履带式液压单斗挖掘机三维建模与仿真

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 1 页 共 49 页履带式液压单斗挖掘机是一种利用单个铲斗挖掘或装载土壤石块的机械,广泛应用于建筑施工、筑路工程、水电工程建设、港口工程、农田改造、国防工事的土石方施工和露天矿场的采掘作业，对减轻繁重的体力劳动，实现土方工程机械化，提高劳动生产率起了很重要作用。液压挖掘机的出现虽然只有 40 多年的历史，但是其发展非常迅速。近年来，在国外市场上，挖掘机行情普遍看涨，特别是液压挖掘机。因此这就更需要设计人员开发新产品并改进旧产品，以适应新的形势来增强市场竞争力。发展新产品和改进旧产品都需要进行产品设计，产品设计包括从明确设计任务到确定产品的结构这一系列复杂的工作。本次毕业设计是在李岚老师的指导下，结合公司实习认识及大学期间的基本理论学习进行“单一的产品仿型设计 ”。这类设计的特点是：在机器的工作原理与基本结构形式不变的条件下，对已有产品进行仿真造型设计，也就是通过计算改变已有产品的零部件尺寸及其不合理的某些结构，使其符合新的设计功能参数与使用环境等要求。这类设计目的明确，机器主要性能参数准确，主要结构形式基本不变，有同类机型但某些参数及尺寸不同的设计资料可以借鉴。本次设计中，考虑的一般因素有：强度、刚度、可靠性、磨损与润滑、振动与噪声、效率、加工工艺、经济性、稳定性、腐蚀、起动与控制、装配工艺、尺寸及重量、外观、安全保护、管理与维修、运输与安装等。本人根据自己选取的较为满意的设计方案、分析所设计机械的特点、使用功能及应满足的主要设计等因素，进行了运动计算、动力计算、强度计算、刚度计算、零件设计、部件设计及运动仿真，决定各个部件的相对位置及连接方法，确定主要零部件的形状尺寸、材料、制造安装等一系列问题。在此基础上，绘出机械的总装图、部件装配图、部分零件图、部件爆炸图及运动仿真工作。本次设计所绘制的挖掘机工作装置总装图是先造型动臂、斗杆、铲斗及液压油缸的部件装配图而后绘制成，之后再进行机器底盘、回转装置、行走装置及驾驶室的设计。设计零件工作图时，是从机器的总体要求出发，综合考虑零部件的强度、刚度、工艺性及经济性等设计因素而绘制成零件工作图。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 2 页 共 49 页1 绪论1.1 课题背景及目的履带式液压单斗挖掘机是工程机械的一个重要品种，是一种广泛用于建筑、铁路、公路、水利、采矿等建设工程的土方机械。工程施工中绝大部分的土方工程是由挖掘机来完成的。液压挖掘机利用液压元件（液压泵、液压马达、液压缸等）带动各种构件动作，以实现挖掘、平整、装载等施工作业。液压挖掘机利用液压传动具有如下优点：1、元件布局安装有很大的灵活性，能构成复杂系统；2、可实现大范围无级调速；3、传递运动平稳，易于实现快速启动、制动和频繁换向；4、操作控制方便、省力，易于实现自动控制和过载保护；5、能自行润滑，元件寿命长等。6、功率密度大，结构紧凑，重量轻等等。因此，液压挖掘机对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，具有重要意义。液压挖掘机整机结构包括上、下车两大部分，上车部分由转台、司机室、发动机、机械传动系统、液压系统和工作装置组成，下车部分由回转支承、底架和行走装置构成。液压挖掘机整机结构的设计是对所需设计的液压挖掘机作初步的全面规划、提出有关数据、资料及总体草图，为进一步设计、分析计算提供依据，同时前期的参数规范化及部件尺寸的完善化也为后期的仿真工作作下铺垫。 1.2 研究意义和其它挖掘机一样,此履带式液压单斗挖掘机将给人类带来诸多方便，能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，还能在农业中得到使用。能适应恶劣的野外工作环境，它在减轻繁重的体力劳动的同时，保证工程质量的前提下，在加快建设速度以及提高劳动生产率的方面也起着相当重要的作用，而且还就具有节约能源的特点，从而使系统发热减少、燃油消耗降低、公害噪声减小、系统设备可靠性提高、液压元件的寿命增长等好处，也可大大节约作业成本和设备维修费用，它必定会受到广大施工作业单位的青睐。通过对履带式液压单斗挖掘机三维建模与仿真，以solidworks2012、AutoCAD2007 等软件来进行挖掘机的结构设计、部分部件受南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 3 页 共 49 页力分析及整体机构外部运动仿真。在对挖掘机的结构设计前通过查阅、整理资料、实地考察、综合运用软件分析等一系列研究方法进行整合，结合实际情况制定实适用且实用的设计方案。掌握挖掘机的设计及运动仿真的方法和过程，任务执行者必须根据任务要求严格执行，同时鼓励提出异议、有所创新。综合所学知识，查阅相关资料及产品样本，掌握最新发展动态，更重要的是设计的产品应符合目前技术发展水平，鼓励采用新技术、新思想。通过本设计能达到以综合训练为目的，有利于培养学生独立工作能力，巩固和提高所学知识。1.3 国内部分学者在挖掘机设计方面的工作1994 年，刘东升在0.8m轮式液压挖掘机对洛阳矿山机械工程设计研究院和工程兵科研一所于 1994 年 10 月联合研制成功的 0.8m轮胎式全液压挖掘机的主要技术参数、主要结构特点进行了介绍。