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1、1緒論 1 1.1選題背景 1 1.1.1選題原因 1 1.1.2選題意義 1 1.2設計目的 1 1.3設計內容 2 2小型挖掘機回轉臺設計分析 3 2.1小型挖掘機回轉臺存在的問題 3 2. 2小型挖掘機回轉臺設計目標 5 2. 3小型挖掘機回轉臺設計方案 5 2. 4小型挖掘機回轉臺設計重點分析 6 3小型挖掘機回轉臺設計過程 10 3.1回轉阻力矩計算 10 3.2元件選型 12 3. 3技術參數(shù)匹配計算 12 3. 4小型挖掘機回轉臺的靜平衡設計 15 3. 5小型挖掘機回轉臺的整體改進設計 18 3. 6小型挖掘機回轉工作臺設計驗證 20 4挖掘

2、機駕駛室操作臺設計 22 4. 1駕駛室骨架設計 22 4. 1. 1駕駛室骨架設計 22 4. 1.2駕駛室骨架設計 23 4.2駕駛室門設計 24 4. 2. 1駕駛室門釵鏈強度計算 25 4. 3駕駛室視野設計 26 4. 3. 1眼橢圓設計 27 4. 3.2駕駛室視野范圍校核 28 4. 4操作器設計 30 圖2. 3兩軸小型挖掘機回臺傳動原理圖 2. 4小型挖掘機回轉臺設計重點分析 小型挖掘機問轉臺的結構設計前提是滿足加工運動精度及安裝使用要求，同 時要求小型挖掘機回轉臺的結構設計應盡量簡單且有一定的強度和剛度，定位性 能要好，加工制造方便，此外，還

3、應滿足小型挖掘機回轉臺結構緊湊、體積小， 在保證一定的結構強度和剛度下輕量化、外觀美觀等。此回轉臺最大尺寸分別為 長度:410mm,寬度:280mm,高度：262mm,可以裝夾的工件最大直徑為120mm,小 型挖掘機回轉臺要底板設計成直角的兩板，可以使回轉臺垂直放置或水平放置。 小型挖掘機數(shù)轉臺各零部件件作用關系：例如，工件通過外圓及端面安裝在 蝸輪中，利用蝸輪內孔中的止口進行定位，通過開槽平端緊定螺釘從徑向夾緊。 蝸輪用一個推力球軸承和一個深溝球軸承連接支撐，安裝在支座的軸承座孔中， 推力球軸承和深溝球軸承之間用調整墊片及軸承端蓋實現(xiàn)的軸向定位，軸承端蓋 用六個六角頭螺栓固定在支座上。支座

4、利用圓錐銷及六角頭螺栓固定在底座上。 步進電機通過外徑和止口及個六角頭螺栓固定在軸承支座上，保持相對正確位 置。步進電機的輸出軸與蝸桿用鍵連接傳遞扭矩，蝸桿用兩個單列的接觸球軸承 支撐。右側軸承端蓋靠4個六角頭螺栓固定，用調整墊片調整軸承間隙，用毛氈 密封軸承。當步進電機轉動時，通過蝸桿帶動蝸輪，實現(xiàn)工件的回轉運動。另一 個步進電機通過鍵與齒輪連接，齒輪與齒輪嚙合，齒輪通過鍵與軸配合，軸通過 軸支座上的一對單列角接觸球軸承和鍵的作用于軸承支座，軸承支座通過推力球 軸承、深溝球軸承和軸承端蓋的作用于蝸輪配合連接在一起配合連接，實現(xiàn)回轉 臺裝夾工件的來回擺動。底座是一角形支架，可利用兩個互相垂直的

5、底面和側面 分別安裝在線切割機床工作臺上，使回轉夾具能翻轉90度使用。 小型挖掘機回轉臺建模，首先在CAD中設計出整體的小型挖掘機回轉臺二維 圖紙，確定好大體布局和整體尺寸，再具體設計各個組成零件的CAD圖紙，以確 定其大致的尺寸和標準件的型號。設計好小型挖掘機回轉臺二維圖紙，再進行小 型挖掘機回轉臺的三維建模仿真觀察其整體的布局合理性和各個部件裝配的正 確性，避免加工制造不必要的錯誤。 小型挖掘機回轉臺三維建模設計時選擇UG軟件建模，要實現(xiàn)從二維CAD圖 紙設計UG的三維模型圖，并在設計出小型挖掘機網(wǎng)轉臺的各個零件三維圖和整 體裝配圖之后，確定其裝配及設計正確無誤后，將其三維圖導出二維C

6、AD圖紙， 做適當?shù)男薷木涂梢杂糜诠ぜ募庸ぃ椒ū容^快捷簡單，使用UG建立的小型 挖掘機回轉臺模型如圖2.4所示。根據(jù)小型挖掘機回轉臺生產(chǎn)制造的技術要求和 零件二維CAD圖的尺寸加工制造各個小型挖掘機回轉臺的零件，然后依據(jù)UG建 立的裝配方式進行小型挖掘機回轉臺零件的裝配，最后得到的兩軸小型挖掘機回 轉臺的實物圖如圖2. 5所示。 此小型挖掘機小型挖掘機加工系統(tǒng)的控制方式采用的是步進電機的脈沖式 控制，PMAC可編程多軸運動控制器可以通過相對應的接口卡ACC-8S控制步進電 機的運動，接口卡ACC-8S是可以控制步進電機驅動器或脈沖型伺服電機驅動器 的兩軸控制輸出板。PMAC多軸運動控制器

7、是美國Delta Tau Data System公司 推出的用于PC機平臺上的運動控制器，它是一個完全開放的系統(tǒng)，它采用了 Motorola公司的高性能信號數(shù)字處理器DSP5600作CPU, PMAC是世界上功能最強 大的運動控制器之一，也是靈活較高的控制器，它連接各種類型的主機、放大器、 電機和傳感器協(xié)同完成各種類型的強大功能。因此，可以根據(jù)軟件和硬件特性進 行設定特定的功能，以使它能正常的工作，從而保證多軸的運動。 圖2. 4小型挖掘機回轉臺的三維模型 圖2. 5小型挖掘機回轉臺實際 在本次設計中，動臂液壓缸設計在動臂上方，因為地面以下是機具的工作區(qū) 域，為了讓機具能夠挖深，綜

