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新金剛石和前沿碳處理技術
2005年第4卷
MYU東京
NDFCT 486
用于高速磨削的高性能cBN和金剛石砂輪的發(fā)展
Nofihiro Funayama和Junichi Matsuda*
日本千葉市，290-0515，朝日金剛石工業(yè)有限公司研究與開發(fā)（2004年11月29日至2005年3月19日）
關鍵詞：高速磨削，cBN viMfied結合劑砂輪，金剛石砂輪
高速磨削用的cBN輪是一般的研磨方法，對這種方法的改進技術是必要的。因此，有限元法（FEM）被用來優(yōu)化車輪的形狀，并設計爆破試驗驗證。為了重復研磨實驗，一個適合用于高速研磨優(yōu)化的車輪（的技術必須要）很發(fā)達。輪的表現在這磨削實驗里驗證了，通過整修和換藥，車輪表面的調整是可能的。然后（才能）執(zhí)行用于金剛石砂輪性能確認測試一個類似的實驗。
1.介紹
雖然對高速磨削效率的提高已經研究了近六十年，但是破壞還是發(fā)生在常規(guī)輪圓周速度旋轉達到60米/秒的時候。
cBN晶體高速磨削研究一直以來都是出現在市場上。 高速主軸的發(fā)展加快了其實際用途的發(fā)展。因為cBN 晶體的硬度，熱穩(wěn)定性，尤其重要的是，切削刃的磨料顆粒，都適合用于高速研磨，因為它必須保持工作很長一段時間。
在20世紀80年代，使用（磨料，輪轂，磨床）高速磨削相關技術的發(fā)展，決定了它的實際用途。特別是，高速研磨技術被應用到到高效率的齒形磨削加工汽車零部件上。圓周速度達到160米/秒的大規(guī)模生產線是目前的行業(yè)標準，高速磨削已知最先進的加工者：電子郵箱：matsuda@asahidia.co.jp
該報告提出了一些不可缺少的對于大規(guī)模生產線的部分都采用200米/秒的圓周速度進行高速磨削的技術。
2.車輪設計的高速磨削
高速磨削，在一般情況下，是施加到玻璃化的cBN的車輪上的。用于車輪高速磨削，不僅是良好的磨削性能，考慮以下三個點，而且由離心力引起的應力和位移引起的對安全方面旋轉的破壞的減少是很有必要的。
1】輪芯材的選擇
2】輪芯的設計
3】接合層的粘合方法
輪轂的設計和車輪的平衡，影響表面光潔度和形狀在下一節(jié)中解釋。
2.1輪芯的高速磨削
對于輪芯的高速砂輪，所選擇的材料應具有較高的的剛性。鋁合金，鈦合金和碳纖維增強塑料（CFRP）等材料符合此標準。因為位移和應力，會降低材料的剛性，就如如。 （1）和（2）所示的那樣。
E：楊氏模量，V：泊松比，p：比重;w：角速度
R：內徑；R：外徑；k：R/r；g：重力加速度
此外，獲取所選擇材料的易用性是必須要考慮的。雖然最近從環(huán)境保護和降低回收成本的觀點出發(fā)，在圓周速度為160m/s時通常使用的鈦合金和鋁合金鋼，但是，在200米/秒是卻不能使用。因為芯材的選擇需要考慮材料的疲勞極限。
2.2車輪的形狀
在車輪的高速磨削中，除了核心材料的選擇，形狀也是很重要的。利用有限元法（FEM）中的設計，以降低由于離心力的應力和位移。特別是，由于離心力的位移，直接關系到車輪的破壞，控制這種位移的設計是一個關鍵點。圖1示出的以位移值的差異作為形狀的函數。由于具有窄的點A和B的類型是有效的位移，這樣的形狀的輪子被經常采用。此外，車輪的重量的設計作為減少輪交換的工作的一個因素，也被認為是在塑造最佳的車輪形狀。
圖一 旋渦的速度位移的關系。
2.3粘附性
許多陶瓷結合劑砂輪已應用于CBN高速砂輪，其中有一些附著到金屬芯的分部。由于adherance核心直接涉及到剝落和銷毀段，所以為了防止破壞的車輪，粘合劑的選擇是很重要的。此外，通過考慮的段的形狀和長度，和優(yōu)化的車輪的外直徑是一個函數，車輪破壞速度是可以得到改善的。圖2示出了不同的段長度的銷毀速度比較。
2.4車輪平衡
