毕业设计（论文）-ZL30装载机工作装置优化设计【全套图纸】.doc

青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 毕业设计（论文）任务书专业 机械设计制造及其自动化 班级 机械051 姓名 下发日期 2009-3-10题目ZL30装载机工作装置优化设计专题ZL30装载机工作装置优化设计主要内容及要求工作装置是完成装卸作业并带液压缸的空间多杆机构，是组成装载机的关键部件之一，其设计水平高低直接影响装载机性能的好坏，进而影响整机的工作效率与经济指标。通过优化设计方法对装载机工作装置进行优化设计，得出更合理的工作装置，驾驶员具有更良好的工作条件，工作安全、视野良好、操作简单和维修方便。主要设计内容为：1. 装载机总体方案设计；2. 装载机工作装置的设计及计算，完成含折合A0的图纸3张；3. 翻译英文文献3000单词左右；4. 完成2万字左右的毕业论文或设计说明书。主要技术参数铲斗 动臂长度 动臂与车体动臂举升刚等的铰接位置进度及完成日期2009-3-302009-4-10 完成3000字的外语翻译2009-4-102009-4-25 完成装载机总体方案设计，并且选择出最佳方案2009-4-252009-5-15 完成装载机工作装置总体设计2009-5-152009-5-20 完成装载机主要部件数据的计算2009-5-202009-5-30 完成装载机CAD图及其各部件图2009-6-1 2009-6-10 完成设计论文2009-6-102009-6-17 对CAD图及论文进行修改完善2009-6-172009-6-18 打印图纸及论文教学院长签字日 期教研室主任签字日 期指导教师签字日 期 摘 要轮式装载机是用于装载散料为主的工程机械设备，由于轮式装载机经常工作在各种复杂的工况下，这就要求轮式装载机具有良好的适应性和可靠性，尤其是工作装置的各种设计参数直接影响装载机的整机性能，因此对轮式装载机的设计提出了严格的要求。本课题对轮式装载机工作装置的运动学、动力学进行深入的研究，以提高装载机作业效率，对轮式装载机的整机设计具有特别重要的意义。主要进行了以下几方面的研究：首次，对工作装置运动学进行分析,掌握工作装置的设计规律,为六连杆机构优化分析奠定了理论基础。 其次，对装载机工作装置进行动力学分析,确定典型工况的约束条件,并进行载荷计算。 装载机广泛应用于房屋建筑、公路建设、水利工程、国防建设和工矿运输等作业。作为一种通用工程机械，它对减轻繁重的体力劳动，保证工程质量，提高劳动生产率来说起着不可替代的作用川。然而装载机的使用主要集中在露天和地下工程隧道上，对于煤矿井下尤其是小型煤矿这样生产能力小、机械化程度低、劳动程度大、瓦斯含量高、工作环境狭窄的情况，装载机的使用依然是一个不可逾越的鸿沟。但是随着防爆柴油牵引机车的研制成功和产业化，以及虚拟样机技术的日益成熟，使得小型装载机的设计成为了可能。关键词：ZL30装载机动臂；优化设计；装载机连杆；装载机摇臂；装载机铲斗全套图纸，加153893706AbstractThe wheel loader is used to load bulk primarily project mechanical device.Because the wheel loader day-to-day work undereachkindofcomplexoperatingmode, this requestwheelloaderhasthegoodcompatibilityandthereliability.Eachkindofdesignvariableofworkingdeviceaffectstheloaderperformancedirectly. Therefore the strict request should be set to the wheel loader design.Kinematics, dynamics, the simulation optimization as well as the finite elementof working device are all researched. Then, the loader work efficiency can beenhanced, and has the vital significance to the wheel