装载机铲运机履带式工作装置设计毕业论文.doc

装载机铲运机履带式工作装置设计毕业论文目录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题的来源及研究意义11.2 国内外的研究现状1第二章 高温钢渣铲运机器人工作装置的设计方案42.1 铲运机器人工作装置功能42.2 铲运机器人工作过程42.3 铲运机器人工作装置设计要求以及设计流程52.4铲运机器人工作装置铲斗设计方案62.4.1 铲斗的设计要求62.4.2 铲斗的基本结构方案的确定62.4.3 方案设计小结92.5铲运机器人工作装置连杆系统设计方案92.5.1 工作装置连杆机构类型92.5.2工作装置动臂结构及举升油缸布置122.5.3 机构分析132.5.4 方案设计小结15第三章 工作装置铲斗结构设计173.1 铲斗基本参数设计173.1.1 铲斗的断面形状173.1.2 铲斗基本参数的确定183.2 铲斗容量计算与误差判断193.3 铲斗上下铰接点位置的确定223.4 设计小结22第四章 工作装置连杆系统设计244.1 图解法设计尺寸参数244.1.1 动臂与铲斗、摇臂、机架的三个铰接点的确定244.1.2 动臂与摇臂铰接点的确定264.1.3 连杆与铲斗和摇臂的两个铰接点的确定264.1.4 转斗油缸与摇臂和机架的铰接点的确定284.1.5动臂举升油缸与动臂和车架铰接点的确定294.2工作装置的受力分析294.3 工作装置的强度校核364.4装载机工作装置中油缸作用力的确定394.4.1转斗油缸输出力的计算404.4.2动臂油缸输出力404.5设计小结40第五章 总结42结束语43参考文献44附录 1 图纸45附录2 英文文献及其翻译46第一章 绪论1.1 课题的来源及研究意义在转炉炼钢过程中是利用钢包台车和钢渣台车将钢水和热炉渣运送到不同的加工、处理地点。在转炉出钢、出渣时，炽热的炉渣溅落在台车行走的轨道中间，如不及时清理，炉渣堆积，必然会影响台车的行走，从而影响转炉的正常出钢。过去的炉下清渣作业是由操作员驾驶装载机进入炉下，在台车的轨道间进行清渣作业。由于现场环境恶劣，金属粉尘污染严重，且常有热炉渣溅落，所以清渣作业时转炉必须停炉。由于温度高再加上炉渣凝固使已经十分困难的清渣作业雪上加霜。如何提高转炉生产率，实现转炉不停炉清渣，并保证炼钢质量一直是冶金行业的一个重要课题。采用无线遥控系统对装载机进行遥控控制，在不改变现有手动操作方式的前提下，模拟原履带装载机的机械动力性能和作业功能，达到无人驾驶完成清渣作业的目的。操作员带着轻巧的发射机，自由选择最佳的视觉位置，遥控的装载机在清渣作业中运行自如。遥控装载机的成功运用消除了以往环境恶劣，视线不清，高温落渣带来的事故隐患，使操作人员从恶劣的环境中解脱出来，提 高了清渣作业效率、改善了冶金工人的工作环境，降低了工人的劳动强度。随着装载机行业飞速发展，以及对于工人操作环境的逐渐重视，本文所设计的高温钢渣铲运机器人主要应用于钢厂炼钢渣处理现场，用于热态红渣、大块渣钢的清理和装卸作业，现场作业环境恶劣，要求机械性能良好、稳定。同时，随着控制技术的发展，遥控技术为远程控制高温钢渣铲运机器人的实现提供了可能。该项目研制完成后，可广泛应用于钢厂炼钢生产现场。此外，出于国内主要是对轮式装载机（含汽车）研究的较多，而对全液压履带式装载机的研究比较少，通过查找文献，并未发现成熟的研究思路及研究方法。因此，如何通过研究形成全液压履带装载机的设计系统化已成为目前需要迫切解决的问题。本文通过对钢厂炉前铲运红渣进行资料搜索与研究，并探讨全液压履带装载机的设计过程，在老师的指导下，针对炉前铲运特点深入地探讨，从而系统化高温钢渣装载机的系统设计及其制造特点，并为此提供一定的理论依据和应用价值。1.2 国内外的研究现状关于本文所研究的集机、电、液一体化和顺应市场差异化趋势的全液压履带式高温钢渣遥控铲运机器人，国外对在高温环境下工作的全液压履带铲运机械已经进行了较多的研究，并且形成了比较成熟的产品，如卡特彼勒生产的973D,德国利勃海尔制造的LHR624。