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大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - I - 目錄 摘 要......................................................................................................................I ABSTRACT.............................................................................................................II 第一章 緒 論...................................................................................................... 1 1.1 裝載機(jī)簡介 ...........................................................................................................................1 1.2 設(shè)計內(nèi)容 ...............................................................................................................................1 1.3 裝載機(jī)發(fā)展概況 ...................................................................................................................2 第二章 裝載機(jī)總體設(shè)計 .......................................................................................3 2.1 裝載機(jī)總體參數(shù)的確定 .....................................................................................................................3 2.2 裝載機(jī)的插入阻力與掘起阻力的確定 ........................................................................................4 第三章 裝載機(jī)工作裝設(shè)置計...............................................................................6 3.1 工作裝置的設(shè)計要求 .........................................................................................................6 3.1.1 概述 .................................................................................................................................6 3.1.2 輪式裝載機(jī)工作過程 .....................................................................................................7 3.1.3 輪式裝載機(jī)工作裝置設(shè)計要求 ....................................................................................7 3.2 鏟斗設(shè)計 .............................................................................................................................8 3.2.1 鏟斗的結(jié)構(gòu)形式 .............................................................................................................8 3.2.2 鏟斗的分類 .....................................................................................................................9 3.2.3 鏟斗的設(shè)計要求 .............................................................................................................9 3.2.4 鏟斗設(shè)計 .........................................................................................................................9 3.3 動臂設(shè)計 ............................................................................................................................................14 3.3.1 對動臂的設(shè)計要求 .......................................................................................................14 3.3.2 動臂鉸點位置的確定 ..................................................................................................14 3.3.3 動臂長度 Dl的確定 .......................................................................................................16 3.3.4 動臂結(jié)構(gòu)和形狀的確定 ...............................................................................................17 3.4 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計 ...............................................................................................................................18 