装载机防爆装置及底盘结构设计【含9张CAD图纸】
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本 科 生 毕 业 设 计姓 名： 学 号： 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械工程及自动化 设计题目： 装载机防爆装置及底盘结构设计 专 题： 指导教师： 职 称： 教授 年 六 月 徐州毕业设计任务书学院 专业年级 学生姓名 任 务 下 达 日 期 ： 毕业设计日期： 毕业设计题目：装载机防暴装置及底盘结构设计毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：一、题目内容：设计井下装载机防爆装置及底盘结构：车架整体结构和前后驱动桥及防爆装置的设计。二、设计指标：底盘宽度小于 2.2m；发动机功率为 55KW；防爆净功率大于 50 kW；发动机采用经过防爆处理后的柴油机，配置进气防爆、尾气防爆与尾气水洗、排气管采用外套水冷装载；档位 2+1；档速度 16km/h；档速度 24 km/h；倒档速度为 16km/h。三、具体毕业设计要求及工作：完成总体结构设计：底盘总体和防爆装置设计；绘制装配图、绘制各零件工作图，折合零号图 3.5 张；英文翻译 3000 字。编写设计说明书一份；院长签字： 指导教师签字：毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字：年 月 日毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字：年 月 日毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字：年 月 日毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况回 答 问 题提 出 问 题 正 确基 本正 确有 一般 性错 误有 原则 性错 误没 有回 答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要本次设计的内容为装载机防爆装置及底盘设计，分为转向装置设计，车架设计，主传动设计，差速器设计，半轴设计，最终传动设计以及轮边制动设计。其中主传动采用单级主传动，锥齿轮采用 35螺旋锥齿轮，所以主传动的结构和锥齿轮的基本参数及几何参数的计算是本次设计的重点。设计完后又对主传动的各部分进行受力分析和校核。另外对装载机的行走系、传动系、制动系以及防爆系等结构和原理进行了分析，同时按设计条件，对它们的结构和尺寸进行了设计。本次设计差速器选择普通差速器，半轴采用全浮式，最终传动采用轮边行星减速器，车架为两点铰接车架，后车架采用摆动式车架。关键词：装载机； 防爆； 主传动； 差速器； 轮边减速器ABSTRACTThe design of the content explosion-proof equipment and chassis loader design， Including the steering device design，frame design，the main transmission design， the differential design， axle design，final design and drive wheel brake design . Among those,The main drive single-stage main transmission,bevel gear used 35bevel gear. So the structure of main transmission and calculation of geometric parameters and basic parameters of bevel gear are focal point of this design. After the design of main drive，I analyze the force and check strength in all parts of the main driving . And I analyze the structure and principles of walking system，drive system，braking system and proof system of wheel Loaders. And according to design conditions，I designed the structure and size of their.In