1997 年，西北建筑工程学院王进在全回转步履式液压挖掘机的总体设计提出了步履式液压挖掘机总体设计的基本要求、主要参数的选择与确定方法，及整机主要参数的选择流程框图。1997 年，贾发熔在小型液压挖掘机的选型中对液压挖掘机的发展趋势、分类方法进行了阐述。并提出确定设备型号和供货单位的基本程序是首先从市场信息中选出能满足施工要求的若干型号及设备选型应考虑的问题。罗建炎在液压挖掘机总体参数的经验计算一文中根据国内外百余种液压挖掘机的统计分析，以机重作为主参数，提出了液压挖掘机各种参数的经验公式，可作为液压挖掘机初步设计的参考。西南交通大学新型驱动技术中心的李闯、陈钰尘等在小型液压挖掘机基本参数与整机质量关系中通过对目前整机质量为 3 至 8 吨的液压挖掘机基本参数的统计分析和整理，将整机质量与对应参数值绘制成图表，结果显示基本参数与整机质量存在一定关系。对其进行拟合，其结果可为小型液压挖掘机设计时基本参数确定提供参考。贵阳矿山机器厂的吕韶文在WYL161 轮式液压挖掘机主参数的确定中就WYL161 轮式液压挖掘机的系统功率、主泵排量、主泵及行走马达的起调压力的选择、计算、确定进行论述。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 4 页 共 49 页江苏悦达盐城拖拉机制造有限公司张凤在与轮式拖拉机相配套的液压挖掘机的总体设计分析一文对液压挖掘机的结构性能进行优化设计,通过液压系统的安全可靠设计和整机稳定性的验证,从而确保挖掘机的使用可靠性,以增加拖拉机的使用功能。南京农业大学工学院岳睿、丁为民和江苏清江施拉机有限公司潘祖军、张丙寅在以四轮拖拉机为行走装置的液压挖掘机的总体设计分析中进行了主要参数的选择与计算、挖掘工作装置参数的确定、挖掘装置与拖拉机连接方式的分析与介绍。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 5 页 共 49 页2 履带式液压挖掘机的基本结构与工作原理2.1 设计的基本组成部分图 2.1 履带式液压挖掘机基本组成1、挖掘手（铲斗） 2、铲斗与斗杆连杆机构 3、斗杆 4、铲斗液压油缸 5、斗杆液压油缸 6、动臂 7、动臂液压缸 8、驾驶室 9、尾部机座 10、底盘回转装置 11、行走装置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。如上图 2.1 所示为该设计的基本组成部分。履带式液压挖掘机的基本组成部分一般还包括柴油机、机罩、油箱、多路阀、回转减速器、回转马达、回转接头、操纵台、行走减速器、行走马达、平衡重等。2.2 液压挖掘机基本工作原理工作装置是直接完成挖掘任务的装置。它由动臂、斗杆、铲斗等三部分铰接而成。动臂的起落、斗杆的伸缩和铲斗的转动都是由往复式双作用液压缸控南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 6 页 共 49 页制。为了适应各种不同环境施工作业的需要，液压挖掘机可以配装多种工作装置，如挖掘、起重、装载、平整、推土、冲击等多种机械作业工具。 回转装置与行走装置是液压挖掘机的主体，转台上部设有动力装置和传动系统。发动机是液压挖掘机的动力源，大部分采用柴油机， 也可改用电动机。 液压传动系统通过液压泵将发动机的动力传递给液压马达、液压缸等执行元件，推动工作装置动作，从而完成各种施工作业。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 7 页 共 49 页3 液压挖掘机工作装置的设计3.1 该设计基本参数（已知）履带式液压单斗挖掘机的基本技术参数：整机质量： 6000kg ；标准斗容量： 0.25m3 ；发动机功率： 60kW ；铲斗宽度： 800mm ；最小挖掘深度： 3500mm ；最大挖掘深度： 5800mm ；最大挖掘半径： 6000mm ；最大卸载高度： 3600mm ；液压系统工作压力：28Mpa ；最大流量： 63x2L/min ；爬坡度： 27.8 ；最大牵引力： 48kN ；最大行走速度： 5km/h ；最低行走速度： 3km/h ；外形尺寸（长 x 宽 x 高）：7800 mm x 2100 mm x 2500 mm。3.2 液压挖掘机工作装置的工作原理液压挖掘机工作装置的运作主要分三个阶段完成：（1）动臂借助其支承液压缸活塞杆在工作行程范围内的伸缩，实现动臂围绕转台上的铰接点作旋转运动，进而实现动臂升降和俯仰变位等运动；（2）斗杆与动臂的端部以铰接的形式连接，借助其支承液压油缸（缸的一端支点固定在动臂上）活塞杆在工作行程范围内的伸缩，实现斗杆围绕动臂端部的铰接点作旋转运动，进而改变和确定挖掘方位；（3）控制铲斗铲挖动作的液压油缸的端部支点设在斗杆尾部，通过铲斗液压油缸活塞杆的伸缩及连杆机构的运动，实现铲斗围绕斗杆端部铰接点的旋转南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 8 页 共 49 页运动，进而完成整个挖土过程。铲斗的挖掘力和挖掘深度均可通过铲斗液压油缸活塞杆的伸缩动作进行调整。