挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計方案

1 1 挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計方案 1. 緒論 縱觀國內(nèi)外工程機械上下幾百年的發(fā)展歷程，展現(xiàn)的是不朽的經(jīng)典，孕育的是深厚的文化，淘出的是世界的經(jīng)濟。隨著全球經(jīng)濟的不斷發(fā)展，越來越多的工程項目的出現(xiàn)，新的世紀，新的勞動工具的再次轉(zhuǎn)型與升級。低碳環(huán)保、節(jié)能環(huán)保的觀念已經(jīng)深入人心，為了更好的實現(xiàn)中國的偉大復(fù)興，為了更好的與世界工程、工業(yè)接軌，工程機械的再次升級是目前的首要任務(wù)。這是一個艱難漫長的過程，更是一個自主創(chuàng)新的過程，是一個難得的機遇與挑戰(zhàn)。 面對著我國現(xiàn)有工程機械的發(fā)展概況，經(jīng)營模式以及管理制度，我們急 切的呼吁設(shè)計就是在現(xiàn)有的 回轉(zhuǎn)電機為回轉(zhuǎn)動力源的新型混合動力液壓挖掘機便應(yīng)運而生了。根據(jù)參照、借鑒、學(xué)習(xí)但不抄襲的原則，該混合動力新型液壓挖掘機通過混合動力綜合控制器控制以及相應(yīng)的儲能裝置進行能量的存儲和釋放，達到機電一體化智能控制方便、快捷、穩(wěn)定的效果和能量的實時回收與再利用。 內(nèi)外挖掘機的發(fā)展概況 內(nèi)挖掘機的發(fā)展概況 我國從第一臺挖掘機的誕生到今天已有近 60 年的發(fā)展歷史，大體上可以分成以下三個階段 : (1) 測繪仿制階段 (1967 1977 年 ) 這個階段是最基本的階段，是不成熟的階段。盡管如此，敢于探索進取的祖輩們通過多年堅持不懈的努力奮斗，最終研究出了多款成功產(chǎn)品，將我國挖掘機事業(yè)繼續(xù)向前推進著。 表 1 開發(fā)成功的主要產(chǎn)品 如表 1 所示，它們的出現(xiàn)代表著我國液壓挖掘機行業(yè)逐漸由開始的初步形成到進一步發(fā)展壯大的發(fā)展歷程。 機械廠 廠名稱 上海建筑機械廠 貴陽礦山機器廠 合肥礦山機器廠 長江挖掘機械廠 杭州重型機械廠 挖掘機型號 42 2 (2)技術(shù)研發(fā) 革新階段 (1978 1986 年 ) 技術(shù)的革新才能最終引領(lǐng)時代的風(fēng)騷。各個機械廠家均掀起了一場技術(shù)革新的革命。他們大力引進世界著名挖掘機品牌，學(xué)習(xí)其核心技術(shù)，不斷的為自己充電，使其在殘酷的挖掘機競爭行業(yè)中終有一席立足之地。 表 2 各機械廠引進情況 機械 廠名 長江挖 掘機廠 貴陽礦山 機器廠 合肥礦山 機器廠 上海建筑 機械廠 杭州重型 機械廠 北京建筑 機械廠 引進國家 德國 德國 德國 德國 德國 德國 引進公司 利勃海爾 利勃海爾 利勃海爾 利勃海爾 德瑪克 奧加凱 引進 型號 982 912 962 922 3) 聯(lián)合外資持續(xù)發(fā)展階段 (1987至今 ) 由于國內(nèi)對挖掘機的需求量的不斷提高 ,供需矛盾日益擴大 ,國外各著名挖掘機制造廠商看好中國市場 ,紛紛前來創(chuàng)辦合資企業(yè) 1。 國內(nèi)挖掘機品牌在經(jīng)歷了外資企業(yè)的洗禮下，經(jīng)過了幾十年的不斷拼搏、奮斗，才能由最初的全軍覆沒到今天的穩(wěn)定發(fā)展。它們現(xiàn)在不僅占據(jù)著整個國內(nèi)大部分市場，更是傲視國際市場，近似瘋狂地展開國際并購措施來拓寬自己的產(chǎn)業(yè)鏈，增強自身的競爭實力，實現(xiàn)開拓 新市場的需要（見圖 1）。 圖 1 近 3年中國挖掘機市場銷量變化情況 外挖掘機的發(fā)展概況 第一臺手動挖掘機問世至今已有 130 多年的歷史，期間經(jīng)歷了由蒸汽驅(qū)動斗回轉(zhuǎn)挖掘機到電力驅(qū)動和內(nèi)燃機驅(qū)動回轉(zhuǎn)挖掘機、應(yīng)用機電液一體化技術(shù)的全自動液壓挖掘機的逐步發(fā)展過程 2。從 20世紀后期開始 ,國際上挖掘機的生產(chǎn)向大型化、微型化、多功能化、專用化和自動化的方向發(fā)展 3。 盡管近幾年來，整個國際工程機械行業(yè)狀況不容樂觀，但是國外的許多著名挖掘機品牌商紛紛采取有力措施，迅速改變運營模式，管理制度，及時 調(diào)整銷售對象，靜中求變，變中求穩(wěn)，力求將損失降低到最低限度。 3 3 設(shè)計所研究的主要內(nèi)容 本次所設(shè)計的挖掘機為小松 本依據(jù)為現(xiàn)有的小松 此基礎(chǔ)上將動力更換為混合動力，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)部分等效替換為一回轉(zhuǎn)電機驅(qū)動的機電控制系統(tǒng)。主要設(shè)計內(nèi)容為整個挖掘機的設(shè)計及回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計，主要包括整機部分整機參數(shù)的確定、動臂結(jié)構(gòu)型式的確定，行走裝置結(jié)構(gòu)型式的確定，傳動型式的確定，以及回轉(zhuǎn)系統(tǒng)部分回轉(zhuǎn)電機的選擇，回轉(zhuǎn)支撐類型的選擇，回轉(zhuǎn)減速機 的設(shè)計等等。 