ZL50輪式裝載機(jī)工作裝置建模及仿真說明書

大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - I - 目錄 摘 要 .I ABSTRACT.II 第一章 緒 論 . 1 1.1 裝載機(jī)簡(jiǎn)介 . 1 1.2 設(shè)計(jì)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(jì) .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(jì) .6 3.1 工作裝置的設(shè)計(jì)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(jì)要求 . 7 3.2 鏟斗設(shè)計(jì) . 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(jì)要求 . 9 3.2.4 鏟斗設(shè)計(jì) . 9 3.3 動(dòng)臂設(shè)計(jì) . 14 3.3.1 對(duì)動(dòng)臂的設(shè)計(jì)要求 . 14 3.3.2 動(dòng)臂鉸點(diǎn)位置的確定 . 14 3.3.3 動(dòng)臂長(zhǎng)度 Dl 的確定 . 16 3.3.4 動(dòng)臂結(jié)構(gòu)和形狀的確定 . 17 3.4 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) . 18 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 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(jì)要求 . 20 3.4.3 連桿機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)及鉸點(diǎn)位置確定 . 21 第四章 工作裝置受 力分析及強(qiáng)度計(jì)算 .26 4.1 確定計(jì)算位置及典型工況 . 26 4.1.1 計(jì)算位置的確定 . 26 4.1.2 典型工況選取和外載荷的計(jì)算 . 26 4.2 工作裝置受力分析 . 27 4.2.1 對(duì)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(dòng)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(dòng) 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(yùn)動(dòng)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(cè)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(jì) - I - 摘 要 裝載機(jī)是一種用途較廣的鏟運(yùn)、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(dòng)性好、操作輕便等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)態(tài)仿真技術(shù)大大簡(jiǎn)化了機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)中， 我們對(duì)工作裝置設(shè)計(jì)計(jì)算和虛擬樣機(jī)建模 ，使用 ADAMS 對(duì)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(jì)者要求來進(jìn)行調(diào)整，從而方便了設(shè)計(jì)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(jì) - 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(jì) - 1 - 第一章 緒 論 1.1 裝載機(jī)簡(jiǎn)介 裝載機(jī)屬于鏟土運(yùn)輸機(jī)械類，是一種通過安裝在前端一個(gè)完整的鏟斗支承結(jié)構(gòu)和連桿，隨機(jī)器向前運(yùn)動(dòng)進(jìn)行裝載或挖掘，以及提升、運(yùn)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(dòng)性好、操作輕便等優(yōu)點(diǎn)，因此成為工程建設(shè)中土石方施工的主要機(jī)種之一，對(duì)于加快工程建設(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(guó)內(nèi)外都得到了迅 猛的發(fā)展。此次的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)； 2 液力變矩器； 3 變速箱； 4 前、后橋； 5 車架鉸鏈； 6 動(dòng)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(jì)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(jì)；工作裝置模型的建立；工作裝置仿真分析是本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。這次設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)利用 ADAMS、 PRO/E 等軟件對(duì)輪式裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析 ， 可以快捷、高效、精確地解決許多設(shè)計(jì)上的難題， 使設(shè)計(jì)的工作量減少，設(shè)計(jì)工作得到簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)效大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 2 - 率和設(shè)計(jì)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(guó)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(guó)家存在著很大的差距，但也應(yīng)該考慮到歷史和國(guó)情的原因。目前國(guó)產(chǎn)輪式裝載機(jī)亦正在從低水平、低質(zhì)量、低價(jià)位、滿足功能型向高水平、高質(zhì)量、中價(jià)位、經(jīng)濟(jì)實(shí)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(jì)雷同，無自己特色和優(yōu)勢(shì)的 現(xiàn)狀，正在從低水平的無序競(jìng)爭(zhēng)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(shì)。 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(chǎng)總需求量的限制。