工作减速装置.docx
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工作减速装置
目录
摘要V
ABSTRACTVI
前言1
1概述3
1.1挖掘机械的类型3
1.2单斗液压挖掘机的基本组成和工作原理3
1.3本次设计任务3
1.4主要参数的选择4
2设计方案5
2.1工作装置方案设计5
2.1.1工作装置的设计原则5
2.2回转装置的设计5
2.2.1对回转机构的基本要求5
2.2.2回转机构的选择5
2.2.3制动器的选择6
2.3回转机构液压系统基本回路的设计6
2.3.1回转机构液压系统的基本组成及其要求6
3工作装置的设计计算8
3.1工作装置构成8
3.1.1动臂及斗杆的结构形式10
3.1.2动臂油缸与铲斗油缸的布置10
3.1.3铲斗与铲斗油缸的连接方式11
3.1.4铲斗的结构选择11
3.2原始参数的确定12
3.2.1动臂与斗杆的长度比K112
3.2.2α1与A点坐标的选取13
3.3特殊工作位置计算:
13
3.3.1最大挖掘深度H1max13
3.3.2最大卸载高度H3max14
3.3.3水平面最大挖掘半径R1max14
3.3.1最大挖掘半径R15
3.3.4最大挖掘高度H2max15
3.4基本尺寸的确定15
3.4.1斗形参数的确定15
3.4.2动臂机构参数的选择16
3.4.3斗杆机构基本参数的选择18
3.4.4铲斗机构基本参数的选择19
3.4.5铲斗机构其它基本参数的计算20
3.5动臂机构基本参数的校核22
3.5.1动臂机构闭锁力的校核22
3.5.2满斗处于最大挖掘半径时动臂油缸提升力矩的校核23
3.5.3满斗处于最大高度时,动臂提升力矩的校核24
3.6工作装置液压系统主参数的选择25
4回转装置设计计算26
4.1滚动轴承式回转支承的选型计算26
4.2回转支承的校核26
4.2.1当量负荷Cd的计算方法26
4.2.2反铲工作装置的计算位置和计算方法各参数说明26
4.3回转启动力矩和制动力矩计算30
4.4行星减速器的设计31
4.4.1齿形及精度31
4.4.2齿轮材料及其性能31
4.4.3传动比的分配32
4.4.4齿轮的设计计算32
4.4.5轴的设计34
4.4.6轴上零件的选择34
5生产率的计算36
5.1斗杆油缸伸、缩时间的计算36
5.2动臂油缸伸、缩时间的计算37
5.3铲斗油缸伸、缩时间的计算38
5.4转台满斗回转和空斗回转时间的计算38
5.5作业循环时间计算38
5.6理论生产率计算39
6液压系统基本回路的设计40
6.1限压回路40
6.2卸荷回路41
6.3缓冲回路42
6.4支腿顺序和锁紧回路43
6.5制动器液压系统设计44
6.5.1结构与工作原理44
6.5.2特点45
7结论46
参考文献47
致谢48
轮式液压挖掘机工作装置设计
摘要
单斗液压挖掘机在国民经济建设的许多行业被广泛地采用,如工业与民用建筑、交通运输、水利电气工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等等行业的机械化施工中。
据统计,一般工程施工中约有60%的土方量、露天矿山中80%的剥离量和采掘量是用挖掘机完成的。
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。
反铲装置作为单斗挖掘机工作装置的一种主要形式,在工程实践中占有重要地位。
反铲装置的各组成部分有各种不同的外形,要根据设计要求选用适合的结构并对其作运动分析。
然后,在满足机构运动要求的基础上对各机构参数进行理论计算,确定各机构尺寸参数,确定挖掘机反铲装置的基本轮廓。
单斗液压挖掘机的回转机构的回转时间大约占整个工作时间的50-70%,能量消耗约占25-40%,回转液压油路的发热量约占液压系统总发热量的30-40%,因此,合理的确定回转机构的液压油路和结构方案、正确的选择回转机构的诸参数,对提高生产率和功能利用率,改善司机的劳动条件,减少工作装置的冲击等具有十分重要的意义。
关键词:
液压挖掘机,反铲装置,回转机构,液压系统,生产率
Wheelhydraulicexcavatorworkingdevicedesign
ABSTRACT
Singlefightsinnationaleconomicconstructionofhydraulicexcavatormanyindustryiswidelyadopted,suchasindustrialandcivilbuilding,transportation,waterconservancyelectricalengineering,farmlandleveling,mineminingandmodernizethemechanizationofindustryandsoonmilitaryengineeringconstruction.Accordingtostatistics,generalengineeringconstructionabout60%ofopen-pitmineearthvolume,80percentofdetachmentquantityandminingquantityisdonewithexcavator.Alongwithourcountrytheconstructionofinfrastructureinconstructionexcavator,deeplyandwidely,excavatormarketwithbroadspacefordevelopment,thusmeetChina'snationalconditionsneededexcavatorisverynecessary.