由于離心力的作用，車輪由于不平衡引起振動，形狀和表面粗糙度增加使其變得更壞。根據行業(yè)標準，由于不平衡的重量與轉速的第二功率成正比，必須經過高速磨削車輪平衡調整的開始，但可能會出現錯誤的核心形狀的主軸或不準確的裝修不平衡。圖3顯示了不平衡量的關系為主軸的擬合誤差。在這種情況下，因為車輪被分離，重心的變化成為一個問題。一個解決這個問題的方法是采用O環(huán)輪孔。據了解，采用此方法時擬合誤差的效果是不明顯的，就像圖4所示。然而，該方法并不能減少不平衡量。因為，它最重要的是要抑制車輪的不平衡，平衡必須配備改性機理，即使在機器方面來說，平衡的調整也是所需的。雖然使用了平衡變形的機制，但是，這是不夠的。因為在高速旋轉的車輪上使用的液體由于離心力的作用而會流向外部。由操作者加入重量進行調整后的車輪被安裝在機器上是由最有效的解決辦法。然而，這種方法從安全的觀點出發(fā)并不推薦。但是隨著高速磨削使用次數的增加這個問題應該能夠得到解決。
圖2段的長度和破壞的速度比較
圖三（左）關系的不平衡擬合誤差。圖四（右）不平衡的車輪O形環(huán)
3砂輪高速磨削的安全性評價
通過進行破壞試驗從各種檢查結果對砂輪進行優(yōu)化，從而對設計進行驗證。圖5示出的掛在車輪上的旋轉測試儀是一種使用壓縮空氣作為驅動源的空氣渦輪機，安裝懸掛在主軸上的自旋測試儀。此測試儀具有測試旋轉輪稱重可達到于40,000分鐘的能力，如用于曲柄軸的300千克的大直徑輪。就像圖。 6所示破壞試驗后的車輪。此測試輪是由輕合金制成的，并于200 RN/ s的旋轉開始。 “破壞速度為550米/秒。 A組的設計師正在研究測試的結果，開發(fā)一種更安全的車輪。
4高速磨削
4.1高速磨削砂輪
因為它是在一個恒定的磨料負載，能夠提高磨削效率，導致的結果是添加到磨料的負荷降低，增加圓周速度，和磨削負荷隨之減小。這是高速研磨的最大優(yōu)點。
圖 5（左）砂輪在旋轉測試儀中的照片 圖6（右） 測試后破壞的砂輪
圖 7 磨削負載與圓周速率之間的關系。
圖片顯示了在恒定的磨削條件下，磨削負載與圓周速率之間的關系。車輪零件的數目通常代表了車輪的壽命。，增加部件的數量以降低車輪的磨損，這是必要的。并且車輪的耐磨損規(guī)格這個要求也要保證。但是，也有許多情況下，更耐磨損輪的磨削負荷增加，這對形狀和表面粗糙度的精度上右相當大的影響。因此，如果磨削負荷降低，某些步驟必須采取確保工件的具有可以完成的所需特性。修整是其中的一些步驟，也是有效的高速磨削的重要元素。在高速磨削上有很多CBN陶瓷結合劑的砂輪。這些砂輪和金剛石制成的的修整器同時進行修整工作。在整修時，cBN的切削刃和的圓周速度之比（修整速度/車輪速度）是可以調整的。旋轉修整器的進料速度也是可以改變的。圖8顯示了出了通過以下方式獲得整修研磨特性的概念圖表。整修研磨條件是成立一個大的圓周速度比，高進給速度會降低車輪的磨削負荷。因為它在我們使用高速粉碎機執(zhí)行整修研磨試驗所需的條件下不能夠達到良好的加工工件的質量，我們必須考慮適合的車輪結合的條件。
對于加工用旋轉修整器，重要的是要選擇適合的cBN輪的工件。尤其是在一個較高的圓周速度比下對一些高速磨削整修器的選擇。這是要考慮旋轉修整器的耐磨損性和剛性。這樣的旋轉修整器的使用很依賴cBN的陶瓷結合劑砂輪的表面調整。圖9示出的，在測試過程中，cBN陶瓷結合劑的表面。垂直軸是圓周速度比，水平軸是進給速度 率。我們知道，這是可能改變的陶瓷結合劑的表面和cBN的圓周速度比的組合。
4.2金剛石砂輪高速磨削
前面所討論的是cBN砂輪在高速磨削中的應用。在高速研磨中，用金剛石砂輪甚至一個鉆石輪高速磨削施加倒角磨削奧拉液晶顯示器（LCD）玻璃和汽車玻璃可能效率會很高。
圖8 整修研磨的概念圖
圖 9 砂輪表面修整后，用激光顯微鏡分析。
圖10（左）改進的例子 圖11（右）金剛石砂輪研磨板玻璃的例子
使用金剛石砂輪，我們不能像cBN輪一樣達到研磨效率正比于車輪速度。在高速磨削時，磨削頭達到高溫，以及金剛石的碳轉化。這是因為金剛石的熱特性。因此，有必要考慮在高速使用金剛石砂輪磨削時的冷卻方法。
此外，使用金剛石砂輪的情況下，不同于cBN的陶瓷結合劑砂輪，我們無法控制磨削負荷或表面不同的粗糙度。因此，必須采取下列措施。
1為了提高磨削負荷，金剛石晶粒尺寸必須足夠大。
2為了改善表面粗糙度，金剛石密度必須高。
重要的是，我們將繼續(xù)調整車輪規(guī)格的要求。
結論
考慮到cBN輪以及金剛石砂輪，高速研磨砂輪的設計的特點以及使用已經被引進。各種磨床高速磨削技術的改進往往是由于應用在大規(guī)模生產線的發(fā)展的需要。因此，工具制造商必須確定適合每個個人用戶（需求的）規(guī)格。
