液壓挖掘機底盤設(shè)計研究

鄭愛權(quán)

摘要：液壓挖掘機底盤為液壓挖掘機的重要部件，主要用來支撐液壓挖掘機和行走，其具有較大的驅(qū)動力，以便使液壓挖掘機具有較好的爬坡性能，同時車架應(yīng)具有較高的強度，應(yīng)保證能承受工作應(yīng)力。文章對WLY100液壓挖掘機的結(jié)構(gòu)組成、傳動裝置、懸掛裝置予以闡述，同時對WYL100輪胎式液壓挖掘機底盤傳動設(shè)計、爬坡能力、車架受力校核進行分析。

關(guān)鍵詞：液壓挖掘機；底盤；車架；傳動；機械設(shè)計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH137 文章編號：1009-2374（2016）30-0019-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.010

行走底盤主要用來完成行走動作及支撐液壓挖掘機。目前液壓挖掘機行走底盤主要分為輪胎式與履帶式。對于履帶式行走底盤，單條履帶牽引力可達機重的30%～40%，因而牽引力大，同時履帶與地面接觸面積大、接地比壓小、穩(wěn)定性好。履帶式底盤，轉(zhuǎn)彎時，兩條履帶向相反方向轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，回轉(zhuǎn)半徑小，比較靈活。但履帶式行走底盤制造成本高，行走和轉(zhuǎn)向時，由于履帶與地面接觸面積較大，消耗的功率較大，同時由于受其結(jié)構(gòu)限制，行走速度較慢，另外，履帶為滑動摩擦，磨損快。而輪胎式行走底盤與履帶式相比，行走速度快，機動性好，且與地面是滾動摩擦，輪胎磨損相對較慢，且對路面不會造成損壞。本文以WLY100液壓挖掘機為研究對象對輪胎式行走底盤設(shè)計予以研究分析。

1 液壓挖掘機輪胎式底盤的組成結(jié)構(gòu)

WLY100輪胎式液壓挖掘機行走底盤的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示：

1.車架；2.回轉(zhuǎn)支撐；3.驅(qū)動橋；4.萬向傳動軸；5.回轉(zhuǎn)中心處接頭；6.制動器；7.轉(zhuǎn)向前橋

圖1 液壓挖掘機輪胎式底盤的組成結(jié)構(gòu)

如圖1所示，輪胎式液壓挖掘機行走底盤主要由焊接框架結(jié)構(gòu)的車架、回轉(zhuǎn)支撐、驅(qū)動橋、萬向傳動軸、回轉(zhuǎn)中心處接頭、制動器和轉(zhuǎn)向前橋等組成。前橋采用帶鉸接銷軸的液壓油缸懸掛裝置，后橋為剛性的懸掛?；剞D(zhuǎn)支撐用來實現(xiàn)液壓挖掘機工作裝置的轉(zhuǎn)動。

1.1 傳動裝置

如圖2所示，輪胎式液壓挖掘機行走底盤傳動裝置主要由前、后橋、液壓驅(qū)動馬達、變速箱和輪邊減速器等組成。首先是安裝在變速箱上的液壓馬達驅(qū)動變速箱，然后將扭矩通過傳動軸將扭矩傳遞給前、后驅(qū)動橋，前、后驅(qū)動橋傳遞的扭矩經(jīng)過安裝在輪胎附近的輪邊減速器減速，最終驅(qū)動輪胎轉(zhuǎn)動。液壓馬達采用高速液壓馬達，性能可靠，結(jié)構(gòu)簡單，容易布置。

1.前橋；2.液壓馬達；3.變速箱；4.輪邊減速器；5.后橋

圖2 傳動裝置

1.2 懸掛裝置

如圖3所示，輪胎式液壓挖掘機行走底盤傳動裝置主要由控制閥、液壓缸、擺動鉸接銷軸等組成。

出于結(jié)構(gòu)簡化需要，后橋和車架之間采用剛性連接方式，但為了提高挖掘機行走的性能，前橋采用液壓缸擺動式懸掛系統(tǒng)，兩側(cè)液壓缸缸桿端連接在前橋上，液壓缸缸筒端連接在車架上，車架與前橋采用鉸接銷軸相連接。液壓挖掘機處于挖掘狀態(tài)時，控制閥處于左邊狀態(tài)，油路被切斷，懸掛裝置的液壓缸被鎖住，液壓缸不能動作，保證挖掘工作時底盤的穩(wěn)定性。若液壓挖掘機處在行走狀態(tài)時，液壓控制閥處在右邊狀態(tài)，使兩個液壓缸的工作腔連通，并且與油箱連通，通過液壓缸的調(diào)節(jié)，前橋能夠上下擺動與地面良好接觸，以適應(yīng)高低不平的路況，保證良好的附著性能。

