挖掘裝載機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【wz2011】

挖掘裝載機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【wz2011】,wz2011,挖掘裝載機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【wz2011】,挖掘,發(fā)掘,裝載,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘要 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，挖掘裝載機(jī)是一種十分重要的工程機(jī)械，它廣 泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口、礦山等建設(shè)工程。挖掘裝載機(jī)俗稱 “兩頭忙” ，它實(shí)際上是由三臺(tái)建筑設(shè)備組成的單一裝置，它包含了一臺(tái)拖拉機(jī)、 一臺(tái)挖掘機(jī)和一臺(tái)裝載機(jī)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)為一種新型機(jī)型，型號(hào)為 wz2011. 挖掘裝載機(jī)所達(dá)到的裝載量應(yīng)當(dāng)比別的裝載機(jī)器所達(dá)到的鏟裝量稍微大一 些。例如，如果一個(gè)機(jī)器可以一小時(shí)運(yùn)載 300 噸物體，則挖掘裝載機(jī)的裝載能 力應(yīng)當(dāng)稍大于 300 噸。當(dāng)鏟斗在制造時(shí)所需的裝載量應(yīng)當(dāng)被精確計(jì)算出來(lái)。 裝載機(jī)根據(jù)搖臂-連桿數(shù)目及鉸接位置的不同，可組成不同形式的連桿機(jī) 構(gòu)。不同形式的連桿機(jī)構(gòu)鏟斗的鏟起力隨鏟斗轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系，傾斜時(shí)的角速 度大小及工作裝置的運(yùn)動(dòng)特性也不同。因此裝載機(jī)工作裝置形式的選擇，既要 考慮結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又要考慮結(jié)構(gòu)性質(zhì)與鏟掘方式來(lái)確定。 其裝載鏟斗的設(shè)計(jì)主要在于其鏟斗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，斗容是鏟斗設(shè)計(jì)的一個(gè)重 要指標(biāo)。當(dāng)在一個(gè)硬的操作表面拖運(yùn)松的顆粒材料時(shí)，對(duì)一個(gè)裝載機(jī)來(lái)說(shuō)，一 個(gè)正常的基本循環(huán)周期大約為 0.44-0.55 分鐘。這個(gè)過(guò)程包括裝載、收斗、舉升、 翻斗、下降等過(guò)程。 當(dāng)在一個(gè)硬的操作表面拖運(yùn)松的顆粒材料時(shí)，對(duì)一個(gè)裝載機(jī)來(lái)說(shuō)，0.44- 0.55 分鐘的基本循環(huán)周期是合情合理的。這個(gè)過(guò)程包括裝載、收斗、舉升、翻 斗、下降等過(guò)程 1。 挖掘部分主要由動(dòng)臂、斗桿和挖掘鏟斗構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)裝置和裝載機(jī)類(lèi)似，都 采用液壓驅(qū)動(dòng)。 關(guān)鍵詞：挖掘裝載機(jī) 裝載量 循環(huán)周期 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) I ABSTRACT With the rapid development of economy, engineering is changing, of which machinery plays an irreplaceable role. Backhoe loader is a very important engineering machinery, it is widely used in highway, railway, construction, utilities, ports, mines and other constructionprojects. Backhoe Loader commonly known as two busy , it actuallyis composed of three single-unit construction equipment, which includes a tractor, an excavator and a loader. The graduation projectis designed to be community needs a new model, model wz2011. The production required of a wheel loader should be slightly greater than production capability of the other critical units in the earth or materical moving system.For example,if a hopper can handle 300 tons per hour,a loader capable of slightly more than 300 tons should be used.Required production should be carefully calculated so the proper machine and bucket selections are made. Loader rocker-connecting rod according to the number of different position and hinged, can make the different forms of link mechanism. Different forms of linkage mechanism of the bucket scooping up force with the change of the bucket corner relationship, tilt angular velocity and the size of the device the motion characteristics are different. So the choice of the form of loader working device, both must consider simple structure and to consider structure properties and shovel dug way to determine. The design of the loader bucket institutions lies mainly in its design, let a bucket design is one of important index. When in a hard surface of the operation of the transferring loose particles material, to a loader for, a normal basic cycle is about 0.44-0.55 minutes. This process including loading, the measures, lifting, durable, decline process. When hauling loose granular material on a hard smooth operating surface,a 0.45- 0.55 minute basic cycle time is considered reasonable for caterpillar articulated loaders with a competent operator.This includes load,dump,four reversals of direction,full cycle of hydraulics and minimum travel. Mining part mainly by the arm, measures stem and mining a bucket, device drivers and loaders similar with hydraulic drive. Keywords: backhoe loaders；loading；cycle 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) II 