8、合考慮后，使用彎動臂作為挖掘裝置的動臂。 出于動臂強度的考慮，彎動臂的彎角通常在120°至140°之間選取。為了 讓設計的機具結構在生產(chǎn)中易于實現(xiàn)，彎動臂俯角通常大于-52。，仰角通常小 于 45。。 出于對動臂液壓缸的穩(wěn)定性方面的考慮，通常，彎動臂的伸縮比入1為1.6至 1.7之間。 在挖掘機后挖掘機具的設計中，動臂液壓缸的力臂比是一個重要的參數(shù)，其 計算公式為：匕=冬，根據(jù)不同的使用需求，該參數(shù)設計為不同的數(shù)值。當?shù)孛?ez 以下是挖掘區(qū)域時，匕應取小于0.8的數(shù)值；當設計機具為通用式挖掘裝置時， 匕的取值應在0. 8至1. 1之間。 3小型挖掘機回轉臺設計過程 3.1回

9、轉阻力矩計算 (1) 垂直載荷與傾翻力矩 Fhui = (Gpei+Gtai + (pfihi+(p2Q) Mhui=(Gpeix Xpei+Giciix XtciA(p、Gbix Xbi+(p2QxR) (2) 風載引起回轉阻力矩 風吹向車側方，風壓為一類風壓。 們=0.6缶 ① 臂架風載引起的回轉阻力矩Nhuifbi Fhuijhi = q〕x Cbi x q(1 + 〃) x Lbih x L Mhuijbi = Fhuifbi x Xbi ② 轉臺風載引起的回轉阻力矩Mhuitai Fhuijbi = Cxq【x Stai Mhuijbi = Fhuiflyi

10、x Xtai ③ 荷重風載引起的網(wǎng)轉阻力矩Mhuifq Fhuify = C x q[ x Sq Mhuifq = Fhuify x R ④ 總風載回轉阻力矩Mhuif Mhuif = Fhuifbi+ Fhuiftai+ Fhuifq (3) 坡阻力矩 Mhuip= Mhnix sin Apo ⑷摩擦阻力矩 Fh〃i，〃= Fhui(\-々)刀冬些給 n 7rD Mhuiztn = 0.5 JJuiix Fhuimx Dhui (5)慣性阻力矩 Jhui = Qx R~ + Gpeix Xpei~ + Glaix Xtai1 + Gbix Xbi2 .2ttxVh

11、ui Ehui = 60xtq Mhuig = l.5Jhuix Ehui (6)總的回轉阻力矩 正常阻力矩： Mhuizong = Mhuif + Mhuip+ Mhuim 最大阻力矩： M 血"max = Mhuif+ Mhuip+ Mhuitn+ Mhuig 依據(jù)上面的公式對小型挖掘機進行計算及選型，回轉機構最不利工況是回轉 和起升同時作業(yè)，起吊最大起重量。選取的計算工況為主臂18m臂架角度80度, 幅度5m。采用載荷組合la計算，結果見表3.1。 表3. 1 260t小型挖掘機回轉阻力矩 垂直載荷(kN) 4182. 79 側翻力矩(kNm) 7720. 6

12、5 風阻力矩(kNm) 16.. 78 坡阻力矩(kNm) 385. 23 摩擦阻力矩(kNm) 28. 54 慣性阻力矩(kNm) 126. 36 正常阻力矩(kNm) 430. 55 最大阻力矩(kNm) 556. 91  垂直載荷（kN） 4182.79 傾翻力矩（kNm） 7720.65 風阻力矩（kNm） 16.78 坡阻力矩（kNm） 385.23 摩擦阻力矩（kNm） 28.54 慣性阻力矩（kNm） 126.36 正常阻力矩（kNm） 430.55 最大阻力矩（kNm） 556.91 3.2元件選型 根據(jù)上面算

13、出的回轉阻力矩確定驅動型式及元件選型，元件選型結果見表 3.2 : 表3. 2回轉機構元件選型 項目 符號 數(shù)值 備注 驅動型式 雙驅 回轉支承 型號 131.45.2240 外嚙合 滾道直徑 Dhui 2240mm 齒數(shù)，模數(shù) 157,16 減速機 型號 GFB36T3-1000 傳動比 i 117.55 機械效率 % 0.95 小齒輪齒數(shù)，模 Zi,m 12,16 數(shù) 馬達 型號 A2FE45/61 W 最大排量 V,n 4

14、5.6 ml/r 工作轉速 P 35MPa 機械，容積效率 0.92,0.95 回轉泵 型號 A11V090 最大排量 vP 90m 1/r 工作轉速 P 2100rpm 機械，容積效率 0.92,0.95 3.3技術參數(shù)匹配計算 以回轉起動和穩(wěn)定回轉兩個工況作為機構的驗算工況。 (1) 馬達最大壓差 回轉起動扭矩： M = - = 5569x12 = 22.4,3.< Me 2，亦 2x 157 x0.95 馬達最大壓差：n W = 2x3」4x22.4xlV = Vim 45.

15、6x117.55x0.92x0.95 (2) 正常工作馬達壓差 設穩(wěn)定回轉的速度為最大回轉速度，此時的減速機輸出扭矩: M.=—一 2z?磯 430.55x12 =17 32^.^ 2x157x0.95 其中，化二開齒傳動效率, 馬達正常工作壓差: △P\ = 竺上=2x3」4n7.32M)'= 〃 Vim 45.6 x 117.55 x 0.92 x 0.95 (3) 最大回轉速度 馬達轉速: "max Qnax ~2V~ v 179.55 2x45.6x103 x 0.95 = 1870.3〃 min v % 最大回轉速度: =〃maxZ| =

16、emax ? z2l ="3X12 52心n 159x117.55 本次論文設計的挖掘機后挖掘機具，其挖掘裝置的主要參數(shù)如表3-1所示: 表3-1挖掘裝置主要參數(shù) 挖掘高度最大值 3. 770 米 卸載周度最大值 2. 110 米 挖掘深度最大值 2.485 米 鏟斗容量 0. 08立方米  鏟斗轉角 3160° 擺動角度最大值 180° 鏟斗油缸推力的計算公式為：P3 = ： X 1)2 X鳥X仍X如 字母 取值 代表意義 Py 120kg/cm3 油缸額定壓力 % 0. 95 機械效率 死 0.9 管路效率 D

