微型液压挖掘机回转体机构设计

摘要近年来，中国基础设施项目呈现增长趋势，党的十九大召开以来，我国依然要以经济建设为中心，因此我国必须发展基础设施，在满足便利人民的同时，也推动经济发展。挖掘机械是挖掘土石方和石方的通用机械设备，因其在生产生活中的决定性的作用自然受到各方的广泛关注。挖掘机的类型多种多样，从传动方式上可以分为机械式挖掘机和液压式挖掘机。与前者相比，液压挖掘机具有工作效率高，速度快，性能优越，工作稳定等优点。近年来，小型液压挖掘机由于其紧凑性，灵活性，通用性和高效率的特点，并且兼具有大中型挖掘机的许多功能而受到社会的广泛关注。 因此，本文选用微型液压挖掘机作为主要研究对象。大部分挖掘机大部分都可以看做上下两部分的工程机械，作为上半部的是工作装置，下半部的是行走机构，起承接作用的就是回转体机构。回转体机构由三部分组成：上部转台、回转支承以及回转机构组成。回转体机构在挖掘机进行作业时，会受到较大的工作载荷，因此对回转体机构各部分提出了严格的要求，国家也制定了相关的标准。可以说，回转体机构设计的好坏是衡量挖掘机生产技术的重要指标。对于本次研究课题，我主要进行了这几方面的设计：回转支承的选型与设计以及相应回转力的计算，回转机构设计主要是驱动方案设计，转台的运动的分析与计算，还试着用有限元对机构进行加工完善。关键词 挖掘机械；回转体部分；运动分析；通用机械AbstractIn recent years, Chinas infrastructure projects have shown a growing trend. Since the partys 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 machinery40目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 微型液压挖掘机及其回转体机构简介11.1.1 什么是微型液压挖掘机11.1.2 回转体机构的简介11.2 国内外微型液压挖掘机发展进程21.2.1 国外微型液压挖掘机发展进程21.2.2 我国微型液压挖掘机发展进程32. 微型液压挖掘机回转体机构设计32.1回转支承的选型与设计32.1.1回转支承的主要形式42.3四点接触球式回转支承的分析82.3.1分析和计算92.3.2分析与计算92.3.3分析与计算103四点接触球式回转支承的校核计算113.2 负荷能力的计算163.3连接螺栓的校核173.4计算与校验回转小齿轮194回转机构传动方式及其选择214.1 微型液压挖掘机的回转机构215 回转阻力矩245.1 回转惯性阻力矩计算245.2 回转摩擦阻力矩计算245.3 回转风阻力矩计算255.4回转坡度阻力矩计算256 转台的设计与运动分析266.1 转台的运动过程266.1.1 起动加速过程276.1.2制动减速过程286.1.3 恒流量过程316.1.4 空斗时转台返回过程326.2.分析与计算转台最佳速度326.2.1 具有匀速运动阶段的梯形速度图的转台计算分析336.2.2 具有无匀速运动阶段三角形速度图的转台最佳速度计算分析346.3.具体参数的计算356.3.1回转机构的参数选择356.3.2 转角的选取36结论37致谢38参考文献391 绪论1.1 微型液压挖掘机及其回转体机构简介1.1.1 什么是微型液压挖掘机挖掘机械的主要用途是开挖土方和石方，同时作为一种通用机械，它的工作装置可以更换以满足复杂的施工要求，所以在建筑行业中得到广泛的使用。在生产和生活中我们经常可以看到各式各样的挖掘机机械比如在矿山开采矿石的大型挖掘机械，又比如活跃在乡村与街道建设的小型挖掘机械等等，由于挖掘机同时还兼具有节省人力、降低工程造价和提高生产率等优点。挖掘机主要分为间歇作业式（单斗）和连续作业式（多斗）挖掘机，而机械传动的的单斗挖掘机简称机械式挖掘机，液压传动的单斗挖掘机则被称为液压挖掘机，现在目前大多数工程行业中所用的都是液压式挖掘机，约占挖掘机械总量的90%以上。那么如何定义一台液压式挖掘机，国内国外对液压挖掘机均有着严格的定义。通过查阅资料我们总结出液压挖掘机必须具备以下几点特点：（1）必须是通过液压进行传动；（2）可以进行回转运动（一般研究的液压挖掘机都是进行回转）（3）液压挖掘机是一种自行式机械。相比于机械式挖掘机，液压挖掘机在工程作业上有着巨大的优越性。从体积上看，由于液压传动系统的元件体积以及数量少，简化了挖掘机的结构，使得布局紧凑、结构简单，从生产效率上来看，同等机重的情况下，液压挖掘机的挖掘力比机械式约高一倍以上，从平稳性能角度看，液压系统传动简单平稳，从生产效益上看，液压挖掘机易于实现大批量生产，可以有效的降低生产成本。