目 錄 緒論 .1 第一章：挖掘裝載機(jī)概述 1.1 國(guó)內(nèi)外本課題現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) .1 1.1.1 挖掘裝載機(jī)的型式 .2 1.1.2 國(guó)內(nèi)外基本情況： .2 1.2 挖掘裝載機(jī)發(fā)展特點(diǎn) .2 第二章：鏟斗設(shè)計(jì) .4 2.1 鏟斗結(jié)構(gòu)形式的選擇 .4 2.2 裝載鏟斗基本參數(shù)的確定 .4 2.3 斗容的計(jì)算 .6 第三章：裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì) .7 3.1 工作裝置設(shè)計(jì)方案 .7 3.2 裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè) .7 第四章 裝載裝置的受力分析 .14 4.1 外載荷的確定 .14 4.2 工作裝置的受力分析 .15 4.3 強(qiáng)度校核 .20 第五章 挖掘裝置的設(shè)計(jì) .22 5.1 鏟斗總體方案的選擇 .22 5.2 斗型參數(shù)的選擇 .22 5.3 斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇 .23 5.4 鏟斗機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇 .24 第六章 WZ2011 裝載機(jī)工作裝置三維圖 .27 6.1 工作裝置三維圖 .27 第七章 PLC 在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.30 7.1 plc 概況及應(yīng)用.30 7.2 機(jī)械手動(dòng)作過(guò)程.31 7.3 機(jī)械手操作方式.32 7.4 PLC 程序設(shè)計(jì).34 7.5 搬運(yùn)機(jī)械手的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì).39 設(shè)計(jì)總結(jié) .48 參考文獻(xiàn) .49 致謝 .50 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 0 頁(yè) 緒論 挖掘裝載機(jī)是一種用途廣泛的施工機(jī)械，廣泛應(yīng)用于建筑公路鐵路水電港口 礦山及國(guó)防工程中，對(duì)加快工程建設(shè)速度、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工程質(zhì)量、降 低工程成本都發(fā)揮著重要作用。因此近年來(lái)無(wú)論在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外裝載機(jī)品種和 產(chǎn)量都得到了迅猛發(fā)展，已成為工程機(jī)械的主導(dǎo)產(chǎn)品之一。 在通用拖拉機(jī)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(jī)，亦稱挖掘裝載機(jī)，俗稱“兩頭忙” 。挖掘裝載機(jī)作為一種小型多功能工程和 建筑機(jī)械，是挖掘、裝載兩用的工程機(jī)械。廣泛應(yīng)用于農(nóng)田水利建設(shè)、工業(yè)和 民用建筑、市政建設(shè)及電力建設(shè)等，主要用于建筑工程、農(nóng)田水利的基槽、基 坑、管溝等小型土方工程的開(kāi)挖以及城市建設(shè)和工廠企業(yè)的裝載作業(yè)，是一種 適應(yīng)性較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械。 考慮到挖掘裝載機(jī)一機(jī)兩用，可基本代替一臺(tái)挖掘機(jī)和一臺(tái)裝載機(jī)能實(shí) 現(xiàn)的功能，更具有機(jī)動(dòng)靈活性，不僅為國(guó)家和社會(huì)節(jié)約了能源，而且大大降低 了成本，經(jīng)濟(jì)效益無(wú)疑的也能得到顯著提高。我國(guó)在“九五”期間在工程機(jī)械 行業(yè)投資 13 萬(wàn)億元人民幣，比“八五”完成投資大兩倍，而且建筑業(yè)已逐步成 為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，這將刺激工程機(jī)械邁入新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)期。今后十五年， 國(guó)家將集中必要的力量，在水利、能源、交通、通信和重要原材料工業(yè)方面， 建設(shè)一批大型工程。由于今后從事笨重施工體力勞動(dòng)的人員日益減少，機(jī)械化 施工程度逐年提高，以往靠人海戰(zhàn)術(shù)及小型機(jī)械裝備的施工方式，將逐步被采 用大型較先進(jìn)的中大型工程機(jī)械的施工方式所替代。工程機(jī)械產(chǎn)品在今后 5 年、 10 年以至更長(zhǎng)的時(shí)間，將具有更廣闊的市場(chǎng)。挖掘裝載機(jī)作為工程機(jī)械新型品 種，市場(chǎng)開(kāi)發(fā)具有很大潛力。通過(guò)本課題的研究，可以使其作業(yè)性能得到充分 發(fā)揮，產(chǎn)品的成本大大降低，在國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于有利地位，無(wú)疑經(jīng)濟(jì) 效益將顯著提高。 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 第一章 挖掘裝載機(jī)概述 1.1 國(guó)內(nèi)外本課題現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 作為裝載機(jī)多種作業(yè)化品種之一，挖掘裝載機(jī)在我國(guó)起步較晚，但發(fā)展較快， 已有十余家企業(yè)生產(chǎn)這種裝載機(jī)。尤其近年來(lái)，由于應(yīng)用領(lǐng)域日漸擴(kuò)大，挖掘 裝載機(jī)得到了不斷發(fā)展。此產(chǎn)品在國(guó)外應(yīng)用廣泛，1990 年世界上挖掘裝載機(jī)銷(xiāo) 售量達(dá) 48000-50000 臺(tái)，可見(jiàn)挖掘裝載機(jī)占有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)份額。 1.1.1 挖掘裝載機(jī)的型式 根據(jù) GB10186-88挖掘裝載機(jī)術(shù)語(yǔ) ，挖掘裝載機(jī)（ backhoe loader）的型 式定義為：一種機(jī)體前部裝有裝載裝置，機(jī)體后部裝有反鏟挖掘裝置的自行式 機(jī)械。作為反鏟挖掘使用時(shí)，是通過(guò)鏟斗向機(jī)械方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行地平面以下的挖 掘。鏟斗在提升、回轉(zhuǎn)和卸料，機(jī)體固定不動(dòng)。作為裝載機(jī)使用時(shí)，通過(guò)機(jī)體 向前運(yùn)動(dòng)，裝載斗進(jìn)行裝載或挖掘，并可提升、運(yùn)料和卸料。 1.1.2 國(guó)內(nèi)外基本情況： 美國(guó)生產(chǎn)挖掘裝載機(jī)的公司主要有：凱斯（case） 、約翰迪爾（Jhon Deere） 、 卡特彼勒（Caterpillar ） 、福特公司拖拉機(jī)分部（Ford tractor operation）等。綜 合四家公司的挖掘裝載機(jī)，共有二十余種型號(hào)。 （1）凱斯公司自稱其 Burlington 的工廠為“Bsckhoe Capital of the World”（世界挖掘裝載機(jī)的首都） ，該廠 1995 年獲得 ISO9001 質(zhì)量認(rèn)證，其挖掘裝載機(jī)產(chǎn)量一直雄居世界第一位，自 1957 年 至今已生產(chǎn)挖掘裝載機(jī)近 50 萬(wàn)臺(tái)。先后推出了 480E、580F、680k、680H、580D、580K、580L 等各種型號(hào)的挖掘裝載機(jī)；又 于 1999 年將其整個(gè)挖掘裝載機(jī)系列產(chǎn)品進(jìn)行了升級(jí)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)能力，新的 Super L 挖掘裝載機(jī)采用新型動(dòng)力換檔變速器，有自動(dòng)換檔和自動(dòng)四輪制動(dòng)功能。 （2）約翰迪爾公司 70 年代開(kāi)始生產(chǎn)挖掘裝載機(jī)，1982 年以后每年推出一種， 目前共有 7 種型號(hào)。