斗容1m3挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2015年6月摘要近年來，我國的基建工程有日益增多的趨勢(shì)，國家也要大力發(fā)展基建工程來拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長，而挖掘機(jī)作為土方施工必不可少的機(jī)械設(shè)備，將在我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面發(fā)揮舉足輕重的作用。挖掘機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)要承受軸向載荷，徑向載荷，和傾覆力矩，對(duì)其剛度，強(qiáng)度與穩(wěn)定性就有一定的要求。所以，挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)保持挖掘機(jī)整體的穏定性方面有重要作用，對(duì)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的研究有助于國家發(fā)展各種不同類型的挖掘機(jī)。針對(duì)斗容lii】3挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，我進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)方案分析，回轉(zhuǎn)支承選型設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)速度控制及制動(dòng)方案與制動(dòng)器設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)各部件的受力校核及選型,還采用了有限元方法來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。國內(nèi)的挖掘機(jī)廠商對(duì)國內(nèi)市場(chǎng)的把握還不夠大，對(duì)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的不斷優(yōu)化對(duì)國內(nèi)廠商制造更大更多類型的挖掘機(jī)有重要的意義。關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)備；挖掘機(jī)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元第一章緒論1-1液壓挖掘機(jī)及其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)介紹液壓挖掘機(jī)是一種多功能周期作業(yè)的土方機(jī)械，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸，水利工程，礦山采掘和電力工程等機(jī)械施工中。它的工作過程先是以鏟斗的切割刃切削土壤，裝滿后再提升、回轉(zhuǎn)至卸土位置，把土卸空后鏟斗再回原來位置開始下一次作業(yè)，如此循環(huán)。所以挖掘機(jī)對(duì)于對(duì)于減輕工人繁重的體力勞動(dòng)，加快施工進(jìn)度，提高施工機(jī)械化水平，促進(jìn)各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，都起著很大的作用。一臺(tái)斗容ln】3挖掘機(jī)每班的生產(chǎn)率基本上等于300-400個(gè)工人一天的工作量。所以很有必要大力發(fā)展液壓挖掘機(jī)，提高其工作性能，讓其更好地提高生產(chǎn)率，為國民建設(shè)與國民經(jīng)濟(jì)服務(wù)。挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臺(tái)和液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)等組成?；剞D(zhuǎn)支承的內(nèi)外座圈間設(shè)有滾動(dòng)體，其底座跟帶齒的內(nèi)座之間用螺栓連接，外座圈跟轉(zhuǎn)臺(tái)用螺栓連接。挖掘機(jī)工作裝置上的各種載荷與力矩經(jīng)過回轉(zhuǎn)支承傳給底架?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的小齒輪既能繞自身自轉(zhuǎn)乂能繞轉(zhuǎn)臺(tái)中心公轉(zhuǎn)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)繞底架回轉(zhuǎn)，相當(dāng)于行星機(jī)構(gòu)。1.2國內(nèi)外發(fā)展概況工國外發(fā)達(dá)國家在挖掘機(jī)技術(shù)上一直處于領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，他們從20世紀(jì)80年代就開始生產(chǎn)特大型挖掘機(jī)，例如，美國生產(chǎn)的斗容13211F的步行式拉鏟挖掘機(jī)，斗容5O-15ON剝離用挖掘機(jī)：B-E（布比賽路斯-伊利）公司生產(chǎn)的斗容量107m3的剝離用挖掘機(jī)，斗容量168.2m3的步行式拉鏟挖掘機(jī)等。從20世紀(jì)后期開始,國際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向微型化、多功能化、大型化、專用化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。國內(nèi)的挖掘機(jī)生產(chǎn)商雖然要有很強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)，并且要針對(duì)市場(chǎng)與用戶的各種要求來開發(fā)出新一代挖掘機(jī)的變型產(chǎn)品（如高原型車、焊接車等），爭取步入大型挖掘機(jī)市場(chǎng)，不能只依靠國外進(jìn)口，把握市場(chǎng)方向。同時(shí)，國內(nèi)的廠商要提高用戶服務(wù)，樹立良好的品牌形象，力求企業(yè)與用戶實(shí)現(xiàn)雙贏局面。只有這樣，國內(nèi)廠商才可能慢慢把失去的市場(chǎng)份額奪過來。1.3本設(shè)計(jì)的目的和意義目前我國及發(fā)展中國家的基礎(chǔ)工程建設(shè)相當(dāng)多，挖掘機(jī)的產(chǎn)銷量很大。作為工程機(jī)械應(yīng)用專業(yè)的學(xué)生，通過此設(shè)計(jì)，可以很全面地掌握挖掘機(jī)的構(gòu)造和作業(yè)環(huán)境及要求；掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路與方法；鍛煉其綜合運(yùn)用機(jī)械類基礎(chǔ)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力和提髙對(duì)計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用水平；本設(shè)計(jì)要求完成上臺(tái)車回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。研究內(nèi)容包括，驅(qū)動(dòng)方案分析確定，傳動(dòng)設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)支承選型沒計(jì)，回轉(zhuǎn)速度控制及制動(dòng)方案與制動(dòng)器設(shè)計(jì)。1-3研究的基本思路與釆用的方法通過查閱相關(guān)資料進(jìn)行回轉(zhuǎn)馬達(dá)與回轉(zhuǎn)支承的選型，計(jì)算嚙合齒輪參數(shù)，計(jì)算液壓系統(tǒng)參數(shù)。結(jié)合三維建模及分析修改設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)參數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)件或選用總成要完成選型匹配計(jì)算，寫出具體的型號(hào)。生成二維設(shè)計(jì)圖，按標(biāo)準(zhǔn)要求完成標(biāo)注、打印出二維設(shè)計(jì)圖；第二章方案設(shè)計(jì)2.1回轉(zhuǎn)方案選擇1） 高速方案：采用高速液壓馬達(dá)，經(jīng)過齒輪減速箱來帶動(dòng)小齒輪繞齒圈滾動(dòng)，從而使平臺(tái)回轉(zhuǎn)。可以使用4種回轉(zhuǎn)方案：1一級(jí)正齒輪和一級(jí)行星齒輪傳動(dòng)2兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)3兩級(jí)正齒輪傳動(dòng)4一級(jí)正齒輪和兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)在高速軸上裝了機(jī)械制動(dòng)器，我國目前對(duì)一級(jí)行星齒輪傳動(dòng)和一級(jí)正齒輪和兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)進(jìn)行了系列化和專業(yè)化生產(chǎn)。方案優(yōu)點(diǎn)：馬達(dá)采用了高速馬達(dá)，又加了齒輪減速機(jī)構(gòu)，可靠性效率都比較高，同時(shí)又能降低成本縮小體積。設(shè)置了機(jī)械制動(dòng)器，不需要背壓補(bǔ)油，降低了油液發(fā)熱與功率損失，可與軸向柱塞泵零件通用。2） 低速方案：這種馬達(dá)轉(zhuǎn)速比較低，但扭矩比較大，帶動(dòng)小齒輪并讓轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)的時(shí)候，中間不用加減速器。這種方案采用的液壓馬達(dá)通常為靜力平衡式，內(nèi)曲線式和星型柱塞式等。不用經(jīng)過減速器驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)多是內(nèi)曲線式的，而且這種馬達(dá)轉(zhuǎn)速低，扭矩大。方案優(yōu)點(diǎn)：這種馬達(dá)傳動(dòng)比較簡單，起動(dòng)的時(shí)候制動(dòng)性能也比較好，零件比較少，可靠性比較好，對(duì)油污的敏感性也比較小。為了經(jīng)濟(jì)性、可靠性和效率，選用了方案2。2.2回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)齒輪嚙合方案的確定內(nèi)齒式齒輪嚙合結(jié)構(gòu)緊湊能節(jié)省尺寸，受外部環(huán)境影響小。而外齒式齒輪嚙合傳動(dòng)受外部環(huán)境影響比較大，比較浪費(fèi)橫向尺寸。所以選用內(nèi)齒式齒輪嚙合傳動(dòng)。2.3回轉(zhuǎn)軸承選型（1） 單排滾球式滾道端面中心d偏滾珠中心而且滾道是圓弧形曲面的，滾道半徑R=0.52d,滾珠與滾道接觸角Q（水平線與作用力的夾角）一般45°,所以可以傳各種方向的軸向、徑向載荷與傾覆力矩。（2） 雙排滾球式它的滾珠分了2排，下排比上排收到的載荷小，所以下排滾珠比較小。接觸角a（水平線與作用力的夾角）=90°,所以能承受很大的軸向載荷與傾覆力矩。（3） 交叉滾柱式滾動(dòng)體做成了圓錐或圓柱形，接觸角常為45°,相鄰滾珠軸線交義排列，滾道做成平面的，可以傳遞各種方向的載荷與力矩。（4） 組合滾子式跟雙排滾珠式類似，帶第三排滾珠直于上、下兩排滾柱，能傳遞徑向載荷。主要用在直徑與受到的載荷都比較大的大型的液壓挖掘機(jī)上。現(xiàn)實(shí)應(yīng)用最廣泛的是上述（1）（2）（3）3種?？v觀液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承發(fā)展歷程，開始采用的雙排異徑球式，后來發(fā)展成用單排交義滾柱式，近來單排四點(diǎn)接觸球式得到了迅速的發(fā)展。對(duì)比這三種回轉(zhuǎn)支承，單排四點(diǎn)接觸球式的全部滾動(dòng)體都能同時(shí)分擔(dān)載荷，而另外兩種只有一般滾動(dòng)體可以承受載荷，所以其靜容量遠(yuǎn)超另外兩種。綜合以上結(jié)論，此次的液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)軸承的選型選用単排四點(diǎn)接觸球式滾動(dòng)軸承式，2.4滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支承的系列標(biāo)準(zhǔn)及其具體選型滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支承，不少國家己有系列標(biāo)準(zhǔn)，由專門的軸承廠制造，主機(jī)成更具用途選用即可。我國制定的滾動(dòng)支撐系列標(biāo)準(zhǔn)分兩大類，六種結(jié)構(gòu)形式，四十種規(guī)格。第一類或稱第一系列為接觸角45,滾柱按1：1排列的交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承,以代號(hào)“HJ”表示。第二類或稱為第二系列為接觸角45’的四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承，以代號(hào)“HS”表ZK。每一類按座圈不帶齒（代號(hào)“B”）,帶外齒（代號(hào)）和帶內(nèi)齒（代號(hào)）的不同分為三種結(jié)構(gòu)形式。每一類按滾道中心直徑的大小分為二十種規(guī)格。例如HJX-2820表示滾道中心直徑。。=2820〃〃〃.具有內(nèi)齒機(jī)構(gòu)形式的交義滾柱式回轉(zhuǎn)支承。我國指定的滾動(dòng)軸承職稱系列標(biāo)準(zhǔn)有一下特點(diǎn)：尺寸參數(shù)比較齊全（滾道中心直徑范圍是625-4540〃“〃），符合主機(jī)系列，可滿足發(fā)展需要；兩種系列的安裝尺寸，毛胚尺寸完全相同，可以互換：齒輪有兩種模數(shù)以滿足不同的主機(jī)需要，內(nèi)外齒的原始齒形均為標(biāo)準(zhǔn)型（即壓力角％=20,齒頂高系數(shù)人=1,齒頂間隙系數(shù)C°=0.25）.為了減少小齒輪齒數(shù)，提高其承載能力，改善傳動(dòng)性能，內(nèi)齒式釆用高度變位（變位系數(shù)+0.35）,外齒式釆用角度變位（當(dāng)大齒圈齒數(shù)為95—116時(shí)變位系數(shù)取+1.0；當(dāng)齒數(shù)為117—136時(shí)取+1.15：當(dāng)齒數(shù)等于和大于137時(shí)取+1.4）滾動(dòng)體材料為 GCrl5及GCrlSSiMn,表面硬度為HRC61-55.座圈材料為50Mn,50SiMn,5CrMnMo等，滾道表面硬度為HRC55—65,硬化層深度為35mm.參考《單斗液壓挖掘機(jī)》表3-2滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支承參數(shù)系列，初步選取四點(diǎn)接觸球式滾動(dòng)回轉(zhuǎn)支承HSN-S80系列，其基本技術(shù)參數(shù)如下：滾道中心直徑： Do=880mm