根据目前市场和生产的习惯，按如下表格在规格上对液压挖掘机进行分类。表1-1-1 按整机质量、驱动功率和铲斗容量分类分类整机质量/t驱动功率/KW铲斗容量/m3小型机6t以下小于400.20.22中小型机大于6t小于13t大于40小于850.200.6中型机大于等于13t小于50t大于852600.62.5大型机大于等于50t小于100t大于2504002.55.0超大型机大于100t大于350大于5.01.1.2 回转体机构的简介微型液压挖掘机的结构可以分为上下两个部分，上半部是工作装置，下半部分是底盘，而起着承接作用的就是回转体机构。转台、回转支承和回转机构以及液压系统等构成了一个完整的回转体机构， 如下图1-1-2所示。从图中我们可以看出回转体机构也是一个上下两层的结构，主要动力源来自于液压马达。回转支承分为内外座圈，从图中可以看出外座圈通过连接螺栓与转台连接在一起，内座圈也是通过连接螺栓与底架相连。当液压挖掘机进行回转运动时，它必然会受到垂直载荷、水平载荷和倾覆力矩。这些力会通过内圈与外圈之间的滚动体传由外座圈传递给内座圈，最后传给底架。回转体机构的外壳是固定在转台上，随转台一起运动。转台与底架可以进行回转运动，是由于两者之间通过回转齿轮与回转支承内座圈啮合时，小齿轮带动两者进行相对回转运动。1-连接螺栓 2-回转支承 3-垫片 4-螺母 5-液压马达图1-1-2 回转体机构图1.2 国内外微型液压挖掘机发展进程1.2.1 国外微型液压挖掘机发展进程自从美国机械师奥季斯设计制造的机械式挖掘机问世以来，挖掘机的发展就从未停止过。世界上第一台挖掘机是由蒸汽驱动，代表了当时的最高工艺，而今机械式 驱动、液压式驱动逐步取代了蒸汽驱动，世界上第一台液压驱动的挖掘机由法国Poclain公司率先推出，但是严格意义上来讲这并不算一台真正的液压式挖掘机，它是一台全回转、部分机构由液压驱动的机械。在1954年，德国Demag公司制造出了真正意义上的液压挖掘机，全部机构均由液压驱动。随着科技的进步与突破，尤其是液压技术关键性问题的解决，中小型液压挖掘机得到迅猛发展，德国、日本、美国陆续开始研发与改进液压挖掘机，到20世纪六七十年代为止，液压挖掘机的产量已经占到挖掘机总产量的88%以上。直至今日，国外对液压挖掘机的研究任未止步，他们从技术设计、生产工艺、整机、零部件甚至销售形式与售后对液压挖掘机进行重大的革命，由此液压挖掘机成为土方作业中的尖兵，在各个领域发挥着重要的作用，经统计，工程作业中55%65%作业量都是由液压式挖掘机完成的。目前，国外正在大力发展小型液压挖掘机以及大型和巨型液压挖掘机，研发计算机智能化来操控机械。1.2.2 我国微型液压挖掘机发展进程我国由于近代工业发展的落后，工程机械的发展也相应落后于发达国家。直至20世纪70年代初期，我国进入了挖掘机全面制造研发阶段。其中著名的有上海建筑机械厂、贵州矿山机械厂以及北京建筑机械厂，当时共有6种级别10个型号。在1975年前后，我国的液压挖掘机基本可以实现批量生产。虽然我国的液压挖掘机发展势头突飞猛进，但在关键技术上如柴油机、液压元件任依赖于外方企业。因此，从1980年起，我国为提升自主制造挖掘机的能力，向德国引进了先进的液压挖掘机技术，在学习技术的同时加快自主研发的脚步，以满足日益增长的国民经济需要。20世纪80至90年代，我国经济实现几何式增长，基建工程的日益增多，对挖掘机的质量和数量提出了严峻的考验。在这种情况下，我国不得不大量进口挖掘机，因此吸引了大量外国生产厂家来中国寻求商机，在1995年前后，我国挖掘机步入了与外方合作研究的重要阶段，其中著名的企业有成都机械工程厂与日本神户制钢合资成立的成都神钢建设机械有限公司等。通过与外方企业的长期合作，我国的挖掘机技术水平逐步赶上世界发展水平，同期国产企业也迈入了自主研发的新阶段。21世纪初，我国的挖掘机制造企业开始从中国制造向中国创造迈进，在生产企业数量猛增的同时，核心技术也在不断向自主化与现代化方向发展，液压挖掘机的性能也在不断提高。现如今，我国的小型液压挖掘机产量在满足自身需要的同时，也逐步开拓欧美市场，与欧美一些顶尖的企业进行竞争，在这一时期我国的生产企业面临更新一轮的发展挑战，机型更新、高性能、高质量、环保、低能耗，而液压挖掘机生产企业也面临着更为激烈的市场竞争，因此，研发高效的微型液压挖掘机已迫在眉睫。 2. 微型液压挖掘机回转体机构设计2.1回转支承的选型与设计回转支承也叫做转盘轴承，顾名思义它的作用就是进行回转运动。它可以实现机械设备两个部位之间的相互回转，其主要作用是传动和传力，同时它还肩负着承担轴向力、径向力和倾覆力矩的作用，所以各种机械中得到广泛应用。