發(fā)動(dòng)機(jī)功率 46-78KW，整機(jī)質(zhì)量 5900-9900Kg。 （3）卡特 彼勒公司 1985 年推出了 416 型，采用了 CAD 技術(shù)，把用戶的需要和建議進(jìn)行 修改設(shè)計(jì)。1986 年開(kāi)發(fā)出 426 型，國(guó)內(nèi)訂貨 2000 臺(tái)。1987 年推出了 428 和 436 型。1989 年又推出了 438 型。之后，又推出了 446 型。反鏟斗容范圍 0.07- 0.48m3,裝載額定提升能力 23.3-38.5kN,發(fā)動(dòng)機(jī)功率 46-70.8KW，整機(jī)質(zhì)量 6156- 8781Kg；卡特彼勒新的 C 系列挖掘裝載機(jī)加大了動(dòng)臂液壓缸直徑和發(fā)動(dòng)機(jī)功率， 使舉升能力比前任系列提高了 20%，挖掘和裝載作業(yè)裝置的負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng) 采用變量泵，提高了作業(yè)性能，所有的挖掘裝載機(jī)都配備了 Ride Control 系統(tǒng)， 提高了駕駛舒適性，Cat-416C 型還具有平行距升功能，通過(guò)快換接頭，不需離 開(kāi)駕駛室，可在 30 秒內(nèi)換裝各種工作裝置 2。 1.2 挖掘裝載機(jī)發(fā)展特點(diǎn) 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 綜合國(guó)內(nèi)外挖掘裝載機(jī)的發(fā)展情況，其在機(jī)構(gòu)上有以下特點(diǎn)： （1） 根據(jù)挖掘裝載機(jī)的主要用途，綜合考慮工作速度、作業(yè)要求、道路狀 況和配置不同附屬裝置時(shí)變形方便等因素，廣泛采用輪胎式行走裝置。 1)國(guó)外歐美大多數(shù)公司仍繼續(xù)生產(chǎn)采用傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)地盤(pán)的挖掘裝載機(jī)， 而近年來(lái)日本卻發(fā)展專(zhuān)用工程機(jī)械地盤(pán)的挖掘裝載機(jī)。采用拖拉機(jī)底盤(pán)需要增 設(shè)專(zhuān)業(yè)用于聯(lián)接工作裝置的加強(qiáng)車(chē)架，使機(jī)器工作時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)載荷和彎曲載 荷由車(chē)架承受，而不會(huì)傳到傳動(dòng)裝置。車(chē)輪由驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪組成。國(guó)內(nèi)由北 京機(jī)械廠生產(chǎn)的 WZ-2C 型挖掘裝載機(jī)，采用鐵牛-55 型拖拉機(jī)地盤(pán)，以專(zhuān)用前 橋更換原強(qiáng)度不足的前橋。 2）如果在固定施工現(xiàn)場(chǎng)及松軟道路狀況上持久穩(wěn)定作業(yè)，或需要經(jīng)常使用 較大的切屑力鏟裝堅(jiān)實(shí)的物料工況時(shí)，則采用前置式發(fā)動(dòng)機(jī)和液力機(jī)械傳動(dòng)裝 置的工業(yè)拖拉機(jī)底盤(pán)。約翰迪爾公司生產(chǎn)的 350、350B、350C 型裝載機(jī)，都能 在其后部安裝反鏟挖掘裝置。 （2）前、后橋 用裝載斗作業(yè)時(shí)，采用全輪驅(qū)動(dòng)，在道路狀況不好的條件下作業(yè)時(shí)，發(fā)揮 了機(jī)器的最大牽引力。根據(jù)用戶需要，驅(qū)動(dòng)橋可以做成后輪或全輪驅(qū)動(dòng)。并根 據(jù)要求，可在前橋或后橋上裝有防滑差速器，使整機(jī)具有牽引和自救能力高、 輪胎磨損小等特點(diǎn)?？ㄌ乇壤展?416 和 428 型挖裝載機(jī)選用了德國(guó)蔡夫 （ZF）公司的防滑差速器。沃爾沃公司 BW6300 型挖掘裝載機(jī)在后橋上采用了 自鎖差速器，由于鎖緊過(guò)程式自動(dòng)完成的，可以省去一套差速鎖的控制系統(tǒng)， 適用于挖掘裝載裝置工作工況。 （3）挖掘裝置轉(zhuǎn)載斗在舉升過(guò)程中能自動(dòng)調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)和在降落到停機(jī)面時(shí)自 動(dòng)復(fù)位機(jī)構(gòu)。 反鏟裝置的幾何位置取決于動(dòng)臂液壓缸的長(zhǎng)度 L1、斗桿液壓缸的長(zhǎng)度 L2和鏟斗 液壓缸的長(zhǎng)度 L3。顯然 L1,L2,L3為某組確定值時(shí)反鏟裝置就相應(yīng)處于一個(gè)確定 的幾何位置。 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 第二章 鏟斗設(shè)計(jì) 2.1 鏟斗結(jié)構(gòu)形式的選擇 鏟斗是直接用來(lái)切削、收集、運(yùn)輸和卸出物料，裝載機(jī)工作時(shí)的插入能力及 鏟掘能力是通過(guò)鏟斗直接發(fā)揮出來(lái)的，鏟斗的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸直接影響裝載機(jī) 的作業(yè)效率和工作可靠性，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(jì) 的主要要求。鏟斗是在惡劣條件下工作，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(qiáng)度和剛度，同時(shí)要耐磨。 根據(jù)裝載物料的容量，鏟斗做成三種類(lèi)型：正常斗容的鏟斗用來(lái)裝載容量 1.4-1.6 噸/米的物料（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(lái)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(lái)裝載容重大于 2 噸/米 3 的 物料（如鐵礦石、巖石等） 。用于土石工程的裝載機(jī)，因作業(yè)對(duì)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 3。 鏟斗切削刃的形狀根據(jù)鏟掘物料的種類(lèi)不同而不同，一般分為直線型和非直 線型兩種。直線型切削刃簡(jiǎn)單并利用與地面刮平作業(yè)，但切削阻力較大。非直 線型切削刃有 V 型和弧形等，裝載機(jī)用的較多的是 V 型斗刃。這種切削刃由于 中間突出，在插入料堆時(shí)，插入力可以集中作用在斗刃中間部分，易于插入料 堆；同時(shí)對(duì)減少“偏載切入”有一定的效果。但鏟斗的裝載系數(shù)要小于直線型 斗刃的鏟斗。 斗齒的形狀對(duì)切削阻力有影響：對(duì)稱齒型的切削阻力比不對(duì)稱型的大；長(zhǎng)而 狹窄的齒比寬而短的齒的切削阻力要小。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)泄露物料，不利于鏟斗的裝滿，適于鏟裝巖石。 對(duì)主要用于土石工程的裝載機(jī)，在設(shè)計(jì)鏟斗時(shí)，要考慮斗體內(nèi)的流動(dòng)性，減 少物料在斗內(nèi)的移動(dòng)或滾動(dòng)阻力，同時(shí)要利用在鏟裝粘性物料時(shí)有良好的倒空 性。 2.2 裝載鏟斗基本參數(shù)的確定 鏟斗的主要參數(shù)是鏟斗寬度和鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑。 鏟斗的寬度要大于裝載機(jī)每邊輪胎外側(cè)寬度 5-10 厘米，否則鏟裝物料或分 層鏟取土?xí)r，所形成的階梯地面不僅會(huì)損傷輪胎的側(cè)面而且會(huì)引起輪胎的打滑 影響牽引力的發(fā)揮。 鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑 R0 是指鏟斗與動(dòng)臂轉(zhuǎn)角中心 B 與切削刃之間的距離 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 由于鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑不僅影響鏟起力和插入阻力的大小，而且與整機(jī)的總體參 數(shù)有關(guān)。因此鏟斗的其它參數(shù)依據(jù)它來(lái)決定。 鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑 R0 可按下式計(jì)算： 式中 VK幾何斗容量 B0鏟斗內(nèi)側(cè)寬度 g鏟斗斗底長(zhǎng)度系數(shù)，通常 g=1.4-1.5； z后斗壁長(zhǎng)度系數(shù)，通常 z=1.1-1.2； k擋板高度系數(shù)，通常 k=0.12-0.14； R斗底和后斗壁直線間的圓弧半徑系數(shù)，通常 R=0.35-0.40； b1擋板與后斗壁間的夾角，通常 b1=5-10； b0斗底與后斗壁間的夾角，通常 b0=45-52， 由計(jì)算可得： R0=1066-1178mm 選取 R0=1085mm 斗底長(zhǎng)度 Lg 是指由鏟斗切削刃到斗底與后斗壁交點(diǎn)的距離： Lg= g R0=(1.4-1.5) R0=1520mm 后斗壁長(zhǎng)度 LZ是指由后斗壁上緣到與斗底相交點(diǎn)的距離： LZ=z R0=(1.1-1.2) R0=1194mm 擋板高度 LK: LK= k R0 =(0.12-0.14) R0=130mm 圖 2-1 鏟斗設(shè)計(jì)圖 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 鏟斗圓弧半徑 R1: R1=R R0=(0.35-0.41) R0=380mm 鏟斗與動(dòng)臂鉸銷(xiāo)距斗底的高度： hw=(0.20-0.25) R0=260mm 鏟斗側(cè)壁切削刃相對(duì)于斗底的傾角 a=50-60 2.3 斗容的計(jì)算 鏟斗的斗容量可以根據(jù)鏟斗的幾何尺寸確定。 a) 幾何斗容（平裝斗容）V K 鏟斗平裝的幾何斗容可按下式確定。對(duì)于有擋板的鏟斗： VK=AB0-2/3h2b m3 式中 A鏟斗橫截面面積； B0鏟斗內(nèi)壁寬； h擋板高度； b斗刃刃口與擋板最上部之間的距離。 b) 額定斗容（堆裝斗容）V H 鏟斗堆裝的額定斗容 VH 是指斗內(nèi)堆裝物料的四邊坡度均為 1：2，此時(shí)額定斗 容可按下式確定。對(duì)于裝有擋板的鏟斗： VH= VK+b2B0/8-b2(h+c)/6 m3 式中 c=物料堆積高度 由作圖法確定，在鏟斗內(nèi)堆裝物料的四邊坡度均為 1：2，由料堆尖端 m 點(diǎn)作直 線 mn 與 cd 垂直，將 mn 延長(zhǎng)，與斗刃刃口和擋板最下端之間的連線相交，此 交點(diǎn)與料堆尖端的距離，即為物料堆積高度 c. 經(jīng)計(jì)算：額定斗容 VH=1.6m3 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 第三章 裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì) 3.1 工作裝置設(shè)計(jì)方案 裝載機(jī)鏟掘和裝卸物料的作業(yè)是通過(guò)工作裝置的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。 裝載機(jī)的工作裝置是由鏟斗、動(dòng)臂、搖臂、連桿托架及液壓系統(tǒng)等組成。 鏟斗用以鏟裝物料，動(dòng)臂和動(dòng)臂油缸的作用是提升鏟斗并使之與車(chē)架相連；轉(zhuǎn) 斗油缸通過(guò)搖臂連桿或托架使鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)臂的升降和鏟斗的轉(zhuǎn)動(dòng)采用液壓 操縱。 由動(dòng)臂、動(dòng)臂油缸、鏟斗、轉(zhuǎn)斗油缸、搖臂-連桿或托架及車(chē)架相互鉸接 所構(gòu)成的連桿機(jī)構(gòu)在裝載及工作時(shí)要保證：當(dāng)動(dòng)臂處于某種位置不動(dòng)時(shí)，在轉(zhuǎn) 斗油缸閉鎖使動(dòng)臂在動(dòng)臂油缸作用下提升或下降鏟斗過(guò)程中連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)能使鏟 斗在提升時(shí)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內(nèi)，以免 裝滿物料的鏟斗由于鏟斗傾斜而使物料灑落；而在動(dòng)臂下降時(shí)又自動(dòng)將鏟斗放 平以減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率。 裝載機(jī)根據(jù)搖臂-連桿數(shù)目及鉸接位置的不同，可組成不同形式的連桿機(jī) 構(gòu)。不同形式的連桿機(jī)構(gòu)鏟斗的鏟起力隨鏟斗轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系，傾斜時(shí)的角速 度大小及工作裝置的運(yùn)動(dòng)特性也不同。因此裝載機(jī)工作裝置形式的選擇，既要 考慮結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又要考慮結(jié)構(gòu)性質(zhì)與鏟掘方式來(lái)確定。 正轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)的工作裝置當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鏟斗與搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，其 運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是發(fā)出最大鏟起力時(shí)的鏟斗轉(zhuǎn)角是負(fù)的，有利于地面的挖掘，鏟斗傾 斜時(shí)的角速度大易于抖落砂石，但沖擊較大。 反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)的工作裝置，當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)鏟斗與搖臂的運(yùn)動(dòng)方向相反。其 運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是發(fā)出最大鏟起力時(shí)的鏟斗轉(zhuǎn)角是正的且鏟起力變化曲線陡峭，因此 提升鏟斗時(shí)鏟起力較大適于裝載礦石，不利于地面挖掘；鏟斗傾斜時(shí)角速度小， 卸料平緩，但難于抖落砂石。易于實(shí)現(xiàn)鏟斗自動(dòng)放平。搖臂-連桿的傳動(dòng)比較 小。 3.2 裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè) 根據(jù)裝載機(jī)用途作業(yè)條件及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等擬定的設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求選定 了工作裝置的結(jié)構(gòu)形式后便可進(jìn)行工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括： a) 確定動(dòng)臂長(zhǎng)度形狀及與車(chē)架的鉸接位置。 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) b) 確定動(dòng)臂油缸的鉸接位置及動(dòng)臂油缸的行程。 c) 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求： a) 保證滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中規(guī)定的使用性能及技術(shù)經(jīng)濟(jì)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。 b) 保證作業(yè)時(shí)與其他構(gòu)件無(wú)運(yùn)動(dòng)干涉。 c) 保證駕駛員有良好的勞動(dòng)條件，如工作安全、視野開(kāi)闊、操作簡(jiǎn)單 等。 目前在實(shí)際設(shè)計(jì)中，大多根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料參考同類(lèi)樣機(jī)結(jié)構(gòu)，采用比較法設(shè) 計(jì)。 3.2.1 確定動(dòng)臂長(zhǎng)度、形狀與車(chē)架的鉸接位置 1.動(dòng)臂與車(chē)架的鉸接點(diǎn)位置的確定： 動(dòng)臂與車(chē)架的鉸接點(diǎn)位置，動(dòng)臂與車(chē)架鉸點(diǎn)的左右位置，根據(jù)裝載機(jī)的輪 距，動(dòng)臂和轉(zhuǎn)斗油缸的尺寸布置和視線等確定。動(dòng)臂回轉(zhuǎn)角通常取 80-90 度 4。 動(dòng)臂鉸點(diǎn)的位置可通過(guò)作圖來(lái)確定動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的最高位置 Bi、確定了最大 卸載高度、最大卸載高度時(shí)的卸載距離及最高位置時(shí)的卸載角。