機械潛孔鉆機底盤設(shè)計作業(yè)

1、 潛孔鉆機底盤設(shè)計 學院：機電工程學院 班級： 機械1214班 學號：asdasdsassad 姓名： sdasda 潛孔鉆機底盤設(shè)計摘 要：履帶式底盤的結(jié)構(gòu)特點和性能決定了它在礦山機械作業(yè)中具有明顯的優(yōu)勢。根據(jù)礦山環(huán)境對潛孔鉆機的要求，進行履帶式潛孔鉆機底盤的設(shè)計。項目研究對提高礦山設(shè)計水平和礦山機械化技術(shù)水平具有重要意義。該研究應(yīng)用礦山機械學、礦山工程學、機械設(shè)計、機械原理等理論，對履帶式行走底盤的驅(qū)動行走系統(tǒng)進行了理論分析與研究，完成了履帶底盤主要工作參數(shù)的確定和力學的計算。1、 設(shè)計任務(wù)書1.1.1 總體設(shè)計依據(jù)履帶式底盤是機器的重要部件，它對整個裝置起著支撐作用。所以根據(jù)現(xiàn)有工業(yè)的履

2、帶機械（挖掘機）再結(jié)合礦用的履帶（潛孔鉆機）對整個裝置進行較完整的配合與加工等一系列的設(shè)計。1.1.2設(shè)計要求在現(xiàn)有的機械資料的基礎(chǔ)上，充分考慮到實際的要求，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)的緊湊及其配合的合理。同時，要對應(yīng)該計算的部分進行必要的計算，但是實際的情況有所不同，應(yīng)該根據(jù)實際作為標準結(jié)合計算的數(shù)據(jù)進行綜合考慮，爭取找到比較好的方案和結(jié)構(gòu)。本設(shè)計采用現(xiàn)在相關(guān)工業(yè)機械上的一些底盤設(shè)計與實物作為參考，綜合考慮底盤結(jié)構(gòu)，使其可以在不同的地域都可較好的支撐機體使其可以正常的工作。本設(shè)計對驅(qū)動輪、支重輪、導向輪的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，使整個底盤結(jié)構(gòu)較好的適應(yīng)多山的環(huán)境。1.1.3設(shè)計內(nèi)容（1）產(chǎn)品的用途估計；（2）主要技術(shù)

3、參數(shù)、性能參數(shù)的確定；（3）履帶底盤結(jié)構(gòu)分析及其確定；（4）行走裝置的設(shè)計；（5）履帶車輛相關(guān)性能的計算和確定；（6）重要零部件的設(shè)計及校核。1.2 產(chǎn)品的用途本次設(shè)計的履帶底盤是對相應(yīng)小功率礦山機械使用的。目前這個設(shè)計主要是考慮在多山及碎石條件下使用，比如用在露天礦場等機械平臺上。一些地區(qū)，如山區(qū)，丘陵等難以行走的復雜地面有著較好的普及潛力。同時，它可以提高相關(guān)作業(yè)的效率，有效的提高的礦山作業(yè)的效率。1.3 產(chǎn)品的主要技術(shù)指標與主要技術(shù)參數(shù)這里參照小型礦山機械履帶底盤設(shè)計的指標及參數(shù) 柴油機驅(qū)動 2200r/min 快速 3.6km/h 慢速 1.8km/h 整機質(zhì)量 2300kg1.4 設(shè)

4、計的關(guān)鍵問題及其解決方法設(shè)計的關(guān)鍵問題是在保證正常工作條件下，其結(jié)構(gòu)盡可能的簡單方便。同時，要注意結(jié)構(gòu)的合理性與正確性。本次設(shè)計采用六角螺母的定位方法，使其在結(jié)構(gòu)上基本一致，同時結(jié)構(gòu)也緊湊的連接，初步達到設(shè)計的目的。還有，對于履帶轉(zhuǎn)向的控制，主要是通過設(shè)置主動輪的運動，采用單邊離合的方式，以某一邊為中心進行轉(zhuǎn)向。2 設(shè)計方案的比較分析與選擇2.1 行走底盤方案底盤可以分為履帶式與輪式，輪式底盤運用較廣，但是它的牽引附著性能差，在坡地、粘重、潮濕地及沙土地的使用受到一定的限制。雖然大功率輪式潛孔鉆機具有輪距調(diào)整方便、軸距長、質(zhì)量分配均勻、充氣輪胎有減振性,行駛中地面仿形性好, 振動小、運輸速度快

