矿大毕业设计-液压挖掘机回转装置设计.pdf

1 摘要 一般来说，小型挖掘机是指 1 6 吨级的挖掘装载机，由于其身姿小巧和具有方便的转场特性，所以在城市地区建设土方工程应用中，小型液压挖掘机扮演着重要角色。20 世纪八九十年代以来小型挖掘机得以迅速发展，在城市建设、交通，建筑等诸多施工中无一不发挥了重要作用。小型挖掘机利用其特有的设计，经常工作在城市等狭窄的空间内，节省了劳动力、提高了工作效率，对于各种作业要求都能够游刃有余，可以说是城市施工中最具有代表性的施工机械。现在城市建设飞速发展，大量的城市改造工程不仅要求施工时间短、而且对施工的安全性，环保性和不妨碍居民生活上都提出了要求，这些条件都促进了小型挖掘机的发展。小型挖掘机一般由动力装置、传动装置、回转装置、行走装置和工作装置等组成。其中回转装置和行走装置则直接影响着挖掘机的使用性和经济性，在挖掘机研究中占有重要地位。本设计参照了现有的一些小型液压挖掘机产品，着重对挖掘机的回转装置和行走装置进行分析设计，主要完成对行走装置和回转装置装置的总体设计，进一步掌握挖掘机的设计方法和步骤，巩固和加深对所学基础理论和专业知识的掌握，了解国内外挖掘机的发展状况。关键字：小型液压挖掘机 回转装置 行走机构 2 Abstract Generally speaking,small excavators refers to the 1 6 t excavating loader,thanks to its small body and convenient also features,making small excavators become urban areas the earthwork the ideal equipment of application.Since the s,small engineering machinery is in municipal engineering,transportation construction plays the bigger superiority and develop rapidly.Small excavators in these engineering to save human,material made great contributions,meet the operation requirement of city,in the city of narrow space in the work can maximize their production ability,and gradually become urban construction the representative construction machinery.The development of small excavators depends on the development of city construction,because the citys transformation,the construction is more,requirements of short time,construction construction machinery minor impact on the environment,safety and low pollution,turning radius,easy to transport and a small city scenery in coordination with appearance,and so on.Small excavators general by power device,transmission,and turn to device,walk device and working equipment etc.One device and walk back the device directly influence the excavator used and the economy,in the excavator occupies an important place in the study.With reference to the design of existing some small hydraulic excavator