潜孔钻机底盘设计

课题：潜孔钻机履带式底盘设计学校：中南大学

成员： XXX 班级：机械XXXX班

指导老师： XXX 完成日期： 2016年6月23日

目录

第一章概述

一、矿山机械底盘的功用

在矿山机械中，自行式矿山机械占很大比重。自行式矿山机械主要由原动机、工作机构和底盘等部分(有的还包括转载机构)组成。原动机为该机械提供动力，工作机构进行生产作业，而底盘作为整机的支撑，并使该机械按所需的速度和牵引力，以及需要的方向行驶。

对于在行驶中进行作业的矿山机械，如矿山装载机、平巷掘进机、矿用载重汽车和推土机等，其底盘(称牵引型底盘)的性能对整机的性能起决定性的影响。对于在行驶中不进行作业的矿山机械，如凿岩台车、牙轮钻机、旋转钻机和挖掘机等，其底盘(称承载型底盘)的性能也直接影响整机的性能。

矿山机械底盘由传动系、行走系、转向系、制动系和回转支承装置等五部分组成：

1．传动系统是原动机动力与驱动轮负载之间的动力传递装置。其功用是将原动机输出的功率传递给驱动轮，并满足使用上对底盘性能的要求。

2．行走系统的功用是把整机支撑在地面上，传递和承受路面作用于车轮或履带的各种力和力矩，并吸收振动和缓和冲击以保证底盘的正常行驶。履带式底盘行走系统由车架、悬架、履带架、驱动轮、导向轮、

支重轮、托轮和履带等组成。

3.转向系统是保证整机在行驶时按需要的方向行驶。履带式底盘转向系统由转向离合器和制动器及其操纵机构组成。

4.制动系用来使自行式矿山机械迅速降低行驶速度甚至停车，并保证机械能在坡道上停车。在履带式底盘中通常没有专门的制动装置，而利用转向制动器进行制动。

5.回转支承装置的功用是使工作机构在任何方位作业，并使铲掘的物料提起及绕整机做圆弧运动，以达到运输物料的目的。

二、矿山机械底盘的类型

根据行走机构的类型不同，一般把它分为轮胎式、履带式、轨轮式和步行式4种。

根据传动机构的类型，一般又把其底盘分为机械传动式、液力机械传动式、液压传动式和电力传动式4种。

对轮胎式底盘按转向方式的类型，可把其底盘分为偏转车轮式和铰接式两种。对履带式底盘，按履带的数目可分为双履带式、三履带式和多履带式底盘等。

根据不同矿山作业条件和要求，合理地选用矿山

机械底盘的类型，能有效地提高矿山机械的生产效率和降低成本。

第二章结构参数的确定

所有结构参数根据已知条件：机重G=30t进行确定。

一、履带

履带工作条件恶劣，要求具有足够的强度和刚度，耐磨性好，重量轻以减少金属的消耗量，并减轻履带运转时的动载荷，要求履带能很好的地面很好的附着，又要考虑减少行驶及转向时的阻力。

履带结构有整体式和

组成式两种。整体式每一

节履带铸造成整体，结构

简单、重量轻、易拆装，

但销孔间隙大、易进泥沙、

易磨损，适于高速车辆。

工程机械大多采用组成式

履带装置，密封性好，泥

沙不易进入相对的转动面，因此使用寿命长，其缺点是零件多，制造复杂，拆装困难。

1.履带条数

根据设计要求，选择橡胶履带2条。

2.履带节距t0

履带节距t0随自重G的增大而增大，通常为：

t0=(17.5~23)√G4

由已知条件，取机重G=30t,取系数为20，则节距

4=263mm

t0=20×√30000

按我国履带式工程机械行走机构统图《四轮一带》规定，全部履带工程机械用节距系列，从中选择t0=216mm。

3.履带宽度和履带支撑面长度

根据机重及图2-8-3，确定履带宽度b=660mm。

履带的支撑面长度L0与带宽b的关系：

b

=0.18~0.2

L0

取L0=b

0.2=660

0.2

=3300mm

履带的轨距B与支撑面长度L0的关系：

L0 B ≤2(φ?f)

μ

取摩擦系数μ=,滚动阻力系数f=,附着系数φ=0.4，则

B≥L0μ

2(φ?f)=3300×0.18

2×(0.4?0.14)

=1142mm

取轨距B=1200mm。

4.履带高度及底盘高度的确定

根据《履带总成联系尺寸表》，选取履带高度=171mm，底盘高度=150mm。

二、驱动轮

驱动轮是将传动装置的动力传至履带，以产生底盘运动的驱动力。因此，要求驱动轮与履带的啮合性要好，即在各种行驶条件下和允许磨损的程度下啮合应平稳，进入和退出啮合不应发生干涉、冲击和脱落履带现象；另外要求传动效率高、耐磨损。

