ZL50裝載機工作裝置設計【含sw三維仿真及10張CAD圖帶開題報告】
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ZL50 裝載機工作裝置設計摘 要輪式裝載機是以輪胎式拖拉機為基礎車體，加裝鏟斗作為工作裝置的一種土方工程機械。裝載機的工作裝置由鏟斗、連桿、搖臂、動臂、轉斗油缸、舉升油缸組成。裝載機工作裝置的合理性直接影響裝載機的生產(chǎn)效率、工作負荷、動力與運動特性等。本文參閱了大量裝載機設計的參考書，選擇反轉六連桿機構作為所設計的裝載機的工作裝置的結構。根據(jù)任務書中的要求，利用經(jīng)驗公式計算確定鏟斗的結構參數(shù)，利用圖解法確定動臂與鏟斗、動臂與搖臂、動臂與機架、連桿與鏟斗、連桿與搖臂等各個鉸接點的位置，并對鏟斗的幾種典型工況的受力情況進行了詳細分析，對工作裝置的主要部件進行強度校核。最后利用 AutoCAD 對裝載機工作裝置的各零部件的結構參數(shù)進行詳細的結構設計，并應用 SolidWorks 軟件對輪式裝載機工作裝置整體進行了三維建模設計，立體形象得展示和表達了各部分設計的裝配關系。關鍵詞：裝載機； 機械化； 工作裝置The loader working device design of ZL50AbstractWheel loader is a tyre tractor based body, equipped with bucket as an earthmoving work device. The working device of loader bucket, by connecting rod, rocker arm, cylinder, lifting cylinder. The rationality of the loader working device directly influences the production efficiency, working load, power and motion characteristic of the loader..In this paper, a reference book for a large number of loader designs is read, and a reverse six bar linkage is chosen as the structure of the working device of the loader.. According to the requirements of the task book using empirical formula calculation to determine the structural parameters of the bucket, using graphic method to determine the dynamic arm and the bucket, boom and arm, arm and a machine frame, a connecting rod and a bucket, a connecting rod and a rocker arm, etc. each articulated point position, and the stress situation of the bucket of several typical operating conditions are analyzed in detail, of working device of the main components of the strength check. Finally, detailed structure design for working device of the parts of the structure parameters of the loading using AutoCAD, and by using the software of SolidWorks on the wheel loading machine as a whole 3D modeling design, three-dimensional image to display and expression of the various parts of the design of assembly.Key words: Mechanization；Work-Equipment目 錄1 緒論 ........................................................................................................................11.1 國內輪式裝載機發(fā)展概況 ..........................................................................11.2 國外輪式裝載機的發(fā)展概況 ......................................................................22 裝載機工作裝置總體設計 ...................................................................................42.1 工作裝置的總體結構與布置 ....................................................................42.2 工作裝置連桿機構的結構形式與特點 ....................................................52.3 工作裝置自由度的計算 ..........................................................................102.4 