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - II - 3.4.1 工作裝置連桿機(jī)構(gòu)的類型 ...........................................................................................18 3.4.2 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求 ...................................................................................................20 3.4.3 連桿機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)設(shè)計及鉸點位置確定 ...................................................................21 第四章 工作裝置受力分析及強(qiáng)度計算.............................................................26 4.1 確定計算位置及典型工況 ............................................................................................................26 4.1.1 計算位置的確定 ...........................................................................................................26 4.1.2 典型工況選取和外載荷的計算 ...................................................................................26 4.2 工作裝置受力分析 ..........................................................................................................................27 4.2.1 對稱載荷工況 ...............................................................................................................27 4.2.2 偏載工況 .......................................................................................................................30 4.3 工作裝置強(qiáng)度校核 ..........................................................................................................................31 4.3.1 動臂 ...............................................................................................................................31 4.3.2 鉸銷強(qiáng)度的校核 ...........................................................................................................32 第五章 工作裝置的建模及仿真分析.................................................................34 5.1 工作裝置建模 .....................................................................................................................................34 5.1.1 在 Pro/E 中建立鏟斗 ....................................................................................................34 5.1.2 啟動 ADAMS/View 程序 ............................................................................................35 5.1.2 檢查和設(shè)置建?；经h(huán)境 ...........................................................................................35 5.1.3 Pro/E 鏟斗模型導(dǎo)入 ADAMS......................................................................................35 5.1.4 工作裝置的幾何建模 ...................................................................................................36 5.1.5 創(chuàng)建約束及施加運動和載荷 ......................................................................................38 5.2 初步仿真分析該模型的性能參數(shù) ..................................................................................................41 5.2.1 鏟斗后傾角及卸載角的測量 .......................................................................................41 5.2.2 分 析....43 第六章 結(jié) 論...................................................................................................44 參 考 文 獻(xiàn)...........................................................................................................45 致 謝.............................................................................................................46 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - I - 摘 要 裝載機(jī)是一種用途較廣的鏟運、施工機(jī)械。它廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、 港口和礦山等工程建設(shè)。裝載機(jī)具有作業(yè)速度快、效率高、機(jī)動性好、操作輕便等優(yōu)點， 是現(xiàn)代機(jī)械化施工中不可缺少的裝備之一。 ADAMS 是一款虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件，其強(qiáng)大的機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)大大簡化了機(jī)械產(chǎn) 品的設(shè)計過程,縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期和成本,明顯提高了產(chǎn)品質(zhì)量。應(yīng)用 ADAMS 軟件設(shè) 計裝載機(jī)，首先是虛擬樣機(jī)模型的建模，然后是樣機(jī)仿真，在本設(shè)計中，我們對工作裝 置設(shè)計計算和虛擬樣機(jī)建模，使用 ADAMS 對其進(jìn)行模擬仿真控制，而其工作裝置用 ProE 進(jìn)行了建模，可以根據(jù)設(shè)計者要求來進(jìn)行調(diào)整，從而方便了設(shè)計者的不同需求。 關(guān)鍵詞： 裝載機(jī)；工作裝置；ADAMS；仿真 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - II - Abstract Loader is a broader use of scraper, construction machinery. It widely used in highway, railway, construction, utilities, ports and mines, and other construction projects. Loader is operating speed, high efficiency, good mobility, the advantages of operating the Light, lower costs of the project has played an important role in the construction of a modern mechanized equipment indispensable one. ADAMS as a virtual prototyping software, its powerful dynamic mechanical system simulation technology greatly simplifies the mechanical product design process and shorten the product The development cycle and cost, significantly improved product quality. ADAMS application software design loaders, is the first virtual prototype model of modeling, simulation and prototype is in the design, We design and calculation of the working device and the virtual prototype modeling, the use of its ADAMS simulation control, and their work devices ProE a standard model, designers can adjust to demand, thus facilitating the different needs of the designers. Keywords: Loader; Work-Equipment; ADAMS; Simulation 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 1 - 第一章 緒 論 1.1 裝載機(jī)簡介 裝載機(jī)屬于鏟土運輸機(jī)械類，是一種通過安裝在前端一個完整的鏟斗支承結(jié)構(gòu)和連 桿，隨機(jī)器向前運動進(jìn)行裝載或挖掘，以及提升、運輸和卸載的自行式履帶或輪胎機(jī)械。 它廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口和礦山等工程建設(shè)。裝載機(jī)具有作業(yè)速度快、 效率高、機(jī)動性好、操作輕便等優(yōu)點，因此成為工程建設(shè)中土石方施工的主要機(jī)種之一， 對于加快工程建設(shè)速度，減輕勞動強(qiáng)度，提高工程質(zhì)量，降低工程成本都發(fā)揮著重要的 作用，是現(xiàn)代機(jī)械化施工中不可缺少的裝備之一。近年來，裝載機(jī)的品種和產(chǎn)量在國內(nèi) 外都得到了迅猛的發(fā)展。此次的設(shè)計任務(wù)就是裝載機(jī)的重要組成部分工作裝置。 圖 1-1 輪式裝載機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 1柴油發(fā)動機(jī)；2液力變矩器；3變速箱；4前、后橋；5車架鉸鏈； 6動臂提升油缸；7轉(zhuǎn)斗油缸；8鏟斗；9駕駛室；11濾清器 1.2 設(shè)計內(nèi)容 ZL_50 輪式裝載機(jī)工作裝置建模及仿真；工作裝置選型設(shè)計；工作裝置模型的建立； 工作裝置仿真分析是本次設(shè)計的主要內(nèi)容。這次設(shè)計應(yīng)用到虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件 ADAMS、PRO/E 軟件的建模。 設(shè)計時利用 ADAMS、PRO/E 等軟件對輪式裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計和分析，可以快捷、 高效、精確地解決許多設(shè)計上的難題，使設(shè)計的工作量減少，設(shè)計工作得到簡化，設(shè)計 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 2 - 效率和設(shè)計水平明顯提高，裝載機(jī)工作裝置綜合性能得到改善。 1.3 裝載機(jī)發(fā)展概況 盡管國產(chǎn)輪式裝載機(jī)的技術(shù)發(fā)展水平與西方發(fā)達(dá)國家存在著很大的差距，但也應(yīng)該 考慮到歷史和國情的原因。目前國產(chǎn)輪式裝載機(jī)亦正在從低水平、低質(zhì)量、低價位、滿 足功能型向高水平、高質(zhì)量、中價位、經(jīng)濟(jì)實用型過渡。從仿制仿造向自主開發(fā)過渡， 各主要廠家也不斷進(jìn)行技術(shù)投入，采用不同的技術(shù)路線，在關(guān)鍵部件及系統(tǒng)上技術(shù)創(chuàng)新， 擺脫目前產(chǎn)品設(shè)計雷同，無自己特色和優(yōu)勢的現(xiàn)狀，正在從低水平的無序競爭的怪圈中 脫穎而出，成為裝載機(jī)行業(yè)的領(lǐng)先者。其發(fā)展體現(xiàn)出以下一些趨勢。 大型和小型輪式裝載機(jī)，在近幾年的發(fā)展過程中，受到客觀條件及市場總需求量的 限制。