參考文獻
H. Aikawa and J. Matsuda: JSME Spring Annual Meeting (1997) 185.
J. Matsuda: Journal of the Society of Grinding Engineers 44 (2000) 353.
H. Nishioka, K.Une, M. Mochizt~ki and J. Matsuda: New Diamond 59 (2000) 42.
T. Nishiyama: Journal of the Society of Grinding Engineers 45 (2000) 428.
H. Honma and H. Aikawa: Abrasive Technology Conference (2001) 81.
河北建筑工程學院
畢業(yè)設計（論文）外文資料翻譯
系別： 機械工程系
專業(yè)： 機械設計在制造及其自動化
班級： 機 094
姓名： 王 猛
學號： 2009307419
外文出處：Cutting tool applications
附 件：1、外文原文；2、外文資料翻譯譯文。
指導教師評語：
簽字：
年 月 日
注：請將該封面與附件裝訂成冊。
河北建筑工程學院
畢業(yè)設計（論文）任務書
課題
名稱
QTZ40塔式起重機—變幅機構的優(yōu)化設計
系： 機械工程系
專業(yè)： 機械設計制造及其制動化
班級： 機094
姓名： 王猛
學號： 2009307419
起迄日期： 2013年3月25日~ 2013年 6月21日
設計（論文）地點:
指導教師： 李常勝
輔導教師：
發(fā)任務書日期： 2013年3月 5 日
1、畢業(yè)設計（論文）目的：
本次畢業(yè)設計是對機械專業(yè)學生在畢業(yè)前的一次全面訓練，目的在于鞏固和擴大學生在校所學的基礎知識和專業(yè)知識，訓練學生綜合運用所學知識分析和解決問題的能力。是培養(yǎng)、鍛煉學生獨立工作能力和創(chuàng)新精神的最佳手段。畢業(yè)設計要求每個學生在工作過程中，要獨立思考，刻苦鉆研，有所創(chuàng)新、解決相關技術問題。通過畢業(yè)設計，使學生掌握塔式起重機的總體設計、變幅機構的設計、變幅小車的設計和計算等內容，為今后步入社會工作崗位打下良好的基礎。
2、畢業(yè)設計（論文）任務內容和要求（包括原始數據、技術要求、工作要求等）：
（1） 設計任務：
① 總體參數的選擇（QTZ40級別）
② 結構形式
（2） 總體設計
① 主要技術參數性能
② 設計原則
③ 平衡重的計算
④ 塔機的風力計算
⑤ 整機傾翻穩(wěn)定性的計算
（3） 變幅機構的設計和計算
① 變幅機構的形式
② 確定卷筒尺寸
③ 選擇電動機、減速器、制動器、聯軸器
④ 驗算實際變幅速度
⑤ 驗算起、制動時間
⑥ 電動機發(fā)熱驗算
⑦ 卷筒強度的計算
（4） 變幅小車的設計
① 變幅小車的形式
② 變幅小車的強度計算
（5） 設計要求
① 主要任務：學生應在指導教師指導下獨立完成一項給定的設計任務，編寫符合要求的設計說明書，并正確繪制機械與電氣工程圖紙，獨立撰寫一分畢業(yè)論文，并繪制有關圖表。
② 知識要求：學生在畢業(yè)設計工作中，應綜合運用多學科的理論、知識與技能，分析與解決工程問題。通過學習、鉆研與實踐，深化理論認識、擴展知識領域、延伸專業(yè)技能。
③ 能力培養(yǎng)要求：學生應學會依據技術課題任務，完成資料的調研、收集、加工與整理，正確使用工具書；培養(yǎng)學生掌握有關工程設計的程序、方法與技術規(guī)范，提高工程設計計算、圖紙繪制、編寫技術文件的能力；培養(yǎng)學生掌握實驗、測試等科學研究的基本方法；鍛煉學生分析與解決工程實際問題的能力。
④ 綜合素質要求：通過畢業(yè)設計，學生應掌握正確的設計思想；培養(yǎng)學生嚴肅認真的科學態(tài)度和嚴謹求實的工作作風；在工程設計中，應能樹立正確的生產觀、經濟觀與全局觀。
⑤ 設計成果要求：
1） 凡給定的設計內容，包括說明書、計算書、圖紙等必須完整，不得有未完的部分，不應出現缺頁、少圖紙現象。
2） 對設計的全部內容，包括設計計算、機械構造、工作原理、整機布置等，均有清晰的了解。對設計過程、計算步驟有明確的概念，能用圖紙完整的表達機械結構與工藝要求，有比較熟練的認識圖紙能力。對運輸、安裝、使用等亦有一般了解。
3） 說明書、計算書內容要精練，表述要清楚，取材合理，取值合適，設計計算步驟正確，數學計算準確，各項說明要有依據，插圖、表格及字跡均應工整、清楚、不得隨意涂改。制圖要符合機械機械制圖標準，且清潔整齊。
4） 對國內外塔式起重機情況有一般的了解，對各種塔式起重機有一定的分析、比較能力。
其他各項應符合本資料有關部分提出的要求。
3、畢業(yè)設計（論文）成果要求（包括圖表、實物等硬件要求）：
① 計算說明書一份
內容包括：設計任務要求的選型、設計計算內容、畢業(yè)實習報告等。作到內容完整，論證充分（包括經濟性論證），字跡清楚，插圖和表格正規(guī)（分別進行統(tǒng)一編號）、批準，字數要求不少于2萬字；撰寫中英文摘要；提倡學生應用計算機進行設計、計算與繪圖。