微型液压挖掘机可以看做上半部是工作机构，下半部是底盘的双层结构，它的一个特点就是可以进行360度回转运动，由于液压挖掘机的工作环境严峻，工作载荷的剧烈变化对是连接结构的回转支承提出了较高的技术要求。图2-1-1 液压挖掘机的回转支承2.1.1回转支承的主要形式液压挖掘机的发展进程中，回转支承的研究与开发在其中起了关键性作用。表2-1-1支承的主要分类与形式表2-1-1回转支承的类型与分类类别主要形式滚动体形式球式、柱式以及球柱联合式回转支承滚动体排数单排、双排以及三排回转支承传动形式外齿式、内齿式以及无齿式回转支承下面选取几个最为典型的回转支承来进行分析（1）单排球式回转支承单排球式回转支承，从图2-1-1中可以看出它的滚道是圆弧形曲面，滚道断面的半径与滚球直径的关系一般推荐为: ，滚珠与滚道接触角 = 45，相比于双排式回转支承有着较大的静定容量，它可以降低轨道接触敏感度，减少摩擦力矩，同时可以承受来自不同方向的力的作用。图2-1-1 单排球式回转支承（2）双排球式回转支承。顾名思义，这类轴承的滚珠分为上下两排，排列在外座圈与内座圈的滚道上。接触角可高达90度，他的特点是可以承受较大的载荷力矩，便于维修，但难以承受较大的径向力矩。所以挖掘机上一般不采用这种回转支承。如图2-1-2所示图2-1-2 双排球式回转支承。（3）单排交叉滚柱式回转支承如图2-1-3表示的就是单排交叉滚柱式回转支承，与图2-1-1单排球式回转支承相比较，我们可以发现主要区别就是滚动体不一样，一个是球体，一个是圆柱体，后者采用交叉式排列，接触角与前者相同一般都是。后者的径向力与动容量都比较大，但是存在载荷。偏移的现象，所以不采用。图2-1-3 单排交叉滚柱式回转支承（4）三排滚柱式回转支承三排式回转支承载荷能力强，不适用于为微型液压挖掘机，主要适用于80t以上的大型矿山挖掘机。如图2-1-4所示图2-1-4 三排滚柱式回转支承现在大部分挖掘机都采用上述几种回转支承，因为我们研究的是微型液压挖掘机，所以建议采用单排球式回转支承，下面根据国家标准进行具体选型。2.2 我国回转支承的系列标准及其具体选型 回转支承的标准制定随着液压挖掘机的发展而不断完善，国外各个机械大国均制定了严格的标准。随着我国机械行业的不断进步，也制定了相关的标准，便于液压挖掘机的生产与制造。我国制定的滚动支承系列标准分两大类：交叉滚动式和四点接触球式，两大类下分六种结构形式：主要按照不带齿、内齿、外齿等来分，每一类按照滚道中心大小不同又可以分成二十种规格，共计四十种规格。 如图2-2-1就是第一类标准的部分图，其中HJ表示的就是交叉滚柱式回转支承，我国制定的标准是相当完善的，除了回转支承的基本参数如滚道中心直径等的制动，还规定了相应的外形尺寸和安装尺寸，给生产带来了极大的便利。图中显示交叉滚柱式回转支承可以分为三种不带齿、外齿、内齿三种结构形式，其中不带齿用英文字母“B表示，外齿用“W表示，内齿用“N表示。第一类按照滚道中心直径大小不同可以二十种不同规格。图2-2-1 交叉滚柱式回转支承部分标准图第二类是四点接触球式回转支承，代号是“HS”。如图2-2-2所示，第二类标准与第一类大体上相同。四点接触球式回转支承也分为三类：不代齿、外齿与内齿，同样用相应的字母代替，按滚道中心直径不同分为二十类，不同的是四点接触球式回转支承一般采用内齿轮啮合，所以标准中才会出现内齿轮参数。 图2-2-2四点接触球式回转支承部分标准图 下面举个例子HSN-625表示的就是滚道中心直径 =625mm，具有内齿机构形式的四点接触式回转支承。我国制定的滚动时回转支承有以下特点（1）尺寸参数比较齐全（滚道中心直径范围是），两种系列的支承在安装尺寸与毛胚尺寸相同的情况下可以互相更换。（2）下表2-2-1是国家对于齿轮的标准选择，有表中可以看出内齿与外齿都是标准齿轮，除了在变位系数上有所区别，这与内外齿在回转支承上所起的作用有关。表2-2-1 两种齿轮的选择标准齿轮压力角（）齿顶高系数（）齿顶间隙系数()变位系数内齿10.25外齿10.25外齿的变位系数与齿数有关齿数为95116时变位系数取+1.0，齿数为117136时，变位系数取+1.15齿数等于和大于137时，变位系数取+1.4（3）国家规定的滚动回转支承的材料及表面硬度见下表2-2-2表2-2-2 滚动式回转支承材质及硬度规定结构名称材质表面硬度规定滚动体GCr15及GCr15SiMnHRC615座圈50Mn,50SiMn，5CrMnMoHRC615滚道表面GCr15及GCr15SiMnHRC5565因为我研究的微型液压挖掘机，微型液压挖掘机的载荷不会过大，所以三排式以及交叉式回转支承不作考虑，我选择单排球式回转支承，参照SWE40U微型液压挖掘机，选用系列轴承，图2-2-3便是这种支承的机构图图2-2-3 回转支承结构图2.3四点接触球式回转支承的分析本次设计中所采用的单排球式转支承是四点球式的，所以以下受力分析仅就单排球式回转支承作以下简单分析和计算。