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履帶式液壓挖掘機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
液壓挖掘機(jī)是工程機(jī)械的主要機(jī)種。本文著重于液壓挖掘機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)，即整機(jī)參數(shù)的計(jì)算，整機(jī)穩(wěn)定性計(jì)算，整機(jī)重心計(jì)算，底盤的設(shè)計(jì)以及履帶行走裝置的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)思路是從挖掘機(jī)總體以及各部分的工作性能和動(dòng)作要求入手，并以國內(nèi)的質(zhì)量和技術(shù)性能接近設(shè)計(jì)要求的挖掘機(jī)為基礎(chǔ)，研究國外的先進(jìn)機(jī)型，開發(fā)出自己的整套液壓挖掘機(jī)。設(shè)計(jì)圖紙采用AutoCAD 繪制和手工繪制，經(jīng)過認(rèn)真地設(shè)計(jì)計(jì)算,查找資料撰寫設(shè)計(jì)論文。
本液壓挖掘機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是伺服系統(tǒng)采用先導(dǎo)閥控制，操縱輕便，控制準(zhǔn)確。除具有挖掘裝卸的功能外,還可以根據(jù)需要加裝不同的輔助設(shè)備，來進(jìn)行抓物,鉆孔,推土,清溝,破碎等作業(yè)。平臺(tái)可360°回轉(zhuǎn),性能可靠,操縱工人勞動(dòng)強(qiáng)度改善,可廣泛應(yīng)用于建筑,市政,供水,供氣,供電,農(nóng)林及園藝建設(shè)等工程。
關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī)，整機(jī),穩(wěn)定性，底盤,許用應(yīng)力，履帶行走裝置
SUMMARY
Hydraulic excavator is a main model of the Engineering machine. This text puts great emphasis on to design the whole hydraulic excavator. That is to decide parameter of the whole machine, to compute stability, the barycenter of the whole machine, to design chassis and pedrail tread equipment. The way to solve the task is on the basis of the function of the whole and every part of the excavator. And we choose the domestic excavator whose quality and character is the most similar to our request as the basic type, further study the overseas advanced type. Then I designed the projects of the whole hydraulic excavator. All the drawings are drawn using the Auto CAD or handicraft. After the serious designing, calculating and consulting I wrote this thesis.
The strongpoint of this hydraulic excavator is using servo forerunner control system. It has beautiful sculpt. With the capacity of excavating, grappling, drilling, pushing, clearing channel and crashing etc. Have a 360° swinging platform, good quality, comfortably controlled. Be widely used in construction, supplying and city planning.
KEY WORDS: Hydraulic excavator, Complete machine, Stablity, Chassis Allowable stress, Crawler device.
V
目 錄
前 言. ...............................................................................................................1
1本課題的目的和意義................................................................................1
2本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容............................................................................1
3本課題的技術(shù)難題和解決方法................................................................2
第1章 挖掘機(jī)簡(jiǎn)介.....................................................................................3
1.1國內(nèi)外小型挖掘機(jī)的發(fā)展情況...................................................3
1.1.1國內(nèi)小型挖掘機(jī)的發(fā)展情況........................................................3
1.1.2國外小型挖掘機(jī)目前發(fā)展水平和方向.........................................3
1.2挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理....................................................................5
1.2.1液壓挖掘機(jī)的基本組成.................................................................5
1.2.2液壓挖掘機(jī)的工作原理.................................................................5
1.3小結(jié)..........................................................................................................6
第2章 液壓挖掘機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)............................................................7
2.1液壓挖掘機(jī)主要參數(shù)的確定..................................................................7
2.1.1整機(jī)主要參數(shù)..................................................................................7
