1、斗容 1m3 挖掘机回转机构设计 2015 年 6 月 摘 要 近年来，我国的基建工程有日益增多的趋势，国家也要大力发展基建工程来拉动经济增长，而挖掘机作为土方施工必不可少的机械设备，将在我国的基础设施建设方面发挥举足轻重的作用。 挖掘机在进行作业时，其回转机构要承受轴向载荷，径向载荷，和倾覆力矩，对其刚度，强度与稳定性就有一定的要求。所以，挖掘机的回转系统对保持挖掘机整体的稳定性方面有重要作用，对挖掘机回转系统的研究有助于国家发展各种不同类型的挖掘机。 针对斗容 1m3 挖 掘机的回转系统，我进行了驱动方案分析，回转支承选型设计，回转速度控制及制动方案与制动器设计，回转系统各部件的受力校核及
2、选型，还采用了有限元方法来进行优化设计。 国内的挖掘机厂商对国内市场的把握还不够大，对挖掘机回转系统的不断优化对国内厂商制造更大更多类型的挖掘机有重要的意义。 关键词 ：机械设备；挖掘机；回转机构设计；有限元 第 一章 绪 论 1.1 液压挖掘机及其回转机构介绍 液压挖掘机是一种多功能周期作业的土方机械 ,广泛应用于交通运输，水利工程，矿山采掘和电力工程等机械施工中。它的 工作过程先是以铲斗的切割刃切削土壤，装满后再提升、回转至卸土位置，把土卸空后铲斗再回原来位置开始下一次作业，如此循环。 所以挖掘机对于对于减轻工人繁重的体力劳动，加快施工进度，提高施工机械化水平，促进各项建设事业的发展，都起
3、着很大的作用。一台斗容 1m3 挖掘机每班的生产率基本上等于 300-400 个工人一天的工作量。所以很有必要大力发展液压挖掘机，提高其工作性能，让其更好地提高生产率，为国民建设与国民经济服务。 挖掘机的回转系统由回转支承、回转机构、转台和液压回转系统等组成。回转支承的内外座圈间设有 滚动体，其底座跟带齿的内座之间用螺栓连接，外座圈跟转台用螺栓连接。挖掘机工作装置上的各种载荷与力矩经过回转支承传给底架。回转机构的小齿轮既能绕自身自转又能绕转台中心公转，带动转台绕底架回转，相当于行星机构。 1.2 国内外发展概况 工国外发达国家在挖掘机技术上一直处于领先优势，他们从 20 世纪 80 年代就开始
4、生产特大型挖掘机，例如，美国生产的斗容 132m的步行式拉铲挖掘机，斗容 50-150m剥离用挖掘机； B-E（布比赛路斯 -伊利）公司生产的斗容量 107m的剥离用挖掘机，斗容量 168.2m的步行式拉铲挖掘机 等。从 20 世纪后期开始， 国际上挖掘机的生产向微型化、多功能化、大型化、专用化和自动化的方向发展。 国内的挖掘机生产商虽然要有很强的创新意识，并且要针对市场与用户的各种要求来开发出新一代挖掘机的变型产品（如高原型车、焊接车等），争取步入大型挖掘机市场，不能只依靠国外进口，把握市场方向。同时，国内的厂商要提高用户服务，树立良好的品牌形象，力求企业与用户实现双赢局面。只有这样，国内厂
5、商才可能慢慢把失去的市场份额夺过来。 1.3 本设计的目的和意义 目前我国及发展中国家的基础工程建设 相当多，挖掘机的产销量很大。作为工程机械应用专业的学生，通过此设计，可以很全面地掌握挖掘机的构造和作业环境及要求；掌握产品设计思路与方法；锻炼其综合运用机械类基础知识解决实际问题的能力和提高对计算机软件的应用水平；本设计要求完成上台车回转机构方案设计及结构设计。 研究内容包括，驱动方案分析确定，传动设计，回转支承选型设计，回转速度控制及制动方案与制动器设计。 1.3 研究的基本思路与采用的方法 通过查阅相关资料进行回转马达与回转支承的选型，计算啮合齿轮参数，计算液压系统参数。 结合三维建模及分
6、析修改设计方案 及结构参数；标准件或选用总成要完成选型匹配计算，写出具体的型号。 生成二维设计图，按标准要求完成标注、打印出二维设计图； 第二章 方案设计 2.1 回转方案选择 1）高速方案：采用高速液压马达，经过齿轮减速箱来带动小齿轮绕齿圈滚动，从而使平台回转。可以使用 4 种回转方案： 1 一级正齿轮和一级行星齿轮传动 2 两级行星齿轮传动 3 两级正齿轮传动 4 一级正齿轮和两级行星齿轮传动 在高速轴上装了机械制动器，我国目前对一级行星齿轮传动和一级正齿轮和两级行星齿轮传动进行了系列化和专业化生产。 方案 优点：马达采用了高速马达，又加了齿轮减速机构，可靠性效率都比较高，同时又能降低成本
