小型液压挖掘机的设计毕业论文

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

1 绪 论

1.1 本课题背景意义及目的

液压挖掘机是在机械传动挖掘机的基础上发展起来的。它的工作过程是以铲斗的切削土壤，铲斗装满后提升、回转至卸土位置，卸空后的铲斗再回到挖掘位置开始下一次的作业。因此液压挖掘机是一种周期作业的土方机械。

各类挖掘机在国民经济建设的许多行业被广泛地采用，如工业与民用建筑、交通运输、水利电气工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等等行业的机械化施工中。据统计，一般工程施工中约有60%的土石方量、露天矿山中80%的剥离量和采掘量是用挖掘机完成的。

小型液压挖掘机是指一般总重量在6t以下的挖掘机，因其体积小，主要应用于城市、相对狭窄的地区，替人力劳动，其用途广泛，主要作业是挖掘、装载、整地，用于城市管道、道路、住宅建设、基础工程和园林作业等。它不仅体积小，机动灵活，且可附装各种工作装置，属多功能建设机械。采用小挖掘机可以大大减轻人力的劳动，缩短施工周期。

为节省劳动力、减轻繁重体力劳动，提高劳动生产率、加快建设速度，保证工程质量和降低成本，采用机械化施工是根本的措施。它对尽早发挥建设投资效果，促进国名经济的高速度发展有很大的作用。

随着我国基础设施建设的深入和在建设中挖掘机的广泛应用，挖掘机市场有着广阔的发展空间，因此发展满足我国国情所需要的挖掘机是十分必要的，即此次对液压挖掘机的研究具有现实意义。

而对于还在学习当中的我来说，这个课题能让我更深入地巩固和学习液压、机械原理、机械设计、机械绘图等方面的知识。之前，对于这些知识的学习好像只是为了应付考试，根本就没有真正掌握这些知识。但作为一个机械专业的学生，掌握好液压、机械设计、机械绘图都是很有必要的。因此，现在我刚好借这个课题，去深刻的学习这些知识并加以综合运用，为工作打好基础，做好准备。

1.2 挖掘机的基本类型和液压挖掘机的主要特点

挖掘机的类型与构造形式繁多，可按挖掘工作原理与过程、用途、构造特性等进行划分。

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按工作过程可分为周期作业和连续作业两类，即通常简称为单斗挖掘机和多斗挖掘机。

按照用途，单斗挖掘机分为：建筑型、采矿型、和剥离型。

按照动力装置，挖掘机有电驱动、内燃机驱动和复合驱动等。 按照传动方式，挖掘机分为机械传动式、液压传动式和混合传动式。 而液压挖掘机则具有下列主要特点：

① 大大改善了挖掘机的技术性能，挖掘力大、牵引力大，传动平稳，作用效率高，结构紧凑。

挖掘机在工作是主要动作包括行走、转台回转和工作装置的作业动作，其中最频繁的是回转和工作装置的循环往复运动。机械挖掘机结构复杂，完成这些动作要产生很大的惯性力和冲击载荷。而液压挖掘机则不需要复杂的中间传动，大大的简化了结构。

② 液压挖掘机的液压系统有防止过载的能力，所以使用安全可靠，操纵简便。

③ 液压元件易于实现标准化，系列化和通用化，便于组织大规模专业生产，进一步提高质量和降低成本。

1.3 液压挖掘机的发展概况

挖掘机的最早主要用于河道，港口的疏浚工作。第一台有确切记载的挖掘机械是1796年英国人发明的蒸汽“挖泥铲”。而在陆地上使用的“动力铲”于1835年在美国诞生，主要用于修筑铁路的繁重工作，被认为是现代挖掘机得先驱，距今已有170多年的历史。1950年，德国研制出世界上第一台全液压挖掘机。由于科学技术的发展，各种新技术，新材料不断应用在挖掘机上。使得液压挖掘机在作业效率、可靠性、完全性和操作舒适性以及节能、环保等方面有了长足的进步。