2.1.2液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)......................................................................7
2.1.3功率的計(jì)算......................................................................................7
2.1.4轉(zhuǎn)速及回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算..................................................................8
2.1.5牽引力的計(jì)算..................................................................................9
2.1.6行走速度的計(jì)算............................................................................10
2.1.7接地比壓計(jì)算................................................................................10
2.1.8轉(zhuǎn)向時(shí)阻力計(jì)算............................................................................10
2.1.9回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)齒輪圓周力計(jì)算........................................................11
2.2整機(jī)穩(wěn)定性計(jì)算....................................................................................11
2.2.1初定配重........................................................................................11
2.2.2挖掘機(jī)穩(wěn)定力矩和傾翻力矩計(jì)算................................................12
2.2.3自身穩(wěn)定性....................................................................................19
2.2.4行駛穩(wěn)定性....................................................................................20
2.2.5誤操作時(shí)的穩(wěn)定性......................................................................23
2.2.6拆除工作裝置時(shí)的穩(wěn)定性..........................................................25
2.3整機(jī)的重心計(jì)算..................................................................................25
2.4小結(jié)......................................................................................................26
第3章 底盤的計(jì)算..................................................................................27
3.1底盤數(shù)據(jù)概述......................................................................................27
3.2底盤強(qiáng)度計(jì)算......................................................................................29
3.2.1底盤車架的尺寸............................................................................29
3.2.2底架強(qiáng)度計(jì)算................................................................................30
3.3許用力的選取........................................................................................32
3.4小結(jié)........................................................................................................32
第4章 履帶行走裝置的計(jì)算..............................................................33
4.1壓馬達(dá)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速...................................................................33
4.2 挖掘機(jī)的行走速度和牽引力..............................................................34
4.3 挖掘機(jī)爬坡度計(jì)算 .........................................................................36
4.4 行走下坡制動(dòng)力計(jì)算..........................................................................36
4.5 彈簧張緊裝置計(jì)算..............................................................................37
4.6 小結(jié)......................................................................................................38
結(jié)論.................................................................................................................39
謝辭...................................................................................................................40
參考文獻(xiàn)...........................................................................................................41
