ZL15型輪式裝載機工作裝置設計論文

畢 業(yè) 設 計 論 文 題目 ZL15 型輪式裝載機 工作裝置設計 2 前 言 裝載機主要用來裝卸成堆散料，也能進行輕度的鏟掘工作。由于它適用于建筑、礦山、鐵道、公路、水電等國民經(jīng)濟各個部門，因此，在國內(nèi)外產(chǎn)量與品種的發(fā)展都較快，是工程機械中的一個主要機種。 裝載機根據(jù)不同的使用要求，發(fā)展形成了不同的結(jié)構(gòu)類型。通常，按使用場合的不同，分成露天用裝載機和井下 用裝載機；接行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，分成輪式裝載機與履帶式裝載機；按卸料方式不同，分為前卸式 (前端式 )、后卸式與回轉(zhuǎn)式裝載機。本書主要論述露天工程用的輪式裝載機的設計。 裝載機的設計，大致要經(jīng)歷：明確任務、調(diào)查研究、制訂設計任務書，進行整車布置、確定整機的主要性能參數(shù)，進行各部件的方案設計與強度計算，技術(shù)設計和工藝設計，試驗鑒定和修改定型等這樣一些階段。一臺裝載機的設計是否成功，首先是從能否滿足使用要求，好造、好用、好修，具備較高的作業(yè)生產(chǎn)串和較低的使用成本來衡量的。這體現(xiàn)在設計工作中，就是應當使裝載機具有較完善 的技術(shù)經(jīng)濟性能與指標以及先進的部件結(jié)構(gòu)方案。 2 摘 要 我所設計的 ZL15 裝載機既保留了傳統(tǒng)裝載機的優(yōu)點，而有具有新的性能和優(yōu)點。 本次設計主要進行的工作裝置的設計。裝載機采掘和卸載貨物的作業(yè)是通過工作裝置的運動實現(xiàn)的。裝載機的工作裝置由鏟斗，動臂、搖臂、連桿及液壓系統(tǒng)等組成。鏟斗以鏟裝物料；動臂和動臂油缸的作用是提升鏟斗并使之與 車架連接；轉(zhuǎn)斗油缸通過搖臂，連桿使鏟斗轉(zhuǎn)動。動臂的升降和鏟斗的轉(zhuǎn)動采用液壓操作。 先對裝載機的發(fā)展概況幾設計的指導思想、特點、任務進行概述，然后確定方案，在技術(shù)設計部分羅列了 ZL15 裝載機的主要技術(shù)性能和參數(shù)，進行了牽引特性計算，工作裝置設計。工作裝置設計中有工作裝置運動分析，對鏟斗、動臂、連桿機構(gòu)進行設計等幾部分組成。 在工藝設計中敘述了工藝工程。應用程序計算了受力分析?？傊?，整個設計是有序地完成的。 在整個設計的過程中，在老師及其他老師的指導下順利完成的，通過這次設計，我學到很多東西，在實踐中把大學中所 學的知識綜合運用復習了一次，同時也學到很多新的東西，受益非淺。在此，本人表示衷心感謝！并真誠希望各位老師對我提出寶貴的意見。 2 Abstract This type of ZL15 loader that I have designed has the common virtues of the traditional loaders.And it has some new-improved virtues and function. In my design progress,I put emphasis on the working-device. The ZL15 loader also has some traditional virtues like the articulited wheel-type loader.The loader digging and unload the goods by the working-device.The working-device has many Parts and it is connected to the machine.Some parts of the devices turning by liquid press realize. At first,I introduce the developing trend of the loaders,and explained the main designing idea, designing characteristic and designing task.The second part is the whole designing prgram.In the technical designing part,the main technological parameters and technological features of the ZL15 loader are listed.The following part is the calculation part of the tractive features and the designing of the working device. The necessary computer progress is placed in the end of my designing progress,all the computer program was composed with C language .In a word,the whole designing progress