便携式电动挖穴机设计

本文介绍了手提式挖坑机的相关背景、国内外研究现状、挖坑机的设计要求及其类型、工作原理、技术性能。通过对原始数据的分析比较、方案的论证以及综合考虑，完成了手提式挖坑机的总体设计。在此基础上对手提式挖坑机从结构原理、动力选择、离合器的设计、螺旋钻头的设计、减速器设计进行阐述。摆线针轮行星减速器作为重要的机械传动部件具有体积小、重量轻、传动效率高的特点。本设计在全面考虑多齿啮合、运转平稳、轮齿均载等运动学和动力学的要求，实现高承载能力、高传递效率、高可靠性和优良动力学性能等指标，而且要便于制造、装配和检修，设计了该具有合理结构的摆线针轮行星减速器。本设计建立了合理的动力分析数学模型，对摆线针轮传动中的摆线轮、转臂轴承、柱销及轴进行准确的受力分析，并其求解。计算并校核主要件的强度及转臂轴承、各支承轴承的寿命，分析结果可以看到，各轴承性能指标均符合要求。用本文的方法设计摆线针轮减速器，具有设计快捷、方便等特点。研究结果对提高设计的速度、质量具有重要意义。关键词：电动挖穴螺旋钻(CollegeofEngineering,SouthChinaAAbstract:Thisarticleintroducestheportablediggerincludingtherelevaoperatingprinciple,technicdata,Thecycloid—gearreducerisoneofthemostimthepumpingunitbyitssmaltorealizefourtargetswhichincludehightransmissionefficiency,hightheexcellentdynamicsperformanceaefficiencyoftransmission,andmakeiteasyformanufacture,assemblyandinspectwethoughtoveralltherequestsintheroundanddescycloid—gearreducer,analyzedtheforcesborshaft,andproducetheMatlablanguagesoftwareanalyzeoftheforcesaanalyzedtheforcesofpartsinthecycloid—gearreducerandcalculatedtheintthelifeofparts.Fromanalyzedtheresults,wefoundthepartsareourrequests.TheresultofstudyhavetheguidemeaningtoacceleratedesignspeedandquantitiesofKeywords:Electric;Dig II 2方案对比与结构 22.1国内外研究现状 2 22.1.2国外研究现状 2 32.2.1挖坑机的工作条件 2.2.2挖坑机的分类 3 2.2.2.2按钻头安装位置分 42.2.3挖坑机的钻头 43手提式挖穴机机的设计 6 63.2动力选择 63.5减速器的设计 73.5.1摆线针轮行星减速器的传动原理 73.5.2摆线针轮行星减速器的结构特点 83.5.3摆线针轮行星传动的啮合原理 83.5.4ZL型摆线针轮行星减速器的结构形式 3.5.5摆线轮的齿廓曲线与齿廓方程 3.5.6润滑与密封 3.5.7摆线轮、针齿、柱销的计算 3.5.8输入轴的计算与校核 5发展趋势 5.1一机多能 5.2人机和谐 5.3应用范围 如可以从上面的调查数字显示，16.55%的全国森林覆盖率仅相当于世界森林的61.3%,覆盖(27%),可以看出1/5分别为1/8,远远低于世界平均水平。