小型挖掘机行走装置设计

I 摘 要 当今随着科技的不断进步与发展 各行各业都面临着技术的革新 同时也 面临着来自多方面的挑战 而随着社会的发展进步 工程机械在各行各业中起 到了举足轻重的地位 然而 在不同的环境下 对挖掘机等工程机械的大小 性能的要求有所不同 各种性能参数决定其工作环境 工程机械在国民生产中 有着很重要的位置 它在很大程度上取代了原始的 落后的生产工具 它在现 今中国和全世界的飞速发展的今天功不可没 而挖掘机的行走装置是整个机械 的支撑部分 它承受机械的自重及工作装置挖掘时的反力 使挖掘机稳定的支 撑在地面工作 也是挖掘机在工作场地自由移位的装置 行走装置设计的好坏 会影响挖掘机的机动性 爬坡能力 越野性能 接地比压以及挖掘机的稳定性 等 本设计的主要内容为 液压挖掘机行走装置总体方案设计 绘制装配草图 和总装配图 行走装置牵引力的计算 行走装置传动方案的选择和传动比的设 计计算 一些主要零部件的强度校核 张紧装置 行走架和四轮一带的选型设 计 绘制零 部件图和总装配图 编写设计计算说明书 本设计的主要特点是 本方案设计中提出多种方案 从理论上 实际经验 上 可靠性 可实现性 综合性能等进行方案比较 从而选择最佳方案 技术 设计中应考虑总体配置合理 安全 选材 加工方法和技术条件可行 制图正 确 标注齐全符合国家标准 充分注意整机各子系统之间的相关性 力求整机 性能的一致性和最优化性 关键字 液压挖掘机 行走装置 底盘 II as technology continues to progress and development all walks of life are faced with technology innovation is also facing challenges from a wide range III 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 研究小型挖掘机行走装置的意义 1 1 2 设计背景 1 1 3 国内外小型挖掘机的研究现状和发展趋势和存在问题 2 第 2 章 小型挖掘机概述 3 2 1 小型挖掘机的组成 3 2 2 小型挖掘机行走机构的组成 5 2 3 小型挖掘机类型确定 7 第 3 章 小型挖掘机行走装置传动系统 9 3 1 机械式 9 3 2 液力机械式 9 3 3 全液压式 静液压式和液压机械式 10 3 4 电力式 11 第 4 章 小型挖掘机行走装置的详细设计 13 4 1 行走机构设计的主要参数 13 4 2 行走装置的总体几何尺寸 13 4 3 履带运行阻力计算 15 4 3 1 土壤变形的阻力 即外部行驶阻力 16 4 3 2 履带对地面的水平挤压力 16 4 3 3 履带的运行比阻力 17 4 3 4 坡度阻力 18 4 3 5 内部阻力 18 4 3 6 转弯阻力 21 4 3 7 风载阻力 23 4 3 8 惯性阻力 24 4 3 9 牵引力的校核 25 4 4 平均接地比压的计算 26 4 5 行走装置轮边减速器的设计 26 4 5 1 行星齿轮的传动特点 26 4 5 2 行星减速器传动方案的选定 27 4 5 3 减速器传动比的分配原则 28 4 5 4 行星减速器齿轮的配齿 29 4 6 行走装置张紧结构的设计 29 4 6 1 液压挖掘机张紧装置的结构及工作原理 30 4 6 2 履带式底盘对张紧装置的设计要求 30 4 6 3 张紧弹簧的设计 31 4 6 4 弹簧强度的校核 35 4 6 5 张紧油缸主要尺寸的设计 36 4 7 行走装置功率及挖掘力的设计 37 4 7 1 发动机功率 37 4 7 2 液压功率 37 4 7 3 挖掘力参数 Pf 的计算 37 4 7 4 最大转弯力矩的计算 38 4 8 四轮一带的设计 38 4 8 1 履带的选型设计 38 4 8 2 驱动轮的选型设计 39 4 8 2 1 主要参数的确定 39 4 8 2 2 强度校核 40 4 8 3 导向轮的设计 40 4 8 4 支重轮的设计 41 4 8 5 托轮的计算 41 4 9 行走架设计 42 第 5 章 设计总结和未来展望 43 5 1 总结收获 43 5 2 未来展望 44 参考文献 45 1 第 1 章 绪论 1 1 研究小型挖掘机行走装置的意义 挖掘机在工业与民用建筑 道路建设 农田水力 油田矿山 市政工程 机场 港口等部门土石方施工中 占有重要位置 并反映了这些部门施工机械 化水平 该课题结合机械设计专业的教学内容和国内外液压挖掘机的应用与发 展 对履带式液压挖掘机底盘作较深入的分析研究 根据设计依据及要求 完 成挖掘机行走机构总体及减速器传动设计 进一步掌握挖掘机的设计方法和步 骤 通过毕业设计 使我们进一步巩固 加深对所学的基础理论 基本技能和 专业知识的掌握 使之系统化 综合化 培养我们独立思考 独立工作和综合 运用已学知识分析与解决实际问题的能力 尤其注重培养我们独立获取新知识 的能力 培养我们在方案设计 设计计算 工程绘图 文字表达 文献查阅 计算机应用及工具书使用等方面的基本工作实践能力 使我们树立具有符合国 情和生产实际的正确设计思想和观点 树立严谨 负责 实事求是 刻苦钻研 勇于探索 勇于创新 善于与他人合作的工作作风 1 2 设计背景 随着我国基础设施建设的深入和在建设中挖掘机的广泛应用 挖掘机市场有 着广阔的发展空间 因此发展满足我国国情所需要的挖掘机是十分必要的 而 