ZE510E液壓挖掘機(jī)計(jì)算說明書.doc

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ZE510E/ESP液壓挖掘機(jī) 計(jì)算說明書 中聯(lián)重科（上海） 挖掘機(jī)上海研發(fā)中心 2012年06月8日 目 錄 第一章 總體參數(shù)計(jì)算……………………………………………1 第二章 回轉(zhuǎn)裝置計(jì)算……………………………………………3 第三章 行走裝置計(jì)算……………………………………………6 第四章 工作裝置計(jì)算……………………………………………9 第五章 整機(jī)穩(wěn)定性計(jì)算…………………………………………15 總體參數(shù)計(jì)算 一、功率計(jì)算 1、發(fā)動機(jī)原始參數(shù) 型號：ISUZU- BB-6WG1XQA-03S 功率：278.1kW/1800r/min 最大扭矩：1553N.m/ 1500 r/min 2、液壓泵K5V200DPH1J3R-9NE4-4AV參數(shù) (1)主泵： 最大流量Q：360 2 L/min 最大工作壓力P：34.3（37）Mpa 額定轉(zhuǎn)速：1800 r/min (2)先導(dǎo)泵： 流量Q：27 L/min 最大工作壓力P：3.9 Mpa 額定轉(zhuǎn)速：1800 r/min 3、主泵輸入功率計(jì)算 采用電控方式調(diào)節(jié)主泵功率。調(diào)節(jié)器可將主泵功率控制在一個最大值范圍內(nèi)，在充分利用發(fā)動機(jī)功率基礎(chǔ)上，避免過載導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熄火。 根據(jù)主泵功率曲線圖，主泵最大功率時(shí)，P0=23MPa，Q0=343L/min 其中，液壓泵總效率η=0.94 0.96，下同。 按照擬合的P-Q曲線，實(shí)現(xiàn)恒功率控制，此時(shí)：P0=18.7MPa，Q0=347L/min 主泵1和主泵2輸入功率： 4. 先導(dǎo)泵輸入功率 輸入功率 5、功率校核 風(fēng)扇（水散、中冷）消耗功率為：8 kW; 進(jìn)排氣消耗功率為：2.1 kW（發(fā)動機(jī)標(biāo)定）; 電裝空調(diào)壓縮機(jī)功率為：3 kW; 發(fā)電機(jī)消耗功率為：1.2 kW； 發(fā)動機(jī)功率富余量為： 278.1-8-2.1-3-1.2-1.94-254=7.86 kW 6、結(jié)論： 采用電控方式調(diào)節(jié)主泵功率，在主泵恒功率控制下，發(fā)動機(jī)功率富余2.2%，完全滿足使用要求。 第二章 回轉(zhuǎn)裝置計(jì)算 一、回轉(zhuǎn)平臺實(shí)際轉(zhuǎn)速 回轉(zhuǎn)馬達(dá)型號: Kawasaki M5X130CHB-RG14D 排量: 129.2 ml/r 最大工作壓力:28.4 MPa 減速比: 20.04 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)速比:I=20.04=20.0485/11= 154.854 式中:Z2_內(nèi)齒圈齒數(shù) Z1_小齒輪齒數(shù) 回轉(zhuǎn)平臺實(shí)際轉(zhuǎn)速：n實(shí) =/154.854=8.54r/min 即：ω實(shí) =8.542π/60=0.89rad/s 二、回轉(zhuǎn)平臺最佳轉(zhuǎn)速計(jì)算 在挖掘作業(yè)回轉(zhuǎn)角度,轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動慣量和回轉(zhuǎn)液壓功率給定的情況下,為了求得最短的作業(yè)循環(huán)時(shí)間,轉(zhuǎn)臺起動力矩MQ與回轉(zhuǎn)角速度ωQ之間有一個最佳匹配的問題,這個最佳匹配的回轉(zhuǎn)角速度就稱為回轉(zhuǎn)平臺的最佳轉(zhuǎn)速. 1)平臺起動力矩MQ MQ=pqIη總/2π = 28.4129.22154.8540.85/2π =153812Nm 式中，q—馬達(dá)排量； p—工作壓力； η總—傳動的機(jī)械效率,取0.85；其中: ηM—液壓馬達(dá)的機(jī)械效率,取0.95； η減速機(jī)—減速機(jī)傳動效率，取0.92； η齒圈—內(nèi)齒圈傳動效率，取0.98； 2)平臺制動力矩MZ 由于摩擦力、效率、出口油壓的影響，對于液壓制動,制動力矩與起動力矩之比 C====1.384 式中ηM—液壓馬達(dá)的機(jī)械效率； η1—減速機(jī)機(jī)械效率； η2—回轉(zhuǎn)支承機(jī)械效率。 