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1、. . 斗容1m3挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 摘 要 近年來,我國的基建工程有日益增多的趨勢,國家也要大力發(fā)展基建工程來拉動經(jīng)濟(jì)增長,而挖掘機(jī)作為土方施工必不可少的機(jī)械設(shè)備,將在我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面發(fā)揮舉足輕重的作用。 挖掘機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí),其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)要承受軸向載荷,徑向載荷,和傾覆力矩,對其剛度,強(qiáng)度與穩(wěn)定性就有一定的要求。所以,挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)對保持挖掘機(jī)整體的穩(wěn)定性方面有重要作用,對挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的研究有助于國家發(fā)展各種不同類型的挖掘機(jī)。 針對斗容1m3挖掘機(jī)的回

2、轉(zhuǎn)系統(tǒng),我進(jìn)行了驅(qū)動方案分析,回轉(zhuǎn)支承選型設(shè)計(jì),回轉(zhuǎn)速度控制及制動方案與制動器設(shè)計(jì),回轉(zhuǎn)系統(tǒng)各部件的受力校核及選型,還采用了有限元方法來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 國內(nèi)的挖掘機(jī)廠商對國內(nèi)市場的把握還不夠大,對挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的不斷優(yōu)化對國內(nèi)廠商制造更大更多類型的挖掘機(jī)有重要的意義。 關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)備；挖掘機(jī)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元 第一章 緒 論 1.1 液壓挖掘機(jī)及其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)介紹 液壓挖掘機(jī)是一種多功能周期作業(yè)的土方機(jī)械,廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸,水利工程,礦山采掘和電力工程等機(jī)械施工中。它的工作過程先是以鏟斗的切割刃切削土壤,裝滿后再提升、回轉(zhuǎn)至卸土位置,把土卸空后鏟斗

3、再回原來位置開始下一次作業(yè),如此循環(huán)。 所以挖掘機(jī)對于對于減輕工人繁重的體力勞動,加快施工進(jìn)度,提高施工機(jī)械化水平,促進(jìn)各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展,都起著很大的作用。一臺斗容1m3挖掘機(jī)每班的生產(chǎn)率基本上等于300-400個(gè)工人一天的工作量。所以很有必要大力發(fā)展液壓挖掘機(jī),提高其工作性能,讓其更好地提高生產(chǎn)率,為國民建設(shè)與國民經(jīng)濟(jì)服務(wù)。 挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臺和液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)等組成?；剞D(zhuǎn)支承的內(nèi)外座圈間設(shè)有滾動體,其底座跟帶齒的內(nèi)座之間用螺栓連接,外座圈跟轉(zhuǎn)臺用螺栓連接。挖掘機(jī)工作裝置上的各種載荷與力矩經(jīng)過回轉(zhuǎn)支承傳給底架?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的小齒輪既能繞自身自轉(zhuǎn)又能繞轉(zhuǎn)臺中心

4、公轉(zhuǎn),帶動轉(zhuǎn)臺繞底架回轉(zhuǎn),相當(dāng)于行星機(jī)構(gòu)。 1.2國內(nèi)外發(fā)展概況 工國外發(fā)達(dá)國家在挖掘機(jī)技術(shù)上一直處于領(lǐng)先優(yōu)勢,他們從20世紀(jì)80年代就開始生產(chǎn)特大型挖掘機(jī),例如,美國生產(chǎn)的斗容132m3的步行式拉鏟挖掘機(jī),斗容50-150m3剝離用挖掘機(jī)；B-E〔布比賽路斯-伊利〕公司生產(chǎn)的斗容量107m3的剝離用挖掘機(jī),斗容量168.2m3的步行式拉鏟挖掘機(jī)等。從20世紀(jì)后期開始, 國際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向微型化、多功能化、大型化、專用化和自動化的方向發(fā)展。 國內(nèi)的挖掘機(jī)生產(chǎn)商雖然要有很強(qiáng)的創(chuàng)新意識,并且要針對市場與用戶的各種要求來開發(fā)出新一代挖掘機(jī)的變型產(chǎn)品〔如高原型車、焊接車等〕,爭取步入大

5、型挖掘機(jī)市場,不能只依靠國外進(jìn)口,把握市場方向。同時(shí),國內(nèi)的廠商要提高用戶服務(wù),樹立良好的品牌形象,力求企業(yè)與用戶實(shí)現(xiàn)雙贏局面。只有這樣,國內(nèi)廠商才可能慢慢把失去的市場份額奪過來。 1.3 本設(shè)計(jì)的目的和意義 目前我國及發(fā)展中國家的基礎(chǔ)工程建設(shè)相當(dāng)多,挖掘機(jī)的產(chǎn)銷量很大。作為工程機(jī)械應(yīng)用專業(yè)的學(xué)生,通過此設(shè)計(jì),可以很全面地掌握挖掘機(jī)的構(gòu)造和作業(yè)環(huán)境及要求；掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路與方法；鍛煉其綜合運(yùn)用機(jī)械類基礎(chǔ)知識解決實(shí)際問題的能力和提高對計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用水平；本設(shè)計(jì)要求完成上臺車回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 研究內(nèi)容包括,驅(qū)動方案分析確定,傳動設(shè)計(jì),回轉(zhuǎn)支承選型設(shè)計(jì),回轉(zhuǎn)速度控

6、制及制動方案與制動器設(shè)計(jì)。 1.3研究的基本思路與采用的方法 通過查閱相關(guān)資料進(jìn)行回轉(zhuǎn)馬達(dá)與回轉(zhuǎn)支承的選型,計(jì)算嚙合齒輪參數(shù),計(jì)算液壓系統(tǒng)參數(shù)。 結(jié)合三維建模及分析修改設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)參數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)件或選用總成要完成選型匹配計(jì)算,寫出具體的型號。 生成二維設(shè)計(jì)圖,按標(biāo)準(zhǔn)要求完成標(biāo)注、打印出二維設(shè)計(jì)圖； 第二章 方案設(shè)計(jì) 2.1 回轉(zhuǎn)方案選擇 1〕高速方案：采用高速液壓馬達(dá),經(jīng)過齒輪減速箱來帶動小齒輪繞齒圈滾動,從而使平臺回轉(zhuǎn)。可以使用4種回轉(zhuǎn)方案： 1 一級正齒輪和一級行星齒輪傳動 2 兩級行星齒輪傳動 3 兩級正齒輪傳動 4 一級正齒輪和兩級行星齒輪傳動 在高

7、速軸上裝了機(jī)械制動器,我國目前對一級行星齒輪傳動和一級正齒輪和兩級行星齒輪傳動進(jìn)行了系列化和專業(yè)化生產(chǎn)。 方案優(yōu)點(diǎn)：馬達(dá)采用了高速馬達(dá),又加了齒輪減速機(jī)構(gòu),可靠性效率都比較高,同時(shí)又能降低成本縮小體積。設(shè)置了機(jī)械制動器,不需要背壓補(bǔ)油,降低了油液發(fā)熱與功率損失,可與軸向柱塞泵零件通用。 2〕低速方案：這種馬達(dá)轉(zhuǎn)速比較低,但扭矩比較大,帶動小齒輪并讓轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)的時(shí)候,中間不用加減速器。這種方案采用的液壓馬達(dá)通常為靜力平衡式,內(nèi)曲線式和星型柱塞式等。不用經(jīng)過減速器驅(qū)動的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)多是內(nèi)曲線式的,而且這種馬達(dá)轉(zhuǎn)速低,扭矩大。 方案優(yōu)點(diǎn)：這種馬達(dá)傳動比較簡單,起動的時(shí)候制動性能也比較好,零件比較少

