【正文】 斗容 1m3挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要 近年來，我國(guó)的基建工程有日益增多的趨勢(shì)，國(guó)家也要大力發(fā)展基建工程來拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，而挖掘機(jī)作為土方施工必不可少的機(jī)械設(shè)備，將在我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面發(fā)揮舉足輕重的作用。 挖掘機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)要承受軸向載荷，徑向載荷，和傾覆力矩，對(duì)其剛度，強(qiáng)度與穩(wěn)定性就有一定的要求。所以，挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)保持挖掘機(jī)整體的穩(wěn)定性方面有重要作用，對(duì)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的研究有助于國(guó)家發(fā)展各種不同類型的挖掘機(jī)。 針對(duì)斗容 1m3 挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，我進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)方案分析， 回轉(zhuǎn)支承選型設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)速度控制及制動(dòng)方案與制動(dòng)器設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)各部件的受力校核及選型，還采用了有限元方法來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 國(guó)內(nèi)的挖掘機(jī)廠商對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的把握還不夠大，對(duì)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的不斷優(yōu)化對(duì)國(guó)內(nèi)廠商制造更大更多類型的挖掘機(jī)有重要的意義。 關(guān)鍵詞 ：機(jī)械設(shè)備；挖掘機(jī)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元 第一章 緒 論 液壓挖掘機(jī)及其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)介紹 液壓挖掘機(jī)是一種多功能周期作業(yè)的土方機(jī)械 ,廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸，水利工程，礦山采掘和電力工程等機(jī)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(zhuǎn)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(jī)對(duì)于對(duì)于減輕工人繁重的體力勞動(dòng)，加快施工進(jìn)度，提高施工機(jī)械化水平，促進(jìn)各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，都起著很大的作用。一臺(tái)斗容 1m3 挖掘機(jī)每班的生產(chǎn)率基本上等于 300400 個(gè)工人一天的工作量。所以很有必要大力發(fā)展液壓挖掘機(jī)，提高其工作性能，讓其更好地提高生產(chǎn)率，為國(guó)民建設(shè)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)服務(wù)。 挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臺(tái)和液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)等組成?；剞D(zhuǎn)支承的內(nèi)外座圈間設(shè)有滾動(dòng)體，其底座跟帶齒的內(nèi)座之間用螺栓 連接，外座圈跟轉(zhuǎn)臺(tái)用螺栓連接。挖掘機(jī)工作裝置上的各種載荷與力矩經(jīng)過回轉(zhuǎn)支承傳給底架。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的小齒輪既能繞自身自轉(zhuǎn)又能繞轉(zhuǎn)臺(tái)中心公轉(zhuǎn)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)繞底架回轉(zhuǎn)，相當(dāng)于行星機(jī)構(gòu)。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 工國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在挖掘機(jī)技術(shù)上一直處于領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，他們從 20 世紀(jì) 80 年代就開始生產(chǎn)特大型挖掘機(jī)，例如，美國(guó)生產(chǎn)的斗容 132m179。