MZ=1.384 MQ=1.384153812 Nm =212888Nm 川崎實(shí)際制動扭矩：8742154.8540.920.98=244049Nm 3)行走部分與地面的附著力矩Mφ Mφ=4910φG=49100.551=464314 Nm 式中φ—附著系數(shù)，取φ=0.5 G—整機(jī)重量,G=51 t 取轉(zhuǎn)臺制動力矩的允許值 4) 回轉(zhuǎn)循環(huán)時(shí)間t 已知回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)過載閥的調(diào)定壓力p=28.4 Mpa 按作業(yè)轉(zhuǎn)角=90 回轉(zhuǎn)循環(huán)時(shí)間:t=ωQ2(1+3/ R2+3/cR-1/ R3)+2 /ωQ 為了求得最短的作業(yè)循環(huán)時(shí)間t,令dt/dωQ=0得,轉(zhuǎn)臺最佳轉(zhuǎn)速： nmax= 式中，MQ—平臺起動力矩， MQ=153812Nm J0—空斗時(shí)轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量, J0=590G5/3=590515/3=413811 kgm2 λ==1.627 (J-滿斗時(shí)轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量) ==2.51 ∴ nmax= = =0.81（rad/s） =7.74 r/min 即理論上轉(zhuǎn)速n=7.74 r/min時(shí)，作業(yè)循環(huán)時(shí)間最短。 第三章 行走裝置的計(jì)算 一、接地比壓計(jì)算 履帶尺寸: 單條履帶接地長度: H=4530mm 履帶板寬度: L= 700 mm 履帶高度：h=1126mm 整機(jī)重量: G=51000kg9.8= 499800N 履帶平均接地比壓: p = = =0.0725 Mpa 二、 行走速度計(jì)算 行走馬達(dá)型號為: 715C3K+KYB MSF340VP 工作壓力: P=34.3MPa 減速比: i=62.4 馬達(dá)排量: q小= 175.7ml/r q大=304.1 ml/r 馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速: n1==1967 r/min n2==1136 r/min 驅(qū)動鏈輪節(jié)距： t0=228.6mm 驅(qū)動鏈輪齒數(shù)： 23 驅(qū)動鏈輪基圓直徑: ν=rω，則有 νmax= == 5.03Km/h νmin= ==2.91 Km/h 三、最大牽引力計(jì)算 ①液壓馬達(dá)最大輸出扭矩： Mmax=△pqηm1/=34.3304.10.95/=1578 （Nm） △p-液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓力差，取34.3MPa； q-液壓馬達(dá)的排量，取q大=304.1ml/r； ηm1-液壓馬達(dá)的機(jī)械效率； ② 驅(qū)動輪的最大輸出扭矩： Mqmax= Mmaxi ηm2=157862.40.91=89605 Nm i-傳動比； ηm2-行走減速機(jī)機(jī)械效率，ηm2=0.91。 ③ 一條履帶的最大牽引力： T= Mqmax /R=896050.852/847.3=179.78 （KN） ④ 整機(jī)最大牽引力（兩側(cè)）： Tt=2T =2179.78=360（KN） 四、爬坡能力 在爬坡時(shí)整機(jī)須克服如下阻力： 1) 自重在斜坡方向分力WP=Gsinα 2) 運(yùn)行阻力WY=0.12Gcosα 3) 履帶內(nèi)阻力Wn=0.06G 則最大牽引力應(yīng)不小于這些阻力之和，即 Tt≥WP+ WY+ W 此外還應(yīng)滿足挖掘機(jī)在爬坡時(shí)不打滑的條件，即 φGcosα≥F φ-履帶板與地面的附著系數(shù)，取0.8。 