小型挖掘机回转平台和驾驶室设计（范文）

1绪论11.1选题背景11.1.1选题原因11.1.2选题意义11.2设计目的11.3设计内容22小型挖掘机回转台设计分析32.1小型挖掘机回转台存在的问题32. 2小型挖掘机回转台设计目标52. 3小型挖掘机回转台设计方案52. 4小型挖掘机回转台设计重点分析63小型挖掘机回转台设计过程103.1回转阻力矩计算103.2元件选型123. 3技术参数匹配计算123. 4小型挖掘机回转台的静平衡设计153. 5小型挖掘机回转台的整体改进设计183. 6小型挖掘机回转工作台设计验证204挖掘机驾驶室操作台设计224. 1驾驶室骨架设计224. 1. 1驾驶室骨架设计224. 1.2驾驶室骨架设计234.2驾驶室门设计244. 2. 1驾驶室门钗链强度计算254. 3驾驶室视野设计264. 3. 1眼椭圆设计274. 3.2驾驶室视野范围校核284. 4操作器设计30图2. 3两轴小型挖掘机回台传动原理图2. 4小型挖掘机回转台设计重点分析小型挖掘机问转台的结构设计前提是满足加工运动精度及安装使用要求，同 时要求小型挖掘机回转台的结构设计应尽量简单且有一定的强度和刚度，定位性 能要好，加工制造方便，此外，还应满足小型挖掘机回转台结构紧凑、体积小， 在保证一定的结构强度和刚度下轻量化、外观美观等。此回转台最大尺寸分别为 长度:410mm,宽度:280mm,高度：262mm,可以装夹的工件最大直径为120mm,小 型挖掘机回转台要底板设计成直角的两板，可以使回转台垂直放置或水平放置。小型挖掘机数转台各零部件件作用关系：例如，工件通过外圆及端面安装在 蜗轮中，利用蜗轮内孔中的止口进行定位，通过开槽平端紧定螺钉从径向夹紧。 蜗轮用一个推力球轴承和一个深沟球轴承连接支撑，安装在支座的轴承座孔中， 推力球轴承和深沟球轴承之间用调整垫片及轴承端盖实现的轴向定位，轴承端盖 用六个六角头螺栓固定在支座上。支座利用圆锥销及六角头螺栓固定在底座上。 步进电机通过外径和止口及个六角头螺栓固定在轴承支座上，保持相对正确位 置。步进电机的输出轴与蜗杆用键连接传递扭矩，蜗杆用两个单列的接触球轴承 支撑。右侧轴承端盖靠4个六角头螺栓固定，用调整垫片调整轴承间隙，用毛毡 密封轴承。当步进电机转动时，通过蜗杆带动蜗轮，实现工件的回转运动。另一 个步进电机通过键与齿轮连接，齿轮与齿轮啮合，齿轮通过键与轴配合，轴通过 轴支座上的一对单列角接触球轴承和键的作用于轴承支座，轴承支座通过推力球 轴承、深沟球轴承和轴承端盖的作用于蜗轮配合连接在一起配合连接，实现回转 台装夹工件的来回摆动。底座是一角形支架，可利用两个互相垂直的底面和侧面 分别安装在线切割机床工作台上，使回转夹具能翻转90度使用。小型挖掘机回转台建模，首先在CAD中设计出整体的小型挖掘机回转台二维 图纸，确定好大体布局和整体尺寸，再具体设计各个组成零件的CAD图纸，以确 定其大致的尺寸和标准件的型号。设计好小型挖掘机回转台二维图纸，再进行小 型挖掘机回转台的三维建模仿真观察其整体的布局合理性和各个部件装配的正 确性，避免加工制造不必要的错误。小型挖掘机回转台三维建模设计时选择UG软件建模，要实现从二维CAD图 纸设计UG的三维模型图，并在设计出小型挖掘机网转台的各个零件三维图和整 体装配图之后，确定其装配及设计正确无误后，将其三维图导出二维CAD图纸， 做适当的修改就可以用于工件的加工，方法比较快捷简单，使用UG建立的小型 挖掘机回转台模型如图2.4所示。根据小型挖掘机回转台生产制造的技术要求和 零件二维CAD图的尺寸加工制造各个小型挖掘机回转台的零件，然后依据UG建 立的装配方式进行小型挖掘机回转台零件的装配，最后得到的两轴小型挖掘机回 转台的实物图如图2. 5所示。此小型挖掘机小型挖掘机加工系统的控制方式采用的是步进电机的脉冲式 控制，PMAC可编程多轴运动控制器可以通过相对应的接口卡ACC-8S控制步进电 机的运动，接口卡ACC-8S是可以控制步进电机驱动器或脉冲型伺服电机驱动器 的两轴控制输出板。PMAC多轴运动控制器是美国Delta Tau Data System公司 推出的用于PC机平台上的运动控制器，它是一个完全开放的系统，它采用了 Motorola公司的高性能信号数字处理器DSP5600作CPU, PMAC是世界上功能最强 大的运动控制器之一，也是灵活较高的控制器，它连接各种类型的主机、放大器、 电机和传感器协同完成各种类型的强大功能。因此，可以根据软件和硬件特性进 行设定特定的功能，以使它能正常的工作，从而保证多轴的运动。图2. 4小型挖掘机回转台的三维模型图2. 5小型挖掘机回转台实际在本次设计中，动臂液压缸设计在动臂上方，因为地面以下是机具的工作区 域，为了让机具能够挖深，综合考虑后，使用弯动臂作为挖掘装置的动臂。出于动臂强度的考虑，弯动臂的弯角通常在120至140之间选取。为了 让设计的机具结构在生产中易于实现，弯动臂俯角通常大于-52。，仰角通常小 于 45。出于对动臂液压缸的稳定性方面的考虑，通常，弯动臂的伸缩比入1为1.6至 1.7之间。在挖掘机后挖掘机具的设计中，动臂液压缸的力臂比是一个重要的参数，其 计算公式为：匕=冬，根据不同的使用需求，该参数设计为不同的数值。当地面 ez以下是挖掘区域时，匕应取小于0.8的数值；当设计机具为通用式挖掘装置时， 匕的取值应在0. 