8、,可靠性比較好,對油污的敏感性也比較小。 為了經(jīng)濟(jì)性、可靠性和效率,選用了方案2。 2.2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)齒輪嚙合方案的確定 內(nèi)齒式齒輪嚙合結(jié)構(gòu)緊湊能節(jié)省尺寸,受外部環(huán)境影響小。而外齒式齒輪嚙合傳動受外部環(huán)境影響比較大,比較浪費(fèi)橫向尺寸。所以選用內(nèi)齒式齒輪嚙合傳動。 2.3 回轉(zhuǎn)軸承選型 〔1〕單排滾球式 滾道端面中心d偏滾珠中心而且滾道是圓弧形曲面的,滾道半徑R=0.52d,滾珠與滾道接觸角α<水平線與作用力的夾角>一般45°,所以可以傳各種方向的軸向、徑向載荷與傾覆力矩。 〔2〕雙排滾球式 它的滾珠分了2排,下排比上排收到的載荷小,所以下排滾珠比較小。接觸角α<水

9、平線與作用力的夾角>=90°,所以能承受很大的軸向載荷與傾覆力矩。 〔3〕交叉滾柱式 滾動體做成了圓錐或圓柱形,接觸角常為45°,相鄰滾珠軸線交叉排列,滾道做成平面的,可以傳遞各種方向的載荷與力矩。 〔4〕組合滾子式 跟雙排滾珠式類似,帶第三排滾珠直于上、下兩排滾柱,能傳遞徑向載荷。主要用在直徑與受到的載荷都比較大的大型的液壓挖掘機(jī)上。 現(xiàn)實(shí)應(yīng)用最廣泛的是上述〔1〕〔2〕〔3〕3種。 縱觀液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承發(fā)展歷程,開始采用的雙排異徑球式,后來發(fā)展成用單排交叉滾柱式,近來單排四點(diǎn)接觸球式得到了迅速的發(fā)展。對比這三種回轉(zhuǎn)支承,單排四點(diǎn)接觸球式的全部滾動體都能同時(shí)分擔(dān)載

10、荷,而另外兩種只有一般滾動體可以承受載荷,所以其靜容量遠(yuǎn)超另外兩種。 綜合以上結(jié)論,此次的液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)軸承的選型選用單排四點(diǎn)接觸球式滾動軸承式, 2.4滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承的系列標(biāo)準(zhǔn)及其具體選型 滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承,不少國家已有系列標(biāo)準(zhǔn),由專門的軸承廠制造,主機(jī)成更具用途選用即可。 我國制定的滾動支撐系列標(biāo)準(zhǔn)分兩大類,六種結(jié)構(gòu)形式,四十種規(guī)格。 第一類或稱第一系列為接觸角,滾柱按1：1排列的交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承,以代號"HJ"表示。 第二類或稱為第二系列為接觸角的四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承,以代號"HS"表示。 每一類按座圈不帶齒〔代號"B"〕,帶外齒〔代號"W"〕和帶內(nèi)齒〔代號"N"〕

11、的不同分為三種結(jié)構(gòu)形式。 每一類按滾道中心直徑的大小分為二十種規(guī)格。 例如HJN-2820表示滾道中心直徑,具有內(nèi)齒機(jī)構(gòu)形式的交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承。 我國指定的滾動軸承職稱系列標(biāo)準(zhǔn)有一下特點(diǎn)： 1.尺寸參數(shù)比較齊全〔滾道中心直徑范圍是〕,符合主機(jī)系列,可滿足發(fā)展需要； 2.兩種系列的安裝尺寸,毛胚尺寸完全相同,可以互換： 3.齒輪有兩種模數(shù)以滿足不同的主機(jī)需要,內(nèi)外齒的原始齒形均為標(biāo)準(zhǔn)型〔即壓力角,齒頂高系數(shù),齒頂間隙系數(shù)〕.為了減少小齒輪齒數(shù),提高其承載能力,改善傳動性能,內(nèi)齒式采用高度變位〔變位系數(shù)+0.35〕,外齒式采用角度變位〔當(dāng)大齒圈齒數(shù)為95—116時(shí)變位系數(shù)取+1.0；

12、當(dāng)齒數(shù)為117—136時(shí)取+1.15；當(dāng)齒數(shù)等于和大于137時(shí)取+1.4〕 4.滾動體材料為 GCr15及GCr15SiMn,表面硬度為HRC61—55.座圈材料為50Mn,50SiMn,5CrMnMo等,滾道表面硬度為HRC55—65,硬化層深度為35mm. 參考《單斗液壓挖掘機(jī)》表3-2滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承參數(shù)系列,初步選取四點(diǎn)接觸球式滾動回轉(zhuǎn)支承系列,其基本技術(shù)參數(shù)如下: 滾道中心直徑： 外形尺寸： 安裝尺寸： 內(nèi)齒參數(shù)： 四點(diǎn)接觸球式滾動回轉(zhuǎn)支承滾球尺寸： 接觸角 圖 2.1回轉(zhuǎn)支承 2.5 主要性能參數(shù)

13、 斗容量 1M3 整機(jī)使用質(zhì)量〔含配重〕 30000㎏ 其中預(yù)估： 上車 19900㎏ 下車 9100㎏ 柴油機(jī) 型號 SAA6D102E-2 額定功率 125/2100 行駛速度范圍:

14、 低速范圍 VI=0～3.1 km/h 高速范圍 VⅡ=0～5.5 km/h 最大爬坡角 35o 軌距 2380 mm 每側(cè)履帶接地尺寸<長×寬> 6470×2980 mm 運(yùn)輸工況外形尺寸<長×寬×高> 9865×2980×3015 液壓系統(tǒng)參數(shù): 鏟斗油缸-個(gè)數(shù)×缸徑×行程

15、m> 130×1020×90 回轉(zhuǎn)液壓回路 28.4 控制液壓回路 3.2先導(dǎo)油路 斗桿油缸-個(gè)數(shù)×缸徑×行程 140×1635×100 動臂油缸-個(gè)數(shù)×缸徑×行程 130×1335×90 行走液壓回路 37.3 主泵最大流量 439 第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1回轉(zhuǎn)支承的受力分析 決定回轉(zhuǎn)支承壽命的主要是靜容量,因?yàn)槠涑Ｔ诘退俅筘?fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)。 為了研究滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承的受力狀態(tài),求出滾動體受的最大作用力,以便與驗(yàn)算滾道與滾動體間的接觸強(qiáng)度?；剞D(zhuǎn)支撐的座圈是一個(gè)多支點(diǎn)彈性體,主要以滾動體為支點(diǎn),承受著傾覆力

16、矩M徑向載荷Fr以及軸向載荷Fa的共同作用。設(shè)內(nèi)座圈與底架固定,外座圈與轉(zhuǎn)臺固定,轉(zhuǎn)臺經(jīng)外座圈,滾動體,內(nèi)座圈到底架是力的傳遞路線,如下圖2.3所示。 圖3.1 回轉(zhuǎn)支承受力簡圖 內(nèi)外座圈間的內(nèi)力分布跟制造方法有關(guān),為了計(jì)算的簡化,假設(shè)： 受力變形只發(fā)生在滾動體與滾道接觸處,內(nèi)外座圈為絕對剛體；滾道與滾動體接觸良好,無加工誤差,無徑向間隙和軸向間隙。 用在滾動體上的軸向、徑向載荷與傾覆力矩的疊加內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算,經(jīng)過分析后得出挖掘機(jī)在直立狀態(tài)下受到的載荷為最大。 總軸向力V=23KN 徑向力的分析包括了小齒輪與齒圈間嚙合力和風(fēng)力和慣性作用