国家在“十效率，降低劳动强度，同时也保证造林质量，降低生产成本，提高经济效益的趋2.1国内外研究现状2)山东大丰机械厂大丰王系列挖机WKJ-60/70,具有多种与18.4-36.8KW配合使4)手提式挖坑机在我国刚刚兴起，适合家用或造林地区的小区域地形复杂，树木也可用于打桩及挖掘肥料，如福马林业哈尔滨市机电设备公司生包括水平状态。飞机的液压臂的末端可以安装液压钳300-400。实现一机多用。日本生产的A-7手提式挖坑机的质量是唯一的7.0千用H35D发动机A8D型挖机挖直径范围从20至200可调间距是适用于大面积绿化平原，工作效率非常高。2.2挖坑机的构造一)手提式挖坑机二)悬挂式挖坑机三个铰链与拖拉机连接，由拖拉机的液压系统操纵其挖坑机钻头装置升降。它可以挖较大的坑径和较深的坑。用于拖拉机可以通过的地区进行挖坑作业。三)自走式挖坑机挖坑机钻头旋转的动力源是由底盘上的动力输出轴经过一级皮带减速、一级直角锥齿轮减速器并直接输到挖坑机的钻头。钻头是采用M27螺纹同箱体联接，这样装拆方便，又能自动防止拆脱，如1W-40型挖坑机就是与工农-3型手扶拖拉机配套的。该型挖坑机通过性能较好，但需要人力操纵其钻头入土。该型挖坑机适于在水平带上作业或用于茶园施肥、茶苗一只和果园施肥等挖坑作业。2.与汽车底盘配套与汽车底盘配套的挖坑机，一般是属于起重地钻装置，如D70S(E)起重地钻机是由汽车动力输出、伸出支撑、回转系统、起吊变幅系统、伸缩系统、液压系统、控制系统和钻头装置等组成。从汽车的发动机中输出驱动油泵，是发动机的机械能转化为液压能，以供机械的各部分。地钻装置主要由带油马达的减速器、钻头组成。液压油通过各控制元件来驱动油马达旋转，从而通过减速器转动钻头轴，有一方轴装在钻头轴中，此轴只要拔出定位销及管子向下延伸即可增加挖坑的深度。该机可挖坑径QW-1000型挖坑机基本上是属于这种类型，但它是车载钻机的形式。一)立式挖坑机立式挖坑机是常见的一种类型，亦称立轴式挖坑机，即钻头的钻杆与减速器输出轴联接是垂直于地面的。该类型的挖坑机主要用于挖坑作业。二)卧式挖坑机卧式挖坑机亦称水平轴式挖坑机，即钻头的轴杆几乎是水平配置的，根据作业要求，可调整气钻杆的倾斜角度。挖坑机的钻头是挖坑机的主要工作部件，根据各地区条件和作业的技术要求，分为整地、挖坑和开沟三大类。螺旋式钻头的挖坑机在工作状态时，土壤全部或绝大部分从坑里抛出，该形式主要用于建筑工作和栽植作业上。而整地用的挖坑机在工作状态时，土壤不出坑，该形式主要用于播种造林等。开沟用的挖坑机在工作状态时，土螺旋式钻头主要由钻杆1、螺旋翼片2、钻铧(刀片)3和钻尖4组成。工作时钻头土壤，继而按一定轨迹排列的刀片(或钻铧)切土，刀片切下的土壤沿着螺旋翼片上成平面。坑径：400mm3手提式挖穴机机的设计手提式挖坑机由小型二冲程汽油发动机(2.2-3.68Kw)3、离合器4、减速器5、钻杆及套6、安全及保护罩7和钻头装置8等组成。其工作原理如下：由发动机通过离合器、减速器而驱动钻头作旋转运动。操作装置通常采用可拆卸式的手柄结构。手柄的设计要求操作灵敏和便于操作发动机油门开关。由苏联研制的手提式块状整地机，可在坡度为300地区作业，在块状整地的同时是螺旋形钻头8,在其轴杆上用两个螺栓固定在横梁5上，其横轴上焊有带两个水平刀7的主柱和三个垂直刀6。