小型液压挖掘机底架设计毕业论文.docx
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1、0.1m3小型液压挖掘机底架设计1绪论我国小型挖掘机市场发展速度非常可观,是带动我国工程机械行业特别是挖掘机行业发展的一股重要力量,也是推动我国挖掘机行业利润增长的主要力量支撑,有着举足轻重的地位。小型挖掘机以其小巧、灵活、多功能、高效的独特优势,日益成为土方工程应用的理想设备,用户需求不断扩大。国内外企业风起云涌地进入中国小型挖掘机市场,说明小型挖掘机行业经济效益可观,发展前景远大。 挖掘机是工程机械领域中一种典型的土石方施工设备,在工业与民用建筑、道路建设、农田水利、油田矿山、市政工程、机场港口等部门的土石方施工中起到十分重要的作用。据统计,工程施工中约有60以上的土石方量是靠挖掘机械来完
2、成的。1.1本课题设计(研究)的目的通过毕业设计,使我们能够掌握工程机械产品设计的基本方法、基本技巧和基本过程,熟悉计算机辅助设计和技术文件的写作方法。掌握 0.1 立方米液压挖掘机的底架结构设计以及主要零部件的设计计算。通过对底架结构的设计能够对液压挖掘机的整机性能和系统功能有较详细的了解,在设计过程中能有自己的想法和创新,做到优化设计。掌握主要机构结构方案的确定及动力的确定。掌握平衡、稳定及其他总体特性的分析计算。此外,本课题设计是我们对以前基础课程的一次回顾与再学习,能够极大的提高我们实际动手能力。1.2小型液压挖掘机的现状与发展趋势1.2.1国外现状小型挖掘机(国外一般指整机质量在 6
3、以下的液压挖掘机,国内把 10 以下的液压挖掘机都称为小型挖掘机,以下简称小挖)的生产始于上世纪 70 年代。1985年以后,由于技术的进步,这种产品得到了迅速的发展,技术上日臻成熟、完善。目前,世界上专业批量生产小挖的著名企业有 20 多家,主要分布在日本、美国、欧洲等地。处于前列的有日本的小松、久保田、石川岛、洋马,美国的凯斯、山猫,德国的阿特拉斯、雪孚,英国的等公司。日本一个国家在上世纪 90 年代初小挖的产量曾达到创纪录的 7 万多台,目前也在 4 万台以上,欧洲、美国等目前也各有 2 万台以上的产量。日本、西欧、美国等发达国家既是小挖的生产大国,也是小挖的使用大国。1.2.2国内现状
4、国内生产小挖的最著名企业是玉柴,它的产品品种规格型号产量在国内都处于第一位。1989 年玉柴在天津工程机械研究所的帮助下开发、试制、生产 1.3 的小型液压挖掘机,1980 年正式投产。产品以出口为主,现在已累计出口小挖达 2000多台。去年该企业的年销售量超过了 600 台。处于第二位的企业是韩国在中国的合独资企业大宇和现代二家,在国内产销量均超过了 200 台。随着国内对小挖功用的认可,国内生产小挖的企业正在逐年增多,产量也在逐年增加,去年的产销量超过了 1100 台,预计到 2005 年国内小挖的年产量将达到 3 000台以上。国内主要生产厂家及有关情况见表(不含在中国的合独资企业)。1
5、.2.3小型挖掘机的发展趋势国外小挖主要用于城市土建施工及一般住宅修整等工作,因此要求具有良好工作性能和回转性能。最初的小挖为轮胎式带左右偏转液压缸 不可作 360回转的简易机型,有点像目前国内的农用小挖。由于轮胎式在软地面的行走性和通过性差,后来逐渐被履带式小挖所替代,而不带全回转机构的小挖挖掘范围小、无法实现后部卸料,使用上受到了很大的限制。此后,国外在小挖上增加了上部回转机构,解决了后部卸料等问题,提高了小挖的工作性能,形成了小挖的基本结构。后来,小挖在回转半径、后部视野、动臂仰角、机械性能等方面得到进一步改善,发展为现在的标准型。为了满足在非常狭窄区域内工作,上世纪 80 年代中期后方
