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《工程機(jī)械學(xué)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
目 錄
一、 課程設(shè)計(jì)題目------------------------------------------------1
二、 鏟斗設(shè)計(jì)------------------------------------------------------2
1、 鏟斗的構(gòu)造-----------------------------------------------3
2、 鏟斗的斷面形狀和基本參數(shù)--------------------------4
3、 斗容計(jì)算--------------------------------------------------7
三、動(dòng) 臂 設(shè) 計(jì)------------------------------------------------------8
1、動(dòng)臂長(zhǎng)度-----------------------------------------------------8
2、動(dòng)臂鉸點(diǎn)的確定--------------------------------------------9
四、反轉(zhuǎn)斗四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)---------------------------------------10
1、斗四連桿設(shè)計(jì)---------------------------------------------11
2、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析------------------------------------12
2、程序代碼---------------------------------------------------16
3、程序運(yùn)行結(jié)果---------------------------------------------17
5、ZL40裝載機(jī)參數(shù)-----------------------------------------20
6、轉(zhuǎn)斗缸四連桿設(shè)計(jì)---------------------------------20
五、 心 得 體 會(huì)-------------------------------------------------21
六、 參 考 文 獻(xiàn)-------------------------------------------------21
工 程 機(jī) 械 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì)
設(shè)計(jì)題目：ZL40裝載機(jī)反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)工作裝置的設(shè)計(jì)
設(shè) 計(jì) 者：趙 勇
學(xué)校名稱(chēng)：華東交通大學(xué)
班 級(jí)：04理工機(jī)設(shè)2班
指導(dǎo)老師：吳國(guó)棟
ZL40裝載機(jī)反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)工作裝置的設(shè)計(jì)
1 裝載機(jī)工作裝置介紹
裝載機(jī)的工作裝置是由鏟斗、升降動(dòng)臂的液壓缸、連桿機(jī)構(gòu)組成，用以完成鏟掘、裝載作業(yè)。對(duì)中小型裝載機(jī)，一般還常配有可以更換的工作裝置，以適應(yīng)多種作業(yè)的需要。
裝載機(jī)工作裝置應(yīng)滿(mǎn)足如下要求：
1.鏟斗的運(yùn)動(dòng)軌跡符合作業(yè)要求，即要滿(mǎn)足鏟掘、裝載的要求；
2.要滿(mǎn)足卸載高度和卸載距離的要求，并保證動(dòng)臂在任何位置都能卸凈鏟斗中的物料；
3.在滿(mǎn)足作業(yè)要求的前提下，工作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自重輕、受力合理、強(qiáng)度高；
4.保證駕駛員具有良好的工作條件，確保工作安全，視野良好，操作簡(jiǎn)單和維修方便。
原始的裝載機(jī)工作裝置如圖1—1所示，鏟斗與動(dòng)臂固定，若轉(zhuǎn)斗液壓缸不動(dòng)，當(dāng)動(dòng)臂提升時(shí)，鏟斗和動(dòng)臂一起繞著定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，斗的傾角隨著動(dòng)臂轉(zhuǎn)角的增大而增大，使斗中物料撒落，為使物料不撒落，要求動(dòng)臂舉升時(shí)，鏟斗應(yīng)相對(duì)動(dòng)臂向前傾，以補(bǔ)償鏟斗隨動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的后傾，實(shí)現(xiàn)鏟斗接近平移運(yùn)動(dòng)。這樣的運(yùn)動(dòng)通常是由連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖1—2所示，為一個(gè)由機(jī)架、動(dòng)臂拉桿和框架（斗）組成的工作裝置連桿機(jī)構(gòu)，動(dòng)臂和拉桿的一端與車(chē)架鉸接，另一端則與框架鉸接。斗和斗液壓缸固定在框架上。動(dòng)臂舉升時(shí)，動(dòng)臂與機(jī)架的夾角α改變，引起框架和動(dòng)臂的夾角?改變，由于斗裝在框架上，故斗相對(duì)于動(dòng)臂產(chǎn)生了轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)臂舉升時(shí)，斗在空間的運(yùn)動(dòng)，可以為斗跟隨動(dòng)臂一起繞定
點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的牽連運(yùn)動(dòng)和相對(duì)動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的合成。
若動(dòng)臂轉(zhuǎn)角△α（即斗的牽連運(yùn)動(dòng)），通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)使框架（斗）相對(duì)于動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)△?（斗的相對(duì)運(yùn)動(dòng)），則斗在空間的實(shí)際轉(zhuǎn)角為：
△γ=△α+△?
若△α≈-△?，則△γ≈0，即使動(dòng)臂在舉升時(shí)，斗在空間基本上無(wú)轉(zhuǎn)角變化。
2 鏟斗的設(shè)計(jì)
2.1 鏟斗的介紹
鏟斗是鏟裝物料的工具，它的斗型與結(jié)構(gòu)是否合理，直接影響裝載機(jī)的生產(chǎn)率，在設(shè)計(jì)工作裝置連桿之前，首先要確定鏟斗的幾何形狀和尺寸，因?yàn)?
