ZE510E液压挖掘机计算说明书讲解.docx
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ZE510E液压挖掘机计算说明书讲解
ZE510E/ESP液压挖掘机
计算说明书
中联重科（上海）
挖掘机上海研发中心
2012年06月8日
目录
第一章总体参数计算……………………………………………1
第二章回转装置计算……………………………………………3
第三章行走装置计算……………………………………………6
第四章工作装置计算……………………………………………9
第五章整机稳定性计算…………………………………………15
总体参数计算
一、功率计算
1、发动机原始参数
型号：
ISUZU-BB-6WG1XQA-03S
功率：
278.1kW/1800r/min
最大扭矩：
1553N.m/1500r/min
2、液压泵K5V200DPH1J3R-9NE4-4AV参数
（1）主泵：
最大流量Q：
360×2L/min
最大工作压力P：
34.3（37）Mpa
额定转速：
1800r/min
（2）先导泵：
流量Q：
27L/min
最大工作压力P：
3.9Mpa
额定转速：
1800r/min
3、主泵输入功率计算
采用电控方式调节主泵功率。
调节器可将主泵功率控制在一个最大值范围内，在充分利用发动机功率基础上，避免过载导致发动机熄火。
根据主泵功率曲线图，主泵最大功率时，P0=23MPa，Q0=343L/min
其中，液压泵总效率η=0.94
0.96，下同。
按照拟合的P-Q曲线，实现恒功率控制，此时：
P0=18.7MPa，Q0=347L/min
主泵1和主泵2输入功率：
4.先导泵输入功率
输入功率
5、功率校核
风扇（水散、中冷）消耗功率为：
8kW;
进排气消耗功率为：
2.1kW（发动机标定）;
电装空调压缩机功率为：
3kW;
发电机消耗功率为：
1.2kW；
发动机功率富余量为：
278.1-8-2.1-3-1.2-1.94-254=7.86kW
6、结论：
采用电控方式调节主泵功率，在主泵恒功率控制下，发动机功率富余2.2%，完全满足使用要求。
第二章回转装置计算
一、回转平台实际转速
回转马达型号:
KawasakiM5X130CHB-RG14D
排量:
129.2ml/r
最大工作压力:
28.4MPa
减速比:
20.04
回转机构速比:
I=20.04×
=20.04×85/11=154.854
式中:
Z2_内齿圈齿数
Z1_小齿轮齿数
回转平台实际转速：
n实=
/154.854=8.54r/min
即：
ω实=8.54×2π/60=0.89rad/s
二、回转平台最佳转速计算
在挖掘作业回转角度,转台转动惯量和回转液压功率给定的情况下,为了求得最短的作业循环时间,转台起动力矩MQ与回转角速度ωQ之间有一个最佳匹配的问题,这个最佳匹配的回转角速度就称为回转平台的最佳转速.
1）平台起动力矩MQ
MQ=p·q·I·η总/2π
=28.4×129.2×2×154.854×0.85/2π
=153812N·m
式中，q—马达排量；
p—工作压力；
η总—传动的机械效率,取0.85；其中:
ηM—液压马达的机械效率,取0.95；
η减速机—减速机传动效率，取0.92；
η齿圈—内齿圈传动效率，取0.98；
2）平台制动力矩MZ
由于摩擦力、效率、出口油压的影响，对于液压制动,制动力矩与起动力矩之比
C=
=
=
=1.384
式中ηM—液压马达的机械效率；
η1—减速机机械效率；
η2—回转支承机械效率。
MZ=1.384MQ=1.384×153812N·m
=212888N·m
川崎实际制动扭矩：
874×2×154.854×0.92×0.98=244049Nm
3）行走部分与地面的附着力矩Mφ
Mφ=4910φG
=4910×0.5×51
=464314N·m
式中φ—附着系数，取φ=0.5
G—整机重量,G=51t
取转台制动力矩的允许值
4）回转循环时间t
已知回转机构过载阀的调定压力p=28.4Mpa
按作业转角
=90°
回转循环时间:
t=
ωQ2（1+3/R2+3/cR-1/R3）+2
/ωQ
为了求得最短的作业循环时间t,令dt/dωQ=0得,转台最佳转速：
nmax=
式中，MQ—平台起动力矩，MQ=153812N·m
J0—空斗时转台的转动惯量,
J0=590G5/3=590×515/3=413811kg·m2
λ=
=1.627（J-满斗时转台的转动惯量）
=
=2.51
∴nmax=
=
=0.81（rad/s）
=7.74r/min
即理论上转速n=7.74r/min时，作业循环时间最短。
第三章行走装置的计算