面性是整個設(shè)計任務(wù)順利完成的保證；回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣對其它機構(gòu)部件設(shè)計的質(zhì)量起著決定性的作用。 設(shè)計的技術(shù)難點及相應(yīng)的措施 對于小松 型反鏟液壓挖掘機的整體設(shè)計，基本上沒有多大的技術(shù)難點，仍然是柴油發(fā)動機為主要的動力源，只在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)部分將原有的液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)等效替換為相應(yīng)的電機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，因而此混合動力液壓挖掘機的得名由此而來。 本設(shè)計的主要的技術(shù)難點是回轉(zhuǎn)系統(tǒng)部分?；剞D(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計涉及領(lǐng)域廣，標準規(guī)范較多。參照近些年的國內(nèi)國外的各項關(guān)于 混合動力液壓挖掘機的報告、會議論文、專利及專題論文，結(jié)合現(xiàn)代節(jié)能環(huán)保的設(shè)計理念，將回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計上升到了一個前所未有的高度?；剞D(zhuǎn)系統(tǒng)總體主要包括回轉(zhuǎn)電機的選擇，回轉(zhuǎn)支撐類型的選擇，回轉(zhuǎn)減速機的設(shè)計。其中回轉(zhuǎn)減速機的設(shè)計是本設(shè)計的技術(shù)最大難點。由于回轉(zhuǎn)電機為等效替代原有的回轉(zhuǎn)液壓馬達，因而回轉(zhuǎn)電機的選取只要依據(jù)原有的回轉(zhuǎn)液壓馬達即可?；剞D(zhuǎn)減速機的設(shè)計需要綜合考慮回轉(zhuǎn)電機的選型及回轉(zhuǎn)支撐的選型，在此二者的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體的傳動比關(guān)系，最終確定為 星減速機具有結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比大，傳遞扭矩大 的特點。再次根據(jù)現(xiàn)有的機械設(shè)計相關(guān)設(shè)計手冊選取行星齒輪各設(shè)計參數(shù)，結(jié)合鑄造相關(guān)工藝特點設(shè)計減速機外殼。 本設(shè)計所采用的主要設(shè)計手段是數(shù)值計算、計算機繪圖（主要繪圖軟件為 設(shè)計方法主要包括數(shù)值計算、計算機繪圖（主要繪圖軟件為 。首先對 型反鏟液壓挖掘機的整機設(shè)計所要達到的技術(shù)目標進行綜合分析和設(shè)計，再對整機中具有決定性作用的零部件之一回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行正確的、全面的分析和設(shè)計。在整個設(shè)計過程中，一旦發(fā)現(xiàn)技術(shù)瓶頸和急需要解決 的問題，首先應(yīng)該自己認真的查找相關(guān)資料，在大量收集資料的基礎(chǔ)上加深對此技術(shù)難點的理解，努力爭取解決。同時，每周都有兩次的老師指導(dǎo)，將已經(jīng)或?qū)⒁霈F(xiàn)的技術(shù)難點、急需解決的問題趁著這些機會向指導(dǎo)老師請教，而后再經(jīng)過自己的多方思考、考察和整理，最終真正理解其難點的實質(zhì)性問題所在，從而找到相應(yīng)的解決問題的方法，最終解決問題并驗證相應(yīng)結(jié)論的正確性。 4 4 2. 掘機結(jié)構(gòu)功能分析 掘機總功能的確定 挖掘機是一種多功能機械，被廣泛應(yīng)用于水利工程，交通運輸，電力工程和礦山采掘等機械施工 中，它在減輕繁重的體力勞動，保證工程質(zhì)量，加快建設(shè)速度以及提高勞動生產(chǎn)率方面起著十分重要的作用 4。 表 2 掘機的設(shè)計要求 1 功能 基本功能：挖掘土方。 2 工況 適應(yīng)性 鏟斗挖掘工況 : 由鏟斗液壓缸單獨動作進行挖掘的工況 斗桿挖掘工況 : 由斗桿液壓缸單獨動作進行挖掘的工況 聯(lián)合挖掘工況 : 由鏟斗、斗桿液壓缸復(fù)合動作進行挖掘的工況 環(huán)境：攝氏 相對濕度， 40%H，大氣壓力： 70 性能 行走速度： h 回轉(zhuǎn)速度： 工作重量： 33 結(jié)構(gòu)尺寸： 長 11140 寬 3190 高 3280 生產(chǎn)能力 生產(chǎn)率：理論的、額定的、實際的 5 可靠性 可靠度、維修度和有效度 6 使用壽命 正常作業(yè)的情況下，其使用年限不低于 8年 7 經(jīng)濟成本 材料費用、設(shè)計費用、制造加工費用、管理費用 8 人機工程 造型美觀，操作方便，座椅舒適 9 安全 