競(jìng)爭(zhēng)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(shí)際情況，重新進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，優(yōu)化各項(xiàng)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(dòng)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(diǎn)的防塵、工業(yè)造型設(shè)計(jì)，逐步引進(jìn)最新的傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)技術(shù)，予以國(guó)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(shí)現(xiàn)變速箱的自動(dòng)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(jì) - 3 - 第二章 裝載機(jī)總體設(shè)計(jì) 輪式裝載機(jī)設(shè)計(jì)包括總體 設(shè)計(jì)、工作裝置設(shè)計(jì)和底盤設(shè)計(jì)。 裝載機(jī)總體設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(gè)有機(jī)整體，其整機(jī)性能不僅取決于每個(gè)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(jì)實(shí)現(xiàn)的，所以裝載機(jī)總體設(shè)計(jì)對(duì)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(jì)過程中缺乏全局觀點(diǎn)，而對(duì)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(jì)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(jì)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(jì)主要內(nèi)容在于用現(xiàn)代先進(jìn)的 CAD/CAE 等方面的軟件，對(duì)工作裝置 進(jìn)行建模及仿真分析。但在對(duì)工作裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shí)際情況合理選擇的。類比現(xiàn)在國(guó)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(jì)最初技術(shù)參數(shù)是通過統(tǒng)計(jì)類比方法選取的，所以對(duì)與今后參數(shù)的確定則要求結(jié)合類比與計(jì)算方法來確定。 (表 2-1)最初設(shè)計(jì)參數(shù) 序號(hào) 基本參數(shù)名稱 單位 LG952L ZL50C- 設(shè)計(jì) 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(duì)應(yīng)卸載距離 mm 1214 1350 1274 5 輪距 mm 2250 2240 2250 6 軸距 mm 2760 2245 2450 7 功率 kw 162 162 162 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 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(jì)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(jì)算 。 (1) 插入阻力 插入阻力就是鏟斗插人料堆時(shí)，料堆對(duì)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(jì)算上述阻力比較困難，一般按以下經(jīng)驗(yàn)公式來確定總插人阻力。 圖 2-1 25.143218.9 CgX LBKKKKP (N) 1 (2.1) 式中 XP 鏟斗插入阻力（ N）； 8 最大掘起力 KN 150 150 150 9 滿斗舉升時(shí)間 s 6 6 5 10 空斗下降時(shí)間 s 4 4 5 11 轉(zhuǎn)斗卸載時(shí)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(zhǎng) 寬 高） mm mm mm 7597 3024 3309 7620 2990 3260 7598 3024 3290 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 5 - 1K 被鏟掘物料的塊度及松散程度影響系數(shù)；對(duì)于 小塊 物料 (碎石和 沙礫 ) 75.01 K 2K 物料種類影響系數(shù)； 同理取 1.02 K3K 料堆高度影響系數(shù)； 其值取中間值 8.03 K4K 鏟斗形狀系數(shù) ， 一般在 1.1 1.8 之間，對(duì)于前刃不帶齒的斗， 4K 取較大值 ,本機(jī)是帶齒的斗且較大，則取 5.14 K CL 鏟斗插入料堆深度 (cm)， 在 一 次鏟掘法時(shí)，取等于 0.7 0.8 斗底長(zhǎng)度，在配合鏟掘法時(shí)，取等于 0.25 0.35 斗底的長(zhǎng)度 ，取 536.1 7 63.03.0 gc LLcm gB 鏟斗寬度 (cm)。 4.302gBcm 則有CL=53cm，gB=302.4cm， 1K =0.75， 2K =0.8，3K=1.0， 4K =1.5 把以上各參數(shù)代入公式（ 2.1）得 NP X 28.3 8 1 4 14.3 0 2535.18.01.075.08.9 25.1 (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(dòng)臂時(shí)物料對(duì)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(shí)，并假定作用在 鏟斗斗刃上，隨著動(dòng)臂的提升，掘起阻力逐漸減小。鏟斗開始提升時(shí)的掘 起阻力 由公 式 （ 2.2） 計(jì)算： tgCZ KBLP 2.21 (2.2) 式中 ZP 掘起阻力 (N)； CL 鏟斗插入料堆的深度 (m)； 53.0CLm gB 鏟斗寬度 (m)； 024.3gBm tK 開始提升時(shí)物料的剪切應(yīng)力 .對(duì)于塊度是 0.1-0.3m的已松散的巖石，取tK=35000Pa 則有 NP z 510234.13 5 0 0 0024.353.02.2 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 6 - 第三章 裝 載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì) 3.1 工作裝置的設(shè)計(jì)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(duì)汽車、火車進(jìn)行散料裝載作業(yè)，也可以對(duì)散料進(jìn)行短途運(yùn)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(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)的時(shí)間、外形尺寸和發(fā)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)臂、轉(zhuǎn)斗油缸、舉升油缸組成。