工作裝置總體設計 ..................................................................................113 ZL50 裝載機工作裝置設計 ..............................................................................133.1 工作裝置的設計要求 ..............................................................................133.1.1 工作裝置工作性能 .......................................................................133.1.2 對工作裝置的要求 .......................................................................133.2 鏟斗設計 ..................................................................................................143.2.1 鏟斗的結構形式 ...........................................................................143.2.2 鏟斗的分類 ...................................................................................163.2.3 鏟斗斷面形狀和基本參數(shù)確定 ...................................................173.2.4 鏟斗容量的計算 ...........................................................................203.3 工作裝置連桿系統(tǒng)設計 ..........................................................................213.3.1 機構分析 .......................................................................................213.3.2 尺寸參數(shù)設計 ...............................................................................233.3.3 連桿系統(tǒng)運動分析 .......................................................................323.4 工作裝置靜力學分析及強度校核 ..........................................................363.4.1 靜力學分析 ...................................................................................363.4.2 強度校核 .......................................................................................423.5 液壓缸設計 ..............................................................................................443.5.1 液壓缸的類型和結構 ...................................................................443.5.2 液壓缸基本參數(shù)設計 ...................................................................44結論 ...........................................................................................................................48致謝 ...........................................................................................................................49參考文獻 ...................................................................................................................5011 緒論1.1 國內輪式裝載機發(fā)展概況20 世紀 60 年代初，我國裝載機產(chǎn)業(yè)開始興起。1960 年，我國上海港口機械廠制造了我國歷史上第一臺裝載機，它的額定功率為 67KW，斗容量為 1m3。它的驅動方式應用了單橋驅動，變速箱齒輪滑動齒輪變速。在 1964 年，Z435 型裝載機由廈門工程機械廠和天津工程機械研究所測繪并制造，它的斗容量為 1.7m3 ，額定功率為 100.57KW。在 1962 年天津交通局和天津工程機械化研究所參照國外剛剛出現(xiàn)的鉸接式裝載機,于 1965 年共同設計了 Z425 型=鉸接式裝載機。