微型液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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摘要 近年來，中國基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目呈現(xiàn)增長趨勢，黨的十九大召開以來，我國依然要以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心，因此我國必須發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施，在滿足便利人民的同時(shí)，也推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。挖掘機(jī)械是挖掘土石方和石方的通用機(jī)械設(shè)備，因其在生產(chǎn)生活中的決定性的作用自然受到各方的廣泛關(guān)注。 挖掘機(jī)的類型多種多樣，從傳動(dòng)方式上可以分為機(jī)械式挖掘機(jī)和液壓式挖掘機(jī)。與前者相比，液壓挖掘機(jī)具有工作效率高，速度快，性能優(yōu)越，工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。近年來，小型液壓挖掘機(jī)由于其緊湊性，靈活性，通用性和高效率的特點(diǎn)，并且兼具有大中型挖掘機(jī)的許多功能而受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。 因此，本文選用微型液壓挖掘機(jī)作為主要研究對(duì)象。 大部分挖掘機(jī)大部分都可以看做上下兩部分的工程機(jī)械，作為上半部的是工作裝置，下半部的是行走機(jī)構(gòu)，起承接作用的就是回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)由三部分組成：上部轉(zhuǎn)臺(tái)、回轉(zhuǎn)支承以及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成?；剞D(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)在挖掘機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，會(huì)受到較大的工作載荷，因此對(duì)回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)各部分提出了嚴(yán)格的要求，國家也制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。可以說，回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞是衡量挖掘機(jī)生產(chǎn)技術(shù)的重要指標(biāo)。 對(duì)于本次研究課題，我主要進(jìn)行了這幾方面的設(shè)計(jì)：回轉(zhuǎn)支承的選型與設(shè)計(jì)以及相應(yīng)回轉(zhuǎn)力的計(jì)算，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)的分析與計(jì)算，還試著用有限元對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行加工完善。 關(guān)鍵詞 挖掘機(jī)械；回轉(zhuǎn)體部分；運(yùn)動(dòng)分析；通用機(jī)械 Abstract In recent years, China’s infrastructure projects have shown a growing trend. Since the party’s 19th National Congress, China still has to focus on economic construction. Therefore, China must develop infrastructure to meet the convenience of the people while also promoting economic development. Excavating machinery is a general-purpose mechanical equipment for excavating earthwork and stonework. Naturally, its decisive role in production and life is widely concerned by various parties. There are many types of excavators, and they can be divided into mechanical excavators and hydraulic excavators. Compared with the former, the hydraulic excavator has the advantages of high work efficiency, high speed, superior performance, and stable operation. In recent years, due to its compactness, flexibility, versatility, and high efficiency, the small hydraulic excavator has attracted much attention from the society because of its many functions. Therefore, this paper chooses the micro-hydraulic excavator as the main research object. Most of the excavators can be regarded as upper and lower parts of the construction machinery. As the upper part is the working device, the lower part is the walking mechanism, and the rotary body is the one that plays the role of receiving. The rotary body consists of three parts: an upper turntable, a slewing ring and a slewing gear. The rotary body mechanism receives a large working load when the excavator is operating. Therefore, strict requirements are placed on various parts of the rotary body, and the country has also established relevant standards. It can be said that the design of the rotary body is an important indicator of the excavators production technology. For this research project, I mainly carried out these aspects of the design: the selection and design of slewing bearing and the calculation of the corresponding rotation force. The design of the slewing mechanism is mainly the drive design, the analysis and calculation of the motion of the turntable, and also try to use The finite element refines the organization. Keywords excavating machinery rotating body part motion analysis general machinery 40 目 錄 摘要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 微型液壓挖掘機(jī)及其回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)簡介 1 1.1.1 什么是微型液壓挖掘機(jī) 1 1.1.2 回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)的簡介 1 1.2 國內(nèi)外微型液壓挖掘機(jī)發(fā)展進(jìn)程 2 1.2.1 國外微型液壓挖掘機(jī)發(fā)展進(jìn)程 2 1.2.2 我國微型液壓挖掘機(jī)發(fā)展進(jìn)程 3 2. 