競爭最為激烈的中型裝載機(jī)更新速度將越來越快。 各生產(chǎn)廠家根據(jù)實際情況，重新進(jìn)行總體設(shè)計，優(yōu)化各項性能指標(biāo)，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)件的 強(qiáng)度及剛度，以使銘機(jī)可靠性得到提高。 優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)性能。如動力系統(tǒng)的減振、散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工作裝 置的性能指標(biāo)優(yōu)化及各鉸點的防塵、工業(yè)造型設(shè)計，逐步引進(jìn)最新的傳動系統(tǒng)和液壓系 統(tǒng)技術(shù)，予以國產(chǎn)化、商業(yè)化，降低能耗，提高性能 利用電子技術(shù)及負(fù)荷傳感技術(shù)來實現(xiàn)變速箱的自動換擋及液壓變量系統(tǒng)的應(yīng)用，提 高效率、節(jié)約能源、降低裝載機(jī)作業(yè)成本。 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 3 - 第二章 裝載機(jī)總體設(shè)計 輪式裝載機(jī)設(shè)計包括總體設(shè)計、工作裝置設(shè)計和底盤設(shè)計。 裝載機(jī)總體設(shè)計要完成的工作是根據(jù)它的用途、作業(yè)情況、制造條件及設(shè)計任務(wù)書 的要求合理地選擇機(jī)型，確定性能參數(shù)、整機(jī)尺寸、各部件的結(jié)構(gòu)形式等，進(jìn)行總體布 置，從而實現(xiàn)整機(jī)的各種性能指標(biāo)。 裝載機(jī)是由許多部件組合起來的一個有機(jī)整體，其整機(jī)性能不僅取決于每個部件的 品質(zhì)，而且主要取決于各部件之間的相互協(xié)調(diào)，這種相互協(xié)調(diào)是通過總體設(shè)計實現(xiàn)的， 所以裝載機(jī)總體設(shè)計對它的銘機(jī)性能起決定性作用。而各總成性能的協(xié)調(diào)如何，則又取 決于總體參數(shù)及各總成部件的匹配情況及其布置的合理性，如果在設(shè)計過程中缺乏全局 觀點，而對總體參數(shù)及各總成部件的匹配考慮不周，或者注意不夠，即便所設(shè)計的各部 件結(jié)構(gòu)是先進(jìn)的，性能是良好的，但組合在一起不一定能獲得整機(jī)的良好性能。因此， 正確的選擇和確定總體參數(shù)，能使設(shè)計部分獲得良好的匹配關(guān)系。 2.1 裝載機(jī)總體參數(shù)的確定 本次設(shè)計主要內(nèi)容在于用現(xiàn)代先進(jìn)的 CAD/CAE 等方面的軟件，對工作裝置進(jìn)行建模 及仿真分析。但在對工作裝置進(jìn)行設(shè)計之前，我們必須先確定整體結(jié)構(gòu)及整車的性能參 數(shù)，由整車的要求來確定工作裝置各構(gòu)件的參數(shù)。整車的主要技術(shù)參數(shù)是根據(jù)主要用途， 作業(yè)條件等實際情況合理選擇的。類比現(xiàn)在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的 ZL 系裝載機(jī)，整車主要技 術(shù)參數(shù)見( 表 2-1)。 由于這次設(shè)計最初技術(shù)參數(shù)是通過統(tǒng)計類比方法選取的，所以對與今后參數(shù)的確定 則要求結(jié)合類比與計算方法來確定。 (表 2-1)最初設(shè)計參數(shù) 序號 基本參數(shù)名稱 單位 LG952L ZL50C- 設(shè)計 ZL50 1 額定斗容量 m3 2.7 3 2.7 2 額定載重量 t 5 5 5 3 最大卸載高度 mm 3197 2910 3180 4 對應(yīng)卸載距離 mm 1214 1350 1274 5 輪距 mm 2250 2240 2250 6 軸距 mm 2760 2245 2450 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 4 - 2.2 裝載機(jī)的插入阻力與掘起阻力的確定 裝載機(jī)的工作阻力是多種阻力的合力。由于物料性質(zhì)和工作機(jī)構(gòu)工作方式的不同， 工作阻力有不同的計算方法，一般工作阻力通常分別按插人阻力和掘起阻力進(jìn)行計算。 (1) 插入阻力 插入阻力就是鏟斗插人料堆時，料堆對鏟斗的反作用力（圖 2-1）所示。插人阻力由 鏟斗前切削刃和兩側(cè)斗壁的切削刃的阻力，鏟斗底和側(cè)壁內(nèi)表面與物料的摩擦阻力，鏟 斗底外表面和物料的摩擦阻力組成。這些阻力與物料的種類、料堆高度、鏟斗插人料堆 的深度、鏟斗的結(jié)構(gòu)形狀等有關(guān)。計算上述阻力比較困難，一般按以下經(jīng)驗公式來確定 總插人阻力。 圖 2-1 (N) 1 (2.1)25.13218.9CgXLBKP 7 功率 kw 162 162 162 8 最大掘起力 KN 150 150 150 9 滿斗舉升時間 s 6 6 5 10 空斗下降時間 s 4 4 5 11 轉(zhuǎn)斗卸載時間 s 2 2 2 12 輪胎規(guī)格 23.5-25 23.5-25 23.5-25 13 外形尺寸 （長寬高） mmmm mm 75973024 3309 76202990 3260 75983024 3290 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 5 - 式中 鏟斗插入阻力（N） ；XP 被鏟掘物料的塊度及松散程度影響系數(shù)；對于小塊物料(碎石和沙礫)1K75.01K 物料種類影響系數(shù)；同理取2 .2 料堆高度影響系數(shù)；其值取中間值3K83 鏟斗形狀系數(shù)，一般在 1.11.8 之間，對于前刃不帶齒的斗， 取較大值,本4 4K 機(jī)是帶齒的斗且較大，則取 5.14K 鏟斗插入料堆深度(cm)，在一次鏟掘法時，取等于 0.70.8 斗底長度，在CL 配合鏟掘法時，取等于 0.250.35 斗底的長度，取 cm536.17.03.gcL 鏟斗寬度 (cm)。 cmgB4.302gB 則有 =53cm， =302.4cm， =0.75， =0.8， =1.0， =1.5 CLg1K3K4 把以上各參數(shù)代入公式（2.1）得 NPX 28.1.05.80.758.92.1 (2) 掘起阻力 掘起阻力就是指鏟斗插人料堆一定深度后，舉升動臂時物料對鏟斗的反作用力（圖 2-1）所示。掘起阻力同樣與物料的種類、塊度、松散程度、密度、物料之間及物料與鏟 斗之間的摩擦阻力有關(guān)。最大掘起阻力發(fā)生在鏟斗開始提升時，并假定作用在鏟斗斗刃 上，隨著動臂的提升，掘起阻力逐漸減小。鏟斗開始提升時的掘起阻力由公式（2.2）計 算： 1 (2.2)tgCZKBLP2. 式中 掘起阻力(N)；ZP 鏟斗插入料堆的深度(m)； mCL53.0C 鏟斗寬度(m)； mgB24.3gB 開始提升時物料的剪切應(yīng)力.對于塊度是 0.1-0.3m 的已松散的巖石，取tK 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 6 - =35000PatK 則有 NPz 510234.5024.350.2 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 7 - 第三章 裝載機(jī)工作裝置設(shè)計 3.1 工作裝置的設(shè)計要求 3.1.1 概述 裝載機(jī)工作裝置主要由鏟斗和支持鏟斗進(jìn)行裝載作業(yè)的連桿的系統(tǒng)組成，依靠這套 裝置裝載機(jī)可以對汽車、火車進(jìn)行散料裝載作業(yè)，也可以對散料進(jìn)行短途運輸作業(yè)，還 可以進(jìn)行平地修路等作業(yè)。