1970 年，在天津工程機械研究所和柳州工程機械廠合作，制造了 ZL50 型裝載機，它的額定功率為 163KW，斗容量為 3m3。其采用雙渦輪變矩器、動力換擋行星變速箱的液力機械傳動方式，反“Z”字形連桿機構的工作裝置及鉸接轉軸。，由于液力機械化傳動式裝載機存在某些問題，例如：拖啟動、熄火轉向及排氣制動等問題，為了解決這些問題又自行設計了“三合一”的機構。ZL50 型裝載機在實踐考核中，表現(xiàn)出了性能良好、結構先進的特點。而 ZL100、ZL40、ZL30、ZL20 裝載機系列產(chǎn)品也是在 ZL50 的基礎上設計發(fā)展起來的，并在這個系列的基礎上逐步設計出了DZL50 型供地下礦坑和 DZL40 型隧道施工用的地下裝載機變型產(chǎn)品。通過近 40 年的發(fā)展，我國裝載機從無到有，產(chǎn)品種類及產(chǎn)量從少到多，已經(jīng)形成獨立的系列產(chǎn)品和行業(yè)門類。在 1980 年生產(chǎn)企業(yè)只有 20 家經(jīng)過 20 多年的發(fā)展現(xiàn)在已有 100余家，初步形成了約 19 個型號的系列產(chǎn)品，并在工程機械中占有主要地位。主要生產(chǎn)廠家為：廈工、柳工、龍工、徐工、常林、臨工、山工、成工、宜工、鄭工、武林、朝工、山河智能等，長時間的裝載機生產(chǎn)經(jīng)驗、較強的實力、較高的市場占有率和較好的售后服務，讓這些廠家在市場中各自占有一席之地。由于其在“八五”、“九五”期間在技術革新方面資金投入較多使得其發(fā)揮出了較大的效力和作用，讓整個企業(yè)變得更有活力。在這之后輪式裝載機行業(yè)出現(xiàn)了井噴式的發(fā)展也就是在“十五”期間，據(jù)數(shù)據(jù)顯示在 2000 年以前 25 年內裝載機銷量增長率平均為 17.86%，而在 2001-2004 年增長率平均為 46.98%，這大大超過前 25 年的平均增長率；2006 年中國裝載機 26 家主要企業(yè)共銷售 119895 臺，同比增長13.3%(不含小裝)，占據(jù)世界裝載機的大半壁江山。由于中國市場迅速擴大，已成為世界裝載機市場不可或缺的一部分[7]。在看到裝載機這一產(chǎn)品的巨大市場和效益，國內各生產(chǎn)廠家紛紛將其列為支柱產(chǎn)業(yè)加以扶持并在政策上給予優(yōu)惠，像福建龍巖、山東蒙嶺等一批新成員的加盟，發(fā)展勢頭迅猛，競爭更加激烈。國際一2流公司小松、利渤海爾、沃爾沃、卡特彼勒等在國內成立合資或獨資公司后，更加劇了國內裝載機市場的競爭。中國的小型裝載機制造現(xiàn)在在行業(yè)的發(fā)展有一定的利潤空間，設備體積小，結構簡單，零部件生產(chǎn)較簡單，進入門檻低。所以，仍然有大量的企業(yè)進入小的裝載機行業(yè)，在這種情況下，雖然市場有較大的跨越，但產(chǎn)能增長更快，所以未來的市場競爭必然殘酷而激烈低價格戰(zhàn)是不可避免的。另外，我國小型裝載機存在許多需要改進的地方，如：傳輸系統(tǒng)技術水平太低，駕駛員的勞動強度高，能耗高，工作效率低，不利于節(jié)能減排，環(huán)境保護等；在傳動方面應用雙變量（液力變矩器+變速箱）或全液壓方向；單缸柴油機功率太小，噪聲，振動，能量消耗過大；從發(fā)展的角度來看，成本不斷增加，應盡可能的增加雙缸和四缸柴油發(fā)動機的使用；同時在液壓轉向方面是最好的和最優(yōu)先的全液壓轉向系統(tǒng)，變速操縱機械轉向液壓助力轉向等。我認為這些都是小的技術方向發(fā)展的未來。目前有一些傳統(tǒng)的裝載機生產(chǎn)廠家開始生產(chǎn)小型裝載機，如徐廈工新余廈工集團，徐工集團，江蘇柳工等。我認為制造商進入小設備行業(yè)不會對他們構成威脅，反而會促進行業(yè)的發(fā)展。新興國經(jīng)濟建設使我們國家的城市化進程變得更快，勞動力的需求越來越緊缺，勞動力成本也越來越高，裝載機作為一個靈活的，廉價的機械設備，將成為高成本和低效率的手工勞動的替代品，特別是在西部大開發(fā)，這種產(chǎn)品將有廣闊的潛在市場。因此，小型裝載機將有良好的發(fā)展前景。1.2 國外輪式裝載機的發(fā)展概況早在第二次工業(yè)革命時期國外輪式裝載機就已出現(xiàn)，其發(fā)展到今天，無論是技術、設計、制造還是銷售、服務等都已經(jīng)非常成熟。國外著名的生產(chǎn)廠家有卡特彼勒、山貓、凱斯、約翰·迪爾、利勃海爾、特雷克斯、沃爾沃、小松、JCB 、現(xiàn)代、日立等。在 2000 年以前在中國市場正處于發(fā)展較弱期，輪式裝載機全球需求量約為 74500 臺。其中，中國(32%)是最大的地區(qū)市場，其后依次是歐洲(30%)、北美洲(20%)和日本(12%)。到 2005 年，市場環(huán)境急劇變化: 全球需求量幾乎翻一番，達 14.2 萬臺，中國市場需求急劇增加成為世界上最大的市場。歐洲和北美洲的市場規(guī)模相近，但其市場構成卻存在根本差別: 在歐洲低于 59.7kW(80hp)的小型機械更受偏愛(但僅限于某些國家，尤其是德國)。這類產(chǎn)品占該地區(qū)需求量的40%，與之相比在北美洲只占 12%。英國工程機械咨詢有限公司估計約有 20 家國際(即非中國的)輪式裝載機制造商年產(chǎn)量超過 500 臺，合計年產(chǎn)約為 6 萬臺。2005年卡特彼勒、小松、沃爾沃、CNH 和迪爾的總產(chǎn)量占該年總產(chǎn)量的 75%，而 10 年前 5 大制造商只占 54%，目前這 5 大制造商在國際市場中所占份額的總和仍在增加。3因此，國際市場掌握在少數(shù)制造商的手里。 國外輪式裝載機一方面往大型化發(fā)展，如：卡特彼勒公司 90 年代初推出 Cat966F 輪式裝載機，時隔 1 年又推出 Cat980F輪式裝載機，它增加了斗容和功率，改善了性能、提高了可靠性。