压元件来完成，而行走机构依靠机械传动，目前已被逐渐淘汰。全液压式挖掘机全部动作都由液压元件来完成，是目前最广泛的类型。按照行走方式的不同分可分为履带式和轮胎式，轮胎式行走装置其优点是机动性好，运行速度快，其缺点是接地比压较大，爬坡能力较小，挖掘时需要专门的支腿支承使机身稳定，而履带式的优点是牵引力大，接地比压小，越野能力较好，爬坡能力大，转弯半径小，机动灵活，履带式行走装置零部件已标准化。综上所述，本次设计的小型挖掘机的整机结构形式为单斗全液压履带式小型挖掘机。 2.2.2 工作装置的选型小型挖掘机按铲斗类型可分为正铲式和反铲式，正铲主要用在挖掘停机面以上的土，反铲主要用于1-3级土的开挖，开挖深度一般不超过4m。这里选择反铲式，动臂是反铲的主要部件，其结构为整体式和组合式，整体式动臂结构简单，质量轻、强度大、生产成本小而组合式动臂的结构复杂、质量大、生产成本高，固本次设计采用整体式动臂，整体式动臂，整体式动臂又分为直动式和弯曲式，直动式结构简单，不能获得较大的挖掘深度，主要用在悬挂式挖掘机，而弯曲式能够获得较大的挖掘深度运用最为广泛，故选择弯曲式。2.2.3 行走装置的选型履带式行走装置的行走架分为组合式和整体式，组合式的缺点是履带架截面削弱较多，刚度较差，并且截面削弱处易产生裂缝而整体式行走架其结构简单，自重轻，刚度大，制造成本低，故采用整体式行走架。履带采用组合式履带，其节距小，绕转性好，使挖掘机行走速度较快。驱动轮按节距的不同分等节距和不等节距，其中等节距齿轮使用较多。2.2.4回转装置的选型全液压挖掘机的回转装置由转台、回转支承和回转机构组成。转台的主要承载部分是由钢板焊接的抗扭和抗弯刚度很大的相形框架结构，主梁动臂和液压缸就支撑在主梁的凸耳上，小型挖掘机采用单凸耳。回转支承分为转柱式和滚动轴承式，全回转采用滚动轴承式。回转机构按结构分为高速方案和低速方案，2.3 小挖总体参数的确定液压挖掘机参数的确定方法：影响液压挖掘机参数的因素很多，各参数之间又彼此影响制约，关系复杂，然而具有先进性能和技术经济指标的现代化液压挖掘机其总体参数间存在着一定的内在联系的规律性。最优化而简便的参数确定方法尚在研究之中。目前，可利用电子计算机进行参数选择过程中的多种方案比较，从而能较快地得到较理想的参数值。对于通用型的挖掘机可用以下方法确定参数：(1)比拟法（或称类比法）：即通过同类型机械的比拟（类比）得出参数值。(2)经验公式计算法（或称查表法）：即按概率统计归纳得到的经验公式进行概略的计算，得出参数值；(3)按标准选定法：即按照国家颁布的液压挖掘机型式与基本参数系列标准规定的数值范围，结合拟采用的结构特点选定参数值；(4)理论分析计算法：即按拟定的结构特点，在理论分析与实验数据的基础上进行分析计算，得出参数值。按以上方法（尤其前三种方法）得出的参数值不可能是完全确切合适的，必须在设计过程中按结构方案，强度以及挖掘机的特殊要求进行方案比较加以修正确定。实际工作中还往往综合以上方法，如采用类比法和经验计算法后与标准进行比较，有的参数再通过理论分析进行核算来选定。我根据任务书给定的技术参数运用经验公式法进行其他参数的确定。任务书技术指标：功率为 20kW斗容量： m主机尺寸：2390mm1840mm2500mm系统压力：28Mpa回转角范围：全回转由于发动机功率和主机尺寸已知，根据经验公式法利用公式： （kW） （2.1）为功率系数其中功率系数范围：15.420.9，这里选20所以t线尺寸参数：关于尺寸参数可按下式近似求得： （m） （2.2）转台底部离地高m=566mm实际 推荐值0.4驾驶室高度为mm轨距m=1520mm式中实际取1.054 推荐值0.8履带接地宽=1840-1520=320mm履带接地长度m=1935mm式中实际取1.34推荐1.38履带总高=0.469m=469mm式中实际0.325推荐0.32 各部分重 （2.3） 挖掘力参数 （2.4）由公式（2.4）kN 其中2.4本章小结通过对任务书设计基本参数的分析进行总体设计，通过总体设计确定设计的方法及各部件的选型，运用方法确定小型挖掘机的基本外形尺寸、基本性能，了解总体设计的过程，对后续各个部件的设计提供依据。