這個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)是兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)。 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 7 - 圖 3-2 裝載機(jī)工作裝置組成 1-鏟斗； 2-連桿； 3-搖臂； 4-動(dòng)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(yùn)、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(dòng)臂下方，鏟斗放置于地面，斗尖觸地，斗底板與地面呈 3 5 傾角，開動(dòng)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(dòng)鏟斗鏟取物料，待鏟斗口翻至近似水平為止。 重載運(yùn)輸工況 鏟斗鏟裝滿物料后舉升動(dòng)臂，將鏟斗舉升至運(yùn)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(dòng)機(jī)器駛向卸載點(diǎn)。 舉升工況 保持轉(zhuǎn)斗缸長(zhǎng)度不變，操作舉升缸，將動(dòng)臂升至上限位置，準(zhǔn)備卸載。 卸載工況 在卸載點(diǎn)，在舉升工況下操作轉(zhuǎn)斗缸翻轉(zhuǎn)鏟斗，向溜井倉(cāng)或運(yùn)輸車輛中卸載，鏟斗 物料卸凈后下放動(dòng)臂，使鏟斗恢復(fù)至運(yùn)輸位置。 空載運(yùn)輸工況 卸載結(jié)束后，裝載機(jī)再由卸載點(diǎn)空載返回裝載點(diǎn)。 3.1.3 輪式裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)要求 根據(jù)輪式裝載機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)，其工作裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求。 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 8 - (l) 基本要求 所設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(jì)時(shí)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(yùn)輸平穩(wěn)。 鏟斗由運(yùn)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(yùn)動(dòng)”。嚴(yán)格要求鏟斗舉升平 動(dòng)是很困難的 。從不易撒料這一目的出發(fā)，絕對(duì)平動(dòng)并無必要，只要把鏟斗舉升時(shí)的傾角變化限制在一定許可范圍之內(nèi)即可。 鏟斗能自動(dòng)放平。鏟斗在最高位置卸載后廠閉鎖轉(zhuǎn)斗油缸，下放動(dòng)臂，鏟斗能自動(dòng)變成插人工況（開始插人狀態(tài)）的功能稱為“鏟斗自動(dòng)放平”它對(duì)定點(diǎn)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(jì)中要特別注意防止各個(gè)工況出現(xiàn)構(gòu)件相 互干擾、“死點(diǎn)”、“自鎖”和“機(jī)構(gòu)撕裂”等現(xiàn)象；各處傳動(dòng)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(zhǎng)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(jì) 工作裝置是裝載機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，鏟斗是這個(gè)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(yùn)、卸的工具，工作時(shí)，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(jì)質(zhì)量對(duì)裝載機(jī)的作業(yè)能力有較大影 響。 所以鏟斗的設(shè)計(jì)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(jiān)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(jì)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，用以增加大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 9 - 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(shí)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(jì)鏟斗采用直線形 帶斗齒的切削刃 如圖 3-3(c)所示 ，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)，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(jì)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； (3) 由所鏟裝物料的種類和重度不同，設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)形式的鏟斗。 3.2.4 鏟斗設(shè)計(jì) 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 10 - 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(zhǎng) l 和鏟斗寬度 B 五個(gè)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(huì)損傷輪胎側(cè)壁，并增加行駛時(shí)輪胎的阻力。