17、下產(chǎn)生的離心力 其中C——風(fēng)載體型系數(shù)取0.7 Kh——高度休整系數(shù)取1 q——風(fēng)壓值取25公斤/m2 F——迎風(fēng)面 按照外傾5°來進(jìn)行計(jì)算: = ≈1.37KN 所以= ++≈5.2+1.37+43≈50KN 各力對回轉(zhuǎn)中心取距的傾斜力矩M為 ≈391KN.m 3.2靜載系數(shù)的確定 一般用回轉(zhuǎn)支承的靜、動容量來決定回轉(zhuǎn)支承的負(fù)荷能力,動容量指回轉(zhuǎn)支承回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)不會疲勞破壞出現(xiàn)裂紋的能力,而靜容量指回轉(zhuǎn)支承的滾動體與滾道接觸處在靜負(fù)荷的作用下的永久變形量之和到了滾動體直徑的萬分之一但不影響回轉(zhuǎn)支承正常運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。 挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)速度比較低,所以只

18、需要計(jì)算其回轉(zhuǎn)支承的靜容量。這種回轉(zhuǎn)支承的承載角,其靜態(tài)參照載荷計(jì)算可以參照以下公式： Fa′=〔Fa +2 Fr〕Fs ≈258t 其中Fa——軸向力 Fr——徑向力 Fs——靜載系數(shù)取1.25 M′=M Fs≈79×104N·m M——傾斜力矩 計(jì)算安全系數(shù): 軸向E額定靜負(fù)荷容量為:Coa=3000KN 當(dāng)量軸向載荷:Cp=≈2296KN 所以 ≈1.31 查挖掘機(jī)設(shè)計(jì)手冊知,安全系數(shù)在1.20~1.35之間符合設(shè)計(jì)要求 3.3 回轉(zhuǎn)支承的選型 經(jīng)過計(jì)算初步選擇支承：QNA1600-40內(nèi)嚙合式的,模數(shù)m=12,

19、齒數(shù)z=116,=1600,=1744,N表示內(nèi)齒式,40表示滾球直徑,1600代表它的回轉(zhuǎn)滾道中心直徑為1600mm。 2300-84給出了所選支承的承載曲線圖,圖中標(biāo)出了〔Fa′,M′〕坐標(biāo),并且在靜態(tài)承載力曲線下面。所以,選擇的支承型號符合要求。 圖3.1 QNA1600-40承載曲線圖 確定滾動體的數(shù)目：Z=Dπ/d-0.5≈127 3.4最大接觸應(yīng)力校核 滾動體所受載荷分別為：Pv=V/z≈5KN Phmax=KH/iz≈1.86KN

20、 Pmmax=KM/zD≈6.8KN 該支承滾珠接觸角為45度,承受的最大等效載荷為： Nmax= Pv/sinβ+ Phmax/cosβ+ Pmmax/ sinβ≈75KN≈1928公斤 最大接觸點(diǎn)應(yīng)力： ≈10000 式中：——最大的正應(yīng)力； ——接觸處的換算曲率半徑； 其中：≈0.09 查設(shè)計(jì)手冊可知當(dāng)HB<300時(shí)校核成立。 3.5支撐連接螺栓強(qiáng)度計(jì)算 〔1〕連接螺栓的最大工作載荷P0計(jì)算 P0=4M/nD+Fa/n 式中 M——傾覆力矩,根

21、據(jù)前面計(jì)算得M=628KN.m Fa——軸向力,根據(jù)前面計(jì)算得Fa=560KN D——螺栓分布圓直徑,根據(jù)回轉(zhuǎn)支承型號查得D=1540mm n——螺栓分布的個(gè)數(shù),根據(jù)回轉(zhuǎn)支承型號查得n=40 故 P0=4M/nD+Fa/n =28.79KN 〔2〕 連接螺栓預(yù)緊力的計(jì)算 為防止座圈與支撐面之間存在間隙,提高連接螺栓疲勞強(qiáng)度,通常都設(shè)置較大的預(yù)緊力,其大小如下： Py=ky P0〔1-χ〕 其中 χ——工作載荷分配系數(shù),對于不用彈簧墊圈的高強(qiáng)度螺栓通常取0.25 k

22、y——接合面緊密性安全系數(shù),一般取ky≥1.5～2.0,在此取2 故 Py=ky P0〔1-χ〕 =43.19KN 螺栓上的預(yù)緊應(yīng)力σy=10 Py／F1 其中F1 ——螺紋根部的斷面積。 F1 = d2π／4=0.252π／4=0.05N 故 σy=10 Py／F1 = 10×15.9×1000/0.05=3Mpa 螺栓的預(yù)緊應(yīng)力通常是σy 0.5～0.7σs,其中σs為螺

23、栓的屈服極限 查得螺栓的屈服極限σs為15Mpa,故符合預(yù)緊力要求。 〔3〕螺栓最大計(jì)算載荷 Pj=≈50.4KN 〔4〕 螺栓強(qiáng)度計(jì)算 靜強(qiáng)度安全系數(shù)：〉1.2~1.5 計(jì)算≈3.35 疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)： 2~3 計(jì)算≈5.6 3.6回轉(zhuǎn)齒輪強(qiáng)度校核 挖掘機(jī)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速比較低,傳動比比較大,其回轉(zhuǎn)齒輪為開式,其主要破壞形式為疲勞彎曲破壞,所以只需要對驅(qū)動小齒輪做彎曲強(qiáng)度計(jì)算。 計(jì)算最大彎曲應(yīng)根據(jù)力δF max 直齒圓柱齒輪齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算公式即 δF max= 〔MPa〕 PU—— 運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)在分度圓上最大圓周嚙合力〔KN〕

24、 PU= ——油馬達(dá)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的額定輸出扭矩,=1.5KN.m m——齒輪模數(shù),m=5mm Z——小齒輪齒數(shù),Z=12 q——齒形系數(shù)。根據(jù)齒數(shù)Z=12,變位系數(shù)X=+0.15,由曲線圖查得q=3 b——齒寬,b=45mm e——影響載荷系數(shù),取e=1.25 將上述參數(shù)代入3-6式得： == 齒根疲勞極限應(yīng)力： = 〔MPa〕 〔3.7〕 式中 ——壽命系數(shù),由壽命系數(shù)圖查得：=1.9 ——彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù),由表查得：=1.5 ——尺寸系數(shù),由尺寸系數(shù)圖查得：=1 ——相對應(yīng)力集中系數(shù),由系數(shù)圖查得：=0.88 由2

25、-7式計(jì)算得： =525×1.9×1/0.88×1.5=755.67MPa 計(jì)算結(jié)果表明：,齒根抗彎強(qiáng)度足夠。 3.7回轉(zhuǎn)軸承齒輪設(shè)計(jì) 3.7.1參數(shù)選擇 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)速度不是很快,其沖擊很輕微,取7級的精度,采用軟-軟齒面組合。查表選擇小齒輪的材料為調(diào)質(zhì)處理過的40Cr鋼,硬度241～286HBS;大齒輪選擇調(diào)質(zhì)處理過的材料為ZG42SiMn鑄鋼,硬度190～240 HBS； 粗選取=127,=117〔參考已有的產(chǎn)品〕9.75 由表取齒寬系數(shù)=0.6,按軟齒面齒輪對稱安裝。 3.7.2齒面接觸疲勞強(qiáng)度 齒面接觸疲勞強(qiáng)度的計(jì)算公式 <1> 初選載荷系數(shù),計(jì)算名義轉(zhuǎn)矩 =3

