裝載機工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD+PROE+仿真】

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In this article has referred the massive folk recipes machinery design reference book, majority is the related car loader aspect, some are works the equipment sole component design, some then is the entire work installment design, and has many related work installments optimization design aspect, each reference involves to the car loader although the model is different, the research method also has the difference, but synthesized basically has also outlined the present design method. The overseas loader development is rapid, but our country car loader has very many problems in the design, mainly concentrates in aspect and so on reliable, structural design intensity. But works the installment regarding the loader to say also is extremely important, therefore the work installment design is good and bad affects directly the car loader service life as well as the working efficiency and so on . Although in the present market car loader already day by day was mature, but carried on the improvement design to it still to have the extremely vital significance, in particular loader work installment. Loading the machine work equips of turn the container six connect pole organization is from press with liquid an urn of, the container mutually connection of two four connect the pole organization combine.A type loads the machine at homework, is pressed by the liquid of changes an urn lengths to makes the container acquired requests of accept the Cape of the container with unload to anticipate the Cape.Each pole in inside in organization a length and its construction parameter certain empress, need to make the some and particular calculation to that organization, the accuracy that to judge the organization the design.In worked circulation the speed changes with acceleration the reasonable;The oil a piston route of travel is the best value;The work equips the sport steady, have no to interfere with, have no the dead center and have no from the lock;Move the arm from most the bottom position arrives the biggest unloading to raise to rise the process inside highly, guaranteeing the container the inside the material do not spread to fall;After unloading, move the arm descend to put to the container to dig the position container can put automatically even. KEY WORDS Construction Machine, Wheel Loaders ,Work Equips 目錄 前言 1 1. 