is designed carefully and step by step.I wish my design could clearly explained my designing idea. With the kind help of Mr.LiFeng and other teachers,I finished my design successfully.Through designing this type of ZL15 loader,I have attained a lot which was new to me.Here,I want to express my heartful gratitude to those teachers.At the same time ,the shortcomings in my design need to be poingted out by the teachers.thank you all. 目 錄 第一章 設計任務書 1 第二章 裝載機的發(fā)展及應用 2.1 裝載機在的介紹 1 2.2 裝載機在地下開采中的應用 2 2.3 我國裝載機的發(fā)展前景 3 第三章 輪式裝載機總體參數(shù)的確定 4 第四章 裝載機的總體布置 4.1 裝載機的總體布置原則 6 4.2 裝載機各部件的布置 7 4.3 裝載機的總體構(gòu)造和分類 9 第五章 裝載機工作裝置的設計 5.1 工作裝置結(jié)構(gòu)分析 10 5.2 鏟斗設計 11 5.3 工作機構(gòu)連桿系統(tǒng)的尺寸參數(shù)設計 15 5.4 工作裝置強度計算 21 5.5 裝載機工作裝置中油缸作用力的確定 29 5.6 工作裝置的限位機構(gòu) 30 總結(jié) 31 參考文獻 32 1 第一章 設計任務及要求 一 課題名稱（包括主要技術(shù)參數(shù)）及要求 ZL15 型裝載機工作裝置設計 裝載機工作裝置斗容： 0.9 3m 額定載重量： 1.5t 柴油機功率： 50kw 整機重量： 5.1t 最大卸載高度： 2500m 最小卸載距離： 850mm 要求：保證裝載機工作的功能，滿足工程機械的各項使用性能。 二 課題內(nèi)容幾工作量 1. 總體方案確定 2. 工作裝置結(jié)構(gòu)形式分析 3. 工作裝置運動分析 4. 工作裝置性能分析 5. 圖紙設計 6. 電算程序 7. 譯文（機械設計類） 第二章 裝載機的應用與發(fā)展狀況 2.1 輪式裝載機的介紹 金屬礦山的開采可劃分為露天開采和地下開采兩大類。我國露天礦采以礦 石的比重約占 70，但從事地下開采的人員比露天開采的人員多。這是因為地下開采的條件復雜，使用的設備種類繁多，在產(chǎn)量相同的條件下，對地下礦投資的人力和物力遠大于露天礦的緣故。 保護自然環(huán)境和合理地利用礦藏資源，是發(fā)展社會主義經(jīng)濟的必要條件。隨著淺埋礦床的耗盡而愈來愈向深部開采，或當露天升采的深度很大而使地表遭受大面積的破壞時，就必須采用地下開采?？梢灶A料今后地下開采仍將逐漸增加。 不論是露天礦開采還是地下礦開采，對礦體較硬的金屬礦山，都是經(jīng)鑿巖爆破將崩落松散礦石或巖石，經(jīng)裝運作業(yè)運至下步工序的作業(yè)地點 。裝載作業(yè)是礦山整個生產(chǎn)過程小既繁重又費時的作業(yè)。所以努力提高裝載機械的作業(yè)能力，對實現(xiàn)礦山生產(chǎn)的高效率低消耗想著重要的作用。 ZL 系列輪式裝載機是一種高效率的工程機械，具有結(jié)構(gòu)先進，性能可靠，機動性 2 強，操縱方便等優(yōu)點。廣泛應用于礦山，建筑工地，道路修建，水利工程，港口，貨場，電站以及其他工業(yè)部門，進行裝載，推土，鏟挖，起重，牽引等多種作業(yè)。 對加快工程建設速度減輕勞動強度提高工程質(zhì)量降低工程成本都發(fā)揮著重要作用，因此近幾年來無論在國內(nèi)還是國外裝載機品種和產(chǎn)量都得到迅速發(fā)展，成為工程機械的主導產(chǎn)品之一。 為適 應裝載機多功能作業(yè)的要求，輪式裝載機已經(jīng)向一機功能方向發(fā)展。這主要靠主機控制適合多種作業(yè)的組合工作裝置完成。 80 年代國外裝載機和液壓挖掘機除了不斷完善裝，挖功能外，正向一機多能方向發(fā)展。許多公司競相生產(chǎn)各式各樣的輔助機構(gòu)。這種機型使用范圍很廣，其產(chǎn)品受到用戶的普遍關(guān)注。 在通用拖拉機前端加裝載裝置，后部加挖掘裝置可改裝變形成前裝后挖拖拉機，亦稱挖掘裝載機，俗稱“兩頭忙”。 工作裝置的性能分析過去多采用作圖分析和手工計算法，工作量繁重，精度較低。當分析工礦較多時問題更為突出，為克服手工畫圖的誤差。本次設計前面 所進行的工作裝置 CAD 設計是通過看資料、實物，通過初步分析、計算而確定的方案。其次要考慮各個工作液壓缸作用力的均衡性，整機的穩(wěn)定性，整機與地面的附著性、滿足結(jié)構(gòu)和布置的可能性，以綜合比較初選方案，從而確定機構(gòu)參數(shù)（一般來說，從計算機輔助分析中發(fā)現(xiàn)不合理的現(xiàn)象可究其原因，采取改進措施，是設計合理化。