17、 63mm 油缸內徑 將數(shù)值代入公式計算后得出：P3 = 3196.7切 將P3值代入公式3-4,得出鏟斗油缸的挖掘力，具體結果如表3-2所示: 表3-2鏟斗油缸挖掘力 油缸行程 回轉角 n 「2 二3 P (kg) 890 0 188 278 325 890 890~1046 30 334 314 308 1327 890,132 45 352 326 296 1294 890^1213 60 348 333 280 1185 890~1349 90 309 340 246 906 890~1442

18、120 237 338 211 599 890^1520 160 140 314 174 314 斗桿油缸推力的計算公式為：「2 = ： X Z)2 X弓X X如 字母 取值 代表意義 Py 120kg/cm3 油缸額定壓力 % 0. 95 機械效率 叩2 0.9 管路效率 D 80mm 油缸內徑 將數(shù)值代入公式計算后得出：P2 = 5154.6kg 將P2值代入公式2-5,得出斗桿油缸的挖掘力，具體結果如表3-3所示: 表3-3斗桿油缸挖掘力 油缸行程 回轉 角 作用力至 回轉點距 離 挖掘力P2 (kg)

19、 鏟斗轉35° 鏟斗轉48° 鏟斗全收回 925 0 280 772 799 736 925^1110 30 413 1138 1179 1086 925^1220 45 422 1163 1205 1110 925~1520 90 308 849 879 810 925~1590 105 245 675 699 644 3.4小型挖掘機回轉臺的靜平衡設計 小型挖掘機回轉臺在進行線切割運動時，多數(shù)情況下是處于中間的平衡狀態(tài) 進行往返地擺動。如果小型挖掘機回轉臺存在明顯的重力不平衡現(xiàn)象，小型挖掘 機網(wǎng)轉臺在中間位置擺動時，就會

20、有明顯的力矩突變，會使傳動系統(tǒng)出現(xiàn)最終的 位置偏差，造成電極絲與工件之間不僅僅是加工上出現(xiàn)的誤差，有可能造成電極 絲的短路和斷絲。在加工過程中電極絲的斷絲是電火花加工的?大禁忌，不但浪 費時間也會造成加工的不準確。因此，對小型挖掘機回轉臺結構進行結構優(yōu)化， 調整其平衡性是必須的一項工作，它有利于小型挖掘機回轉臺在傳動方面的精 確，改善加工中的電機工作條件和提高工件的加工質量。 小型挖掘機回轉臺沒有進行靜平衡之前其結構如圖3. 1所示，在轉盤軸承支 座上的電機及轉盤不對稱的結構，由于自身的重力會產(chǎn)生不平衡力矩。小型挖掘 機回轉臺在僅施加重力時，其在重力作用下的狀態(tài)如圖3. 2所示，可?以看到小

21、型 挖掘機回轉臺的明顯不平衡現(xiàn)象。 圖3.1回轉臺未受重力時的狀態(tài)圖 4. 4挖掘機座椅設計 31 結論 32 參考文獻 34 圖3. 2回轉臺受重力時的狀態(tài)圖 小型挖掘機回轉臺的不平衡現(xiàn)象的解決，因為已經(jīng)知道靜不平衡力矩進產(chǎn)生 的原因，所以平衡小型挖掘機回轉臺靜不平衡力矩采用在小型挖掘機回轉臺的適 當位置加配重塊的方法。依此實現(xiàn)小型挖掘機回轉臺的靜平衡，從而減小小型挖 掘機回轉臺工作時誤動作的影響，減輕對電極絲的沖擊。重力平衡設計時又要局 限在小型挖掘機回轉臺的整體結構設計，在增加配重塊時，放置的位置是比較難 選擇的問題，所以不能簡單地對小型挖掘機回轉臺直接加上配重塊

22、，要考慮到小 型挖掘機回轉臺的兩個工作位置都要盡量實現(xiàn)平衡性和回轉臺的工作空間。首先 對小型挖掘機回轉臺的結構進行改進，改變電機的安放位置，同時調整底板一側 對回轉臺轉動時的干涉影響，其設計結果如圖3. 3所示。在結構上將蝸桿的位置 移動到有支撐的轉動軸上，這樣大大可以減少力矩，并且在軸承端蓋的一側加上 適當質量的配重塊，可以使小型挖掘機回轉臺實現(xiàn)靜平衡。然而當小型挖掘機回 轉臺側向工作時，因其不平衡力矩較小，將配重塊適當下移，就可以得到平衡。 從而使小型挖掘機回轉臺實現(xiàn)較平穩(wěn)地運動，不在受不平衡力矩的影響，避免小 型挖掘機網(wǎng)轉臺頻繁換向時加工誤差的累積和電極絲發(fā)生斷絲的危險使加工精 度得到提

23、高。 圖3. 3小型挖掘機回轉臺的重力平衡改進后的結構 小型挖掘機回轉臺針對圓形工件裝夾要求其能快速找準中心，節(jié)約時間，裝 夾方便。在眾多夾具中三爪卡盤完全可以滿足以上的幾點要求，因此在設計中針 對圓形工件的夾具設計采用了三爪卡盤，并對其結構尺寸進行了適當?shù)母恼?結構模型如圖3. 4所示。 三爪卡盤在小型挖掘機回轉臺上的裝配位置在蝸輪的底部，這樣可以使工件 比較接近工作臺，使運動更加平穩(wěn)和回轉臺結構更加緊湊，其裝配圖如圖3.5 所示。 針對多邊形工件的裝夾設計原理和機床本身設計類似，采用鋼條和長螺釘裝 夾工件。在用小型挖掘機回轉臺進行小型挖掘機加工時，電極絲與工件幾乎是不 接