26、000 　由表查得使用系數(shù)KA=1.75 。由圖試取動載荷系數(shù) Kv=1.18。由表,按齒輪在兩軸承中間對稱布置,7級精度,初取KHβ=1.3 。由表按齒面未硬化,直齒輪,7級精度,,初取KHα=1.3 。 <2>初選系數(shù)和參數(shù) 因選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪,初選重合度系數(shù)Zε=0.9,節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH=2.5,查手冊確定彈性系數(shù)ZE=188.9。 齒面接觸許用應(yīng)力　 查手冊可知： 齒輪材料接觸疲勞極限應(yīng)力σHlim1=800MPa,σHlim2=560MPa 。 小齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 大齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 查手冊可知： 接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)ZN〔允許有一定量點(diǎn)蝕〕為：ZN1=0.9

27、5,ZN2=1.03。 查手冊取安全系數(shù)SH=1。 <3> 齒輪分度圓直徑等主要幾何尺寸的計(jì)算 148.67mm b==0.4148.67=60mm 取小齒輪與大齒輪的寬度=85mm,=80mm 12 取m=12 中心距 630mm 分度圓直徑 144mm,1404mm 基圓直徑 135.32mm,1319.32mm 齒頂圓直徑 173.93mm,1385mm 齒根圓直徑 118.8mm,1440mm 重合度 38.92’,17.69’ 1.69 <4> 由計(jì)算結(jié)果來校核前面得假設(shè)正確與否 41667N 查手冊得合理,取 因=0.6,

28、b=200,7級精度,對稱布置,查手冊得。 計(jì)算載荷系數(shù) 按,查手冊查得。標(biāo)準(zhǔn)齒輪,節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)。 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核 <=576.8Mpa 所以齒面接觸疲勞強(qiáng)度是安全的。? 3.7.3校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 其計(jì)算公式為 <1> 確定載荷系數(shù) 查手冊。 則 (2) 確定參數(shù) 經(jīng)過查手冊,小齒輪齒形系數(shù) ,大齒輪齒形系數(shù) 。 查手冊可知；小齒輪應(yīng)力修正系數(shù) ,大齒輪應(yīng)力修正系數(shù)； 重合度系數(shù)。 <3> 確定彎曲疲勞許用應(yīng)力 　彎曲疲勞許用應(yīng)力 查取齒輪材料彎曲疲勞極限應(yīng)力 ,。 查得計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度的壽命系數(shù)：,；取應(yīng)力修正系數(shù) ；查手冊查得

29、尺寸系數(shù),安全系數(shù) 。 <4> 校核齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度 比較 按大齒輪來校核 彎曲疲勞強(qiáng)度足夠。 3.8轉(zhuǎn)臺運(yùn)動分析 圖3.2轉(zhuǎn)臺運(yùn)動特性 3.8.1 起動加速過程 圖3.3起動泵時(shí)w與t關(guān)系 圖3.4泵起動時(shí)轉(zhuǎn)角與t關(guān)系 在考慮啟動階段的回轉(zhuǎn)阻力時(shí),忽略風(fēng)與在傾斜度比較大的坡道上作業(yè)的影響,摩擦阻力矩比較小,占不到總起動力矩的百分之五,所以可以忽略而只考 慮慣性阻力矩。假定起動力矩在起動的時(shí)候一直不變： 常數(shù)〔rad/s〕 〔3-1〕 根據(jù)式3-1和圖3.3的坐標(biāo)系建立角速度對時(shí)間t的微分方程 其通解 當(dāng)時(shí),,解得

30、 固特解 <3-2> 當(dāng)時(shí) 即 < rad/s> <3-3> 或 < s > 〔3-4〕 根據(jù)式3-2和圖3.4的坐標(biāo)系建立較對時(shí)間t的微分方程 其通解 當(dāng)時(shí),,解得 固特解 當(dāng)時(shí), 即 〔rad〕 <6-5> 起動過程所耗功 <6-6> 起動過程所耗功率 <6-7> 式中： J — 滿斗回轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動慣量〔kg·m〕 、

31、、分別是滿斗回轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)臺角速度〔rad/s〕、轉(zhuǎn)臺角〔rad〕、起動時(shí)間〔s〕 3.8.2制動減速過程 圖3.5表示采用液壓制動的轉(zhuǎn)臺進(jìn)行液壓制動時(shí)制動力矩的變化。這時(shí),通液壓泵與油箱的油路被斷開,油壓開始呈升高的趨勢,轉(zhuǎn)臺產(chǎn)生的慣性導(dǎo)致馬達(dá)的作用變?yōu)榱吮玫淖饔?如果壓力低于制動閥調(diào)定的壓力,馬達(dá)就開始制動。 在考慮制動階段的回轉(zhuǎn)阻力時(shí),忽略風(fēng)與在傾斜度比較大的坡道上作業(yè)的影響,摩擦阻力矩比較小,占不到總起動力矩的百分之五,所以可以忽略而只考 慮慣性阻力矩。假定制動力矩在制動的時(shí)候一直不變： 常數(shù)〔rad/s〕 〔3-8〕 圖3.5實(shí)測下轉(zhuǎn)臺的制動力矩變化 圖3.6

32、制動時(shí)w與t關(guān)系 根據(jù)式3-8和圖3.6的坐標(biāo)系建立角速度對時(shí)間t的微分方程 其通解 當(dāng)時(shí) 解得 固特解 < rad/s> <3-9> 當(dāng) 時(shí), 即 <3-10> 或 <3-11> 令 則 <3-12> 根據(jù)式3-9和圖3.7的坐標(biāo)系建立轉(zhuǎn)角對制動時(shí)間t的微分方程 其通解 當(dāng)時(shí) 解得 故特解

33、 圖3.7轉(zhuǎn)臺制動時(shí)轉(zhuǎn)角與t關(guān)系 當(dāng)時(shí) 即 <3-13> <3-14> 〔3-15〕 3.8.3勻速過程 轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)的時(shí)間比較長,轉(zhuǎn)角比較大時(shí)可能會出現(xiàn)勻速過程,設(shè)為轉(zhuǎn)臺只朝一個(gè)方向回轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)角,為勻速階段的轉(zhuǎn)角,為勻速回轉(zhuǎn)過程的時(shí)間,則 〔3-16〕 〔3-17〕 3.8.4 空斗時(shí)轉(zhuǎn)臺返回過程 對于空斗返回的過程,上面的公式雖然是在滿斗回轉(zhuǎn)狀態(tài)下導(dǎo)出的,只要將滿斗時(shí)轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量換為并選取不同的,就可以沿用上述公式。 <

