液压挖掘机底盘设计研究

郑爱权

摘要：液压挖掘机底盘为液压挖掘机的重要部件，主要用来支撑液压挖掘机和行走，其具有较大的驱动力，以便使液压挖掘机具有较好的爬坡性能，同时车架应具有较高的强度，应保证能承受工作应力。文章对WLY100液压挖掘机的结构组成、传动装置、悬挂装置予以阐述，同时对WYL100轮胎式液压挖掘机底盘传动设计、爬坡能力、车架受力校核进行分析。

关键词：液压挖掘机；底盘；车架；传动；机械设计 文献标识码：A

中图分类号：TH137 文章编号：1009-2374（2016）30-0019-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.010

行走底盘主要用来完成行走动作及支撑液压挖掘机。目前液压挖掘机行走底盘主要分为轮胎式与履带式。对于履带式行走底盘，单条履带牵引力可达机重的30%～40%，因而牵引力大，同时履带与地面接触面积大、接地比压小、稳定性好。履带式底盘，转弯时，两条履带向相反方向转动实现，回转半径小，比较灵活。但履带式行走底盘制造成本高，行走和转向时，由于履带与地面接触面积较大，消耗的功率较大，同时由于受其结构限制，行走速度较慢，另外，履带为滑动摩擦，磨损快。而轮胎式行走底盘与履带式相比，行走速度快，机动性好，且与地面是滚动摩擦，轮胎磨损相对较慢，且对路面不会造成损坏。本文以WLY100液压挖掘机为研究对象对轮胎式行走底盘设计予以研究分析。

1 液压挖掘机轮胎式底盘的组成结构

WLY100轮胎式液压挖掘机行走底盘的结构组成如图1所示：

1.车架；2.回转支撑；3.驱动桥；4.万向传动轴；5.回转中心处接头；6.制动器；7.转向前桥

图1 液压挖掘机轮胎式底盘的组成结构

如图1所示，轮胎式液压挖掘机行走底盘主要由焊接框架结构的车架、回转支撑、驱动桥、万向传动轴、回转中心处接头、制动器和转向前桥等组成。前桥采用带铰接销轴的液压油缸悬挂装置，后桥为刚性的悬挂。回转支撑用来实现液压挖掘机工作装置的转动。

1.1 传动装置

如图2所示，轮胎式液压挖掘机行走底盘传动装置主要由前、后桥、液压驱动马达、变速箱和轮边减速器等组成。首先是安装在变速箱上的液压马达驱动变速箱，然后将扭矩通过传动轴将扭矩传递给前、后驱动桥，前、后驱动桥传递的扭矩经过安装在轮胎附近的轮边减速器减速，最终驱动轮胎转动。液压马达采用高速液压马达，性能可靠，结构简单，容易布置。

1.前桥；2.液压马达；3.变速箱；4.轮边减速器；5.后桥

图2 传动装置

1.2 悬挂装置

如图3所示，轮胎式液压挖掘机行走底盘传动装置主要由控制阀、液压缸、摆动铰接销轴等组成。

出于结构简化需要，后桥和车架之间采用刚性连接方式，但为了提高挖掘机行走的性能，前桥采用液压缸摆动式悬挂系统，两侧液压缸缸杆端连接在前桥上，液压缸缸筒端连接在车架上，车架与前桥采用铰接销轴相连接。液压挖掘机处于挖掘状态时，控制阀处于左边状态，油路被切断，悬挂装置的液压缸被锁住，液压缸不能动作，保证挖掘工作时底盘的稳定性。若液压挖掘机处在行走状态时，液压控制阀处在右边状态，使两个液压缸的工作腔连通，并且与油箱连通，通过液压缸的调节，前桥能够上下摆动与地面良好接触，以适应高低不平的路况，保证良好的附着性能。

