平地机耙土器的设计说明书.docx

第一章 平地机简介

1.1 平地机的用途和现状
随行我国现代化建设事业的迅速发展，交通运输所担负的任务日益繁重，要求兴建更多的现代化机场及铁路、公路，尤其是建设高等级公路。机场和高等级公路对路面的平整度有很高的要求，这种高精度的大面积平整作业，通常必须使用具有较高生产率和平整精度的平地机。因此，在土方施工作业中，平地机有着其它机械所不可替代的独特的作用。平地机的操纵系统主要包括作业操纵系统、转向操纵系统、制动操纵系统等。
作业操纵系统是用来控制各种工作装置运动的，主要是控制刮刀、耙土器、松土器、推土铲的运动。
现代平地机已发展到比较完善的地步，并向作业自动化方向发展。它的原始形式是一个牵引犁的变形，发动机的出现和应用到平地机上来是它自身迅速发展的关键，由牵引式平地机发展到今天的自行式平地机的水平，液压技术的应用已使较为笨重的机械式操纵的平地机趋于被淘汰，以至目前占绝对优势的是液压操纵的自行式平地机，这种平地机从传动方式来看又分为机械直接传动的和液力机械传动的自行式平地机，但较为流行的是后者。
现代的平地机的转向方式有：前轮转向；前轮和后轮两种转向方式共存的平地机。这两种转向方式是平地机的传统转向方式。但其转向半径仍很大，机动性受到限制。因此为了提高平地机的机动性，出现了前轮转向和折腰转向两种方式共存的平地机。这种措施除提高其机动性而外，还提高了它的作业能力，缩小了不易平整到的死角，而增大了作业范围。
由于现代科学技术的发展给铲土运输机械实现自动化作业提供了条件，美国海军工程试验室为平地机研制出了利用激光技术的自动化系统，它包括两个控制系统：铲刀的升降自动控制系统和铲刀的倾斜控制系统。目前国外平地机生产厂以美国卡特公司、瑞典ＶＯＬＯＶ公司、日本小松、以及德国0＆Ｋ公司生产的平地机最为著名，均代表了国际当代平地机最高水平。其主要技术有：铰接式机架、动力换档、后桥带自锁差速器、可调整操纵台，ＲＯＰＳ驾驶室、电子监控、自动调平、全轮驱动等技术，产品可靠性高。
    目前国内平地机生产厂家有十余家，其中主要厂家有7家，分别是中外建、徐工、常林、哈尔滨四海、黄工、三一、成工。平地机行业国内主导厂家优势较为突出，市场占有率基本上集中在这些厂家之间。国内平地机生产企业中，有相当一部分是兼业厂，但其技术实力不容忽视。而国外生产厂家的产品质量高、规格全、功能强，是我国平地机行业的目标。

1.2 平地机的发展趋势
随着高新技术的发展及在工程机械产品上的应用，以现代微电子技术为代表的高科技正越来越普遍地用来改造工程机械产品的传统结构。成熟技术的移植应用已大大促进了平地机综合技术水平的进一步提高。在满足新的技术要求前提下选择合理的价位，适应不同档次的用户需求是目前平地机的发展方面。中国市场与国外市场不同，国外发达国家的公路交通网络已形成，平地机的市场走势处于低谷，而中国平地机市场刚刚开始启动，另一方面中国是发展中国家，经济实力等远远落后于发达国家，多种因素决定了现阶段的中国市场对平地机不需要很高的技术含量和高的配置，只要具有同样的作业功能和较好的可靠性，具有性能价格比的优势，就会有高的市场份额。近年来，国外平地机之所以从中国市场逐步退出不是因为国外产品的技术水平不高，而是价位太高。进口机的价位约是国产同类机型的3倍以上。因此，国产平地机必须在保持或略高于原同类机型价位的基础上，尽量提高整机的可靠性和操作舒适性来适应中国的市场。
    从技术发展角度考虑，中国平地机的发展，依然要跟踪国际领先水平。展望迅速发展的中国市场，加入ＷＴ0后国内市场国际化的趋势日趋明显。参与国际交换和分工，充分利用国际先进的配套资源和科学技术，实现技术资源的优化配置，成为国内平地机制造业发展的必经之路。中国平地机技术发展的基本特征应是：高、中、低档产品并存。加快产品更新换代的同时，发展多种作业装置，实现一机多用。用微电子技术提升产品的技术水平，对平地机产品进行安全、节能、工作状态的智能化控制，进行故障自诊断和不解体检测，实现机电一体化。以及广泛使用新材料、新工艺，提高制造工艺水平，提高产品的可靠性和寿命，这是国产平地机的发展趋势。
今后将面向数字化装备也是平地机发展的方向，数字化设备具有数据采集、数据分析、检测诊断、信息储存、实时传送等功能，实现运行状态跟踪、作业质量监控、运行工况分析、故障检测诊断、信息采集传送，它为提高平地机运行效率和质量提供了先进的、可靠的技术支撑。