1.3.1国外液压挖掘机目前水平

工业发达国家的液压挖掘机生产较早，产品齐全，技术成熟。美国、德国和日本是液压挖掘机的主要生产国，具有较高的市场占有率。

当前，国际上挖掘机的生产正向大型化、微型化、多能化和专用化的方向发

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展。国外挖掘机行业重视采用新技术、新工艺、新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通用化发展的步伐。

1.3.2 国内液压挖掘机发展概况及趋势

我国己经形成了挖掘机的系列化生产，近年来还开发了许多新产品，引进了国外的一些先进的生产率较高的挖掘机型号。

由于使用性能、技术指标和经济指标上的优越，世界上许多国家，特别是工业发达国家，都在大力发展单斗液压挖掘机。目前，单斗液压挖掘机的发展着眼于动力和传动系统的改进以达到高效节能;应用范围不断扩大，成本不断降低，向标准化、模块化发展，以提高零部件、配件的可靠性，从而保证整机的可靠性;电子计算机监测与控制，实现机电一体化;提高机械作业性能，降低噪音，减少停机维修时间，提高适应能力，消除公害，纵观未来，液压挖掘机有以下的趋势:

（1）向大型化发展的同时向微型化发展。 （2）更为普遍地采用节能技术。 （3）不断提高可靠性和使用寿命。

（4）工作装置结构不断改进，工作范围不断扩大。 （5）由内燃机驱动向电力驱动发展。

（6）液压系统不断改进，液压元件不断更新。 （7）应用微电子、气、液等机电一体化综合技术。 （8）增大铲斗容量，加大功率，提高生产效率。 （9）人机工程学在设计中的充分利用。

1.4 本次设计内容概述

本次设计标准斗容0.25m；最大挖掘力59KN；爬坡度：27.8；最大牵引力：48kN；最大行走速度：5km/h ；最低行走速度：3km/h的履带式全液压挖掘机。

具体设计任务是对液压挖掘机的行走装置的设计和行走能力的校核，包括 (1) 挖机行走装置的总体设计。

(2) 行走装置四轮一带的结构设计与布置。 (3) 挖掘机各部分的基本结构的认识和设计。 (4) 挖掘机的行走装置详细接地比压的分析和设计。

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(5) 马达的验算和选取及马达原理的认识和研究。

2．液压挖掘机的履带行走装置构造

2.1综述

单斗液压挖掘机的行走装置是整个机械的支承部分，它承受机械的自重及

工作装置挖掘时的反力，使挖掘的稳定地支承在地面上工作。同时又使挖掘机能在工作时作场内运行及转移工地时作运输性(轮式行走装置)运行。 因而，设计单斗液压挖掘机的行走装置时应尽量满足下列要求：

1．单斗液压挖掘机应有较大的牵引力，使挖掘机在湿软地面或高低不平的地面上行走时具有良好的越野性能，并有较强的爬坡和转弯能力。

2．在不增高行走装置总高度的前提下应使行走装置具有较大的离地间隙，使挖掘机在不平地面上行走具有良好的通过性能。

3．要降低挖掘机的接地比压或具有较大的支承面积，以提高挖掘机的稳定性；

4．挖掘机在斜坡下行时不发生超速溜坡现象，挖掘时不发生下滑，提高工作时的为安全可靠性；

5．挖掘机的行走装置外形尺寸应符合道路运输的要求。

单斗液压挖掘机的行走装置按照结构的不同可分履带式和轮胎式两大类。 履带式行走装置由“四轮一带”（即驱动轮、导向轮、支重轮、托轮、以及履带），张紧装置和缓冲弹簧，行走机构，行走架等组成。液压传动的履带行走装置，挖掘机转向时由安装在两条履带上、分别由两台液压泵供油的行走马达（用一台油泵供油时需采用专用的控制阀来操纵）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。履带式行走装置驱动力大（通常每条履带的驱动力可达机重的35%-45%），接比压小（40-150kPa），因而越野性能及稳定性好，爬坡能力大（一般为50%-80%，最大的可达100%），且转弯半径小，灵活性好。履带式行走装置在液压挖掘上使用较为普遍。但履带式行走装置制造成本高，运行速度低，运行和转向时功率消耗大，零件磨损快，因此，挖掘机长距离运行时需借助于其他运输车辆。