products,and focuses on the device and walk back excavator device in the analysis and design,the main finish to walk and rotation of the equipment can device overall design,to grasp the design method and steps of the excavator,3 strengthen and deepen our understanding of the basic theory and specialty knowledge learned of the master,understand the development situation of domestic and foreign excavator.Keywords:small excavators walk and rotation of the equipment 4 目 录 第 1 章 绪论.6 1.1 小型液压挖掘机的工作特点和基本类型.6 1.1.1 小型液压挖掘机的工作特点.6 1.1.2 小型液压挖掘机的基本类型.8 1.2 国内外研究现状和未来发展趋势.9 1.2.1 国内外研究现状.9 1.2.2 未来的发展趋势.10 1.3 主要设计内容.10 第 2 章 整体设计.1 2 2.1 小型液压挖掘机的组成.12 2.2 行走机构的选择.13 2.2.1 履带式行走的特点.13 2.2.2 轮胎式行走的特点.13 2.3 回转装置的选择.14 第 3 章 主要参数的计算.1 5 3.1 总体几何尺寸.15 3.2 行走装置的计算.16 3.2.1 履带运行阻力计算.16 3.2.2 平均接地比压的计算计算.19 第 4 章 行走装置的设计.2 0 4.1 四轮一带的设计.20 4.1.1 履带的选型设计.20 4.1.2 驱动轮的选型设计.24 5 4.1.3 导向轮的设计.26 4.1.4 支重轮的设计.28 4.1.5 托轮的计算.32 4.2 张紧装置的选型设计.34 4.2.1 张紧弹簧的设计.35 4.2.2 油缸的设计.38 4.3 行走架的设计.38 第 5 章 回转装置.4 0 5.1 回转机构的设计.41 5.1.1 回转机构的参数选择.41 5.1.2 最佳转速的计算.42 5.2 回转支承的选型设计.43 5.2.1支承型式的选择.44 5.2.2滚动轴承的参数.44 5.2.3 回转机构的容量.45 5.3 回转小齿轮的设计.46 第 6 章 设计总结.4 8 参考文献.4 9 致 谢.5 0 6 第 1 章 绪论 1.1 小型液压挖掘机的工作特点和基本类型 1.1.1 小型液压挖掘机的工作特点 小型液压挖掘机无论是在体积还是作业效率方面都具有相当大的优势。由于小型挖掘机能够在过去挖掘机无法作业的地方进行施工，其机紧凑的体积以及专门化的设计使其即使在许多有所限制的施工现场依旧能够很好的完成工作，所以近年来小型机深受用户欢迎。但是这只是小型机的众多优点之一，除了体积轻巧之外，制造商还为小型机也开发了许多大型挖掘机才具备的技术，使其拥有拥有更为舒适的驾驶环境和更加多样化的挖掘功能。小型挖掘机能够适应多种工况施工现场作业的几大原因：第一，小型挖掘机设计轻巧，决定了其能够在大型挖掘机无法施工的环境中进行作业。现在许多工程建设都在城区进行，由于城区空间的限制，因此小型挖掘机适应能力强的特点便体现了出来。第二，小型挖掘机在各个施工现场间的转移非常方便，小型的运输工具就可将其载动，无需动用大型拖车或是重型卡车。通常，完整的一套挖掘施工设备包括小型挖掘机、小型轮型装载机和其他钻探工具等若干设备由一辆重型卡车或是拖车就可轻易的从一处移至另一工程现场。第二，小型挖掘机的尾部旋转半径为零的设计使其变得更节省空间。尾部旋转半径为零通常是指挖掘机的机身上部的转动半径不会超出履带的长度，在作业空间有限的情况下，尾部旋转半径为零保证了操作人员能够更专心于铲斗的操作而无需考虑施工现场是否有障碍物阻碍驾驶室的转动，从而提高了劳动效率，降低了劳动强度。同时，这也保证了挖掘机自身和施工现场周围建筑物不被损坏。7 第三，采用了橡胶履带是小型机的另一显著特点。当挖掘机在狭窄施工范围内施工时，橡胶履带可以减少对草坪，花木以及道路的损坏。