5、,綜合利用率高等優(yōu)點，但是不適于低濕地作業(yè)。而且,引進國外的具有世界先進技術(shù)水平的大功率輪式潛孔鉆機,價格和維修費用都較高。履帶底盤又分為金屬履帶底盤和橡膠履帶底盤。金屬履帶拖拉機牽引力大，適合重負荷作業(yè)(如鉆等)，接地比壓小, 綜合利用程度較高。但其主要缺點是在潮濕和砂性土壤上行走裝置,如支重輪、導向輪、托帶輪及履帶板(俗稱三輪一板)磨損較快, 維修費用高,作業(yè)速度較慢,隨著公路網(wǎng)發(fā)展,金屬履帶拖拉機轉(zhuǎn)移越發(fā)困難,使用不便。橡膠履帶拖拉機采用方向盤操縱的差速轉(zhuǎn)向機構(gòu),可控性強,機動靈活,轉(zhuǎn)彎更省力,履帶接地面積大,并有減振效果,乘坐舒適,由于接地比壓低,對地面破壞程度輕,尤其適于低濕地作業(yè),

6、并可大大提高作業(yè)速度,改善道路轉(zhuǎn)移適應(yīng)性。橡膠履帶壽命長，維修保養(yǎng)費用和轉(zhuǎn)移運輸費用低。 綜合考慮潛孔鉆機工作的地方多山多巖石的工礦環(huán)境，因此多采用金屬結(jié)構(gòu)式履帶。2.2 履帶行走裝置的設(shè)計 2.2.1 履帶行走裝置的結(jié)構(gòu)組成及其工作原理履帶行走裝置有“四輪一帶”（驅(qū)動輪、支重輪、導向輪、拖帶輪及履帶），張緊裝置和緩沖彈簧，行走機構(gòu)組成。如圖1所示。 1-履帶；2-驅(qū)動輪；3-托帶輪；4-張緊裝置；5-緩沖彈簧；6-導向輪；7-支重輪；8-行走機構(gòu)；履帶行走機構(gòu)廣泛應(yīng)用于工程機械、拖拉機等野外作業(yè)車輛。行走條件惡劣，要求該行走機構(gòu)具有足夠的強度和剛度，并具有良好的行進和轉(zhuǎn)向能力。履帶與地面接觸

7、，驅(qū)動輪不與地面接觸。當馬達帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動時，驅(qū)動輪在減速器驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的作用下, 通過驅(qū)動輪上的輪齒和履帶鏈之間的嚙合, 連續(xù)不斷地把履帶從后方卷起。接地那部分履帶給地面一個向后的作用力, 而地面相應(yīng)地給履帶一個向前的反作用力, 這個反作用是推動機器向前行駛的驅(qū)動力。當驅(qū)動力足以克服行走阻力時, 支重輪就在履帶上表面向前滾動, 從而使機器向前行駛。整機履帶行走機構(gòu)的前后履帶均可單獨轉(zhuǎn)向，從而使其轉(zhuǎn)彎半徑更小。2.2.2 履帶 履帶工作條件惡劣，必須具備足夠的強度和剛度，耐磨性能要求良好，質(zhì)量較輕以減少金屬的消耗量，并減輕履帶運轉(zhuǎn)時的動載荷，履帶和地面要有良好的附著性能，保證能發(fā)出足夠的牽引力，還

