液壓挖掘機底盤設計研究

鄭愛權

摘要：液壓挖掘機底盤為液壓挖掘機的重要部件，主要用來支撐液壓挖掘機和行走，其具有較大的驅動力，以便使液壓挖掘機具有較好的爬坡性能，同時車架應具有較高的強度，應保證能承受工作應力。文章對WLY100液壓挖掘機的結構組成、傳動裝置、懸掛裝置予以闡述，同時對WYL100輪胎式液壓挖掘機底盤傳動設計、爬坡能力、車架受力校核進行分析。

關鍵詞：液壓挖掘機；底盤；車架；傳動；機械設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH137 文章編號：1009-2374（2016）30-0019-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.010

行走底盤主要用來完成行走動作及支撐液壓挖掘機。目前液壓挖掘機行走底盤主要分為輪胎式與履帶式。對于履帶式行走底盤，單條履帶牽引力可達機重的30%～40%，因而牽引力大，同時履帶與地面接觸面積大、接地比壓小、穩定性好。履帶式底盤，轉彎時，兩條履帶向相反方向轉動實現，回轉半徑小，比較靈活。但履帶式行走底盤制造成本高，行走和轉向時，由于履帶與地面接觸面積較大，消耗的功率較大，同時由于受其結構限制，行走速度較慢，另外，履帶為滑動摩擦，磨損快。而輪胎式行走底盤與履帶式相比，行走速度快，機動性好，且與地面是滾動摩擦，輪胎磨損相對較慢，且對路面不會造成損壞。本文以WLY100液壓挖掘機為研究對象對輪胎式行走底盤設計予以研究分析。

1 液壓挖掘機輪胎式底盤的組成結構

WLY100輪胎式液壓挖掘機行走底盤的結構組成如圖1所示：

1.車架；2.回轉支撐；3.驅動橋；4.萬向傳動軸；5.回轉中心處接頭；6.制動器；7.轉向前橋

圖1 液壓挖掘機輪胎式底盤的組成結構

如圖1所示，輪胎式液壓挖掘機行走底盤主要由焊接框架結構的車架、回轉支撐、驅動橋、萬向傳動軸、回轉中心處接頭、制動器和轉向前橋等組成。前橋采用帶鉸接銷軸的液壓油缸懸掛裝置，后橋為剛性的懸掛。回轉支撐用來實現液壓挖掘機工作裝置的轉動。

1.1 傳動裝置

如圖2所示，輪胎式液壓挖掘機行走底盤傳動裝置主要由前、后橋、液壓驅動馬達、變速箱和輪邊減速器等組成。首先是安裝在變速箱上的液壓馬達驅動變速箱，然后將扭矩通過傳動軸將扭矩傳遞給前、后驅動橋，前、后驅動橋傳遞的扭矩經過安裝在輪胎附近的輪邊減速器減速，最終驅動輪胎轉動。液壓馬達采用高速液壓馬達，性能可靠，結構簡單，容易布置。

1.前橋；2.液壓馬達；3.變速箱；4.輪邊減速器；5.后橋

圖2 傳動裝置

1.2 懸掛裝置

如圖3所示，輪胎式液壓挖掘機行走底盤傳動裝置主要由控制閥、液壓缸、擺動鉸接銷軸等組成。

出于結構簡化需要，后橋和車架之間采用剛性連接方式，但為了提高挖掘機行走的性能，前橋采用液壓缸擺動式懸掛系統，兩側液壓缸缸桿端連接在前橋上，液壓缸缸筒端連接在車架上，車架與前橋采用鉸接銷軸相連接。液壓挖掘機處于挖掘狀態時，控制閥處于左邊狀態，油路被切斷，懸掛裝置的液壓缸被鎖住，液壓缸不能動作，保證挖掘工作時底盤的穩定性。若液壓挖掘機處在行走狀態時，液壓控制閥處在右邊狀態，使兩個液壓缸的工作腔連通，并且與油箱連通，通過液壓缸的調節，前橋能夠上下擺動與地面良好接觸，以適應高低不平的路況，保證良好的附著性能。

