小型履带式液压挖掘机的行走机构计算说明书1.9万字

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    小型履带式液压挖掘机的行走机构计算说明书
    目录
    1 绪论 1
    1.1引言 1
    1.2本课题的意义和目的 1
    1.3国内外小型挖掘机的发展情况 2
    1.3.1国内小型挖掘机的发展现状 2
    1.3.2国外挖掘机目前水平及发展趋势 2
    1.4本课题研究的主要内容 4
    1.5设计要求 4
    1.6性能要求 4
    1.7设计的手段、方法、思路 5
    2 履带式行走装置的总体方案设计 6
    2.1设计目的 6
    2.2设计课题 6
    2.3设计的原始数据 6
    2.4总体设计原则 6
    2.5行走装置的选型 7
    2.6 履带式行走装置的各部分的功用及结构布置 8
    2.6.1驱动轮 8
    2.6.2支重轮 9
    2.6.3导向轮 10
    2.6.4张紧装置 10
    2.6.5拖链轮 11
    2.6.6履带 12
    3 履带的设计 13
    3.1履带的尺寸参数 13
    3.2行走装置牵引力计算 16
    3.2.1牵引力计算 16
    3.2.2土壤的变形阻力 17
    3.2.3坡度阻力 18
    3.2.4转弯阻力 18
    3.2.5履带运行的内阻力 18
    3.2.6风载阻力 19
    3.2.6惯性阻力 19
    3.2.7牵引力校核 20
    4 驱动轮的设计 20
    4.1驱动轮的齿形设计 21
    4.2驱动轮主要参数的确定 21
    4.3驱动轮的强度计算 22
    4.3.1弯曲强度计算 22
    4.3.2挤压应力计算 23
    5 支重轮的设计及计算 24
    5.1支重轮外形尺寸的选择 24
    5.2确定支重轮个数: 25
    5.3支重轮的强度计算 25
    5.4支重轮轴的校核 26
    5.5支重轮滑动轴承验算 27
    6 拖链轮的设计 29
    7 导向轮的整体设计 30
    7.1导向轮的参数设定 30
    7.2导向轮轮体的强度计算 30
    7.2.1 弯曲强度: 30
    7.2.2 挤压应力强度验算 31
    7.3导向轮轴的强度计算 31
    7.4导向轮轴承的校核计算 32
    8 履带张紧装置设计 34
    8.1弹簧参数确定弹簧预紧力 34
    8.1.1缓冲弹簧的选择 34
    9 行走架的设计 37
    10.结论 40
    参考文献 41
    附录Ⅰ底盘系统主要性能参数及其部件选型设计结果 42
    附录Ⅱ 图纸清单、编号及说明 43
    致谢 44

    1 绪论
    1.1引言
    挖掘机是一种重要的工程机械,广泛应用于房屋建筑、道路工程、水利建设、农田开发、港口设计、国防工程等的土石方施工和矿山采掘工业中。对减轻繁重的体力劳动、保证工程质量、加快建设速度、提高劳动生产率起巨大的作用。
    我国小型挖掘机市场发展速度非常可观,是带动我国工程机械行业特别是挖掘机行业发展的一股重要力量,也是推动我国挖掘机行业利润增长的主要力量支撑,有着举足轻重的地位。小型挖掘机以其小巧、灵活、多功能、高效的独特优势,日益成为土方工程应用的理想设备,用户需求不断扩大。
    挖掘机在近年来发展迅速,由于机电一体化的运用和三维仿真技术以及虚拟样机设计技术的发展,挖掘机在方面的性能都得到极大的提高。
    1.2本课题的意义和目的
    小型履带式液压挖掘机(以后简称小挖)通常指标准斗容在0.25m3以下,或指机重在8T以内的挖掘机产品,产品归类为小型工程机械,在世界工程机械市场,属销量最大的工程机械产品之一。小挖机动能力强、体积小,适合于各种土方量分散、作业范围狭窄的工况。道路养护已经常规化,园林绿化有序进行,小区建设工程渐增,市政工程不断升级,农田建设正趋向机械化,小挖的应用优势恰得其所地得以发挥。它与挖斗、推土铲、液压破碎锤等多种作业装置配套使用后,具有挖掘、装载、清沟、破碎等多种功能。