外文翻譯資料....................................................................................................42
51
前 言
1.本課題的目的和意義
小型多功能液壓挖掘機(jī)（以后簡(jiǎn)稱小挖）通常指標(biāo)準(zhǔn)斗容在0.25m3以下，或指機(jī)重在8T以內(nèi)的挖掘機(jī)產(chǎn)品，產(chǎn)品歸類為小型工程機(jī)械，在世界工程機(jī)械市場(chǎng)，屬銷量最大的工程機(jī)械產(chǎn)品之一。其主要適用場(chǎng)合為公路養(yǎng)護(hù)、園林綠化、小區(qū)建設(shè)、市政工程及農(nóng)田建設(shè)等。小挖機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)、體積小，適合于各種土方量分散、作業(yè)范圍狹窄的工況。路養(yǎng)護(hù)已經(jīng)常規(guī)化，園林綠化有序進(jìn)行，小區(qū)建設(shè)工程漸增，市政工程不斷升級(jí)，農(nóng)田建設(shè)正趨向機(jī)械化，小挖的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)恰得其所地得以發(fā)揮。它與挖斗、推土鏟、液壓破碎錘等多種作業(yè)裝置配套使用后，具有挖掘、裝載、清溝、破碎等多種功能。
小型無尾液壓挖掘機(jī)的尾部長度為零，可以在狹窄地段方便的作業(yè)。受施工場(chǎng)地限制較少，在建筑物間、城市道路、園林綠化、挖掘溝槽等小型土方施工中比大中型挖掘機(jī)更有優(yōu)勢(shì)，即使在僅靠墻根時(shí)也能方便的進(jìn)行回轉(zhuǎn)和挖掘，與大型挖掘機(jī)相比，小型挖掘機(jī)設(shè)備的購買投入較少，使用成本相對(duì)較低。
由于我國目前正處于全面開展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)階段，沿海地區(qū)正趨于基礎(chǔ)建設(shè)逐步完善階段，小挖應(yīng)用的市場(chǎng)環(huán)境日益擴(kuò)展并呈現(xiàn)可以預(yù)見的強(qiáng)勁后市，此時(shí)對(duì)小挖進(jìn)行一些理論聯(lián)系實(shí)際的研究顯然具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和長遠(yuǎn)的指導(dǎo)意義。
挖掘機(jī)的動(dòng)力、底盤、和主工作裝置設(shè)計(jì)的好壞很大程度上決定著挖掘機(jī)的整體性能，本課題在這些方面進(jìn)行了研究。此外，為了適應(yīng)挖掘機(jī)多功能化的需要，本課題還進(jìn)行了附屬推土鏟的設(shè)計(jì)。
本文設(shè)計(jì)的液壓挖掘機(jī)正是基于以上目的，設(shè)計(jì)出符合生產(chǎn)需求的小型液壓挖掘機(jī)。
2.本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容
本次所設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)為無尾式小型履帶液壓挖掘機(jī)。設(shè)計(jì)的內(nèi)容為總體設(shè)計(jì)，主要包括主工作臂的設(shè)計(jì)和底盤行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。總體設(shè)計(jì)的優(yōu)劣決定了其它零部件設(shè)計(jì)的質(zhì)量，也決定了整機(jī)的性能。合理的、全面的總體設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)順利完成的保證。因此，對(duì)整體設(shè)計(jì)必須從一個(gè)更高的層次出發(fā)，對(duì)整體設(shè)計(jì)必須提出更高的要求。
總體設(shè)計(jì)主要是對(duì)小型無尾液壓挖掘機(jī)進(jìn)行深入地分析，并提出切實(shí)可行的方案，對(duì)整體參數(shù)、整體布局、整體結(jié)構(gòu)、整機(jī)系統(tǒng)及其主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，最后再將其建模裝配。在整體設(shè)計(jì)中，主工作裝置的設(shè)計(jì)、底盤行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是最重要的，也是整機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。因?yàn)閷?duì)于整個(gè)挖掘機(jī)而言，主工作裝置和底盤行走系是整個(gè)機(jī)器工作的前提和保證，它將決定整個(gè)機(jī)器的性能和質(zhì)量。主工作裝置的設(shè)計(jì)必須考慮全面，比如外形尺寸、形狀、鉸點(diǎn)布置、工作過程中不能相互干涉、強(qiáng)度、剛度等等。而對(duì)于底盤行走系統(tǒng)，履帶式比輪式更加穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎半徑更小，接地比壓更大，附著性能更好，結(jié)構(gòu)布置更加緊湊，執(zhí)行操作更加方便。此次設(shè)計(jì)的主工作裝置主要采用反鏟裝置，動(dòng)臂部分主要采用整體式彎動(dòng)臂，這樣有利于得到較大的挖掘深度。斗桿部分主要采用整體式直動(dòng)斗桿；鏟斗部分采用道側(cè)齒的鏟斗。底盤行走系采用履帶式行走底盤，在設(shè)計(jì)底盤過程中盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件，以便更換方便。
3.本課題的技術(shù)難點(diǎn)及主要手段
對(duì)于挖掘機(jī)的整體設(shè)計(jì)，其難點(diǎn)是主工作裝置和底盤行走系的設(shè)計(jì)。主工作裝置是整個(gè)機(jī)器的工作部分，它直接影響到整機(jī)的工作性能。它主要由動(dòng)臂、斗桿、動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸組成。對(duì)于動(dòng)臂、斗桿和鏟斗的外形尺寸、形狀、空間結(jié)構(gòu)布局，主要是根據(jù)CASE系列及山河智能無尾式小型液壓挖掘機(jī)類比來確定，最后經(jīng)計(jì)算證明其設(shè)計(jì)也基本上滿足要求，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。底盤行走系是整個(gè)機(jī)械機(jī)體的支撐，它設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整機(jī)的穩(wěn)定性能和行使性能。對(duì)于底盤行走系，主要是由“四輪一帶”、履帶架和X型機(jī)架組成。我們經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研后決定采用全液壓挖掘機(jī)的底盤，即全液壓驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)。全液壓可以使其工作更方便，操作也更方便，還可以快捷順利地實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。
第一章 挖掘機(jī)的簡(jiǎn)介
1.1國內(nèi)外小型挖掘機(jī)的發(fā)展情況
1.1.1國內(nèi)小型挖掘機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
國內(nèi)挖掘機(jī)市場(chǎng)比裝載機(jī)等工程機(jī)械起步晚，小挖則更晚。盡管近幾年小挖在國內(nèi)市場(chǎng)的發(fā)展速度很快，主要生產(chǎn)廠家已近20余家，市場(chǎng)銷量增長率很高，但仍處于啟動(dòng)階段。在國內(nèi)小挖生產(chǎn)企業(yè)中，以廣西玉柴為首，山河智能、江西南特、山東臨挖、杭州軍聯(lián)等企業(yè)組成的中國小挖團(tuán)隊(duì)已經(jīng)出具規(guī)模。