所 以 是 保護(hù)輪胎不受損傷，底壁相對(duì)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(jì)鏟斗時(shí)， 可 參照同類型鏟斗，選擇 r、 h、 l、參數(shù)；設(shè)計(jì)時(shí)，把鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑 R（即鏟斗與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)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(zhǎng)度，而且還直接 影響轉(zhuǎn)斗時(shí)掘起力及斗容的大小，所以它是一個(gè)與整機(jī)總體有關(guān)的參數(shù) 圖 3-5 鏟斗尺寸參照 (1)計(jì)算鏟斗內(nèi)壁寬度 0B abbB w 2)2.01.0(0 (3.1) 試中 b 裝載機(jī)輪距， mm ； wb 輪胎寬度， mm； a 鏟斗側(cè)壁切削刃厚度， mm。 由總體設(shè)計(jì)中可知： 2250b 595wb 22a 則有 298022217959522500 B mm (2)計(jì)算回轉(zhuǎn)半徑 R 由圖 3-5 可以看出，鏟斗橫截面積 ) 1801(5.02 c ots i n)c os(5.0 212 rKZgRS(3.2) 而鏟斗幾何斗容 2.10 rS VBSV (3.3) 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 11 - 若斗容量為額定容量，則回轉(zhuǎn)半徑 R 為 1 8 015.02co ts i nco s5.02.1210rKZgrBVR 1 (3.4) 式中 rV 設(shè)計(jì)任務(wù)書給的鏟斗額定容量， 3m ； 0B 鏟斗內(nèi)側(cè)寬度 ， m g 鏟斗斗底長(zhǎng)度系數(shù) ， 53.140.1g； Z 后斗壁長(zhǎng)度系數(shù) ， 2.11.1Z ； K 擋板高度系數(shù) ， 14.012.0K ； r 圓弧半徑系數(shù) ， 4.035.0 Rrr ； 1 擋板與后斗壁間夾角，選擇時(shí)應(yīng)使側(cè)壁切削刃與擋板的夾角為 90； 斗底與后斗壁間夾角 （即張開角）， 5245 ； 圖 3-5 中 各參數(shù)含義如下 。 r 鏟斗的圓 弧半徑， m； Rr )4.035.0( gL 斗底長(zhǎng)度，指鏟斗切削刃至斗底延長(zhǎng)線與后斗壁延線交點(diǎn)的距離 ， m, RRL gg 53.14.1 ZL 后壁長(zhǎng)度，是指由后斗壁上緣至后壁延長(zhǎng)線交點(diǎn)的距離 ， m， RRL KZ 2.11.1 KL 擋板高度 ， m， RRL KK 14.012.0 由式 (3-4)可知，當(dāng) rV 、0B已知，只要初選g、 Z 、 K 、 r ，系數(shù)值和 、 1 值，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(jì)算g、 Z 、 K 、r 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(jì)算出來的各系數(shù)值，即可確定新鏟斗的其他參數(shù)值。 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 12 - 由總體參數(shù)知： 37.2 mVr 29800 Bmm=2.98m 取：g=1.45 z=1.12 K=0.12 r=0.38 =48 1=8 代入公式 3.4 得鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑 R： R=1.218m 所以： mRrr 462.0218.138.0 mRL gg 7 6 6.12 1 8.145.1 mRL ZZ 38.12 1 8.112.1 mRL KK 1 4 6.02 1 8.112.0 一般取鏟斗側(cè)壁切削刃相對(duì)斗底壁的傾角 60500。鏟斗與 動(dòng)臂鉸銷（稱下鉸接點(diǎn)）距斗底壁的高度 Rh )12.006.0( 。 所以鏟斗與動(dòng)臂鉸銷距斗底壁的高度： h 0.104R=0.104 1.218=0.1273m。 2、鏟斗容量計(jì)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(jì)算，以檢驗(yàn)其是否滿足給定的斗容要求，若計(jì)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(jì)算也已標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)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(jì)算。 對(duì)于有防 溢 板的鏟斗 baSBVS 20 32( 3m ) (3.5) 式中 S 有擋板的鏟斗橫截面面積，； 0B 鏟斗內(nèi)側(cè)寬度， m； a 擋板高度， m； b 斗刃刃口與擋板最上 部之間的距離， m。 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 13 - 圖 3-7 額定斗容鏟斗的橫截面 圖 3-6 鏟斗容量計(jì)算 (2) 額定容量 額定容量（見圖 3-6）按式（ 3.6）計(jì)算。 對(duì)于有防溢 板的鏟斗 cabBbVVSr 68202 ( 3m ) (3.6) 3、 鏟斗截面的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 裝載機(jī)鏟斗的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是確定鏟斗的截面形狀和尺寸。用人工設(shè)計(jì)鏟斗截面很繁瑣，修改也很麻煩，而用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)鏟斗的截面既簡(jiǎn)單、迅速又準(zhǔn)確。下面介紹鏟斗截 面的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。 (1) 堆積高度 c 的計(jì)算 利用公式 (3.6)計(jì)算鏟斗容量時(shí)，式中 c的計(jì)算可參照?qǐng)D 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(zhǎng) b,IH 是斗尖至鏟斗側(cè)壁的高度 c。根據(jù)美國(guó)汽車工程師手冊(cè)規(guī)定 IH垂直于 CD，且 IK=CK/2 =b/4 。按照通常的設(shè)計(jì)要求 , 擋板 DN 應(yīng)垂直于斗側(cè)壁 CN , 所以 CKH CND 。因而 mmabbabKHIKc 40524122 (3.7) (2) 鏟斗的開口長(zhǎng) b的計(jì)算 由圖 3-7 知 c os2c os2 2222 ZgZg LLLLNOCOCONOCN mmLLLLLNDCNb ZgZKg 1330c os222222 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 14 - 圖 3-8 鏟斗 截面計(jì)算 (3) 鏟斗橫截面 S 的計(jì)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。 