② 圖紙一套
不少于四張零號圖紙量
4、主要參考文獻：
[1] 哈爾濱建筑工程學院主編.工程起重機.北京：中國建筑工業(yè)出版社
[2] 董剛、李建功主編.機械設計.機械工業(yè)出版社
[3] 機械設計手冊.化學工業(yè)出版社（5冊）
[4] GB/T9462—1999 塔式起重機技術條件
[5] GB/T13752—1992 塔式起重機設計規(guī)范
[6] GB5144—1994 塔式起重機安全規(guī)程
5、本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃：
起 迄 日 期
工 作 內 容
2013.3.25-2013.3.28
2013.3.29-2013.4.13
2013.4.14-2013.4.20
2013.4.21-2013.5.15
2013.5.16-2013.6.5
2013.6.6-2013.6.19
2013.6.20-2013.6.21
熟悉整理資料
方案選擇及總體設計
繪制總圖
變幅機構、變幅小車的設計
繪制變幅機構、變幅小車裝配圖
繪制零件圖紙
準備論文及答辯
教研室審查意見：
教研室主任簽字：
年 月 日
系審查意見：
系主任簽字：
年 月 日
河北建筑工程學院
畢業(yè)實習報告
系 別 機械工程系
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
班 級 機094
姓 名 王 猛
學 號 2009307419
指導教師 李常勝
實習成績
畢業(yè)實習報告
一、實習目的
畢業(yè)實習是工科本科學生的一個很重要的實踐性教學環(huán)節(jié)。其任務是根據機械設計及其自動化專業(yè)的培養(yǎng)目標，組織學生參觀相關的機械企業(yè)或部門，培養(yǎng)學生重視實踐、增強理論聯系實際的觀念，深入調查研究、拓寬視野、增強面向人才市場、服務于社會的觀念。
我們這半學期的主要任務就是進行畢業(yè)設計，把我們大學四年所學到的機械知識理論聯系現實生產需求進行綜合應用。這樣即可以進一步鞏固所學的理論知識，又對即將走向的工作崗位作一次實戰(zhàn)性的演習。因此這次畢業(yè)設計對于我們這些即將走向工作崗位的大四的畢業(yè)生來說是很重要的。為了給畢業(yè)設計做一個良好的鋪墊，畢業(yè)實習是一個不可缺少的環(huán)節(jié)。
二、實習內容及進度
最初是為期兩周的與機械相關的英文資料的翻譯，期間我們查閱了大量與設計相關的資料，其后就進入了畢業(yè)實習階段。
我們在老師的帶領下去宣化一家工程機械生產工廠。首先對我們進行安全教育。老師給我們看安全生產記錄還有事故案例，一些注意事項加血淋淋的案例，盡管我很害怕，不敢聽不敢看，但我不能，我必須聽還要看，還要做筆記，這些血淋淋的案件給人們敲響了警鐘。老師給我們提了好多要求，我們都必須做到，畢竟事故發(fā)生了誰也負擔不起。生命是無價的，一旦有嚴重損傷是無法恢復的。
安全規(guī)范如下：不允許穿涼鞋進廠；進廠必須穿長褲； 禁止在廠里吸煙，被發(fā)現者罰款；進廠后衣服不準敞開，外套不準亂掛在身上，不得背背包進廠； 人在廠里不要成堆，不要站在主干道上 注重自身和學校形象；不準亂按按扭、開關。
再老師的帶領下我們了學習了從了解需求到設計，工藝制定，生產裝配及測試的流程。老師告誡我們產品設計是個綜合信息處理的復雜過程，它最終的結果是把線條、符號、數字繪制成合理的設計圖樣，設計人員應從以下幾個方面綜合考慮；
（l）簡化每個零件的形狀，使機器結構簡單；
（2）合并零件的功能，減少零件的種類或數量；
（3）應用新結構、新工藝、新材料、新原理來簡化產品結構，提高產品的可*性；
（4）分解部件，研究其裝配、組裝的最簡單的結構；
（5）對相似零件進行分組；
（6）對相似產品按標準數序列進行產品系列化分析；
（7）實現產品零件的通用化和標準化。
產品設計人員提高設計質量的關鍵在于自覺、主動地學習與生產加工過程和加工工藝方面有關的知識，熟練掌握設計技巧。
好的設計如果沒有好的工藝是會大打折扣的，工藝沒有最好只有更好，工藝的改進是無止境的。改進工藝方案：
（l）避免沒有必要的切削加工，特別是沒必要的裝夾基準面的切削加工。
焊接件準備用自動化程度較高的焊接機器人進行焊接時，應考慮組成零件的焊前加工，保證焊接件各組成零件之間的相互位置尺寸，否則誤差太大，機器人將無法自動跟蹤焊接。
(2)在保證零部件可*、合理使用的前提下，降低尺寸公差、表面粗糙度、形位公差等加工精度等級要求。
（3）減少零件的彎曲形狀和復雜程度，降低廢品率和生產制造成本。
（4）型鋼在進行長度下料時，盡量把火焰切割改為型鋼剪切下料；一般板料的火焰切割改為用剪板機剪切下料；長方形條狀工件從四邊剪切改為用條鋼，僅僅是長度上的剪切下料。