不久又推出更大的 Cat994 輪式裝載機，根據(jù)物料體積質量不同而選配 18-30m3 的鏟斗、機重170t；德雷塞（Dresser）公司 90 年代初推出 4000 型輪式裝載機，斗容 10-30m3、機重 151.8t。目前，全世界約有 400 臺（功率大于 750kw）大型輪式裝載機應用在露天礦山和建筑工程，與大型自卸汽車配套使用。另一方面，小型輪式裝載機以機動靈活、效率高、多功能和價格低廉贏得市場，發(fā)展甚快。如：日本古河公司生產(chǎn)的 FL30-1 型輪式裝載機斗容 0.34m3、機重 2.3t；小松公司的 WA30-l 型斗容 0.34m3、柴油機功率 20kw；豐田織機公司的斗容 0.17m3、機重 1t等。這些微型裝載機適用于建筑工地和地下礦山挖溝、平地、堆料等。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，市場份額已相當大，美國的山貓牌小型多功能裝載機車銷量在 5 萬臺左右，還有美國的凱斯、約翰·迪爾、卡特彼勒、英國的 JCB 等公司的挖掘裝載機及小型多功能裝載機年銷量都在萬臺以上。42 裝載機工作裝置總體設計2.1 工作裝置的總體結構與布置裝載機工作裝置是一種帶液壓缸的空間多桿連機構以完成裝卸作業(yè)。工作裝置是組成裝載機的關鍵部件之一，其工作性能的好壞由設計水平的高低決定，同時也會影響整機的工作效率與經(jīng)濟性指標。裝載機工作裝置分為有鏟斗托架和無鏟斗托架兩種基本結構形式，如下圖 2-1、2-2 所示。它由運動相互獨立的兩部分組成 連桿機構和動臂舉升機構，主要由鏟斗、動臂、連桿、上下?lián)u臂、轉斗油缸、動臂舉升油缸、托架、液壓系統(tǒng)等組成。圖 2-1 有鏟斗托架式圖 2-2 無鏟斗托架式1—鏟斗；2—動臂；3—連桿；4—下?lián)u臂；5—上搖臂；6—轉斗缸；7—動臂舉升油缸；8—前車架；9—鏟斗托架5帶鏟斗托架的工作裝置，其動臂及連桿的下鉸接點與鏟斗托架鉸接，上鉸接點與前車架支座鉸接；轉斗油缸鉸接在托架上部，活塞桿及托架下部與鏟斗鉸接。由托架、動臂、連桿及前車架構成一個平行四邊形連桿機構，使得轉斗缸閉鎖時，動臂在舉升過程中，鏟斗始終保持平動。無鏟斗托架的工作裝置，其動臂下鉸接點與鏟斗鉸接，上鉸接點與前車架支座鉸接；轉斗缸一端與前車架鉸接，另一端與上搖臂鉸接；連桿一端與搖臂鉸接，另一端與鏟斗鉸接；搖臂鉸接在動臂上。動臂舉升缸一般采用立式（又稱豎式）或臥式（又稱橫式）布置形式，常見有兩種連接方式：一種是油缸頂端與前車架鉸接（圖 2-3）；另一種是油缸中部通過銷軸與前車架鉸接（圖 2-4）。鏟斗是裝載物料的容器，通常具有兩個鉸接點，一個與動臂下鉸接點鉸接，另一個與連桿鉸接。操縱轉斗缸實現(xiàn)鏟斗的裝載或卸料；操縱舉升油缸實現(xiàn)動臂和鏟斗升降運動。圖 2-3 立式布置形式 圖 2-4 臥式布置形式2.2 工作裝置連桿機構的結構形式與特點由裝載機工作裝置的自由度分析可知，工作裝置的連桿機構均為封閉運動鏈的單自由度的平面低副運動機構，其桿件數(shù)目應為 4、6、8、10、……等。由裝載機工作裝置結構分析可知，桿件數(shù)目越多越能實現(xiàn)復雜的運動，但是鉸接點的數(shù)6目也變得更多，結構越復雜，在動臂上布置的難度也相應增加。因此，實際上裝載機工作裝置的連桿機構多為八桿以下機構。這樣，按組成工作裝置連桿機構構件數(shù)不同，裝載機工作裝置可分為三桿、四桿、五桿、六桿和八桿機構；按輸入與輸出桿轉向不同，又可分為正轉和反轉機構。輸入與輸出桿的轉向相同的被稱為正轉機構；輸入與輸出桿的轉向相反的被稱為反轉機構。綜合國內外各類型的裝載機工作裝置來看，其連桿機構典型結構主要有下列幾種。1、 正轉八桿機構 機構在轉斗缸大腔進油時轉斗處于鏟取狀態(tài)，此時會有較大鏟取力；各構件設計越合理，鏟斗的舉升平動性能就越好；由于連桿機構的傳動比較大，使得鏟斗卸載角較大、卸載速度較高，因此卸載干凈，速度快；又因為有較大傳動比，還可以適當減小連桿機構的尺寸，因而司機的視野會變得更大。但是機械結構會較為復雜，鏟斗自動放平性較差。組成一個自由度的平面八桿機構共有 16 種基本結構形式。由于連桿機構要布置在動臂上，所以有可能作為裝載機工作裝置的僅有兩種方案：其一，是由 2 個四鉸構件和 6 個兩鉸構件組成（圖 2-5a）；其二，是由 1 個四鉸構件、2 個三鉸構件和 5 個兩鉸構件組成（圖 2-5b~f）?？梢?，八桿機構的結構形式很多，需進行選擇使用。目前，裝載機工作裝置八桿機構有以下兩種結構形式：1）由圖 2-5b 組成的工作裝置如圖 2-6a、b 所示。2）由圖 2-5e 組成的工作裝置如圖 2-6c 所示。圖 2-5 八桿機構的構成方案7圖 2-6 八桿機構工作裝置的結構形式2、 六桿機構 六桿機構工作裝置是目前裝載機上使用最為普及的一種結構形式。對于單自由度的六桿機構，只能有兩個三鉸構件和 4 個兩鉸構件組成，其傳遞方案如圖 2-7 所示。其中，圖 b 所示方案目前在裝載機上尚未采用；圖 a 所示方案形成的工作裝置，是以三鉸構件 1 為動臂、構件 2 為鏟斗、構件 4 為搖臂、構件 6 為機架。圖 2-7 六桿機構的構成方案3、 根據(jù)轉斗油缸布置位置的不同，可以作為裝載機工作裝置的六桿機構，常見的有以下幾種結構形式：4、 1） 把轉斗缸放在前面的正轉六桿機構（圖 2-8a） 以圖 2-7 的構件 3為轉斗缸，其優(yōu)點是轉斗缸直接與搖臂相連接，兩個四連桿機構各自形成平行四邊形結構，使鏟斗能夠自由平移；同八桿機構相比，結構簡單，司機視野較好。8缺點是轉斗時油缸小腔進油，鏟掘力相對較?。贿B桿機構傳力比小，使得轉斗缸活塞行程較大，轉斗缸加長，卸載程度不如八桿機構；由于把轉斗缸放在前邊，使得工作裝置的整體重心外移，增大了工作裝置的前懸量，這樣整機在行駛的時候平穩(wěn)性會有所降低；而且鏟斗也不易實現(xiàn)自動放平。圖 2-8 六桿機構工作裝置的結構形式2） 把轉斗缸放在后邊的正轉六桿機構（圖 2-8b） 以圖 2-7a 的構件 5 為轉斗缸，并布置在動臂的上方。