挖掘機回轉機構畢業(yè)設計

1、斗容1m3挖掘機回轉機構設計2015 年 6 月 摘 要 近年來，我國的基建工程有日益增多的趨勢，國家也要大力發(fā)展基建工程來拉動經濟增長，而挖掘機作為土方施工必不可少的機械設備，將在我國的基礎設施建設方面發(fā)揮舉足輕重的作用。 挖掘機在進行作業(yè)時，其回轉機構要承受軸向載荷，徑向載荷，和傾覆力矩，對其剛度，強度與穩(wěn)定性就有一定的要求。所以，挖掘機的回轉系統(tǒng)對保持挖掘機整體的穩(wěn)定性方面有重要作用，對挖掘機回轉系統(tǒng)的研究有助于國家發(fā)展各種不同類型的挖掘機。 針對斗容1m3挖掘機的回轉系統(tǒng)，我進行了驅動方案分析，回轉支承選型設計，回轉速度控制及制動方案與制動器設計，回轉系統(tǒng)各部件的受力校核及選型，還采用

2、了有限元方法來進行優(yōu)化設計。 國內的挖掘機廠商對國內市場的把握還不夠大，對挖掘機回轉系統(tǒng)的不斷優(yōu)化對國內廠商制造更大更多類型的挖掘機有重要的意義。關鍵詞：機械設備；挖掘機；回轉機構設計；有限元第一章 緒 論1.1 液壓挖掘機及其回轉機構介紹 液壓挖掘機是一種多功能周期作業(yè)的土方機械,廣泛應用于交通運輸，水利工程，礦山采掘和電力工程等機械施工中。它的工作過程先是以鏟斗的切割刃切削土壤，裝滿后再提升、回轉至卸土位置，把土卸空后鏟斗再回原來位置開始下一次作業(yè)，如此循環(huán)。 所以挖掘機對于對于減輕工人繁重的體力勞動，加快施工進度，提高施工機械化水平，促進各項建設事業(yè)的發(fā)展，都起著很大的作用。一臺斗容1m

3、3挖掘機每班的生產率基本上等于300-400個工人一天的工作量。所以很有必要大力發(fā)展液壓挖掘機，提高其工作性能，讓其更好地提高生產率，為國民建設與國民經濟服務。 挖掘機的回轉系統(tǒng)由回轉支承、回轉機構、轉臺和液壓回轉系統(tǒng)等組成。回轉支承的內外座圈間設有滾動體，其底座跟帶齒的內座之間用螺栓連接，外座圈跟轉臺用螺栓連接。挖掘機工作裝置上的各種載荷與力矩經過回轉支承傳給底架?；剞D機構的小齒輪既能繞自身自轉又能繞轉臺中心公轉，帶動轉臺繞底架回轉，相當于行星機構。1.2國內外發(fā)展概況工國外發(fā)達國家在挖掘機技術上一直處于領先優(yōu)勢，他們從20世紀80年代就開始生產特大型挖掘機，例如，美國生產的斗容132m的步

4、行式拉鏟挖掘機，斗容50-150m剝離用挖掘機；B-E（布比賽路斯-伊利）公司生產的斗容量107m的剝離用挖掘機，斗容量168.2m的步行式拉鏟挖掘機等。從20世紀后期開始， 國際上挖掘機的生產向微型化、多功能化、大型化、專用化和自動化的方向發(fā)展。 國內的挖掘機生產商雖然要有很強的創(chuàng)新意識，并且要針對市場與用戶的各種要求來開發(fā)出新一代挖掘機的變型產品（如高原型車、焊接車等），爭取步入大型挖掘機市場，不能只依靠國外進口，把握市場方向。同時，國內的廠商要提高用戶服務，樹立良好的品牌形象，力求企業(yè)與用戶實現雙贏局面。只有這樣，國內廠商才可能慢慢把失去的市場份額奪過來。1.3 本設計的目的和意義 目前

5、我國及發(fā)展中國家的基礎工程建設相當多，挖掘機的產銷量很大。作為工程機械應用專業(yè)的學生，通過此設計，可以很全面地掌握挖掘機的構造和作業(yè)環(huán)境及要求；掌握產品設計思路與方法；鍛煉其綜合運用機械類基礎知識解決實際問題的能力和提高對計算機軟件的應用水平；本設計要求完成上臺車回轉機構方案設計及結構設計。研究內容包括，驅動方案分析確定，傳動設計，回轉支承選型設計，回轉速度控制及制動方案與制動器設計。1.3研究的基本思路與采用的方法通過查閱相關資料進行回轉馬達與回轉支承的選型，計算嚙合齒輪參數，計算液壓系統(tǒng)參數。結合三維建模及分析修改設計方案及結構參數；標準件或選用總成要完成選型匹配計算，寫出具體的型號。生成