通過對工程機械的生產過程參觀，對生產過程的細節(jié)問題有了更深的認識，紙上的來終覺淺。如配合和公差以前以為機械是粗糙的活，現在才發(fā)現自己是有偏見的，機械是粗中有細。軸承配合誤差不能超過倆道（一百道一毫米）。機架要平行且上面的空要定位精確才能保證安裝省時省力，提高效率。通過互聯網我們了解了國外的先進設備和制造工藝，我們的差距還很大。
三、實習結果
通過這次的畢業(yè)實習加上老師在實習過程中的現場指導，使我對其他同學的課題有了進一步的認識。更了解了自己的不足生產實習是教學計劃中一個重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，雖然時間不長，但在實習的過程中，都學到了很多東西。
在實習的過程中，我對于各種加工機床有了更加直觀的了解，通過現場觀看各種零件在機床上的加工過程，我對《機械制造技術基礎》上所講的夾具、定位方法、加工工序、工步等概念有了更加深入的認識；我了解到大多數零件生產工序大致有兩種，一種是最原始的手搖手柄定位加工，精確性不高，要求工人有很強的操作能力；另一種是數控控制，由設備自動控制完成的，操作者只是裝卸輔助，但這個前提是操作者會操作機器。
實習中，我認識到書本理論知識與現實操作的差距，比如，在課堂上時說到自由度、刀具什么的都頭頭是道，可真正到了工廠里一問這個限定了幾個自由度就蒙了，更別說辨認刀具了。但是，這也并不是說書本知識與實際生產完全脫節(jié)，在實習參觀過程中，有好多知識都得到了體現。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行！古人誠不我欺??！
在這短短的一個星期的實習中，老師帶領和教導下以及自已的努力參與學習，對機械專業(yè)的各個方面有了深刻的理解和認識，并且鞏固了書本上的知識，將理論運用到實際中去，從實際施工中豐富自已的理論知識，學會運用辯證法去處理機械生產中遇到的各種問題，我堅信能過這一段時間的實習，所獲得的實踐經驗對我終身受益，在我畢業(yè)后的實際工作中將不斷的得到驗證。
四、實習總結
生產實習是我們機械專業(yè)知識結構中不可缺少的組成部分，其目的在于通過實習使學生獲得基本生產的感性認識，理論聯系實際，擴大我們的知識面；同時又是鍛煉和培養(yǎng)學生業(yè)務能力及素質的重要渠道，培養(yǎng)當代大學生具有吃苦耐勞的精神，也是學生接觸社會、了解企業(yè)的一個絕好的機會。我們的實習達到了我們所希望的效果，相信通過此次畢業(yè)實習，會使我們每一位同學將理論與實際結合的更緊密，更能夠使我們掌握工程機械設計的基本流程、各種參數的選取、各種影響因素產生的特點；使我們從容的面對以后的設計和即將踏入的工作崗位。
為期一個學期的畢業(yè)設計即將結束，也就意味著我的大學生活即將結束。實習雖然結束了，再過兩個多月，我們真的就要走上工作崗位了，想想自己大學四年的生活，雖然有過失去，但也學會了很多，感謝老師們對我的諄諄教會。不管前方有多少風雨，我一定會謹記自己所學，按自己的人生規(guī)劃一直走下去。
河北建筑工程學院
畢業(yè)設計（論文）開題報告
課題
名稱
QTZ40塔式起重機—變幅機構的優(yōu)化設計
系 別： 機械工程系
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： 機094
學生姓名： 王 猛
學 號： 2009307419
指導教師： 李常勝
課題來源
導師課題
課題類別
畢業(yè)設計
一、論文資料的準備
裝載機工作裝置是組成裝載機的關鍵部件之一。它按有無鏟斗托架可分為有鏟斗托架和無鏟斗托架兩種類。有鏟斗托架的工作裝置其鏟斗裝在托架上，并由托架上的鏟斗液壓油缸控制鏟斗轉動。由于鏟斗托架重量大，使得鏟斗的裝載重量相應減少，因此，國內外裝載機廣泛采用無鏟斗托架式工作裝置。按組成連桿機構的構件數不同可分為三桿、四桿、五桿、六桿和八桿；按輸入和輸出桿的轉向不同，又可分為正轉機構（輸入桿件與輸出桿件轉向相同）和反轉機構（輸入桿件與輸出桿件轉向相反）。其中轉斗缸后置式反轉六連桿機構由于機構簡單緊湊、容易布置，同時又能滿足主要設計要求，如能獲得大的傳動比和掘起力，良好的鏟斗平移性能。
ZL50裝載機工作裝置為無鏟斗托架轉斗油缸后置式反轉六連桿機構，反轉六連桿機構由搖臂、動臂、鏟斗和連桿組成的四連桿機構，鏟斗液壓缸與動臂液壓缸等組成，裝載機的鏟掘和裝卸作業(yè)是通過工作裝置的運動來實現的。當動臂處于某種作業(yè)位置不動時，在鏟斗液壓缸作用下，連桿機構可使鏟斗繞其鉸點轉動；當鏟斗液壓缸閉鎖時，動臂在動臂液壓缸作用下提升或下降鏟斗過程中，連桿機構能使鏟斗保持平移或斗底平面與地面的夾角控制在很小的范圍內，以免裝裝滿物料的的鏟斗由于傾斜而撒落；當動臂下降時，能使鏟斗平放在地面上。
鏟斗用以鏟裝物料；動臂和舉升油缸用來提升鏟斗；轉斗油缸通過搖臂、連桿使鏟斗轉動。工作裝置的作業(yè)過程大致是這樣的：動臂油缸回縮，將動臂下放至下限位置（即動臂油缸全縮）后，鏟斗插入地面，斗尖觸地，開動裝載機，鏟斗借助機器的牽引力插入料堆；然后轉斗油缸伸出，轉動鏟斗，鏟取物料：待鏟斗收斗后，轉斗缸閉鎖，動臂油缸伸出，舉升動臂，將鏟斗升到適當的運輸位置，然后驅動裝載機，載重駛向卸料點；到達卸料點后，保持轉斗缸長度不變，動臂油缸繼續(xù)伸長，將鏟斗舉升到任意卸料高度；然后將動臂油缸閉鎖，轉斗油缸收縮翻轉鏟斗，裝載機卸載；卸料結束后，動臂油缸回縮，下放動臂，實現鏟斗自動。
