平地機耙土器的設計說明書

第一章平地機簡介1.1平地機的用途和現(xiàn)狀隨行我國現(xiàn)代化建設事業(yè)的迅速發(fā)展，交通運輸所擔負的任務日益繁重，要求興建更多的現(xiàn)代化機場及鐵路、公路，尤其是建設高等級公路。機場和高等級公路對路面的平整度有很高的要求，這種高精度的大面積平整作業(yè)，通常必須使用具有較高生產率和平整精度的平地機。因此，在土方施工作業(yè)中，平地機有著其它機械所不可替代的獨特的作用。平地機的操縱系統(tǒng)主要包括作業(yè)操縱系統(tǒng)、轉向操縱系統(tǒng)、制動操縱系統(tǒng)等。作業(yè)操縱系統(tǒng)是用來控制各種工作裝置運動的，主要是控制刮刀、耙土器、松土器、推土鏟的運動?，F(xiàn)代平地機已發(fā)展到比較完善的地步，并向作業(yè)自動化方向發(fā)展。它的原始形式是一個牽引犁的變形，發(fā)動機的出現(xiàn)和應用到平地機上來是它自身迅速發(fā)展的關鍵，由牽引式平地機發(fā)展到今天的自行式平地機的水平，液壓技術的應用已使較為笨重的機械式操縱的平地機趨于被淘汰，以至目前占絕對優(yōu)勢的是液壓操縱的自行式平地機，這種平地機從傳動方式來看又分為機械直接傳動的和液力機械傳動的自行式平地機，但較為流行的是后者。現(xiàn)代的平地機的轉向方式有：前輪轉向；前輪和后輪兩種轉向方式共存的平地機。這兩種轉向方式是平地機的傳統(tǒng)轉向方式。但其轉向半徑仍很大，機動性受到限制。因此為了提高平地機的機動性，出現(xiàn)了前輪轉向和折腰轉向兩種方式共存的平地機。這種措施除提高其機動性而外，還提高了它的作業(yè)能力，縮小了不易平整到的死角，而增大了作業(yè)范圍。由于現(xiàn)代科學技術的發(fā)展給鏟土運輸機械實現(xiàn)自動化作業(yè)提供了條件，美國海軍工程試驗室為平地機研制出了利用激光技術的自動化系統(tǒng)，它包括兩個控制系統(tǒng)：鏟刀的升降自動控制系統(tǒng)和鏟刀的傾斜控制系統(tǒng)。目前國外平地機生產廠以美國卡特公司、瑞典ＶＯＬＯＶ公司、日本小松、以及德國0＆Ｋ公司生產的平地機最為著名，均代表了國際當代平地機最高水平。其主要技術有：鉸接式機架、動力換檔、后橋帶自鎖差速器、可調整操縱臺，ＲＯＰＳ駕駛室、電子監(jiān)控、自動調平、全輪驅動等技術，產品可靠性高。

目前國內平地機生產廠家有十余家，其中主要廠家有7家，分別是中外建、徐工、常林、哈爾濱四海、黃工、三一、成工。平地機行業(yè)國內主導廠家優(yōu)勢較為突出，市場占有率基本上集中在這些廠家之間。國內平地機生產企業(yè)中，有相當一部分是兼業(yè)廠，但其技術實力不容忽視。而國外生產廠家的產品質量高、規(guī)格全、功能強，是我國平地機行業(yè)的目標。1.2平地機的發(fā)展趨勢隨著高新技術的發(fā)展及在工程機械產品上的應用，以現(xiàn)代微電子技術為代表的高科技正越來越普遍地用來改造工程機械產品的傳統(tǒng)結構。成熟技術的移植應用已大大促進了平地機綜合技術水平的進一步提高。在滿足新的技術要求前提下選擇合理的價位，適應不同檔次的用戶需求是目前平地機的發(fā)展方面。