圖中 a,為斗底 與鏟斗回轉(zhuǎn)半徑的夾角，動(dòng)臂下鉸點(diǎn)當(dāng)鏟斗在地面鏟掘時(shí)的位置 B1,在考慮斗 底與地平面夾角為 3-5 度時(shí)及鏟斗裝滿物料后傾不與輪胎相碰的情況下盡量靠 近輪胎，以減小裝載機(jī)的整機(jī)尺寸。動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)應(yīng)在 BiB1 連線的垂直平分線 上，當(dāng)最大卸載高度和最小卸載距離一定時(shí)他的前后位置影響動(dòng)臂的長(zhǎng)度、動(dòng) 臂的回轉(zhuǎn)角及動(dòng)臂最大伸出時(shí)的穩(wěn)定性，La 大，動(dòng)臂增長(zhǎng)，動(dòng)臂回轉(zhuǎn)角減小， 傾翻力矩小，提高力裝載機(jī)鏟斗最大伸出時(shí)的穩(wěn)定性，因此在總體布置允許的 情況下希望 La 大些，動(dòng)臂與車(chē)架鉸點(diǎn)的高度通常取： Ha=(1.5-2.5)R0 式中 R0鏟斗回轉(zhuǎn)半徑 初步確定 Ha=2000mm 如圖所示：當(dāng)鏟斗與動(dòng)臂的下鉸點(diǎn) B 點(diǎn)的 X 坐標(biāo)值越小，轉(zhuǎn)斗鏟取力就越 大，所以 B 點(diǎn)靠近 O 點(diǎn)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 點(diǎn)的 Y 坐標(biāo)值增大時(shí)，鏟斗在料堆中的鏟取面積增大，裝的物料 多，但這就縮小了 B 點(diǎn)與連桿鏟斗鉸接點(diǎn) C 的距離，使鏟取力下降。 綜合考慮各種因素的影響，設(shè)計(jì)時(shí)，一般根據(jù)坐標(biāo)圖上工況 1 時(shí)的鏟斗實(shí)際 情況，在保證 B 點(diǎn) Y 軸坐標(biāo)值 Yc=200-250mm 和 X 軸坐標(biāo)值 Xb 盡可能減小而 且不與斗底干涉的前提下，人為的把 B 點(diǎn)初步確定下來(lái)。 現(xiàn)在，有的輪胎式裝載機(jī)為了提高鏟取力，把 B 點(diǎn)布置在斗底圓弧里側(cè)， 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 不過(guò)這給制造者增加了麻煩，使斗容也有所減小。 圖 3-1 鏟斗與動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)分析圖 2.動(dòng)臂與機(jī)架的鉸接點(diǎn) A （1） 以 B 點(diǎn)為圓心，使鏟斗順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，至鏟斗斗口 OO， 與 X 軸平行為 止，即工況 2。 （2） 把已選定的輪胎畫(huà)在坐標(biāo)圖上。作圖時(shí)，應(yīng)使輪胎前沿與工況 2 時(shí) 鏟斗后壁的間隙盡量小些，目的使機(jī)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 RK: 確定 YZ=RK=25.4dw/2+(H/bw)bw(1-) 式中 Y ZZ 點(diǎn)的 Y 坐標(biāo)值； dw輪胎直徑； bw輪胎寬度； H/bw輪胎斷面高度與寬度之比。普通輪胎取 1，寬免輪胎取 0.83， 超寬輪胎取 0.64； 輪胎變形系數(shù)，普通輪胎取 0.1-0.16，寬面輪胎為 0.05-0.1。 （3） 根據(jù)給定的最大卸載高度、最小卸載距離和卸載角，畫(huà)出鏟斗在最 高位置卸載時(shí)的位置圖，即工況 4，并令此時(shí)斗尖為 O4,B 點(diǎn)位置為 B4，如圖 3-1 所示。 （4） 以 B4 點(diǎn)為圓心，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)鏟斗，使鏟斗口與 X 軸平行，即鏟斗被 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 舉到最高位置圖（工況 3） （5） 連接 B、B4 并作其垂直平分線。因?yàn)?B 和 B4 點(diǎn)同在以 A 點(diǎn)為圓心， 動(dòng)臂 AB 長(zhǎng)為半徑的圓弧上，所以 A 點(diǎn)必在 BB4 的垂直平分線上。 A 點(diǎn)應(yīng)在垂直平分線上何處才合適呢？原則是其位置盡可能低一些以提高 整機(jī)工作的穩(wěn)定性，減小及其強(qiáng)度，改善司機(jī)視野。一般，A 點(diǎn)取在前 輪右上方，與前軸心水平距離為軸距的 1/3-1/2 處。 本機(jī)取 A 點(diǎn)與前輪軸心距離為 700mm。 A 點(diǎn)位置的變化，可借挪動(dòng) B4 點(diǎn)和輪胎中心 Z 點(diǎn)的位置來(lái)進(jìn)行。 c) 確定動(dòng)臂與搖臂的鉸接點(diǎn) J J 點(diǎn)位置是一個(gè)十分關(guān)鍵的參數(shù)。它對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比、倍力系數(shù)、連桿 機(jī)構(gòu)的布置以及轉(zhuǎn)斗油缸的長(zhǎng)度等都有很大影響。如圖 3-1 所示，根據(jù)分析 和經(jīng)驗(yàn)，一般取 J 點(diǎn)在 AB 連線上方，過(guò) A 點(diǎn)的水平線下方。相對(duì)前輪胎， J 點(diǎn)在其外廓的左上部。 綜合考慮實(shí)際情況及工作經(jīng)驗(yàn)可確定動(dòng)臂長(zhǎng)度為 2743mm。 d) 動(dòng)臂的形狀與結(jié)構(gòu)： 動(dòng)臂的形狀一般可分為直線型和曲線型兩種，直線型動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易， 并且受力情況良好，通常正轉(zhuǎn)連桿工作裝置較多采用；曲線型動(dòng)臂，一般反轉(zhuǎn) 式連桿工作裝置采用較多，這種結(jié)構(gòu)形式的動(dòng)臂可使工作裝置的布置更為合理 4。 3.2.2 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 在連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，較多采用的是根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，參考同類(lèi)型裝載機(jī)， 用圖解法確定連桿機(jī)構(gòu)的尺寸及鉸接位置。 1) 上拉桿的確定 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和分析，上拉桿的長(zhǎng)、短臂夾角一般為 5-10 度，長(zhǎng)度比為 1.5 左 右。長(zhǎng)臂的長(zhǎng)度為支桿與動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)到鏟斗與動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)之長(zhǎng)的 1.1-1.3 倍。 綜合考慮可取長(zhǎng)短臂夾角為 7 度。長(zhǎng)臂長(zhǎng)度為 526mm，短臂長(zhǎng)度為 486mm。 2) 下拉桿的確定 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和分析，下拉桿的長(zhǎng)度為動(dòng)臂的 1/6-1/7?？扇∠吕瓧U為 352mm。 3) 支桿的確定 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和分析，支桿與動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)位于 B 點(diǎn)的左上方，AB 連線之下， BE 連線與 AB 的夾角為 1-2 度。BE 的長(zhǎng)度為動(dòng)臂長(zhǎng)度的 1/6-1/7。可取支桿 長(zhǎng)度為 696mm。 4) 搖臂的確定 如圖 3-1KJ 與 JI 夾角（即搖桿折角）可取KJI=130-180 度，搖臂長(zhǎng)短臂 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 之比為 1.5 左右。其長(zhǎng)度為動(dòng)臂的 1/5-1/6。I 點(diǎn)不可與前橋相碰，并應(yīng)有足 夠的離地高度。 可取搖臂的長(zhǎng)臂長(zhǎng)度為 540mm,短臂的長(zhǎng)度為 311mm。 