挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)畢業(yè)設(shè)計(jì)

斗容1m3挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2015 年 6 月近年來，我國的基建工程有日益增多的趨勢(shì)，國家也要大力發(fā)展基建工程來拉 動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長，而挖掘機(jī)作為土方施工必不可少的機(jī)械設(shè)備，將在我國的基礎(chǔ)設(shè)施 建設(shè)方面發(fā)揮舉足輕重的作用。挖掘機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)要承受軸向載荷，徑向載荷，和傾覆力矩， 對(duì)其剛度，強(qiáng)度與穩(wěn)定性就有一定的要求。所以，挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)對(duì)保持挖掘 機(jī)整體的穩(wěn)定性方面有重要作用，對(duì)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的研究有助于國家發(fā)展各種 不同類型的挖掘機(jī)。針對(duì)斗容lm3挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，我進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)方案分析，回轉(zhuǎn)支承選型設(shè) 計(jì)，回轉(zhuǎn)速度控制及制動(dòng)方案與制動(dòng)器設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)各部件的受力校核及選型, 還釆用了有限元方法來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。國內(nèi)的挖掘機(jī)廠商對(duì)國內(nèi)市場(chǎng)的把握還不夠大，對(duì)挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的不斷優(yōu)化 對(duì)國內(nèi)廠商制造更大更多類型的挖掘機(jī)有重要的意義。關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)備；挖掘機(jī)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元第一章緒論1-1液壓挖掘機(jī)及其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)介紹液壓挖掘機(jī)是一種多功能周期作業(yè)的土方機(jī)械，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸，水利工 程，礦山采掘和電力工程等機(jī)械施工中。它的工作過程先是以鏟斗的切割刃切削 土壤，裝滿后再提升、回轉(zhuǎn)至卸土位置，把土卸空后鏟斗再回原來位置開始下一 次作業(yè)，如此循環(huán)。所以挖掘機(jī)對(duì)于對(duì)于減輕工人繁重的體力勞動(dòng)，加快施工進(jìn)度，提高施工機(jī) 械化水平，促進(jìn)各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，都起著很大的作用。一臺(tái)斗容lm3挖掘 機(jī)每班的生產(chǎn)率基本上等于300-400個(gè)工人一天的工作量。所以很有必要大力發(fā) 展液壓挖掘機(jī)，提高其工作性能，讓其更好地提高生產(chǎn)率，為國民建設(shè)與國民經(jīng) 濟(jì)服務(wù)。挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)支承、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臺(tái)和液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)等組成?；?轉(zhuǎn)支承的內(nèi)外座圈間設(shè)有滾動(dòng)體，其底座跟帶齒的內(nèi)座之間用螺栓連接，外座圈 跟轉(zhuǎn)臺(tái)用螺栓連接。挖掘機(jī)工作裝置上的各種載荷與力矩經(jīng)過回轉(zhuǎn)支承傳給底 架?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的小齒輪既能繞自身自轉(zhuǎn)乂能繞轉(zhuǎn)臺(tái)中心公轉(zhuǎn)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)繞底架回 轉(zhuǎn)，相當(dāng)于行星機(jī)構(gòu)。12國內(nèi)外發(fā)展概況工國外發(fā)達(dá)國家在挖掘機(jī)技術(shù)上一直處于領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，他們從20世紀(jì)80年代 就開始生產(chǎn)特大型挖掘機(jī)，例如，美國生產(chǎn)的斗容132m?的步行式拉鏟挖掘機(jī)， 斗容50-150m3剝離用挖掘機(jī)；B-E （布比賽路斯-伊利）公司生產(chǎn)的斗容量107m 3的剝離用挖掘機(jī)，斗容量168.2m3的步行式拉鏟挖掘機(jī)等。從20世紀(jì)后期開始, 國際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)向微型化、多功能化、大型化、專用化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。國內(nèi)的挖掘機(jī)生產(chǎn)商雖然要有很強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)，并且要針對(duì)市場(chǎng)與用戶的各 種要求來開發(fā)出新一代挖掘機(jī)的變型產(chǎn)品（如高原型車、焊接車等），爭取步入 大型挖掘機(jī)市場(chǎng)，不能只依靠國外進(jìn)口，把握市場(chǎng)方向。同時(shí)，國內(nèi)的廠商要提 高用戶服務(wù)，樹立良好的品牌形象，力求企業(yè)與用戶實(shí)現(xiàn)雙贏局面。只有這樣， 國內(nèi)廠商才可能慢慢把失去的市場(chǎng)份額奪過來。1.3本設(shè)計(jì)的目的和意義目前我國及發(fā)展中國家的基礎(chǔ)工程建設(shè)相當(dāng)多，挖掘機(jī)的產(chǎn)銷量很大。作為 工程機(jī)械應(yīng)用專業(yè)的學(xué)生，通過此設(shè)計(jì)，可以很全面地掌握挖掘機(jī)的構(gòu)造和作業(yè) 環(huán)境及要求；掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路與方法；鍛煉其綜合運(yùn)用機(jī)械類基礎(chǔ)知識(shí)解決實(shí) 際問題的能力和提高對(duì)計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用水平；本設(shè)計(jì)要求完成上臺(tái)車回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 方案設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。研究內(nèi)容包括，驅(qū)動(dòng)方案分析確定，傳動(dòng)設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)支承選型設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)速 度控制及制動(dòng)方案與制動(dòng)器設(shè)計(jì)。