挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計(jì)

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1、斗容1m3挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2015 年 6 月 近年來，我國的基建工程有日益增多的趨勢，國家也要大力發(fā)展基建工程來拉 動經(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，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)對保持挖掘 機(jī)整體的穩(wěn)定性方面有重要作用，對挖掘機(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)。 針對斗容lm3挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，我進(jìn)行了驅(qū)動方案分析，回轉(zhuǎn)支承選型設(shè) 計(jì)，回轉(zhuǎn)速度控制及制動方案與制動器設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)各部件的受力校核

2、及選型, 還釆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)廠商對國內(nèi)市場的把握還不夠大，對挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的不斷優(yōu)化 對國內(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)對于對于減輕工人繁重的體力勞動，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)

3、的發(fā)展，都起著很大的作用。一臺斗容lm3挖掘 機(jī)每班的生產(chǎn)率基本上等于300-400個工人一天的工作量。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)臺和液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)等組成?；?轉(zhuǎn)支承的內(nèi)外座圈間設(shè)有滾動體，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。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的小齒輪既能繞自身自轉(zhuǎn)乂能繞轉(zhuǎn)臺中心公轉(zhuǎn)，帶動轉(zhuǎn)臺繞底架回 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，他們從20世紀(jì)8

4、0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132m?的步行式拉鏟挖掘機(jī)， 斗容50-150m3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107m 3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，并且要針對市場與用戶的各 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，不能只依靠國外進(jìn)口，把握市場方向。同時，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

5、。只有這樣， 國內(nèi)廠商才可能慢慢把失去的市場份額奪過來。 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)知識解決實(shí) 際問題的能力和提高對計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用水平；本設(shè)計(jì)要求完成上臺車回轉(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)動方案分析確定，傳動設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)支承選型設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)速 度控制及制動方案與制動器設(shè)計(jì)。 1.3研究的基本思路與采用的方法 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)

6、 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。 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小齒輪繞齒圈滾 動，從而使平臺回轉(zhuǎn)。可以使用4種回轉(zhuǎn)方案： 1 一級正齒輪和一級行星齒輪傳動 2兩級行星齒輪傳動 3兩級正齒輪傳動 4 一級正齒輪和兩級行星齒輪傳動 在高速軸上裝了機(jī)械制動器，我國目前對一級行星齒輪傳動和一級正齒輪和 兩級行星齒輪傳動進(jìn)行了系列化和專業(yè)化生產(chǎn)。 方案優(yōu)點(diǎn)：馬達(dá)釆用了高速馬達(dá)，乂加了

7、齒輪減速機(jī)構(gòu)，可靠性效率都比較 高，同時乂能降低成本縮小體積。設(shè)置了機(jī)械制動器，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，帶動小齒輪并讓轉(zhuǎn)臺 回轉(zhuǎn)的時候，中間不用加減速器。這種方案釆用的液壓馬達(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)傳動比較簡單，起動的時候制動性能也比較好，零件比 較少，可靠性比較好，對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

8、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。 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a (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 滾動體做成了圓錐或圓柱形，接觸角常為45

9、 ,相鄰滾珠軸線交叉排列， 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。 縱觀液壓挖掘機(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。對比這三種回轉(zhuǎn) 支承，單排四點(diǎn)接觸球式的全部滾動體都能同時分擔(dān)載荷，而另外兩種只有一般 滾動體可以承受載荷，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)軸承的選型選用單排四點(diǎn)接觸

10、球式滾 動軸承式, 2.4滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承的系列標(biāo)準(zhǔn)及其具體選型 滾動軸承式回轉(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排列的交義滾柱式回轉(zhuǎn)支承, 以代號“町”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“HS” 表示。 每一類按座圈不帶齒（代號“B” ）,帶外齒（代號“W”）和帶內(nèi)齒（代號 “N”）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HJN-2820表示滾道中心直

11、徑Dq = 2820/?//?/ ,具有內(nèi)齒機(jī)構(gòu)形式的交叉 滾柱式回轉(zhuǎn)支承。 我國指定的滾動軸承職稱系列標(biāo)準(zhǔn)有一下特點(diǎn)： 1. 尺寸參數(shù)比較齊全（滾道中心直徑范圍是625-4540mm）,符合主機(jī)系列，可 滿足發(fā)展需要； 2. 兩種系列的安裝尺寸，毛胚尺寸完全相同，可以互換： 3. 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cr0 = 20 ,齒頂高系數(shù)/0 = 1,齒頂間隙系數(shù)Co = 0.25 ）.為了減少小齒輪齒 數(shù)，提高其承載能力，改善傳動性能，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時變位系數(shù)取