本文设计对以上两种产品有所参考。然而，对于遥控控制的高温铲运机械的研究，还处于比较初级的阶段。国内对于全液压履带铲运机做了一些初步研究工作，但是尚未系统化，同时对于应用于高温环境下的铲运机研究较少，尚未形成具体的产品，遥控控制高温钢渣铲运机器人尚处于理论研究阶段，要实现遥控技术和全液压履带式高温钢渣铲运应用趋势，还有很长的路要走。本文研究的高温钢渣铲运机器人较多取型于装载机，故总体设计思路与装载机设计思路较为接近。随着现代社会的不断发展，作为现代化基础建设主要工具和手段的工程机械扮演着重要的角色。工程机械设备是集机、电、液一体化和信息、激光等高新技术以及审美艺术于一身的现代机电产品，并且正在向着自动化、远距离控制和智能化等方向发展。装载机作为现代工程机械很重要的一种设备也是如此。装载机主要用于铲装土壤、沙石、煤炭、石灰等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业，换装不同的辅助工作装置还可以进行推土、起重、破碎等作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建筑工程。在国外，装载机经历了5060年的发展后，到20世纪90年代中末期国外轮式装载机技术已达到相当高的水平。基于液压技术、微电子技术和信息技术的各种智能系统已广泛应用于装载机的设计、计算操作控制、检测监控、生产经营和维修服务等各个方面，使国外轮式转载机在原来的基础上更加“精致”，其自动化程度也得以提高，从而进一步提高了生产效率，改善了司机的作业环境，提高了作业舒适性，降低了噪声、振动和排污量，保护了自然环境，最大限度地简化维修、降低作业成本，使其性能、安全性、可靠性、使用寿命和操作性能都达到了很高的水平。为了满足铲掘能力和快速装卸两方面的要求，装载机工作装置采用多级液压系统，工作装置已不再采用单一的Z形连杆机构，不断研制出集液压、微电子及信息技术于一体的智能系统，并广泛应用于轮式装载机的产品设计之中。国外轮式装载机在其未来技术发展中将广泛应用微电子技术与信息技术，完善计算机辅助驾驶系统、信息管理系统及故障诊断系统；采用单一吸声材料、噪声抑制方法等消除或降低机器噪声；通过不断改进电喷装置，进一步降低柴油发动机的尾气排放量；研制无污染、经济型、环保型的动力装置；提高液压元件、传感元件和控制元件的可靠性与灵敏性，提高整机的机电信一体化水平；在控制系统方面，将广泛采用电子监控和自动报警系统、自动换挡变速装置；普遍安装GPRS定位与质量自动称量装置；开发“机器人式”装载机等。向系列化，特大型化；多用途，微型化；进一步普及应用液压技术，广泛应用微电子、信息技术；更加重视安全性、舒适性和可靠性；向节能与环保方向发展。我国轮式装载机行业起步较晚，制造技术是陆续从美国、德国和日本等国家引进的。目前，我国轮式尽管国产轮式装载机的技术发展水平与西方发达国家存在着一定的差距，但也应该考虑到历史和国情的原因。目前国产轮式装载机亦正在从低水平、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，各主要厂家也不断进行技术投入，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，无自己特色和优势是现状，正在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。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越来越快；优化各项性能指标，强化结构件的强度及刚度，以使整机可靠性得到提高；优化系统结构，提高系统性能；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；降低噪声和排放，强化环保指标；广泛利用新材料、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；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，提供排除问题的方法。