工作装置作为挖掘机的重要组成部分 对其研究和控制是对整机开发的基础 反铲式单斗液压挖掘机工作装置是一个较复杂的空间机构 国内外对其运动 分析 机构和结构参数优化设计方面都作了较深入的研究 具体的设计特别是 中型挖掘机的设计已经趋于成熟 而关于反铲式单斗液压挖掘机的相关文献也 很多 这些文献从不同侧面对工作装置的设计进行了论述 而笔者的设计知识 和水平还只是一个学步的孩子 进行本课题的设计是为对挖掘机的工作装置设 计有一些大体的认识 巩固所学的知识和提高设计能力 2 1 3 国内外小型挖掘机的研究现状和发展趋势和存在问题 当前 国际上挖掘机的生产正向大型化 微型化 多能化和专用化的方向发 展 国外挖掘机行业重视采用新技术 新工艺 新结构和新材料 加快了向标 准化 系列化 通用化发展的步伐 我国己经形成了挖掘机的系列化生产 近 年来还开发了许多新产品 引进了国外的一些先进的生产率较高的挖掘机型号 1 由于使用性能 技术指标和经济指标上的优越 世界上许多国家 特别是工 业发达国家 都在大力发展单斗液压挖掘机 目前 单斗液压挖掘机的发展着 眼于动力和传动系统的改进以达到高效节能 应用范围不断扩大 成本不断降低 向标准化 模块化发展 以提高零部件 配件的可靠性 从而保证整机的可靠 性 电子计算机监测与控制 实现机电一体化 提高机械作业性能 降低噪音 减少停机维修时间 提高适应能力 消除公害 纵观未来 单斗液压挖掘机有 以下的趋势 1 向大型化发展的同时向微型化发展 2 更为普遍地采用节能技术 3 不断提高可靠性和使用寿命 4 工作装置结构不断改进 工作范围不断扩大 5 由内燃机驱动向电力驱动发展 6 液压系统不断改进 液压元件不断更新 7 应用微电子 气 液等机电一体化综合技术 8 增大铲斗容量 加大功率 提高生产效率 9 人机工程学在设计中的充分利用 3 第第 2 章章 小型挖掘机概述小型挖掘机概述 2 1 小型挖掘机的组成 一般由动力装置 传动装置 行走装置和工作装置等组成 原理 用铲斗 挖掘高于或低于承机面的物料 并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械 用 铲斗从工作面铲装剥离物或矿产品并将其运至排卸地点卸载的自行式采掘机械 历史 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 履带式行走装置如图 所示由 四轮一带 即引导轮 支重轮 托链轮 驱动轮 履带 张紧装置 行走机构 行 走架 推土装置 选用 组成 图 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下产生一个拉力 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 分别由液压泵供油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面 场地上运动 下面介绍主要 组成部分的功能和结构特点 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 4 冲击 所以支重轮所承受的载荷很大 支重轮的工况恶劣 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 以免引起下车共振现象 托链轮 用于托起上部履带 防止其过度下垂 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来替代 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 单筋履带板筋较高 易插入地面产生较大的牵引力 主要用于推土机上 双筋履带板筋稍矮易于转向 且履带板刚度较好 三筋履 带板由于筋多 使履带板的强度和刚度都得以提高 承重能力大 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 带板之间夹进石块而产生过高的张力 导向轮 导向轮用于引导履带正确运转 可以防止跑偏和越轨 大部分液 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面 积 减小比压 导向轮的轮面大多制成光面 中间有挡肩环作导向用 两侧的 环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 侧边的斜度要小 导向轮与最靠近的支重轮距离愈小则导向性能愈好 驱动轮 用来将行走机构的动力传递给履带 因此对驱动轮的主要要求是 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 象 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 又可提高履带的使用寿命 由于液压技术的应用 20 世纪 40 年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬 挂式挖掘机 20 世纪 50 年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和 履带式全液压挖掘机 初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术 缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件 制造质量不够稳定 配套件也不齐全 从 20 世纪 60 年代起 液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段 各国挖掘机制造 5 厂和品种增加很快 产量猛增 1968 1970 年间 液压挖掘机产量已占挖掘机总 产量的 83 目前已接近 100 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 液压系统由液压泵 控制阀 液压缸 液压马达 管路 油箱等组成 电气控制系统包括监控盘 发动机控制系统 泵控制系统 各类传感器 电磁阀等 液压挖掘机一般由工作装置 回转装置 和行走装置三大部分组成 其相应的布置如图 图 挖掘机的基本组成 2 2 小型挖掘机行走机构的组成 液压挖掘机的行走装置 按结构可分为履带式和轮胎式两大类 履带式行走装置的特点是 驱动力大 通常每条履带的驱动力可达机重的 接地比压小 因而越野性能及稳定性好 爬坡能力大 一般为 最大的可达 且转弯半径小 灵活 性好 履带式行走装置在液压挖掘上使用较为普遍 但履带式行走装置制造 成本高 运行速度低 运行和转向时功率消耗大 零件磨损快 因此 挖掘机 长距离运行时需借助于其他运输车辆 6 轮胎式行走装置与履带式的相比 优点是运行速度快 机动性好 运行 时轮胎不损坏路面 因而在城市建设中很受欢迎 缺点是接地比压大 爬坡能 力小 挖掘作业时需要用专门支腿支撑 以确保挖掘机的稳定性和安全性 履带式行走装置组成与工作原理 履带式行走装置由 四轮一带 即驱动 轮 导向轮 支重轮 托轮 以及履带 张紧装置和缓冲弹簧 行走机构 行 走架等组成 挖掘机运行时 驱动轮在履带的紧边 驱动段及接地段 支撑 段 产生一个拉力 企图把履带从支重轮下拉出 由于支重轮下的履带与地面 间有足够的附着力 阻止履带的拉出 迫使驱动轮卷动履带 导向轮再把履带 铺设到地面上 从而使挖掘机借支重轮沿着履带轨道向前运行 液压传动的 履带行走装置 挖掘机转向时由安装在两条履带上 分别由两台液压泵供油的 行走马达 用一台油泵供油时需采用专用的控制阀来操纵 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面 场地上运动 轮胎式行走装置轮胎式液压挖掘机行走装置的结构型式很多 有采用标准 汽车底盘的可轮式拖拉机底盘的 但斗容量稍大 工作性能要求较高的轮胎式 液压挖掘则采用专用的轮胎式底盘行走装置 无支腿 全轮驱动 转台布置在两轴的中间 两轴轮距相同 其优点 是省去了支腿 结构简单 便于在狭窄工地上作业 机动性好 缺点是挖掘机 行走时转向桥负载大 转向操作费力或需要设置液压助力装置 因此这种结构 型式的行走装置仅适用小型轮胎式液压挖掘机 双支腿 全轮驱动 转台偏于固定轴 后桥 一边 其特点是 减轻 了转向桥的负载 使转向操作较轻便 支腿装在固定轴一边 保证了挖掘机作 业时的稳定性 这种结构型式的行走装置多用于小型轮胎式液压挖掘机 四支腿 单轴驱动 转台远离中心 其特点是 驱动轮的轮距较宽 而转向轮的轮距较小 转向时绕垂直轴转动 由于车轮形成三支点布置 受力 较好 无需悬挂摆动装置 行驶时转向半径小 作业时四支腿支撑 稳定性好 其缺点是 在松软地面上行驶会形成三道轮辙 行驶阻力增大 而且三支点底 盘的横向稳定性差 因此这种结构型式的行走装置仅适用于小型挖掘机 四支腿 全轮驱动 转台接近固定轴 后桥 一边 其特点是 前轴 摆动 由于重心偏后 因此转向时阻力小 易操作 并且通过采用大型轮胎和 低压轮胎 因而对地面要求较低 这种结构型式的行走装置广泛应用于中型 7 大型挖掘机上 与履带式液压挖掘机行走装置相比较 轮胎式行走装置的主要特点是 要求地面平整 坚实 以免轮辙过深 增加挖掘机行驶阻力 转向阻 力 影响挖掘机的稳定性 轮胎式挖掘机的行走速度通常不超过 爬坡能力为 为了改善挖掘机的越野性能 宜采用全轮驱动 液压悬挂平衡摆动轴 作业时由液压支腿支撑 使前后桥卸荷并整机稳定性得以提高 综上 履带式行走系比之轮胎式有以下特点 履带式挖掘机的驱动轮只卷绕履带而不在地面滚动 机器全重经支重 轮压在多片履带板上 全部重量都是附着重量 这相当于全轮驱动的轮式机器 加上履带支承面上同时抓地的履齿较轮式机器同时抓地的胎面花纹多得多 所 以履带式机器的牵引附着性能要好得多 与同马力的轮胎式机器相比 由于履带支承面大 接地比压小 一般 小于 所以在松软土壤上的下陷深度小 因而滚动阻力小 有利 于发挥较大的牵引 力 履带销子 销套等运动副使用中要磨损 要有张紧装置调节履带张紧 度 它兼起一定的缓冲作用 履带式行走系重量大 运动惯性大 缓冲减振作用小 结构中最好有 某些弹性元件 履带式行走系结构复杂 金属消耗多 磨损严重 维修量大 运行速 度受限制 履带式行走装置是液压挖掘机用得最多的一种装置 所以 考虑到挖掘机一般在野外作业 工作载荷变化大 作业环境恶劣 技术保养条件差 而履带式行走装置又是液压挖掘机用得最多的一种装置 因 此本设计采用了履带式行走装置 综上所述总体方案的选型设计 最终确定行走装置的动力路线为 柴油 机 液压泵 控制阀 液压马达与减速器总成 驱动轮 履带 8 2 3 小型挖掘机类型确定 按行走方式分类 轮胎式 液压挖挖掘机它可以分为标准汽车底盆 特种汽车底盘 轮式 拖拉机底盘和专用轮胎底盘式 