loadercompletemachinedesign.Accordingtotheabovedevelopments,following several aspects to study:Firstly, we carry on the analysis to the working device kinematics, graspingworking device design method, has laid the rationale for six link motiongearoptimizationanalysis.Secondly,dynamics analysis of the working device canbe carried on. And typical operating mode constraint condition and computation of load can be researched. In order to carry out the finite element analysisof lift arm, a lot of bases can be provided. At last, lift arm of ZL50 loaderis carried on the finite element analysis and is also optimized.Key words: ZL30loadmachine stirarm;optimal design; loadmachine linkpole; loadmachine shakearm; loadmachineshovel.目 录摘 要IABSTRACT. II目 录IV第1章 前 言11.1 装载机简介11.2 国外发展状况21.3 国内发展概况4第2章 方案选择52.1 装载机的主要设计参数52.2 装载机工作装置简介62.3 工作装置连杆机构类型72.4 对工作装置的设计要求92.5 装载机的典型作业工况92.6 本课题的性能参数11第3章 ZL30装载机工作装置六杆机构的优化设计123.1工作装置六杆机构优化设计设计变量的选择123.2工作装置六杆机构优化设计目标函数的定133.3六杆机构工作装置优化设计约束条件的确定13第4章 工作装置铲斗设计174.1 铲斗的设计174.2 斗齿的设计18第5章 装载机工作装置连杆系统设计195.1确定动臂长度、形状与车架的铰接位置195.2 动臂形状的选择215.3确定动臂油缸铰接位置215.4连杆机构的设计22 第6章 工作装置的静力学计算276.1 外载荷的确定原则276.2 外载荷的计算27结 论30参考文献.31致 谢32附件133附件24444 第1章 前 言1.1 装载机简介装载机是一种作业效率高，用途广泛的工程机械，它可以用来铲装、搬运、卸载、平整散装物料,也可以对岩石、硬土等进行轻度的铲掘工作。 如果更换相应的工作装置，还可以进行推土、起重、装卸木料和钢管等作业。因此，装载机被广泛应用于建筑、公路、铁路、水电、港口、矿山及国防等工程中，对加快工途程建设速度、减轻劳动强度、提高工程质量、降低成本具有重要作用。在国内外，无论是种类上还是在产量方面装载机都得到迅速发展，成为工程机械的重要机种之一。如图1.1 所示图1.1 ZL30C 装载机装载机按行走装置不同可分为轮胎式和履带式两种。轮胎式装载机简称轮式装载机，它由车架、工作装置、动力装置、行走装置、传动系统、转向系统、制动系统和液压系统等组成。按使用场合不同可分为露天用装载机和井下用装载机（铲运机）。国内外生产和使用的装载机绝大多数是露天轮式装载机，井下用铲运机结构简单，是根据井下巷道的工作条件，对发动机的排污和消声，整机高度和工作装置以及驾驶操作系统的布置等提出特殊要求后，在露天用装载机基础上变型设计而成的。按传动形式不同可分为机械传动、液力机械传动、液压传动和电传动四种。大中型装载机都采用液力机械传动，轮式装载机的液力变矩器有一级三元件液力变矩器、双涡轮液力变矩器、变量双泵轮液力变矩器、双导轮液力变矩器四种。按装载方式不同可分为前卸式、后卸式、侧卸式和回旋式。轮式装载机基本上都是前卸式。按转向方式不同可分为整体式和铰接式。前者利用偏转后轮或前轮转向，或者同时偏转前后轮转向；后者采用铰接车架，利用前后车架之间的相对偏转进行转向。国产ZL 系列轮式装载机绝大多数采用铰接式结构。