保證人身、設(shè)備安全：具有安全保護、自動檢測設(shè)備狀態(tài)裝置 10 包裝運輸 產(chǎn)品運輸、移動方便 11 環(huán)保指標 工作時盡量少產(chǎn)生煙霧、異味、污染 掘機 需開挖的土方 控制指令 潤滑劑 灰塵 土方堆 驅(qū)動能、制動能 指令顯示 圖 2 掘機的黑箱圖 信號能 耗損的潤滑油 溫度 濕度 震動 噪音 濕熱 振動 熱量 5 5 掘機的功能分解圖 掘機的功能結(jié)構(gòu)圖 挖 掘 機 完 成 土 石 方 開 挖 工 作 動力裝置 傳動功能 動力機 實現(xiàn)運動運輸 動力設(shè)備 減速機 傳動功能 傳動齒輪 能量轉(zhuǎn)換 回轉(zhuǎn)驅(qū)動 回轉(zhuǎn)功能 回轉(zhuǎn)機構(gòu) 轉(zhuǎn)臺 回轉(zhuǎn)接頭 行走功能 停車、制動 制動功能 前進、后退及變向 回轉(zhuǎn)支承 圖 3 挖掘機的功能分解圖 減速機 實現(xiàn)驅(qū)動 執(zhí)行功能 工作裝置 開挖工具 容納土方 滿斗回轉(zhuǎn) 卸載土方 回位 動力供應(yīng) 控制功能 儀表顯示 方向 角度 速度 潤滑 信息顯示 油潤滑 脂潤滑 輔助功能 潤滑系統(tǒng) 信息反饋 配重平衡 夜間照明 6 6 掘機的原理解組合 表 3 功能元 功能元分解 1 2 3 4 5 A 動力 汽油機 柴油機 電動機 液壓馬達 混合動力 綠化遷移 選擇開挖 開挖土方 配重平衡 工作執(zhí)行 信號能 行走機構(gòu) 制動能 驅(qū)動能 回轉(zhuǎn)機構(gòu) 能量轉(zhuǎn)換 容納土方 回轉(zhuǎn)支承 回轉(zhuǎn)接頭 轉(zhuǎn)臺 顯示器 機控器 電控器 土石方堆 耗損的潤滑劑 顯示 能 量 信息指令 滿斗回轉(zhuǎn) 卸載土方 堆放整理 聯(lián)接、支承 潤滑 潤滑劑 顯示器 顯示器 顯示器 顯示器 分離 灰塵 溫度濕度 震動 熱量 噪聲 振動 圖 4 挖掘機的功能結(jié)構(gòu)圖 需開挖的土方 7 7 B 鏟斗 正鏟 反鏟 抓斗 鉗式斗 C 回轉(zhuǎn)形式 內(nèi)齒傳動 外齒傳動 液輪傳動 D 行走 履帶 輪胎 軌道 邁步式 E 能量傳遞 齒輪箱 油泵 鏈傳動 皮帶傳動 F 制動 閘瓦制動 帶式制動 片式制動 齒式制動 氣壓制動 G 推壓 齒輪齒條 液壓缸 絲桿螺母 鋼絲繩 根據(jù)上述 ， 可建立 解形 態(tài) 學(xué)矩 陣 如表 3。從表 3中得到 組 合方案數(shù) 為 ： 5 4 3 4 4 4 4=15360 種 可選出代表性的三種方案作比較： 方案 I： 2+4+1+ 邁步式反鏟外齒回轉(zhuǎn)液壓挖掘機 方案 2+1+1+ 履帶式反鏟內(nèi)齒回轉(zhuǎn)混合動力液壓挖掘機 方案 2+2+3+ 輪胎式反鏟內(nèi)齒回轉(zhuǎn)電動液壓挖掘機 理方案的評價與決策 在上表的 15360 種 組 合方案中 ， 使用技 術(shù) 經(jīng)濟綜 合 評 價的步 驟 最后決策出最佳方案。 表 4 評價與決策 評價目標 重要性系數(shù) 案 I 方案 案 O 內(nèi)容 參數(shù)值 評分1數(shù)值 評分1數(shù)值 評分1 行走速度 7 2 10 1 2 回轉(zhuǎn)速度 2 5 4 1 3 挖掘力 10 8 31 9 20 5 鏟斗容量 045 1 7 整機重量 2 8 3 8 5 5 特 殊作業(yè) 4 8 般 7 急?？刂?般 6 般 6 4 維護 單 8 般 6 4 安全 等 8 等 7 等 6 0 環(huán)保 等 5 等 7 等 9 8 8 1 0 1 011i j w g 0 1 011m a x 10j i j g w gw wW W W 通過表 4 可 得 最 佳 方 案 為 方 案 為 本 設(shè) 計 ， 具 體 為 方案 2+1+1+履帶式反鏟內(nèi)齒回轉(zhuǎn)混合動力液壓挖掘機。 3. 掘機總體設(shè)計 挖掘機的結(jié)構(gòu)主要是由發(fā)動機、 液壓系統(tǒng)、工作裝置、行走裝置、回轉(zhuǎn)裝置和電氣控制等部分組成 5。由于挖掘機的工作條件惡劣，要求實現(xiàn)的動作很復(fù)雜，于是對它的總體設(shè)計的要求就相對的很高，需要在完整的了解它的整個工作原理、結(jié)構(gòu)、工作循環(huán)過程的基礎(chǔ)上，查閱相關(guān)最新的國際國內(nèi)最新研究資料，在現(xiàn)有機型的對比指引下，逐步完成對整個 本設(shè)計的基本思路： 9 9 在現(xiàn)有的 合現(xiàn)當(dāng)代的低碳環(huán)保的生活目標，融合現(xiàn)代科技的機電液智能一體化發(fā)展模式，滲入更多的節(jié)約資源與能源的理念，將回轉(zhuǎn)系統(tǒng)部分的回轉(zhuǎn)馬達部分 等效的替換成以電動機為驅(qū)動的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)裝置。從而避免了液壓驅(qū)動系統(tǒng)成本高，可靠性差，維修保壓麻煩的缺點，吸納了精確度高，調(diào)速準確方便的優(yōu)點。另外隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展，很多挖掘機的研究都在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)部分加裝了能量回收裝置，使得更多的能量得以再利用。 (1)將原挖掘機的回轉(zhuǎn)馬達等效替換為電動機； (2)更改電動機后減速機的設(shè)計； (3)更改后制動裝置的設(shè)計； (4)更改后混合動力綜合控制器的設(shè)計； (5)更改后儲能裝置的設(shè)計（超級電容的選?。?； 柴油機發(fā)動機仍然還是主要的動力源，驅(qū)動除回轉(zhuǎn) 裝置以外的液壓泵及帶動電動機，分別控制主閥和回轉(zhuǎn)電機控制器來控制整個挖掘機的運動狀態(tài)，并利用超級電容儲存回收回來的制動能量及其它方面回收回來的能量。 機總體參數(shù)的初步確定 液壓挖掘機的主要參數(shù)有 機體 尺寸參數(shù)、重量參數(shù)、發(fā)動機功率參數(shù)等，通過理論分析或經(jīng)驗計算以及使用單位的要求和制造廠商的生產(chǎn)條件等求得。各參數(shù)應(yīng)該滿足以下條件： （ 1） 滿足實際使用要求 實用性； （ 2） 適合于生產(chǎn)廠的制造條件 可能性； （ 3） 充分發(fā)揮發(fā)動機功率 經(jīng)濟性； 量參數(shù)的初步確定 重量參數(shù)包括整機重量及各總成的重量。 機重量初步確定 整機重量可以通過市場上現(xiàn)有的小松 取得設(shè)計機重 G=33T。 由經(jīng)驗公式： k G確定。 式中 各部分重量系數(shù)。 具體參數(shù)取值如下表所示。 表 5 挖掘機各總成重量的確定 名稱 重量系數(shù)t） 取值 (t) 平臺 10 10 底盤 4 反鏟作業(yè)裝置 體尺寸的初步確定 機體尺寸包括：機體的外形尺寸、工作裝置尺寸和工作尺寸等 6。根據(jù)經(jīng)驗公式： 3i k G確定，并根據(jù)小松公司現(xiàn)有的 列機型選用取值。 表 6 現(xiàn)有 項 目 單 位 作 重 量 t 33 額 定 功 率 45（ 180） 標 準 斗 容 能 最大 行走 速度 高 速 Km/h 速 Km/h 速 Km/h 斗挖掘力（最大） 3100 斗桿挖掘力（最大） 7400 尺 寸 全 長 1140 全 寬 190 全 高 280 工 作 范 圍 最大挖掘高度 0210 最大卸載高度 110 最大挖掘深度 380 最大垂直挖掘深度 480 最大挖掘半徑 1100 在地面內(nèi)的最 大挖掘半徑 0920 發(fā) 動 機 名 稱 - 小松 定 轉(zhuǎn) 速 900 排 量 7 機體尺寸的確定 名稱 機體尺寸系數(shù) 計算結(jié)果 (取值 (履帶長度 362 4625 履帶軌距 567 2590 轉(zhuǎn)臺寬度 887 3190 11 11 駕駛室高度 079 3100 轉(zhuǎn)臺底部離地高 283 1300 尾部半徑 079 3100 前部離回轉(zhuǎn)中心 347 1350 機棚總高 566 2580 履帶總高 026 1050 底架離地隙 49 450 臂鉸離回轉(zhuǎn)中心 81 485 臂鉸與液壓缸鉸距 62 965 動臂轉(zhuǎn)角 - 40 斗桿轉(zhuǎn)角 50 滾盤外徑 443 1390 臂鉸離地高 053 2050 續(xù)表： 斗桿臂長 774 5790 最大挖掘半徑 1066 11100 最大挖掘深度 220 7380 最大卸載高度 057 7110 最大挖掘高度 0260 10210 后端回轉(zhuǎn)半徑 432 3450 配重離地間隙 155 1185 最大垂直挖掘深度 415 6480 停機面挖掘半徑 090 10920 履帶接地長度 689 3700 最小離地間隙 81 500 機及各部分結(jié)構(gòu)型式的初步確定 臂結(jié)構(gòu)型式的初步確定 反鏟動臂可分為整體式和組合式兩類。整體 式動臂有直動臂和彎動臂兩種。整體式動臂結(jié)構(gòu)簡單、價廉，剛度相同時重量較組合式動臂輕 7。本設(shè)計中選用整體式動臂。 + 12 12 1 2 3 4 5斗桿液壓缸 6 7 8 圖 5 整體式動臂 盤行走裝置結(jié)構(gòu)型式的初步確定 行走裝置兼有液壓挖掘機的支撐和運行兩大功能。挖掘機按行走裝置分履帶式、輪胎式和步履式三大 類。履帶行走裝置的特點是，驅(qū)動力大（通常每條履帶的驅(qū)動力可達機重的 35%，接地比壓?。?40爬坡能力大（一般為 50%最大的可達 100%），且轉(zhuǎn)彎半徑小，靈活性好 8。 本設(shè)計選用履帶行走裝置。 圖 6 履帶式行走裝置 圖 7 履帶式行走裝置的結(jié)構(gòu)圖 1 - 導(dǎo)向輪； 2 - 履帶； 3 - 張緊裝置； 4 - 支重輪； 5 - 驅(qū)動輪； 6 - 減速機 13 13 桿結(jié)構(gòu)型式的初步確定 斗桿的結(jié)構(gòu)型式往往取決于動臂的結(jié)構(gòu)型式，由于本設(shè)計中的動臂選用的是整體式，故本設(shè)計中采用整體式斗桿。 圖 8 斗桿圖 動型式的初步確定 底盤的動力裝置和驅(qū)動輪之間的傳動部件總稱為傳動系統(tǒng)。傳動系統(tǒng)的功用是使動力裝置輸出的功率傳給驅(qū)動輪 9。