    由于我国目前正处于全面开展基础设施建设阶段,沿海地区正趋于基础建设逐步完善阶段,小挖应用的市场环境日益扩展并呈现可以预见的强劲后市,此时对小挖进行一些理论联系实际的研究显然具有重要的现实意义和长远的指导意义。
    本次所设计的小型履带式液压挖掘机为0.3小型履带式液压挖掘机。设计的内容为底盘系统的设计。
    底盘设计的优劣决定了整机的性能。合理的底盘设计是整个设计任务圆满完成的重要保证。因此,对于此次小型履带式液压挖掘机底盘的设计要从一个更高的层次出发,严格要求设计过程。

    1.3国内外小型挖掘机的发展情况
    1.3.1国内小型挖掘机的发展现状
    国内挖掘机市场比装载机等工程机械起步晚,小挖则更晚。尽管近几年小挖在国内市场的发展速度很快,主要生产厂家已近20余家,市场销量增长率很高,但仍处于启动阶段。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。
    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。
    现阶段我国的挖掘机仍处于仿制阶段,缺乏自主开发能力和发掘自身优势的意识。目前国产品牌的优势仍主要建立在价格优势和服务优势上,技术上还无法与国际先进水平相提并论。
    未来的发展将在很长一段时间内受制于两大主要配件,一是动力,二是液压件。国产动力要抗衡进口动力尚需时日,而国产液压件取代进口液压件更需巨大努力。
    1.3.2国外挖掘机目前水平及发展趋势
    工业发达国家的挖掘机生产较早,法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗容量3.5-40 m3单斗液压挖掘机的主要生产国,从20世纪80年代开始生产特大型挖掘机。从20世纪后期开始,国际上挖掘机的生产向大型化、微型化、多功能化、专用化和自动化的方向发展。
    1.开发多品种、多功能、高质量及高效率的挖掘机。为满足市政建设和农田建设的需要,国外发展了斗容量在0.25m3以下的微型挖掘机,最小的斗容量仅在0.01 m3。另外,数量最的的中、小型挖掘机趋向于一机多能,配备了多种工作装置除正铲、反铲外,还配备了起重、抓斗、平坡斗、装载斗、耙齿、破碎锥、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、推土板、冲击铲、集装叉、高空作业架、铰盘及拉铲等,以满足各种施工的需要。与此同时,发展专门用途的特种挖掘机,如低比压、低嗓声、水下专用和水陆两用挖掘机等。
    2.迅速发展全液压挖掘机,不断改进和革新控制方式,使挖掘机由简单的杠杆操纵发展到液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、无线电遥控、电子计算机综合程序控制。在危险地区或水下作业采用无线电操纵,利用电子计算机控制接收器和激光导向相结合,实现了挖掘机作业操纵的完全自动化。所有这一切,挖掘机的全液压化为其奠定了基础和创造了良好的前提。
    3.重视采用新技术、新工艺、新结构,加快标准化、系列化、通用化发
    展速度。例如,德国阿特拉斯公司生产的挖掘机装有新型的发动机转速调节装置,使挖掘机按最适合其作业要求的速度来工作;美国林肯贝尔特公司新C系列LS-5800型液压挖掘机安装了全自动控制液压系统,可自动调节流量,避免了驱动功率的浪费。还安装了CAPS(计算机辅助功率系统),提高挖掘机的作业功率,更好地发挥液压系统的功能。
    4.更新设计理论,提高可靠性,延长使用寿命。美、英、日等国家推广采用有限寿命设计理论,以替代传统的无限寿命设计理论和方法,并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面,促进了产品的优质高效率和竞争力。美国提出了考核动强度的动态设计分析方法,并创立了预测产品失效和更新的的理论。日本制定了液压挖掘机构件的强度评定程序,研制了可靠性住处处理系统。在上述基础理论的指导下,借助于大量试验,缩短了新产品的研究周期,加速了液压挖掘机更新换代的进程,并提高其可靠性和耐久性。例如,液压挖掘机的运转率达到8595使用寿命超过1万小时。
