履带式液压挖掘机之行走装置的设计及校核

1/24第五章履带式液压挖掘机之行走装置的设计及校核挖掘机的行走装置有多种结构形式，市场上常见的主要有履带式、轮式和步履式行走装置，其主要功能是支撑和运行，因此液压挖掘机行走装置应尽量满足以下要求：(1)驱动力：要有较大的驱动力，使挖掘机在湿软或高低不平具有良好的爬坡性能和转向性能；(2)通过性：在不增大行走装置高度的前提下使挖掘机具有较大的离地间隙，以提高其不平地面上的越野性能；(3)稳定性：行走装置具有较大的支撑面积或较小的接地比压，以提高挖掘机的稳定性；(4)安全性：挖掘机在斜坡下行时不发生下滑和超速溜坡现象，以提高挖掘机的安全性；(5)方便性：行走装置的外形尺寸应符合道路运输的要求。5.1履带式行走装置履带式行走装置是国内外挖掘机市场上应用昀为普遍的一种结构形式，其突出的优点是：牵引力大，接地比压小，因而越野性能及稳定性好，爬坡能力强，且转弯半径小，机动灵活。缺点：运行速度低，运行和转弯时功率消耗大，零部件磨损快，钢履带板易损坏路面一般只作场地内部运行，长距离运行时需借用其它运输车辆。5.1.1履带式行走装置组成履带式行走装置如图5-2所示由“四轮一带“（即引导轮2、支重轮6、托链轮7、驱动轮8、履带3），张紧装置4，行走机构9，行走架6，推土装置1（选用）组成。图5-1不同形式的行走装置2/24图5-2履带式行走装置挖掘机行走运行时，驱动轮在驱动力矩的作用下产生一个拉力，企图把履带从支重轮下拉出，由于支重轮下的履带与地面间有足够的附着力，阻止履带的拉出，迫使整机克服阻力向前移动使驱动轮卷动履带，导向轮再把履带铺设到地面上，从而使挖掘机沿着履带轨道向前持续运行。挖掘机转向时，由安装在两条履带上、分别由液压泵供油的行走马达通过对油路的控制，很方便地实现转向或就地转弯，以适应挖掘机在各种地面、场地上运动。1.履带履带是将挖掘机的重力及工作和行走时的载荷传给地面。挖掘机履带按材质可以分为钢履带与橡胶履带；钢履带耐磨性好，维修方便，经济性好因而运用普及；橡胶履带是为了保护路面不受损伤一般运用在小型液压挖掘机上。钢履带由履带板、链轨节、履带销轴和销套等组成；常用履带板分为单筋、双筋和三筋三种，单筋履带板筋较高，易插入地面产生较大的牵引力，主要用于推土机上；双筋履带板筋稍矮易于转向，且履带板刚度较好，三筋履带板由于筋多，使履带板的强度和刚度都得以提高，承重能力大，所以在挖掘机上广泛应用，三筋履带板上有四个联接孔，中间有清泥孔，当链轨绕过驱动轮时可借助轮齿清除链轨节上的淤泥；相邻两履带板制成搭接部分，防止履带板之间夹进石块而产生过高的张力。1—左链轨节2—右链轨节3—销轴4—销套5—锁紧销套（用户组装特制）6—销垫7—锁紧销垫（用户组装特制）8—锁紧销轴（用户组装特制）9—螺栓10—螺母11—履带板图5-3履带的典型结构及其组成吨位不同的挖掘机选用节距不同的履带，挖掘机用履带的技术要求及规格尺寸可参考国家建筑工业行业标准JG/T57-1999，目前，该标准没有涵盖小挖和特大型挖掘机应用的履带规格，在这些挖掘机履带选型时，可根据机器的技术条件，参照履带生产厂家的技术标准。表5-1液压挖掘机用主要履带节距规格应用机器质量（吨）3.5~910~4040节距（mm）101135140154171175190203216229260317…12345678910113/242.支重轮挖掘机的重力通过支重轮传给履带，在挖掘和行走时还经常受到冲击，所以支重轮所承受的载荷很大，支重轮的工况恶劣，密封性要求可靠；支重轮的布置设计需考虑履带链轨的节距，以免引起下车共振现象。挖掘机用支重轮的技术要求及规格尺寸可参考国家建筑工业行业标准JG/T59-1999《液压挖掘机支重轮》以及生产厂家的技术标准。1—螺塞2—端盖3—轴4—轴套5—浮动油封6—浮动油封环7—O形圈8—销9—轮体图5-4支重轮的典型结构及其组成3.托链轮用于托起上部履带，防止其过度下垂。在托链轮的布置设计时，需考虑履带脱离驱动轮的离去角和滑向引导伦的引入角，以减小履带运行过程时的内阻。