1.控制閥；2.液壓缸；3.擺動鉸接銷軸；4.前橋

圖3 懸掛裝置

2 WYL100輪胎式液壓挖掘機底盤傳動設計

已知選定的變速箱的傳動比，，選用的橋的輪邊減速器的傳動比，則傳動裝置的傳動比為：

（1）

（2）

已知WYL100液壓挖掘機選用的雙聯軸向柱塞泵排量，則單泵供油時，軸向柱塞泵排量，

容積效率，驅動用液壓馬達每轉最小排量。

當雙聯軸向柱塞泵雙泵供油且處于驅動用液壓馬達最小排量狀態時，驅動用液壓馬達擁有高輸出轉速，其輸出轉速為：

（3）

當雙聯軸向柱塞泵單泵供油，驅動用液壓馬達擁有低輸出轉速，其輸出轉速為：

（4）

WYL100液壓挖掘機驅動輪轉速為：

（5）

當傳動裝置為低檔時，，則有：

（6）

（7）

當傳動裝置為高檔時，，則有：

（8）

（9）

根據經驗公式，液壓挖掘機行駛速度為：

（10）

其中為驅動輪輪胎半徑，在這里WYL100液壓挖掘機選用20.5～25輪胎，已知驅動輪輪胎半徑，

則可計算得液壓挖掘機檔位下，液壓挖掘機行駛速度為：

（11）

（12）

（13）

（14）

3 WYL100輪胎式液壓挖掘機爬坡能力驗算

液壓挖掘機單個馬達的輸出扭矩計算公式如式（15）：

（15）

式中：

——驅動用液壓馬達每轉最大排量

——液壓挖掘機液壓系統工作壓力

——液壓挖掘機液壓系統從液壓泵到液壓馬達總效率，這里取。

已知，，代入式（15），得：

（16）

則當雙馬達驅動時輸出扭矩為：

（17）

液壓挖掘機牽引力計算公式如式（18）：

（18）

式中：

——驅動用液壓馬達最大驅動扭矩，這里為

——液壓挖掘機傳動裝置總傳動比，這里為

——液壓挖掘機液壓系統傳動裝置總的機械效率，這里取

則可計算出WYL100輪胎式液壓挖掘機牽引力為：

（19）

設WYL100輪胎式液壓挖掘機可爬上的坡角為，根據液壓挖掘機驅動力與爬坡阻力和摩擦力相平衡，可得：

（20）

式中：

——WYL100輪胎式液壓挖掘機爬坡阻力

——WYL100輪胎式液壓挖掘機爬坡摩擦阻力

——WYL100輪胎式液壓挖掘機重力，這里已知

——滾動摩擦系數，這里取

將上述參數的數值代入式（20），則可解出：

（21）

為驗算是否滿足附著條件，令附著允許的牽引力為，取路面為水泥路面，其附著摩擦系數為，取，則有：

（22）

由于，故液壓挖掘機爬坡時附著力滿足要求。

4 WYL100輪胎式液壓挖掘機車架受力校核

圖4 車架受力分析

如圖4所示，A點為后支腿支撐反力作用位置，B點為前支腿支撐反力作用位置，C點為重心位置。液壓挖掘機的重心位置會隨著挖掘作業是回轉位置和工作裝置狀態位置的變化而變化，A、B點位置的支撐反力也會跟著變化，車架受到的彎矩也會發生變化。取作業裝置處于與大梁對稱中心線垂直位置為受力分析位置，此時可認為重心G位于回轉中心上。由于本車架由較牢固的上、下整體鋼板焊接而成，故認為是一個整體。已知本液壓挖掘機不包括車架一下重量的重量為，通過受力分析計算可計算出A點支撐反力和B點支撐反力為：

（23）

（24）

梁在C點（回轉中心上）的最大彎矩：

（25）

圖5 車架截面尺寸

車架截面尺寸如圖5所示，查機械設計手冊可知對應的抗彎截面系數為：

（26）

代入相應的數值可得：

（27）

則可求得對應的彎曲應力為：

（28）

考慮到動載荷，取動載荷系數，則：

（29）

已知車架材料的許用應力，因此，車架彎曲強度滿足要求。對于車架剛度的校核計算，這里不再贅述。

5 結語

液壓挖掘機的底盤為液壓挖掘機的重要部件，其主要有履帶式和輪胎式兩種形式，其性能直接影響液壓挖掘機的穩定性、越野性能、爬坡能力等。本文對WLY100液壓挖掘機的結構組成、傳動裝置、懸掛裝置予以闡述，同時對WYL100輪胎式液壓挖掘機底盤傳動設計、爬坡能力、車架受力校核進行分析，旨在為輪胎式液壓挖掘機底盤設計研究提供一定理論指導。

參考文獻

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