54321 SSSSSS 式中 1S 扇形 AGF 的面積， 2S 直角三角形 GFN 的面積， 3S 直角三角形 GAC 的面積， 4S 三角形 CGN 的面積， 5S 直角三角形 CND 的面積， 246.0)180(360)180(360 221 rGFS 079.02t a n21212 rLrFNGFS z 1705.02t a n21213 rLrCAGAS g 1758.0)()(4 NGlCGlCNllS 097.0c os22121 225 zggzk LLLLLCNNDS 所以 ： 7683.01758.0097.01705.0079.0246.054321 SSSSSS 鏟斗的幾何 斗容量按式 (3-5)計(jì)算： 32 25.22535.233.1146.03298.27683.0 mV S 額定斗容按式 (3.6)計(jì)算 37.274.249 6.025.2 mV r 3.3 動(dòng)臂設(shè)計(jì) 3.3.1 對(duì)動(dòng)臂的設(shè)計(jì)要求 (1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造； (2) 受力合理，強(qiáng)度，剛度足夠。 3.3.2 動(dòng)臂鉸點(diǎn)位置的確定 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 15 - 動(dòng)臂鉸點(diǎn)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(dòng)臂與鏟斗連接點(diǎn)也稱下鉸點(diǎn)，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(yùn)輸位置時(shí)，仍與輪胎保持有定問隙為準(zhǔn)，而且下鉸點(diǎn)與地而應(yīng)有 200 300 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(diǎn)1B的下限位置Bh（見圖 3-9），然后將鏟斗轉(zhuǎn)置運(yùn)輸位置并留出定間隙，繪出輪胎位置，再根據(jù)最大卸載高度maxsH、最小卸載minsl及卸載角度要求，可以確定下鉸點(diǎn)上限位置。 圖 3-9 確定動(dòng)臂鉸點(diǎn)位置及長(zhǎng)度計(jì)算圖 動(dòng)臂與機(jī)架的連結(jié)點(diǎn) A(上鉸點(diǎn) )應(yīng)在 BB1 連線的垂直平分線上。當(dāng)其他要求不變時(shí)， A點(diǎn)的前后位置將影響動(dòng)臂的長(zhǎng)度 Dl 、動(dòng)臂的回轉(zhuǎn)角、動(dòng)臂伸出最大距離以及鏟斗在升起時(shí)擺動(dòng)的角度。 A 點(diǎn)與前輪中心的距離為 Al ， Al 增大則動(dòng)臂增長(zhǎng)而動(dòng)臂回轉(zhuǎn)角將會(huì)減小，大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 16 - 且動(dòng)臂伸出距離減小，提高裝載機(jī)在鏟斗最人伸出時(shí)的穩(wěn)定性。因此，在總 體布置允許的條件下，Al可以適當(dāng)?shù)脑龃螅?但也會(huì)增加司機(jī)室布置的困難，一般動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度 在8090（如圖 3-9 所示）。 動(dòng)臂與車架鉸點(diǎn)的高度通常?。?mmRHA 8.2 1 7 21 2 1 87 8 4.15.25.1 (3.8) 式中 R 鏟斗回轉(zhuǎn)半徑 (m) (1) Rh /sin 即 =6 動(dòng)臂處于最低位置時(shí)，鏟斗斗底與地面成 3-5傾角 ，取 =5則下鉸點(diǎn) 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(diǎn) B 的上限位置： hB1=Rsin( + )+Hsmax=1.218 sin(6+45) +3.18 =4.1265m 3.3.3 動(dòng)臂長(zhǎng)度 Dl 的確定 (1) 動(dòng)臂長(zhǎng)度計(jì)算 動(dòng)臂鉸點(diǎn)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(dòng)臂的長(zhǎng)度： 2m a x2m i n s i nc os RHHlRll AsBsD(3.9) 式中 minsl 鏟斗最小卸載高度，單位 m； R 鏟斗回轉(zhuǎn)半徑，單位 m； 鏟斗回轉(zhuǎn)半徑與斗底夾角，單位度 ； 鏟斗最大卸載高度時(shí)的最大卸載角，單位度 ； Bl 動(dòng)臂與車架連接鉸點(diǎn)到裝載機(jī)前面外廓部分（輪胎）的水平 距離，單位 m； maxsH 最大卸載高度，單位 m； AH 動(dòng)臂與車架連接鉸點(diǎn)高度，單位 m； Dl 動(dòng)臂的長(zhǎng)度，單位 m 。 則取： minsl=1274mm =6 R =1218mm =45 maxsH=3180mm 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 17 - AH=2172.8mm Bl=1628.8mm 把參數(shù) 代入公式 （ 3.9） 則求得：Dl=2895mm=2.895m (2) 動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度 17.84/a r c s in2 DBA lhH ，在 8090的可選范圍內(nèi)，故合適。 (3) 驗(yàn)算最小距離 2.1266m in BDs lll mm 可近似的看作 1274mm, Dl 的長(zhǎng)度滿足總體尺寸的要求 。 3.3.4 動(dòng)臂結(jié)構(gòu)和形狀的確定 動(dòng)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(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)臂一般常用于反轉(zhuǎn)式連桿作裝置，這種形式的動(dòng)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(jì)選著曲線形動(dòng)臂。 圖 3-10 動(dòng)臂形式 ( a )單板型 ( b )雙板型 ( c )工字型 ( d )箱型 圖 3-11 動(dòng)臂斷面形狀 動(dòng)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(dòng)臂機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)臂，可 以改善單板動(dòng)臂受扭剛度不好的影響。為了減少動(dòng)臂的重量，動(dòng)臂的斷面尺寸 可 按等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。 本次設(shè)計(jì)采用的是曲線形單 板動(dòng)臂，這樣不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易制造，而且經(jīng)濟(jì)性好。 (a) 曲線形 (b)直線形 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 18 - 3.4 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3.4.1 工作裝置連桿機(jī)構(gòu)的類型 綜合國(guó)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(shí)轉(zhuǎn)斗鏟取，所以掘起力較大；各構(gòu)件尺寸配置合理時(shí)，鏟斗具有較好的舉升平動(dòng)性能；連桿系統(tǒng)傳動(dòng)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(dòng)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(diǎn)是機(jī)構(gòu)復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)鏟斗自動(dòng)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(gè)平行四桿機(jī)構(gòu)組成，它可使鏟斗具有很好的平動(dòng)性能。它比八桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，司機(jī)視野較好。這種機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)斗時(shí)油缸小腔進(jìn)油，掘起力相對(duì)較小；連桿系統(tǒng)傳動(dòng)比小，使得轉(zhuǎn)斗油缸活塞行程大，油缸加長(zhǎng)，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(shí)現(xiàn)鏟斗的自動(dòng)放平。 (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(dòng)比較大、活塞行程較短；有可能將動(dòng)臂、轉(zhuǎn)斗油缸、搖臂和連桿設(shè)計(jì)在同一平面內(nèi)，從而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，改善了動(dòng)臂和鉸銷的受力狀態(tài)。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)斗油缸與車架的鉸接點(diǎn)位置較高，影響司機(jī)視野；轉(zhuǎn)斗時(shí)油缸小腔進(jìn)油，掘起力相對(duì)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(huì)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(diǎn)： a .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(dòng)性能，而且可以實(shí)現(xiàn)鏟斗的自動(dòng)放平； 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 19 - (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) (g)動(dòng)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 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 20 - 1 動(dòng)臂伸縮油缸 2 轉(zhuǎn)斗油缸 3 動(dòng)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(diǎn)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(jiǎn)單的一種，容易保證四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鏟斗舉升平動(dòng)，此機(jī)構(gòu)前懸較小。缺點(diǎn)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(jì)出較大值，所以轉(zhuǎn)斗油缸活塞行程大，油缸尺寸?。淮送?，在卸載時(shí) 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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)活塞桿易與斗底相碰的缺點(diǎn)，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(shí)，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(shí)，短連桿能相對(duì)活塞桿轉(zhuǎn)動(dòng)，避免 了 活塞桿與斗底相碰。此機(jī)構(gòu)的其他缺點(diǎn)仍如正轉(zhuǎn)四桿機(jī)構(gòu)。 (7) 動(dòng)臂 可伸縮式三桿機(jī)構(gòu) 動(dòng)臂可伸縮式三桿機(jī)構(gòu)見圖 3-12 ( g ) 。 它的最大特點(diǎn)是動(dòng)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(dòng)臂伸出實(shí)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(shí)可伸出動(dòng)臂，以獲得較大的卸載高度和卸載距離；而運(yùn)輸工況時(shí)可縮回動(dòng)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(diǎn)是既不能實(shí)現(xiàn)鏟斗平動(dòng)，又不能實(shí)現(xiàn)鏟斗自動(dòng)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(diǎn)較多，能比較理想地滿足鏟、裝、卸作業(yè)要求，所以它在露天裝載機(jī)和地下鏟運(yùn)機(jī)上都得到廣泛的應(yīng)用。因此 ,本次設(shè)計(jì)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(jì)要求 不管用什么方法確定各鉸接點(diǎn)的坐標(biāo)值，但最終都必須滿足對(duì)工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的各種要求。在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面，必須滿足鏟斗舉升平動(dòng)、自動(dòng)放平、最大卸載高度、最小卸載跟離和各個(gè)位置的卸載角等要求；在動(dòng)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(jì)反轉(zhuǎn)六桿工作機(jī)構(gòu)時(shí)，要注意的是，一定要保證機(jī)構(gòu)在各種工況的各個(gè)位置都能正常工作，不得出現(xiàn)“死點(diǎn)”、“自鎖”和“機(jī)構(gòu)撕裂”等機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)被破壞的現(xiàn)象。 