ZL50裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)

摘 要輪式裝載機(jī)是以輪胎式拖拉機(jī)為基礎(chǔ)車，安裝上鏟斗作為工作裝置的一種土方工程機(jī)械。裝載機(jī)的工作裝置由鏟斗、連桿、搖臂、動(dòng)臂、轉(zhuǎn)斗油缸、舉升油缸組成，裝載機(jī)的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(dòng)力與運(yùn)動(dòng)特性等。本文參閱了大量的裝載機(jī)設(shè)計(jì)的參考書，選擇反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)形式作為所設(shè)計(jì)的裝載機(jī)的工作裝置的結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)任務(wù)書中的要求，利用經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算確定鏟斗的結(jié)構(gòu)參數(shù)，裝載機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)上，利用圖解法確定動(dòng)臂與鏟斗、搖臂、機(jī)架，連桿與鏟斗和搖臂等各個(gè)鉸接點(diǎn)的位置，并對(duì)工作裝置的各個(gè)部件的強(qiáng)度進(jìn)行校核。最后文中對(duì)裝載機(jī)的工作裝置的限位機(jī)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，最后利用AutoCAD對(duì)裝載機(jī)工作裝置的各零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：輪式裝載機(jī)，工作裝置，結(jié)構(gòu)參數(shù), 鉸接點(diǎn)，校核AbstractWheel loaders are based on car tires tractor, installation on a bucket as a working device earthmoving machinery. By a bucket loader working device, connecting rods, rocker, boom, the bucket cylinder, lifting cylinder components, Devices loader loader directly affect the rationality of production efficiency, workload, dynamic and kinematic characteristics. This paper reviews a number of loader design reference books, select Reverse six linkage form such a structure designed as a loader working device structures. This book, based on the requirements of the task, Empirical formula to calculate the structural parameters of the bucket, Loader design of structural parameters, a graphical method to determine the boom and bucket, arm, chassis, connecting rod and rocker arm and bucket pivot point in various positions, then the text of the bucket by the force of a typical way of a detailed analysis, the working device and the strength of the various components to be checked. Finally the text of the loader working device limiting mechanism are briefly introduced, and finally the use of AutoCAD loader working device on the structural parameters of the various components detailed structural design.Keywords: Wheel loaders, work equipment, architecture, design目 錄摘 要IAbstractII1 緒 論11.1國(guó)內(nèi)外研究情況及其發(fā)展11.2裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)的趨勢(shì)31.3 本課題的研究目的及意義42 裝載機(jī)工作裝置總體方案確定52.1裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)要求52.2裝載機(jī)工作裝置形式選擇72.3裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的確定82.5 本章小結(jié)103裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)123.1鏟斗設(shè)計(jì)123.2工作機(jī)構(gòu)連桿系統(tǒng)的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)163.3 動(dòng)臂舉升油缸的設(shè)計(jì)213.4連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)233.5工作裝置的強(qiáng)度校核253.6工作裝置連接設(shè)計(jì)343.7本章小結(jié)374 裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)384.1轉(zhuǎn)斗油缸及舉臂油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算384.2油缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)394.3穩(wěn)定性校核394.4本章小結(jié)405 總結(jié)與展望415.1 結(jié)論415.2 不足與展望42參考文獻(xiàn)43附 錄461 緒 論裝載機(jī)是一種用途十分廣泛的工程機(jī)械，它可以用來鏟裝、搬運(yùn)、卸載、平整散裝物料，也可以對(duì)巖石硬土等進(jìn)行輕度的鏟掘工作，因此，它被廣泛應(yīng)用于建筑、公路、鐵路、水電、港口、礦山及國(guó)防等工程中，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、降低工程成本具有重要作用，所以裝載機(jī)在國(guó)內(nèi)外不論是品種或是在產(chǎn)量方面都得到迅速發(fā)展，成為工程機(jī)械的主要品種之一1。裝載機(jī)工作裝置是裝載機(jī)的核心部件之一，主要由鏟斗、動(dòng)臂、搖臂連桿(或托架)及液壓系統(tǒng)等組成。它的作業(yè)過程是由液壓操縱裝置來完成的。它是用來克服被切削物料的阻力，并完成插入料堆，鏟取物料，提升并卸除物料等一系列工作的裝置。1.1國(guó)內(nèi)外研究情況及其發(fā)展1.1.1國(guó)外裝載機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外輪式裝載機(jī)技術(shù)在經(jīng)歷了五六十年的發(fā)展后，到 20 世紀(jì) 90 年代中末期已達(dá)到相當(dāng)高的水平。