對已經(jīng)擬訂的各種方案可通過計算機輔助分析作進一步的取舍和修改，以便確定較合理的方案）。同時，通過性能分析能夠很清楚的了解到這個裝載機裝置在各個位置或各種工況時的里和其它參數(shù)，有利于更有效地使用挖掘裝載機和使這種裝載 機工作效率得到最大限度的發(fā)揮。 2.2 裝載機在地下開采中的應用 地下礦的開采，包括開拓、采準、回采三個步驟。開拓是礦山的基建工程，它是用井巷把地表與山地下礦體接通，并建成完整的運輸、通風、排水的并巷工程，包括豎井、斜井、盲井、井底車場，如水泵房、變電室、機修站、火藥庫等，還有石門、階段運輸巷道、溜井等。 采準是指掘進形成采區(qū)外形的一些巷道及為了回采工作面的碎巖和爆破而需要的自由空間。前者如采區(qū)的運輸巷道、通風和人行天井，以及電耙巷道等，如切割槽、拉底空間、放礦漏斗等。 回采就是做完采準后，在采區(qū)工作 面進行的落礦、裝運和管理作業(yè)?；夭芍械牡V石裝運作業(yè)是礦山生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。 裝載作業(yè)就是把開拓、采準、回采的礦石或巖石裝入運輸工具或卸入溜井。開拓、采準和回采三者在使用裝運機械方面對比起來，采準工程的特點是：它的裝運作業(yè)工作量，是在階段水平以上或礦房內(nèi)部及礦床上下盤中進行的。一般地說，這些巷道斷面尺寸小、長度短，分布在階段水平以上不同的高度上，要求機械設備輕便靈活，便 3 于調(diào)入和調(diào)出及遷移到不同高度上。在斷面只寸很小的空間內(nèi)工作，由于設備的調(diào)入遷移和使用都比較困難，致使采準工作的機械化程度低、工作效率低、成本高。 因此采準工作量的多少，便成為衡量采礦方法好壞的重要指標之一。 2.3 我國裝載機的發(fā)展前景 隨著我國國民經(jīng)濟建設的調(diào)整發(fā)展，大型輪式裝載機的需求量會有大幅度上升，特別是西部大 開發(fā)，許多大型工程建設等，大型輪式裝載機大有用武之地。另外，世界上生產(chǎn)大型輪式裝載 機的國家、企業(yè)也不多，出口前景也非常好，苦于我們還拿不出產(chǎn)品。 1999 年，我國全行業(yè) ZL60 型共銷 28臺， ZL80 型及 ZL100 型一臺也未銷售。因此，我國大型 輪式裝載機可以說是基本上未推向市場。影響推出市場的主要原因是，除開發(fā)水平較低外，主 要是配套件跟不上。大型 輪式裝載機的配套件國內(nèi)基本上沒有，有少量的也是水平低，可靠 性差，不太適用，進口配套件價格又太貴。因此大型輪式裝載機的國內(nèi)市場基本上被國外大公 司所占領(lǐng)。我國裝載機行業(yè)，特別是主要裝載機制造企業(yè)，應抓住我國加入 WTO 后進口件價格 降低的機遇，進口一部分重要的關(guān)鍵部件，同時為盡量降低成本，加大力度開發(fā)一些目前已經(jīng)有能力開發(fā)的零部件，如傳動系統(tǒng)中的驅(qū)動橋、液壓件中的缸、閥等，經(jīng)過精心設計，開發(fā)出 具有中國特色的大型輪式裝載機。只要我們的產(chǎn)品能占領(lǐng)國內(nèi)市場，也一定能打進國際市場。 國產(chǎn)挖掘裝載機及小型多功能裝載機數(shù)量很少，在我國 ZL20 型以下屬小型裝載機，據(jù) 1999 年全行業(yè)主要企業(yè)統(tǒng)計 ,共銷售小型裝載機有 1546 臺，能占全行業(yè)的8.2。 國外小型裝載機及小型多功能裝載機，包括挖掘裝載機在內(nèi)，市場份額已相當大。美國的 山貓牌小型多功能裝載機年銷量在 5 萬臺左右，還有美國的凱斯、約翰迪爾、卡特彼勒、英國 的 JCB 公司等的挖掘裝載機及小型多功能裝載機年銷量都在萬臺上?？梢娛澜缡袌錾贤诰蜓b載 機及小型多功能裝載機市場是多么大，而中國目前這類產(chǎn)品基本上還沒有。這類產(chǎn)品特別 適用 于市政建設、中小城鎮(zhèn)建設、鄉(xiāng)間非等級公路建設、一般公路的維護保養(yǎng)、港口碼頭作業(yè)，還 有改造環(huán)境、植樹造林等。特別是西部大開發(fā)，這類產(chǎn)品將有廣闊的潛在市場。這類產(chǎn)品的開發(fā)，今后肯定是以靜液壓件傳動為主，目前世界上小型裝載機、小型多功能裝載機基本上都是 靜液壓傳動。我國要能真正把這類產(chǎn)品發(fā)展起來，必須有自己的創(chuàng)新。裝載機行業(yè)的廣大企 業(yè)，特別是有能力的大企業(yè)，應加大創(chuàng)新力度，去爭我國小型裝載機、小型多功能裝載機、挖掘裝載機等這一巨大的潛在市場。 我國西部 3000 米以上高海拔地區(qū)及沙漠地區(qū)占了很 大的面積，在實施西部大開發(fā)中，高原 及沙漠型特殊用途裝載機需要量較大，國內(nèi)目前基本上還沒有這類產(chǎn)品，而國外大公司在這方 面已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品。因此，我國加入 WTO 后，這個巨大的潛在市場很可能被國外大公司所占領(lǐng)。