目前，工作裝置連桿機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)主要有兩種方法，即圖解法和解析法。 所以在設(shè)計(jì)時(shí)要大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 21 - 滿足一下幾點(diǎn)： (1) 動(dòng)臂從最低位置到最大卸載高度的提升過程中，保證斗中料不撒落，鏟斗后傾角的變化盡量?。ㄒ话悴怀^ 15）； (2) 在動(dòng)臂提升高度范圍內(nèi)的任意位置 ,鏟斗的卸載角不小于 45，以保證鏟斗能卸凈物料； (3) 作業(yè)時(shí)與其他的構(gòu)件無運(yùn)動(dòng)干涉； (4) 使駕駛員工作方便，安全及視野寬闊。 (5) 最小傳動(dòng)角不小于 10，以便提高傳動(dòng)效率和減少鉸銷的擠壓應(yīng)力。 3.4.3 連桿機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)及鉸點(diǎn)位置確定 圖解法 比較直觀，易于掌握，是目前工程設(shè)計(jì)時(shí)常用的一種方法。圖解法是在初步確定了最大卸載高度、最小卸載距離、卸載角、輪胎尺寸和鏟斗幾何尺寸等整機(jī)主要參數(shù)后進(jìn)行的，它通過在坐標(biāo)圖上確定工況（見圖 3-13）時(shí)工作機(jī)構(gòu)的 9 個(gè)鉸接點(diǎn)的位置來實(shí)現(xiàn)。 (1) 動(dòng)臂與鏟斗、搖臂、機(jī)架的三個(gè)鉸接點(diǎn) G 、 B 、 A 的確定 1) 確定坐標(biāo)系如圖 3-13 所示，先在坐標(biāo)紙上選取直角坐標(biāo)系 xOy，并選定長(zhǎng)度比 。 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 22 - 圖 3-13 動(dòng)臂上三鉸接點(diǎn)設(shè)計(jì) 2) 畫鏟斗圖 把已設(shè)計(jì)好的鏟 斗橫截面外廓圖按比例畫在 xOy 坐標(biāo)里，斗尖對(duì)準(zhǔn)坐標(biāo)原點(diǎn) O，斗前壁與 x軸呈 3 5 前傾角。此為鏟斗插人料堆時(shí)位置，即工況 。 3) 確定動(dòng)臂與鏟斗的鉸接點(diǎn) G 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 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 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 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，設(shè)計(jì)時(shí)，一般根據(jù)坐標(biāo)圖上工況工時(shí)的鏟斗實(shí)際狀況，在保證 G 點(diǎn) y 軸坐標(biāo)值Gy=250 350mm 和 x軸坐標(biāo)值Gx盡可能小而且不與斗底干涉的前提下，在坐標(biāo)圖上人為地把 G 點(diǎn)初步確定下來。 4) 確定動(dòng)臂與機(jī)架的鉸接點(diǎn) A 以 G 點(diǎn)為圓心，使鏟斗順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，至鏟斗斗口 OO與 x軸近似平行為止，即工況。 把已選定的輪胎外廓畫在坐標(biāo)圖上。作圖時(shí)，應(yīng)使輪胎前緣與工況時(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坐標(biāo)值應(yīng)等于輪胎的工作半徑 KR 。 根據(jù)給定的最大卸載高度 xh、最小卸載距離xl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，并令此時(shí)斗尖為 4O ， G 點(diǎn)位置為 G，如圖 3-14 所示。 以 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）。 連接 GG并作其垂直平分線。因?yàn)?G 和 G點(diǎn)同在以 A 點(diǎn)為圓心， 動(dòng)臂 Dl 長(zhǎng)為半徑的圓弧上，所以 A 點(diǎn)必在 GG的垂直平分線上?？傻?A 點(diǎn)坐標(biāo)。 5) 確定動(dòng)臂與搖臂的鉸接點(diǎn) B B 點(diǎn)的位置是一個(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 3-14 所示，根據(jù)分析和經(jīng)驗(yàn)，一般取 B點(diǎn)在 AG 連線的上方，過 A 點(diǎn)的水平線下方，并在 AG 的垂直平分線左側(cè)盡量靠近工況時(shí)的鏟斗處。相對(duì)前輪胎， B 點(diǎn)在其外廓的左上部。 (2) 連桿與鏟斗和搖臂的兩個(gè)鉸接點(diǎn) F 、 E 的確定 因?yàn)?G 、 B 兩點(diǎn)已被確 定，所以再確定 F 點(diǎn)和 E 點(diǎn)實(shí)際上是為了最終確定與鏟斗相大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 23 - 連的四桿機(jī)構(gòu) GFEB(即 GF2E2B)的尺寸，如圖 3-14 所示。 圖 3-14 連桿、搖臂、轉(zhuǎn)斗油缸尺寸設(shè)計(jì) 確定 F、 E 兩點(diǎn)時(shí)，既要考慮對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求，如必須保證鏟斗在各工況時(shí)的轉(zhuǎn)角，又要注意動(dòng)力學(xué)的要求，如鏟斗在鏟裝物料時(shí)應(yīng)能輸出較大的掘起力，同時(shí)，還要防止前述各種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)被破壞的現(xiàn)象。為此，建議按下述方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。 1) 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+BGFE + BE 1 (3.10) 如圖 3-14 所示，若令 GF =a 、 FE=b 、 BE=c、 BG =d ，并將式 (3.10)不等號(hào)兩邊同 除以 d，經(jīng)整理可得下式，即 K=b d c d a d2 銷軸支座的擠壓應(yīng)力 jy=P1/L1d=218MPa 銷軸套的擠壓應(yīng)力 jy= P1/L3d=218MPa 此處 P1 是把作用在銷上的力看做集中應(yīng)力求解的，實(shí)際上銷的受力要分散的多。由計(jì)算結(jié)果，安全系數(shù)均大于 2，所以搖臂銷強(qiáng)度滿足要求。 b 動(dòng)臂缸銷強(qiáng)度校核 P1 =PH/2=134.75K N W= d3/32=12.3 cm3 L2 =1/2 L1+a+H/2=25/2+2.5+12=27mm W =P1L2/W=295.8 MPa 銷軸支座的擠壓應(yīng)力 jy= P1/L1d = 115 MPa 銷軸套的擠壓應(yīng)力 jy= P1/L3d = 145MPa 顯然，銷及軸套均滿足強(qiáng)度要求。