與轉斗缸前置式相比，機構前懸較小，傳動比較大，活塞行程較短；有可能將動臂、轉斗缸、搖臂和連桿機構的中心線設計在同一平面內，使結構變得簡單了，動臂和鉸銷的受力情況也有所改善。缺點是：轉斗缸與車架的鉸接點位置較高，司機的視野會受到影響，其他同前置式。3） 轉斗缸后置式正轉六桿機構（圖 2-8c） 仍以構件 5 為轉斗缸，但將其布置在動臂下方。在鏟掘收斗作業(yè)時，此時油缸工作腔為大腔，會擁有較大的掘起力。但組成工作裝置的各構件最好不要布置在同一平面內，構件受力狀態(tài)較差。4） 轉斗缸后置式反轉六桿機構（圖 2-8d） 以圖 2-7a 的構件 5 為轉斗缸，9將其布置在動臂上面，轉斗缸小腔作用時進行鏟掘。這種機構又稱為“Z”形連桿機構（Z-bar Linkage）。該機構具有以下優(yōu)點：一是，鏟斗插入時轉斗缸大腔進油，并且連桿機構的傳力比可以設計成較大值，故可獲得較大的掘起力；二是，合理設計連桿機構各構件的尺寸，不僅可以得到良好的鏟斗平移性能，而且可以實現(xiàn)鏟斗的自動放平；三是，結構十分緊湊，前懸小，司機視野好。缺點是搖臂和連桿布置在鏟斗和前橋之間的狹窄部位，各構件間易于發(fā)生干涉。5） 轉斗缸后置式反轉六桿機構（圖 2-8e） 以圖 2-7a 的構件 3 為轉斗缸，布置在靠近鏟斗處，鏟掘時靠小腔作用。現(xiàn)在這種機構很少用。(a) (b)圖 2-9 工作裝置結構形式a）正轉四桿機構 b）正轉五桿機構3、正轉四桿機構（圖 2-9a） 該機構結構最為簡單，易于設計成鏟斗舉升平動；前懸較小。缺點是鏟掘轉斗時油缸小腔作用，輸出力較??；連桿機構的傳力比難以設計成較大值，所以鏟掘力相對較??；轉斗缸行程較大，油缸結構較長；鏟斗卸載時，活塞桿易與鏟斗底部相碰，減小了卸載角；機構不易實現(xiàn)鏟斗自動放平。4、 正轉五桿機構（圖 2-9b） 該機構是在正轉四桿機構的基礎上，在活塞桿和鏟斗之間增加一根短連桿演變而成的，從而克服了正轉四桿機構卸載時活塞桿易與斗底相碰的不足。當鏟斗端平時，短連桿與活塞桿靠油缸拉力和鏟斗重力拉成一直線，合為一桿；而當鏟斗卸料時，短連桿能相對活塞桿轉動，從而避免了活塞桿與斗底相碰。102.3 工作裝置自由度的計算由于裝載機工作裝置的總體結構是縱向對稱，各構件又是通過互相平行的銷軸連接的。因此，可將其簡化為帶液壓缸的平面低副多桿機構，不計各桿件的自重，并假設各鉸接點的摩擦力為零來進行對裝載機工作裝置的運動學分析。圖 2-10 所示，為典型的反轉六桿機構和正轉八桿機構工作裝置的桿系結構簡圖。圖中，UG 為動臂位置角；即動臂上、下鉸接點的連線與垂直線的夾角，以繞動臂上鉸接點逆時針方向為正，反之為負；U 為鏟斗位置角，即鏟斗斗底與水平線正向的夾角為正，反之為負。圖 2-10 工作裝置平面桿系結構簡圖a）反轉六桿機構 b）正轉八桿機構11對于反轉六桿機構的工作裝置（圖 2-10a），它由舉升機構 GHI、油缸四連桿機構 DEFG 和鏟斗四連桿機構 ABCD 等組成。其中，活動桿件數(shù) n=8，低副數(shù)11，高副數(shù) 0。這樣，由平面機構自由度的計算公式可得，反轉六桿機構?lP?hP工作裝置的自由度2?hlnF3當轉斗缸閉鎖時，動臂在舉升缸的作用下舉升或下降鏟斗，此時該工作裝置的自由度為 1，舉升缸為原動件；當舉升缸閉鎖，動臂處于某一特定作業(yè)位置不動時，在轉斗缸的作用下，通過一平面六桿機構使鏟斗繞其鉸點轉動，此時該工作裝置的自由度也是為 1，轉斗缸為原動件。對于正轉八桿機構的工作裝置（圖 2-10b），它由舉升機構 IMN、油缸四連桿機構 IFHJ、鏟斗四連桿機構 ABCD 和中間四連桿機構 DEGF 等組成。同樣可得，正轉八桿機構工作裝置的自由度 F=2。2.4 工作裝置總體設計由設計任務書和設計要求，對于本次 ZL50 裝載機的設計采取以下方案：在鏟斗部分，采用無鏟斗托架式結構；油缸的布置形式為立式布置形式。同時考慮到實際工作中的運用情況，它的連桿機構采用的是反轉六桿機構。主要參數(shù)：鏟斗容量： 3 m3額定載重量： 5 t發(fā)動機額定功率： 154 kw整機質量： 16.3 t以上是為總體的參數(shù)，鏟斗的取值主要通過到現(xiàn)場測量和老師傅的經(jīng)驗得到；在連桿系統(tǒng)各個鉸接點的確定時，采用的是圖解法，確定其坐標的位置；液壓系統(tǒng)中的轉斗油缸和舉升油缸主要是通過行程和鉸接點的確定從液壓件中選取的；然而在本次的設計中，主要采用 SolidWorks 軟件進行的設計，具體的設計12如第三章所述。3 ZL50 裝載機工作裝置設計3.1 工作裝置的設計要求3.1.1 工作裝置工作性能工作裝置的結構和性能直接影響工程機械整機的工作尺寸和性能參數(shù)，工作13裝置的合理性直接影響整機的工作效率、生產(chǎn)負荷、動力與運動特性、不同工況下的作業(yè)效果、工作循環(huán)的時間、外形尺寸和發(fā)動機功率等。不同類型工程機械的工作裝置的組成是不同的。裝載機的工作過程包括：插入工況、鏟裝工況、重載運輸工況、舉升工況、卸載工況、空載運輸工況。裝載機的工作裝置主要由鏟斗、動臂、連桿、搖臂、轉斗油缸和舉升油缸組成。裝載機工作裝置主要由鏟斗和支持鏟斗進行裝載作業(yè)的連桿系統(tǒng)組成，依靠這套裝置裝載機可以對汽車、火車進行散料裝載作業(yè)，也可以對散料進行短距離運輸作業(yè)，還可以進行平地修路等作業(yè)。把鏟斗更換成專門的裝置，還可以進行其他的裝載作業(yè)。3.1.2 對工作裝置的要求工作裝置在設計時應滿足以下要求（1） 角度要求：滿足工作循環(huán)中對鏟斗各個工作位置的角度要求，達到所要求的卸載高度與卸載距離。（2） 運動要求：在工作循環(huán)中速度與加速度變化合理，油缸活塞行程為最佳，工作裝置運動平穩(wěn)、無干涉、無死點、無自鎖，動臂從最低位置到最大卸載高度的舉升過程中，保證鏟斗中的物料無撒落，在卸載后，動臂下放至鏟掘位置，鏟斗能自動放平。（3） 結構要求：結構要求簡單緊湊，承載元件數(shù)量（包括油缸）盡量少，前懸小。