它與連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有密切的關(guān)系。
設(shè)計(jì)鏟斗首先要具有合理的斗型，以減少切削和裝料阻力，提高作業(yè)生產(chǎn)率，其次是在保證鏟斗具有足夠強(qiáng)度和剛度的前提下，盡量減少自重，同時(shí)也應(yīng)考慮到更換工作裝置和修復(fù)易換零件（切削刃、斗點(diǎn)）的方便。
1. 普通鏟斗的構(gòu)造（圖2—1）
圖2—1所示是一個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的鏟斗，底板上的主切削刃1和側(cè)板上側(cè)刀刃2均由耐磨材料制成；在鏟斗上方有擋板3把斗后壁加高，以防止斗舉高時(shí)物料向后撒落。斗底上鑲有耐磨材料制成的護(hù)壁4，以保護(hù)斗底，并加強(qiáng)斗的剛度。
直線型刀刃適宜用于轉(zhuǎn)載輕質(zhì)和松散小顆粒物料，并可以利用刀刃作刮平、清理場(chǎng)地工作；V形刀刃便于插入料堆，有利于改善 作用裝置的偏載，適宜于鏟裝較密實(shí)物料。由于其刀刃突出，影響卸載高度。
通常在設(shè)計(jì)鏟斗時(shí)都采用帶齒的鏟斗，因?yàn)槎俘X的作用是鏟斗插入物料時(shí)，減少鏟斗與物料的作用面積使插入力集中在斗齒上，破壞物料結(jié)構(gòu)，因而帶齒的斗具有較大的插入料堆的能力，適宜于裝礦石和堅(jiān)硬的物體，齒型的鏟斗的選擇使提高鏟斗的壽命，使鏟斗的插入力減小，如果齒變鈍了易于更換和維修，設(shè)計(jì)時(shí)采用分體式鏟斗。（如圖2—2）
鏟斗的截面形狀如圖2—2所示，它的基本形狀由一段圓弧、兩段直線所焊接而成的基本的斗狀圓弧的半徑r、張開(kāi)角γ、后臂高h(yuǎn)、底臂長(zhǎng)l等四個(gè)參數(shù)決定的，圓弧半徑大，物料進(jìn)入鏟斗的流動(dòng)性能好，有利于減少物料裝入斗內(nèi)的阻力，卸料快而干凈，但圓弧半徑過(guò)大，斗的張開(kāi)角大，不易于裝滿(mǎn)，且鏟斗外形高，影響駕駛員的視野。后臂過(guò)小則容易漏料，過(guò)大則增加鏟斗的外形影響駕駛員的視野底臂長(zhǎng)，則斗的插入料堆深度大，斗易于裝滿(mǎn)，但 鏟起力由于力臂的增加而減少，底臂長(zhǎng)度小則鏟起力大，且由于卸料時(shí)鏟斗刃口降落的高度小，可以減少動(dòng)臂舉升高度，縮短作業(yè)時(shí)間。
2.2 鏟斗的斷面形狀和基本參數(shù)的確定
斗的斷面形狀由圓弧半徑r、張開(kāi)角γ、后臂高度h、和底臂長(zhǎng)l等四個(gè)參數(shù)決定。如圖2—3所示，
圓弧半徑r越大，物料進(jìn)入鏟斗的流動(dòng)性越好，有利于減少物料裝入斗內(nèi)的阻力，卸載快而干凈，但r過(guò)大，斗的開(kāi)口大，不易裝滿(mǎn)，且鏟斗的外形較高，影響駕駛員觀察鏟斗刃的工作情況。
后壁高h(yuǎn)和底壁長(zhǎng)h是指斗上緣至圓弧與后壁切點(diǎn)的距離，h過(guò)小則易漏料，過(guò)大則增加鏟斗外形，影響駕駛員視線。
根據(jù)圖2—3鏟斗截面基本參數(shù)：
已知該工作機(jī)構(gòu)的額定載重量Q=4t
由土壤的自然重度公式得 V=mg/γ=40/20=2
在應(yīng)用中采用平裝斗容來(lái)計(jì)算鏟斗的截面面積的基本參數(shù)，鏟斗的截面面積：
（2—1）
鏟斗的幾何容積V=S×B，則可以建立下式：
（2—2）
式中V—平裝斗容量圖2—4所示陰影面積由設(shè)計(jì)給定；
B—鏟斗的凈寬度；
Q=4t
V=2
λ—鏟斗斗底長(zhǎng)度系數(shù)，λ=L/R；
λ—后斗壁長(zhǎng)度，λ=L/R；
L—后斗壁長(zhǎng)度，是指由后斗壁上緣至斗壁與斗底延長(zhǎng)線相交點(diǎn)的距離；
λ—擋板高度系數(shù)，λ=L/R；
Lk—擋板高度；
λ— 圓弧半徑系數(shù)，λ=r/R；
γ―――斗底與后斗壁間的夾角,又稱(chēng)斗張開(kāi)角；
γ—擋板與后斗壁的夾角。
由式（2—2）可見(jiàn)，已知V、B，只要選定λg、λz、λk、λr等系數(shù)值和γ、γ1值，即可求得新鏟斗的基本R。為此，實(shí)測(cè)所選樣機(jī)鏟斗的下列數(shù)據(jù)R,Lg,Lk,Lr,r,γ1和γ值，并分別計(jì)算出λg,λz,λk和λr值，帶入（2—1）式，即可求得新鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R，由基本參數(shù)R，根據(jù)所選定的各系數(shù)值，即可求得新鏟斗的其他參數(shù)值。