我國的裝載機行業(yè)從現(xiàn)在起應積極行動起來，與有關(guān)科研院所及有關(guān)發(fā)動機等配套件企業(yè)聯(lián)合起來，盡快開發(fā)出具有中國特色的高 4 原、沙漠型特殊用途裝載機，去搶占我國西部這一潛在大市場。 中型輪式裝載機是國內(nèi)最成熟而產(chǎn)量又大大過剩的產(chǎn)品。這種產(chǎn)品只要“入世”后實行國 際采購，提高質(zhì)量、水平、可靠性，那么大批 進入國際市場的機遇就在眼前。 第三章 輪式裝載機總體參數(shù)的確定 3.1 裝載機鏟掘時的作業(yè)阻力 裝載機在進行鏟掘作業(yè)中的作業(yè)阻力主要是：鏟斗插入料堆時的插入力；提升動臂時的鏟起力；翻起轉(zhuǎn)斗時的轉(zhuǎn)斗阻力矩。影響這些阻力的因素很多，例如鏟掘的物料種類、鏟斗的形狀，鏟斗插入的深度等。而鏟掘的物料種類又是多種多樣的，可能是土壤砂石，也可能是各種塊度的礦石，因此在這些復雜因素影響下，難以準確的計算出裝載機鏟掘時的作業(yè)阻力，為確定這些阻力，則通過鏟掘散狀物料試驗的辦法得出經(jīng)驗 公式和多種系數(shù)進行計算，下面分別計算裝載機在鏟掘散狀物料時的各種阻力。 一、插入阻力 插入阻力是裝載機鏟斗插入料堆時，料堆對鏟斗的反作用力。插入阻力分別由以下阻力組成：鏟斗前切削刃口和兩側(cè)壁切削刃口的阻力；鏟斗底和側(cè)壁內(nèi)表面與物料的摩擦阻力；鏟斗外表面與物料接觸時的摩擦阻力。這些阻力與物料的類型、料堆的高度、鏟今插入料堆的深度、鏟斗的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。由實驗得知，隨著鏟斗插入料堆深度的增加，插入力隨指數(shù)稍大于 1 的拋物線而增長，推薦用下面的經(jīng)驗公式 11算： 4325.121 KKBLKKP KGc 式中： Pc 鏟斗插入阻力 (公斤 )； K 1 取決于被鏟掘物科的塊度和松散程度的影響系數(shù) ,取塊度小于 400毫米時， K 1=1.1； K2 物科種類 (容積比重 )的影響系數(shù)，散狀物料種類為沙石，系數(shù)為0.12； L。 鏟斗插入料堆深度 (厘米 )；取 50cm； KB 鏟斗寬度 (厘米 )； 5 3K 一散狀物料料堆高度影響系數(shù)，料高度為 1.4m, 3K=1.15。 4325.121 KKBLKKP KGc 此處省略 NN NNNNN NNN NN 字 裝載機工作裝置圖 二裝載工作對工作機構(gòu)設計的要求 6 （一）輪胎式裝教機工作過程 輪胎式裝載機是一種裝運卸作業(yè)聯(lián)合一體的自行式機械，它的工作過程由 5 種工作狀態(tài)或工況組成： 1）工況 I 插入狀態(tài) 動臂下放，鏟斗放置地面，斗尖觸地，鏟斗前壁對地面呈 3 5 前傾角；開動裝載機鏟斗借助機器的牽引力插入料堆。 2) 工況 II 鏟裝狀態(tài) 工況 I 以后，轉(zhuǎn)動鏟斗，鏟取物料 ，待鏟斗口翻轉(zhuǎn)至近似水平為止。 3)工況 III 重載運輸狀態(tài) 舉升動臂，待工況 II 之鏟斗升高到適合位置 (以斗底離地的高度不小于最小允許距離為準 )，然后驅(qū)動裝載機，載重駛向卸載點。 4)工況 IV 一卸載狀態(tài) 在卸載點，舉升動臂使鏟斗至卸載位置；翻轉(zhuǎn)鏟斗，向運輸車輛或固定料倉卸載；卸畢，下放動臂，使鏟斗恢復到運輸狀態(tài)。 5)工況 V 空載運輸狀態(tài) 卸載結(jié)束后，裝載機由卸載點空 載返回裝載點。在露天礦或工地，通常輪胎式裝載機是向載重汽車卸裁，出于裝載點和卸載點距離很近，卸載位置較高，所以一般稱作“定點高位卸載”。 地下礦山使用的輪胎式裝載機習慣上稱“井下鏟運機”。目前，鏟運機多數(shù)向溜井或礦倉卸載，運輸距離較長，卸載位置較低，所以一般被稱為“動點低位卸載” 工作裝置的結(jié)構(gòu)設計包括： 1）確定動臂的長度、形狀及車架的鉸接位置。 2）確定動臂油缸的鉸接位置及動臂油缸的行程。 3）連桿機構(gòu)（動臂、鏟斗、轉(zhuǎn)斗油缸、搖臂和連桿構(gòu)成） 4）工作裝置的結(jié)構(gòu)設計應滿足以下要求： （ 1） 保證滿足設 計任務書中所規(guī)定的使用性能及技術(shù)經(jīng)濟指標的要求，如最大卸載高度、最大卸載距離，在任何位置都能卸凈物料并考慮可換工作裝置。 （ 2）保證作業(yè)過程中任何構(gòu)件不與其它構(gòu)件干涉。 工作裝置的結(jié)構(gòu)設計是一個比較復雜的問題，因為組成工作裝置的各個構(gòu)件尺寸幾位置的相互影響，可變性很大。對于選定的結(jié)構(gòu)形式，在滿足上述條件下可以有各種各樣的構(gòu)件尺寸及鉸接點位置。通過多種方案的比較，選出最佳構(gòu)件的尺寸及鉸接點位置，使所設計的工作裝置不僅滿足使用要求，而且具有較高的技術(shù)經(jīng)濟指標。 目前，在實際設計工作中，參考同類樣機結(jié)構(gòu)，采用比較 法設計。下面以連桿式的工作裝置為例來進行分析。 三機構(gòu)分析 反轉(zhuǎn)六桿工作機構(gòu)由轉(zhuǎn)斗機構(gòu)和動臂舉升機構(gòu)組成轉(zhuǎn)斗油缸 CD,搖臂 CBE連桿 FE鏟斗 GF 動臂 GBA 機架 AD 六個構(gòu)件組成，由于 AD 和 GF 轉(zhuǎn)向相反，所以此機構(gòu)稱為 7 反轉(zhuǎn)六桿機構(gòu)。 