對裝載機工作裝置的主要設計要求，在裝載機工作時要保證：當動臂處于某種作業(yè)位置不動時（此時動臂油缸封閉），在轉斗油缸作用下，通過連桿機構使鏟斗繞其鉸接點轉動卸料，通常要求卸料角不小于４５度，以保證卸料干凈。當動臂在動臂油缸作用下，提升或降低鏟斗過程中（此時轉斗油缸閉鎖），連桿機構應能使鏟斗在提升時保持平移或控制斗底平面與地面的夾角在很小的范圍內變化，以免由于鏟斗產生傾斜而使裝滿的物料散落而造成安全事故。通常，要求鏟斗在上升。下降過程中最大轉角差不大于15度；而在動臂下降時，又自動將鏟斗放平，以減輕駕駛員的勞動強度，提高生產率。此外，連桿機構還應具有良好的動力傳遞性能，運動中不與其他構件發(fā)生干擾，而且具有足夠的強度和剛度等。這些就是后面的運動仿真分析和有限元結構分析所考慮的問題了。
1929年生產出第一臺輪式裝載機，（斗容0.753立方米，載重680公斤）。這是較早的裝載機，采用門架式結構。在這之前是用鋼繩提斗式的裝卸機具。這一時期的裝載機結構特點是：發(fā)動機前置，前輪小，后輪大，單橋驅動，前輪轉向，輪架式工作裝置用鋼繩提臂翻斗，拖拉機底盤，牽引力小，鏟斗切入力小，作業(yè)速度低。
到了四十年代有了專用底盤，由克拉克公司于1947年生產，采用的是液壓-連桿機構，取代了以前的門架式結構。專用底盤具備了現代裝載機的外形，提高了提升速度，卸載高度和掘起力，因而可用于松散的土方和石方，這是裝載機發(fā)展過程中的第一次重大突破。
到了五十年代，裝載機的結構性能更加完善了，1951年美國開始采用液力機械傳動，同時車架結構采用三點支撐，提高了車輛的越野性和牽引性。這時候裝載機開始形成系列化專業(yè)化生產。這時期的裝載機傳動系統(tǒng)形成了柴油機-液力變矩器-動力換擋變速箱-雙橋驅動，這又是一次重大突破。
六十年代，生產出了能在礦山作業(yè)的大型裝載機，這時期采用的是鉸接式的裝載機，這是第三次重大突破。鉸接轉向的優(yōu)點是：鏟斗隨前車架轉向，可滿足原地轉向；與剛性車架相比，一個作業(yè)循環(huán)內平均行駛路程少，生產效率高，轉彎半徑小，機動性好，適用于狹窄場地作業(yè)。
七十至八十年代，這個時期的裝載機工作裝置朝著安全、操作省力、維修方便等方面發(fā)展。如鉗盤式制動器取代了蹄式制動器。（沾水復原性好，散熱性好，壽命長等）銷軸采用二硫化鉬潤滑，由10小時加一次潤滑脂變?yōu)?00小時加一次。
二、本課題的目的（重點及擬解決的關鍵問題）
設計工作結構和參數計算并分析確定其液壓系統(tǒng)的工作原理和工作過程。繪制裝載機工作裝置結構原理圖，并完成各部分零部件圖的繪制，按要求編制總體設計說明書。完成上述要求要用到機械設計及原理、理論力學、材料力學、機械制造、和熟練運用相關軟件等知識。
在掌握裝載機基本構造、工作原理和性能要求等知識的基礎上，綜合運用機械原理、機械設計優(yōu)化設計、力學等基礎知識，借助于計算機輔助設計手段，對裝載機工作機構進行參數化設計，擺脫進行大量計算的傳統(tǒng)設計方法，減少重復設計，縮短工作機構的設計周期，提高設計質量。
在利用計算機進行運動仿真之前，我們要對裝載機的各個零件進行設計計算及繪圖，具體步驟如下：
1.分析裝載機的發(fā)展狀況和推土機的結構類別。
2.選擇裝載機機的各部件形式。
3.計算裝載機作業(yè)的阻力
4.確定裝載機總體參數。
5.對裝載機的工作裝置進行總體布置。
6.計算裝載機的穩(wěn)定性。
7.選擇工作裝置結構形式。
8.對工作裝置運動和受力進行分析
最后，利用Proe建立裝載機工作裝置的實體模型，并在電腦屏幕上進行模擬工作系統(tǒng)運動仿真，以便能及早的發(fā)現機構參數上的設計錯誤，從而減少了物理樣品試制過程中出項的各種問題。利用其中的動態(tài)模擬自動檢測各桿件在運動過程中的干涉問題，效率高、準確度好，解決了傳統(tǒng)設計中的難題，使桿件干涉問題在設計過程中得到了有效的解決。縮短新產品的開發(fā)周期，為裝載機工作機構的設計提供方便、實用的設計方法、仿真分析。有助于理解和分析工作裝置運動時產生的結果，并提供相應的改進信息。應用Proe 軟件的建模和動態(tài)模擬仿真分析等模塊，成功地解決裝載機工作裝置傳統(tǒng)設計中無法直觀觀察工作裝置空間運動狀況的難題，是直觀、方便地進行裝載機工作裝置的設計、布局、模擬和動態(tài)分析的一次有益嘗試，為生產高質量、高性能的裝載機工作裝置提供了可靠保障。
三、主要內容、研究方法、研究思路
主要內容：
1.確定ZL50裝載機工作裝置的結構方案，并闡述裝載機的適用范圍與功能優(yōu)勢。
2.確定裝載機總體參數、工作裝置主要參數，了解各零部件的加工方案。
3.對系統(tǒng)中各零部件進行設計計算,確定個零部件的尺寸。
4.對裝載機工作裝置進行設計計算。
5.繪制出其裝配圖及若干零件。