8、要考慮減少行駛及轉(zhuǎn)向的阻力。根據(jù)設(shè)計方案，本機初定整機質(zhì)量為2300kg，選擇金屬履帶總條數(shù)為2條。2.2.3 驅(qū)動輪在履帶作業(yè)機械上，多數(shù)都是把驅(qū)動輪布置在后方，這樣布置的優(yōu)點是可以縮短履帶驅(qū)動區(qū)段的長度，減少因驅(qū)動力造成履帶銷處的磨擦損失，延長了履帶的使用壽命，且不易造成履帶下部拱起，避免了轉(zhuǎn)向時履帶脫落的危險，有利于提高行走系統(tǒng)效率。驅(qū)動輪中心高度應(yīng)有利于降低重心（或車身）高度和增加履帶接地長度，改善附著性能，因此驅(qū)動輪高度應(yīng)盡量小。本設(shè)計選擇驅(qū)動輪后置，齒數(shù)為，如下圖所示 圖2 驅(qū)動輪圖Figure 2 Driving wheel figure則驅(qū)動輪直徑 式中：-履帶節(jié)距。2.2.4

9、 導向輪、支重輪和托帶輪導向輪的前后位置根據(jù)驅(qū)動輪位置而定，通常布置在前面。導向輪用于引導履帶正確繞轉(zhuǎn)，可以防止跑偏和越軌，導向輪中心離地面高度應(yīng)有利于降低重心。本設(shè)計選擇導向輪前置，其直徑比驅(qū)動輪直徑略小，即 支重輪的個數(shù)和布置應(yīng)有利于使履帶接地壓力分布均勻。農(nóng)業(yè)用行走機構(gòu)工作多在山區(qū)或丘陵地區(qū)，路面多為土路，履帶裝置需要較小的平均接地比壓，支重輪的壓力要分配均勻。因此，對于小型農(nóng)用履帶拖拉機應(yīng)采用直徑較小的多個支重輪。本設(shè)計選用8個支重輪，其直徑。支重輪的排列應(yīng)考慮機器的平穩(wěn)性，兩支重輪之間的距離s一般為1.5，取s=150mm,其目的是保證行走裝置在任何時候都有支重輪作用在履帶的鐵齒上，

10、從而減少或消除機器行走過程中的起伏落差，提高機器行走的平穩(wěn)性，減少行駛阻力。托帶輪的作用是拖住履帶，防止履帶下垂過大，以減少履帶在運動中的振跳現(xiàn)象，并防止履帶側(cè)向滑落。托帶輪與支重輪相似，但其所承受的載荷較小，工作條件較支重輪要好，所以尺寸較小。本設(shè)計選用2個直徑為100mm的托帶輪。2.2.5 張緊裝置 張緊裝置的緩沖彈簧必須有一定的預壓量，使履帶中產(chǎn)生預張緊力。其作用是前進時不因稍受外力即松弛而影響履帶銷和驅(qū)動輪齒的嚙合，倒退時能產(chǎn)生足夠的牽引力，確保履帶銷和驅(qū)動輪齒的正常嚙合。張緊彈簧由于裝置的反沖作用，在右方頂著導向輪使其在工作過程中，始終保持一定的張緊狀態(tài)，從而使履帶張緊導向輪導向。

11、張緊裝置示意圖如下： 圖3 張緊裝置示意圖 Figure 3 Tensioning system schematic diagram (1)彈簧的選擇。因張緊裝置的作用，是通過彈簧對導向輪的推動從而達到張緊的作用。因此，選用壓縮、拉伸彈簧即可。對于選材采用通用的材料（）即可。運用公式求得隔振彈簧的剛度： （1）式中：-隔振系統(tǒng)頻率比； -振動質(zhì)體總重量；取； -振動頻率。由則代入公式 則通過計算知彈簧的剛度為。按工作的載荷進行計算時，許用應(yīng)力應(yīng)適當取低，取，彈簧的工作載荷約為。（2）彈簧的計算。運用公式求得螺旋彈簧曲度系數(shù): （2）式中：C-旋繞比（當材料直徑時，C一般?。┰嚾⌒@比C=6，則