轮式装载机起源于美国，它从一种简单的装料附属设备发展成为高效能多用途的建筑机械已有63 年历史，半个多世纪以来，技术不断进步，工作性能不断提高，应用范围也越来越广泛。特别是近十年来，轮式装载机的技术发展更快，以其机动性为例，据1985 年报导，轮式装载机行驶速度可达36km/h，而1987 年，德国泽特麦伊(Zettelmeyer)公司SuperZI_601 轮式装载机的行驶速度已经提高到60km/h。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，已成为建筑工程、露天矿山的主要装载设备。目前开发的了一些大型轮式装载机，具有结构先进、性能优越。自动化水平高的特点。21 世纪将会有效率更高、造价更低、维修更方便、舒适性更好的自动化、智能化轮式装载机推向市场。在今后相当长的时间内，轮式装载机仍将是工程建设机械中最重要的机种之一，国内年需求量持续稳定地保持在2 万台左右，但国内装载机生产厂家在急剧膨胀，竞争更趋激烈，各生产厂家纷纷开发新产品，来迎接市场的挑战。1.2 国外发展状况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, 已成为建筑工程、露天矿山的主要装载设备。目前国外开发了一些大型轮式装载机, 具有结构先进、性能优越、自动化水平高的特点。21 世纪将会有效率更高、造价更低、维修更方便、舒适性更好的自动化、智能化轮式装载机推向市场。目前国外工程机械发展总的趋势是:发展快，水平高。如国外工程机械产品在集成电路、微型计算机及电子监控技术等方面都有广泛的应用 ,一些节能新技术得到了推广 ,可靠性、安全性、舒适性、环保性能得到了高度重视 ,并向大型化和微型化方向发展。借鉴国外工程机械产品的发展趋势 ,我国工程机械产品的发展走势应是:大力发展机电一体化产品 ,实现装载机工作状态的自动监测和控制 ,实现平地机的激光导平自动控制 ,实现在有毒、有危险环境下工程机械作业的遥控;大力提高产品的质量、可靠性和技术水平;大力发展品种;大力加强新技术的应用 ,改善驾员的工作条件。其主要的发展趋势有：（1）系列化、特大型化系列化是工程机械发展的重要趋势。国外著名大公司逐步实现其产品系列化进程,形成了从微型到特大型不同规格的产品。与此同时,产品更新换代的周期明显缩短。所谓特大型工程机械,是指其装备的发动机标定功率超过7355kW ,主要用于大型露天矿山或大型水电工程工地。产品特点是科技含量高,研制与生产周期较长,投资大市场容量有限,市场竞争主要集中少数几家公司。（2）多用途、微型化为了全方位地满足不同用户的需求,国外工程机械在朝着系列化、特大型化方向发展的同时,已进入多用途、微型化发展阶段。推动这一发展的因素首先源于液压技术的发展通过对液压系统的合理设计,使得工作装置能够完成多种作业功能;其次,快速可更换联接装置的诞生安装在工作装置上的液压快速可更换联接器,能在作业现场完成各种附属作业装置的快速装卸及液压软管的自动联接,使得更换附属作业装置的工作在司机室通过操纵手柄即可快速完成。一方面,工作机械通用性的提高,可使用户在不增加投资的前提下充分发挥设备本身的效能,能完成更多的工作;另一方面,为了尽可能地用机器作业替代人力劳动,提高生产效率,适应城市狭窄施工场所以及在货栈、码头、仓库、舱位、农舍、建筑物层内和地下工程作业环境的使用要求,小型及微型工程机械有了用武之地,并得到了较快的发展。（3）安全、舒适、可靠驾驶室将逐步实施ROPS 和FOPS 设计方法,配装冷暖空调。全密封及降噪处理的”安全环保型”驾驶室,采用人机工程学设计的司机座椅可全方位调节,以及功能集成的操纵手柄、全自动换挡装置及电子监控与故障自诊断系统,以改善司机的工作环境,提高作业效率。（4）节能与环保为提高产品的节能效果和满足日益苛刻的环保要求,国外工程机械公司主要从降低发动机排放、提高液压系统效率和减振、降噪等方面入手。目前,卡特彼勒公司生产功率为1510 150kW 的柴油发动机。其中6 缸、7. 2L 、自身质量588kg、功率为131205kW 的3126B 型环保指标最好,满足EPA Tier 和EU Stage 排放标准。1.3 国内发展概况装载机工作装置主要由铲斗和支持铲斗进行装载作业的连杆系统组成。工作装置是装载机的执行构件，它是工作装置的重要部件。铲斗直接与物料接触，是装、运、卸的工具，工作时，它被推压插入料堆铲取物料，工作条件恶劣，要承受很大的冲击力和剧烈的磨损，因此，铲斗的设计质量对装载机的作业能力有较大影响。