液压挖掘机关键部件的优化设计-设计论文.doc

毕业设计（论文）

课 题：液压挖掘机关键部件的优化设计
专 业： 机械设计制造及其自动化
班 级： 12城建机械1班
学生姓名： 黄将
学 号： 12210900145
教 师： 张正彬
填表日期： 2016年3月15号

目录

摘要
液压挖掘机是一种应用广泛的多功能的建设施工机械，作为工程机械的主力机种。由于液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量以及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐，其生产制造业也日益蓬勃发展。
液压挖掘机主要有发动机、液压系统、工作装置、回转装置、行走装置和电器控制等部分组成。
挖掘机的主要工作就是土壤的挖掘，工作装置是直接完成挖掘任务的装置，许多挖掘机发达的国家广泛采用新技术、新方法来不断的提高液压挖掘机的作业性能和生产率。通过通用性及专业的挖掘机工作装置的设计方法，进行工作装置的全面计算机通用性设计研究对推动国内挖掘机发展具有十分重要的意义。
关键词：履带式液压挖掘机 ；工作装置；行走装置
Abstract
Hydraulic excavator is a kind of multifunction machine used widely in construction field. It is a primary kind of machine. Because of its multifunction, high quality and efficiency and various kinds, many company like to use it. Its manufacture is developing day by day.

Hydraulic excavator consist of engine, hydraulic system, working equipment, rotator, walking equipment and various electric control part, Two main parts-working equipment and hydraulic system’s designing make up of this article.
The main task of hydraulic excavator is to dig soil. Working equipment is the first equipment to finish digging task. Many countries with developed technology on hydraulic excavator use new technology and new methods widely to improve its capability and productivity. Using universal and professional excavator’s working equipment’s deign methods, having a study of universal design with computer is very important to the development of domestic excavator.
Key words: Crawler hydraulic excavator; Attachments；Running gear

前言
改革开放以来，我国的科学技术、信息技术迅猛发展，各行各业都发生了翻天覆地的变化，工程机械行业同样得到了相应的快速发展。各行各业都在奋力拼搏、大胆创新，使得工程机械品种不断增加、产量不断提高、性能不断完善，发展势头强劲。
液压挖掘机是工程机械的一个重要品种，是一种广泛用于建筑、铁路、公路、水利、采矿等建设工程的土方机械。它的发展与应用反映了一个国家施工机械化的水平。
液压挖掘机由发动机、液压系统、回转机构、工作装置、底盘五部分组成。发动机的作用是提供动力；液压系统功能是把发动机机械能以油液为介质，利用油泵转变为液压能传送给油缸、马达等，再传动各个执行机构，实现各种运动；回转机构是实现转台的回转；工作装置的作用是进行作业；底盘的作用是承重、传力并保证满足对车速、牵引力和行驶方向的要求。底盘是组成整体的主要部分，行走机构的性能优劣直接影响整机的使用性能、经济性能，因此着力研究液压挖掘机的底盘具有十分重要的意义。

第一章 绪论
1.1. 液压挖掘机在现代化建设中的作用
液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的。它的工作过程是以铲斗的切割刃切削土壤，铲斗装满后提升、回转至卸土位置，卸空后的铲斗再回到挖掘位置并开始下一次的作业。因此，液压挖掘机是一种周期作业的土方机械。
液压挖掘机与机械传动挖掘机一样，在工业与民用建筑、交通运输、水利施工、露天采矿及现代化军事工程中都有着广泛的应用，是各种土石方施工中不可缺少的一种重要机械设备。
在建筑工程中，可用来挖掘基坑、排水沟，拆除旧有建筑物，平整场地等。更换工作装置后，可进行装卸、安装、打桩和拔除树根等作业。在水利中，可用来开挖水库、运河、水电站堤坝的基坑、排水或灌溉的沟渠，疏浚和挖深原有河道等。在铁路、公路建设中，用来挖掘土方、建筑路基、平整地面和开挖路旁排水沟。在石油、电力、通信业的基础建设及市政建设中，用来挖掘电缆沟和管道沟等。在露天采矿场上，可用来剥离表土、采掘矿石或煤，也可用来进行堆弃、装载和钻孔等作业。在军事工程中，可用来筑路、挖壕沟和掩体、建造各种军事建筑物。
所以，液压挖掘机作为工程机械的一个重要品种，对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，都起着很大的作用。据建筑施工部门统计，一台容量为1.0m3的液压挖掘机挖掘Ⅰ-Ⅳ级土壤时。每班生产率大约相当于 300-400和工人一天的工作量。因此，大力发展液压挖掘机，对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展具有重要意义。
1.2. 液压挖掘机的基本类型
液压挖掘机的种类繁多，可以从不同角度对其来写进行划分。
（1）根据液压挖掘机主要机构传动来写划分
根据液压挖掘机主要机构是否全部采用液压传动，分为全液压传动和非全液压（或称半液压）传动两种。如图1.1 和图1.2 所示为某小型和中型液压挖掘机。若挖掘、回转、行走等几个主要机构的动作均为液压传动，则称为全液压挖掘机。若液压挖掘机中的某一个机构采用机械传动则称其为非液压挖掘机。一般来说，这种区别主要表现在行走机构上，对液压挖掘机来说，工作装置及回转机构必须是液压传动，只有行走机构有的为液压传动，有的为机械传动。