中國市場與國外市場不同，國外發(fā)達國家的公路交通網絡已形成，平地機的市場走勢處于低谷，而中國平地機市場剛剛開始啟動，另一方面中國是發(fā)展中國家，經濟實力等遠遠落后于發(fā)達國家，多種因素決定了現(xiàn)階段的中國市場對平地機不需要很高的技術含量和高的配置，只要具有同樣的作業(yè)功能和較好的可靠性，具有性能價格比的優(yōu)勢，就會有高的市場份額。近年來，國外平地機之所以從中國市場逐步退出不是因為國外產品的技術水平不高，而是價位太高。進口機的價位約是國產同類機型的3倍以上。因此，國產平地機必須在保持或略高于原同類機型價位的基礎上，盡量提高整機的可靠性和操作舒適性來適應中國的市場。

從技術發(fā)展角度考慮，中國平地機的發(fā)展，依然要跟蹤國際領先水平。展望迅速發(fā)展的中國市場，加入ＷＴ0后國內市場國際化的趨勢日趨明顯。參與國際交換和分工，充分利用國際先進的配套資源和科學技術，實現(xiàn)技術資源的優(yōu)化配置，成為國內平地機制造業(yè)發(fā)展的必經之路。中國平地機技術發(fā)展的基本特征應是：高、中、低檔產品并存。加快產品更新?lián)Q代的同時，發(fā)展多種作業(yè)裝置，實現(xiàn)一機多用。用微電子技術提升產品的技術水平，對平地機產品進行安全、節(jié)能、工作狀態(tài)的智能化控制，進行故障自診斷和不解體檢測，實現(xiàn)機電一體化。以及廣泛使用新材料、新工藝，提高制造工藝水平，提高產品的可靠性和壽命，這是國產平地機的發(fā)展趨勢。今后將面向數(shù)字化裝備也是平地機發(fā)展的方向，數(shù)字化設備具有數(shù)據采集、數(shù)據分析、檢測診斷、信息儲存、實時傳送等功能，實現(xiàn)運行狀態(tài)跟蹤、作業(yè)質量監(jiān)控、運行工況分析、故障檢測診斷、信息采集傳送，它為提高平地機運行效率和質量提供了先進的、可靠的技術支撐。1.3平地機的分類按行走方式可分為自行式和拖式兩類。自行式平地機因其機動靈活、生產率高而廣泛采用；早期生產和使用的拖式平地機，由于機動性差、操縱費力，已被淘汰。按工作裝置和行走裝置的操縱方式分為機械操縱和液壓操縱兩種。目前自行式平地機的工作裝置基本上都采用液壓操縱。按鏟土刮刀的長度和發(fā)動機的功率大小可分為輕型、中型和大型三種。按行走車輪數(shù)可分為四輪和六輪兩種。四輪平地機是前、后橋各兩輪，用于輕型平地機；六輪平地機是前橋兩輪、后橋四輪，用于大中型平地機。按車架的形式可分為整體式車架和鉸接式車架兩種。整體式車架是前后車架為整體，這種車架剛性好，也稱剛性機架，如中外發(fā)展公司的PYl60B型平地機。鉸接式車架是將兩者鉸接，用液壓缸控制其轉動角，使平地機獲得更小轉彎半徑和更好的作業(yè)適應性。海內外平地機廠家大多采用此種結構，如美國卡特公司G系列，德國O&K—FAUN公司的F系列，中外建發(fā)展公司的PYl60C型、PYl80型和PY200型，常林PY190A型，哈爾濱四海DRESSERS00系列等。按車輪的轉向方式可分為前輪轉向、后輪轉向和全輪轉向。按車輪驅動情況又可分為后輪驅動和全輪驅動。平地機的車輪布置形式的表示方法是：車輪總輪數(shù)X驅動輪數(shù)X轉向輪數(shù)，一般有：4X2X2、4X4X4、6X6X6、6X6X2、6X4X6、6X4X2等6種。國內外大多數(shù)平地機多采用6X4X2(鉸接機架)。國產的PYl60B型平地機的車輪布置為6X4X6；PYl60C型、PYl80型平地機的車輪布置為6X4X2。