3.2.3 確定 K 點(diǎn)及 L 點(diǎn) K 和 L 點(diǎn)的布置直接影響到鏟斗舉升平動(dòng)和自動(dòng)放平性能，對(duì)鏟取力和動(dòng) 臂舉升阻力矩的影響較大。 ， 1) 確定 K 點(diǎn) K 點(diǎn)一般取在 J 點(diǎn)左上方，并注意使工況 1 時(shí)搖臂 JI 與水平面趨近垂直； K 點(diǎn)的高度不能影響司機(jī)視野。 2) 確定 L 點(diǎn) 下拉桿與機(jī)架的鉸接點(diǎn) L，是依據(jù)鏟斗由工況 2 舉升到工況 3 過(guò)程為平動(dòng) 和由工況 4 下降到工況 1 時(shí)能自動(dòng)放平這兩大要求來(lái)確定的。如圖 3-1 所示， 但鉸接點(diǎn) D、E、F、K、J、I 被確定后，則搖臂分別在工況 1、2、3、4 時(shí)的 I 點(diǎn)位置 I1、I 2、I 3、I 4 也就唯一被確定下來(lái)。將 I1L1、I 2L2、I 3L3、I 4L4分別繞 I1、I 2、I 3、I 4 旋轉(zhuǎn)，它們的交點(diǎn)就是下拉桿與機(jī)架的鉸接點(diǎn) L。 實(shí)踐證明，按上述要求所求得的 L 點(diǎn)，往往很難一次就滿足了總體布置的 要求，它或者遠(yuǎn)高于 A 點(diǎn)，或者遠(yuǎn)低于 A 點(diǎn)。所以，需經(jīng)過(guò)多次試湊方能奏效。 通常可先變動(dòng) JK 的長(zhǎng)度或KJL 的大小來(lái)進(jìn)行試湊，若不行，在變動(dòng)其他桿件 長(zhǎng)度，這樣做可大大減小試湊的工作量。 研究證明，L 點(diǎn)設(shè)計(jì)在 A 點(diǎn)的右下方比較好，這樣不但平動(dòng)性能好，而且 動(dòng)臂舉升時(shí)，可減小舉升阻力矩，有利于舉升油缸的設(shè)計(jì)。 3.2.4 舉升油缸與動(dòng)臂和機(jī)架的鉸接點(diǎn) G 和 H 舉升油缸的布置應(yīng)本著舉升時(shí)工作力矩大、油缸穩(wěn)定性好、構(gòu)件互不干擾、 整機(jī)穩(wěn)定性好等原則來(lái)確定。綜合考慮這些因素，一般舉升油缸都布置在前后 車(chē)架的鉸接點(diǎn)之間的狹窄空間里。如圖 3-1 所示，一般 G 點(diǎn)選定在 AB 連線附 近或上方，并取 AGAB/3。AH 不可能取得太大，他還受到油缸行程的限制 5。 H 點(diǎn)往前橋方向靠是比較有利的。這樣做，可使舉升油缸在動(dòng)臂整個(gè)舉升過(guò) 程中，舉升工作力臂大小的變化較小，即工作力臂變化不大，避免鏟斗舉升到 最高位置時(shí)的舉升力不足，因?yàn)榇藭r(shí)工作力臂往往較小或最小。為克服 H 點(diǎn)前 移的困難，可采取 H 點(diǎn)上移和 G 點(diǎn)方向前移的方法，使舉升油缸幾乎成水平狀。 計(jì)算證明，這樣布置也能得到較好的舉升特性。美國(guó)卡特比勒公司的 966D 輪 胎式裝載機(jī)就是這種設(shè)計(jì)13。 經(jīng)過(guò)上述各種作圖，整個(gè)工作機(jī)構(gòu)連桿系統(tǒng)的尺寸參數(shù)即設(shè)計(jì)完畢，但最后 還必須進(jìn)一步檢驗(yàn)一下鏟斗舉升平動(dòng)的質(zhì)量，因?yàn)樯鲜龇椒ㄖ槐ＷC鏟斗在工況 2 和工況 3 的轉(zhuǎn)角相等，而工況 2 至工況 3 之間個(gè)瞬時(shí)位置的轉(zhuǎn)角就不一定和 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 工況 2 都一樣了，為此，可在 2 和 3 工況之間任選 1-2 各位置，畫(huà)出已定的機(jī) 構(gòu)簡(jiǎn)圖，然后檢驗(yàn)鏟斗的轉(zhuǎn)角，如果相對(duì)工況 2 的鏟斗轉(zhuǎn)角小于或等于 10 度， 則設(shè)計(jì)合理，否則，修改有關(guān)尺寸，重復(fù)前述各布，直到滿意為止。實(shí)踐證明， 只要保證 2、3 工況為平動(dòng)，則其間各位置鏟斗轉(zhuǎn)角變化不會(huì)超過(guò)10。通過(guò)上 述步驟，確定出工作裝置上各鉸點(diǎn)的坐標(biāo)，如圖 4-1： A(0,2000) B(2120,260) C(2350,825) D(1940,1200) E(1760,540) F(1740,2040) G(1004,1020) H(0,1435) I(300,1489) J(324,1760) K(132,2270) L(21,1705) 3.2.5 鏟斗舉升平動(dòng)分析及最大卸載高度、最小卸載距離的確定 1.鏟斗平動(dòng)分析 若鏟斗要實(shí)現(xiàn)舉升近似平動(dòng)的要求，則應(yīng)有下列不等式成立： |i-2|10 式中： 2工況 2 時(shí)鏟斗對(duì)地位置角。 動(dòng)臂由工況 2 舉升到工況 3 位置時(shí)，其轉(zhuǎn)角 i 由 2 變到 3.取 2=0， 3 在設(shè) 計(jì)時(shí)，一般在 65-85 之間選取。 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 圖 3-2 鏟斗平動(dòng)分析圖 根據(jù)平動(dòng)要求作出鏟斗在各個(gè)工況時(shí)的位置圖，圖 3-2 只作出由工況 2 至 工況 3 中任一瞬間位置圖。由作圖可知，鏟斗可以實(shí)現(xiàn)舉升平動(dòng)的要求。 2.最大卸載高度和最小卸載距離 鏟斗高位卸載時(shí)的卸載高度 hx 和卸載距離 lx，必須分別不小于設(shè)計(jì)任務(wù)給 定的最大卸載高度 hmax 和最小卸載距離 lmin,否則將影響卸載效率，甚至不能影 響高位卸載。h x 太大時(shí)，將增加卸載沖擊，損壞運(yùn)輸車(chē)輛；l x 過(guò)大，雖然有利 于裝車(chē)，但加大了工作機(jī)構(gòu)前懸，降低了整機(jī)穩(wěn)定性 6。 如圖 3-1 所示，高位卸載時(shí)，鏟斗與動(dòng)臂鉸接點(diǎn) B,的坐標(biāo)為： X,B=XB+BB,.cosBA+(180-s)/2 Y,B=YB+BB,.sinBA+(180-s)/2 式中：X B 和 YB工況 2 時(shí) B 點(diǎn)的坐標(biāo)值； BA工況 2 時(shí)動(dòng)臂 AB 對(duì) X 軸的方向角 BB,=2BA.sin(s/2) =2x2743.sin(83/2) =3635mm 由圖 3-1 可得，X B=1125mm，Y B=260mm, BA=39， s=83 代入上式可得： X,B=1125+3635.cos39+(180-83)/2=1284mm Y,B=260+3635.sin39+(180-83)/2=3892mm 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 若要滿足 hmax 和 lmin 要求，必須有下列要求成立： hx= Y,B-OBsin4hmax lx=xqz-RL- X,B+OG.cos4lmin 式中：OB鏟斗尖 O 至 B 點(diǎn)距離； xqz前輪軸心的 X 軸坐標(biāo)值； RL輪胎充氣半徑； 4工況 4 時(shí) OB 對(duì) X 軸的方向角，它可用下式計(jì)算： 4=+arctan(YB/XB)-(3-5) =45+arctan(260/1284)- (3-5) =52 hx=3892-1085.sin52 =3037mmlmin=1050mm lx=2545-700-1125+543.5cos52 =1055mmlmin=1050mm 通過(guò)計(jì)算可知，所設(shè)計(jì)的連桿機(jī)構(gòu)符合給定的最大卸載高度 hmax 和最小卸載距 離 lmin. 第四章 裝載裝置的受力分析 4.1 外載荷的確定 由于物料種類(lèi)和作業(yè)條件的不同，裝載機(jī)實(shí)際作業(yè)時(shí)不可能使鏟斗切削刃均 勻受載，但可簡(jiǎn)化為兩種極端情況： （1） 認(rèn)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(lái) 代替其均勻載荷，稱為對(duì)稱受載情況； （2） 由于鏟斗偏鏟、料堆密實(shí)處程度不均，使載荷偏于鏟斗一側(cè)，形成偏載 情況時(shí)，通常是將其簡(jiǎn)化后的集中載荷加在鏟斗側(cè)邊第一斗齒上 7。 裝載機(jī)的鏟掘過(guò)程通?？煞譃槿缦氯N受力情況： （1） 鏟斗水平插入料堆，工作裝置油缸閉鎖，此時(shí)認(rèn)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）或提升動(dòng)臂（靠 動(dòng)臂油缸工作）鏟掘時(shí)，此時(shí)認(rèn)為鏟斗切削刃只受到垂直力的作 用。 （3） 鏟斗邊插入邊轉(zhuǎn)斗或邊插入便提臂鏟掘時(shí)，此時(shí)認(rèn)為水平力與垂 直力同時(shí)作用在切削刃上。 綜合上述分析，可以得到如下幾種工作裝置的典型工況： 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) a) 對(duì)稱水平力的作用工況 水平力（即插入阻力 Pc）的大小由裝載機(jī)的牽引力決定，其水平力的最 大值為： Rx=PKpmax=Pc=6t (1) 式中：P Kpmax裝載機(jī)空載時(shí)的最大牽引力； 1. Pc插入力。 b) 對(duì)稱垂直力的作用情況 垂直力（即鏟起阻力）的大小受裝載機(jī)縱向穩(wěn)定條件的限制，其最大值 為： RY=額定載重量 x2=5.6t (2) c) 對(duì)稱水平力與垂直力同時(shí)作用情況： 此時(shí)垂直力由式（2）給出，水平力取發(fā)動(dòng)機(jī)扣除工作油泵功率后，裝 載機(jī)所能發(fā)揮的牽引力 PKp. d) 受水平偏載的作用情況： 水平力大小與工況（1）相同。 e) 受垂直偏載的作用情況： 水平力與垂直力大小與工況（3）相同。 如圖（4-1）裝載鏟斗結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 4.2 工作裝置的受力分析 在確定了計(jì)算位置及外載荷的大小后，便可進(jìn)行工作裝置的受力分析。 由于工作裝置是一個(gè)受力較復(fù)雜的空間超靜定系統(tǒng)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，通常要做 如下假設(shè)： （1）在對(duì)稱受載工況，由于工作裝置是一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故兩動(dòng)臂受的載荷相等。 同時(shí)略去鏟斗及支撐橫梁對(duì)動(dòng)臂受力與變形的影響，則可取工作裝置就結(jié)構(gòu)的 圖 4-1 裝載鏟斗結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 一側(cè)進(jìn)行受力分析，如圖 4-2 所示，其上作用的載荷取相應(yīng)工況外載荷之半進(jìn) 行計(jì)算，即： Rax=1/2Rx,RaY=1/2RY (2)認(rèn)為動(dòng)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(guò)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(lái)代替實(shí)際構(gòu)件 通過(guò)上面的分析與假設(shè)，就能將工作裝置這樣一個(gè)空間超靜定結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化為 平面問(wèn)題進(jìn)行受力分析。 工作裝置的受力分析，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(duì)應(yīng)工況下工作量裝置個(gè)構(gòu)件的內(nèi)力。 如圖 4-3 所示，取鏟斗為脫離體，根據(jù)平衡原理，分析鏟斗的受力： 根據(jù)求得的各交點(diǎn)的坐標(biāo)，可得： h1=260mm h2=565mm 11=1125mm 12=230mm 圖 4-2 工作裝置受力分析圖 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 1=45 圖 4-3 鏟斗受力分析圖 由M B=0,可得： Xch2-Ycl2+RaXh1+RaYl1=0 (1) 圖 4-4 上拉桿受力分析圖 如圖 4-4，取上拉桿為脫離體，根據(jù)平衡原理，分析上拉桿受力 8。根據(jù)求 得的各交點(diǎn)的坐標(biāo)，可得： 1=45 2=27 6=15 7=25 CD=526 DF=486 由M D=0，可得 ： X,cCDsin1+Y,c CDcos1+PFDF sin7=0 (2) 由X=0，可得 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè) -X,c+PDsin7+PFcos2=0 (3) 由Y=0，可得: -Y,c+ PDcos7- PFsin2=0 (4) 將式子（1） 、 （2） 、 （3） 、 （4）聯(lián)立，代入已知參數(shù)，求解可得： Xc=-3.85t Yc=7.6t Pd=-5.25t Pf=6.78t 由X=0，可得： XB-RaX+Xc=0 XB=RaX- Xc =3+3.85 =6.85t 由Y=0，可得: -YB+YC-RaY=0 YB=Yc-RaY =7.6-2.8 =4.8t 圖 4-5 支桿受力分析圖 圖 4-6 搖臂受力分析圖 如圖 4-5，取支桿為脫離體，根據(jù)平衡原理，分析支桿受力，可得： PD=P,D=PE PE=-5.25t 如圖 4-6，取搖臂為脫離體，根據(jù)平衡原理，分析搖臂受力。根據(jù)求得的各鉸點(diǎn) 的坐標(biāo)，可得： 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè) 3=43 4=54 IJ=311 JK=540 Pk=PF=6.78t 由M J=0，可得： PkJKsin3-PIIJsin4=0 代入已知量，得 PI=9.9t 由X=0，可得： -XJ+PI sin4+PKcos(90-24-3)=0 代入已知量，得 XJ=14.25t 由Y=0，可得: YJ-PKsin(90-24-3)- PI cos4=0 代入已知量，得 YJ=-3.16t 圖 4-7 動(dòng)臂受力分析圖 如圖 4-7，取動(dòng)臂為脫離體，根據(jù)平衡原理，分析動(dòng)臂受力。根據(jù)求得的各 鉸點(diǎn)的坐標(biāo)，可得： 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 5=23 h3=2000 l3=2120 h4=216 l4=318 l5=2743 l6=519 對(duì) A 點(diǎn)取矩，得： X,Bh3-Y,Bl3+P,El5-PGl6-X,Jh4+Y,Jl4=0 代入已知量，得 PG=-28.8t 此外，根據(jù)前面的計(jì)算可知： P,E=PE=-5.25t X,B=XB=6.85t Y,B=YB=4.8t X,J=XJ=14.25t Y,J=YJ=-3.16t 由X=0，可得： -XA+X,J-P,Esin6-X,B+PGcos5=0 代入已知量，得 XA=-17.49t 由Y=0，可得: YA+Y,B-P,Ecos6-Y,J-PGsin5=0 代入已知量，得 YA=-24.2t 根據(jù)力平衡原理，可知 L、H 兩鉸接點(diǎn)所受的力分別為 I、G 兩點(diǎn)所受的力 大小相等、方向相反 9。 4.3 強(qiáng)度校核 根據(jù)計(jì)算工況及其受力分析，即可按強(qiáng)度理論對(duì)工作裝置主要構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度 校核。 根據(jù)求得的各鉸點(diǎn)的坐標(biāo)，可得： L1=1116mm L2=1008mm L3=1044mm L4=150mm L5=168mm 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) 圖 4-8 動(dòng)臂受力分析圖 動(dòng)臂可看成是支撐在前車(chē)架 A 點(diǎn)和動(dòng)臂油缸上鉸點(diǎn) G 點(diǎn)的雙支點(diǎn)懸臂梁，其危 險(xiǎn)斷面在 G 點(diǎn)附近，動(dòng)臂寬為 b=30mm,如圖 4-8，動(dòng)臂上 M 點(diǎn)所在的橫截面 m-m 為 H 點(diǎn)附近橫截面最小的截面 m-m 長(zhǎng)為 h=330mm，為危險(xiǎn)界面。在此截 面上作用有彎曲應(yīng)力和正應(yīng)力： =M/W+N/F 式中 M計(jì)算斷面上的彎矩； N計(jì)算斷面上的軸向力； W計(jì)算斷面上的抗彎斷面系數(shù)； F計(jì)算斷面的橫截面積。 對(duì)于 M 點(diǎn)的 m-m 斷面： M=X,BL2-Y,BL1+P,El3-PGcos23L5+PGsin23L4 =11.67KN.m W=bh2/6=5.4x10-4m3 N=X,Bcos38.6+Y,Bsin38.6-PGcos(38.6-23)-P,Ecos69 =175N F=330 x30=9.9x10-3m2 強(qiáng)度計(jì)算中所用的許用應(yīng)力可按下式計(jì)算： = s/n 式中： s材料的屈服極限。