1.控制阀；2.液压缸；3.摆动铰接销轴；4.前桥

图3 悬挂装置

2 WYL100轮胎式液压挖掘机底盘传动设计

已知选定的变速箱的传动比，，选用的桥的轮边减速器的传动比，则传动装置的传动比为：

（1）

（2）

已知WYL100液压挖掘机选用的双联轴向柱塞泵排量，则单泵供油时，轴向柱塞泵排量，

容积效率，驱动用液压马达每转最小排量。

当双联轴向柱塞泵双泵供油且处于驱动用液压马达最小排量状态时，驱动用液压马达拥有高输出转速，其输出转速为：

（3）

当双联轴向柱塞泵单泵供油，驱动用液压马达拥有低输出转速，其输出转速为：

（4）

WYL100液压挖掘机驱动轮转速为：

（5）

当传动装置为低档时，，则有：

（6）

（7）

当传动装置为高档时，，则有：

（8）

（9）

根据经验公式，液压挖掘机行驶速度为：

（10）

其中为驱动轮轮胎半径，在这里WYL100液压挖掘机选用20.5～25轮胎，已知驱动轮轮胎半径，

则可计算得液压挖掘机档位下，液压挖掘机行驶速度为：

（11）

（12）

（13）

（14）

3 WYL100轮胎式液压挖掘机爬坡能力验算

液压挖掘机单个马达的输出扭矩计算公式如式（15）：

（15）

式中：

——驱动用液压马达每转最大排量

——液压挖掘机液压系统工作压力

——液压挖掘机液压系统从液压泵到液压马达总效率，这里取。

已知，，代入式（15），得：

（16）

则当双马达驱动时输出扭矩为：

（17）

液压挖掘机牵引力计算公式如式（18）：

（18）

式中：

——驱动用液压马达最大驱动扭矩，这里为

——液压挖掘机传动装置总传动比，这里为

——液压挖掘机液压系统传动装置总的机械效率，这里取

则可计算出WYL100轮胎式液压挖掘机牵引力为：

（19）

设WYL100轮胎式液压挖掘机可爬上的坡角为，根据液压挖掘机驱动力与爬坡阻力和摩擦力相平衡，可得：

（20）

式中：

——WYL100轮胎式液压挖掘机爬坡阻力

——WYL100轮胎式液压挖掘机爬坡摩擦阻力

——WYL100轮胎式液压挖掘机重力，这里已知

——滚动摩擦系数，这里取

将上述参数的数值代入式（20），则可解出：

（21）

为验算是否满足附着条件，令附着允许的牵引力为，取路面为水泥路面，其附着摩擦系数为，取，则有：

（22）

由于，故液压挖掘机爬坡时附着力满足要求。

4 WYL100轮胎式液压挖掘机车架受力校核

图4 车架受力分析

如图4所示，A点为后支腿支撑反力作用位置，B点为前支腿支撑反力作用位置，C点为重心位置。液压挖掘机的重心位置会随着挖掘作业是回转位置和工作装置状态位置的变化而变化，A、B点位置的支撑反力也会跟着变化，车架受到的弯矩也会发生变化。取作业装置处于与大梁对称中心线垂直位置为受力分析位置，此时可认为重心G位于回转中心上。由于本车架由较牢固的上、下整体钢板焊接而成，故认为是一个整体。已知本液压挖掘机不包括车架一下重量的重量为，通过受力分析计算可计算出A点支撑反力和B点支撑反力为：

（23）

（24）

梁在C点（回转中心上）的最大弯矩：

（25）

图5 车架截面尺寸

车架截面尺寸如图5所示，查机械设计手册可知对应的抗弯截面系数为：

（26）

代入相应的数值可得：

（27）

则可求得对应的弯曲应力为：

（28）

考虑到动载荷，取动载荷系数，则：

（29）

已知车架材料的许用应力，因此，车架弯曲强度满足要求。对于车架刚度的校核计算，这里不再赘述。

5 结语

液压挖掘机的底盘为液压挖掘机的重要部件，其主要有履带式和轮胎式两种形式，其性能直接影响液压挖掘机的稳定性、越野性能、爬坡能力等。本文对WLY100液压挖掘机的结构组成、传动装置、悬挂装置予以阐述，同时对WYL100轮胎式液压挖掘机底盘传动设计、爬坡能力、车架受力校核进行分析，旨在为轮胎式液压挖掘机底盘设计研究提供一定理论指导。

参考文献

[1] 张铁.液压挖掘机结构原理及使用[M].青岛：石油大学出版社，2002.

[2] 郑训.路基与路面机械[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3] 曹善华.单斗挖掘机[M].北京：机械工业出版社，1988.

[4] 林慕义，张福生.车辆底盘构造与设计[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[5] 张光裕.工程机械底盘设计[M].北京：机械工业出版社，1985.