第二章平地機耙土器的設計2.1設計要求基本參數(shù)參照三一PQ160CA型平地機：外形尺寸8515×2098×3265mm結構重量12800kg輪距2148m離地間隙395mm耙土器最大松土深度400mm松土器最大提升高度500mm前后橋軸距5915m系統(tǒng)工作壓力16MPa設計及計算的主要內容：一、方案的分析和擬定二、耙土器結構設計計算1.搖臂機構，伸縮桿，彎臂的設計計算2.耙子架，耙齒的設計計算3.裝配圖及零件圖的設計和繪制三、液壓制動系統(tǒng)設計1.明確技術要求2.配置執(zhí)行元件3.運動分析及動力分析4.液壓系統(tǒng)主要參數(shù)計算5.編制液壓執(zhí)行元件工況圖6.擬定液壓系統(tǒng)圖7.標準元件選擇、專用元件設計（耙子收放油缸）8.驗算液壓系統(tǒng)技術性能四、整體校核計算2.2方案的分析與擬定平地機的松土工作裝置主要用于疏松比較堅硬的土壤，對于不能用刮刀直接切削的地面，可先用松土裝置疏松，然后再用刮刀切削。松土工作裝置按照工作負荷程度分為耙土器和松土器。本次我設計的任務是耙土器的設計，耙土器的負荷比較小，一般采用前置布置方式，即布置在刮刀和前輪之間。耙土器齒多而密，每個齒上的負荷比較小，適用于不太硬的土質，可用來疏松、破碎圖塊，也可用于清除雜草。耙土器（如下圖所示）通過兩個彎臂3頭部鉸接在機架前部的兩側。耙齒7插入耙子架6內，用齒楔5楔緊。耙齒用高猛鋼鑄成，經淬火處理，有較強的強度和耐磨性，耙齒磨損后可往下調整，調量為6厘米。伸縮桿4可用來調整耙子的上下作業(yè)范圍，搖臂機構2有三個臂：兩側的2個臂與伸縮桿鉸接，中間的臂（位于機架正中）與油缸1鉸接，油缸為單缸，作業(yè)時油缸推動搖臂機構2，通過伸縮桿4推動耙齒入土。這樣，作業(yè)時的阻力通過彎臂和油缸就作用于機架弓形梁上，使弓形機架處于不利的受力狀況，所以在這個位置一般不適宜設重負荷作業(yè)的松土器。2.3耙土器的運動分析根據耙土裝置圖可知，此耙土器的運動可以簡化為一個四桿機構的運動，由設計要求耙土器的離地間隙為395mm、最大松土深度為400mm、最大提高升高度為500mm，加上機架離地高度為1600mm，可知耙齒的運動高度至少為900mm，因此可以畫出此四桿機構簡圖（如圖2）。其中A點表示搖臂機構與伸縮桿的鉸接點，B點表示伸縮桿與彎臂的鉸接點，C點表示彎臂與機架的鉸接點，O點表示搖臂機構與安裝在機架上的支座的鉸接點。圖中B點位置即為耙齒運動的最低點，也就是耙土器達到最大的松土深度400mm，B’點位置即為耙齒運動到最高點，也就是耙土器達到最大的提升高度500mm。而AA’之間的距離就是伸縮油缸伸縮桿所需要運動的距離。根據設計要求以及對此四桿機構的分析可以知道，搖臂機構的長度即OA的距離為350mm，伸縮桿的長度即AB的距離為1000mm，彎臂的長度即BC的距離為1100mm。根據這幾個基本參數(shù)，可以進行對耙土器結構的設計計算。第三章液壓制動系統(tǒng)設計3.1液壓系統(tǒng)設計要求自行式平地機依靠液壓系統(tǒng)實現(xiàn)工作裝置的各種動作，因此液壓系統(tǒng)的性能直接影響到平地機的技術經濟指標。對平地機的液壓系統(tǒng)有如下下要求：(1)液壓系統(tǒng)的設計要結合總體性能要求，綜合考慮各種因素的影響。