在发动机的底板上固定有保护罩9,它用于防止土壤的抛散。工作时，松土刀6切断水平方向的根系并疏松土壤；水平刀7用于切断垂直根系，消灭杂草和逐渐切下土层。原始数据坑深：400mm挖坑的动力消耗与坑径、坑深、土壤硬度和下降速度有关。通过试验，手提式挖减速器是手提式挖坑机的重要部件，它的外形尺寸和重量对整机的总重量影响极大，因此必须在速比范围、传动效率、自重大小以及制造难易、使用可靠性程度等综合指标来进行造型和设计。目前国内常用的手提式挖坑机的减速器大致有摆线针轮行星减速器、少齿差星齿轮减速器和蜗杆减速器等形式。3.5.1摆线针轮行星减速器的传动原理如下图所示为摆线针轮行星传动示意图。其中Z₂为针轮，Z,为摆线行星轮，H为系杆，V为输出轴。运动由系杆H输入，通过W机构由V轴输出。同渐开线一齿差行星传动一样，摆线针轮传动也是一种K-H-V型一齿差行星传动。两者的区别在于：摆线针轮传动中，行星轮的齿廓曲线不是渐开线，而是变态摆线，中心内齿采用了针齿，称为针轮，摆线针轮传动因此而得名。同渐开线少齿差行星传动一样，其传动比为因为Z₂-Z,=1,所以iv=-Z,“一”表示输出与输入转向相反，也就是利用摆线针轮行星传动可以获得大的传动比。3.5.2摆线针轮行星减速器的结构特点ZB型减速器是属于摆线针轮行星减速器型式。它不仅体积小，重量轻，结构紧凑，传递功率大，负载能力好，与普通减速机相同的动力来驱动比，例如，以传动比i=5为例，其重量可减少1/2-1/6。传动效率高。如果选择适当的驱动器类型，结构，布局合理，传动效率可以达到99%。传动比范围大，目前生产的单级传动比i=11~87;二级传动比i=121~5133;三级传动比i=20399。并具有传动平稳，无噪音，寿命长3.5.3摆线针轮行星传动的啮合原理为了准确描述摆线的形成和分类，我们介绍了内域和圆的外域的这一概念。所谓圆弧线包含的内部范围指领域圆的内域，而在圆的外域是包容区域的范围之外。根据以上对内域外域的划分，则对外摆线的定义如下：外摆线：滚圆在基圆外域与基圆相切并沿基圆作纯滚动，滚圆上定点的轨迹是外外切外摆线：滚圆在基圆外域与基圆外切形成的外摆线(此时基圆在滚圆的外内切外摆线：滚圆在基圆外域与基圆内切形成的外摆线(此时基圆在滚圆的内短幅外摆线：外切外摆线形成过程中，滚圆内域上与滚圆相对固定的某点的轨迹；或内切外摆线形成过程中，滚圆外域上与滚圆相对固定的某点的轨迹。长幅外摆线：与短幅外摆线相反，对外切外摆线而言相对固定的某点在滚圆的外域；对内切外摆线而言相对固定的某点在滚圆的内域。短幅外摆线与长幅外摆线通称为变幅外摆线。变幅外摆线变幅的程度用变幅系数来描述，分别称之为短幅系数或长幅系数。外切外摆线的变幅系数定义为摆杆长度与滚圆半径的比值。所谓摆杆长度是指滚圆内域或滚圆外域上某相对固定的定点至滚圆圆心的距离。式中K₁——变幅系数。a——外切外摆线摆杆长度r₂——外切外摆线滚圆半径对于内切外摆线而言，变幅系数则相反，它表示为滚圆半径与摆杆长度的比值。式中K,——变幅系数r₂'——内切外摆线滚圆半径A——内切外摆线摆杆长度根据变幅系数K,值的不同范围，将外摆线划分为3类：短幅外摆线O<K<1;标准外摆线K=1;长幅外摆线K>1。变幅外切外摆线与变幅内切外摆线在一定的条件下完全等同。这个等同的条件是，内切外摆线滚圆与基圆的中心距等于外切外摆线的摆杆长度a,相应地外切外摆线滚圆与基圆的中心距等于内切外摆线的摆杆长度A。