3.3 液压挖掘机工作装置主要参数的确定3.3.1 铲斗容量铲斗容量的计算一般有两种方法：即平装斗容和堆尖斗容。在国内用于挖掘机铲斗容量标定的标准有：GB/T 219412008 土方机械 液压挖掘机和挖掘装载机的反铲斗和抓铲斗容量标定。其中对液压挖掘机反铲斗平装容量 的确定方法如下。SV（3.1）1SVW各尺寸确定如图 3.1 所示图 3.1 时各尺寸的确定12XY?1标定面2表面积 1S3 的质心以标定面为边界的反铲斗侧向的内表面积。1在铲斗质心处的铲斗截面内部宽度。W反铲斗前缘的切削刃（或切削面）与背板上缘标定面相连的距离。X反铲斗侧板上缘最低点到标定面的最大垂直深度。Y堆尖斗容 的确定方法如下EV南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 9 页 共 49 页（3.2）324446EVWXW各尺寸确定如图 3.2 所示图 3.2 尺寸的确定4W其中 124LWE背板的宽度；1板的内部宽度；2L侧板的厚度E初取 = =0.80m， =0.02m， =0.6m 各项数据代入式（3.2）后得到12EX=0.05645m 。由于本次设计取铲斗容量为 0.25m的铲斗，在预先确定最大EV挖掘半径为 0.60m，铲斗宽度为 0.80m 的情况下，在 Solidworks 中对铲斗进行三维实体造型，通过改变铲斗深度，并利用 Solidworks 中的体积和质量计算功能最终确定出铲斗的合适的几何尺寸。3.3.2 挖掘力南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 10 页 共 49 页如图 3.3 的计算简图：图 3.3 挖掘力计算简图铲斗挖掘力与斗杆挖掘力的计算公式分别为：（3.3）iBACDPlF（3.4）iSESFl式中： BFN铲 斗 挖 掘 力 ， ；S斗 杆 挖 掘 力 ， ；iP工 作 装 置 最 大 设 定 压 力 ， Pa；BA铲 斗 油 缸 作 用 面 积 ， ；S斗 杆 油 缸 作 用 面 积 ， ；Al转 斗 油 缸 作 用 力 臂 ， m；南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 11 页 共 49 页Bl摇 杆 的 作 用 力 臂 ， m；C连 杆 的 作 用 力 臂 ， ；Dl斗 齿 尖 在 转 斗 挖 掘 时 的 作 用 半 径 ， ；E斗 杆 油 缸 作 用 力 臂 ， ；Fl-转 斗 油 缸 在 计 算 位 置 闭 锁 时 ， 斗 齿 尖 在 斗 杆 挖 掘 时 的 作 用 半 径 ， m；( )FDSll斗 杆 长 度 ， ；3.4 动臂液压挖掘机动臂有两种形式：即整体动臂和组合动臂。整体动臂又分为弯臂和直臂两种，反铲一般多用弯臂，以保证其挖掘深度。小型液压挖掘机的动臂为单节式，又有直臂和 V 形弯臂之分。常见的以 V形弯臂为主如图 3.4 所示。单节 V 形弯臂主要用在美国，所以又有美国型动臂之称。在这些机型上，动臂支点向平台中心布置，增加整机稳定性，改善工作装置对平台载荷的不均匀性。采用弯臂是通过增大动臂转角，进而增大挖掘深度。此次设计通过与同类机型类比初定长度为 3600mm（左右）的 V 形弯臂。图 3.4 整体弯动臂南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 12 页 共 49 页3.5 斗杆斗杆有三种形式：即单节、多节和可伸缩斗杆。大多数液压挖掘机的斗杆为单节，如图 3.5 所示，其断面形状多为箱形断面。当全回转液压挖掘机动臂支点位于回转平台中心线后方时，为了增大挖掘深度，采用伸长斗杆。如法国YNMBO 公司产品。该公司与美国万国公司合并， Y 系列改为 3944、3945 等系列产品后，仍保留这一结构。斗杆若伸长 1 米左右，挖深可由 4.5 米增至 5.5 米，挖掘半径和卸载高度可增加 1.2 米。本次设计初定斗杆长度为 1600mm（左右） 。图 3.5 斗杆3.6 铲斗小型液压挖掘机反铲斗与大中型液压挖掘机反铲斗结构相似，普遍采用的反铲斗结构如图 3.6 所示。图 3.6 铲斗南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 13 页 共 49 页挖掘机铲斗前面的斗齿是由合金钢中的特殊性能钢里的耐磨钢制作的，最常用的牌号是 ZGMn13，这种钢含碳量约为 1%，含锰量约为 13%，铸造成形后水韧处理后使用。斗齿的安装应易于更换，其安装的方式很多，最普遍的是螺栓连接和楔连接。斗齿与铲斗的连接也可采用焊接结构。小型反铲一般都备有几种容量的铲斗(不同的铲斗宽度)，适应不同土质的需要。挖掘粘性土壤时，铲斗要具有良好的倾泄性，在铲斗内可加装排土板。3.7 动臂液压油缸的设计液压油缸的使用在工程中极度频繁，它的工作性能和可靠性直接影响工程的质量和效率；利用数控电液伺服阀来控制液压油缸，可以实现输出线性和实时控制，在很大程度上改善工程油缸的使用性能；实施控制的器件为可编程逻辑控制器（Programmable Logical Controller），选用德国西门子 STEP7-200 进行编程，接口简单易懂。