8至1. 1之间。3小型挖掘机回转台设计过程3.1回转阻力矩计算(1) 垂直载荷与倾翻力矩Fhui = (Gpei+Gtai + (pfihi+(p2Q)Mhui=(Gpeix Xpei+Giciix XtciA(p、Gbix Xbi+(p2QxR)(2) 风载引起回转阻力矩风吹向车侧方，风压为一类风压。们=0.6缶 臂架风载引起的回转阻力矩NhuifbiFhuijhi = qx Cbi x q(1 + ) x Lbih x LMhuijbi = Fhuifbi x Xbi 转台风载引起的回转阻力矩MhuitaiFhuijbi = Cxq【x StaiMhuijbi = Fhuiflyi x Xtai 荷重风载引起的网转阻力矩MhuifqFhuify = C x q x SqMhuifq = Fhuify x R 总风载回转阻力矩MhuifMhuif = Fhuifbi+ Fhuiftai+ Fhuifq(3) 坡阻力矩Mhuip= Mhnix sin Apo摩擦阻力矩Fhi，= Fhui(-)刀冬些给n7rDMhuiztn = 0.5 JJuiix Fhuimx Dhui(5)惯性阻力矩Jhui = Qx R + Gpeix Xpei + Glaix Xtai1 + Gbix Xbi2.2ttxVhui Ehui =60xtqMhuig = l.5Jhuix Ehui(6)总的回转阻力矩正常阻力矩：Mhuizong = Mhuif + Mhuip+ Mhuim最大阻力矩：M 血max = Mhuif+ Mhuip+ Mhuitn+ Mhuig依据上面的公式对小型挖掘机进行计算及选型，回转机构最不利工况是回转 和起升同时作业，起吊最大起重量。选取的计算工况为主臂18m臂架角度80度, 幅度5m。采用载荷组合la计算，结果见表3.1。表3. 1 260t小型挖掘机回转阻力矩垂直载荷(kN)4182. 79侧翻力矩(kNm)7720. 65风阻力矩(kNm)16. 78坡阻力矩(kNm)385. 23摩擦阻力矩(kNm)28. 54惯性阻力矩(kNm)126. 36正常阻力矩(kNm)430. 55最大阻力矩(kNm)556. 91垂直载荷（kN）4182.79倾翻力矩（kNm）7720.65风阻力矩（kNm）16.78坡阻力矩（kNm）385.23摩擦阻力矩（kNm）28.54惯性阻力矩（kNm）126.36正常阻力矩（kNm）430.55最大阻力矩（kNm）556.913.2元件选型根据上面算出的回转阻力矩确定驱动型式及元件选型，元件选型结果见表3.2 :表3. 2回转机构元件选型项目符号数值备注驱动型式双驱回转支承型号131.45.2240外啮合滚道直径Dhui2240mm齿数，模数157,16减速机型号GFB36T3-1000传动比i117.55机械效率%0.95小齿轮齿数，模Zi,m12,16数马达型号A2FE45/61 W最大排量V,n45.6 ml/r工作转速P35MPa机械，容积效率0.92,0.95回转泵型号A11V090最大排量vP90m 1/r工作转速P2100rpm机械，容积效率0.92,0.953.3技术参数匹配计算以回转起动和稳定回转两个工况作为机构的验算工况。(1) 马达最大压差 回转起动扭矩：M =- = 5569x12 = 22.4,3. Me2，亦 2x 157 x0.95马达最大压差：nW =2x34x22.4xlV=Vim 45.6x117.55x0.92x0.95(2) 正常工作马达压差设稳定回转的速度为最大回转速度，此时的减速机输出扭矩:M.=一 2z?矶430.55x12 =17 32.2x157x0.95其中，化二开齿传动效率,马达正常工作压差:P =竺上=2x34n7.32M)=Vim 45.6 x 117.55 x 0.92 x 0.95(3) 最大回转速度马达转速:maxQnax 2V v179.552x45.6x103x 0.95 = 1870.3 min v %最大回转速度:=maxZ| =emaxz2l=3X12 52心n159x117.55本次论文设计的挖掘机后挖掘机具，其挖掘装置的主要参数如表3-1所示:表3-1挖掘装置主要参数挖掘高度最大值3. 770 米卸载周度最大值2. 110 米挖掘深度最大值2.485 米铲斗容量0. 08立方米铲斗转角3160摆动角度最大值180铲斗油缸推力的计算公式为：P3 = ： X 1)2 X鸟X仍X如字母取值代表意义Py120kg/cm3油缸额定压力%0. 95机械效率死0.9管路效率D63mm油缸内径将数值代入公式计算后得出：P3 = 3196.7切将P3值代入公式3-4,得出铲斗油缸的挖掘力，具体结果如表3-2所示:表3-2铲斗油缸挖掘力油缸行程回转角n2二3P (kg)89001882783258908901046303343143081327890,132453523262961294890121360348333280118589013499030934024690689014421202373382115998901520160140314174314斗杆油缸推力的计算公式为：2 = ： X Z)2 X弓X X如字母取值代表意义Py120kg/cm3油缸额定压力%0. 