工程机械课程设计计算书

一、 工程机械课程设计题目试设计装载机反转连杆机构工作装置。已知该工作装置额定载重量 Q=3t,卸载高度 H=2.7m,铲斗宽度 B=2.3m,斗四连杆机构的尺寸参数为 K= 0.98,a/d=0.30.45,c/d=0.500.60,上下摇臂为直线型，动臂按曲线型结构考虑，其转角 =90，g=1.4 1.5, z=1.11.2, k=0.120.14, r=0.350.4,=4852 ,1=510 要求：编写详细设计计算书（包括上机编程）绘制机构运动轨迹简图（2图）用 CAD 绘制工作装置装配总图（1图）绘制铲斗部件结构图（2图）二、装载机用途：装载机是一种作业效率高，用途广泛的工程机械，它不仅对松散的堆积物料进行装、运、卸作业，还可对岩石、硬土进行轻度铲掘作业，并能用来清理、刮平场地及牵引作业。如换装相应的工作装置，还可完成推土、挖土、松土、起重，以及装载棒料等作业。装载机工作装置应满足下列要求：1 铲斗的运动轨迹符合作业要求，即要满足铲掘，装载的要求。希望铲掘力大，斗易于装满料，并要求动臂在提升过程中，铲斗应保持接近平移的运动，以免斗中物料撒落。2 要满足卸载高度和距离的要求，并保证动臂在任何都能卸净铲斗中的物料。3 在满足作业要求的前提下，工作装置结构简单，自重轻，受力合理，强度高。4 应保证驾驶员具有良好的工作条件，确保工作安全，视野良好，操作简单和维修方便。三、铲斗设计铲斗是铲装物料的工具，它的斗型与结构是否合理，直接影响装载机的生产率。在设计工作装置连杆结构之前，首先要确定铲斗的几何形状和尺寸，因为它与连杆机构的设计有密切联系。 设计铲斗首先要具有合理的斗型，以减少切削和装料阻力，提高作业生产率，其次是在保证铲斗具有足够强度和刚度的前提下，尽量减少自重，同时也应考虑到更换工作装置和修复易换零件（切削刃、斗点）的方便。普通铲斗的构造：Q=3tH=2.7mB=2.3mK= 0.98a/d=0.30.45c/d=0.500.60图（a）直刀刃铲斗；（b）v 行刀刃铲斗；（c ）带斗齿铲斗（d）v 形刀刃带斗齿铲斗（a ）是一个焊接结构的铲斗，底板上的主切削刃 1 和侧板上侧刀刃 2 均由耐磨材料制成；在铲斗的上方有挡板 3 把斗后臂加高，以防止斗举高时物料向后撒落。斗底上镶有耐磨材料制成的护壁 4，以保护斗底，并加强斗的刚度。直线刀刃适于装载轻质和松散小颗粒物料，并可利用刀刃刮平，清理场地工地；v 行刀刃铲斗便于插入料堆，有利于改善作业装置的偏载，适宜于铲装较紧密物料。由于其刀刃突出，影响卸载高度。图 1 带分体式斗齿铲斗a) 装有分体式斗齿的铲斗 b) 分体式斗齿1、齿尖 2、基本齿 3、固定销 4、切削刃铲斗的截面形状如上图所示，它的基本形状由一段圆弧、两段直线所的斗的圆弧半径 r，张开角,后臂高 h 和底臂长 l 等四个参数确定的圆弧半径 r 越大，物料进入铲斗的流动性好，有利于减少物料装入内的阻力，卸料快而干净，但 r 过大，斗的开口大，不易装满，且铲斗外形较高，影响驾驶员观察铲斗刃的工作情况。2、铲斗的断面形状和基本参数的确定铲斗的断面形状由斗的圆弧半径 r，张开角,后臂高 h 和底臂长 l 等四个参数确定如图图 2 铲斗截面的基本参数根据上图铲斗截面的基本参数已知该工作装置额定载重量 Q=3t 根据土壤的自然重度公式，取 r=18KN/m ,得3V=mg/r=30/18=1.67m (15KN/m r20KN/m )333在应用中采用平装斗容来计算铲斗的截面面积的基本参数，铲斗的横截面积：S=R 0.5 （ cos ）sin2gzk1 ctg/20.5（1/180） r铲斗的几何容积 V=铲斗的横截面积 S铲斗宽 B，则可建立下式：式中 V平装斗容量图 224 所示阴影面积由设计给定B铲斗的净宽度 铲斗斗底长度系数， =L /Rg g 后斗壁长度， =L /Rz zL 后斗壁长度，是指由后斗壁上缘至斗壁与斗底z延长线相交点的距离 挡板高度系数， =L /Rk kr=18KN/m 3V=1.67mL 挡板高度k 