Thesinglefightsexcavatorshoveldeviceasaworkingdeviceinengineeringpractice,themainformoccupiesanimportantposition.Thepartsoftheshoveldeviceavarietyofdifferentshape,accordingtothedesignrequirements,wechoosethesuitablestructureandinthemotionanalysis.Then,inmeetthebasisofmechanismmotionrequirementsforagenciesparameters,thetheoreticalcalculationtodetermineagenciestodeterminethesizeparameters,theshoveldeviceexcavatorbasicoutline.
Singlefightshydraulicexcavatorareturningtheswingmechanismofthetotaltimeabout50to70percentofworkingtime,energyconsumptionaccountedforabout25to40percent,rotaryhydraulicoilaccountsforthehydraulicsystemofcalorificvalue30to40percentoftotalheat,therefore,reasonabledeterminationofthehydraulicoilandswingmechanismstructurescheme,thecorrectchoiceofswingmechanismoftheparameters,improveproductivityandfunction,improvetheutilizationrateoflaborconditionsandreducedrivertheimpactofworkingdevicehastheextremelyvitalsignificance.
Keywords:
hydraulicexcavator,Antishoveldevice,swingmechanism,hydraulicsystem,productivity
前言
挖掘机是工程机械的一个主要机种,它广泛应用于矿山开采、道路工程、国防施工、农田水利等基本建设之中。
随着我国经济建设的迅猛发展特别是国家加大公路、铁路、住宅和水利设施的投资,挖掘机越来越显示出在国民经济建设中的巨大作用。
我国挖掘机生产起步于60年代,第一代产品为机械式挖掘机。
进入70年代,开始研制液压挖掘机,并形成了系列产品,标志着我国挖掘机行业已经形成。
80年代中期,随着我国改革开放的深入和国民经济的发展,我国一些大型挖掘机企业分别引进了德国利渤海尔、德马克等公司的先进制造技术,使我国的挖掘机在技术水平、产品质量和生产管理上都有了很大的提高。
涌现出诸如长江挖掘机厂、抚顺挖掘机厂、上海建筑机械制造厂、合肥矿山机器厂、北京建筑机械厂和贵阳矿山机器厂等一批实力较强的骨干企业,为我国挖掘机产品的生产和发展奠定了坚实的基础,也为我国的经济建设做出了不可磨灭的贡献。
进入90年代,挖掘机市场需求迅速扩大,一些企业纷纷看好这一市场,挖掘机行业如雨后春笋,新企业不断涌现,一些原本生产其它工程机械的企业,也纷纷加入到挖掘机行业。
国外一些大公司也把目光瞄准了中国市场,短短的几年内,先后有日本、韩国、德国等十余家公司与中国企业进行了合资,还有的在中国独资办企业生产挖掘机,使得我国从原有的六大骨干厂,一下猛增到44家。
企业性质由原来的单一国有企业,变成了国有、合资、独资、股份制、乡镇集体等多种形式。
目前,摆在挖掘机行业面前的是挑战和机遇并存。
今后几年中国经济的快速增长,无疑会给工程机械行业的发展带来无限商机,挖掘机是工程机械的主要产品之一,许多工程都离不开挖掘机械的参与。
据中国机电报报道,“九五”期间国家计划新建铁路6000多公里,增建复线3000多公里,电气化改造4000多公里,到2000年铁路运营将达到6.8万公里,平均每年投入资金500亿元。