95机械效率叩20.9管路效率D80mm油缸内径将数值代入公式计算后得出：P2 = 5154.6kg将P2值代入公式2-5,得出斗杆油缸的挖掘力，具体结果如表3-3所示:表3-3斗杆油缸挖掘力油缸行程回转角作用力至 回转点距离挖掘力P2 (kg)铲斗转35铲斗转48铲斗全收回925028077279973692511103041311381179108692512204542211631205111092515209030884987981092515901052456756996443.4小型挖掘机回转台的静平衡设计小型挖掘机回转台在进行线切割运动时，多数情况下是处于中间的平衡状态 进行往返地摆动。如果小型挖掘机回转台存在明显的重力不平衡现象，小型挖掘 机网转台在中间位置摆动时，就会有明显的力矩突变，会使传动系统出现最终的 位置偏差，造成电极丝与工件之间不仅仅是加工上出现的误差，有可能造成电极 丝的短路和断丝。在加工过程中电极丝的断丝是电火花加工的大禁忌，不但浪 费时间也会造成加工的不准确。因此，对小型挖掘机回转台结构进行结构优化， 调整其平衡性是必须的一项工作，它有利于小型挖掘机回转台在传动方面的精 确，改善加工中的电机工作条件和提高工件的加工质量。小型挖掘机回转台没有进行静平衡之前其结构如图3. 1所示，在转盘轴承支 座上的电机及转盘不对称的结构，由于自身的重力会产生不平衡力矩。小型挖掘 机回转台在仅施加重力时，其在重力作用下的状态如图3. 2所示，可以看到小型 挖掘机回转台的明显不平衡现象。图3.1回转台未受重力时的状态图4. 4挖掘机座椅设计31结论32参考文献34图3. 2回转台受重力时的状态图小型挖掘机回转台的不平衡现象的解决，因为已经知道静不平衡力矩进产生 的原因，所以平衡小型挖掘机回转台静不平衡力矩采用在小型挖掘机回转台的适 当位置加配重块的方法。依此实现小型挖掘机回转台的静平衡，从而减小小型挖 掘机回转台工作时误动作的影响，减轻对电极丝的冲击。重力平衡设计时又要局 限在小型挖掘机回转台的整体结构设计，在增加配重块时，放置的位置是比较难 选择的问题，所以不能简单地对小型挖掘机回转台直接加上配重块，要考虑到小 型挖掘机回转台的两个工作位置都要尽量实现平衡性和回转台的工作空间。首先 对小型挖掘机回转台的结构进行改进，改变电机的安放位置，同时调整底板一侧 对回转台转动时的干涉影响，其设计结果如图3. 3所示。在结构上将蜗杆的位置 移动到有支撑的转动轴上，这样大大可以减少力矩，并且在轴承端盖的一侧加上 适当质量的配重块，可以使小型挖掘机回转台实现静平衡。然而当小型挖掘机回 转台侧向工作时，因其不平衡力矩较小，将配重块适当下移，就可以得到平衡。 从而使小型挖掘机回转台实现较平稳地运动，不在受不平衡力矩的影响，避免小 型挖掘机网转台频繁换向时加工误差的累积和电极丝发生断丝的危险使加工精 度得到提高。图3. 3小型挖掘机回转台的重力平衡改进后的结构小型挖掘机回转台针对圆形工件装夹要求其能快速找准中心，节约时间，装 夹方便。在众多夹具中三爪卡盘完全可以满足以上的几点要求，因此在设计中针 对圆形工件的夹具设计采用了三爪卡盘，并对其结构尺寸进行了适当的改正，其 结构模型如图3. 4所示。三爪卡盘在小型挖掘机回转台上的装配位置在蜗轮的底部，这样可以使工件 比较接近工作台，使运动更加平稳和回转台结构更加紧凑，其装配图如图3.5 所示。针对多边形工件的装夹设计原理和机床本身设计类似，采用钢条和长螺钉装 夹工件。在用小型挖掘机回转台进行小型挖掘机加工时，电极丝与工件几乎是不 接触的，彼此不会产生较大的接触力，因此工件固定和夹紧相对比较容易。采用 钢条和长螺钉装夹工件，首先根据工件的尺寸确定采用那儿个螺钉固定，选择好 位置之后将螺钉上套上两条钢条，将工件放在螺钉上的两钢条之间，然后拧紧螺 钉，从而实现工件的夹紧，装夹效果如图3. 6所示。图3. 4三爪卡盘的设计图3. 5小型挖掘机回转台及夹具的改进图3. 6多边形的装夹方式3.5小型挖掘机回转台的整体改进设计小型挖掘机回转台改进设计中单从机构的方面分析，上述方案的夹具和重力 平衡设计可以满足设计的要求，但是上述方案中回转台的整体结构设计紧凑性不 太好，小型挖掘机回转台的翻转的加工范围比较小，不可以翻转360度，加工细 长轴时要重新安装才可以加工且底板结构比较笨重。因此需要在整体上调整小型 挖掘机回转台的结构，使回转台结构设计可以扩大翻转的角度，理论上设计是要 求转向可以360度旋转。上述方案的夹具设计采用三爪卡盘自动定心，其定心精 度比虎钳式定位夹紧的精度要略高，但是三爪卡盘的结构尺寸设计都是非标准尺 寸，自己加工制作其精度达不到理论上设计要求，并且加工制作比较麻烦，虎钳 定心夹紧的设计制作相对来说比较简单。回转台整体结构的调整，也可以从避免 的上述方案加配较大的配重块考虑，减轻了小型挖掘机回转台整体结构的重量。小型挖掘机回转台的整体机构改进设计，要考虑到电极丝的工作范围、回转 台的体积和夹紧装置尽量简单、回转台的平衡性等问题，做到综合改进设计。从 多数夹紧机构中可以看出，多数夹具体积比较大，并且中心难以留出电极丝的运 动范围，综合比较考虑采用虎钳式定位夹紧。小型挖掘机HA400具有自动对中心 的功能既可以自动找到中心位置，所以采用虎钳式自动对心装夹机构较为简单合 理。