微型液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 2.1回轉(zhuǎn)支承的選型與設(shè)計(jì) 3 2.1.1回轉(zhuǎn)支承的主要形式 4 2.3四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承的分析 8 2.3.1分析和計(jì)算 9 2.3.2分析與計(jì)算 9 2.3.3分析與計(jì)算 10 3四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承的校核計(jì)算 11 3.2 負(fù)荷能力的計(jì)算 16 3.3連接螺栓的校核 17 3.4計(jì)算與校驗(yàn)回轉(zhuǎn)小齒輪 19 4回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式及其選擇 21 4.1 微型液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 21 5 回轉(zhuǎn)阻力矩 24 5.1 回轉(zhuǎn)慣性阻力矩計(jì)算 24 5.2 回轉(zhuǎn)摩擦阻力矩計(jì)算 24 5.3 回轉(zhuǎn)風(fēng)阻力矩計(jì)算 25 5.4回轉(zhuǎn)坡度阻力矩計(jì)算 25 6 轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析 26 6.1 轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過程 26 6.1.1 起動(dòng)加速過程 27 6.1.2制動(dòng)減速過程 28 6.1.3 恒流量過程 31 6.1.4 空斗時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)返回過程 32 6.2.分析與計(jì)算轉(zhuǎn)臺(tái)最佳速度 32 6.2.1 具有勻速運(yùn)動(dòng)階段的梯形速度圖的轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算分析 33 6.2.2 具有無勻速運(yùn)動(dòng)階段三角形速度圖的轉(zhuǎn)臺(tái)最佳速度計(jì)算分析 34 6.3.具體參數(shù)的計(jì)算 35 6.3.1回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇 35 6.3.2 轉(zhuǎn)角的選取 36 結(jié)論 37 致謝 38 參考文獻(xiàn) 39 1 緒論 1.1 微型液壓挖掘機(jī)及其回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)簡介 1.1.1 什么是微型液壓挖掘機(jī) 挖掘機(jī)械的主要用途是開挖土方和石方，同時(shí)作為一種通用機(jī)械，它的工作裝置可以更換以滿足復(fù)雜的施工要求，所以在建筑行業(yè)中得到廣泛的使用。在生產(chǎn)和生活中我們經(jīng)常可以看到各式各樣的挖掘機(jī)機(jī)械比如在礦山開采礦石的大型挖掘機(jī)械，又比如活躍在鄉(xiāng)村與街道建設(shè)的小型挖掘機(jī)械等等，由于挖掘機(jī)同時(shí)還兼具有節(jié)省人力、降低工程造價(jià)和提高生產(chǎn)率等優(yōu)點(diǎn)。挖掘機(jī)主要分為間歇作業(yè)式（單斗）和連續(xù)作業(yè)式（多斗）挖掘機(jī)，而機(jī)械傳動(dòng)的的單斗挖掘機(jī)簡稱機(jī)械式挖掘機(jī)，液壓傳動(dòng)的單斗挖掘機(jī)則被稱為液壓挖掘機(jī)，現(xiàn)在目前大多數(shù)工程行業(yè)中所用的都是液壓式挖掘機(jī)，約占挖掘機(jī)械總量的90%以上。 那么如何定義一臺(tái)液壓式挖掘機(jī)，國內(nèi)國外對(duì)液壓挖掘機(jī)均有著嚴(yán)格的定義。通過查閱資料我們總結(jié)出液壓挖掘機(jī)必須具備以下幾點(diǎn)特點(diǎn)： （1）必須是通過液壓進(jìn)行傳動(dòng)； （2）可以進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（一般研究的液壓挖掘機(jī)都是進(jìn)行回轉(zhuǎn)） （3）液壓挖掘機(jī)是一種自行式機(jī)械。 相比于機(jī)械式挖掘機(jī)，液壓挖掘機(jī)在工程作業(yè)上有著巨大的優(yōu)越性。從體積上看，由于液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的元件體積以及數(shù)量少，簡化了挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)，使得布局緊湊、結(jié)構(gòu)簡單，從生產(chǎn)效率上來看，同等機(jī)重的情況下，液壓挖掘機(jī)的挖掘力比機(jī)械式約高一倍以上，從平穩(wěn)性能角度看，液壓系統(tǒng)傳動(dòng)簡單平穩(wěn)，從生產(chǎn)效益上看，液壓挖掘機(jī)易于實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，可以有效的降低生產(chǎn)成本。 根據(jù)目前市場和生產(chǎn)的習(xí)慣，按如下表格在規(guī)格上對(duì)液壓挖掘機(jī)進(jìn)行分類。 表1-1-1 按整機(jī)質(zhì)量、驅(qū)動(dòng)功率和鏟斗容量分類 分類 整機(jī)質(zhì)量/t 驅(qū)動(dòng)功率/KW 鏟斗容量/m3 小型機(jī) 6t以下 小于40 0.2~0.22 中小型機(jī) 大于6t小于13t 大于40小于85 0.20~0.6 中型機(jī) 大于等于13t小于50t 大于85~260 0.6~2.5 大型機(jī) 大于等于50t小于100t 大于250~400 2.5~5.0 超大型機(jī) 大于100t 大于350 大于5.0 1.1.2 回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)的簡介 微型液壓挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)可以分為上下兩個(gè)部分，上半部是工作裝置，下半部分是底盤，而起著承接作用的就是回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)臺(tái)、回轉(zhuǎn)支承和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及液壓系統(tǒng)等構(gòu)成了一個(gè)完整的回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)， 如下圖1-1-2所示。從圖中我們可以看出回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)也是一個(gè)上下兩層的結(jié)構(gòu)，主要?jiǎng)恿υ磥碜杂谝簤厚R達(dá)?；剞D(zhuǎn)支承分為內(nèi)外座圈，從圖中可以看出外座圈通過連接螺栓與轉(zhuǎn)臺(tái)連接在一起，內(nèi)座圈也是通過連接螺栓與底架相連。當(dāng)液壓挖掘機(jī)進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，它必然會(huì)受到垂直載荷、水平載荷和傾覆力矩。這些力會(huì)通過內(nèi)圈與外圈之間的滾動(dòng)體傳由外座圈傳遞給內(nèi)座圈，最后傳給底架?；剞D(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)的外殼是固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，隨轉(zhuǎn)臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)臺(tái)與底架可以進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是由于兩者之間通過回轉(zhuǎn)齒輪與回轉(zhuǎn)支承內(nèi)座圈嚙合時(shí)，小齒輪帶動(dòng)兩者進(jìn)行相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 1-連接螺栓 2-回轉(zhuǎn)支承 3-墊片 4-螺母 5-液壓馬達(dá) 圖1-1-2 回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)圖 1.2 國內(nèi)外微型液壓挖掘機(jī)發(fā)展進(jìn)程 1.2.1 國外微型液壓挖掘機(jī)發(fā)展進(jìn)程 自從美國機(jī)械師奧季斯設(shè)計(jì)制造的機(jī)械式挖掘機(jī)問世以來，挖掘機(jī)的發(fā)展就從未停止過。世界上第一臺(tái)挖掘機(jī)是由蒸汽驅(qū)動(dòng)，代表了當(dāng)時(shí)的最高工藝，而今機(jī)械式 驅(qū)動(dòng)、液壓式驅(qū)動(dòng)逐步取代了蒸汽驅(qū)動(dòng)，世界上第一臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)的挖掘機(jī)由法國Poclain公司率先推出，但是嚴(yán)格意義上來講這并不算一臺(tái)真正的液壓式挖掘機(jī)，它是一臺(tái)全回轉(zhuǎn)、部分機(jī)構(gòu)由液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械。在1954年，德國Demag公司制造出了真正意義上的液壓挖掘機(jī)，全部機(jī)構(gòu)均由液壓驅(qū)動(dòng)。隨著科技的進(jìn)步與突破，尤其是液壓技術(shù)關(guān)鍵性問題的解決，中小型液壓挖掘機(jī)得到迅猛發(fā)展，德國、日本、美國陸續(xù)開始研發(fā)與改進(jìn)液壓挖掘機(jī)，到20世紀(jì)六七十年代為止，液壓挖掘機(jī)的產(chǎn)量已經(jīng)占到挖掘機(jī)總產(chǎn)量的88%以上。 