1.驱动轮齿数Z

卷绕在驱动轮上的履带板数目Z,增加，使履带

运动速度均匀性好，

铰链摩擦损失较少。

一般Z′在12~15之

间，可为整数，也可

为的倍数。为增加驱

动轮的寿命，一般

Z=2Z′。由《驱动轮

节距和齿数的关系

表》可知，当节距t0=216mm时，应取驱动轮齿数Z=25。

2.驱动轮节圆半径

根据节圆半径公式：r K =t0

2sin180°

Z′

将t0=216mm，Z′=13带入上式得：r K=，取r K=450mm。

三、支重轮和托轮

1.支重轮

支重轮的尺寸和布置，应使接地比压均匀分布，为此可采用直径小个数多的支重轮。但支重轮太小，

=1~1.25(d r为支重将使支重轮滚动阻力增大。通常d r

t0

轮直径,t0为履带板节距)，故取d r=1.2×216≈260mm。

支重轮数目过多将使支重轮尺寸过小，布置时还应防止支重轮之间、前支重轮与导向轮之间、后支重轮与驱动轮之间的干涉问题。由《履带行走系主要尺寸表》可大致选取支重轮个数为6个，支重轮之间的

距离L k=335mm。

2.托轮

托轮的个数取决于履带上方区段的长度，一般驱动轮到引导轮轴距≥2m时，每侧的托轮为2个，小于两米时为一个。因为履带支撑面长度L0=3300mm，故取托轮个数为2个。

托轮的直径一般

比支重轮小，因其受

力、受泥水腐蚀均比

支重轮小，结构也可

简化。根据《履带行

走系主要尺寸表》选

取托轮直径d s=170mm。

四、导向轮和张紧装置

1.导向轮

导向轮直径加大，能减少冲击，增加整机作业的平稳性。导向轮直径一般较驱动轮直径小，上方位置则应比驱动轮缘低30~80mm，使这一区段的履带在运动时顺势前滑。根据《导向轮联系尺寸表》，

选择导向轮直径为770mm。

2.张紧装置

目前工程机械多用滑块式张紧装置。缓冲弹簧必须有一定的预压缩量，使履带中产生预张紧力，以保证：在前进时不因松弛而影响履带销和驱动轮齿的啮

合、倒退时能保证产

生足够的牵引力而

仍保持履带销和驱

动轮齿的正常啮合。

预张紧力亦不能太

大，当前方受到较大

的冲击力时，缓冲弹

簧能进一步压缩来保护行走系各零件不被破坏。

工程机机械常用的整体台车、滑动式张紧装置，其弹簧参数推荐如下：

缓冲弹簧预紧力P Y=(0.6~0.8)G=18000N

缓冲弹簧工作行程终了压缩力P X=(1.5~2)P Y= 27000N

第三章性能参数的确定

一、牵引力的计算

1.机械行驶作业过程中的阻力

(1)滚动阻力P P：

P f=P f1+P f2=Gf cosαP f1、

P f2—

前、后轮上的滚动阻力；

G—机械自重，取300kN；

α—坡角，取25°；

f—滚动阻力系数，；

计算得P f=38.1kN

(2)坡度阻力Pα：

Pα=G sinα

式中各参数同上，计算得Pα=126.8kN

(3)土壤挖掘和推移阻力P T

(4)风阻力P W：

P W=KFv2

(3.6)2

式中 v—行驶速度(km/h)

F—机械迎风面积，F≈BH,B为轮距，H为高度 K—流线型系数，一般取

(5)加速阻力P j

机械加速时，需克服机械平移加速的惯性力和回转零件加速回转的惯性力矩。

2.牵引力的计算

由于潜孔钻机在运行过程中不存在挖掘阻力及回转惯性力，若忽略低速行驶下的加速惯性力及风阻力，则有以下力平衡方程：

P K=P f+Pα

因此可求得牵引力P K=165kN

二、液压马达的选择

1.履带行走机构的效率

履带行走机构的效率ηx=ημκηfηδ

式中ημκ由行走机构结构参数决定，一般为；

ηf=P Kp

P K =P K?P f

P K

=126.8

165

=0.77；

ηδ=v

v T =r

r K

=r K(1?δ)

r K

=1?0.07=0.93。

因此，履带行走机构效率ηx=0.69。

2.液压马达的选择

履带所需要力矩T L=P K r K

ηx =165×450

0.69

=108kN˙m

已知潜孔钻机的实际行走速度v=2km/h,则其理论行走速度

v T=v

1?δ

=h=s

驱动轮的转速n=v T

2πr K

=0.2rad/s=12rad/min 由于行星传动可用较紧凑的结构尺寸传递较大的动力，而圆柱外啮合传动可提高离地间隙，因此大功率履带底盘可采用一级外啮合圆柱齿轮与一级行星传动的双级传动。参照《最终传动参数表》，选择最终传动的传动比i f=16.5。