虎钳式自动对心装夹机构选用一个夹紧钳口是平的，而另一个钳口是V型； 定心虎钳中的两端螺旋的每英寸的扣数必须不同，以便做到不论工件的直径大小 而每个钳口都能适当地向内移动一定距离来达到定心效果，其夹具的三维图如下 图3. 7左图所示。螺旋杆两端分别采用6牙/时的右旋爱克母螺纹和5牙/时的左 旋爱克母螺纹，由公式：螺距sin9 = sin= 0.833, 0 = 56.5c 1击因得:V型块的夹角是0 = 2x0 = 113。夹具的导向作用由导柱和V型块和平钳 口上的导向块一起作用。此夹具可以装夹圆形工件和正方形工件，其他大尺寸的 多边形工件的装夹仍采用上述的螺栓压条装夹，结构如图3. 7右图所示。图3. 7回转台的夹具回转台的夹具结构设计、重力平衡设计和工作转角设计都要在回转台的改进 设计中得以实现和满足设计的要求，上述2种夹具设计方法原理基本相同，操作 比较简单，但考虑到整体结构的设计更加合理，回转台夹具采用虎钳式夹具和螺 母压条式夹紧如图3. 7所示，重力平衡仍然采用配重块的方法，回转台的整体改 进设计如图3. 8所示。图3. 8小型挖掘机回转台的整体结构3.6小型挖掘机回转工作台设计验证(1) 装配体中连杆的创建。在UG运动仿真中，运动的构件必须创建为连杆。UG中可以在连杆的创建中 定义其相对属性，如连杆对象、惯性矩、质量属性等也可以自动设置，一个构件 可以设置为一个连杆，多个零件也可以设置为一个连杆。首先新建motion 1, 再定义运动连杆。小型挖掘机回转台的运动仿真中，连杆的定义如下:连杆L001 定义为固定连杆，选择的构件如下图3.9(a)中高亮显示的部分零件，定义固定 连杆相当其于大地相连接，在运动时处于静止状态。左侧的电机轴和小齿轮定义 为连杆L002,左侧的大齿轮消隙机构整个转配体、轴、轴承支座、轴承等如图 3. 9(b)高亮显示的部分定义为连杆L003,轴承支座上的电机小齿轮定义为连杆 L004,大齿轮及套筒夹具要一起旋转定义为连杆L005如图3.9(c)所示。在连杆 的定义时，连杆的质量，转动惯量和质心都采用软件的自动定义方式，也可以自 己设定。(c)连杆 L005(b)连杆 L003(d)连杆定义导航图一;-上上一指，图3. 9小型挖掘机回转台定义的连杆(2) 小型挖掘机回转台运动副(Toints)的创建一个机构一般是由多个构件装配而成的的，各个构件之间的相互联系和作用 的关系叫做运动副。机构中的运动关系是指通过运动副将连杆约束在一起使机构 中各构件具有某种装配关系。运动副通常关联两个构件，并限制两个构件之间的 相对运动，在定义运动副时需要选择两个构件，即便是存在一个构件的情况，也 是将另一个构件默认为是大地(Ground)。UG运动仿真模块中具有普通类型运动 副和特殊类型运动副，例如旋转副、万向节、滑动副、柱面副、球面副、平面副、 点在线上副和线在线上副等属于普通类，线缆副、螺旋副、齿轮齿条副及齿轮副 等属于特殊类型运动副。小型挖掘机回转台中总共创建7个运动副，首先连杆L001选择是固定连杆, UG软件自动创建与大地相连的固定运动副J001,再定义连杆L002定义为旋转副 J002同时要和连杆L001啮合，连杆L003定义为转副J003同时要和连杆L001 啮合，连杆L004定义为旋转副J004同时要和连杆L003啮合，连杆L005定义为 旋转副J005同时要和连杆L003啮合。最后定义特殊类型运动副，小型挖掘机回 转台需要定义的殊类型运动副只有2个齿轮副，回转台左侧的齿轮副J006定义, 依次选择旋转副J002, 1003,齿轮副是比率就是齿轮的传动比，设置为20/50。 大齿轮的齿轮副的定义J007依次选择旋转副J004, J005,齿轮副是比率就是齿 轮的传动比，设置为31/118。（3）小型挖掘机回转台中驱动（Motion Driver）的定义运动仿真中模型上驱动的定义就是将没有约束的构件或没有定义的运动副 进一步定义，使其具有一定运动规律。UG中共有5种类型:a无驱动，就是不施 加任何驱动相当于只有运动副关系；b恒定驱动，可以设置运动副等线速度（角 速度）或等加速运动（角加速度）；c简谐运动驱动，就是施加简谐形式的运动函 数；d运动函数，设置数学函数驱动相应运动；e关节运动驱动，给定运动副步 长（角度）和步数进行运动。设计小型挖掘机网转台结构，首先需要分析小型挖掘 机回转台可以运动的范围是多少，也是对设计的初步验证。在小型挖掘机回转台 的运动仿真中定义J002以恒定角速度45degrees/sec驱动，定义J004以恒定角 速度40degrees/sec驱动，驱动定义完成。4挖掘机驾驶室操作台设计挖掘机人机界面布局是根据之前收集研究的数据和指标，将显示器和操作装 置合理的摆放在统一界面中，方便驾驶员的操作，并使其满足人机工程学的要求 并将功能性发挥到最大化。传统的布局难以达到理想的效果，随着科技的进步， 我们利用计算机三维建模等方式，实现最佳设计状态。4.1驾驶室骨架设计4.1.1驾驶室骨架设计挖掘机驾驶室的整体造型大部分是以直线的方式连接的，部分地方使用圆弧 连接和圆角连接，整体造型呈现为梯形结构由此来获得稳重的视觉感。这如此的 造型及体想出挺直有力的特色又符合审美的要求。在挖掘机驾驶室的设计中，有所涉及到驾驶员安全的部分是最为关键的。