裝載機工作裝置概述 3 1.1 裝載機工作裝置設(shè)計概述 3 1.2 結(jié)構(gòu)型式選擇 4 1.3 裝載機設(shè)計任務(wù) 7 2 鏟斗結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 2.1 鏟斗斗型的結(jié)構(gòu)分析 10 2.1.1 切削刃的形狀 10 2.1.2 鏟斗的斗齒 10 2.1.3 鏟斗的側(cè)刃 11 2.1.4 斗體形狀 12 2.2 鏟斗基本參數(shù)的確定 12 2.3 斗容的計量 15 3.1幾何斗容(平裝斗容) 16 2.3.2 額定斗容(堆裝斗容) 16 3.工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 19 3.1 工作機構(gòu)連桿系統(tǒng)的尺寸參數(shù)設(shè)計 20 3.2 機構(gòu)分析 20 3.3 設(shè)計方法 20 3.4 尺寸參數(shù)設(shè)計的圖解法 21 3.4.1 動臂與鏟斗、搖臂、機架的三個鉸接點B、E、A的確定 22 3.4.1.1 確定坐標(biāo)系 22 3.4.1.2 畫鏟斗圖 22 3.4.1.3 確定動臂與鏟斗的鉸接點B 22 3.4.1.4 確定動臂與機架的鉸接點A 24 3.4.1.5 確定動臂與搖臂的鉸接點E 25 3.4.2 連桿與鏟斗和搖臂的兩個鉸接點C、D的確定 25 3.4.3 舉升油缸與動臂和機架的鉸接點H及M點的確定 28 3.5 確定動臂油缸的鉸接位置及動臂油缸的行程 31 3.5.1動臂油缸的鉸接位置 31 3.5.2 動臂油缸行程的確定 32 3.6.2 最大卸載高度和最小卸載距離 34 4 工作裝置的強度計算 35 4.1 計算位置 35 4.2 外載荷的確定 35 4.3 工作裝置的受力分析 38 4.4 工作裝置的強度校核 47 4.4.1動臂 48 4.4.2 鉸銷 52 4.4.3 連桿 54 4.4.4 搖臂 56 5 裝載機工作裝置中油缸作用力的確定 62 5.1 轉(zhuǎn)斗油缸的選擇 64 5.2 動臂油缸的選擇 67 5.3 轉(zhuǎn)斗油缸與動臂油缸被動作用力的確定 69 6. 工作裝置的限位機構(gòu) 70 6.1 鏟斗轉(zhuǎn)角限位裝置 70 6.2 動臂升降的自動限位機構(gòu) 71 7裝載機工作裝置三維實體建模 73 7.1 Pro/E軟件介紹 73 7.2 工作裝置零件建模 74 7.2.1 動臂的生成 75 7.2.2 鏟斗的生成 77 7.2.3 底座的生成 78 7.2.4 連桿的生成 78 7.2.5搖臂的生成 79 7.2.6 液壓缸筒的生成 79 7.2.7 液壓缸活塞的生成 80 8. 工作裝置裝配模型建模 82 8.1 底座模型裝配 84 8.2 動臂模型裝配 85 8.3 鏟斗模型裝配 86 8.4 液壓缸體模型裝配 86 8.5 搖桿模型的裝配連接 88 8.6 連桿模型與鏟斗模型和搖桿模型的裝配連接 88 8.7 銷釘模型的連接 88 8.8 本章小結(jié) 92 9 裝載機工作裝置運動仿真 94 9.1 概述 94 9.2 創(chuàng)建裝載機工作裝置的機械運動仿真 94 9.2.1 連接軸設(shè)置 94 9.2.2 創(chuàng)建快照 96 9.2.3 定義伺服電動機 97 9.2.4 運行運動 102 9.2.5 結(jié)果回放動態(tài)干涉檢查與制作播放文件 103 10 總結(jié) 107 致 謝 108 參 考 文 獻 109 110 前 言 裝載機是以輪胎式或履帶式拖拉機為基礎(chǔ)車，安裝上鏟斗作為工作裝置的一種土方工程機械。它是一種作業(yè)效率高、操作輕便、用途廣泛的施工機械，它不僅用來對松散的堆積物料進行裝、運、卸等作業(yè)，還可以鏟裝爆破后的礦石以及對硬土進行輕度挖掘，并能用來進行清理、刮平場地及牽引等作業(yè)。裝載機的鏟掘和裝卸物料是通過工作裝置的運動而得以實現(xiàn)的，裝載機工作裝置由鏟斗、動臂、連桿、搖臂和轉(zhuǎn)斗油缸、動臂油缸等組成。整個工作裝置鉸接在車架上。鏟斗通過連桿和搖臂與轉(zhuǎn)斗油缸鉸接，用以裝卸物料。動臂與車架、動臂油缸鉸接，用以升降鏟斗。鏟斗的翻轉(zhuǎn)和動臂的升降采用液壓操縱。裝載機作業(yè)時工作裝置應(yīng)能保證：當(dāng)轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖、動臂油缸舉升或降落時，連桿機構(gòu)使鏟斗上下平動或接近平動，以免鏟斗傾斜而撒落物料；當(dāng)動臂處于任何位置、鏟斗繞動臂鉸點轉(zhuǎn)動進行卸料時，鏟斗傾斜角不小于45°，卸料后動臂下降時又能使鏟斗自動放平。綜合國內(nèi)外裝載機工作裝置的結(jié)構(gòu)型式，主要有七種類型，即按連桿機構(gòu)的構(gòu)件數(shù)不同，分為三桿式、四桿式、五桿式、六桿式和八桿式等；按輸入和輸出桿的轉(zhuǎn)向是否相同又分為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)連桿機構(gòu)等。工作裝置直接影響到裝載機的性能參數(shù)和其作業(yè)效率。ZL40／ZL50裝載機，主要裝載機生產(chǎn)廠家均擁有該產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品幾十年來沿續(xù)至今，全國幾乎使用同一套圖紙，有些技術(shù)力量薄弱的廠家，仍把其當(dāng)作主導(dǎo)產(chǎn)品推向市場。第二三代產(chǎn)品主要是對工作裝置進行優(yōu)化，改變外觀造型。所以，合理的設(shè)計工作裝置的結(jié)構(gòu)是非常重要的。 