直至今日，國外對(duì)液壓挖掘機(jī)的研究任未止步，他們從技術(shù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、整機(jī)、零部件甚至銷售形式與售后對(duì)液壓挖掘機(jī)進(jìn)行重大的革命，由此液壓挖掘機(jī)成為土方作業(yè)中的尖兵，在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，工程作業(yè)中55%~65%作業(yè)量都是由液壓式挖掘機(jī)完成的。目前，國外正在大力發(fā)展小型液壓挖掘機(jī)以及大型和巨型液壓挖掘機(jī)，研發(fā)計(jì)算機(jī)智能化來操控機(jī)械。 1.2.2 我國微型液壓挖掘機(jī)發(fā)展進(jìn)程 我國由于近代工業(yè)發(fā)展的落后，工程機(jī)械的發(fā)展也相應(yīng)落后于發(fā)達(dá)國家。直至20世紀(jì)70年代初期，我國進(jìn)入了挖掘機(jī)全面制造研發(fā)階段。其中著名的有上海建筑機(jī)械廠、貴州礦山機(jī)械廠以及北京建筑機(jī)械廠，當(dāng)時(shí)共有6種級(jí)別10個(gè)型號(hào)。在1975年前后，我國的液壓挖掘機(jī)基本可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。雖然我國的液壓挖掘機(jī)發(fā)展勢頭突飛猛進(jìn)，但在關(guān)鍵技術(shù)上如柴油機(jī)、液壓元件任依賴于外方企業(yè)。因此，從1980年起，我國為提升自主制造挖掘機(jī)的能力，向德國引進(jìn)了先進(jìn)的液壓挖掘機(jī)技術(shù)，在學(xué)習(xí)技術(shù)的同時(shí)加快自主研發(fā)的腳步，以滿足日益增長的國民經(jīng)濟(jì)需要。 20世紀(jì)80至90年代，我國經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)幾何式增長，基建工程的日益增多，對(duì)挖掘機(jī)的質(zhì)量和數(shù)量提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。在這種情況下，我國不得不大量進(jìn)口挖掘機(jī)，因此吸引了大量外國生產(chǎn)廠家來中國尋求商機(jī)，在1995年前后，我國挖掘機(jī)步入了與外方合作研究的重要階段，其中著名的企業(yè)有成都機(jī)械工程廠與日本神戶制鋼合資成立的成都神鋼建設(shè)機(jī)械有限公司等。通過與外方企業(yè)的長期合作，我國的挖掘機(jī)技術(shù)水平逐步趕上世界發(fā)展水平，同期國產(chǎn)企業(yè)也邁入了自主研發(fā)的新階段。 21世紀(jì)初，我國的挖掘機(jī)制造企業(yè)開始從中國制造向中國創(chuàng)造邁進(jìn)，在生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量猛增的同時(shí)，核心技術(shù)也在不斷向自主化與現(xiàn)代化方向發(fā)展，液壓挖掘機(jī)的性能也在不斷提高?，F(xiàn)如今，我國的小型液壓挖掘機(jī)產(chǎn)量在滿足自身需要的同時(shí)，也逐步開拓歐美市場，與歐美一些頂尖的企業(yè)進(jìn)行競爭，在這一時(shí)期我國的生產(chǎn)企業(yè)面臨更新一輪的發(fā)展挑戰(zhàn)，機(jī)型更新、高性能、高質(zhì)量、環(huán)保、低能耗，而液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)也面臨著更為激烈的市場競爭，因此，研發(fā)高效的微型液壓挖掘機(jī)已迫在眉睫。 2. 微型液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1回轉(zhuǎn)支承的選型與設(shè)計(jì) 回轉(zhuǎn)支承也叫做轉(zhuǎn)盤軸承，顧名思義它的作用就是進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。它可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備兩個(gè)部位之間的相互回轉(zhuǎn)，其主要作用是傳動(dòng)和傳力，同時(shí)它還肩負(fù)著承擔(dān)軸向力、徑向力和傾覆力矩的作用，所以各種機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用。 微型液壓挖掘機(jī)可以看做上半部是工作機(jī)構(gòu)，下半部是底盤的雙層結(jié)構(gòu)，它的一個(gè)特點(diǎn)就是可以進(jìn)行360度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于液壓挖掘機(jī)的工作環(huán)境嚴(yán)峻，工作載荷的劇烈變化對(duì)是連接結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)支承提出了較高的技術(shù)要求。 圖2-1-1 液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)支承 2.1.1回轉(zhuǎn)支承的主要形式 液壓挖掘機(jī)的發(fā)展進(jìn)程中，回轉(zhuǎn)支承的研究與開發(fā)在其中起了關(guān)鍵性作用。表2-1-1支承的主要分類與形式 表2-1-1回轉(zhuǎn)支承的類型與分類 類別 主要形式 滾動(dòng)體形式 球式、柱式以及球柱聯(lián)合式回轉(zhuǎn)支承 滾動(dòng)體排數(shù) 單排、雙排以及三排回轉(zhuǎn)支承 傳動(dòng)形式 外齒式、內(nèi)齒式以及無齒式回轉(zhuǎn)支承 下面選取幾個(gè)最為典型的回轉(zhuǎn)支承來進(jìn)行分析 （1） 單排球式回轉(zhuǎn)支承 單排球式回轉(zhuǎn)支承，從圖2-1-1中可以看出它的滾道是圓弧形曲面，滾道斷面的半徑與滾球直徑的關(guān)系一般推薦為: ，滾珠與滾道接觸角 = 45，相比于雙排式回轉(zhuǎn)支承有著較大的靜定容量，它可以降低軌道接觸敏感度，減少摩擦力矩，同時(shí)可以承 受來自不同方向的力的作用。 圖2-1-1 單排球式回轉(zhuǎn)支承 （2） 雙排球式回轉(zhuǎn)支承。 顧名思義，這類軸承的滾珠分為上下兩排，排列在外座圈與內(nèi)座圈的滾道上。接觸角可高達(dá)90度，他的特點(diǎn)是可以承受較大的載荷力矩，便于維修，但難以承受較大的徑向力矩。 。所以挖掘機(jī)上一般不采用這種回轉(zhuǎn)支承。如圖2-1-2所示 圖2-1-2 雙排球式回轉(zhuǎn)支承。 （3）單排交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承 如圖2-1-3表示的就是單排交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承，與圖2-1-1單排球式回轉(zhuǎn)支承相比較，我們可以發(fā)現(xiàn)主要區(qū)別就是滾動(dòng)體不一樣，一個(gè)是球體，一個(gè)是圓柱體，后者采用交叉式排列，接觸角與前者相同一般都是。后者的徑向力與動(dòng)容量都比較大，但是存在載荷。 偏移的現(xiàn)象，所以不采用。 圖2-1-3 單排交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承 （4） 三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承 三排式回轉(zhuǎn)支承載荷能力強(qiáng)，不適用于為微型液壓挖掘機(jī)，主要適用于80t以上的大型礦山挖掘機(jī)。如圖2-1-4所示 圖2-1-4 三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承 現(xiàn)在大部分挖掘機(jī)都采用上述幾種回轉(zhuǎn)支承，因?yàn)槲覀冄芯康氖俏⑿鸵簤和诰驒C(jī)，所以建議采用單排球式回轉(zhuǎn)支承，下面根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行具體選型。 2.2 我國回轉(zhuǎn)支承的系列標(biāo)準(zhǔn)及其具體選型 回轉(zhuǎn)支承的標(biāo)準(zhǔn)制定隨著液壓挖掘機(jī)的發(fā)展而不斷完善，國外各個(gè)機(jī)械大國均制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。隨著我國機(jī)械行業(yè)的不斷進(jìn)步，也制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，便于液壓挖掘機(jī)的生產(chǎn)與制造。我國制定的滾動(dòng)支承系列標(biāo)準(zhǔn)分兩大類：交叉滾動(dòng)式和四點(diǎn)接觸球式，兩大類下分六種結(jié)構(gòu)形式：主要按照不帶齒、內(nèi)齒、外齒等來分，每一類按照滾道中心大小不同又可以分成二十種規(guī)格，共計(jì)四十種規(guī)格。 如圖2-2-1就是第一類標(biāo)準(zhǔn)的部分圖，其中HJ表示的就是交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承，我國制定的標(biāo)準(zhǔn)是相當(dāng)完善的，除了回轉(zhuǎn)支承的基本參數(shù)如滾道中心直徑等的制動(dòng)，還規(guī)定了相應(yīng)的外形尺寸和安裝尺寸，給生產(chǎn)帶來了極大的便利。圖中顯示交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承可以分為三種不帶齒、外齒、內(nèi)齒三種結(jié)構(gòu)形式，其中不帶齒用英文字母“B表示，外齒用“W表示，內(nèi)齒用“N表示。