12、+1.0：當(dāng)齒數(shù)為 117—136時取+1. 15；當(dāng)齒數(shù)等于和大于137時取+1.4） 4. 滾動體材料為 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)接觸球式滾動回轉(zhuǎn)支承HSN-880系列，其基本技術(shù)參數(shù)如下： 滾道中心直徑： Do = 880/?///? 外形尺寸： D = 1OOO/H/77 d = 760mm H = 95mm h = 12.5 mm 安裝尺寸： D

13、l( = 956mm Dh = 8OO//7/W n = 24 0 = 20〃〃” 內(nèi)齒參數(shù)： De = df = 728〃〃" m — 10〃〃” Z2 = 18 x. = +0.35 L = 70mm 四點(diǎn)接觸球式滾動回轉(zhuǎn)支承滾球尺寸：d =40沏7 Cg=2⑹kN 接觸角 a = 45 6S2 圖2.1回轉(zhuǎn)支承 Vi二 0 ?3. 1 km/h V產(chǎn)0?5. 5 km/h 35 2380 mm 6470X2980 mm 9865X2980X3015 2.5主要性能參數(shù) 斗容量 整機(jī)使用質(zhì)量（含配重） 其中預(yù)估：上車

14、 下車 1M3 30000 kg 19900 kg 9100 kg 柴油機(jī)型號 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)： 鏟斗油缸-個數(shù)X缸徑X行程(mm) 130 X 1020 X 90 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-個數(shù)X缸徑X行程(mm) 140 X 1635 X 100 動臂油缸-個數(shù)X缸徑X行程(mm) 130X1335X90 行走液壓回路(Mp

15、a) 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)。 為了研究滾動軸承式回轉(zhuǎn)支承的受力狀態(tài)，求出滾動體受的最大作用力，以 便與驗(yàn)算滾道與滾動體間的接觸強(qiáng)度?；剞D(zhuǎn)支撐的座圈是一個多支點(diǎn)彈性體，主 要以滾動體為支點(diǎn)，承受著傾覆力矩M徑向載荷Fr以及軸向載荷&的共同作用。 設(shè)內(nèi)座圈與底架固定，外座圈與轉(zhuǎn)臺固定，轉(zhuǎn)臺經(jīng)外座圈，滾動體，內(nèi)座圈到底 架是力的傳遞路線，如下圖2.3所示。 一 Q r L % 77/ 圖3.1回轉(zhuǎn)支承受力簡圖 內(nèi)外

16、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)生在滾動體與滾道接觸處，內(nèi)外座圈為絕對剛體；滾道與滾動體接觸良好，無加工誤差，無徑向間隙和軸向間隙。 用在滾動體上的軸向、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。 總軸向力V=23KN 徑向力的分析包括了小齒輪與齒圈間嚙合力乙嚙和風(fēng)力P処和慣性作用下產(chǎn)生 的離心力P肉 P嚙=3xM額 xixr/x ] Dxcosa = 43KN Pg = YC x Kh x q x F = 520 公斤=5.2KN 其中C——風(fēng)載體型系數(shù)取0.7 Kli一一

17、高度休整系數(shù)取1 q 風(fēng)壓值取25公斤/m2 F 迎風(fēng)面 “按照外傾5。來進(jìn)行計(jì)算： 900 2.52xl04x(6 x 4.1 + 20 x 5 + lx0.97 —22x4.12 —3x2.7 —0.6x2.3 — 1.2x1.21-4x0.61)/900 ~1.37KN 所以Ha= I)i；( + P14 + P,] "5.2十 1.37十43~50KN 各力對回轉(zhuǎn)中心取距的傾斜力矩M為 M =工 GL + 工 P離 + 工％ R 嚴(yán) 391KN.m 3.2靜載系數(shù)的確定 一般用回轉(zhuǎn)支承的靜、動容量來決定回轉(zhuǎn)支承的負(fù)荷能力，動容量指回轉(zhuǎn)支 承回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)不會疲勞破壞

18、出現(xiàn)裂紋的能力，而靜容量指回轉(zhuǎn)支承的滾動體與 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—一軸向力 Fr—徑向力 Fs—靜載系數(shù)取1.25 M =M Fs^79X10*N ? m M—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=3000KN 4.5M 當(dāng)量軸向載荷:Cp= D + Gp + 2?5Hpsin