总之，我国在实现装载机技术突破及市场趋势应用的方向上，还有很长的路要走。第二章 高温钢渣铲运机器人工作装置的设计方案2.1 铲运机器人工作装置功能 铲运机器人铲掘和装卸物料的作业是通过工作装置的运动实现的。铲运机器人的工作装置由铲斗、动臂、摇臂连杆(或托架)及液压系统等组成。铲斗用以铲装物料；动臂和动臂油缸的作用是提升铲斗并使之与车架连接；转斗油缸通过摇臂连杆(或托架)使铲斗转动。动臂的升降和铲斗的转动采用液压操纵。铲运机器人工作装置的结构和性能直接影响整机的工作尺寸和参数，因此，工作装置的合理性直接影响铲运机器人的生产效率、工作负荷、动力与运动特性，不同工况下的作业效果、工作循环时间、外形尺寸和发动机功率等。 铲运机器人工作装置有多种形式，根据杆数和运动特征可分为正转四杆、正转五杆、正转六杆、反转六杆、正转八杆等。本次设计研究的是反转六连杆机构，这种机构形式简单、尺寸紧凑。当铲斗铲掘物料时由于是反转机构，转斗油缸大腔进油工作，可以获得较大的铲掘力。也就是说，铲起同样重量的物料，转斗油缸的尺寸可以设计得较小。而且转斗油缸后置，使司机有较好的视野。反转六连杆机构尤其多用于铲运机，装载机的工作装置,因此高温钢渣铲运机器人工作装置也选用这种形式的连杆机构。2.2 铲运机器人工作过程 铲运机器人是一种铲、装、运、卸一体化的自行式设备，它的工作过程由六种工况组成。插入工况：动臂下放，铲斗放置于地面，斗尖触地，斗底板与地面呈 35倾角，开动铲运机器人，铲斗借助履带的牵引力插入料堆。 铲装工况：铲斗插入料堆后，转动铲斗铲取物料。举升工况：保持转斗缸长度不变，操作举升油缸，将动臂升至上限位置，准备卸载。卸载工况：在卸载点，在举升工况下操作转斗缸翻转铲斗，向溜井仓或运输车辆中卸载，铲斗物料卸净后下放动臂，使铲斗恢复至运输位置。空载工况：卸载结束后，铲运机器人再由卸载点空载返回装载点2.3 铲运机器人工作装置设计要求以及设计流程根据铲运机器人的作业特点，其工作装置的设计应满足以下要求。(1)基本要求所设计的铲运机器人应具有较强的作业能力，铲斗插入料堆的阻力要小，在料堆中铲掘的能力大、能耗小。工作机构的各杆件受力状态良好，强度寿命合理。结构和工作尺寸适应生产条件需要，效率高。结构简单紧凑，制造及维修容易，操作使用方便。(2)特殊要求由于铲斗宽度和容积都较大，所以铲装阻力大，装载系数小。因此设计铲斗宽度为2520，铲斗容量为2m，以减小工作阻力，达到装满卸净、运输平稳。铲斗由运输工况被举升到最高卸载位置的过程中，为避免铲斗中物料撒出，要求铲斗作“平移运动”。从不易撒料这一目的出发，绝对平动并无必要，只要把铲斗举升时的倾角变化限制在一定许可范围之内即可，设计时一般控制在 10以内为好。保证必要的卸载角、卸载高度和卸载距离。铲运机器人要求铲斗在从运输工况至最高位置之间的任一高度都能卸载干净，为此，铲斗各瞬时的卸载(铲斗斗底对地面的前倾角 )均需不小于 42。根据设计任务书中的规定，铲斗在最高位置卸载时，最大卸载高度为4234。铲斗能自动放平。铲斗在最高位置卸载后，闭锁转斗油缸，下放动臂，铲斗能自动变成插入工矿(开始插入状态)的功能成为“铲斗自动放平”。铲运机器人的工作机构属于连杆机构，设计中要注意防止各个工况出现构件相互干扰、“死点”、“自锁”和“机构撕裂”等现象；各处传动角不得小于10；在综合满足工作性能的前提下，尽可能增大机构而倍力系数。根据铲运机器人的作业特点，为了满足以上设计要求，工作装置的设计确定了一下设计流程。确定铲斗与连杆系统的设计方案，保证其满足工作要求。在确定工作方案的基础上对其进行参数计算。杆件力的校核，确保各杆件工作正常，并且能够达到预定效果。2.4铲运机器人工作装置铲斗设计方案2.4.1 铲斗的设计要求铲斗是装载机工作装置的执行构件。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，是承受很大的冲击力和剧烈的磨损，因此铲斗的设计质量对铲运机器人的作业能力有较大影响。