國內(nèi)小挖目前已形成1.5T至8T全系列產(chǎn)品，并占有國內(nèi)市場(chǎng)的主要份額，且略有出口。國內(nèi)小挖目前的整體技術(shù)水平處于國際二十世紀(jì)八十年代末九十年代初水平，與國外先進(jìn)技術(shù)的差距主要體現(xiàn)在整機(jī)匹配、微操作性能、維修性、可靠性及外觀質(zhì)量上。
現(xiàn)階段我國的挖掘機(jī)仍處于仿制階段，缺乏自主開發(fā)能力和發(fā)掘自身優(yōu)勢(shì)的意識(shí)。目前國產(chǎn)品牌的優(yōu)勢(shì)仍主要建立在價(jià)格優(yōu)勢(shì)和服務(wù)優(yōu)勢(shì)上，技術(shù)上還無法與國際先進(jìn)水平相提并論。
未來的發(fā)展將在很長一段時(shí)間內(nèi)受制于兩大主要配件，一是動(dòng)力，二是液壓件。國產(chǎn)動(dòng)力要抗衡進(jìn)口動(dòng)力尚需時(shí)日，而國產(chǎn)液壓件取代進(jìn)口液壓件更需巨大努力。
1.1.2國外挖掘機(jī)目前水平及發(fā)展動(dòng)向
工業(yè)發(fā)達(dá)國家的挖掘機(jī)生產(chǎn)較早，法國、德國、美國、俄羅斯、日本是斗容量3.5-40 m3單斗液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國，從20世紀(jì)80年代開始生產(chǎn)特大型挖掘機(jī)。從20世紀(jì)后期開始，國際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。
（1）開發(fā)多品種、多功能、高質(zhì)量及高效率的挖掘機(jī)。為滿足市政建設(shè)和農(nóng)田建設(shè)的需要，國外發(fā)展了斗容量在0.25m3以下的微型挖掘機(jī)，最小的斗容量?jī)H在0.01 m3。另外，數(shù)量最多的中、小型挖掘機(jī)趨向于一機(jī)多能，配備了多種工作裝置——除正鏟、反鏟外，還配備了起重、抓斗、平坡斗、裝載斗、耙齒、破碎錐、麻花鉆、電磁吸盤、振搗器、推土板、沖擊鏟、集裝叉、高空作業(yè)架、鉸盤及拉鏟等，以滿足各種施工的需要。與此同時(shí)，發(fā)展專門用途的特種挖掘機(jī)，如低比壓、低嗓聲、水下專用和水陸兩用挖掘機(jī)等。
（2）迅速發(fā)展全液壓挖掘機(jī)，不斷改進(jìn)和革新控制方式，使挖掘機(jī)由簡(jiǎn)單的杠桿操縱發(fā)展到液壓操縱、氣壓操縱、液壓伺服操縱和電氣控制、無線電遙控、電子計(jì)算機(jī)綜合程序控制。在危險(xiǎn)地區(qū)或水下作業(yè)采用無線電操縱，利用電子計(jì)算機(jī)控制接收器和激光導(dǎo)向相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)作業(yè)操縱的完全自動(dòng)化。所有這一切，挖掘機(jī)的全液壓化為其奠定了基礎(chǔ)和創(chuàng)造了良好的前提。
（3）重視采用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)，加快標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展速度。例如，德國阿特拉斯公司生產(chǎn)的挖掘機(jī)裝有新型的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)裝置，使挖掘機(jī)按最適合其作業(yè)要求的速度來工作；美國林肯貝爾特公司新C系列LS-5800型液壓挖掘機(jī)安裝了全自動(dòng)控制液壓系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，避免了驅(qū)動(dòng)功率的浪費(fèi)。還安裝了CAPS（計(jì)算機(jī)輔助功率系統(tǒng)），提高挖掘機(jī)的作業(yè)功率，更好地發(fā)揮液壓系統(tǒng)的功能。
（4）更新設(shè)計(jì)理論，提高可靠性，延長使用壽命。美、英、日等國家推廣采用有限壽命設(shè)計(jì)理論，以替代傳統(tǒng)的無限壽命設(shè)計(jì)理論和方法，并將疲勞損傷累積理論、斷裂力學(xué)、有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電子計(jì)算機(jī)控制的電液伺服疲勞試驗(yàn)技術(shù)、疲勞強(qiáng)度分析方法等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的強(qiáng)度研究方面，促進(jìn)了產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)高效率和競(jìng)爭(zhēng)力。美國提出了考核動(dòng)強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析方法，并創(chuàng)立了預(yù)測(cè)產(chǎn)品失效和更新的的理論。日本制定了液壓挖掘機(jī)構(gòu)件的強(qiáng)度評(píng)定程序，研制了可靠性住處處理系統(tǒng)。在上述基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下，借助于大量試驗(yàn)，縮短了新產(chǎn)品的研究周期，加速了液壓挖掘機(jī)更新?lián)Q代的進(jìn)程，并提高其可靠性和耐久性。例如，液壓挖掘機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率達(dá)到85%-95%，使用壽命超過1萬小時(shí)。
（5）加強(qiáng)對(duì)駕駛員的勞動(dòng)保護(hù)，改善駕駛員的勞動(dòng)條件。液壓挖掘機(jī)采用帶有墜物保護(hù)結(jié)構(gòu)和傾翻保護(hù)結(jié)構(gòu)的駕駛室，安裝可調(diào)節(jié)的彈性座椅，用隔音措施降低噪聲干擾。
（6）進(jìn)一步改進(jìn)液壓系統(tǒng)。中、小型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)有向變量系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的明顯趨勢(shì)。因?yàn)樽兞肯到y(tǒng)在油泵工作過程中，壓力減小時(shí)和增大流量來襝，使液壓泵功率保持恒定，亦即裝有變量泵的液壓挖掘機(jī)可經(jīng)常性地充分利用油泵的最大功率。當(dāng)外阻力增大時(shí)則減少流量（降低速度），使挖掘力成倍增長率加；采用三回路液壓系統(tǒng)。產(chǎn)生三個(gè)互不成影響的獨(dú)立工作運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)與回轉(zhuǎn)達(dá)機(jī)械的功率匹配。將第三泵在其他工作運(yùn)動(dòng)上接通，成為開式回路第二個(gè)獨(dú)立的快速成運(yùn)動(dòng)。此外，液壓技術(shù)在挖掘機(jī)上普遍使用，為電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)在挖掘機(jī)的應(yīng)用與推廣創(chuàng)造了條件。