傳動系統(tǒng)把源動力的輸出動力經(jīng)過相應(yīng)的傳動機構(gòu)傳遞給驅(qū)動機構(gòu)，并根據(jù)驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動特性的改變反過來調(diào)整源動力的輸出特性，以滿 足不同工況下對源動力輸出要求的匹配特性。傳動系統(tǒng)大體可分為機械傳動、液壓傳動、液力機械傳動及電力傳動四種類型。本設(shè)計采用高壓變量系統(tǒng)，同時在回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中嵌入機械傳動，主要依靠行星齒輪減速器的齒輪傳動。 轉(zhuǎn)機構(gòu)結(jié)構(gòu)型式的初步確定 回轉(zhuǎn)機構(gòu)的回轉(zhuǎn)時間約占整個工作循環(huán)時間的 50%能量消耗約占 25回轉(zhuǎn)液壓油路的發(fā)熱量約占液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量的 30%10。因此，適當(dāng)?shù)?、合理地選擇回轉(zhuǎn)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式，正確地、仔細的確定回轉(zhuǎn)機構(gòu)的各個主要參數(shù)，對整機的靈活運轉(zhuǎn)起著舉足輕重的 作用。綜合考慮以上各因素，本設(shè)計采用了節(jié)能環(huán)保的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)：由電動機驅(qū)動，經(jīng)過凸緣聯(lián)軸器與行星減速機的聯(lián)接，到輸出齒輪軸與回轉(zhuǎn)支承的嚙合。 回轉(zhuǎn)機構(gòu)的重要機構(gòu)之一為回轉(zhuǎn)支撐機構(gòu)，它主要用于回轉(zhuǎn)運動過程中支撐回轉(zhuǎn)平臺以上整個機體的重量。本設(shè)計中采選用單排四點接觸式滾動軸承式回轉(zhuǎn)機構(gòu)，它具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕等優(yōu)點，同時鋼球與圓弧滾道四點接觸，能同時承受較大的軸向力、徑向力和傾翻力矩。按照設(shè)計要求最終采用接觸角為 45的單排滾球式回轉(zhuǎn)支撐。如圖 9所示。 14 14 圖 9 回轉(zhuǎn)機構(gòu) 結(jié)構(gòu)圖 功率參數(shù)及發(fā)動機的初步選定 機功率參數(shù)的初步確定 發(fā)動機功率；液壓功率 發(fā)動機功率可以根據(jù)經(jīng)驗公式 Nt=定，可得： P=580 發(fā)動機的初步選定 發(fā)動機選擇的好壞直接關(guān)系到整機動力匹配特性的優(yōu)劣程度，因此為了以最少的成本和時間設(shè)計出最優(yōu)質(zhì)的挖掘機，設(shè)計中選定由小松工程機械有限公司生產(chǎn)的原裝小松 表 8 發(fā)動機主要參數(shù) 型號 小松 式 水冷、四沖程、直噴 、渦輪增壓、機械式全程調(diào)速 進 氣方式 增壓、 增壓中冷 氣缸數(shù) 程 35活塞排量 L 8 27 標定功率 /轉(zhuǎn)速 180/1900 15 15 kW/r/轉(zhuǎn)速度、工作循環(huán)時間及生產(chǎn)率的估算 依據(jù)經(jīng)驗公式： G=33T 1、 回轉(zhuǎn)速度： 1 6 ( m i n ) G r 其中系數(shù) K n=14 （ 由公式（ n=9.5(r/ 2、工作循環(huán)時間： 001 6k G()s 其中系數(shù) = 10 （ 由公式（ 001 6k G=上參數(shù)都是經(jīng)驗公式的初步估算，如有需要可適當(dāng)調(diào)整。 4. 掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計 查閱相關(guān)國內(nèi)國外最新挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)資料，挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)存在液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和電機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)兩種類型。下面就這兩種回轉(zhuǎn)系統(tǒng)類型作出對比，并選出適合本設(shè)計創(chuàng) 新、環(huán)保要求的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)。 壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng) 液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要是由許多高壓液壓油路組成，通過改變液壓油的壓力大小來間接控制整機行走速度、回轉(zhuǎn)速度、挖掘力大小。