外形尺寸:安裝尺寸:D=1000〃"〃d=760〃〃〃H=95mmh=12.5mm外形尺寸:安裝尺寸:內(nèi)齒參數(shù)：p=718.18〃〃〃df=728mm m=10mmZ2=18內(nèi)齒參數(shù)：p=718.18〃〃〃df=728mm m=10mmZ2=18=+0.35L=70mm四點(diǎn)接觸球式滾動(dòng)回轉(zhuǎn)支承滾球尺寸：4=40〃〃〃C*=21SkN接觸角a=45°Vi=0Vi=0?3.1km/hvm?5.5km/h35°2380mm6470X2980mm9865X2980X30152.5主要性能參數(shù)斗容量 iw整機(jī)使用質(zhì)量（含配重）30000kg其中預(yù)估：上車 19900kg下車 9100kg柴油機(jī)型號(hào) SAA6D102E-2額定功率 125/2100行駛速度范圍：低速范圍高速范圍最大爬坡角軌距每側(cè)履帶接地尺寸（長X寬）運(yùn)輸工況外形尺寸（長X寬X高）液壓系統(tǒng)參數(shù)：鏟斗油紅-個(gè)數(shù)X紅徑X行程(mm)130X1020X90回轉(zhuǎn)液壓回路(Mpa)28.4控制液壓回路(Mpa)3.2先導(dǎo)油路斗桿油缸-個(gè)數(shù)X缸徑X行程(mm)140X1635X100動(dòng)臂油缸-個(gè)數(shù)X缸徑X行程(mm)130X1335X90行走液壓回路(Mpa)37.3主泵最大流量(L/min)439第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1回轉(zhuǎn)支承的受力分析決定回轉(zhuǎn)支承壽命的主要是靜容量，因?yàn)槠涑Ｔ诘退俅筘?fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)。為了研究滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支承的受力狀態(tài)，求出滾動(dòng)體受的最大作用力，以便與驗(yàn)算滾道與滾動(dòng)體間的接觸強(qiáng)度。回轉(zhuǎn)支撐的座圈是一個(gè)多支點(diǎn)彈性體、主要以滾動(dòng)體為支點(diǎn)，承受著傾覆力矩M徑向載荷Fr以及軸向載荷已的共同作用°設(shè)內(nèi)座圈與底架固定，外座圈與轉(zhuǎn)臺(tái)固定，轉(zhuǎn)臺(tái)經(jīng)外座圈，滾動(dòng)體，內(nèi)座圈到底架是力的傳遞路線，如下圖2.3所示。圖3.1回轉(zhuǎn)支承受力簡圖內(nèi)外座圈間的內(nèi)力分布跟制造方法有關(guān)，為了計(jì)算的簡化，假設(shè)：受力變形只發(fā)生在滾動(dòng)體與滾道接觸處，內(nèi)外座圈為絕對(duì)剛體：滾道與滾動(dòng)體接觸良好，無加工誤差，無徑向間隙和軸向間隙。用在滾動(dòng)體上的軸向、徑向載荷與傾覆力矩的疊加內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過分析后得出挖掘機(jī)在直立狀態(tài)下受到的載荷為最大?？傒S向力V=23KN徑向力的分析包括了小齒輪與齒圏間嚙合力瑞和風(fēng)力P戰(zhàn)和慣性作用下產(chǎn)生的離心力P齒P墻=3xM舗xix〃x =43KN' Dxcos<zP.l=ECxKhxqxF=520公斤=5.2KN其中C一一風(fēng)載體型系數(shù)取0.7K11一一高度休整系數(shù)取1q 風(fēng)壓值取25公斤/1112F一一迎風(fēng)面R按照外傾5°來進(jìn)行計(jì)算：9002.52xl04x(6x4.1+20x5+1x0.97-22x4.12-3x2.7-0.6x23-1.2x1.21-4x0.61)/900R1.37KN所以Hj=P哂+P?+PaQ5.2+1.37十43250KN各力對(duì)回轉(zhuǎn)中心取距的傾斜力矩M為M=NGL+ZPQL+EF^R.Q391KN.ni3.2靜載系數(shù)的確定一般用回轉(zhuǎn)支承的靜、動(dòng)容量來決定回轉(zhuǎn)支承的負(fù)荷能力，動(dòng)容量指回轉(zhuǎn)支承回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)不會(huì)疲勞破壞出現(xiàn)裂紋的能力，而靜容量指回轉(zhuǎn)支承的滾動(dòng)體與滾道接觸處在靜負(fù)荷的作用下的永久變形量之和到了滾動(dòng)體直徑的萬分之一但不影響回轉(zhuǎn)支承正常運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)速度比較低，所以只需要計(jì)算其回轉(zhuǎn)支承的靜容量。這種回轉(zhuǎn)支承的承載角a=45。，其靜態(tài)參照載荷計(jì)算可以參照以下公式:Fa=(Fa+2Fr)Fs@258t其中Fa一一軸向力Fr一一徑向力Fs一一靜載系數(shù)取1.25M'=MFs^79X10*N-mM一一傾斜力矩計(jì)算安全系數(shù)：軸向E額定靜負(fù)荷容量為:Coa=3000KN4.5M》2.5Hpshir +Gp+ 當(dāng)量軸向載荷:Cp=。 cosrR2296KN所以￡二宇21.31一Cp査挖掘機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)知，安全系數(shù)在1.20-1.35之間符合設(shè)計(jì)要求3.3回轉(zhuǎn)支承的選型經(jīng)過計(jì)算初步選擇支承：QNA1600-40內(nèi)嚙合式的，模數(shù)ni=12,齒數(shù)z=116,D內(nèi)圈=1600.%紺=1744,N表示內(nèi)齒式，40表示滾球直徑，1600代表它的回轉(zhuǎn)滾道中心直徑為1600nmioJB2300-84給出了所選支承的承載曲線圖，圖中標(biāo)出了(Fa',M')坐標(biāo),并且在靜態(tài)承載力曲線下面。所以，選擇的支承型號(hào)符合要求。車由向7JFa/13N圖3.1QNA1600-40承載曲線圖確定滾動(dòng)體的數(shù)目：Z=DJi/d-0.5^1273.4最大接觸應(yīng)力校核滾動(dòng)體所受載荷分別為：Pv=V/z^5KNPhmax=KHK1.86KN（i=lJPnimax=KM，zDR6.8KN該支承滾珠接觸角為45度，承受的最大等效載荷為：Nmax=Pv/siuP+Phmax/cosP+Pmmax/siiiP^75^^1928公斤最大接觸點(diǎn)應(yīng)力：=4咽~^810000公斤/厘米'式中：Ng一-最大的正應(yīng)力：県一一接觸處的換算曲率半徑；1 4 2cos/?1 = —

