机械课程设计（论文）-ZL20装载机反转连杆机构工作装置设计（全套图纸） .pdf

zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 1 指导老师：马丽英 zl20 装载机装载机铲斗设计说明书铲斗设计说明书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 一、课程设计题目一、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=2t，卸载高度 h=2.5m，铲斗宽度 b=1.9m，斗四连杆机 构的尺寸参数为 k= 0.97，a/d=0.30.4，c/d=0.550.65，上下摇 臂为曲线型，动臂亦按照曲线型结构考虑，其转角=90， g =1.41.5， z=1.11.2，k=0.120.14，r=0.350.4， =4852， 1 =510。 要求： 1. 编写详细设计计算书； 2. 绘制机构运动轨迹简图（2 图） ； 3. 用 cad 绘制工作装置装配总图（1 图） ； 4. 绘制铲斗部件结构图（2 图） 。 zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 2 指导老师：马丽英 二、二、装载机工作装置介绍装载机工作装置介绍 2.1、装载机用途、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 等工作。 原始的装载机工作装置如图 11 所示， 铲斗与动臂固定， 若 转斗液压缸不动， 当动臂提升时， 铲斗和动臂一起绕着定点转动， 斗的倾角随着动臂转角的增大而增大，使斗中物料撒落，为使物 料不撒落，要求动臂举升时，铲斗应相对动臂向前倾，以补偿铲 斗随动臂转动所引起的后倾，实现铲斗接近平移运动。这样的运 动通常是由连杆机构来实现。 图 12 所示，为一个由机架、动臂拉杆和框架（斗）组成的 工作装置连杆机构，动臂和拉杆的一端与车架铰接，另一端则与 框架铰接。斗和斗液压缸固定在框架上。动臂举升时，动臂 与机架的夹角改变，引起框架和动臂的夹角 改变，由于斗装 在框架上，故斗相对于动臂产生了转动。动臂举升时，斗在空间 的运动，可以为斗跟随动臂一起绕定 点转动的牵 连运动和相对动 臂转动的相对运 动的合成。 若动臂转角 （即斗的牵连 运动） ，通过连杆 机构使框架（斗） 相对于动臂转动 （斗的相对运 动） ，则斗在空间 的实际转角为： =+ 若- ，则0，即 使动臂在举升时， 斗在空间基本上 无转角变化。 zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 3 指导老师：马丽英 2.2、 装载机工、 装载机工 作装置应满足作装置应满足 如下要求：如下要求： 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； 2、要满足卸 载高度和卸载距 离的要求， 并保证 动臂在任何位置 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； zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 4 指导老师：马丽英 4、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、铲斗三、铲斗 的设计的设计 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 密切的关系。 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、 zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 5 指导老师：马丽英 斗点）的方便。 3.1、铲斗的构造、铲斗的构造 在设计铲斗时采用的是普通型焊接铲斗，底板上的主切削刃 1 和侧板上的侧切削刃 2 均由耐磨材料制成； 铲斗的上方有挡板 3 把斗的后臂提高，以防止铲斗举高时物料向后撒落。斗底上镶有 摩擦材料制造的护臂 4，以保护斗臂。如图（1） 。 图（1） 铲斗的构造 1 主切削刃 2 侧刀刃 3 挡板 4 护板 铲斗时采用的是 普通型焊接铲斗 - zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 6 指导老师：马丽英 图（2） 带分体式斗齿铲斗 通常在设计铲斗时都采用带齿的铲斗，因为斗齿的作用是铲斗插 入物料时，减少铲斗与物料的作用面积使插入力集中在斗齿上， 破坏物料结构，因而带齿的斗具有较大的插入料堆的能力，适宜 于装矿石和坚硬的物体，齿型的铲斗的选择使提高铲斗的寿命， 使铲斗的插入力减小，如果齿变钝了易于更换和维修，设计时采 用分体式铲 3.2、铲斗的截面形状和基本参数的确定、铲斗的截面形状和基本参数的确定 铲斗的截面形状如上图所示，它的基本形状由一段圆弧、两 段直线所焊接而成的基本的斗状圆弧的半径 r、张开角、后臂 高 h、底臂长 l 等四个参数决定的。圆弧半径 r 大，物料进入铲斗 的流动性能好， 有利于减少物料装入斗内的阻力， 卸料快而干净， 但圆弧半径 r 过大，斗的张开角大，不易于装满，且铲斗外形较 高，影响驾驶员观察铲斗刃的工作情况。