1.3研究的基本思路與采用的方法通過查閱相關(guān)資料進(jìn)行回轉(zhuǎn)馬達(dá)與回轉(zhuǎn)支承的選型，計(jì)算嚙合齒輪參數(shù)，計(jì) 算液壓系統(tǒng)參數(shù)。結(jié)合三維建模及分析修改設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)參數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)件或選用總成要完成選 型匹配計(jì)算，寫出具體的型號(hào)。生成二維設(shè)計(jì)圖，按標(biāo)準(zhǔn)要求完成標(biāo)注、打印出二維設(shè)計(jì)圖；第二章方案設(shè)計(jì)2.1回轉(zhuǎn)方案選擇1）高速方案：采用高速液壓馬達(dá)，經(jīng)過齒輪減速箱來帶動(dòng)小齒輪繞齒圈滾 動(dòng)，從而使平臺(tái)回轉(zhuǎn)。可以使用4種回轉(zhuǎn)方案：1 一級(jí)正齒輪和一級(jí)行星齒輪傳動(dòng)2兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)3兩級(jí)正齒輪傳動(dòng)4 一級(jí)正齒輪和兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)在高速軸上裝了機(jī)械制動(dòng)器，我國目前對(duì)一級(jí)行星齒輪傳動(dòng)和一級(jí)正齒輪和 兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)進(jìn)行了系列化和專業(yè)化生產(chǎn)。方案優(yōu)點(diǎn)：馬達(dá)釆用了高速馬達(dá)，乂加了齒輪減速機(jī)構(gòu)，可靠性效率都比較 高，同時(shí)乂能降低成本縮小體積。設(shè)置了機(jī)械制動(dòng)器，不需要背壓補(bǔ)油，降低了 油液發(fā)熱與功率損失，可與軸向柱塞泵零件通用。2）低速方案：這種馬達(dá)轉(zhuǎn)速比較低，但扭矩比較大，帶動(dòng)小齒輪并讓轉(zhuǎn)臺(tái) 回轉(zhuǎn)的時(shí)候，中間不用加減速器。這種方案釆用的液壓馬達(dá)通常為靜力平衡式， 內(nèi)曲線式和星型柱塞式等。不用經(jīng)過減速器驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)多是內(nèi)曲線式的，而 且這種馬達(dá)轉(zhuǎn)速低，扭矩大。方案優(yōu)點(diǎn)：這種馬達(dá)傳動(dòng)比較簡單，起動(dòng)的時(shí)候制動(dòng)性能也比較好，零件比 較少，可靠性比較好，對(duì)油污的敏感性也比較小。為了經(jīng)濟(jì)性、可靠性和效率，選用了方案2。2.2回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)齒輪嚙合方案的確定內(nèi)齒式齒輪嚙合結(jié)構(gòu)緊湊能節(jié)省尺寸，受外部環(huán)境影響小。而外齒式齒輪嚙 合傳動(dòng)受外部環(huán)境影響比較大，比較浪費(fèi)橫向尺寸。所以選用內(nèi)齒式齒輪嚙合傳 動(dòng)。2.3回轉(zhuǎn)軸承選型(1) 單排滾球式滾道端面中心d偏滾珠中心而且滾道是圓弧形曲面的，滾道半徑R=0.52d, 滾珠與滾道接觸角a (水平線與作用力的夾角)一般45 ,所以可以傳各種方向的 軸向、徑向載荷與傾覆力矩。(2) 雙排滾球式它的滾珠分了 2排，下排比上排收到的載荷小，所以下排滾珠比較小。接 觸角a (水平線與作用力的夾角)=90 ,所以能承受很大的軸向載荷與傾覆力矩。(3) 交叉滾柱式滾動(dòng)體做成了圓錐或圓柱形，接觸角常為45 ,相鄰滾珠軸線交叉排列， 滾道做成平面的，可以傳遞各種方向的載荷與力矩。(4) 組合滾子式跟雙排滾珠式類似，帶第三排滾珠直于上、下兩排滾柱，能傳遞徑向載荷。 主要用在直徑與受到的載荷都比較大的大型的液壓挖掘機(jī)上。現(xiàn)實(shí)應(yīng)用最廣泛的是上述(1)(2) (3)3種?？v觀液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承發(fā)展歷程，開始采用的雙排異徑球式，后來發(fā)展成 用單排交義滾柱式，近來單排四點(diǎn)接觸球式得到了迅速的發(fā)展。對(duì)比這三種回轉(zhuǎn) 支承，單排四點(diǎn)接觸球式的全部滾動(dòng)體都能同時(shí)分擔(dān)載荷，而另外兩種只有一般 滾動(dòng)體可以承受載荷，所以其靜容量遠(yuǎn)超另外兩種。綜合以上結(jié)論，此次的液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)軸承的選型選用單排四點(diǎn)接觸球式滾 動(dòng)軸承式,2.4滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支承的系列標(biāo)準(zhǔn)及其具體選型滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支承，不少國家己有系列標(biāo)準(zhǔn)，由專門的軸承廠制造，主機(jī) 成更具用途選用即可。我國制定的滾動(dòng)支撐系列標(biāo)準(zhǔn)分兩大類，六種結(jié)構(gòu)形式，四十種規(guī)格。第一類或稱第一系列為接觸角45。，滾柱按1： 1排列的交義滾柱式回轉(zhuǎn)支承, 以代號(hào)“町”表示。第二類或稱為第二系列為接觸角45：的四點(diǎn)接觸球式回轉(zhuǎn)支承，以代號(hào)“HS” 表示。每一類按座圈不帶齒（代號(hào)“B” ）,帶外齒（代號(hào)“W”）和帶內(nèi)齒（代號(hào) “N”）的不同分為三種結(jié)構(gòu)形式。每一類按滾道中心直徑的大小分為二十種規(guī)格。例如HJN-2820表示滾道中心直徑Dq = 2820/?/?/ ,具有內(nèi)齒機(jī)構(gòu)形式的交叉 滾柱式回轉(zhuǎn)支承。我國指定的滾動(dòng)軸承職稱系列標(biāo)準(zhǔn)有一下特點(diǎn)：1. 尺寸參數(shù)比較齊全（滾道中心直徑范圍是625-4540mm）,符合主機(jī)系列，可 滿足發(fā)展需要；2. 兩種系列的安裝尺寸，毛胚尺寸完全相同，可以互換：3. 齒輪有兩種模數(shù)以滿足不同的主機(jī)需要，內(nèi)外齒的原始齒形均為標(biāo)準(zhǔn)型（即壓 力角cr0 = 20 ,齒頂高系數(shù)/0 = 1,齒頂間隙系數(shù)Co = 0.25 ）.為了減少小齒輪齒 數(shù)，提高其承載能力，改善傳動(dòng)性能，內(nèi)齒式釆用高度變位（變位系數(shù)+0.35）, 外齒式釆用角度變位（當(dāng)大齒圈齒數(shù)為95-116時(shí)變位系數(shù)取+1.0：當(dāng)齒數(shù)為 117136時(shí)取+1. 15；當(dāng)齒數(shù)等于和大于137時(shí)取+1.4）4. 滾動(dòng)體材料為GCrl5及GCrlSSiMn,表面硬度為HRC6155.座圈材料為50Mn, 50SiMn, 5CrMnMo等，滾道表面硬度為HRC5565,硬化層深度為35mm.參考單斗液壓挖掘機(jī)表3-2滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支承參數(shù)系列，初步選取四 點(diǎn)接觸球式滾動(dòng)回轉(zhuǎn)支承HSN-880系列，其基本技術(shù)參數(shù)如下：滾道中心直徑：Do = 880/?/?外形尺寸：D = 1OOO/H/77d = 760mm H = 95mm h = 12.5 mm安裝尺寸：Dl( = 956mmDh = 8OO/7/Wn = 240 = 20”內(nèi)齒參數(shù)：De =df = 728"m 10” Z2 = 18x. = +0.35L = 70mm四點(diǎn)接觸球式滾動(dòng)回轉(zhuǎn)支承滾球尺寸：d =40沏7 Cg=2kN 接觸角a = 456S2圖2.1回轉(zhuǎn)支承Vi二 0 3. 