廿宀上dD+dcosflr°m

其中：換 " @0.09査設(shè)計(jì)手冊(cè)可知當(dāng)HB<300時(shí)=24000~3000校核成立。3.5支撐連接螺栓強(qiáng)度計(jì)算（1）連接螺栓的最大工作載荷P。計(jì)算Po=4M/nD-FMi式中M—傾覆力矩，根據(jù)前面計(jì)算得M=628KN.mFa——軸向力，根據(jù)前面計(jì)算得Fa=560KND一一螺栓分布圓直徑，根據(jù)回轉(zhuǎn)支承型號(hào)査得D=1540nmiu一一螺栓分布的個(gè)數(shù)，根據(jù)回轉(zhuǎn)支承型號(hào)查得11=40Po=4M/nD+Fa/n=28.79KN（2） 連接螺栓預(yù)緊力的計(jì)算為防止座圈與支撐面之間存在間隙，提高連接螺栓疲勞強(qiáng)度，通常都設(shè)置較大的預(yù)緊力，其大小如下：Py=kyPo（1-X）其中X一一工作載荷分配系數(shù)，對(duì)于不用彈簧墊圈的高強(qiáng)度螺栓通常取0.25ky一一接合而緊密性安全系數(shù)，一般取kyW1.5?2.0,在此取2故 P/kyPo（1-（）=43.19KN螺栓上的預(yù)緊應(yīng)力。y=10Pv/Fl其中F】一一螺紋根部的I析面積。Ft=d2n/4=0.252ji/4=0.05N故 Oy=10Pv/Fl=10X15.9X1000/0.05=3Mpa螺栓的預(yù)緊應(yīng)力通常是。y0.5?0.76,其中6為螺栓的屈服極限查得螺栓的屈服極限。:為15Mpa,故符合預(yù)緊力要求。（3） 螺栓最大計(jì)算載荷Pj=P）+pgxJ0.4KN（4） 螺栓強(qiáng)度計(jì)算ri,=—f 0=—泠靜強(qiáng)度安全系數(shù)： 職七〉1.2?1.5 計(jì)算兒價(jià)R3.35疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)?.％2一"叩2?3計(jì)算3.6回轉(zhuǎn)齒輪強(qiáng)度校核挖掘機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速比較低，傳動(dòng)比比較大，其回轉(zhuǎn)齒輪為開式，其主要破壞形式為疲勞彎曲破壞，所以只需要對(duì)驅(qū)動(dòng)小齒輪做彎曲強(qiáng)度計(jì)算。計(jì)算最大彎曲應(yīng)根據(jù)力％3直齒圓柱齒輪齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算公式即