19、r cosr ~2296KN 所以f嚴(yán)詈+ 查挖掘機(jī)設(shè)計(jì)手冊知，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)m=12,齒數(shù) z=116.D內(nèi)團(tuán)=16000外圈=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1600nmio JB2300-84給出了所選支承的承載曲線圖，圖中標(biāo)出了（F『,Mz ）坐標(biāo), 并且在靜態(tài)承載力曲線下面。所以，選擇的支承型號符合要求。 3780 3510 2970

20、 f - / / / 、 ?-一

21、 ?? 5啟9 ⑸ 2700 厶00 800 1200 1600 車由向yjFa/lON 圖3.1 QNA1600-40承載曲線圖 確定滾動體的數(shù)

22、目：Z=Dn/d-0.5^127 3.4最大接觸應(yīng)力校核 滾動體所受載荷分別為：Pv=V/z^5KN Plmiax=KH/iz^ 1.86KN(i=l) Pmmax=KM，zD ~ 6.8KN 該支承滾珠接觸角為45度，承受的最大等效載荷為： Nmax= Pv/sin B + Plunax/cos B + Pnunax/ sin B ~75KN~ 1928 公斤 最大接觸點(diǎn)應(yīng)力： “cc IN max ~ 10000公斤/厘米 式中：一一最大的正應(yīng)力； 念一一接觸處的換算曲率半徑； 1 _ 4 2cos0 1 其中：電一廠"〃心妙一：“。? 查設(shè)計(jì)手冊可知當(dāng)HB<30

23、0時［久』=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/iiD+Fa/n 式中M——傾覆力矩，根據(jù)前面計(jì)算得M=628KN.m Fa—一軸向力，根據(jù)前面計(jì)算得Fa =560KN D一一螺栓分布圓直徑，根據(jù)回轉(zhuǎn)支承型號查得D= 1540nmi n一一螺栓分布的個數(shù)，根據(jù)回轉(zhuǎn)支承型號查得n=40 =2&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-一工作載荷分配系數(shù)，對于不用彈費(fèi)墊圈的

24、高強(qiáng)度螺栓通常取 0.25 ky——接合面緊密性安全系數(shù)，一般取ky^l.5?2.0,在此取2 故 Py=kyP0 （1-x） =43.19KN 螺栓上的預(yù)緊應(yīng)力。y=10 Py / Fl 其中Fl —一螺紋根部的斷面積。 Fi =d2n / 4=0.252 兀 / 4=0.05N 故 。y=10 Py / Fl =10X15.9X 1000/0.05=3Mpa 螺栓的預(yù)緊應(yīng)力通常是。y 0.5?0.76,其中6為螺栓的屈服極限 查得螺栓的屈服極限6為15Mpa,故符合預(yù)緊力要求。 （3） 螺栓最大計(jì)算載荷 Pj=P. + PgXX~50.4KN （4） 螺栓強(qiáng)度計(jì)

25、算 nt = nf = ：— 靜強(qiáng)度安全系數(shù)： "，仟〉1.2?1.5 計(jì)算 匕/人~3.35 疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)：% = J 七冷2?3 計(jì)算na=a-iR/cTa =^5.6 3.6回轉(zhuǎn)齒輪強(qiáng)度校核 挖掘機(jī)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速比較低，傳動比比較大，其回轉(zhuǎn)齒輪為開式，其主要破壞形 式為疲勞彎曲破壞，所以只需要對驅(qū)動小齒輪做彎曲強(qiáng)度計(jì)算。 計(jì)算最大彎曲應(yīng)根據(jù)力“込 直齒圓柱齒輪齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算公式即 匕 qxlO bme (MPa) Pv——運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)在分度圓上最大圓周嚙合力（KN） 2Mt. p廠〃憶- 二 2x15 _50KN 0.005x12 M” ?