信息技術(shù)的飛速發(fā)展又給裝載機(jī)技術(shù)的發(fā)展插上了飛躍的翅膀，基于微電子技術(shù)和信息技術(shù)的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)、司機(jī)輔助操作系統(tǒng)、柴油機(jī)電腦控制裝置、電子計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、電子自動(dòng)換擋變速控制系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于裝載機(jī)的設(shè)計(jì)、計(jì)算操作控制、檢測(cè)監(jiān)控、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和維修服務(wù)等各個(gè)方面，使國(guó)外裝載機(jī)在原來的基礎(chǔ)上更加精制；其自動(dòng)化程度也得以提高，從而進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率；改善司機(jī)的作業(yè)環(huán)境，提高作業(yè)舒適性；降低噪聲、振動(dòng)和排污量，保護(hù)自然環(huán)境；最大限度地簡(jiǎn)化維修、降低作業(yè)成本，使其性能、安全性、可靠性、使用壽命和操作性能在很大的程度上得到提高。根據(jù)現(xiàn)代工程作業(yè)的，應(yīng)開發(fā)性能優(yōu)良的裝載機(jī)，如斗容量大、大功率發(fā)動(dòng)機(jī)、掘起力大、側(cè)翻載荷大、牽引力大、廢氣排放少的環(huán)保型裝載機(jī)，應(yīng)開發(fā)機(jī)、電、液一體化技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等高端的裝載機(jī)，應(yīng)開發(fā)作業(yè)可靠性好、安全性高、舒適性好的產(chǎn)品，一機(jī)多用的產(chǎn)品2。不斷提升產(chǎn)品技術(shù)含量、運(yùn)用新型結(jié)構(gòu)、最大限度地滿足市場(chǎng)需求，體現(xiàn)了國(guó)外裝載機(jī)的設(shè)計(jì)思想。根據(jù)物料密度的不同，設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)和不同容量的鏟斗，再配以強(qiáng)度、耐磨性、插入性優(yōu)化組合的不同斗齒，滿足了不同的作業(yè)工況。為適應(yīng)不斷加高的車廂，各個(gè)生產(chǎn)廠商相繼推出了中高卸、高卸、超高卸工作裝置，擴(kuò)大了工作裝置的工作范圍。通過對(duì)液壓系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，從六連桿機(jī)構(gòu)到特殊八連桿機(jī)構(gòu)所配置的快換裝置，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的快速裝卸及液壓軟管的自動(dòng)連接，相關(guān)工作在司機(jī)室通過操縱手柄即可快速完成，提高了作業(yè)的多用性和適應(yīng)性。1.1.2我國(guó)裝載機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)通過十幾年的發(fā)展，走出了一條自主發(fā)展之路，并逐漸發(fā)展壯大，牢牢控制了國(guó)內(nèi)90%以上的市場(chǎng)份額。同時(shí)國(guó)產(chǎn)裝載機(jī)產(chǎn)品以其出色的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)開始在國(guó)際市場(chǎng)上嶄露頭腳，呈現(xiàn)出較好的發(fā)展勢(shì)頭。與工程機(jī)械其他機(jī)種相比，輪式裝載機(jī)的橋、箱、泵、閥及缸等零部件產(chǎn)品配套相對(duì)成熟，已經(jīng)形成了比較完整的配套體系3。 我國(guó)裝載機(jī)行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品，基本上都是以柳工70年代初開發(fā)的ZL50為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，屬國(guó)際60年代技術(shù)水平。進(jìn)入80年代消化吸收美國(guó)Caterpillar、日本小松等先進(jìn)技術(shù)，逐步開發(fā)成功了我國(guó)第二代裝載機(jī)產(chǎn)品。我國(guó)的第二代產(chǎn)品與國(guó)際先進(jìn)產(chǎn)品相比，在機(jī)電一體化、操縱舒適度、作業(yè)效率等方面有較大差距，差距最大的是產(chǎn)品可靠性，國(guó)產(chǎn)多功能裝載機(jī)整機(jī)可靠性差(平均無故障工作時(shí)間不足400小時(shí))，缺乏核心技術(shù)、主要關(guān)鍵部件都依賴進(jìn)口、產(chǎn)品單一，產(chǎn)品檔次低4。雖然國(guó)內(nèi)裝載機(jī)及相關(guān)技術(shù)研究工作起步較晚，但是發(fā)展速度很快，如多功能裝載機(jī)的銷售量已經(jīng)占據(jù)了世界裝載機(jī)市場(chǎng)的半壁江山，我國(guó)已成為世界多功能裝載機(jī)第一產(chǎn)銷大國(guó)。目前我國(guó)裝載機(jī)行業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)了第三代產(chǎn)品。第三代產(chǎn)品的整機(jī)可靠性有很大的提高，各主要性能指標(biāo)基本上能與國(guó)際先進(jìn)水平接軌。但是在可靠性、舒適度、作業(yè)效率及制造水平等發(fā)面和國(guó)外先進(jìn)水平還有相當(dāng)差距。第四代產(chǎn)品在第三代的基礎(chǔ)上也已出現(xiàn)，進(jìn)一步優(yōu)化了整機(jī)的性能及配置，電控箱、濕式制動(dòng)器等技術(shù)得到了應(yīng)用，并形成了各企業(yè)的專有技術(shù)及專利技術(shù)，使產(chǎn)品以嶄新的面目推向市場(chǎng)。這些都將是進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)裝載機(jī)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步5。1.2裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)的趨勢(shì)裝載機(jī)工作裝置在設(shè)計(jì)上存在很多問題，其中主要集中在可靠性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等方面。所以工作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)好壞直接影響到裝載機(jī)的使用壽命以及工作效率等。雖然現(xiàn)在市場(chǎng)上的裝載機(jī)已經(jīng)日趨成熟，但對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)仍有非常重要的意義，尤其是裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)。裝載機(jī)的工作裝置已不再采用單一的“Z型”連桿機(jī)構(gòu)，繼出現(xiàn)了八桿平行結(jié)構(gòu)和TP連桿機(jī)構(gòu)之后，卡特彼勒公司于1996年首次在礦用大型裝載機(jī)上采用了單動(dòng)臂鑄鋼結(jié)構(gòu)的特殊工作裝置，即所謂的“Versalink機(jī)構(gòu)”。這種機(jī)構(gòu)替代綜合多用機(jī)上的八桿平行舉升機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)的“Z型” 連桿機(jī)構(gòu)，可承受極大的扭矩載荷和具有卓越的可靠性（耐用性），駕駛室前端視野開闊。OK公司研制的創(chuàng)新LEAR連桿機(jī)構(gòu)，專為小型裝載機(jī)而設(shè)計(jì)。Schaeff公司于2000年3月在Intermat展覽會(huì)上展出的高卸位式SK L873型輪式裝載機(jī)的可折疊式創(chuàng)新連桿機(jī)構(gòu)工作裝置，進(jìn)一步增加了輪式裝載機(jī)的工作裝置的種類6。