7、缩小体积。设置了机械制动器，不需要背压补油，降低了油液发热与功率损失，可与轴向柱塞泵零件通用。 2）低速方案：这种马达转速比较低，但扭矩比较大，带动小齿轮并让转台回转的时候，中间不用加减速器。这种方案采用的液压马达通常为静力平衡式，内曲线式和星型柱塞式等。不用经过减速器驱动的回转机构多是内曲线式的，而且这种马达转速低，扭矩大。 方案优点：这种马达传动比较简单，起动的时候制动性能也比较好，零件比较少，可靠性比较好，对油污的敏感 性也比较小。 为了经济性、可靠性和效率，选用了方案 2。 2.2 回转机构齿轮啮合方案的确定 内齿式齿轮啮合结构紧凑能节省尺寸，受外部环境影响小。而外齿式齿轮啮合传动受外
8、部环境影响比较大，比较浪费横向尺寸。所以选用内齿式齿轮啮合传动。 2.3 回转轴承选型 （ 1）单排滚球式 滚道端面中心 d 偏滚珠中心而且滚道是圆弧形曲面的，滚道半径 R=0.52d，滚珠与滚道接触角 (水平线与作用力的夹角 )一般 45，所以可以传各种方向的轴向、径向载荷与倾覆力矩。 （ 2）双排滚球式 它的滚珠分了 2 排，下排比上排收 到的载荷小，所以下排滚珠比较小。接触角 (水平线与作用力的夹角 )=90，所以能承受很大的轴向载荷与倾覆力矩。 （ 3）交叉滚柱式 滚动体做成了圆锥或圆柱形，接触角常为 45，相邻滚珠轴线交叉排列，滚道做成平面的，可以传递各种方向的载荷与力矩。 （ 4）
9、组合滚子式 跟双排滚珠式类似，带第三排滚珠直于上、下两排滚柱，能传递径向载荷。主要用在直径与受到的载荷都比较大的大型的液压挖掘机上。 现实应用最广泛的是上述（ 1）（ 2）（ 3） 3 种。 纵观液压挖掘机回转支承发展历程，开始采用的双排异径球式，后来发展 成用单排交叉滚柱式，近来单排四点接触球式得到了迅速的发展。对比这三种回转支承，单排四点接触球式的全部滚动体都能同时分担载荷，而另外两种只有一般滚动体可以承受载荷，所以其静容量远超另外两种。 综合以上结论，此次的液压挖掘机回转轴承的选型选用单排四点接触球式滚动轴承式， 2.4 滚动轴承式回转支承的系列标准及其具体选型 滚动轴承式回转支承，不少
10、国家已有系列标准，由专门的轴承厂制造，主机成更具用途选用即可。 我国制定的滚动支撑系列标准分两大类，六种结构形式，四十种规格。 第一类或称第一系列为接触角 45 ，滚柱按 1： 1排列的交叉滚柱式回转支承，以代号“ HJ” 表示。 第二类或称为第二系列为接触角 45 的四点接触球式回转支承，以代号“ HS”表示。 每一类按座圈不带齿（代号“ B”），带外齿（代号“ W” ） 和带内齿（代号“ N”）的不同分为三种结构形式。 每一类按滚道中心直径的大小分为二十种规格。 例如 HJN-2820 表示滚道中心直径 0 2820D mm ，具有内齿机构形式的交叉滚柱式回转支承。 我国指定 的滚动轴承职
11、称系列标准有一下特点： 1.尺寸参数比较齐全（滚道中心直径范围是 625 4540mm ） ，符合主机系列，可满足发展需要； 2.两种系列的安装尺寸，毛胚尺寸完全相同，可以互换： 3.齿轮有两种模数以满足不同的主机需要，内外齿的原始齿形均为标准型（即压力角 0 20 ，齿顶高系数 0 1f ，齿顶间隙系数 0 0.25C ） .为了减少小齿轮齿数，提高 其承载能力，改善传动性能，内齿式采用高度变位（变位系数 +0.35），外齿式采用角度变位（当大齿圈齿数为 95 116 时变位系数取 +1.0；当齿数为117 136 时取 +1.15；当齿数等于和大于 137 时取 +1.4） 4.滚动体材料
12、为 GCr15 及 GCr15SiMn,表面硬度为 HRC61 55.座圈材料为50Mn,50SiMn， 5CrMnMo 等，滚道表面硬度为 HRC55 65，硬化层深度为 35mm.参考单斗液压挖掘机表 3-2滚动轴承式回转支承参数系列，初步选取四点接触球式滚动回转支承 880HSN 系列，其基本技术参数如下 : 滚道中心直径： 0 880D mm 外形尺寸： 1000D mm 760d mm 95H mm 12.5h mm 安装尺寸： 956uD mm 800nD mm 24n 20mm 内齿参数： 718.18eD mm 728fd mm mmm 10 182Z 35.01 x mmL