第3章 工作装置设计3.1概述工作装置是液压挖掘机的主要组成部分之一。因用途不同，工作装置的种类繁多，其中最主要的有反铲装置、正铲装置、挖掘装载装置、起重装置和抓斗装置等。而同一种装置也可以有许多种结构型式，有的多达数十种，以适应各种不同的作业条件。本设计中所选用的反铲装置，是中小型液压挖掘机的主要工作装置，也是建筑型挖掘机的主要工作装置。挖掘机的挖掘参数反映了机器的作业范围，而挖掘参数的设计涉及多方面的因素，其中主要有挖掘力、平衡重、轮距、底盘宽度以及工作装置自身的约束条件。其根本在于力矩的平衡。所以在挖掘参数的设计过程中要解决的始终是作业力与作业距离的矛盾。故小型挖掘机的工作装置的设计主要研究两方面的问题：一是在保证合理的挖掘参数的前提下，尽可能提高斗杆的挖掘力和铲斗的破碎力；二是在满足强度设计的前提下，尽可能简化斗杆和动臂的结构。其工作原理为：反铲是中小型液压挖掘机的主要工作装置。液压挖掘机的反铲装置由动臂，斗杆，铲斗，以及动臂油缸，斗杆油缸，铲斗油缸和连杆机构组成。其构造特点是各部件之间的连接全部采用铰接，通过油缸的伸缩来实现挖掘工作中的各种动作。动臂的小铰点与回转平台铰接，并以动臂油缸来支撑和改变动臂的倾角，通过动臂油缸的伸缩可使动臂绕小铰点转动而升降。斗杆铰接于动臂的上端，斗杆与动臂的相对位置由斗杆油缸来控制，当斗杆油缸伸缩时，斗杆便可绕动臂上焦铰点转动。铲斗与斗杆前端铰接，并通过铲斗油缸伸缩使铲斗绕该点转动。为增大铲斗的转角，通常以连杆机构与铲斗连接。3.1.1结构强度要求液压挖掘机结构强度是工作装置设计的关键之一，工作装置的结构和所承受的载荷是十分复杂的。要求正确地反映受力情况下，工作装置各部分的应力分布规律，保证工作装置的强度和刚度特性。在设计液压挖掘机的工作装置时，要求尽可能减少焊缝和变形，这不仅增加构件强度，而且缩短制造周期降低成本。要求动臂下支点及动臂油缸支承在平台主梁的整块钢板上，这不仅增加构件强度而且减少焊接，防止焊接变形。斗杆要求采取整块钢板下料。为了减少焊接变形及焊接应力，要求采用型钢及压型等结构。在结构件设计中为求等强度，要求采取局部加强的措施。动臂、斗杆要求改为焊铸结构，在应力较高的部位以铸代焊，这样大大提高结构件的冲击和疲劳强度。为确保焊接强度，要求所有铰接部均采用铸钢件。结构件的破坏主要是由于冲击疲劳，因此实际破坏时常不在负荷最大部位，而是应力集中部位。为减少应力集中，应使焊缝与应力集中部位错开，在主要受力铰接支承处采用铸钢件。3.1.2经济性要求液压挖掘机经济性评价指标有能量指标、作业循环时间减小、机重轻、延长维修周期和挖掘机寿命周期、加快维修进度和降低维修费用、司机操作的舒适性等。能容指标(即消耗于单位土方的能量)虽不宜作为评价土方机械技术经济效率的通用准则，但由于工作装置单位重量和价格相对整机而言都较小，常用能容指标来表征工作装置结构现代化的程度，这种符合能容指标的工作装置应能完全满足技术与使用要求，且足够可靠。从能容指标角度来看，要求液压挖掘机的挖掘力大，工作装置的重量轻，挖掘速度高。决定挖掘机生产率的基本因素是工作循环时间包括挖掘时间、向卸载点运行时间、卸载时间、向工作面返回时间。