液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的主要功能如圖 10 所示： 回轉(zhuǎn)馬達啟動瞬間，高壓液壓油經(jīng) 時該壓力超過了與之連通的溢流閥極限壓力，將溢流閥瞬間打開獲得及時泄壓的目的；當(dāng)需要回轉(zhuǎn)制動時，應(yīng)該及時的切斷供給油路，并設(shè)計相應(yīng)的補油油路，使其兩端壓力 16 16 達到平衡。由于回轉(zhuǎn)馬達液壓制動不能長久保持，為了防止整機因停在傾斜地面上受重力作用而產(chǎn)生回轉(zhuǎn)，使 制動長久保持，回轉(zhuǎn)馬達設(shè)計有機械式制動器 11。 1 延時閥 2 溢流閥 3 防反轉(zhuǎn)閥 圖 10 回轉(zhuǎn)馬達原理圖 上述的液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)可用簡化的 型建模，如圖 11所示。 17 17 1 主控閥 2 溢流閥 3 單向閥 4 減速器 5 控制信號 6 離合器模塊 7 角度傳感器 8 回轉(zhuǎn)馬達 9 10 增益 11 比較器 12 控制信號 圖 11 液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)簡化模型 液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的不足： （ 1）利用 液壓馬達來控制挖掘機的回轉(zhuǎn)運動，效率較低，操作反應(yīng)時間較長； （ 2）回轉(zhuǎn)馬達啟動時 ,由于液壓泵輸出的流量大于馬達所需流量而產(chǎn)生溢流損失，造成能量損失 12； （ 3）液壓馬達油路的發(fā)熱量多，需要設(shè)計強大的散熱系統(tǒng)做后盾。 機回轉(zhuǎn)系統(tǒng) 混合動力挖掘機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理如圖 12 所示：通過扳動回轉(zhuǎn)先導(dǎo)手柄使相應(yīng)的壓力傳感器向混合動力控制器發(fā)送電機轉(zhuǎn)動控制信號，進而使超級電容放電，回轉(zhuǎn)電機帶動回轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)動 13。當(dāng)回轉(zhuǎn)平臺制動時，回轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機產(chǎn)生制動力矩使回轉(zhuǎn)平臺停止，所發(fā)出的電能存儲在超級電 容中，以便在回轉(zhuǎn)平臺下次啟動時加以利用。該系統(tǒng)通過使用效率較高的電動機取代液壓馬達，從而使回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的傳動效率大大提高。 18 18 上述的電機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)可用簡化的 2 所示。1 回轉(zhuǎn)電機 2 3 減速器 4 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換器 5角速度傳感器 6 控制信號 7 增益 8 比較器 9 控制信號 10 超級電容 圖 14 電機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)簡化模型 電機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的優(yōu)點： （ 1）可提高能量利用率； （ 2）有效回收回轉(zhuǎn)制動所產(chǎn)生的能量以達到節(jié)能的目的。 基于如上所示，本設(shè) 計最終采用了電機回轉(zhuǎn)系統(tǒng)。將原有的液壓馬達等效替換為電機驅(qū)動，經(jīng)過設(shè)計的行星減速器，最終傳遞到回轉(zhuǎn)支撐的回轉(zhuǎn)滾盤，帶動整個回轉(zhuǎn)平臺實現(xiàn)整個回轉(zhuǎn)過程。 轉(zhuǎn)支撐裝置類型的選擇 回轉(zhuǎn)支撐主要分為轉(zhuǎn)柱式回轉(zhuǎn)支撐和滾動軸承式回轉(zhuǎn)支撐。滾動軸承式回轉(zhuǎn)支撐廣泛用于全回轉(zhuǎn)的液壓挖掘機上，它是在普通滾動軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，結(jié)構(gòu)上相于放大了的滾動軸承 14。 本設(shè)計中采用接觸角為 45的單排滾球內(nèi)齒式回轉(zhuǎn)支撐。其結(jié)構(gòu)如圖 13所示。 圖 13 回轉(zhuǎn)滾盤的結(jié)構(gòu)圖 19 19 轉(zhuǎn)機構(gòu)參數(shù)的選擇 （ 1）轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量 轉(zhuǎn)動慣量可以根據(jù)最常用的工作裝置和最常遇到的工況來估算回轉(zhuǎn)平臺的轉(zhuǎn)動慣量 15。本機采用的是反鏟工作裝置，可按下列經(jīng)驗公式估算 (G=33T）。 