24、觸的，彼此不會產(chǎn)生較大的接觸力，因此工件固定和夾緊相對比較容易。采用 鋼條和長螺釘裝夾工件，首先根據(jù)工件的尺寸確定采用那兒個螺釘固定，選擇好 位置之后將螺釘上套上兩條鋼條，將工件放在螺釘上的兩鋼條之間，然后擰緊螺 釘，從而實現(xiàn)工件的夾緊，裝夾效果如圖3. 6所示。 圖3. 4三爪卡盤的設計 圖3. 5小型挖掘機回轉臺及夾具的改進 圖3. 6多邊形的裝夾方式 3.5小型挖掘機回轉臺的整體改進設計 小型挖掘機回轉臺改進設計中單從機構的方面分析，上述方案的夾具和重力 平衡設計可以滿足設計的要求，但是上述方案中回轉臺的整體結構設計緊湊性不 太好，小型挖掘機回轉臺的翻轉的加

25、工范圍比較小，不可以翻轉360度，加工細 長軸時要重新安裝才可以加工且底板結構比較笨重。因此需要在整體上調整小型 挖掘機回轉臺的結構，使回轉臺結構設計可以擴大翻轉的角度，理論上設計是要 求轉向可以360度旋轉。上述方案的夾具設計采用三爪卡盤自動定心，其定心精 度比虎鉗式定位夾緊的精度要略高，但是三爪卡盤的結構尺寸設計都是非標準尺 寸，自己加工制作其精度達不到理論上設計要求，并且加工制作比較麻煩，虎鉗 定心夾緊的設計制作相對來說比較簡單?；剞D臺整體結構的調整，也可以從避免 的上述方案加配較大的配重塊考慮，減輕了小型挖掘機回轉臺整體結構的重量。 小型挖掘機回轉臺的整體機構改進設計，要考慮到電極絲

26、的工作范圍、回轉 臺的體積和夾緊裝置盡量簡單、回轉臺的平衡性等問題，做到綜合改進設計。從 多數(shù)夾緊機構中可以看出，多數(shù)夾具體積比較大，并且中心難以留出電極絲的運 動范圍，綜合比較考慮采用虎鉗式定位夾緊。小型挖掘機HA400具有自動對中心 的功能既可以自動找到中心位置，所以采用虎鉗式自動對心裝夾機構較為簡單合 理?；Q式自動對心裝夾機構選用一個夾緊鉗口是平的，而另一個鉗口是V型； 定心虎鉗中的兩端螺旋的每英寸的扣數(shù)必須不同，以便做到不論工件的直徑大小 而每個鉗口都能適當?shù)叵騼纫苿右欢ň嚯x來達到定心效果，其夾具的三維圖如下 圖3. 7左圖所示。螺旋桿兩端分別采用6牙/時的右旋愛克母螺紋和5牙/時的

27、左 旋愛克母螺紋，由公式： ［螺距 sin<9 = sin￡=——= 0.833, 0 = 56.5 c 1擊因 得:V型塊的夾角是0 = 2x0 = 113°。夾具的導向作用由導柱和V型塊和平鉗 口上的導向塊一起作用。此夾具可以裝夾圓形工件和正方形工件，其他大尺寸的 多邊形工件的裝夾仍采用上述的螺栓壓條裝夾，結構如圖3. 7右圖所示。 圖3. 7回轉臺的夾具 回轉臺的夾具結構設計、重力平衡設計和工作轉角設計都要在回轉臺的改進 設計中得以實現(xiàn)和滿足設計的要求，上述2種夾具設計方法原理基本相同，操作 比較簡單，但考慮到整體結構的設計更加合理，回轉臺夾具采用虎鉗式夾具和螺 母壓

28、條式夾緊如圖3. 7所示，重力平衡仍然采用配重塊的方法，回轉臺的整體改 進設計如圖3. 8所示。 圖3. 8小型挖掘機回轉臺的整體結構 3.6小型挖掘機回轉工作臺設計驗證 (1) 裝配體中連桿的創(chuàng)建。 在UG運動仿真中，運動的構件必須創(chuàng)建為連桿。UG中可以在連桿的創(chuàng)建中 定義其相對屬性，如連桿對象、慣性矩、質量屬性等也可以自動設置，一個構件 可以設置為一個連桿，多個零件也可以設置為一個連桿。首先新建motion 1, 再定義運動連桿。小型挖掘機回轉臺的運動仿真中，連桿的定義如下:連桿L001 定義為固定連桿，選擇的構件如下圖3.9(a)中高亮顯示的部分零件，定義固定 連桿相當其

29、于大地相連接，在運動時處于靜止狀態(tài)。左側的電機軸和小齒輪定義 為連桿L002,左側的大齒輪消隙機構整個轉配體、軸、軸承支座、軸承等如圖 3. 9(b)高亮顯示的部分定義為連桿L003,軸承支座上的電機小齒輪定義為連桿 L004,大齒輪及套筒夾具要一起旋轉定義為連桿L005如圖3.9(c)所示。在連桿 的定義時，連桿的質量，轉動慣量和質心都采用軟件的自動定義方式，也可以自 己設定。 (c)連桿 L005 (b)連桿 L003 (d)連桿定義導航圖 一;-上\上一??指， 圖3. 9小型挖掘機回轉臺定義的連桿 (2) 小型挖掘機回

30、轉臺運動副(Toints)的創(chuàng)建 一個機構一般是由多個構件裝配而成的的，各個構件之間的相互聯(lián)系和作用 的關系叫做運動副。機構中的運動關系是指通過運動副將連桿約束在一起使機構 中各構件具有某種裝配關系。運動副通常關聯(lián)兩個構件，并限制兩個構件之間的 相對運動，在定義運動副時需要選擇兩個構件，即便是存在一個構件的情況，也 是將另一個構件默認為是大地(Ground)。UG運動仿真模塊中具有普通類型運動 副和特殊類型運動副，例如旋轉副、萬向節(jié)、滑動副、柱面副、球面副、平面副、 點在線上副和線在線上副等屬于普通類，線纜副、螺旋副、齒輪齒條副及齒輪副 等屬于特殊類型運動副。 小型挖掘機回轉臺中總共創(chuàng)建7