如图2-3-1示的就是单排球式回转支承受力图，从图中可以看出回转支承受到轴向载荷，倾覆力矩和径向载荷。我们可以把座圈看做是个以滚动体为支点的多支点弹性体。我借鉴了液压挖掘机中的研究方法，将内座圈与转台看做一个整体，外座圈与底架看做一个整体，这样从图中就可以看出力的传递路线是转台经内座圈，滚动体，外座圈到底架。由于内力受到内外座圈与滚动体的影响，为了便于研究与分析，我们不妨假设（1）在对回转支承进行受力分析时，选用滚动体与滚到的接触点为受力点，在这个点上进行里的分析，另外受力分析时不受到内外圈因受力而产生变形的影响。（2）假设滚动体与滚道之间是光滑的，除去加工误差对滚动体与滚道的影响 图2-3-1 单排球式回转支承受力分析内力计算的方法有两种，在这里不逐一介绍。第一种变形叠加法比较复杂，不适合简单的回转支承分析，所以考虑到载荷叠加法比较简单，计算结果能满足要求，因此仍采用载荷叠加法计算内力，即上述三种载荷在滚动体上引起的正压力分别计算后再叠加。【 林慕义，史青录，单斗液压挖掘机的构造与设计 2011.04】2.3.1分析和计算如图2-3-1所示，在力的作用下，运用载荷叠加法计算，每一个滚动体对滚道的正压力(2-1)式中：-滚动体总数； -接触角（即滚道上力的作用线与垂直于回转支承轴线的平面之间的夹角）。2.3.2分析与计算 在倾覆力矩M作用下，按照上述假定滚动体与滚道之间的弹性接触与横坐标成正比例。令受载最大的滚动体其变形量为，则有 （2-2） 为简化计算，暂时忽略接触角的影响。按照弹性接触理论，正压力-2与变形的关系为 （2-3）式中： k-比例常数，与滚动体和滚道的几何尺寸、材料和接触情况有关。于是（2-3）考虑到滚动体个数较多，可以视作其变形是连续的，我们可以用积分的方法计算出在微小弧长上正压力的力矩，根据力矩平衡，再将接触角代入其中 （2-3）2.3.3分析与计算在径向载荷作用下，假定回转支承只要Y坐标右侧的滚动体受力，滚动体沿X坐标方向的移动量相等，用表示，滚动体在径向的变形符合余弦规律，即 ，为了简便计算，我先暂时忽略接触角，根据弹性接触理论，先求的单位滚道上的径向力，在求得一小段弧长上的分力，根据力的平衡条件，仅对一条滚道起作用，引入接触角得 （2-4）令，由于回转支承会受到、和的共同作用，滚动体对滚道的正压力可以表示为（2-5）3四点接触球式回转支承的校核计算3.1当量负荷的计算已知四点接触球式回转支承会受到总轴向力、倾覆力矩以及径向力矩的作用，由此可知当量负荷也应与这三个量有关。如下公式就是三者的关系： （3-1） 上式中 -滚道中心直径（m）； -作用在回转支撑上的总轴向力()； -倾覆力矩（）； -径向力矩（）。挖掘机在进行挖掘作业时回转支承上会受到外载荷、和的作用，因为挖掘工况和计算位置的不同，可以计算出若干组当量轴向负荷，我们选择其最大值。挖掘机工作装置主要分为三种：反铲工作装置、正铲工作装置以及其他作业装置，这样就导致在计算不同工作装置在不同位置时要使用不同的计算方法。因为我设计的液压挖掘机工作装置是反铲工作装置，所以就反铲装置的工作过程给予详细的分析，其余情况就不一一介绍。挖掘机在进行挖掘作业时，在各个位置时都会有着不同的当量轴向负荷，我们不可能一一计算在内。所以在一般情况下，我们选择具有代表性的三个位置进行分析与计算：（1）动臂两绞点处于同一水平线上，斗杆铅直，用铲斗液压缸挖掘，使切向斗齿力垂直于地面。如下图3-1-1所示V 图3-1-1斗杆铅垂时工作位置计算图因为我设计的是微型液压挖掘机回转体机构，不涉及工作装置各部分的计算，所以有关液压挖掘机工作装置的数据只能从网上对比选择与我设计类似的微型液压挖掘机的数据，我选用的是“山河智能”SWE40U型液压挖掘机，因为所选数据仅为近似值，所以我也就近似求解。下表的数据就是某挖掘机在斗杆铅直时，其工作装置各部分相对以中心点的力矩与力臂的数值。下图所示的数据均为某液压挖掘机的工作时的数据。 