3.7.1 动臂液压缸有关基本参数的确定根据同类液压挖掘机的比较并联系上述挖掘机的基本参数查阅相关液压元件手册确定油缸的内径与外径、活塞杆直径及行程等参数:油缸内径：D=125 mm ；油缸外径： =152 mm ；1D缸筒壁厚： =13.5 mm ；极限推力： =48000 N ；maxF速比： =2；活塞杆直径： =90 mm ；0d油缸工作行程： S=800 mm ；3.7.2 相关零部件的选用密封装置的选用选用密封档圈，聚氨酯（PU）和聚四氟乙烯（PTFE）材料联合使用，达到良好的密封效果。工作介质的选用南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 14 页 共 49 页因为工作在常温下，所以选用普通的液压油（l-hm46）即可。3.7.3 动臂油缸的布置动臂油缸一般布置在动臂前下端，下端与回转平台铰接，常见的有两种具体布置方式：油缸前倾布置和油缸后倾布置方式。图 3.7 动臂油缸前倾布置油缸前倾布置方案，如图 3.7 所示，动臂油缸与动臂铰接于 E 点。当动臂油缸全伸出，将动臂举升至上极限位置时，动臂油缸轴线向转台前方倾斜。3.7.4 液压缸的装配装配前必须对各零件仔细清洗；要正确安装各处的密封装置：安装形密封圈时，要注意其安装方向，避免因装反而漏油，其唇边应正对着有压力的油腔。此外，因为是密封挡圈，所以还要注意区别是轴用与孔用，避免安装错误；由于密封装置与滑动表面配合，装配时应涂以适量的液压油； 螺纹联接件拧紧时应使用专用扳手，扭转力矩应符合标准要求；活塞与活塞杆装配后，必须测量其同轴度和在全长上的直线度是否超差；装配完毕后活塞组件移动时应无阻滞感和阻力大小不匀等现象。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 15 页 共 49 页缸筒的要求：有足够强度，能够承受动态工作压力，长时间工作不会变形；有足够刚度，承受活塞侧向力和安装反作用力时不会弯曲；内表面和导向套与密封件之间的摩擦小，保证长时间使用；缸筒和法兰要良好焊接，不产生裂纹。3.8 斗杆液压油缸的设计3.8.1 斗杆油缸基本参数的确定同上根据同类液压挖掘机的类比得到斗杆油缸的基本参数：油缸内径：D=100 mm ；南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 16 页 共 49 页油缸外径： =121 mm ；1D缸筒壁厚： =10.5 mm ；速比： =2；活塞杆直径： =70 mm ；0d油缸工作行程： S=800 mm ；3.8.2 斗杆油缸的布置 保证斗杆油缸产生足够的斗齿挖掘力：即油缸从最短长度开始伸展时和油缸最大伸展时产生的斗齿挖掘力应该大于正常挖掘阻力。油缸全伸时的作用力矩应该足以支撑满载铲斗且保证斗杆静止不动。油缸作用力臂最大时产生的最大斗齿挖掘力应大于要求克服的最大挖掘阻力。 确保斗杆的摆角范围：斗杆摆角范围一般取 100- 130。在斗杆油缸和铲斗油缸同时伸出最长时，铲斗前壁和动臂之间的距离应大于 10cm。一般情况下，斗杆越长，则其摆角范围可以取得越小。3.9 铲斗液压油缸的设计3.9.1 铲斗油缸的基本参数油缸内径：D=80 mm ；油缸外径： =102 mm ；1D缸筒壁厚： =11 mm ；速比： =2；活塞杆直径： =50 mm ；0d油缸工作行程： S=600 mm ；3.9.2 铲斗油缸的布置确定铲斗油缸铰点、行程及连杆机构力臂比时应考虑以下因素。 保证铲斗挖掘时产生足够大的斗齿挖掘力，即在铲斗油缸全行程中产生的斗齿挖掘力应大于正常工作情况下的挖掘阻力。当铲斗油缸作用力臂最大时，所产生的最大斗齿挖掘力应基本上等于最大挖掘阻力。当油缸全伸时，应能保证铲斗满载静止不动。 保证铲斗的摆角范围。铲斗的摆角范围一般取 140- 160。在特殊作南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 17 页 共 49 页业时可以大于 180。当铲斗油缸全缩时，铲斗与斗杆轴线夹角（在轴线上方）应大于 10，常取 15- 25，铲斗油缸全伸、铲斗满载回转时，应保证斗杆与铲斗平稳使土壤不从斗中撒落。3.10 液压挖掘机挖掘范围图 3.8 挖掘轨迹包络图反铲工作装置的挖掘轨迹包络图如图 3.8 所示，就即反铲液压挖掘机在机体不移动的任一固定位置时所能达到的作业范围。由图 3.8 可知，液压挖掘机挖掘时各个方向的工作尺寸中，最能反映反铲液压挖掘机工作特性的是最大挖掘深度 J 和水平面上最大挖掘半径 M。停机位置的下方(图 3.8 包络线内的阴影部分)是不允许工作的，这是为了确保挖掘机的安全与稳定。挖掘机的最大挖掘力及其发挥情况决定于液压系统的工作压力、油缸尺寸和各油缸力的匹配，同时也受整机稳定和地面附着条件的影响。斗齿的挖掘轨迹取决于各油缸的运动及其相互配合的情况。若仅以动臂油缸工作(斗杆油缸与铲斗油缸呈零行程状态时)，则可得到最大的挖掘半径 R 和南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 18 页 共 49 页最长的挖掘行程。此时，挖掘轨迹是以动臂下面的铰点为圆心、斗齿至该铰点的距离为半径而划成的圆弧线，如图 3.8 中的弧 和弧 。其中最大挖?ABEF掘高度 I 和挖掘深度 J 分别决定于动臂的最大上倾角和最大下倾角(动臂对水平线的夹角)，而最大倾角则由动臂油缸的行程和铰点位置的匹配关系决定。