31、個運動副，首先連桿L001選擇是固定連桿, UG軟件自動創(chuàng)建與大地相連的固定運動副J001,再定義連桿L002定義為旋轉副 J002同時要和連桿L001嚙合，連桿L003定義為轉副J003同時要和連桿L001 嚙合，連桿L004定義為旋轉副J004同時要和連桿L003嚙合，連桿L005定義為 旋轉副J005同時要和連桿L003嚙合。最后定義特殊類型運動副，小型挖掘機回 轉臺需要定義的殊類型運動副只有2個齒輪副，回轉臺左側的齒輪副J006定義, 依次選擇旋轉副J002, 1003,齒輪副是比率就是齒輪的傳動比，設置為20/50。 大齒輪的齒輪副的定義J007依次選擇旋轉副J004, J005,齒

32、輪副是比率就是齒 輪的傳動比，設置為31/118。 （3）小型挖掘機回轉臺中驅動（Motion Driver）的定義 運動仿真中模型上驅動的定義就是將沒有約束的構件或沒有定義的運動副 進一步定義，使其具有一定運動規(guī)律。UG中共有5種類型:a無驅動，就是不施 加任何驅動相當于只有運動副關系；b恒定驅動，可以設置運動副等線速度（角 速度）或等加速運動（角加速度）；c簡諧運動驅動，就是施加簡諧形式的運動函 數(shù)；d運動函數(shù)，設置數(shù)學函數(shù)驅動相應運動；e關節(jié)運動驅動，給定運動副步 長（角度）和步數(shù)進行運動。設計小型挖掘機網(wǎng)轉臺結構，首先需要分析小型挖掘 機回轉臺可以運動的范圍是多少，也是對設計的初步

33、驗證。在小型挖掘機回轉臺 的運動仿真中定義J002以恒定角速度45degrees/sec驅動，定義J004以恒定角 速度40degrees/sec驅動，驅動定義完成。 4挖掘機駕駛室操作臺設計 挖掘機人機界面布局是根據(jù)之前收集研究的數(shù)據(jù)和指標，將顯示器和操作裝 置合理的擺放在統(tǒng)一界面中，方便駕駛員的操作，并使其滿足人機工程學的要求 并將功能性發(fā)揮到最大化。傳統(tǒng)的布局難以達到理想的效果，隨著科技的進步， 我們利用計算機三維建模等方式，實現(xiàn)最佳設計狀態(tài)。 4.1駕駛室骨架設計 4.1.1駕駛室骨架設計 挖掘機駕駛室的整體造型大部分是以直線的方式連接的，部分地方使用圓弧 連接和圓角連接，整

34、體造型呈現(xiàn)為梯形結構由此來獲得穩(wěn)重的視覺感。這如此的 造型及體想出挺直有力的特色又符合審美的要求。 在挖掘機駕駛室的設計中，有所涉及到駕駛員安全的部分是最為關鍵的。因 為在較為復雜的工作環(huán)境下，挖掘機隨時都有可能發(fā)生意外。所以在挖掘機駕駛 室設計過程中要做好安全保護裝置的設計一R0PS&F0PS安全機構。ROPS和FOPS 即防側翻保護裝置和防落物落物裝置是根據(jù)工程機械的工作環(huán)境來確保操作員 的安全的防護結構。 ROPS的主要作用是保證在車輛發(fā)生意外產(chǎn)生翻滾時能夠吸收一定能量的能 力。當然ROPS還需要有一定的強度，從而可以避免車輛發(fā)生翻滾是不會因為駕 駛室的變形而使操作員受到二次傷害，在

35、一定程度上保護駕駛員不受到傷害。 FOPS裝置要確保在承受落錘的多出沖擊下，保護裝置不會被穿透，并在承受沖 擊后為了不妨礙操作員的操作作業(yè)，駕駛室產(chǎn)生的變形量應該控制在一個范圍 內，最大變形量不能超過國際標準DLV即撓曲極限量中規(guī)定的范圍。 表4-1小型挖掘機ROPS不同質量最小承受能力 整車質量 /kg 側向載荷 /N 能量吸 收/J 垂直載 荷/N 縱向載 荷/N 700

36、 48000 600 (M/10000 (M/1000 (M/1000 )“ 0)L25 0)1.25 M.228600 10M 2.37M 19.61M 8M 4.1.2駕駛室骨架設計 駕駛室骨架的設計需要根據(jù)其強度和剛度的需求，并且加工工藝也要達到一 定的要求，不要因為加工的難度太大而增加加工成本。且加工時要盡可能的使其 形狀工整，這樣方便對ROPS的結構性能進行檢測。 挖掘機駕駛室骨架按照ROPS&FOPS安裝的位置町以將之分為內置式安全結 構和外置式安全結構兩種形式。且兩種安裝形式的安全結構都能通過國家安全標 準規(guī)定。但由于外置式存在自身

37、的局限性即在一定程度上回妨礙到駕駛員的視野 范圍和影響到挖掘機的協(xié)調性。所以本次設計的駕駛室使用的是內置式的安全結 構形式，下圖是本次設計的挖掘機駕駛室的骨架模型。 圖4-1挖掘機駕駛室骨架三維圖 構成駕駛室安全骨架的桿件可以分為三類：功能桿件，附件和加強桿件。 由此可見功能桿件和加強桿件是駕承載駛室的桿件，它們必須具有一定的強 度且剛度。尤其是功能桿件，其在設計時不僅需要考慮到所需要的鋼度和強度， 還要盡可能的不去影響到駕駛室的使用功能。比如在前窗柱的設計時，為了能夠 獲得更大的前方及左右兩側視線范圍時，在滿足安全性能的情況下盡可能的去縮 小前窗柱的橫截面積。 終上所述，挖掘機駕

38、駛室的骨架在設計時需要按照下面兩個原則： 1. 強度和剛度設計原則： 駕駛室骨架要選取合適得剛度值，當剛度過大時會不利于能量的吸收，也是 駕駛室的重量變大使材料浪費；剛度過小時，會產(chǎn)生較大的變形量，會使駕駛員 的安全保障受到影響。最優(yōu)的駕駛室骨架剛度設計是當骨架施加最小側向載荷 時，其應力最大處上的某點已進入屈服階段。 2. 視野設計原則 駕駛室骨架在確保翻滾保護和落物保護功能的前提下，需要盡可能的使駕駛 室能夠在前方和左右兩側獲得更好的操作視野空間。 4.2駕駛室門設計 挖掘機駕駛室門作為其結構重要的組成部件之一，其性能會間接影響到駕駛 室的舒適性與安全性。駕駛室門其主要性能優(yōu)劣