例如鏟刀油缸的參數(shù)、個數(shù)、布置，由鏟刀升降載荷及鏟刀升降速度確定，而且還需要考慮鏟刀結構、推土速度、司機勞動強度等因素。(2)工作可靠，回路簡單。例如平地機載荷變化急驟，但要求液壓系統(tǒng)能平穩(wěn)可靠地工作，無沖擊。當過載時，不發(fā)生故障及損壞機件。(3)注意標準化、通用化、系列化。盡量采用標準液壓元件，不僅可縮短生產周期、降低成本，而且工作可靠，配件方便。(4)液壓系統(tǒng)效率高。系統(tǒng)效率低不僅對能量是個浪費，對整個液壓系統(tǒng)危害也極大，所以系統(tǒng)匹配要合理(參數(shù)確定、基個回路的組合、元件與附件的選擇以及管路布置等)。(5)操作簡便，維修容易。3.2液壓系統(tǒng)設計內容設計開始時，首先必須明確以下幾個主要問題。1）．弄清主機結構和總體布局。這不僅是合理確定液壓元件工作范圍的需要，也是合理確定和調整液壓執(zhí)行元件的安放位置及空間尺寸限制條件的需要。從結構簡單、工作可靠、運動速度一般不受限制等力面來考慮，油缸有其優(yōu)越仕，所以平地機執(zhí)行元件多為油缸。2）．明確平地機對液壓系統(tǒng)的性能要求，如運動平穩(wěn)性、動作精度、調速范圍、系統(tǒng)溫升、系統(tǒng)效率以及安全保護等。3）．明確平地機的工作條件，如溫度、濕度、污染等情況。隨著平地機使用范圍的擴大，使用環(huán)境更為復雜，使用條件愈加惡劣，所以要求平地機性能要好、質量要高。了解這些以便正確的選擇液壓元件和液壓油。4）．確定液壓系統(tǒng)與其他傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的分工配合、布置和相應的控制關系。5）．了解、搜集同類型平地機的有關技術資料。除了要了解液壓系統(tǒng)組成、工作原理、使用情況及存在問題外，還應對系統(tǒng)工作壓力選用情況等進行調查統(tǒng)計，為下一步設計工作準備必要的資料。在上述工作的基礎上，對平地機進行工況分析即動力分析，它是設計液壓系統(tǒng)的基本依據。所謂動力分析就是研究平地機在工作過程中，它的執(zhí)行機構的受力情況，對液壓系統(tǒng)來說，也就是油缸的負載情況。3.3油缸的設計系統(tǒng)壓力選定的是否合理，直接關系到整個系統(tǒng)設計的合理性。在設計一個新的液壓系統(tǒng)時，最佳的工作壓力應是在特定的條件下各項設計因素的較好結合。這些因素主要包括以下幾個方面。1）．經濟和重量因素在液壓傳動中，系統(tǒng)所傳遞的功率是壓力和流量兩個參數(shù)的乘積，這就說明這兩個參數(shù)是緊密相關的。如果系統(tǒng)功率一定，系統(tǒng)壓力選得低，則元件尺寸大，造成主機體積變大，自重增加，是不經濟的。若選取較高壓力，則元件尺寸減小，主機結構緊湊，重量減輕，較經況。但繼續(xù)提高系統(tǒng)壓力，也會出現(xiàn)相反情況，相應元件強度要增加，材質要提高，制造精度也要提高，經濟效果變差。重量與尺寸在固定式機械中，不是最主要的因素。但在自行式的工程機械中，尺寸和重量就成為一個較突出的設計因素。2）．其他因素(1)提高系統(tǒng)工作壓力，將對密封裝置、元件和輔件的加工精度提出更高的要求。(2)提高系統(tǒng)壓力，會降低液壓元件的容積效率，導致系統(tǒng)發(fā)熱增加。