挖掘时间取决于挖掘速度的高低(合理值约为0. 75m/s)，过高的挖掘速度将增加操作人员的紧张和疲劳程度。为减少运行时间和返回时间应在允许的情况下尽量减小回转角。回转角的合理范围一般70180，最佳角度为90。回转角度过小时，由于达不到最大回转度，不能充分利用发动机的功率，从而增加运行和返回时间。卸载时间主要取决于铲斗的结构和土壤的性质。3.1.3其它性能要求实现零部件的标准化、组件化和通用化，降低挖掘机的制造成本;液压挖掘机作业条件恶劣，各功能部件要求有很高的工作可靠性和耐久性:由于挖掘机在城市建设施工中应用越来越多，因此要不断提高挖掘机的作业性能，降低振动和噪声，重视其作业中的环保性，安全性和布局的合理性，通过本次设计学习相关理论知识，运用这些知识了解小型挖掘机的性能。3.2结构方案3.2.1动臂及斗杆的结构形式根据总体设计的分析本设计采用整体式弯曲动臂图3.1 整体式弯曲动臂3.2.2动臂液压缸和斗杆液压缸的布置动臂液压缸的连接，一般有两种布置方案,第一种布置又分为两种情况，第一种如图3.2（a）和（b）所示，动臂液压缸装于动臂的前下方。动臂下支撑点（即与转台的铰点）可以设在转台回转中心之前，并稍高于转台平面。它也可以设在转台回转中心之后，以改善转台的受力情况，但使用反铲作业装置时动臂支点靠后布置会影响挖掘深度。大部分中小型液压挖掘机以反铲作业为主，因此都采用动臂支点靠前布置的方案，动臂液压缸一般都支于转台前部凸缘上。动臂液压缸活塞杆端部与动臂的铰点通常也只有两种布置方案。一种是铰点设在动臂封闭箱形体下方的凸缘上，如图（a） 所示，另一种是铰点设在动臂箱体中间，如图b所示，后一种方案用单只动臂液压缸时，则两缸分置于动臂两侧，在结构上有加筋保证强度。铰点布置（a）不削弱动臂结构强度，但影响动臂下降幅度，（b）则与之相反，但对双液压缸则较合适。图3.2 动臂液压缸第一种布置 (a) (b)第二种方案如图3.3（a）和（b）所示，动臂液压缸装于动臂的上方或后方，有的称之谓“悬挂式液压缸”。这个方案的特点是动臂下降幅度较大，在挖掘时，尤其在挖深较大时动臂液压缸往往处于受压状态，闭锁能力较强。尽管在动臂提升时液压缸小腔进油，提升力矩一般尚够用，提升速度也较快。故作为专用的反铲装置这种方案仍然可取。为了统一缸径和保证液压缸的闭锁能力，双动臂液压缸的方案采用渐多。有些悬挂式动臂液压缸布置时考虑到不破坏动臂箱形截面，且不与斗杆液压缸碰撞，也采用双缸。斗杆液压缸一般只用一个，大型反铲有的动臂和斗杆液压缸均为双缸。图3.3 动臂液压缸第二种布置（a）（b）综上本次设计采用方案一中a图的布置方式3.2.3铲斗的结构特点及斗容量计算铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大。铲斗的作业对象繁多，作业条件也不同，同一个铲斗来适应任何作业对象和条件较困难。为了满足各种特定情况，尽可能提高作业效率，通用反铲装置常配有几种甚至十多种斗容量不同，结构型式各异的铲斗。目前，对铲斗结构型式的研究还处于现场试验、实验室试验或模型试验阶段，未建立起较系统的理论。对各种铲斗结构形状的共同要求是：(1).有利于物料的自由流动，因此铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等。斗底的纵向剖面形状要适合各种物料的运动规律。(2).要使物料易于卸净。用于粘土的铲斗卸载时不易卸净，因此延长了作业循环时间，降低了有效斗容量。国外采用设有强制卸土板的粘土铲斗。(3).为了使装进铲斗的物料不易掉出，铲斗宽度与物料颗粒直径之比应大于4：1。当此比值大于50：1时颗粒尺寸的影响可不考虑，视物料为匀质。