6、小回转型小挖首先在日本开发成功,它的机体后部可以在车宽范围内进行回转,并利用动臂与平台连接处的摆动机构可使工作装置进行左右摆动,完成侧向挖掘工作。后方小回转型小挖的后部为圆型,外壳由三次曲面构成,因此视野开阔,具有良好的运输性。目前,国外技术发展趋势是:(1)大量采用机电液一体化技术,使小挖的操作重量更轻、作业效率更高;(2)通过采用后方小回转结构,使小挖更适合在狭隘地带工作;(3)在小挖上采用环保节能技术,使小挖的噪声更低、排放控制得更好;(4)人性化设计技术大量采用,使操作更简单,动作更平稳,维修更方便;(5)采用发热量更小的系统,使小挖的发热量减小,有利于减小机体的体积,使小挖的回转半径
7、更小;()强调对道路的保护,在小挖上更普遍地采用橡胶履带;()加大了对整机稳定性研究的力度。国内企业在小挖的技术上普遍比国外要落后一到二代。目前处于生产标准型小挖阶段。国内目前的技术发展趋势是:(1)大量采用在中大型挖掘机上使用的先进技术,如三泵系统和负荷传感系统,提高整机的技术性能,提高作业效率和操作的平稳性;(2)集中力量解决国产挖掘机质量不高的通病。通过大量采用国外原装的液压和电气元器件,减少小挖的初期故障,提高整机的无故障作业时间;(3)通过全国大协作,解决装饰外观的美感问题。1.3设计研究的重点与难点在本课题的设计研究中,将采用组合型的挖掘机的底架,并对其进行强度校核。设计初,了解挖
8、掘机的基本构造,及功能,作用,特点等。对挖掘机整体性能参数进行详细的设定,包括其基本参数(各部件重量,各部件质心坐标,功率等),稳定性能,工作装置载荷情况。在对底架进行设计时,通过利用力学中的知识,分别对挖掘机在挖掘工况状态下和回转状态下进行强度校核,而在挖掘工况下又分别有两种不同的角度。在强度校核的过程中,假定 45 号钢的最大弯曲应力和剪应力,分析每种情况下是否有超过此值的。如有,设计不合格,需重新对其进行设计,并校核。2 总体方案设计2.1 履带式液压挖掘机的组成液压挖掘机主要由发动机、液压系统、工作装置、行走装置和电气控制等部分组成。液压系统由液压泵、控制阀、液压缸、液压马达、管路、油
9、箱等组成。电气控制系统包括监控盘、发动机控制系统、泵控制系统、各类传感器、电磁阀等,如图2.1。图2.1 单斗反铲液压挖掘机1-柴油机;2-机罩;3-油泵;4-多路阀;5-邮箱;6-回转减速器;7-回转马达;8-回转接头;9-驾驶室;10-动臂;11-动臂油缸;12-操纵台;13-边齿;14-斗齿;15-铲斗;16-斗杆油缸;17-斗杆;18-铲斗油缸;19-平衡重;20-转台;21-行走减速器;22-行走马达;23-拖链轮;24-履带;-工作室;-上部转台;-行走机构2.2 设计依据2.2.1 履带式行走装置的主要特点 牵引力大(通常每条履带的牵引力达机重的3540%),接地比小(一般为4-
10、15),转弯半径小,机动灵活; 采用液压传动,能实现无极调速; 每条履带各自有驱动的液压马达及减速装置。 2.2.2 设计参数 机重 18T 标准斗容量 0.7 最大行走速度 3-5KM/h 发动机功率 80-100KW 爬坡能力不低于 40%2.3 总体设计原则 进行液压挖掘机的底盘总体设计时应该遵循以下原则: 满足使用要求、满足经济性的要求、满足劳动保护的要求、满足工艺性要求、满足机器的结构性能要求、某些零件、部件满足耐磨性要求; 在不增高行走装置总高度的前提下应使行走装置具有较大的离地间隙,使挖掘机在不平地面上行走具有良好的通过性能,力求增强机器对各种运行条件和作业要求的适应性; 要降低
11、挖掘机的接地比压或具有较大的支承面积,以提高挖掘机的稳定性。挖掘机在斜坡下行时不发生超速溜坡现象,挖掘时不发生下滑,提高工作时的安全可靠性; 挖掘机的行走装置外型尺寸应符合道路运输要求,外形美观; 各个部件或总成的性能应相互协调、匹配,力求整体性能的一致和最优化,不可盲目追求某个局部的最佳性能,否则,可能造成整体性能恶化,或产生薄弱坏节; 正确地处理继承与创新的辩证关系,采用成熟技术,通过深入的理论分析,进行必要的科学实验,勇于创新。2.4 动力装置的比较与选型 履带式挖掘机常用的动力源主要有三种:电动机、柴油机以及蒸汽机。每种动力源都具有其特点;(1) 交流与直流电机电动机(Motors)是