1 km/hV產(chǎn)05. 5 km/h352380 mm6470X2980 mm9865X2980X30152.5主要性能參數(shù)斗容量整機(jī)使用質(zhì)量（含配重）其中預(yù)估：上車下車1M330000 kg19900 kg9100 kg柴油機(jī)型號(hào)SAA6D102E-2額定功率125/2100行駛速度范圍：低速范圍高速范圍最大爬坡角軌距每側(cè)履帶接地尺寸（長X寬）運(yùn)輸工況外形尺寸（長X寬X高）液壓系統(tǒng)參數(shù)：鏟斗油缸-個(gè)數(shù)X缸徑X行程(mm) 130 X 1020 X 90回轉(zhuǎn)液壓回路(Mpa) 28.4控制液壓回路(Mpa) 3. 2先導(dǎo)油路斗桿油缸-個(gè)數(shù)X缸徑X行程(mm) 140 X 1635 X 100動(dòng)臂油缸-個(gè)數(shù)X缸徑X行程(mm) 130X1335X90 行走液壓回路(Mpa) 37.3主泵最大流量(L/min) 439第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1回轉(zhuǎn)支承的受力分析決定回轉(zhuǎn)支承壽命的主要是靜容量，因?yàn)槠涑Ｔ诘退俅筘?fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)。為了研究滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支承的受力狀態(tài)，求出滾動(dòng)體受的最大作用力，以 便與驗(yàn)算滾道與滾動(dòng)體間的接觸強(qiáng)度?；剞D(zhuǎn)支撐的座圈是一個(gè)多支點(diǎn)彈性體，主 要以滾動(dòng)體為支點(diǎn)，承受著傾覆力矩M徑向載荷Fr以及軸向載荷&的共同作用。 設(shè)內(nèi)座圈與底架固定，外座圈與轉(zhuǎn)臺(tái)固定，轉(zhuǎn)臺(tái)經(jīng)外座圈，滾動(dòng)體，內(nèi)座圈到底 架是力的傳遞路線，如下圖2.3所示。一 Qr L%77/圖3.1回轉(zhuǎn)支承受力簡圖內(nèi)外座圈間的內(nèi)力分布跟制造方法有關(guān)，為了計(jì)算的簡化，假設(shè)： 受力變形只發(fā)生在滾動(dòng)體與滾道接觸處，內(nèi)外座圈為絕對(duì)剛體；滾道與滾動(dòng)體接觸良好，無加工誤差，無徑向間隙和軸向間隙。用在滾動(dòng)體上的軸向、徑向載荷與傾覆力矩的疊加內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過分析后 得出挖掘機(jī)在直立狀態(tài)下受到的載荷為最大?？傒S向力V=23KN徑向力的分析包括了小齒輪與齒圈間嚙合力乙嚙和風(fēng)力P処和慣性作用下產(chǎn)生的離心力P肉P嚙=3xM額 xixr/xDxcosa= 43KNPg = YC x Kh x q x F = 520 公斤=5.2KN其中C風(fēng)載體型系數(shù)取0.7Kli一一高度休整系數(shù)取1q風(fēng)壓值取25公斤/m2F迎風(fēng)面“按照外傾5。來進(jìn)行計(jì)算：9002.52xl04x(6 x 4.1 + 20 x 5 + lx0.97 22x4.12 3x2.7 0.6x2.3 1.2x1.21-4x0.61)/900 1.37KN所以Ha= I)i；( + P14 + P, "5.2十 1.37十4350KN各力對(duì)回轉(zhuǎn)中心取距的傾斜力矩M為M =工 GL + 工 P離 + 工 R 嚴(yán) 391KN.m3.2靜載系數(shù)的確定一般用回轉(zhuǎn)支承的靜、動(dòng)容量來決定回轉(zhuǎn)支承的負(fù)荷能力，動(dòng)容量指回轉(zhuǎn)支 承回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)不會(huì)疲勞破壞出現(xiàn)裂紋的能力，而靜容量指回轉(zhuǎn)支承的滾動(dòng)體與 滾道接觸處在靜負(fù)荷的作用下的永久變形量之和到了滾動(dòng)體直徑的萬分之一但 不影響回轉(zhuǎn)支承正常運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)速度比較低，所以只需要計(jì)算其回轉(zhuǎn)支承的靜容量。這種回轉(zhuǎn)支承的承載角a = 45%其靜態(tài)參照載荷計(jì)算可以參照以下公式:Fa = (Fa +2Fr) Fs 258t其中Fa一軸向力Fr徑向力Fs靜載系數(shù)取1.25M =M Fs79X10*N mM一傾斜力矩計(jì)算安全系數(shù)：軸向E額定靜負(fù)荷容量為:Coa=3000KN4.5M當(dāng)量軸向載荷:Cp= D+ Gp +25Hpsinrcosr2296KN所以f嚴(yán)詈+查挖掘機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)知，安全系數(shù)在1.20-1.35之間符合設(shè)計(jì)要求3.3回轉(zhuǎn)支承的選型經(jīng)過計(jì)算初步選擇支承：QNA1600-40內(nèi)嚙合式的，模數(shù)m=12,齒數(shù)z=116.D內(nèi)團(tuán)=16000外圈=1744, N表示內(nèi)齒式，40表示滾球直徑，1600代表它的回轉(zhuǎn)滾道中心直徑為1600nmioJB2300-84給出了所選支承的承載曲線圖，圖中標(biāo)出了（F,Mz ）坐標(biāo), 并且在靜態(tài)承載力曲線下面。所以，選擇的支承型號(hào)符合要求。378035102970f -/、-一5啟92700厶008001200 1600車由向yjFa/lON圖3.1 QNA1600-40承載曲線圖確定滾動(dòng)體的數(shù)目：Z=Dn/d-0.51273.4最大接觸應(yīng)力校核滾動(dòng)體所受載荷分別為：Pv=V/z5KNPlmiax=KH/iz 1.86KN(i=l)Pmmax=KM，zD 6.8KN該支承滾珠接觸角為45度，承受的最大等效載荷為：Nmax= Pv/sin B + Plunax/cos B + Pnunax/ sin B 75KN 1928 公斤 最大接觸點(diǎn)應(yīng)力：“cc IN max 10000公斤/厘米式中：一一最大的正應(yīng)力；念一一接觸處的換算曲率半徑；1 _ 4 2cos0 1其中：電一廠"心妙一：“。?查設(shè)計(jì)手冊(cè)可知當(dāng)HB<300時(shí)久=240003000校核成立。3.5支撐連接螺栓強(qiáng)度計(jì)算(1) 連接螺栓的最大工作載荷P。計(jì)算Po=4M/iiD+Fa/n式中M傾覆力矩，根據(jù)前面計(jì)算得M=628KN.mFa一軸向力，根據(jù)前面計(jì)算得Fa =560KND一一螺栓分布圓直徑，根據(jù)回轉(zhuǎn)支承型號(hào)查得D= 1540nmin一一螺栓分布的個(gè)數(shù)，根據(jù)回轉(zhuǎn)支承型號(hào)查得n=40=2&79KN（2）連接螺栓預(yù)緊力的計(jì)算為防止座圈與支撐面之間存在間隙，提高連接螺栓疲勞強(qiáng)度，通常都設(shè)置較 大的預(yù)緊力，其大小如下：Py=kyPo （1-X）其中X-一工作載荷分配系數(shù)，對(duì)于不用彈費(fèi)墊圈的高強(qiáng)度螺栓通常取0.25ky接合面緊密性安全系數(shù)，一般取kyl.52.0,在此取2故Py=kyP0 （1-x）=43.19KN螺栓上的預(yù)緊應(yīng)力。y=10 Py / Fl其中Fl 一螺紋根部的斷面積。Fi =d2n / 4=0.252 兀 / 4=0.05N故。y=10 Py / Fl=10X15.9X 1000/0.05=3Mpa螺栓的預(yù)緊應(yīng)力通常是。y 0.50.76,其中6為螺栓的屈服極限查得螺栓的屈服極限6為15Mpa,故符合預(yù)緊力要求。