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轮胎式液压挖掘机行走装置的结构型式很多，有采用标准汽车底盘的可轮式拖拉机底盘的，但斗容量稍大、工作性能要求较高的轮胎式液压挖掘则采用专用的轮胎式底盘行走装置。

尽管履带式行走装置存在一些，但在单斗液压挖掘机中使用较为广泛，而且本机主要用于城市道路建设或者狭窄空间内作业。考虑到工作环境和实际条件等因素本机采用橡胶履带，由于橡胶履带具有对路面破坏小、噪音低、速度快、振动小、接地比压小、牵引力大，可以减少地面对机械的冲击等优点，所以本机主要使用橡胶履带。而在恶劣环境中或在野外作业时可以使用钢制履带以适应恶劣的工况。而轮式行走装置虽有运行速度快、机动性好，运行时轮胎不损坏路面，因而在城市建设中很受欢迎，但是其接地比压大，爬坡能力小，挖掘作业时需要用专门支腿支撑，以确保挖掘机的稳定性和安全性。所以履带式行走装置比轮式行走装置更为适用。故本机采用履带式行走装置。

2.2 液压挖掘机履带式行走装置的结构和构造

履带式行走装置(图2.2—1)由连接回转支承装置的行走架通过支重轮4，履带2将载荷传至地面。履带呈抱死循环绕过驱动轮5和导向轮1，为了减少上分支挠度，履带由l一2个托链轮4支持。行走装置的传动是由液压马达经减速箱6传动驱动轮5使整个行走装置运行。当履带由于磨损而伸长时可由张紧装置3调整其松紧度。

其中，导向轮，支重轮，驱动轮拖链轮与履带即为通常所说的“四轮一带”，是履带式行走装置的重要零部件，它直接关系到挖掘机的工作性能和行走性能。这部分的重量相当大，约占整机的1／4，制造成本也高，约占整机的1／4。因此，合理设计“四轮一带”具有重要意义。我国过去这些零部件规格品种繁多，据不完全统计，约有34种结构、93种规格，影响了加工质量的提高和备件的供应，零件互换性很差致使机械完好率很低。为了克服上述缺点，提高质量，目前有关部门已将挖掘机、推土机和装载机的“四轮一带”图纸统一，逐步做到标准化、通用化和系列化，为提高产品质量、而速发展工程机械创造条件。

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图2.2-1 履带式行走装置的结构图

1 - 导向轮；2 - 橡胶履带； 3 - 张紧装置； 4 - 支重轮；

5 - 驱动轮； 6 - 减速机

行走架是履带行走装置的承重骨架，它由底架、横梁和履带架组成，通常用 16Mn钢板焊接。底架连接转台，承受上部的载荷，并通过横梁传给履带架行走架按结构的不同分组合式和整体式两种。

组合式行走架(图2.2—2)的底架为框架结构，横梁是工字钢或焊接的箱形梁，活人履带架孔中。履带架通常采用下部敞开的“门”形截面，两端呈又形，以便安装驱动轮、导向轮和支重轮。

这种结构的优点是当需要改善挖掘机的稳定性和降低接地比压时，不需改变底架结构就能换装加宽的横梁和加长的履带架，从而安装不同长度和宽度的履带。它的缺成是履带架截面削弱较多，刚性较差，在截面削弱处易产生裂缝。