this design，the differential used ordinary differential， axle used full floating axle，final drive used wheel-side planetary reducer，the frame type used two hinged frame,the rear frame used swing frame .Keywords: Loader; explosion-proof; main drive; differential; wheel reducer目 录1 绪论 .11.1 引言 .11.2 国外装载机的发展现状及趋势 .21.2.1 国外装载机的发展现状 21.2.2 发展方向 51.3 国内装载机的发展现状及趋势 .61.3.1 现状分析 61.3.2 发展趋势 71.4 井下装载机特点及发展现状 .81.4.1 井下装载机的特点 81.4.2 井下装载机的发展现状 91.5 本章小结 102 结构分析 .102.1 车架的结构 .102.1.1 铰链式车架组成及特点 102.1.2 铰链式车架的铰销结构 132.2 驱动桥的结构 .142.2.1 驱动桥的组成及作用 142.2.2 井下装载机对驱动桥的要求 152.2.3 主传动 162.2.4 差速器 172.3 井下装载机的转向系 .202.3.1 井下装载机对转向系的要求 202.3.2 铰接转向机构的组成及结构 212.4 井下装载机的制动系统 .212.4.1 总述 212.4.2 井下装载机对制动系统的总要求 212.4.3 半轴制动器 212.4.4 卡式圆盘制动器 222.5 防爆系统 .232.5.1 防爆装置的结构设计 232.5.2 防爆装置的主要部件的结构及作用 242.6 本章小结 253 整车结构及参数的选择 .253.1 整车的基本参数设定 .253.2 基本结构确定 .263.2.1 行走系 263.2.2 传动系统 263.2.3 转向系统 283.2.4 制动系统 283.2.5 防爆系统 293.3 减速比确定 .303.4 本章小结 .314 结构及参数设计及校核 .314.1 主传动齿轮基本参数设计： .314.1.1 螺旋锥齿轮的计算载荷的确定 314.1.2 齿数选择 324.1.3 从动轮基本参数设计 324.1.4 法向压力角 n.334.1.5 齿面宽 b.344.1.6 齿高参数 344.1.7 齿的中点螺旋角 m 和螺旋方向 .344.1.8 理论弧齿厚 354.1.9 齿侧间隙 Cn .354.1.10 齿轮的几何参数 364.1.11 螺旋锥齿轮的强度计算 374.2 圆锥直齿轮差速器设计 .404.2.1 行星齿轮齿数的选择 404.2.2 差速器锥齿轮的齿数 404.2.3 行星轮球面半径的确定 404.2.4 差速器圆锥齿轮模数及半轴齿轮节圆直径的初步确定 .414.2.5 压力角 .414.2.6 行星齿轮安装孔直径 及其深度 L 的确定 414.2.7 差速器的几何尺寸计算 424.2.8 差速器的强度计算 444.3 轮边减速器的设计 .454.3.1 选择行星轮式减速器的传动类型 454.3.2 个齿轮齿数的选择 464.3.3 齿数的选择 464.3.4 齿轮材料及加工精度的选择 474.3.5 齿轮模数的计算 474.3.6 啮合参数的计算 484.3.7 几何尺寸的计算 484.3.8 装配条件验算 494.4 轴承和花键选择设计 .504.4.1 主传动中的轴承选择 504.4.2 轮边减速器滚针轴承计算 524.4.3 花键的选择 534.5 半轴设计 .554.5.1 半轴的计算扭矩 554.5.2 半轴杆直径的计算 554.5.3 强度验算 564.6 防爆装置设计 .564.6.1 柴油机的启动方式 564.6.2 配套零部件的选择 564.6.3 废气箱水容量的计算 574.7 本章小结 .575 总结 .585.1 小结 .585.2 展望 .59参考文献 .59翻译部分 .62英文原文 .62中文翻译 .68致 谢 .791 绪论1.1 引言今年来，我国煤炭事业高速发展，之所以能够高速发展，是应为煤炭开采的不断现代化。而井下开采的无轨化，是矿山开采的现代化标志，所以无轨化开采设备是矿山机械研究的一项重要课题。目前，在煤矿井下需要将破碎下来的煤和岩石装入矿车或输送机中运走，因此就必须进行装载作业，装载作业是掘进过程中最繁重和最费工时的工序，其劳动量约占掘进循环劳动量的 40%70%。因此装载工作效率会直接影响到采煤的生产效率。采用机械装载，对减轻煤矿职工劳动强度、提高掘进效率、降低费用具有十分重要的意义。