轮胎式液压挖掘机主要用于城市建筑等部门 履带运行和支撑装置 这种装置可分为刚性多支点和刚性少支点 挠性 多支点和挠性少支点四种 斗容量大于 的挖掘机多用履带行走装 履带式 挖掘机主要用于露天开采和矿场开矿 迈步式运行装置 这种装置又可分为偏心轮式 绞式 滑块式和液力式 迈步式又称步行式 挖掘机主要用在松软土壤和沼泽地等接地比较小的工作场 所的剥离作业 有些大型采砂场也使用这种迈步式挖掘机 9 第 3 章 小型挖掘机行走装置传动系统 传动系是动力装置和行走机构之间的动力传动和操纵 控制机构组成的系 统 它将动力装置输出的功率传给驱动轮 并改变动力装置的功率输出特性以 满足工程机械作业行驶要求 传动系根据动力传动形式分为机械式 液力机械式 全液压式和电传动式 等四种传动系统类型 3 1 机械式 所谓机械传动是指传动系统中采用刚性 零部件传递动力的方式 它是通过齿轮 齿 条 带 链等机件传递动力和进行控制 工程机械中使用机械传动系统由 来已久 下面介绍轮胎式与履带式行走的机械式主要传动路线 同时比较机械 式传动的优缺点 轮式 发动机 主离合器 变速箱 传动轴 主传动器 差速器 轮边减速器 履带式 发动机 主离合器 变速箱 传动器 中央传动 终传动装置 优点 结构简单 工作可靠 价廉 传动效率高 可利用惯性作业等 缺点 当外阻力变化剧烈时易熄火 换档时动力中断时间长 机械循环作业时频繁换档劳动强度大 传动系零部件受到的冲击载荷大 机械变速箱档位较多 结构复杂 3 2 液力机械式 在上述机械传动系统中串联或并联加入液力变矩器 或液力偶合器 后 使发动机输出的动力通过液力变矩器 或液力偶合器 及机械传动部件传到驱 10 动轮 这个系统称为液力机械传动系统 液力机械传动分两种情况 一种是在 车辆以低速行驶时 发动机发出的功率 一部分通过液力元件 液力变矩器 另一部分通过机械变速箱 经汇流行星排汇流后输给主动轮 亦称功率分流式 传动 另一种是在车辆高速行驶时利用闭锁离合器将变矩器闭锁 使功率仅从 机械部件传递 液力机械传动的研究对象是如何最大限度地把液力传动和机械 传动的优点结合成一个有机的整体 下面介绍轮胎式与履带式行走的液力机械 式主要传动路线 同时比较液力机械式传动的优缺点 轮式 发动机 变矩器 动力换档 变速箱 传动轴 主传动器 差速器 轮边减速器 履带式 发动机 变矩器 动力换档 变速箱 中央传动 终传动 装置 优点 变速箱档位少 动力换档轻 简化结构 发动机功率利用好 防熄火 换档次数少 劳动强度低 传动系振动小 机械零部件寿命长 机械可实现零起步 起步平稳 缺点 与机械传动系比较 成本相对较高 传动效率较低 适用范围 中 大型施工机械 推土机 装载机 铲运机 高级轿车 重 型汽车等 液力机械式传动系统与机械式传动系统相比有何优点 能自动适应 外阻力的变化 使机械能在一定范围内无级地变更其输出轴转矩与转速 当阻 力增加时 则自动降低转速 增加转矩 从而提高机械的平均速度与生产率 因液力传动的工作介质是液体 所以能吸收并消除来自内燃机及外部的 冲击和振动 从而提高了机械的寿命 因液力装置自身具有无级调速的 特点 故变速器的档位数可以减少 并且因采用动力换档变速器 减小了驾驶 员的劳动强度 简化了机械的操纵 3 3 全液压式 静液压式和液压机械式 液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式 该传 动方式取消了主离合器 变速箱 后桥等传动部件 使工作装置的操纵和整机 11 驱动方式统一 可减轻机重 结构紧凑 总体布置简单 原地转向性能好 可 实现牵引力和速度的无极调整 大大提高了牵引性能 下面介绍静液压式与液 压机械式行走的全液压式主要传动路线 同时比较全液压式传动的优缺点 静液压式 发动机 液压泵 液压马达 轮边减速器 液压机械式 发动机 液压泵 液压马达 减速箱 轮边减速器 优点 无级变速 速度变化范围大 可实现微动 系统元件少 布置方便 维护和操作简单 液压系统本身可实现制动 缺点 液压元件加工精度和密封要求高 国产件的寿命 短 使用维护要 求高 3 4 电力式 电力传动是利用电力设备并调节电参数来传递动力和进行控制 采用发电 机驱动发电机发电 通过电力驱动电动机 进而驱动行走机构与工作机构 工 程机械中最常见的电力传动系统是 电动轮 的形式 其基本原理是有发动机带 动直流发电机 然后用发 电机输出的电能驱动装在车轮中的直流电动机 车 轮和直流电动机 包括减速装置 装成一体称为 电动轮 下面介绍电力式的 主要传动路线 同时比较电力式传动的优缺点 组成 内燃机 发电机 电动机 减速装置 驱动轮 优点 动力装置与车轮间无刚性联系 易总体布置和维修 无级变速 功率利用好 电动轮通用性好 易组合成多种驱动形式 可采用电制动 制动器寿命长 系统易实现自动化 操作方便 缺点 价高 耗有色金属量大 自重大 适用于大型 重型作业机械 12 表 几种传动方式的主要传动特性比较 比较 方式 功能与重 量比 转矩与转 动惯量比 响应速度可控性负载刚度调速范围 机械式小小低差中等小 电力式小小中等中等差中等 全液压式大大高好好好 从上述的介绍与比较不难看出 对本课题所研究的挖掘机类型选择液压式 传动方式是最合理的 而随着液压技术的不断发展和创新 液压方面的一些缺 点已逐渐改善 它的一些独特的优点一直受工程机械的喜爱 如今 流体传动 技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志 