圆弧半径系数， =r/Rr r斗底与后斗壁间的夹角,又称斗张开角 挡板与后斗壁的夹角1根据已知条件取合适的值:取 =1.41; =1.15; =0.13; =0.36; gzkr=9; =521把数据代入上式得铲斗的回转半径：R=1.2m L = R=1.411.2=1.692mgL = R=1.151.2=1.38mzL = R=0.131.2=0.156mkr=rR=0.361.2=0.432m图 3 铲斗斗型计算根据上图所示计算各段长度：x=r/tg26=0.432/tg26=0.886m l=1.6920.886=0.806mh=1.380.886=0.494m =1.41g =1.15z =0.13k =0.36r =91=52R=1.2mL =1.692mgL =1.38mzL =0.156mkr=0.432mx=0.886ml=0.806mb =(1.692+0.1) +1.38+0.156/(cos9) -22 22*1.6927*1.38+0.156/(cos9)*cos52b=1.423m下铰点的位置为：h =(0.060.15)R=(0.060.15)1.2=0.1441取 h =0.144m3、斗容计算根据确定的铲斗几何尺寸即可计算铲斗斗容图 4平装容量 V 有挡板铲斗V =SB-2a b/3 mp23式中 S铲斗截面积()；B铲斗内侧宽度()；a挡板垂直刮平线的高度；b铲斗刀刃与挡板最上部之间的距离。因为 a=0.156m,b=1.423m铲斗截面积:S=R 0.5 （ cos ）sin2gzk1 ctg/20.5（1/180） r=0.706V =0.7062.3-2a b/3=1.624-0.023=1.601p2h=0.494mb=1.423mh =0.144m1a=0.156mb=1.423mS=0.706V =1.601pc=0.54m2、堆装容量 V (额定斗容量)BV = V b B/8b (a+c)/6 Bp22式中：c物料堆积高度。c=(b/2)*tan(30)+(b/2)*tan(x) (1)Cos(x)=(1.423 +y -0.156 )/2*y*1.423 (2)22y =1.38 +(1.692+0.1) -2*1.38*(1.692+0.1) (3)2所以 c=0.552mV =1.948mB3四、动臂的设计1.动臂长度动臂长度决定于动臂与机架的铰点位置和动臂与铲斗的铰点的位置。动臂下铰点在动臂举升最高位置 A1 由所需的最大卸载高度 Hmax 和相应的卸载距离 S 确定。动臂的下铰点在动臂下落时的位置 A2 则应尽量靠近轮胎，以减少对倾覆轴的力臂，缩短整机总长，但应保证铲斗上翻时，斗与轮胎有一定的间隙。2.动臂铰点的确定图 5 动臂上铰点位置的确定根据已知条件可知转角 =90 取铲斗距轮胎的距离为=0.1卸载高度 Hmax=0.135Q+2.37=0.135*3+2.37=2.775m装载机自重 G=4.057Q-1.97=4.057*3-1.97=10.201tV =1.948mB3=90=0.1Hmax=2.775mG=10.201tL=6.036mh=0.144m=6.892=52x1=1.025m装载机全长 L=0.502Q+4.53=0.502*3+4.53=6.036m下铰点离地高度 h=0.144m=arcsin(h/R)=arcsin(0.144/1.2)=6.892取 =52 +=52+6.892=58.692x1=Rsin(+)=1.2sin58.692=1.025mA1A2 的垂直距离 b=2.775-0.144+1.025=3.656m取A1=90=90 52 31.304=6.696 A1A2=bcos6.696=3.656cos6.696=3.681mOA1=3.863/cos(45)=2.73m五、反转连杆机构的设计根据设计题目的要求可得，要求工作装置设计成为一反转六连杆机构。反转机构是主从动的运动方向相反。反转机构的连杆动力学特点是在铲掘位置时的传动角（连杆与从动杆所夹的锐角）大，转斗液压缸以大腔作用，能产生较大的崛起力。