1.控制閥；2.液壓缸；3.擺動鉸接銷軸；4.前橋

圖3 懸掛裝置

2 WYL100輪胎式液壓挖掘機底盤傳動設(shè)計

已知選定的變速箱的傳動比，，選用的橋的輪邊減速器的傳動比，則傳動裝置的傳動比為：

（1）

（2）

已知WYL100液壓挖掘機選用的雙聯(lián)軸向柱塞泵排量，則單泵供油時，軸向柱塞泵排量，

容積效率，驅(qū)動用液壓馬達每轉(zhuǎn)最小排量。

當雙聯(lián)軸向柱塞泵雙泵供油且處于驅(qū)動用液壓馬達最小排量狀態(tài)時，驅(qū)動用液壓馬達擁有高輸出轉(zhuǎn)速，其輸出轉(zhuǎn)速為：

（3）

當雙聯(lián)軸向柱塞泵單泵供油，驅(qū)動用液壓馬達擁有低輸出轉(zhuǎn)速，其輸出轉(zhuǎn)速為：

（4）

WYL100液壓挖掘機驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速為：

（5）

當傳動裝置為低檔時，，則有：

（6）

（7）

當傳動裝置為高檔時，，則有：

（8）

（9）

根據(jù)經(jīng)驗公式，液壓挖掘機行駛速度為：

（10）

其中為驅(qū)動輪輪胎半徑，在這里WYL100液壓挖掘機選用20.5～25輪胎，已知驅(qū)動輪輪胎半徑，

則可計算得液壓挖掘機檔位下，液壓挖掘機行駛速度為：

（11）

（12）

（13）

（14）

3 WYL100輪胎式液壓挖掘機爬坡能力驗算

液壓挖掘機單個馬達的輸出扭矩計算公式如式（15）：

（15）

式中：

——驅(qū)動用液壓馬達每轉(zhuǎn)最大排量

——液壓挖掘機液壓系統(tǒng)工作壓力

——液壓挖掘機液壓系統(tǒng)從液壓泵到液壓馬達總效率，這里取。

已知，，代入式（15），得：

（16）

則當雙馬達驅(qū)動時輸出扭矩為：

（17）

液壓挖掘機牽引力計算公式如式（18）：

（18）

式中：

——驅(qū)動用液壓馬達最大驅(qū)動扭矩，這里為

——液壓挖掘機傳動裝置總傳動比，這里為

——液壓挖掘機液壓系統(tǒng)傳動裝置總的機械效率，這里取

則可計算出WYL100輪胎式液壓挖掘機牽引力為：

（19）

設(shè)WYL100輪胎式液壓挖掘機可爬上的坡角為，根據(jù)液壓挖掘機驅(qū)動力與爬坡阻力和摩擦力相平衡，可得：

（20）

式中：

——WYL100輪胎式液壓挖掘機爬坡阻力

——WYL100輪胎式液壓挖掘機爬坡摩擦阻力

——WYL100輪胎式液壓挖掘機重力，這里已知

——滾動摩擦系數(shù)，這里取

將上述參數(shù)的數(shù)值代入式（20），則可解出：

（21）

為驗算是否滿足附著條件，令附著允許的牽引力為，取路面為水泥路面，其附著摩擦系數(shù)為，取，則有：

（22）

由于，故液壓挖掘機爬坡時附著力滿足要求。

4 WYL100輪胎式液壓挖掘機車架受力校核

圖4 車架受力分析

如圖4所示，A點為后支腿支撐反力作用位置，B點為前支腿支撐反力作用位置，C點為重心位置。液壓挖掘機的重心位置會隨著挖掘作業(yè)是回轉(zhuǎn)位置和工作裝置狀態(tài)位置的變化而變化，A、B點位置的支撐反力也會跟著變化，車架受到的彎矩也會發(fā)生變化。取作業(yè)裝置處于與大梁對稱中心線垂直位置為受力分析位置，此時可認為重心G位于回轉(zhuǎn)中心上。由于本車架由較牢固的上、下整體鋼板焊接而成，故認為是一個整體。已知本液壓挖掘機不包括車架一下重量的重量為，通過受力分析計算可計算出A點支撐反力和B點支撐反力為：

（23）

（24）

梁在C點（回轉(zhuǎn)中心上）的最大彎矩：

（25）

圖5 車架截面尺寸

車架截面尺寸如圖5所示，查機械設(shè)計手冊可知對應(yīng)的抗彎截面系數(shù)為：

（26）

代入相應(yīng)的數(shù)值可得：

（27）

則可求得對應(yīng)的彎曲應(yīng)力為：

（28）

考慮到動載荷，取動載荷系數(shù)，則：

（29）

已知車架材料的許用應(yīng)力，因此，車架彎曲強度滿足要求。對于車架剛度的校核計算，這里不再贅述。

5 結(jié)語

液壓挖掘機的底盤為液壓挖掘機的重要部件，其主要有履帶式和輪胎式兩種形式，其性能直接影響液壓挖掘機的穩(wěn)定性、越野性能、爬坡能力等。本文對WLY100液壓挖掘機的結(jié)構(gòu)組成、傳動裝置、懸掛裝置予以闡述，同時對WYL100輪胎式液壓挖掘機底盤傳動設(shè)計、爬坡能力、車架受力校核進行分析，旨在為輪胎式液壓挖掘機底盤設(shè)計研究提供一定理論指導。

參考文獻

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