而且，橡胶履带的使用有效地降低了挖掘机的总重量，这将意味着更低的油耗。另外，橡胶履带的强度足够高，并和铁制履带是可以相互替换的。第四，小型挖掘机还有一个主要的设计特点使其适合狭窄区域的作业，就是其特殊的后臂以及前臂的设计。小型挖掘机的后臂与机身之间是采用铰接结构，这使得其拥有一个很大的摆动范围。得益于这一设计，就算在周围有障碍物，小型挖掘机时也能避开障碍物进行作业而无需经常移动机身。同时，这也为小型挖掘机能够在墙壁或是围墙的旁边进行挖掘作业提供了方便。有时挖掘机需要进行近距离的作业时，甚至可以卸下后臂。后臂和前臂具备折叠功能而使小型挖掘机运输和停放时所占的空间更小。第五，小型挖掘机的另一个特点是可以进行 360度的旋转。360度旋转加上尾部旋转半径为零这两个特点使得小型挖掘机能够尽量减少机身的移动。第六，橡胶履带的使用能够降低小型挖掘机对城市地面的破坏程度，同时为了降低工作噪音，制造商都在开发引擎降噪技术，并且在引擎外部加装绝缘材料来提高隔音效果。较低的噪音分贝使得小型机对施工现场周围的人员的健康损害降低了。8 图 1.1.1 小型液压挖掘机 1.1.2 小型液压挖掘机的基本类型 液压挖掘机种类繁多，可以从不同角度对其进行分类。（1）根据传动方式来分 根据主要机构的传动方式来分可以分为液压式和非液压式挖掘机。一般来说，这只表现在行走机构上，回转机构和工作机构几乎都采用液压传动。（2）根据行走机构的类型来分 根据行走方式的不同可以将挖掘机分为履带式、轮胎式、汽车式等。其中，履带式的应用最广，因为挖掘机一般只在一定范围内工作，不大移动，并且履带在多种地形都具有良好的通过性和工作能力。有些履带采用橡胶制造，有效降低了车身重量和对路面的破坏。轮胎式在近几年发展迅速，其移动迅速，机动性好，可在多种路面上行走，9 作业时采用液压支腿，使前后桥卸荷并提高了整机稳定性，未来有较好的发展前景。汽车式与轮胎式相似，其多采用标准汽车底盘，安装方便。（3）根据工作装置来分 根据工作装置类型来分，可以分为铰链式和伸缩臂式，其中铰链式应用较为普遍，这种装置靠构件绕铰点转动来工作。伸伸缩臂式的动臂由主臂及伸缩臂组成，伸缩臂可以在主臂内伸缩，适于进行平整和清理工作。1.2 国内外研究现状和未来发展趋势 1.2.1 国内外研究现状 国内挖掘机市场比装载机等工程机械起步晚，小挖则更晚。尽管近几年小挖在国内市场的发展速度很快，主要生产厂家已近 20 余家，市场销量增长率很高，但仍处于启动阶段，大多数企业还是以仿制为主。在国内小挖生产企业中，以广西玉柴为首，山河智能、江西南特、山东临挖、杭州军联等企业组成的中国小挖团队已经初具规模。国内小挖目前已能基本覆盖整个系列的全套产品，并占有国内市场半壁江山，且略有出口。但是目前国内小挖整体技术水平与国外尚有差距，只相当于国际 8090 年代水平，达到国际质量技术先进水平的企业寥寥无几。动力和液压件是掣肘国内企业发展的两大主要配件。日本、德国等少数国家的厂商不仅基本垄断了关键的泵、阀、马达等技术、制造工艺和产权，把持着约占整机成本 40%的采购成本。也控制了与挖掘机相配套的小型发动机技术。国产小挖关键配套件的缺失严重阻碍了我国工程机械品质的提升，滞后的售前、售后服务则是制约国产小挖的快速发展的另一个重要因素。工业发达国家的挖掘机生产较早，法国、德国、美国、俄罗斯、日本是斗10 容量 3.5-40 m3单斗液压挖掘机的主要生产国。美国，日本和西欧更是占据了世界小型挖掘机市场的 70%以上，与国内相比，小松、久保田、山猫，德国的阿特拉斯等公司产品线齐全，所生产的小挖不仅技术成熟先进，而且具有更丰富多样的功能，更高的工作效率和更高的安全性。1.2.2 未来的发展趋势 国外小挖未来的发展趋势：(1)采用更先进的机电液一体化技术，使得挖掘机更轻，操作效率更高。(2)大量采用环保技术，有效控制噪音和排放。(3)更多的人性化设计，使得操作更加简单，运转更平稳，乘坐更舒适，使用更安全。(4)自动化，信息化，智能化。国内小挖未来的发展趋势：在小挖的技术上，国外企业普遍比国内超前一到二代。国内企业还处于一边追赶，一边创新的阶段，国内小挖目前的技术发展趋势是：（1）大量将在中大型挖掘机上使用的先进技术移植到小挖上来，提高小挖的技术水平，作业效率更高，操作更平稳。（2）质量和技术不高是国产小型挖掘机的通病，增加了小挖的初期故障，降低了整机的无故障作业时间，目前都通过大量进口国外原装的器件来克服。（3）通过全国合作攻关来解决生产制造中的问题，大力研发拥有自主知识产权的技术专利，减少对进口的依赖。