智能雙臂式步履挖掘機(jī)行走裝置設(shè)計(jì)

趙朝夕

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150001）

智能雙臂式步履挖掘機(jī)行走裝置設(shè)計(jì)

趙朝夕

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150001）

智能雙臂式步履挖掘機(jī)采用了步履式行走裝置，介紹了步履式行走裝置的組成，并對(duì)行走裝置的構(gòu)件進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。

雙臂式步履挖掘機(jī)；行走裝置

1 雙臂式步履挖掘機(jī)行走裝置的選型

液壓挖掘機(jī)的行走裝置分為輪胎式、履帶式和步履式。步履式克服了輪胎式挖掘機(jī)接地比壓大，爬坡能力弱和傳統(tǒng)履帶式挖掘機(jī)不能在復(fù)雜地形工作的缺點(diǎn)。利用獨(dú)立多自由度轉(zhuǎn)向液壓支腿進(jìn)行自由角度調(diào)整，補(bǔ)償?shù)匦瓮拱几叨炔睿瑢?shí)現(xiàn)在大角度傾斜地形行駛、行走、施工的目的；利用箱型伸縮斗桿挖掘臂與獨(dú)立多自由度轉(zhuǎn)向液壓支腿的配合作業(yè)，能攀登翻越數(shù)米高的垂直障礙物。

2 雙臂式步履挖掘機(jī)行走裝置的組成

圖1 步履式行走裝置建模

行走裝置由支腿和底架組成，每個(gè)支腿都由各自的液壓缸操縱，如圖1。在回轉(zhuǎn)支承下部連接有專門可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)的支撐底架，在該底架的前后端裝有支腿。前面2個(gè)支腿裝1對(duì)支爪和直徑較小的行走輪，后面2個(gè)支腿裝1對(duì)直徑較大的行走輪。本機(jī)為兩驅(qū)機(jī)型，后面的大輪為驅(qū)動(dòng)輪，由液壓行走馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。行走時(shí)輪胎下降至接地狀態(tài)使底架離地，作業(yè)時(shí)輪胎上升到轉(zhuǎn)臺(tái)上部，使底架接觸地面并支撐整機(jī)。這樣可獲得較大的接地面積，提高了承載能力和作業(yè)穩(wěn)定性。

3 雙臂式步履挖掘機(jī)行走裝置主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)

3.1 前支腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前支腿與底架用前支腿鉸接支座連接，鉸接支座上部裝有液壓缸，通過液壓缸的伸縮可以滿足支腿在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)，鉸接支座下部連接前支腿。為了滿足挖掘機(jī)行走和作業(yè)時(shí)的靈活性，將前支腿設(shè)計(jì)為液壓缸驅(qū)動(dòng)的伸縮式組合支腿，支腿分為前、后兩部分，通過液壓缸的伸縮可使其前部在后部的導(dǎo)軌上移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)形式使用靈活，駕駛員只要根據(jù)需要實(shí)時(shí)地操作伸縮液壓缸即可達(dá)到調(diào)節(jié)支腿長(zhǎng)度的目的。底架和鉸接支座間也裝有液壓缸，使得前支腿相對(duì)于底架擺動(dòng)，用于轉(zhuǎn)彎行駛，還可使支腿分開或合并使其適應(yīng)各種復(fù)雜的場(chǎng)地，并使其在運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)不超過要求的寬度。

步履式挖掘機(jī)通過操縱工作裝置和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與地面的作用實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的前進(jìn)、后退和左右轉(zhuǎn)向。整機(jī)工作性移動(dòng)時(shí)，挖掘機(jī)首先伸展動(dòng)臂和斗桿，使鏟斗著地，動(dòng)臂油缸回縮至前支腿抬起，接著回收斗桿，把輪子拉向前方，完成一步行走。

為了防止在泥土和大角度山地等場(chǎng)地挖掘時(shí)支腿沉陷和整機(jī)水平移動(dòng)，提高作業(yè)穩(wěn)定性，使挖掘機(jī)作業(yè)范圍更大，前支腿的前端裝有支爪。支爪上部為水平板，下部為放射狀的爪，支爪有一定的支撐面積，避免挖掘機(jī)工作時(shí)支腿過分陷入地面，并能自行清理積土。輪胎和支腿用輪軸連接，軸與輪胎間用2個(gè)滾動(dòng)軸承連接，如圖2。

圖2 前支腿與輪胎的連接

3.1.1 前支腿輪軸的設(shè)計(jì)