舉升機構(gòu)主要由舉臂油缸 HM 和動臂 GBA 構(gòu)成，若將整個反轉(zhuǎn)機構(gòu)放置在直角坐標系中，只要確定出九個鉸鏈點 GFEBCDAH 和 M 的位置就可求得工作機構(gòu)連桿系統(tǒng)中個構(gòu)件的尺寸參數(shù)值。 一） 寸參數(shù)的圖解 圖解法是在初步確定了最大卸載高，最小卸載距離，卸載角等參數(shù)后進行的。 （一） 動臂與鏟斗， 搖臂，機架的三個鉸鏈點 GBA 的確定 1定坐標系 先在坐標紙上選取直角坐標系 XOY，并選定長度比例 2畫鏟斗圖 把已畫好的鏟斗橫截面外廓圖按比例畫在坐標里，斗尖對準 O 點，與 X 軸成 53度的前傾角。此時鏟斗插入料堆的位置工礦 I。 3確定動臂與鏟斗的鉸鏈點 G 由于 G 點的 X 坐標值越小轉(zhuǎn)斗鏟取力就越大， G 點的 Y 坐標值一般取 200120 mm 8 反轉(zhuǎn)六桿工作機構(gòu)簡圖 4 定動臂與機架的銨接點 A 以 G 為圓心，使鏟斗順時針轉(zhuǎn)動，至鏟斗斗口與 x 軸平行為止。 即工礦 II， Y 值為 )1()(24.25 wwwkZ bbHdRY)15.01(1612244.25 6.254.25 650 (mm) 輪胎選標準系列 : 16-24 外直徑為 1460 10mm， （ a） 根據(jù)最大卸載高度 h 和最小卸載距離 l 和卸載角 畫出工礦 ， G 點位置為 9 G 。以 G 點為圓心，順時針旋轉(zhuǎn)鏟斗，使鏟斗口與 x 軸平行，即得鏟斗被舉升到最高位，即工況圖 III。 (b)連接 G 和 G ，作 G G 的垂直平分線， A 點必在垂直平分線上，且 A 點取在前輪的右上方，與前軸心水平距離為軸距的 1/3 1/2 處。 5確定動臂與搖臂的鉸接點 B B 點位置是一個十分關(guān)鍵的參數(shù)。它對連桿機構(gòu)的傳動比，倍力系數(shù)，連桿機構(gòu)的布置以及轉(zhuǎn)斗油缸的長度等都有很大影響。一般 B 點在 AG 連線的上方，過 A 點水平線下方，相對于前輪外廓， B 點在其左上方。 （二）連桿與鏟斗和搖臂兩個鉸接點 E F 的確定 確定 E F 兩點時，既要考慮對機構(gòu)運動學的要求，如必須保證鏟斗在各工礦時的轉(zhuǎn) 角又要注意動力學的要求，如鏟斗在鏟裝物料時輸出較大的力，同時還要考慮各種機構(gòu)運動被破壞的現(xiàn)象。 1按雙搖桿條件設計四桿機構(gòu)，并令 GF 桿為最短桿， BG 為最長桿，即必有： GF+BGFE+BE 若令 GF=a,FE=b,BE=c,BG=d,并將上式兩邊同時除以 d 得下式： 1 dadcdbK 初步設計時，上式可在下列值內(nèi)選?。?995.0950.0K da )5.03.0( dc )8.04.0( 因為 d 值已經(jīng)由 確定，所以可求得 a、 b、 c 三值。 d=1352mm, a=406mm 676mm, c=541 1081mm 這兩點位移的確定要綜合考慮如下四點要求： 1)E 點不可與前橋相碰，并有足夠的最小離地高度； 2)工況 I 時，使 EF 桿盡處與 G 桿垂直，這樣可獲得較大的傳動角和倍力系放； 3)工況時， EF 與 GF 兩桿的夾角必須小于 170 度，即傳動角不能小于 l0度，以免機構(gòu)運動時發(fā)生自鍘； 4)工況 IV 時， EF 與 GF 桿的傳動角也必須大于 l 0 度。 具體作法有兩種： 1)初選 E 點法 如圖 4 9 所示，鏟斗取工況 I 。以 B 點為圓。以 BE c 為半徑畫??；人為地初選 E 點，使其落在 B 點右下方的 弧段上；再分別以 B 點和 G 點為圓心，以 FE b和 GF a 分別為半徑畫弧，得交點，即為 F。 2)圖解法 10 分別以 B 點和 G 點為圓心， c 和 22 ba 分別為半徑畫弧，其交點為 E；再分別以 G 和 E 點為圓心， a 和 b 為半徑畫弧，則其交點必為 F。如下圖所示： 若上述所得 E 和 F 點均滿足要求則罷，否則，可調(diào)整 a、 b、 c 長度，重新作圖，直至滿意為止。但是，同時滿足上述四點要求是不易的，尤其若保證 EF 上GF 是很難的，所以，設計時，一般使 EFG 不小于 70 即可。 3為了防止機構(gòu)出現(xiàn)“死點”、“自鎖”或“撕裂”設計時還應滿足下列不等式： 工況 l 時 GF 十 FE GE 工況 IV 肘 FE 十 BE FB （三）轉(zhuǎn)斗油缸與搖臂和機架的鉸鏈點 C 和 D 的確定 . 確定 C 點 從力傳動效果出發(fā)，顯然使搖臂 BC 段長一些有利，那樣可以增大轉(zhuǎn)斗油缸的作用力臂，使攫取力相應的增加。但增加 BC 段，必將減小鏟斗與搖臂的轉(zhuǎn)角比，造成鏟斗轉(zhuǎn)角難以滿足各工礦的要求，并且使轉(zhuǎn)斗油缸行程過長。因此初步設計取： BEBC )0.17.0( C 點一般取在 B 左上方， BC與 BE 夾角可取 180130CBA ，并使工礦一時搖臂與轉(zhuǎn)斗油缸趨近垂直， C 點運動不得與鏟斗干擾。 