1.3 平地机的分类
按行走方式可分为自行式和拖式两类。自行式平地机因其机动灵活、生产率高而广泛采用；早期生产和使用的拖式平地机，由于机动性差、操纵费力，已被淘汰。
按工作装置和行走装置的操纵方式分为机械操纵和液压操纵两种。目前自行式平地机的工作装置基本上都采用液压操纵。
按铲土刮刀的长度和发动机的功率大小可分为轻型、中型和大型三种。
按行走车轮数可分为四轮和六轮两种。四轮平地机是前、后桥各两轮，用于轻型平地机；六轮平地机是前桥两轮、后桥四轮，用于大中型平地机。
按车架的形式可分为整体式车架和铰接式车架两种。整体式车架是前后车架为整体，这种车架刚性好，也称刚性机架，如中外发展公司的PYl60B型平地机。铰接式车架是将两者铰接，用液压缸控制其转动角，使平地机获得更小转弯半径和更好的作业适应性。海内外平地机厂家大多采用此种结构，如美国卡特公司G系列，德国O&K—FAUN公司的F系列，中外建发展公司的PYl60C型、PYl80型和PY200型，常林PY190A型，哈尔滨四海DRESSERS00系列等。
按车轮的转向方式可分为前轮转向、后轮转向和全轮转向。
按车轮驱动情况又可分为后轮驱动和全轮驱动。
平地机的车轮布置形式的表示方法是：车轮总轮数X驱动轮数X转向轮数，一般有：4X2X2、4X4X4、6X6X6、6X6X2、6X4X6、6X4X2等6种。国内外大多数平地机多采用6X4X2(铰接机架)。国产的PYl60B型平地机的车轮布置为6X4X6；PYl60C型、PYl80型平地机的车轮布置为6X4X2。

第二章 平地机耙土器的设计

2.1设计要求
基本参数参照三一PQ160CA型平地机：
外形尺寸
8515×2098×3265mm
结构重量
12800kg
轮距
2148m
离地间隙
395mm
耙土器最大松土深度
400mm
松土器最大提升高度
500mm
前后桥轴距
5915m
系统工作压力
16MPa

设计及计算的主要内容：
一、方案的分析和拟定
二、耙土器结构设计计算
1. 摇臂机构，伸缩杆，弯臂的设计计算
2. 耙子架，耙齿的设计计算
3. 装配图及零件图的设计和绘制
三、液压制动系统设计
1. 明确技术要求
2. 配置执行元件
3. 运动分析及动力分析
4. 液压系统主要参数计算
5. 编制液压执行元件工况图
6. 拟定液压系统图
7. 标准元件选择、专用元件设计（耙子收放油缸）
8. 验算液压系统技术性能
四、整体校核计算