易=易=PLfqxlOi‘5Wbtne（MPa）Pv一一運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)在分度圓上最大圓周嚙合力（KN）2x1.50.005x122x1.50.005x12=50KNMli——油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的額定輸出扭矩，Mv-1.5KN.mm 齒輪模數(shù)，m=5mmZ——小齒輪齒數(shù)，Z=12Q一一齒形系數(shù)。根據(jù)齒數(shù)Z二12,變位系數(shù)X二+0.15,由曲線圖査得=3b 齒寬，b二45mme一一影響載荷系數(shù)，取81.25將上述參數(shù)代入3-6式得：=竺”*。七 50x3x1。' =533"'maxWbme0.M5x0.005x1.25齒根疲勞極限應(yīng)力%/爲(wèi)湖*Yn*Yx,Ysr*Sfm（原） （3.7）式中丫、一一壽命系數(shù)，由壽命系數(shù)圖査得：r,.=i.9S,屈一一彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)，由表査得：匕一一尺寸系數(shù)，由尺寸系數(shù)圖査得：rx=iYir一一相對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)，由系數(shù)圖査得：Ysr=0.88由2-7式計(jì)算得:標(biāo)=525XI.9X1/0.88X1.5=755.67MPa計(jì)算結(jié)果表明：舞心＜電，齒根抗彎強(qiáng)度足夠。3.7回轉(zhuǎn)軸承齒輪設(shè)計(jì)3.7.1參數(shù)選擇回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)速度不是很快，其沖擊很輕微，取7級(jí)的精度，采用軟.軟齒面組合。查表選擇小齒輪的材料為調(diào)質(zhì)處理過的40C1鋼，硬度241?286HBS;大齒輪選擇調(diào)質(zhì)處理過的材料為ZG42S1M11鑄鋼，硬度190?240HBS；粗選取乙=127,Z2=117(參考己有的產(chǎn)品)，=金=旦1=9.75乙12由表取齒寬系數(shù)4=06,按軟齒面齒輪對(duì)稱安裝。3.7.2齒面接觸疲勞強(qiáng)度齒面接觸疲勞強(qiáng)度的計(jì)算公式 初選載荷系數(shù)，計(jì)算名義轉(zhuǎn)矩7；=3000NM由表查得使用系數(shù)K.—1.75o由圖試取動(dòng)載荷系數(shù)K，=1.18。由表，按齒輪在兩軸承中間對(duì)稱布置，7級(jí)精度，初取如=1.3。由表按齒面未硬化，直齒輪，7級(jí)精度，工宓陽皿萍⑶吃初取"=1.3oK=KAKyKH^KHa=1.75x1.18x13*11=295初選系數(shù)和參數(shù)因選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪，初選重合度系數(shù)Z=0.9,節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)Zw=2.5,查手冊(cè)確定彈性系數(shù)Ze=J88.9o齒而接觸許用應(yīng)力査手冊(cè)可知：齒輪材料接觸疲勞極限應(yīng)力。機(jī)而=800MPa,g^2=560MPa。小齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)M -60X680X1XWX250X16-1.632X109大齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)“2=60”2施R=60x238x1x10x250*16=5.712x10s

査手冊(cè)可知：接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)Zw(允許有一定量點(diǎn)蝕)為：Zm=0.95,Z.v2=1.03o查手冊(cè)取安全系數(shù)5w=lo齒輪分度圓直徑等主要兒何尺寸的計(jì)算,、,2x2.95x3x1069.75-1A88.9x0.9)2111111=148.67mmb=^d)2111111=148.67mm取小齒輪與大齒輪的寬度0=85mm,b產(chǎn)80mm如Z]0.6x12取m=12中心距分度圓直徑基圓直徑dhl=cosa=135.32mm,dh2=d2cosa=1319.32mni齒頂圓直徑dal=d]+2m(h+x)=173.93mm, =d、一2h(ni—x)=1385mm齒根圓直徑clfl=t/l-2m(h+c)=118.8mm,d,2=d2+2m(h+c)=1440nini重合度%=aiccos(Jw/dal)=38.92\az=arccos(J/>2/Ja2)=17.69'

由計(jì)算結(jié)果來校核前面得假設(shè)正確與否r2L2x3x10641?7XT.Ft=—= =41667N'd.144查手冊(cè)得虬"T"查手冊(cè)得虬"T"合理，取踞因例=0.6，b=200,7級(jí)精度，對(duì)稱布置，査手冊(cè)得苔叩=乙326計(jì)算載荷系數(shù)K= =1.75x1.15xl.326xl.1=2.935按％=L68,查手冊(cè)查得Z/0.88。標(biāo)準(zhǔn)齒輪，節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)如=25齒而接觸疲勞強(qiáng)度校核%= 「辭二當(dāng)7x^^~Mpa=550.6M『ov%=576.8Mpa所以齒面接觸疲勞強(qiáng)度是安全的。3.7.3校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度其計(jì)算公式為=T亠上丫&匕-Sbm確定載荷系數(shù)Ka=1.75,K=L15,KFa =/.326,b/h==200/18=11.1,査手冊(cè)谿=1.33°則K=KAKvKF^KFc=1.75X1.15X1.33X1.1=2.94確定參數(shù)經(jīng)過查手冊(cè)，小齒輪齒形系數(shù)丫知=2.18,大齒輪齒形系數(shù)七衫=2.1査手冊(cè)可知；小齒輪應(yīng)力修正系數(shù)大齒輪應(yīng)力修正系數(shù)以2=189重合度系數(shù)匕=025+0.75/%=025+0.75/1.68=0.70確定彎曲疲勞許用應(yīng)力彎曲疲勞許用應(yīng)力亍理

査取齒輪材料彎曲疲勞極限應(yīng)力=300血Ex.打尸m=240也Rz査得計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度的壽命系數(shù)：瓜=°88,昵數(shù)上『"；査手冊(cè)査得尺寸系數(shù)4=1,安全系數(shù)&F査得計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度的壽命系數(shù)：瓜=°88,昵數(shù)上『"；査手冊(cè)査得尺寸系數(shù)4=1,安全系數(shù)&F300"aX088x1x2四=毎■1.25bm。卩血2%2上陰? 24OMPax0.9乂1乂21.25=°?9：取應(yīng)力修正系=1.25O=4224MPa345包扃(4)校核齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度比較(4)校核齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度比較%按大齒輪來校核°F2=二^~%32&12君om=7682"女<%=MPa彎曲疲勞強(qiáng)度足夠。3.83.8轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析圖3.2轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性3.8.1起動(dòng)加速過程圖3.3起動(dòng)泵時(shí)w與［關(guān)系圖3.4圖3.4泵起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)角與t關(guān)系在考慮啟動(dòng)階段的回轉(zhuǎn)阻力時(shí)，忽略風(fēng)與在傾斜度比較大的坡道上作業(yè)的影響，摩擦阻力矩比較小，占不到總起動(dòng)力矩的百分之五，所以可以忽略而只考慮慣性阻力矩。假定起動(dòng)力矩在起動(dòng)的時(shí)候一直不變:￡=拳=常數(shù)(tad/s)(3-1)根據(jù)式3.1和圖3.3的坐標(biāo)系建立角速度已對(duì)時(shí)間t的微分方程dt其通解S=#+C當(dāng)1=0時(shí)皿=0,解得(7=0固特解(3-2)%=學(xué)”@(】%=學(xué)”@(】ad/s)(33)（3邊）根據(jù)式3-2和圖3.4的坐標(biāo)系建立較久對(duì)時(shí)間t的微分方程d。 Mkdt J1其通解直=蛭宀cx2J當(dāng)，=0時(shí)，在=0,解得C=0固特解赤M’k廣當(dāng)，=“時(shí)，R=%即 但=螳"：=攵￡（rad）處U。2Msk(6-5)起動(dòng)過程所耗功(6-6)起動(dòng)過程所耗功率N=Msk?c)Q(W)(6-7)式中：J-滿斗回轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg-m2）%、飭、％分別是滿斗回轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)臺(tái)角速度（rad/s）、轉(zhuǎn)臺(tái)角（rad）、起動(dòng)時(shí)間（s）3.8.2制動(dòng)減速過程圖3.5表示采用液壓制動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行液壓制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力矩的變化。這時(shí)，通液壓泵與油箱的油路被斷開，油圧開始呈升高的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)生的慣性導(dǎo)致馬達(dá)的作用變?yōu)榱吮玫淖饔茫绻麎毫Φ陀谥苿?dòng)閥調(diào)定的壓力，馬達(dá)就開始制動(dòng)。在考慮制動(dòng)階段的回轉(zhuǎn)阻力時(shí)，忽略風(fēng)與在傾斜度比較大的坡道上作業(yè)的影響，摩擦阻力矩比較小，占不到總起動(dòng)力矩的百分之五，所以可以忽略而只考慮慣性阻力矩。假定制動(dòng)力矩在制動(dòng)的時(shí)候一直不變：一蛭=常數(shù)（函爐）（3-8）