参照《液压技术手册》，选择径向柱塞马达型号为

“”,额定转速160r/min，额定转矩5853N/m，额定压力20MPa，排量2014ml/r。

三、液压泵及电动机的选择

1.液压泵的选择

由功率守恒，即输入功率等于输出功率：

PV=2πT

式中： P—液压泵的额定压力

V—液压泵的排量

T—液压马达的额定转矩

若选用A7V系列斜轴式轴向柱塞变量泵，其额定压力为35MPa，则解得泵的排量V=1050ml/r。

由于潜孔钻机在工作过程中所需流量最大，故采用三联轴向柱塞变量泵供油，泵的型号为“A7V500”，其排量为500ml/r,额定压力35MPa，最大转速1200r/min,最大功率为350kW。

2.电动机的选择

参照《Y系列三相异步电动机选择手册》，选用两台型号为“Y4501-4”的三相异步电机作为原动机进行驱动，其额定功率为630kW，额定转速为1485r/min，额定电压为380V。

四、传动比的确定

由于潜孔钻机的运行速度较慢，故可不设变速档，其总的传动比：

iΣ=i0i f

=1.2

式中：i0—主传动器的传动比，取其=1485

1200

i f—最终传动的传动比，本设计取其=

故总传动比iΣ=20。

为了减少传动系统中(除最后一级减速装置的从动件)各零件的载荷，根据功率传递的方向，应尽可能地把传动比多分配给后面的部件，甚至先加速后减速。因此，本设计传动比的分配较为合理。

五、转向阻力矩及单边驱动力矩

1.转向运动学

当履带式工程机械在平地上绕转向轴线O作等角速度转向时，称为稳定转向，如图2-7-1所示。从轴

线O到底盘纵向对称

平面的距离R，称为履

带底盘的转向半径。当

V1=0时，最小转向半

径R min=B

。若能使一

2

侧履带反转，当V1=

?V2时，R min=0。因此

履带底盘能在狭窄场地转向，而一般轮式底盘的转向半径远大于底盘宽度之半。

2.转向阻力矩

转向时，履带相对地面的运动，可看做是两个运动的合成：即履带相对于地面的滚动，由此产生滚动阻力；履带绕本身旋转轴线的相对运动，由此产生转向阻力矩。转向阻力矩由下述因素引起：

(1)履带支承面，履刺表面与地面的相对摩擦。

(2)履带相对转动时，刮动地面，压缩和剪切土壤。

(3)履带相对转动时，推动堆积在它旁边的土壤。

(4)转向时，行走机构内部阻力的增加。

在求转向阻力矩时，假设：

(1)转向阻力矩主要由横向反力的作用引起，而忽略纵向反力，所以可把履带支承面宽度看做一直线。

(2)履带支承区段的负载均布。

(3)履带回转时，其上各点所受土壤的横向反力F与该点的负荷q成正比，即F=μB q。μB为转向时履带与土壤间作用的阻力系数，称为转向阻力系数。

根据以上假设，地面对履带支承段的反作用力的分布如图2-7-2所示。

两侧履带所受的转向阻力矩为：

M0=μB GL 4

式中：G—机重；

L—履带支承

面长度，本设

计中取

3300mm；

μB—转向阻力系数，取决于土壤条件、履带的结构等。一般取。

计算得M0=173.3kN˙m。

3.转向受力分析及转向驱动力

履带底盘的转

向是靠改变左、右两

侧履带切线牵引力

的大小，从而产生转

向力矩M Z，克服转向

时所产生的转向阻

力矩M0来实现转向的。

当履带底盘在平地上稳定转向时，其外力如图2-7-3所示。由于履带底盘速度低，离心力可略去不计。为方便计算，现做出如下假设：

(1)两侧履带的滚动阻力P f1′、P f2′相等，并与直线行驶时的滚动阻力相同。

(2)转向时总切线牵引力P K′等于同等工况直线行驶时的切线牵引力P K,所以当稳定转向即M Z=M0时，有：

P K1′=P K

2?M0

B

P K2′=P K

2+M0

B

带入前述数值P K=165kN，M0=173.3kN˙m，B=1200mm 可得：P K1′=?61.9kN，P K2′=226.9kN。

故所需的转向力矩M Z=P K2′r K=102.3kN˙m。

第四章参数的汇总

一、结构参数的汇总

序号项目单位参数

2履带条数2

3履带支承面长度mm3300 4履带宽度mm660