图3-1-2某液压挖掘机工作时各项数据挖掘机进行挖掘作业时，转台以上部分是不对中心点产生力矩的，我们只计算工作装置产生的力矩（3-2）带入上表中所显示的数据，得在挖掘机进行作业过程中，各项力会对回转支承中心产生合力，合力为(3-3)同样带入上数据，得挖掘机在进行作业时，总倾覆力矩会对回转支承产生的力是式中：-反铲装置进行作业时，挖掘机受到的切向挖掘阻力（）； -反铲工作装置进行作业时，挖掘机整机受到的法向挖掘阻力（）； -回转支承上部（也就是转台）的重量（）； -动臂液压缸的质量（）； -斗杆液压缸的质量（）； -铲斗液压缸的质量（） 、-表示动臂和斗杆的自重（）； -铲斗自重和斗内所有物体的重量之和（）； -力臂的长度（m） -回转支承工作条件系数，对于微型液压挖掘机，取。所以当量负荷的计算将上述三个值带入（2）在挖掘机进行土工作业时，挖掘机的工作装置在掘进土层时，会有一个最大深度，在这种情况下，总倾覆力矩为（见图3-2） (3-4) 图32最大挖掘深度时反铲回转支撑当量负荷的计算位置(3) 挖掘机在不作业时，如图3-3所示的停放方式，其反铲回转装置当量负荷是(3-5)(3-6)(3-7)式中： -回转支承所受法向力与水平线的夹角（）图33回转支撑当量负荷的计算位置3.2 负荷能力的计算一般用回转支承的静、动容量来表示回转支承的负荷能力的大小，动容量与静容量的区别在于一静一动，简单点来说动容量是回转支承在进行回转运动时，不会因回转次数过多而受损，而静容量就是当回转支承静止时，受静负荷的作用下，不会出现磨损的能力。由于我选用的是微型液压挖掘机，不会进行速度较快的回转运动，所以只需要计算其回转支承的静容量。回转支承的静容量计算如下： 式中： -滚柱静容量系数（）； -滚球静容量系数（）；与是相关的两个量，在计算中取滚球静容量系数为两倍的滚柱系数；-分为柱体和球体，本次设计滚动体是球体，是球体的直径（mm），选取；-接触角的大小，我们取；-滚动体总数。 下面我们来分析与计算滚动体总数，通过查阅资料可以得知滚动体总数的计算分为两种情况，一种是带隔离块的，另一种是不带隔离块。因为我们选用的是四点接触球式回转支承，在生产中我们必须按照国家标准来制定，国家标准中的额定静容量是按照带隔离带算出的，因次我们选用下式(3-8)上式中: -滚道中心直径（）； -隔离带的宽度（）；这个宽度的选择主要是依据滚道中心直径的大小来制定的，标准是=,当大于这个值时，选取宽度为；当小于等于这个值时，选取宽度为。带入数据得由国家标准取。在计算回转支承的静容量时，由于回转支承静容量受到滚道表面硬度的影响，所以当选用静容量系数时，按照下表两者的关系来选择：所以按照式子（3-2-1）可以计算出 最后一步，验证滚道的的承载能力，主要是根据计算出来的安全系数，如下式式子：-回转支承的静容量；-当量轴向载荷；-回转支承安全系数，由于我设计的是微型液压挖掘机，取1.301.45之间经计算得，回转支承安全系数在合理范围之内。3.3连接螺栓的校核连接螺栓是回转体机构的重要零件，他的主要作用是连接回转支承外圈和转台，当挖掘机处于工作状态时，回转机构进行回转运动，其势必会带给连接螺栓较大的应力，所以必须对作为关键零件的连接螺栓进行校验。（一）最大工作载荷最大工作载荷的计算公式由下式得（3-9）上式中 -螺栓分布直径（m），取D等于内圈螺栓分布圆直径； -圈螺栓的数目计算连接螺栓预紧力 螺栓预紧力的计算如下（3-10）式中：-工作载荷分配系数，对于高强度螺栓常取x=0.25 -结合面紧密性安全系数。一般取我们可以选取，经计算得（3-11）那么我们不难得到（3-12）上式中：F-螺纹根部的断面积螺栓的预紧力通常是，为螺栓的屈服极限（MPa）。当按算出的值超过时，应增加螺栓直径或改变材质。为确保螺栓具有必要的预紧力，在拧紧螺纹和螺母断面涂油的情况下，测力扳手的预紧扭矩为(Nm)(3-13)式中：螺栓名义直径（mm）当预紧力时 (Nm)(3-14)下面来计算螺栓最大计算载荷 (KN)(3-15)当时， (KN)螺栓的强度计算螺栓的静强度安全系数（3-16）螺栓的疲劳强度安全系数（3-17）式中：变应力的应力幅（MPa），（3-18）螺栓螺纹部分对称循环疲劳极限（MPa）对于45号钢，调质， MPa时，可近似取为40 MPa。对于40Cr钢，调质， MPa时，可以近似取为MPa（小值用于大直径螺纹）。上述值系螺栓在次载荷循环下的疲劳极限，对10年工作寿命的挖掘机，载荷循环次数约为，因此可将增大左右。3.4计算与校验回转小齿轮（一）计算外啮合小齿轮参数如下图3-4表示的就是小齿轮齿数与小齿轮变位系数之间的关系图3-4 齿数与变位系数参照表外啮合小齿轮的齿数一般选取，所以可以确定变位系数。计算内啮合小齿轮参数内啮合小齿轮与外啮合齿轮参数选择有着明显的区别，我们选择齿数，选用变位系数，同时为了提高齿轮的弯曲强度，我们采用的短齿齿形。基本（三）确定齿轮传动参数挖掘机回转驱动装置的大小齿轮要按照国家标准来选取，采用的基准齿形，大齿轮与小齿轮之间的传动选用高度变位齿轮传动。