34、一> 對于用三角形速度圖 <3-18> <3-19> <3-20> <3-21> <二> 對于梯形速度圖 <3-22> <3-23> <3-24> <3-25> <3-26> <3-27> 通過以上的計(jì)算分析,我們的出了回轉(zhuǎn)平臺在轉(zhuǎn)動過程中的轉(zhuǎn)動角度、角加速度、轉(zhuǎn)動時(shí)間等一系列轉(zhuǎn)動參數(shù)的計(jì)算公式,這為后面我們得出具體的數(shù)據(jù)奠定了基礎(chǔ)。 3.9轉(zhuǎn)臺最佳速度的分析計(jì)算 為了確定轉(zhuǎn)臺的最佳轉(zhuǎn)速,我們就需要知道確定最佳轉(zhuǎn)速的原則,那就是在經(jīng)常使用的轉(zhuǎn)角范圍之內(nèi),在角加速度和回

35、轉(zhuǎn)力矩不超過允許值的情況下,應(yīng)盡可能縮短回轉(zhuǎn)時(shí)間。 另外,最佳轉(zhuǎn)速也與轉(zhuǎn)臺速度的圖是什么有關(guān)。一般常用具有勻速運(yùn)動階段的梯形速度圖和無勻速運(yùn)動階段的三角形速度圖推導(dǎo)轉(zhuǎn)臺最佳轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式。下面我就這兩種不同形式的速度圖加以具體介紹： 3.9.1 具有勻速運(yùn)動階段的梯形速度圖的轉(zhuǎn)臺計(jì)算分析 回轉(zhuǎn)循環(huán)時(shí)間： <3-28> 所以, <3-29> 又已知, ,所以代入上式中可得 <3-30> 又 所以, 將上式代入6-28中可得, 〔3

36、-31〕 所以, 〔3-32〕 再將, 代入上式中, <3-33> 式中：— 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所需液壓功率〔KW〕 — 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總效率；,其中為回轉(zhuǎn)支承效率；為減速器效率；為液壓馬達(dá)效率〔包括容積效率和機(jī)械效率〕； <這里我們?nèi)?,> 這里取為1.78； 、— 轉(zhuǎn)角,的單位為弧度,的單位為度。 3.9.2 具有無勻速運(yùn)動階段三角形速度圖的轉(zhuǎn)臺最佳速度計(jì)算分析 對于定量泵驅(qū)動空斗單向回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角 〔rad〕<3-34> 所以,<3-35> 或, <3-35> 以代入式6-34中得

37、 <3-36> 所以, 〔6-37〕 或, 〔3-38〕 在這種情況下,我們知道 即 所以, 〔3-39〕 回轉(zhuǎn)循環(huán)時(shí)間 〔3-40〕 至此,分別用具有勻速階段的梯形圖和沒有勻速階段的三角形圖的最佳轉(zhuǎn)速的計(jì)算分析我們已經(jīng)全部完成了,用正確的運(yùn)用上述公式代入相關(guān)的數(shù)據(jù),即可得到我們所需要的參數(shù)。 3.10回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇 計(jì)算轉(zhuǎn)臺最佳轉(zhuǎn)速的時(shí)候,要先做好回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性分析,確定轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量,轉(zhuǎn)角范圍與起動、制動力矩等參數(shù)。 3.10.1轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算 對于反鏟的方式,由經(jīng)驗(yàn)公式得: 滿斗回轉(zhuǎn)時(shí)： 空斗回轉(zhuǎn)時(shí)： 由設(shè)計(jì)任務(wù)書我們知道

38、,代入上式可得： 滿斗回轉(zhuǎn)時(shí)：N·m·s 空斗回轉(zhuǎn)時(shí)：N·m·s 所以,,式中G—單斗液壓挖掘機(jī)的整機(jī)重量〔t〕. 3.10.2回轉(zhuǎn)所需起動力矩和制動力矩估算 行走系統(tǒng)跟地面摩擦產(chǎn)生的力矩應(yīng)該超過回轉(zhuǎn)最大啟動與制動力矩。當(dāng)機(jī)械制動時(shí)可取,僅靠液壓制動時(shí)可取。M為作用在轉(zhuǎn)臺上的最大制動力矩。 行走系統(tǒng)與地面摩擦產(chǎn)生的力矩可按下面公式計(jì)算： 式中：G—挖掘機(jī)總重〔t〕 . —附著系數(shù),對平履帶板取0.3,對帶筋履帶板取0.5 由于本設(shè)計(jì)采用的是機(jī)械制動。所以 對于機(jī)械制動,一般取,因?yàn)?所以

39、·m> 6.3.3 轉(zhuǎn)角的選取 從上面的計(jì)算最佳轉(zhuǎn)速的公式可以看出,當(dāng)M、J、C、k這些參數(shù)確定后,轉(zhuǎn)角決定了轉(zhuǎn)臺的最佳轉(zhuǎn)速,所以選取比較合適的轉(zhuǎn)角很重要。一般情況下,中小型液壓挖掘機(jī)轉(zhuǎn)角范圍在之間,標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)角選擇在之間比較適當(dāng),結(jié)合本設(shè)計(jì)實(shí)際情況,這里選取,即。 3.11回轉(zhuǎn)速度和時(shí)間的計(jì)算 按兩種方法進(jìn)行計(jì)算： （一） 按三角速度圖計(jì)算 1. 液壓馬達(dá)所需功率 式中： Nm 2. 轉(zhuǎn)臺最佳轉(zhuǎn)速 式中： ° N·m·s 由此得 3. 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)速比 由此

40、得 ﹥M=26109.4 Nm 則 MNm﹥ Nm 所以,馬達(dá)選取是合理的。 4. 校核最佳轉(zhuǎn)速 式中: 與前計(jì)算的最佳轉(zhuǎn)速基本相等,固選取合理。 5. 滿斗單向最大速度 6. 回轉(zhuǎn)循環(huán)時(shí)間 〔6-40〕 7. 各階段的延續(xù)時(shí)間,角加速度和轉(zhuǎn)角 ==1.007 rad ==0.630rad ′==1.009 rad ′==0.631 rad <二> 按梯形速度圖計(jì)算 1.轉(zhuǎn)臺最佳轉(zhuǎn)速 r/min 則 , 2. 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)速比 由此得 NM﹥NM 所以,

41、轉(zhuǎn)矩沒有問題。 3. 校核 = 與前面計(jì)算的最佳轉(zhuǎn)速有不小的差距,所以對于本次設(shè)計(jì),采用這種計(jì)算方法不太合適,還是采用第一種三角形速度圖無勻速階段的計(jì)算方法較為合適。對于,梯形圖速度法,這里就不再繼續(xù)計(jì)算了。 4.回轉(zhuǎn)循環(huán)時(shí)間 第四章 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件有限元分析 4.1 有限元分析介紹 4.1.1 有限元方法介紹 有限元法是將連續(xù)介質(zhì)離散為有限多個(gè)單元來進(jìn)行分析計(jì)算的方法。它是1960年由美國的Clough〔克拉夫〕在首先提出使用的。40多年來,該方法已由由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)

42、定性問題、動力學(xué)問題和波動問題分析的對象由彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘塑性和復(fù)合材料等,彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到板殼問題、空間問題,從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)熱傳導(dǎo)學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域。有限元法是一個(gè)CAE<計(jì)算機(jī)輔助工程、計(jì)算機(jī)輔助工程>是一個(gè)重要的分支,它是提高產(chǎn)品性能,加快產(chǎn)品開發(fā)過程的有效方法,從分析的角度來解決問題的總體性能及其相關(guān)產(chǎn)品,解決濫用在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造過程中,使用該技術(shù)產(chǎn)品的各種工況進(jìn)行了分析,預(yù)測產(chǎn)品的整體性能,并改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì),提高產(chǎn)品性能。有限元法和強(qiáng)大的分析功能,與此同時(shí),許多如Pro / E、UG、CATIA具有非常強(qiáng)大的造型功能結(jié)合的優(yōu)勢都使用,可以很容易