    5.加强对驾驶员的劳动保护,改善驾驶员的劳动条件。液压挖掘机采用带有坠物保护结构和倾翻保护结构的驾驶室,安装可调节的弹性座椅,用隔音措施降低噪声干扰。
    6.进一步改进液压系统。中、小型液压挖掘机的液压系统有向变量系统转变的明显趋势。因为变量系统在油泵工作过程中,压力减小时和增大流量来裣,使液压泵功率保持恒定,亦即装有变量泵的液压挖掘机可经常性地充分利用油泵的最大功率。当外阻力增大时则减少流量(降低速度),使挖掘力成倍增长率加;采用三回路液压系统。产生三个互不成影响的独立工作运动。实现与回转达机械的功率匹配。将第三泵在其他工作运动上接通,成为开式回路第二个独立的快速成运动。此外,液压技术在挖掘机上普遍使用,为电子技术、自动控制技术在挖掘机的应用与推广创造了条件。
    7.迅速拓展电子化、自动化技术在挖掘机上的应用。20世纪70年代,为了节省能源消耗和减少对环境的污染,使挖掘机的操作轻便和安全作业,降低挖掘机口音,改善驾驶员工作条件,逐步在挖掘上应用电子和自动控制技术。随着对挖掘机的工作效率、节能环保、操作轻便、安全舒适、可靠耐用等方面性能要求的提高,促使了机电一体化在挖掘机上的应用,并使其各种性能有了质的飞跃。20世纪80年代,以微电子技术为核心的高新技术,特别是微机、微处理器、传感器和检测仪表在挖掘机上的应用,推动了电子控制技术在挖掘机上应用和推广,并已成为挖掘机现代化的重要标志,亦即目前先进的挖掘机上设有发动机自动怠速及油门控制系统、功率优化系统、工作模式控制系统、监控系统等电控系统。
    总之,国外小挖目前水平与发展动向国外小挖目前水平完全可以称之为渐趋完美、渐入佳境,其功能的可靠性,操作的流畅性和舒适性不必详述,即使其驾驶室内的美观与质感也几可与国产轿车蓖美。
    国外小挖目前的发展动向主要体现在:以一机多能为目标的多功能化;以提高操作性能为目标的智能化;以节能为目标的功率模式控制;以动态设计分析为基础的可靠性设计;以人为本的驾驶室设计;基于微电子技术的自动监控系统的发展。
    1.4本课题研究的主要内容
    底盘行走系是整个机体的支撑部件,它设计的好坏直接影响到整机的稳定性及行驶性能,以及整机的挖掘工作能否正常进行。经过现场参观和查阅大量资料并借鉴相关成型的产品的参数后,决定本次设计对于小型无尾液压挖掘机的行走机构采用履带式行走装置,后轮驱动,前轮导向。其主要优点是:具有较大的牵引力和较低的接地比压;稳定性好;具有良好的越野性能和爬坡能力;转弯半径小;机动灵活。
    1.5设计要求
    小型挖掘机主要用于城市、狭窄地区,代替人力劳动。主要作业是挖掘、装载、整地、起重等。小型挖掘机体积小,机动灵活,并趋向于一级多能,配备多种工作装置。由于这种机械的特点很靠近人,因此在设计上除了要求耐磨性、可靠性和作业效率等,还需要考虑人、机、环境的协调,特别注意以下几点:
    1. 安全性即机械作业过程中不要与周围的人和物相碰撞,防倾翻稳定性好。
    2. 低公害性即排放要求高、低震动、低噪音。
    3. 与周围环境能调和,形象要美观,形体和色彩不要引起人们的不快,对人有亲和感。
    4. 尽量扩大使用功能,可装多种附属装置,应成为城市万能工程机械。
    操作简便,任何人一学就会,都能操纵
    1.6性能要求
    目前市场对小型挖掘机性能要求如下:
    1. 改进挖掘机可控性和控制精确性以及复合动作。
    2. 简化液压系统,降低成本,达到大作业量与低油耗的动态平衡。
    3. 改进工作可靠性。
    4. 改进驾驶操作舒适性及降低劳动强度,提高单位生产率。
    5. 改进操作安全性。
    6. 低震动、低噪音适用生活区工作。
    1.7设计的手段、方法、思路
    此次设计所采用的设计手段是数值计算和计算机绘图(清华天河CAD2008二次开发软件)等。设计的方法主要采用类比法和经验公式算法。首先对底盘所要求达到的技术参数进行分析和设定,再对机体中具有决定性作用的零部件进行详细的分析,明确整个设计中的技术难题和解决问题的核心,进一步找到相应的解决问题的方法,最终使设计问题得以解决。