（7）迅速拓展電子化、自動(dòng)化技術(shù)在挖掘機(jī)上的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，為了節(jié)省能源消耗和減少對(duì)環(huán)境的污染，使挖掘機(jī)的操作輕便和安全作業(yè)，降低挖掘機(jī)口音，改善駕駛員工作條件，逐步在挖掘上應(yīng)用電子和自動(dòng)控制技術(shù)。隨著對(duì)挖掘機(jī)的工作效率、節(jié)能環(huán)保、操作輕便、安全舒適、可靠耐用等方面性能要求的提高，促使了機(jī)電一體化在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，并使其各種性能有了質(zhì)的飛躍。20世紀(jì)80年代，以微電子技術(shù)為核心的高新技術(shù)，特別是微機(jī)、微處理器、傳感器和檢測(cè)儀表在挖掘機(jī)上的應(yīng)用，推動(dòng)了電子控制技術(shù)在挖掘機(jī)上應(yīng)用和推廣，并已成為挖掘機(jī)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，亦即目前先進(jìn)的挖掘機(jī)上設(shè)有發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)怠速及油門控制系統(tǒng)、功率優(yōu)化系統(tǒng)、工作模式控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等電控系統(tǒng)。
總之，國外小挖目前水平與發(fā)展動(dòng)向國外小挖目前水平完全可以稱之為漸趨完美、漸入佳境，其功能的可靠性，操作的流暢性和舒適性不必詳述，即使其駕駛室內(nèi)的美觀與質(zhì)感也幾可與國產(chǎn)轎車蓖美。
國外小挖目前的發(fā)展動(dòng)向主要體現(xiàn)在：以一機(jī)多能為目標(biāo)的多功能化；以提高操作性能為目標(biāo)的智能化；以節(jié)能為目標(biāo)的功率模式控制；以動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析為基礎(chǔ)的可靠性設(shè)計(jì)；以人為本的駕駛室設(shè)計(jì)；基于微電子技術(shù)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展。
1.2挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理
1.2.1 液壓挖掘機(jī)的基本組成
液壓挖掘機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置、行走裝置和電氣控制等部分組成。
從外觀上看挖掘機(jī)由工作裝置，上部轉(zhuǎn)臺(tái)，行走機(jī)構(gòu)三部分組成。
1.2.2 液壓挖掘機(jī)的工作原理
在設(shè)計(jì)之初必須明確設(shè)計(jì)的基本工作原理。對(duì)于一般的工程機(jī)械來說，都必須包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、底盤行走系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)這五大基本系統(tǒng)（見圖1-1所示）。動(dòng)力系統(tǒng)主要采用的是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其原因是由于它具有燃料經(jīng)濟(jì)性好、工作可靠、功率大、排氣污染小等一系列優(yōu)點(diǎn)；工程機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)主要類型包括機(jī)械傳動(dòng)、液力機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)等四種形式；底盤行走系統(tǒng)主要有輪式和履帶式兩種類型，此外還有步履帶式行走機(jī)構(gòu)等。操縱控制系統(tǒng)一般包括底盤操縱系統(tǒng)和工作裝置操縱系統(tǒng)兩個(gè)部分;執(zhí)行系統(tǒng)主要包括各種類型的工作裝置和機(jī)構(gòu),其類型多種多樣。只要確定了這五大基本系統(tǒng)，就可以確定基本的設(shè)計(jì)方案。
地面條件
工作介質(zhì)
執(zhí)行系統(tǒng)
（工作裝置）
行走系統(tǒng)
傳動(dòng)系統(tǒng)
動(dòng)力系統(tǒng)
（發(fā)動(dòng)機(jī)）
操作控制系統(tǒng)
操作指令
圖1-1機(jī)械工程系統(tǒng)圖
1.3 小結(jié)
通過對(duì)挖掘機(jī)的整體分析和了解，使我們對(duì)挖掘機(jī)的整體有了大概的了解以及學(xué)習(xí)，為接下來的整機(jī)參數(shù)的設(shè)計(jì)，整機(jī)穩(wěn)定性的計(jì)算，底盤的設(shè)計(jì)以及履帶行走裝置的有了初步的思路，從而更好的完善挖掘機(jī)整體性能有了初步的基礎(chǔ)！
第二章 液壓挖掘機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)
2.1 液壓挖掘機(jī)主要參數(shù)的確定
2.1.1 整機(jī)主要參數(shù)
整機(jī)使用質(zhì)量
發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率
發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速
斗容
2.1.2 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)
系統(tǒng)壓力
系統(tǒng)流量
系統(tǒng)壓力
工作裝置系統(tǒng)流量
回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力
回轉(zhuǎn)系統(tǒng)流量
伺服系統(tǒng)壓力
伺服系統(tǒng)流量
2.1.3 功率計(jì)算
選用康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)（日本產(chǎn)）
功率為
工作裝置油泵排量
回轉(zhuǎn)裝置油泵排量
先導(dǎo)操縱油泵排量 （起調(diào)壓力 額定壓力）
泵所需功率 －機(jī)械效率 （公式-1）
工作裝置功率:
回轉(zhuǎn)裝置功率：
伺服裝置功率：
風(fēng)扇直徑,消耗功率，發(fā)電機(jī)消耗功率，飛輪輸出功率為
發(fā)動(dòng)機(jī)功率儲(chǔ)備系數(shù)為：
發(fā)動(dòng)機(jī)功率儲(chǔ)備系數(shù)合適
2.1.4 轉(zhuǎn)速度及回轉(zhuǎn)力矩計(jì)算
回轉(zhuǎn)裝置A、B口的流量為
轉(zhuǎn)支承傳動(dòng)比
回轉(zhuǎn)馬達(dá)排量
回轉(zhuǎn)裝置減速比
回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)/分 回轉(zhuǎn)裝置在壓力下，輸出扭矩為：
(2-1)
－壓力差
回轉(zhuǎn)起動(dòng)力矩：
M平臺(tái)
地面附著力矩：
—地面附著系數(shù) 取
—整機(jī)質(zhì)量 取噸
根據(jù)計(jì)算回轉(zhuǎn)時(shí)地面附著力矩滿足要求。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算平臺(tái)回轉(zhuǎn)起動(dòng)力矩
（公式-2） (2-2)
G-整機(jī)質(zhì)量 取噸
§2.1.5 牽引力計(jì)算
一擋工況：
馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩：
(2-3)
驅(qū)動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)矩：
(2-4)
單邊牽引力：
(2-5)
式中：R驅(qū)動(dòng)輪半徑
一擋牽引力：
取地面附著力：
二擋工況：
馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩：
(2-6)
驅(qū)動(dòng)裝置的輸出轉(zhuǎn)矩：
(2-7)
單邊牽引力：
二擋牽引力：
附著力發(fā)揮為 F總/ F附：
行走速度計(jì)算
行走裝置（馬達(dá)、減速機(jī)）馬達(dá)排量?jī)蓳?