2.2方案的分析与拟定
平地机的松土工作装置主要用于疏松比较坚硬的土壤，对于不能用刮刀直接切削的地面，可先用松土装置疏松，然后再用刮刀切削。松土工作装置按照工作负荷程度分为耙土器和松土器。本次我设计的任务是耙土器的设计，耙土器的负荷比较小，一般采用前置布置方式，即布置在刮刀和前轮之间。耙土器齿多而密，每个齿上的负荷比较小，适用于不太硬的土质，可用来疏松、破碎图块，也可用于清除杂草。
耙土器（如下图所示）通过两个弯臂3头部铰接在机架前部的两侧。耙齿7插入耙子架6内，用齿楔5楔紧。耙齿用高猛钢铸成，经淬火处理，有较强的强度和耐磨性，耙齿磨损后可往下调整，调量为6厘米。伸缩杆4可用来调整耙子的上下作业范围，摇臂机构2有三个臂：两侧的2个臂与伸缩杆铰接，中间的臂（位于机架正中）与油缸1铰接，油缸为单缸，作业时油缸推动摇臂机构2，通过伸缩杆4推动耙齿入土。这样，作业时的阻力通过弯臂和油缸就作用于机架弓形梁上，使弓形机架处于不利的受力状况，所以在这个位置一般不适宜设重负荷作业的松土器。

2.3耙土器的运动分析
根据耙土装置图可知，此耙土器的运动可以简化为一个四杆机构的运动，由设计要求耙土器的离地间隙为395mm、最大松土深度为400mm、最大提高升高度为500mm，加上机架离地高度为1600mm，可知耙齿的运动高度至少为900mm，因此可以画出此四杆机构简图（如图2）。其中A点表示摇臂机构与伸缩杆的铰接点，B点表示伸缩杆与弯臂的铰接点，C点表示弯臂与机架的铰接点，O点表示摇臂机构与安装在机架上的支座的铰接点。图中B点位置即为耙齿运动的最低点，也就是耙土器达到最大的松土深度400mm，B’点位置即为耙齿运动到最高点，也就是耙土器达到最大的提升高度500mm。而AA’之间的距离就是伸缩油缸伸缩杆所需要运动的距离。根据设计要求以及对此四杆机构的分析可以知道，摇臂机构的长度即OA的距离为350mm，伸缩杆的长度即AB的距离为1000mm，弯臂的长度即BC的距离为1100mm。根据这几个基本参数，可以进行对耙土器结构的设计计算。

第三章 液压制动系统设计

3.1 液压系统设计要求
自行式平地机依靠液压系统实现工作装置的各种动作，因此液压系统的性能直接影响到平地机的技术经济指标。对平地机的液压系统有如下下要求：
(1)液压系统的设计要结合总体性能要求，综合考虑各种因素的影响。例如铲刀油缸的参数、个数、布置，由铲刀升降载荷及铲刀升降速度确定，而且还需要考虑铲刀结构、推土速度、司机劳动强度等因素。
(2)工作可靠，回路简单。例如平地机载荷变化急骤，但要求液压系统能平稳可靠地工作，无冲击。当过载时，不发生故障及损坏机件。
(3)注意标准化、通用化、系列化。尽量采用标准液压元件，不仅可缩短生产周期、降低成本，而且工作可靠，配件方便。
(4)液压系统效率高。系统效率低不仅对能量是个浪费对整个液压系统危害也极大，所以系统匹配要合理(参数确定、基个回路的组合、元件与附件的选择以及管路布置等)。
(5)操作简便，维修容易。