6、二維設計圖，按標準要求完成標注、打印出二維設計圖； 第二章 方案設計2.1 回轉方案選擇1）高速方案：采用高速液壓馬達，經過齒輪減速箱來帶動小齒輪繞齒圈滾動，從而使平臺回轉?？梢允褂?種回轉方案：1 一級正齒輪和一級行星齒輪傳動2 兩級行星齒輪傳動3 兩級正齒輪傳動4 一級正齒輪和兩級行星齒輪傳動在高速軸上裝了機械制動器，我國目前對一級行星齒輪傳動和一級正齒輪和兩級行星齒輪傳動進行了系列化和專業(yè)化生產。方案優(yōu)點：馬達采用了高速馬達，又加了齒輪減速機構，可靠性效率都比較高，同時又能降低成本縮小體積。設置了機械制動器，不需要背壓補油，降低了油液發(fā)熱與功率損失，可與軸向柱塞泵零件通用。2）低速方案：

7、這種馬達轉速比較低，但扭矩比較大，帶動小齒輪并讓轉臺回轉的時候，中間不用加減速器。這種方案采用的液壓馬達通常為靜力平衡式，內曲線式和星型柱塞式等。不用經過減速器驅動的回轉機構多是內曲線式的，而且這種馬達轉速低，扭矩大。 方案優(yōu)點：這種馬達傳動比較簡單，起動的時候制動性能也比較好，零件比較少，可靠性比較好，對油污的敏感性也比較小。 為了經濟性、可靠性和效率，選用了方案2。2.2 回轉機構齒輪嚙合方案的確定 內齒式齒輪嚙合結構緊湊能節(jié)省尺寸，受外部環(huán)境影響小。而外齒式齒輪嚙合傳動受外部環(huán)境影響比較大，比較浪費橫向尺寸。所以選用內齒式齒輪嚙合傳動。2.3 回轉軸承選型（1）單排滾球式滾道端面中心d偏

8、滾珠中心而且滾道是圓弧形曲面的，滾道半徑R=0.52d，滾珠與滾道接觸角(水平線與作用力的夾角)一般45，所以可以傳各種方向的軸向、徑向載荷與傾覆力矩。（2）雙排滾球式 它的滾珠分了2排，下排比上排收到的載荷小，所以下排滾珠比較小。接觸角(水平線與作用力的夾角)=90，所以能承受很大的軸向載荷與傾覆力矩。（3）交叉滾柱式 滾動體做成了圓錐或圓柱形，接觸角常為45，相鄰滾珠軸線交叉排列，滾道做成平面的，可以傳遞各種方向的載荷與力矩。（4）組合滾子式跟雙排滾珠式類似，帶第三排滾珠直于上、下兩排滾柱，能傳遞徑向載荷。主要用在直徑與受到的載荷都比較大的大型的液壓挖掘機上。 現實應用最廣泛的是上述（1）

9、（2）（3）3種。 縱觀液壓挖掘機回轉支承發(fā)展歷程，開始采用的雙排異徑球式，后來發(fā)展成用單排交叉滾柱式，近來單排四點接觸球式得到了迅速的發(fā)展。對比這三種回轉支承，單排四點接觸球式的全部滾動體都能同時分擔載荷，而另外兩種只有一般滾動體可以承受載荷，所以其靜容量遠超另外兩種。綜合以上結論，此次的液壓挖掘機回轉軸承的選型選用單排四點接觸球式滾動軸承式，2.4滾動軸承式回轉支承的系列標準及其具體選型滾動軸承式回轉支承，不少國家已有系列標準，由專門的軸承廠制造，主機成更具用途選用即可。我國制定的滾動支撐系列標準分兩大類，六種結構形式，四十種規(guī)格。第一類或稱第一系列為接觸角，滾柱按1：1排列的交叉滾柱式回