減速機(jī)傳動(dòng)比
驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速：
(2-8)
(2-9)
2.1.6 行走速度計(jì)算
行走速度：
（公式-3） (2-10)
式中 —驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速
t —鏈軌節(jié)距
z —驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)
(2-11)
(2-12)
2.1.7 接地比壓計(jì)算
接地面積：
平均接地比壓：
（公式-4） (2-13)
2.1.8 轉(zhuǎn)向時(shí)阻力計(jì)算
（公式-5）
a－履帶動(dòng)力阻力系數(shù) 取0.12 u履帶與地面的摩擦系數(shù) 取0.7
L—輪距 1990mm
S—軌距 1520mm
G—整機(jī)質(zhì)量5600kg
二擋牽引力
可以轉(zhuǎn)向
2.1.9 回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)齒輪圓周力計(jì)算
1、首選驗(yàn)算回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)地面附著力矩是否夠履帶式挖掘機(jī)對(duì)地面的附著力矩
（公式-6） (2-14)
－履帶對(duì)地面的附著系數(shù)＝0.5
－機(jī)重
2、轉(zhuǎn)臺(tái)的制動(dòng)力矩
回轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)附著力滿足要求。
3、制動(dòng)時(shí)回轉(zhuǎn)減速機(jī)輸出齒輪轉(zhuǎn)矩
(2-15)
制動(dòng)時(shí)圓周力P
（公式-7） (2-16)
選用Is-616回轉(zhuǎn)支承 內(nèi)齒模數(shù)，，
其額定圓周力 故齒輪強(qiáng)度安全。
2.2整機(jī)穩(wěn)定性計(jì)算
挖掘機(jī)的穩(wěn)定性包括作業(yè)穩(wěn)定性和自身穩(wěn)定性。為使機(jī)器外形尺寸較小，充分發(fā)揮挖掘力，為此在挖掘機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)后部設(shè)有平衡重[10]（俗稱配重）。
2.2.1 初定配重（表2-1）
挖掘機(jī)停在水平地面上，斗桿和鏟斗液壓缸全伸出，空斗，斗底離地高約1m，轉(zhuǎn)臺(tái)上部各部件和工作裝置的重心應(yīng)當(dāng)平衡，即各部件對(duì)回轉(zhuǎn)中心力矩之和為零。（上部重心通過回轉(zhuǎn)中心）
表2-1各部件重量和與回轉(zhuǎn)中心的距離
穩(wěn)定力矩Μ穩(wěn)
傾翻力矩Μ翻
下車重G下=2400kg
r下=0mm
動(dòng)臂重G臂=300kg
r=2129mm
轉(zhuǎn)臺(tái)重量（不含配重和工作裝置）
連桿重G連=28kg
r=2540mm
G上=2300kg
r上=890mm
斗桿重G桿=120kg
r=3320mm
G配
r配=1484mm
搖桿重G搖=28kg
r=2651mm
鏟斗重G斗=120kg
r=2550mm
動(dòng)臂缸1只G1=126kg
r1=1450zmm
斗桿缸1G2=120kg
r2=3400mm
鏟斗缸1只G3=98kg
r3=3340mm
（公式-8） (2-17)不計(jì)下車重量
（公式-9） (2-18)
2.2.2 挖掘機(jī)采用單排球四點(diǎn)接觸式回轉(zhuǎn)支承，通過回轉(zhuǎn)支承將上下車連成一體，下車的重量也參與平衡[11]。
工作裝置和履帶垂直，傾翻點(diǎn)為支重輪中心A點(diǎn)（圖2-1）。挖掘機(jī)各構(gòu)件（包括下車及工作裝置）重心至A點(diǎn)的距離為r（圖2-1未表示出，計(jì)算時(shí)，在A的左側(cè)加760，右側(cè)減760）
選取配重為G配=240kg
表2-2 各部件重量和與回轉(zhuǎn)中心的距離
穩(wěn)定力矩Μ穩(wěn)
傾翻力矩Μ翻
G配=240 kg
r配=1484mm
G臂=300kg
r臂=1369mm
G上=2300kg
r上=890mm
G連=28kg
r連=1780mm
G下=2400kg
r下=760mm
r斗=1790mm
r桿 =2560mm
G搖=28kg
r搖=1891mm
G斗=120kg
G1=126kg
r1=690mm
G2=120kg
r2=2640mm
G3=98kg
r3=2580mm
M穩(wěn)=4227160kgfmm
M翻= 1692068kgfmm
圖2-1作業(yè)穩(wěn)定性
1.挖掘狀態(tài)—工況（圖2-2）
挖掘機(jī)停在水平地面上，工作裝置與履帶平行，斗桿與地面垂直，斗齒尖在停機(jī)面以下500mm處；用鏟斗缸挖掘，風(fēng)從后面來，傾翻點(diǎn)為履帶前方引導(dǎo)輪中心[12]。