因 为在较为复杂的工作环境下，挖掘机随时都有可能发生意外。所以在挖掘机驾驶 室设计过程中要做好安全保护装置的设计一R0PS&F0PS安全机构。ROPS和FOPS 即防侧翻保护装置和防落物落物装置是根据工程机械的工作环境来确保操作员 的安全的防护结构。ROPS的主要作用是保证在车辆发生意外产生翻滚时能够吸收一定能量的能 力。当然ROPS还需要有一定的强度，从而可以避免车辆发生翻滚是不会因为驾 驶室的变形而使操作员受到二次伤害，在一定程度上保护驾驶员不受到伤害。FOPS装置要确保在承受落锤的多出冲击下，保护装置不会被穿透，并在承受冲 击后为了不妨碍操作员的操作作业，驾驶室产生的变形量应该控制在一个范围 内，最大变形量不能超过国际标准DLV即挠曲极限量中规定的范围。表4-1小型挖掘机ROPS不同质量最小承受能力整车质量/kg侧向载荷/N能量吸收/J垂直载荷/N纵向载荷/N700M1006M1250019.61M4.8M0(M/10000)L25700Mi286000()12500I9.61M48000600(M/10000(M/1000(M/1000)“0)L250)1.25M.22860010M2.37M19.61M8M4.1.2驾驶室骨架设计驾驶室骨架的设计需要根据其强度和刚度的需求，并且加工工艺也要达到一 定的要求，不要因为加工的难度太大而增加加工成本。且加工时要尽可能的使其 形状工整，这样方便对ROPS的结构性能进行检测。挖掘机驾驶室骨架按照ROPS&FOPS安装的位置町以将之分为内置式安全结 构和外置式安全结构两种形式。且两种安装形式的安全结构都能通过国家安全标 准规定。但由于外置式存在自身的局限性即在一定程度上回妨碍到驾驶员的视野 范围和影响到挖掘机的协调性。所以本次设计的驾驶室使用的是内置式的安全结 构形式，下图是本次设计的挖掘机驾驶室的骨架模型。图4-1挖掘机驾驶室骨架三维图构成驾驶室安全骨架的杆件可以分为三类：功能杆件，附件和加强杆件。由此可见功能杆件和加强杆件是驾承载驶室的杆件，它们必须具有一定的强 度且刚度。尤其是功能杆件，其在设计时不仅需要考虑到所需要的钢度和强度， 还要尽可能的不去影响到驾驶室的使用功能。比如在前窗柱的设计时，为了能够 获得更大的前方及左右两侧视线范围时，在满足安全性能的情况下尽可能的去缩 小前窗柱的横截面积。终上所述，挖掘机驾驶室的骨架在设计时需要按照下面两个原则：1. 强度和刚度设计原则：驾驶室骨架要选取合适得刚度值，当刚度过大时会不利于能量的吸收，也是 驾驶室的重量变大使材料浪费；刚度过小时，会产生较大的变形量，会使驾驶员 的安全保障受到影响。最优的驾驶室骨架刚度设计是当骨架施加最小侧向载荷 时，其应力最大处上的某点已进入屈服阶段。2. 视野设计原则驾驶室骨架在确保翻滚保护和落物保护功能的前提下，需要尽可能的使驾驶 室能够在前方和左右两侧获得更好的操作视野空间。4.2驾驶室门设计挖掘机驾驶室门作为其结构重要的组成部件之一，其性能会间接影响到驾驶 室的舒适性与安全性。驾驶室门其主要性能优劣是指车门的封密性,抗撞击性能, 和驾驶员上下车时车门的开关方便度等。一般依照车门开启的方式的差别进行分类，设计不同种类的驾驶室时一般会 根据不同的需求来选择合适的车门进行组合。这里考虑到挖掘机属于土方机械， 对于速度的要求不是很高，所以选择相对应的车门时着重考虑驾驶员上下车时车 门开合的方便性，所以我们选择逆开式车门。图4-2驾驶室门三维模型4.2.1驾驶室门饺链强度计算车身相对于车门的位置是由车门的铉链控制的，且其是限制车门开关轨迹的 部件。通常用三个部件来组成车门较链：车身件是与车身衔接的部件，车门件是 与车门衔接的部分，衔接车时间与车门部件的部分为其他部分。表4-2车门钗链技术要求 项目要求纵向施加1U10N的纵向力后未脱开横向施加8890N的横向力后为脱开小型挖掘机回转平台和驾驶室设计【摘要】：挖掘机械是一种集土方挖掘、装载、平整、拆除、抢险等作业的工 程机械，广泛应用于各类土石方工程施工、民用建筑、道路建设和市政工程场所。 近年来伴随着我国经济的快速增长，大规模的基础设施建设对挖掘机提出了强劲 的市场需求，我国挖掘机械的产销量每年都有增长，并且，挖掘机作为技术复杂 的终端机械产品，其开发和制造涉及机械、液压传动、冶金、石油化工、电气等 众多行业，己经形成了一个庞大的产业集群。因此，研究及设计小型挖掘机回转 平台及驾驶室，使其在工作中满足安全性、可靠性、舒适性、环保性及外观需求， 并对驾驶室骨架等主要结构进行强度安全分析。设计回转台并针对加工试验中小型挖掘机回转台出现的传动不精确、工件装 夹繁琐、摆动冲击较大及回转台结构较笨重等问题，从以卜,三点进行改进:采用 弹簧摆块齿轮自动消隙机构消除齿轮间隙，并对其进行了结构设计和运动性质分 析；装夹采用虎钳式夹具和螺栓压条夹紧方式；进行静平衡和结构整体改进来保 证其加工精度和运动灵敏度，从而提高小型挖掘机回转台适应性。