1.3 主要设计内容 本次的设计内容为小型液压挖掘机的行走装置和回转装置。设计为总体设计因此，对整体设计必须从一个更高的层次出发，对整体设计必须提出更高的11 要求。主要是对小型液压挖掘机进行深入地分析，并提出切实可行的方案，对整体参数、整体布局、整体结构、整机系统及其主要零部件进行设计计算。在整体设计中，回转装置的设计、底盘行走系统的设计是最重要的，也是整机设计的关键所在。因为对于整个挖掘机而言，回转装置和底盘行走系是整个机器工作的前提和保证，它将决定整个机器的性能和质量。回转装置的设计必须考虑全面，比如外形尺寸、形状、工作过程中不能相互干涉、强度、刚度等等。而对于底盘行走系统，履带式比轮式更加稳定，转弯半径更小，接地比压更大，附着性能更好，结构布置更加紧凑，执行操作更加方便。此次设计的回转装置采用液压传动，360度全回转平台，运行更加平稳。底盘行走系采用履带式行走底盘，在设计底盘过程中尽量采用标准件，以便更换方便。具体设计任务为：（1）行走机构的总体方案结构设计，绘制草图和总装配图。（2）回转装置的结构设计。（3）张紧装置的选型设计。（4）四轮一带的选型设计。(5)回转支撑的选型设计。(6)所有零部件设计计算，绘制零部件图 12 第 2 章 整体设计 2.1 小型液压挖掘机的组成 小型液压挖掘机的总体结构包括动力装置、工作装置、回转机构、操纵机构、传动系统、行走机构和辅助设备等，如图 2.1所示。常用的全回转式小型液压挖掘机的动力装置、传动系统的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室等都安装在可回转的平台上，通常称为上部转台。因此又可将小型液压挖掘机的构造概括成上部转台、工作装置和行走机构等三部分。13 2.2 行走机构的选择 2.2.1 履带式行走的特点 履带式行走方式具有较大的驱动力(可达机重的 35一 45%)，较小的接地比压(40一 150 kPa)因而具有稳定的越野性能，出众的爬坡能力(一般为 50一 80)和小的转弯半径，灵活性出色 液压挖掘上普遍使用履带式行走装置（如图 2.2.1.）。履带式行走装置的缺点是：较高的制造成本，较低的行走速度，运行和转向时的大功率消耗零件易磨损，因此，履带式挖掘机需要借助于其他运输车量进行长距离运行。图 2.2.1 履带式行走 2.2.2 轮胎式行走的特点 与履带式相比，行走速度快、机动性好，行走时轮胎对路面损坏小是轮胎式行走装置的优点，因而其多用于城市建设中。但是轮胎式接地比压大，载荷能力低挖掘作业时为了确保挖掘机的稳定和施工安全，需要用专门的支撑腿。14 图 2.2.2 轮胎式行走 综上所述，由于小型液压挖掘机施工规模较小，不需要大范围移动，且需要应对各种工作场地，所以选择履带式行走较为适宜。2.3 回转装置的选择 按照转台的回转角度可以分为：完全回转和不完全回转，小型液压挖掘机的回转支撑装置用于承载回转平台以上机体的重量并实现回转运动。除了在悬挂式上和伸缩臂式液压挖掘机的上游采用半回转的的回转机构外，现代液压挖掘机普遍采用了完全回转的液压传动方式。合理选择回转机构，可以提高生产率和能量利用率。据此本设计采用完全回转机构。15 第 3 章 主要参数的计算 3.1 总体几何尺寸 在本次设计中，由于某些参数不能完全由已知条件直接推出，因此一些地方采用了经验公式进行计算。（1）履带长1L:131ALK G=1931.3(6 10)2362mm 其中AK尺寸系数（可取 1.251.5）G为整机重量（本机G=6 吨，以下皆同）考虑到整体布局，可在此基础上放大 10%，故1L可取 2608mm（2）驱动轮与导向轮的中心距1l：1193311.03(6 10)ilk G1873mm 其中为ik尺寸系数（可取 1.01.2）考虑到整体布局，可在此基础上放大10%，故可取 2060mm（3）轨矩B：13BBk G0.76193(6 10)1382mm 其中Bk为尺寸系数（可取 0.750.85）考虑到整体布局，可在此基础上放大10%，故可取 1520mm(4)履带高度H：130.3THk G193(6 10)579mm 其中Tk为尺寸系数（可取 0.30.35）可在此基础上扩大 17%，故可取 637mm(5)履带板宽b：根据国家标准手册 JG/T 57-1999并参照已有小挖的参数，可取为400mm 16 （6）底盘总宽C：1520 400 1920CB bmm （7）履带接地长度0l：0l10.352252lDmm 其中D为驱动轮直径，为11548Llmm（8）后端支重轮到驱动轮间距3C：31ctCk l=2.6 140365mm 其中1ck为尺寸系数（可取 2.42.6）为履带节距，查国家标准可取140mm（9）前端支重轮到导向轮间距1C：123 140420ctCk lmm 其中2ck为尺寸系数（可取 2.43）（10）两端支重轮间距0l：011326084203651823llCCmm（11）转台离地高1h：11933100.13(6 10)311hk Gmm 其中0k为尺寸系数（可取 0.130.42）从整体布局考虑，将其扩大 3%，可取 320mm（12）相邻两支重轮间距t：(1 2)278ttl 3.2 行走装置的计算 挖掘机行走时，牵引力被用来克服行走中所遇到的各种运动阻力。行走装置的牵引力应该大于总阻力，而牵引力又不会超过机械与地面的附着力，这就是牵引力的计算原则。3.2.1 履带运行阻力计算 履带运行时，由于驱动轮与履带轨链的啮合，履带销轴间的摩擦以及导向轮、驱动轮、支重轮等滚动阻力和轴颈摩擦阻力等一起构成了履带运行的阻力；履带式行走装置的运行阻力有土壤变形阻力、坡度阻力、内阻力和转弯阻力及风阻力和惯性阻力。17 （1）土壤变形阻力 壤变形阻力是土壤对履带运行的阻力，由于支重轮沿履带滚动，履带使土壤受挤压变形而引起的。土壤变形阻力的估算公式为：10.12 60.72bFG 其中：1为运行比阻力，取地面种类为深砂类，则取值为 0.10.15（2）坡度阻力 坡度阻力是机器在斜坡上因自重的分力所引起的。设坡角为，则坡度阻力为：sin6 sin303pFG 其中取=30，G为挖掘机整车质量（3）转弯阻力 履带行走装置转弯时所受到的阻力较为复杂，其中包括了履带板与地面的摩擦阻力，履带板侧面剪切土壤的剪切阻力以及履带板突筋挤压土壤的挤压阻力等。这些阻力要全部进行详细计算是困难的，但因第一项阻力最大，也是最主要的，所以重点研究履带板在转弯时与地面的摩擦阻力矩。转弯阻力的经验公式为：(0.350.39)0.36 0.55 61.188zFG 其中为，取值为 0.50.6（4）内阻力 履带运行时由于履带销轴间的摩擦以及支重轮，导向轮和驱动轮等滚动阻力和轴颈摩擦力构成履带的内阻力，其粗算公式如下：(0.050.07)0.06 60.36nFG（5）惯性阻力 挖掘机的行走工况较为复杂，惯性阻力主要指整机启动行驶时的惯性力，惯性阻力为：18 (0.01 0.02)0.01 60.06WFG 综上所述，以上几种运行阻力中，以坡度阻力和转弯阻力最大，一般可能占到总阻力的 2/3，尤其液压挖掘机原地转弯时的阻力要比机械式的绕一条履带转弯的阻力更大，但是转弯和爬坡通常不同时进行。因此，可以根据上坡时作直线行走情况计算履带行走装置，并根据平道上转弯的情况来进行验算。故在实际计算履带行走装置的牵引力时，总是在下面两种组合情况中选用较大者，即：爬坡时：0.7230.360.064.14TtpngFFFFF 转弯时：0.720.360.061.1882.328TtzngFFFFF 其中：TF履带式液压挖掘机的行走牵引力 tF履带式液压挖掘机行走时的运行阻力 pF履带式液压挖掘机行走时的坡道阻力 zF履带式液压挖掘机行走时的转弯阻力 gF不稳定运动状态时的惯性阻力 nF履带式液压挖掘机行走时的内阻力 于是有：4.14F 在对液压挖掘机的履带底盘进行设计计算时，有些阻力很难精确计算，因此可用整机重力估算液压挖掘机的行走牵引力，即：(0.70.85)0.7 64.2TFG 又有，附着力为：3cos0.964.682fFG 19 其中，为附着力系数，为坡度角 由此可以得出TfFFF，满足牵引力计算原则，符合设计原则。3.2.2 平均接地比压的计算 履带式液压挖掘机的两条履带与水平地面完全接触，且整机重心在接地面积的几何中心，对地面产生的压力称为平均接地比压，平均接地比压是履带式液压挖掘机越野性能的一个重要指标，可以用来与同类型号产品作比较，其计算公式为：23505/2(0.35)m gpkgmb LH 其中：P 履带平均接地比压，（Pa）m 挖掘机的工作质量，（kg）L 履带的接地长度，（m）b 履带的宽度，（m）H履带高度，（m）20 第 4 章 行走装置的设计 1-导向轮；2-橡胶履带；3-张紧装置；4-支重轮；5-驱动轮；6-减速机 图 4 履带式行走装置的结构图 履带式行走装置的结构图如图 4所示，行走装置的设计主要包括“四轮一带”（驱动轮、导向轮、支重轮、托轮）的设计、张紧装置的设计和行车架的设计。