由于传动之间的摩擦损耗，为了提高传动强度，小齿轮与大齿轮的变位系数不同。由上面所得的内容可知4回转机构传动方式及其选择回转机构一般分为半回转和全回转的回转机构 。微型液压挖掘机由于工作环境的多样化，要求其必须可以进行回转作业。因此微型液压挖掘机必须选择全回转的回转机构。4.1 微型液压挖掘机的回转机构液压挖掘机的回转机构回转方式以及选择可以见表4-1-1。回转方案传动方式液压马达型号高速方案两级正齿轮传动，斜轴式高速液压马达斜盘式高速液压马达一级正传动和一级行星齿轮传动两级行星齿轮传动一级正传动和两级行星齿轮传动低速方案正齿轮传动内曲线式，静力平衡式和星型柱塞式表4-1-1 回转传动装置结构形式表下面就此表介绍回转传动装置的结构形式。高速方案：高速方案选用的马达是高速液压马达，这种马达的典型特点就是转速高，但是由于这种马达的转速过快，所以高速方案中一般都配有齿轮减速箱，通过齿轮减速箱的减速后，液压马达会增大其扭矩，从而带动回转小齿轮滚动，进而使转台进行转动。4-1-1可知高速方案有四种传动方式。由于高速方案选用的是每转排量较小、转速高的液压马达，在生产生活中主要采用的是斜轴式液压马达，可以使用多种传动方式。目前斜盘式液压马达由于回转减速器的不断改进，并增加了防反冲阀等多种液压元件，提高了性能 ，在生产中的应用也逐步增多。低速方案：低速方案的马达选择不同于高速马达，它选用的是低速马达，但是这种马达的速度虽然低，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齿轮减速箱这一类减速器。低速方案不同于高速方案，不需要减速器来增大扭矩，可以大大节省空间。相比于高速方案的液压马达，低速方案因为不需要液压马达进行高速运转，所以采用低速马达，但是因为低速马达转速低，无法产生足够大的扭矩，因而为了满足上述两种的需求。我们在低速方案中选用低速大扭矩马达，在市场上主要的类型通常为内曲线式，静力平衡式和星型柱塞式等。因为低速方案中采用的马达具有扭矩达、速度低的特点，所以在挖掘机运行和生产时制动性能好，厂商一般不会在采用低速方案的液压挖掘机中安装制动器。由于低速大扭矩液压马达的制动性能较好，固未采用另外的制动器。高速方案和低速方案各有其特点，生产厂家会根据液压挖掘机生产环境、挖掘机生产各个方面的数据来选择。高速方案与低速方案各有其优缺点，下表4-1-2列出了高速方案与低速方案的优缺点。 表4-1-2 两种传动方案比较方案优点缺点高速方案高速液压马达具有占用空间小，不需背压补油，便于设置小制动器，发热和功率损失小，性能可靠，适合多种环境下的复杂作业，需要较大的启动扭矩。低速方案零件少，传动简单，起动制动性能好，对油污的敏感性小，使用寿命长等优点发热和功率损失比较大，工作制动性能比较差，专业化生产和通用化程度比较差。根据上述表格两种传动方式的优缺点比较，在结合我所设计的是微型液压挖掘机回转体机构，高速方案适合于启动扭矩大的中大型挖掘机，所以我采用低速大扭矩液压马达，即选择低速方案全回转的回转机构按液压泵的调节方式和回转制动方式可分为九类，如表4-1-3所示 表4-1-3 回转机构分类方式驱动方式定量泵分功率变量泵全功率变量泵传动方式代号123456789回转制动方式液压液压+机械机械液压液压+机械机械液压液压+机械机械转台可否自由转动不可可不可可不可可下面我们来分析回转机构的液压系统传动，传动示意图如图4-11-定量泵 2-高压管路 3-安全阀 4-换向阀 5-回转马达 6-过载阀 7-单向阀图4-1 液压传动系统简图下面我们依据上面的传动系统图对回转机构的传动系统进行分析，在液压系统压力正常的情况下，液压油通过定量泵进入高压管路，再由高压管路进入液压马达，在由低压油管路经换向阀流回油箱。这就是液压传动系统的简单传动过程。在其中安全阀3起着保护整个系统的作用，在液压传动中一旦压力高于标准值后，液压油会通过安全阀流走，从而保护整个系统的压力平衡。图4-1中换向阀4的作用是控制转台的回转方向，换向阀的操作杆在如图所示的位置时，整条油路就不通，液压油无法经正常的通路进入回转马达以及顺利流出，此时回转马达处于无法工作的状态。换向阀的位置决定了液压挖掘机回转平台的转向。据统计，液压加机械制动采用最为广泛，而低速大扭矩液压马达驱动的回转机构则易于选用机械制动，而本次设计正是低速大扭矩液压马达驱动的回转机构，因此将选用机械制动的方式。5 回转阻力矩回转阻力矩是挖掘机在各种不同情况下受到不同方向的分力而引起是阻力矩，主要是回转摩擦阻力矩、回转风阻力矩、斜坡阻力矩以及回转惯性矩这四种。挖掘机的回转阻力矩就是上面四种阻力矩的和，因为挖掘机在启动和制动时会消耗上大量的功率，所以回转惯性阻力矩在这四种中起着主要作用。