托链轮的结构与支重轮类似，所以在有些挖掘机上用支重轮来替代。挖掘机用托链轮的技术要求及规格尺寸可参考国家建筑工业行业标准JG/T58-1999《液压挖掘机托链轮》以及生产厂家的技术标准。1—端盖2—螺塞3—螺钉4—垫片5—轴套6—轮体7—浮动油封8—浮动油封环9—端盖10—轴图5-5托链轮的典型结构及其组成123456257812345107789694/244.导向轮用于引导履带正确运转，可以防止跑偏和越轨，大部分液压挖掘机的导向轮同时起到了支重轮的作用，这样可增加履带对地面的接触面积，减小比压。导向轮的轮面大多制成光面，中间有挡肩环作导向用，两侧的环面则能支撑轨链起支重轮的作用。导向轮的中间挡肩环应有足够的高度，两侧边的斜度要小，导向轮与昀靠近的支重轮距离愈小则导向性能愈好。1—轮体2—浮动油封3—浮动油封环4—螺栓5—垫圈6—销7—连接板8—密封圈9—滑轨10—轴套11—螺塞图5-6导向轮的典型结构及其组成5.驱动轮用来将行走机构的动力传递给履带，因此对驱动轮的主要要求是啮合平稳，并在履带因销套磨损而伸长时，仍能很好啮合，不得有“跳齿”现象。履带行走装置的驱动轮通常放在后部，这样既可缩短履带张紧段的长度，减少功率损失，又可提高履带的使用寿命。图5-7驱动轮的典型结构14537891011265/246.张紧装置：张紧装置能够调整履带的张紧度，张紧装置的弹簧当履带行走时产生过大的阻力时迫使导向轮向驱动轮方向移动，并压缩弹簧，使履带松驰，起到绥冲和保护作用。1—张紧油缸2—弹簧3—限位套4—支承座5—螺母6—螺钉7—组合垫圈8—加油工具图5-8张紧装置的典型结构及其组成7.行走机构：行走机构包括行走马达、行走减速机和行走制动阀。行走马达一般为变量轴向柱塞斜盘式，带有停车制动器（湿式单片常闭式）。马达由来自泵的压力油操作旋转，并将扭矩传递到行走减速装置。行走减速机为多级行星齿轮减速式，降低行走马达的速度，增大行走马达的扭矩，使驱动轮和履带转动。行走制动阀的作用是保护行走油路。131—行走制动阀2—行走马达3—行走减速机123456786/242图5-9行走机构的典型结构及其组成8.行走架行走架一般由中间架与左右履带梁组成，根据其结构形式可分为X架（如图5-10）与H架（如图5-11）。目前市场上又根据其下车宽度的是否变化分为固定式与伸缩式。图5-10X型行走架图5-11伸缩式行走架9.推土装置在小型挖掘机上，一般都装有推土装置，其主要功能是推土平地，同时在挖掘作业时辅助支撑，增加整机的稳定性。1—推土铲2—轴3—轴套4—防尘圈5—螺栓6—螺母7—油杯8—护帽9—油缸图5-12推土装置7/245.1.2履带式行走装置布置设计一、设计方式及步骤履带行走装置由于运行速度低，一般为1~5km/h，因此设计时主要保证支承性能，并兼顾运行性能，其步骤是：(1)初定“四轮一带”等有关参数和行走系结构布置；(2)计算承载能力，包括接地比压和行走架结构强度计算；(3)选择行走机构传动方案，拟定行走液压系统，确定行走液压马达主参数和减速器速比，验证行走速度、爬坡能力和原地转弯能力等。二、结构布置及参数(1)履带支承长度L，轨距B和履带板宽度b应合理匹配，使接地比压，附着性能和转弯性能均符合要求；(2)履带节距t0和驱动轮齿数z应在满足强度、刚度的情况下尽可能取较小值以降低履带高度；(3)驱动轮齿数一般为奇数，z=19~23。为使H0不致过大，又兼顾履带运动的平稳性，当t0取小值时则z取大值，当t0取大值时z取小值。图5-13行走系布置图(4)根据规格化后的t0和z确定“四轮”直径：驱动轮节圆直径⎟⎠⎞⎜⎝⎛′=ztDK180sin0（5-1）式中：z′—驱动轮与履带销销啮合次数，2zz=′（5-2）KD—节圆直径，（mm）(5)托链轮在现在设计中为了提高托链轮的可靠性，托链轮常用支重轮来代替；当L2000mm时，托链轮的个数为2，Lt≈L/2；否则，取1个。8/24(6)履带板总和：0tLn′=（5-3）计算后再圆整。