(4).装设斗齿有利于增大铲斗与物料刚接触时的挖掘线比压，以便切入或破碎阻力较大的物料。挖硬土或碎石时还能把石头从土壤中耙出。斗齿的材料、形状、安装结构及其尺寸参数都值得研究，对它的主要要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更换。目前国产挖掘机斗齿安装方式主要有两类，斗容量 时多采用螺栓连接，斗容量mm 时多采用橡胶卡销结构。装有侧齿时正齿应超前于侧齿，有些正齿的中间齿亦超前于边齿。一般铲斗的前部比后部宽，顶部比底部宽。斗齿刃角愈小，挖掘阻力也愈小，但斗齿磨损较快，一般取，铲斗挖掘切削角一般为。铲斗前壁一般有一定长度的直线段，约mm。侧齿仅在挖沟或要求导向性能较好时装设，非必要时装侧齿将增大阻力。挖粘性软土的斗齿一般较为细长，挖硬土岩石的斗齿略为粗短。清理用的铲斗采用平切削刃，不带齿。挖中硬或粘性成形土沟时可用带三角缺口的切削刃。关于斗容量的标定方法，在国外有几种标准，如ISO国际标准等等，我国关于斗容量标定的标准已经制定，标准中规定了液压挖掘机斗容标定值Vr是铲斗内壁尺寸所确定的 平装斗容量Vs和堆尖部分体积Vt之和，即 （3.1）此次设计的斗容为0.2m。3.3反铲装置自身几何参数机构自身几何参数有三类，第一类是决定机构运动特性的必要参数，称原始参数，这里主要选择长度参数作为原始参数；第二类是由第一类参数推算出来的参数，称为推导参数，多为运算中需要的角度参数，第三类是做方案分析比较所需要的其他特性参数。反铲机构自身几何参数的计算图如图3.4所示：图3.4 反铲机构自身几何参数的计算图3.4各功能运动的动力特性要求液压挖掘机功能运动的动力特性要求和常见复合运动要求，如表3.1和3.2所示表3.1 各功能运动的动力特性要求一览表功能运动名称应用工况功率需求变速要求制动及锁定要求铲斗正转挖掘姿态调整大不大_铲斗反转卸载姿态调整不大_最好有锁定斗杆挖掘姿态大高最好有锁定斗杆正转挖掘姿态调整大高最好有锁定斗杆反转姿态调整不大较高最好有锁定动臂举升举升姿态调整较大较高 _动臂下降互助、辅助作业一般高必须有锁定功能回转运动挖掘与卸载转位高高必须有制动和锁定功能行走运动场内转位调整作业位置高高行走制动停车制动表3.1常见复合运动要求一览表复合运动应用工况特点与要求说明铲斗正铲+斗杆正转复合挖掘功率需求大变速要求高铲斗反铲+斗杆反转卸载功率需求较小斗杆正转+动臂举升平整土地要求操纵特性好动臂举升+回转运动挖掘与卸载转位功率要求大动力分配可调整动臂下降+回转运动返向挖掘处两者载荷差别大速度高3.5 动臂强度计算动臂最大受力位置的确定动臂强度计算，同样应该按照挖掘工作中的可能出现的最大载荷来选定计算位置。一般认为最大载荷发生在铲斗油缸挖掘到最大深度的时候，如果这是由于挖掘机的稳定性或斗杆油缸承载能力的限制，在铲斗切削刃不能实现最大挖掘力，那么计算位置就应该选择使斗杆转过一些角度的时候。图3.5 动臂挖掘力分布图整体式弯动臂对弯曲部分的断面进行强度计算时，颖考虑按曲梁进行设计，即在弯曲平面内的应力按照下式计算 （3.2）式中：断面面积 断面弯曲处的曲率半径 断面重心至计算点的距离，该点在曲率中心与断面重心之间为负，反之为正。3.6工作范围最大挖掘半径为:mm最大挖掘高度为：mm最大挖掘高度时的半径为：mm最大挖掘深度为：mm最大卸载高度为：mm最大垂直挖掘深度为：mm3.7本章小结工作装置作为挖掘机实现挖掘的重要部分，综合比较工作装置各种结构形式，选择合理的结构形式，运用经验公式法确定动臂、斗杆等部件的结构尺寸，分析运动特性要求，说明动臂强度计算方法，运用绘图法求出工作范围参数，通过以上内容了解工作装置的工作原理及设计过程。