（3）螺栓最大計(jì)算載荷Pj=P. + PgXX50.4KN（4）螺栓強(qiáng)度計(jì)算nt = nf = ：靜強(qiáng)度安全系數(shù)："，仟1.21.5計(jì)算 匕/人3.35疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)：% = J 七冷23計(jì)算na=a-iR/cTa =5.63.6回轉(zhuǎn)齒輪強(qiáng)度校核挖掘機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速比較低，傳動(dòng)比比較大，其回轉(zhuǎn)齒輪為開式，其主要破壞形 式為疲勞彎曲破壞，所以只需要對(duì)驅(qū)動(dòng)小齒輪做彎曲強(qiáng)度計(jì)算。計(jì)算最大彎曲應(yīng)根據(jù)力“込直齒圓柱齒輪齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算公式即匕 qxlObme(MPa)Pv運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)在分度圓上最大圓周嚙合力（KN）2Mt.p廠憶-二 2x15 _50KN0.005x12M” 一油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的額定輸出扭矩，二l5KNmm齒輪模數(shù)，m=5mmZ-小齒輪齒數(shù)，Z二12q -Q-齒形系數(shù)。根據(jù)齒數(shù)Z二12,變位系數(shù)X二+0.15,由曲線圖查得db齒寬，b二45mme -影響載荷系數(shù)，取e二1.25將上述參數(shù)代入3-6式得：50x3x2“3咖max Wbme0.045 x 0.005 x 1.25齒根疲勞極限應(yīng)力5咖： Min=FHnfYfYx/YsSFn(皿)(3.7)式中J一壽命系數(shù)，由壽命系數(shù)圖查得：人二1.9Fmin一一彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)，由表查得：Sy遇二1.5yx一尺寸系數(shù)，由尺寸系數(shù)圖查得：yx=i一相對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)，由系數(shù)圖查得：匕廣0.88由2-7式計(jì)算得:5附二525X 1. 9X1/0. 88X1. 5=755. 67MPa計(jì)算結(jié)果表明： 仏,齒根抗彎強(qiáng)度足夠。3.7回轉(zhuǎn)軸承齒輪設(shè)計(jì)3.7.1參數(shù)選擇回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)速度不是很快，其沖擊很輕微，取7級(jí)的精度，采用軟-軟齒面組合。 查表選擇小齒輪的材料為調(diào)質(zhì)處理過的40C1鋼，硬度241286HBS;大齒輪選擇 調(diào)質(zhì)處理過的材料為ZG42S1M11鑄鋼，硬度190240 HBS；粗選取厶=127, Zz=117 (參考己有的產(chǎn)品)7 =玉=凹=9.75乙 12由表取齒寬系數(shù)0d=O.6,按軟齒面齒輪對(duì)稱安裝。3.7.2齒面接觸疲勞強(qiáng)度齒面接觸疲勞強(qiáng)度的計(jì)算公式(1) 初選載荷系數(shù)，計(jì)算名義轉(zhuǎn)矩7；=3000NM由表查得使用系數(shù)心=1.75 o由圖試取動(dòng)載荷系數(shù)K=1.18。由表，按齒 輪在兩軸承中間對(duì)稱布置，7級(jí)精度，初取Kh尸1.3 o由表按齒面未硬化，直齒 輪，7級(jí)精度，広占瑪仏椰?3,初取Kh<：=1.3。K =1.75x1.18x1.3x1.1 = 2.95(2) 初選系數(shù)和參數(shù)因選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪，初選重合度系數(shù)Z-0.9,節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)Z滬2.5,查手冊(cè)確 定彈性系數(shù)Ze=188.9.齒面接觸許用應(yīng)力心卻查手冊(cè)可知:齒輪材料接觸疲勞極限應(yīng)力OM“=800MPa, <7H/f；,12=560MPa。小齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)場(chǎng)=60堿=60x680x1x10x250x16 = 1.632 X109大齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù) “2 = 60先覘=60x238x1x10x250x16 = 5.712 xlO8查手冊(cè)可知:接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù)Zn (允許有一定量點(diǎn)蝕)為：Z”尸0.95, Zn2=103。查手冊(cè)取安全系數(shù)Sh=1.800AfP>c0.95b 拠=lOMPa560x1.03疔磁=57& 8MPa(3) 齒輪分度圓直徑等主要兒何尺寸的計(jì)算0.6%泊(應(yīng)9心尸皿】=148.67nun9.75576.8b=dd1=0.4x 148.67=60iimi取小齒輪與大齒輪的寬度b嚴(yán)85mm, bz=80nun 沁丄亠=120/Z0.6x12取 m=12中心距a = m(z2 _ zJ/ 2 = 630mm分度圓直徑d = mzl = 144111m, d2 = 1404nmi基圓直徑dtA = CQsa = 135.32mm, clh2 =d2cosa= 1319.32nmi齒頂圓直徑dai = + 2ni(h + x) = 173.93mm, da2 = d2 - 2h(in-x) = 1385mm 齒根圓直徑d門=一 2/n(/i + c) = 118.8mm, dfl =d2 + 2m(h + c) = 1440nun重合度=aiccos(Jfel/Jal) = 3 8.92 a2 = arccos(Jh2 fda2)= 17.69,Z(taiid - tan)- 2(tan2 一 tana)= 1.69(4) 由計(jì)算結(jié)果來校核前面得假設(shè)正確與否21； _ 2x3x10677-144_= 41667N查手冊(cè)得瓦7"合理，取KHa =1.1因0產(chǎn)0.6, b=200, 7級(jí)精度，對(duì)稱布置，查手冊(cè)得= 1326計(jì)算載荷系數(shù)疋= 1.75x1.15x1.326x1.1 = 2.935按處768,查手冊(cè)查得乙=陰8。標(biāo)準(zhǔn)齒輪，節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)Z=2-5齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核q = ZZZJ駕:驚7 x 筈存pa = 550.6Mw<%,=576.8Mpa所以齒面接觸疲勞強(qiáng)度是安全的。3.7.3校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度其計(jì)算公式為(1) 確定載荷系數(shù)Ka =1.75, Kv =1.15, KFql =Kffa =1.1。扌妥陽=1.326, bjh = 200/18 = 11.1,查手冊(cè)怙= 1.33。則 K = KAKvKFKFa =1.75x1.15x1.33x1.1 = 2.94(2) 確定參數(shù)經(jīng)過查手冊(cè)，小齒輪齒形系數(shù)丫用1=2.18,大齒輪齒形系數(shù)丫用2 =2.1。查手冊(cè)可知；小齒輪應(yīng)力修正系數(shù)7=1-8,大齒輪應(yīng)力修正系數(shù)重合度系數(shù)緯=0.75/ = 0.25 + 0.75/1.68 = 0.70。(3) 確定彎曲疲勞許用應(yīng)力彎曲疲勞許用應(yīng)力查取齒輪材料彎曲疲勞極限應(yīng)力= 300 倔& Flim2 = 240倔d9O查得計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度的壽命系數(shù)：=0-88,= -9:取應(yīng)力修正系數(shù) 冷=2；查手冊(cè)查得尺寸系數(shù)卩=1,安全系數(shù) 廠=13。