把鏟斗更換成專門的裝置，還可以進(jìn)行其他裝載作業(yè)。 裝載機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)和性能直接影響整機(jī)的工作尺寸和性能參數(shù)，因此，工作裝 置的合理性直接影響裝載機(jī)的生產(chǎn)效率、工作負(fù)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(jī)功率等。輪式裝載機(jī)工作裝置有多種形式， 根據(jù)桿數(shù)和運動特征可分為正桿四轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)五桿、正轉(zhuǎn)六桿、反轉(zhuǎn)六桿、正轉(zhuǎn)八桿等類 型。下面以常見的反轉(zhuǎn)六桿式工作機(jī)構(gòu)有二種形式如圖（圖 3-1） ， 圖 3-1 反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu) 下面以常見的反轉(zhuǎn)六桿式工作機(jī)構(gòu)（圖 3-1）a 圖為例，敘述其組成。 如圖 3-2 所示，輪式裝載機(jī)工作裝置由鏟斗、連桿、搖臂、動臂、轉(zhuǎn)斗油缸、舉升油 缸組成。這個機(jī)構(gòu)實質(zhì)是兩個四桿機(jī)構(gòu)。 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 8 - 圖 3-2 裝載機(jī)工作裝置組成 1-鏟斗；2-連桿；3-搖臂；4-動臂 3.1.2 輪式裝載機(jī)工作過程 輪式裝載機(jī)是一種鏟、裝、運、卸一體化的自行式設(shè)備，它的工作過程由六種工況 組成。 插入工況 動臂下方，鏟斗放置于地面，斗尖觸地，斗底板與地面呈 35 傾角， 開動裝載機(jī)，鏟斗借助機(jī)器的牽引力插入料堆。 鏟裝工況 鏟斗插入料堆后，轉(zhuǎn)動鏟斗鏟取物料，待鏟斗口翻至近似水平為止。 重載運輸工況 鏟斗鏟裝滿物料后舉升動臂，將鏟斗舉升至運輸位置（即鏟斗斗 底離地高度不小于機(jī)器的最小允許離地間隙） ，然后驅(qū)動機(jī)器駛向卸載點。 舉升工況 保持轉(zhuǎn)斗缸長度不變，操作舉升缸，將動臂升至上限位置，準(zhǔn)備卸載。 卸載工況 在卸載點，在舉升工況下操作轉(zhuǎn)斗缸翻轉(zhuǎn)鏟斗，向溜井倉或運輸車輛 中卸載，鏟斗物料卸凈后下放動臂，使鏟斗恢復(fù)至運輸位置。 空載運輸工況 卸載結(jié)束后，裝載機(jī)再由卸載點空載返回裝載點。 3.1.3 輪式裝載機(jī)工作裝置設(shè)計要求 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 9 - 根據(jù)輪式裝載機(jī)的作業(yè)特點，其工作裝置的設(shè)計應(yīng)滿足以下要求。 (l) 基本要求 所設(shè)計的裝載機(jī)應(yīng)具有較強(qiáng)的作業(yè)能力，鏟斗插人料堆的阻力要小，在料堆中鏟掘 的能力大、能耗小。工作機(jī)構(gòu)的各桿件受力狀態(tài)良好，強(qiáng)度壽命合理。結(jié)構(gòu)和工作尺寸 適應(yīng)生產(chǎn)條件需要，效率高。結(jié)構(gòu)簡單緊湊，制造及維修容易，操作使用方便。 (2) 特殊要求 由于鏟斗寬度和容積都較大，所以鏟裝阻力大，裝滿系數(shù)小，因此，設(shè)計時必須 合理選取鏟斗的結(jié)構(gòu)和尺寸，以減小工作阻力，達(dá)到裝滿卸凈、運輸平穩(wěn)。 鏟斗由運輸工況被舉升到最高卸載位置的過程中，為避免鏟斗中物料撒出，要求 鏟斗作“平移運動” 。嚴(yán)格要求鏟斗舉升平動是很困難的。從不易撒料這一目的出發(fā)，絕 對平動并無必要，只要把鏟斗舉升時的傾角變化限制在一定許可范圍之內(nèi)即可。 鏟斗能自動放平。鏟斗在最高位置卸載后廠閉鎖轉(zhuǎn)斗油缸，下放動臂，鏟斗能自 動變成插人工況（開始插人狀態(tài)）的功能稱為“鏟斗自動放平” 它對定點高位卸載很有 意義。 輪式裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)屬于連桿機(jī)構(gòu)，設(shè)計中要特別注意防止各個工況出現(xiàn)構(gòu)件 相互干擾、 “死點” 、 “自鎖”和“機(jī)構(gòu)撕裂”等現(xiàn)象；各處傳動角不得小于 10。 應(yīng)盡量減小工作機(jī)構(gòu)的前懸（即工作機(jī)構(gòu)重心至整機(jī)重心的距離） 、長度和高度， 以提高裝載機(jī)在各種工況下的穩(wěn)定性和司機(jī)的視野。 3.2 鏟斗設(shè)計 工作裝置是裝載機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，鏟斗是這個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行構(gòu)件，它是工作裝 置的重要部件。鏟斗直接與物料接觸，是裝、運、卸的工具，工作時，它被推壓插人料 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，因此鏟斗的設(shè)計質(zhì)量 對裝載機(jī)的作業(yè)能力有較大影響。所以鏟斗的設(shè)計就是根據(jù)裝載機(jī)的主要用途和作業(yè)條 件，從而減少插入阻力，掘起阻力及提高生產(chǎn)率，合理的確定鏟斗的幾何形狀和尺寸。 3.2.1 鏟斗的結(jié)構(gòu)形式 鏟斗通常用低碳，耐磨，高強(qiáng)度鋼板焊接而成。由切削刃、側(cè)壁切削刃、斗底、斗后壁、 擋板、角板、耐磨板、護(hù)板或支角組成。 由于鏟斗是直接與物料接觸，特別是鏟裝堅硬的砂等物料，斗前緣與斗壁磨損較快，因此， 斗前緣采用耐磨的高錳鋼等優(yōu)質(zhì)材料，或者是堆焊硬質(zhì)合金。 此設(shè)計采用堆焊 TDP-1(35)型合金，硬度 HR(要求在 35 以上） ，側(cè)切削刃和加強(qiáng)角板 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 10 - 都采用高強(qiáng)度耐磨板料制成，耐，磨板和支角亦都用耐磨材料制成，可以更換，用以增 加鏟斗的使用壽命。鏟斗前緣的斗齒是用 65Mn 鍛制后熱處理或 ZG13Mn 鑄成型斗齒。 斗齒是易換件，磨損較快，必要時應(yīng)予以更換。 輪式裝載機(jī)的鏟斗斷面形狀一般為“U”形，用鋼板焊接而成。常見鏟斗結(jié)構(gòu)如圖 3- 3 所示。 (a)直線形斗刃鏟斗 (b)V 形斗刃鏟斗 (c)直線形帶齒鏟斗 (d)弧形帶齒鏟斗 圖 3-3 常見鏟斗結(jié)構(gòu) 鏟斗由斗底、側(cè)壁、斗刃及后壁等部分組成，如圖 3-4 所示。 圖 3-4 輪式裝載機(jī)鏟斗結(jié)構(gòu) 1防滋板； 2連接耳； 3斗后壁 4斗前壁； 5斗側(cè)壁； 6切削刃； 7斗齒； 8斗側(cè)刃 本次設(shè)計鏟斗采用直線形帶斗齒的切削刃如圖 3-3(c)所示，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，具有 良好的平地性能，能適于鏟裝較松散的物料，帶有斗齒的鏟斗在鏟斗插入、料堆時，減 少刀刃與料堆的作用面積，使插入力集中在斗齒上，容易插入縫隙，破壞物料結(jié)構(gòu)，因 而帶有齒的。 