26、一油馬達(dá)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的額定輸出扭矩，二l?5KN?m m ?齒輪模數(shù)，m=5mm Z—— -小齒輪齒數(shù)，Z二12 q - -Q -齒形系數(shù)。根據(jù)齒數(shù)Z二12,變位系數(shù)X二+0.15,由曲線圖查得 —d b—— 齒寬，b二45mm e - -影響載荷系數(shù)，取e二1.25 將上述參數(shù)代入3-6式得： 50x3x2 “3咖 max W bme 0.045 x 0.005 x 1.25 齒根疲勞極限應(yīng)力5咖： Min =^FHnf^Yf^Yx/Ys^SFn^ (皿) (3.7) 式中J 一壽命系數(shù)，由壽命系數(shù)圖查得：人二1.9 ^Fmin 一一彎曲強(qiáng)

27、度最小安全系數(shù)，由表查得：Sy遇二1.5 yx 一尺寸系數(shù)，由尺寸系數(shù)圖查得：yx=i 一相對應(yīng)力集中系數(shù)，由系數(shù)圖查得：匕廣0.88 由2-7式計(jì)算得: 5附二525X 1. 9X1/0. 88X1. 5=755. 67MPa 計(jì)算結(jié)果表明： —＜仏,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?240 HBS； 粗選取厶=127, Z

28、z=117 (參考己有的產(chǎn)品)7 =玉=凹=9.75 乙 12 由表取齒寬系數(shù)0d=O.6,按軟齒面齒輪對稱安裝。 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 (1) 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)心=1.75 o由圖試取動載荷系數(shù)K「=1.18。由表，按齒 輪在兩軸承中間對稱布置，7級精度，初取Kh尸1.3 o由表按齒面未硬化，直齒 輪，7級精度，広占瑪仏椰?3,初取Kh<：=1.3。 K = =1.75x1.18x1.3x1.1 = 2.95 (2) 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)Z滬

29、2.5,查手冊確 定彈性系數(shù)Ze=188.9. 齒面接觸許用應(yīng)力 心卻 查手冊可知: 齒輪材料接觸疲勞極限應(yīng)力OM“〃=800MPa, <7H/f；,12=560MPa。 小齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)場=60堿=60x680x1x10x250x16 = 1.632 X109 大齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù) “2 = 60先覘=60x238x1x10x250x16 = 5.712 xlO8 查手冊可知: 接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)Zn (允許有一定量點(diǎn)蝕)為：Z”尸0.95, Zn2=1?03。 查手冊取安全系數(shù)Sh=1. 800AfP>c0.95 b 拠= =l^OMPa 560^x1.03

30、 疔磁= =57& 8MPa (3) 齒輪分度圓直徑等主要兒何尺寸的計(jì)算 0.6 %泊％(應(yīng)9心尸皿】=148.67nun 9.75 576.8 b=^dd1=0.4x 148.67=60iimi 取小齒輪與大齒輪的寬度b嚴(yán)85mm, bz=80nun 沁丄亠=12 0/Z] 0.6x12 取 m=12 中心距 a = m(z2 _ zJ/ 2 = 630mm 分度圓直徑 d] = mzl = 144111m, d2 = = 1404nmi 基圓直徑 dtA = CQsa = 135.32mm, clh2 =d2cosa= 1319.32nmi 齒頂圓直徑 da

31、i = + 2ni(h + x) = 173.93mm, da2 = d2 - 2h(in-x) = 1385mm 齒根圓直徑 d門=一 2/n(/i + c) = 118.8mm, dfl =d2 + 2m(h + c) = 1440nun 重合度 =aiccos(Jfel/Jal) = 3 8.92\ a2 = arccos(Jh2 fda2)= 17.69, Z](taiid] - tan)- ^2(tan2 一 tana) = 1.69 (4) 由計(jì)算結(jié)果來校核前面得假設(shè)正確與否 21； _ 2x3x106 77-144__ = 41667N

32、 查手冊得瓦7"合理，取KHa =1.1 因0產(chǎn)0.6, b=200, 7級精度，對稱布置，查手冊得= 1326 計(jì)算載荷系數(shù)疋= = 1.75x1.15x1.326x1.1 = 2.935 按處768,查手冊查得乙=陰8。標(biāo)準(zhǔn)齒輪，節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)Z^=2-5 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核 q = ZZZJ駕:驚7 x 筈存pa = 550.6Mw<%,=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 (1) 確定載荷系數(shù) Ka =1.75, Kv =1.15, KFql =Kffa =1.1。扌妥陽=1.326, bjh