第一類按照滾道中心直徑大小不同可以二十種不同規(guī)格。 圖2-2-1 交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承部分標(biāo)準(zhǔn)圖 第二類是四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承，代號(hào)是“HS”。如圖2-2-2所示，第二類標(biāo)準(zhǔn)與第一類大體上相同。四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承也分為三類：不代齒、外齒與內(nèi)齒，同樣用相應(yīng)的字母代替，按滾道中心直徑不同分為二十類，不同的是四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承一般采用內(nèi)齒輪嚙合，所以標(biāo)準(zhǔn)中才會(huì)出現(xiàn)內(nèi)齒輪參數(shù)。 圖2-2-2四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承部分標(biāo)準(zhǔn)圖 下面舉個(gè)例子HSN-625表示的就是滾道中心直徑 =625mm，具有內(nèi)齒機(jī)構(gòu)形式的四點(diǎn)接觸式回轉(zhuǎn)支承。 我國制定的滾動(dòng)時(shí)回轉(zhuǎn)支承有以下特點(diǎn) （1）尺寸參數(shù)比較齊全（滾道中心直徑范圍是），兩種系列的支承在安裝尺寸與毛胚尺寸相同的情況下可以互相更換。 （2）下表2-2-1是國家對(duì)于齒輪的標(biāo)準(zhǔn)選擇，有表中可以看出內(nèi)齒與外齒都是標(biāo)準(zhǔn)齒輪，除了在變位系數(shù)上有所區(qū)別，這與內(nèi)外齒在回轉(zhuǎn)支承上所起的作用有關(guān)。 表2-2-1 兩種齒輪的選擇標(biāo)準(zhǔn) 齒輪 壓力角（） 齒頂高系數(shù)（） 齒頂間隙系數(shù)() 變位系數(shù) 內(nèi)齒 1 0.25 外齒 1 0.25 外齒的變位系數(shù)與齒數(shù)有關(guān) 齒數(shù)為95—116時(shí)變位系數(shù)取+1.0， 齒數(shù)為117—136時(shí)，變位系數(shù)取+1.15 齒數(shù)等于和大于137時(shí)，變位系數(shù)取+1.4 （3）國家規(guī)定的滾動(dòng)回轉(zhuǎn)支承的材料及表面硬度見下表2-2-2 表2-2-2 滾動(dòng)式回轉(zhuǎn)支承材質(zhì)及硬度規(guī)定 結(jié)構(gòu)名稱 材質(zhì) 表面硬度規(guī)定 滾動(dòng)體 GCr15及GCr15SiMn HRC61—5 座圈 50Mn,50SiMn，5CrMnMo HRC61—5 滾道表面 GCr15及GCr15SiMn HRC55—65 因?yàn)槲已芯康奈⑿鸵簤和诰驒C(jī)，微型液壓挖掘機(jī)的載荷不會(huì)過大，所以三排式以及交叉式回轉(zhuǎn)支承不作考慮，我選擇單排球式回轉(zhuǎn)支承，參照SWE40U微型液壓挖掘機(jī)，選用 系列軸承，圖2-2-3便是這種支承的機(jī)構(gòu)圖 圖2-2-3 回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)圖 2.3四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承的分析 本次設(shè)計(jì)中所采用的單排球式轉(zhuǎn)支承是四點(diǎn)球式的，所以以下受力分析僅就單排球式回轉(zhuǎn)支承作以下簡單分析和計(jì)算。如圖2-3-1示的就是單排球式回轉(zhuǎn)支承受力圖，從圖中可以看出回轉(zhuǎn)支承受到軸向載荷，傾覆力矩和徑向載荷。我們可以把座圈看做是個(gè)以滾動(dòng)體為支點(diǎn)的多支點(diǎn)彈性體。我借鑒了《液壓挖掘機(jī)》中的研究方法，將內(nèi)座圈與轉(zhuǎn)臺(tái)看做一個(gè)整體，外座圈與底架看做一個(gè)整體，這樣從圖中就可以看出力的傳遞路線是轉(zhuǎn)臺(tái)經(jīng)內(nèi)座圈，滾動(dòng)體，外座圈到底架。由于內(nèi)力受到內(nèi)外座圈與滾動(dòng)體的影響，為了便于研究與分析，我們不妨假設(shè) （1）在對(duì)回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行受力分析時(shí)，選用滾動(dòng)體與滾到的接觸點(diǎn)為受力點(diǎn)，在這個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行里的分析，另外受力分析時(shí)不受到內(nèi)外圈因受力而產(chǎn)生變形的影響。 （2）假設(shè)滾動(dòng)體與滾道之間是光滑的，除去加工誤差對(duì)滾動(dòng)體與滾道的影響 圖2-3-1 單排球式回轉(zhuǎn)支承受力分析 內(nèi)力計(jì)算的方法有兩種，在這里不逐一介紹。第一種變形疊加法比較復(fù)雜，不適合簡單的回轉(zhuǎn)支承分析，所以考慮到載荷疊加法比較簡單，計(jì)算結(jié)果能滿足要求，因此仍采用載荷疊加法計(jì)算內(nèi)力，即上述三種載荷在滾動(dòng)體上引起的正壓力分別計(jì)算后再疊加。【 林慕義，史青錄，《單斗液壓挖掘機(jī)的構(gòu)造與設(shè)計(jì)》 2011.04 】 2.3.1分析和計(jì)算 如圖2-3-1所示，在力的作用下，運(yùn)用載荷疊加法計(jì)算，每一個(gè)滾動(dòng)體對(duì)滾道的正壓力 (2-1) 式中：--滾動(dòng)體總數(shù)； --接觸角（即滾道上力的作用線與垂直于回轉(zhuǎn)支承軸線的平面之間的夾角）。 2.3.2分析與計(jì)算 在傾覆力矩M作用下，按照上述假定滾動(dòng)體與滾道之間的彈性接觸與橫坐標(biāo)成正比例。令受載最大的滾動(dòng)體其變形量為，則有 （2-2） 為簡化計(jì)算，暫時(shí)忽略接觸角的影響。按照彈性接觸理論，正壓力-2與變形的關(guān)系為 （2-3） 式中： k--比例常數(shù)，與滾動(dòng)體和滾道的幾何尺寸、材料和接觸情況有關(guān)。于是 （2-3） 考慮到滾動(dòng)體個(gè)數(shù)較多，可以視作其變形是連續(xù)的，我們可以用積分的方法計(jì)算出在微小弧長上正壓力的力矩，根據(jù)力矩平衡，再將接觸角代入其中 （2-3） 2.3.3分析與計(jì)算 在徑向載荷作用下，假定回轉(zhuǎn)支承只要Y坐標(biāo)右側(cè)的滾動(dòng)體受力，滾動(dòng)體沿X坐標(biāo)方向的移動(dòng)量相等，用表示，滾動(dòng)體在徑向的變形符合余弦規(guī)律，即 ，為了簡便計(jì)算，我先暫時(shí)忽略接觸角，根據(jù)彈性接觸理論，先求的單位滾道上的徑向力，在求得一小段弧長上的分力， 根據(jù)力的平衡條件，僅對(duì)一條滾道起作用，引入接觸角得 （2-4） 令，由于回轉(zhuǎn)支承會(huì)受到、和的共同作用，滾動(dòng)體對(duì)滾道的正壓力可以表示為 （2-5） 3四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承的校核計(jì)算 3.1當(dāng)量負(fù)荷的計(jì)算 已知四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承會(huì)受到總軸向力、傾覆力矩以及徑向力矩的作用，由此可知當(dāng)量負(fù)荷也應(yīng)與這三個(gè)量有關(guān)。如下公式就是三者的關(guān)系： （3-1） 上式中 --滾道中心直徑（m）； --作用在回轉(zhuǎn)支撐上的總軸向力()； --傾覆力矩（）； --徑向力矩（）。 挖掘機(jī)在進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)回轉(zhuǎn)支承上會(huì)受到外載荷、和的作用，因?yàn)橥诰蚬r和計(jì)算位置的不同，可以計(jì)算出若干組當(dāng)量軸向負(fù)荷，我們選擇其最大值。 挖掘機(jī)工作裝置主要分為三種：反鏟工作裝置、正鏟工作裝置以及其他作業(yè)裝置，這樣就導(dǎo)致在計(jì)算不同工作裝置在不同位置時(shí)要使用不同的計(jì)算方法。因?yàn)槲以O(shè)計(jì)的液壓挖掘機(jī)工作裝置是反鏟工作裝置，所以就反鏟裝置的工作過程給予詳細(xì)的分析，其余情況就不一一介紹。挖掘機(jī)在進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)，在各個(gè)位置時(shí)都會(huì)有著不同的當(dāng)量軸向負(fù)荷，我們不可能一一計(jì)算在內(nèi)。所以在一般情況下，我們選擇具有代表性的三個(gè)位置進(jìn)行分析與計(jì)算： （1）動(dòng)臂兩絞點(diǎn)處于同一水平線上，斗桿鉛直，用鏟斗液壓缸挖掘，使切向斗齒力垂直于地面。如下圖3-1-1所示 V 圖3-1-1斗桿鉛垂時(shí)工作位置計(jì)算圖 因?yàn)槲以O(shè)計(jì)的是微型液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)，不涉及工作裝置各部分的計(jì)算，所以有關(guān)液壓挖掘機(jī)工作裝置的數(shù)據(jù)只能從網(wǎng)上對(duì)比選擇與我設(shè)計(jì)類似的微型液壓挖掘機(jī)的數(shù)據(jù)，我選用的是“山河智能”SWE40U型液壓挖掘機(jī)，因?yàn)樗x數(shù)據(jù)僅為近似值，所以我也就近似求解。 