43、地和迅速實(shí)現(xiàn)了CAD軟件建立三維模型,運(yùn)動模擬機(jī)制,然后將其導(dǎo)入有限元分析軟件,該模型進(jìn)行分析。如果要進(jìn)行修改,只需要改其中一部分就行。通過使用有限元法分析機(jī)構(gòu),可以獲得整體,部分在各種各樣的信息,如變形、應(yīng)力分布狀況,在實(shí)用的前提下,系統(tǒng)或組件可以判斷是否符合要求,發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié),學(xué)習(xí)哪些方面需要修改,以優(yōu)化系統(tǒng)與其他傳統(tǒng)的力學(xué)方法相比,有限元方法有許多優(yōu)點(diǎn): 1〕可以分析的形狀非常復(fù)雜,不均勻的各種實(shí)際工程結(jié)構(gòu); 2〕可模擬各種復(fù)雜的材料本構(gòu)關(guān)系、條件和荷載； 3〕可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力分析； 4〕由于預(yù)處理和后處理技術(shù)的發(fā)展可以大量的方案的比較分析,并迅速圖計(jì)算結(jié)果,

44、從而優(yōu)化項(xiàng)目計(jì)劃。 用有限元進(jìn)行分析的基本步驟： 1） 對象離散化。根據(jù)需要和計(jì)算精度來將分析的對象離散為有限多個(gè)單元,一般來說,單元分裂更詳細(xì)的規(guī)則描述變形情況更準(zhǔn)確地說,越接近實(shí)際變形,但計(jì)算量就越大。 2〕單元特性分析。首先位移模式的選擇。有限元法通常采用位移法,因此應(yīng)該合理的選擇方式的位移<位移函數(shù)>。然后分析了單元的力學(xué)性能?；趩卧牟牧咸匦?、形狀、大小、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、位置及其意義,并找出節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系,即元素剛度矩陣派生,這是一個(gè)關(guān)鍵步驟的分析。最后計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力。單元邊界上的表面力、體積力或集中力相當(dāng)于轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn),也是使用等效節(jié)點(diǎn)力,而不是所有單元

45、上的力。 3〕單元組集。利用結(jié)構(gòu)力的邊界條件和平衡條件把各個(gè)單元按原來的結(jié)構(gòu)重新聯(lián)結(jié)起來,形成整體剛度矩陣。 4〕求解未知節(jié)點(diǎn)位移。解出有限元方程求出節(jié)點(diǎn)位移,然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移來求出別的未知量。 與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用有限元法也被快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由于其惡劣的工作環(huán)境和復(fù)雜的力量,傳統(tǒng)力學(xué)方法分析了力學(xué)的應(yīng)用程序不能完全滿足設(shè)計(jì)的需要。應(yīng)用有限元法分析,可以應(yīng)用程序中的挖掘機(jī)的理論分析各種問題的力學(xué)和工程數(shù)值模擬,將挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)和改善起到很大的推動作用。 4.1.2 ANSYS軟件介紹 ANSYS軟件是能進(jìn)行流體、結(jié)構(gòu)、電磁場、聲場的耦合場分析的大型

46、通用有限元分析軟件。它是由美國ANSYS公司開發(fā)的可以與大多數(shù)CAD軟件接口,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換,比如Pro /工程師,NASTRAN軟件,Alogor,i - deas,AutoCAD,等,是一種先進(jìn)的CAD工具在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)。ANSYS軟件是美國核安全局〔NQA〕、美國機(jī)械工程師協(xié)會〔ASME〕以及近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件,它還是是第一個(gè)通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的大型設(shè)計(jì)軟件。在國內(nèi)被國務(wù)院17個(gè)部委推廣使用。一般的機(jī)械結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜,受到較多負(fù)載的情況下,理論分析比較難以解決,要想解決的話,就必須要采用數(shù)值模擬的方法來簡化機(jī)構(gòu)再進(jìn)行分析。由于電腦工業(yè)的發(fā)展,相應(yīng)的軟件也應(yīng)

47、運(yùn)而生,ANSYS軟件廣泛應(yīng)用于工程、機(jī)械、電氣、民事、電子、航空等領(lǐng)域的使用,可以實(shí)現(xiàn)一定程度的信譽(yù),贏得了社會各界的好評。用該軟件,即能節(jié)省成本又能縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。到80年代初,一些大的國際工程面向有限元通用軟件主要包括:ANSYS,NASTRAN,ASKA,ADINA,SAP等。今天的9.0版本跟1971年的最初版本有了很大不同,最初版本只能提供熱與結(jié)構(gòu)線性分析,現(xiàn)在可用來求流體、結(jié)構(gòu)、電磁場、電力及碰撞等問題。它將有限元、優(yōu)化技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)完美結(jié)合,包含了前后置處理與各種解題程序,它已然成為了解決現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的工具之一。 4.2結(jié)構(gòu)有限元分析流程 Pro/MECH

48、ANICA STRUCTURE結(jié)構(gòu)分析軟件包,包含兩種工作方式,即就是:限元模式工作流程,基本模式工作流程,有,如圖4.1和4.2所示。該軟件包可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化。 圖4.1基本工作流程 圖4.2有限元模式的工作流程 基本工作模式將使用MECHANICA的適配型P碼功能,它可以讓用戶創(chuàng)建材料、連接、約束、載荷、測量等模型圖素并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后利用自己的求解器來找出解決問題得方法。 FEM模式則使用MECHANICA的有限元模型功能來取代P碼功能,該功能可以創(chuàng)建約束、載荷和理想化等FEM模型圖素,同

49、時(shí)也可使用H碼元素將模型網(wǎng)格化,然后再運(yùn)行第三方有限元軟件<如: NASTRAN、ANSYS、ABAQUS等>來進(jìn)行預(yù)覽,分析并獲取分析結(jié)果。 本論文將按照有限元分析工作流程,利用Pro/MECHANICA STRUCTURE結(jié)構(gòu)分析軟件包,完成對關(guān)鍵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)分析和評估。 4.3齒輪的結(jié)構(gòu)有限元分析 〔1〕因?yàn)辇X輪是軸對稱的零件,而且受到的載荷也是對稱的,所以將Pro/Engineer中建立的齒輪模型截取一個(gè)齒模型導(dǎo)入Pro/MECHANICA中進(jìn)行計(jì)算。 〔2〕設(shè)置齒輪材料屬性 選用齒輪彈性模量E=206GPa,材料為40Cr;密度ρ=7.82×10-6kg/mm3;泊松比μ

50、=0.3。同時(shí)將材料屬性分配給齒輪模型。 〔3〕添加約束條件 對齒輪采取靜力分析,選取兩側(cè)面為對稱面,分別對X、Y、Z三個(gè)方向上的平動和轉(zhuǎn)動進(jìn)行約束,其過程底面進(jìn)行約束。 〔4〕施加載荷 提取其中一個(gè)直齒進(jìn)行分析,在齒輪齒面嚙合線上建立局部坐標(biāo)系,齒根所受彎曲應(yīng)力是最大的時(shí)候是嚙合到齒頂時(shí),所以將載荷加載在極限位置的齒頂處。將齒面上的法向載荷Fn在節(jié)點(diǎn)處分解為2個(gè)相互垂直的徑向力Fr與圓周力Ft兩個(gè)分力。該齒輪實(shí)際傳遞的最大扭矩T=20062N·m,齒輪壓力角α=20°標(biāo)準(zhǔn)值。則徑向力Fr=Ft·tanα=3467 N,圓周力Ft= 2T/d= 9526 N,加載結(jié)果。 〔5〕建立分