第4章 行走装置设计4.1对行走装置的要求单斗液压挖掘机的行走装置是整个机械的支承部分，它承受机械的自重及工作装置挖掘时的反力，使挖掘机稳定地支承在地面上工作。同时又使挖掘机能在工作时作场内运行及转移工地时作运输性（轮式行走装置）运行。因而，设计单斗液压挖掘机的行走装置时应尽量满足下列要求：1单斗液压挖掘机应有较大的牵引力，使挖掘机在湿软地面或高低不平的地面上行走时具有良好的越野性能，并有较强的爬坡和转弯能力；2在不增高行走装置总高度的前提下应使行走装置具有较大的离地间隙，使挖掘机在不平地面上行走具有良好的通过性能；3要降低挖掘机的接地比压或具有较大的支承面积，以提高挖掘机的稳定性；4挖掘机在斜坡下行时不发生超速溜坡现象，挖掘时不发生下滑，提高工作时的安全可靠性；5挖掘机的行走装置外形尺寸应符合道路运输的要求。单斗液压挖掘机的行走装置按照结构的不同可分履带式和轮胎式两大类。履带式行走装置的特点是牵引力大（通常每条履带的牵引力达机重的35%45%），接地比压小（一般为0.41.5kG/cm），因而越野性能好，爬坡能力大（一般为5080%，最大的达100%），且转弯半径小，机动灵活。目前履带式行走装置零部件已标准化，普遍采用工业拖拉机的结构型式，提高行走性能，有利于批量生产，降低成本，因此在单斗液压挖掘机使用较为普遍。本次设计所选用的即为履带式行走机构。单斗液压挖掘机的履带式行走机构的基本结构与其他履带式机构的大致相同，但它多采用两个液压马达各自驱动一条履带。两个液压马达同方向旋转时挖掘机将直线行驶；若只向一个液压马达供油，并将另一个液压马达制动，挖掘机则绕制动一侧的履带转向，若使左、右两液压马达反向旋转，挖掘机将进行原地转向。行走机构的各零部件都安装在整体式行走架上。液压泵输出的压力油经多路换向阀和中央回转接头进入行走液压马达，该马达将压力能转变为输出扭矩后，通过齿轮减速器传给驱动轮，最终卷绕履带以实现挖掘机的行走。其工作原理为，挖掘机运行时驱动轮在履带的紧边-驱动段及接地段产生一拉力，企图把履带从支重轮下拉出，由于支重轮下的履带与地面之间有足够的附着力，阻止履带的拉出，迫使驱动轮卷动履带，引导轮在把履带铺设在地面上，从而使挖掘机借助支重轮沿着履带轨道向前运动。液压传动的履带行走装置，挖掘机转向时有安装在履带上分别有两台液压泵供油的行走马达通过对油路的控制，很方便地实现转向和就地转弯，以适应挖掘机在各种地面、场地上运动。4.2行走装置的设计计算1.履带的选用根据小型挖掘机的总体尺寸很小及设计要求条件，从研究机器的行走装置上看，橡胶履带行走，不损伤路面，减少震动，而且材料的发展也已经能适应对橡胶的要求，选用橡胶履带3209056类型，具体型号是镇江同立橡胶有限公司的橡胶履带为3209056所以履带的总长L为：mm这里的履带的总长是指橡胶履带中钢丝线的总长，而不是橡胶履带最外面的总长单条履带的宽度为320mm。2.接地比压计算接地比压公式 （4.1）由公式（4.1） =kpa式中 履带平均接地比压 Pa 挖掘机的工作质量 kg履带的接地长度 m履带的宽度 m履带高度 m重力加速度 m/s 3.驱动轮直径的确定实际履带在驱动轮上是一条折线。确定驱动轮动力半径时，通常假想履带式挖掘机在地面上均匀地作无滑动滚动。这样驱动轮的动力圆直径按下式公式计算： （4.2）式中：驱动轮半径 mm驱动链轮的名义齿数，为围绕驱动轮一周地履带板地数目，对于非间齿啮合，即为驱动轮的齿数，对于间齿啮合，则为驱动轮齿数的一半；链条节距 mm,为每块履带板两端销孔之间地距离。根据320X90X56类型的履带，可知为90。