國(guó)內(nèi)裝載機(jī)工作裝置的動(dòng)臂長(zhǎng)選用 16Mn 鋼 10， 其 s=3600 公斤/厘米 2 n安全系數(shù)，設(shè)計(jì)手冊(cè)規(guī)定 n=1.1-1.5，由于工程機(jī)械工作繁重，條 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) 件惡劣，并考慮到計(jì)算上的誤差，通常 n1.5 =M/W+N/F=216.3Mpa352.8MPa= 第五章 挖掘裝置的設(shè)計(jì) 5.1 鏟斗總體方案的選擇 鏟斗與鏟斗液壓缸的連接有三種形式，如圖 5-1 所示，其區(qū)別主要在于液壓 缸活塞桿端部與鏟斗的連接方式不同。圖 a 為直接連接，鏟斗，斗桿與液壓缸 組成四連桿機(jī)構(gòu)。圖 b 中鏟斗液壓缸通過(guò)搖桿 1 和連桿 2 與鏟斗相連，它們與 斗桿一起組成六連桿機(jī)構(gòu)。圖 d 與圖 b 類(lèi)似，區(qū)別在于前者液壓缸活塞桿端鉸 接于搖桿兩端之間，圖 c 的機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比與 b 差不多，但鏟斗擺角位置向順時(shí)針 方向轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)角度。 圖 5-1 挖掘鏟斗與鏟斗液壓缸的連接形式 六連桿方式與四連桿方式相比在同樣的液壓缸行程下能得到較大的鏟斗轉(zhuǎn) 角，改善了機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性。六連桿中方式 b 和 d 在液壓缸行程相同時(shí)，后者 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) 能得到更大的鏟斗轉(zhuǎn)角。但其鏟斗挖掘力的平均值較小。 鏟斗液壓缸一般用一個(gè)，因傳動(dòng)比小，單液壓缸作用力足以保證斗齒所所需的 挖掘力 11。 5.2 斗型參數(shù)的選擇 斗容量 q，平均斗寬 B，轉(zhuǎn)斗挖掘半徑 R 和轉(zhuǎn)斗挖掘裝滿轉(zhuǎn)角 2（令 2=max） 是鏟斗的四個(gè)主要參數(shù)。R,B 及 2 三者與 q 之間有以下幾何關(guān)系 Q= （5-1） KsBR)2in(12 式中 q 標(biāo)準(zhǔn)斗容量即堆尖斗容， 3.0m； B平均斗寬，選取 R=750mm； R轉(zhuǎn)斗挖掘半徑； K土壤松散系數(shù)，取 1.25； 2 挖掘裝滿角，全面考慮有關(guān)因素，可以取 2 =90o100 o，取 2 =96o。 將以上各值代入式(51) ，計(jì)算得 R=790mm800mm。 鏟斗上兩個(gè)鉸點(diǎn) K 和 Q 的間距 L24 太大將影響鏟斗機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)特性，太小 則影響鏟斗結(jié)構(gòu)剛度，一般取特性參數(shù) 0.38。取3.0324QVK k2=0.375。 則 KQ=0.375QV=0.375800=300 5.3 斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇 確定斗桿液壓缸的鉸點(diǎn)位置，行程及力臂比時(shí)應(yīng)考慮以下因素： A.保證斗桿液壓缸產(chǎn)生足夠的斗齒挖掘力。一般來(lái)說(shuō)希望液壓缸在全行程中產(chǎn) 生的斗齒挖掘力始終大于正常挖掘阻力；液壓缸全伸時(shí)的作用力矩應(yīng)足以支承 滿載斗和斗桿靜止不動(dòng)；液壓缸作用力臂最大時(shí)產(chǎn)生的最大斗齒挖掘力應(yīng)大于 要求克服的最大挖掘阻力 12。 B.保證斗桿液壓缸有必要的閉鎖能力。對(duì)于以轉(zhuǎn)斗挖掘?yàn)橹鞯闹行⌒头寸P，選 擇斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)時(shí)必須注意轉(zhuǎn)斗挖掘時(shí)斗桿液壓缸的閉鎖能力，要求在主要挖 掘區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)斗液壓缸的挖掘力能得到充分的發(fā)揮。 C.保證斗桿的擺角范圍。斗桿擺角范圍大致在 105125之間。在滿足工作范 圍和運(yùn)輸要求的前提下此值應(yīng)盡可能取的小些。一般說(shuō)斗桿愈長(zhǎng)，其擺角范圍 也可稍小。當(dāng)斗桿液壓缸和轉(zhuǎn)斗液壓缸同時(shí)伸出最長(zhǎng)時(shí)，鏟斗前臂與動(dòng)臂之間 的距離應(yīng)大于 10cm。 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè) 斗桿上 的大小取決于結(jié)構(gòu)因素，并考慮到工作范圍一般在EFQ 130170之間。 本設(shè)計(jì)取 45 參考國(guó)內(nèi)同類(lèi)機(jī)型機(jī)器斗桿挖掘力值 ，按要求的最大挖掘力確KNPG40max 定斗桿液壓缸的最大作用力臂 L9。初選斗桿液壓缸缸筒內(nèi)徑為 140mm，桿徑為 80mm，伸縮比 。可查得，液壓缸的推力為 215.46KN，拉力為67.12 145.04KN。 則 mle5.486.2150849max2 斗桿的擺角在 之間，取 10ax2 斗桿液壓缸初始力臂 20e與最大力臂 e之比是斗桿擺角 max2的余弦函數(shù)。 設(shè) ，則z20e 可見(jiàn) L9 已定時(shí) 愈大， 和 就愈小。如圖 4-2 所示，平均挖掘力也就越max220ez 小 11。 圖 5-2 斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖 由圖 5-2，取 ，求得z20e 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè) =1185mm，則 1978.5mm12 sinlmax9i2Lmax2L 將所得結(jié)果代入上式得 l8=1606 挖掘機(jī)在最大卸載高度處，斗桿液壓缸全縮,此時(shí) 25170425360360CFQEFDDC 5.4 鏟斗機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇 作機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇時(shí)，已知 待選的參數(shù)還有 7 個(gè)（見(jiàn)圖 5-3）即 l10=FG，l 15=GN，l 13=MN，l 12=MK，l 24=NQ，以及 L3max，L 3min 等。 圖 5-3 鏟斗機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇 如前所述，鏟斗在挖掘過(guò)程中的轉(zhuǎn)角大致為 90100，為了要滿足開(kāi)挖 和最后卸載及運(yùn)輸狀態(tài)的要求，鏟斗的總轉(zhuǎn)角往往要達(dá)到 150180，本設(shè)計(jì) 初選 。160max3 如圖 5-4 所示，設(shè) 時(shí)斗齒尖為 V0，則 V0 肯能在 FQ 延長(zhǎng)線上，或者在3minl 其上側(cè)的 030處，本設(shè)計(jì)初選 V0 在其上側(cè) 15處，此時(shí) 為仰角。10QV 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁(yè) 圖 5-4 鏟斗機(jī)構(gòu)參數(shù)選擇要求 鏟斗液壓缸伸縮比應(yīng)當(dāng)在允許的范圍內(nèi)，對(duì)鏟斗機(jī)構(gòu)可取 。65.143 本設(shè)計(jì)初選 。46.13 由圖得，MM 1 =S=517mm，即轉(zhuǎn)斗液壓缸的行程。則 S= 0.46=517mmmin33mini3maxlll ）（ 520axin， 則可測(cè)的 ，GF=567mm6GFQ 由結(jié)構(gòu)確定 G 點(diǎn)位置，必須保證鏟斗六連桿機(jī)構(gòu)在 l3 全行程中任一瞬時(shí)都不會(huì) 被破壞，即保證 在任何瞬時(shí)都成立。 l3 全行程中機(jī)構(gòu)都不應(yīng)出現(xiàn)NM， 死點(diǎn)，且傳動(dòng)角應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。在任何瞬間各構(gòu)件之間都不應(yīng)有干涉，碰 撞現(xiàn)象 12。MN3l 符合要求 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 26 頁(yè) 第六章 WZ2011 裝載機(jī)工作裝置三維圖 6.1 工作裝置三維圖 CATIA 是法國(guó) Dassault System 公司的 CAD/CAE/CAM 一體化軟件，居世界 CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，并由 I