1.运动学分析动臂升降时，收斗角变化不大，因而在不增加动臂在最高位置时的收斗角的条件下，可加大动臂在下部位置的收斗角，这样可提高铲掘时铲斗的装满程度并减少运输时撒料现象。卸载时，转斗角速度小，易于控制卸料速度，减少卸料冲击。图 6 所示正转连杆和反转连杆工作装置在动臂处于最大的举升高度时铲斗的卸载速度随铲斗转角的变化曲线，很明显，在铲斗卸载的后期（铲斗切削刃与水平夹角 0）反转连杆的卸载速度显著下降。图 6 卸载速度随铲斗转角变化曲线1-正转连杆；2- 反转连杆易于实现铲斗的自动效率，使铲斗自顶部卸载位置降落至地面时，无需操纵转斗油缸，便能依靠连杆机构本身自动回到铲掘位置，简化操作，提高了功效。b=3.656m=6.696A1A2=3.681mOA1=2.73m反转连杆机构特别适用于坚实物料（如矿石、原石）的采掘和搬运作业，这是因为在铲掘作业转斗时，转斗液压缸大腔作用，提高了连杆传动比，使铲起力得到较大的增加。同时由于新连杆机构铰点的减少，使结构简化。图 7 中可以看成两个连杆机构组合而成的（转斗缸四连杆机构 ABCD 和斗四连杆机构 DEGF） ，图中用了两种不同的粗实线表示出来。2.斗四连杆设计在设计连杆机构时要满足以下条件：1.铲斗的运动轨迹符合作业的要求2.满足动臂在任一位置都能卸载铲斗的卸载角不得小于453.连杆机构的传动角尽可能大，以提高连杆机构的传动效率，减少铰销的受力情况4.作业时，各杆件无运动干涉满足斗（相对动臂）的转角范围，在转角范围内，连杆机构的传动角应大于 10，斗后倾的极限位置是由动臂在最低位置时的一定的收斗角 sh 所决定的，同时，由于斗随动臂的提升而一起转动，因而斗的转角范围 为在地面上的最大收斗角 sh;动臂在最高位置的卸载角 和动臂从地面转至最高位置的转角 之和，即图 7 工作装置的机构运动图=+一般sh=4 050=4550 =7590故 一般在 180左右。设计时，在斗的转角范围内，转动角应尽可能取的大一些，否则，对杆件机构接近运动极点，铲斗极容易由于铰销间隙而引起晃动，增加撒料和噪音。但是，由于所要求斗的转角范围 很大，转动角要取的大比较困难，考虑到转动角最小值出现在连杆机构受载不大的位置，因此转动角在极限位置允许取小些，但保证大于 10。斗四连杆机构尺寸要适合，因考虑结构布置的可能性和合理性斗四连杆机构传动比应符合掘起力变化规律要求。要求斗在铲掘位置附近斗四连杆机构的力传动比应比较大，以保证有足够大的掘起力。运动学与动力学分析斗四连杆机构即双摇杆机构，其最长杆 d 与最短杆 a 的长度之和大于另外两杆 b 与 c 的长度之和，即adbca/d 1b/dc/d1b/dc/d- a/d =k式中 a铲斗上下铰点连线（简称斗铰线）长度，即图中 FG杆（图 7）b连接上铰和下摇臂的连杆长度，即图中 EF 杆c 下摇臂长度,图中 DE 杆d摇臂支点与动臂下铰点之连线长度，图中 DG 杆斗四连杆机构斗铰线的最大转角范围当各杆件长度比确定后，为保证最小传动角10，该机构所允许的最大转动角范围 max 也确定了。斗四连杆机构的最小传动角位置有两个（图 8）：图 8 斗四连杆的最小传动角位置一是当斗铰线 a 在右端极限位置,a、b 杆所夹之锐角为最小传动角 min;另一个是斗铰线在左端位置，当摇臂 c 转至 d 杆相重合时，由解析几何可以证明，a,b 杆所夹之锐角为最小传动角 min.其值可由三角关系求得min=arccos a + -（d-c） /2(a/d)(b/d）2b2如上述求得 min10，则说明该机构为保证传动角10，c 与 d 杆不可能达到重合位置。可令 min=10，应用三角关系可求得 max.由上述斗铰线的两个极限位置即可求得该机构所允许的最大转角范围 maxmax=maxmax斗四连杆机构的最大力传动比斗四连杆机构在运动时，连杆 b 的力作用线把旋转运动的杆件转动中心连线分为两端如图 9 所示，由力学三心定理可 知，分截点即为 a、c 杆件的相对瞬心，则二杆件角度之比等于该二杆件相对瞬心距离的反比。