3.2 液压系统设计内容
设计开始时，首先必须明确以下几个主要问题。
1）．弄清主机结构和总体布局。这不仅是合理确定液压元件工作范围的需要，也是合理确定和调整液压执行元件的安放位置及空间尺寸限制条件的需要。从结构简单、工作可靠、运动速度一般不受限制等力面来考虑，油缸有其优越仕，所以平地机执行元件多为油缸。
2）．明确平地机对液压系统的性能要求，如运动平稳性、动作精度、调速范围、系统温升、系统效率以及安全保护等。
3）．明确平地机的工作条件，如温度、湿度、污染等情况。随着平地机使用范围的扩大，使用环境更为复杂，使用条件愈加恶劣，所以要求平地机性能要好、质量要高。了解这些以便正确的选择液压元件和液压油。
4）．确定液压系统与其他传动系统和控制系统的分工配合、布置和相应的控制关系。
5）．了解、搜集同类型平地机的有关技术资料。除了要了解液压系统组成、工作原理、使用情况及存在问题外，还应对系统工作压力选用情况等进行调查统计，为下一步设计工作准备必要的资料。
在上述工作的基础上，对平地机进行工况分析即动力分析，它是设计液压系统的基本依据。
所谓动力分析就是研究平地机在工作过程中，它的执行机构的受力情况，对液压系统来说，也就是油缸的负载情况。

3.3油缸的设计
系统压力选定的是否合理，直接关系到整个系统设计的合理性。在设计一个新的液压系统时，最佳的工作压力应是在特定的条件下各项设计因素的较好结合。这些因素主要包括以下几个方面。
1）．经济和重量因素
在液压传动中，系统所传递的功率是压力和流量两个参数的乘积，这就说明这两个参数是紧密相关的。如果系统功率一定，系统压力选得低，则元件尺寸大，造成主机体积变大，自重增加，是不经济的。若选取较高压力，则元件尺寸减小，主机结构紧凑，重量减轻，较经况。但继续提高系统压力，也会出现相反情况，相应元件强度要增加，材质要提高，制造精度也要提高，经济效果变差。
重量与尺寸在固定式机械中，不是最主要的因素。但在自行式的工程机械中，尺寸和重量就成为一个较突出的设计因素。
2）．其他因素
(1)提高系统工作压力，将对密封装置、元件和辅件的加工精度提出更高的要求。
(2)提高系统压力，会降低液压元件的容积效率，导致系统发热增加。
(3)系统压力的提高，会使元件、辅件寿命降对于平地机液压系统来说，系统压力一般为13—18MPa，属于中压。但大型平地机也有向高压发展的趋势。要满足平地机的作业要求，在整机匹配上，工作装置油泵消耗的功率，一般占总功率的30%-40%，所以大型平地机的系统压力采用高压级范围20MPa。
但是此次设计只是设计平地机的耙土器，其压力不是很大。根据课题要求以及查阅相关资料可以确定耙子收放油缸的输出压力为6.3Mpa。
按照结构的不同，液压缸可以分为活塞缸、柱塞缸、组合缸和摆动缸四类。活塞缸又可分为单杆和双杆。单杆活塞缸的特点是：仅在液压缸的一腔中有活塞杆，缸两腔的有效面积不相等，因此，当压力油以相同的压力和流量分别进入缸的两腔时，活塞在两个方面的推力，运动速度都不相等。
双活塞杆活塞缸的两腔具有相等的有效面积，因此，当工作压力和输入流量相等时，缸在两个方向上的输出力和运动速度是相等的。
双活塞缸又分为实心双活塞缸和空心双活塞缸两种，一般，实心双活塞缸的进出油口设置在缸体上，用于缸体固定安装方式，占地面积较大，空心双杆活塞缸的进出油口设置在活塞杆上，用于活塞杆固定安装方式，占地面积较小。
柱塞缸的内壁要求精加工，当缸筒较长时，加工有一定的困难，柱塞缸的内壁和柱塞没有接触，缸筒内壁可以不加工或只作粗加工，只要精加工柱塞和导向套就可以了，柱塞缸结构简单，制造容易，常用于行程较长的场合。
柱塞缸只能做单向运动，它的回程需要借助自重（垂直放置）或其他外力（如弹簧）来完成，也可以采用反向布置的两个柱塞缸，来实现双向运动控制。
表1液压缸的分类
类别
名称
简化符号
说明