这种挖掘方式在实际中是很少采用的，因为很少有用动臂挖掘的适当面，也很少有单独使用动臂挖掘的情况。若仅使斗杆油缸工作进行挖掘，则斗齿挖掘轨迹是以斗杆支承铰点(即动臂上铰点)为圆心，斗齿至该铰点的距离为半径所划的圆弧线，如图 3.8 中弧 和弧 。圆弧线的长度与包角决定于斗杆油缸的行程。当动臂位于最大?CDGH下倾角、铲斗最大张开并且仅使斗杆油缸进行挖掘工作时，可以得到最大的挖掘深度 J，而且有较大的挖掘行程。这在较坚硬的土质条件下工作时，虽然切削深度不大，但在转斗动作的配合下，亦能保证铲满全斗。因此，单斗液压挖掘机在挖掘过程中一般以斗杆的动作为主。当调整好动臂油缸和斗杆油缸的挖掘位置而以铲斗油缸进行挖掘时，斗齿的挖掘轨迹则是以铲斗的支承铰点(即斗杆前端铰点)为圆心，以该铰点至斗齿的距离为半径所划的圆弧线，如图 3.8 中弧 、 、 、 。圆弧?BCDE?FGAH线的长度与包角决定于铲斗油缸的行程。用铲斗油缸挖掘时的挖掘行程较短，为使铲斗在较短行程内装满物料，则加大切削深度，亦需要较大的挖掘力。一般液压挖掘机的斗齿最大挖掘力均在铲斗油缸工作时出现。这种挖掘方式称为转斗挖掘，适宜于挖掘松软土壤(多为 III 级以下土壤)。实际工作中，为了随时改变切削角，一般也不单独使用，大多情况下采用动臂与斗杆配合工作。液压挖掘机的实际挖掘工作是采用各油缸的联合动作来完成的。3.11 工作装置的仿真工作 通过以上对工作装置各零件的介绍及参数的确定，利用三维绘图软件Solidworks 将各零部件造型完毕并按照实际要求装配。各零部件的造型过程同时也是对参数的进一步检验。在造型完成后需要完成的则是对受力频繁或运动频繁的零件的受力分析，利用 Solidworks 中的 Simulation 模块可有效的完成这一过程。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 19 页 共 49 页这一装置最后需完成的就是整体的运动模拟或是动画仿真。利用Solidworks 中的 Motion 分析模块可以有效的完成这一部分的工作以实现此装置的仿真。图 3.9 斗杆的 Simulation 分析南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 20 页 共 49 页图 3.10 工作装置的建模南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 21 页 共 49 页4 液压挖掘机回转装置的设计回转装置由转台、回转支承和回起机构等组成，回转支承的外座圈用螺栓与转台联结，带齿的内座圈与底架用螺栓衔接，内、外座圈之间设有滚动体，挖掘机装置作用在转台上的垂直载荷、水准载荷和倾覆力矩穿过回转支承的外座圈、滚动体和内座圈传给底架。回起机构的壳体稳定在转台上，用小齿轮与回转支承内座圈上的齿圈相啮合。小齿轮既可绕自身的轴线自转，又可绕转台中央线公转，当回起机构作业时，转台就相对底架举行回转。回转装置的作用是将回转部分支承在固定部分上。要求机器不倾翻，回转轻便灵活。为此，挖掘机设置了回转支承装置及回转传动装置，统称为回转装置。在单斗液压挖掘机的一个工作循环中，回转运动时间约占 50%-70%，能量消耗占 25% - 40%，回转液压系统发热量占总发热量的 30% - 40%，所以应合理确定回转机构传动与结构方案，正确选择回转机构参数，这对提高挖掘机的生产能力和功能利用具有很大的意义。图 4.1 液压挖掘机的回转装置的设计4.1 回转支承装置单斗液压挖掘机的回转支承装置有两大类：转盘式与转柱式。挖掘机回转支承采纳的是转盘式回转支承，小松液压挖掘机采纳的是转柱式回转支承，回南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 22 页 共 49 页转局部的转角平常等于或小于 180。它由焊接在回转体上的上、下支承轴及上、下轴承座等形成。轴承利用螺栓稳定在机架上，穿过插装在撑持轴上的液压马达使回转体转动。转盘式回转支承用于全回转挖掘机，分为三种类型：少支点支承滚轮式、多支点支承滚子夹圈式和滚动轴承式。以前挖掘机和起重机都采用滚轮式或滚子夹圈式支承，但此两种方式有共同的缺点：回转阻力大、尺寸大、机械重心偏高、滚动部分露在外面、易污染、磨损快，从而使轨道与滚子间的间隙增加，工作时容易产生冲击载荷，目前采用这两种方式的较少。现在，液压挖掘机已普遍采用滚动轴承式回转支承。因此此次设计采用滚动轴承式回转支承。下面对滚动轴承式回转支撑作以下介绍：滚动轴承式回转支承（滚盘）是一个大直径的滚动轴承，它能承受更大的轴向载荷和倾覆力矩。这种滚盘与普通的滚动轴承有所不同，其转速很慢(挖掘机为 710r/min)。一般轴承滚道中心直径与高度之比为 45，而滚盘则为1015。这种支承的刚度较差，工作中靠支承连接结构来保证。图 4.2 滚动轴承式支承1下座圈；2调整垫片；3上圈座；4、5螺栓；6内齿圈；7隔离体；8滚动体；9油嘴；10密封装置南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 23 页 共 49 页滚动轴承式回转支承的典型构造如图 4.2 所示。内座圈或外座圈可加工成内齿圈或外齿圈。