4.1 四轮一带的设计 4.1.1 履带的选型设计 履带工作条件恶劣，要求具有足够的强度和刚度、耐磨性好、质量轻以减少材料的消耗量，并减轻履带运行时的动载荷，要求履带能和地面有很好的附着性能，又要考虑减少行驶及转向的阻力。掘机的履带有整体式和组合式两种。整体式的啮合齿直接与驱动轮啮合，与履带板一体成型，支重轮的滚动轨道就是履带板本身。整体式的优点是每一节履带铸造成整体，结构简单、制造方便、重量轻、易拆装，缺点是销孔间隙大、易进泥沙、易磨损，在机械式挖掘机中使用较多，适于高速车辆。目前液压挖掘机中广泛采用了工业拖拉机型式的组合式履带。它由履带板、链轨节、履带销轴和销套等组成。这种型式用紧配合连接销套与左右链轨节，为保证转动灵活，履带销轴以一定的间隙插入销套，另两个链轨节孔与其两端紧配合。为了方便整个履带的安装和拆卸，锁紧履带销与链轨节孔配合较松。这种结构拥有较小的节距，较好的绕转性，较快的走速度，销轴和衬套具备高硬度、高耐磨性、使用寿命长的特点。所以本机履带也采用组合式履带。21 图 4.1.1 组合式履带（1）履带尺寸的计算 履带宽度 b 的初步确定：32091.19.0Gbmm4173425.32091.19.03 其中：G装载机的整机质量 为了取标准节距的履带，这里取b=400mm。履带宽度b和履带支撑面长度0L一般按总体设计及工作条件的平均接地比压q确定 20qbGL 2qbG=m25.235400210588001 其中：L履带支撑面的长度，m；22 G挖掘机总重，NG588008.96000；b履带宽度，400mm；q平均接地比压 这里初取mmL22500。计算所得的0L应满足转向要求：fBL206.35.010.00.1249.151.125.2 其中 0L支撑面长度，0L=2.25m=2250mm；B履带轨距，mmmGkBB513.1513.160008.033，初选mmB1520；附着系数，=1.0；f滚动阻力系数，f=0.10；根据工程机械底盘构造与设计可知=0.5；0L与b的合理配合，对提高底盘的牵引附着性能有较大的影响，通用的工程机械0Lb为22.0018。此处22.08.14.00Lb 满足要求。所以，履带的宽度、支撑面的长度选择合适，即b=400 mm 0L=2250mm 23 （2）履带板结构的选择 履带板的型式很多，标准化后有单筋板、双筋板和三筋板等，通常采用重量轻、强度高、结构简单和成本低的轧制履带板。本机采用三筋式普通履带板，这种履带板筋稍短易于转向，且由于筋多使履带板的强度和刚度提高，承重能力大,主要用于小型挖掘机械。（3）履带的强度计算 a.强度验算 据挖掘机的工作要求，挖掘机采用组合式履带，组合式履带式履带板、轨链节、履带销、销套、螺栓等零件组合而成。由于履带的主要破坏形式是磨损，因此只需要校核履带销的剪切强度：Gd25.1MPa99.6460000021.05.12 其中：d履带销直径；履带销采用 50Mn，履带销套采用 20 Mn，履带板的材料采用 40Mn2Si。50Mn的剪切强度：275Mpa 所以，履带销的强度满足要求。b.校核轨链节的抗拉强度 对于钢制履带，履带板应验算其拉伸应力，危险截面是销孔的最窄处：brRGFPK275.0 pMpa43.4108)5.102.15(210675.03 其中：R履带销套半径，mmR2.15；r履带销半径，mmr5.10；24 b一块履带板一端的各销孔宽度之和，mmb108363。p需用拉伸应力，MPap200150 所以，履带的抗拉强度满足要求。4.1.2 驱动轮的选型设计 驱动轮用来驱动履带，轮齿工作时受履带销套反作用的弯曲压应力，并且轮齿与销套之间有磨料磨损。因此驱动轮应选用淬透性好的钢材，通常用 50Mn，45SiMn，中频淬火、低温回火，硬度应达到HRC5558。图 4.1.2 驱动轮的典型结构 驱动轮的齿数一般为奇数，这是因为工程机械上的链条在驱动轮上是隔一个齿啮合的，这样自动清除泥土的效果好。这种间齿啮合的的驱动轮的 Zk是实际齿数的 Z的一半；所以这样实际齿数 Z最好为奇数，这样每转动两圈，驱动轮的所有齿都啮合一次，使用寿命长。所以名义齿数 Zk=10.5。