3.2.2 鏟斗的分類 鏟斗按卸載方式一般可分為整體前卸式、側(cè)卸式、推卸式和底卸式等數(shù)種。 3.2.3 鏟斗的設(shè)計要求 (1) 插入及鏟起阻力小，作業(yè)效率高； (2) 鏟斗工作條件惡劣，要求強(qiáng)度，剛度足夠且耐磨； 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 11 - (3) 由所鏟裝物料的種類和重度不同，設(shè)計不同結(jié)構(gòu)形式的鏟斗。 3.2.4 鏟斗設(shè)計 1、鏟斗基本參數(shù)的確定 鏟斗的幾何斷面形狀由鏟斗的圓弧半徑 r、張開角 、后壁高度 h、底壁長 l 和鏟斗 寬度 B 五個基本參數(shù)確定。此外， 鏟斗的寬度 Bg 應(yīng)大于裝載機(jī)兩前輪外側(cè)間的寬度，每側(cè)大出 50100mm。如果鏟斗 寬度小于兩輪外側(cè)間的寬度，則鏟斗鏟取物料后形成的料堆階梯會損傷輪胎側(cè)壁，并增 加行駛時輪胎的阻力。所以是保護(hù)輪胎不受損傷，底壁相對地面應(yīng)有一定傾角，以減少 摩擦阻力并保護(hù)底壁。 在設(shè)計鏟斗時，可參照同類型鏟 斗，選擇 r、 h、l、 參數(shù)；設(shè)計時， 把鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑 R（即鏟斗與動臂 鉸接點至切削刃間的距離）作為基本 參數(shù)，鏟斗的其他參數(shù)則作為 R 的函 數(shù)。 R 是鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑（見圖 3-2 所 示）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(zhuǎn)斗時掘起 力及斗容的大小，所以它是一個與整 機(jī)總體有關(guān)的參數(shù) 圖 3-5 鏟斗尺寸參照 (1)計算鏟斗內(nèi)壁寬度 0B (3.1)abw2).01( 試中 裝載機(jī)輪距，mm ;b 輪胎寬度， mm; w 鏟斗側(cè)壁切削刃厚度， mm。a 由總體設(shè)計中可知： 250b9w2a 則有 mm8179250B (2)計算回轉(zhuǎn)半徑 R 由圖 3-5 可以看出，鏟斗橫截面積 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 12 - (3.2))180(5.2cotsin)co(5.012 rKZgRS 而鏟斗幾何斗容 (3.3).10rSVB 若斗容量為額定容量，則回轉(zhuǎn)半徑 R 為 1 (3.4) 1805.2cotsinco5.02.11 rKZgBR 式中 設(shè)計任務(wù)書給的鏟斗額定容量， ；rV3m 鏟斗內(nèi)側(cè)寬度，m0 鏟斗斗底長度系數(shù)， ；g53.140.g 后斗壁長度系數(shù)， ；Z 2.Z 擋板高度系數(shù) ， ；KK 圓弧半徑系數(shù)， ；r4.035.Rr 擋板與后斗壁間夾角，選擇時應(yīng)使側(cè)壁切削刃與擋板的夾角為 90；1 斗底與后斗壁間夾角（即張開角） ， ；52 圖 3-5 中各參數(shù)含義如下。 鏟斗的圓弧半徑，m；r Rr)4.035.( 斗底長度，指鏟斗切削刃至斗底延長線與后斗壁延線交點的距離，m,gLLg.1 后壁長度，是指由后斗壁上緣至后壁延長線交點的距離，m ，Z RKZ2. 擋板高度，m，KLLK14.0. 由式(3-4)可知，當(dāng) 、 已知，只要初選 、 、 、 ，系數(shù)值和 、 值，rV0BgZKr1 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 13 - 即可求得新鏟斗的基本參數(shù)。調(diào)整參數(shù)，根據(jù)調(diào)整后的各值與 R 之比分別計算 、 、gZ 、 值，然后代入式(3.4)，即可確定新鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑 R。由 R 和計算出來的各系數(shù)Kr 值，即可確定新鏟斗的其他參數(shù)值。 由總體參數(shù)知： mm=2.98m37.2mVr2980B 取： =1.45 =1.12 =0.12 =0.38 =48 =8gzKr1 代入公式 3.4 得鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑 R： R=1.218m 所以： mRr462.018.30Lg75Z3..2mRK1460810 一般取鏟斗側(cè)壁切削刃相對斗底壁的傾角 。鏟斗與動臂鉸銷（稱下鉸6050 接點）距斗底壁的高度 。Rh)2..( 所以鏟斗與動臂鉸銷距斗底壁的高度：h0.104R=0.1041.218=0.1273m。 2、鏟斗容量計算 鏟斗容量是裝載機(jī)的總體參數(shù)之一，鏟斗幾何尺寸初步確定后，應(yīng)立即進(jìn)行斗容計 算，以檢驗其是否滿足給定的斗容要求，若計算值與要求值不符，則需修改有關(guān)尺寸， 直至滿足要求為止。如前所述，鏟斗的斗容量已經(jīng)系列化，其計算也已標(biāo)準(zhǔn)化，計算方 法如下。 (1) 平裝斗容 鏟斗的平裝容量（見圖 3-6 ）按式(3.5)計算。 對于有防溢板的鏟斗 ( ) (3.5)baSBV2033m 式中 有擋板的鏟斗橫截面面積，；S 鏟斗內(nèi)側(cè)寬度，m；0B 擋板高度，m；a 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 14 - 圖 3-7 額定斗容鏟斗的橫截面 斗刃刃口與擋板最上部之間的距離，m。b 圖 3-6 鏟斗容量計算 (2) 額定容量 額定容量（見圖 3-6）按式（3.6）計算。 對于有防溢板的鏟斗 ( ) (3.6)cabBVSr 682023m 3、鏟斗截面的計算機(jī)輔助設(shè)計 裝載機(jī)鏟斗的設(shè)計實質(zhì)是確定鏟斗的截面形狀和尺寸。用人工設(shè)計鏟斗截面很繁瑣， 修改也很麻煩，而用計算機(jī)輔助設(shè)計鏟斗的截面既簡單、迅速又準(zhǔn)確。下面介紹鏟斗截 面的計算機(jī)輔助設(shè)計。 (1) 堆積高度 c 的計算 利用公式(3.6)計算鏟斗容量時，式中 c 的計算可參 照圖 3-7 用下述方法進(jìn)行。圖 3-7 是額定容量鏟斗的橫 截面，其中擋板 DN 高為 ,CD 是鏟斗開口長 b,IH 是 斗尖至鏟斗側(cè)壁的高度 c。根據(jù)美國汽車工程師手冊規(guī) 定 IH 垂直于 CD，且 IK=CK/2 =b/4 。按照通常的設(shè)計 要求, 擋板 DN 應(yīng)垂直于斗側(cè)壁 CN , 所以 CKHCND 。因而 (3.7)mabKHIc4052412 (2) 鏟斗的開口長 b 的計算 由圖 3-7 知 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 15 - 圖 3-8 鏟斗截面計算 cos2cos222 ZgZgLNOCNOC mLLDbZKg 130cs2 (3) 鏟斗橫截面 S 的計算 如圖 3-8 所示，鏟斗平裝容量橫截面面積 S 由 5 塊基本幾何圖形組成。 