由上，可得WP+ WY+ Wn≤F ，即 G(sinα+0.12cosα+0.06) ≤Tt ① φGcosα≥T， ② 令φGcosα= G(sinα+0.12cosα+0.06) 得α=31.37 代入①式，得： 519.8(sin31.37+0.12cos31.37+0.06) =341KN＜360KN 所以，整機(jī)在上31.37斜坡時(shí)，牽引力能夠克服幾種阻力。 φGcosα=0.8519.8cos31.37=341KN φ-履帶板與地面的附著系數(shù)，取0.8。 附著力等于克服阻力的牽引力，故挖掘機(jī)在爬31.37的坡角時(shí)不會打滑。 所以，α=31.37為挖掘機(jī)能實(shí)現(xiàn)的最大爬坡角。 五、原地轉(zhuǎn)彎能力計(jì)算 挖掘機(jī)原地轉(zhuǎn)彎阻力由兩部分組成，一部分為履帶在地面的轉(zhuǎn)彎阻力，另一部分為履帶的內(nèi)阻力， W=（0.70～0.80）μG+0.06G 式中 μ-履帶對地面接觸阻力系數(shù),取μ=0.55 W=（0.800.55+0.06）519.8=250< Tt=360kN 故挖掘機(jī)在一般路面能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。 第四章 工作裝置的計(jì)算 一.反鏟工作裝置方案設(shè)計(jì) （一）、設(shè)計(jì)的基本要求： 1. 反鏟斗容量為2.2m3； 2. 動臂機(jī)構(gòu)的鉸點(diǎn)布置； 3. 其它要求與一般通用的反鏟工作裝置相同； （二）、動臂提升機(jī)構(gòu)主要參數(shù)確定 圖中符號規(guī)定如下: l0 = AB —動臂提升油缸的最小長度； lmax= AC0 —動臂提升油缸的最大長度； r4—AC線與水平線之間的夾角； r5—∠B0CB； L—動臂鉸點(diǎn)C與動臂油缸鉸點(diǎn)A的距離； L0—動臂油缸全縮時(shí)，動臂油缸力對動臂鉸點(diǎn)A的力臂; L1—動臂鉸點(diǎn)與動臂油缸與動臂鉸點(diǎn)間的距離； L2—動臂油缸全伸時(shí)，動臂油缸力對動臂鉸點(diǎn)A的力臂; 引入下列無量綱參數(shù)： λ= lmax/ l0 ，ρ= L/ l0 ，σ= L1/ l0，ε= L0/ l0，k= L2/ L0 令: m = Cosr3=( L21+ L2 –l02)/2L1L p = Cos(r2+r3)=( L12+ L2 -lmax2)/2L1L 則推導(dǎo)得出： 此外， ε= L0/ l0=σρSin r3 即有：L0= l0σρSin r3 同理有：L2= L0σρSin (r2+ r3)/λ 工作裝置鉸點(diǎn)位置代入計(jì)算結(jié)果如下： ε= L0/ l0=560.9/2260=0.2482 ρ= L/ l0=1032.4/2260=0.4568 k= L2/ L0=723.1/560.9=1.2892 σ= L1/ l0=3176.6/2260=1.4056 注：在通用挖掘機(jī)上，考慮以反鏟、正鏟和起重、裝載等作業(yè)為主要工作裝置時(shí)，可取ρ=0.5～0.6，k=1；對要求在地下部分有較大挖掘力、挖掘深度時(shí)，ρ值可適當(dāng)縮小。 動臂全伸、全縮的力臂比值k按不同情況選取，專用反鏟可取k＜0.8；以反鏟為主的通用機(jī)械，k=0.8～1.7。 所以以上初選值合理。 (三)、動臂提升機(jī)構(gòu)幾個初始參數(shù) 根據(jù)ZE510E 整機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和平臺尺寸，選定動臂與平臺鉸接點(diǎn)A的直角坐標(biāo)值如下： XC=140 mm (自回轉(zhuǎn)中心量起) YC=2290mm (自停機(jī)平面量起) 而按照ZE510E反鏟工作裝置在挖掘深度和挖掘半徑方面的基本要求，我們選定動臂的轉(zhuǎn)角范圍如下： r2min= -43 r2max=46 所以動臂的轉(zhuǎn)角范圍為： θ1= r2max-r2min=46-（-43）=89 動臂油缸—斗桿油缸—鏟斗油缸的缸數(shù)為：2—1—1； 采用重量輕，剛性好的整體彎動臂結(jié)構(gòu)； 按如上所推導(dǎo)解析式和選定的初始參數(shù)經(jīng)運(yùn)算后得一組動臂提升機(jī)構(gòu)的主參數(shù)（動臂提升機(jī)構(gòu)各鉸點(diǎn)的位置幾個構(gòu)件的長度）。 同樣，可得出一組斗桿機(jī)構(gòu)和鏟斗機(jī)構(gòu)的主參數(shù)（包括斗桿機(jī)構(gòu)和鏟斗機(jī)構(gòu)各鉸接點(diǎn)位置以及各構(gòu)件的長度）。 