根据这一等同条件，就可以由外切外摆线的有关参数推算出等同的内切外摆线的对应参数。它们的参数关系参看图3-3。令短幅外切外摆线基圆半径代号为r,滚圆半径为r₂,短幅系数为K,则外切外摆线的摆杆长度和中心距可分别表示如下(长幅外摆线的表示形式完全相同):根据式(1),摆杆长度a=K₁r₂;按等同条件，上述A又是内切外摆线的摆杆长度，故推算出内切外摆线的滚圆半径为r2'=k₁A;内切外摆线的基圆半径为r'=r₂'-a两种外摆线的参数换算关系归纳如表3-1表3-1变幅外切外摆线变幅内切外摆线基圆半径i滚圆半径Aa摆杆长度aA根据上述结果，很容易推导出等同的两种外摆线基圆半径的相互关系为r₁'=k₁ri短幅外摆线以基圆圆心为原点，以两种外摆线的中心距和短幅系数为已知参数，以滚圆转角为变量的参数方程建立如下：在以后的叙述中将滚圆转角ø₂律记为φ,并称之为相位角。(1)直角坐标参数方程根据图1,摆线上任意点M,的坐标为根据纯滚动原理可知r₁ø₁=r₂φ,故中=r₂φ/r₁,又γ=π-(φ₁+φ),于是有将φ与x的结果代入上述方程，式(2—4)与式(2—5)是变幅外摆线通用直角坐标参数方程。若令上两式中的K₁=1,即可得标准外摆线的参数方程。对于内切外摆线，式中的A=r₂',a=r₂′-r₁'为了与直角坐标表示的曲线相一致，将y轴规定为极轴，将极角沿顺时针方向的角度规定为正方向，方程表述如下(参看图2—3):而BB₁=2πa,这也就是摆线轮基圆ri上的一个基节p,即p=2π(r₂'-r₁')=2πa该型的减速器采用针轮固定，摆线轮旋转的传动方式，其传动比i=25:1;所以③针齿壳、上壳体、下壳体，选用质轻的镁合金ZM5。轴重合的轴线作为y。轴，见图3-4,针齿中心圆半径为rp,针齿套外圆半径为r,。将式(2—4)和式(2—5)中x和y分别对φ取一阶和二阶导数后代入p的表达式得以K₁=1代入式(2—14),得标准外摆线的曲率半径为p=-[4A·a/(A+a)]sin(φ/2)式中A=r₁+r₂或A=r₂'a=r₂或a=r₂'-r₁'由本式可知，标准外摆线p≤0,曲线永远呈外凸形状，故它不适于作传动曲线。以K₁>1代入式(2—14)进行运算表明，p<0,故长幅外摆线也永远呈外凸形状，故它也不适合于用作传动曲线。以K₁1代入式(2—14)进行运算表明，曲率半径呈现出由正值经过拐点到负值的多样性变化。摆线轮实际齿廓曲线的曲率半径为对于外凸的理论齿廓(p<0),当r>p|时，理论齿廓在该处的等距曲线就不能实现，这种情况称为摆线齿廓的“顶切”,严重的顶切会破坏连续平稳的啮合，显然是不允许的。当r=|p|时，p'=0,即摆线轮在该处出现尖角，也应防止，若p为正值，不论r,,取多大的值，都不会发生类似现象。摆线轮是否发生顶切，不仅取决于理论外凸齿廓的最小曲率半径，而且与针齿齿形半径(带针齿套的为套的半径)有关。摆线轮齿廓不产生顶切或尖角的条件可表示本减速机采用油浴润滑，润滑油选择中极齿轮油。若在低温或高温环境以及在启动频烦的场合，须跟据情况重新选择适宜润滑油。对于本减速器，在严重恶劣负荷条件中工作时，推荐采用双曲线齿轮油。密封件选择J型无骨架油封。针齿壳上开有沟槽，油浸深度为20～40mm。3.5.7摆线轮、针齿、柱销的计算(一)已知条件1发动机本减速器与小型二冲程汽油发动机配套。