【关键词】：挖掘机械；小型挖掘机；回转平台；驾驶室Abstract : excavation machinery is a kind of engineering machinery which collects earthwork excavation, loading, leveling, demolition and emergency operations, and is widely used in various earthwork construction, civil buildings, road construction and municipal engineering sites. With the rapid economic growth in China, the large-scale infrastructure construction has put forward strong market demand for excavators. The production and sales of mining machinery in China have increased every year. Moreover, as a complex end-end mechanical product, excavator development and manufacturing involves many industries such as machinery, hydraulic transmission, metallurgy, petrochemical industry and electrical industry, which has formed a new industry A huge industrial cluster. Therefore, the research and design of small excavator rotary platform and cab can meet the requirements of耐久进行10：次耐久性试验，然后依然满足纵向横向要求通常钗链分为两种安装形式水平轴铉链安装形式和垂直轴皎链安装形式，这次设计的钗链为垂直轴的饺链形式。对于垂直钗链的校核需要通过三种状态进 行：当门处于关闭的状态时：(P*DUD2)Er(3-1)当门处于开启的状态时：(P+P0N5Ea(3-2)当门呈90打开状态时：(P+P1)-)281.99,Ea7.6,Et/81.99N。4.3驾驶室视野设计本文所阐述的视野为一个空间概念，分为动视野和静视野两个概念。静视野 的概念是在头和眼在不动的状态下，眼睛以一个固定位置正视前面方向，所得到 的一个视线领域是固定的视线范围这便是静视野。而动视野便是转动头和眼之 后，所能得到的视线范围即动视野。视在驾驶室设计中视野设计是极其关键的内 容，操作员在驾驶作业时大部分信息是由眼睛捕捉获得的，因为挖掘机的工作条 件比较特殊，所以要求驾驶员能够及时的获得四周环境的信息。因此挖掘机驾驶 室的视野性能直接关系到操作员的安全性能和操作便捷度。在为驾驶室设II视野 视野设计时，要了解我们做这个设计的目标是为了使操作员可以获取到比较自由 的视线范围，使操作员不必一直变换坐姿来获取想要的视野范围，这有可能还是 操作员为了获得想要的视野时而是自己以一个不舒服的坐姿进行作业，不仅不会 操作员更加疲劳还会降低驾驶员的工作效率也对驾驶员对工作环境的观察与反 馈产生不利的影响。4.3.1眼椭圆设计眼椭圆指的是驾驶员使用一个比较舒适的坐姿处于驾驶室座椅上时眼睛的 位置所处于的正态分布位置。只有先找出眼椭圆的空间位置才可以进一步设计眼 椭圆。眼椭圆的参数又与SGRP点和驾驶室座椅位置再水平方允许的调节范围等 有关。眼椭圆根据不同的存在两套样板，区间为33mm和 100i?un A 1,具体参数如下：表4-3眼椭圆样板尺寸列(单位：mm)项目P95P99100mm A133mm100mm A133mm长轴173198241267短轴俯视105105149149侧视8686122122眼椭圆位置除了与上文所说的两点有关以外还与驾驶室座椅的靠背倾角有 关。找出眼椭圆位置的方式是：1. 选定座椅的相干的参数，比如座椅水平的调节范围量,座椅靠背的倾 角 A40；2. 敲定SGRP点相对于H点的位置,定义SGRP点坐标为(L31, W20, H70), H点的坐标(Xh,Zh)便得出以下的式子：L31d+X；W20 = Yu ；H7Q = Zh。3. 确定调节工具参考点(ATRP:Accommodation ToolReference Point)位置， 通常ATRP点位于座椅调节量的中间位置，通过座椅参考点SGRP点来确定：X 冲= 855.31-0.59x31 ；Zm产 H70;4. 左眼和右眼的椭圆的空间位置也会受到男女比例的影响而发生改变，在章 节2. 3.1提及过，挖掘机驾驶员的男女比例为90： 10和95:5之间，则有：X = XmpT84* + 12.23xA4O；Z = Z.xmp-707.52 + 4.17x440 ；而眼椭圆的中心点Y的坐标为：L=W20-32.25(3-4)儿= W20-32.25(3-5)5. 依照表3-3选出眼椭圆的相关尺寸，再将各个眼椭圆依次以中心点旋转， 俯在视图里椭圆的X轴前倾5.4 ,在侧视图里椭圆的X轴下倾11.6。