“九五”期间还将投资5500亿元,新建公路11万公里,其中高速公路6000公里;港口将新建万吨以上的舶位100个,新增吞吐能力2百多万吨;同时还要大力发展原油、天然气管道建设;在能源工业方面,将新建20座大型水电站,若干大型露天煤矿,石油的开采也逐步加大;另外,冶金、矿山的开采,“九五”期间要新建9座大型露天铁矿;还有农田水利工程,改造黄河流域10大水系,南水北调、疏竣河道,特别是98年遭受特大洪水灾害后,对堤坝、围堰的整修、加固、和综合治理工作将会加大力度。
所有这些领域的巨大发展都需要大量的挖掘机械,为我国挖掘机械的发展提供了广阔前景。
预计近几年国内市场每年需求挖掘机12000-15000台。
因此,要使挖掘机的产量满足市场需求,只有把产品质量搞上去,提高产品的可靠性,切实做好售后服务,才能在竞争中立于不败之地,在市场上占有重大份额。
1概述
1.1挖掘机械的类型
挖掘机械的类型与构造形式繁多,可按照工作原理和过程、用途、构造特征等进行划分。
按照用途,单斗挖掘机分为:
建筑型、采矿型、和剥离型。
按照发动装置,挖掘机有电驱动、内燃机驱动和复合驱动等。
按照传动方式,挖掘机分为机械传动式、液压传动式和混合传动式。
挖掘机的行走装置型式有:
履带式、轮胎式等。
单斗挖掘机的工作装置型式很多,有:
反铲、正铲、拉铲和起重吊钩等。
本次设计为机重20t,斗容量为0.8m3的轮式单斗液压挖掘机的回转机构的设计。
1.2单斗液压挖掘机的基本组成和工作原理
单斗液压挖掘机为了实现周期性作业要求,设有下列基本组成部分:
工作装置、回转机构、动力装置、传动操作机构、行走装置和辅助设备等。
常用的是全回转式液压挖掘机,其动力装置、传动机构的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室等都装在可回转的平台上,简称上部转台。
因此又常把机械概括成有工作装置、上部转台和行走装置三大部分组成。
液压挖掘机由柴油机驱动液压泵,把高压油输送到各阀,再到各液压执行元件和驱动机构进行工作。
1.3本次设计任务
(1)轮式液压挖掘机回转机构的设计。
(2)制动器液压系统部件设计。
(3)回转机构的液压系统基本回路的设计。
1.4主要参数的选择
标准斗容量q=0.8m3机重G=20t发动机功率Nt=100kw
液压系统工作压力P=32.4MPa,闭锁压力Pg=34.3MPa
根椐经验公式求各尺寸参数。
线尺寸参数:
(m)
式中Kli为线向尺寸经验系数,G为整机质量。
机体重心离地面高度:
yt=0.32×
=0.869m
机体重心与回转中心的距离:
et=0.33×
=0.888m
转台重量:
GGd=0.18×20=3.6t
转台惯量:
满载时:
Jt=kJt·G
=960×20
=141466.8kg·㎡
空载时:
J0=590×20
=86943.1kg·㎡
2设计方案
2.1工作装置方案设计
2.1.1工作装置的设计原则
设计合理的工作装置需要满足下列要求:
(1)主要工作尺寸及作业范围能满足要求。
在设计反铲装置时要考虑与同类型、同等级机器相比的先进性。
(2)整机挖掘力的大小及其分布情况应满足使用要求并具有先进性。
(3)功率利用尽可能好,理论工作时间尽可能短。
(4)确定铰点布置,结构形式和界面尺寸形状时尽可能使受力情况有利。
(5)作业条件复杂使用情况多变时应考虑工作装置的通用性。
(6)运输或停放时工作装置应有合理的姿态,使运输尺寸小,行驶稳定。
(7)工作装置液压缸设计应考虑三化。
(8)工作装置布置应便于拆装和维修。
2.2回转装置的设计
2.2.1对回转机构的基本要求
(1)在角速度和回转力矩不超过允许值的前提下,应尽可能缩短回转时间。
在回转部分惯性已知的情况下,角速度的大小受最大回转转矩的限制,该转矩不应超过行走部分与地面的附着力矩。
(2)回转式工作装置的动载系数不应超过允许值。
(3)回转能量损失最小
2.2.2回转机构的选择
回转机构分为全回转式和半回转式,悬挂式液压挖掘机一般采用半回转式的回转机构,回转角度一般等于或小于180°,本次设计为轮式液压挖掘机,采用全回转式回转机构。
本次设计采用高速方案,即由高速液压马达经齿轮减速机带动回转支承上的回转齿圈转动,促使转台转动。
在设计中,采用行星齿轮减速器减速,虽然加工要求比较高,但是可用一般渐开线齿廓的模数铣刀进行加工,结构比较紧凑,速成比较大,受力好。