后臂高 h 是指斗上缘至 圆弧与后壁切点的距离，h 过小则容易漏料，过大则增加铲斗的 外形影响驾驶员的视野。底臂长，则斗的插入料堆深度大，斗易 于装满，但 铲起 力由于力臂的增 加而减少， 底臂长 度小则铲起力 采用分体式铲 zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 7 指导老师：马丽英 大，且由于卸料时铲斗刃口降落的高度小，可以减少动臂举 升高度，缩短作业时间。 斗的断面形状由圆弧半径 r、张开角、后臂高度 h、和底臂 长 l 等四个参数决定。如图（3） 图（3）铲斗截面的基本参数 根据上图铲斗截面基本参数，已知该工作机构的额定载重量 q=2t ，由土壤的自然重度公式： 得 v=mg/=29.8/20=0.98 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， 铲斗的截面面积： () 22 g1 s=r0.5cossin 0.5 (1) 2180 zkr ctg + 铲斗的几何容积 v=sb，则可以建立下式： () 1 0.5cossin 0.5 (1) gzkr r bctg = + 式中： v平装 斗容量图(4)所示 阴影面积由设计 给定； b铲斗 的净宽度； zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 8 指导老师：马丽英 v=0.98 g铲斗斗底长度系数，g=lg/r； z后斗壁长度，z=lz/r； l z后斗壁长度，是指由后斗壁上缘至斗壁与斗底延长线 相交点的距离； k挡板高度系数，k=lk/r； lk挡板高度； r 圆弧半径系数，r=r/r； 斗底与后斗壁间的夹角,又称斗张开角； 1挡板与后斗壁的夹角。 图 (4) 铲斗截面的具 体参数 根据已知条 件取合适的值： 取1=8、 r=0.4、k =0.14、 z =1.2、 g =1.5、 =50把以 上数据代入上式 得铲斗的回转半 径： r=0.921m。 并由 r 得到 以下数值： 铲斗的横截 面面积 s= v/b=0.98/1.9=0.5 zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 9 指导老师：马丽英 16 1=8 r =0.4 k =0.14 z =1.2 g =1.5 =50 r=0.921m s=0.516 后 斗 臂 长 度 lz =1.2 0.921=1.1052m 斗 底 长 度 lg =1.5 0.921=1.3815m 挡 板 高 度 lk =0.14 0.921=0.1289m 铲 斗 圆 弧 半径 r =0.4 0.921=0.3684 m 底 臂 长 l =1.38150.3684/ tan25 。=0.5909m 下铰点距斗 底高度 h=0.1 0.921=0.0921m 3.3、 斗容计算、 斗容计算 根据确定的铲斗 几何尺寸即可以 计算铲斗斗容 3.3.1、平装斗、平装斗 容容 v（有挡板铲（有挡板铲 zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 10 指导老师：马丽英 斗）斗） v p=sb-2a 2 b/3 m 3 式中：s铲斗横截面积等于 0.516 b铲斗内侧宽度等于 1.9m a近似取 0.15m b铲斗刀刃与挡板最上部之间的距离，又余弦定理得 b=1.338m 所以 v p=0.96 m 3 三三.三三.二、堆装容量二、堆装容量 vh（额定斗容量）（额定斗容量） vh = v pb 2 b/8b 2 (a+c)/6 c 物料堆积高度 由于物料按 2：1 的坡度角堆装，所以 c 近似等于 c=0.730m 所以 vh =1.65m 3 四、四、 动臂的设计动臂的设计 4.1、动臂长度、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。 lz=1.1052m lg=1.3815m lk=0.1289m r=0.3684 m l=0.5909m h=0.0921m s=0.516 a=0.15m b=1.338m v p=0.96 m 3 c=0.730m vh =1.65m 3 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 zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 11 指导老师：马丽英 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。 4.1.1、动臂铰点的确定、动臂铰点的确定 动臂上铰点:在确定了 a1、 a2、 则上铰点 o 一定在由 a1、 a2、 连线的垂直平分线上，具体位置由总体布置确定，o 点向后布置 可减少和最大外伸，有利于整机稳定，但靠后布置受驾驶室布置 及折腰铰点位置限制。动臂的上、下铰点位置确定后，就可以用 计算或作图法确定动臂长度。