300x0.88x1x21.25=ATI A MPa240MD x0.9xl><21 25= 3A5.6MFa(4) 校核齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度 比較aFPL按大齒輪來校核=16.82MPa < <r陪=3.6MPa彎曲疲勞強(qiáng)度足夠。3.8轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析圖3.2轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性3. & 1起動(dòng)加速過程圖3.3起動(dòng)泵時(shí)w與t關(guān)系圖3.4泵起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)角與t關(guān)系在考慮啟動(dòng)階段的回轉(zhuǎn)阻力時(shí)，忽略風(fēng)與在傾斜度比較大的坡道上作業(yè)的 影響，摩擦阻力矩比較小，占不到總起動(dòng)力矩的百分之五，所以可以忽略而只考 慮慣性阻力矩。假定起動(dòng)力矩在起動(dòng)的時(shí)候一直不變：孑=常數(shù)（rad/s）（3-1）J根據(jù)式3-1和圖3.3的坐標(biāo)系建立角速度畋對(duì)時(shí)間t的微分方程其通解cox = t + C當(dāng)/ = 0時(shí),=0,解得C = 0固特解當(dāng)f = 時(shí)叭=%(3-2)iad/s)(3-3)(s)(3-4)根據(jù)式3-2和圖3.4的坐標(biāo)系建立較代.對(duì)時(shí)間t的微分方程其通解2 =丿叫(rad) 2J 2Msk(6-5)當(dāng)/ = 0時(shí)，0 = 0,解得c = o固特解2J當(dāng)(=0 時(shí)，(px = (pQ起動(dòng)過程所耗功A = Msk5Q = ”J 叭(6-6)起動(dòng)過程所耗功率N = Mska)Q (W)(6-7)式中： J 滿斗回轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg m2 )3q、(Pq、Iq分別是滿斗回轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)臺(tái)角速度(lad/s) 轉(zhuǎn)臺(tái)角(rad)、起動(dòng)時(shí)間(s)3. 8. 2制動(dòng)減速過程圖3.5表示釆用液壓制動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行液壓制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力矩的變化。這時(shí)，通 液壓泵與油箱的油路被斷開，油壓開始呈升高的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)生的慣性導(dǎo)致 馬達(dá)的作用變?yōu)榱吮玫淖饔?，如果壓力低于制?dòng)閥調(diào)定的壓力，馬達(dá)就開始 制動(dòng)。在考慮制動(dòng)階段的回轉(zhuǎn)阻力時(shí)，忽略風(fēng)與在傾斜度比較大的坡道上作業(yè)的 影響，摩擦阻力矩比較小，占不到總起動(dòng)力矩的百分之五，所以可以忽略而只考 慮慣性阻力矩。假定制動(dòng)力矩在制動(dòng)的時(shí)候一直不變：M k.=_血=常數(shù)(rad/s： (3-8)J圖3. 5實(shí)測(cè)下轉(zhuǎn)臺(tái)的制動(dòng)力矩變化圖3. 6制動(dòng)時(shí)w與t關(guān)系根據(jù)式3-8和圖3.6的坐標(biāo)系建立角速度軸對(duì)時(shí)間切的微分方程dcoB _ M BkdT = T其通解 =業(yè)o+c當(dāng)4=4時(shí) = 0解得C = 豐.固特解 =-仇-。)(rad/s) (3-9)當(dāng)=0 時(shí)，coB = coQ 即(3-10)(3-11)MskC(3-12)根據(jù)式3-9和圖3.7的坐標(biāo)系建立轉(zhuǎn)角海對(duì)制動(dòng)時(shí)間切的微分方程其通解M Rk z、亍小Qu2J Uz fB)+Cdt當(dāng)_ = 0時(shí)如一0解得篤故特解丄Ml i宀Ml如一 2； H 2；圖37轉(zhuǎn)臺(tái)制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)角與t關(guān)系M k0=寸心(嗣(3-13)2MHk(md)(3J4)2MskC(rad) (3-15)3. & 3勻速過程轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)的時(shí)間比較長，轉(zhuǎn)角比較大時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)勻速過程，設(shè)為轉(zhuǎn)臺(tái)只朝一個(gè)方向回轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)角，代.為勻速階段的轉(zhuǎn)角，。為勻速回轉(zhuǎn)過程的時(shí)間，則J(xro 11蚣+如”-茹；(廠岳)(3-16)費(fèi) G+$)(3-17)3. & 4空斗時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)返回過程對(duì)于空斗返回的過程，上面的公式雖然是在滿斗回轉(zhuǎn)狀態(tài)下導(dǎo)出的，只要將滿斗時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量丿換為人并選取不同的,就可以沿用上述公式。（一）對(duì)于用三角形速度圖 Msk(3-18)(3-19)f =人猛ax z _ MskC(3-21)(3-20)（二）對(duì)于梯形速度圖J。叭2M壯(3-22)JQo 11g) g)2M5J。叭2MHk(3-24)J EqAM(3-25)(3-26)J3qMskC(3-27)通過以上的計(jì)算分析，我們的出了回轉(zhuǎn)平臺(tái)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、角加 速度、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間等一系列轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的計(jì)算公式，這為后面我們得出具體的數(shù)據(jù)奠 定了基礎(chǔ)。3.9轉(zhuǎn)臺(tái)最佳速度的分析計(jì)算為了確定轉(zhuǎn)臺(tái)的最佳轉(zhuǎn)速，我們就需要知道確定最佳轉(zhuǎn)速的原則，那就是在經(jīng)常使用的轉(zhuǎn)角范圍之內(nèi)，在角加速度和回轉(zhuǎn)力矩不超過允許值的情況下，應(yīng)盡 可能縮短回轉(zhuǎn)時(shí)間。另外，最佳轉(zhuǎn)速也與轉(zhuǎn)臺(tái)速度的圖是什么有關(guān)。一般常用具有勻速運(yùn)動(dòng)階段 的梯形速度圖和無勻速運(yùn)動(dòng)階段的三角形速度圖推導(dǎo)轉(zhuǎn)臺(tái)最佳轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式。 下面我就這兩種不同形式的速度圖加以具體介紹：3. 9.1具有勻速運(yùn)動(dòng)階段的梯形速度圖的轉(zhuǎn)臺(tái)計(jì)算分析回轉(zhuǎn)循環(huán)時(shí)間："（Q+fJ + CA +） + （z +z）Msk%MskC2MS k Ck 3q(3-28)(IT2見；P %所以,(3-29)(3-30)"僉0,所以代入上式中可得卩（1 +刃（廠胡所以,Ms =M skcoQ1000。