12、根據(jù)公式求得材料的直徑: （3）式中: 曲度系數(shù)；（取） 旋繞比；（?。?彈簧的工作載荷；（?。?許用切應(yīng)力。（?。┯嬎愕脧椈山z直徑：根據(jù)公式： （4）式中：切變模量；(取) 彈簧中徑。(取)計算得彈簧有效圈數(shù) 根據(jù)標準取 選擇冷卷壓縮彈簧YII，兩端圈并緊并磨平，取則總?cè)?shù) 根據(jù)公式: （5）式中：-彈簧材料直徑。 計算得節(jié)距 ，選擇 間距 根據(jù)公式： 計算得自由高度 根據(jù)標準選取 壓縮彈簧高徑比 壓縮彈簧工作高度 壓縮彈簧壓并高度 螺旋角 彈簧材料的展開長度 經(jīng)計算可知：b5.3,滿足穩(wěn)定性的要求。3、履帶底盤相關(guān)性能的計算3.1 牽引性能計算履帶機械整機參數(shù)初步確定以后，一般應(yīng)進行下列計

13、算，以估計該履帶機械的基本性能是否滿足預期要求，整機參數(shù)選擇是否合理。這里主要是關(guān)于牽引性能的計算。計算時所用的工況一般為：空載狀態(tài)，在一定坡度區(qū)段的碎石路面上帶牽引負荷（牽引線與地面平行）全油門等速行駛。以下為表示的示意圖。（圖4） 圖4 履帶受力示意圖3.2 轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩的分析與計算3.2.1 履帶轉(zhuǎn)向時驅(qū)動力說明履帶行走裝置在轉(zhuǎn)向時, 需要切斷一邊履帶的動力并對該履帶進行制動, 使其靜止不動, 靠另一邊履帶的推動來進行轉(zhuǎn)向, 或者將兩條履帶同時一前一后運動, 實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向, 這里就用到了單向離合器。但兩種轉(zhuǎn)向方式所需最大驅(qū)動力一樣。因此以機器單條履帶制動左轉(zhuǎn)為例, 見圖5。圖5 履帶轉(zhuǎn)左

14、向示意圖 Figure 5 Tracks turn left to the sketch左邊的履帶處于制動狀態(tài), 在右邊履帶的推動下, 整臺機器繞左邊履帶的中心C1 點旋轉(zhuǎn), 產(chǎn)生轉(zhuǎn)向阻力矩Mr, 右邊履帶的行走阻力Fr/ 2 。一般情況, 履帶接地長度L 和履帶軌距B 的比值L/ B1.6。同時, L/ B 值也直接影響轉(zhuǎn)向阻力的大小,在不影響機器行走的穩(wěn)定性及接地比壓的要求下, 應(yīng)盡量取小值, 也就是盡量縮短履帶的長度,可以降低行走機構(gòu)所需驅(qū)動力。3.2.2 轉(zhuǎn)向驅(qū)動力矩的計算 轉(zhuǎn)向阻力矩是履帶繞其本身轉(zhuǎn)動中心O1（或O2）作相對轉(zhuǎn)動時，地面對履帶產(chǎn)生的阻力矩，如圖6所示，O1、O2 分別

15、為兩條履帶的瞬時轉(zhuǎn)向中心。為便于計算轉(zhuǎn)向阻力矩的數(shù)值，作如下假設(shè)： 圖6 履帶轉(zhuǎn)向受力圖 Figure 6 Tracks to turn to (1)機體質(zhì)量平均分配在兩條履帶上，且單位履帶長度上的負荷為： （11）式中: -車身總質(zhì)量； -履帶接地長度。經(jīng)過計算：.形成轉(zhuǎn)向阻力矩的反力都是橫向力且是均勻分布的。履帶拖拉機牽引負荷在轉(zhuǎn)向時存在橫向分力，在橫向分力的影響下，車輛的轉(zhuǎn)向軸線將由原來通過履帶接地幾何中心移至，移動距離為。根據(jù)上述假設(shè)，轉(zhuǎn)向時地面對履帶支承段的反作用力的分布為矩形分布。在履帶支承面上任何一點到轉(zhuǎn)動中心的距離為，則微小單元長度為，分配在其上的車體重力為，總轉(zhuǎn)向阻力矩可按下