鏟斗側(cè)板切削刃，相對(duì)于斗底的傾交α0=50°～60°。
取α0=60°。
根據(jù)已知條件取合適的值：
取γ=8°、λr =0.4、、λz =1.2、λg =1.5、γ=50°把以上數(shù)據(jù)代入式（2—2）得鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑：
并由R得到以下數(shù)值：
鏟斗的橫截面面積 S= V/B=2/2.5=0.8㎡;
后 斗 臂 長(zhǎng) 度Lz =1.2×1.08=1.31m;
斗 底 長(zhǎng) 度Lg =1.5×1.08=1.62m;
擋 板 高 度Lk =0.12×1.08=0.13m;
鏟 斗 圓 弧 半徑 r = 1.08×0.4=0.43 m;
底 臂 長(zhǎng)l =1.8/5.3×1.62=0.59m;
2.3 斗容的計(jì)算
根據(jù)確定的鏟斗幾何尺寸即可計(jì)算鏟斗的容量。
1.平裝容量（幾何容量）Vp:
鏟斗的平裝斗容分為裝有當(dāng)板和無(wú)擋板兩種。我選用有擋板鏟斗：
（1）平裝斗容V
V=SB-2ab/3 m
式中：S—鏟斗橫截面積等于0.8㎡
B—鏟斗內(nèi)側(cè)寬度等于2.5m
a—近似取0.108m
b—鏟斗刀刃與擋板最上部之間的距離（如圖2—5），又余弦定理得 b=1.338m
所以
α0=60°
γ=8°
λr =0.4
λz =1.2
λg =1.5
γ=50°
R=1.08㎜
S=0.8㎡
Lz=1.08m
Lg=1.62m
Lk=0.13m
r=0.43 m
l=0.59m
S=0.8㎡
B=2.5m
b=1.338m
（2） 堆裝容量VH（額定斗容量）
VH= V＋bB/8－[b(a+c)]/6
C ——物料堆積高度
由于物料按2：1的坡度角堆裝，所以c近似等于c=0.730m
所以
2.4 斗鉸點(diǎn)位置的確定
動(dòng)臂與斗的連接鉸點(diǎn)（簡(jiǎn)稱(chēng)下鉸點(diǎn)）的位置應(yīng)盡量使鏟斗在鏟掘位置時(shí)布置在靠近切削與地面。下鉸點(diǎn)靠近鏟斗切削刃，則轉(zhuǎn)斗時(shí)力臂l小，有利于增加作用在刀刃上的鏟起力。下鉸點(diǎn)靠近地面，可減少在作業(yè)時(shí)，由插入阻力所引起的附加力矩(ph,見(jiàn)圖2—6），此力矩將影響掘起力值。對(duì)裝載輕質(zhì)物料的鏟斗，其下鉸點(diǎn)允許高一些，以增加回轉(zhuǎn)半徑R，增加轉(zhuǎn)斗時(shí)斗刃所掃過(guò)的料堆面積，從而提高鏟斗物料的裝滿(mǎn)程度。下鉸點(diǎn)距離斗底高度一般可取h=（0.06～0.15）R。即：
下鉸點(diǎn)距斗底高度 h=0.11×1.08=0.108m。
三： 動(dòng)臂的設(shè)計(jì)
動(dòng)臂長(zhǎng)度決定于動(dòng)臂與機(jī)架的鉸點(diǎn)位置和動(dòng)臂與鏟斗的鉸點(diǎn)的位置。
動(dòng)臂下鉸點(diǎn)在動(dòng)臂舉升最高位置A1由所需的最大卸載高度Hmax和相應(yīng)的卸載距離S確定。動(dòng)臂的下鉸點(diǎn)在動(dòng)臂下落時(shí)的位置A2則應(yīng)盡量靠近輪胎，以減少對(duì)傾覆軸的力臂，縮短整機(jī)總長(zhǎng)，但應(yīng)保證鏟斗上翻時(shí)，斗與輪胎有一定的間隙。
動(dòng)臂繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)至最高和最低位置時(shí)，要求其下鉸點(diǎn)分別落在A1和A2位置上，則A1和A2兩點(diǎn)必在同一圓弧上，故動(dòng)臂與機(jī)架鉸接點(diǎn)（簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)臂上
c=0.730m
h=0.108m
鉸點(diǎn)）應(yīng)在A1A2連線的垂直平分線上。上鉸點(diǎn)在該
平分線上的具體位置由總體布置確定。上鉸點(diǎn)O的位置將影響動(dòng)臂轉(zhuǎn)角和動(dòng)臂的最大外伸距離。由圖3—1可見(jiàn)，O點(diǎn)靠后布置，可減少動(dòng)臂轉(zhuǎn)角（δ<δ’)和動(dòng)臂最大外伸距離（l
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