（4） 動力性要求：連桿機構具有較高的力傳遞效率，以保證工作裝置產(chǎn)生較大的插入力、掘起力和舉升力。3.2 鏟斗設計鏟斗是工作裝置的重要部件，裝載機工作時用它直接鏟掘、裝載、運輸和傾卸物料。鏟斗直接與物料接觸，是裝、運、卸的工具，工作時，它被推壓插入料堆鏟取物料，工作條件惡劣，要承受很大的沖擊力和劇烈的磨損，因此鏟斗設計質量對裝載機的作業(yè)能力有較大的影響。為了保證鏟斗的設計質量，首先應當合理的確定鏟斗的結構及幾何尺寸，以降低鏟斗插入物料的阻力。其次要保證鏟斗有足夠的強度、剛度、耐磨性，使之具有合理的使用壽命。143.2.1 鏟斗的結構形式鏟斗的形狀和尺寸參數(shù)對插入阻力、鏟取阻力、轉斗阻力和生產(chǎn)率都有著很大的影響。同一個鏟斗有兩種容積標志：一是物料裝平時的容積，稱為平裝斗容；二是物料裝滿堆高后的容積，稱為堆裝斗容。機器銘牌上標稱的斗容通常為堆裝的容積。鏟斗由斗底、側壁、斗刃及后壁等部分組成。鏟斗的斗刃還分為帶齒和不帶齒的兩種。鏟斗的斷面形狀一般為“U”形，用鋼板焊接而成。（1）斗體形狀從整個斗體形狀看來，鏟斗基本可以分成“淺底”和“深底”兩種類型。在斗容量相同的情況下，前者開口尺寸較大，斗底深度較小，即斗前壁較短，而后者正好相反。淺底鏟斗插入料堆的深度較小，相應的插入阻力也較小，容易裝滿，但運輸行駛時容易撒落物料；由于前懸增大，影響車輛行駛平穩(wěn)性。而深底鏟斗則恰恰相反。相比之下，定點裝載使用淺底鏟斗，而運輸距離較大則采用深底鏟斗較為合適。斗體常用低碳、耐磨、高強度鋼板焊接制成。（2）切削刃的形狀根據(jù)裝載物料不同，切削刃有直線型和非直線型。前者形式簡單，有利于鏟平地面，但鏟裝阻力較大。后者又有 V 形和弧形等，由于這種刃中間突出，鏟斗插入料堆時可使插入力集中作用在斗刃的中間部分，所以插入阻力較小，容易插入料堆，并有利于減少偏載插入，但鏟斗裝滿系數(shù)要比前者小。礦用輪式裝載機工作條件惡劣，任務繁重，插入和掘起阻力都很大，偏載工況對工作機構的強度影響嚴重，所以多選用非直線形切削刃，并以 V 形切削刃為佳。斗刃材質是即耐磨又耐沖擊的中錳合金鋼材料，側切削刃和加強角板都用高強度耐磨鋼材料制成。（3）斗齒鏟斗斗刃上可以有斗齒，也可以沒有斗齒。若斗刃上裝有斗齒時，斗齒將先于切削刃插入料堆，由于它比壓大，所以比不帶齒的切削刃易于插入料堆，插入阻力能減小 20%左右，特別是對料堆比較密實、大塊較多的情況，效果尤為顯著，15因此礦用裝載機一般都是帶斗齒。斗齒結構分為整體式和分體式兩種，一般斗齒是用高錳鋼制成的整體式，用螺栓固定在鏟斗斗刃上，中小型裝載機多采用這種形式。為便于斗齒磨損后更換和節(jié)約斗齒金屬，也有使用雙段斗齒的，如圖 3-1 所示。圖 3-1 雙段斗齒1—齒尖； 2—齒坐； 3—鋼銷這種斗齒的齒尖與齒坐的配合面為錐面，兩者配合情況良好。裝配時，先置入有彈性的金屬橡皮，然后再從上邊或從下邊往方形銷孔中打入鋼銷 3 即可。由于拆卸方便，齒尖一邊磨損后可以翻轉再使用，從而延長使用壽命。大型裝載機由于作業(yè)條件差、斗齒磨損嚴重，故常采用這種分體式斗齒。斗齒的形狀和間距對切削阻力是有影響的。一般中型裝載機鏟斗的斗齒間距為 250~300mm 左右，太大時由于切削刃將直接參與插入工作，使阻力增大，太小時，齒間易于卡住石塊，也將增大工作阻力。長而窄的齒要比段而寬的齒插入阻力小，但太窄又容易損壞，所以齒寬以每厘米長載荷不大于 500~600kg 為宜。（4）鏟斗側刃因為側刃參與插入工作，為減小插入阻力，側壁前刃應與斗前壁成銳角，弧線或折線側刃鏟斗的插入阻力比直線形側刃要小，但具有弧線或折線形側刃鏟斗的側壁較淺，物料易于從兩側撒落，影響鏟斗的裝滿。為了不使斗容減小太多，一般可將連接前后斗壁的側壁刃口設計成弧形。（5）斗底斗前壁與斗后壁用圓弧銜接，構成弧形斗底。為了使物料在斗中有很好的流動性，斗底圓弧半徑不宜太小，前后壁夾角不應小于物料與鋼板的摩擦角的 2 倍，以免卡住大塊物料。若取物料與鋼板的摩擦因數(shù) f =0.4，則摩擦角 φ≈22°，所16以張開角必須大于 44°。綜上所述，針對我的鏟斗設計性質如下：斗體材料：低碳、耐磨、高強度鋼板斗刃形狀：直線形斗刃斗刃材料：耐磨又耐沖擊的中錳合金鋼材料3.2.2 鏟斗的分類鏟斗按照卸載方式一般可以分為整體前卸式、側卸式、推卸式和底卸式等數(shù)種。（1）整體前卸式鏟斗整體前卸式鏟斗的突出優(yōu)點是結構簡單，工作可靠，有效裝載容積大，但需要有較大的卸載角才能將物料卸凈。通常情況下，絕大多數(shù)前端式這裝載機都是用這種鏟斗。（2）側卸式鏟斗這種鏟斗沒有側板，插入阻力小，裝載效率高，特別是在裝載機用于填溝或在狹窄場地往側旁的運輸設備進行裝載作業(yè)時，其優(yōu)點就更加顯著了。（3）推卸式鏟斗它可以彌補整體前卸式鏟斗卸載高度不足，在裝載機其他尺寸參數(shù)相同的情況下，能夠顯著提高卸載高度和增加卸載距離；特別適用于卸出小顆粒粘性物料。與整體前卸式鏟斗相比，推卸式鏟斗的結構復雜一些，且需要用動力推卸，但具有以上的一些優(yōu)點，在地下作業(yè)時多被采用。（4）底卸式鏟斗底卸式鏟斗是用動力打開斗底卸載的，同推卸式鏟斗一樣可以提高卸載高度，但結構也是比較復雜。以為考慮到成本和產(chǎn)品的實用性，以及在工作中遇到的情況，本次的設計所采用的是整體前卸式的鏟斗卸載方式。3.2.3 鏟斗斷面形狀和基本參數(shù)確定（1）鏟斗的斷面形狀17鏟斗的斷面形狀由鏟斗圓弧半徑 r、底壁長 l、后壁高 h 和張開角 γ 四個參數(shù)確定，如圖 3-2 所示。圖 3-2 鏟斗斷面基本參數(shù)圖圓弧半徑 r 越大，物料進入鏟斗的流動性越好，有利于較少物料裝入斗內的阻力，卸料快而干凈。但 r 過大，斗的開口大，不易裝滿，且鏟斗外形較高，影響駕駛員觀察鏟斗斗刃的工作情況。后壁高 h 是指鏟斗上緣至圓弧與后壁切點間的距離。底壁長 l 是指斗底壁的直線段長度。l 長則鏟斗鏟入料堆深度大，斗容易裝滿，但掘起力將由于力臂的增加而減小。由試驗得知，插入阻力隨鏟入料堆的深度而急劇增加。