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图2.2-2 组合式行走架示意图

为了改进上述缺点，近年来在液压挖掘机中采用整体式行走架较多，这种行走架结构简单、自重轻轻而且刚性较好。履带、支重轮等零部件采用工业拖拉机的标准件，因而可降低成本，质量也有保证。支重轮直径较小，在行走装置的

长度内，每边可装5—9个支重轮。这样可使上部重量均匀传至地面， 便于在承载能力较低的地面使用，提高行走性能。

3履带各部件的设计计算与选型

3.1履带的设计

履带工作条件恶劣，要求具有足够的强度和刚度、耐磨性好、质量轻以减少材料的消耗量，并减轻履带运行时的动载荷，要求履带能和地面有很好的附着性能，又要考虑减少行驶及转向的阻力。本机主要用于城市道路建设或者狭窄空间内作业。由于橡胶履带具有对路面破坏小、噪音低、速度快、振动小、接地比压小、牵引力大，可以减少地面对机械的冲击等优点，所以本机主要使用橡胶履带。而在恶劣环境中或在野外作业时可以使用钢制履带以适应恶劣的工况。

挖掘机的履带有整体式和组合式两种。整体式是履带板上带啮合齿，直接与驱动轮啮合，履带板本身成为支重轮等轮子的滚动轨道。整体式每一节履带铸造成整体，结构简单、制造方便、重量轻、易拆装，但销孔间隙大、易进泥沙、易磨损，“三化”性差，在机械式挖掘机中使用较多，适于高速车辆。 目前液压挖掘机中广泛采用工业拖拉机型式的组合式履带。如图（3.1-1）所示，它由履带板、链动节、履带销轴和销套等组成，左右链轨节9、l0与销套5用紧配合连接，履带销轴4插入销套有一定间隙，以保证转动灵活，其两端与另两个链轨节孔紧配合。锁紧履带销7与链轨节孔配合轻松，便于整个履带的安装和拆卸。这种结构节距小，绕转性好，行走速度较快，销轴和衬套硬度较高、耐磨、使用寿命长。所以本机履带采用组合式履带。

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图3.1-1 组合式履带

1—履带板；2—履带螺栓；3—履带螺母；4—履带轴销；5—销套；

6—锁紧销垫；7—锁紧履带销；8—右链轨节；9—左链轨节

a) 履带尺寸的计算 履带宽度b的初步确定：

b??0.9~1.1??20?93M （3.1-1）

——取自《工程机械底盘设计》P306

式中：M??装载机的整机质量，由《单斗液压挖掘机》P42液压挖掘机基本参数系列表，这里取M=6t。

所以：b=(0.9~1.1)×209×36=342.3~418.4mm

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为了取标准节距的履带，这里取b=400mm 履带支撑面长度根据经验公式

L0=KL×36=（1.25~1.5）×36=2.275~2.73m （3.1-2） 这里初取2500mm。

式中KL为履带长度经验系数。 计算所得的L0应满足转向要求：

L02???f?? (3.1-3) B? ——参看《工程机械底盘构造与设计》P308 式中 L0——支撑面长度，L0=2.5 m=2500mm；

B——履带轨距，B=KB×36=1.07×1.82=1.95m 取1900mm。 ?——附着系数，?=1.0； f——滚动阻力系数，f=0.10；

?——根据《工程机械底盘构造与设计》可知?=0.5；

所以，履带的宽度、支撑面的长度选择合适，即b=400 mm L0=2500 mm b) 履带板结构的选择

履带板的型式很多，标准化后规定采用重量轻、强度高。结构简单价格较低的轧制履带板。履带板有单筋、双筋和三筋数种。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；双筋履带板筋稍短易于转向，且屉带板刚度较好用于挖掘装载机或重型矿用液压挖掘机上；三筋履带板同样为短筋(图3.1-2)由于筋多使履带板的强度和刚度提高，承重能力大，用于挖掘机上。三筋履带板上有四个连接孔，中间有两个清泥孔。当链轨绕过驱动轮时可借助轮齿白动清除链轨节上的淤泥。相邻两履带板制成有搭接部分，防止履带板之间夹进石块而产生很高的应力。