圖2-2 挖掘狀態(tài)
（1）求挖掘力（圖2-3）
鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)至斗齒尖距離 R=952mm
鏟斗缸直徑85mm,油壓力 圖2-3 鏟斗
Pmax=210bar
（扣除壓力損失）
取液壓缸效率η=0.98
鏟斗缸最大推力
(2-19)
（2）鏟斗
Ⅲ級(jí)松土重324kg
（3）系統(tǒng)壓力
Pmax=210bar
表2-3 各部件重量和與回轉(zhuǎn)中心的距離
穩(wěn)定力矩Μ穩(wěn)
傾翻力矩Μ翻
G配=240 kg
r配=1484mm
G臂=300kg
r臂=1069mm
G上=2300kg
r上=1885mm
G連=28kg
r連=2985mm
G下=2400kg
r下=995mm
G桿=120kg
r桿=2890zmm
G搖=28kg
r搖=2995mm
G斗=120kg
r斗=2522mm
G1=126kg
r1=400mm
G2=120kg
r2=2058mm
G3=98kg
r3=3102mm
W切=3377kg
r切=920mm
G徑=675.4kg
r徑=300mm
G風(fēng)=87.5kg
r=1256.5mm
G鏟=200kg
r鏟=400mm
M穩(wěn)=7079660kgfmm
M翻=5158339.75kgfmm
圖2-4 挖掘狀態(tài)
2.挖掘狀態(tài)—工況（2）（圖2-4）
挖掘機(jī)停在水平地面上，工作裝置與履帶平行，斗桿與地面垂直，挖掘至最大深度（3890），風(fēng)從前面來，傾翻點(diǎn)在履帶前方推土鏟B點(diǎn)；這時(shí)配重成為穩(wěn)定載荷。
求挖掘力----鏟斗缸挖掘（圖2-5）
圖2-5 鏟斗缸
（公式-10） (2-20)
(2-21)
表2-4 各部件重量和與回轉(zhuǎn)中心的距離
穩(wěn)定力矩Μ穩(wěn)
傾翻力矩Μ翻
G上=2300kg
r上=3032mm
G臂=300kg
r臂=550mm
G下=2400kg
r下=2142mm
G連=28kg
r連=2521mm
G配=240 kg
r配=3106mm
G桿=120kg
r桿=2291mm
G產(chǎn)=200 kg
r產(chǎn) =200mm
G搖=28kg
r搖=2398mm
G1=126kg
r1=335mm
G斗=120kg
r斗=2410mm
W切=3187kg
r切=3890mm
G2=120kg
r2=2528mm
G徑=637.6kg
r徑=689mm
G3=98kg
r3=2559mm
G風(fēng)=87.5kg
r風(fēng)=1490mm
M穩(wěn)=25909161.4kgf.mm
M翻=1120282kgf.mm
穩(wěn)定系數(shù)：
滿足穩(wěn)定要求。
3.卸載狀態(tài)—工況（3）（圖2-6）（圖2-7）
挖掘機(jī)橫向停在12o斜坡上，工作裝置位于下坡方向（與履帶垂直），伸出最大幅度，滿斗，鏟斗剛離開地面，風(fēng)從后面來，傾翻點(diǎn)為下坡方向履帶邊緣A點(diǎn)；挖掘機(jī)向下坡方向回轉(zhuǎn)制動(dòng)，傾翻力矩除A點(diǎn)右側(cè)的重力矩外，還有慣性力矩、穩(wěn)定力矩為A點(diǎn)左側(cè)的重力矩和回轉(zhuǎn)中心左側(cè)的慣性力矩。
圖2-6 卸載狀態(tài)
表2-5 各部件重量和與回轉(zhuǎn)中心的距離
穩(wěn)定力矩Μ穩(wěn)
傾翻力矩Μ翻
G配=240 kg
r配=2396mm
G臂=300kg
r臂=1100mm
h配=897mm
h臂=2254mm
G上=2300kg
r上=1815mm
G連=28kg
r連=4138mm
h上=1293mm
h連=1618mm
G下=2400kg
r下=944mm
G桿=120kg
r桿=3660mm
h下=423mm
h桿=1943mm
G搖=28kg
r搖=4118mm
h搖=1738mm
G斗=120kg
r斗=3686mm
h斗=1525mm
G1=126kg
r1=444mm
h1=1829mm
G2=120kg
r2=2093mm
h2=2653mm
G3=98kg
r3=3880mm
h3=2090mm
G土=324kg
r土=3003mm
h土=250mm
G風(fēng)=87.5 kg
r風(fēng)=930mm
h風(fēng)=1490mm
M穩(wěn)=7015140kgf.mm
M翻=3407939 kgf.mm
圖2-7 穩(wěn)定性
2.2.3 自身穩(wěn)定性（圖2-8）
挖掘機(jī)停在12o斜坡上，履帶與坡度方向垂直，工作裝置與履帶垂直，鏟斗舉至最高，空斗，幅度最小，鏟斗處于上坡方向，風(fēng)從上坡方向來，挖掘機(jī)有向下坡方向傾翻的可能，傾翻點(diǎn)為下方履帶支重輪中心A點(diǎn)。
表2-6 各部件重量和與回轉(zhuǎn)中心的距
穩(wěn)定力矩Μ穩(wěn)
傾翻力矩Μ翻
G下=2400kg
r下=651mm
G配=240 kg
r配=892 mm
G臂=300kg
r臂=1495mm
W風(fēng)=87.5kg