6.利用Proe設計軟件對裝載機工作裝置進行三維建模和運動仿真。
研究方法：
前期人工計算出裝載機工作裝置各個零件的確切數據，繪制零件圖。然后對裝載機工作裝置的設計數據錄入裝載機工作裝置數據庫系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括管理模塊、查詢模塊、文件管理模塊和幫主模塊。然后對工作裝置的設計數據進行分類。這樣可以實現對復雜數據的快速提取，并采用直觀的樹形圖顯示參數信息，方便完成查詢操作，數據的同列與匯總。然后利用Proe設計軟件對裝載機工作裝置進行三維建模和運動仿真。
研究思路：
利用Proe設計軟件，建立裝載機工作裝置的三維實體模型，并對工作裝置的模型添加運動副約束與運動約束。最后對裝載機工作裝置進行力學與運動學仿真分析。
四、總體安排和進度（包括階段性工作內容及完成日期）
2013.3.29-2013.4.11 熟悉整理資料
2013.4.12-2013.4.25 方案選擇及總體設計
2013.4.26-2013.5.9 繪制總圖
2013.5.10-2013.5.23 工作裝置設計
2013.5.24-2013.6.13 工作裝置運動及受力分析計算
2013.6.14-2013.6.22 繪制零件圖紙
2013.6.23-2013.6.27 準備論文及答辯
五、主要參考文獻
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指導教師意見：
指導教師簽名： 日期：
教研室意見：
教研室主任簽名： 日期：
系意見：
系領導簽名： 日期：
系蓋章
課題來源：導師課題、社會實踐、自選、其他
課題類別：工程設計、施工技術、新品開發(fā)、軟件開發(fā)、科學實驗、畢業(yè)論文。
目錄 第 1 章 前言 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.1 概述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.2 發(fā)展趨勢 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 第 2 章 總體設計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 2.1 概述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 2.2 確定總體設計方案 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 2.2.1 金屬結構 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 2.2.2 工作機構 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19 2.2.3 安全保護裝置 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????27 2.3 總體設計原則 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 2.3.1 整機工作級別 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 2.3.2 機構工作級別 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 2.3.3 主要技術性能參數 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????30 2.4 平衡重的計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????30 2.5 起重特性曲線 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 2.6 塔機風力計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????34 2.6.1 工作工況Ⅰ ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????35 2.6.2 工作工況Ⅱ ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 2.6.3 非工作工況Ⅲ ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????40 2.7 整機的抗傾覆穩(wěn)定性計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????43 2.7.1 工作工況Ⅰ ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????44 此工況下，塔機穩(wěn)定可靠。 