所以 在本设计的 传动方式选用液压式 13 第第 4 章章 小型挖掘机小型挖掘机行走装置的详细设计行走装置的详细设计 4 1 行走机构设计的主要参数 1 行驶速度 4km h 2 慢档和退档 1 8km h 3 最大牵引力 4300N 4 标准斗容量 0 02m3 5 预估机重 0 5T 6 发动机功率 37kw 4 2 行走装置的总体几何尺寸 由于本设计初始设计时 一些相关的参数还无法提前确定 所以按照标注 选定法 理论分析计算法等方法得出的参数值不可能都是完全切合的 因此在 未知参数的前提下 本设计有的参数采用了经验公式法进行计算 1 履带带长K K K KA G1 3 4 2 1 9 1 3 1 4 0 5 10 1111mm 式中 KA 为尺寸系数 1 25 1 5 本设计取KA 1 40 G为整机重量 本设计G 0 5T 本设计除特殊说明外 G 含相同 考虑到整体布局 类比同型产品可在此基础上增大 故 可取为 驱动轮与导向轮轴向中心距 L Ki G1 3 4 2 2 9 1 3 1 1 0 5 10 873mm 式中 Ki 为尺寸系数 本设计取 14 Ki 考虑到整体布局 类比同型产品可在此基础上增大 故 可取为 轨距 B KB G1 3 4 2 3 9 1 3 0 76 0 5 10 603mm 式中 KB 为尺寸系数 本设计取 KB 考虑到整体布局 类比同型产品可在此基础上增大 故 可取 为 履带高度H0 H0 KT G1 3 4 2 4 9 1 3 0 32 0 5 10 254mm 式中 KT 为尺寸系数 本设计取 KT 为了整体的整体布局 考虑将其扩大 左右 计算得 H0 履带宽度 根据资料 可以初步确定履带宽度为 底盘总宽 C B b 4 2 5 履带接地长度 L接 15 4 2 6 L L0 35 0 35 9600 35 1222960 1051 7mm k D LKL 接 式中 Dk 为驱动轮直径 约为 后端支重轮到驱动轮间距C3 4 2 7 31ct CKl 2 4 80192mm 式中 KC1为尺寸系数 本设计取 履带节距 t l 根据经验公式 根据 0 25 1517 5 70 982 7 t lGmm 标准 选择履带节距为 前端支重轮到导向轮间距C1 4 2 8 12ct CKl 2 4 80192mm 式中 KC2为尺寸系数 本设计取 两端支重轮间距lo lo L C1 C3 4 2 9 960 192 192576mm 转台离地高h1 h1 K0 G1 3 4 2 10 9 1 3 0 4 0 5 10 317mm 式中 K0为尺寸系数 本设计取 为了整体的整体布局 考虑将其扩大 左右 计算得h1 相邻两支重轮间距 t1 t1 1 2 lt 4 2 11 1 9 80 16 152mm 现将行走机体的主要线性尺寸列于表 4 1 表 4 1 4 3 履带运行阻力计算 履带运行时 由于驱动轮与履带轨链的啮合 履带销轴间的摩擦以及支重 轮 导向轮和驱动轮等滚动阻力和轴颈摩擦阻力等构成了履带运行的阻力 履 带式行走装置的运行阻力有土壤变形阻力 坡度阻力 内阻力和转弯阻力及风 阻力和惯性阻力 4 3 1 土壤变形的阻力 即外部行驶阻力 土壤变形阻力是土壤对履带运行的阻力 由于支重轮沿履带滚动 履带使 土壤受挤压变形而引起的 对于一条履带的变形阻力为 2 10 1 2 w Fbh 对于双履带的变形阻力为 2 110 2 ww FFbh 项目履带长度 K 轨距 B轮距 L履带总 高 H0 履带板宽 b 结果 mm1222665960300330230 17 式中 p0 土壤的变形模量 如下表 取 履带宽度 受压表面下陷深度 土壤变形模量po 单位 KN mn 2 相对含水量 耗水量 塑性上限 土质 10 5 1 0 0 5 沙土147 09 490 3 粘性土980 6 1470 9196 12 588 3 6 49 03 98 06 松土1470 9 2451 5 490 3 980 6 而 可以用以下简化式计算 0 p h 式中 履带接地区段部位的接地比压 用平均比压 土壤抗陷系数 取 故 Fw1 p0bh2 2 41 7 500 5 5000 0 174kN 4 3 2 履带对地面的水平挤压力 图 表示地面在履带滚轮作用下的变形情况 若履带宽度为 则圆周 上挤压土壤的微段 的面积为 则 面上所受挤压力为 4 3 4 dFpp bds 式中 深度 处的比压力 变形土壤 段圆弧面上的总挤压力 挤压力的水平分为 4 3 5 h dFRda 又根据图 设滚轮半径为 则有 18 4 3 6 dsRda 4 3 7 000 coscos p hp RaRa 将式 和式 代入式 得 2 00 cos sincossin h dFbR paaaa da 在土壤变形圆弧段的包角范围内对上式积分 得到 0 22 000 0 11 coscos 22 a hh FdFbR paa 将 代入上式 并经整理化简得到单条履带对地面的水平挤压力 0 cos Rh a R 2 2 0 0 11 22 m h p Fp bhb p 4 3 3 履带的运行比阻力 双履带的地面总变形阻力即为运行阻力 4 3 9 2 0 2 m dh p FFb p 令履带运行比阻力系数 即 4 3 10 d d F mg dd Fmg 将式 4 3 10 代入式 4 3 9 并整理得 4 3 11 222 00 22 dmm d m Fp bp mgLp