一、接地比压计算
履带尺寸:
单条履带接地长度:
H=4530mm
履带板宽度:
L=700mm
履带高度：
h=1126mm
整机重量:
G=51000kg×9.8=499800N
履带平均接地比压:
p=
=
=0.0725Mpa
二、行走速度计算
行走马达型号为:
715C3K+KYBMSF340VP
工作压力:
P=34.3MPa
减速比:
i=62.4
马达排量:
q小=175.7ml/r
q大=304.1ml/r
马达输出转速:
n1=
=1967r/min
n2=
=1136r/min
驱动链轮节距：
t0=228.6mm
驱动链轮齿数：
23
驱动链轮基圆直径:
ν=rω，则有
νmax=
=
=5.03Km/h
νmin=
=
=2.91Km/h
三、最大牵引力计算
①液压马达最大输出扭矩：
Mmax=△p·q·ηm1/
=34.3×304.1×0.95/
=1578（N·m）
△p-液压马达的进出口压力差，取34.3MPa；
q-液压马达的排量，取q大=304.1ml/r；
ηm1-液压马达的机械效率；
2驱动轮的最大输出扭矩：
Mqmax=Mmax·i·ηm2=1578×62.4×0.91=89605N·m
i-传动比；
ηm2-行走减速机机械效率，ηm2=0.91。
3一条履带的最大牵引力：
T=Mqmax/R=89605×0.85×2/847.3=179.78（KN）
4整机最大牵引力（两侧）：
Tt=2T
=2×179.78
=360（KN）
四、爬坡能力
在爬坡时整机须克服如下阻力：
1）自重在斜坡方向分力WP=Gsinα
2）运行阻力WY=0.12Gcosα
3）履带内阻力Wn=0.06G
则最大牵引力应不小于这些阻力之和，即
Tt≥WP+WY+W
此外还应满足挖掘机在爬坡时不打滑的条件，即
φGcosα≥F
φ-履带板与地面的附着系数，取0.8。
由上，可得WP+WY+Wn≤F，即
G（sinα+0.12cosα+0.06）≤Tt①
φGcosα≥T，②
令φGcosα=G（sinα+0.12cosα+0.06）
得α=31.37°
代入①式，得：
51×9.8×（sin31.37°+0.12cos31.37+0.06）=341KN＜360KN
所以，整机在上31.37°斜坡时，牵引力能够克服几种阻力。
φGcosα=0.8×51×9.8×cos31.37°=341KN
φ-履带板与地面的附着系数，取0.8。
附着力等于克服阻力的牵引力，故挖掘机在爬31.37°的坡角时不会打滑。
所以，α=31.37°为挖掘机能实现的最大爬坡角。
五、原地转弯能力计算
挖掘机原地转弯阻力由两部分组成，一部分为履带在地面的转弯阻力，另一部分为履带的内阻力，
W=（0.70～0.80）μG+0.06G
式中μ-履带对地面接触阻力系数,取μ=0.55
W=（0.80×0.55+0.06）×51×9.8=250故挖掘机在一般路面能实现原地转弯。
第四章工作装置的计算
一.反铲工作装置方案设计
（一）、设计的基本要求：
1.反铲斗容量为2.2m3；
2.动臂机构的铰点布置；
3.其它要求与一般通用的反铲工作装置相同；
（二）、动臂提升机构主要参数确定
图中符号规定如下:
l0=AB—动臂提升油缸的最小长度；
lmax=AC0—动臂提升油缸的最大长度；
r4—AC线与水平线之间的夹角；
r5—∠B0CB；
L—动臂铰点C与动臂油缸铰点A的距离；
L0—动臂油缸全缩时，动臂油缸力对动臂铰点A的力臂;
L1—动臂铰点与动臂油缸与动臂铰点间的距离；
L2—动臂油缸全伸时，动臂油缸力对动臂铰点A的力臂;
引入下列无量纲参数：
λ=lmax/l0，ρ=L/l0，σ=L1/l0，ε=L0/l0，k=L2/L0
令:
m=Cosr3=（L21+L2–l02）/2L1L
p=Cos（r2+r3）=（L12+L2-lmax2）/2L1L
则推导得出：
此外，ε=L0/l0=σ·ρ·Sinr3
即有：
L0=l0·σ·ρ·Sinr3
同理有：
L2=L0·σ·ρ·Sin（r2+r3）/λ
工作装置铰点位置代入计算结果如下：
ε=L0/l0=560.9/2260=0.2482
ρ=L/l0=1032.4/2260=0.4568
k=L2/L0=723.1/560.9=1.2892
σ=L1/l0=3176.6/2260=1.4056
注：
在通用挖掘机上，考虑以反铲、正铲和起重、装载等作业为主要工作装置时，可取ρ=0.5～0.6，k=1；对要求在地下部分有较大挖掘力、挖掘深度时，ρ值可适当缩小。
动臂全伸、全缩的力臂比值k按不同情况选取，专用反铲可取k＜0.8；以反铲为主的通用机械，k=0.8～1.7。
所以以上初选值合理。