51、析文件 類型分析有限元模式選擇中使用的"結(jié)構(gòu)"<結(jié)構(gòu)>結(jié)構(gòu)力學(xué)分析,可以計(jì)算出位移、結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和力參數(shù),如計(jì)算的過程中,該求解器可以判斷每一個(gè)單元的非線性邊界應(yīng)力連續(xù)性是否達(dá)到了單元階次標(biāo)準(zhǔn),并在計(jì)算結(jié)果中給出應(yīng)力誤差報(bào)告,從精度和計(jì)算速度方面都比較合適。 圖4.3 創(chuàng)建有限元分析 〔6〕有限元網(wǎng)格劃分 通過Pro / MECHANICA AutoGEM<自動網(wǎng)格行分隔符>工具來進(jìn)行有限元網(wǎng)格自動劃分。AutoGEM可根據(jù)幾何參考來劃分網(wǎng)格。本文直接了選取直齒輪幾何實(shí)體進(jìn)行劃分,在劃分過程中設(shè)置控制參數(shù)并用四面體網(wǎng)格來完成,如圖4.4所示。 圖4.4 創(chuàng)建網(wǎng)格 對該回

52、轉(zhuǎn)齒輪輪齒共設(shè)置了2840 elements and 751 nodes。 〔7〕網(wǎng)格檢測 劃分網(wǎng)格后,系統(tǒng)彈出了如圖4.5的對話框,設(shè)置對話框的各個(gè)選項(xiàng)后,單擊"Check"按鈕就可以檢測網(wǎng)格精度,可以看到模型中創(chuàng)建的變形小于0. 400000的單元只有3%,中比例小于0. 100000的單元只有2%,長寬比大于7. 000000單元沒有。所以可以看出,只有少數(shù)精度較差的單元,劃分的網(wǎng)格精度基本符合要求。 圖4.5 網(wǎng)格檢測結(jié)果 〔8〕運(yùn)行分析求解 在求解過程中Pro/MECHANICA給了七種求解器,即ANSYS模式、DisplayOnly模式、COS-MOS/M模式、NAS

53、TRAN模式、SUPERTAB模式、PATRAN模式,本文選擇ANSYS模式作為有限元的求解器,可以輸出ANSYS軟件識別的分析結(jié)果文件,如圖4.6。 圖4.6 有限元求解 〔9〕顯示并獲取計(jì)算結(jié)果 求解完畢后輸出you_madachilun_fuben.ans格式齒輪文件并保存,就可利用ANSYS軟件直接輸出結(jié)果。輸出的結(jié)果中包括了靜力分析的各種物理量,例如:位移、應(yīng)力、應(yīng)變能、應(yīng)變等。本文選用了云紋圖進(jìn)行表示,可以看出直齒輪的應(yīng)力應(yīng)變情況,如圖4.7所示。 圖4.7 應(yīng)變與應(yīng)力云圖 從云圖上可以看到,齒輪的最大變形發(fā)生在齒頂處,最大變形為0.0119mm,齒頂嚙合處受

54、到的應(yīng)力最大,最大應(yīng)力值為71.196Mpa。支架梁的材料的屈服極限為206Gpa滿足要求,符合經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的情況,說明齒輪更易失效的形式是齒面接觸疲勞失效,在優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以進(jìn)行熱處理等方法來調(diào)節(jié)齒輪的硬度,從而設(shè)計(jì)出更優(yōu)越的產(chǎn)品。 4.4 支架梁的結(jié)構(gòu)有限元分析 〔1〕將在Pro/Engineer中建立的支架梁模型導(dǎo)入Pro/MECHANICA中進(jìn)行計(jì)算。 〔2〕設(shè)置材料屬性 選用齒輪材料為鋼,泊松比μ=0.3;密度ρ=7.82×10kg/mm3;彈性模量E=2.1×105MPa,然后將材料屬性分配給齒輪模型。 〔3〕添加約束條件 本文對支架梁進(jìn)行靜力分析,對插入履帶框的部分創(chuàng)建面域

55、,分別對X、Y、Z三個(gè)方向上的轉(zhuǎn)動和平動進(jìn)行約束。 〔4〕施加載荷 在梁的上面加面載荷F=V=230KN。 〔5〕建立分析文件 有限元模式下,選擇為"結(jié)構(gòu)"來進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析,可以得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和力等參數(shù),該求解器可以判斷每個(gè)單元的邊界應(yīng)力非線性連續(xù)性能不能達(dá)到單元的階次標(biāo)準(zhǔn)的要求,并輸出應(yīng)力誤差報(bào)告,保證了計(jì)算精度與速度。 圖4.8 創(chuàng)建有限元分析 〔6〕有限元網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格控制采用"Boundary"<邊界>選項(xiàng),選"Triangles"<三角面>方式顯示網(wǎng)格獲得較高精度的網(wǎng)格,如圖4.9。 圖4.9 創(chuàng)建網(wǎng)格 對支架梁共設(shè)置了

56、5880 elements and 2922 nodes 〔7〕網(wǎng)格檢測 劃分了網(wǎng)格后,系統(tǒng)彈出了"Element Qualty Checks"對話框,設(shè)置完各個(gè)選項(xiàng)后,單擊"Check"就可以檢測網(wǎng)格精度,檢測結(jié)果如圖4.10所示,由圖可見中比例小于0. 100000的單元只有1%,模型中沒有創(chuàng)建的長寬比大于7. 000000單元?？梢钥吹?只有少數(shù)精度較差的單元,所以劃分的網(wǎng)格精度符合要求。 圖4.10 網(wǎng)格檢測 〔8〕運(yùn)行分析求解 在求解過程中Pro/MECHANICA提供了七種求解器,即ANSYS模式、DisplayOnly模式、COS-MOS/M模式、NASTRAN模式、S

57、UPERTAB模式、PATRAN模式,本文選用ANSYS模式。 圖4.11 有限元求解 〔9〕顯示并獲取計(jì)算結(jié)果 求解完后輸出dipanzhijia-liang.ans格式文件保存,就能用ANSYS直接輸出結(jié)果。本設(shè)計(jì)選用云紋圖,得到了支架梁的應(yīng)變情況,如圖4.12所示： 圖4.12 應(yīng)變云圖與最大位移節(jié)點(diǎn) 應(yīng)力情況,如圖所示： 圖4.13 應(yīng)力云圖與最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn) 結(jié)果分析：根據(jù)ANSYS的分析結(jié)果可知,最大變形發(fā)生在支撐板邊緣四角處,最大變形為0.15446mm,支架梁在與履帶框限位的附近所受應(yīng)力最大,最大應(yīng)力值為23.707Mpa。材料屈服極限為290Mpa,所以