预定名义齿数,驱动轮的半径通常要参考同类产品，是可以调整的，工程机械上许多产品的链条在驱动轮上是隔一个齿啮合的，这样自动清楚泥土的效果好。这种间齿啮合的驱动轮的名义是实际齿数Z的一半;而且设计时实际齿数Z最好为奇数，这样每转动两圈，驱动轮的所有齿都啮合了一次，使用寿命长。所以，预定名义齿数为13。由公式（4.2）mm4.引导轮的确定引导轮体的直径与履带节距的比值愈大，卷绕履带是的冲击就愈小，所以一般引导轮体的直径都选的比较大。但对于驱动轮后置的机器，通常认为引导轮上链节销中心的运动半径不宜大于驱动轮半径，这样对履带的迁移有利。所以选为187.5mm。5.支重轮的确定1）支重轮的直径支重轮的直径不能太小，否则会增大自重轮在履轨上的滚动阻力。实际支重轮的直径为履带节距的倍，支重轮的间距，最大不宜超过的两倍。所以选为mm，为mm,各支重轮的间距为均匀的。6.履带的分配履带的分配需考虑的因素有：1）已知驱动轮直径为mm，引导轮直径为mm。2）履带行走装置的离去角和接近角。为了提高履带行走装置的越过障碍的能力，行走装置应该有合适的离去角和接近角。但是、太大时，会减少接地的长度，造成接地面积减少，接地比亚提高；而且在支重轮处履带的折弯角度增大，影响传动效率。通常认为，当、小于是履带的接地长度可以从两端的张紧轮、引导轮的中心算起。实际设计中，一般取，一般取。所以，取，但此对履带分配地影响不是很大。由此，可得驱动轮和引导轮两轮的圆心距为mm。7.驱动轮的精确计算驱动轮的节圆半径由公式（4.2） mm齿顶圆半径为 齿根圆半径为 （4.3）式中: 履带节销半径。单斗液压挖掘机的履带式行走机构的基本结构与其他履带式机构的大致相同，但它多采用两个液压马达各自驱动一条履带。两个液压马达同方向旋转时挖掘机将直线行驶；若只向一个液压马达供油，并将另一个液压马达制动，挖掘机则绕制动一侧的履带转向，若使左、右两液压马达反向旋转，挖掘机将进行原地转向。行走机构的各零部件都安装在整体式行走架上。液压泵输出的压力油经多路换向阀和中央回转接头进入行走液压马达，该马达将压力能转变为输出扭矩后，通过齿轮减速器传给驱动轮，最终卷绕履带以实现挖掘机的行走。4.3本章小结通过对挖掘机工作环境的要求，合理的选择履带式行走装置，根据总体参数确定了履带、托轮、支重轮、导向轮、驱动轮以及行走架等机构形式，其中对驱动轮进行了比较详细的计算。第5章 回转装置设计5.1回转机构的传动方式及特点单斗液压挖掘机回转机构的回转时间约占整个工作循环时间的5070%，能量消耗约占2540%，回转液压油路的发热量约占液压系统总发热量的3040%。因此，合理地确定回转机构的液压油路和结构方案、正确地选择回转机构诸参数，对提高生产率和功能利用率，改善司机的劳动条件，减少工作装置的冲击等具有十分重要的意义。对回转机构的基本要求是：1在角加速度和回转力矩不超过允许值的前提下，应尽可能缩短回转时间。在回转部分惯性已知的情况下，角加速度的大小受最大回转扭矩的限制，该扭矩不应超过行走部分与地面的附着力矩。2回转时工作装置的动载系数不应超过允许值。非全回转的挖掘机回转时，工作装置不应碰撞定位器。回转机构通常分为半回转的回转机构和全回转的回转机构。其中悬挂式液压挖掘机通常采用半回转的回转机构，回转角度一般等于或小于180，且按液动机的结构型式可分为油缸和叶片油马达两类。本次设计采用的是全回转的回转机构。全回转的回转机构按液动机的结构型式可分为“高速方案”和“低速方案”两类。由高速油马达经齿轮减速箱带动回转小齿轮绕回转支承上的固定齿圈滚动，促使转台回转的称为高速方案。由低速大扭矩油马达直接带动回转小齿轮促使转台回转的称为低速方案。这种方案所采用的油马达通常为内曲线式，静力平衡式和星形柱塞式。高速方案和低速方案各有特点。