带有齿圈的座圈为固定座圈，用沿圆周分布的螺栓 4、5 固定在底座上。不带有齿圈的座圈为回转圈，用螺栓与挖掘机转台连接。装配时，可先将座圈 1、3 和滚动体 8 装好，形成一个完整的部件，然后再与挖掘机组装。为保证转动灵活，防止受热膨胀后产生卡死现象，滚盘要留有一定的轴向间隙。此间隙因加工误差和滚道与滚动体的磨损而变化。故在两座圈间设调整垫片2(装配和修理时可以调整间隙)。隔离体 7 用来防止相邻滚动体 8 间的挤压，减少滚动体的磨损，并起导向作用。 滚动体可以是滚珠或滚柱，它与滚道接触点的法线同轴承水平轴线间夹角称为接触角 (图 4.3)。滚道半径 R 与滚珠直径 d(d=2r)的关系一般为:R=0.52d。图 4.3 接触角示意图小齿轮与齿圈的啮合有内、外啮合两种方式。内啮合时，齿根强度较大、防尘能力好、机体高度可降低、支承结构简化；缺点是保养困难、造价高、减速比小(即节圆直径小)，由于受支承直径的限制，多用在中小型挖掘机上。外啮合齿圈的节圆直径大，减速比也大，因而可用于体积小、结构简单、减速比小的回转减速箱；但齿轮外露，易污染磨损，需加防护罩。根据滚动体的型式与排数，滚动轴承式支承主要有以下几种型式。排滚珠式单排滚珠式回转支承的滚道一般为圆弧曲面，如图 4.4 所示。滚珠与内、外座圈的滚道为四点接触，接触角一般为 45。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 24 页 共 49 页在承受载荷时，座圈会产生偏移。内圈向左偏移，使右面滚珠受到数值更大的下压力；右面滚珠受向上的挤压力。若同时有水平力作用，也由滚珠承受。因此，它可传递不同方向的轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩。图 4.4 单排滚珠式回转支承a 外啮合 b 内啮合1固定到底架上的下座圈；2滚珠；3固定到转台上的上座圈由图 4.5 看出，滚珠受力大小与接触角 在接触点上成正弦函数比例关系。外载荷增加，座圈偏移， 增大，从而减少对滚珠的法向作用力。图 4.5 滚珠受力示意图单排滚珠式支承的特点是：结构紧凑、重量轻、安装中允许有适度的误差，但滚道加工较复杂，承载能力小，属于轻型回转支承。若与其连接的构件刚度较低，则在 Q、M 作用下，会引起滚道分离，影响啮合。滚珠的安装方法有两种：一、将座圈之一制成剖分式；二、内、外座圈分南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 25 页 共 49 页别为两个整体，滚珠和隔离体从内圈或外圈的径向装填孔装进滚道。这种安装方法成本低，且座圈为整体、刚性好，应用广泛，因此此次设计采用后者方案，如图 4.6 所示。图 4.6 滚珠填充式安装1外座圈；2滚珠；3内座圈；4装填塞双排滚珠式双排滚珠支承如图 4-7 所示，由上、下两排滚珠、内外座圈、隔离体、密封和润滑装置等组成，内外座圈中的一个可制成上下分片式。上排滚珠承受载荷较大，故滚珠直径较小。在较大的轴向力和倾覆力矩作用下，可将其接触角设计成能白由地移动到接近 90。因此，它的优点是比同样大小，同样数目单排滚珠支承的承载能力大得多，且在承受载荷时，不会引起滚道分离，保证齿轮正常啮合，但它的缺点是成本较高。图 4.7 a 双排同径式滚珠支承 b 双排异径式滚珠支承交叉滚柱式交叉滚柱支承结构与单排滚珠支承类似，负荷通过圆柱形滚柱传递。滚珠以 45倾角交叉排列如图 4.8，可用隔离体亦可不用隔离体。某方向的一圈滚柱承受一个方向的作用力，与之成 90方向交叉排列的滚柱则承受另一方向的南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 26 页 共 49 页作用力(可同时承受 Q、M 和 H 的作用)。根据载荷情况 (Q、M 的大小)，可将滚柱总数的 2/3 或 3/4 朝一个方向倾斜，以提高承受轴向力 Q 的能力，但此时要加隔离体。滚柱长度较其直径小，以保证只与一对滚道表面接触，承受一个方向的载荷。由于滚柱与滚道是线接触，接触应力分布在整个滚道面上，延长了使用寿命并具有承载能力高、加工工艺简单、结构紧凑、重量轻、高度小(降低重心，提高稳定性)等优点，所以单斗液压挖掘机上应用较多。但它对相邻结构的刚度和安装精度要求较高，以防止出现边缘载荷，形成点接触。图 4.8 交叉滚柱支承a外啮合 b内啮合液压挖掘机工作时转台上部受力和载荷的合力位子是时常变动的，并偏向载荷方向。为均衡载荷力矩，转台上的各个装置必须合理安排，并在尾部设置安装配重，以改进转台下部构造的受力，减少回转支承的损耗，保障整机的安定性。液压挖掘机回转传动装置主要包括回转液压马达、回转减速器和回转驱动小齿轮及固定齿圈。4.2 回转传动装置4.2.1 回转液压马达回转液压马达如图 4.9 所示，一般采用斜轴式或斜盘式柱塞马达，内部带有液压制动器及摩擦片式制动器。马达的主要零件有固定式斜盘、缸体、柱塞、配流盘、马达外壳和停车制动器。停车制动器是湿式多片制动器，由中心板和摩擦片组成。滑靴嵌入每根柱塞内。而缸体内共有根带滑靴的柱塞。缸体通过花键装在轴上。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 27 页 共 49 页回转马达转速的变化取决于由泵输送来的油量大小。