图 1.1 小型全液压挖掘机 图 1.2 中型全液压挖掘机

（2）根据行走机构的类型划分
根据行走机构的不同，液压挖掘机可分为履带式、轮胎式。
履带式液压挖掘机应用最广，在任何路面行走均有良好的通过性，对土壤有足够的附着力，接地比压小，作业时不需设支腿，适用范围较大。在土质松软或沼泽地带作业的液压挖掘机，还可以通过加宽和履带来降低接地比压。为防止对路面的碾压破坏。有些液压挖掘机还采用了橡胶履带。通常，履带行走的液压挖掘机多为全液压传动。
轮胎式液压挖掘机具有行走速度快机动性好，可在多种路面上行走的特点。近年来，轮胎式挖掘机的生产量日益增长。
1.3 国内研究情况及发展动态
1.3.1 国内挖掘机现状
早在1954年我国就已开始生产机械式挖掘机,当时的抚顺重型机器厂(抚顺挖掘机厂前身)引进前苏联的机械式挖掘机W10012和
W5012等国际20世纪30－40年代的产品。由于国家H经济H建设的需要,后又H发展H10余家厂生产,到1966年12年全国共生产了机械式挖掘机3000余台,后又延续生产到八十年代初。在80年代初引进德国系列液压挖掘机制造技术（例如有德国Liebherr公司、Demag公司和O&P公司），浙江大学的冯培恩教授开始率先着手研究挖掘机机电一体化技术，首先实现挖掘机器人作业过程的分级规划和局部自主控制。但是他们在任务规划层面上只停留在仿真阶段，还没有提出显著的实现方案。
20世纪90年代初国内几家新进入挖掘机待业的企业以“技贸结合，合作生产”的方式联合引进日本小松制作所的PC系列挖掘机制造技术，由于 中国建设事业的发展，市场的扩大，随后不久在挖掘机生产领域出现了一个外资企业进入中国的浪潮。从1994、1995年开始，世界各工业发达国家的著名挖掘机制造企业先后在中国建立众多的中外合资或外商独资 挖掘机制造企业，生产世界一流水平的多种型号的挖掘机产品。截止至2001年年底，包括国有企业在内，中国境内生产液压挖掘机的企业总数达20个左右，共生产挖掘机整机质量从1.3-45t，100余个不同型号和规格的产品。2000年全国生产各种型号、规格的液压挖掘机8111台，共销售7926台，其中包括出口119台。2001年全生产12569台，销售12397台，其中包括出口468台。
2.2.2 国内挖掘机的发展趋势
面对目前这种发展状况，国产挖掘机如何才能走出夹缝中求生存的困境？国产挖掘机究竟路在何方？业内人士认为，现在国内挖掘机生，针对国产挖掘机机能质量，液压挖掘机企业集团，以确保国产挖掘机拥有优良的质量和性，从而打开国产挖掘机的市场，进而促进国产挖掘机的大批量生产，1.国内挖掘机生产要不断研究市场需求、开发新品和变型产品，因此小型挖掘机的需求，2.挖掘机生产企业既要树立为用户服务的思想，切实满足挖掘机用户的施工需求，这就要求挖掘机业，又要成为挖掘机用户的好参困境？国产挖掘机究竟路在何方？业内人士认为，现在国内挖掘机生产企业真正缺乏的不是钱，面是技术以及为谋求技术进步所需要的耐心和决心。针对国产挖掘机机能质量，作业效率与可靠性均低的现状，国内企业首先需要从组织结构调整入手，在国内联合组建新一代国产液压挖掘机企业集团，建立强有力的技术研发中心，从日本、德国等国家引进必要的先进软硬件，以确保国产挖掘机拥有优良的质量和性能，从而打开国产挖掘机的市场，进而促进国产挖掘机的大批量生产。在此基础上，还要考虑以下两点：1.国内挖掘机生产要不断研究市场需求、开发新品和变型产品，以适应市场需要。前几年大量投入使用的高速公路等基础设施，越来越多地进入维修保养期，城市建设也从“大拆大建”逐渐向“精雕细刻”转变，小型化的土方工程施工越来越多，因此小型挖掘机的需求量增加较快。关注国内市场的同时，生产商还应该加大国际市场力度。2.挖掘机生产企业既要树立为用户服务的思想，也要具备相应的能力和条件，不断学习国外的先进管理理念和手段，提升自身的服务水平和竞争能力，切实满足挖掘机用户的施工需求。这就要求挖掘机业务人员既精通业务知识，又要成为挖掘机用户的好参谋；挖掘机服务人员不仅要为用户服务好，同时还要协助客户（尤其是那些缺乏经验的客户）做好设备管理、现场调度、安全检查等工作；挖掘机出现故障要在最短的时间内修复??从而实现挖掘机企业与用户在利益上的双赢。国内挖掘机生产商要不断研究市场需求、开发新品和变型产品。开发新一代液压挖掘机的变型产品（如焊接车、高原型等），针对市场和用户的个性化要求，及时开发出国内外用户所需要的各种机型和专用工作机具，扩大产品品种和数量，涉足一直靠国外进口的大型液压挖掘机的市场，培育和培植市场增长点。与此同时，和产商还树立用户服务意识和品牌意识，提高服务质量，争取企业与用户双赢。只有这样，挖掘机生产企业才有可能把已经失去的市场份额逐渐夺回来。