10、轉支承，以代號“HJ”表示。第二類或稱為第二系列為接觸角的四點接觸球式回轉支承，以代號“HS”表示。每一類按座圈不帶齒（代號“B”），帶外齒（代號“W”）和帶內齒（代號“N”）的不同分為三種結構形式。每一類按滾道中心直徑的大小分為二十種規(guī)格。例如HJN-2820表示滾道中心直徑，具有內齒機構形式的交叉滾柱式回轉支承。我國指定的滾動軸承職稱系列標準有一下特點：1.尺寸參數比較齊全（滾道中心直徑范圍是），符合主機系列，可滿足發(fā)展需要；2.兩種系列的安裝尺寸，毛胚尺寸完全相同，可以互換：3.齒輪有兩種模數以滿足不同的主機需要，內外齒的原始齒形均為標準型（即壓力角，齒頂高系數，齒頂間隙系數）.為了減少

11、小齒輪齒數，提高其承載能力，改善傳動性能，內齒式采用高度變位（變位系數+0.35），外齒式采用角度變位（當大齒圈齒數為95116時變位系數取+1.0；當齒數為117136時取+1.15；當齒數等于和大于137時取+1.4）4.滾動體材料為GCr15及GCr15SiMn,表面硬度為HRC6155.座圈材料為50Mn,50SiMn，5CrMnMo等，滾道表面硬度為HRC5565，硬化層深度為35mm.參考單斗液壓挖掘機表3-2滾動軸承式回轉支承參數系列，初步選取四點接觸球式滾動回轉支承系列，其基本技術參數如下:滾道中心直徑：外形尺寸： 安裝尺寸： 內齒參數： 四點接觸球式滾動回轉支承滾球尺寸： 接

12、觸角圖 2.1回轉支承2.5 主要性能參數 斗容量 1M 整機使用質量（含配重） 30000 其中預估： 上車 19900 下車 9100 柴油機 型號 SAA6D102E-2 額定功率 125/2100 行駛速度范圍: 低速范圍 VI=03.1 km/h 高速范圍 V=05.5 km/h最大爬坡角 35 軌距 2380 mm 每側履帶接地尺寸(長寬) 64702980 mm 運輸工況外形尺寸(長寬高) 986529803015液壓系統(tǒng)參數:鏟斗油缸-個數缸徑行程(mm) 130102090回轉液壓回路(Mpa) 28.4控制液壓回路(Mpa) 3.2先導油路斗桿油缸-個數缸徑行程(mm) 1

13、401635100動臂油缸-個數缸徑行程(mm) 130133590行走液壓回路(Mpa) 37.3主泵最大流量(L/min) 439第三章 結構設計3.1回轉支承的受力分析決定回轉支承壽命的主要是靜容量，因為其常在低速大負荷下運轉。為了研究滾動軸承式回轉支承的受力狀態(tài)，求出滾動體受的最大作用力，以便與驗算滾道與滾動體間的接觸強度?；剞D支撐的座圈是一個多支點彈性體,主要以滾動體為支點，承受著傾覆力矩M徑向載荷Fr以及軸向載荷Fa的共同作用。設內座圈與底架固定，外座圈與轉臺固定，轉臺經外座圈，滾動體，內座圈到底架是力的傳遞路線，如下圖2.3所示。圖3.1 回轉支承受力簡圖內外座圈間的內力分布跟制

14、造方法有關，為了計算的簡化，假設：受力變形只發(fā)生在滾動體與滾道接觸處，內外座圈為絕對剛體；滾道與滾動體接觸良好，無加工誤差，無徑向間隙和軸向間隙。 用在滾動體上的軸向、徑向載荷與傾覆力矩的疊加內力進行計算，經過分析后得出挖掘機在直立狀態(tài)下受到的載荷為最大。 總軸向力V=23KN 徑向力的分析包括了小齒輪與齒圈間嚙合力和風力和慣性作用下產生的離心力其中C風載體型系數取0.7 Kh高度休整系數取1q風壓值取25公斤/m2F迎風面按照外傾5來進行計算:= 1.37KN所以= +5.2+1.37+4350KN各力對回轉中心取距的傾斜力矩M為391KN.m3.2靜載系數的確定一般用回轉支承的靜、動容量來

15、決定回轉支承的負荷能力，動容量指回轉支承回轉100萬轉不會疲勞破壞出現裂紋的能力，而靜容量指回轉支承的滾動體與滾道接觸處在靜負荷的作用下的永久變形量之和到了滾動體直徑的萬分之一但不影響回轉支承正常運轉的能力。挖掘機回轉速度比較低，所以只需要計算其回轉支承的靜容量。這種回轉支承的承載角，其靜態(tài)參照載荷計算可以參照以下公式： Fa=（Fa +2 Fr）Fs 258t其中Fa軸向力 Fr徑向力 Fs靜載系數取1.25M=M Fs79104Nm M傾斜力矩 計算安全系數:軸向E額定靜負荷容量為:Coa=3000KN 當量軸向載荷:Cp= 2296KN 所以 1.31查挖掘機設計手冊知,安全系數在1.2