（三）、动臂提升机构几个初始参数
根据ZE510E整机结构参数和平台尺寸，选定动臂与平台铰接点A的直角坐标值如下：
XC=140mm（自回转中心量起）
YC=2290mm（自停机平面量起）
而按照ZE510E反铲工作装置在挖掘深度和挖掘半径方面的基本要求，我们选定动臂的转角范围如下：
r2min=-43°
r2max=46°
所以动臂的转角范围为：
θ1=r2max-r2min=46°-（-43°）=89°
动臂油缸—斗杆油缸—铲斗油缸的缸数为：
2—1—1；
采用重量轻，刚性好的整体弯动臂结构；
按如上所推导解析式和选定的初始参数经运算后得一组动臂提升机构的主参数（动臂提升机构各铰点的位置几个构件的长度）。
同样，可得出一组斗杆机构和铲斗机构的主参数（包括斗杆机构和铲斗机构各铰接点位置以及各构件的长度）。
工作装置（动臂提升机构、斗杆机构和铲斗机构）各铰接点位置以及各构件的长度均参照ZE510E液压挖掘机。
具体数值如下：
DE=1816.5mmDM=507.5mm
ML=720mmNL=719mm
DN=537mmBD=3380mm
BM=2877.7mmBH=1151mm
BC=7060mmBF=4237mm
HI=1635mmFC=3176.6mm
ZE510E液压挖掘机油缸的参数
动臂油缸
斗杆油缸
铲斗油缸
油缸个数
2
1
1
油缸内径
Φ165mm
Φ190mm
Φ165mm
活塞杆径
Φ115mm
Φ135mm
Φ115mm
油缸最大长度Lmax
3830mm
4740mm
3140mm
油缸初始长度L0
2260mm
2755mm
1870mm
油缸大腔面积
213.71cm2
283.39cm2
213.71cm2
油缸小腔面积
109.9cm2
140.32cm2
109.9cm2
系统最大工作压力
37MPa
37MPa
37MPa
油缸闭锁压力
39MPa
39MPa
39MPa
油缸大腔推力
790.7KN
1048.5KN
790.7KN
油缸小腔推力
406.6KN
519.2KN
406.6KN
油缸大腔闭锁力
833.5KN
1105.2KN
833.5KN
油缸小腔闭锁力
428.6KN
547.2KN
428.6KN
油缸行程
1570mm
1985mm
1270mm
λ=Lmax/L0
1.695
1.721
1.679
注：
考虑到结构尺寸、运动余量、稳定性和构件运动幅度等因素的影响一般选取λ=1.5～1.7，个别情况因动臂摆角和铰点位置要求可以取λ动臂≤1.6，而取λ斗杆=1.6～1.7，
λ铲斗=1.5～1.7。
斗杆工作全伸时，l/d>15，则需对斗杆油缸进行稳定性校核。
根据《液压元件手册》黎启柏主编，冶金工业出版社、机械工业出版社P140，可知其所承受的压力F不能超过保持稳定工作所允许的临界载荷，则应满足下式：
F≤Fk/nk
式中：
Fk—活塞杆弯曲失稳临界压缩力；
nk—安全系数，通常取nk=2～4，这里取nk=3。
斗杆缸按无偏心载荷、等截面计算：
当l/k≥mn1/2时，可按欧拉公式计算，Fk=nπ2EJ/l2
式中：
Fk—失稳临界压缩力；
n—末端条件系数，查表得n=1；
E—材料的弹性模数，钢材E=2.1×1011Pa；
J—活塞杆横截面惯性距，m4。
对实心杆，J=πd4/64=0.049×0.1354=1.63×10-5m4
Fk=nπ2EJ/l2=2.1×1011×1.63×10-5π2/2.7552=4.44×106N
斗杆油缸挖掘时大腔受压，此时压力应为大腔的闭锁力，故：
F=1105.2KN
Fk/nk=4.44×106/3=1480KN≥1105.2KN
因此斗杆油缸稳定性能够达到使用要求。
在实际挖掘过程中，斗杆缸稳定行应按照斗杆最大转角的1/3—1/2计算，但在这个转角范围内，斗杆缸活塞杆的伸出长度不为最大值，因此，斗杆油缸能够满足工作要求。
二.反铲工作装置运动轨迹包络图
最大挖掘高度
mm
10980
最大挖掘半径
mm
12005
最大卸载高度
mm
7680
最小回转半径
mm
4805
8'水平最大挖深
mm
7600
地面最大挖掘距离
mm
11800
最大挖掘深度
mm
7740
三.最大挖掘力计算
铲斗最大挖掘力计算：
F铲斗=37X3.14X165X165/4=790750N
Fd=790750X720X535.6/（667.2X1590.3）=287393N
斗杆最大挖掘力计算：
F斗杆=37X3.14X190X190/4=1048524
Fd=1048524X1151.2/4971.7=242786N
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