式中：—履带全长，（5-4）(7)履带缓冲弹簧张紧力和工作行程的确定履带行走装置的导向轮通过缓冲弹簧和张紧装置固定在履带架上，它可沿履带架滑动以改变轮距，保证履带的拆装，减少运行过程中的冲击，避免轨链脱轨。缓冲弹簧应有足够的预紧力，该力应保证缓冲弹簧不会因外来的微小冲击而产生变形，引起履带跳动或脱轨，但过大会恶化履带架受力，加剧零部件磨损，降低行走装置效率。缓冲弹簧安装载荷：F=1.35FK（5-5）式中：FK—一条履带的牵引力，（N）缓冲弹簧刚度：()10/LLFKO−=（5-6）式中：F—缓冲弹簧安装载荷；（N）L0—弹簧自由长度；（m）L1—弹簧安装长度；（m）弹簧承受昀大载荷时长度：)/(0max02KFLL−=（5-7）式中：Fmax：缓冲弹簧昀大载荷；经验值Fmax≈2F弹簧理论压缩行程：21LLx−=（5-8）弹簧理论压缩行程应小于压死行程；因驱动轮会夹石行走，刚压死行程应大于或等于齿高。(8)行走系结构布置，根据已选定的轮距和四轮直径确定四轮位置支重轮数量根据履带架的长短而定。靠近导向轮的一个支重轮，应保证导向轮在缓冲行程中不致受到干涉、靠近驱动轮的一个支重轮勿与驱动轮相碰；尽量避免支重轮与履带轨链在行走时发生共振。驱动轮布置在后方可缩短履带驱动段的长度，减少功率损失。托轮主要用来限制履带上分支垂度和抑制履带跳动。托轮上轮缘平面的高度应高于驱动轮的节圆半径，以便于履带脱离驱动轮的啮合，便于履带借自重滑向导向轮和便于排泥；导向Δ+⎟⎠⎞⎜⎝⎛++≈′21~212200ttzLLL′9/24vqiQnη*=轮，驱动轮下方与支重轮下缘要有一升变量，以防止刚性轨链在绕过导向轮时呈多角形的轨链节在接地时顶起导向轮使整机摇晃，升变量为：图5-14升变量示意图（5-9）（9）行走相关计算A、行走机构输出转速n（5-10）式中：Q—进入行走机构流量；（L/min）i—行走减速机速比；q—行走马达排量；（rpmcm/3）vη—行走马达容积效率；B、行走机构驱动扭矩MmPqMηπ2=（Nm）（5-11）式中：P—进入行走机构压力；（Mpa）q—行走马达排量；（rpmcm/3）mη—行走减速机机械效率；C、履带式行走装置行走速度VvkDZnV610****30−=（km/h）（5-12）式中：Z—驱动轮齿数；kD—节圆直径，（mm）D、履带式行走装置行走牵引力ZtMRMTo*2*π==（KN）式中：Z—驱动轮齿数；ot—履带节距，（mm）()αδcos1*360sin2−≥zt10/245.1.3、履带式行走装置设计计算一、承载能力计算1、履带接地比压计算1)平均接地比压：履带式液压挖掘机的两条履带与水平地面完全接触，且整机重心在接地面积的几何中心，对地面产生的压力称为平均接地比压：)35.0(20HLbgmp+∗=（5-13）式中：P—履带平均接地比压，（Pa）m—挖掘机的工作质量，（kg）；L—履带的接地长度，（m）b—履带的宽度，（m）H0—履带高度，（m）g—重力加速度，g=9.81m/s2。平均接地比压是履带式液压挖掘机越野性能的一个重要指标，可以用来与同类型号产品作比较。2)昀大接地比压：纵向昀大接地比压：当工作装置顺着履带方向，整机重心在纵轴线上移动时，令e示偏心距，刚履带两端的昀大、昀小接地比压为：}⎟⎠⎞⎜⎝⎛±=LebLGPP612maxmin（5-14）式中：G—整机合力；当静置工况时：G=mg当作业工况：G=mg+作业力的垂直分力当偏心距离e=0时，比压呈矩形分布；当偏心距离eL/6时，比压呈梯形分布；当偏心距离e=L/6时，比压呈三角形分布；这时pp2max=，0min=p（见图5-14Ⅰ）当偏心距离26BeL时，比压呈三角形分布；11/24但支承长度LeLl⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=23，此时昀大比压为：⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=eLbGP23max图5-15纵向比压变化图当时，横向