下表的數(shù)據(jù)就是某挖掘機(jī)在斗桿鉛直時(shí)，其工作裝置各部分相對(duì)以中心點(diǎn)的力矩與力臂的數(shù)值。下圖所示的數(shù)據(jù)均為某液壓挖掘機(jī)的工作時(shí)的數(shù)據(jù)。 ` 圖3-1-2某液壓挖掘機(jī)工作時(shí)各項(xiàng)數(shù)據(jù) 挖掘機(jī)進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)以上部分是不對(duì)中心點(diǎn)產(chǎn)生力矩的，我們只計(jì)算工作裝置產(chǎn)生的力矩 （3-2） 帶入上表中所顯示的數(shù)據(jù)，得 在挖掘機(jī)進(jìn)行作業(yè)過程中，各項(xiàng)力會(huì)對(duì)回轉(zhuǎn)支承中心產(chǎn)生合力，合力為 (3-3) 同樣帶入上數(shù)據(jù)，得 挖掘機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，總傾覆力矩會(huì)對(duì)回轉(zhuǎn)支承產(chǎn)生的力是 式中：--反鏟裝置進(jìn)行作業(yè)時(shí)，挖掘機(jī)受到的切向挖掘阻力（）； --反鏟工作裝置進(jìn)行作業(yè)時(shí)，挖掘機(jī)整機(jī)受到的法向挖掘阻力（）； --回轉(zhuǎn)支承上部（也就是轉(zhuǎn)臺(tái)）的重量（）； --動(dòng)臂液壓缸的質(zhì)量（）； --斗桿液壓缸的質(zhì)量（）； --鏟斗液壓缸的質(zhì)量（） 、--表示動(dòng)臂和斗桿的自重（）； --鏟斗自重和斗內(nèi)所有物體的重量之和（）； --力臂的長度（m） --回轉(zhuǎn)支承工作條件系數(shù)，對(duì)于微型液壓挖掘機(jī)，取。 所以當(dāng)量負(fù)荷的計(jì)算將上述三個(gè)值帶入 （2）在挖掘機(jī)進(jìn)行土工作業(yè)時(shí)，挖掘機(jī)的工作裝置在掘進(jìn)土層時(shí)，會(huì)有一個(gè)最大深度，在這種情況下，總傾覆力矩為（見圖3-2） (3-4) 圖3—2最大挖掘深度時(shí)反鏟回轉(zhuǎn)支撐當(dāng)量負(fù)荷的計(jì)算位置 (3) 挖掘機(jī)在不作業(yè)時(shí)，如圖3-3所示的停放方式，其反鏟回轉(zhuǎn)裝置當(dāng)量負(fù)荷是 (3-5) (3-6) (3-7) 式中： --回轉(zhuǎn)支承所受法向力與水平線的夾角（） 圖3—3回轉(zhuǎn)支撐當(dāng)量負(fù)荷的計(jì)算位置 3.2 負(fù)荷能力的計(jì)算 一般用回轉(zhuǎn)支承的靜、動(dòng)容量來表示回轉(zhuǎn)支承的負(fù)荷能力的大小，動(dòng)容量與靜容量的區(qū)別在于一靜一動(dòng)，簡單點(diǎn)來說動(dòng)容量是回轉(zhuǎn)支承在進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不會(huì)因回轉(zhuǎn)次數(shù)過多而受損，而靜容量就是當(dāng)回轉(zhuǎn)支承靜止時(shí)，受靜負(fù)荷的作用下，不會(huì)出現(xiàn)磨損的能力。由于我選用的是微型液壓挖掘機(jī)，不會(huì)進(jìn)行速度較快的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以只需要計(jì)算其回轉(zhuǎn)支承的靜容量。 回轉(zhuǎn)支承的靜容量計(jì)算如下： 式中： --滾柱靜容量系數(shù)（）； --滾球靜容量系數(shù)（）； 與是相關(guān)的兩個(gè)量，在計(jì)算中取滾球靜容量系數(shù)為兩倍的滾柱系數(shù)； --分為柱體和球體，本次設(shè)計(jì)滾動(dòng)體是球體，是球體的直徑（mm），選?。? --接觸角的大小，我們?nèi)。? --滾動(dòng)體總數(shù)。 下面我們來分析與計(jì)算滾動(dòng)體總數(shù)，通過查閱資料可以得知滾動(dòng)體總數(shù)的計(jì)算分為兩種情況，一種是帶隔離塊的，另一種是不帶隔離塊。因?yàn)槲覀冞x用的是四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承，在生產(chǎn)中我們必須按照國家標(biāo)準(zhǔn)來制定，國家標(biāo)準(zhǔn)中的額定靜容量是按照帶隔離帶算出的，因次我們選用下式 (3-8) 上式中: --滾道中心直徑（）； --隔離帶的寬度（）；這個(gè)寬度的選擇主要是依據(jù)滾道中心直徑的大小來制定的，標(biāo)準(zhǔn)是=,當(dāng)大于這個(gè)值時(shí)，選取寬度為；當(dāng)小于等于這個(gè)值時(shí)，選取寬度為。 帶入數(shù)據(jù)得 由國家標(biāo)準(zhǔn)取。 在計(jì)算回轉(zhuǎn)支承的靜容量時(shí)，由于回轉(zhuǎn)支承靜容量受到滾道表面硬度的影響，所以當(dāng)選用靜容量系數(shù)時(shí)，按照下表兩者的關(guān)系來選擇： 所以按照式子（3-2-1）可以計(jì)算出 最后一步，驗(yàn)證滾道的的承載能力，主要是根據(jù)計(jì)算出來的安全系數(shù)，如下式 式子：--回轉(zhuǎn)支承的靜容量； --當(dāng)量軸向載荷； --回轉(zhuǎn)支承安全系數(shù)，由于我設(shè)計(jì)的是微型液壓挖掘機(jī)，取1.30~1.45之間 經(jīng)計(jì)算得，回轉(zhuǎn)支承安全系數(shù)在合理范圍之內(nèi)。 3.3連接螺栓的校核 連接螺栓是回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)的重要零件，他的主要作用是連接回轉(zhuǎn)支承外圈和轉(zhuǎn)臺(tái)，當(dāng)挖掘機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其勢必會(huì)帶給連接螺栓較大的應(yīng)力，所以必須對(duì)作為關(guān)鍵零件的連接螺栓進(jìn)行校驗(yàn)。 （一）最大工作載荷 最大工作載荷的計(jì)算公式由下式得 （3-9） 上式中 --螺栓分布直徑（m），取D等于內(nèi)圈螺栓分布圓直徑； --圈螺栓的數(shù)目 計(jì)算連接螺栓預(yù)緊力 螺栓預(yù)緊力的計(jì)算如下 （3-10） 式中：--工作載荷分配系數(shù)，對(duì)于高強(qiáng)度螺栓常取x=0.25 --結(jié)合面緊密性安全系數(shù)。一般取 我們可以選取，，經(jīng)計(jì)算得 （3-11） 那么我們不難得到 （3-12） 上式中：F--螺紋根部的斷面積螺栓的預(yù)緊力通常是，為螺栓的屈服極限（MPa）。 當(dāng)按算出的值超過時(shí)，應(yīng)增加螺栓直徑或改變材質(zhì)。 為確保螺栓具有必要的預(yù)緊力，在擰緊螺紋和螺母斷面涂油的情況下，測力 扳手的預(yù)緊扭矩為 (Nm) (3-13) 式中：—螺栓名義直徑（mm） 當(dāng)預(yù)緊力時(shí) (Nm) (3-14) 下面來計(jì)算螺栓最大計(jì)算載荷 (KN) (3-15) 當(dāng)時(shí)， (KN) 螺栓的強(qiáng)度計(jì)算 螺栓的靜強(qiáng)度安全系數(shù) （3-16） 螺栓的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù) （3-17） 式中：變應(yīng)力的應(yīng)力幅（MPa）， （3-18） —螺栓螺紋部分對(duì)稱循環(huán)疲勞極限（MPa） 對(duì)于45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)， MPa時(shí)，可近似取為40 MPa。對(duì)于40Cr鋼，調(diào)質(zhì)，， MPa時(shí)，可以近似取為MPa（小值用于大直徑螺紋）。 上述值系螺栓在次載荷循環(huán)下的疲勞極限，對(duì)10年工作壽命的挖掘機(jī)，載荷循環(huán)次數(shù)約為，因此可將增大左右。 3.4計(jì)算與校驗(yàn)回轉(zhuǎn)小齒輪 （一）計(jì)算外嚙合小齒輪參數(shù) 如下圖3-4表示的就是小齒輪齒數(shù)與小齒輪變位系數(shù)之間的關(guān)系 圖3-4 齒數(shù)與變位系數(shù)參照表 外嚙合小齒輪的齒數(shù)一般選取，所以可以確定變位系數(shù)。 計(jì)算內(nèi)嚙合小齒輪參數(shù) 內(nèi)嚙合小齒輪與外嚙合齒輪參數(shù)選擇有著明顯的區(qū)別，我們選擇齒數(shù)，選用變位系數(shù)，同時(shí)為了提高齒輪的彎曲強(qiáng)度，我們采用的短齒齒形?；? （三）確定齒輪傳動(dòng)參數(shù) 挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的大小齒輪要按照國家標(biāo)準(zhǔn)來選取，采用的基準(zhǔn)齒形，大齒輪與小齒輪之間的傳動(dòng)選用高度變位齒輪傳動(dòng)。由于傳動(dòng)之間的摩擦損耗，為了提高傳動(dòng)強(qiáng)度，小齒輪與大齒輪的變位系數(shù)不同。由上面所得的內(nèi)容可知 4回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式及其選擇 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一般分為半回轉(zhuǎn)和全回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 。