33、== 200/18 = 11.1, 查手冊怙= 1.33。 則 K = KAKvKF^KFa =1.75x1.15x1.33x1.1 = 2.94 (2) 確定參數(shù) 經(jīng)過查手冊，小齒輪齒形系數(shù)丫用1=2.18,大齒輪齒形系數(shù)丫用2 =2.1。 查手冊可知；小齒輪應(yīng)力修正系數(shù)7^=1-8,大齒輪應(yīng)力修正系數(shù) 重合度系數(shù)緯=0.75/^ = 0.25 + 0.75/1.68 = 0.70。 (3) 確定彎曲疲勞許用應(yīng)力 彎曲疲勞許用應(yīng)力 查取齒輪材料彎曲疲勞極限應(yīng)力 = 300 倔& ^Flim2 = 240倔d 9 O 查得計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度的壽命系數(shù)：=0-88, =

34、-9:取應(yīng)力修正系 數(shù) 冷=2；查手冊查得尺寸系數(shù)卩=1,安全系數(shù) 廠=13。 300^^x0.88x1x2 1.25 =ATI A MPa 240MD^ x0.9xl><2 1 25 = 3A5.6MFa (4) 校核齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度 比較 aFPL 按大齒輪來校核 =16.82MPa <

35、 圖3.3起動泵時w與t關(guān)系 圖3.4泵起動時轉(zhuǎn)角與t關(guān)系 在考慮啟動階段的回轉(zhuǎn)阻力時，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。假定起動力矩在起動的時候一直不變： 孑==常數(shù)（rad/s） （3-1） J 根據(jù)式3-1和圖3.3的坐標(biāo)系建立角速度畋對時間t的微分方程 其通解cox = ^t + C 當(dāng)/ = 0時

36、,=0,解得C = 0 固特解 當(dāng)f = 時叭=% (3-2) iad/s) (3-3) (s) (3-4) 根據(jù)式3-2和圖3.4的坐標(biāo)系建立較代.對時間t的微分方程 其通解 2 =丿叫(rad) 2J 2Msk (6-5) 當(dāng)/ = 0時，0 = 0,解得c = o 固特解 2J 當(dāng)(=0 時，(px = (pQ 起動過程所耗功 A = Msk5Q = ”J 叭 (6-6) 起動過程所耗功率 N = Msk?a)Q (W) (6-7) 式中： J —滿斗回轉(zhuǎn)

37、時的轉(zhuǎn)動慣量(kg ? m2 ) 3q、(Pq、Iq分別是滿斗回轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)臺角速度(lad/s) ＞轉(zhuǎn)臺角 (rad)、起動時間(s) 3. 8. 2制動減速過程 圖3.5表示釆用液壓制動的轉(zhuǎn)臺進(jìn)行液壓制動時制動力矩的變化。這時，通 液壓泵與油箱的油路被斷開，油壓開始呈升高的趨勢，轉(zhuǎn)臺產(chǎn)生的慣性導(dǎo)致 馬達(dá)的作用變?yōu)榱吮玫淖饔?，如果壓力低于制動閥調(diào)定的壓力，馬達(dá)就開始 制動。 在考慮制動階段的回轉(zhuǎn)阻力時，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。假定制動力矩在制動的時候一直不變： M k .=_血=

38、常數(shù)(rad/s： } (3-8) J 圖3. 5實(shí)測下轉(zhuǎn)臺的制動力矩變化 圖3. 6制動時w與t關(guān)系 根據(jù)式3-8和圖3.6的坐標(biāo)系建立角速度軸對時間切的微分方程 dcoB _ M Bk ~dT = T~ 其通解 =—業(yè)?o+c 當(dāng)4=4時 = 0解得C = ［豐.— 固特解 =—^-?仇-。) (rad/s) (3-9) 當(dāng)—=0 時，coB = coQ 即 (3-10) (3-11) MskC (3-12) 根據(jù)式3-9和圖3.7的坐標(biāo)系建立轉(zhuǎn)角海對制動時間切的微分方程 其通解 M Rk z 、亍小 Qu 2J Uz fB)+C

39、 dt 當(dāng)_ = 0時 如一0解得?篤 故特解 丄 Ml i 宀Ml 如一 2； H 2； 圖3?7轉(zhuǎn)臺制動時轉(zhuǎn)角與t關(guān)系 M k 0=寸?心(嗣(3-13) 2MHk (md) (3J4) 2MskC (rad) (3-15) 3. & 3勻速過程 轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)的時間比較長，轉(zhuǎn)角比較大時可能會出現(xiàn)勻速過程，設(shè)為轉(zhuǎn)臺只朝 一個方向回轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)角，代.為勻速階段的轉(zhuǎn)角，。為勻速回轉(zhuǎn)過程的時間，則 J(xro 1 1 —蚣+如”-茹；(廠岳) (3-16) 費(fèi) G+$) (3-17) 3. & 4空斗時轉(zhuǎn)臺返回過程 對于空斗