圖3.6制動(dòng)時(shí)w與t關(guān)系根據(jù)式3-8和圖3.6的坐標(biāo)系建立角速度皿對(duì)時(shí)間琮的微分方程其通解 %=-絆f+c

當(dāng)—弓時(shí)電=0解得c=芋皿固特解M〃k, 、(rad/s)(3-9)當(dāng)上=0時(shí)，%=%即aQ=^J-9tBQad/s) (3-10)或JcDn'/話⑸M,k(3-11)令C=性則—W(S)(3-12)根據(jù)式3-9和圖3.7的坐標(biāo)系建立轉(zhuǎn)角＜pB對(duì)制動(dòng)時(shí)間”的微分方程d（pRMBk脖；奴E）其通解%=_寧％，_將'+C當(dāng)上=0時(shí)Mk但=0解得。=等?匚故特解虹2；d）r土3.83.8轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析圖3.7轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)角與t關(guān)系即4M〃k改2J匕（曲）(3-13)2MrIcQad)(3-14)(rad)(3-15)=2MskC3.8.3勻速過程轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)的時(shí)間比較長，轉(zhuǎn)角比較大時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)勻速過程，設(shè)伊為轉(zhuǎn)臺(tái)只朝一個(gè)方向回轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)角，代為勻速階段的轉(zhuǎn)角，七為勻速回轉(zhuǎn)過程的時(shí)間，則Jct）2n1 1歡=。一（佑+夜）=。一^-（后+林）（3-16）1亠->2Ms，k"k)(3-17)%%3.8.4空斗時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)返回過程對(duì)于空斗返回的過程，上面的公式雖然是在滿斗回轉(zhuǎn)狀態(tài)下導(dǎo)出的，只要將滿斗時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/換為J。并選取不同的％,就可以沿用上述公式。(-)對(duì)于用三角形速度圖(3-18)2MHk(3-19)(3-20)M$kC2MHk(3-19)(3-20)M$kC(3?21)(-)對(duì)于梯形速度圖加0 加0 (3-22)2Msk卜卜好A°23)(3-24)(325)(326)(3-27)通過以上的計(jì)算分析，我們的出了回轉(zhuǎn)平臺(tái)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、角加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間等一系列轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算公式，這為后面我們得出具體的數(shù)據(jù)奠定了基礎(chǔ)。3.9轉(zhuǎn)臺(tái)最佳速度的分析計(jì)算為了確定轉(zhuǎn)臺(tái)的最佳轉(zhuǎn)速，我們就需要知道確定最佳轉(zhuǎn)速的原則，那就是在

經(jīng)常使用的轉(zhuǎn)角范困之內(nèi)，在角加速度和回轉(zhuǎn)力矩不超過允許值的情況下，應(yīng)盡可能縮短回轉(zhuǎn)時(shí)間。另外，最佳轉(zhuǎn)速也與轉(zhuǎn)臺(tái)速度的圖是什么有關(guān)。一般常用具有勻速運(yùn)動(dòng)階段的梯形速度圖和無勻速運(yùn)動(dòng)階段的三角形速度圖推導(dǎo)轉(zhuǎn)臺(tái)最佳轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式。下面我就這兩種不同形式的速度圖加以具體介紹：3.9.1具有勻速運(yùn)動(dòng)階段的梯形速度圖的轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算分析回轉(zhuǎn)循環(huán)時(shí)間：7'=（^+^）+（/,+＜）+（/z+4）_丿0（1+/1）% 2MSkCkJ0（l+^）d^Msk % MskCd%2MskCk%(rad/s)(3(rad/s)(3?29)乂已知％=備"，9=爲(wèi)?。°,所以代入上式中可得(3-30)(3-30)所以，M將上式代入6-28中可得,%(3)吼丄丄*2xl000N〃°kCkcoQ

