全回转步履式液压挖掘机

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第一章绪 论 §1.1 概述

产品设计是产品生产的第一道工序。传统的产品的生产过程是：首先由设计者根据个人经验初步设计出产品、或者在已有的产品基础上进行模仿、或者改进已有的产品设计出新产品，然后做出模型或样品，再进行试验，对设计上的问题进行改进，重新设计、制造、试验和分析，不但要耗费大量的时间，也要耗费大量的人力和物力。在设计中要求对机器的工作原理、功能、结构、零部件设计、甚至加工制造和装配都要确定下来。虽然不同的设计者可能有不同的设计方法和设计步骤，机械设计的共性规律是客观存在的，其一般步骤是：目标预测、方案设计、技术设计、加工设计、试生产。它需要不断地总结和完善。用传统的设计方法，产品设计质量和风格在很大程度上受设计人员水平的局限，有时严重限制设计质量的提高。

单斗挖掘机是一种重要的工程机械，广泛应用在房屋建筑、道路工程、水利 建设、农田开发、港口建设、国防工事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 大作用。单斗挖掘机分机械传动和液压传动两种。机械传动挖掘机已有一百多 年历史，近一、二十年来，随着液压传动技术在工程机械上的广泛应用，单斗 液压挖掘机有了通速发展，在中小型单斗挖掘机中，液压挖掘机几乎取代了机 械传动挖掘机，大型单斗液压挖掘机也应用日广，这是由于液压挖掘机具有重 量轻、体积小、结构紧凑、挖掘力大、传动平稳、操纵简便，以及容易实现无级变速和自动控制等一系列优点。

挖掘机要完成其独特的功能，大部分零件结构复杂，工作条件恶劣，这些零件的结构分析和设计是一件比较困难的工作。全回转步履式液压挖掘机(以下简称步挖机) 为斗容量小于0. 6m3 的小型挖掘机,与一般挖掘机的区别在于下车没有行走和转向机构,采用4 个支脚支承整机,依靠工作装置和回转机构的联动实现机械的前进、后退和转向。它主要由工作装置、平台、回转机构、下车、动力装置和液压系统等组成。其主要特点是结构简单,质量轻,故障少,性能良好,成本只有同等级履带式挖掘机的50 %～60 % ,便于制造和维护;缺点是行走和转向速度慢。步挖机在结构形式和参数选择时应考虑以下要求: (1) 整机具有较高的稳定性, 在全域内(360°) 挖掘性能良好; (2) 步履行走性好,即步挖机能开进没有道路的施工现场; (3) 支脚调整简便、迅速、适应性强,安全可靠;

(4) 小型步挖机长距离转场移动时,能自行上、下运输车辆;

(5) 为了防止支脚沉陷和挖掘时的水平移动,支承爪上部为水平板,下部为放射

状的爪;

(6) 能在靠近建筑物的边角和狭小场地上挖掘作业。 (7) 其工作简图如图1-1所示：

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图1-1-1

4 个支脚的长度和在水平面内的调节尺寸主要影响步挖机在横向和纵向的稳定性以及行走时的通过性(通过某一最窄的路段) ,同时考虑步挖机对横向与纵向稳定性要求接近, 因此,a1 、a2 、b1 和b2 之间的比值一般取:

a2

2 2.5 ; a1

b2

2 2.5; b1

b1

1.1 1.3 ; a1

b2

1.1 1.3; a2

为适应作业场地大小和作业条件多变,前支脚由可伸缩的两节组成,其长度可进行3～4 级的调节,伸缩比

lmax

1.8～ 1. 9。 lmin

后支脚长度约为前支脚回缩状态下的长度,每个支脚座上有2～4 个定位销孔,这样前、后支脚在水平面内从最小到最大位置可进行2～3 档的有级调节,

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以适应各作业条件要求的整机稳定性。4 个支脚在垂直方向的运动由4 个油缸控制,可无级调节。支脚上下调节尺寸除满足步挖机在凹凸不平和斜坡上作业时能调平上车外,还要满足上、下运输车辆的高度要求。前支脚向下调节角度应与最大长度相互协调。前支脚向下调节角度过大,造成支脚油缸力臂太小,油缸受力过大,对油缸闭锁不利。后支脚向上调节尺寸使行走轮下边缘高于底座下部10～25cm ,向下调节尺寸见图1-2 。