40、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 滿斗時轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量丿換為人并選取不同的％,就可以沿用上述公式。 （一）對于用三角形速度圖 Msk (3-18) (3-19) f =人猛ax z _ MskC (3-21) (3-20) （二）對于梯形速度圖 J。叭 2M壯 (3-22) JQo 1 1 g) g) 2M5 J。叭 2MHk (3-24) J Eq AM (3-25) (3-26) J3q MskC (3-27) 通過以上的計(jì)算分析，我們的出了回轉(zhuǎn)平臺在轉(zhuǎn)動過程中

41、的轉(zhuǎn)動角度、角加 速度、轉(zhuǎn)動時間等一系列轉(zhuǎn)動參數(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)臺最佳速度的分析計(jì)算 為了確定轉(zhuǎn)臺的最佳轉(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)角范圍之內(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)時間。 另外，最佳轉(zhuǎn)速也與轉(zhuǎn)臺速度的圖是什么有關(guān)。一般常用具有勻速運(yùn)動階段 的梯形速度圖和無勻速運(yùn)動階段的三角形速度圖推導(dǎo)轉(zhuǎn)臺最佳轉(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)動階段的梯形速度圖的轉(zhuǎn)臺計(jì)算分析 回轉(zhuǎn)循環(huán)時間： "（Q+fJ + CA +） + （『

42、z +『z） Msk % MskC 2MS k Ck 3q (3-28) (IT 「2見；P % 所以, (3-29) (3-30) "僉?0,所以代入上式中可得 卩（1 +刃（廠胡 所以, Ms = M skcoQ 1000〃。 1000N〃 (KW) (N ? m) 將上式代入6?28中可得， 了=處沁丄+丄』 2xl000N〃 k Ck % 再將% = 申=害0代入上式中, 丿0（1 +久）（1+己 (3-33) 式中：N —回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所需液壓功率（KW） 〃。一回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總效率；〃1?仏?〃3，其中“I為

43、回轉(zhuǎn)支承效率；“2為減速 器效率；仏為液壓馬達(dá)效率（包括容積效率和機(jī)械效率）； （這里我們?nèi)? = 0.95, 095, 〃3 = ?95） 2 = —= 1.6-1.&這里取為 1.78； J A 0、0—轉(zhuǎn)角,0的單位為弧度，0的單位為度。 3. 9.2具有無勻速運(yùn)動階段三角形速度圖的轉(zhuǎn)臺最佳速度計(jì)算分析 對于定量泵驅(qū)動空斗單向回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角 (rad) (3-34) (3-35) 3?呼7(廣/mm) (3-35)  以Ms = 1000N〃 代入式6-34中得 丿。心 20002〃。 吩) (3-36) 所以, 2000嘗％陽“) 人(1 + )

44、 (6-37) 或，max = 3.121 1QQQA^//o(r/miii) (3-38) 在這種情況下，我們知道 力何。丄+丄丿何^丄*丄 2MS k Ck 2Ms k Ck 所以, (3-39) 回轉(zhuǎn)循環(huán)時間 傀I他I丿0% |丿0% MSK MSKC MSK MsKC p+K+1)?篩⑴ (3-40) 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)臺最佳轉(zhuǎn)速的時候，要先做好回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性分析，確定

45、轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動 慣量，轉(zhuǎn)角范圍與起動、制動力矩等參數(shù)。 3.10.1轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算 對于反鏟的方式，由經(jīng)驗(yàn)公式得： 滿斗回轉(zhuǎn)時：丿= 128G亍 空斗回轉(zhuǎn)時：人= 72G^ 由設(shè)計(jì)任務(wù)書我們知道，G = 10t代入上式可得： 滿斗回轉(zhuǎn)時：丿= 59412.3 N?m?s， 空斗回轉(zhuǎn)時：丿o = 33419.4 N?m?s， 所以，2 = 2_ = 1.78，式中G—單斗液壓挖掘機(jī)的整機(jī)重量(t). 丿0 310 2回轉(zhuǎn)所需起動力矩和制動力矩估算 行走系統(tǒng)跟地面摩擦產(chǎn)生的力矩應(yīng)該超過回轉(zhuǎn)最大啟動與制動力矩。當(dāng)機(jī)械 制動時可取Mr = 0.8?0.9%,僅靠液壓制動時可取Mb