58、支架梁滿足強(qiáng)度要求。從云圖上可看出,受應(yīng)變很小,在優(yōu)化設(shè)計(jì)中可通過增加該部分的厚度來改善承載能力,從而進(jìn)一步優(yōu)化。 4.5 支撐板的結(jié)構(gòu)有限元分析 〔1〕、將在Pro/Engineer中創(chuàng)建的支撐板模型導(dǎo)入Pro/MECHANICA中計(jì)算。 〔2〕、設(shè)置材料屬性 選用齒輪材料為鋼,彈性模量E=2.1×105MPa;泊松比μ=0.3;密度ρ=7.82×10-6kg/mm3。同時(shí)將材料屬性分配給支撐板模型。 〔3〕、添加約束條件 本文對支架梁采取靜力分析,對與外圈接觸的部分創(chuàng)建面域,分別對X、Y、Z三個(gè)方向上的平動和轉(zhuǎn)動進(jìn)行約束。 〔4〕、施加載荷 在支撐板與上車架接觸的面域加面載

59、荷F=V=560KN。和回轉(zhuǎn)扭矩M=3147N·M 〔5〕、建立分析文件 有限元模式下,選擇為"結(jié)構(gòu)"來進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析,可以得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和力等參數(shù),該求解器可以判斷每個(gè)單元的邊界應(yīng)力非線性連續(xù)性能不能達(dá)到單元的階次標(biāo)準(zhǔn)的要求,并輸出應(yīng)力誤差報(bào)告,保證了計(jì)算精度與速度。 圖4.14 有限元分析 〔6〕、有限元網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格控制采用"Boundary"<邊界>選項(xiàng),選"Triangles"<三角面>方式顯示網(wǎng)格獲得較高精度的網(wǎng)格。由于支撐板螺栓孔較多,在網(wǎng)格控制中設(shè)置螺栓孔面來建網(wǎng)格面,可以讓網(wǎng)格均勻出現(xiàn)。 圖4.15 創(chuàng)建網(wǎng)格 對支撐

60、板共設(shè)置了78868 elements and 39216 nodes 〔7〕、網(wǎng)格檢測 劃分網(wǎng)格后,系統(tǒng)彈出"Element Qualty Checks"對話框,設(shè)置對話框的各個(gè)選項(xiàng)后,單擊"Checks"按鈕即可檢測網(wǎng)格精度,檢測結(jié)果如圖所示,由圖可見模型中創(chuàng)建的長寬比大于7. 000000單元沒有,中比例小于0. 100000的單元也只有4%。由以上分析可知,劃分的網(wǎng)格精度符合要求。 圖4.16 網(wǎng)格檢測 〔8〕、運(yùn)行分析求解 在求解過程中Pro/MECHANICA提供了七種求解器,即DisplayOnly模式、ANSYS模式、NASTRAN模式、COS-MOS/M模式、P

61、ATRAN模式、SUPERTAB模式,本文選用ANSYS模式。 圖4.17 有限元求解 〔9〕、顯示并獲取計(jì)算結(jié)果 求解完后輸出shangban.ans格式文件并保存,就可以利用ANSYS直接輸出結(jié)果。本文選用了云紋圖,獲取了支架梁的應(yīng)變情況,如圖4.18所示： 圖4.18 應(yīng)變云圖與最大位移節(jié)點(diǎn) 應(yīng)力情況,如圖4.19+所示： 圖4.19 應(yīng)力云圖與最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn) 結(jié)果分析：根據(jù)ANSYS的分析結(jié)果可知,支撐板最大應(yīng)力發(fā)生在外圈接觸邊緣處,最大應(yīng)力值為61.365Mpa,最大變形發(fā)生在支撐板邊緣四角處,最大變形為0.2451mm。支撐板的材料的屈服極限為290Mp

62、a,故強(qiáng)度滿足要求。從云圖上可以看到,所受應(yīng)變很小,在優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以通過改變厚度或者增加附加結(jié)構(gòu)來改善承載能力,進(jìn)一步優(yōu)化。 第五章 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)及制動器設(shè)計(jì) 5.1回轉(zhuǎn)馬達(dá)與機(jī)械式制動器的介紹 回轉(zhuǎn)馬達(dá)是為挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)提供動力的重要部件,主要是將油液的動能轉(zhuǎn)變?yōu)檩S與齒輪的機(jī)械能。現(xiàn)在的液壓回轉(zhuǎn)馬達(dá)一般內(nèi)部都有液壓及機(jī)械式的制動器,當(dāng)操縱回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)操縱閥處于中間位置時(shí),馬達(dá)就開始制動,其制動力矩由閥來調(diào)節(jié)。但液壓制動不具有良好的慣性,不能長時(shí)間保持同一狀態(tài)。而裝了機(jī)械式的制動器后,能使制動變得可靠長久,可以阻止在坡度大的路面或者風(fēng)的作用讓其自動回轉(zhuǎn)。

63、為了減少制動時(shí)候?qū)X輪與齒圈產(chǎn)生的沖擊過大,要讓機(jī)械制動在液壓制動之后延遲幾秒。液壓制動通過節(jié)流孔或者流量閥回油來讓液壓缸回油保持一個(gè)范圍。 圖4.2挖掘機(jī)典型的回轉(zhuǎn)液壓回路 圖4.2中的油路就是通過流量閥來保持回油量在一定范圍內(nèi)。 5.2制動器的選擇 制動器根據(jù)工作元件的特點(diǎn)分為：帶式制動器、閘瓦式制動器、片式制動器、圓錐式制動器。 閘瓦式制動器 閘式制動器在設(shè)計(jì)比較合理的情況下,對制動輪軸加的彎矩比較小,閘瓦間的磨損也相對比較均勻。制動同樣的力矩,這種制動器需要的尺寸更小,同時(shí)也比較可靠,摩擦散發(fā)出的熱量能比較好的散發(fā)出去。所以本設(shè)計(jì)采用這種制動

64、器。 6.4液壓系統(tǒng)的計(jì)算 因?yàn)榈孛娓街? ≈33437N.m〔=0.25〕 所以回轉(zhuǎn)制動力矩為： Mb=0.6 Mf≈20062N.m 回轉(zhuǎn)啟動力矩為： Mo= Mb/c≈12538N.m<取C=1.6> 由于大功率馬達(dá)價(jià)格昂貴妾安裝尺寸較大,,原則上選用大扭矩低轉(zhuǎn)速的馬達(dá),初選型號為1WYH2-3000 挖掘機(jī)機(jī)設(shè)計(jì)手冊可得 回轉(zhuǎn)阻力矩： 式中： ——旋轉(zhuǎn)支撐裝置中的摩擦阻力 ≈5.3KN.m ——風(fēng)阻力矩 ≈56.2KN.m ——由慣性力造成的旋轉(zhuǎn)阻力矩 ≈24KN.m 為啟動時(shí)間取4S ——有坡道或浮船傾斜造成的傾斜阻力矩 ,直立時(shí)傾

65、斜最大外傾角為10度,≈1.7KN.m 有以上可以得出：M阻≈89KN.m 等效功率： 代入數(shù)據(jù)可得： ≈22KW 由已知回轉(zhuǎn)速度為2.5r/min知,馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速為n=2.5*9.75≈24.3r/min 所以馬達(dá)實(shí)際排量為Q=≈0.895x24.3/0.8≈21.32L/r 式中qc—馬達(dá)理論排量ml/r n—馬達(dá)轉(zhuǎn)速r/min —馬達(dá)容積效率取0.8 單個(gè)馬達(dá)的實(shí)際功率為:P=≈8.8Kw 所以實(shí)際功率為:P≈26Kw>22Kw 實(shí)際輸出扭矩為M=≈50000N.m>Mb滿足使用要求。 總 結(jié) 致謝 參考文獻(xiàn) 46 / 46