16、式： （12）式中: 轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)。（經(jīng)查表計算： 式中: -車輛作急轉(zhuǎn)彎時轉(zhuǎn)彎的轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)； -履帶軌距。）將式（11）代入上式積分得并簡化得： （13）即： （2)當轉(zhuǎn)向半徑如圖7所示，兩側(cè)履帶都向前運動，此時兩側(cè)履帶受地面摩擦阻力朝同一方向（即行駛的反方向），外側(cè)、內(nèi)側(cè)履帶受力分別為： （14) 圖7 此時轉(zhuǎn)向示意圖 Figure 7 At this point to sketch （3)當轉(zhuǎn)向半徑，如圖8所示，此時兩側(cè)履帶受地面摩擦阻力朝反方向，外側(cè)、內(nèi)側(cè)履帶受力分別為： （15）式中: 分別為內(nèi)側(cè)前進阻力和驅(qū)動力； 分別為外側(cè)前進阻力和驅(qū)動力?？紤]機體的重心在中心位置，所以履帶的前

17、進阻力為： （16） 式中: 履帶滾動阻力系數(shù)（ 即）轉(zhuǎn)向時的最大驅(qū)動力矩為： 式中：r-驅(qū)動輪節(jié)圓半徑。 圖8 此時轉(zhuǎn)向示意圖 Figure 8 At this point to sketch大半徑區(qū)轉(zhuǎn)向行駛時主動輪上的力： （17）小半徑區(qū)轉(zhuǎn)向行駛時主動輪上的力： （18）式中：-轉(zhuǎn)向比，。轉(zhuǎn)向時的最大驅(qū)動力矩為：經(jīng)過以上介紹及公式計算得： 分別計算轉(zhuǎn)向半徑的情況，得到。與根據(jù)文獻“履帶車輛行駛力學”，得主動輪上的最大的驅(qū)動力及力矩為： 所得結(jié)果相同。4 履帶底盤重要零部件的計算及校核4.1 軸的設(shè)計與校核4.1.1 軸的尺寸設(shè)計 軸的設(shè)計要求：（1）便于加工，軸上零件要易于拆裝；（2）軸

18、和軸上零件要有準確的工作關(guān)系；（3）個零件要牢固可靠地相對固定；（4）改善受力狀況，減小應(yīng)力集中。設(shè)計中驅(qū)動輪傳動軸大致結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖9 驅(qū)動輪傳動軸 Figure 9 Driving wheel drive shaft軸總長為240mm，從左至右依次為AF段。A段：根據(jù)強度計算出直徑d1=43mm，其長度為78mm，安裝驅(qū)動輪，傳遞電動機動力，根據(jù)驅(qū)動輪選的鍵的型號為12*66。左面有個螺紋孔，直徑為20mm。B段：安裝軸承蓋和密封圈，直徑d2=63mm，長度為22mm。C段：安裝套筒和深溝球軸承，直徑d4=47mm，長度為84mm，其中軸承與軸采用過盈配合，選用基孔制。D段：安裝套筒

19、，直徑d5=44mm，長度為15mm。E段：安裝軸承蓋和密封圈，直徑d6=40mm，長度為17mm。F段：安裝皮帶輪，直徑d7=33mm，長度24mm,傳遞動力，所選鍵的型號為7*16。右面有個螺紋孔，直徑為12mm。4.1.2 軸的校核 對驅(qū)動輪傳動軸進行校核，受力如下圖所示。 圖10 傳動軸受力狀況 Figure 10 Stress state of the shaftAB段：彎矩圖如下: 圖11 AB段彎矩圖 Figure 11 AB section bending moment diagram由彎矩圖可知AB段最大彎矩在B點，又AB段直徑已知d=43mm，故該處抗彎系數(shù) （19）最大彎