的步行式拉鏟挖掘機(jī)，斗容 50150m179。剝離用挖掘機(jī)； BE（布比賽路斯 伊利）公司生產(chǎn)的斗容量 107m179。的剝離用挖掘機(jī)，斗容量 179。的步行式拉鏟挖掘機(jī)等。從 20 世紀(jì)后期開始， 國(guó)際上挖 掘機(jī)的生產(chǎn)向微型化、多功能化、大型化、專用化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。 國(guó)內(nèi)的挖掘機(jī)生產(chǎn)商雖然要有很強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)，并且要針對(duì)市場(chǎng)與用戶的各種要求來開發(fā)出新一代挖掘機(jī)的變型產(chǎn)品（如高原型車、焊接車等），爭(zhēng)取步入大型挖掘機(jī)市場(chǎng)，不能只依靠國(guó)外進(jìn)口，把握市場(chǎng)方向。同時(shí)，國(guó)內(nèi)的廠商要提高用戶服務(wù)，樹立良好的品牌形象，力求企業(yè)與用戶實(shí)現(xiàn)雙贏局面。只有這樣，國(guó)內(nèi)廠商才可能慢慢把失去的市場(chǎng)份額奪過來。 本設(shè)計(jì)的目的和意義 目前我國(guó)及發(fā)展中國(guó)家的基礎(chǔ)工程建設(shè)相當(dāng)多，挖掘機(jī)的產(chǎn)銷量很大。作為工程 機(jī)械應(yīng)用專業(yè)的學(xué)生，通過此設(shè)計(jì)，可以很全面地掌握挖掘機(jī)的構(gòu)造和作業(yè)環(huán)境及要求；掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路與方法；鍛煉其綜合運(yùn)用機(jī)械類基礎(chǔ)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力和提高對(duì)計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用水平；本設(shè)計(jì)要求完成上臺(tái)車回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 研究?jī)?nèi)容包括，驅(qū)動(dòng)方案分析確定，傳動(dòng)設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)支承選型設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)速度控制及制動(dòng)方案與制動(dòng)器設(shè)計(jì)。 研究的基本思路與采用的方法 通過查閱相關(guān)資料進(jìn)行回轉(zhuǎn)馬達(dá)與回轉(zhuǎn)支承的選型，計(jì)算嚙合齒輪參數(shù)，計(jì)算液壓系統(tǒng)參數(shù)。 結(jié)合三維建模及分析修改設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)參數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)件或選用總成要完成選 型匹配計(jì)算，寫出具體的型號(hào)。 生成二維設(shè)計(jì)圖，按標(biāo)準(zhǔn)要求完成標(biāo)注、打印出二維設(shè)計(jì)圖； 第二章 方案設(shè)計(jì) 回轉(zhuǎn)方案選擇 1）高速方案：采用高速液壓馬達(dá)，經(jīng)過齒輪減速箱來帶動(dòng)小齒輪繞齒圈滾動(dòng)，從而使平臺(tái)回轉(zhuǎn)。可以使用 4 種回轉(zhuǎn)方案： 1 一級(jí)正齒輪和一級(jí)行星齒輪傳動(dòng) 2 兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng) 3 兩級(jí)正齒輪傳動(dòng) 4 一級(jí)正齒輪和兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng) 在高速軸上裝了機(jī)械制動(dòng)器，我國(guó)目前對(duì)一級(jí)行星齒輪傳動(dòng)和一級(jí)正齒輪和兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)進(jìn)行了系列化和專業(yè)化生產(chǎn)。 方案優(yōu)點(diǎn)：馬達(dá)采用了高速馬達(dá)，又加了齒輪減速機(jī)構(gòu) ，可靠性效率都比較高，同時(shí)又能降低成本縮小體積。設(shè)置了機(jī)械制動(dòng)器，不需要背壓補(bǔ)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：這種馬達(dá)轉(zhuǎn)速比較低，但扭矩比較大，帶動(dòng)小齒輪并讓轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)的時(shí)候，中間不用加減速器。這種方案采用的液壓馬達(dá)通常為靜力平衡式，內(nèi)曲線式和星型柱塞式等。