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L02500==1.31≤3.6= (3.1-4) B1900南华大学机械工程学院毕业设计（论文）

图3.1-2三筋履带板

c）履带节距

节距越小，履带链轨运转在驱动轮、导向轮上冲击越小，运转越均匀，有利于减少磨损，提高效率，但最小节距值受到链轨结构尺寸的限制。 履带节距及其使用范围见表3.1-1。

表3.1—1 挖掘机驱动轮的节距及适用范围

节距(毫米） 101,125,135 154 173 203 216,228.5 260

履带节距t0，随自重G的增大而线性增大，通常为：

t0=(17.5～23)4M=(17.5～23)×46000=(154～202)mm （3.1-5） 所以，本设计节距选取173. d）履带强度的计算

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齿数 23,25 23,25 23 23 25 适用范围 0.25m3以下的挖掘机 0.25m3～0.4m3的挖掘机 0.4m3～0.6m3的挖掘机 1.0m3，1.6m3的挖掘机 2.5m3的挖掘机 4m3的挖掘机

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(1)履带的计算工况

整机在斜坡上工作时，一侧履带所能传递的最大驱动力，取决于土壤的附着条件，即： PK???AG (3.1-6)

——取自《工程机械底盘构造与设计》P314

×58.8=44.1KN PK???AG?1.0?0.75G?0.75G?0.750.75?34.3?25.72式中：?——附着系数，取??1.0；

A——考虑在斜坡上工作时，整机重量在一侧履带上分配系数，取

A?0.75。

(2)履带总成结构形式如图3.1-3所示

图3.1-3 履带总成结构图

其中节距为173mm的履带总成联系尺寸如下表

表3.1-2履带板的总成联系尺寸 安装尺寸 F 140 G 120 E 82 X 60 A 46 外形尺寸 B 92 C 126 h 20 d1 36 配合尺寸 d1 d3

d4 55 35.5 2636 根据挖掘机的工作要求，挖掘机采用组合式履带，组合式履带式履带板、轨

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链节、履带销、销套、螺栓等零件组合而成。由于履带的主要破坏形式是磨损，因此只需要校核履带销的剪切强度：

1.5G （3.1-7） 2?d——取自《工程机械底盘构造与设计》P315

??式中：d——履带销直径； 所以 ??1.5?58800=92.86MPa 34300?54.17MPa2??0.055履带销采用50Mn，履带销套采用20 Mn，履带板的材料采用40Mn2Si。 50Mn的剪切强度：275Mpa

所以，?????，履带销的强度满足要求。 （3）校核轨链节的抗拉强度

对于钢制履带，履带板应验算其拉伸应力，危险截面是销孔的最窄处：

??PK?F?0.75G (3.1-8)

2?R?r??b——取自《工程机械底盘构造与设计》P314

式中：R——履带销套半径，R?27.5mm； r——履带销半径，r?18mm；

?b——一块履带板一端的各销孔宽度之和，?b?3?36?108mm。

?p——需用拉伸应力，?p?150~200MPa

0.75?58.5?103所以σp== 17.75MPa≤?p

2?(27.5?16)?108??????所以，履带的抗拉强度满足要求。

3.2驱动轮的设计

发动机的动力通过驱动轮传给履带，因此，对驱动轮的要求应是与履带啮合正确，传动平稳，并且当履带因销套磨损而伸长后仍能很好的啮合，履带的驱动轮通常置于后部，这样履带的张紧段较短，减少磨损和功率损失。