大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 34 - 第五章 工作裝置的建模及仿真分析 輪式裝載機(jī)是一種用途較廣的施工機(jī)械，其工作裝置是完成鏟、裝、運(yùn)、卸等作業(yè)并帶有液壓缸的空間多桿機(jī)構(gòu)。工作裝 置設(shè)計(jì)水平的高低直接影響裝載機(jī)作業(yè)性能的好壞，進(jìn)而影響整機(jī)工作效率。過去基本沿用類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)，工作繁瑣、設(shè)計(jì)精度低、周期長(zhǎng)，且不易獲得各項(xiàng)性能指標(biāo)都比較滿意的設(shè)計(jì)方案。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及各種 CAD、 CAE 軟件的應(yīng)用，輪式裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比較，有了很大的改變。利用 CAD、 CAE 技術(shù)可以快捷、高 效、精確地解決許多技術(shù)上的難題，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量， 增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 在本章中，我們先利用 Pro/E 和 ADAMS 建立工作裝置的模型，然后再在 ADAMS 中對(duì)工作裝置的模型進(jìn)行仿 真分析。初步是在 Pro/E 中建立鏟斗的模型，然后將鏟斗的模型導(dǎo)入 ADAMS 中。然后在 ADAMS 中將模型建好，并對(duì)整個(gè)工作裝置模型進(jìn)行仿真分析。 5.1 工作裝置建模 5.1.1 在 Pro/E 中建立鏟斗 在 Pro/E 中分別建立鏟斗的模型如（圖 5-1） 首先，啟動(dòng) Pro/E 程序；選著新建按鈕后選零件、實(shí)體缺省模式；其次，選拉伸按鈕，選取參考面，畫出鏟斗的橫截面的平面圖，再進(jìn)行拉伸距離；然后選取抽殼按鈕，選著參照面，再選取抽殼的厚度打?qū)催M(jìn)行抽殼；其他的用拉伸進(jìn)行作圖；最后，用拉伸把鏟斗得斗齒畫好，選著陣列按鈕選 著斗齒進(jìn)行陣列后得到的圖如圖 5-1 圖 5-1 鏟斗圖 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 35 - 5.1.1 動(dòng) ADAMS/View 程序 1. 點(diǎn)擊 adams/view 圖標(biāo)，啟動(dòng) adams/view. 2. 在歡迎對(duì)話框中選擇 creat a new model 項(xiàng)，重力設(shè)置 Earth Normal.參數(shù)；單位設(shè)置選擇 MMKS 系統(tǒng)。 3. 選擇 OK。 5.1.2 檢查和設(shè)置建模基本環(huán)境 檢查默認(rèn)單位，在 setting 菜單選擇 units 命令，顯示單位設(shè)置對(duì)話框，當(dāng)前的設(shè)置應(yīng)該為 MMKS 系統(tǒng) 在 setting 菜單，選 working grid 命令，顯示設(shè)置工作柵格對(duì)話 框。設(shè)置 sizeX=3500mm,sizeY=4000mm,spcingX=50mm選擇 OK.。在 setting 菜單，選擇 Gravity 命令，顯示設(shè)置重力加速度對(duì)話框；當(dāng)?shù)牡闹亓υO(shè)置應(yīng)該為 X=0， Y=-9.8065， Z=0。Gravity=on 選擇 OK 按鈕。 5.1.3 Pro/E 鏟斗模型導(dǎo)入 ADAMS 在 Pro/E 中把鏟斗的模型建好后，再把建好的鏟斗模型保存為副本類型為 *.slp 或 *.x_t格式。 在 ADAMS 中，選著 Adams/View 菜單欄的 File 中的 Import，再輸入如圖 5-3，然 圖 5-3 鏟斗導(dǎo)入 后， 選擇 OK。 圖 5-2 工作柵格 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 36 - 5.1.4 工作裝置的幾何建模 1.創(chuàng)建動(dòng)臂 a. 定義關(guān)鍵點(diǎn) 根據(jù)所設(shè)計(jì)的動(dòng)臂，畫出動(dòng)臂的截面形狀，在其邊緣標(biāo)出一系列關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，如表5-1； (表 5-1) 動(dòng)臂關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo) 在工具箱選擇 定義點(diǎn)工具。選擇參數(shù)： Add to Ground,Dont attatch；根據(jù)表中的坐標(biāo)，分別定義各點(diǎn)。 b. 在幾何建模工具箱中選擇 創(chuàng)建板工具。 在參數(shù)設(shè)置欄，設(shè)置如圖 5-4；其中，厚度根據(jù)自己動(dòng)臂的寬度設(shè)定，半徑根據(jù)動(dòng)臂前后兩鉸點(diǎn)外緣半徑設(shè)定。再把創(chuàng)建好的進(jìn)行copy，在 工具箱中選擇 進(jìn)行移動(dòng)，在參數(shù)設(shè)置欄，設(shè)置如圖 5-5。 c.創(chuàng)建動(dòng)臂的中間梁。選擇工具箱中的 工具。 在參數(shù)設(shè)置欄，設(shè)置如圖 5-6；其中，厚度根據(jù)自圖 5-4 圖 5-5 圖 5-6 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 37 - 己動(dòng)臂中間梁的寬度設(shè)定，半徑根據(jù)動(dòng)臂的形狀設(shè)定。 在 Adams 中從而可以得到動(dòng)臂如圖 5-7 圖 5-7 動(dòng)臂 2.創(chuàng)建連桿、搖臂、油缸 a.創(chuàng)建連桿 根據(jù)所設(shè)計(jì)的連桿和連桿的關(guān)鍵點(diǎn)，在幾何建模工具箱中選擇創(chuàng)建板工具。須參數(shù)設(shè)置如圖 5-8，依次選擇 F 點(diǎn) E 點(diǎn)。將連桿重命名 liangan。 b.創(chuàng)建搖臂 創(chuàng)建搖臂的方法跟創(chuàng)建連桿的類似，將搖臂重命名 yaobi。 c.創(chuàng)建油缸 根據(jù)所設(shè)計(jì)的油缸和油缸的關(guān)鍵點(diǎn)，在幾何建模工具箱中選擇 創(chuàng)建板工具。須參數(shù)設(shè)置如圖5-9 和圖 5-10，選擇 C 點(diǎn) D 點(diǎn)。就可以創(chuàng)建轉(zhuǎn)斗油缸。而創(chuàng)建舉升油缸的方法跟創(chuàng)建轉(zhuǎn)斗油缸的方法類似。 根據(jù)以上關(guān)鍵點(diǎn) 建立的實(shí)體模型如（圖 5-11）所示 圖 5-8 連桿參數(shù) 圖 5-9 圖 5-10