=如+加丄丑(3-31)2000N〃。C緯也=2如+小丄*=od-Q2000N%C吼所以，細(xì)=tymax=3j2Q0Q*伽、(血］s) (3-32)^0(1+2)(1+-)再將％=#?〃，。=三了?！愦肷鲜街校?U 1ov〃=〃心=3.121匚1°°°'如。(廠/min) (3-33)*(l+/i)(l+g)式中：N一回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所需液壓功率(KW)仇一回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總效率；其中名為回轉(zhuǎn)支承效率：么為減速器效率；払為液壓馬達(dá)效率(包括容積效率和機(jī)械效率)；(這里我們?nèi)?=0.95,億=0.95,%=0.95)2=』=1.6?1.8,這里取為1.78；丿0夕、。。一轉(zhuǎn)角，仞的單位為弧度，/的單位為度。3.9.2具有無勻速運(yùn)動(dòng)階段三角形速度圖的轉(zhuǎn)臺(tái)最佳速度計(jì)算分析對(duì)于定量泵驅(qū)動(dòng)空斗單向M轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角(rad)(3-34)(rad)(3-34)所以，％(3-35)所以，％(3-35)或，n3.19些或，n3.19些(3-35)F)以虬=整代入式6_34中得所以，「°皿''?。（m〃s） （6-37）V或，〃m”=3.1211QQQA^Z/o（r/mui）（3-38）在這種情況下，我們知道佑+。=外+妙2MSJ0刃2MSJ0刃max2Ms（卜壽）所以，％=^W"d/s)（3-39）回轉(zhuǎn)循環(huán)時(shí)間T=tQ+tT=tQ+tz+tQ+izJ%MSK? "。吼I丿0吼MSKCMSKMSKC=(l+&(>/I+l)?4^($) (3-40)C Msk至此，分別用具有勻速階段的梯形圖和沒有勻速階段的三角形圖的最佳轉(zhuǎn)速的計(jì)算分析我們己經(jīng)全部完成了，用正確的運(yùn)用上述公式代入相關(guān)的數(shù)據(jù)，即可得到我們所需要的參數(shù)。3.10回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇計(jì)算轉(zhuǎn)臺(tái)最佳轉(zhuǎn)速的時(shí)候，要先做好回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析，確定轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)角范圍與起動(dòng)、制動(dòng)力矩等參數(shù)。3.10.1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算對(duì)于反鏟的方式，由經(jīng)驗(yàn)公式得：滿斗回轉(zhuǎn)時(shí)：丿=128法空斗回轉(zhuǎn)時(shí)：丿°=72G；由設(shè)計(jì)任務(wù)書我們知道，G=lOt代入上式可得：滿斗回轉(zhuǎn)時(shí)：J=594123N-m-s2空斗回轉(zhuǎn)時(shí)：Jo=33419.4N-m-s2所以，2=±=1.78，式中G一單斗液壓挖掘機(jī)的整機(jī)重量(t).J3.10.2回轉(zhuǎn)所需起動(dòng)力矩和制動(dòng)力矩估算行走系統(tǒng)跟地面摩擦產(chǎn)生的力矩應(yīng)該超過回轉(zhuǎn)最大啟動(dòng)與制動(dòng)力矩。當(dāng)機(jī)械制動(dòng)時(shí)可取〃。=0.8~0.9姫，僅靠液壓制動(dòng)時(shí)可取州=0.5~0.7M。。L為作用在轉(zhuǎn)臺(tái)上的最大制動(dòng)力矩。行走系統(tǒng)與地面摩擦產(chǎn)生的力矩可按下面公式計(jì)算：4 4=4910妁亍=4910x0.5x10亍=52891.371(N?in)式中：G一挖掘機(jī)總重(t). 。一附著系數(shù)，對(duì)平履帶板取0.3,對(duì)帶筋履帶板取0.5由于本設(shè)計(jì)采用的是機(jī)械制動(dòng)。所以=0.85M。=0.85x52783.68=44866.13(N-m)對(duì)于機(jī)械制動(dòng)，一般取C=1.6,因?yàn)镃=*,所以Ms性=竺空竺=28098.541(N?m)51.6 1.66.3.3轉(zhuǎn)角的選取從上面的計(jì)算最佳轉(zhuǎn)速的公式可以看出，當(dāng)M、J、C、k這些參數(shù)確定后，轉(zhuǎn)角決定了轉(zhuǎn)臺(tái)的最佳轉(zhuǎn)速，所以選取比較合適的轉(zhuǎn)角很重要。一般情況下，中小型液壓挖掘機(jī)轉(zhuǎn)角范圍在75?135之間，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)角選擇在90?120。之間比較適當(dāng)，結(jié)合本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，這里選取。=坐?/=1.832血，即0=105丄1803.11回轉(zhuǎn)速度和時(shí)間的計(jì)算按兩種方法進(jìn)行計(jì)算：（一）按三角速度圖計(jì)算1.液壓馬達(dá)所需功率1000〃。28098.541x0.90x1.1081000x0.85=32.96KW式中：M,=28098.541N?mK=0.90〃。=0.852.轉(zhuǎn)臺(tái)最佳轉(zhuǎn)速=3.121x1000xNJox(l+/l)x(l+l)=3.121x1000x70.5x120x0.8532751.01x(1+1.78)x(1+-!-)=11.39(r/nun)式中：^°=105°J=59412.3N-m-s2C=1.6由此得=淑吼=1.192由此得=淑吼=1.192渝/s3.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)速比4011.39=（1+」）以4011.39=（1+」）以7+1）?螞軒）C Mck（6-40）=（1+土）（扃+1）33419.4x1.23628098.541x0.9=3.512由此得Ms=1#1°X3.512X0.95x0.95=42504.07> 二26109.4Nm?L則Mb=M5xC=29233x1.384=40458.5Nm?尸>Mz=40014.6Nm?尸所以，馬達(dá)選取是合理的。校核最佳轉(zhuǎn)速，丄=3.⑵，怦呼—c,1000x32.96x105x0.85=3.1ZI : V33419.4x（1+—）11.809/7mm式中：k=0.90與前計(jì)算的最佳轉(zhuǎn)速基本相等，固選取合理。滿斗單向最大速度L236=0.926/-^/5回轉(zhuǎn)循環(huán)時(shí)間亠+亠+虹+業(yè)羣。。'MSKMSKCMSKMSKC

=4.84（5）各階段的延續(xù)時(shí)間，角加速度和轉(zhuǎn)角認(rèn)I'%=2.015s%=今^=0.37血/尸^^-=1.007rad2Msk=MskC1.2605J=4.84（5）各階段的延續(xù)時(shí)間，角加速度和轉(zhuǎn)角認(rèn)I'%=2.015s%=今^=0.37血/尸^^-=1.007rad2Msk=MskC1.2605J(!Tq=0.630iad2M〃k丿0口maxz"C=l°"s侖=岑^=。65湖S外2Msk1°09iad豈=芋=091W冶JoIM.k_063113<，（二）按梯形速度圖計(jì)算1,轉(zhuǎn)臺(tái)最佳轉(zhuǎn)速，心=3.121,IOOONqW丿。（七）=3.1211000x32.96x105x0.85334成伙+諒=11.809i7niin=帶零=。?蜘徐回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)速比齋=3.607由此得Ms=6246x8.697x0.95x0.95=36843N?M>29233N?M所以，轉(zhuǎn)矩沒有問題。校核