2確定 D 點 轉(zhuǎn)斗油缸與機架的鉸鏈點 D 的確定，是依據(jù)工礦舉升到工礦 過程為平動，由工礦到工礦時為啟動放平這兩大要求來確定的。 當以上鉸鏈點確定下來后，則鏟斗在各工礦的 C 位置也唯一的被確定下來。因為鏟斗油缸由工礦舉升到或由放到工礦的過程中，轉(zhuǎn)斗油缸的長度均分別保持不變，所以 D 點必為 2C 和3C點連線的垂直平分線與 1C 和 4C 連線的垂直平分線的交點。 11 （四） 升油缸與動臂和機架的鉸接點 H 及 M 的確定 舉升油缸布置應本著工作力矩大、油缸穩(wěn)定性好、構(gòu)件互不干擾、整機穩(wěn)定性好的原則來確定。 一般 H 點選在 AG 連線上方，并取 AG AG/3。 AH 不能取太大，它受到油缸行程的限制。 M 點盡量與地保持最小高度，并且望前橋方向靠是比較有利的，這樣舉升工作力臂大小變化比較小。 四動臂形狀的選擇 動臂按其縱向中心線形狀分為直線型與曲線型兩種。前 者結(jié)構(gòu)簡單，腹板變形小，重量輕，而且動臂的受力情況好。后者可使工作裝置布置更為合理。 動臂的斷面尺寸由強度分析決定，為減輕工作裝置重量，通常按等強度梁設計動臂斷面尺寸。 動臂斷面的結(jié)構(gòu)形式有單板式、雙板式和箱體式三種。大型裝載機的動臂多采用雙板式或箱體式結(jié)構(gòu)。因為這種動臂形式能較好的改善動臂的受力情況，消除了單板式動臂因搖臂支撐力作用使動臂承受附加扭矩的影響。此工作裝置是 ZL45-40 型裝載機的工作裝置，固采用雙板式曲線型結(jié)構(gòu)，其具體參數(shù)見上述所示。 5.4 工作裝置強度計算 一計算位置 分析裝載機插 入料堆、鏟起、提升、卸載等作業(yè)過程可知，裝載機在鏟掘物料時，工作裝置的受力最大，所以取鏟斗斗底與地面的前傾角 5 度時的鏟取位置作為計算位置，且假定外載荷作用在鏟斗的切削刃上。 二外載荷的確定 由于物料種類和作業(yè)條件的不同，裝載機實際作業(yè)不可能使鏟斗切削刃均勻的受力，可將其轉(zhuǎn)化為兩種情況： 1.認為載荷沿切削刃中部的集中載荷來代替均布載荷，稱為對稱受載的情況； 2.由于鏟斗偏鏟，料堆密實程度不同，使載荷偏于鏟斗一側(cè)。形成偏載情況，通常將其簡化后的集中載荷加在鏟斗側(cè)邊第一斗齒上。 裝載機的鏟掘過程通常分為如下三種受 力情況： （ 1）鏟斗水平插入料堆，工作裝置油缸閉鎖，此時認為切削刃只受到水平力的作用。 （ 2）鏟斗水平插入料堆后，翻轉(zhuǎn)鏟斗（靠轉(zhuǎn)斗油缸工作）或提升動臂（依靠動臂油缸工作）鏟掘時，認為切削刃只受到垂直力的作用。 （ 3）鏟斗邊插入邊轉(zhuǎn)斗或邊提臂鏟掘時，認為水平力與垂直力同時作用在鏟斗切削刃上。 綜合上述分析，可以得到以下六種工作裝置的典型結(jié)構(gòu)和工礦： 1水平力的作用工況 12 水平力（即插入力阻力cP）的大小由裝載機的牽引力決定，起水平力的最大值為： ckx PPR m ax=5964(N) 式中：maxKP 裝載機空載時的最大牽引力 cP 插入力 2垂直力的作用工況 垂直力（即鏟取阻力）的大小受裝載機的縱向穩(wěn)定條件限制，其最大值為： lWLRY 1209314235100 3467 0(N) 式中： W 裝載機空載是的自重； 1L 裝載機重心到前輪與地面接觸點的距離； l 垂直力 YR 的作用點到前輪與地面接觸點的距離； 3對稱水平力與垂直力同時作用的工況 此時垂直力由上式給出，水平力取發(fā)動機扣除工作油泵功率后，裝載機所能發(fā)出的牽引力kpP。 4偏載的作用工況。 5受垂直力偏載的作用工況，垂直力大小與工況 II 相同。 6受水平偏載與垂直偏載同時作用的工況，水平力與垂直力的大小與工況相同。 三工作裝置受力分析 在確定了計算位置及外載荷的大小后，可進行工作裝置的受力分析。 （ 1）在對稱受載的工況下，由于工作裝置是個對稱結(jié)構(gòu)，固兩動臂受的載荷相等。同時略去鏟斗及支撐橫梁對動臂與受力與變形的影響，則可取工作裝置；則一側(cè)進行分析，其上作用的載荷取相應工況外載荷的一半進行分析計算，即： 2 98 2 02/5 96 4 021 xax RR (N) 13 173352/3467021 yay RR (N) （ 2）在偏載的工 況中，近似地用求簡支梁支反力的方法，求出分配于左右動臂平面內(nèi)的等效力 aR 與 bR ： xax Rb baR ； yay Rb baR axxbx RRR ； ayby RRR 由于 bxax RR , bYaY RR , 所以只求 axR， aYR 在工作裝置中 a= 165mm, b= 1500mm 6 62 0 05 96 4 01 50 01 50 01 65 axR N 38483346701500 1500165 aYR N 認為動臂軸線與連桿、搖臂軸 線處于同一平面內(nèi)，則所有的作用力都通過構(gòu)件（鏟斗除外）斷面的彎曲中心，即略去的由于安裝鉸座而產(chǎn)生的附加扭轉(zhuǎn)，從而可以用軸線、折線或曲線來代替實際構(gòu)件。 通過上面的分析與假設，就能將工作裝置這樣一個空間超靜定結(jié)構(gòu)簡化為平面問題進行受力分析。 