不用經(jīng)過減速器驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)多是內(nèi)曲線式的，而且這種馬達(dá)轉(zhuǎn)速低，扭矩大。 方案優(yōu)點(diǎn)：這種馬達(dá)傳動(dòng)比較簡(jiǎn)單，起動(dòng)的時(shí)候制動(dòng)性能也比較好，零件比較少，可靠性比較好，對(duì)油污的敏感性也比較小。 為了經(jīng)濟(jì)性、可靠性和效率 ，選用了方案 2。 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)齒輪嚙合方案的確定 內(nèi)齒式齒輪嚙合結(jié)構(gòu)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(dòng)受外部環(huán)境影響比較大，比較浪費(fèi)橫向尺寸。所以選用內(nèi)齒式齒輪嚙合傳動(dòng)。 回轉(zhuǎn)軸承選型 （ 1）單排滾球式 滾道端面中心 d 偏滾珠中心而且滾道是圓弧形曲面的，滾道半徑 R=，滾珠與滾道接觸角α (水平線與作用力的夾角 )一般 45176。，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α (水平線與作用力的夾角 )=90176。，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(dòng)體做成了圓錐或圓柱形，接觸角常為 45176。，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(jī)上。 現(xiàn)實(shí)應(yīng)用最廣泛的是上述（ 1）（ 2）（ 3） 3 種。 縱觀液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)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(diǎn)接觸球式得到 了迅速的發(fā)展。對(duì)比這三種回轉(zhuǎn)支承，單排四點(diǎn)接觸球式的全部滾動(dòng)體都能同時(shí)分擔(dān)載荷，而另外兩種只有一般滾動(dòng)體可以承受載荷，所以其靜容量遠(yuǎn)超另外兩種。 綜合以上結(jié)論，此次的液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)軸承的選型選用單排四點(diǎn)接觸球式滾動(dòng)軸承式， 滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支承的系列標(biāo)準(zhǔn)及其具體選型 滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支承，不少國(guó)家已有系列標(biāo)準(zhǔn)，由專門的軸承廠制造，主機(jī)成更具用途選用即可。 我國(guó)制定的滾動(dòng)支撐系列標(biāo)準(zhǔn)分兩大類，六種結(jié)構(gòu)形式，四十種規(guī)格。 第一類或稱第一系列為接觸角 45 ，滾柱按 1： 1 排列的交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承，以代號(hào)“ HJ” 表示。 第二類或稱為第二系列為接觸角 45 的四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承，以代號(hào)“ HS” 表示。 每一類按座圈不帶齒（代號(hào)“ B”），帶外齒（代號(hào)“ W” ） 和帶內(nèi)齒（代號(hào)“ N”）的不同分為三種結(jié)構(gòu)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 HJN2820 表示滾道中心直徑 0 2820D mm? ，具有內(nèi)齒機(jī)構(gòu)形式的交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承。 我國(guó)指定的滾動(dòng)軸承職稱系列標(biāo)準(zhǔn)有一下特點(diǎn)： 參數(shù)比較齊全（滾道中心直徑范圍是 625 4540mm? ） ，符合主機(jī)系列，可滿足發(fā)展需要； ，毛胚尺寸完全相同，可以互換： ，內(nèi)外齒的原始齒形均為標(biāo)準(zhǔn)型（即壓力角0 20?? ，齒頂高系數(shù) 0 1f ? ，齒頂間隙系數(shù) 0 ? ） .為了減少小齒輪齒數(shù)，提高其承載能力，改善傳動(dòng)性能，內(nèi)齒式采用高度變位 （變位系數(shù) +），外齒式采用角度變位（當(dāng)大齒圈齒數(shù)為 95— 116 時(shí)變位系數(shù)取 +；當(dāng)齒數(shù)為 117— 136 時(shí)取 +；當(dāng)齒數(shù)等于和大于 137 時(shí)取 +） GCr15 及 GCr15SiMn,表面硬度為 HRC61— 50Mn,50SiMn， 5CrMnMo 等，滾道表面硬度為 HRC55— 65，硬化層深度為 35mm. 