装载机JL120装载机工作装置的强度计算和结构设计 毕业论文.doc

第一章 绪论1.1国内轮式装载机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。(1)大型和小型轮式装载机，在近几年的发展过程中，受到客观条件及市场总需求量的限制。竞争最为激烈的中型装载机更新速度将越来越快。(2)根据各生产厂家的实际情况，重新进行总体设计，优化各项性能指标，强化结构件的强度及刚度，使整机可靠性得到大步提高。(3)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。(4)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。(5)提高安全性、舒适性。驾驶室逐步具备fopsrops功能，驾驶室内环境将向汽车方向靠拢，方向盘、座椅、各操纵手柄都能调节，使操作者处于最佳位置工作。(6)降低噪声和排放，强化环保指标。随着人们环保意识的增强，降低装载机噪声和排放的工作已迫在眉捷，现在许多大城市已经制定机动车的噪声和排放标准，工程建设机械若不符合排放标准，将要限制在该地区的销售。(7)广泛利用新材料、新工艺、新技术，特别是机、电、液一体化技术，提高产品的寿命和可靠性。(8)最大限度地简化维修尽量减少保养次数和维修时间，增大维修空间，普遍采用电子监视及监控技术，进一步改善故障诊断系统，提供司机排除问题的方法。展望未来，我国轮式装载机今后发展的大趋势是：稳定中吨位机提高操纵性，减轻司机操作强度，从而提高生产率，小型装载机向静液压传动方向发展，提高人体、机器、环境系统和总体效能，大型装载机借鉴与国外技术合作生产的经验。总的说来， 90年代装载机上将扩大电子计算机的应用，研制计算机管理系统及司机辅助操作系统，普及故障诊断系统。利用电子对抗技术消除或降低噪声，改变单一吸声材料密封等限制噪声传播的降噪方法，选用更加节油的发动机，改善尾气排放，减少环境污染，研制出更可靠灵敏的传感元件和控制元件的机电一体化系统，由集成电路逻辑比较向电、气、液机电一体化发展。司机的工作环境将更加宁静，生产率进一步提高，这就是二十世纪末与二十一世纪轮式装载机世界同行的发展目标，同时也是中国工程机械轮式装载机行业产品的奋斗目标。1.2国外轮式装载机发展的总体趋势 以人为本的设计思想得到充分体现，普遍采用了操纵力极小的电液比例控制技术、集中润滑技术等。在大吨位的装载机（如卡特988g）上还安装了电视监控系统。司机室设计更加人性化及豪华轿车化，空调及音响设备一应俱全，悬浮式座椅上下前后左右随意调节，以满足操作者不同体态的要求，让人感到操作这些设备简直是一种享受。如jcb公司411型装载机的驾驶室设计更为吸引人，室内具备了多项实用特性，如电子监控系统（ems）配有液晶显示板（lcd）；新的伺服控制杆可对前进和倒退进行选择；人体工程学的改进技术；调热、通风系统的改进；储物设施的布置等。当机器出现问题时信息中心可及时提醒司机进行维修。（1）注重提高机器的操纵性及舒适性，减轻司机的操作强度，提高劳动生产率，以人为本的设计思想得到充分体现：轮式装载机普遍采用了操纵力极小的电液比例控制技术，在大吨位的产品上如卡特988g装载机还安装了电视监控作业系统。普遍采用了集中润滑技术，减轻了司机日常保养强度。司机室设计更加人性化及豪华轿车化，空调及音响设备 一应俱全，各种操作按钮及杆件可以随时调节，备有悬浮式的司机座椅，既可前后左右调节，又能转动一定的角度，以满足操作者不同的体态要求。让人感到是操作这些设备简直是一种享受。（2）小型机械向全液压化及多功能化方向发展：带有多种作业机具的多功能小型装载机，多数为全液压操纵及传动，作业机具有抓斗、侧卸斗、起重装置、除雪装置、压实机具、清扫机具、钻孔、犁地、叉装和挖沟等多达20多种，且这些机具的更换都采用快速更换机构。司机不出驾驶室即可更换这些机具，操作十分方便。另外，case公司的装载机经过改型后可用于特殊环境下作业，如隧道装载机、垃圾处理装载机等。（3）广泛采用计算机控制技术：多家公司的产品都安装有g ps的计算机控制卫星定位系统，这说明计算机技术已经用在了设备的售后服务及管理上。同时，计算机辅助操作技术及故障诊断技术已经在国外的设备上得到了普及应用。 （4）重视环保及安全性：目前，国外产品特别重视发动机的排放，绝大多数都达到了欧排放标准。对安全性考虑也很周全，除加强了对司机的保护以外，对周围环境及人员的安全也考虑颇周，如所有产品均带有安全认证“ce”标志，就连在作业场地的停车安全垫木都考虑到了。