綜上所述，未來裝載機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是以人為本的設(shè)計(jì)理念，廣泛應(yīng)用微電子技術(shù)和信息技術(shù)，對(duì)控制系統(tǒng)的集成化和模塊化，進(jìn)一步簡(jiǎn)化操作和提升整機(jī)性能;節(jié)能、環(huán)保動(dòng)力裝置的研發(fā)，將使得司機(jī)的工作環(huán)境舒適性能大大改善，并提高工作效率。1.3 本課題的研究目的及意義裝載機(jī)的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(dòng)力與運(yùn)動(dòng)特性、不同工況下的作業(yè)效果、工作循環(huán)時(shí)間、外形尺寸和發(fā)動(dòng)機(jī)功率等。作為一種復(fù)雜的工程機(jī)械，輪式裝載機(jī)的零部件多，運(yùn)動(dòng)方式多，須從系統(tǒng)層面評(píng)價(jià)其性能的優(yōu)劣。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)到即使傳統(tǒng)的技術(shù)手段使得裝載機(jī)中的每個(gè)零部件都是最優(yōu)的，并不能保證整個(gè)裝載機(jī)工作裝置的性能是最好的，即系統(tǒng)整機(jī)的優(yōu)化不是所有部件優(yōu)化的簡(jiǎn)單疊加。裝載機(jī)的工作裝置設(shè)計(jì)還存在許多有別于其它機(jī)械行業(yè)的特點(diǎn)，其中最重要的一點(diǎn)是它涉及的學(xué)科很多，包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)、流體傳動(dòng)、機(jī)電控制、熱力學(xué)、人機(jī)工程學(xué)和美學(xué)等7。傳統(tǒng)的裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì), 是利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算校核，從而確定工作裝置的各零部件的重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并利用軟件進(jìn)行建模與仿真完成的?，F(xiàn)代工程作業(yè)對(duì)要求裝載機(jī)具有較高的工作效率和較好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性，而這些在很大的程度上取決于裝載機(jī)的工作裝置的結(jié)構(gòu)性能，因此對(duì)裝載機(jī)的工作裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要。2 裝載機(jī)工作裝置總體方案確定2.1裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)要求裝載機(jī)采掘和卸載貨物的作業(yè)是通過工作裝置的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。裝載機(jī)的工作裝置由鏟斗，動(dòng)臂、搖臂、連桿及液壓系統(tǒng)等組成。鏟斗以鏟裝物料；動(dòng)臂和動(dòng)臂油缸的作用是提升鏟斗并使之與車架連接；轉(zhuǎn)斗油缸通過搖臂，連桿使鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)臂的升降和鏟斗的轉(zhuǎn)動(dòng)采用液壓操作。（1）設(shè)計(jì)時(shí)要求由鏟斗、搖臂、連桿、轉(zhuǎn)斗油缸、動(dòng)臂、動(dòng)臂油缸及車架互相鉸接所構(gòu)成的連桿機(jī)構(gòu)，應(yīng)保證在裝載機(jī)作業(yè)時(shí)能滿足：1鏟斗的平移能力，即當(dāng)轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖，動(dòng)臂在動(dòng)臂油缸的作用力下提升時(shí)。連桿機(jī)構(gòu)能使鏟斗保持平移或使斗底平面與水平面夾角的變化控制在允許的范圍內(nèi)。以免裝滿物料的鏟斗由于傾斜而灑落物料。2一定大小的卸荷角，即當(dāng)動(dòng)臂處于任何作業(yè)位置時(shí)，在轉(zhuǎn)斗油缸的作用下通過連桿機(jī)構(gòu)使鏟斗繞其鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，并且卸荷角不小于45度。3.鏟斗的自動(dòng)放平能力，即在動(dòng)臂下降時(shí)，鏟斗能自動(dòng)放平，以減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率。（2）裝載工作對(duì)工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求輪胎式裝載機(jī)是一種裝運(yùn)卸作業(yè)聯(lián)合一體的自行式機(jī)械，它的工作過程由5種工作狀態(tài)或工況組成：1工況I插入狀態(tài)動(dòng)臂下放，鏟斗放置地面，斗尖觸地，鏟斗前壁對(duì)地面呈3-5°前傾角；開動(dòng)裝載機(jī)鏟斗借助機(jī)器的牽引力插入料堆。2工況II鏟裝狀態(tài)工況I以后，轉(zhuǎn)動(dòng)鏟斗，鏟取物料，待鏟斗口翻轉(zhuǎn)至近似水平為止。3工況III重載運(yùn)輸狀態(tài)舉升動(dòng)臂，待工況II之鏟斗升高到適合位置(以斗底離地的高度不小于最小允許距離為準(zhǔn))，然后驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)，載重駛向卸載點(diǎn)。4工況IV一卸載狀態(tài)在卸載點(diǎn)，舉升動(dòng)臂使鏟斗至卸載位置；翻轉(zhuǎn)鏟斗，向運(yùn)輸車輛或固定料倉(cāng)卸載；卸畢，下放動(dòng)臂，使鏟斗恢復(fù)到運(yùn)輸狀態(tài)。5工況V空載運(yùn)輸狀態(tài)卸載結(jié)束后，裝載機(jī)由卸載點(diǎn)空載返回裝載點(diǎn)。在露天礦或工地，通常輪胎式裝載機(jī)是向載重汽車卸裁，出于裝載點(diǎn)和卸載點(diǎn)距離很近，卸載位置較高，所以一般稱作“定點(diǎn)高位卸載”。（3）工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：1保證滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書中所規(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。2保證作業(yè)過程中任何構(gòu)件不與其它構(gòu)件干涉。工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，因?yàn)榻M成工作裝置的各個(gè)構(gòu)件尺寸幾位置的相互影響，可變性很大。對(duì)于選定的結(jié)構(gòu)形式，在滿足上述條件下可以有各種各樣的構(gòu)件尺寸及鉸接點(diǎn)位置。通過多種方案的比較，選出最佳構(gòu)件的尺寸及鉸接點(diǎn)位置，使所設(shè)計(jì)的工作裝置不僅滿足使用要求，而且具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。（4） 裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)要求 根據(jù)裝載機(jī)工作裝置主要運(yùn)動(dòng)和使用條件，其基本要求如下：1工作性能好。應(yīng)保證工作裝置具有較高的生產(chǎn)率，在運(yùn)動(dòng)過程重要平穩(wěn)，盡量減少?zèng)_擊。2壽命長(zhǎng)、可靠性高。應(yīng)特別注意防止油液污染問題，以及保證液壓元件和輔助裝置在高溫或低溫條件下工作的可靠性和提高使用壽命。因此，還應(yīng)考慮壓力成倍的增加和頻繁的急劇變化等。3操縱性能好。