此方案采用斜轴式液压马达驱动回转机构。
2.2.3制动器的选择
制动器应满足工作安全可靠,制动平稳,操纵轻便灵敏等要求。
此回转机构采用了常开式钳盘式制动器。
因为通过实验与蹄式制动器相比,它具有以下优点:
[6]
(1)钳盘式制动器所产生的制动力矩比较平稳,由于它无增力作用其效率系数K与摩擦系数u为直线关系。
(2)由于制动盘都暴露在外,因此通风好,旋转时还有自洁作用。
热稳定性好,基本没热衰退现象,在连续使用情况下制动力矩变化很小,甚至在恶劣环境中也能使用。
(3)维修方便,不需要经常调整间隙。
(4)制动摩擦衬片摩擦均匀,使用寿命也比较长。
2.3回转机构液压系统基本回路的设计
2.3.1回转机构液压系统的基本组成及其要求
回转机构的功能是将工作装置和上部转台向左或向右回转,以便进行挖掘和卸料,完成该动作的液压元件是液压马达。
回转机构工作时必须满足如下条件:
回转迅速、起动和制动无冲击、振动和摇摆,与其他机构同时工作时,能合理的分配去各机构的流量。
挖掘机的动作复杂,主要机构经常起动、制动、换向,负载变化大,冲击和振动频繁,而且是野外作业,工作环境差,因此挖掘机的液压系统需满足几个要求:
(1)有高的传动效率,以充分发挥发动机的机动性和燃料使用经济性。
(2)液压系统和液压元件在大的变化的负载和急剧的振动作用下具有足够的可靠性。
(3)设置轻便耐用的冷却器,减少系统的总发热量,使主机持续工作时油温不超过80℃,或温升不超过45℃。
(4)由于作业现场尘土多,液压油容易被污染,所以液压系统密封性要好,液压元件对油液污染的敏感性要低,整个液压系统要设置滤油器和防尘装置。
(5)采用液压或电液伺服操作装置,以便挖掘机设置自动控制系统,进而提高挖掘机的技术性能和减轻驾驶员的劳动强度。
3工作装置的设计计算
3.1工作装置构成
1-斗杆油缸;2-动臂;3-油管;4-动臂油缸;5-铲斗;6-斗齿;7-侧板;
8-连杆;9-曲柄:
10-铲斗油缸;11-斗杆.
图3-1工作装置组成图
图3-1为液压挖掘机工作装置基本组成及传动示意图,如图所示反铲工作装置由铲斗5、连杆9、斗杆11、动臂2、相应的三组液压缸1,4,10等组成。
动臂下铰点铰接在转台上,通过动臂缸的伸缩,使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。
依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动,而铲斗铰接于斗杆前端,通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。
[7]
挖掘作业时,接通回转马达、转动转台,使工作装置转到挖掘位置,同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩,动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸,液压缸大腔进油而伸长,使铲斗进行挖掘和装载工作。
铲斗装满后,铲斗缸和斗杆缸停动并操纵动臂缸大腔进油,使动臂抬起,随即接通回转马达,使工作装置转到卸载位置,再操纵铲斗缸或斗杆缸回缩,使铲斗翻转进行卸土。
卸完后,工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环[1]。
在实际挖掘作业中,由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同,反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。
上述过程仅为一般的理想过程。
挖掘机工作装置的大臂与斗杆是变截面的箱梁结构,铲斗是由厚度很薄的钢板焊接而成。
各油缸可看作是只承受拉压载荷的杆。
根据以上特征,可以对工作装置进行适当简化处理[3]。
则可知单斗液压挖掘机的工作装置可以看成是由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸及连杆机构组成的具有三自由度的六杆机构,处理的具体简图如3-2所示。
进一步简化得图如3-3所示。
图3-2工作装置结构简图
1-铲斗;2-连杆;3-斗杆;4-动臂;5-铲斗油缸;6-斗杆油缸