常見的有關(guān)輪式裝載機的工作裝置設(shè)計中，廣泛采用反轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)為例進行設(shè)計以及放平性、工作強度的校核，本次設(shè)計中在沒有同類正轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計資料的前提下，反復(fù)琢磨工作裝置的工作原理，并使用機械設(shè)計軟件AUTOCAD 進行工作裝置的各鉸接點的設(shè)計，所以在進行有關(guān)校核時直接應(yīng)用繪圖尺寸，可以保證精度要求，此設(shè)計資料也可以作為今后正轉(zhuǎn)工作裝置的設(shè)計參考。當(dāng)然，在設(shè)計中難免有疏忽以及錯誤的地方，望批評指正。 1. 裝載機工作裝置概述 1.1 裝載機工作裝置設(shè)計概述 裝載機鏟掘和裝卸物料的作業(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(或托架)及液壓系統(tǒng)等組成(圖1—1)。鏟斗用以鏟裝物料；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(或托架)使鏟斗轉(zhuǎn)動。動臂的升降和鏟斗的轉(zhuǎn)動采用液壓操縱。由動臂、動臂油缸、鏟斗、轉(zhuǎn)斗油缸、搖臂——連桿(或托架)及車架相互鉸接所構(gòu)成的連桿機構(gòu)，在裝載機工作時要保證：當(dāng)動臂處于某種作業(yè)位置不動時，在轉(zhuǎn)斗油缸作用下，通過連桿機構(gòu)使鏟斗繞其鉸接點轉(zhuǎn)動；當(dāng)轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖時，動臂在動臂油缸作用下提升或下降鏟斗過程中，連桿機構(gòu)應(yīng)能使鏟斗在提升時保持平移或斗底平面與地面的夾角變化控制在很小的范圍，以免裝滿物料的鏟斗由于鏟斗傾斜而使物料撒落；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，提高勞動生產(chǎn)率。 1.2 結(jié)構(gòu)型式選擇 裝載機工作裝置的結(jié)構(gòu)型式分為有鏟斗托架和無鏟斗托架兩種。 有鏟斗托架的工作裝置如圖1—1a所示。其動臂和連桿的后端與車架支座鉸接，動臂和連桿的前端與鏟斗托架鉸接，托架上部鉸接轉(zhuǎn)斗油缸體，其活塞桿及托架下部與鏟斗鉸接。當(dāng)托架、動臂、連桿及車架支座構(gòu)成的是平行四連桿機構(gòu)，則在動留提升、轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖時，鏟斗始終保持平移，斗內(nèi)物科不會撤落。有鏟斗托架的工作裝置易十更換鏟斗及安裝附件，例如將鏟斗卸下，在托架上裝上起重叉便可進行起重及叉車作業(yè)。有鏟斗托架的工作裝置，結(jié)構(gòu)比較簡單，同時，由于轉(zhuǎn)斗油缸及鏟斗都是直接鉸接在托架上，所以鏟斗的轉(zhuǎn)動角較大。但由于在動管前端裝有較重的托架，所以減少了鏟斗的載重量。 國產(chǎn)ZL35、Z1—160裝載機均采用有鏟斗托架的工作裝置。 無鏟斗托架的工作裝置如圖1—1b所示。其動臂的前端和鏟斗鉸接，動管的后端和車架上部支座鉸接，動管油缸兩端分別和動管及車架底部支座鉸接，轉(zhuǎn)斗油缸一端和車架鉸接，另一端和搖臂鉸按，搖臂則鉸接在動臂上，連桿一端和搖臂鉸接，另一端和鏟斗鉸接。 根據(jù)搖臂——連桿數(shù)目及鉸接位置的不同，可組成不同型式的連桿機構(gòu)。不同型式的連桿機構(gòu)，鏟斗的鏟起力P隨鏟斗轉(zhuǎn)角α的變化關(guān)系，傾斜時的角速度大小以及工作裝置的運動特性也不同。因此，裝載機工作裝置結(jié)構(gòu)型式的選擇，既要考慮結(jié)構(gòu)簡單，又要考慮作業(yè)性質(zhì)與鏟掘方式來確定(圖1—2)。 正轉(zhuǎn)連桿機構(gòu)的工作裝置，當(dāng)機構(gòu)運動時，鏟斗與搖臂的轉(zhuǎn)動方向相同(圖1—3a、b、c、d)。其運動特點是：發(fā)出最大鏟起力P時的鏟斗轉(zhuǎn)角α是負的(圖1—2a曲線①)，有利于地面的挖掘(圖1—2b)，鏟斗傾斜時的角速度大，易于抖落砂土，但沖擊較大。 正轉(zhuǎn)連桿機構(gòu)又可分為正轉(zhuǎn)單連桿(圖1—2a、b)和正轉(zhuǎn)雙連桿(圖1—2c、d)兩種形式。單連桿機構(gòu)的連桿數(shù)目少，結(jié)構(gòu)簡單，易于布置，一般也能較好地滿足作業(yè)要求。缺點是鏟起力變化曲線陡峭(圖1—2曲線①)；搖臂——連桿的傳動比較小，為提高傳動比，需加長搖臂——連桿的長度，給結(jié)構(gòu)布置帶來困難，并影響駕駛員的視野。雙連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，轉(zhuǎn)斗油缸也難于布置在動臂下方， 但搖臂——連桿的傳動比較大，因此搖臂——連桿尺寸可以減小，駕駛員的視野較好，鏟起力變化曲線平緩(圖1—2a曲線②)，適于利用鏟斗及動臂復(fù)合鏟掘的作業(yè)(圖1—2c)。缺點是提升動臂鏟斗便后傾，因此，如保證動臂在最大卸載高度時，鏟斗的后傾角適當(dāng)，則動管在運輸位置時，鏟斗的后傾角較小，易造成鏟斗內(nèi)物料的撒落。 圖1—2 常見工作裝置結(jié)構(gòu)形式 正轉(zhuǎn)連桿機構(gòu)，因總體結(jié)構(gòu)布置及動臂形狀的不同．而將轉(zhuǎn)斗油缸布置在不同的位置上。如將轉(zhuǎn)斗油缸布置在動臂上方(圖3—3b、d)，則在動臂提升時，轉(zhuǎn)斗油缸軸線與動臂軸線不會交叉，因而這種布置便于實現(xiàn)動臂、搖臂——連桿與轉(zhuǎn)斗油缸的中心線布置在同一平面內(nèi)，工作裝置受力較好。缺點是當(dāng)鏟斗鏟裝物科時油缸的小腔工作，因而使鏟斗油缸的缸徑與重量增大。國產(chǎn)zK4—10裝載機的工作裝置就是采用這種正轉(zhuǎn)雙連桿機構(gòu)。 