39、是指車門的封密性,抗撞擊性能, 和駕駛員上下車時車門的開關方便度等。 一般依照車門開啟的方式的差別進行分類，設計不同種類的駕駛室時一般會 根據(jù)不同的需求來選擇合適的車門進行組合。這里考慮到挖掘機屬于土方機械， 對于速度的要求不是很高，所以選擇相對應的車門時著重考慮駕駛員上下車時車 門開合的方便性，所以我們選擇逆開式車門。 圖4-2駕駛室門三維模型 4.2.1駕駛室門餃鏈強度計算 車身相對于車門的位置是由車門的鉉鏈控制的，且其是限制車門開關軌跡的 部件。通常用三個部件來組成車門較鏈：車身件是與車身銜接的部件，車門件是 與車門銜接的部分，銜接車時間與車門部件的部分為其他部分。 表4

40、-2車門釵鏈技術要求 項目 要求 縱向 施加1U10N的縱向力后未脫開 橫向 施加8890N的橫向力后為脫開 小型挖掘機回轉平臺和駕駛室設計 【摘要】：挖掘機械是一種集土方挖掘、裝載、平整、拆除、搶險等作業(yè)的工 程機械，廣泛應用于各類土石方工程施工、民用建筑、道路建設和市政工程場所。 近年來伴隨著我國經(jīng)濟的快速增長，大規(guī)模的基礎設施建設對挖掘機提出了強勁 的市場需求，我國挖掘機械的產(chǎn)銷量每年都有增長，并且，挖掘機作為技術復雜 的終端機械產(chǎn)品，其開發(fā)和制造涉及機械、液壓傳動、冶金、石油化工、電氣等 眾多行業(yè)，己經(jīng)形成了一個龐大的產(chǎn)業(yè)集群。因此，研究及設計小型挖掘機回轉 平臺及駕駛室，使

41、其在工作中滿足安全性、可靠性、舒適性、環(huán)保性及外觀需求， 并對駕駛室骨架等主要結構進行強度安全分析。 設計回轉臺并針對加工試驗中小型挖掘機回轉臺出現(xiàn)的傳動不精確、工件裝 夾繁瑣、擺動沖擊較大及回轉臺結構較笨重等問題，從以卜,三點進行改進:采用 彈簧擺塊齒輪自動消隙機構消除齒輪間隙，并對其進行了結構設計和運動性質分 析；裝夾采用虎鉗式夾具和螺栓壓條夾緊方式；進行靜平衡和結構整體改進來保 證其加工精度和運動靈敏度，從而提高小型挖掘機回轉臺適應性。 【關鍵詞】：挖掘機械；小型挖掘機；回轉平臺；駕駛室 [Abstract] : excavation machinery is a kind of

42、engineering machinery which collects earthwork excavation, loading, leveling, demolition and emergency operations, and is widely used in various earthwork construction, civil buildings, road construction and municipal engineering sites. With the rapid economic growth in China, the large-scale infras

43、tructure construction has put forward strong market demand for excavators. The production and sales of mining machinery in China have increased every year. Moreover, as a complex end-end mechanical product, excavator development and manufacturing involves many industries such as machinery, hydraulic

44、 transmission, metallurgy, petrochemical industry and electrical industry, which has formed a new industry A huge industrial cluster. Therefore, the research and design of small excavator rotary platform and cab can meet the requirements of 耐久 進行10：'次耐久性試驗，然后依然滿足縱向橫向要 求 通常釵鏈分為兩種安裝形式水平軸鉉鏈安裝形式和垂直軸皎

45、鏈安裝形式，這 次設計的釵鏈為垂直軸的餃鏈形式。對于垂直釵鏈的校核需要通過三種狀態(tài)進 行： 當門處于關閉的狀態(tài)時： (P*DUD2)

46、開啟狀態(tài)時釵鏈的最大工作載荷為E90。 己知： P = 20" = 24x9.8 = 235.2N, N = 2; W = 0.624〃?； ￡)1 = W/2 = 0.312/77； D3 = 0.895〃〃〃 ； 01/02 = 73.3824/0.985 =81.99N ； P/N = 235.2/2 = 117.6N; 01/02 = 73.3824/0.895 =81,99N： 依照計算得到的結論，可供挑選的釵鏈的相關要求為： Er>81.99^,Ea>\\7.6^,Et/>81.99N。 4.3駕駛室視野設計 本文所闡述的視野為一個空間概念，分為動視野和靜視

47、野兩個概念。靜視野 的概念是在頭和眼在不動的狀態(tài)下，眼睛以一個固定位置正視前面方向，所得到 的一個視線領域是固定的視線范圍這便是靜視野。而動視野便是轉動頭和眼之 后，所能得到的視線范圍即動視野。視在駕駛室設計中視野設計是極其關鍵的內 容，操作員在駕駛作業(yè)時大部分信息是由眼睛捕捉獲得的，因為挖掘機的工作條 件比較特殊，所以要求駕駛員能夠及時的獲得四周環(huán)境的信息。因此挖掘機駕駛 室的視野性能直接關系到操作員的安全性能和操作便捷度。在為駕駛室設II?視野 視野設計時，要了解我們做這個設計的目標是為了使操作員可以獲取到比較自由 的視線范圍，使操作員不必一直變換坐姿來獲取想要的視野范圍，這有可能還是 操

48、作員為了獲得想要的視野時而是自己以一個不舒服的坐姿進行作業(yè)，不僅不會 操作員更加疲勞還會降低駕駛員的工作效率也對駕駛員對工作環(huán)境的觀察與反 饋產(chǎn)生不利的影響。 4.3.1眼橢圓設計 眼橢圓指的是駕駛員使用一個比較舒適的坐姿處于駕駛室座椅上時眼睛的 位置所處于的正態(tài)分布位置。只有先找出眼橢圓的空間位置才可以進一步設計眼 橢圓。眼橢圓的參數(shù)又與SGRP點和駕駛室座椅位置再水平方允許的調節(jié)范圍△等 有關。眼橢圓根據(jù)不同的△存在兩套樣板，區(qū)間為33mm和 100i?un < A < 1,具體參數(shù)如下： 表4-3眼橢圓樣板尺寸列(單位：mm) 項目 P95 P99 100mm< A <1