如ads系统，可连续给驾驶员提供重要的技术信息，如故障类型、故障原因和需要进行维护保养的时机等。多功能停机锁紧装置具有防止机器被盗的功能。（5）外形设计更加美观，表面质量更趋完美：国外的产品都十分重视外观造型的设计。无论是驾驶室还是后机罩、挡泥板等都采用曲面流线型设计。非金属材料在覆盖件上获得了广泛的应用。外表涂漆一改往日的单一色彩配置，显现多姿多彩的外观。各种标识及装饰也与整机色彩协调一致，再加上制作精良的外表质量，给人一种赏心悦目的感觉。 57第二章 设计任务及装载机简介2.1 设计任务及要求课题名称：装载机jl120装载机工作装置的强度计算和结构设计主要参数：jl120型装载机额定斗量6.0 额定装载量：12000kg 整机重量：36t1根据给定的铰点位置分析工作装置是否满足要求。 2 参考已有资料进行结构的初步设计。 3 强度计算。 4 根据强度计算的结果修改结构。 5 cad图设计（a0 4张）。 6 设计计算书。2.2 装载机状况2.2.1历史概况轮胎式装载机（以下简称“装载机”）是一种广泛应用于公路、铁路、港口、码头、煤炭、矿山、水利、国防等工程和城市建设等场所的铲土运输机械。其主要功能是对松散物料进行铲装及短距离运输作业。它是工程机械中发展最快、产销量及市场需求最大的机种之一。国民经济的发展与国家基建规模及资金投入的增大，促进了我国装载机行业的迅速发展。生产企业由1980年的20家增至现在的100余家，初步形成了规格为0.810t约19个型号的系列产品，并已成为工程机综观国外装载机的发展特点及外部环境，专家预测未来装载机的械主力机种。主要发展趋势是：（1） 开发节能、高效、可靠、环保型产品，并研制无泄漏装载机。（2） 微电子及机电液仪一体化技术将获得越来越广泛的应用。（3） 安全性及舒适性是产品发展的重要目标。（4） 大型化与微型化仍是产品系列化的两极方向。（5） 技术进步、人才培养和售后服务将成为企业生存的三大关键内在因素。（6） 集团化、社会化与国际化是企业生存与发展的必由之路。2.2.2市场需求分析(1)国际市场世界交通、能源和其他基础建设事业发展迅速，每年投资额都在数千亿美元。目前世界各国装载机年总产量已达到15万台，美国、日本和西欧是装载机主要生产国家和地区，年产量均在万台以上，其中美国4.6万台，日本2.9万台。世界工程建设机械销售额已达到450亿美元，预计到2000年将达到500亿美元。其中美国占40%，日本占35%，其余为欧盟及其他国家。(2)国内市场受国家政策和投资方向的影响，今后510年内国内市场的发展趋势为：从地区看，安徽、河南、江西等市场需求在上升，国家向中西部投资的政策也将使该地区的市场具有广阔前景。从用户看，国家鼓励多种经济形式并存，私营经济和个体用户市场需求仍然上升；国家大型工程建设对大吨位装载机等工程建设机械需求量增加。各生产厂家没有自己的拳头产品，没有自身的关键技术及强有力的技术创新队伍，主导产品档次低，企业负担重，生产成本高。2.3 工作计划2006-3-26到2006-3-31 读资料 定详细方 开始分析计算2006-4-3到2006-4-28 性能分析 草图 强度计算2006-5-1到2006-5-12 强度计算 设计计算书 结构设计2006-5-15到2006-5-26 计算设计书 审核 检查2006-5-29到2006-6-15 整理 准备答辩第三章 工作装置强度计算结构形式：jl120装载机的工作装置有铲斗，动臂，摇臂，连杆，和动臂油缸借以升降动臂，摇臂和转斗油缸及连杆相连，借以转动铲斗。3.1 联接约束反力计算：3.1.1 铲斗反力计算 图3.1铲斗受力图（1）牵引时水平力（插入阻力） g=360knp=288kn = =215.5kn = =490.6kn = -73.3kn（2）工作时（垂直加载）q垂直力（铲起阻力） /lw=360kn =1850mm l=3460mm=192.5kn =563.4kn = =529.6kn = 0.9kn（3）牵引工作时（水平与垂直同时加载）这时垂直力由/l给出 =192.5kn水平力取发动机扣除工作油泵功率后装载机所能发挥的牵引力 p=2/3*288=192kn =707.1kn = =857.2kn = -47.9kn3.1.2 连杆反力计算图3.2连杆受力图（1）牵引时=215.5kn = =282kn = -177.5kn（2）工作时=563.4kn = =737.2kn = -464kn（3）牵引工作时=707.1kn = =925.3kn = -582.3kn 图3.3连杆受力图（1）牵引时 =282kn（2）工作时 =737.2kn（3）牵引工作时 =925.3kn 图3.4连杆受力图（1）牵引时 =177.5kn（2）工作时 =464kn（3）牵引工作时 =582.3kn3.1.3 对摇杆反力的计算图3.5摇杆受力图（1）牵引时 =282kn =371.1kn = =-470.4kn = = 409.3kn（2）工作时 =737.2kn =970.2kn = =-1229.7kn = = 1070kn（3）牵引工作时 =925.3kn =1217.7kn = =-1543.5kn = = 1342.9kn3.1.4动臂反力计算 图3.6动臂受力图 （1）牵引时=490.6kn =177.5kn =-470.4kn73.3kn = 409.3kn=-2351.2kn =1508.5kn =-2022kn（2）工作时=529.6kn =464kn =1229.7kn =-1070kn=481kn =-1214.1kn =980.8kn（3）牵引工作时=857.2kn =582.3kn =1543.5kn = -1342.9kn=1040kn =-1640kn =1490.3kn3.2 动臂强度计算图3.7动臂受力图动臂承受五个力而平衡，力学上属于拉弯组合变形依据力学基本原理，对动臂从右到左进行力学分析，得出其内力图。（1）分析la段图3.8动臂la段分析图由动臂cad图可知上图所示条件得轴力n= 剪力同时弯距得到内力图如下：图3.9动臂la段内力图（2）gl段图3.10动臂gl段受力根据已知条件由力的平移原理将移动到l后得轴力n= 剪力同时弯距得到内力图如下： 图3.11gl段内力图（3）hg段图3.12hg段受力分析图根据力的平移原理，将移动到g点后可得得轴力n= 剪力同时弯距内力图如下所示： 图3.13lg段内力图4分析oh段 图3.14oh段受力分析将四个力移动到h点处得轴力n=剪力同时弯距内力图如下所示： 图3.15oh段内力图（1）牵引时 496kn 177.5kn 2351.2kn 623.5kn带如公式可得=-470.4kn =-418.1kn =1814.5kn =2370kn=-157.4kn =-248.3kn =520.4kn =-816.8kn-106.4kn.m -391.2kn.m 44.4kn.m -944.7kn.m图3.16牵引时动臂内力图(2)工作时 529.6kn 414kn 481kn 1630kn带如公式可得=502.2kn =48.9kn =-62.2kn =222.6kn=502.2kn =615.4kn =-156.7kn =1500.5kn113.6kn.m 56.1kn.m -52.1kn.m 269.6kn.m图3.17工作时动臂内力图(3)牵引工作时 828.5kn 582.3kn 1040kn 2045.9kn带如公式可得=785.7kn =874.3kn =122.9kn =2146.2kn=785.7kn =189.5kn =-18.4kn =461.8kn177.7kn.m 217.4kn.m -15.4 kn.m 559.3kn.m图3.18a牵引工作时内力图偏载情况的分析选用铲斗的宽为3400mm 假设偏载距离为l l=1500mm牵引的时候 q=0 p=288kn工作的时候 q=192.5kn p=0牵引工作的时候 q=192.5kn p=192kn（1）牵引的时候只有p 作用，假设偏载距离为1500mm由力的平移原理，将p移动到铲斗正中间的时候，轴力n和剪力q不会变化，但产生附加弯矩m与附加扭距经过分析可以得到p在动臂上al， lg， gh ，ho段的附加弯矩m与附加扭距图3.18b水平偏载 =216kn.m =381.4kn.m =374.1kn.m =202.8kn.m图3.19a牵引偏载时内力图（2）工作的时候 图3.19b垂直偏载 q=192.5kn =250.1kn.m =135.6kn.m =144.4kn.m =255kn. 图3.20工作偏载时内力图（3）牵引工作的时候 q=192.5kn p=192kn =394.1kn.m =389.9kn.m =393.8kn.m =390.2kn.