滿斗回轉(zhuǎn)： 353 )128 (J G k g m （ 有關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（ 得 335 4 5 8331 2 8 空斗回轉(zhuǎn)： 3053 )72 (J G k g m （ 有關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（ 得 3350 4 4 53372 （ 2）回轉(zhuǎn)起動和制動力矩的確定 回轉(zhuǎn)最大起動力矩和最大制動力矩不應(yīng)超過行走部分和地面的附著力矩 M 16。當(dāng)機械制動時可取 0 ,僅靠液壓制動時可取 0 . 70 ， 作用在轉(zhuǎn)臺上的最 大制動力矩。 履帶式液壓挖掘機對地面的附著力矩可按下式 （ 求得： 434910 . () （ 有關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（ 得 1 5 5 9 1 1 0 34式中 G 整機重 量（ t） 附著力矩，對平履帶板取 帶筋履帶板取 挖掘機的履帶板推薦為平履帶板， 其制動 力矩 . 5 0 . 70 ，經(jīng)過計算為 0 =93549 。 作用在轉(zhuǎn)臺上的最大起動力矩一般小于最大制動力矩，其比值對純液壓制動為201 當(dāng)采用高速油馬達時取 0 =采用低速大扭矩液壓馬達時取0=所以，代入數(shù)據(jù)得 C= 。 （ 3）轉(zhuǎn)角范圍 一般中小型挖掘機轉(zhuǎn)角范圍 一般在 75 135之間，標準 轉(zhuǎn)角范圍 一般選在90 120間（本設(shè)計中取 =90）。 佳轉(zhuǎn)速計算 確定轉(zhuǎn)臺最佳轉(zhuǎn)速的原則是在經(jīng)常使用的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，在角加速度和回轉(zhuǎn)力矩不超過允許值的情況下，請盡可能縮短回轉(zhuǎn)時間。在回轉(zhuǎn)機構(gòu)功率一定情況下決定平臺的最佳轉(zhuǎn)速 17。 由相關(guān)經(jīng)驗公式： 61n （ 數(shù)據(jù)代入公式 （ 算得： 20 20 16 1 GK n (r/與總體設(shè)計中相符。 轉(zhuǎn)功率的計算 由轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)力矩公式： 0m a ： （ 將數(shù)據(jù)代入公式 （ ： 5 7 0 4 2 9 . 5P 3 6 . 3 79 5 5 0 2 0 . 7 8轉(zhuǎn)電機的選擇 各種電機在混合動力系統(tǒng)中均有使用，其中永磁同步電動機 (18依靠永磁體產(chǎn)生氣隙磁場 ，啟動轉(zhuǎn)矩大，運行平穩(wěn)，可靠性好，控制相對簡單 19。因此，本系統(tǒng)選用永磁同步電機驅(qū)動回轉(zhuǎn)平臺。在回轉(zhuǎn)電機參數(shù)的選擇上，應(yīng)遵循等效替換原則，即所選擇的回轉(zhuǎn)電機性能等于或接近原液壓馬達的性能。 根據(jù)現(xiàn)有的 n ，取值 0n 為 1600r/ 總傳動比為 a 液壓挖掘機的最大扭矩為 負g gg 負 式中 000負F 為負載受力大小 N； 土方質(zhì)量g 為土方密度 Kg/ 為鏟斗體積 值為 代入相關(guān)數(shù)據(jù)為 2 8 2 2 m a x 負 動機輸出的最大扭矩為 1 82 822 4m a xm a x 總設(shè)行星齒輪減速器的效率為 90%，電機的儲備功率系 數(shù)為 需的電機的額定扭矩為 2 0 6 1 TTm a x 根據(jù)立式永磁同步電動機（ 20選擇回轉(zhuǎn)電機的參數(shù)如表 9 所示。 表 9 回轉(zhuǎn)電機參數(shù)表 峰值功率 /7 額定功率 /2 峰值轉(zhuǎn)矩 /（ N m） 370 額定轉(zhuǎn)矩 （ N m） 215 最高轉(zhuǎn)速 （ r/ 2000 額定轉(zhuǎn)速 （ r/ 1600 轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)的選擇 本設(shè)計中的回轉(zhuǎn)支承選用滾動軸承式。滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承與普通滾動軸承相比，又具有其特點 ：普通滾動軸承的內(nèi)、外座圈的剛度依靠軸與軸承座的裝配來保證，而它則由轉(zhuǎn)臺和底架來保證 21。 21 21 （ 1）支承型式的選擇 在本次的液壓挖掘機設(shè)計中，選擇接觸角為 45的四點接觸球內(nèi)齒式回轉(zhuǎn)支承。 圖 14 單排四點接觸式回轉(zhuǎn)支承 （ 2）計算滾盤的外徑 3dD k G （ 式中 滾盤外徑的經(jīng)驗系數(shù)，取 數(shù)據(jù)代入公式 3d 以，算得 D=1443 （ 3）滾動軸承的參數(shù) 雙排滾球式、四點接觸單排球式回轉(zhuǎn)支承可同時承受軸向力、徑向力和一定的傾翻力矩 22。因此本設(shè)計選用四點接觸單排球式回轉(zhuǎn)支承。 在 徐州恒瑞回轉(zhuǎn)支承有限公司網(wǎng)站上，通過聯(lián)系客服， 選擇出合適回轉(zhuǎn)支承的代號，將其參數(shù)列表如下。 