16、01.35之間符合設計要求3.3 回轉支承的選型經過計算初步選擇支承：QNA1600-40內嚙合式的,模數m=12,齒數z=116,=1600,=1744，N表示內齒式，40表示滾球直徑，1600代表它的回轉滾道中心直徑為1600mm。JB2300-84給出了所選支承的承載曲線圖，圖中標出了（Fa，M）坐標，并且在靜態(tài)承載力曲線下面。所以，選擇的支承型號符合要求。圖3.1 QNA1600-40承載曲線圖確定滾動體的數目：Z=D/d-0.51273.4最大接觸應力校核 滾動體所受載荷分別為：Pv=V/z5KN Phmax=KH/iz1.86KN(i=1) Pmmax=KM/zD6.8KN該支承滾

17、珠接觸角為45度，承受的最大等效載荷為： Nmax= Pv/sin+ Phmax/cos+ Pmmax/ sin75KN1928公斤最大接觸點應力： 10000式中：最大的正應力； 接觸處的換算曲率半徑； 其中：0.09 查設計手冊可知當HB300時校核成立。3.5支撐連接螺栓強度計算（1）連接螺栓的最大工作載荷P0計算P0=4M/nD+Fa/n式中 M傾覆力矩，根據前面計算得M=628KN.m Fa軸向力，根據前面計算得Fa =560KN D螺栓分布圓直徑，根據回轉支承型號查得D=1540mm n螺栓分布的個數，根據回轉支承型號查得n=40故 P0=4M/nD+Fa/n =28.79KN（2

18、） 連接螺栓預緊力的計算為防止座圈與支撐面之間存在間隙，提高連接螺栓疲勞強度，通常都設置較大的預緊力，其大小如下： Py=ky P0（1-） 其中 工作載荷分配系數，對于不用彈簧墊圈的高強度螺栓通常取0.25 ky接合面緊密性安全系數，一般取ky1.52.0，在此取2故 Py=ky P0（1-） =43.19KN 螺栓上的預緊應力y=10 PyF1 其中F1 螺紋根部的斷面積。 F1 = d24=0.2524=0.05N 故 y=10 PyF1 = 1015.91000/0.05=3Mpa螺栓的預緊應力通常是y 0.50.7s，其中s為螺栓的屈服極限查得螺栓的屈服極限s為15Mpa，故符合預緊

19、力要求。（3）螺栓最大計算載荷Pj=50.4KN（4） 螺栓強度計算靜強度安全系數：1.21.5 計算3.35疲勞強度安全系數： 23 計算5.63.6回轉齒輪強度校核挖掘機轉臺轉速比較低，傳動比比較大，其回轉齒輪為開式，其主要破壞形式為疲勞彎曲破壞，所以只需要對驅動小齒輪做彎曲強度計算。計算最大彎曲應根據力F max直齒圓柱齒輪齒根彎曲應力計算公式即F max= （MPa） PU 運轉中出現在分度圓上最大圓周嚙合力（KN） PU= 油馬達驅動機構的額定輸出扭矩，m齒輪模數，m=5mmZ小齒輪齒數，Z=12q齒形系數。根據齒數Z=12，變位系數X=+0.15，由曲線圖查得q=3b齒寬，b=45

20、mme影響載荷系數，取e=1.25將上述參數代入3-6式得： =齒根疲勞極限應力：= （MPa） （3.7）式中 壽命系數，由壽命系數圖查得：=1.9彎曲強度最小安全系數，由表查得：=1.5 尺寸系數，由尺寸系數圖查得：=1相對應力集中系數，由系數圖查得：=0.88由2-7式計算得： =5251.91/0.881.5=755.67MPa計算結果表明：，齒根抗彎強度足夠。3.7回轉軸承齒輪設計3.7.1參數選擇回轉機構速度不是很快，其沖擊很輕微，取7級的精度，采用軟-軟齒面組合。查表選擇小齒輪的材料為調質處理過的40Cr鋼，硬度241286HBS;大齒輪選擇調質處理過的材料為ZG42SiMn鑄鋼，硬度190240 HBS；粗選取=127，=117（參考已有的產品）9.75由表取齒寬系數