6.37M"ro(1+A)(l+^)6.37x36843x100138037.3x(1+1.77)(—+)\ 0.851384x0.85=11.423/7min與前面計(jì)算的最佳轉(zhuǎn)速有不小的差距，所以對(duì)于本次設(shè)計(jì)，釆用這種計(jì)算方法不太合適，還是采用第一種三角形速度圖無勻速階段的計(jì)算方法較為合適。對(duì)于，梯形圖速度法，這里就不再繼續(xù)計(jì)算了?；剞D(zhuǎn)循環(huán)時(shí)間T=tQ+t2+tQJ%十J%十MSKMSKC十 M’KMSKC=4.84(5)第四章回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件有限元分析4.1有限元分析介紹4.1.1有限元方法介紹有限元法是將連續(xù)介質(zhì)離散為有限多個(gè)單元來進(jìn)行分析計(jì)算的方法。它是1960年由美國的Clough（克拉夫）在首先提出使用的。40多年來，該方法已由由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定性問題、動(dòng)力學(xué)問題和波動(dòng)問題分析的對(duì)象由彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘塑性和復(fù)合材料等，彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到板殼問題、空間問題，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)熱傳導(dǎo)學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域。有限元法（fem）是一個(gè)CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程、計(jì)算機(jī)輔助工程）是一個(gè)重要的分支,它是提高產(chǎn)品性能，加快產(chǎn)品開發(fā)過程的有效方法，從分析的角度來解決問題的總體性能及其相關(guān)產(chǎn)品，解決濫用在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造過程中，使用該技術(shù)產(chǎn)品的各種工況進(jìn)行了分析,預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體性能，并改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì),提高產(chǎn)品性能。有限元法（FEM）和強(qiáng)大的分析功能，與此同時(shí)，許多如如。/E、UG、CATIA具有非常強(qiáng)大的造型功能結(jié)合的優(yōu)勢(shì)都使用，可以很容易地和迅速實(shí)現(xiàn)了CAD軟件建立三維模型，運(yùn)動(dòng)模擬機(jī)制，然后將其導(dǎo)入有限元分析軟件,該模型（FEM）進(jìn)行分析。如果要進(jìn)行修改，只需要改其中一部分就行。通過使用有限元法（fem）分析機(jī)構(gòu)，可以獲得整體，部分在各種各樣的信息，如變形、應(yīng)力分布狀況，在實(shí)用的前提下，系統(tǒng)或組件可以判斷是否符合要求，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)哪些方面需要修改，以優(yōu)化系統(tǒng)與其他傳統(tǒng)的力學(xué)方法相比，有限元方法有許多優(yōu)點(diǎn)：1） 可以分析的形狀非常復(fù)雜，不均勻的各種實(shí)際工程結(jié)構(gòu)；2） 可模擬各種復(fù)雜的材料本構(gòu)關(guān)系、條件和荷載；3） 可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析；4） 由于預(yù)處理和后處理技術(shù)的發(fā)展可以大量的方案的比較分析，并迅速圖計(jì)算結(jié)果，從而優(yōu)化項(xiàng)目計(jì)劃。用有限元進(jìn)行分析的基本步驟：1）對(duì)象離散化。根據(jù)需要和計(jì)算精度來將分析的對(duì)象離散為有限多個(gè)單元,一般來說,單元分裂更詳細(xì)的規(guī)則描述變形情況更準(zhǔn)確地說，越接近實(shí)際變形，但計(jì)算量就越大。2） 單元特性分析。首先位移模式的選擇。有限元法（fem）通常采用位移法，因此應(yīng)該合理的選擇方式的位移（位移函數(shù)）。然后分析了單元的力學(xué)性能?；趩卧牟牧咸匦?、形狀、大小、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、位置及其意義，并找出節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，即元素剛度矩陣派生,這是一個(gè)關(guān)鍵步驟的分析。最后計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力。單元邊界上的表面力、體積力或集中力相當(dāng)于轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn),也是使用等效節(jié)點(diǎn)力，而不是所有單元上的力。3） 單元組集。利用結(jié)構(gòu)力的邊界條件和平衡條件把各個(gè)單元按原來的結(jié)構(gòu)重新聯(lián)結(jié)起來，形成整體剛度矩陣。4） 求解未知節(jié)點(diǎn)位移。解出有限元方程求出節(jié)點(diǎn)位移，然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移來求出別的未知量。與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用有限元法也被快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由于其惡劣的工作環(huán)境和復(fù)雜的力量,傳統(tǒng)力學(xué)方法分析了力學(xué)的應(yīng)用程序不能完全滿足設(shè)計(jì)的需要。應(yīng)用有限元法（fem）分析，可以應(yīng)用程序中的挖掘機(jī)的理論分析各種問題的力學(xué)和工程數(shù)值模擬,將挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)和改善起到很大的推動(dòng)作用。4.1.2ANSYS軟件介紹ANSYS軟件是能進(jìn)行流體、結(jié)構(gòu)、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)的耦合場(chǎng)分析的大型通用有限元分析軟件。它是由美國ANSYS公司開發(fā)的可以與大多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換，比如Pr。/工程師,NASTRAN軟件,Alogor,i-deas,AutoCAD、等,是一種先進(jìn)的CAD工具在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)i+oANSYS軟件是美國核安全局（NQA）、美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）以及近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件,它還是是第一個(gè)通過IS09001質(zhì)量認(rèn)證的大型設(shè)計(jì)軟件。在國內(nèi)被國務(wù)院17個(gè)部委推廣使用。一般的機(jī)械結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，受到較多負(fù)載的情況下，理論分析比較難以解決，要想解決的話，就必須要釆用數(shù)值模擬的方法來簡化機(jī)構(gòu)再進(jìn)行分析。由于電腦工業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的軟件也應(yīng)運(yùn)而生,ANSYS軟件廣泛應(yīng)用于工程、機(jī)械、電氣、民事、電子、航空等領(lǐng)域的使用，可以實(shí)現(xiàn)一定程度的信譽(yù)、贏得了社會(huì)各界的好評(píng)。用該軟件，即能節(jié)省成本又能縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。到80年代初，一些大的國際工程面向有限元通用軟件主要包括:ANSYS,NASTRAN.ASKA,ADINA,SAP等。今天的9.0版本跟1971年的最初版本有了很大不同,最初版本只能提供熱與結(jié)構(gòu)線性分析，現(xiàn)在可用來求流體、結(jié)構(gòu)、電磁場(chǎng)、電力及碰撞等問題。它將有限元、優(yōu)化技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)完美結(jié)合，包含了前后置處理與各種解題程序，它己然成為了解決現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的工具之一。4.2結(jié)構(gòu)有限元分析流程Pio/MECHANICASTRUCTURE結(jié)構(gòu)分析軟件包，包含兩種工作方式，即就是:限元模式(FEM-Mode)I：作流程，基本模式(Native-Mode)L作流程，有，如圖4.1和4.2所示。該軟件包可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化。圖4.1基本工作流程 圖4.2有限元模式的工作流程基本工作模式將使用MECHANICA的適配型P碼功能，它可以讓用戶創(chuàng)建材料、連接、約束、載荷、測(cè)量等模型圖素并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后利用自己的求解器來找出解決問題得方法。FEM模式則使用MECHANICA的有限元模型功能來取代P碼功能，該功能可以創(chuàng)建約束、載荷和理想化等FEM模型圖素，同時(shí)也可使用H碼元素將模型網(wǎng)格化,然后再運(yùn)行第三方有限元軟件(如：NASTRAN、ANSYS、ABAQUS等)來進(jìn)行預(yù)覽，分析并獲取分析結(jié)果。本論文將按照有限元分析工作流程，利用Pro/MECHANICASTRUCTURE結(jié)構(gòu)分析軟件包，完成對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)分析和評(píng)估。4.3齒輪的結(jié)構(gòu)有限元分析（1） 因?yàn)辇X輪是軸對(duì)稱的零件，而且受到的載荷也是對(duì)稱的，所以將Pro/Engineer中建立的齒輪模型截取一個(gè)齒模型導(dǎo)入Pro/MECHANICA中進(jìn)行計(jì)算。（2） 設(shè)置齒輪材料屬性選用齒輪彈性模量E=206GPa,材料為40Cr;密度P=7.82X10-6kg/mm3;泊松比卩二0.3。同時(shí)將材料屬性分配給齒輪模型。（3） 添加約束條件對(duì)齒輪采取靜力分析，選取兩側(cè)面為對(duì)稱面,分別對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向上的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行約束，其過程底面進(jìn)行約束。（4） 施加載荷提取其中一個(gè)直齒進(jìn)行分析，在齒輪齒面嚙合線上建立局部坐標(biāo)系，齒根所受彎曲應(yīng)力是最大的時(shí)候是嚙合到齒頂時(shí)，所以將載荷加載在極限位置的齒頂處。將齒面上的法向載荷Fn在節(jié)點(diǎn)處分解為2個(gè)相互垂直的徑向力Fr與圓周力Ft兩個(gè)分力。該齒輪實(shí)際傳遞的最大扭矩T=20062N-m,齒輪壓力角□二20°標(biāo)準(zhǔn)值。則徑向力Fr=Ft?tana=3467N,圓周力Ft=2T/d=9526N,加載結(jié)果。（5） 建立分析文件類型分析有限元模式選擇中使用的“結(jié)構(gòu)”（結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，可以計(jì)算出位移、結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和力參數(shù)，如計(jì)算的過程中、該求解器可以判斷每一個(gè)單元的非線性邊界應(yīng)力連續(xù)性是否達(dá)到了單元階次標(biāo)準(zhǔn),并在計(jì)算結(jié)果中給出應(yīng)力誤差報(bào)告，從精度和計(jì)算速度方面都比較合適。