12、把电能转换成机械能的设备,按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机。他们也有各自的优缺点,各种电动机中应用最广的是交流异步电动机(又称感应电动机)。它使用方便、运行可靠、价格低廉、结构牢固,但功率因数较低,调速也较困难。大容量低转速的动力机常用同步电动机。同步电动机不但功率因数高,而且转速与负载大小无关,只决定于电网频率,工作较稳定。但它有换向器,结构复杂,价格昂贵,维护困难,不适于恶劣环境。和交流电动机相比,直流电机的优点是调速性能好,调速范围广,易于平滑调节,起动自动转矩大;易于快速起动、停车;易于控制。其缺点是:与异步电动机比较,直流电动机结构复杂,使用维护部方便,而且要用直流电源。(2
13、) 柴油机 柴油机是用柴油作燃料的内燃机,属于压缩点火式发动机。柴油机具有热效率高的显著优点,经济性优于汽油机,功率大,符合工程机械向大型化发展的趋势。其应用范围越来越广。柴油机具有较好的燃油经济性,使用成本低,在相同的续驶里程内,可以设置容积小些的油箱。柴油机压缩比可以达到1 523,而汽油机一般控制在810;柴油机热效率高达38,而汽油机为30;柴油机工作可靠,寿命长,排污量少。 随着强化程度的提高,柴油机单位功率的重量也显著降低。为了节能,各国都在注重改善燃烧过程,研究燃用低质燃油和非石油制品燃料。此外,降低摩擦损失、广泛采用废气涡轮增压并提高增压度、进一步轻量化、高速化、低油耗、低噪声
14、和低污染,都是柴油机的重要发展方向。(3)蒸汽机 蒸汽机是将蒸汽的能量转换为机械功的往复式动力机械。蒸汽机有很大的历史作用,它曾推动了机械工业甚至社会的发展。随着它的发展而建立的热力学和机构学为汽轮机和内燃机的发展奠定了基础。但是蒸汽机离不开锅炉,整个装置既笨重又庞大;新蒸汽的压力和温度不能过高,排气压力不能过低,热效率难以提高;它是一种往复式机器,惯性力限制了转速的提高;工作过程是不连续的,蒸汽的流量受到限制,也就限制了功率的提高。逐渐为其他动力装置所代替。 综上所述,液压挖掘机常作业于野外,需要经常行走移动。由于柴油机作为动力装置不受电源、电缆的限制,使得液压挖掘机移动、行驶方便,故本设计
15、采用了柴油机作为动力源。2.5 工作装置的比较与选择 工作装置是直接完成挖掘任务的装置,是液压挖掘机的重要组成部分,它由动臂、斗杆、铲斗等三部分铰接而成。其动作接近于人的手腕运动,具有较大的挖掘和作业性能。动臂起落、斗杆伸缩和铲斗转动都用往复式双作用液压缸控制。为了适应各种不同施工作业的需要,液压挖掘机可以装配多种工作装置,如挖掘、起重、装载、平整、夹钳、推土、冲击锤等多种作业机具,如图2.2。图2.2 液压挖掘机的多种工作装置常见的液压挖掘机的动作装置的功用之一是做挖掘机工作,根据斗杆和动臂刚性连接可主要分为正铲和反铲两种。2.5.1 反铲工作装置铰接式反铲是单斗液压挖掘机最常用的结构型式,
16、动臂、斗杆和铲斗等主要部件彼此铰接(见图2.3),在液压缸的作用下各部件绕铰接点摆动,完成挖掘、提升和卸土等动作。(1)动臂动臂是反铲的主要部件,其结果有整体式和组合式两种。 整体式 其优点是结构简单,质量轻而刚度大。缺点是更换的工作装置少,通用性较差。多用于长期作业条件相似的挖掘机上。整体式动臂又可分为直动臂和变动臂两种。其中的直动臂结构简单、质量轻、制造方便,主要用于悬挂式液压挖掘机,它不能使挖掘机机获得较大的挖掘深度,不适用于通用挖掘机;变动臂是目前应用最广泛的结构型式,与同长度的直动臂相比,可以使挖掘机有较大的挖掘深度。但降低了卸土高度,这正符合挖掘机反铲作业的要求。图2.3 反铲1斗