1000N(KW)(N m)將上式代入628中可得，了=處沁丄+丄2xl000N k Ck %再將% =申=害0代入上式中,丿0（1 +久）（1+己(3-33)式中：N 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所需液壓功率（KW）。一回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總效率；1仏3，其中“I為回轉(zhuǎn)支承效率；“2為減速 器效率；仏為液壓馬達(dá)效率（包括容積效率和機(jī)械效率）；（這里我們?nèi)? = 0.95,095, 3 = 95）2 = = 1.6-1.&這里取為 1.78；J A0、0轉(zhuǎn)角,0的單位為弧度，0的單位為度。3. 9.2具有無勻速運(yùn)動(dòng)階段三角形速度圖的轉(zhuǎn)臺(tái)最佳速度計(jì)算分析對(duì)于定量泵驅(qū)動(dòng)空斗單向回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角(rad) (3-34)(3-35)3呼7(廣/mm) (3-35)以Ms =1000N代入式6-34中得丿。心20002。吩)(3-36)所以,2000嘗陽“)人(1 + )(6-37)或，max = 3.121 1QQQA/o(r/miii) (3-38) 在這種情況下，我們知道力何。丄+丄丿何丄*丄2MS k Ck 2Ms k Ck所以,(3-39)回轉(zhuǎn)循環(huán)時(shí)間傀I他I丿0% |丿0%MSK MSKC MSK MsKCp+K+1)篩(3-40)至此，分別用具有勻速階段的梯形圖和沒有勻速階段的三角形圖的最佳轉(zhuǎn)速 的計(jì)算分析我們己經(jīng)全部完成了，用正確的運(yùn)用上述公式代入相關(guān)的數(shù)據(jù)，即可 得到我們所需要的參數(shù)。3.10回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇計(jì)算轉(zhuǎn)臺(tái)最佳轉(zhuǎn)速的時(shí)候，要先做好回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析，確定轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)角范圍與起動(dòng)、制動(dòng)力矩等參數(shù)。3.10.1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算對(duì)于反鏟的方式，由經(jīng)驗(yàn)公式得：滿斗回轉(zhuǎn)時(shí)：丿= 128G亍空斗回轉(zhuǎn)時(shí)：人= 72G由設(shè)計(jì)任務(wù)書我們知道，G = 10t代入上式可得：滿斗回轉(zhuǎn)時(shí)：丿= 59412.3 Nms，空斗回轉(zhuǎn)時(shí)：丿o = 33419.4 Nms，所以，2 = 2_ = 1.78，式中G單斗液壓挖掘機(jī)的整機(jī)重量(t).丿0310 2回轉(zhuǎn)所需起動(dòng)力矩和制動(dòng)力矩估算行走系統(tǒng)跟地面摩擦產(chǎn)生的力矩應(yīng)該超過回轉(zhuǎn)最大啟動(dòng)與制動(dòng)力矩。當(dāng)機(jī)械 制動(dòng)時(shí)可取Mr = 0.80.9%,僅靠液壓制動(dòng)時(shí)可取Mb = 0.50.7M。貯為作用在 轉(zhuǎn)臺(tái)上的最大制動(dòng)力矩。行走系統(tǒng)與地面摩擦產(chǎn)生的力矩可按下面公式計(jì)算：44他=4910疝=4910x0.5x10了 =52891.371 (N m)式中：G挖掘機(jī)總重(t).0附著系數(shù)，對(duì)平履帶板取0.3,對(duì)帶筋履帶板取0.5由于本設(shè)計(jì)采用的是機(jī)械制動(dòng)。所以Mr = 0.85M? = 0.85x52783.68 = 44866.13 (N m)對(duì)于機(jī)械制動(dòng)，一般取C = 1.6 ,因?yàn)镃 = * ,所以 Ms叫 44957.665 nonno -吊、仏=-=28098.Ml (N m)5 1.6 1.66.3.3轉(zhuǎn)角的選取從上面的計(jì)算最佳轉(zhuǎn)速的公式可以看出，當(dāng)M、J、C、k這些參數(shù)確定后，轉(zhuǎn)角 決定了轉(zhuǎn)臺(tái)的最佳轉(zhuǎn)速，所以選取比較合適的轉(zhuǎn)角很重要。一般情況下，中小型液 壓挖掘機(jī)轉(zhuǎn)角范圍在75,135之間，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)角選擇在90120之間比較適當(dāng)，結(jié)合 本設(shè)計(jì)實(shí)際情況，這里選取0 =竺龍= 1.832md,即0 =105。1803.11回轉(zhuǎn)速度和時(shí)間的計(jì)算按兩種方法進(jìn)行計(jì)算：（-）按三角速度圖計(jì)算1. 液壓馬達(dá)所需功率空魚=2809&541x0.904108=32 96冊(cè)10001000x0.85式中： M= 28098.541NmK = 0.90o=0.852. 轉(zhuǎn)臺(tái)最佳轉(zhuǎn)速= 3.121x=3.121x1OOOxNx0 xo丿o x (1 + 刃 x (1 + 2)1000x70.5x120x0.8532751.01x(1 + 1.78)x(1 +J-)= 11.39(r/niiii)式中:0。= 105J=59412.3N-m - s2C = l63回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)速比n40i =二-3.M2"max11.39由此得7t30max=l192md/$由此得 Ms = 13410 x3.512 x0.95 x0.95 = 42504 .07 > %二26109. 4 Nm s則 Mh =MsxC = 29233 x 1.384 = 40458 .5Nm，> M7 = 40014 .6 Nmej2所以，馬達(dá)選取是合理的。4.校核最佳轉(zhuǎn)速C = l6C = l6S = 3.121max3lOOON0o人（1+右）C = l6C = l6= 3.1211000x32.96x105x0.8533419.4x（1 +丄）11.6=11.809/7 niui式中：k = 0.90與前計(jì)算的最佳轉(zhuǎn)速基本相等，固選取合理。5.滿斗單向最大速度coQ =2" = 0.926 rad / s1.786.回轉(zhuǎn)循環(huán)時(shí)間T = tQ+tz+tQ+tzJ% | J % | 丿% | 丿%MSK MSKC MSK MSKCp+K+1）徐（6-40）=（1+厶）（喬+1）i.o33419.4x1.23628098.541x0.9= 4.84(5)7.各階段的延續(xù)時(shí)間，角加速度和轉(zhuǎn)角廠/r廿20丘 攀“37md/F<T=1 007iadj_ = 260s z MskC(P a二=gJmax2Msk _109 13dJqCD max2MBk *631 rad（二）按梯形速度圖計(jì)算1.轉(zhuǎn)臺(tái)最佳轉(zhuǎn)速認(rèn)= 3.121max$10002。川+右）1000x32.96x105x0.851.236= 0.926rad / s= 3.12133419.4x(1 +亠 11.6= 11.809i7nuii2.回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)速比n=40 - 3.607/?nux11.809由此得Ms = 6246x8.697x0.95x0.95 = 36843 NM > 29233NM 所以，轉(zhuǎn)矩沒有問題。3. 校核6.37Ms0。