l 長同樣會減小卸載高度，短則掘起力大，且由于卸料時鏟斗刃口降落的高度小，還可以減小動臂舉升高度，縮短作業(yè)時間，但會減小斗容。對裝載輕質物料為主的鏟斗，l 可選擇大些，對于裝載巖石的鏟斗，應取小些。鏟斗張開角 γ 為鏟斗后壁與底壁之間的夾角，一般取 45°到 52°之間。適當減小張開角并使斗底壁對地面有一定斜度，可減小插入料堆時的阻力，提高鏟斗的裝滿程度。鏟斗的寬度應大于裝載機兩個前輪外側間的寬度，每側要寬出 50~100mm。如鏟斗寬度小于兩輪外側間的寬度，則鏟斗鏟取物料后所行成的料堆階梯會損傷到輪胎側壁，并增加行駛時輪胎的阻力。通過以上的介紹，結合從現(xiàn)場采集來的大概參數(shù)，本次設計的具體參數(shù)初定如下：鏟斗圓弧半徑 r： 350mm18底壁長 l： 700mm后壁高 h： 400mm張開角 γ： 48°（2）鏟斗基本參數(shù)的確定在定下了以上的斷面參數(shù)后，從現(xiàn)場的參考數(shù)據(jù)得到，本設計鏟斗的總寬度B 為 2900mm，并且鏟斗壁厚為 30mm。設計時，把鏟斗的回轉半徑 R （即鏟斗與動臂鉸接點至切削刃間的距離），如圖 3-3 所示，作為基本參數(shù)，鏟斗的其他參數(shù)作為 R 的函數(shù)。它的大小不僅直接影響鏟斗底壁的長度，而且還直接影響轉斗時掘起力及斗容的大小，所以它是一個與整機總體有關的參數(shù)。鏟斗的回轉半徑 R 可按照式（3-1）計算。圖 3-3 鏟斗尺寸參考?????????? ???????????????? 1805.2cotsinco5.01 ??????rkzgBVR式中 --鏟斗平裝斗容，2.5m3sV--鏟斗內側寬度， 2.840m0--鏟斗斗底長度系數(shù)， =1.40~1.53g?g?19--后壁長度系數(shù)， =1.1~1.2z?z?--擋板高度系數(shù)， =0.12~0.14k k--圓弧半徑系數(shù)，r Rr?--張開角，為 45°~52°?--擋板與后壁間的夾角（無擋板取 0）1圖 3-3 中各參數(shù)含義如下：--鏟斗圓弧半徑，mr--斗底長度，是指由鏟斗切削刃至斗底延長線與斗后壁延長線交點gL的距離，m??Rg53.1~4??--后壁長度，是指由后壁上緣至后壁延長線與斗底延長線交點的距zL離，m??z2.1~??-- 擋板高度，mkLRRk)4.0.(調整參數(shù)，根據(jù)調整后的各值與 R 之比分別計算 、 、 、 值，g?zkr?=1.5， =1.1， =0.12g?zk?然后代入式（3-1），即可確定鏟斗的回轉半徑 R，通過計算得出 1140mm?R即可得出 =1.5×1140=1710mmgL=1.1×1140=1254mmz=0.12×1140=136.8mmk一般取鏟斗側壁切削刃相對斗底壁的傾角 =50°~60°。鏟斗與動臂鉸接點0?距離斗底壁的高度 =（0.06~0.12 ）R。h203.2.4 鏟斗容量的計算由于本次設計的鏟斗容量是在設計任務書中體現(xiàn)出來的，并且鏟斗的參數(shù)都是根據(jù)鏟斗容量而定下的，所以如下只介紹的是它的算法公式。(1) 平裝容量鏟斗的平裝容量（見圖 3-4）按照式（3-2）計算。對于有防溢板的鏟斗（m3） (3-2)baSBVs203??式中 --有擋板的鏟斗橫截面面積，m2--鏟斗內側寬度，m0--擋板高度， ma--斗刃刃口與擋板最上部之間的距離，mb對于無防溢板的鏟斗（m3） 0BSVs??式中 --不裝擋板的鏟斗橫截面面積， m2 ?（b）幾何斗容（c）額定斗容（a）鏟斗橫截面 （d）鏟斗橫截面面積計算圖圖 3-4 鏟斗容量計算(2) 額定容量鏟斗的額定容量（見圖 3-4）按照式（3-3）計算。對于有防溢板的鏟斗21（m 3） （3-)(68202cabBVsr ????3）式中 c 物料堆積高度， m對于無防溢板的鏟斗（m 3）24830bBVsr????圖 3-5 設計鏟斗圖 3-5 所示為本次設計的鏟斗，并通過 SolidWorks 輸出的立體圖形3.3 工作裝置連桿系統(tǒng)設計通過在第二章中的工作裝置連桿機構的結構形式與特點的介紹，綜合本次設計的基本要求和設計任務，所選取的結構形式為反轉六桿機構結構形式。3.3.1 機構分析反轉六桿工作機構簡圖如圖 3-6 所示，它由轉斗機構和動臂舉升機構兩個部分組成。轉斗機構由轉斗油缸 CD、搖臂 CBE、連桿 FE、鏟斗 GF、動臂 GBA 和機架 AD六個構件組成。實際上，它由兩個反轉四桿機構 GFEB 和 BCDA（即圖中 GF2E2B 和BC2DA）所串聯(lián)而成。當舉升動臂時，若假定動臂為固定桿，則可把機架 AD 視為輸入桿，把鏟斗 GF 看成輸出桿，由于 AD 和 GF 轉向相反，所以叫反轉六桿機構。22舉升機構主要由動臂舉升油缸 HM 和動臂 GBA 構成。若把油缸分解成兩個活動構件和一個移動副，則反轉六桿工作機構的活動構件數(shù) n=8，運動低副數(shù) PL=11，由自由度公式 F=3n-2PL，得到自由度為 2。因為兩個油缸均為運動件所以整個機構具有確定的運動。當舉升油缸閉鎖時，啟動轉斗油缸，鏟斗將繞 G 點作定軸轉動；當轉斗油缸閉鎖，舉升油缸動作時，鏟斗將作復合運動，即一邊隨動臂對 A 點作牽連運動，同時又相對動臂繞 G 點作相對轉動。其材料為低碳、耐磨、高強度鋼。23圖 3-6 反轉六桿機構簡圖I-插入工況 II-鏟裝工況 III-最高位置工況 IV-高位卸載工況 V-低位卸載工況3.3.2 尺寸參數(shù)設計因為圖解法比較直觀，易于掌握，故采用圖解法設計，它通過在坐標圖上確定鏟裝工況（圖 3-6）時工作裝置的 9 個鉸接點的位置來實現(xiàn)。（1）動臂與鏟斗、搖臂、機架的三個鉸接點 G、B、A 的確定1）確定坐標系如圖 3-7 所示，先選取坐標系并確定尺寸比例 1：40。2）畫鏟斗圖把設計好的鏟斗橫截面外廓按比例在坐標系 xOy 中畫出，斗尖對準坐標原點O，斗前壁與 x 軸呈 3°~5°的前傾角。此為鏟斗插入料堆時位置，即插入工況。