如图： 图(5) 动臂铰点的确定图示 根据已知条件可知：转角=90 取铲斗离轮胎的距离为 =0.1m,卸载高度 h=2.5m 下铰点距离地的高度 h=0.0921m 则=arcsin（h/r）= arcsin（0.921/0.0921）=5.739 又有=50 +=50+5.739=55.739 =90 =0.1m h=0.0921m =5.739 +=55.739 l=rsin53.73 9 zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 12 指导老师：马丽英 =0.921sin53.739=0.761m a1a2=2.5-0.0921+0.761=3.1689m 取 a1=90 则角为 90-50-34.261=5.739 则 l=a1a2/cos5.739=3.1848m oa1=3.1848/2cos45=2.229m 五、反转斗四连杆机构的设计五、反转斗四连杆机构的设计 根据题目的设计要求可得，要求工作装置设计成一反转四连 杆机构，此机构的动力学特点是在产掘位置时的传动角大，转斗 液压缸以大腔作用，能产生较大的崛起力 五五.一、动臂设计要求一、动臂设计要求 1、动臂提升时，收斗角变化不大，在满足最高位置收斗角条 件下，加大动臂在下部时收斗角，这样提高装满程度，避免撒料。 2、卸料时，转斗角速度小，易于控制卸料速度，减少卸料冲 击。 3、易于实现自动效率，铲斗自顶部降至地面时，无需操纵转 斗油缸，铲斗自动回到铲掘位置，简化操作，提高功效 图 (6) 卸载速度随铲斗转角变化曲线 l=0.761m a1a2=3.1689m 5.739 l=3.1848m oa1=2.229m 工作装置为反转 四连杆机构 zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 13 指导老师：马丽英 图(7) 工作装置整体简图 此图形可以看成两个四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 defg） ，由两种不同的线条标 5.2、连杆机构设计要求：、连杆机构设计要求： 1、铲斗运动轨道符合作业要求。 2、满足动臂在任意位置都能卸载，即卸载角 3、连杆机构的传动角尽可能大，以提高传动效率 4、作业时，各构件间无运动干涉 5.3、斗四连杆机构的设计要求：、斗四连杆机构的设计要求： 1、满足斗（相对动臂）的转角范围，在转角范围内，传动角 大于 10。转角范围比较大。传动角取得比较大较难，但传动角 最小值时，连杆机构受载不大，因此传动角可小些，但不得小于 10 2、 斗四连杆机构传动比应符合掘起力变化规律要求。 即在铲掘位 置附近力传动比比较大，以保证有足够的掘起力。 3、连杆尺寸要适当，考虑结构布置的可能性和合理性。 zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 14 指导老师：马丽英 5.4、运动学与动力学分析：、运动学与动力学分析： 斗四连杆机构是双摇杆机构，其最长杆 d 与最短杆 a 之和应 大于是 b 与 c 长度之和，即 adbc a铲斗上下铰点连线长 b斗上铰点和下摇臂连杆长 c下摇臂长 d摇臂铰支点与动臂下铰点之连线长度 5.4.1、斗四连杆机构斗铰线的最大转角范围、斗四连杆机构斗铰线的最大转角范围 当机构杆件长度确定后， 为保证最小传动角 10， 则该机 构所容许的最大转动范围也就确定了 斗四连杆机构的最小传动角的位置有两个如图所示： 图(8) 斗四连杆的最小传动角位置 一个是当斗铰线 a 在右端极限位置，a、b 杆所夹的锐角为最 小传动角，作辅助线 e 得到： 220 0 2cos170 sinsin170 eabab be =+ =应用余弦定律 zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 15 指导老师：马丽英 可得： 22 /sin170 arcsin 2cos170 b d abab dddd = + d 杆与 e 线之夹角 222 222 22 arccos 2 12cos170 arccos 22cos170 dec de bacba ddddd abba dddd + = + = + 由此可得，a 杆在右端极限位置 b 杆夹角为 10时，a 杆与 d 杆 之最大夹角为： max =+ 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 2 + 2 b -（d-c） 2 /2(a/d)(b/d） 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max max=maxmax 5.4.2、斗四连杆机构的最大力传动比、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 1-8 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 zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 16 指导老师：马丽英 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 斗四连杆机构各杆长度确定后，x 值有如下关系。 