max6.37x36843x1001 38037.3 x (1 + 1.77)(丄 + )V0.85 1.384x0.85= 11.42 引/min與前面計(jì)算的最佳轉(zhuǎn)速有不小的差距，所以對(duì)于本次設(shè)計(jì)，采用這種計(jì)算方 法不太合適，還是采用第一種三角形速度圖無勻速階段的計(jì)算方法較為合適。對(duì) 于，梯形圖速度法，這里就不再繼續(xù)計(jì)算了。4.回轉(zhuǎn)循環(huán)時(shí)間T = tQ+tZ+tQ+tZ =J CDnJ COn J mJ a一L + J + o z + o z = 4.84(5) MSK MSKC MSK MSKC第四章回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件有限元分析4.1有限元分析介紹4.1.1有限元方法介紹有限元法是將連續(xù)介質(zhì)離散為有限多個(gè)單元來進(jìn)行分析計(jì)算的方法。它是 1960年由美國的Clough （克拉夫）在首先提出使用的。40多年來，該方法己由 由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定性問題、動(dòng)力學(xué)問題和波動(dòng)問題分析的對(duì)象由彈性材 料擴(kuò)展到塑性、粘塑性和復(fù)合材料等，彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到板殼問題、空間 問題，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)熱傳導(dǎo)學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域。有限元法（fem）是 一個(gè)CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程、計(jì)算機(jī)輔助工程）是一個(gè)重要的分支,它是提高產(chǎn)品 性能，加快產(chǎn)品開發(fā)過程的有效方法,從分析的角度來解決問題的總體性能及其 相關(guān)產(chǎn)品，解決濫用在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造過程中，使用該技術(shù)產(chǎn)品的各種工況進(jìn) 行了分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體性能，并改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì),提高產(chǎn)品性能。有限元法（FEM） 和強(qiáng)大的分析功能，與此同時(shí),許多如Pro / E、UG、CATIA具有非常強(qiáng)大的造型 功能結(jié)合的優(yōu)勢(shì)都使用，可以很容易地和迅速實(shí)現(xiàn)了 CAD軟件建立三維模型，運(yùn) 動(dòng)模擬機(jī)制，然后將其導(dǎo)入有限元分析軟件,該模型（FEM）進(jìn)行分析。如果要進(jìn)行 修改，只需要改其中一部分就行。通過使用有限元法（fem）分析機(jī)構(gòu)，可以獲得整 體，部分在各種各樣的信息，如變形、應(yīng)力分布狀況，在實(shí)用的前提下，系統(tǒng)或組件 可以判斷是否符合要求,發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)哪些方面需要修改，以優(yōu)化系統(tǒng)與其 他傳統(tǒng)的力學(xué)方法相比，有限元方法有許多優(yōu)點(diǎn)：1）可以分析的形狀非常復(fù)雜，不均勻的各種實(shí)際工程結(jié)構(gòu)；2）可模擬各種復(fù)雜的材料本構(gòu)關(guān)系、條件和荷載；3）可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析；4）由于預(yù)處理和后處理技術(shù)的發(fā)展可以大量的方案的比較分析，并迅速圖計(jì) 算結(jié)果，從而優(yōu)化項(xiàng)目計(jì)劃。用有限元進(jìn)行分析的基本步驟：1）對(duì)象離散化。根據(jù)需要和計(jì)算精度來將分析的對(duì)象離散為有限多個(gè)單元, 一般來說,單元分裂更詳細(xì)的規(guī)則描述變形情況更準(zhǔn)確地說，越接近實(shí)際變形，但 計(jì)算量就越大。2）單元特性分析。首先位移模式的選擇。有限元法（fem）通常采用位移法，因 此應(yīng)該合理的選擇方式的位移（位移函數(shù)）。然后分析了單元的力學(xué)性能?；趩?元的材料特性、形狀、大小、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、位置及其意義，并找出節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位 移之間的關(guān)系，即元素剛度矩陣派生,這是一個(gè)關(guān)鍵步驟的分析。最后計(jì)算等效節(jié) 點(diǎn)力。單元邊界上的表面力、體積力或集中力相當(dāng)于轉(zhuǎn)移到節(jié)點(diǎn)，也是使用等效 節(jié)點(diǎn)力，而不是所有單元上的力。3）單元組集。利用結(jié)構(gòu)力的邊界條件和平衡條件把各個(gè)單元按原來的結(jié)構(gòu) 重新聯(lián)結(jié)起來，形成整體剛度矩陣。4）求解未知節(jié)點(diǎn)位移。解出有限元方程求出節(jié)點(diǎn)位移，然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移 來求出別的未知量。與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用有限元法也被快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng) 用?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由于其惡劣的工作環(huán)境和復(fù)雜的力量,傳統(tǒng)力學(xué)方法分析了力學(xué)的 應(yīng)用程序不能完全滿足設(shè)計(jì)的需要。應(yīng)用有限元法（fem）分析，可以應(yīng)用程序中的 挖掘機(jī)的理論分析各種問題的力學(xué)和工程數(shù)值模擬,將挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)和改善起到 很大的推動(dòng)作用。4.1.2 ANSYS軟件介紹ANSYS軟件是能進(jìn)行流體、結(jié)構(gòu)、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)的耦合場(chǎng)分析的大型通用有 限元分析軟件。它是由美國ANSYS公司開發(fā)的可以與大多數(shù)CAD軟件接口，實(shí) 現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換，比如Pro /工程師,NASTRAN軟件,Alogor,i - deas,AutoCAD,等, 是一種先進(jìn)的CAD工具在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)o ANSYS軟件是美國核安全局（NQA）、 美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）以及近二十種專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件, 它還是是第一個(gè)通過IS09001質(zhì)量認(rèn)證的大型設(shè)計(jì)軟件。在國內(nèi)被國務(wù)院17個(gè) 部委推廣使用。一般的機(jī)械結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，受到較多負(fù)載的情況下，理論分析 比較難以解決，要想解決的話，就必須要釆用數(shù)值模擬的方法來簡化機(jī)構(gòu)再進(jìn)行 分析。