25 （1）驱动轮参数计算 驱动轮节圆半径：mmZlrktK5.2375.10180sin2173180sin200 驱动轮的节圆直径为 mmrDKK4752 履带销套直径：mmdd304 则驱动轮齿根圆直径为：mmdDDKg42055475 驱动轮齿顶圆直径：KgDD（0.30.4）dmm482303.0475（2）驱动轮的强度计算 驱动轮需要校核其弯曲强度和挤压强度。a.弯曲强度计算 驱动轮的计算载荷与履带一样，取一侧所传递的最大驱动力，因地面附着条件所限制，取GPK75.0，并假定扭矩只有一个齿传递。驱动轮轮齿抗弯强度为：upWGh75.0MPaMPa5004002910805.431675.06 其中：h齿高（假定力完全作用在齿顶），mmDDhge3124204822 uW抗弯截面系数 3692210805.461031306mbhWu，其中b 为驱动轮的宽度，取26 mmb30；F许用弯曲应力。所以，驱动轮的弯曲强度满足要求。b.挤压应力计算 驱动轮轮齿齿面挤压强度：bdGj184 jMPa02.1530306184 其中：b驱动轮轮齿宽度，mmb30；d履带销外套直径，mmd30；j需用挤压应力，MPaj1000500。所以，驱动轮的挤压强度满足要求。4.1.3 导向轮的设计（1）导向轮的参数设定 导向轮的功用是支撑履带和引导履带正确的卷绕，可以防止跑偏或者越轨，有些导向轮同时起到支重轮的作用，可以增加履带对地面的接触面积，减少比压。导向轮的轮面大多做成光面，中间有挡肩环作为导向用，两侧的环面则能起支重轮的作用。导向轮的中间挡肩环应有足够的高度，两侧边的斜度要小。导向轮与最靠近的支重轮距离愈小则导向性能愈好。27 图 4.1.3导向轮结构图 本设计所选导向轮联系尺寸如表 4.1.3所示：代号 A B C D E F G H L XY2L05 210 184 40 70 335 384 56 225 M12 表 4.1.3导向轮的联系尺寸（2）导向轮轴的强度计算 28 导向轮的材料一般是 40 或 45 铸钢，轮缘通常不加工，表面淬火硬度 HRC45以上。导向轮轴常用 40、40Cr钢制造，调质处理硬度 HB285321，轴通常不转动，采用滑动轴承。导向轮的材料轴按整机倒档行使条件计算弯曲应力。整机发出的为地面附着条件所允许的驱动力GPR75.0（按履带计算工况），可近似地认为导向轮上、下两处履带平行，则导向轮轴的计算载荷为：GP5.1。mNDGM43210438410675.0475.033max；36311065.23203.032mdW；F需用弯曲强度，MPaF300220。所以：FFMPa1631065.24326 由上可知，导向轮轴的弯曲应力满足强度要求。4.1.4 支重轮的设计 支重轮的设计主要包括支重轮外形尺寸的确定及其强度校核。（1）支重轮外形尺寸的选择 挖掘机重量通过支重轮传给地面，工作时如地面不平它将经常受到冲击，所以支重轮所受载荷较大。支重轮的工作条件也较恶劣，经常处于尘土中有时还浸泡于泥水之中，故要求密封可靠、轮圈耐磨。支重轮轮体常用 35Mn或者 50Mn制造。轮面淬火硬度应达到HRC48-57。采用滑动轴承较多，并用浮动油封防尘。目前履带工程机械支重轮的结构形式，有直轴式和凸肩式两种，直轴式结构简29 单，零件少，工艺性好，但承受轴向力稍差，适用于挖掘机类工况。支重轮轴是不转动的，通过两端轴座固定在履带架上。支重轮轮体分两段焊接而成，轮外端面中心设有油孔，用以加入润滑油，润滑轴承。支重轮轮内压装有轴套，其轴套是双金属式的，即耐磨、强度又高。轴两端有密封轴圈。图 4.1.4 支重轮 根据工程机械底盘构造与设计支重轮规格尺寸最终确定支重轮联系尺寸如下表：30 代号 A B C D E F G H WZ2L04G 161 124 95 37 18 表 4.1.4支重轮尺寸 确定支重轮个数：轴间距 mmlltz238196140)7.14.1()7.14.1(取mmlz230。最后端的支重轮与驱动轮轮轴之间的距离 mmlltk364322140)6.23.2()6.23.2(取mmlk360。因为履带的支撑面宽度mmL25200，综合考虑以上因素，取支重轮的数量为 5个。（2）支重轮的强度计算 为了减少支重轮的磨损，轮缘对履带的接触应力应按下式计算：31 nbRGrc4.43 MPaMPac3.28.010613064.43 其中 b支重轮轮缘宽度，mmb30；rR支重轮半径，mmRr61；n支重轮个数，10n；所以，支重轮与链轨节间的接触应力满足要求。