46、= 0.5?0.7M。貯為作用在 轉(zhuǎn)臺上的最大制動力矩。 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 他=4910疝=4910x0.5x10了 =52891.371 (N ? m) 式中：G—挖掘機(jī)總重(t) . 0—附著系數(shù)，對平履帶板取0.3,對帶筋履帶板取0.5 由于本設(shè)計(jì)采用的是機(jī)械制動。所以Mr = 0.85M? = 0.85x52783.68 = 44866.13 (N ? m) 對于機(jī)械制動，一般取C = 1.6 ,因?yàn)镃 = * ,所以 Ms 叫 44957.665 nonno -吊、 仏=—-= =28098.Ml (N ? m) 5 1.6

47、1.6 6.3.3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0 =竺?龍= 1.832md,即0 =105。 180 3.11回轉(zhuǎn)速度和時間的計(jì)算 按兩種方法進(jìn)行計(jì)算： （-）按三角速度圖計(jì)算 1. 液壓馬達(dá)所需功率 —空魚=2809&541x0.904108=32 96冊 1000〃 1000x0.85 式中： M「= 28098.541N?m

48、 K = 0.90 〃o=0.85 2. 轉(zhuǎn)臺最佳轉(zhuǎn)速 = 3.121x =3.121x 1OOOxNx0 x〃o 丿o x (1 + 刃 x (1 + 2) 1000x70.5x120x0.85 32751.01x(1 + 1.78)x(1 +J-) = 11.39(r/niiii) 式中: 0。= 105 J=59412.3N-m - s2 C = l?6 3?回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)速比 n 40 i = = 二 -3.M2 "max 11.39 由此得 7t ——■ 30 max =l?192md/$ 由此得 M

49、s = 13410 x3.512 x0.95 x0.95 = 42504 .07 > %二26109. 4 Nm? s 則 Mh =MsxC = 29233 x 1.384 = 40458 .5Nm?，> M7 = 40014 .6 Nmej2 所以，馬達(dá)選取是合理的。 4.校核最佳轉(zhuǎn)速 C = l?6 C = l?6 S = 3.121 max 3 lOOON0〃o 人（1+右） C = l?6 C = l?6 = 3.121 1000x32.96x105x0.85 33419.4x（1 +丄） 1

50、1.6 =11.809/7 niui 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。 5.滿斗單向最大速度 coQ = =〔2" = 0.926 rad / s 1.78 6.回轉(zhuǎn)循環(huán)時間 T = tQ+tz+tQ+tz J% | J % | 丿% | 丿% MSK MSKC MSK MSKC p+K+1）?徐⑸ （6-40） =（1+厶）（喬+1） i.o 33419.4x1.236 28098.541x0.9

51、 = 4.84(5) 7.各階段的延續(xù)時間，角加速度和轉(zhuǎn)角 廠/r廿2?0丘 ◎攀“?37md/F

52、3419.4x(1 +亠 \ 11.6 = 11.809i7nuii 2.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)速比 n =40 - 3.607 /?nux 11.809 由此得Ms = 6246x8.697x0.95x0.95 = 36843 N?M > 29233N?M 所以，轉(zhuǎn)矩沒有問題。 3. 校核 6.37Ms0。 max 6.37x36843x100 1 38037.3 x (1 + 1.77)(丄 + ) V 0.85 1.384x0.85 = 11.42 引?/min 與前面計(jì)算的最佳轉(zhuǎn)速有不小的差距，所以對于本次設(shè)計(jì)，采用這種計(jì)算方 法不太合適

53、，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 于，梯形圖速度法，這里就不再繼續(xù)計(jì)算了。 4.回轉(zhuǎn)循環(huán)時間 T = tQ+tZ+tQ+tZ = J CDn J COn J m J a 一L + ——J + o z + ‘ o z = 4.84(5) MSK MSKC MSK MSKC 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，該方法己由 由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定性問題、動力學(xué)問題和

54、波動問題分析的對象由彈性材 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CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程、計(jì)算機(jī)輔助工程）是一個重要的分支,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,許多如Pro / E、UG、CATIA具有非常強(qiáng)大的造型 功能結(jié)合的優(yōu)勢都使用，可以很容易地和迅

55、速實(shí)現(xiàn)了 CAD軟件建立三維模型，運(yùn) 動模擬機(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