工作裝置（動臂提升機(jī)構(gòu)、斗桿機(jī)構(gòu)和鏟斗機(jī)構(gòu)）各鉸接點(diǎn)位置以及各構(gòu)件的長度均參照ZE510E液壓挖掘機(jī)。 具體數(shù)值如下： DE=1816.5 mm DM=507.5mm ML=720mm NL=719mm DN=537 mm BD=3380 mm BM=2877.7mm BH=1151mm BC=7060mm BF=4237mm HI=1635mm FC=3176.6mm ZE510E液壓挖掘機(jī)油缸的參數(shù) 動臂油缸 斗桿油缸 鏟斗油缸 油缸個數(shù) 2 1 1 油缸內(nèi)徑 Φ165 mm Φ190 mm Φ165 mm 活塞桿徑 Φ115mm Φ135mm Φ115 mm 油缸最大長度Lmax 3830mm 4740mm 3140mm 油缸初始長度L0 2260mm 2755mm 1870mm 油缸大腔面積 213.71cm2 283.39cm2 213.71cm2 油缸小腔面積 109.9cm2 140.32cm2 109.9cm2 系統(tǒng)最大工作壓力 37 MPa 37 MPa 37 MPa 油缸閉鎖壓力 39MPa 39MPa 39MPa 油缸大腔推力 790.7KN 1048.5KN 790.7KN 油缸小腔推力 406.6KN 519.2KN 406.6KN 油缸大腔閉鎖力 833.5KN 1105.2KN 833.5KN 油缸小腔閉鎖力 428.6KN 547.2KN 428.6KN 油缸行程 1570mm 1985mm 1270 mm λ= Lmax/L0 1.695 1.721 1.679 注：考慮到結(jié)構(gòu)尺寸、運(yùn)動余量、穩(wěn)定性和構(gòu)件運(yùn)動幅度等因素的影響一般選取λ=1.5～1.7，個別情況因動臂擺角和鉸點(diǎn)位置要求可以取λ動臂≤1.6，而取λ斗桿=1.6～1.7， λ鏟斗=1.5～1.7。 斗桿工作全伸時(shí)，l/d>15，則需對斗桿油缸進(jìn)行穩(wěn)定性校核。 根據(jù)《液壓元件手冊》 黎啟柏主編，冶金工業(yè)出版社、機(jī)械工業(yè)出版社P140，可知其所承受的壓力F不能超過保持穩(wěn)定工作所允許的臨界載荷，則應(yīng)滿足下式： F≤Fk/ nk 式中：Fk—活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力； nk—安全系數(shù)，通常取nk=2～4，這里取nk = 3。 斗桿缸按無偏心載荷、等截面計(jì)算： 當(dāng)l/k≥mn1/2時(shí)，可按歐拉公式計(jì)算，F(xiàn)k=nπ 2EJ/l2 式中：Fk—失穩(wěn)臨界壓縮力； n—末端條件系數(shù)，查表得n=1； E—材料的彈性模數(shù)，鋼材E=2.11011Pa； J—活塞桿橫截面慣性距，m4 。 對實(shí)心桿， J=πd4/64=0.0490.1354=1.6310-5 m4 Fk=nπ2EJ/l2=2.11011 1.6310-5π2/2.7552=4.44106N 斗桿油缸挖掘時(shí)大腔受壓，此時(shí)壓力應(yīng)為大腔的閉鎖力，故： F=1105.2 KN Fk/ nk=4.44106/3=1480KN≥1105.2KN 因此斗桿油缸穩(wěn)定性能夠達(dá)到使用要求。在實(shí)際挖掘過程中，斗桿缸穩(wěn)定行應(yīng)按照斗桿最大轉(zhuǎn)角的1/3—1/2計(jì)算，但在這個轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，斗桿缸活塞桿的伸出長度不為最大值，因此，斗桿油缸能夠滿足工作要求。 二.反鏟工作裝置運(yùn)動軌跡包絡(luò)圖 最大挖掘高度 mm 10980 最大挖掘半徑 mm 12005 最大卸載高度 mm 7680 最小回轉(zhuǎn)半徑 mm 4805 8水平最大挖深 mm 7600 地面最大挖掘距離 mm 11800 最大挖掘深度 mm 7740 三.最大挖掘力計(jì)算 鏟斗最大挖掘力計(jì)算： F鏟斗=37X3.14X165X165/4=790750N Fd=790750X720X535.6/(667.2X1590.3)=287393N 斗桿最大挖掘力計(jì)算： F斗桿=37X3.14X190X190/4=1048524 Fd=1048524X1151.2/4971.7=242786N