（3）支重轮轴的校核 支重轮的最大径向载荷使挖掘机跨越障碍时的工况，此时每侧的一个支重轮承受整机总重量，即一支重轮上的最大径向载荷为整机重量的一半，支重轮轴按此时计算弯曲强度。（轴的直径为mmd55）支重轮轴的内力分析图如图 4.1.4（3）所示：1.5KN 1.5KN 1.5KN 1.5KN 1.5KN 1.5KN 32 图 4.1.4（3）支重轮的受力和应力图 FFWMmax 其中：maxM支重轮轴最大弯矩；W抗弯截面系数。mNKLGM.94.5352)210335(575.82)(4max；33310000063.032055.032mdW；F需用弯曲强度，支重轮轴采用40Cr钢，MPaF300220。所以：FFMPaPa07.851007.850000063.094.5356 所以支重轮轴满足强度要求。4.1.5 托轮的计算 托轮用来承托上部履带，防止其过度下垂，减少上方履带的跳动和下垂量，并防止履带从侧向滑脱。托轮的结构与支重轮类似，如图 5.5所示，但其所受载荷要比支重轮小得多，工作时少受泥水侵蚀，因此尺寸可较小。托轮轴固定在履带架上，论体内压装有耐磨轴套，并耐磨轴套套装在轴上，可自由转动。托轮的外侧端盖用螺栓安装在轮体上，轴的一端装有浮动油封。33 图 4.1.5 托轮结构图 托轮轮缘上平面的高度 h、托轮外径和驱动轮节圆的直径应该满足关系：h+0.5；托轮的材料一般用灰铸铁或铸造，表面进行淬火处理，硬度HRC 53.拖轮轴采用钢，调质硬度 HB255285.根据中华人民共和国国家标准液压挖掘机拖链轮 GB1067889，本设计所选用的托轮的尺寸如表 4.1.5所示：34 代号 A B C D E F G H EX200-2 54 35 124 125 110 135 70 表 4.1.5 托轮的结构尺寸 4.2 张紧装置的选型设计 每条履带上都装有张紧装置，张紧装置在履带行走时具有缓冲的作用。张紧装置分为螺杆式张紧和液压式张紧两种，螺杆式张紧结构简单，但调整困难，生锈时更是难以调节。液压式张紧利用黄油枪将黄油经单向阀注入油缸，利用油脂压力来张紧，调整更加方便，因此现在挖掘机多采用液压式张紧装置，在本设计中同样选用液压张紧。35 图 4.2 液压张紧装置 张紧装置应该包含以下几个设计要求：（1）缓冲弹簧应该有必要的预紧力，以防止因履带跳动导致张紧装置后移。（2）缓冲弹簧因该有必要的弹性行程，以避免张紧零件过载。（3）张紧装置应该有一定的调节行程，以保证拆下一块履带板后，张紧装置依旧可以调节履带板的松紧度。4.2.1 张紧弹簧的设计 履带张紧装置中张紧弹簧的作用是：保证适当的履带张紧力:当导向轮受到前方的冲击时，缓冲弹簧收缩来吸收振动以防止履带和驱动轮损坏。（1）弹簧参数的计算 弹簧参数计算如下：缓冲弹簧预紧力：KNGPY)483660000)8.06.0()8.06.0(（取KNPY42。36 缓冲弹簧工作行程终了时的压缩力：KNPPYa）（846342)25.1()25.1(缓冲弹簧工作行程需考虑履带和驱动轮卡入石块时能脱离啮合，即工作行程gf为：4)(iegDDfmm154)420482(其中：eD驱动轮齿顶圆直径，mmDe480；iD驱动轮齿根圆直径，mmDi420。（2）圆柱螺旋压缩弹簧的设计 滑动式张紧装置缓冲弹簧系数的确定，根据工程机械底盘构造与设计可知：旋绕比dD/在 4 左右。由 机械设计 常用旋绕比 C 值，在此取4/dD，根据机械设计手册弹簧常用材料19926.1239/TGB选取热轧钢1222GB，牌号为CrMnA60。其参数如下：切变模量：GPaG78 弹性模量：GPaE196 推荐硬度范围：5247HRC 推荐温度范围：C20040 曲度系数：40.14615.01215615.04414CCCK 初步设定缓冲弹簧的中径mm120D，根据C值估取弹簧丝直径mmd23，根据机械设计手册查得CrMnA60弹簧的许用切应力为MPa710。37 根据机械设计 2max8dCFK mmKCFd2.301071014.31040.16546.16.163max 式中：maxF缓冲弹簧工作行程终了时的最大压缩力；K曲度系数；C旋绕比；许用切应力；根据上值可取弹簧钢丝标准直径mmd30，此时，4120CmmD，为标准值。根据机械设计，弹簧的实际工作条件和类比同类产品的相关参数可取弹簧圈数5.12n。根据机械设计普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列19951385/