參考《單斗液壓挖掘機(jī)》表 32滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支承參數(shù)系列，初步選取四點(diǎn)接觸球式滾動(dòng)回轉(zhuǎn)支承 880HSN? 系列，其基本技術(shù)參數(shù)如下 : 滾道中心直徑： 0 880D mm? 外形尺寸： 1000D mm? 760d mm? 95H mm? mm? 安裝尺寸： 956uD mm? 800nD mm? 24n? 20mm?? 內(nèi)齒參數(shù)： mm? 728fd mm? mmm 10? 182?Z ??x mmL 70? 四點(diǎn)接觸球式滾動(dòng)回轉(zhuǎn)支承滾球尺寸： 0 40d mm? kNC a 21600 ? 接觸角 ?45?? 圖 回轉(zhuǎn)支承 主要性能參數(shù) 斗容量 1M179。 整機(jī)使用質(zhì)量（含配重） 30000 ㎏ 其中預(yù)估： 上車 19900 ㎏ 下車 9100 ㎏ 柴油機(jī) 型號(hào) SAA6D102E2 額定功率 125/2100 行駛速度范圍 : 低速范圍 VI=0～ km/h 高速范圍 VⅡ =0～ km/h 最大爬坡角 35186。 軌距 2380 mm 每側(cè)履帶接地尺寸 (長(zhǎng)寬 ) 6470 2980 mm 運(yùn)輸工況外形尺寸 (長(zhǎng)寬高 ) 9865 2980 3015 液壓系統(tǒng)參數(shù) : 鏟斗油缸 個(gè)數(shù)缸徑行程 (mm) 130 1020 90 回轉(zhuǎn)液壓回路 (Mpa) 控制液壓回路 (Mpa) 先導(dǎo)油路 斗桿油缸 個(gè)數(shù)缸徑行程 (mm) 140 1635 100 動(dòng)臂油缸 個(gè)數(shù)缸徑行程 (mm) 130 1335 90 行走液壓回路 (Mpa) 主泵最大流量 (L/min) 439 第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 回轉(zhuǎn)支承的受力分析 決定回轉(zhuǎn)支承壽命的主要是靜容量，因?yàn)槠涑Ｔ诘退俅筘?fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)。 為了研究滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支承的受力狀態(tài)，求出滾動(dòng)體受的最大作用力，以便與驗(yàn)算滾道與滾 動(dòng)體間的接觸強(qiáng)度?；剞D(zhuǎn)支撐的座圈是一個(gè)多支點(diǎn)彈性體 ,主要以滾動(dòng)體為支點(diǎn)，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(shè)內(nèi)座圈與底架固定，外座圈與轉(zhuǎn)臺(tái)固定，轉(zhuǎn)臺(tái)經(jīng)外座圈，滾動(dòng)體，內(nèi)座圈到底架是力的傳遞路線，如下圖 所示。 圖 回轉(zhuǎn)支承受力簡(jiǎn)圖 內(nèi)外座圈間的內(nèi)力分布跟制造方法有關(guān)，為了計(jì)算的簡(jiǎn)化，假設(shè)： 受力變形只發(fā)生在滾動(dòng)體與滾道接觸處，內(nèi)外座圈為絕對(duì)剛體；滾道與滾動(dòng)體接觸良好，無加工誤差，無徑向間隙和軸向間隙。 用在滾動(dòng)體上的軸向、徑向載荷與傾覆力矩的疊加內(nèi)力進(jìn)行 計(jì)算，經(jīng)過分析后得出挖掘機(jī)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 嚙P 和風(fēng)力 風(fēng)P 和慣性作用下產(chǎn)生的離心力 離P KN43c osD 1iM3P ??????? ??額嚙 5 .2 K N5 2 0FqKhCP ??????? 公斤風(fēng) 其中 C—— 風(fēng)載體型系數(shù)取 Kh—— 高度休整系數(shù)取 1 q—— 風(fēng)壓值取 25 公斤 /m2 F—— 迎風(fēng)面 離P 按照外傾 5176。來進(jìn)行計(jì)算 : 90 0 nLGP2ii??離= 900/ 42 ）（ ????????????????? ≈ 所以 總H = 嚙P + 風(fēng)P + 離P ≈ ++43≈ 50KN 各力對(duì)回轉(zhuǎn)中心取距的傾斜力矩 M 為 iiiiii RFhPLGM ??? ??? 風(fēng)離≈ 靜載系數(shù)的確定 一般用回轉(zhuǎn)支承的靜、動(dòng)容量來決定回轉(zhuǎn)支承的負(fù)荷能力，動(dòng)容量指回轉(zhuǎn)支承回轉(zhuǎn)100 萬轉(zhuǎn)不會(huì)疲勞破壞出現(xiàn)裂紋的能力，而靜容量指回轉(zhuǎn)支承的滾動(dòng)體與滾道接觸處在靜負(fù)荷的作用下的永久變形量之和到了滾動(dòng)體直徑的萬分之一但不影響回轉(zhuǎn)支承正常運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。 挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)速度比較低，所以只需要計(jì)算其回轉(zhuǎn)支承的靜容量。這種回轉(zhuǎn)支承的承載角 o45α? ，其靜態(tài)參照載荷計(jì)算可以參照以下公式： Fa180。=（ Fa +2 Fr）