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图中n1 h3。

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图1-1-1

§1. 2 挖掘机驱动桥机构件设计思路分析步骤

轮摆式挖掘机以液压驱动作为动力，其设计的主要步骤是：

(1). 根据挖掘机的工作方式确定其驱动桥结构。挖掘机驱动桥处于动力传动 端，其基本功能是增大由传动轴或变速器传来的转矩,并将动力合理地分配 四个摆臂驱动轮，另外还承受作用于路面和车架或车身之间的垂直力和横 向力驱动桥设计应当满足如下基本要求：

1) 所选择的主减速比应能保证挖掘机具有最佳的动力性和燃料经济性。 2) 外形尺寸要小，保证有必要的离地间隙。 3) 齿轮及其它传动件工作平稳，噪声小。 4) 在各种转速和载荷下具有高的传动效率。

5) 在保证足够的强度、刚度条件下，应力求质量小，尤其是簧下质量应尽量小，以改善挖掘机平顺性。

6) 结构简单，加工工艺性好，制造容易，拆装，调整方便 7)摆臂整体结构简图如下图1-2-1所示。

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图1-2-1

（2）.确定平行可移式摆臂的结构。由于轮摆式挖掘机设计用于斜坡，山体等复杂环境下工作，为保证挖掘机的工作平稳和可靠性，故需从其摆臂方面进行设计，即其摆臂各角度需要三维立体摆动。以保证挖掘机操作员在任意工作平面处于水平位置。 当车轮采用摆臂独立悬架时，摆臂应为一根连接左右驱动车轮的刚性空心梁(图5—1)，而主减速器、差速器及车轮传动装置都装在它里面。

(图1-2-2)

摆臂设计应当满足如下基本要求；

1)该摆臂为可移动式摆臂，在结构简单的基础上，易于加工。为了使摆臂的左右运动可靠，满足刚度要求，故设计成平行四边形四杆铰链机构，如下图：

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该平行四边形铰链四杆机构自由度为1，故该结构具有确定的运动， F 6n (5P5 4P4 3P3) 6 3 (5 2 4 1 3 1) 1

平行四边形机构是双曲柄机构的一个特例。组成四边形对边的构件长度分

别相等。从动曲柄和主动曲柄的回转方向相同，角速度时时相等。根据已 知条件，该四杆机构最大的内外转动角度为30°： 则：A点的转动角度为30°，如下运动简图：

已知摆臂长1.2米，为满足摆臂内外摆角30°，故铰链的端杆长度应满足： L1=L*sin15°=1.2 sin15 0.3m

2)为保证挖掘机行进方便可靠，摆臂应具有轮式结构， 3)摆臂外形尺寸要小，保证挖掘机重量较轻。

（3）.根据挖掘机工作条件计算，设计驱动桥及摆臂外形，结构大小，幷进行临界受力分析，对关键部位及零件进行强度及抗疲劳强度校核。绘制各个零件图,摆臂的计算主要按作业时的工况。作业时有支腿支承, 轮胎离地, 但作业过程中机器的晃动较大, 长期作业后, 在松软地面上支腿容易陷人地面而出现轮胎支地情况,司机也不易察觉。此外, 也要考虑支腿失灵的情况。因此, 实际的最大桥荷应考虑轮胎支地工况。作业时主要考虑三种情况挖掘作业时, 计算挖掘力及机器重量作用于桥的垂直力当垂直力很大时一般水平力很小可忽略起吊重物时, 按机器的抗倾翻能力考虑装满铲斗后在任意位置突然启动提升或下降过程中突然制动, 此时有巨大的惯性力作用, 正常情况下后者要大一些。

§1. 3主要参数的选择

主要参数的选择与整机的结构形式和工作要求有关,其中最重要的参数有斗