驱动轮的谁主要包括齿形的设计，驱动轮尺寸的确定以及强度校核。

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a) 驱动轮的齿形设计

发动机的动力通过驱动轮传给履带，因此，对驱动轮的要求是与履带啮合正确，传动平稳，并且当履带因销套磨损而伸长后仍能很好啮合。

按齿面形状，驱动轮齿形可分为凸形，直线形和凹形齿形三种。目前履带工程机械多采用后两种。

驱动轮用来驱动履带，轮齿工作时受履带销套反作用的弯曲压应力，并且轮齿与销套之间有磨料磨损。因此驱动轮应选用淬透性好的钢材，通常用50Mn，45SiMn，中频淬火、低温回火，硬度应达到HRC55～58。

一般来讲，对驱动轮齿形的要求为：

1）使履带节销顺利地进入和退出啮合，减少接触面的冲击应力； 2）齿面接触应力应小，以减少磨损；

3) 当履带节距因磨损而增大时，履带节销与驱动轮齿仍能保持工作，不至脱链。

本设计采用典型的“三圆弧一直线”型齿形。其齿形如图（3.2-1）所示

图3.2-1 单圆弧——直线齿形

b) 驱动轮主要参数的确定

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驱动轮轮齿的节距根据前述的相应的履带板的节距确定，lt?173mm。绕在驱动轮上的履带板数目（即当量齿数Z?）增加，使履带运动速度均匀性较好，铰链摩擦损失减少，但使驱动轮直径增大，引起底盘高度及重量增加。根据四轮一带统图，参照《工程机械底盘构造与设计》P316表2-8-5所示，选择驱动轮齿数Z=23。这里驱动轮的齿数一般为奇数，这是因为工程机械上的链条在驱动轮上是隔一个齿啮合的，这样自动清除泥土的效果好。这种间齿啮合的的驱动轮的Zk是实际齿数的Z的一半；所以这样实际齿数Z最好为奇数，这样每转动两圈，驱动轮的所有齿都啮合一次，使用寿命长。所以名义齿数Zk=11.5。

驱动轮节圆半径

rK?lt173??320.6mm （3.2-1） 180018002sin2?sinZk11.5 ——取自《工程机械底盘构造与设计》P316 驱动轮的节圆直径为 DK?2rK?641.2mm 履带销套直径：d?d4?55mm

则驱动轮齿根圆直径为：Dg?DK?d?641.2?55?586.2mm

驱动轮齿顶圆直径：Dg?DK?（0.3～0.4）d?641.2?0.35?55?660.45mm 齿谷半径为：r?0.585d?32.175mm 谷齿距离为：s?2.5r?80.4mm

c) 驱动轮的强度计算

驱动轮需要校核其弯曲强度和挤压强度。 1).弯曲强度计算

驱动轮的计算载荷与履带一样，取一侧所传递的最大驱动力，因地面附着条件所限制，取PK??0.75G，并假定扭矩只有一个齿传递。

驱动轮轮齿抗弯强度为： ?p?0.75Gh (3.2-2) ?400~500MPaWu第 14 页 共 64 页

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——取自《工程机械底盘构造与设计》P317

式中：h——齿高（假定力完全作用在齿顶），

h?De?Dg2?660.45?586.2?37mm

2 Wu——抗弯截面系数

bh255?372?10?9Wu???3.39?10?6m3，其中b为驱动轮的宽度，取b?55mm；

66 ??F?——许用弯曲应力。 所以：?F?

..8M0.75Gh00..7575??58343??3737==481MPa≤400～500MPa???280.8MPa?400~500 MPa??663WuWu3..3939??1010?F?M0.75Gh0.75?34.3?37 ???280.8MPa?400~500MPaWuWu3.39?10?6所以，驱动轮的弯曲强度满足要求。

2).挤压应力计算

驱动轮轮齿齿面挤压强度： ?j?184Gbd??j (3.2-3)

——取自《工程机械设计》P141

??式中 b——驱动轮轮齿宽度，b?55mm； d——履带销外套直径，d?55mm；

?j??需用挤压应力，?j?500~1000MPa。 所以

σj=184

58.8=25.65MPa

3.3 支重轮拖链轮的设计

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