裝載機(jī)與機(jī)床不同，機(jī)床是自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)和用電磁閥間接的操縱，而裝載機(jī)是靠人的手直接操縱的。所以必須具有良好的操縱性能。4 工作安全可靠。5 易于安裝、維修和保養(yǎng)。2.2裝載機(jī)工作裝置形式選擇 裝載機(jī)的工作裝置的結(jié)構(gòu)形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其動(dòng)臂和連桿的后端與車架的支座鉸鏈，動(dòng)臂和連桿的前端與鏟斗托架鉸鏈，托架上部鉸接轉(zhuǎn)斗油缸，其活塞桿幾托架下部與鏟斗鉸接。當(dāng)托架、動(dòng)臂、連桿及車架支座構(gòu)成的是平行四連桿機(jī)構(gòu)，則在轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖的情況下提升動(dòng)臂時(shí)，鏟斗始終保持平移，使得鏟斗內(nèi)物料不易灑落。但是由于在動(dòng)臂的前端裝有較重的托架和轉(zhuǎn)斗油缸，使得裝載機(jī)的有效載重量減小，所以目前用得較少。無托架的工作裝置，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，其鏟斗與動(dòng)臂的前端和連桿直接鉸接。按組成連桿機(jī)構(gòu)的數(shù)目可以分為六連桿和八連桿，連桿構(gòu)件數(shù)目多，機(jī)構(gòu)的鉸接點(diǎn)就多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，因此超過八連桿的機(jī)構(gòu)在裝載機(jī)上一般不采用。按連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可以分為正轉(zhuǎn)連桿工作裝置和反轉(zhuǎn)連桿工作裝置。如圖2.1就是反轉(zhuǎn)連桿工作裝置。正轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)的搖臂與鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，而反轉(zhuǎn)連桿工作裝置的搖臂與鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。正轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)工作裝置的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是：最大掘起力是在鏟斗底面略低于地面時(shí)，即鏟斗轉(zhuǎn)角為負(fù)值時(shí)，適宜于挖掘地面，鏟斗卸荷時(shí)前傾角速度大，易于抖落物料，但沖擊較大。 反轉(zhuǎn)連桿工作裝置的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是：最大掘起力是在鏟斗底略高于地面后翻轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)揮出來，而且最大鏟起力比正轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)大。反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)掘起力曲線變化較陡峭，在鏟裝物料轉(zhuǎn)斗時(shí)掘起力大，易于進(jìn)行掘起作業(yè)，適用于一次鏟掘法鏟裝，但是不適于進(jìn)行往上耙料的作業(yè)，鏟斗卸載時(shí)前傾最后階段速度降低，卸載平穩(wěn)、沖擊小，但難于抖落砂土；由于連桿數(shù)目少，傳動(dòng)比小，為了增大搖臂傳動(dòng)比，需增大尺寸，這不僅使卸載時(shí)連桿易碰自卸卡車貨槽側(cè)壁，而且還造成駕駛員視野不好；鏟斗在最高卸載位置卸載后，下降動(dòng)臂鏟斗易于自動(dòng)放平。反轉(zhuǎn)單連桿的工作裝置，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、掘起力大、運(yùn)輸狀態(tài)鏟斗后傾角大、不易撒落物料、鏟斗能自動(dòng)放平等優(yōu)點(diǎn)，因此，在近代裝載機(jī)上得到了廣泛的采用。我國(guó)ZL系列轉(zhuǎn)載機(jī)的工作裝置都是采用反轉(zhuǎn)單連桿型式。至于反轉(zhuǎn)雙連桿機(jī)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于布置，所以目前裝載機(jī)上較少采用。圖2.1反轉(zhuǎn)連桿工作裝置綜上所述,本次設(shè)計(jì)采用無托架反轉(zhuǎn)連桿工作裝置。結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。2.3裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的確定輪式裝載機(jī)總工作裝置體參數(shù)是指它的主要性能參數(shù)和基本尺寸參數(shù)。性能參數(shù)包括裝額定裝載量、額定斗容、發(fā)動(dòng)機(jī)功率、最大插入阻力、最大卸載高度和卸載距離等。基本尺寸參數(shù)包括軸距、輪距、輪胎尺寸、外形尺寸等。(1) 額定裝載量 額定裝載量是指裝載機(jī)本身具有標(biāo)準(zhǔn)備重量,在硬而光滑的水平面上,以不超過每小時(shí)6.4km的速度運(yùn)行,但仍具有必要的穩(wěn)定性時(shí)所能運(yùn)載的重量. 輪式裝載機(jī)的額定裝載量不應(yīng)超過其靜態(tài)傾翻載荷的50%,或是提升能力的100% ,取其中的較小值。 本設(shè)計(jì)額定載重量m=5t(2) 額定斗容 額定斗容又稱堆裝斗容。當(dāng)額定載重量確定后，額定斗容為額定載重量與鏟裝物料的容重之比。 本設(shè)計(jì)額定斗容Vr=0.5m=2.5 m3（3） 發(fā)動(dòng)機(jī)功率 發(fā)動(dòng)機(jī)功率應(yīng)按照裝載機(jī)在作業(yè)時(shí)所需的功率來確定，發(fā)動(dòng)機(jī)的凈功率消耗于兩部分：牽引功率和驅(qū)動(dòng)液壓泵功率。故發(fā)動(dòng)機(jī)功率應(yīng)為 P=21.03m + 46.71=151.86kw（4） 最大插入阻力 插入阻力是裝載機(jī)鏟斗插入料堆時(shí)，料堆對(duì)鏟斗的反作用力。插入阻力分別由以下阻力組成：鏟斗前切削刃口和斗壁兩側(cè)切削刃所受阻力；鏟斗底和側(cè)壁內(nèi)表面與物料的摩擦阻力；鏟斗外表面與料堆之間的摩擦阻力等組成。其值可以按下式計(jì)算： 式中： 物料的塊度和松散程度的影響系數(shù)。取=1.1； K物料種類影響系數(shù)，散狀物料種類為沙石，取為0.12； 鏟斗插入料堆深度(cm)；取50cm；鏟斗寬度(cm)；一料堆高度影響系數(shù)，料高度為1.4m, =1.15。故Px=87845N（5） 最大卸載高度和卸載距離 最大裝載高度是動(dòng)臂在最大舉升高度時(shí)鏟斗的卸載高度，該高度與配合作業(yè)的車輛有關(guān)，可按下式計(jì)算 =H+0.2B=3360mm 卸載距離表示在最大卸載高度時(shí)鏟斗斗尖與裝載機(jī)前外廓的水平距離，該參數(shù)可按下式計(jì)算 S=0.5B+0.3=1200mm（6） 基本尺寸參數(shù)運(yùn)輸車貨箱高度H=3000mm貨箱寬度B=1800mm 輪輞直徑D=25lin=635mm輪胎寬度b=590mm 輪距取為L(zhǎng)=2250mm2.5 本章小結(jié) 本章主要分析了裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)要求,參照了多種裝載機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)形式，選擇反轉(zhuǎn)六桿工作機(jī)構(gòu)，并采用以額定載重量為基本參數(shù)的統(tǒng)計(jì)方程確定了裝載機(jī)工作裝置的主要參數(shù)。最后又分析了工作裝置液壓系統(tǒng)的使用條件跟要求，為下一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。3裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1鏟斗設(shè)計(jì)3.1.1鏟斗結(jié)構(gòu)形式的選擇鏟斗是直接用來切削、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(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)效率是鏟斗設(shè)計(jì)的主要要求。鏟斗是在惡劣的環(huán)境下工作承受很大的沖擊載荷和劇烈的磨損，所以要求鏟斗具有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)要耐磨。不同種類的鏟掘物料需用不同結(jié)構(gòu)形式的鏟斗,本設(shè)計(jì)選擇裝有斗齒的直線型鏟斗,如圖3.1所示。適用于鏟裝堆積密實(shí)的物料及塊度較大的巖石。 圖3.1 直線形帶齒鏟斗 3.1.2鏟斗基本參數(shù)的確定（1）鏟斗寬度鏟斗寬度是鏟斗的主要基本參數(shù)。鏟斗寬度應(yīng)大于裝載機(jī)前輪外側(cè)寬度，每側(cè)突出50-100mm，如果鏟斗寬度小于輪胎外側(cè)寬度，則鏟斗鏟取物料后所形成的料推階梯，會(huì)損傷輪胎側(cè)壁，增加行駛阻力。取3000mm (2) 鏟斗回傳半徑R指鏟斗與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)至切削刃之間的距離是鏟斗的基本參數(shù)。鏟斗的其他斷面形狀參數(shù)視為該參數(shù)的函數(shù)。這是因?yàn)樗苯佑绊戠P斗前壁的長(zhǎng)度，前壁長(zhǎng)度的鏟斗要求插入深度大，插入力大，卸載時(shí)所占的高度空間大，而且直接影響鏟斗鏟取力和斗容的大小。根據(jù)幾何簡(jiǎn)圖（見圖3.3）可以計(jì)算鏟斗橫截面積為式3.1而鏟斗的幾何容積，可得回傳半徑為式3.2圖3.3鏟斗基本參數(shù)簡(jiǎn)圖式中 ：斗的幾何容量(圖3.3所示陰影斷面)，取3 m；鏟斗內(nèi)壁寬度，為鏟斗寬度扣除兩側(cè)壁厚， 即=B-2=3000-2x20=2960mm鏟斗斗底長(zhǎng)度系數(shù)，1.4-1.5，取1.45；后斗壁長(zhǎng)度系數(shù)，1.1-1.2，取1.15；擋板高度系數(shù)，0.12-0.14，取0.13；斗底和后斗壁直線間的圓弧半徑系數(shù)，0.35-0.4，取0.36；擋板與后斗壁間的夾角，5-10，取9； 斗底和后斗壁間的夾角，48-52，(有推薦55-65)；取45； 由計(jì)算得：R=1414mm （4）鏟斗的斷面形狀參數(shù)：斗的圓弧半徑、張開角、擋板高度和底壁長(zhǎng)，如圖3.3所示。斗底圓弧半徑取為r=495mm斗底長(zhǎng)度：是指鏟斗切削刃到斗底后斗壁交線之間的距離，可用下式計(jì)算： 1979.62121mm 取2121mm 式3.3 后斗壁長(zhǎng)度：是指切削刃至斗底圓弧與底壁相切點(diǎn)間的距離，長(zhǎng)，則斗插入料堆深度大，斗易于裝滿，但由于力臂的增大而使掘起力減小，插入阻力隨鏟斗插入料堆的深度而急劇增加，長(zhǎng)還影響卸載高度；短，則掘起力大，并由于卸料時(shí)鏟斗刃口降落的高度小，可以減小動(dòng)臂舉升高度，縮短作業(yè)時(shí)間。對(duì)裝載輕質(zhì)物料為主的鏟斗，可以選用大些；對(duì)裝載巖石料的鏟斗。應(yīng)取小些。 Lz=Rz=1537.41696.8mm 取1537mm 式3.4擋板高度：是指斗上緣至斗底圓弧與后壁相切點(diǎn)間的距離。過小，易漏料；過大則增加鏟斗外形。影響駕駛員視線。 Lk=Rk=169.7197.9mm 取170mm 式3.5（5）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。對(duì)于裝有擋板的鏟斗的額定斗容： (m) 式3.6式中： c物料堆積高度(m)；為物料按2比1的坡度角堆裝的體積。計(jì)算得3(m)物料堆積高度c可由作圖法確定，即由料堆頂點(diǎn)作直線垂直于刮平線（刀刃與擋板高度連線），如下圖所示。圖3.4斗容計(jì)算圖（5）斗齒的設(shè)計(jì)鏟斗斗刃上可以由斗齒，也可以沒有斗齒。若斗刃上裝有斗齒，斗齒將先于切削刃插入料堆，由于它比壓大（即單位長(zhǎng)度插入力大），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(duì)料堆比較密實(shí)，大塊較多的情況，效果尤為明顯。斗齒結(jié)構(gòu)分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。斗齒的形狀和間距對(duì)切削阻力是有影響的。一般中型裝載機(jī)鏟斗的斗齒間距為250500mm 左右。太大時(shí)由于切削刃將直接參與插入工作，使阻力增大；太小時(shí)，齒間易卡住石塊，也將增大工作阻力。長(zhǎng)而窄的齒要比短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(zhǎng)載荷不大于500-600kg 為宜。初選齒間距為300mm，斗齒寬度為60mm，斗齒長(zhǎng)度為300mm。3.2工作機(jī)構(gòu)連桿系統(tǒng)的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)3.2.1工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)斗油缸后置式反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu) 這機(jī)構(gòu)有兩大優(yōu)點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)斗油缸大腔進(jìn)油時(shí)轉(zhuǎn)斗，并且連桿系統(tǒng)的倍力系數(shù)能設(shè)計(jì)成較大值。所以可以獲得相當(dāng)大的鏟取力；（2）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(dòng)性能，而且可以實(shí)現(xiàn)鏟斗自動(dòng)放平。 此外，結(jié)構(gòu)十分緊湊、前懸小，司機(jī)視野好也是此種機(jī)構(gòu)的突出優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是搖臂和連桿布置在鏟斗與前橋之間的狹窄部位，容易發(fā)生構(gòu)件相互干擾。工作機(jī)構(gòu)的基本給構(gòu)如圖所示。鏟斗1、動(dòng)臂2、連桿3、搖臂4、轉(zhuǎn)斗油缸5，舉升油缸6等組成。圖3.5 裝載機(jī)工作裝置圖3.2.2動(dòng)臂設(shè)計(jì)（1）動(dòng)臂與鏟斗的鉸接點(diǎn)G的確定把已設(shè)計(jì)好的鏟斗橫截面外輪廓圖畫在x0y坐標(biāo)里，斗尖對(duì)準(zhǔn)坐標(biāo)原點(diǎn)0，斗前壁與x軸呈4°。此為鏟斗插入料推時(shí)位置，即為工況。由于G點(diǎn)的x坐標(biāo)值越小，轉(zhuǎn)斗掘起力就越大，所以G點(diǎn)靠近0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G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，但這樣縮小了G點(diǎn)與連桿鏟斗鉸接點(diǎn)F的距離，使掘起力下降。綜合考慮各種因素的影響，更具坐標(biāo)圖上工況I時(shí)的鏟斗實(shí)際狀況，取G點(diǎn)的坐標(biāo)為（1356，220）。（2） 動(dòng)臂與車架鉸接點(diǎn)A的確定1以G點(diǎn)為圓心，使鏟斗順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，至鏟斗斗口與x軸平行為止，即工況II。2把已選定的輪胎外廓圖在坐標(biāo)圖上。作圖時(shí)，應(yīng)使輪胎前緣與工況II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。取為418mm；輪胎中心QZ的y坐標(biāo)值應(yīng)等于輪胎的工作半徑Rk。