bpLp 式中 运行比阻力系数 根据试验确定 见表 挖机总工作质量 履带接地长度 表 4 3 1 运行比阻力系数 路面系数比阻力系数路面系数比阻力系数 圆石砌的中级公路 坚实的土地 野地 0 05 0 06 0 06 0 12 0 09 0 12 湿地 冰冻路面 0 10 0 15 0 03 0 04 图 4 5 履带对水平地面的挤压 力 19 由以上分析可得到如下结论 履带运行阻力与成正比 故多支点履带装置比少支点履带的地 面变形阻力小 运行比阻力系数与平均比压力成正比 运行比阻力系数与成反比 故地面愈松软 阻力就愈大 0 运行比阻力系数与履带支承长度 成反比 如果从减小来看 在同样的平均比压力下 应采用较长的履带 而不用宽履带 在实际计算中 通常采用 计算运行比阻力 在坡道中运行比阻 力为 其中 为坡度角度 故 0 1 0 5 9 810 49 d FKN 4 3 4 坡度阻力 坡度阻力是机器在斜坡上因自重的分力所引起的 设坡角为 则坡度阻 力为 4 3 12 sin s Fmga 0 5 9 81 sin352 8KN 式中 挖机总工作质量 4 3 5 内部阻力 1 驱动轮与履带的啮合阻力 1 4 3 13 1 1 ntd FF 式中 履带紧边张力 驱动轮与履带的啮合效率 一般取 2 驱动轮和导向轮轴颈的摩擦阻力 2 驱动轮和导向轮轴颈处的摩擦阻力是由履带的张力造成的 根据驱动轮的 不同旋转方向 可分为两种情况 当驱动轮正向旋转 如图 所示 即 20 挖掘机向前行驶时 履带下分支为紧边 上分支为松边 点处履带张力为 由驱动轮的驱动力矩产生 点处履带的张力为 是由初始张 紧力及履带上分分支悬垂造成的 将驱动轮和导向轮轴颈上的摩擦力矩换算到 驱动轮节圆上 则有 3 5 16 式中 履带紧边张力 履带松边张力 0 轴颈中的摩擦系数用铜衬套 取 驱动轮和导向轮的轴颈直径 假定二者直径相同 驱动轮节圆直径 图 前进时履带运行张力 当驱动轮反向旋转 如图 所示 即挖掘机倒退行驶时 履带下分 支为松边 上分支为紧边 点处履带张力为 点处履带的张力为 0 由驱动轮的驱动力矩产生 同样将驱动和导向轮轴颈上的摩擦力矩换算到 驱动轮节圆上 则有 4 3 13 一般情况下 所以比大得多 0 2 21 图 后退是履带运行张力 由此可见 当挖掘机倒退行驶时 履带中的摩擦损失将比向前行驶时大 因此 挖掘机行走时 一般应后轮驱动 向前行驶 3 履带销轴间的摩擦阻力 3n F 设履带节距为 驱动轮齿数为 则驱动轮每转 一圈 位于节圆上的 块履带板都要绕销轴转动 每块履带板的转角为 4 z 在履带张力作用下每块履带板销轴转过 角所做的摩擦功为 W 4 3 14 111 2 2 tt d WFFd z 式中 履带拉力 履带板销与孔的摩擦系数 履带销轴直径 如前所述 液压挖掘机常用后轮驱动 前进和后退时 履带上下分支中的 张力是不同的 所以履带销轴的摩擦阻力 的计算也分两种情况 3 如图 所示 挖掘机向前行驶 当驱动轮和导向轮转一周时 在 各点均有履带板绕上或绕出 每条履带的履带销轴中的总 摩擦功为 W 4 3 15 01 3 t WFFd 设履带板节距离为 则挖掘机行驶距离为 因此每条履带板销轴摩擦 2 阻力换算到驱动轮节圆上的摩擦阻力为 4 3 16 s 同理可得挖掘机后退行驶时履带销轴中的摩擦力为 4 3 17 01 3 3 2 t n FFd F z t 支重轮的摩擦损阻力 4 这项损失的计算和车辆沿轨道运动一样 22 4 3 18 1 4 3 2 tt n FFd F z t 式中 作用于履带上的总质量 支重轮外径 0 支重轮销轴外径 0 滚动摩擦系数 销轴和支重轮轴套之间的摩擦系数 综上所诉 等效到驱动轮节圆上的每条履带总内阻力分别为 当挖掘机前进时 1 2 3 4 当挖掘机后退时 上面这些计算公式只有当知道履带全部尺寸 即结构设计完成后才能使用 初算时 可取履带本身阻力等于整机单边垂直自重载荷 的 即 0 06 0 5 9 81 0 29KN 4 3 21 0 06 n Fmg 考虑到这些损失 在计算内阻力时也可取履带行走装置效率等于 4 3 6 转弯阻力 履带行走装置转弯时所受到的阻力较为复杂 其中包括履带板与地面的摩 擦阻力 履带板侧面剪切土壤的阻力以及履带板突筋挤压土壤的阻力等 这些 阻力要全部进行详细计算是困难的 但因第一项阻力最大 也是主要的 所以 重点研究履带板在转弯时与地面的摩擦阻力矩 履带板与地面的摩擦阻力矩主要与履带上比压的分布以及不同的工况有关 对于挖掘机来说 由于转弯时机器空载 而且工作装置是悬起的 因此履带比 压基本上可看作均匀分布 因些 履带的转弯运动可看作如图 所示沿折线行走 即履带由 至 至 为直线运行 而在 处绕履带自身转一角度 23 设履带宽为 接地长度为 且 则一条履带的微面积 绕 履带中心点 转动时的力矩 可表示为 d 式中 接地比压 挖掘机转弯时 履带与地面的摩擦系数 一条履带的转弯阻力矩为 4 3 22 式中 挖掘机工作质量 履带接地长度 对于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 倍 即 4 3 23 摩擦系数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 4 3 24 式中 行走履带的转弯半径 履带轨距 单侧履带制动条件下 履带转弯时最大摩擦系数 见下表 表 4 3 4 履带转弯时最大摩擦系数 max 