图3.21牵引工作偏载时内力图对其截面几何性质进行分析：如下图所示 图3.22动臂截面图（1）两动臂相距2000mm 厚度为100mma=2*b*h求可用两矩形相减法非圆截面扭转的时候，抗扭截面系数可表示为：（为一个与比值h/b有关的系数）（2）经过分析动臂所用的材料为16mn 经查阅相关资料可以得到其机械性能：强度极限 47.04kn/ 屈服极限 30.38kn/ 16.71kn/基本公式有： （ 分别为矩形截面的短边中点和长边中点的切应力 v为一个与比值有关的系数）图3.23动臂尺寸图将计算结果列于下表中中点水平加载截面应力表（表一） 表一到表六中的 h单位为cm f单位为 w单位为 n，q单位为kn m单位为kn.m ,单位为kn/中点垂直加载截面应力表（表二）中点水平与垂直同时加载截面应力表（表三）水平偏载截面应力表（表四）截面 位置l - l g - gh - h几何性质 h303045403835f6006009008007607003000300067505333.34813.34083.3195001950029250260002470022750480648061158390248057.56737.5内力n-470.4-418.1-418.11814.51814.52370q-157.4-248.3-248.3520.4520.4-816.8-106.4-106.4-391.2-391.244.444.4384.9216216182.6182.6381.4196.1374.1374.1391.5391.5201.8正应力0.7840.6970.4652.2682.3883.3863.53.55.87.30.91.121.10.70.70.71.76.2845.2976.96510.2683.9886.186剪应力0.3940.6210.4140.9761.0271.7503.15.92.43.23.62.33.4946.5212.8144.1764.6274.05垂直偏载截面应力表（表五） 截面 位置l - l g - gh - h几何性质 h303045403835f6006009008007607003000300067505333.34813.34083.3195001950029250260002470022750480648061158390248057.56737.5内力n502.2615.4615.4-156.7-156.71500.5q16848.948.9-62.2-62.2222.6131.1250.7250.7261.7261.7135.6113.6113.6169.7169.7117.6117.6257.3144.4144.4122122255正应力0.8371.0260.6840.1960.2062.1443.83.82.53.22.42.90.71.30.911.10.65.3376.1264.0844.3963.7065.644剪应力0.420.1220.0820.1170.1230.47742.30.911.12.84.422.4220.9821.1171.2233.277水平与垂直同时偏载截面应力表（表六）截面 位置l - l g - gh - h几何性质 h303045403835f6006009008007607003000300067505333.34813.34083.3195001950029250260002470022756480648061158390248057.56737.5内力n785.7874.3874.3122.9122.92146.2q785.7189.5189.5-18.4-18.4461.8177.7177.7395.1395.1379.7379.7387.7394.1394.1383.4383.4389.9388393.8393.8383383390.2正应力1.311.4570.9710.1540.1623.0665.95.95.97.47.99.3221.31.51.61.79.219.3578.1719.0549.66214.006剪应力1.9640.4740.3160.0350.0360.996.16.22.53.23.64.48.0646.6742.8163.2353.6365.39截面最大应力处强度储备（表七）载荷方式及应力情况中点水平加载 9.556 1.753.189.5中点垂直加载 5.044 0.4776.0235.03中点水平与垂直同时加载 12.366 1.964 l - l2.45678.51水平偏载 10.268 6.5212.962.56垂直偏载 6.126 4.42 l - l4.963.78水平与垂直同时载 14.006 8.064 l - l2.1692.0723.3 摇臂强度计算件号：jl120.4图3.24摇臂受力分析 经分析可得到起内力图图3.25摇臂内力图 （一）牵引时=212.8kn =-83.5kn=185kn =-364.6knm=156.9344kn.m（二）工作时=556.4kn =-218.2kn=483.6kn =-945.3knm=410.26kn.m（三）牵引工作时=698.3kn =-272.9 kn=607.1kn =-1186.5knm=514.941kn.m图3.26摇臂截面图图3.27 摇臂尺寸图表八截面 f牵引工作牵引工作a 1968.3 39859.51478.3291.61.670.9524.362.495.473.13b10209.5410278.87657.27111.650.9454.332.455.433.0810209.5410278.87657.27111.240.483.241.254.061.57上表中 单位为kn/摇臂用料 16mn 机械性能 =35kn/ =19.25kn/表九载荷方式及应力情况中点水平加载 1.67kn.m a 0.952kn.m a2120.22中点垂直加载 4.36kn.m a 2.49kn.m a8.027.73中点水平与垂直同时加载5.47kn.m a 3.13kn.m a6.396.153.4 连杆强度计算与铲斗连接的连杆的强度校核 件号：jl120.5用料 16mn 机械性能 =35kn/ =19.25kn/ 图3.28连杆受力分析 计算分析可得内力图图3.29连杆内力图 （一）牵引时=-73.9kn =91.8kn=-202.4kn =-266knm=41.13kn.m（二）工作时=-192.7kn =240kn=-529.4kn =-697knm=107.52kn.m（三）牵引工作时=-241.8kn =301.2kn=-664.4kn =-874.9knm=134.94kn.m截面如下：图3.30连杆截面表十截面 f牵引工作牵引工作d 1166.411664876259.24.550.53211.851.3915.361.75e64064004801924.60.7212.031.87515.12.35上表中 单位为kn/摇臂用料 16mn 机械性能 =35kn/ =19.25kn/表十一载荷方式及应力情况中点水平加载 4.6kn.m e 0.72kn.m e7.626.7中点垂直加载 12.03kn.m e 1.875kn.m e2.910.3中点水平与垂直同时加载 15.36kn.m d 2.35kn.m2.288.2件号：jl120.6材料16mn =2.9kg/ 图3.31连杆截面图 a=396（1）牵引时 =177.5kn=0.448k=2.9/0.448=6.47（2）工作时 =464kn=1.17k=2.9/1.17=2.48（3）牵引工作时 =582.3kn=1.17k=2.9/1.17=1.97件号：jl120.7图3.32连杆截面图（1）牵引时 =282kn=0.712k=2.9/0.712=4.07（2）工作时 =737.2kn=1.86k=2.9/1.86=1.56（3）牵引工作时 =925.3kn=2.3k=2.9/2.3=1.263.5 销轴强度计算用料40cr =55kn/ 3.5.1杆4上的销（1）用于连接转斗油缸 件号jl120.1.15图3.33销=3+0.1=3.1cml=18cm w=169.56当水平和垂直同时加力的时候p 最大=1217.7kn=27.3 kn/k=55/27.3=2.01(2)用于连接连杆 件号jl120.1.3图3.34销=3+0.1=3.1cml=20cm w=169.56当水平和垂直同时加力的时候p 最大=925.3kn=8.5 kn/k=55/8.5=6.5（3）用于连接动臂的销 件号jl120.1.13用料40cr =55kn/ 图3.35销=3+0.1=3.1cml=18cm w=169.56当水平和垂直同时加力的时候p 最大=2045kn=18.71kn/k=55/18.71=2.943.5.2 连杆3上的销 件号jl120.1.5图3.36销=3+0.1=3.1cml=20cm w=169.56当水平和垂直同时加力的时候p 最大=925.3kn=8.5 kn/k=55/20.7=6.5 件号jl120.1.7图3.37销=3+0.1=3.1cml=18cm w=169.56当水平和垂直同时加力的时候p 最大=582.3kn=13.05 kn/k=55/20.7=4.23.5.3 动臂缸销 件号jl120.1.12图3.38销=3+0.1=3.1cml=18cm w=269.225当水平和垂直同时加力的时候p 最大=2215kn=31.3kn/k=55/31.3=1.763.5