由參考文獻(xiàn)得： yz =Rk = = =830.4mm 取為830mm 式3.73更具給定的最大卸載高度Hmax、最小卸載距離Lmin和卸載角x，畫出鏟斗在最高位置卸載時(shí)的位置圖，即工況IV，如圖3.6所示。AIVIII圖3.6 動(dòng)臂結(jié)構(gòu)布置示意圖4以工況IV時(shí)的G點(diǎn)為圓心，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)鏟斗，使鏟斗口與x軸平行，即得到鏟斗最高舉升位置圖，即工況III。5兩動(dòng)臂鉸接點(diǎn)A在橫向平面內(nèi)的距離bA,根據(jù)裝載機(jī)的輪距并考慮動(dòng)臂油缸的外形尺寸取為1200mm。A點(diǎn)到前輪中心的距離lA取為660mm。顯然在A應(yīng)在GG兩點(diǎn)連線的中垂線mm上，再根據(jù)la大小作垂線nn，直線mm與nn交點(diǎn)即為所求的A點(diǎn)。（3） 動(dòng)臂長(zhǎng)度的確定根據(jù)給定的最大卸載高度Hmax及最大卸載高度時(shí)的卸載距離S可以按圖3.7計(jì)算動(dòng)臂的長(zhǎng)度。如圖3.7示，AG為動(dòng)臂長(zhǎng)度，當(dāng)動(dòng)臂提升到最大卸載高度時(shí)，利用所示的幾何關(guān)系，從三角形AGI可求出動(dòng)臂長(zhǎng)度Lag，由參考文獻(xiàn)得：Lag= 式3.8式中a=La+R+S=660+885+1100=2645mm; b=Hmax-ha=3000-1870=1130mm; c2=hg2+lg2=2202+13562=1887136mm； =55°代入上式得Lag=2921mm 圖3.7 動(dòng)臂布置幾何圖解（4） 動(dòng)臂形狀的選擇 動(dòng)臂按其縱向中線形狀可分為直線型與曲線型兩種。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，腹板變形小，重量輕，而且動(dòng)臂的受力情況較好，后者可使工作裝置的結(jié)構(gòu)布置更為合理。 動(dòng)臂斷面的結(jié)構(gòu)形式有單板，雙板和箱形三種。大型裝載機(jī)的動(dòng)臂多采用雙板或用箱形結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@種動(dòng)臂形式能較好的改善動(dòng)臂的受力情況，消除了單板動(dòng)臂因搖臂支撐力作用使動(dòng)臂承受附加扭矩的影響。 本設(shè)計(jì)選用曲線型雙板結(jié)構(gòu)如圖3.8所示：圖3.8 動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)形式3.3 動(dòng)臂舉升油缸的設(shè)計(jì)3.3.1動(dòng)臂油缸的鉸接位置確定動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂及車架的鉸接點(diǎn)H、M的位置，通常參考同類樣機(jī)，同時(shí)考慮動(dòng)臂油缸的提升力臂與行程的大小選定。H點(diǎn)一般選在約為動(dòng)臂長(zhǎng)度的三分之一處，且在動(dòng)臂兩鉸接點(diǎn)的連線之上，以便留出鉸接位置。動(dòng)臂油缸與車架有兩種連接方式：油缸下端與車架鉸接；油缸中部或上部與車架鉸接。本設(shè)計(jì)選油缸下端與車架鉸接，且油缸的下端到地面的距離hm取為498mm，避免發(fā)生干涉。如圖3.9所示：圖 3.9 動(dòng)臂油缸的鉸接位置3.3.2動(dòng)臂油缸行程的確定在選定動(dòng)臂油缸鉸接點(diǎn)的位置后，便可用與求動(dòng)臂長(zhǎng)度的方法求出其油缸行程LH： LH=LmmaxLmmin=23501456=894mm 式3.9式中Lmmax動(dòng)臂油缸的最大安裝距離；Lmmin動(dòng)臂油缸的最小安裝距離。3.4連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.4.1動(dòng)臂與搖臂的鉸接點(diǎn)B的確定根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，一般取B點(diǎn)在AG連線的上方，過A點(diǎn)的水平線的下方，并在AG的垂直平分線左側(cè)盡量靠近工況II時(shí)的鏟斗處。相對(duì)前輪胎，B點(diǎn)在其外部的左上部。即取B點(diǎn)的坐標(biāo)為（2180，1522）。3.4.2 連桿與鏟斗和搖臂的兩個(gè)鉸接點(diǎn)的確定由于G、B兩點(diǎn)已被確定，所以確定F點(diǎn)和E點(diǎn)實(shí)際上是為了最終確定與鏟斗相連的四桿機(jī)構(gòu)GFEB的尺寸，如圖3.10所示。按雙搖桿條件設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)令GF桿為最短桿，BG桿為最長(zhǎng)桿，即必有 GF+BG>EF+BE 如圖3.7所示，若令GF=a，F(xiàn)E=b，BE=c，BG=d，并將上式不等號(hào)兩邊同除以d，經(jīng)整理可得下式，即 K= 式3.10在設(shè)計(jì)時(shí)，上式各值可按式一下格式選取。 K=0.9500.995 a=（0.30.5）d c=（0.40.8）d由于d值已由BG確定為1540mm，代入以上各式即可求得a、b、c的取值范圍。同時(shí)又要滿足以下四點(diǎn)要求：1）E點(diǎn)不可與前橋相碰，并有足夠的最小離地高度；2) 工況I（插入工況）時(shí)，使EF桿盡量與GF桿垂直，這樣可獲得較大的傳動(dòng)角和倍力系數(shù)；3）工況II（鏟裝工況）時(shí)，EF桿與GF桿的夾角必須小于170°，即傳動(dòng)角不能小于10°，以免機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生自鎖；4）工況IV（高位卸載工況）時(shí)，EF桿與GF桿的傳動(dòng)角也必須大于10°。經(jīng)作圖后取得：a=583mm，b=1250mm，c=900mm。E、F的位置如圖3.10所示。 圖3.10 連桿、搖臂、轉(zhuǎn)斗油缸尺寸設(shè)計(jì)3.4.3 轉(zhuǎn)斗油缸與搖臂和機(jī)構(gòu)的鉸接點(diǎn)的確定1）確定C點(diǎn)從力傳遞效果出發(fā)，顯然使搖臂BC段長(zhǎng)一些有利，那樣可以增大轉(zhuǎn)斗油缸作用力臂，使掘起力相應(yīng)增加。但加長(zhǎng)BC段，必將減小鏟斗和搖臂的轉(zhuǎn)角比，造成鏟斗轉(zhuǎn)角難以滿足各個(gè)工況的要求，并且使轉(zhuǎn)斗油缸行程過長(zhǎng)。因此，設(shè)計(jì)使，一般取 BC= (0.71.0)BEC點(diǎn)一般取在B點(diǎn)左上方，BC與BE夾角可取 CBE=130°180°并注意使工況I時(shí)搖臂BC與轉(zhuǎn)斗油缸CD接近垂直；C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)不得與鏟斗干擾，其高度不能影響司機(jī)視野。經(jīng)畫圖取得滿足要求的尺寸為BC=650mm，CBE=165°。2）確定D點(diǎn)如圖3.10所示，當(dāng)鉸接點(diǎn)G、F（即F2）、E(即E2)、B、C（即C2）被確定后，則鏟斗分別在工況I、II、III、IV時(shí)的C點(diǎn)的位置C1、C2、C3、C4也就唯一被確定下來。由于鏟斗由工況II舉升到工況III過程為平動(dòng)和由工況IV下降到工況I時(shí)能自動(dòng)放平。在此過程中，轉(zhuǎn)斗油缸的長(zhǎng)度均分別保持不變，所以D點(diǎn)必為C2點(diǎn)和C3點(diǎn)連線的垂直平分線與C1點(diǎn)和C4點(diǎn)連線的垂直平分線的交點(diǎn)。研究證明，D點(diǎn)設(shè)計(jì)在A點(diǎn)的左下方較好，這樣不但平動(dòng)性好，而且動(dòng)臂舉升時(shí)，可減少舉升外阻力矩，有利于舉升油缸的設(shè)計(jì)。D點(diǎn)的位置見圖3.10所示。