土壤性质土壤性质 值 max 有雪的荒地 干的土路 干的沙路 0 6 0 8 0 7 0 75 0 8 0 9 湿地 耕地 沼泽地 潮湿的黏质土 0 8 1 0 0 85 0 9 0 4 0 5 在实际计算时 值可近似选取 对于坚实地面取较小值 于松软地面取 24 较大值 一般取值范围 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 4 3 25 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 4 3 26 2 代入式 4 3 25 可得 4 3 27 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 大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 根据式 由 有 尾 所以 此时的转弯行驶阻力可表示为 4 3 28 960 0 25 1 15 1 0 0 5 9 81 665 4 3 7 风载阻力 风载阻力可表示为 4 3 29 式中 挖掘机的风载阻力 挖掘机工作状态的风压 取 挖掘机的迎风面积 25 4 3 8 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 惯性阻力为 0 01 0 02 mg N 4 3 30 综上所述 以上 种运行阻力中 以坡度阻力和转弯阻力为最大 往往要 占到总阻力的 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 弯阻力更大 但转弯和爬坡一般不同时进行 因此 可以根据上坡时作直线行 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 总是从下面两种组合情况中选用 较大者 即 爬坡时 4 3 31 转弯时 4 3 32 故 牵引力取 式中 履带式液压挖掘机的行走牵引力 T F 履带式液压挖掘机行走时的运行阻力 d F 履带式液压挖掘机行走时的坡道阻力 s F 履带式液压挖掘机行走时行风载阻力 w F 履带式液压挖掘机行走时的转弯阻力 r F 不稳定运动状态时的惯性阻力 i F 26 履带式液压挖掘机行走时的内阻力 n F 在对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 此可用整机重力估算液压挖掘机的行走牵引力 即 4 3 33 0 700 85 T Fmg 0 8 0 5 9 813 92KN 为了保证挖掘机在坡道上运行 应验算其附着力 即牵引力必须小于履带 和地面之间的附着力 4 3 34 cos Tf FTmga 0 9 0 5 9 81 cos25 4KN 式中 履带和地面间的附着系数 挖掘机的地面附着力 挖掘机整机质量 坡度角 表 4 3 5 履带和地面间的附着系数蠄 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 公路 土路 不良的野 路 0 3 0 4 0 4 0 5 0 3 0 4 0 6 0 8 0 8 0 9 0 6 0 7 难以通过的 断绝路 结冰的坚实 道路 0 2 0 3 0 15 0 3 0 5 0 6 0 3 0 5 4 3 9 牵引力的校核 由上可知 满足牵引力的计算原则 符合设计要求 TTf FFT 27 4 4 平均接地比压的计算 平均接地比压Pc 2 c mg P bL 0 5 9 8 1000 2 0 46 1 222 4 36Kpa 式中 b履带接地宽度 即 为履带接地 区段长度 4 5 行走装置轮边减速器的设计 4 5 1 行星齿轮的传动特点 行星齿轮传动与普通齿轮传动相比较 他具有许多独特的 优点 它的最显著的特点是 在传递动力时它可以进行功率分流 同时 其输 入轴与输出轴具有同轴性 具输出轴与输入轴均设置在同一轴线上 所以 行 星齿轮传动已经被人们用来代替普通齿轮传动 而作为各种机械传动系统中的 减速器 增速器和变速装置 尤其是对于要求体积小 质量轻 结构紧凑和传 动效率高的航空发动机 起重运输 石油化工和兵器等的齿轮传动装置以及需 要差速器的汽车和坦克等车辆的齿轮传动装置 行星齿轮传动已经得到了越来 越广泛的应用 行星齿轮传动的主要特点如下 体积小 质量轻 结构紧凑 承载能力大 由于行星齿轮传动具有功率分流和各中心构成共轴线式的传动以及合理的 运用内啮合齿轮副 因此可使其结构非常紧凑 再由于在中心轮的周围均匀的 分布着数个行星轮来共同分担载荷 从而使得每个齿轮所承载的负荷较小 并 允许这些齿轮采用较小的模数 此外 在结构上充分利用了内啮合承载能力大 和内齿圈本身的可容积 从而有利于缩小其外形尺寸 使其体积小 质量小 28 结构紧凑且承载力大 一般 行星齿轮传动的外形尺寸和质量约为普通齿轮传 动的 即相同的载荷条件下 传动效率高 由于行星齿轮传动结构的对称性 即它具有数个均匀分布的行星轮 使得 作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力能相互平衡 从而有利于达到提高传动 效率的作用 在传动类型选择恰当 机构布置合理的情况下 其效率可达 传动比较大 可以实现运动的合成与分解 只要适当选择行星齿轮传动的类型及配齿方案 便可以少用几个齿轮而获 得很大的传动比 在仅作为传递运动的行星齿轮传动中 