即c/a=x/(d-x)如果不计摩擦的损失，得：cMc=aMa则：Ma/ Mc=x/(d-x)式中 Ma ，Mc分别为杆件 a、c 的力矩。式中可见，x 值越大，则 Ma/ Mc 值越大，设计要求铲掘位置时 x 值在极大值附近。图 9 力传动比最大值的位置斗连杆机构尺寸的选择斗四连杆机构个构件长度比根据资料统计一般可在下述范围内选取：K=0.970.99;a/d=0.260.36;c/d=0.460.72在选择长度比时，若斗的转角范围大，k 和 c/d 值应取大些；若 k 和 a/d 值取小些，则可以使连杆机构最小传动角增大。取定一连杆长度值，即可根据已选择之长度比确定四连杆各构件尺寸。连杆机构设计参数可变性很大，每选定一组 k、a/d、c/d值，即相应有一机构方案。利用上述运动学和动力学分析的计算式，即可求得每一个方案为保证最大传动角所允许的最大转角范围 max，以及最大力传动比位置的 a、d 杆夹角 EJ.为了能迅速确定机构参数，并提高设计质量，我们把k、a/d、c/d 在上述推荐范围内的数值按一定步长变化，利用电子计算机很容易算出相应每组 k、a/d、c/d 值所对应的一组max、max、min 和 EJ 值，将它们列成表，利用此表使选的方案在满足下列条件的前提下，确定机构的初始位置：3.程序代码Dim A, B, C, E As Integer, F As Integer, G As Integer, i, j, k, h, n, X, o, r, pPrint “K=0.98“Print “a/d“, “b/d“, “c/d“, “Wmax“, “Omax“, “Rmin“For A = 0.3 To 0.46 Step 0.01For C = 0.50 To 0.61 Step 0.01B = 0.98 + A - Ci = (A 2 + 1 - B 2 - 2 * B * C - C 2) / (2 * A)o = Atn(-i / Sqr(-i * i + 1) + 2 * Atn(1)F = o * 180 / 3.1415926j = (A 2 + B 2 - (1 - C) 2) / (2 * A * B)r = Atn(-j / Sqr(-j * j + 1) + 2 * Atn(1)G = r * 180 / 3.1415926k = (1 + B 2 + A 2 - C 2 - 2 * A * B * Cos(170 * 3.1415926 / 180) / (2 * Sqr(A 2 + B 2 - 2 * A * B * Cos(170 * 3.1415926 / 180)h = Atn(-k / Sqr(-k * k + 1) + 2 * Atn(1)X = (B * Sin(170 * 3.1415926 / 180) / Sqr(A 2 + B 2 - 2 * A * B * Cos(170 * 3.1415926 / 180)n = Atn(X / Sqr(-X * X + 1)p = o + h - nE = p * 180 / 3.1415926Print A, B, C, E, F, GPrintNext CNext A4.运行结果：上述运行的结果根据以下四点来选择参数：所要求的铲斗转角 max。铲斗在极限收斗位置时，a 杆和 d 杆的夹角 max铲斗在动臂举升至最高位置时，a 杆和 d 杆的夹角max，a 杆和 d 杆所夹之锐角10使在地面铲掘位置时的 a 杆和 d 杆的夹角接近等于 EJ则选择 a/d=0.35;c/d=0.59;max=190;max=164;min=10;b/d=0.75按比例关系（图 1-3）可得：Lg/Lg=a/a图上尺寸为：Lg=53mm; a=14mm 代入得a/d=0.35c/d=0.5953/1692=14/aa=447mm;b=958mm;c=753mm;d=1277mm5.ZL30 装载机参数卸载高度 2775mm;卸载距离 1393mm