1.4.本设计的目的和意义
液压挖掘机在工业与民用建筑、道路建设、农田水力、油田矿山、市政工程、机场港口等部门土石方施工中，占有重要位置。并反映了这些部门施工机械化水平。该课题结合机械设计专业的教学内容和国内外液压挖掘机的应用与发展。对履带式液压挖掘机底盘作较深入的分析研究。根据设计依据及要求，完成挖掘机行走机构中关键部件的优化设计，进一步掌握挖掘机的设计方法和步骤。通过毕业设计，使我们进一步巩固、加深对所学的基础理论、基本技能和专业知识的掌握，使之系统化、综合化；培养我们独立思考、独立工作和综合运用已学知识分析与解决实际问题的能力，尤其注重培养我们独立获取新知识的能力；培养我们在方案设计、设计计算、工程绘图、文字表达、文献查阅、计算机应用及工具书使用等方面的基本工作实践能力；使我们树立具有符合国情和生产实际的正确设计思想和观点，树立严谨、负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、勇于创新、善于与他人合作的工作作风。

第二章 总体方案设计
1.
2.
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；Ⅰ-工作室；Ⅱ-上部转台；Ⅲ-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
（1）牵引力大（通常每条履带的牵引力达机重的 35-40%），接地比小(一般为4-15N/cm2),转弯半径小，机动灵活；
（2）采用液压传动，能实现无极调速；
（3）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
1）机重 18t
（2）标准斗容量 0.7m3
（3）最大行走速度 3-5Km/h
（4）发动机功率 80-100Kw
（5）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：
（1）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；
（2）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；
（3）要降低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；
（4）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；
（5）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；
（6）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. 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三种类型：机械传动、液力机械传动、液压传动。每种传动方式各有其特点、用途和适用的范围。
2.4.1. 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。工程机械中使用机械传动系统由来已久。机械传动具有结构简单、制造容易、工作可靠、重量轻、操作简单、维护方便、价格低廉、传动效率高、可以利用传动系统运动零件的惯性进行作业等优点，同时，湿式离合器的普遍采用及发动机特性的改善（提高适应性系数）在某种程度上改进了机械传动的某些缺点，因此，采用机械传动的工程机械仍然占有相当的比例。但近年来在一些作业或行驶时阻力变化很大的机械中，日益广泛地采用了液力机械传动或者其他传动方式。
2.4.2. 液力机械传动
在上述机械传动系统中串联或并联加入液力变矩器（或液力偶合器）后，使发动机输出的动力通过液力变矩器（或液力偶合器）及机械传动部件传到驱动轮，这个系统称为液力机械传动系统。它具有的 主要优点是：
（1）使工程机械具有自动适应载荷变化的特性；
（2）简化了机械的操纵；
（3）提高了机械的使用寿命；
（4）提高了机械的起步性能和通过性能；
（5）提高了机械的舒适性；
（6）简化了维修工作。
这种传动方式能使机器随作业阻力的变化，自动调整牵引力和速度，显著改善牵引性能，提高了发动机功率，改善发动机的工况，提高作业效率，并能防止发动机过载，操纵也较为方便，所以在工程机械中应用较为广泛。同时液力机械传动也存在一些的缺点：传动效率低，一般变矩器的最高效率只能达到 0.82-0.92，在行驶阻力变化小而连续作业时，由于效率低而增加了燃油消耗量。液力机械传动系统需要设置供油系统，其液力元件加工精度要求高、价格贵，工作油容易泄漏，这使其结构复杂化，同时增加了运行成本。但因为液力机械传动的优点突出，所以目前在工程机械中有着广泛的应用。