其传动比可达到几千 应该指出 行星齿轮传动在其传动比很大时 仍然可以保持结构紧凑 质量小 体积小等许多优点 而且 它还可以实现运动的合成与分解以及实现各种变速 的复杂运动 运动平稳 抗冲击和震动能力较强 由于采用了数个相同的行星轮 均布的分布在中心论的周围 从而可使得 行星轮与转臂的惯性力相互平衡 同时 也使与啮合的齿数增多 故 行星齿 轮的传动平稳 抗冲击和震动能力较强 工作较可靠 总之 行星齿轮具有质量小 体积小 传动比大几小效 率高 类型选型得当 等优点 因此 行星齿轮传动已经广泛应用于工程机械 矿山机械 冶金机械 起重运输机械 轻工机械 石油化工机械 机床 机器 人 汽车 坦克 火炮 飞机 轮船 仪器和仪表等各个方面 行星齿轮传动 不仅适用于高转速 大功率 而且在低速大转矩的传动装置上也已经获得应用 他几乎可以适用一切功率和转速范围 故目前行星传动技术已经世界各国机械 传动发展的重点之一 4 5 2 行星减速器传动方案的选定 行星减速器的传动形式有很多种 以下对最为典型的三种传动形式作简要 说明 1 高速马达和定轴行星混合式行走减速机构 29 此种传动系统一般采用定量的柱塞式 叶片式或齿轮式高速液压马达 行 走液压系统压力一般采用中压 而马达的转速较高 最高时可以达到 3000r min 所以要求齿轮减速机构的传动比也比较大 这种传动方式的部件通 用化程度比较高 便于安装 使用和维修 但是轴向和径向尺寸均较大 对中 小型液压挖掘机的最小轴距和最小离地间隙都有一定的限制 2 低速大转矩马达和一级定轴齿轮减速机构 一级定轴齿轮减速器安装在履带架上 大齿轮和驱动轮装在同一轴上 小 齿轮和行走马达装在同一轴上 这种方案的缺点是马达的径向尺寸大 低速大 转矩马达的成本较高 使用寿命也低于高速马达 在中小型液压挖掘机上的使 用也爱到了限制 3 斜盘式轴向柱塞马达和双行星排减速机构 此机构析液压系统压力可以高达 300MPa 以上 马达转速一般在 2200 r min 以内 双行星排具有较大的传动比 省去了定轴齿轮传动 结构紧凑 适合于专业化批量生产 其中共齿圈式双行星排的结构有以下几种 如图 3 2 比较上述三种典型方案 a 图为齿圈输出带动驱动轮 输出稳定 结构比 较紧凑 布局合理 同时也能获得较大的图为行星架输出 传动比 效率也较 高 b 图齿圈固定 这种结构设计较为复杂 因此本设计选择 a 图结构为减速 器的传动方案 图 4 5 行星减速器 30 4 5 3 减速器传动比的分配原则 由于单级齿轮减速器的传动比最大不超过 10 当总传动比要求超过此值时 应采用二级或多级减速器 此时就应考虑各级传动比的合理分配问题 否则将 影响到减速器外形尺寸的大小 承载能力能否充分发挥等 根据使用要求的不 同 可按下列原则分配传动比 1 使各级传动的承载能力接近于相等 2 使减速器的外廓尺寸和质量最小 3 使传动具有最小的转动惯量 4 使各级传动中大齿轮的浸油深度大致相等 4 5 4 行星减速器齿轮的配齿 行星排的正确啮合和传动 应满足四个配齿条件 即是传动比条件 同心 条件 装 配条件以及相邻条件 根据已知的传动比范围 由表 取行星轮数目 查表 配齿 可得如下可行传动比方案 12 3378 183078 1 6 5 2 4 333 13 3583 193283 1 6 395 2 4 37 13 3277 192977 1 5 923 2 4 053 12 3481 183181 1 6 75 2 4 5 13 3889 193289 1 6 85 2 4 684 31 本设计选 方案 配齿如下表 排数太阳轮 齿数行星轮 齿数齿圈 齿数行星轮数目 第行星排 第行星排 4 6 行走装置张紧结构的设计 履带式液压挖掘机经常在环境条件恶劣的场地工作 因此要求履带张紧装 置具有如下性能 履带受外力或牵引力作用时预紧张力能实现平衡调节 使前 进时不因稍受外力即松驰 使倒退时能产生足够的牵引力 从而保持履带销和驱 动轮齿的正常啮合 履带装置使用一段时间后 由于轨链销轴套的磨损 造 成节距增大 使整个履带下垂 导致磨损履带架 脱轨和掉链等 严重影响行 走性能和使用寿命 为此应能进行调整使履带保持一定的张紧度 4 6 1 液压挖掘机张紧装置的结构及工作原理 如图 所示 为液压挖掘机的张紧装置结构图 它由导向轮通过缓 冲弹簧和张紧油缸固定在履带架上 其工作原理为 用黄油枪将黄油经加油装 置 注入黄油缸 活塞外伸推动张紧弹簧 使导向轮左移来张紧履带 顶紧 弹簧 具有适当的行程 在张紧力过大时弹簧被压缩起缓冲作用 过大的张紧 力消失后 被压缩的弹簧将导向轮推回原位 这样可以保证沿履带架滑动以改 变轮距 保证履带的拆装 减小行走过程的冲击 避免轨链脱轨 图 张紧装置的典型结构及其组成 32 4 6 2 履带式底盘对张紧装置的设计要求 张紧装置的设计要求包括以下几个方面 当履带行走机构受到冲击或越过障碍时 应能依靠缓冲弹簧的弹性行 程完全补偿履带链曲线的变化 以防止行走系统零件过载 因此 要求缓冲弹 赞有必要的弹性行 在正常的工作条件下 不会因上方区段履带的跳动而使张紧轮后移 即此时缓冲弹簧不应产生弹性行程 因此 要求缓冲弹簧应有必要的预紧力 当履带推土机倒退行驶和转向时 不应使后支重轮与驱动链轮之间的 履带因缓冲弹簧的弹性行程而产生履带积聚下垂的现象 因为这种现象会破坏 驱动链轮与履带的啮合 引起履带从行走机构上脱落 为此缓冲弹簧应具有必 要的预紧力 当缓冲弹簧完全受压缩时 缓冲弹黄