由于電腦工業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的軟件也應(yīng)運(yùn)而生,ANSYS軟件廣泛應(yīng)用于工 程、機(jī)械、電氣、民事、電子、航空等領(lǐng)域的使用，可以實(shí)現(xiàn)一定程度的信譽(yù)，贏 得了社會(huì)各界的好評(píng)。用該軟件，即能節(jié)省成本乂能縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。到80年代 初,一些大的國際工程面向有限元通用軟件主要包括:ANSYS, NASTRAN, ASKA, ADIN A, SAP等。今天的9.0版本跟1971年的最初版本有了很大不同,最初版本只能提供熱與結(jié)構(gòu)線性分析，現(xiàn)在可用來求流體、結(jié)構(gòu)、電磁場(chǎng)、電力 及碰撞等問題。它將有限元、優(yōu)化技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)完美結(jié)合，包含了前后置 處理與各種解題程序，它己然成為了解決現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的工具之一。4.2結(jié)構(gòu)有限元分析流程Pio/MECHANICA STRUCTURE結(jié)構(gòu)分析軟件包，包含兩種工作方式，即就是: 限元模式(FEM-Mode) T.作流程，基本模式(Native-Mode)工作流程，有，如圖4.1 和4.2所示。該軟件包可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化。(創(chuàng)建模型1、創(chuàng)建Pw/E模型并簡化模熨。2、系統(tǒng)單位定制。3、分配材質(zhì)、載荷.約束、曲而區(qū)域和測(cè)氐4、添加理想化模型(例如：梁、薄殼、彈贊等)。 電網(wǎng)格檢測(cè)。(Ak創(chuàng)建Pm/E模型并簡化媲。2、系統(tǒng)單位定制。3、分配材質(zhì)、載荷、約束、曲而區(qū)域和測(cè)晟。4、添加理想化模旳(例如：梁、薄殼、彈贊等)5、添加焊接、連接和默認(rèn)界面類型等o匕定義分析。丿設(shè)計(jì)變更1、定義設(shè)計(jì)參數(shù)。2、獲取形狀、屬性信息。Z/7優(yōu)化分析z模旳分析1、創(chuàng)建分析。2、運(yùn)行分析。3、獲取結(jié)果。1、創(chuàng)建敏感度和優(yōu)化研究。2、分析研究。3、獲取分析結(jié)果。定義分析 k助網(wǎng)格控制O2、創(chuàng)建網(wǎng)格。3、預(yù)覽并修正網(wǎng)格。z解決方案1、輸岀網(wǎng)格到Nafttran Ansys等專業(yè)分析 軟件中分析。2、預(yù)覽并輸出網(wǎng)格。3、進(jìn)必要分析,4、獲取分析瞬.圖4. 1基本工作流程圖4. 2有限元模式的工作流程基本工作模式將使用NECHANICA的適配型P碼功能，它可以讓用戶創(chuàng)建材料、 連接、約束、載荷、測(cè)量等模型圖素并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后利用自己的求解器來 找出解決問題得方法。FEM模式則使用MECHANICA的有限元模型功能來取代P碼功能，該功能可以創(chuàng) 建約束、載荷和理想化等FEM模型圖素，同時(shí)也可使用H碼元素將模型網(wǎng)格化, 然后再運(yùn)行第三方有限元軟件(如：NASTRAN、ANSYS、ABAQUS等)來進(jìn)行預(yù)覽，分 析并獲取分析結(jié)果。本論文將按照有限元分析工作流程，利用Pro/MECHANICA STRUCTURE結(jié)構(gòu)分 析軟件包，完成對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)分析和評(píng)估。4.3齒輪的結(jié)構(gòu)有限元分析（1）因?yàn)辇X輪是軸對(duì)稱的零件，而且受到的載荷也是對(duì)稱的，所以將 Pro/Engineer中建立的齒輪模型截取一個(gè)齒模型導(dǎo)入Pro/MECHANICA中進(jìn)行計(jì) 算。（2）設(shè)置齒輪材料屬性選用齒輪彈性模量E二206GPa,材料為40Cr;密度P =7. 82 X 10-6kg/mm3;泊松 比u =0. 3o同時(shí)將材料屬性分配給齒輪模型。（3）添加約束條件對(duì)齒輪采取靜力分析，選取兩側(cè)面為對(duì)稱面,分別對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向上的平 動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行約束，其過程底面進(jìn)行約束。（4）施加載荷提取其中一個(gè)直齒進(jìn)行分析，在齒輪齒面嚙合線上建立局部坐標(biāo)系，齒根所 受彎曲應(yīng)力是最大的時(shí)候是嚙合到齒頂時(shí)，所以將載荷加載在極限位置的齒頂 處。將齒面上的法向載荷Fn在節(jié)點(diǎn)處分解為2個(gè)相互垂直的徑向力Fr與圓周力 Ft兩個(gè)分力。該齒輪實(shí)際傳遞的最大扭矩T二20062N -m,齒輪壓力角a =20標(biāo)準(zhǔn) 值。則徑向力Fr二Fttana二3467 N,圓周力Ft= 2T/d= 9526 N,加載結(jié)果。（5）建立分析文件類型分析有限元模式選擇中使用的“結(jié)構(gòu)”（結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，可以計(jì)算出位 移、結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和力參數(shù)，如計(jì)算的過程中，該求解器可以判斷每一個(gè)單元 的非線性邊界應(yīng)力連續(xù)性是否達(dá)到了單元階次標(biāo)準(zhǔn),并在計(jì)算結(jié)果中給出應(yīng)力誤 差報(bào)告，從精度和計(jì)算速度方面都比較合適。圖4. 3創(chuàng)建有限元分析（6）有限元網(wǎng)格劃分通過Pro / MECHANICA AutoGEM（自動(dòng)網(wǎng)格行分隔符）工具來進(jìn)行有限元網(wǎng) 格自動(dòng)劃分。AutoGEM可根據(jù)兒何參考來劃分網(wǎng)格。本文直接了選取直齒輪幾何 實(shí)體進(jìn)行劃分，在劃分過程中設(shè)置控制參數(shù)并用四面體網(wǎng)格來完成，如圖4.4所 示。圖4. 4創(chuàng)建網(wǎng)格對(duì)該回轉(zhuǎn)齒輪輪齒共設(shè)置了 2840 elements and 751 nodeso（7）網(wǎng)格檢測(cè)劃分網(wǎng)格后，系統(tǒng)彈出了如圖4. 5的對(duì)話框，設(shè)置對(duì)話框的各個(gè)選項(xiàng)后，單 擊“Check”按鈕就可以檢測(cè)網(wǎng)格精度，可以看到模型中創(chuàng)建的變形小于0. 400000 的單元只有3%,中比例小于0. 100000的單元只有2%,長寬比大于7. 000000 單元沒有。所以可以看出，只有少數(shù)精度較差的單元，劃分的網(wǎng)格精度基本符合 要求。圖4. 5網(wǎng)格檢測(cè)結(jié)果（8）運(yùn)行分析求解在求解過程中ProAECHANICA給了七種求解器，即ANSYS模式、DisplayOnly 模式、COS-MOS/M模式、NASTRAN模式、SUPERTAB模式、PATRAN模式，本文選擇 ANSYS模式作為有限元的求解器，可以輸出ANSYS軟件識(shí)別的分析結(jié)果文件，如 圖 4. 6。圖4. 6有限元求解（9）顯示并獲取計(jì)算結(jié)果求解完畢后輸出you_madachilun_fuben. ans格式齒輪文件并保存，就可利用 ANSYS軟件直接輸出結(jié)果。輸出的結(jié)果中包括了靜力分析的各種物理量，例如:位 移、應(yīng)力、應(yīng)變能、應(yīng)變