圖4.3創(chuàng)建有限元分析（6）有限元網(wǎng)格劃分通過Pio/MECHANICAAutoGEM（自動(dòng)網(wǎng)格行分隔符）工具來進(jìn)行有限元網(wǎng)格自動(dòng)劃分。AutoGEM可根據(jù)兒何參考來劃分網(wǎng)格。本文直接了選取直齒輪幾何實(shí)體進(jìn)行劃分，在劃分過程中設(shè)置控制參數(shù)并用四面體網(wǎng)格來完成，如圖4.4所/]\O圖4.4創(chuàng)建網(wǎng)格對(duì)該回轉(zhuǎn)齒輪輪齒共設(shè)置了2840elementsand751nodeso（7）網(wǎng)格檢測(cè)劃分網(wǎng)格后，系統(tǒng)彈出了如圖4.5的對(duì)話框，設(shè)置對(duì)話框的各個(gè)選項(xiàng)后，單擊“Check”按鈕就可以檢測(cè)網(wǎng)格精度，可以看到模型中創(chuàng)建的變形小于0.400000的單元只有3%,中比例小于0.100000的單元只有2%,長寬比大于7.000000單元沒有。所以可以看出，只有少數(shù)精度較差的單元，劃分的網(wǎng)格精度基本符合要求。圖4.5網(wǎng)格檢測(cè)結(jié)果（8）運(yùn)行分析求解

在求解過程中Pro/MECHAXICA給了七種求解器，即ANSYS模式、DisplayOnly模式、COS-MOS/M模式、NASTRAN模式、SUPERTAB模式、PATRAN模式，本文選擇ANSYS模式作為有限元的求解器，可以輸出ANSYS軟件識(shí)別的分析結(jié)果文件，如圖4.6o圖4.6有限元求解（9）顯示并獲取計(jì)算結(jié)果求解完畢后輸出you_madachilun_fuben.ans格式齒輪文件并保存，就可利用ANSYS軟件直接輸出結(jié)果。輸出的結(jié)果中包括了靜力分析的各種物理量，例如:位移、應(yīng)力、應(yīng)變能、應(yīng)變等。本文選用了云紋圖進(jìn)行表示，可以看出直齒輪的應(yīng)力應(yīng)變情況，如圖4.7力應(yīng)變情況，如圖4.7所示。圖4.7應(yīng)變與應(yīng)力云圖從云圖上可以看到，齒輪的最大變形發(fā)生在齒頂處，最大變形為0.0119mm,齒頂嚙合處受到的應(yīng)力最大，最大應(yīng)力值為71.196\1pac支架梁的材料的屈服極限為206Gpa滿足要求，符合經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的情況，說明齒輪更易失效的形式是齒面接觸疲勞失效，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以進(jìn)行熱處理等方法來調(diào)節(jié)齒輪的硬度，從而設(shè)計(jì)出更優(yōu)越的產(chǎn)品。4.4支架梁的結(jié)構(gòu)有限元分析（1） 將在Pro/Engineer中建立的支架梁模型導(dǎo)入Pro/MECHANICA中進(jìn)行計(jì)算。（2） 設(shè)置材料屬性選用齒輪材料為鋼，泊松比卩=0.3;密度P=7.82X10kg/mm3;彈性模量E=2.1X10sMPa,然后將材料屬性分配給齒輪模型。（3） 添加約束條件本文對(duì)支架梁進(jìn)行靜力分析，對(duì)插入履帶框的部分創(chuàng)建面域，分別對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)進(jìn)行約束。（4） 施加載荷在梁的上面加面載荷F二V二230KN。（5） 建立分析文件有限元模式下，選擇為“結(jié)構(gòu)（Structural）w來進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，可以得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和力等參數(shù)，該求解器可以判斷每個(gè)單元的邊界應(yīng)力非線性連續(xù)性能不能達(dá)到單元的階次標(biāo)準(zhǔn)的要求，并輸出應(yīng)力誤差報(bào)告，保證了計(jì)算精度與速度。圖4.8創(chuàng)建有限元分析（6）有限元網(wǎng)格劃分網(wǎng)格控制采用“BoundaryM（邊界）選項(xiàng)，選“Triangles"（H角面）方式顯示網(wǎng)格獲得較高精度的網(wǎng)格，如圖4.9。

圖4.9創(chuàng)建網(wǎng)格對(duì)支架梁共設(shè)置了5880elementsand2922nodes（7）網(wǎng)格檢測(cè)劃分了網(wǎng)格后，系統(tǒng)彈岀了"ElementQualtyChecks”對(duì)話框，設(shè)置完各個(gè)選項(xiàng)后，單擊“CheckM就可以檢測(cè)網(wǎng)格精度，檢測(cè)結(jié)果如圖4.10所示，由圖可見中比例小于0.100000的單元只有1%,模型中沒有創(chuàng)建的長寬比大于7.000000單元?？梢钥吹?，只有少數(shù)精度較差的單元，所以劃分的網(wǎng)格精度符合要求。圖4.10網(wǎng)格檢測(cè)（8）運(yùn)行分析求解在求解過程中Pro/MECHAXICA提供了七種求解器，即ANSYS模式、DisplayOnly模式、C0S-M0S/M模式、NASTRAN模式、SL'PERTAB模式、PATRAN模式，本文選用ANSYS模式。

KunFH1X圖4.11有限元求解KunFH1X圖4.11有限元求解（9）顯示并獲取計(jì)算結(jié)果求解完后輸出dipanzhijia-liang.ans格式文件保存，就能用ANSYS直接輸出結(jié)果。本設(shè)計(jì)選用云紋圖，得到了支架梁的應(yīng)變情況，如圖4.12所示：圖4.13應(yīng)力云圖與最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)結(jié)果分析：根據(jù)ANSYS的分析結(jié)果可知，最大變形發(fā)生在支撐板邊緣四角處,最大變形為0.15446mm，支架梁在與履帶框限位的附近所受應(yīng)力最大，最大應(yīng)力值為23.707Mpa。材料屈服極限為290Mpa.所以支架梁滿足強(qiáng)度要求。從云圖上可看出，受應(yīng)變很小，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中可通過增加該部分的厚度來改善承載能力，從而進(jìn)一步優(yōu)化。4.5支撐板的結(jié)構(gòu)有限元分析（1） 、將在Pro/Engineer中創(chuàng)建的支撐板模型導(dǎo)入Pro/MECHANICA中計(jì)算。（2） 、設(shè)置材料屬性選用齒輪材料為鋼，彈性模量E=2.IXlO^a;泊松比卩=0.3;密度P=7.82X10-6kg/mm3。同時(shí)將材料屬性分配給支撐板模型。（3） 、添加約束條件本文對(duì)支架梁采取靜力分析，對(duì)與外圈接觸的部分創(chuàng)建面域，分別對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向上的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行約束。（4） 、施加載荷在支撐板與上車架接觸的面域加面載荷F=V=560KNo和回轉(zhuǎn)扭矩M=3147N-M（5） 、建立分析文件有限元模式下，選擇為“結(jié)構(gòu)（Structural）w來進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，可以得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和力等參數(shù)，該求解器可以判斷每個(gè)單元的邊界應(yīng)力非線性連續(xù)性能不能達(dá)到單元的階次標(biāo)準(zhǔn)的要求，并輸出應(yīng)力誤差報(bào)告，保證了計(jì)算精度與速度。圖4.14有限元分析（6）、有限元網(wǎng)格劃分冋格控制采用*4Boundary*'（邊界）選項(xiàng)，選^Triangles',（三角面）方式顯示網(wǎng)格獲得較高精度的網(wǎng)格。由于支撐板螺栓孔較多，在網(wǎng)格控制中設(shè)置螺栓孔而來建網(wǎng)格面，可以讓網(wǎng)格均勻出現(xiàn)?

圖4.15創(chuàng)建網(wǎng)格對(duì)支撐板共設(shè)置了78868elementsand392