在行走狀態(tài)下，前支腿受力分析，如圖3。

圖3 前支腿輪軸受力

根據(jù)軸受純彎曲變形時(shí)的強(qiáng)度條件：

式中：Mmax為軸計(jì)算截面上的合成彎矩，kN/mm；W為軸的抗彎截面系數(shù)，mm3；Iz為截面對(duì)中性軸的慣性矩，輪軸截面是直徑為d的圓形，mm4；ymax為軸上的點(diǎn)到中性軸的最遠(yuǎn)距離，mm；［σ］為許用彎曲應(yīng)力，參照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三卷，取［σ］=320 MPa。

下面計(jì)算彎矩。

前支腿輪胎的工作載荷F＝G·k/4。

式中：G為整機(jī)重，100 kN；k為載荷系數(shù)，取1.2。

經(jīng)計(jì)算F=30kN，通過SolidWorks建模，測(cè)量得前支腿輪胎重G1=410N，較輪胎所受工作載荷小很多，因此可以忽略不計(jì)。則對(duì)前支腿對(duì)輪軸的支撐點(diǎn)取力矩M=F·L。

式中，L為輪軸支點(diǎn)到輪胎重心的距離，為391 mm。

經(jīng)計(jì)算得Mmax=M=11 730 kN·mm。

將以上數(shù)值代入公式求得d≥72 mm，圓整后為d= 75 mm，這個(gè)截面為輪軸上的最危險(xiǎn)截面，因此最小直徑d=75 mm，如圖4。

圖4 前支腿輪軸的尺寸

軸肩高度h=（0.07～0.1）d。

經(jīng)計(jì)算得d1=90 mm，d2=106 mm。通過SolidWorks建模，確定輪軸各段的長(zhǎng)度。初選深溝球軸承6219系列，個(gè)數(shù)為2個(gè)。

3.1.2 前支腿軸承壽命的校核

以小時(shí)數(shù)表示的軸承基本額定壽命Lh為

式中：C為基本額定動(dòng)載荷，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，6219系列軸承C=66 kN；P為當(dāng)量動(dòng)載荷，假定軸承只承受徑向載荷，則P=F/2=15 kN；ω為輪胎角速度，即軸承角速度；v為輪胎線速度，參照同類機(jī)型，初定挖掘機(jī)的行走速度v=9 km/h，即2.5 m/s；n為軸承轉(zhuǎn)速；r為輪胎半徑，r= 410 mm；ε為指數(shù)，對(duì)于球軸承，ε=3。

經(jīng)計(jì)算，軸承的壽命Lh=25 842 h≈3 a，因此所選軸承滿足壽命要求。

3.2 后支腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 后支腿的結(jié)構(gòu)

后支腿與底架用后支腿鉸接支座聯(lián)接，鉸接支座上部裝有液壓缸，通過液壓缸的伸縮可以滿足支腿在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)，鉸接支座下部聯(lián)接后支腿。為了使運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，因此后支腿采用平行四邊形結(jié)構(gòu)。

3.2.2 驅(qū)動(dòng)輪行走馬達(dá)和減速器的選型

根據(jù)挖掘機(jī)的牽引力和牽引功率來選擇行走馬達(dá)的型號(hào)。挖掘機(jī)行駛作業(yè)過程中，在底盤行走架上有滾動(dòng)阻力、坡度阻力、風(fēng)阻力和加速阻力，這些阻力由切線牽引力克服。由每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的牽引功率，計(jì)算出行走馬達(dá)的流量，再計(jì)算每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力矩。由于本機(jī)液壓系統(tǒng)為變量系統(tǒng)，因此參照力士樂變量液壓馬達(dá)A6VE系列樣本查得，為變量插裝式馬達(dá)，行走馬達(dá)的型號(hào)為A6VE 28，其相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 變量行走馬達(dá)的相關(guān)參數(shù)

參照力士樂行走減速器GFT系列樣本，確定減速器型號(hào)為GFT 60，傳動(dòng)比為139.9，最大輸出扭矩為60 000 kN·mm。

4 結(jié)論

對(duì)步履式底盤的結(jié)構(gòu)、前后支腿及前支腿輪軸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)后驅(qū)動(dòng)輪行走馬達(dá)進(jìn)行了選型。最終選擇力士樂系列的A6VE 28變量馬達(dá)和GFT 60行走減速器。

［1］ 張質(zhì)文，王金諾，程文明，等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.2版.北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.

［2］ 同濟(jì)大學(xué).單斗液壓挖掘機(jī)［M］.2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1986.

［3］ 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

（編輯：?jiǎn)?迪）

TU 621

A

1002－2333（2014）04－0034－02

趙朝夕（1990—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)化和特種加工技術(shù)。

2014-02-02