24圖 3-7 動臂上三鉸接點設計3）確定動臂與鏟斗的鉸接點 G由于 G 點的 x 坐標值越小，轉斗掘起力就越大，所以 G 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?。欢?G 點的 y 坐標值增大時，鏟斗在料堆中的鏟取面積增大，裝的物料多，但這樣縮小了 G 點與連桿鏟斗鉸接點 F 的距離，使得掘起力下降。綜合考慮各種因素的影響，根據(jù)坐標圖上插入工況的鏟斗實際狀況，在保證G 點 y 軸坐標值 yG=250~350mm 和 x 軸坐標值 xG 盡可能小而且不與斗底干涉的前提下，在指標圖上人為的把 G 點初步定下來。初；定 G 點坐標為（1130，260）。4）確定動臂與機架的鉸接點 A①以 G 點為圓心，使鏟斗順時針轉動，至鏟斗斗口 與 x 軸平行為止，即O?鏟裝工況。②把已選定的輪胎外廓畫在指標圖上（輪胎外廓直徑約為 1600mm）。作圖時，應使輪胎前緣與鏟裝工況時鏟斗后壁的間隙盡量小些，目的是使機構緊湊、前懸小，但一般不小于 50mm；輪胎中心 Z 的 y 坐標值應等于輪胎的工作半徑 Rk 600mm 。（3-4）???????????????)1(2?wkz bHdRy式中 --Z 點的 y 坐標值，mmz--輪輞直徑，mmwd--輪胎寬度，mmb--輪胎斷面高度與寬度之比（普通輪胎取 1，寬面輪胎去wH0.83，超寬面輪胎取 0.64）--輪胎變形系數(shù)（普通輪胎為 0.1~0.16，寬面輪胎取 0.05~0.1）?③根據(jù)給定的最大卸載高度 hx，最小卸載距離 lx 和和卸載角 ，畫出鏟斗x?在最高位置卸載時的位置圖，即高位卸載工況，并令此時斗尖為 O4，G 點位置為25，如圖 3-7 所示。G?④以 點為圓心，順時針旋轉鏟斗，使鏟斗口與 x 軸平行，即得到鏟斗最高?舉升位置圖。⑤連接 并作其垂直平分線。因為 G 和 點同在以 A 點為圓心，動臂 AG 長? ?為半徑的圓弧上，所以 A 點必須在 的垂直平分線上。?A 點在平分線的位置應盡可能低一些，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1/3~1/2 處。最終定下 A 點的坐標為（3230，2110）。A 點位置的變化，可借挪動 點和輪胎中心 Z 點的位置來進行。G?5）確定動臂與搖臂的鉸接點 BB 點的位置是一個十分關鍵的參數(shù)。它對連桿機構的傳動比、倍力系數(shù)、連桿機構的布置以及轉斗油缸的長度等都有很大的影響。如圖 3-7 所示，根據(jù)分析和經(jīng)驗，一般取 B 點在 AG 連線的上方，過 A 點的水平線下方，并在 AG 的垂直平分線左側盡量靠近鏟裝工況時的鏟斗處。相對前輪胎，B 點在其外廓的左上部。本次設計所確定 B 點坐標為（1680，1565）。在 SolidWorks 中顯示如圖 3-8 和圖 3-9所示。26圖 3-8 動臂鉸接點 A 的確定圖 3-9 動臂鉸接點的三維顯示（2）連桿與鏟斗和搖臂的兩個鉸接點 F、E 的確定因為 G、B 兩點已被確定，所以再確定 F 點和 E 點實際上是為了最終確定與鏟斗相連的四桿機構 GFEB 的尺寸，如圖 3-10 所示。確定 F、E 兩點時，既要考慮對機構運動學的要求，如必須保證鏟斗在各個工況時的轉角，又要注意動力學的要求，如鏟斗在鏟裝物料時應能輸出較大的掘起力，同時，還要防止前述各種機構運動被破壞的現(xiàn)象。1）按雙搖桿條件設計四桿機構令 GF 桿為最短桿，BG 為最長桿，即有GF+BG > FE+BE （3-5）如圖 3-10 所示，若令 GF=a，F(xiàn)E=b，BE=c，BG=d，并將式（3-5）不等號兩邊同時除以 d，整理后得到下式，即（3-6）1????dacbK上式各值可按式（3-7）選取，由 G（1130，260）、B（1680，1565）點的坐標得到 d=1415mm27（3-7）?????dcaK)8.0~4(539..由式（3-7）選取 K=0.950得到 a=0.3d=425c=0.58d=830，代入（3-6）得到 b=948 。2）確定 E 和 F 點位置這兩點位置的確定要綜合考慮如下四點要求：①E 點不可與前橋相碰，并有足夠的最小離地高度；②插入工況時，使 EF 桿盡量與 GF 桿垂直，這樣可獲得較大的傳動角和倍力系數(shù)；③鏟裝工況時，EF 桿與 GF 桿的夾角必須小于 170°，即傳動角不能小于 10°，以免機構運動時發(fā)生自鎖；④高位卸載工況時，EF 桿與 GF28桿的傳動角也必須大于 10°。如圖 3-11 所示，鏟斗去插入工況，以 B 點為圓心，以 BE=c 為半徑畫?。蝗藶榈某踹x E 點，使其落在 B 點右下方的弧線上；再分別以 E 點和 G 點為圓心，以FE=b 和 GF=a 分別為半徑畫弧，得到交點，即為 F。圖 3-11 連桿端部鉸接點設計如圖所示的得到了 E 和 F 點的位置，由于各種工況的情況不定，所以在這就不具體說明此時情況的坐標值。（3）轉斗油缸與搖臂和機架的鉸接點 C 和 D 點的確定在圖 3-10 中，如果確定了 C 點和 D 點，就最后確定了與機架連接的四桿機構BCDA 的尺寸。C 點和 D 點的布置直接影響到鏟斗舉升平動和自動放平性能，對掘起力和動臂舉升阻力的影響都較大。1）確定 C 點從力傳遞效果出發(fā)，顯然使搖臂 BC 段長一些有利，那樣可以增大轉斗油缸作用力臂，使掘起力相應增加。但加長 BC 段，必將減小鏟斗和搖臂的轉角比，造成鏟斗轉角難以滿足各個工況的要求，并且使得轉斗油缸行程過長。因此初步設計時，一般取（3-8）BEC)0.1~7(?C 點一般取在 B 點左上方，BC 與 BE 夾角可取∠CBE=130°~180°，并注意使插入工況時搖臂 BC 與轉斗油缸 CD 趨近垂直；C 點運動不得與鏟斗干涉，其高度不能影響司機視野。29通過本次設計的基本要求，在這里確定 BC=0.72BE=600mm，同時 BC 與 BE 夾角取值∠CBE=154°。2）確定 D 點轉斗油缸與機架的鉸接點 D，是根據(jù)鏟斗由鏟裝工況舉升到最高