表 10 回轉(zhuǎn)支承參數(shù) 序號 內(nèi)齒式 DL(外形尺寸 安裝尺寸 D(d(H(D1(13 390 1110 110 1337 3 390 1110 110 1337 裝尺寸 結(jié)構(gòu)尺寸 D2(n mm dm(L(n1(1163 40 26 8 5 1163 40 26 8 5 22 22 結(jié)構(gòu)尺寸 齒輪參數(shù) D3(d1(H1(h(b(x 1251 1248 100 10 90 251 1248 100 10 90 輪參數(shù) 齒輪圓周力 參考重量 M(De(z 正火 Z 104N 調(diào)質(zhì) T 104N （ 12 8 20 14 5 2 8 20 14 5 據(jù)表 10 中數(shù)據(jù)可得，本設(shè)計中選擇的型號代號為 轉(zhuǎn)循環(huán)時間計算 單斗液壓挖掘機轉(zhuǎn)臺運動特性單斗液壓挖掘機當(dāng)轉(zhuǎn)角較大時，轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)過程可由加速、勻速和減速三部分組成 23。但在本次設(shè)計中，單斗液壓挖掘機的時間由啟動時間、制動時間、滿斗回轉(zhuǎn)時間、空斗回轉(zhuǎn)時間幾個部分組成。 本機總工作循環(huán)時間為 1 KG s 由經(jīng)驗公式得出的時間 t=值為 15s。 根據(jù)回轉(zhuǎn)時間占工作循環(huán)時間的 2/3左右， t,由公式 3 0t（ 式中 滿斗回轉(zhuǎn)時間， 空斗回轉(zhuǎn)時間。 代入公式 據(jù)可得： 3 1 5t 5 . 4 7 824445143458s （ 1） 起動、制動時間 啟動時間的確定很關(guān)鍵，啟動時間過長將影響機器的生產(chǎn)率，啟動時間過短將引起過大的慣性力，從而使機器的零件損壞，通常取 38s24。 根據(jù)經(jīng)驗公式 J 17t 2m a xm a s （ 23 23 4 J m a xm a P hs （ 式中 起動時間 制動時間。 滿 斗 回 轉(zhuǎn) 加 速 結(jié) 束 時 的 轉(zhuǎn) 臺 角 速 度 ，9 m a xm a x s。 （ 2） 滿斗回轉(zhuǎn)時間 ()223m a s （ （ 3） 空斗回轉(zhuǎn)時間 4 5 82 4 4 4 t 33 0s （ 從而計算總的回轉(zhuǎn)時間 T= 5. 掘機傳動計算 轉(zhuǎn)小齒輪參數(shù)的確定 內(nèi)嚙合小齒輪采用高移距高度變位，其齒數(shù) 1Z 12。 根據(jù)設(shè)計要求，選選擇 1Z （推薦 16） ，變位系數(shù)（推薦 傳動比分配 1212 式中 1z 為內(nèi)嚙合小齒輪齒數(shù)， 2z 為回轉(zhuǎn)支承齒圈齒數(shù)。 代入相關(guān)數(shù)據(jù) 6， 5 得 表 11 回轉(zhuǎn)小齒輪各參數(shù) 24 24 參數(shù) 代號 公式 內(nèi)嚙合小齒輪 回轉(zhuǎn)齒圈 分度圓直徑 d d=24 1050 齒頂圓直徑 da m(- 1022 da=m(z+2) 252 - 齒根圓直徑 df m(z+- 1085 175 - 齒厚 B - 92 90 齒數(shù) Z - 16 75 模數(shù) m - 14 14 壓力角 - 20 20 轉(zhuǎn)機構(gòu)齒輪傳動傳動比計算 減速器總傳動比 12 （ 代入公式 （ 數(shù)據(jù)可得 此減速器總傳動比為 表 屬于二級 25，因此減速器確定為二級行星齒輪減速器。 轉(zhuǎn)減速器的設(shè)計計算 本設(shè)計采用的是行星齒輪減速器。行星齒輪傳動與普通定軸齒輪傳動相比較，具有質(zhì)量小、體積小、傳動比大、承載能力大以及傳動平穩(wěn)和傳動效率高等優(yōu)點 26。 轉(zhuǎn)減速器設(shè)計方案 選用兩級太陽輪輸入、行星架輸出的形式串聯(lián)。高速級行星架與低速級太陽輪之間用浮動齒輪聯(lián)軸器聯(lián)接如圖 15 所示，從而達到高速級行星架與低速級太陽 輪的浮動均載的目的。兩級行星輪數(shù)都選 。 25 25 圖 15 二級 行星減速器 要參數(shù)的確定 總傳動比為 i 查表 pp 速級齒數(shù)的確定 行星齒輪傳動各齒輪齒數(shù)的選擇，除去應(yīng)滿足漸開線圓柱齒輪齒數(shù)的選擇原則外，還必須滿足傳動比條件、同心條件等 27。 （ 1） 滿足傳動比條件 z （ 2） 滿足裝配條件：保證多個行星輪均布裝入兩中心論的齒間 整數(shù) c（ （ 3） 同心條件：保證太陽輪、內(nèi)齒圈和行星架軸線重合 11c1 ba （ （ 4） 滿足鄰接條件 11將齒輪參數(shù)代入后即： 1（ 選取高速級太陽輪 1a 數(shù)為 17和行星齒輪數(shù)為 3 2c 。 根據(jù)內(nèi)齒輪 111 1 1 7 . 1 1 1 7 1 0 3 . 7 1 0 3 26 26 對內(nèi)齒輪齒數(shù)進行圓整后，此時實際的 P 值與給定的 P 值稍有變化，但是必須控制在其傳動比誤差范圍內(nèi)。實際傳動比為 滿足要求。 根據(jù)同心條件可求得行星齒輪 432 171032 111c ab 所求得的 1用于非變位或高度變位的行星齒輪傳動。再考慮到其安裝條件為： （整數(shù)） M zz 查表 431031711速級齒數(shù)的確定 （ 1） 滿足傳動比條件 51222222 z 3） 滿足裝配