o将之前的数据带入计算：Z31 = + X = 156.72 + 550 = 706.12 mm ；W 20 = YH = 0” ；H70 = Z = 400“m ;X Ag = 855.31 - 0.509 x31 = 495.58m ；Zmp = H70 = 400，g；X = XAniP-184.44 +12.23 x /140 = 616.89/72/77 ； Z = Z A,KP + 707.52 - 4.17 X A40 = 1003 .27 ； 匕=W20 - 32.25 = -32.25mm ； Yr = W20 + 32.25 = 32.25m。4.3.2驾驶室视野范围校核眼眼椭圆位置的确定不过是视野设计的第一步，若其独自存在而没有视线的 话就不存在什么意义。只有对本次的设计进行校核就能够得出视野范围是否合 格。校核挖掘机前方视线范围时，要先确定上下左右各个方向所能达到的最广的 视线范围是否达到要求。为了使驾驶室设计符合视野设计的相关规定，就要保证 驾驶员前方的上下左右每个方向所能看到的事项范围内不会被驾驶室遮挡到，即 都在前视窗范围内。表4-3前方视野基本要求（单位： ）角度平面方向垂直方向前上18前下22水平方1司前左35前右35在挖掘机驾驶室的总体布局敲定后，驾驶室前视窗的位置和大小就已经有 了。如图4-3所示，在眼椭圆侧视图上作出垂直视野的最小规定范围，就是上面 的视线和眼椭圆上面相切，夹角是18 ,下面视线与眼椭圆下面相切，夹角是 22 ,由图可知视线范围均在视窗内，所以垂直视野校核合格。图4-3侧视图极限视野水平视野校核和垂直视野校核类似，先确定左右眼椭圆的位置，再做视线的 范围，画出左眼椭圆左边相切且和中心偏左线夹角是35的视线，右边的视线 与左边相似，是一条与中心线偏右夹角为35且相切与右眼椭圆的右边的视线, 由图3-4可知视线校核合格。图4-4俯视图视野极限对于驾驶室设计来说视野设计是一个很关键的环节，比较合理的眼椭圆位置 和视野范围能使驾驶员在工程作业中会以一个比较舒适的工作姿势进行，对于驾 驶室的舒适性有一定的提升。4.4操作器设计挖掘机驾驶室操作器不仅要和驾驶员人体尺寸相契合，最重要的是满足驾驶 员操作的舒适性，匹配驾驶动作和对操作准确性的影响。对于挖掘机驾驶室的操作杆应注意：（1）挖掘机的操作杆，应布置在驾驶员手脚活动便捷，便于灵敏反应，快 速操作的位置，操作器按使用频率和重要性递减布置。（2）手动操作的手柄、按钮、旋钮等，以JB/Z308为准，布置在驾驶员操 作可触及区域。（3）单手操作的操作杆，必须设计在操作手侧。双手操作的操作杆须设计 在驾驶员正中矢状面附近。（4）挖掘机在坐姿状态下操作，脚动操纵器设计在驾驶员正中矢状面操作 脚侧。偏离中矢状面75mm 125mm内。同时不操作时应给挖掘机驾驶员双脚足够 的空间。4.4挖掘机座椅设计经过软件模拟仿真结果，确定挖掘机驾驶者的最佳姿势状态，通过所得硬点 确定座椅三维模型，文中驾驶室的三维建模尺寸为5495inmX2530mmX3161mm, 操作者选取95百分位，运用人机工程学对挖掘机座椅进行设计。挖掘机座椅由 骨架、座垫、靠背和调节机构组成。在座椅骨架上安装弹簧，再在弹簧上衬垫。 有些座椅没有弹簧，是直接选用加厚橡胶海绵为弹性元件。座椅骨架作用是支撑座椅和人体质量，骨架乂分为座垫骨架和靠背骨架，骨 架应具有刚度和硬度，才可以起到承载和保证安全的作用。本文中挖掘机驾驶座 椅的弹性元件以用来缓冲机身传来的冲击，一般用1.2-4.0mm弹簧钢丝加工成, 也可以用泡沫塑料来代替弹性原件。弹性座椅对驾驶座座椅的静态和动态的最大 影响构件。座椅垫可使用铸型合成泡沫材料，按照所定泡沫成型。根据部位不同，一些 座椅的衬垫硬度要进行相应的改进，为保证操作者坐姿，提高驾驶座椅的结实感, 衬垫左右两侧的硬度需要比中间部位硬度高。同时为提升驾驶员的舒适度，衬垫 上层硬度要比下层硬度低。挖掘机驾驶室座椅衬垫选取25nrnT40nmi左右厚度最 为适宜。挖掘机驾驶座需要增加罩垫，最终目的在于增加驾驶座的造型效果，提升座 椅面的通气性和手感。罩垫装置在蒙皮和衬布之中，体现自由曲线形状。其它与 座椅无关的衬垫，用在座椅骨架的菱角处和梭部成形时防止表皮的材料破损坏， 同时避免杂音的进入。挖掘机驾驶座椅包在座垫和靠背最外层的材料为蒙皮，它 的主要目的是提高造型特征和驾驶座椅表面舒适感和视觉效果，也可以起到衬垫 材料保护膜的作用。挖掘机驾驶座的调节机构，来适应不同身材比例的驾驶员操作时的不同需 求。调节的角度分为前后调节、高度调节、角度调节、驾驶座椅整体调节等。这 些功能的设计都是为了满足驾驶员不同身高限制的要求，最终目的是符合人体工 程学的要求，最大程度满足驾驶员的操作需求。根据挖掘机的情况，综合上述的 设计需求，得出挖掘机驾驶室座椅参考尺寸，见下表4-1。依据尺寸进行驾驶室 座椅的设计，选取两肘距离487mm,驾驶员衣服厚度19mm,为增加驾驶员舒适性增大10mm。驾驶员最后坐间宽为515mm。设计的最终效果，如图4-5所示。表4-5驾驶座座椅参考尺寸参数符号数值座椅高a (mm)360-480座椅宽b (mm)370-420,推荐 400座椅深c (mm)360-390,推荐 38()靠背长d (mm)320-340,推荐 330靠背宽e (mm)200-300,推荐 250靠背厚f (mm)35-50,推荐 40靠背高g (mm)165-210,推荐 180靠背圆弧半径R (mm)400-700,推荐 550座面倾角a ()0-5,推荐 3-4靠背倾角p ()95-115,推荐 110图4-4座椅效果图结论本文针对小型挖掘机回转台出现的传动不精确、工件装夹繁琐、摆动冲击较大及回转台整体较笨重等问题，从消除齿轮间隙、改进工件装夹夹具、重力静平 衡和步进电机的更换等方面来分析其对小型挖掘机加工的影响。