为了保证铲斗的设计质量，首先应当合理的确定铲斗的结构及几何形状，以降低铲斗插入物料的阻力。其次要保证铲斗具有足够的强度，刚度，耐磨性，使其具有合理的使用寿命。铲斗在上下极限位置的后倾角，运输位置后倾角，最大卸载高度后倾角及工作过程中斗口与地面夹角应同时考虑而且均应追求完美：铲斗在上下极限位置的后倾角相差不能超过15 度；为保证在任何位置满斗物料无散落，铲斗在运输位置的后倾角应大于45 度，小于49 度，在最大卸载高度时应尽量使斗口平面与地面平行，此时其后倾角应大于51 度，小于60 度。随着我国国民经济快速持续增长，能源问题日渐突出。“以煤炭为主体，电力为中心”是我国能源工业发展的基本方针。2004年以来的全国煤炭产量增长，绝大部分是依靠小煤矿的增长而实现的，增长比重接近 60%。由此可见小型煤矿的产量在我国煤炭行业中的重要性。然而我国煤矿井下装载除了具备综采设备的大型矿井采用采煤机装载外，其它类型煤矿尤其是小型煤矿的装载主要依靠人工装载，人工装载劳动强度很大，工作效率极低，作业安全性极差。这不但使小型煤矿的安全问题受到了质疑，同时也严重地影响着作为我国主要能源之一的煤炭生产产量。防爆柴油牵引机车的广泛使用，为小型防爆装载机的使用提供了广阔的前景。因此尽快开发具有装载效率高、作业机动性大、灵活性高的小型载机成为提高煤矿井下机械化作业的重要途径。第2章 方案选择2.1 装载机的主要设计参数装载机总体参数的选择就是对装载机主要性能提出总体的要求，作为整机和总戍部件设计的依据。 装载机总体参数主要包括：发动机功率、工作装置油泵功率，载重量，斗容，装载机自重，车速，牵引力，铲起力，提臂和转斗时间，轴距、轮距，铰销位置(饺接式转向)，重心位置或轴荷分配，最大卸载高度、卸载距离，最小转向半径，轮胎尺寸，整机外形尺寸等。 要合理选择上述参数，就必须熟悉与所设计装载机同类型的各种装载机的结构、性能和主要参数，并要掌握一定的使用和维修知识，再根据所设计装载机的主要用途、作业和生产要求，从整机性能出发合理选择上述参数。设计要求：在运动学方面必须满足铲斗举升平动，自动放平，最大卸载高度，最小卸载距离和各个位置的卸载角等要求；在运动学方面，主要是在满足挖掘力，举升力和生产率的要求前提下，使转斗油缸和举升油缸的所需输出力及功率尽量减小。在设计反转六连杆工作机构时，要注意的是，一定要保证机构在各种工况的各个位置都能正常工作，不得出现“死点”、“自锁”和“机构撕裂”等机构运动被破坏的现象。比较法就是参考国内外已有的同类型机种的参数尺寸，结合我们要设计机型的具体要求，参照确定其参数尺寸。应当指出，比较法并不是简单地照抄和不加分析地采用，而是应选用国内外已有的先进机型，并通过实践证明它的性能是好的或较好的；从国内的制造：艺、使用和工作条件，以及材质等实际情况出发；吸收已有的成功经验，贯彻“洋为中用”的原则，取其精华，去其糟粕。以额定载重量Q为基本参数的计算式发动机飞轮马力 Nf = 28.614Q + 63.62装载机自重（吨）W = 4.057q + 1.97最大卸载高度（米）Hmax = 0.315Q + 2.37最小转向半径 （按机器最外侧计算）（米）Rmin = 0.226Q + 6.33装载机全长Lt （米）Lt = 0.502Q + 4.53装载机宽度Bn （米）Bn = 0.218Q + 1.73装载机高度（按驾驶室高度）（米） Hh = 0.128Q + 2.96按上式计算，误差在3%10%左右。（1）最大卸载高度 指动臂在最大举升高度，铲斗斗底与水平面成45 度角卸载时，其斗刃最低点距离地面的高度。（2）铲斗最大举升高度 指铲斗举升到最高位置卸载时，铲斗后壁挡板顶部运动轨迹最高点到地面的距离。（3）卸载角 铲斗被举到最大高度卸载时，铲斗地板与水平面间的夹角。设计时要保证铲斗在任何举升高度都能净卸载物料，就要保证在任何举升高度都能满足45。（4）后倾角 装载机处于运输工况时，铲斗底板与水平面间的夹角。后倾角过小，但不影响铲斗的装满程度，而且使铲斗举升初期物料向前散落；后倾角过大，使铲斗举升后期物料向后散落。一般取=4045，铲斗举升过程中允许后倾角在15 度内变动。2.2 装载机工作装置简介装载机工作装置主要由铲斗和支持铲斗进行装载作业的连杆系统组成。工作装置是装载机的执行构件，它是工作装置的重要部件。铲斗直接与物料接触，是装、运、卸的工具，工作时，它被推压插入料堆铲取物料，工作条件恶劣，要承受很大的冲击力和剧烈的磨损，因此，铲斗的设计质量对装载机的作业能力有较大影响。