设连杆 b 的两端点在 d 杆为 x 轴的直角坐标系中的坐标分别为 （x1,y1)和（x2,y2),可列出连杆直线方程 121 121 1221 21 0, yyyy xxxx yd xyx y yy = = 令可 得 出 x= 由图(9)可 见： zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 17 指导老师：马丽英 1 1 c o s s in xae j yae j = = 2 2 cos sin xdcbj ycbj = = 代入上式经简化得 222222 22 sin()sin / sinsin / arccosarccos 22 2cos c bjejej x d cd d bjej ad scbsda bj scsd sadadej + = + + = =+ 式 中 令 0 x d dej = 即可求得该机构在 x 达到极限值时的斗铰线 a 与 d 杆的夹角 ej，在此位置，该机构获得最大力传动比。 5.4.3、斗连杆机构尺寸的选择、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=0.97;a/d= 0.26 0.36;c/d=0.46 0.72 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 已选择的长度比 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 保证其最大传动 角所允许的最大 转角范围max， zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 18 指导老师：马丽英 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： 六六、编编程程 计算计算 6.1、程、程序代序代 码码： #include zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 19 指导老师：马丽英 #include #include using namespace std; int main() double k=0.97, a=0.3, c=0.55; double b=0.0; double wmax,$max,rmax,swap1,swap2;/声明 最大角 杆的极限角 double min=0.0; coutsetw(8)“a/d“setw(8)“c/d“setw(8)“b /d“setw(8)“wmax“setw(8)“$max“setw(8)“min“e ndl; for(int i=0;i11;i+) for(int j=0;j11;j+) b=k+a-c; swap1=(1+b*b+a*a-c*c-2*a*b*( cos(3.14*17/18) )/sqrt( a* a+b*b-2*a*b*( cos(3.14*17/18) ) );/给 两个角赋值 swap2=b*sin (3.14*17/18)/sq rt( a*a+b*b-2*a *b*cos(3.14*17/ 18) ); rmax=swap1-swap 2; zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 20 指导老师：马丽英 $max=acos( (a*a+1-b*b-2*b*c-c*c)/(2*a) ); wmax=($max+rmax)*180/3.14;/最大角度 min= acos( ( a*a+b*b-(1-c)*(1-c) ) /(2*a*b) )*180/3.14;/最小角度 coutsetw(8)asetw(8)csetw(8)bsetw(10)wmax setw(10)$max*180/3.14setw(10)minendl; c+=0.01; a+=0.01; c=0.55; return 0; 6.2、运、运行结行结 果果： zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 21 指导老师：马丽英 zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 22 指导老师：马丽英 zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 23 指导老师：马丽英 上述运行的结果根据以下四点来选择参数： （1）所要求的铲斗转角max； （2）铲斗在极限收斗位置时，a 杆和 d 杆的夹角max； （3）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； （4） 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=0.4;c/d=0.55;max=250;max=154; min=9;b/d=0.82。 斗上铰点的位置参考同类型机器在连杆机构设计中确定，它 与斗下铰点的距 离不宜过大， 否则 将增加斗连杆机 构尺寸，使结 a/d=0.4 c/d=0.55 zl20 装载机铲斗课程设计计算说明书 设计计算过程 计算结果 刘礼豪 24 指导老师：马丽英 max=250 max=154 min=9 b/d=0.82 构布置困难。根据同类型机器的连杆设计取按比例关系可得: 取 a=385mm; b=742mm; c=578mm; d=963mm。 七七、转斗、转斗缸缸四连杆设计四连杆设计 转斗缸四连杆机构设计是根据所设定的铲斗上翻角和下 翻角变化规律进行的。 铲斗上翻角变化规律（要求） ，动臂在水平位置以下，其 上翻角的变化量应为正值，在动臂最低位置提升至运输位置 时其值可大些，以增大收斗角，减少运输时的撒料；动臂在 上部位置，则希望小一些，以保持斗的平移性能