工作裝置的受力分析，就是根據(jù)上述工況下作用在鏟斗的外力，用解析法或作圖法求出對應工況下工作裝置各構(gòu)件的內(nèi)力。下面以工況為例進行分析，其它工況與此類同。 取鏟斗為脫離體，根據(jù)平衡原理，分析鏟斗的受力： 由 0BM)s inco s(121211 lhPlRhR caYaX 14 所以 121311 s inc os lh lRhRP aYaXc 14s in2014c o s58010653848316566200 6.5675190739591451 （ N） 由 0X 0co s1 BcaX XPR 所以 )co s(1caXB PRX )14c o s9 1 4 5 16 6 2 0 0( 154934 (N) 由 0Y 0s in1 BcaY YPR 所以 )s in(1caYB PRY )14s in9 1 4 5 13 8 4 8 3( 16359 (N) 所示，取連扦為脫離體，根據(jù)平衡原理，作用于連扦兩端的力大小相等，方向相反，即： cF PP 0 GM )s i nc o s()s i nc o s( 33342423 lhPlhP EF 所以 33342423 s inco s s inco s lh lhPP FE 4.420 26.44591451 96859 15 工作裝置受力分析 由 0X 0c o sc o s23 FEG PPX所以 32 c o sc o s EFG PPX 8c o s9685914c o s91451 18465 (N) 0Y 0s ins in23 FEG PPY所以 23 s ins in FEG PPY 14s in9 1 4 5 18s in9 6 8 5 9 8644 (N) 16 由圖示受力分析可知，連桿此時受拉。 如圖所示，取搖臂為脫離體，根據(jù)平衡原理，分析搖臂的受力 由 0AM0)s i nc o s(77651546 lYhXlYhXlhP BBGGH 所以 15467765 s inco s lh lYhXlYhXP BBGGH 55s i n31155c os2621065163 5 91665154 9 3412658644311184 6 5 405280579490692789 (N) 由 0X 0c o s1 BGHA XXPX 所以 BGHA XXPX 1c o s 1549341846555c o s692789 260898 (N) 0Y 0s in4 HBGA PYYY所以 )s in(4HBGA PYYY )55s in6 9 2 7 8 91 6 3 5 98 6 4 4( 542496 (N) 四動臂強度校核 根據(jù)計算工況及受力分析，即可按強度理論對工作裝置主要構(gòu)件進行強度校核。 1動臂 動臂可看成是支撐在車架 A 點和動臂油缸上鉸點 H 點的雙支點懸梁臂，其危險斷面在H 點附近，在此斷面上作用有彎曲應力 和正應力： FNWM 1 式中： F 計算斷面的截面積； M 計算斷面上的彎矩； N 計算斷面上的軸向力； W 計算斷面的抗彎斷面系數(shù)。 17 對于 H 點的 mm 斷面： 2431 LYlXLYLXM GGBB 4468644491 8 4 6 55891 6 3 5 916031 5 4 9 3 4 =-2.6 810 12 c o s)(c o s)( GBcB XXYYN=1.1 510 將式和代入得： F XXYYW LYLXLXLYX GBGBGGGBBmm 122443 c o s)(c o s)( 同理，計算得 H 點的 nn 斷面的應力 nn 2搖臂 搖臂的受力分析，如圖所示，彎曲應力和正應力，計算法和動臂相同。 3鉸銷 其危險斷面在支座 G 點附近，裝載機工作裝置鉸銷的一般結(jié)構(gòu)形式及受力情況，如圖所示。 目前國內(nèi)外對工程機械工作裝置備銷軸的強度計算都采用下面的計算公式 18 銷軸的彎曲應力w： 21 WLPw= 3893657.33 5.125.15597 (千克 /厘米 2 ) 式中 ： w 銷軸的彎曲應力； 1P 計算載荷，為鉸點所受載荷之半； 2L 銷軸彎曲強度計算的計算長度； W 銷軸的抗彎斷面系數(shù) 取銷軸直徑為 70mm 為例： 3321 dW 33 65770321 3 銷軸支座的擠壓應力： 11 dLPjy70125155795=17.8=178（千克 /厘米 2 ） 銷軸套的擠壓應力： 31 dLPjy式中： 3L為軸套的支承長度 ； 19 4連桿 裝載機在作業(yè)過程中，連桿有時受拉，有時受壓，需要同時進行強度計算及壓桿穩(wěn)定驗算。其計算根據(jù)工程力學中所 講的方法進行。 強度計算中所用的許用應力 可按下式選?。?ns = 30002.13600 （千克 /厘米 2 ） s 材料的屈服極限。國內(nèi)裝載機工作裝置的動臂常用 16Mn鋼，其s 3600千克厘米 2 ；搖 臂材料為 3 號鋼，s 2100 一 2400 千克厘米 2 ； n 安全系數(shù)，設計手冊規(guī)定 n 5.11.1 ；由于工程機械工作繁重，條件惡劣，并考慮到計算上的誤差，通常 M 1.5。 5.5 裝載機工作裝置中油缸作用力的確定 目前大多數(shù)裝載機的工作裝置只有兩種油缸：動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸。推壓 (變幅 )油缸則采用較少。 動臂油缸與轉(zhuǎn)斗油缸的作用力有兩種情況：油缸推動機構(gòu)運動時的作用力為主動作用力 (簡稱 工作力或作用力 )，其最大值取決于液壓系統(tǒng)的工作壓力和油缸直徑 (活塞作用面積 )；工作裝置工作時作用于閉鎖狀態(tài)的油缸上的作用力為被動作用力，其最大值取決于液壓系統(tǒng)的過載閥壓力值和承載活塞面積。如工作裝置的動臂油缸不動，靠轉(zhuǎn)斗油缸轉(zhuǎn)動鏟斗而進行鏟掘作業(yè)時，則轉(zhuǎn)斗油缸所產(chǎn)生的作用力為主動作用力，動臂油位所承受的作用力為被動作用力。當油缸最大被動作用力大于外裁荷的作用力時，油缸無回縮現(xiàn)象，否則因過載閥打開而溢流，使油缸發(fā)生回縮。 油缸作用力的分析與確定是裝載機設計中的重要內(nèi)容之一。分析裝載機的工作情況可知， 為保證裝載機正常而有效地工作，油缸作用力應能保證裝載機工作時發(fā)揮最大的鏟起力 Ng，使鏟斗裝滿，同時動臂油缸的作用力還應保證把滿斗的物科提升到所需的卸載高度與卸載距離。所以最大鏟起力 Ng 是確定油隨作用力的依據(jù)。 確定了工作裝置油缸作用力和可能產(chǎn)生的被動作用力后，便可按選定的液壓系統(tǒng)的工作壓力設計油隨所需之缸徑，并選定過載閥之壓力。至于油缸行程，如前所述，它由工作裝置結(jié)構(gòu)方案決定。工作裝置的結(jié)構(gòu)方案，也影響各油缸在主動和被動狀態(tài)下的作用力，所以確定油缸作用力要在工作裝置的結(jié)構(gòu)方案、構(gòu)件尺寸與鉸接點位置選定之后 進行。 20 5.6 工作裝置的限位機構(gòu) 裝載機工作時，為使操縱方便，提高勞動生產(chǎn)率，要求在工作裝置的結(jié)構(gòu)設計中，對鏟斗在地面時的后傾角，一般不小于 45 ，在最大卸裁高度時的卸載角 (或前傾角 )，一般不小于 45 。對動臂提升與下降的高度進行控制與限位。因此，需要有相應的限位裝置與限位機構(gòu)。此外，當鏟斗在某一卸載高度卸載后，要求自動控制鏟斗卸載后的后傾角，使之放下動臂時、鏟斗能自動放平。因此需要有鏟斗自動放平機構(gòu)。 一、鏟斗轉(zhuǎn) 角限位裝置 鏟斗轉(zhuǎn)角限位裝置通常采用簡單的擋塊結(jié)構(gòu)。如圖所示，把擋塊直接焊在鏟斗后的斗壁背面上，擋塊 A 用來限制鏟斗的后傾角，擋塊 B 用來限制鏟斗的前傾角，與之相對應的擋塊則分別焊在工作裝置的動臂或橫梁上。作業(yè)時，裝載機水平插入料堆，然后操縱轉(zhuǎn)斗油缸使鏟斗上翻，在運輸位置的鏟斗后傾到 45 時，鏟斗上的擋塊 A 與動臂或橫梁上相應的擋塊相碰鏟斗即停止上翻。由于轉(zhuǎn)斗油缸控制閥尚未回到中立位置，故油泵繼續(xù)向轉(zhuǎn)斗油缸供油，造成液壓系統(tǒng)的壓力超過過載閥調(diào)出壓力，過載閥打開，避免機構(gòu) 損壞。鏟斗前傾角的限位原理與上述一樣，在最大卸載高度的鏟斗前傾角達到 45 時，鏟斗上的擋塊 B 與動臂或橫梁上相對應的擋塊相碰，鏟斗即停止前傾。 鏟斗轉(zhuǎn)角限位裝置簡圖 21 總 結(jié) 經(jīng)過這三個月的集中努力，畢 業(yè)設計已經(jīng)接近尾聲，至此我已經(jīng)完成了所有的設計任務。在我做設計期間，主要經(jīng)歷了實習，可行性分析，計算和繪圖等幾個階段。 由于設計的內(nèi)容是第一次接觸，所以開始著手時候不是很順利，整個設計過程中有很多反復計算，如設計裝載機工作裝置的工作部分確定各個鉸接點位置的過程中走了一些彎路。到目前為止對設計不是非常滿意，我所學知識有限沒能弄懂某些知識點，在設計過程中，很多新的東西都是邊翻資料邊作設計，對有些知識掌握的不透，還需要在以后的工作學習過程中多實踐學習。同時在設計過程中有粗心大意的時候，造成了一些影響，望老師諒解。 設計過程中，我得到老師的細心指導，使我所遇到的困難得到了即時的解決。另外，也感謝老師的督促指導，在此向所有的指導老師表示感謝！ 22 主要參考文獻 1. 機械設計課程設計 寇尊權(quán) 主編 吉林科學技術(shù)出版社 2 機械設計 楊明忠 主編 3輪式裝載機設計 吉林工業(yè)大學工程機械教研室編 中國建筑工業(yè)出版社 1982 年 12 月第一版 4礦山裝載機設計 東北工學院 李 建成 主編 機械工業(yè)出版社 1989年 5 月 第一版 5機械工程圖學 吉林大學 侯洪生 主編 科學出版社 2001年 9 月 第一版 6.露頭裝載機 冶金工業(yè)部長沙礦山研究所 主編 7.地下裝載機 結(jié)構(gòu)設計與使用 高夢熊 主編 北京冶金工業(yè)出版社 8裝載機工作裝置優(yōu)化設計 王國彪，楊力夫 主編 機械工業(yè)出版社 9. 裝載機械 高湖海主編 工程機械構(gòu)造圖冊 劉烯平 主編 10. 裝載機械 高湖海 主編 11.中文版 Auto CAD 2004 機械 制作輕松入門 王建平，長會珍 編 科學出版社 12.機械原理 機械原理 謝進 , 萬朝燕 , 杜立杰主 編 13. 機械設計手冊 機械設計手冊編委會 主編 14. C 程序設計 第二版 譚浩強 編 清華大學出版社