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????45 2.7.2 工作工況Ⅱ ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????45 2.7.3 非工作工況Ⅲ ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????46 2.7.4 工作工況Ⅳ ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????47 2.8 固定基礎穩(wěn)定性計算 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????48 第 3 章 變幅機構的設計和計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????50 3.1 變幅機構的形式 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????50 3.2 確定卷筒的尺寸 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????50 3.2.1 卷筒的名義直徑 D??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????50 3.2.2 多層繞卷筒相關參數計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????51 3.3. 選擇電動機、減速器、制動器、聯軸器 ???????????????????????????????????????????????????????????????????51 3.3.1 選擇電動機 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52 3.3.2 選擇減速器 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52 3.3.3 變幅機構制動器的選擇 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????53 3.3.4 變幅機構聯軸器的選擇 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????54 3.4. 驗算變幅速度 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????56 3.5 驗算起、制動時間驗算 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????56 3.6 電動機發(fā)熱校驗 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????58 3.7 校驗卷筒強度 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????59 第 4 章 變幅小車的設計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????60 4.1 變幅小車的形式 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????60 4.2 變幅小車的設計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????60 4.2．1 繩索牽引式小車構造及其驅動方式 ???????????????????????????????????????????????????????????????????60 4.2．2 運行小車牽引力計算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????61 4.2.3 牽引繩最大張力 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????65 4.2.4 選擇牽引繩 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????65 4.2.5 牽引卷筒計算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????65 第 5 章 畢業(yè)設計小結 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????70 參考文獻 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????71