反轉(zhuǎn)連桿機構(gòu)的工作裝置，當(dāng)機構(gòu)運動時，鏟斗與搖臂的轉(zhuǎn)動方向相反(圖1--3e)。其運動特點是，發(fā)出最大鏟起力P時的鏟斗轉(zhuǎn)角α是正的，且鏟起力變化曲線陡峭(圖1—2a曲線③)，因此，在提升鏟斗肘的鏟起力較大，適于裝載礦石(圖1—2d)，不利于地面的挖掘；鏟斗傾斜時的角速度小，卸料平緩，但難于抖落砂土；升降動臂時能基本保持鏟斗平移，因此物料撒落少，易于實現(xiàn)鏟斗自動放平(圖1—2e)；搖臂——連桿的傳動比較小。 反轉(zhuǎn)連桿機構(gòu)多采用單連桿，雙連桿機構(gòu)布置較困難。反轉(zhuǎn)連桿機構(gòu)當(dāng)鏟斗位于運輸位置時，連桿與動臂軸線相交，因此，難于布置在同一平面內(nèi)。但由于這種型式結(jié)構(gòu)簡單，鏟起力較大，所以中小型裝載機采用較多。國產(chǎn)zL50裝載機的工作裝置就是這種反轉(zhuǎn)連桿機構(gòu)(圖1—1b)。 應(yīng)當(dāng)指出，正、反轉(zhuǎn)連桿機構(gòu)都是非平行四邊形機構(gòu)。因此，在動臂提升過程中，鏟斗或多或少總要向后翻轉(zhuǎn)一些。 1.3 裝載機設(shè)計任務(wù) 根據(jù)裝載機用途、作業(yè)條件及技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)等，選定工作裝置設(shè)計參數(shù)如下。 額 定 斗 容： 3 m3 額 定 載 重 量： 50 KN 整 機 質(zhì) 量： 16.5 t 輪 距： 2150 mm 軸 距： 3427 mm 輪 胎 規(guī) 格： 23.5—25 最大 卸載 高度： 3090mm 最小 卸載 距離： 1130mm 2 鏟斗結(jié)構(gòu)設(shè)計 鏟斗是直接用來切削、收集、運輸和卸出物料，裝載機工作時的插入能力及鏟掘能力是通過鏟斗直接發(fā)揮出來的，鏟斗的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸直接影響裝載機的作業(yè)效率和上作可靠性，所以減少切削阻力和提高作業(yè)效率是鏟斗結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要要求。 鏟斗是在惡劣的條件下工作，承受很大的沖擊載荷和劇烈的磨削，所以要求鏟斗具有足夠的強度和剛度，同時要耐磨。 根據(jù)裝載物料的容重，鏟斗做成三種類型； 正常斗容的鏟斗用來裝載客重1.4—1.6噸／米3的物料(如砂、碎石、松散泥土等)：增加斗容的鏟斗，斗容一般為正常斗容的1.4—1.6倍，用來鏟掘容重1.0噸／米3左右的物料(如煤、煤渣等)；減少斗容的鏟斗，斗容為正常斗容的0.6~0.8，用來裝載容重大于2噸／米3的物料(如鐵礦石、巖石等)。用于土方工程的裝載機，因作業(yè)對象較廣，因此多采用正常斗容的通用鏟斗，以適應(yīng)鏟裝不同物料的需要。 2.1 鏟斗斗型的結(jié)構(gòu)分析 2.1.1 切削刃的形狀 鏟斗切削刃的形狀根據(jù)鏟掘物料的種類不同而不同，一般分為直線型和非直線型兩種（圖2—1)。直線型切削刃簡單并利于地面刮平作業(yè)，但切削阻力較大。非直線型切削刃 有v型和弧型等，裝載機用得較多的是v型斗刃。這種切削刃由于中間突出，在插入料堆時，插入力可以集中作用在斗刃中間部分，易于插入料堆，同時對減少“偏裁切入”有一定的效果。但鏟斗的裝滿系數(shù)要小于直線型斗刃的鏟斗。 2.1.2 鏟斗的斗齒 裝有斗齒的鏟斗在裝載機作業(yè)時，插入力由斗齒分擔(dān)，形成較大的比壓，利于插入密實的料堆或松物料或撬起大的塊狀物料，便于鏟斗的插入，斗齒磨損后容易更換。因此，對主要用于鏟裝巖石或密實物料的裝載機，其鏟斗均裝有斗齒。用于插入阻力較小的松散物料或粘性物隊其鏟斗可以不裝斗齒。 斗齒的形狀對切削阻力有影響：對稱齒形的切削阻力比不對稱齒形的大；長而狹窄的齒比寬而短的齒的切削阻力要小。 2.1.3 鏟斗的側(cè)刃 弧線型側(cè)刃的插入阻力比直線型側(cè)刃小，但弧線型側(cè)刃容易從兩側(cè)泄漏物料，不利于鏟斗的裝滿，適于鏟裝巖石。 2.1.4 斗體形狀 對主要用于土方工程的裝載機，在設(shè)計鏟斗時要考慮斗體內(nèi)的流動性，減少物料在斗內(nèi)的移動或滾動阻力，同時要有利于在鏟裝粘性物料時有良好的倒空性。 鏟斗底板的弧度(圓弧半徑，見圖2—2)越大，鏟掘時泥土的流動性越好，但對于流動性差的巖石等，則應(yīng)將底邊加長而弧度減小，使鏟斗容積加大，比較容易鏟取。但是，當(dāng)?shù)走呥^長，則鏟斗的鏟起力變小，且鏟斗插入料堆的插入阻力與刃口的插入深度成比例的急劇增加， 如圖2—3所示。相反，如底邊短，不但鏟斗的鏟起力大，而且卸載時，斗刃口的降落高度小，也易于將物料卸凈。因此，鏟斗轉(zhuǎn)鉸銷的位置以近于刃口處為好，在極端時也有將轉(zhuǎn)鉸銷布置在鏟斗內(nèi)部，如圖2—4所示。 2.2 鏟斗基本參數(shù)的確定 鏟斗寬度應(yīng)大于輪胎外側(cè)寬度100一200毫米，以防止鏟掘物料所形成的階梯地面，而損傷輪胎側(cè)面和容易打滑而影響牽引力。 鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R是指鏟斗的轉(zhuǎn)鉸中心B與切削刃之間的距離(圖2—4)。由于鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R不僅影響鏟起力和插入阻力的大小，而且與整機的總體參數(shù)有關(guān)。因此鏟斗的其它參數(shù)依據(jù)它來決定。鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R可按下式計算 （2-1） 使用平裝斗容計算公式： 式中 ——幾何斗容量 ( 圖2—4中所示陰影斷面 ) B?！