13、70 四点接触球式滚动回转支承滚球尺寸： 0 40d mm kNC a 21600 接触角45 图 2.1 回转支承 2.5 主要性能参数 斗容量 1M 整机使用质量（含配重） 30000 其中预估： 上车 19900 下车 9100 柴油机 型号 SAA6D102E-2 额定功率 125/2100 行驶速度范围 : 低速范围 VI=0 3.1 km/h 高速范围 V =0 5.5 km/h 最大爬坡角 35 轨距 2380 mm 每侧履带接地尺寸 (长宽 ) 6470 2980 mm 运输工况外形尺寸 (长宽高 ) 9865 2980 3015 液压系统参数 : 铲斗油缸 -个数缸径行程 (
14、mm) 130 1020 90 回转液压回路 (Mpa) 28.4 控制液压回路 (Mpa) 3.2 先导油路 斗杆油缸 -个数缸径行程 (mm) 140 1635 100 动臂油缸 -个数缸径行程 (mm) 130 1335 90 行走液压回路 (Mpa) 37.3 主泵最大流量 (L/min) 439 第三章 结构设计 3.1 回转支承的受力分析 决定回转支承寿命的主要是静容量，因为其常在低速大负荷下运转。 为了研究滚动轴承式回转支承的受力状态， 求出滚动体受的最大作用力，以便与验算滚道与滚动体间的接触强度。回转支撑的座圈是一个多支点弹性体 ,主要以滚动体为支点，承受着倾覆力矩 M径向载荷
15、 Fr以及轴向载荷 Fa的共同作用。设内座圈与底架固定，外座圈与转台固定，转台经外座圈，滚动体，内座圈到底架是力的传递路线，如下图 2.3 所示。 图 3.1 回转支承受力简图 内外座圈间的内力分布跟制造方法有关，为了计算的简化，假设： 受力变形只发生在滚动体与滚道接触处，内外座圈为绝对刚体；滚道与滚动体接触良好，无加工误差，无径向间隙和轴向间隙。 用在滚动 体上的轴向、径向载荷与倾覆力矩的叠加内力进行计算，经过分析后得出挖掘机在直立状态下受到的载荷为最大。 总轴向力 V=23KN 径向力的分析包括了小齿轮与齿圈间啮合力 啮P 和风力 风P 和惯性作用下产生的离心力 离P KN43c o sD
16、 1iM3P 额啮 5 . 2 K N520FqKhCP 公斤风 其中 C 风载体型系数取 0.7 Kh 高度休整系数取 1 q 风压值取 25 公斤 /m2 F 迎风面 离P 按照外倾 5来进行计算 : 900 nLGP2ii离= 9 0 0/61.0421.12.13.26.07.2312.42297.015201.46105.2 42 ）（ 1.37KN 所以 总H = 啮P + 风P + 离P 5.2+1.37+43 50KN 各力对回转中 心取距的倾斜力矩 M 为 iiiiii RFhPLGM 风离 391KN.m 3.2 静载系数的确定 一般用回转支承的静、动容量来决定回转支承的负
17、荷能力，动容量指回转支承回转 100 万转不会疲劳破坏出现裂纹的能力，而静容量指回转支承的滚动体与滚道接触处在静负荷的作用下的永久变形量之和到了滚动体直径的万分之一但不影响回转支承正常运转的能力。 挖掘机回转速度比较低，所以只需要计算其回转支承的静容量。这种回转支倾覆力矩M.m轴向力承的承载角 o45 ，其 静态参照载荷计算可以参照以下公式： Fa=（ Fa +2 Fr） Fs 258t 其中 Fa 轴向力 Fr 径向力 Fs 静载系数取 1.25 M=M Fs 79 104N m M 倾斜力矩 计算安全系数 : 轴向 E 额定静负荷容量为 :Coa=3000KN 当量轴向载荷 :Cp= r rHpGpDM c o s s in5.25.4 2296KN 所以 CpCoafs 1.31 查挖掘机设计手册知 ,安全系数在 1.201.35 之间符合设计要求 3.3 回转支承的选型 经过计算初步选择支承： QNA1600-40 内啮合式的 ,模数 m=12,齿数z=116, 内圈D =1600, 外圈D =1744， N 表示内齿式， 40 表示滚球直径， 1600 代表它的回转滚道中心直径为 1600mm。 JB2300-84 给出了所选 支承的承载曲线图，图中标出了（ Fa， M）坐标，并且在静态承载力曲线下面。所以，选择的支承型号符合要求。