单作用

活塞式

仅能实现单向输出，反向靠外力或弹簧力复位

柱塞式

同上，但一般行程较活塞式大

双作用

单杆活塞式

实现双向运动，差动联接可实现快速

双活塞杆式

实现双向速度一致的运动

根据课题，可知耙子收放油缸只是做简单的直线往复运动，故采用单活塞杆式液压缸。
液压缸安装在机架上，根据对四杆机构的运动分析可以知道，摇臂机构在机架上绕着轴心运动，固对液压缸的安装采用耳环型，如下图所示：

这种安装方式的特点是：可在垂直面内摆动，但销轴受力较大。

3.4液压缸的设计计算
设计液压缸的基本原始资料是液压缸的负载值、负载运动速度、行程值、液压缸的结构外形及安装要求等。液压缸的设计计算主要是确定液压缸的结构尺寸，确定液压缸的使用压力和流量，并对液压缸的零部件进行强度校核和性能验算等。P=6.3Mpa ，S=305mm.
查阅《液压元件手册》表2-3-2可知，其负载为50KN。
根据需要求液压缸的理论输出力F和系统选用的供油压力P=6.3Mpa来计算缸筒内径D，计算公式如下：

式中F—液压缸的理论输出力（N）；
P—供油压力（MPa）。
液压缸的理论输出力F，可按下式确定

式中F0—活塞杆的实际作用力，可以取估算负载值的最大值；
—负载率，一般取0.5—0.7；
—液压缸的总效率。
由以上公式计算D值为124mm。
查《液压元件手册》表2-1-4.取D=125mm。
活塞杆直径的计算，可按《液压元件手册》表5-2，d=（0.6—0.7）D=75—87.5mm。查《液压元件手册》表2-1-5，将d圆整为80mm。

3.5材料的选择
缸筒材料一般要有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒，还要求有良好的焊接性能。根据液压缸的参数、用途和毛坯的来源，可选用碳素钢、合金结构钢、铸钢、铸铁、不锈钢、铝合金、青铜。在此选择35钢，粗加工后给调质处理，缸筒毛坯，普通采用冷拔或热轧无缝缸筒。此外，壁厚较大的毛坯可用铸件和锻件。缸筒与缸盖的联接形式采用外半环联接。材料选择如下，
缸体：材料因为焊接故采用45号钢，技术要求为
① 内径采用H8配合，粗糙度0.8～0.2；
② 内径圆度，圆柱度不大于直径公差一半；
③ 为防止腐蚀和提高寿命，内表面度鉻，厚度为30～40mm
缸盖：材料选用45号钢，技术要求为
① 缸体和活塞杆缓冲密封圈的外径的圆度及圆柱度误差不大于直径公差的一半，同度不大于0.03㎜
端面对直线的垂直度误差在直径上不大于0.04㎜；
导向孔的表面粗糙度为Ra0.63～1.6mm
活塞：材料为45号钢，技术要求：
①外径对孔径距不大于外径一半；
②）活塞两端面对活塞直线的垂直度误差在直径上不大于0.04㎜，外径的圆度误差及圆柱度误差不大于活塞外径公差的一半
活塞杆：材料为45号钢，实心杆，技术要求：
①粗加工后热处理，调制硬度为HB229.285；
②工作表面直线度在500㎜以上不大于0.03㎜；
③工作表面粗糙度不大于Ra0.63mm
④活塞杆上螺纹精度为6级
中隔圈：材料为球墨铸铁QT600.3，技术要求：
①导向套内径的配合为H8/f7；
②其表面粗糙度为Ra0.63～1.6mm

3.6液压原理图的设计
根据此课题设计要求可以设计液压原理图如下所示，主要实现耙子的上下运动。

耙土器液压原理图
图中 1——油缸；2——液压泵；3——滤油器；4——单向阀；5——耙土器选择阀；6——先导阀；7——换向阀；8——收放油缸；9——过载阀。
当5处于左位时，耙土器向下运动，当5处于中位时，耙土器保持不动，当5处于右位时，耙土器向上运动。
第四章 总结