P斗內(nèi)側(cè)寬度(米)； ——鏟斗斗底長度系數(shù)，通常 一—后斗壁長度系數(shù)，通常； ——擋板高度系數(shù)，通常； ——斗底和后斗壁直線間的圓弧半徑系數(shù)，通常； ——擋板與后斗壁問的夾角，通常； ——斗底和后斗壁間的夾角，通常，(有推薦)。 （2—2） mm 式中 a1---鏟斗側(cè)壁切削刃的厚度 取 b—-輪距 bw---輪胎寬度 根據(jù)設(shè)計資料有 （2—3） 所以有： （2—4） 斗底長度Lg是指由鏟斗切削刃到斗底與后斗壁交點的距離： （2—6） 擋板高度： （2—7） 鏟斗圓弧半徑： （2—8） 鏟斗與動臂鉸銷距斗底的高度: (2-9) 鏟斗側(cè)壁切削刃相對于斗底的傾角。在選擇時，應(yīng)保證側(cè)壁切削刃與擋板的夾角為。因此取α0=500，切削角δ0=300。 2.3 斗容的計量 鏟斗的斗容量可以根據(jù)鏟斗的幾何尺寸確定。 3.1幾何斗容(平裝斗容) 鏟斗平裝的幾何斗容可按下式確定(圖2—5)。 對于裝有擋板的鏟斗： （2—10） 根據(jù)有關(guān)計算有 （2—11） 式中 A——鏟斗橫斷面面積，如圖2—5中所示陰影面積 ——鏟斗內(nèi)壁寬(m)， a——擋板高度(m)； b——斗刃刃口與擋板最上部之間的距離(m)。 2.3.2 額定斗容(堆裝斗容) 鏟斗堆裝的額定斗容是指斗內(nèi)堆裝物料的四邊坡度均為1：2，此時額定斗容可按下式確定(圖2—5) （2---12） 式中 c——物料堆積高度(米)。 物料堆積高度c可由作圖法確定(圖2—5)：根據(jù)科堆坡度角可得料堆尖端點肘，再由d4點作直線d4N與Go垂直，將n4N垂線向下延長，與斗刃刃口和擋板最下端之間的連線相交，此交點與料堆尖端之間的距離，即為物料堆積高度G。 （2—13） 鏟斗斗容的誤差率 （2—14） 所以鏟斗的設(shè)計合格。 3.工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計 工作裝置敗結(jié)構(gòu)設(shè)計包括： 1)確定動臂長度、形狀及與車架的鉸接位置。 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)(由動臂、鏟斗、轉(zhuǎn)斗油缸、搖臂——連桿或托架等組成)的設(shè)計。工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足以下要求： 1)保證滿足設(shè)計任務(wù)書中所規(guī)定的使用性能及技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)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等。 2)保證作業(yè)時與其它構(gòu)件無運動干涉。 3)保證駕駛員有良好的勞動條件，如工作安全、視野開闊、操作簡便等。 工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個比較復(fù)雜的問題，因為組成工作裝置的各構(gòu)件的尺寸及位置的相互影響，可變性很大。對于選定的結(jié)構(gòu)形式，在滿足上述要求下，可以有各種各樣的構(gòu)件尺寸及鉸接點位置。因此，只有在綜合考慮各種因素的前提下，對工作裝置進行運動學(xué)和動力學(xué)分析，通過多方案比較，才能最后選出最佳構(gòu)件尺寸及鉸接點位置，使所設(shè)計的工作裝置不僅滿足使用要求，況且具有較高的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。 3.1 工作機構(gòu)連桿系統(tǒng)的尺寸參數(shù)設(shè)計 由于現(xiàn)今國內(nèi)、外購輪胎式裝載機廣泛地采用反轉(zhuǎn)六桿工作機構(gòu)，并且它的設(shè)計難度較大，又有一定的代表性，所以以其為例，闡述工作機構(gòu)連桿系統(tǒng)的尺寸參數(shù)設(shè)計，以求舉一反三。 3.2 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)兩個部分組成。轉(zhuǎn)斗機構(gòu)內(nèi)轉(zhuǎn)斗油缸GF、搖臂FED、連桿DC、鏟斗BC、動臂AEB和機架AG六個構(gòu)件組成。當(dāng)舉升油缸閉鎖時，啟動轉(zhuǎn)斗油缸，鏟斗將繞B點作定軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖，舉升油缸動作時，鏟斗將作復(fù)合運動，即一邊隨動臂對A點作牽連運動，同時又相對動臂繞B點作相對轉(zhuǎn)動。這在作機構(gòu)運動分析時必須注意。 3.3 設(shè)計方法 因為工作機構(gòu)連桿系統(tǒng)的尺寸參數(shù)直接與整機的基本性能和工作參數(shù)有關(guān)，所以通常是先初步設(shè)計出整機的主要參數(shù)，然后以其為條件，再進行連桿系統(tǒng)的尺寸設(shè)計。 不管用什么方法確定各鉸接點的坐標(biāo)值，但最終都必須滿足對工作機構(gòu)設(shè)計提出的各種要求。在運動學(xué)方面，必須滿足鏟斗舉升平動、自動放平、最大卸載高度、最小卸載距離和各個位置的卸載角等要求；在動力學(xué)方面，主要是在滿足挖掘力、舉升力和生產(chǎn)率的要求前提下，使轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸的所需輸出力及功率盡量減小。 3.4 尺寸參數(shù)設(shè)計的圖解法 圖解法比較直觀，易于掌握，是目前工程設(shè)計時常用的一種方法。 