高速油马达具有体积小，效率高，不需背压补油，便于设置小制动器，发热和功率损失小，工作可靠，可以与轴向柱塞泵的零件通用等优点。低速大扭矩油马达具有零件少，传动简单，起动制动性能好，对油污染的敏感性小，使用寿命长等优点。据国外统计，约有80%左右产品采用轴向高速油马达，而有20%左右产品由于买不到经济合理的减速箱而采用低速油马达。在高速方案中采用弯轴式轴向柱塞油马达则占大多数。本次设计采用的是低速方案。其工作原理是外齿圈与行走架相连，内圈体与转台相连，回转时液压马达的齿轮与外齿圈啮合，液压马达齿轮自转同时绕外齿圈公转，从而促使转台相对底盘旋转。5.2回转支承的选择滚动轴承式回转支承广泛用于全回转的挖掘机、起重机和其它机械上。它是在普通滚动轴承基础上发展起来的，结构上相当于放大了的滚动轴承。它与旧式回转支承相比，具有尺寸小，结构紧凑，承载能力大，回转摩擦阻力小，滚动体与滚道之间的间隙小，维护方便、使用寿命长，易于实现“三化”等一系列优点，因而得到广泛应用。它与普通滚动轴承相比，又有其特点。普通滚动轴承的内、外座圈刚度靠轴与轴承座装配来保证，而它的刚度则靠支承它的转台和底架来保证。设计时必须注意底架和转台的刚度是否符合它的需要。滚动轴承式回转支承转速低，通常承受轴向载荷、倾复力矩和径向载荷，因此滚道上接触点的载荷循环次数较少，设计时主要进行负荷能力计算。回转架轴承的选择：因为回转架要承受的力和转矩很大，所以选择双排同径滚珠式轴承，根据工作所需及机械设计手册查得，所选择的回转支承代号为021.30.800 JBT2300，如图5.1图5.1 双排同径滚珠式轴承5.3对回转轴承强度的校核由机械设计手册查得：轴承的基本额定动载荷为Cr= 3210kN，基本额定静载荷为C0r =9460kN，因为油润滑的润滑方式主要用于高温高速的情况，所以应该选择脂润滑，且润滑转速为150r/min。 由设计原始资料得其性能参数为kN又查机械设计手册知：当时 动载荷公式： （5.1）当时，而静载荷 （5.2）其中： ， ，因为 所以动载荷由公式（5.1）kN而静载荷由公式（5.2） kN所以该轴承的强度完全符合需要。由 kN得：载荷P为 kN,又知马达转速n为 r/min，整机预期寿命为h，则轴承的计算寿命为 对于滚子轴承，=10/3 所以h=1000h所以该轴承的使用寿命也符合需要，即所选轴承符合实际的要求。5.4转台最大回转速度rpm (5.3)式中： 单泵的最大输出流量 =138 L/min 回转马达的排量 =104 ml/r总的容积效率 = 回转减速机速比 =22.7回转驱动终端速比 =90/17=5.3由公式（5.4）= = 10.15 rpm 取整为10rpm即 转台最大回转速度为10rpm。5.5连接螺栓计算连接螺栓最大工作载荷计算公式 （kN） （5.3）式中： 作用平面内的径向水平力 F 沿回转中心轴方向的合力 F 螺栓分布圆直径 m 螺栓数目上式中，当轴向力指向支承面时取负号，当轴向力使回转支承离开支承面时取正号。由公式（5.3）kN5.6本章小结回转装置作为影响挖掘机生产率及运行成本的重要部件，也是本次设计的重点，本章主要通过经验方法选择了符合节约生产率要求的回转支撑和传动方案，并比较详细的计算了所选回转支承的强度及设计寿命，通过计算寿命可以得出本次所选的回转装置在满足要求的情况下，增加了使用寿命节约了运行成本，提高了生产率，计算了转台的回转速度和连接螺栓最大工作载荷的计算。第6章 液压系统设计按照挖掘机各个机构和装置的传动要求，把各种液压元件根据一定方式用管路有机地连接起来的组合体叫做挖掘机的液压系统。液压系统的功能是把发动机的机械能以油液为介质，利用油泵转变为液压能，进