    2 履带式行走装置的总体方案设计
    2.1设计目的
    大四的设计是专业教学规定的一项最重要的综合性和结业性学习环节,它要求我们运用大学所学的专业知识对实际问题的思考,然后给定方案进行设计,是大学学习的一个升华。进一步锻炼学生的理论知识,分析能力,解决问题的能力和综合素质
    2.2设计课题
    0.3小型履带液压挖掘机的底盘系统设计
    2.3设计的原始数据
    1. 铲斗容量:0.3立方米;
    2. 回转速度:9r/min;
    3. 爬坡能力:30
    4. 最大挖掘距离:5700mm;
    5. 液压系统:高压;
    6. 最大挖掘深度:3450mm。
    2.4总体设计原则
    进行液压挖掘机的底盘总体设计时应该遵循以下原则:
    1. 满足使用要求、满足经济性的要求、满足劳动保护的要求、满足工艺性要求、满足机器的结构性能要求、某些零件、部件满足耐磨性要求;
    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,力求增强机器对各种运行条件和作业要求的适应性;
    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。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;
    4. 挖掘机的行走装置外型尺寸应符合道路运输要求,外形美观;
    5. 各个部件或总成的性能应相互协调、匹配,力求整体性能的一致和最优化,不可盲目追求某个局部的最佳性能,否则,可能造成整体性能恶化,或产生薄弱坏节;
    6. 正确地处理继承与创新的辩证关系,采用成熟技术,通过深入的理论分析,进行必要的科学实验,勇于创新。
    2.5行走装置的选型
    挖掘机根据不同的行走系可分为轮胎式、履带式等。相对履带式而言,轮胎式行走装置在挖掘机中用得不多,但已成为工程机械的发展趋势之一。主要优点是:具有运行速度高,运行性能好,机动性能好,利于减轻机器重量,工作点转移方便、迅速、作业辅助工作时间段、生产效率高及本身效率高等优点。但轮胎式挖掘机对路面要求高,由于履带式挖掘机的附着力大,能达到轮胎式1.5 倍,通过性好,接地比压小,适宜在松软地段和湿地作业,抗磨损性能好,可在碎石地段、地形起伏较大的恶劣条件下作业,爬地能力强,宜在山区作业。履带式行走系比之轮胎式有以下特点:
    1.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。
    2.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0.1MPa),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。
    3.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。导向轮既是张紧装置的一个组成部分,也是引导履带正确卷绕。但不能偏转,不能引导机器转向。
    4.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。
    5.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。履带行走装置的主要优点是:
    具有较大的牵引力和较低的接地比压(40 ~ 150KPa);稳定性好;具有良好的越野性和爬坡能力(坡度达50~ 100;转弯半径小、机动灵活。但履带式行走装置的运行速度较低,一般在0.5 ~ 6km/h 的范围内。现代中小型液压挖掘机多采用双速行走马达,行走速度可在0 ~ 3.5km/h 和0 ~ 5.5km/h 之间切换。目前,液压挖掘机的履带行走装置,除特殊用途外,均由专用底盘向通用底盘发展,不同厂家的底盘结构形式有趋同化的趋势。

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