圖解法是在初步確定了最大卸載高、最小卸載距離、卸載角、輪胎尺寸和鏟斗幾何尺寸等參數(shù)后進行的，它通過在坐標(biāo)圖上確定工況Ⅱ（見圖3—1）時工作工作機構(gòu)的九個鉸接點的位置來實現(xiàn)。 圖3—1 鉸接點B的確定 3.4.1 動臂與鏟斗、搖臂、機架的三個鉸接點B、E、A的確定 3.4.1.1 確定坐標(biāo)系 如圖3--2所示，先在坐標(biāo)紙上選取直角坐標(biāo)系，初選定長度比例尺。 3.4.1.2 畫鏟斗圖 把已設(shè)計好的鏟斗橫截面外輪廓按比例畫在坐標(biāo)里，斗尖對準(zhǔn)坐標(biāo)原點O，斗前臂與x軸呈前傾角。此為鏟斗插入料堆時位置，即工況Ⅰ。 3.4.1.3 確定動臂與鏟斗的鉸接點B 由于B點的x坐標(biāo)值越小，轉(zhuǎn)斗鏟取力就越大，所以B點靠近O 點是有利的，但它受斗底和最小離地高度的限制，不能隨意減??；而B y坐標(biāo)值增大時，鏟斗在料堆中的鏟取面積增大，裝的物料多，但這樣就縮小了B點與連桿鏟斗鉸接點C的距離，使鏟取力下降。 圖3—2 連桿兩鉸接點的確定圖 綜合考慮各種因素的影響，設(shè)計時，一般根據(jù)坐標(biāo)圖上工況I時的鏟斗實際狀況，在保證B點與Y軸坐標(biāo)值和x軸坐標(biāo)值盡可能小而且不與斗底干涉的前提下，在坐標(biāo)圖上人為地把B點初步確定下來。 (1) 以B點為圓心，使鏟斗順時針轉(zhuǎn)動48o，即工況Ⅱ。 (2)把已選定的輪胎外廓畫在坐標(biāo)圖上。作圖時，應(yīng)使輪胎前緣與工況Ⅱ時鏟斗后壁的間隙盡量小些，目的使機構(gòu)緊湊、前懸小，但一般不小于50mm ；輪胎中心Z的y軸坐標(biāo)值應(yīng)等于輪胎的工作半徑： （3—1） 式中 ——輪胎動力半徑， mm； ———輪轂直徑，mm； ——輪胎寬度，mm； ——輪胎斷面高度與寬度之比。取0.7； ——輪胎變形系數(shù)，普通輪胎為0.05。 3.4.1.4 確定動臂與機架的鉸接點A （3—2） 圓整后取Rd=715mm。 (3)根據(jù)給定的最大卸載高度、最小卸載距離和卸載角，畫出鏟斗在最高位卸載的位置圖，即工況Ⅱ，此時，B點位置為，如圖3-2所示。 (4)以點為圓心，順時針旋轉(zhuǎn)鏟斗48o，即得鏟斗被舉升到最高位置圖(工況Ⅲ)。 (5)連接B并作其垂直平分線．因為B和點同在以A點為圓心，動臂AB長為半徑的圓弧上，所以A點必在B的垂直平分線上。 A點位置盡可能低一點，以提高整機工作的穩(wěn)定性，減小機器高度，改善司機視野。一般，A點取在前輪右上方，與前軸心水平距離為軸距的處。 A點位置的變化，可借挪動點和輪胎中心點的位置來進行。 3.4.1.5 確定動臂與搖臂的鉸接點E E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。如圖4—7所示，根據(jù)分析和經(jīng)驗，一般取E點在AB連線上方，其在AB連線上的投影點距A點45%處。相對前輪胎，E點在其外廓的左上部。 3.4.2 連桿與鏟斗和搖臂的兩個鉸接點C、D的確定 因為B、E兩點已被確定，所以再確定C和D點實際上是為了是終確定與鏟斗相聯(lián)的四桿機構(gòu)BCDE的尺寸。確定C 、D兩點時，既要考慮對機構(gòu)運動學(xué)的要求，如必須保證鏟斗在各工況時的轉(zhuǎn)角，又要注意動力學(xué)要求，如鏟斗在鏟裝物料時應(yīng)能輸出較大的鏟取力，同時，還要防止前述各機構(gòu)運動被破壞的現(xiàn)象。為此，建議按下述方法進行設(shè)計： 按單搖桿條件設(shè)計六桿機構(gòu)，連桿與鏟斗鉸點C的位置影響連桿的受力和轉(zhuǎn)斗油缸的行程，選擇時主要考慮當(dāng)鏟斗處于地面挖掘位置情況下，轉(zhuǎn)斗油缸作用在連桿CD的有效分力較大，以發(fā)揮比較大的掘起力。通常BC與鏟斗回轉(zhuǎn)半徑之間的夾角ψ=100o~120o；BC=（0.13~0.14）lD（見圖3——3）。 搖臂和連桿要傳遞比較大的插入和轉(zhuǎn)斗阻力，因此在設(shè)計時不僅考慮運動關(guān)系，而且還應(yīng)考慮它們的強度和剛度。搖臂是形狀以及長短臂的比例關(guān)系及鉸點E的位置的確定，主要考慮連桿的受力情況及它們在空間布置的方便和可能性，同時轉(zhuǎn)斗油缸的行程及連桿的長度也不要過大。搖臂可做成直的也可做成彎曲的形狀。彎曲搖臂的夾角一般不大于30o，否則使構(gòu)件受力不良。搖臂與動臂的鉸點E布置在動臂兩鉸點的連線AB的中部偏上為m處。設(shè)計時初步取m=(0.11~0.18)lD，le=(0.45~0.50)lD，EF=（0.22~0.24）lD，DE=（0.29~0.32）lD。 完成上述構(gòu)件尺寸選擇后，就可用下述作圖方法來確定連桿CD的長度、轉(zhuǎn)斗油缸與車架的鉸點G及行程。 根據(jù)已經(jīng)選定的工作裝置連桿機構(gòu)的尺寸參數(shù)，畫出動臂和鏟斗在地面時鏟斗后傾的位置及搖臂和動臂的鉸點E；將動臂由最低到最高位置時的轉(zhuǎn)角分成若干等分，提升動臂到不同的角度，并保持后傾鏟斗的平移性，依次畫出BC的相應(yīng)位置：、……，并使它們互相平行；然后畫出鏟斗在最大卸載高度時的卸載位置（取卸載角），得。假設(shè)鏟斗在最大卸載高度卸載時搖臂和連桿CD處在極端位置，即鉸接點C、D、E位于同一條直線上，則連桿CD的最小長度 b=。根據(jù)搖臂的結(jié)構(gòu)尺寸和鏟斗在任意位置能卸凈物料這一條件，作出鏟斗在不同卸載位置時所對應(yīng)的搖臂與轉(zhuǎn)斗油缸活塞桿鉸接點位置，連接各點得一曲線，過點作此曲線的內(nèi)包圓弧，則圓弧的圓心G即為與車架的交接點，圓弧的半徑G既為轉(zhuǎn)斗油缸的最小安裝尺寸。 