3.5工作裝置的強(qiáng)度校核在求得工作裝置各主要構(gòu)件受力的基礎(chǔ)上，計(jì)算各構(gòu)件的內(nèi)力，并進(jìn)行危險(xiǎn)斷面的強(qiáng)度校核。3.5.1工作裝置的外載荷計(jì)算1、最大插入力Fin的計(jì)算Fin受限于裝載機(jī)的最大牽引力Fd，即Fin=Fd=Gw=（7580%）G0.5=67307.625N 式3.11式中Gw-裝載機(jī)主動(dòng)行走輪軸上所受的重力，單位為N-輪胎對(duì)地面的附著系數(shù)。2、最大鏟取阻力Fsh的計(jì)算最大轉(zhuǎn)斗阻力矩發(fā)生在開始轉(zhuǎn)斗時(shí)的一瞬間，其值可用下列實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算：Mmax=1.1Fin =1.1 =34106Nm 式3.12Fsh=Nm 式3.13式中LCmax-鏟斗插入料堆的最大深度，單位為m；X,Y-鏟斗斗尖到鏟斗回轉(zhuǎn)軸G的水平和垂直距離，單位均為m。3.5.2 工作裝置的受力分析 由工作裝置是一個(gè)受力較復(fù)雜的空間超靜定系統(tǒng)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，通常作如下假設(shè)： 1）在對(duì)稱受載工況中，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，則可取工作裝置結(jié)構(gòu)的一側(cè)進(jìn)行受力分析，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： Rx1=Rx2=33653.8NRy1=Ry2=18582N 式3.142）側(cè)連桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件軸線均假設(shè)在同一平面內(nèi)，所有作用力都通過各桿件斷面彎曲中心，忽略各桿件因不在同一平面內(nèi)所引起的扭矩，計(jì)算時(shí)可以用構(gòu)件的中軸線來代替實(shí)際構(gòu)件。根據(jù)以上假設(shè)，就可以將工作裝置這樣一個(gè)空間超靜定結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化為一般平面問題進(jìn)行受力分析。為了分析工作裝置各鉸接點(diǎn)的受力情況，可以選取一種簡(jiǎn)單的受力工況進(jìn)行分析，對(duì)于復(fù)雜的受力工況，可以簡(jiǎn)化為幾種簡(jiǎn)單的受力工況的幾何疊加。因此以水平垂直對(duì)稱同時(shí)作用的工況進(jìn)行分析。計(jì)算工作裝置各構(gòu)件受力時(shí)，首先以鏟斗為受力分離體，去掉約束以反力代替，然后，根據(jù)構(gòu)件中的連接順序，依次求出各構(gòu)件的受力。此時(shí)，工作裝置各構(gòu)件的受力簡(jiǎn)圖如圖3.11所示，并規(guī)定任何構(gòu)件中力的符號(hào)以拉力為正，壓力為負(fù)。 （a） （b） 圖3.11 工作裝置受力分析這樣，根據(jù)平面靜力學(xué)公式可列出工作裝置各構(gòu)件的靜力學(xué)計(jì)算平衡方程式如下。a 對(duì)于鏟斗，如圖3.11所示，有 =61759.4N =-94063.6N =5741.5Nb 連桿EF受力 如圖3.11a所示，因連桿為二力構(gòu)件，所以 PF=PE=61759.4N (受拉力)c 搖臂受力 如圖3.11a所示。 =-76217.4N =-13543.6N =5598.2Nd 動(dòng)臂受力分析 如圖3.11b所示。 =-199669N =-25997.4N =-137043.3N3.5.3 工作裝置的強(qiáng)度校核(1)動(dòng)臂 在對(duì)稱載荷的作用下，動(dòng)臂可看作是支撐在車架A點(diǎn)和動(dòng)臂油缸上鉸接點(diǎn)H的雙支點(diǎn)懸臂變截面曲梁。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將動(dòng)臂主軸線分成GI、IJ、JH、HA等折線段，見圖3.12，求出每段的內(nèi)力Q、N、M值。 圖3.12 動(dòng)臂內(nèi)力計(jì)算1.GI段軸向力 NGI=-88837.2N剪 力 QGI=-31446.4N彎 矩 MI=（）LGI=-19862201.7Nmm=-19862.2017Nm2. IJ段軸向力 NIJ=-39090.7N剪 力 QIJ=-85748.7N彎 矩 MJ=（）LIJ=-95119318.1Nmm=-95119.3181Nm3. JH段軸向力 NJH=-81642.5N剪 力 QJH=-71010.1N彎 矩 MH=141587660.9Nmm=141587.6609Nm4.HA段軸向力 NHA=64929N剪 力 QHA=123454.5N彎 矩 MA=0根據(jù)所求出的各段內(nèi)力即可求出內(nèi)力圖，圖3.13為以對(duì)稱水平載荷為例做出的動(dòng)臂內(nèi)力圖。（a）軸力圖 （b）剪力圖 （c）彎矩圖 圖3.13 對(duì)稱載荷引起的動(dòng)臂內(nèi)力圖其危險(xiǎn)斷面在H點(diǎn)附近為m-m斷面如圖3.11所示。在此斷面上作用有彎曲應(yīng)力、正應(yīng)力和剪應(yīng)力，以其合成力所表示的強(qiáng)度條件為 把A=50382=19100mm2，W= 7296200mm3代入上式，且此動(dòng)臂的材料為Q235其=156.7MPa；=105MPa。則有： =19.4+4.27=23.67 MPa =6.46 MPa即滿足強(qiáng)度要求。(2) 搖臂 在對(duì)稱載荷的作用下，搖臂可看作是支撐在車架D點(diǎn)的變截面曲梁。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將動(dòng)臂主軸線分成CD、DE折線段，見圖3.14，求出每段的內(nèi)力Q、N、M值。 圖3.14 搖臂內(nèi)力計(jì)算1. CD段軸向力 NCD=-27313.9N剪 力 QCD=-71155.1N彎 矩 MD=-46370666.16Nmm=-46370.66616Nm2. ED段軸向力 NED=34535.4N剪 力 QED=51200.9N根據(jù)所求出的各段內(nèi)力即可求出內(nèi)力圖，圖3.15為以對(duì)稱水平載荷為例做出的動(dòng)臂內(nèi)力圖。 （a）軸力圖 （b）剪力圖 （c）彎矩圖 圖3.15對(duì)稱載荷引起的搖臂內(nèi)力圖其危險(xiǎn)斷面在D點(diǎn)附近。在此斷面上作用有彎曲應(yīng)力、正應(yīng)力和剪應(yīng)力，以其合成力所表示的強(qiáng)度條件為 把A=270264=70200mm2，W= 3088800mm3代入上式，且此搖臂的材料為Q345其=230MPa；=258MPa。則有： =15.01+0.49=15.50 MPa =1.52 MPa即強(qiáng)度滿足要求。(3)連桿在此工況下連桿受拉力,且材料為Q235其=156.7MPa。即有： 即滿足強(qiáng)度要求。3.6工作裝置連接設(shè)計(jì) 鉸接式工程機(jī)械的前、后機(jī)架，機(jī)架與工作裝置以及工作裝置各部件之間的連接，廣泛采用鉸接銷軸。目前，銷軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此其結(jié)構(gòu)千差萬別，使用效果也不理想。介于這種現(xiàn)狀，本設(shè)計(jì)對(duì)銷軸做了如下方面的設(shè)計(jì)。3.6.1銷軸材料的選擇銷軸材料大多選用45號(hào)鋼或是40Cr合金鋼，按現(xiàn)有工程機(jī)械鉸點(diǎn)銷軸尺寸來校核銷軸的強(qiáng)度，絕大多數(shù)選用45號(hào)鋼即可滿足剛度、強(qiáng)度要求，選用合金鋼是浪費(fèi)的。故該設(shè)計(jì)中銷軸材料選用45號(hào)鋼。3.6.2 銷軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的銷軸結(jié)構(gòu)如圖3.16（a）所示，兩側(cè)支撐與銷軸，中間支撐與銷套的配合一般選用過度配合。根據(jù)軸徑的大小，銷軸與銷套的配合選用不同程度的較大配合間隙，兩側(cè)支撐板與中間支撐板間的間隙一般為2mm3mm。