r風(fēng)=1490mm
G連=28kg
r連=3085mm
G上=2300kg
r上=418mm
G桿=120kg
r桿=3007mm
G搖=28kg
r搖=3075mm
G斗=120kg
r斗=2625mm
G1=126kg
r1=1457mm
G2=120kg
r2=2202mm
G3=98kg
r3=3144mm
M穩(wěn)=3615154kgf.mm
M翻=1305855kgf.mm
圖2-8 自身穩(wěn)定性
2.2.4 行駛穩(wěn)定性
1.上坡行駛穩(wěn)定性（圖2-9）
挖掘機(jī)沿25o斜坡上坡行駛，斗桿全收回，斗底離地約0.5m位于上坡方向，風(fēng)從前方來，挖掘機(jī)由靜止到啟動(dòng)狀態(tài)[13]。這時(shí)配重、風(fēng)力和啟動(dòng)慣性力使挖掘機(jī)繞位于斜坡下方驅(qū)動(dòng)輪中心A點(diǎn)朝后傾翻。
表2-7 各部件重量和與回轉(zhuǎn)中心的距離
穩(wěn)定力矩Μ穩(wěn)
傾翻力矩Μ翻
G桿=120kg
r桿=3814mm
G配=240 kg
r配=2163mm
h桿=1109mm
h配=1103mm
G上=1800kg
r上=440mm
h上=1280mm
G下=2400kg
r下=668mm
h下=575mm
G臂=300kg
r臂=1895mm
h臂=2191mm
G連=28kg
r連=3069mm
m=5600kg
v=2.7km/h=0.75m/s
t=1.7s
h連=325mm
G搖=28kg
r搖=3249mm
h搖=393mm
G1=126kg
r1=1687mm
h1=1422mm
G2=120kg
r2=3137mm
h2=1908mm
G3=98kg
r3=3762mm
h3=746mm
G斗=120kg
r斗=2897mm
h斗=757mm
M穩(wěn)=4111602kgf.mm
M翻=1539180kgf.mm
圖2-9 上坡行駛穩(wěn)定性
圖2-10下坡行駛穩(wěn)定性
2.下坡行駛穩(wěn)定性（圖2-10）
挖掘機(jī)沿25o斜坡上下坡制動(dòng)，斗桿及鏟斗垂直于地面，斗齒尖離地約0.5m，急剎車（制動(dòng)）慣性力（P）使挖掘機(jī)朝前傾翻，傾翻點(diǎn)在履帶前方推土鏟A點(diǎn)，風(fēng)從后方來。
表2-8 各部件重量和與回轉(zhuǎn)中心的距離
穩(wěn)定力矩Μ穩(wěn)
傾翻力矩Μ翻
G配=240 kg
r配=2422mm
G臂=300kg
r臂=1020mm
h配=901mm
h臂=2695mm
G上=2300kg
r上=2008mm
G連=28kg
r連=2540mm
h上=1230mm
h連=1123mm
G下=2400kg
r下=1024mm
G桿=120kg
r桿=2565mm
h下=619mm
h桿=1999mm
G搖=28kg
r搖=2543mm
h搖=1118mm
G斗=120kg
r斗=2014mm
h斗=788mm
G1=126kg
r1=449mm
h1=3033mm
G2=120kg
r2=2394mm
h2=1685mm
G3=98kg
r3=2721mm
h3=1972mm
P=252kgf
M穩(wěn)=7657280kgf.mm
M翻=1890304kgf.mm
2.2.5 誤操作時(shí)的穩(wěn)定性（圖2-11）
圖2-11誤操作時(shí)的穩(wěn)定性
挖掘機(jī)在25o斜坡上下坡，工作裝置全伸出在下坡方向，空斗，斗齒尖離地約1m，以最高速度下坡，急剎車，風(fēng)從后方來，慣性力使挖掘機(jī)繞履帶引導(dǎo)輪中心下方A點(diǎn)向前傾翻。
表2-9 各部件重量和與回轉(zhuǎn)中心的距離
穩(wěn)定力矩Μ穩(wěn)
傾翻力矩Μ翻
G配=240 kg
r配=2428mm
G臂=300kg
r臂=1368mm
h配=901mm
h臂=2286mm
G上=2300kg
r上=1765mm
G連=28kg
r連=3578mm
h上=1251mm
h連=820mm
G下=2400kg
r下=1242mm
G桿=120kg
r桿=2959mm
h下=563mm
h桿=1157mm
G搖=28kg
r搖=3538mm
h搖=806mm
G斗=120kg
r=3678mm
h=392mm
G1=126kg
r1=1048mm
h1=1565mm
G2=120kg
r2 =2830mm
h2 =1999mm
G3=98kg
r3 =3820mm
h3 =1287mm
P=252kgf
M穩(wěn)=7623020kgf.mm
M翻=2514402.8kgf.mm
穩(wěn)定系數(shù)：
可以
圖2-12 拆除工作裝置時(shí)的穩(wěn)定性
2.2.6 拆除工作裝置時(shí)的穩(wěn)定性（圖2-12）
挖掘機(jī)修理時(shí)，停在水平場(chǎng)地上，上車縱軸線和履帶垂直，拆除工作裝置，此時(shí)配重變成傾翻因素。場(chǎng)地?zé)o風(fēng)，挖掘機(jī)繞后方履帶支重輪中心A點(diǎn)傾翻。
表2-10 各部件重量和與回轉(zhuǎn)中心的距離