我国从上个世纪 70 年代中期开始使用井下装载机以来，目前已拥有两千多台井下装载机。但由于井下装载机工作环境十分恶劣，任务繁重，且机器的有效使用效率还很低，生产效率并不高。另外，在井下特殊环境对装载机也有特殊的要求，所以设计出高效、安全的井下装载机，无疑是对加快采掘速度，提高采煤效率，降低采煤成本，改善劳动条件将起着十分重要的作用。由于井下的空间狭小、低矮而且易爆等因素，对井下的装载机也有特出的要求。因此井下装载机要具有低矮、机动、灵活、安全、防爆、简单、牢固、维修性能好等特点才能适应井下的特出环境。在装载机的机械部分已经比较成熟了，因为在地面上很多轮式装载机也具有机动、灵活等特点，只要将要将装载机的机体稍微修改就可以应用于井下使用，比如将驾驶室降低，将封闭的驾驶室改为开放式的以将降低装载机的高度。但由于井下通风条件太差且易燃易爆，所以要求对井下的装载机要进行防爆改装以及尾气净化处理，这也是比较难的一部分。因此有很多的井下装载机采用以电源为直接能源，这种装载机虽然防爆效果比较好，但工作的时候总要拖着一根电缆，影响了装载机的灵活性和机动性。所以人们希望能够解决柴油装载机的防爆问题，使之即能够满足井下对装载机低矮、机动、灵活的要求，又能够解决好安全防爆以及尾气的净化问题。本次毕业设计的题目是装载机地盘及防爆装置设计，主要设计装载机的车架铰接部分，驱动桥的主传动及轮边减速制动部分还有装载机的防爆部分。也正是这些部分决定了，这种装载机能否很好地在井下使用。所以如果能够处理好这些部分的设计要点，对井下装载机的发展以及我国的煤炭开采事业都有很大的帮助。1.2 国外装载机的发展现状及趋势由于轮式装载机的技术不断进步、性能不断提高、应用范围不断扩大，使用可靠性、机动性和装载坚硬物料的适应性得到人们的共识，已成为露天矿和地下矿的主要物料的装运机械。目前国外开发的一些大型轮式装载机，具有结构先进、性能优越、自动化水平高等特点。以后的装载机也将向效率更高、造价更低、维修更方便、舒适性更好地自动化、智能化方向发展。1.2.1 国外装载机的发展现状1.2.1.1 工作机构图 1- 1 CAT 多用途装载机卡特彼勒公司推出的组合式八杆机构，从地面到整个取胜高度范围内具有平行移动的特点它将快速连接器和塔架式机构设计成整体式工作装置，通过快速更换不同的辅助机构完成装卸、堆垛、扫雪、平地、清扫路面、推土、吊装、搬运和地表钻孔等作业实现一机多能，减少用户设备投资。沃尔沃公司在其 L500-L220D 等 D 系列装载机上推出了该公司的专利产品扭矩平行连杆机构（TP ） ， 在铲斗的整个举升循环中可提供更大的倾翻力矩以及举升能力，这保证装载机不仅在配用铲斗时，而且在配用叉、吊等其它工作装置时都具有优良的作业性能。1.2.1.2 传动机构以卡特彼勒公司为代表的轮式装载机采用液力机械传动系统，其自动动力换档变速箱自动选择档位传动比，使换档在变速箱最佳效率点进行。该公司最近推出的 STIC（转向变速集成）系统，将转向和换档功能集成于一操纵手柄上，使操纵更加省力、轻便，换档更加平稳，可大幅度提高生产率。以日本小松公司 WA 系列中小功率（小于 125KW）为代表的轮式装载机采用新型集中式结构的驱动桥。它将主传动、制动器和行星轮式终传动都集中在桥的中部，桥壳断面变化连续、平缓，内应力分布合理，从根本上防止因传统结构桥壳在轮边支承轴段应力集中断裂。 轮端采用浮动密封结构，安装简便，有自动补偿功能，密封性能良好。该结构设计合理、基本零件少、工艺性好， 性能好、可靠性高。图 1- 2 小松装载机结构总图1.2.1.3 转向机构J.I 凯斯公司推出的 21 系列轮式装载机的前后主机架采用钢板铰接，采用折腰式动力转向系。转向中的随动过程是通过加力器内部反馈得以实现的；在发动机熄火后，转阀相当于一个手摇泵仍可实现整机的转向；转向角度可达40。卡特彼勒公司 950G 上配用的转向变速集成系统称为命令控制系统（CCS），由液压回路与机械反馈系统构成。转向时，方向盘转动的角度直接与车身铰接角度连接起来，其特点是方向盘转动半圈即可转向，可提供更快和更精确的控制。据称，该系统在一个台班（8h）工作时间内可使转向圈数从 1 万转减少到1 千转，极大地减轻司机的操作疲劳，增加舒适性。图 1- 3 斯凯装载机主机架示意图1.2.1.4 驾驶室图 1- 4 人性化驾驶室近几年来国外装载机的设计和制造进一步体现了以人为本的理念，要为司机提供一个更加舒适的环境，以达到他们称之为全自动化型的境地。新型轮式装载机司机室的设计充分考虑了人的生理需求，对仪表位置排列、操作手柄和踏板、司机座椅、能见度 防噪和隔振、温度调节等均符合人机工程学，使司机在舒适、轻松、安全环境下操作，提高工作效率。