20、應(yīng)力為： （20） 所以該段符合設(shè)計要求。BC段：可知該段只受一個扭矩，根據(jù)公式： （21） 該段扭矩圖如下 圖12 BC段扭矩圖 Figure 12 BC torque figure由扭矩圖可知，該軸段受的扭矩均勻，所以扭矩大小為M，又該段直徑已知d=33mm。故該段抗扭截面系數(shù)： （22）故該軸段最大切應(yīng)力為： （23） 所以該軸符合設(shè)計要求。4.2 驅(qū)動輪的校核4.2.1 齒面接觸疲勞強度校核 由公式 （24）計算出驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，傳動比根據(jù)齒輪接觸強度計算公式 （25）式中：法向力； 曲率半徑； 傳動比； 綜合彈性模量。一對標準齒輪的齒面接觸強度按下面公式計算 （26） 驅(qū)動輪是一個只有6

21、個齒的齒輪，為了方便校核，此處按正常齒進行強度校核，則驅(qū)動輪的接觸強度。其中：載荷系數(shù)；傳動比；。 顯然，驅(qū)動輪的齒面接觸疲勞強度符合要求。4.2.2 齒根彎曲疲勞強度校核根據(jù)齒根彎曲疲勞強度的驗算公式 （27）式中：為模數(shù)； 為齒形系數(shù)； 為應(yīng)力修正系數(shù)。（查表得，1.75，）代入數(shù)值計算得： 因此，驅(qū)動輪的齒根彎曲疲勞強度也符合要求。4.3 軸承的壽命校核軸承壽命計算公式 （28）式中：-為轉(zhuǎn)速； -為基本額定動載荷； -為當量動載荷，； -為壽命指數(shù)，對于球軸承4。對驅(qū)動輪傳動軸處的軸承進行壽命校核 查表得 因為機器行走時傳動軸處的載荷最大，故按此時的工作狀態(tài)進行壽命計算，得 按照上述方

22、法，同樣可計算出：支重輪處軸承的使用壽命 由于農(nóng)田作業(yè)機是季節(jié)性的工作，所以軸承的使用壽命均符合要求。4.4 鍵的設(shè)計及其校核 鍵的尺寸選擇主要由安裝軸的軸徑?jīng)Q定，由驅(qū)動輪的尺寸可得出安裝尺寸為43mm和33mm。查設(shè)計手冊3得鍵的尺寸分別為1266，其長度為66mm,和716,長度為16mm。 類型選擇為普通平鍵。按照下面的公式進行強度計算： （29）強度驗算：鍵的材料選擇為45號鋼，查設(shè)計手冊得：許用擠壓應(yīng)力 故鍵能安全工作。4.5 機架的校核在機器行走過程中，機架起到支撐作用，其作用實則為梁。故在校核時，近似將其作為梁來校核。此處校核單邊機架處于水平位置時滿足要求，其受力狀況下圖所示。

23、圖13 機架受力圖 Figure 13 Frame by trying to其中，為外力合力及機器自身的重量約為2000N，平均分布在兩邊支架上,即，慣性矩。AB段：；BC段：；CD段：； 由以上可知截面B是危險截面，此處拉應(yīng)力 （30） 故機架強度滿足要求。4.6 螺栓的設(shè)計及校核機架與驅(qū)動輪軸承座通過螺栓連接，這里對螺栓的要求比較高，要具有較高的強度和剛度。對此處的螺栓應(yīng)進行強度校核，如下圖。這里選擇的是高強度螺栓，等級8.8級，型號為M24*56,材料為低碳合金鋼，抗拉強度800MPa,屈服強度640MPa。按照下面的公式進行校核： 預緊力計算公式： （31）校核計算公式： （32） 圖14 螺栓受力圖 Figure 14 Bolt by trying to許用應(yīng)力計算公： （34） 式中： -載荷； -螺栓預緊力； -可靠性系數(shù)，取