微型液壓挖掘機(jī)由于工作環(huán)境的多樣化，要求其必須可以進(jìn)行回轉(zhuǎn)作業(yè)。因此微型液壓挖掘機(jī)必須選擇全回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。 4.1 微型液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)方式以及選擇可以見表4-1-1。 回轉(zhuǎn)方案 傳動(dòng)方式 液壓馬達(dá)型號(hào) 高速方案 兩級(jí)正齒輪傳動(dòng)， 斜軸式高速液壓馬達(dá) 斜盤式高速液壓馬達(dá) 一級(jí)正傳動(dòng)和一級(jí)行星齒輪傳動(dòng) 兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng) 一級(jí)正傳動(dòng)和兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng) 低速方案 正齒輪傳動(dòng) 內(nèi)曲線式，靜力平衡式和星型柱塞式 表4-1-1 回轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)形式表 下面就此表介紹回轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)形式。 高速方案：高速方案選用的馬達(dá)是高速液壓馬達(dá)，這種馬達(dá)的典型特點(diǎn)就是轉(zhuǎn)速高，但是由于這種馬達(dá)的轉(zhuǎn)速過快，所以高速方案中一般都配有齒輪減速箱，通過齒輪減速箱的減速后，液壓馬達(dá)會(huì)增大其扭矩，從而帶動(dòng)回轉(zhuǎn)小齒輪滾動(dòng)，進(jìn)而使轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。 4-1-1可知高速方案有四種傳動(dòng)方式。由于高速方案選用的是每轉(zhuǎn)排量較小、轉(zhuǎn)速高的液壓馬達(dá)，在生產(chǎn)生活中主要采用的是斜軸式液壓馬達(dá)，可以使用多種傳動(dòng)方式。目前斜盤式液壓馬達(dá)由于回轉(zhuǎn)減速器的不斷改進(jìn)，并增加了防反沖閥等多種液壓元件，提高了性能 ，在生產(chǎn)中的應(yīng)用也逐步增多。 低速方案：低速方案的馬達(dá)選擇不同于高速馬達(dá)，它選用的是低速馬達(dá)，但是這種馬達(dá)的速度雖然低，但是他的典型特征就是扭矩大，所以在低速方案中不需要增加齒輪減速箱這一類減速器。 低速方案不同于高速方案，不需要減速器來增大扭矩，可以大大節(jié)省空間。相比于高速方案的液壓馬達(dá)，低速方案因?yàn)椴恍枰簤厚R達(dá)進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)，所以采用低速馬達(dá)，但是因?yàn)榈退亳R達(dá)轉(zhuǎn)速低，無法產(chǎn)生足夠大的扭矩，因而為了滿足上述兩種的需求。我們?cè)诘退俜桨钢羞x用低速大扭矩馬達(dá)，在市場上主要的類型通常為內(nèi)曲線式，靜力平衡式和星型柱塞式等。因?yàn)榈退俜桨钢胁捎玫鸟R達(dá)具有扭矩達(dá)、速度低的特點(diǎn)，所以在挖掘機(jī)運(yùn)行和生產(chǎn)時(shí)制動(dòng)性能好，廠商一般不會(huì)在采用低速方案的液壓挖掘機(jī)中安裝制動(dòng)器。 由于低速大扭矩液壓馬達(dá)的制動(dòng)性能較好，固未采用另外的制動(dòng)器。 高速方案和低速方案各有其特點(diǎn)，生產(chǎn)廠家會(huì)根據(jù)液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)環(huán)境、挖掘機(jī)生產(chǎn)各個(gè)方面的數(shù)據(jù)來選擇。高速方案與低速方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)，下表4-1-2列出了高速方案與低速方案的優(yōu)缺點(diǎn)。 表4-1-2 兩種傳動(dòng)方案比較 方案 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 高速方案 高速液壓馬達(dá)具有占用空間小，不需背壓補(bǔ)油，便于設(shè)置小制動(dòng)器，發(fā)熱和功率損失小，性能可靠，適合 多種環(huán)境下的復(fù)雜作業(yè)， 需要較大的啟動(dòng)扭矩。 低速方案 零件少，傳動(dòng)簡單，起動(dòng)制動(dòng)性能好，對(duì)油污的敏感性小，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn) 發(fā)熱和功率損失比較大，工作制動(dòng)性能比較差，專業(yè)化生產(chǎn)和通用化程度比較差。 根據(jù)上述表格兩種傳動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較，在結(jié)合我所設(shè)計(jì)的是微型液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)體機(jī)構(gòu)，高速方案適合于啟動(dòng)扭矩大的中大型挖掘機(jī)，所以我采用低速大扭矩液壓馬達(dá)，即選擇低速方案 全回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)按液壓泵的調(diào)節(jié)方式和回轉(zhuǎn)制動(dòng)方式可分為九類，如表4-1-3所示 表4-1-3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)分類方式 驅(qū)動(dòng)方式 定量泵 分功率變量泵 全功率變量泵 傳動(dòng)方式代號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 回轉(zhuǎn)制動(dòng)方式 液壓 液壓+機(jī)械 機(jī)械 液壓 液壓+機(jī)械 機(jī)械 液壓 液壓+機(jī)械 機(jī)械 轉(zhuǎn)臺(tái)可否自由轉(zhuǎn)動(dòng) 不可 可 不可 可 不可 可 下面我們來分析回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)傳動(dòng)，傳動(dòng)示意圖如圖4-1 1-定量泵 2-高壓管路 3-安全閥 4-換向閥 5-回轉(zhuǎn)馬達(dá) 6-過載閥 7-單向閥 圖4-1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖 下面我們依據(jù)上面的傳動(dòng)系統(tǒng)圖對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，在液壓系統(tǒng)壓力正常的情況下，液壓油通過定量泵進(jìn)入高壓管路，再由高壓管路進(jìn)入液壓馬達(dá)，在由低壓油管路經(jīng)換向閥流回油箱。這就是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的簡單傳動(dòng)過程。在其中安全閥3起著保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的作用，在液壓傳動(dòng)中一旦壓力高于標(biāo)準(zhǔn)值后，液壓油會(huì)通過安全閥流走，從而保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的壓力平衡。圖4-1中換向閥4的作用是控制轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)方向，換向閥的操作桿在如圖所示的位置時(shí)，整條油路就不通，液壓油無法經(jīng)正常的通路進(jìn)入回轉(zhuǎn)馬達(dá)以及順利流出，此時(shí)回轉(zhuǎn)馬達(dá)處于無法工作的狀態(tài)。換向閥的位置決定了液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)向。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，液壓加機(jī)械制動(dòng)采用最為廣泛，而低速大扭矩液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)則易于選用機(jī)械制動(dòng)，而本次設(shè)計(jì)正是低速大扭矩液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，因此將選用機(jī)械制動(dòng)的方式。 5 回轉(zhuǎn)阻力矩 回轉(zhuǎn)阻力矩是挖掘機(jī)在各種不同情況下受到不同方向的分力而引起是阻力矩，主要是回轉(zhuǎn)摩擦阻力矩、回轉(zhuǎn)風(fēng)阻力矩、斜坡阻力矩以及回轉(zhuǎn)慣性矩這四種。挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)阻力矩就是上面四種阻力矩的和，因?yàn)橥诰驒C(jī)在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)會(huì)消耗上大量的功率，所以回轉(zhuǎn)慣性阻力矩在這四種中起著主要作用。 