智能雙臂式步履挖掘機行走裝置設計

趙朝夕

（哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱150001）

智能雙臂式步履挖掘機行走裝置設計

趙朝夕

（哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱150001）

智能雙臂式步履挖掘機采用了步履式行走裝置，介紹了步履式行走裝置的組成，并對行走裝置的構(gòu)件進行了設計計算。

雙臂式步履挖掘機；行走裝置

1 雙臂式步履挖掘機行走裝置的選型

液壓挖掘機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接地比壓大，爬坡能力弱和傳統(tǒng)履帶式挖掘機不能在復雜地形工作的缺點。利用獨立多自由度轉(zhuǎn)向液壓支腿進行自由角度調(diào)整，補償?shù)匦瓮拱几叨炔?，實現(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個支腿裝1對支爪和直徑較小的行走輪，后面2個支腿裝1對直徑較大的行走輪。本機為兩驅(qū)機型，后面的大輪為驅(qū)動輪，由液壓行走馬達驅(qū)動。行走時輪胎下降至接地狀態(tài)使底架離地，作業(yè)時輪胎上升到轉(zhuǎn)臺上部，使底架接觸地面并支撐整機。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 雙臂式步履挖掘機行走裝置主要構(gòu)件的設計

3.1 前支腿的結(jié)構(gòu)設計

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動，鉸接支座下部連接前支腿。為了滿足挖掘機行走和作業(yè)時的靈活性，將前支腿設計為液壓缸驅(qū)動的伸縮式組合支腿，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軌上移動。這種結(jié)構(gòu)形式使用靈活，駕駛員只要根據(jù)需要實時地操作伸縮液壓缸即可達到調(diào)節(jié)支腿長度的目的。底架和鉸接支座間也裝有液壓缸，使得前支腿相對于底架擺動，用于轉(zhuǎn)彎行駛，還可使支腿分開或合并使其適應各種復雜的場地，并使其在運輸狀態(tài)時不超過要求的寬度。

步履式挖掘機通過操縱工作裝置和回轉(zhuǎn)機構(gòu)與地面的作用實現(xiàn)挖掘機的前進、后退和左右轉(zhuǎn)向。整機工作性移動時，挖掘機首先伸展動臂和斗桿，使鏟斗著地，動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地挖掘時支腿沉陷和整機水平移動，提高作業(yè)穩(wěn)定性，使挖掘機作業(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，避免挖掘機工作時支腿過分陷入地面，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個滾動軸承連接，如圖2。

圖2 前支腿與輪胎的連接

3.1.1 前支腿輪軸的設計

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)軸受純彎曲變形時的強度條件：

式中：Mmax為軸計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為軸上的點到中性軸的最遠距離，mm；［σ］為許用彎曲應力，參照《機械設計手冊》第三卷，?。郐遥?320 MPa。

下面計算彎矩。

前支腿輪胎的工作載荷F＝G·k/4。

式中：G為整機重，100 kN；k為載荷系數(shù)，取1.2。

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

式中，L為輪軸支點到輪胎重心的距離，為391 mm。

經(jīng)計算得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，這個截面為輪軸上的最危險截面，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)計算得d1=90 mm，d2=106 mm。通過SolidWorks建模，確定輪軸各段的長度。初選深溝球軸承6219系列，個數(shù)為2個。

3.1.2 前支腿軸承壽命的校核

以小時數(shù)表示的軸承基本額定壽命Lh為

式中：C為基本額定動載荷，根據(jù)《機械設計手冊》，6219系列軸承C=66 kN；P為當量動載荷，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，參照同類機型，初定挖掘機的行走速度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)，對于球軸承，ε=3。

經(jīng)計算，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)設計

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動，鉸接支座下部聯(lián)接后支腿。為了使運動平穩(wěn)，因此后支腿采用平行四邊形結(jié)構(gòu)。

3.2.2 驅(qū)動輪行走馬達和減速器的選型

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

表1 變量行走馬達的相關參數(shù)

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

4 結(jié)論

對步履式底盤的結(jié)構(gòu)、前后支腿及前支腿輪軸進行了設計，對后驅(qū)動輪行走馬達進行了選型。最終選擇力士樂系列的A6VE 28變量馬達和GFT 60行走減速器。

［1］ 張質(zhì)文，王金諾，程文明，等.起重機設計手冊［M］.2版.北京：中國鐵道出版社，2013.

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

［3］ 機械設計手冊編委會.機械設計手冊［M］.3版.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

（編輯：啟 迪）

TU 621

A

1002－2333（2014）04－0034－02

趙朝夕（1990—），女，碩士研究生，研究方向為機械制造及自動化和特種加工技術(shù)。

2014-02-02