56、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）對象離散化。根據(jù)需要和計(jì)算精度來將分析的對象離散為有限多個單元, 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。基于單 元的材料特性、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

57、 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 很大的推動作用。 4.1.2 ANSYS軟件介紹 ANSYS軟件是能進(jìn)行流

58、體、結(jié)構(gòu)、電磁場、聲場的耦合場分析的大型通用有 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Pro /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)計(jì)o ANSYS軟件是美國核安全局（NQA）、 美國機(jī)械工程師協(xié)會（ASME）以及近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件, 它還是是第一個通過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 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

59、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 得了社會各界的好評。用該軟件，即能節(jié)省成本乂能縮短設(shè)計(jì)時間。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, ADIN A, 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、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

60、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/MECHANICA STRUCTURE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) T.作流程，基本模式(Native-Mode)工作流程，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。 ( 創(chuàng)建模型 1、 創(chuàng)建Pw/E模型并簡化模熨。 2、 系統(tǒng)單位定制。 3、 分配材質(zhì)、載荷.約束、曲而區(qū)域和測氐 4、 添加理想化模型(例如：梁、薄殼、彈贊等)。 電網(wǎng)格檢測。 ( A k創(chuàng)建Pm/E模型并簡化媲。 2、 系統(tǒng)單位定制。 3、 分配材質(zhì)、載荷、約束、曲而區(qū)域和測晟。

61、 4、 添加理想化模旳(例如：梁、薄殼、彈贊等) 5、 添加焊接、連接和默認(rèn)界面類型等o 匕定義分析。 丿 設(shè)計(jì)變更 1、 定義設(shè)計(jì)參數(shù)。 2、 獲取形狀、屬性信息。 Z \/ 7 優(yōu)化分析 \z 模旳分析 1、 創(chuàng)建分析。 2、 運(yùn)行分析。 3、 獲取結(jié)果。 1、 創(chuàng)建敏感度和優(yōu)化研究。 2、 分析研究。 3、 獲取分析結(jié)果。 定義分析 k助網(wǎng)格控制O 2、 創(chuàng)建網(wǎng)格。 3、 預(yù)覽并修正網(wǎng)格。 \z 解決方案 1、 輸岀網(wǎng)格到Nafttran Ansys等專業(yè)分析 軟件中分析。 2、 預(yù)覽并輸出網(wǎng)格。 3、 進(jìn)^

62、必要分析, 4、 獲取分析瞬. 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NECHANICA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/MECH

63、ANICA STRUCTURE結(jié)構(gòu)分 析軟件包，完成對關(guān)鍵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)分析和評估。 4.3齒輪的結(jié)構(gòu)有限元分析 （1） 因?yàn)辇X輪是軸對稱的零件，而且受到的載荷也是對稱的，所以將 Pro/Engineer中建立的齒輪模型截取一個齒模型導(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二206GPa,材料為40Cr;密度P =7. 82 X 10-6kg/mm3;泊松 比u =0. 3o同時將材料屬性分配給齒輪模型。 （3） 添加約束條件 對齒輪采取靜力分析，選取兩側(cè)面為對稱面,分別對X、Y、Z三個方向上的平 動和轉(zhuǎn)動進(jìn)行約束，其過程底面進(jìn)行約束。

64、 （4） 施加載荷 提取其中一個直齒進(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)力是最大的時候是嚙合到齒頂時，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個相互垂直的徑向力Fr與圓周力 Ft兩個分力。該齒輪實(shí)際傳遞的最大扭矩T二20062N -m,齒輪壓力角a =20標(biāo)準(zhǔn) 值。則徑向力Fr二Ft?tana二3467 N,圓周力Ft= 2T/d= 9526 N,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單元 的

65、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Pro / MECHANICA AutoGEM（自動網(wǎng)格行分隔符）工具來進(jìn)行有限元網(wǎng) 格自動劃分。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 示。 圖4. 4創(chuàng)建網(wǎng)格 對該回轉(zhuǎn)齒輪輪齒共設(shè)置了 2840 elements and 751 nodeso （7）網(wǎng)格檢測 劃分網(wǎng)格后，系統(tǒng)彈出了如圖4. 5的對話框，

66、設(shè)置對話框的各個選項(xiàng)后，單 擊“Check”按鈕就可以檢測網(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)格檢測結(jié)果 （8）運(yùn)行分析求解 在求解過程中ProAECHANICA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軟件識別的分析結(jié)果文件，如 圖 4. 6。 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