54321S 式中 扇形 AGF 的面積，1 直角三角形GFN 的面積，2S 直角三角形GAC 的面積，3 三角形CGN 的面積，4 直角三角形CND 的面積，5S 26.0)18(36)180(36221 rGF 79.2tan2 LNSz 105.ta213 rCAGg 78.)()(4NGlllS 097.cos221215 zgzkLLND 所以： 7683.015.15.46.0543 S 鏟斗的幾何斗容量按式(3-5)計算： 3225.4638.7 mVS 額定斗容按式(3.6) 計算 .2.9.2. mr 3.3 動臂設(shè)計 3.3.1 對動臂的設(shè)計要求 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 16 - (1) 結(jié)構(gòu)簡單，容易制造； (2) 受力合理，強(qiáng)度，剛度足夠。 3.3.2 動臂鉸點位置的確定 動臂鉸點位置的確定，應(yīng)在總體參數(shù)己確定后，以及鏟斗主要尺寸確定后進(jìn)行。動 臂與鏟斗連接點也稱下鉸點，其下限位置應(yīng)保證鏟斗正常工作位置和下挖掘位置還有鏟 斗在運輸位置時，仍與輪胎保持有定問隙為準(zhǔn)，而且下鉸點與地而應(yīng)有 200300的離 地間隙。其上限位置應(yīng)保證鏟斗有最大卸載高度、卸載角度及最小卸載距離。其具體位 置可用作圖方法來確定，根據(jù)鏟斗形狀、幾何尺寸及鏟斗與地面應(yīng)保持的角度 可以確 定下鉸點 的下限位置 （見圖 3-9） ，然后將鏟斗轉(zhuǎn)置運輸位置并留出定間隙，繪出輪1BBh 胎位置，再根據(jù)最大卸載高度 、最小卸載 及卸載角度 要求，可以確定下鉸點maxsHminsl 上限位置。 圖 3-9 確定動臂鉸點位置及長度計算圖 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 17 - 動臂與機(jī)架的連結(jié)點 A(上鉸點)應(yīng)在 連線的垂直平分線上。當(dāng)其他要求不變時，B1 A 點的前后位置將影響動臂的長度 、動臂的回轉(zhuǎn)角 、動臂伸出最大距離以及鏟斗在Dl 升起時擺動的角度。A 點與前輪中心的距離為 ， 增大則動臂增長而動臂回轉(zhuǎn)角 將Al 會減小，且動臂伸出距離減小，提高裝載機(jī)在鏟斗最人伸出時的穩(wěn)定性。因此，在總體 布置允許的條件下， 可以適當(dāng)?shù)脑龃螅矔黾铀緳C(jī)室布置的困難，一般動臂轉(zhuǎn)動Al 的角度 在 8090（如圖 3-9 所示） 。 動臂與車架鉸點的高度通常?。? (3.8)mRHA 8.217784.15.21 式中 R鏟斗回轉(zhuǎn)半徑(m) (1) 即 =6h/sin 動臂處于最低位置時，鏟斗斗底與地面成 3-5傾角，取 =5則下鉸點 B 的下限 位置： hB=Rsin(+) =1.218 sin(6+5)=0.2324m 在 230300mm 的范圍內(nèi)，故合理。 (2) 下鉸點 B 的上限位置： hB1=Rsin(+)+H smax=1.218sin(6+45)+3.18 =4.1265m 3.3.3 動臂長度 的確定Dl (1) 動臂長度計算 動臂鉸點位置確定之后，按定比例作圖即可直接求得。除此之外，也可以按圖 3-9 利 用幾何關(guān)系可求出動臂的長度： (3.9)2max2min sincos RHlRl AsBsD 式中 鏟斗最小卸載高度，單位 m；insl 鏟斗回轉(zhuǎn)半徑，單位 m；R 鏟斗回轉(zhuǎn)半徑與斗底夾角，單位度； 鏟斗最大卸載高度時的最大卸載角，單位度； 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 18 - 動臂與車架連接鉸點到裝載機(jī)前面外廓部分（輪胎）的水平距離，單位 m；Bl 最大卸載高度，單位 m；maxsH 動臂與車架連接鉸點高度，單位 m；A 動臂的長度，單位 m 。Dl 則?。?=1274mm =6 =1218mm =45 =3180mmminsRmaxsH =2172.8mm =1628.8mmAHBl 把參數(shù)代入公式（3.9）則求得： =2895mm=2.895mDl (2) 動臂轉(zhuǎn)動的角度 ，在 8090的可選范圍內(nèi)，故合適。17.84/arcsin2DBAlh (3) 驗算最小距離 mm2.16minBDsll 可近似的看作 1274mm, 的長度滿足總體尺寸的要求。 3.3.4 動臂結(jié)構(gòu)和形狀的確定 動臂的形狀按其縱向中心線形狀可分為直線形 和曲線形兩種。如圖 3-10 所示。 直線行動臂結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，而且受力情 況好，通常正轉(zhuǎn)式連桿工作裝置多采用這種形式； 曲線型動臂一般常用于反轉(zhuǎn)式連桿作裝置，這種形 式的動臂可使反轉(zhuǎn)式連桿工作裝置布置更為合理。 而這次設(shè)計選著曲線形動臂。 圖 3-10 動臂形式 (a) 曲線形 (b)直線形 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 19 - ( a )單板型 ( b )雙板型 ( c )工字型 ( d )箱型 圖 3-11 動臂斷面形狀 動臂的斷面機(jī)構(gòu)形式有單板、雙板和箱形，如圖 3-11。許多裝載機(jī)采用單板，這種 動臂機(jī)構(gòu)簡單，工藝性好，但抵抗受扭的剛性較差；大中型裝載機(jī)多采用雙板形或箱形 斷面結(jié)構(gòu)的動臂，可以改善單板動臂受扭剛度不好的影響。為了減少動臂的重量，動臂 的斷面尺寸可按等強(qiáng)度設(shè)計。 本次設(shè)計采用的是曲線形單板動臂，這樣不但結(jié)構(gòu)簡單容易制造，而且經(jīng)濟(jì)性好。 3.4 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計 3.4.1 工作裝置連桿機(jī)構(gòu)的類型 綜合國內(nèi)、外輪式裝載機(jī)的工作裝置的形式，主要有 7 種類型的連桿機(jī)構(gòu)。按工作 機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)不同，可分為三桿、四桿、五桿、六桿和八桿連桿機(jī)構(gòu)。按輸入桿和輸出 桿的轉(zhuǎn)向是否相同又分為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)。7 種連桿機(jī)構(gòu)如圖 3-12 所示。 (1)正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu) 正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu)見圖 3-12(a)。此機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)斗油缸大腔進(jìn)油時轉(zhuǎn)斗鏟取，所以掘起力較 大；各構(gòu)件尺寸配置合理時，鏟斗具有較好的舉升平動性能；連桿系統(tǒng)傳動比較大，鏟 斗能獲得較大的卸載角和卸載速度，因此卸載干凈、速度快；由于傳動比大，還可適當(dāng) 減小連桿系統(tǒng)尺寸，因而司機(jī)視野得到改善，但是一定要“適當(dāng)” ，否則易使連桿系統(tǒng)倍 力系數(shù)減小，影響掘起力發(fā)揮。 正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu)的主要缺點是機(jī)構(gòu)復(fù)雜，不易實現(xiàn)鏟斗自動放平。 (2)轉(zhuǎn)斗油缸前置式正轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)斗油缸前置式正轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)見圖 3-12(b) 。此機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)斗油缸與鏟斗和搖臂直接連 接，該工作機(jī)構(gòu)由兩個平行四桿機(jī)構(gòu)組成，它可使鏟斗具有很好的平動性能。它比八桿 機(jī)構(gòu)簡單，司機(jī)視野較好。這種機(jī)構(gòu)的缺點是轉(zhuǎn)斗時油缸小腔進(jìn)油，掘起力相對較??； 連桿系統(tǒng)傳動比小，使得轉(zhuǎn)斗油缸活塞行程大，油缸加長，卸載速度不如八桿機(jī)構(gòu)；由 于轉(zhuǎn)斗油缸前置，使工作機(jī)構(gòu)前懸增大，影響整機(jī)穩(wěn)定性和行駛的平穩(wěn)性；也不能實現(xiàn) 鏟斗的自動放平。 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 20 - (3)轉(zhuǎn)斗油缸后置式正轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)斗油缸后置式正轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)見圖 3-12(c)。此種機(jī)構(gòu)與上述前置式油缸相比，前懸 較大、傳動比較大、活塞行程較短；有可能將動臂、轉(zhuǎn)斗油缸、搖臂和連桿設(shè)計在同一 平面內(nèi)，從而簡化了結(jié)構(gòu)，改善了動臂和鉸銷的受力狀態(tài)。缺點是轉(zhuǎn)斗油缸與車架的鉸 接點位置較高，影響司機(jī)視野；轉(zhuǎn)斗時油缸小腔進(jìn)油，掘起力相對較小。為了增大掘起 力，需提高液壓系統(tǒng)壓力或加大轉(zhuǎn)斗油缸直徑，這樣質(zhì)量會增大。 (4)轉(zhuǎn)斗油缸后置式反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)斗油缸后置式反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)見圖 3-12(d)。這種機(jī)構(gòu)有如下優(yōu)點：a .轉(zhuǎn)斗油缸大腔 進(jìn)油時轉(zhuǎn)斗，并且連桿系統(tǒng)的倍力系數(shù)能設(shè)計成較大值，所以可獲得較大的掘起力；b. 恰當(dāng)?shù)剡x擇各構(gòu)件尺寸，不僅能得到良好的鏟斗平動性能，而且可以實現(xiàn)鏟斗的自動放 平； (a)正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu) (b)轉(zhuǎn)斗油缸前且式正轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu) (c)轉(zhuǎn)斗油缸后置式正轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu) (d)轉(zhuǎn)斗油缸后里式反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu) (e)正轉(zhuǎn)四桿機(jī)構(gòu) (f)正轉(zhuǎn)五桿機(jī)構(gòu) 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 21 - (g)動胃可伸縮式三桿機(jī)構(gòu) 圖 3-12 輪式裝載機(jī)工作裝置機(jī)構(gòu)類型 1動臂伸縮油缸 2轉(zhuǎn)斗油缸 3動份舉升油缸 4鏟斗后開口油缸 c結(jié)構(gòu)十分緊湊，前懸小，司機(jī)視野好。缺點是搖臂和連桿布置在鏟斗與前橋之間 的狹窄空間，容易發(fā)生構(gòu)件相互干涉。 (5) 正轉(zhuǎn)四桿機(jī)構(gòu) 正轉(zhuǎn)四桿機(jī)構(gòu)見圖 3-12 ( e )。它是 7 種連桿機(jī)構(gòu)最簡單的一種，容易保證四桿機(jī)構(gòu)實 現(xiàn)鏟斗舉升平動，此機(jī)構(gòu)前懸較小。缺點是轉(zhuǎn)斗的油缸小腔進(jìn)油，油缸輸出力較小，又 因連桿系統(tǒng)倍力系數(shù)難以設(shè)計出較大值，所以轉(zhuǎn)斗油缸活塞行程大，油缸尺寸??；此外， 在卸載時活塞桿易與斗底相碰，所以卸載角減小。為避免碰撞，需把斗底制造成凹形， 因而既減小了斗容，又增加了制造困難，而且鏟斗也不能實現(xiàn)自動放平。 (6) 正轉(zhuǎn)五桿機(jī)構(gòu) 正轉(zhuǎn)五桿機(jī)構(gòu)見圖 3-12 ( f )。為克服正轉(zhuǎn)四桿機(jī)構(gòu)卸載時活塞桿易與斗底相碰的缺點， 在活塞桿與鏟斗之間增加一根短連桿，從而使正轉(zhuǎn)四桿機(jī)構(gòu)變成為正轉(zhuǎn)瓦桿機(jī)構(gòu)。當(dāng)鏟 斗翻轉(zhuǎn)鏟取物料時，短連桿與活塞桿在油缸拉力和鏟斗重力作用下成一直線，如同一桿； 當(dāng)鏟斗卸載時，短連桿能相對活塞桿轉(zhuǎn)動，避免了活塞桿與斗底相碰。此機(jī)構(gòu)的其他缺 點仍如正轉(zhuǎn)四桿機(jī)構(gòu)。 (7) 動臂可伸縮式三桿機(jī)構(gòu) 動臂可伸縮式三桿機(jī)構(gòu)見圖 3-12 ( g ) 。它的最大特點是動臂可借助油缸 1 進(jìn)行伸縮。 這種機(jī)構(gòu)的鏟斗插人工況是靠動臂伸出實現(xiàn)的，它解決了靠機(jī)器行走插人易使輪胎嚴(yán)重 磨損問題；卸載時可伸出動臂，以獲得較大的卸載高度和卸載距離；而運輸工況時可縮 回動臂，以減小前懸，從而提高了行駛的穩(wěn)定性。這種機(jī)構(gòu)的缺點是既不能實現(xiàn)鏟斗平 動，又不能實現(xiàn)鏟斗自動放平，結(jié)構(gòu)亦比較復(fù)雜。 綜上分析可知，反轉(zhuǎn)六桿工作機(jī)構(gòu)優(yōu)點較多，能比較理想地滿足鏟、裝、卸作業(yè)要 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 - 22 - 求，所以它在露天裝載機(jī)和地下鏟運機(jī)上都得到廣泛的應(yīng)用。因此,本次設(shè)計工作裝置采 用反轉(zhuǎn)六桿連桿機(jī)構(gòu)。 3.4.2 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求 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(jī)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 載跟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。 在設(shè)計反轉(zhuǎn)六桿工作機(jī)構(gòu)時，要注意的是，一定要保證機(jī)構(gòu)在各種工況的各個位置 都能正常工作，不得出現(xiàn)“死點” 、 “自鎖”和“機(jī)構(gòu)撕裂”等機(jī)構(gòu)運動被破壞的現(xiàn)象。 目前，工作裝置