油泵来的油从马达进油口流入，使柱塞从下死点向上死点移动。然后，滑靴沿着斜盘滑动，使柱塞在缸体内作往复直线运动。当高压油从进油口进入时，带动回转马达输出轴旋转，转矩通过轴传递到回转减速箱，带动上部转台旋转。回油从马达出口流出，然后返回到液压油箱中。当高压油以上述情况相反的方向进入回转马达时，马达反方向旋转，同理上部转台也反向回转。图 4.9 回转马达1中心板；2摩擦片；3配流盘；4滑靴；5固定式斜盘；6马达外壳；7轴；8柱塞；9缸体为把回转液压回路的压力限制在过载溢流阀的调定值内，并在转台启动和停止时起缓冲作用，回转马达上设有防过载及补油阀组件。在执行回转平台停止操作时，回转操纵手柄回位，回转马达的进油口和出油口均被关闭，而此时上部平台结构在惯性力作用下会带动马达继续旋转，从而使马达出油道中的压力升高，进油口压力降低至产生真空。防过载阀的作用就是在这种情况下释放南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 28 页 共 49 页马达内部高压，并吸收上部平台结构的惯性力，而补油阀组件为防止出现真空，将回油管中的油通过补油管和单向阀向马达转动组件补充油液。当回转马达供油不足时，补油阀组件通过回油管背压也可增加对马达转动组件的供油量。4.2.2 回转减速器图 4.10 回转减速器低速传动方案。其优点是零件少、结构紧凑、能产生较大扭矩、扭矩与转速均匀、低速稳定性和制动性能好；缺点是马达本身体积大、效率低。高速传动方案。用高速定量轴向柱塞式液压马达通过齿轮减速箱驱动回转小齿轮。高速马达在结构上与同类型泵相同，零件可通用，与低速马达相比，其有优点是体积小、效率高、不需背压补油、便于设置小制动器、发热及功率损失小、工作可靠。4.3 液压挖掘机回转机构的运动分析4.3.1 满斗回转时平台加速南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 29 页 共 49 页加速阶段平台总转角为 （4.1）31126qSM加速阶段平台总加速时间为 （4.2）2112qS Jtt式中 ；J m?满 斗 时 挖 掘 机 平 台 转 动 惯 量 ， kg ；M挖 掘 机 平 台 回 转 启 动 力 矩 ， N 。1等 加 速 结 束 或 变 加 速 开 始 时 平 台 的 瞬 时 角 速 度 ， rad/s鉴于本设计的侧重点是对整机的造型建模及运动仿真，因此建模时在不影响整体仿真的情况下对此部分进行了适当的简化。4.3.2 满斗回转时平台减速挖掘机平台制动力矩 为常数，一般 。设 ，则平台满BMBM/BC斗回转减速时间为（4.3）BqqJt平台减速时转角为 （4.42qBCM）南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 30 页 共 49 页5 液压挖掘机行走装置的设计行走装置是挖掘机的支承部分，它承受机械自重及作业时的其它作用力，来保证挖掘机稳定支承在地面上工作。单斗液压挖掘机广泛采用履带式和轮胎式行走装置，此设计采用履带行走装置。5.1 行走装置的介绍履带行走装置的典型结构如图 5.1 所示，由连接回转支承装置的行走架 4 通过支重轮 7、履带 5 将载荷传至地面。履带呈封闭状环绕过驱动轮 1 和导向轮2，为了减少履带上分支挠度，履带由 12 个托链轮 2 支持。行走装置的动力由行走液压马达经过行走减速机传到驱动轮 9，使整个行走装置运行。当履带由于磨损而伸长时，可由张紧装置 6 调整其松紧度。图 5.1 履带行走机构图1驱动轮；2托链轮；3支重轮；4行走架；5履带；6张紧装置；7导向轮5.1.1 驱动轮南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 31 页 共 49 页图 5.2 组合式履带驱动轮驱动轮常位于行走装置的后部，缩短履带驱动段的长度并提高履带的使用寿命，其形状如上图 托链轮托链轮的作用是托起上部履带，防止其过度下垂。5.1.3 支重轮挖掘机行走时支重轮受到冲击，承受载荷较大，是挖掘机重力传递还给地面履带的纽带。由于其采用滑动轴承较多，因此采用油封防尘。5.1.4 行走架行走架按结构的不同分为：箱式、组合式和整体式。箱式行走架箱式结构的行走架，一般用在少支点支承的挖掘机上。底架为封闭的格式结构，以保证其强度和刚度，底架一般直接和履带架相连。为了方便运输，这种机构往往做成将履带架用高强度螺栓连接于行走架。箱式行走架刚度大、承载能力高，可保证挖掘机就地转弯时有较好的刚性。缺点是驱动轮采用悬臂安装方式，承受附加的弯矩，同时底架和履带架的连接处受力也较大。组合式行走架组合式行走架的底架为框架结构，横梁是工字钢或焊接的箱形梁，插入履带架孔中。履带架通常采用下部敞开的“门”形截面，以方便安装驱动轮、导向轮和支重轮。组合式行走结构的优点是不需改变底架结构就能换装加宽的横梁或加长的履带架，就能改善挖掘机的稳定性并降低接地比压。缺点是履带架截面削弱较多，刚性较差，在截面削弱处很容易产生裂缝。整体式行走架南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 32 页 共 49 页整体式行走架是在组合式行走架的基础上发展起来的，适用于大批量生产以降低成本，现在中小型液压挖掘机上应用极为广泛。