5.1 回轉(zhuǎn)慣性阻力矩計(jì)算 回轉(zhuǎn)慣性阻力矩是由挖掘機(jī)在靜止時(shí)因液壓挖掘機(jī)的慣性力產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩，下面是它的計(jì)算公式 (5-1) 式中：--回轉(zhuǎn)角加速度 Ｑ--鏟斗的重量以及鏟斗內(nèi)所含物體的重量（ｋｇ）； ｇ--重力加速度，一般選取9.8（）； ｒ--力臂的長度，指的是所挖土方的質(zhì)量到回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的距離（ｍ）； ｊ--轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的值，包括工作裝置以及轉(zhuǎn)臺(tái)上的所有元件。 5.2 回轉(zhuǎn)摩擦阻力矩計(jì)算 回轉(zhuǎn)摩擦阻力矩是由于液壓挖掘機(jī)在進(jìn)行回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，在受到外部載荷的作用下，由摩擦力或是摩擦力的分力產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)力矩。計(jì)算公式如下 (5-2) 式中：--當(dāng)量摩擦系數(shù)，選用參照表5-1 表5—1當(dāng)量摩擦系數(shù) 工況 滾動(dòng)式軸承 交叉滾柱式軸承 正常周期 0.008 0.01 回轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí) 0.012 0.015 --回轉(zhuǎn)支承的滾道中心直徑（m）； --軸向力矩以及傾覆力矩的作用下，對(duì)滾動(dòng)體產(chǎn)生的法向的壓力值的和（N），注意由于對(duì)于滾動(dòng)體產(chǎn)生的法向壓力方向會(huì)出現(xiàn)不同，要去絕對(duì)值之后取值。 --在徑向荷載的作用下，滾動(dòng)體上的法向壓力值和，同上面一樣，取絕對(duì)值之后求和（N）。 因?yàn)檫x取的是四點(diǎn)接觸式軸承，取≦0.3 （N） 5.3 回轉(zhuǎn)風(fēng)阻力矩計(jì)算 回轉(zhuǎn)風(fēng)阻力矩是由外部阻力風(fēng)力引起的回轉(zhuǎn)力矩，在回轉(zhuǎn)阻力矩的計(jì)算過程中由于風(fēng)阻力產(chǎn)生的力矩太小，所以一般不作考慮。下面簡單的介紹它的計(jì)算方法。 ( N /m) (5-3) 式中： p--風(fēng)壓值的大小，一般 取p=147 N /m； --乘風(fēng)面積的大小，乘風(fēng)面積指的就是回轉(zhuǎn)體部分受到風(fēng)力的有效面積（m）； --回轉(zhuǎn)裝置各部分受到風(fēng)力的有效面積的形心到回轉(zhuǎn)中心的距離，一邊取正值，一邊取負(fù)值 。 5.4回轉(zhuǎn)坡度阻力矩計(jì)算 當(dāng)挖掘機(jī)停在斜坡上的時(shí)候，挖掘機(jī)會(huì)與水平面成現(xiàn)出一個(gè)夾角，上部轉(zhuǎn)臺(tái)與工作裝置的重量會(huì)產(chǎn)生一個(gè)在斜坡上的分力，上車會(huì)產(chǎn)生一個(gè)回轉(zhuǎn)力矩。下面的式子就是回轉(zhuǎn)坡阻力矩的計(jì)算方法。 ( N /m) (5-4) 式中：--角度值，是斜坡與水平面的夾角； --挖掘機(jī)工作裝置的總重量（㎏）； --轉(zhuǎn)臺(tái)上部的質(zhì)量（㎏）； --鏟斗內(nèi)土石的質(zhì)量（㎏） --物料重心到回轉(zhuǎn)中心軸線的距離（m） --工作裝置重心到回轉(zhuǎn)中心軸線的距離（m） --轉(zhuǎn)臺(tái)上部（除工作裝置外）重心到回轉(zhuǎn)中心軸線的距離（m） 6 轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析 微型液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)泵采用定量泵驅(qū)動(dòng)，挖掘機(jī)進(jìn)行回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行小幅度回轉(zhuǎn)時(shí)，挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)過程幾乎就是勻速過程，但當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)行大幅度回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，回轉(zhuǎn)過程中便會(huì)明顯的出現(xiàn)加速、勻速與減速三個(gè)階段，在這期間轉(zhuǎn)角、角速度、啟動(dòng)與制動(dòng)力矩均會(huì)隨著轉(zhuǎn)角的變化而變化，其變化過程如圖6-1所示。 圖 6-1 微型液壓挖掘機(jī)角速度、角加速度、啟動(dòng)力矩、制動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系圖 6.1 轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過程 微型液壓挖掘機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過程在轉(zhuǎn)過較大轉(zhuǎn)角時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)過程。首先是啟動(dòng)加速過程，在這一期間轉(zhuǎn)臺(tái)的速度處于加速變化狀態(tài)，且加速度不恒定，其次是制動(dòng)減速階段，再接著是恒流量也叫做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)階段，此時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速取決于定量泵的輸入流量，且勻速轉(zhuǎn)動(dòng)階段只會(huì)出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角較大的情況下，最后就是空斗時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)的返回過程。以上的過程就是挖掘機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)在進(jìn)行回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)的完整過程。 6.1.1 起動(dòng)加速過程 如圖6—2所示為定量泵驅(qū)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)起動(dòng)扭矩變化的實(shí)測情況。從圖中不難看出轉(zhuǎn)臺(tái)的啟動(dòng)力矩隨時(shí)間的變化是一個(gè)漸變的過程。在時(shí)間啟動(dòng)力矩隨時(shí)間的變化而急速上升，在時(shí)刻到達(dá)頂峰也就是最大啟動(dòng)力矩的時(shí)候。而后隨著時(shí)間的增大，啟動(dòng)力矩大體的趨勢是減小，但在一小段時(shí)間內(nèi)仍然會(huì)出現(xiàn)峰值，這就是轉(zhuǎn)臺(tái)上的瞬時(shí)力矩。在整個(gè)階段中我們可以標(biāo)出作用在轉(zhuǎn)臺(tái)上的平均起動(dòng)力矩。 圖6-2轉(zhuǎn)臺(tái)啟動(dòng)力矩變化情況 圖6-3 定量泵驅(qū)動(dòng)時(shí)角速度與時(shí)間關(guān)系 圖6-4 定量泵驅(qū)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)角與時(shí)間關(guān)系 由上面計(jì)算回轉(zhuǎn)阻力矩可以得知，回轉(zhuǎn)阻力是由四個(gè)部分組成，分別是坡度、風(fēng)力、慣性阻力以及摩擦阻力。因?yàn)槠露扰c風(fēng)力影響較小，所以不作考慮。 啟動(dòng)階段的回轉(zhuǎn)阻力就是慣性阻力矩和摩擦阻力矩。在實(shí)際啟動(dòng)階段，回轉(zhuǎn)摩擦阻力矩很小，一般不作考慮。并假定轉(zhuǎn)臺(tái)在整個(gè)起動(dòng)過程中的起動(dòng)力矩不變，則有 常數(shù)（） (6-1) 由上述三個(gè)圖以及上式，運(yùn)用微分方程的方法，可以得出 起動(dòng)過程所耗功 () (6-2) 起動(dòng)過程所耗功率 (6-3) 式中： --挖掘機(jī)的鏟斗滿載時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（） --挖掘機(jī)的鏟斗滿載時(shí)回轉(zhuǎn)加速結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)角速度（） --挖掘機(jī)的鏟斗滿載時(shí)回轉(zhuǎn)加速結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)角（） -- 挖掘機(jī)的鏟斗滿載時(shí)回轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)起動(dòng)時(shí)間（） 6.1.2制動(dòng)減速過程 如圖6—5所示是典型的在采用液壓制動(dòng)后制動(dòng)力矩的變化圖。圖中表示由于閥的動(dòng)態(tài)特性所引起的作用在轉(zhuǎn)臺(tái)上的瞬時(shí)力矩；表示最大制動(dòng)力矩：表示作用在轉(zhuǎn)臺(tái)上的平均制動(dòng)力矩；表示液壓馬達(dá)壓力從零升到最大值的升壓時(shí)間，其值略小于。是與靜摩擦和動(dòng)摩擦有關(guān)的系數(shù)，為了簡化計(jì)算，可令。 