5.1 回转惯性阻力矩计算回转惯性阻力矩是由挖掘机在静止时因液压挖掘机的惯性力产生的回转力矩，下面是它的计算公式(5-1)式中：-回转角加速度-铲斗的重量以及铲斗内所含物体的重量（）；-重力加速度，一般选取9.8（）；-力臂的长度，指的是所挖土方的质量到回转中心点的距离（）；-转动惯量的值，包括工作装置以及转台上的所有元件。5.2 回转摩擦阻力矩计算回转摩擦阻力矩是由于液压挖掘机在进行回转作业时，在受到外部载荷的作用下，由摩擦力或是摩擦力的分力产生的回转力矩。计算公式如下 (5-2)式中：-当量摩擦系数，选用参照表5-1 表51当量摩擦系数工况滚动式轴承交叉滚柱式轴承正常周期0.0080.01回转启动时0.0120.015-回转支承的滚道中心直径（m）；-轴向力矩以及倾覆力矩的作用下，对滚动体产生的法向的压力值的和（N），注意由于对于滚动体产生的法向压力方向会出现不同，要去绝对值之后取值。-在径向荷载的作用下，滚动体上的法向压力值和，同上面一样，取绝对值之后求和（N）。因为选取的是四点接触式轴承，取0.3（N）5.3 回转风阻力矩计算回转风阻力矩是由外部阻力风力引起的回转力矩，在回转阻力矩的计算过程中由于风阻力产生的力矩太小，所以一般不作考虑。下面简单的介绍它的计算方法。 ( N /m)(5-3)式中： p-风压值的大小，一般 取p=147 N /m； -乘风面积的大小，乘风面积指的就是回转体部分受到风力的有效面积（m）； -回转装置各部分受到风力的有效面积的形心到回转中心的距离，一边取正值，一边取负值 。5.4回转坡度阻力矩计算当挖掘机停在斜坡上的时候，挖掘机会与水平面成现出一个夹角，上部转台与工作装置的重量会产生一个在斜坡上的分力，上车会产生一个回转力矩。下面的式子就是回转坡阻力矩的计算方法。 ( N /m)(5-4)式中：-角度值，是斜坡与水平面的夹角； -挖掘机工作装置的总重量（）； -转台上部的质量（）； -铲斗内土石的质量（） -物料重心到回转中心轴线的距离（m）-工作装置重心到回转中心轴线的距离（m） -转台上部（除工作装置外）重心到回转中心轴线的距离（m）6 转台的设计与运动分析微型液压挖掘机回转驱动泵采用定量泵驱动，挖掘机进行回转作业时，当转台进行小幅度回转时，挖掘机的回转过程几乎就是匀速过程，但当挖掘机进行大幅度回转作业时，回转过程中便会明显的出现加速、匀速与减速三个阶段，在这期间转角、角速度、启动与制动力矩均会随着转角的变化而变化，其变化过程如图6-1所示。图 6-1 微型液压挖掘机角速度、角加速度、启动力矩、制动力矩与转角的关系图6.1 转台的运动过程微型液压挖掘机转台的运动过程在转过较大转角时，会出现多个过程。首先是启动加速过程，在这一期间转台的速度处于加速变化状态，且加速度不恒定，其次是制动减速阶段，再接着是恒流量也叫做匀速转动阶段，此时转台的转速取决于定量泵的输入流量，且匀速转动阶段只会出现在转角较大的情况下，最后就是空斗时转台的返回过程。以上的过程就是挖掘机转台在进行回转作业时的完整过程。6.1.1 起动加速过程如图62所示为定量泵驱动时转台起动扭矩变化的实测情况。从图中不难看出转台的启动力矩随时间的变化是一个渐变的过程。在时间启动力矩随时间的变化而急速上升，在时刻到达顶峰也就是最大启动力矩的时候。而后随着时间的增大，启动力矩大体的趋势是减小，但在一小段时间内仍然会出现峰值，这就是转台上的瞬时力矩。在整个阶段中我们可以标出作用在转台上的平均起动力矩。 图6-2转台启动力矩变化情况图6-3 定量泵驱动时角速度与时间关系图6-4 定量泵驱动时转角与时间关系由上面计算回转阻力矩可以得知，回转阻力是由四个部分组成，分别是坡度、风力、惯性阻力以及摩擦阻力。因为坡度与风力影响较小，所以不作考虑。启动阶段的回转阻力就是惯性阻力矩和摩擦阻力矩。在实际启动阶段，回转摩擦阻力矩很小，一般不作考虑。并假定转台在整个起动过程中的起动力矩不变，则有常数（）(6-1)由上述三个图以及上式，运用微分方程的方法，可以得出起动过程所耗功 ()(6-2)起动过程所耗功率 (6-3)式中： -挖掘机的铲斗满载时的转动惯量（） -挖掘机的铲斗满载时回转加速结束时转台角速度（） -挖掘机的铲斗满载时回转加速结束时转台角（） - 挖掘机的铲斗满载时回转时转台起动时间（）6.1.2制动减速过程如图65所示是典型的在采用液压制动后制动力矩的变化图。图中表示由于阀的动态特性所引起的作用在转台上的瞬时力矩；表示最大制动力矩：表示作用在转台上的平均制动力矩；表示液压马达压力从零升到最大值的升压时间，其值略小于。