17、杆油缸;2动臂;3油管;4动臂油缸;5铲斗;6斗齿;7侧齿;8连杆;9摇杆;10铲斗油缸;11斗杆 组合式动臂 如图2.4所示,组合式动臂用辅助连杆或液压缸3或螺栓连接而成。上、下动臂之间的夹角可用辅助连杆或液压缸来调节,虽然使结构和操作(b)图2.4 组合式动臂1下动臂;2上动臂;3连杆或液压缸复杂化,但在挖掘机作业中可随时大幅度调整上、下臂之间的夹角,从而提高挖掘机的作业性能,尤其在用反铲或抓斗挖掘窄而深的基坑时,容易得到较大距离的垂直挖掘轨迹,提高挖掘质量和生产率。组合式动臂的优点是,可以根据作业条件随意调整挖掘机的作业尺寸和挖掘力,且调整时间短。此外,它的互换工作装置多可满足各种作业的
18、需要,装车运输方便。其缺点是质量大,制造成本高,一般用于中、小型挖掘机上。综上比较,本设计选用组合式动臂。 2. 反铲斗 反铲斗用的铲斗型式、尺寸与其作业对象有很大关系。为了满足各种挖掘机作业的需要,在同一台挖掘机上可配以多种结构型式的铲斗,如图2.5为反铲常用铲斗型式。铲斗的斗齿采用装配式,其形式有橡胶卡销式和螺栓连接式,如图2.6所示。图2.5 反铲常用铲斗结构1齿座;2斗齿;3橡胶卡销;4卡销;5、6、7斗齿板图2.6 斗齿安装形式(a) 螺栓连接; (b)橡胶卡销连接1 卡销;2橡胶卡销;3齿座;4斗齿2.5.2 正铲工作装置单斗液压挖掘机的正铲结构如图2.7所示,主要有动臂2、动臂油
19、缸1、铲斗5、斗底油缸4等组成。铲斗的斗底利用液压缸来开启,斗6是铰接在动臂的顶端,由双作用的斗杆缸7使其转动。斗杆油缸的一端铰接在动臂上,另一端铰接在斗杆上。其铰接形式有两种:一种是铰接在斗杆的前端;另一种是铰接在斗杆的尾端。动臂均为单杆式,顶端呈叉形,以便与斗杆铰接。动臂有单节的和双节的两种。单节的动臂有长短两种备品,可根据需要更换。双节的动臂则由上、下两节拼装而成,根据装点的不同,动臂的工作长度也不一样。本设计根据设计要求,立足于反铲,主要用于挖掘停机面以下的土壤,如挖掘沟壕、基坑等。其挖掘轨迹取决于各液压缸的运动及组其合。反铲挖掘机每一作业循环包括挖掘、会转、卸料和返回等四个过程。其工
20、作过程为:先放下动臂至挖掘位置,然后转动斗杆及铲斗,向着挖掘机方向拉转,当挖掘至装满铲斗时,提升动臂使铲斗离开土壤,边提升边回转至卸载位置,转斗卸出土壤,然后再回转至工作面,准备下一循环的挖掘工作。因此经过上述比较,选择组合式动臂反铲装置作为本设计的工作装置。图2.7 正铲1动臂油缸;2动臂;3加长臂;4斗底油缸;5铲斗;6斗杆;7斗杆油缸;8液压软管2.6 回转机构的选择按照转台的旋转角度分为:完全回转(360)和不完全回转(90270)。液压挖掘机回转支承装置用于承载回转平台以上机体的重量并实现回转运动。除了在悬挂式和伸缩臂式液压挖掘机的上游采用半回转的回转机构外,现代液压挖掘机的回转机构
21、普遍采用了完全回转的液压传动方式。合理的设计选择回转机构,对于提高生产率和能量利用率具有十分重要的意义。据此本设计采用完全回转机构。2.7 传动方式的比较与选择动力装置至驱动轮之间所有传动部件的总称为传动系统。传动系统的功用是把动力装置输出的功率传递给驱动轮,并改变动力装置的输出特性,以满足对自行式工程机械车速和牵引力的要求。目前,工程机械的传动系统有以下四种类型:机械传动、液力机械传动、电力传动以及液压传动。每种传动方式各有其特点、用途和适用的范围。2.7.1 机械传动 所谓机械传动是指传动系统中采用刚性零部件传递动力的方式。它是通过齿轮、齿条、带、链等机件传递动力和进行控制。工程机械中使用
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