49、3mm A>133mm 100mm< A <13mm A>133mm 長軸 173 198 241 267 短軸 俯視 105 105 149 149 側視 86 86 122 122 眼橢圓位置除了與上文所說的兩點有關以外還與駕駛室座椅的靠背傾角有 關。找出眼橢圓位置的方式是： 1. 選定座椅的相干的參數(shù)，比如座椅水平的調節(jié)范圍量△,座椅靠背的傾 角 A40； 2. 敲定SGRP點相對于H點的位置,定義SGRP點坐標為(L31, W20, H70), H點的坐標(Xh,"Zh)便得出以下的式子： L31d+X〃； W20 = Yu ；

50、 H7Q = Zh。 3. 確定調節(jié)工具參考點(ATRP:Accommodation ToolReference Point)位置， 通常ATRP點位于座椅調節(jié)量的中間位置，通過座椅參考點SGRP點來確定： X \沖= 855.31-0.59x￡31 ； Zm產(chǎn) H70; 4. 左眼和右眼的橢圓的空間位置也會受到男女比例的影響而發(fā)生改變，在章 節(jié)2. 3.1提及過，挖掘機駕駛員的男女比例為90： 10和95:5之間，則有： X = XmpT84* + 12.23xA4O； Z = Z.xmp-707.52 + 4.17x440 ； 而眼橢圓的中心點Y的坐標為： L=W20-3

51、2.25 (3-4) 兒= W20-32.25 (3-5) 5. 依照表3-3選出眼橢圓的相關尺寸，再將各個眼橢圓依次以中心點旋轉， 俯在視圖里橢圓的X軸前傾5.4° ,在側視圖里橢圓的X軸下傾11.6。o 將之前的數(shù)據(jù)帶入計算： Z31 = △ + X 〃 = 156.72 + 550 = 706.12 mm ； W 20 = YH = 0"”〃 ； H70 = Z〃 = 400“m ; X Ag = 855.31 - 0.509 x￡31 = 495.58〃m ； Zmp = H70 = 400，g； X = XAniP-184.44 +12.23 x /140 =

52、616.89/72/77 ； Z = Z A,KP + 707.52 - 4.17 X A40 = 1003 .27〃〃〃 ； 匕=W20 - 32.25 = -32.25mm ； Yr = W20 + 32.25 = 32.25〃m。 4.3.2駕駛室視野范圍校核 眼眼橢圓位置的確定不過是視野設計的第一步，若其獨自存在而沒有視線的 話就不存在什么意義。只有對本次的設計進行校核就能夠得出視野范圍是否合 格。校核挖掘機前方視線范圍時，要先確定上下左右各個方向所能達到的最廣的 視線范圍是否達到要求。為了使駕駛室設計符合視野設計的相關規(guī)定，就要保證 駕駛員前方的上下左右每個方向所能看到的事項范圍

53、內不會被駕駛室遮擋到，即 都在前視窗范圍內。 表4-3前方視野基本要求（單位：° ） 角度 平面方向 垂直方向 前上 18 前下 22 水平方1司 前左 35 前右 35 在挖掘機駕駛室的總體布局敲定后，駕駛室前視窗的位置和大小就已經(jīng)有 了。如圖4-3所示，在眼橢圓側視圖上作出垂直視野的最小規(guī)定范圍，就是上面 的視線和眼橢圓上面相切，夾角是18° ,下面視線與眼橢圓下面相切，夾角是 22° ,由圖可知視線范圍均在視窗內，所以垂直視野校核合格。 圖4-3側視圖極限視野 水平視野校核和垂直視野校核類似，先確定左右眼橢圓的位置，再做視線的 范圍，畫出左眼

54、橢圓左邊相切且和中心偏左線夾角是35°的視線，右邊的視線 與左邊相似，是一條與中心線偏右夾角為35°且相切與右眼橢圓的右邊的視線, 由圖3-4可知視線校核合格。 圖4-4俯視圖視野極限 對于駕駛室設計來說視野設計是一個很關鍵的環(huán)節(jié)，比較合理的眼橢圓位置 和視野范圍能使駕駛員在工程作業(yè)中會以一個比較舒適的工作姿勢進行，對于駕 駛室的舒適性有一定的提升。 4.4操作器設計 挖掘機駕駛室操作器不僅要和駕駛員人體尺寸相契合，最重要的是滿足駕駛 員操作的舒適性，匹配駕駛動作和對操作準確性的影響。 對于挖掘機駕駛室的操作桿應注意： （1） 挖掘機的操作桿，應布置在駕駛員手腳活動便捷，便

55、于靈敏反應，快 速操作的位置，操作器按使用頻率和重要性遞減布置。 （2） 手動操作的手柄、按鈕、旋鈕等，以JB/Z308為準，布置在駕駛員操 作可觸及區(qū)域。 （3） 單手操作的操作桿，必須設計在操作手側。雙手操作的操作桿須設計 在駕駛員正中矢狀面附近。 （4） 挖掘機在坐姿狀態(tài)下操作，腳動操縱器設計在駕駛員正中矢狀面操作 腳側。偏離中矢狀面75mm" 125mm內。同時不操作時應給挖掘機駕駛員雙腳足夠 的空間。 4.4挖掘機座椅設計 經(jīng)過軟件模擬仿真結果，確定挖掘機駕駛者的最佳姿勢狀態(tài)，通過所得硬點 確定座椅三維模型，文中駕駛室的三維建模尺寸為5495inmX2530mmX3161m