中間支撐板通過銷軸將力傳給銷軸，受力簡(jiǎn)圖如圖3.16（b）所示： （a）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 （b）受力簡(jiǎn)圖 圖3.16 1、3側(cè)支撐 2、中間支撐 4、銷軸 5、銷套根據(jù)以上簡(jiǎn)圖進(jìn)行銷軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)(1) D處銷軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)D處，a=170mm b=170mmPZ=2=29308NPA=14654.4N PB=14654.4N=6108PaD34.8mm=3.6108Pa D7.2mm此處取為100mm(2) A處銷軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)A處，a=150mm， b=150mmPZ=139487NPaD56.2mmPa D15.7mm此處取為70mm(3) H處銷軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)H處，a=b=65mmPZ=PF=199669NPaD47.9mmPa D18.7mm此處取為70mm(4) C處銷軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)C處，a=b=144mmPz=2Pc=152434NPaD57.1mmPa D16.4mm 此處取為70mm(5) E處銷軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)E處的情況與C處類似且E處受力比C處小取此處D=70mm一定滿足強(qiáng)度。(6) F處銷軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)F處，a=b=65mm Pz=2PF=123518NPa D40.8mmPa D14mm此處取為70mm3.7本章小結(jié)本章根據(jù)任務(wù)書中給出的裝載機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，參考同類機(jī)型的鏟斗形狀，通過計(jì)算校核，確定鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑、斗底長(zhǎng)度、后斗底長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后通過計(jì)算確定鏟斗的幾何斗容和額定斗容，與任務(wù)書中給定的斗容進(jìn)行比較可知鏟斗的參數(shù)設(shè)計(jì)符合要求。 又運(yùn)用圖解法確定動(dòng)臂長(zhǎng)度、形狀及與車架的鉸接位置，然后確定動(dòng)臂油缸的鉸接位置及動(dòng)臂油缸的行程，在此基礎(chǔ)上對(duì)連桿機(jī)構(gòu)（由動(dòng)臂、鏟斗、轉(zhuǎn)斗油缸、搖臂等組成）進(jìn)行設(shè)計(jì)并校核。4 裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1轉(zhuǎn)斗油缸及舉臂油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算轉(zhuǎn)斗油缸和舉臂油缸的設(shè)計(jì)主要根據(jù)工作機(jī)構(gòu)所需最大鏟取力和最大舉升力來進(jìn)行。（1）最大鏟取力和轉(zhuǎn)斗油缸所需輸出力的確定1Fsh的計(jì)算利用回歸分析法得：Fsh =5500+22.5m=5500+22.55000=11800N2Fdg的計(jì)算對(duì)于反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)，F(xiàn)dg可按下式計(jì)算：Fdg=PE=61759.4N式中PE-鉸接E的約束反力;（2）最大舉升載荷、最大舉升力和舉臂油缸所需輸出力的確定1確定mmax舉臂油缸將鏟斗舉升到最高位置（工況）時(shí)，鏟斗內(nèi)能夠被舉臂油缸舉起的最大載重量稱為最大舉升載荷mmax，它大于鏟斗的額定載重量m，而小于鏟斗舉升時(shí)機(jī)器的縱向傾翻載荷mo,初步設(shè)計(jì)時(shí)，一般取m=mo/2，而取mmax=0.85mo，所以mmax=1.7mr=8500kg。2確定FJFJ=FI=345477N3計(jì)算舉臂油缸所需輸出力FbgFbg=4.2油缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）根據(jù)求得的油缸所需輸出力Fdg和Fbg，選擇合適的定型系列化產(chǎn)品。根據(jù) JB 1068-67 取得轉(zhuǎn)斗油缸內(nèi)徑D1=140mm，外徑d1=168mm舉升油缸內(nèi)徑D2=125mm，外徑d2=146mm（2）液壓缸的安裝方式選擇尾部軸銷安裝，可以使液壓缸在平面內(nèi)擺動(dòng)。4.3穩(wěn)定性校核液壓缸的活塞桿由45號(hào)鋼制成，=350MPa,=280MPa，E=210GPa，長(zhǎng)度L1=1000mm，L2=1300mm，直徑d1=168mm，d2=146mm。所受壓力為P2=PI=175740N。P1=PE=14000N。 = 由于<,< 所以不能用歐拉公式計(jì)算臨界壓力。查材料力學(xué)（高等教育出版社）中表14.2得優(yōu)質(zhì)碳鋼的a和b分別是：a=461Mpa，b=2.568Mpa 由于<,<故轉(zhuǎn)斗油缸和舉臂油缸的活塞桿是小柔度壓桿，故無需進(jìn)行穩(wěn)定性分析。 滿足強(qiáng)度要求。4.4本章小結(jié)本章對(duì)裝載機(jī)的工作裝置液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算, 確定了轉(zhuǎn)斗油缸及舉臂油缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行了強(qiáng)度校核，滿足強(qiáng)度要求。5 總結(jié)與展望5.1 結(jié)論本次對(duì)ZL50輪式裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)中，鏟斗，工作裝置各部分的鉸接位置以及強(qiáng)度校核是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，這些部分的設(shè)計(jì)工作主要包括以下步驟： （1）根據(jù)任務(wù)書中給出的裝載機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，參考同類機(jī)型的鏟斗形狀，通過計(jì)算校核，確定鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑、斗底長(zhǎng)度、后斗底長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后通過計(jì)算確定鏟斗的幾何斗容和額定斗容，與任務(wù)書中給定的斗容進(jìn)行比較可知鏟斗的參數(shù)設(shè)計(jì)符合要求。（2）在工作裝置的結(jié)構(gòu)選擇上，本文參照了多種裝載機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)形式，選擇反轉(zhuǎn)六桿工作機(jī)構(gòu)，運(yùn)用圖解法確定動(dòng)臂長(zhǎng)度、形狀及與車架的鉸接位置，然后確定動(dòng)臂油缸的鉸接位置及動(dòng)臂油缸的行程，在此基礎(chǔ)上對(duì)連桿機(jī)構(gòu)（由動(dòng)臂、鏟斗、轉(zhuǎn)斗油缸、搖臂等組成）進(jìn)行設(shè)計(jì)。（3）本文首先分析了裝載機(jī)在工作時(shí)鏟斗的六種典型的受力方式，然后選取其中受力最大的一種情況，對(duì)這種情況進(jìn)行詳細(xì)的分析，通過計(jì)算校核，確定動(dòng)臂、連桿、搖臂和鉸銷的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。