根據(jù)提升動臂過程中鏟斗保持平移的特性畫出相應(yīng)的搖臂與轉(zhuǎn)斗油的鉸接點位置得一曲線，以鉸接點G為圓心，過點做此曲線的外包圓弧，圓弧N的半徑G，即為轉(zhuǎn)斗油缸的最大安裝距離，轉(zhuǎn)斗油缸的行程，按下式計算： （3—3） 當(dāng)連桿機構(gòu)和鉸接點位置確定以后，根據(jù)上述作圖法所確定的轉(zhuǎn)斗油缸與車架鉸接點G及轉(zhuǎn)斗油缸的行程，一般當(dāng)轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖的情況下提升動臂的過程中，鏟斗在任何位置時的后傾角都不在地面時后傾角大，在動臂提升范圍內(nèi)后傾角通常允許相差15o。鏟斗卸載角通常隨卸載高度的降低而稍有減小，若鏟斗的卸載角小于45o時，可減小BC或的長度來滿足對卸載角的要求。 圖3—3 確定連桿機構(gòu)圖解法簡圖 要實現(xiàn)動臂提升到最大卸載位置卸載后，動臂下放到地面時鏟斗即自動放平，只要湊成連桿機構(gòu)使鏟斗由最高位置到地面過程中，上翻角即可。 3.4.3 舉升油缸與動臂和機架的鉸接點H及M點的確定 動臂舉升油缸的布置應(yīng)本著舉臂時工作力矩大、油缸穩(wěn)定性好、構(gòu)件互不干擾、整機穩(wěn)定性好等原則來確定。綜合考慮這些因素，一般舉升油缸都布置在前橋與前后車架的鉸接點之間的狹窄空間里。如圖3--4所示，一般H點選定在AB聯(lián)線附近或上方，并取。AH不可能取得太大，它還受到油缸行程的限制。 考慮到聯(lián)合鏟裝(邊抓入邊舉臂)工況的需要，在滿足M點最小離地高度要求的前提下，令工況Ⅰ時HM近似于水平，一般取HM與水平線成10o~15o夾角。這是機械優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果。 M點往前橋方向靠是比較有利的。這樣做，可使動臂油缸在動臂整個舉升過程中，舉升工作力臂大小的變化較小，即工作力矩變化不大，避免鏟斗舉升到最高位置時的舉升力不足，因為此時工作力臂往往較小或最小。但是，采用底部鉸接式油缸時，要使M點前移是比較困難的，它受前橋限制，支座布置也較麻煩，如圖3—7a所示，為克服M點前移的困難，可采取M點上移(即加大)和H點向B點方向前移的辦法，使舉升動臂油缸幾乎呈水平狀態(tài)，計算證明，這樣布置也能得到較好的舉升特性。 為了得到較好的舉升工作力臂變化特性曲線，以適應(yīng)舉升過程中阻力矩的變化和合理地選定舉升油缸的功率，采用中間鉸接式油缸是比較理想的，如圖所示。 圖3—4 動臂油缸鉸接點的確定 這個結(jié)論是顯而易見的，因為由圖3—5可知，兩種結(jié)構(gòu)的油缸的最小工作力臂均出觀在鏟斗被舉到最高位置時，但圖3—5（a）中小于圖3—5（b）中的，并且都為銳角，而力臂大小為。所以，在相同條件下，中間鉸接式油缸的最小輸出力矩要比底部鉸接式油缸的最小輸出力矩大。 3.5 確定動臂油缸的鉸接位置及動臂油缸的行程 3.5.1動臂油缸的鉸接位置 確定動臂油缸與動臂及車架的鉸接點H、M的位置(圖3—5)，通常參考同類樣機，同時考慮動臂油缸的提升力臂與行程的大小選定。H點一般選在約為動臂長度的三分之一處，且在動臂兩鉸接點的連線之上，以便留出鉸座位置 (對曲線型動臂而言)。動臂油缸與車架有兩種連接方式：油缸下端與車架鉸接(圖3—6a)；油缸中部或上端與車架鉸接(圖3—6b)。后者在動臂提升過程中，由于油缸下端的擺動，可以使動臂油缸的提升力臂變化較小，效率較高。但不論那種連接方式，都要使動臂油缸的下端到地面的距離HM滿足裝載機離地間隙的要求。此外，在采用動臂油缸下端擺動的連接方式時，要注意油缸下端在擺動過程中不與機體發(fā)生于涉。 圖3—5 動臂舉升油缸兩鉸接點設(shè)計 3.5.2 動臂油缸行程的確定 在選定動臂油缸鉸接點的位置后，便可用與求動臂長度相同的解析法或作圖法求出其油缸行程： （3—4） 式中 ——動臂油缸的最大安裝距離仍M ——動臂油缸的最小安裝距離MH。 AB= 2558 mm AH取1050 mm 最小離地間隙一般 圖3—6 動臂油缸的鉸接位置 作圖知道 圖3—7 動臂油缸行程的設(shè)計 油缸最大長度1644 mm ，最小長度963 mm ， （3--5） 符合設(shè)計要求。 3.6.2 最大卸載高度和最小卸載距離 鏟斗高位卸載時的卸載高度和卸載距離必須分別不小于設(shè)計任務(wù)給定的最大卸載高度和最小卸載距離，否則將影響卸載效率，甚至不能進行高位卸載。太大時，將增加卸載沖擊，損壞運輸車輛，過大，雖然有利于裝車，但加大了工作機構(gòu)前懸，降低整機穩(wěn)定性。 若要滿足要求，則應(yīng)該滿足下列要求： （3—33） 在軌跡圖中測量出： hx=3100mm>hmax=3090mm Lx=1200mm>lmin=1130mm 所以滿足和的要求。 4 工作裝置的強度計算 工作裝置的強度計算包括： 1)確定計算位置。 2)選取工作裝置受力最大的典型工況，確定外載荷。 3)對工作裝置進行受力分析。 4)主要零件的強度校核。 4.1 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為時的鏟取位置(圖4—1)作為計算位置，且假定外裁荷作用在鏟斗的切削刃上。 4.2 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)時不可能使鏟斗切削刃均勻受載，但可簡化為兩種極端情況：①認為載荷沿切削刃均勻分布，并以作用在鏟斗切削刃中部的集中載荷來代替其均布載荷，稱為對稱受載情況；②由于鏟斗偏鏟、料堆密實程度不均，使載荷偏于鏟斗一例。形成偏載情況時，通常是將其簡化后的集中栽荷加在鏟斗側(cè)邊第一斗齒上。 裝載機的鏟掘過程通?？煞秩缦氯N受力情況： 1）斗水平插入料堤，工作裝置油缸閉鎖，此時認為鏟斗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(靠動臂油缸工作)鏟掘時，此時認為鏟斗切削刃只受到垂直力的作用。 