轮式机械广泛采用了液力机械传动。但在近年新型挖掘机中应用较少。
2.4.3. 液压传动
采用发动机驱动随机的油泵站，再由液压马达驱动行走机构。该传动方式取消了主离合器、变速箱、后桥等传动部件，使工作装置的操纵和整机驱动方式统一，可减轻机重、结构紧凑、总体布置简单，原地转向性能好，可实现牵引力和速度的无极调整，大大提高了牵引性能。与其它传动方式相比，液压传动具有其独特的优越性。
液压传动的主要优点：
（1）体积小、重量轻，例如同功率液压马达的重量只有电动机的10％-20%。因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击；
（2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速，且调速范围最大可达1：2000(一般为1:100）；
（3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换；
（4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制；
（5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用长；
（6）操纵控制简便，自动化程度高；
（7）容易实现过载保护；
（8)液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计制造和使用。
经过以上分析比较，随着液压技术的不断发展完善，液压传动的应用日益广泛。鉴于本机械产品的实际要求，在充分考虑其实现可行性和经济性的基础上本产品设计中采用液压传动系统。
2.5. 行走方式的比较与选择
挖掘机根据不同的行走系可分为轮胎式、履带式等。相对履带式而言，轮胎式行走装置在挖掘机中用得不多，但已成为工程机械的发展趋势之一。主要优点是：具有运行速度高，运行性能好，机动性能好，利于减轻机器重量，工作点转移方便、迅速、作业辅助工作时间段、生产效率高及本身效率高等优点。但轮胎式挖掘机对路面要求高，由于履带式挖掘机的附着力大，能达到轮胎式的1.5倍，通过性好，接地比压小，适宜在松软地段和湿地作业，抗磨损性能好，可在碎石地段、地形起伏较大的恶劣条件下作业，爬地能力强，宜在山区作业。
履带式行走系比之轮胎式有以下特点：
（1）履带式挖掘机的驱动轮只卷绕履带而不在地面滚动，机器全重经支重轮压在多片履带板上，全部重量都是附着重量（这相当于全轮驱动的轮式机器），加上履带支承面上同时抓地的履齿较轮式机器同时抓地的胎面花纹多得多，所以履带式机器的牵引附着性能要好得多。
（2）与同马力的轮胎式机器相比，由于履带支承面大，接地比压小（一般小于0.1MPa），所以在松软土壤上的下陷深度小，因而滚动阻力小，有利于发挥较大的牵引力。
（3）履带销子，销套等运动副使用中要磨损，要有张紧装置调节履带张紧度，它兼起一定的缓冲作用。导向轮既是张紧装置的一个组成部分，也是引导履带正确卷绕。但不能偏转，不能引导机器转向。
（4）履带式行走系重量大，运动惯性大，缓冲减振作用小。结构中最好有某些弹性元件。
（5）履带式行走系结构复杂，金属消耗多，磨损严重，维修量大，运行速度受限制。
履带式行走装置是液压挖掘机用得最多的一种装置。履带行走装置的主要优点:具有较大的牵引力和较低的接地比压（40 -150KPa）；稳定性好；具有良好的越野性和爬坡能力（坡度达50%-100%）；转弯半径小、机动灵活。但履带式行走装置的运行速度较低，一般在0.5-6km/h的范围内。现代中小型液压挖掘机多采用双速行走马达，行走速度可在0-3.5Km/h 和0-5.5Km/h之间切换。目前，液压挖掘机的履带行走装置，除特殊用途外，均由专用底盘向通用底盘发展，不同厂家的底盘结构形式有趋同化的趋势。
综上比较，考虑到挖掘机一般在野外作业，工作载荷变化大，作业环境恶劣，技术保养条件差；而履带式行走装置又是液压挖掘机用得最多的一种装置。因此本设计采用了履带式行走装置。
经过上述总体方案的选型设计，最终确定行走装置的动力路线为：柴油机—液压泵—控制阀—液压马达—制动器—减速器—驱动轮—履带