是与静摩擦和动摩擦有关的系数，为了简化计算，可令。在不考虑坡度、风力及摩擦阻力据的影响时，作用在转台上的制动力矩等于惯性阻力矩，并假定在制动过程中其值不便，于是有常值(6-4)图6-5 液压制动时转台制动力矩变化实测情况图6-6 制动时角速度与时间关系根据式子和图66的坐标系建立角速度对时间的微分方程(6-5)对上式微分方程进行求解，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，经计算的(6-8)根据式子和图67的坐标系建立转角对制动时间的微分方程(6-9)对上式进行微分方程计算(6-10)由图6-可以看出当时，代入上式 解得(6-11)所以上述微分方程的特解(6-12)图6-7 制动时转角与时间关系当时 代入上式(6-13)6.1.3 恒流量过程恒流量过程也就是与匀速转动过程，当微型液压挖掘机进行转动时，会出现一个匀速过程。由上述转角与速度的关系图可知，当转角过小时不会出现匀速过程，只有当转角增大时才会出现匀速过程，则(6-14)(6-15)上式中 ： -转台单向回转时的转角; -匀速阶段的转角; -匀速回转时间;6.1.4 空斗时转台返回过程 转台空斗返回过程与满斗回转是有着明显的区别的，首先在分析空斗时转台回转仍然可以使用满斗时的公式，但需要注意的是上述公式中的转动惯量是有区别的，此外，计算时还需要注意无论是用三角速度图进行分析还是用梯形速度图进行分析，都会对最佳转速产生影响(一) 用三角形速度图(6-16) (6-17)(二)用梯形速度图 (6-20)(6-18)(6-19)(6-20)(6-21)(6-22)通过用三角速度图与梯形速度图对转台在不同时间的转角速度、转动时间、角加速度进行分析，我们可以得出在转台运动的一系列过程中所得的关于转台各个阶段转动的公式，为我们接下来对转台最佳速度的分析与计算做了铺垫。6.2.分析与计算转台最佳速度 要分析与计算转台最佳转速，首先我们要知道什么是最佳转速以及最佳转速的计算公式，先来分析第一个问题什么是最佳转速，最佳转速有三个基本原则： （1）角速度在允许值范围内；（2）回转力矩在允许范围内；（3）时间尽可能的短。下面我们分别用梯形速度图与三角行速度图来对转台的最佳转速进行分析。6.2.1 具有匀速运动阶段的梯形速度图的转台计算分析 回转循环时间：(6-23) 上式对进行求导，求得(6-24)将 以及代入上式，得(6-25) 又因为，所以得 (6-26)将上式代入回转时间的公式中，再对进行求导，令求导的值为0，得(6-27) 再将， 代入上式得(6-28)式中： -液压功率； -回转机构总效率； 其中、以及为对应的效率值，取0.95 取1.8 6.2.2 具有无匀速运动阶段三角形速度图的转台最佳速度计算分析对于定量泵驱动空斗单向回转转角 (6-29)由梯形图的方法不难得出(6-30)(6-31)将代入 ，便可得到(6-32)也就可以算得 (6-33)(6-34)在空斗回转运动的情况下即可以得出 (6-35)按照回转时间的计算公式可得出 (6-36) 上面两种对于回转平台最佳转速的方法就已经全部完成，只要用正确的代入相关的数据，即可得到我们所需要的参数。6.3.具体参数的计算根据液压马达的选取原则，正确地选取我们设计所需要的马达。考虑到液压马达的各项性能，这次研究的又是微型液压挖掘机，参照实际生产中的各种液压挖掘机所用液压马达的数据，选取低速大扭矩液压马达。经参阅液压元件使用指南一书，我初选型号的径向球塞式液压马达，其基本技术参数如下 6.3.1回转机构的参数选择在总体设计阶段中，如何确定转台的最佳转速是一个关键性问题 ，设计中我们可以得知只有先确定转台的转动惯量、启动力矩、制动力矩、以及转角范围的值，才能得出最佳转速 。上述参数的确定，对与确定回转机构的运动特性具有重要意义。在生产中，我们常常根据最常见的工况和常用的工作装置来估算转台的转动惯量。因为工作装置的不同及反铲与正铲装置的不同，用来估算的公式也不相同。由设计书可知，我设计的液压挖掘机是反铲装置，因此采用如下公式；当挖掘机斗容量满载时，有（）(6-37)当挖掘机空斗时，有（）(6-38)上式中，是整个挖掘机的质量，将代入上式就可以得到所以， 回转启动力矩以及制动力矩的确定首先我们需要确定的是回转最大启动力矩和最大制动力矩不应该超过行走部分与地面的附着力矩。通过查阅资料得到，当制动方式不同时，回转启动力矩与制动力矩也不同。因为在设计中我们采用的是机械制动的履带式液压挖掘机，所以先按照如下公式计算： (Nm)式中： G-整机重量（t）. -附着系数，对平履带板取0.3，对带筋履带板取0.5由于本设计采用的是机械制动，当机械制动时，取