3) 鏟斗邊插入邊轉(zhuǎn)斗或邊插入邊提臂鏟掘時，此時認為水平力與垂直力同時作用在鏟斗的切削刃上。 綜合上述分機可以得到如下六種工作裝置的典型工況(圖4—2)： 1. 對稱水平力的作用工況(圖4—2a) 水平力(即插入阻力PC)的大小由裝載機的牽引力決定，其水平力的最大值為： (4—1) 此處根據(jù)已知取 （4—2） ——裝載機空載時的最大牽引力， ——插入力。 2. 對稱垂直力的作用工況(圖4—2b) 垂直力(即鏟起阻力)的大小受裝載機縱向穩(wěn)定條件的限制(圖3—21)，其最大值為 （4---3） 式中 W——裝載機滿載時的自重； ——裝載機重心到前輪與地面接觸點的距離；在此處取軸距的四分之一靠前。 （4—4） 式中 L—— 軸距。。 W——整車重量。 W1——滿載時前橋負荷，取整機重量的75％。 3． 平力與垂直力同時作用的工況(圖4—2g) 此時垂直力由式(4—3)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)揮的牽引力。 4．受水平偏載的作用工況(圖4—2d) 5．受垂直偏載的作用工況(圖4—2e) 垂直力之大小與工況(b)相同。 6．受水平偏載與垂直偏載同時作用的工況(圖4—2f) 水平力與垂直力的大小與工況(c)相同。 4.3 工作裝置的受力分析 在確定了計算位置及外載荷的大小后，便可進行工作裝置的受力分橋。由于工作裝置是一個受力較復(fù)雜的空間超靜定系統(tǒng)，為簡化計算，通常要作如下假設(shè)： 1) 在對稱受載工況中(圖4—2 a、b、c)，由于工作裝置是個對稱結(jié)構(gòu)，故兩動臂受的載荷相等。同時略去鏟斗及支承橫梁對動臂受力與變形的影響，則可取工作裝置結(jié)構(gòu)的一例進行受力分析，如圖(3—23a)所示，其上作用的載荷取相應(yīng)工況外載荷之半進行計算，即： （4—5） 在偏載工況中(圖3—22d、e、f)，近似地用求簡支粱支反力的方法，求出分配于左右動臂平面內(nèi)的等效力 (圖4—3b)： （4---6） 由于，所以取進行計算。 (圖4—3b)中 (4—7) 2）計算鏟斗重量GD。鏟斗的重量由兩部分組成，一部分是圍成鏟斗的鋼板的重量G1，另一部分是筋板、吊耳等附屬裝置的重量ΔG，估算ΔG的值為10％G1，則 (4—8) 又 (4—9)式中 S1——鏟斗側(cè)壁的面積， t——鏟斗壁厚， S2——斗底和后斗壁的面積， K——檔板面積， ρ——鋼板的密度（取ρ=7850kg/m3）， g——重力加速度（取g=10N/Kg）， 由前述可得 S1=0.886m2 t=0.01m S2=6.437 m2 SK=0.461 m2 代入各項數(shù)據(jù)可得： 3)認為動臂軸線與連桿——搖臂軸線處于同一平面， 則所有的作用力都通過構(gòu)件(除鏟斗外)斷面的彎曲中心，即略去了由于安裝鉸座而產(chǎn)生的附加的扭轉(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(shè)，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。 工作裝置的受力分橋，就是根據(jù)上述各種工況下作用在鏟斗的外力，用解析法或圖解法求出對應(yīng)工況下工作裝置各構(gòu)件的內(nèi)力。下面以工況(c)為例進行受力分析，其他工況與此類同。 (a)水平偏載（Pxa=295KN,PZa=0） 如圖4—4a所示，取鏟斗為脫離體，根據(jù)平衡原理，分析鏟斗的受力： 由 （4—10） （4—11） 由 （4—12）所以 （4—13）由 (4—14則 （4—15） 如圖3—24b所示，取連桿為脫離體，根據(jù)平衡原理，作用于連桿兩端的力大小相等， 方向相反，即： （4—16） 由圖示受力分析可知，連桿此時受拉。 如圖4—4c所示，取搖臂為脫離體，根據(jù)平衡原理，分橋搖臂的受力； 由 （4—17） (4—18) 由 （4—19） 由 （4—20） 如圖3—24d所示，取動臂為脫離體，根據(jù)平衡原理，分析動臂的受力： （4—21） 由 （4—22） 由 （4—23） b）垂直偏載（Pxa=0,Pza=116KN） 與求水平偏載一樣，如圖4—4a所示，取鏟斗為脫離體，根據(jù)平衡原理，分析鏟斗的受力： 由 （4—24） （4—25） 由 （4—26） 所以 （4—27） 由 （4—28） （4—29） 如圖3—24b所示，取連桿為脫離體，根據(jù)平衡原理，作用于連桿兩端的力大小相等，方向相反，即： （4—30） 由圖示受力分析可知，連桿此時受拉。 如圖4—4c所示，取搖臂為脫離體，根據(jù)平衡原理，分橋搖臂的受力； 由 （4—30） (4—31) 由 （4—32） 由 （4—33） 如圖3—24d所示，取動臂為脫離體，根據(jù)平衡原理，分析動臂的受力： （4—34） 由 （4—35）由 （4—36） 比較兩種工況可知第5種典型工況受力比較大，故取第5種工況為例進行強度計算。 4.4 工作裝置的強度校核 根據(jù)計算工況及其受力分析，即可按強度理論對工作裝置主要構(gòu)件進行強度校核。 4.4.1動臂 動臂可看成是支承在前車架A點和動臂油缸上鉸點H點的雙支點懸臂梁(圖4—5)，為簡化計算，將動臂主軸線分為BI、IJ、JA等折線，分別求各段內(nèi)的內(nèi)力Q、N、M的值。動臂的危險斷面一般在H點附近，在此斷面上作用有彎曲應(yīng)力和正應(yīng)力： (MPa) （4—37） 式中 M——計算斷面上的彎矩（）； N——計算斷面上的軸向力(N)； W——計算斷面的抗彎斷面系數(shù)(m3) F——計算斷面的截面積(m2)。 （MPa） （4—38） 式中 Q——計算斷面的剪力(N)； SZmax——計算斷面中性軸Z處的靜矩（m3）； JZ——計算斷面時對中性軸Z的慣性矩（m4）； b——計算斷面的寬度（m）。 因為動臂計算斷面多為矩形，則 （MPa） （4—39） 圖4—5 動臂