(3)系統(tǒng)壓力的提高，會使元件、輔件壽命降對于平地機液壓系統(tǒng)來說，系統(tǒng)壓力一般為13—18MPa，屬于中壓。但大型平地機也有向高壓發(fā)展的趨勢。要滿足平地機的作業(yè)要求，在整機匹配上，工作裝置油泵消耗的功率，一般占總功率的30%-40%，所以大型平地機的系統(tǒng)壓力采用高壓級范圍20MPa。但是此次設計只是設計平地機的耙土器，其壓力不是很大。根據課題要求以及查閱相關資料可以確定耙子收放油缸的輸出壓力為6.3Mpa。按照結構的不同，液壓缸可以分為活塞缸、柱塞缸、組合缸和擺動缸四類?；钊子挚煞譃閱螚U和雙桿。單桿活塞缸的特點是：僅在液壓缸的一腔中有活塞桿，缸兩腔的有效面積不相等，因此，當壓力油以相同的壓力和流量分別進入缸的兩腔時，活塞在兩個方面的推力，運動速度都不相等。雙活塞桿活塞缸的兩腔具有相等的有效面積，因此，當工作壓力和輸入流量相等時，缸在兩個方向上的輸出力和運動速度是相等的。雙活塞缸又分為實心雙活塞缸和空心雙活塞缸兩種，一般，實心雙活塞缸的進出油口設置在缸體上，用于缸體固定安裝方式，占地面積較大，空心雙桿活塞缸的進出油口設置在活塞桿上，用于活塞桿固定安裝方式，占地面積較小。柱塞缸的內壁要求精加工，當缸筒較長時，加工有一定的困難，柱塞缸的內壁和柱塞沒有接觸，缸筒內壁可以不加工或只作粗加工，只要精加工柱塞和導向套就可以了，柱塞缸結構簡單，制造容易，常用于行程較長的場合。柱塞缸只能做單向運動，它的回程需要借助自重（垂直放置）或其他外力（如彈簧）來完成，也可以采用反向布置的兩個柱塞缸，來實現(xiàn)雙向運動控制。表1液壓缸的分類類別名稱簡化符號說明 單作用活塞式僅能實現(xiàn)單向輸出，反向靠外力或彈簧力復位柱塞式同上，但一般行程較活塞式大雙作用單桿活塞式實現(xiàn)雙向運動，差動聯(lián)接可實現(xiàn)快速雙活塞桿式實現(xiàn)雙向速度一致的運動根據課題，可知耙子收放油缸只是做簡單的直線往復運動，故采用單活塞桿式液壓缸。液壓缸安裝在機架上，根據對四桿機構的運動分析可以知道，搖臂機構在機架上繞著軸心運動，固對液壓缸的安裝采用耳環(huán)型，如下圖所示：這種安裝方式的特點是：可在垂直面內擺動，但銷軸受力較大。3.4液壓缸的設計計算設計液壓缸的基本原始資料是液壓缸的負載值、負載運動速度、行程值、液壓缸的結構外形及安裝要求等。液壓缸的設計計算主要是確定液壓缸的結構尺寸，確定液壓缸的使用壓力和流量，并對液壓缸的零部件進行強度校核和性能驗算等。P=6.3Mpa，S=305mm.查閱《液壓元件手冊》表2-3-2可知，其負載為50KN。根據需要求液壓缸的理論輸出力F和系統(tǒng)選用的供油壓力P=6.3Mpa來計算缸筒內徑D，計算公式如下：式中F—液壓缸的理論輸出力（N）；P—供油壓力（MPa）。液壓缸的理論輸出力F，可按下式確定式中F0—活塞桿的實際作用力，可以取估算負載值的最大值；—負載率，一般取0.5—0.7；—液壓缸的總效率。由以上公式計算D值為124mm。查《液壓元件手冊》表2-1-4.取D=125mm?；钊麠U直徑的計算，可按《液壓元件手冊》表5-2，d=（0.6—0.7）D=75—87.5mm。查《液壓元件手冊》表2-1-5，將d圓整為80mm。3.5材料的選擇缸筒材料一般要有足夠的強度和沖擊韌性，對焊接的缸筒，還要求有良好的焊接性能。根據液壓缸的參數(shù)、用途和毛坯的來源，可選用碳素鋼、合金結構鋼、鑄鋼、鑄鐵、