对小型挖掘机回 转台进行结构的改进，针对传动时齿轮出现的间隙，采用弹簧摆块齿轮自动消隙 机构予以消除。在小型挖掘机回转台的夹具结构改进设计的两种方案中，经对比 分析采用虎钳式夹具和螺栓压条式夹具。同时对小型挖掘机回转台的整体结构做 了相应的调整，去掉了侧面的底板，扩大了回转台的翻转的范围参考文献1 张丽平，陈秀峰，马怀群，等.步履式挖掘机驾驶室结构改进方法J.工程机械与维 修，2018, 000(003): 109-110.2 初长祥，刘剑.液压挖掘机的回转控制J.工程机械与维修，2004(11):146-148.3 王春磊，居世昊，徐立明，等.破碎工况下液压挖掘机驾驶室减振分析J.工程机械， 2017, 12(v. 48;No. 530):7+40-42+44.4 谭开兵，吴凤林，谭彬，等.WK-75型矿用挖掘机回转平台的参数化设计J.煤炭工程, 2016.5 张伟，何强，王海波.液压挖掘机回转平台结构有限元分析及改进设计J.徐州工程 学院学报(自然科学版)，2013, 28(3):64-68.6 张洋，张东杰，张聪聪，等.液压挖掘机回转平台有限元分析J.建筑机械，2014, 05(5) :8I-81.7 臧德江，刘永祥，任海波.某型挖掘机驾驶室门锁故障原因分析及解决方案J.工程 机械与维修，2018.8 付文博，史青录，刘成，等.挖掘机回转闭式油路节能系统设计J.煤矿机械， 2018(6).9 王雅坤、任家骏、李爱峰、孟浩南.矿用挖掘机驾驶室操作界面的布局优化设计J.工 程设计学报，2020, v.27(04):69-77.10 李荣.挖掘机驾驶室一座椅悬置系统仿真分析与优化J.挖掘机，2014.11 驾驶室设计.解析工程机械驾驶室的发展方向J.工程机械，2017.safety, reliability, comfort, environmental protection and appearance in the work, and the strength safety analysis of the main structure such as cab skeleton is carried out.The design of the rotary table is carried out. In view of the problems of inaccurate transmission, complicated clamping of workpiece, large swing impact and heavy structure of the rotary table, the paper improves the rotary table from the following three points: the automatic clearance eliminating mechanism of spring swing gear is adopted to eliminate the gap between gears, and the structure design and the analysis of the motion properties are carried out; the clamp adopts Vice Clamp and bolt The static balance and the overall structure improvement are carried out to ensure the machining accuracy and motion sensitivity of the strip clamping mode, so as to improve the adaptability of the small excavator rotary table.Key word : mining machinery; small excavator; rotary platform; cab1绪论1.1选题背景1.1.1选题原因近些年来从挖掘机市场的总体发展可以看出，挖掘机的发展相对于其他工程 机械类产品发展较快，挖掘机使用频率在众多工程机械产品中最高。社会发展的 每一大步都离不开挖掘机，挖掘机的演化历史也是社会发展变化的缩影，由进口 挖掘机霸占市场的昨天，到挖掘机生产国产化的今天，倾注了挖掘机研发工作者 的辛勤汗水。时代在不断进步，在物质文明极其丰富的今天，国外挖掘机和国产挖掘机的 市场竞争十分激烈，单纯注重功能性的设计思维，己经远远落后于挖掘机产品更 新换代的步伐。工业设计对挖掘机的发展和技术改革创新将起到至关重要的作 用，在功能性的前提下加入人性化的设计，工业设计加入挖掘机产品设计是挖掘 机等工程机械类产品发展壮大的必然趋势。1.1.2选题意义在工程作业中小型挖掘机因为体型较小的缘故拥有较好的机动性，较为合适 的价格使其具有普遍性，且其的使用范围也很广，作为工程机械小型挖掘机也拥 有较强的工