56、m, 操作者選取95百分位，運用人機工程學對挖掘機座椅進行設計。挖掘機座椅由 骨架、座墊、靠背和調節(jié)機構組成。在座椅骨架上安裝彈簧，再在彈簧上襯墊。 有些座椅沒有彈簧，是直接選用加厚橡膠海綿為彈性元件。 座椅骨架作用是支撐座椅和人體質量，骨架乂分為座墊骨架和靠背骨架，骨 架應具有剛度和硬度，才可以起到承載和保證安全的作用。本文中挖掘機駕駛座 椅的彈性元件以用來緩沖機身傳來的沖擊，一般用1.2-4.0mm彈簧鋼絲加工成, 也可以用泡沫塑料來代替彈性原件。彈性座椅對駕駛座座椅的靜態(tài)和動態(tài)的最大 影響構件。 座椅墊可使用鑄型合成泡沫材料，按照所定泡沫成型。根據(jù)部位不同，一些 座椅的襯墊硬度要進行

57、相應的改進，為保證操作者坐姿，提高駕駛座椅的結實感, 襯墊左右兩側的硬度需要比中間部位硬度高。同時為提升駕駛員的舒適度，襯墊 上層硬度要比下層硬度低。挖掘機駕駛室座椅襯墊選取25nrnT40nmi左右厚度最 為適宜。 挖掘機駕駛座需要增加罩墊，最終目的在于增加駕駛座的造型效果，提升座 椅面的通氣性和手感。罩墊裝置在蒙皮和襯布之中，體現(xiàn)自由曲線形狀。其它與 座椅無關的襯墊，用在座椅骨架的菱角處和梭部成形時防止表皮的材料破損壞， 同時避免雜音的進入。挖掘機駕駛座椅包在座墊和靠背最外層的材料為蒙皮，它 的主要目的是提高造型特征和駕駛座椅表面舒適感和視覺效果，也可以起到襯墊 材料保護膜的作用。 挖

58、掘機駕駛座的調節(jié)機構，來適應不同身材比例的駕駛員操作時的不同需 求。調節(jié)的角度分為前后調節(jié)、高度調節(jié)、角度調節(jié)、駕駛座椅整體調節(jié)等。這 些功能的設計都是為了滿足駕駛員不同身高限制的要求，最終目的是符合人體工 程學的要求，最大程度滿足駕駛員的操作需求。根據(jù)挖掘機的情況，綜合上述的 設計需求，得出挖掘機駕駛室座椅參考尺寸，見下表4-1。依據(jù)尺寸進行駕駛室 座椅的設計，選取兩肘距離487mm,駕駛員衣服厚度19mm,為增加駕駛員舒適性 增大10mm。駕駛員最后坐間寬為515mm。設計的最終效果，如圖4-5所示。 表4-5駕駛座座椅參考尺寸 參數(shù) 符號 數(shù)值 座椅高 a (mm) 3

59、60-480 座椅寬 b (mm) 370-420,推薦 400 座椅深 c (mm) 360-390,推薦 38() 靠背長 d (mm) 320-340,推薦 330 靠背寬 e (mm) 200-300,推薦 250 靠背厚 f (mm) 35-50,推薦 40 靠背高 g (mm) 165-210,推薦 180 靠背圓弧半徑 R (mm) 400-700,推薦 550 座面傾角 a (°) 0-5,推薦 3-4 靠背傾角 p (°) 95-115,推薦 110 圖4-4座椅效果圖 結論 本文針對小型挖掘機回轉臺

60、出現(xiàn)的傳動不精確、工件裝夾繁瑣、擺動沖擊較 大及回轉臺整體較笨重等問題，從消除齒輪間隙、改進工件裝夾夾具、重力靜平 衡和步進電機的更換等方面來分析其對小型挖掘機加工的影響。對小型挖掘機回 轉臺進行結構的改進，針對傳動時齒輪出現(xiàn)的間隙，采用彈簧擺塊齒輪自動消隙 機構予以消除。在小型挖掘機回轉臺的夾具結構改進設計的兩種方案中，經(jīng)對比 分析采用虎鉗式夾具和螺栓壓條式夾具。同時對小型挖掘機回轉臺的整體結構做 了相應的調整，去掉了側面的底板，擴大了回轉臺的翻轉的范圍 參考文獻 [1] 張麗平，陳秀峰，馬懷群，等.步履式挖掘機駕駛室結構改進方法[J].工程機械與維 修，2018, 000(003):

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63、7. safety, reliability, comfort, environmental protection and appearance in the work, and the strength safety analysis of the main structure such as cab skeleton is carried out. The design of the rotary table is carried out. In view of the problems of inaccurate transmission, complicated clamping

64、of workpiece, large swing impact and heavy structure of the rotary table, the paper improves the rotary table from the following three points: the automatic clearance eliminating mechanism of spring swing gear is adopted to eliminate the gap between gears, and the structure design and the analysis o

65、f the motion properties are carried out; the clamp adopts Vice Clamp and bolt The static balance and the overall structure improvement are carried out to ensure the machining accuracy and motion sensitivity of the strip clamping mode, so as to improve the adaptability of the small excavator rotary t

66、able. [Key word] : mining machinery; small excavator; rotary platform; cab 1緒論 1.1選題背景 1.1.1選題原因 近些年來從挖掘機市場的總體發(fā)展可以看出，挖掘機的發(fā)展相對于其他工程 機械類產(chǎn)品發(fā)展較快，挖掘機使用頻率在眾多工程機械產(chǎn)品中最高。社會發(fā)展的 每一大步都離不開挖掘機，挖掘機的演化歷史也是社會發(fā)展變化的縮影，由進口 挖掘機霸占市場的昨天，到挖掘機生產(chǎn)國產(chǎn)化的今天，傾注了挖掘機研發(fā)工作者 的辛勤汗水。 時代在不斷進步，在物質文明極其豐富的今天，國外挖掘機和國產(chǎn)挖掘機的 市場競爭十分激烈，單純注重功能性的設計思維，己經(jīng)遠遠落后于挖掘機產(chǎn)品更 新?lián)Q代的步伐。工業(yè)設計對挖掘機的發(fā)展和技術改革創(chuàng)新將起到至關重要的作 用，在功能性的前提下加入人性化的設計，工業(yè)設計加入挖掘機產(chǎn)品設計是挖掘 機等工程機械類產(chǎn)品發(fā)展壯大的必然趨勢。 1.1.2選題意義 在工程作業(yè)中小型挖掘機因為體型較小的緣故擁有較好的機動性，較為合適 的價格使其具有普遍性，且其的使用范圍也很廣，作為工程機械小型挖掘機也擁 有較強的工