额定功率：N₂=2.97kw额定转速：n₂=87.5s⁻¹式中η—离合器打滑损失的效率，取η₁=0.96r₂—轴承摩擦等损失的效率，取η₂=0.92n7₃—摆线轮传动效率，一般η₃=0.92～0.97,取η₃=0.942动力参数功率NH=Ne·η₁=2.97×0.96=2.85kw转速n=n=87.5s-¹转矩Tmax=5.93N·m转速ny=3.5s-¹(二)确定传动的结构型式根据手提式挖坑机使用要求，选用立式、一个摆线轮、针轮固定的结构型式。(三)确定摆线轮、针轮的齿数和主要零件的材料摆线轮齿数Z。=25针轮齿数Z,=26主要零件材料GCr15,HRC60-64针齿壳材料镁合金材料针齿套材料GCr15,HRC58-62柱销套材料GCr15,HRC58-62(四)确定针轮直径DzDz=26×3/Lv=26×/129.(五)确定短幅系数K₁和偏心距e因Z,=26,故可先取K₁=0.65D₁=(0.4~0.5)Dz=(0.4~0.5)×140=F=KaR取Ka=1.2F=1.2R=1.2×1853.9=222n=In|+|n|=5250+210=5460(七)确定针齿尺寸(4)针齿销直径dz取△₁=2mm,且知dz=11mm根据结构取△=10mm,δ=4mmL=0.5bg+δ+0.5△=0.5×10+4+0.L₂=1.5bg+δ'+δ+0.5△=1.5×10+4+7+0.L=L₁+L₂=14+31=45mm(六)验算摆线轮与针轮的接触强度(七)摆线轮的结构尺寸dag=Dz+2e-dz=140+2×2-16.摆线轮内孔直径D₁D₁=62mmm(八)确定柱销、柱销套和柱销孔的尺寸md=d,+2e=16+2×2=20≤[a.输入轴转速，Px=2.85kwn入=5如图5-2所示II图5-2轴的设计I~Ⅱ段仅受弯矩作用，轴径最小，因轴所受弯矩较小，只受玩转矩作用，单向旋转，C值取小，材料为45钢，查文献[13]表11.3得C=103。II~Ⅲ段采用轴肩高h=(0.08～0.11)d=1.56～2.1mm,I～IV段宽度取d₃=19.5mm,l₃=27mmIV~V段装配轴承，取d₄=20mm,l₄=12.5mm。如图5-3所示：轴承16004,α=26mmL₂=48/2+14.25=33.5-26=45.75mm圆周力径向力轴向力F,=F,tana/cosδ=7254×tan20°/cos18°=2776NFa=F,tan20°sin18°=815.Ma=Fd/2=106064.4N·mmFH₁=L₃F,/(L₂+L₃)=5376NFw₁=(L₃F,+Ma)/(L₂+L₃)MH=FNHIL₂=245952N·mmMv₁=FviL₂=126897N·mmMv₂=FNv₂L₃=-19623N·mm图5-3轴的受力分析B.轴的校核截面Ⅱ处应力接触最大，应力集中，定为危险截面。a.截面Ⅱ左侧强度校核抗弯截面系数W=0.1d³=0.1×60³mm³=21600mm³抗扭截面系数W,=0.2d³=0.2×60³mm³=43200mm³Ⅱ左侧弯矩M=822811N·mm应力幅σa=σ,=38.093MPa,扭转剪切尺寸系数由D=d₂=60mm,查文献[13]图2.10得ε=0.8表面质量系数查文献[13]图2.12得β。=β=0.92K,=k,/ε,+1/β-1=1.66φ=0.05～0.1,取φ=0.05抗弯截面系数W=0.1d³=0.1×50³mm³=12500mm³抗扭截面系数W,=0.2d³=0.2×50³mm³=25000mm³Ⅱ右侧弯矩M=8203681N·mm截面上弯曲应力截面上扭转切应力a过盈配合处k。/e。值，配合H7/k6,查文献[13]附表1.4得，k。/e。=2.52,K