为了保证铲斗的设计质量，首先应当合理的确定铲斗的结构及几何形状，以降低铲斗插入物料的阻力。其次要保证铲斗具有足够的强度，刚度，耐磨性，使其具有合理的使用寿命。铲斗在上下极限位置的后倾角，运输位置后倾角，最大卸载高度后倾角及工作过程中斗口与地面夹角应同时考虑而且均应追求完美：铲斗在上下极限位置的后倾角相差不能超过15 度；为保证在任何位置满斗物料无散落，铲斗在运输位置的后倾角应大于45 度，小于49 度，在最大卸载高度时应尽量使斗口平面与地面平行，此时其后倾角应大于51 度，小于60 度。工作装置的铰点分布是一个比较复杂的问题，因为组成工作装置的各构件位置相互影响，可变性很大，只有综合考虑各种因素，对工作装置进行运动学和动力学的分析，通过各种方案的反复比较，才能得出更为理想的铰点布置方案，而技术经济指标则是分析计算中的一个重要方面。由于前车架、动臂和摇臂在加工过程中都有大型组焊工装和镗铣工装以保证其加工精度，因此优化只集中在铲斗和翻斗液压缸上，由于铲斗上部与摇臂外形的空间非常紧张，因此铲斗的夹角必须减少以让出空间。2.3 工作装置连杆机构的类型综合国内、外轮式装载机的工作装置的形式，主要有7 种（1）转斗油缸后置式反转六杆机构 这种机构有如下优点：a.转斗油缸大腔进油时转斗，并且连杆系统的倍力系数能设计成较大值，所以可获得较大的崛起力；b.恰当的选择各构件尺寸，不仅能得到良好的铲斗平动性能，而且可以实现铲斗的自动放平；c.机构十分紧凑，前悬小，司机视野好。唯一的缺点就是摇臂和连杆布置在铲斗与前桥之间的狭窄空间，容易发生构件互相干涉。如图2.1 所示。 图2.1 反转六连杆工作装置（2）转斗油缸前置式正转六杆机构 此机构的转斗油缸与铲斗和摇臂直接连接，该工作机构由两个平行四杆机构组成，它可使铲斗具有很好的平动性能。这种机构的主要缺点是转斗时油缸小腔进油，崛起力相对较小；连杆系统传动比小，使得转动油缸活塞行程大，油缸加长，卸载速度不如八连杆；由于转斗油缸前置，使得工作机构前悬增大，影响整机稳定性和行驶的平稳性；也不能实现铲斗的自动放平。（3）转斗油缸后置式正转六杆机构 此种机构与上述机构相比，前悬大、传动比较大、活塞行程较小。其最大的缺点就是转斗油缸与车架的铰接点位置较高，影响司机视野；转斗时油缸小腔进油，掘起力较小。为了增大掘起力，需要增大掘起力，需要提高液压系统压力或加大转斗油缸直径，这样质量会增大。（4）正转八杆机构 此机构在转斗油缸大腔进油时转斗铲取，所以崛起力较大；各构件尺寸配置合理时，铲斗具有较好的举升平动性能；连杆系统传动比较大，铲斗能获得较大的卸载角和卸载速度，因此卸载干净、速度快；由于传动比大，还可适当减小连杆系统尺寸，因而司机视野得到改善，但是一定要适当，否则易使连杆系统倍力系数减小，影响崛起力发挥。但是此机构的主要缺点就是机构复杂，不易实现铲斗自动放平。如图2.2 (a)(b)所示。图2-2 a 八杆工作装置图2.2 b 八杆工作装置（5）正转四连杆 这是多种连杆机构中较为简单的一种，但是它的主要缺点就是转斗的油缸小腔进油，油缸输出力较小；又因连杆系统倍力系数难以设计出较大值，所以转斗油缸活塞行程较大，油缸尺寸较小；此外，在卸载时活塞杆易于斗底相撞，所以卸载角减小。为避免碰撞，需要把斗底制造成凹形，因而既减小了斗容，又增加了制造困难，而且铲斗也不能实现自动放平。经过综合分析，选择反转六杆机构。2.4 对工作装置的设计要求根据装载机的使用状况 ，一般地对其工作装置的设计要求主要包括以下几个方面:（1） 铲运功能 铲斗运动轨迹符合作业要求并正常完成铲掘、装卸功能。（2） 平移性 动臂提升过程中，铲斗保持平移运动，以免斗中物料撒落。（3） 掘起力 希望铲掘力大，且铲掘时掘起力变化规律符合工作要求。（4）干涉性 工作机构各构件之间不允许发生运动干涉。（5） 传动角 传动角符合某限制范围，以保证工作装置的传力性能良好。（6） 机构效率 机构传动省力，作业时消耗功率要尽量小。（7） 自动放平 从最高卸料位置到最低铲掘位置时，铲斗能自动呈插入料堆状态。（8） 卸载性 满足卸载高度和卸载距离要求，保证动臂在任何位置都能卸净铲斗中的物料。（9） 总体布置要求 工作装置的极限工作空间、最大卸料高度及最大卸料距离等应满足整机性能要求_（10） 辅助要求 在满足作业要求的前提下，工作结构简单、自重轻、受力合理、强度高;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。2.5 装载机的典型作业