图3-3工作装置结构简化图
挖掘机的工作装置经上面的简化后实质是一组平面连杆机构,自由度是3,即工作装置的几何位置由动臂油缸长度L1、斗杆油缸长度L2、铲斗油缸长度L3决定,当L1、L2、L3为某一确定的值时,工作装置的位置也就能够确定[1]。
3.1.1动臂及斗杆的结构形式
动臂采用整体式弯动臂,这种结构形式在中型挖掘机中应用较为广泛。
其结构简单、价廉,刚度相同时结构重量较组合式动臂轻[2],且有利于得到较大的挖掘深度。
斗杆也有整体式和组合式两种,大多数挖掘机采用整体式斗杆。
在本设计中由于不需要调节斗杆的长度,故也采用整体式斗杆。
3.1.2动臂油缸与铲斗油缸的布置
动臂油缸装在动臂的前下方,动臂的下支承点(即动臂与转台的铰点)设在转台回转中心之前并稍高于转台平面[2],这样的布置有利于反铲的挖掘深度。
油缸活塞杆端部与动臂的铰点设在动臂箱体的中间,这样虽然削弱了动臂的结构强度,但不影响动臂的下降幅度。
并且布置中,动臂油缸在动臂的两侧各装一只,这样的双动臂在结构上起到加强筋的作用,以弥补前面的不足。
具体结构如图3-4所示。
2
1
1-动臂;2=动臂油缸
图3-4动臂油缸铰接示意图
3.1.3铲斗与铲斗油缸的连接方式
本方案中采用六连杆的布置方式,相比四连杆布置方式而言在相同的铲斗油缸行程下能得到较大的铲斗转角,改善了机构的传动特性。
该布置中1杆与2杆的铰接位置虽然使铲斗的转角减少但保证能得到足够大的铲斗平均挖掘力。
如图3-5所示。
2
3
3
1-斗杆;2-连杆机构;3-铲斗
图3-5铲斗连接布置示意图
3.1.4铲斗的结构选择
铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大,其应满足以下的要求[3]:
(1)有利于物料的自由流动。
铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等。
斗底的纵向剖面形状要适合于各种物料的运动规律。
(2)要使物料易于卸尽。
(3)为使装进铲斗的物料不易于卸出,铲斗的宽度与物料的粒径之比应大于4,大于50时,颗粒尺寸不考虑,视物料为均质。
综上考虑,选用中型挖掘机常用的铲斗结构,基本结构如图3-6所示。
图3-6铲斗
斗齿的安装连接采用橡胶卡销式,结构示意图如3-7所示。
1-卡销;2–橡胶卡销;3–齿座;4–斗齿
图3-7卡销式斗齿结构示意图
3.2原始参数的确定
3.2.1动臂与斗杆的长度比K1
由于所设计的挖机适用性较强,一般不替换工作装置,故取中间比例方案,K1取在1.5~2.0之间,初步选取K1=1.8,即l1/l2=1.8。
3.2.2α1与A点坐标的选取
初选动臂转角α1=120
由经验统计和参考其它同斗容机型,初选特性参数k3=1.4(k3=L42/L41)
铰点A坐标的选择:
由底盘和转台结构,并结合同斗容其它机型的测绘,初选:
XA=430mm;YA=1200mm
3.3特殊工作位置计算:
3.3.1最大挖掘深度H1max
NH-摇臂;HK-连杆;C-动臂下铰点;A-动臂油缸下铰点;B-动臂与动臂油缸铰点;F-动臂上铰点;D-斗杆油缸上铰点;E-斗杆下铰点;G-铲斗油缸下铰点;Q-铲斗下铰点;K-铲斗上铰点;V-铲斗斗齿尖.
图3-8最大挖掘深度计算简图
如图3-8示,当动臂全缩时,F,Q,U三点共线且处于垂直位置时,得最大挖掘深度为:
H1max=YV=YFmin–l2–l3
=YC+L1Sinα21min–l2–l3
=YC+l1Sin(θ1-α20-α11)–l2–l3=5630mm
3.3.2最大卸载高度H3max
NH-摇臂;HK-连杆;C-动臂下铰点;A-动臂油缸下铰点;B-动臂与动臂油缸铰点;F-动臂上铰点;D-斗杆油缸上铰点;E-斗杆下铰点;G-铲斗油缸下铰点;Q-铲斗下铰点;K-铲斗上铰点;V-铲斗斗齿尖
图3-9最大卸载高度计算简图
如图3-9所示,当斗杆油缸全缩,动臂油缸全伸时,QV连线处于垂直状态时,得最大卸载高度为:
=6485mm
3.3.3水平面最大挖掘半径R1max
NH-摇臂;HK-连杆;C-动臂下铰点;A-动臂油缸下铰点;B-动臂与动臂油缸铰点;F-动臂上
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