将底架、横梁和履带架焊为一体，使其具有构造简单、布置紧凑、质量轻、刚性好等一系列优点。由于此结构可使支重轮直径做的较小，使得支重轮数量每边可装 5 至 9 个,因此机器重力和挖掘力产生的压力，可以均匀的传给地面，从而利于在承载能力较低的地面使用。结合上面分析，本次设计采用整体式行走架。如图 5.3 所示。图 5.3 整体式行走架5.1.5 履带考虑到机器的稳定性、足够的牵引力并适应更困难的工况施工，此设计采用组合式履带结构。5.1.6 履带张紧装置图 5.4 履带张紧装置1张紧轮；2叉架；3防尘油封；4Y 型油封；5缸筒；6O 形圈；南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 33 页 共 49 页7缓冲弹簧；8机架；9弹簧座；10弹簧杆；11柱塞履带张装置的作用是保证履带行走装置的正常工作，减小行走的冲击载荷和额外的功率损耗，并保证履带具有一定的张紧度。履带的张紧装置借助于导向轮来实现对履带的张紧。5.1.7 导向轮导向轮的作用是引导履带正确旋转以及防止其跑偏等。5.2 行走装置的设计与仿真图 5.5 行走装置的设计导向轮与张紧油缸、张紧弹簧相连接，式履带张紧度适当；在履带前端受到外力冲击时，通过导向轮将冲击力传到张紧弹簧起缓冲作用，防止履带损伤。终传动包括行走马达和行走减速机构，作为驱动轮为机器行走提供动力，将液压能通过行走马达转变为机械能，经过齿轮减速机构减速，转矩增加，由链轮带动履带转动实现机器行走。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 34 页 共 49 页6 液压挖掘机驾驶室的设计6.1 驾驶室的总体设计要求驾驶室要视野开阔、美观大方，具有一定的审美价值。比例、尺寸符合人机工程学及审美学要求。具有保障驾驶员人身安全的结构形式或措施，主要指防倾翻装置。室内应空气畅通，温度可以调节。具有隔热、减振及降噪功能。具备足够的刚性和强度。图 6.1 驾驶室造型外观图6.2 驾驶室座椅的设计要求座椅的形式和尺度与驾驶者坐的目的有关；座椅的尺度必须与相对应的驾驶员测量值配合，人体坐姿时各关节舒适角度；座椅的设计必须能提供驾驶者足够的支撑与稳定作用；座椅的设计必须能使驾驶者改变其姿势，但其椅垫必须足以防止坐姿行为中的滑脱现象；靠背特别是在腰部的支撑，可降低脊柱所产生的紧张压力；南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 35 页 共 49 页座垫必须有充分的衬垫和适当的硬度使之有助于将人体的压力分布于坐骨结节附近。6.3 操作装置的布置要求挖掘机驾驶员通过控制各种操作装置来完成挖掘机的行走、运转以及铲斗的挖掘、卸料等动作。挖掘机的主要操作装置分为以下几类，操纵杆、脚踏板、扶手和各种电气按钮。操纵杆、脚踏板和扶手受自身形状和体积的制约布置时必须综合考虑各方面的因素，特别是人体生理学方面的要求。液压挖掘机的驾驶室是操作人员的工作场所，由于挖掘机工作环境恶劣，噪声大，操作人员极易产生疲劳，所以一个好的驾驶室的设计不仅要将各操作装置布置合理，还应使驾驶室有一定隔音效果和一个舒适的座椅。因此挖掘机驾驶室的设计应采用人机工程学原理来设计。同时驾驶室应具有一定的刚度，在翻车时能对操作人员起到一定安全保护作用。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 36 页 共 49 页7 液压挖掘机整机的运动仿真分析此设计的最终目的是通过建模实现利用软件对整机运动的 Motion 分析，进一步体现在优化设计各主要部件的基础上达到整机节能的目的。达到节能目的的原理基础是液压二次调节技术。在恒压力源网络中，对液压马达（或液压泵）进行控制称为二次调节。二次调节系统是由恒压力源、变量马达和蓄能器组成的控制系统。由于它没有节流损失和溢流损失的缺陷，因此它的发展前景非常广泛。如下图 7.1 为整机的效果图南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 37 页 共 49 页综上，履带式液压单斗挖掘机的设计已经完成，包括机器基本参数确定，各基本零部件的造型及整机的运动模拟等，限于本人的能力，此设计可能仍有较多的漏洞，进一步优化的空间仍然很大，希望老师予以辅导从而使本设计不断完善。参考文献1黎志勒，黎苏.汽车排气系统噪声与消声器设计.中国环境科学出版社2张志华，周松.内燃机排放与噪声控制.哈尔滨工程大学出版社3邓水英.挖掘机运用与维护M.北京：北京大学出版社，20104液压挖掘机结构及使用M.长沙：三一研究院，20065 王宗君. 加速挖掘机改进创新促进挖掘机生产企业的振兴和发展.19986 左丽,马彦刚,张银彩.液压挖掘机油泵控制系统节能分析.19987 雷天觉. 液压工程手册. 机械工业出版社.19908 谢红,施炜; 用SolidWorks计算机软件进行装配体三维设计J;机械设计与制造;2002年01期9 刘宏军,赵红,翟斌; 机械产品的CAD/CAM应用及三维造型技术J;机械设计与制造;2004年01期10 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