在不考慮坡度、風(fēng)力及摩擦阻力據(jù)的影響時(shí)，作用在轉(zhuǎn)臺(tái)上的制動(dòng)力矩等于慣性阻力矩，并假定在制動(dòng)過程中其值不便，于是有 常值 (6-4) 圖6-5 液壓制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)力矩變化實(shí)測情況 圖6-6 制動(dòng)時(shí)角速度與時(shí)間關(guān)系 根據(jù)式子和圖6—6的坐標(biāo)系建立角速度對(duì)時(shí)間的微分方程 (6-5) 對(duì)上式微分方程進(jìn)行求解，可以得到其通解是 (6-6) 由其通解，解得其特解是 取 ，也就是 即得到 (6-7) 取，經(jīng)計(jì)算的 (6-8) 根據(jù)式子和圖6—7的坐標(biāo)系建立轉(zhuǎn)角對(duì)制動(dòng)時(shí)間的微分方程 (6-9) 對(duì)上式進(jìn)行微分方程計(jì)算 (6-10) 由圖6-可以看出當(dāng)時(shí)， 代入上式 解得 (6-11) 所以上述微分方程的特解 (6-12) 圖6-7 制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)角與時(shí)間關(guān)系 當(dāng)時(shí) 代入上式 (6-13) 6.1.3 恒流量過程 恒流量過程也就是與勻速轉(zhuǎn)動(dòng)過程，當(dāng)微型液壓挖掘機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)勻速過程。由上述轉(zhuǎn)角與速度的關(guān)系圖可知，當(dāng)轉(zhuǎn)角過小時(shí)不會(huì)出現(xiàn)勻速過程，只有當(dāng)轉(zhuǎn)角增大時(shí)才會(huì)出現(xiàn)勻速過程，則 (6-14) (6-15) 上式中 ： --轉(zhuǎn)臺(tái)單向回轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)角; --勻速階段的轉(zhuǎn)角; --勻速回轉(zhuǎn)時(shí)間; 6.1.4 空斗時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)返回過程 轉(zhuǎn)臺(tái)空斗返回過程與滿斗回轉(zhuǎn)是有著明顯的區(qū)別的，首先在分析空斗時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)仍然可以使用滿斗時(shí)的公式，但需要注意的是上述公式中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是有區(qū)別的，此外，計(jì)算時(shí)還需要注意無論是用三角速度圖進(jìn)行分析還是用梯形速度圖進(jìn)行分析，都會(huì)對(duì)最佳轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響 (一) 用三角形速度圖 (6-16) (6-17) (二)用梯形速度圖 (6-20) (6-18) (6-19) (6-20) (6-21) (6-22) 通過用三角速度圖與梯形速度圖對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)在不同時(shí)間的轉(zhuǎn)角速度、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間、角加速度進(jìn)行分析，我們可以得出在轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)的一系列過程中所得的關(guān)于轉(zhuǎn)臺(tái)各個(gè)階段轉(zhuǎn)動(dòng)的公式，為我們接下來對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)最佳速度的分析與計(jì)算做了鋪墊。。 6.2.分析與計(jì)算轉(zhuǎn)臺(tái)最佳速度 要分析與計(jì)算轉(zhuǎn)臺(tái)最佳轉(zhuǎn)速，首先我們要知道什么是最佳轉(zhuǎn)速以及最佳轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式，先來分析第一個(gè)問題什么是最佳轉(zhuǎn)速，最佳轉(zhuǎn)速有三個(gè)基本原則： （1）角速度在允許值范圍內(nèi)； （2）回轉(zhuǎn)力矩在允許范圍內(nèi)； （3）時(shí)間盡可能的短。 下面我們分別用梯形速度圖與三角行速度圖來對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的最佳轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析。 6.2.1 具有勻速運(yùn)動(dòng)階段的梯形速度圖的轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算分析 回轉(zhuǎn)循環(huán)時(shí)間： (6-23) 上式對(duì)進(jìn)行求導(dǎo)，求得 (6-24) 將 以及代入上式，得 (6-25) 又因?yàn)?，所以? (6-26) 將上式代入回轉(zhuǎn)時(shí)間的公式中，再對(duì)進(jìn)行求導(dǎo)，令求導(dǎo)的值為0，得 (6-27) 再將， 代入上式得 (6-28) 式中： --液壓功率； --回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總效率； 其中、以及為對(duì)應(yīng)的效率值，取0.95 取1.8 6.2.2 具有無勻速運(yùn)動(dòng)階段三角形速度圖的轉(zhuǎn)臺(tái)最佳速度計(jì)算分析 對(duì)于定量泵驅(qū)動(dòng)空斗單向回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角 (6-29) 由梯形圖的方法不難得出 (6-30) (6-31) 將代入 ，便可得到 (6-32) 也就可以算得 (6-33) (6-34) 在空斗回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的情況下 即 可以得出 (6-35) 按照回轉(zhuǎn)時(shí)間的計(jì)算公式可得出 (6-36) 上面兩種對(duì)于回轉(zhuǎn)平臺(tái)最佳轉(zhuǎn)速的方法就已經(jīng)全部完成，只要用正確的代入相關(guān)的數(shù)據(jù)，即可得到我們所需要的參數(shù)。 6.3.具體參數(shù)的計(jì)算 根據(jù)液壓馬達(dá)的選取原則，正確地選取我們?cè)O(shè)計(jì)所需要的馬達(dá)?？紤]到液壓馬達(dá)的各項(xiàng)性能，這次研究的又是微型液壓挖掘機(jī)，參照實(shí)際生產(chǎn)中的各種液壓挖掘機(jī)所用液壓馬達(dá)的數(shù)據(jù)，選取低速大扭矩液壓馬達(dá)。 經(jīng)參閱《液壓元件使用指南》一書，我初選型號(hào)的徑向球塞式液壓馬達(dá)，其基本技術(shù)參數(shù)如下 6.3.1回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇 在總體設(shè)計(jì)階段中，如何確定轉(zhuǎn)臺(tái)的最佳轉(zhuǎn)速是一個(gè)關(guān)鍵性問題 ，設(shè)計(jì)中我們可以得知只有先確定轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、啟動(dòng)力矩、制動(dòng)力矩、以及轉(zhuǎn)角范圍的值，才能得出最佳轉(zhuǎn)速 。上述參數(shù)的確定，對(duì)與確定回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性具有重要意義。 在生產(chǎn)中，我們常常根據(jù)最常見的工況和常用的工作裝置來估算轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。因?yàn)楣ぷ餮b置的不同及反鏟與正鏟裝置的不同，用來估算的公式也不相同。由設(shè)計(jì)書可知，我設(shè)計(jì)的液壓挖掘機(jī)是反鏟裝置，因此采用如下公式； 當(dāng)挖掘機(jī)斗容量滿載時(shí)，有 （） (6-37) 當(dāng)挖掘機(jī)空斗時(shí)，有 （） (6-38) 上式中，是整個(gè)挖掘機(jī)的質(zhì)量，將代入上式就可以得到 所以， 回轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩以及制動(dòng)力矩的確定 首先我們需要確定的是回轉(zhuǎn)最大啟動(dòng)力矩和最大制動(dòng)力矩不應(yīng)該超過行走部分與地面的附著力矩。通過查閱資料得到，當(dāng)制動(dòng)方式不同時(shí)，回轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩與制動(dòng)力矩也不同。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中我們采用的是機(jī)械制動(dòng)的履帶式液壓挖掘機(jī)，所以先按照如下公式計(jì)算： (Nm) 式中： G--整機(jī)重量（t） . --附著系數(shù)，對(duì)平履帶板取0.3，對(duì)帶筋履帶板取0.5 由于本設(shè)計(jì)采用的是機(jī)械制動(dòng)，當(dāng)機(jī)械制動(dòng)時(shí)，取