且大中型装载机驾驶室普遍采用翻车保护机（ROPS ）和落物撞击保护机构（FOPS），室内安装空调装置；采用防尘、减震和隔离材料；按人机工程学设计的司机座椅可全方位调节，有的已达轿车座椅的舒适程度，座椅右侧还设计有摆放饭盒、水瓶及其它物品的地方，司机台上安装 AM/FM 立体声盒式磁带收录机，有的还安装网络电话等，极大地提高了作业的舒适性。1.2.2 发展方向1.2.2.1 微电子技术、信息技术的普及和应用由于计算机技术的不断普及，将来由计算机来控制发动机管理系统将是装载机的一个重要的发展方向。它能及时地根据装载机的工作负荷要求调节发动机的输出功率，使装载机更有效地利用发动机的动力，减少动力损失，节约燃料，减少废气排量和噪声；同时可使发动机长期在额定点工作，增加发动机的使用寿命。向计算机管理及故障诊断、监控系统方向发展计算机管理监控系统能连续管理/ 监控装载机的数十项参数，具有故障诊断和报警功能，能记录、处理装载机作业的各种信息，并能用液晶显示器显示部件的工作状态，尤其在遇到突发或紧急情况时很容易显示，并以听觉与视觉相结合的报警信号提醒司机注意，有的还能提示故障排除的方法和程序。电子自动换挡变速控制系统能从发动机油门、变矩器、变速箱收集的各种数据加以处理，然后产生一种电信号，使变速箱在适当的时候换挡，可进一步减少停车时间，缩短作业循环，降低燃油消耗达 15%提高作业效率、作业经济性。随着科技的不断发展，大量的微电子技术都将和装载机的整体机构相结合，提高工作效率，提高操作的舒适性！1.2.2.2 动臂及工作装置结构的改进近年来装载机的工作装置已不再采用单一的 Z 型连杆结构，新型的连杆机构将不断的堆出。新的结构将可更大的承受扭矩载荷，具有卓越的可靠性、耐用性，工作装置能以水平位置提升或降下放在托板上的物料，可配用多种工作装置。这保证装载机不仅在配用铲斗时，而且在配用叉、吊等其他工作装置是时都具有优越的作业性能。图 1- 5 垂直升降工作机构1.2.2.3 强化辅助操作近年来，国外装载机公司已经或者正在研制一些能够帮助司机更有效地进行操作的辅助操作系统，用计算机编制作业循环就是其中的一种。轮式装载机上安装的电子计算机可编制作业循环程序，使铲装作业自动化或部分自动化。人机工程学的研究与应用已进一步改进和简化了司机的操作，卡特彼勒公司研制了一种用于工程机械操作的选择控制系统，称为直观控制系统。该系统可按司机的期望对机器进行直观控制，例如，转动控制手柄时铲斗就翻斗，当将手柄拉向操作者身边时动臂便会向操作者身边移动。安装这种系统后从来没学过操作装载机的人可在两三个作业循环后学会操作。1.3 国内装载机的发展现状及趋势1.3.1 现状分析我国的各生产厂家没有自己的优势产品，没有自身的关键技术及强有力技术创新队伍，主导产品性能差，档次低，生产成本高，企业负担重！3t 以下的装载机 ZL10、ZL15、ZL16 为代表，还有一些利用拖拉机底盘改装的小型装载机，主要与日益增多的农用运输车辆配套使用主要零部件均采用一般性能及质量的发动机、驱动桥、变速箱、液压件。技术较先进的静液压传动产品，液压件国内不易配套，产品成本居高不下制约了该类产品在国内的发展。3t 级的装载机在国内的生产厂家比较多，该产品零部件配置较零乱，生产厂家具有自制的桥箱，风格各具特色，质量及性能上相对稳定，技术先进性一般。徐工最近开发的 ZL30F 装载机，采用点换挡变速箱，使 3t 级装载机技术上有新的突破。图 1- 6 徐工集团的装载机6t 以上的装载机是国内潜在市场最大的产品，98 年以来大多数长产厂家均开发了 ZL60 装载机，但由于受传动件的制约，多数厂家都选择柳州合资生产的箱或桥和上柴或斯太尔的发送机，整机的可靠性上得到很大的提高，给国内大吨位的装载机带来了发展机遇。目前，装载机的主要关键技术还掌握在外国人手里，是阻碍我国装载机发展的一大因素。1.3.2 发展趋势国产轮式装载机正在从低水平、低质量、低价位、满足功能型向高水平、高质量、中价位、经济实用型过渡。从仿制仿造向自主开发过渡，各主要厂家不断进行技术投入，采用不同的技术路线，在关键部件及系统上技术创新，摆脱目前产品设计雷同，无自己特色和优势的现状，从低水平的无序竞争的怪圈中脱颖而出，成为装载机行业的领先者。细化系统结构。如动力系统的减振、散热系统的结构优化、工作装置的性能指标优化及各铰点的防尘、工业造型设计等。利用电子技术及负荷传感技术来实现变速箱的自动换挡及液压变量系统的应用，提高效率、节约能源、降低装载机作业成本。提高安全性、舒适性。驾驶室逐步具备 FOPS在主机的排气口处废气处理箱内放置有水，废气通过水再排出，高温废气及废气中存在的火星通过废气处理箱内的水进行降温并将火星熄灭。对柴油机排出的废气进行处理后再排出，能够在井下含瓦斯的环境中从根本上起到防爆作用。该防爆发动机具有以下优点:设计起点高
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