为了保证铲斗的设计质量，首先应当合理地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，使其具有合理的寿命。因为铲运机器人是在高温的环境下工作的，所以除了以上的要求之外铲斗还必须具有耐高温的特性，这样才能满足工作需求。2.4.2 铲斗的基本结构方案的确定一、铲斗的分类铲斗按卸载方式一般可分为整体前卸式、侧卸式、推卸式和底卸式等数种类别。(1)整体前卸式铲斗图2-1所示的就是整体前卸式铲斗。它的突出优点就是结构简单，工作可靠，有效装载容积大，但需要较大的卸载角才能将物料卸干净。图2-1 整体前卸式铲斗卸载工况1-举升油缸；2-铲斗；3-转斗油缸；4-动臂(2)侧卸式铲斗图 2-2所示的就是侧卸式铲斗，其工作状态与整体式一样，可以往机器前方卸料。当需要往机器一侧卸料时，可以拔去一个侧销，通过转斗油缸动作来卸料。这种铲斗因为没有侧板，插入阻力小，装载效率高，特别是在装载机用于填沟或在狭窄场地往侧旁的运输设备进行装载作业时，其优点就更加显著了。图2-2 侧卸式铲斗样图1铲斗；2销轴；3转斗油缸；4托架；5动臂(3)推卸式铲斗推卸式铲斗可以用来弥补整体式铲斗卸载高度的不足，在装载机其他尺寸参数相同的时候，能够显著地提高卸载高度和增加卸载距离。同整体前卸式铲斗相比，推卸式铲斗的结构复杂一些，且需另用动力推卸。(4)底卸式铲斗底卸式铲斗是用动力打开斗底卸载，同推卸式铲斗一样可以提高卸载高度，但结构也比较复杂。综上所述，经过对比分析，为满足本次设计任务的要求铲运机器人工作装置要求结构简单，工作可靠，有效装载容积大。同时考虑到产品成本与实用性等性质。因此，我采用了整体前卸式铲斗。二、 铲斗的基本结构形式如图2-3所示，铲斗断面形状一般为“U”形，并且由钢板焊接而成，常见的铲斗结构有：直型斗刃铲斗、V型斗刃铲斗、直型带齿铲斗、V型带齿铲斗等。图2-3 铲斗结构形式简图(a)直线形斗刃铲斗 (b)V形斗刃铲斗 (c)直线形带齿铲斗 (d)弧形带齿铲斗 铲斗由斗底、侧壁、斗刃及后壁等部分组成。如图2-4所示。图2-4 铲斗结构示意图1防溢板；2连接耳；3斗后壁；4斗前壁；5斗侧壁；6切削刃；7斗齿；8斗侧刃(1)斗体的形状铲斗的斗体基本可分成“浅底”和“深底”两种类型。在斗容量相同情况下，前者开口尺寸较大，斗底深度较小，即斗前壁较短，而后者则正好相反。浅底铲斗插入料堆的深度小，相应的插入阻力也小，容易装满，但运输行驶时容易撒料；由于前悬增大，影响车辆行驶平稳性。而深底铲斗则恰恰相反。根据设计要求，此装载机工作装置主要进行定点或短距离装载，所以选用浅底铲斗。斗体采用低碳、耐磨、耐高温、高强度钢板焊接制成。(2)切削刃的形状根据装载物料的不同，切削刃有直线型见图2-3(a)和非直线型见图2-3(b)、2-3(d)。前者形式简单，有利于铲平地面，但铲装阻力大。后者有V形和弧形等，插入阻力较小，容易插入物料，并有利于减少偏载插入，但铲装系数小。根据设计任务要求，此工作装置需进行铲平工作，而且铲取要求简单，所以选用直线型切削刃。斗刃材质采用既耐磨又耐冲击的中锰合金钢材料侧削刃和加强角板都用高强度耐磨钢材料制成。(3)斗齿铲斗斗刃上可以有斗齿也可以没有斗齿，若斗刃上装有斗齿时，斗齿将先于切削刃插人料堆，由于它比压大(单位长度插入力大)，所以比不带齿的切削刃易于插入料堆，插人阻力能力减小20%左右，特别是对料堆比较密实、大块较多的情况，效果尤为显著。斗齿结构分整体式和分体式两种，由于此铲斗的斗齿工作条件相对恶劣，磨损较轻，所以采用用高锰钢制成的分体式，用螺栓固定在铲斗斗刃上。斗齿的形状和间距对切削阻力是有影响的。一般中型装载机铲斗的斗齿间距为250至300毫米之间。(4)铲斗侧刃因为侧刃参与插入工作，为减小插入阻力，侧壁前刃应与斗前壁成锐角，弧线或折线侧刃铲斗的插入阻力比直线侧刃要小。为了不使斗容减小太多，将侧壁刃口设计成折线。(5)斗底斗前壁与与斗后壁用圆弧连接，构成弧形斗底。为了使物料在斗中有很好的流动性，斗底圆弧半径不宜太小，前后壁夹角(铲斗开口角或张开角)不应小于物料与钢板的摩擦角的2倍，以免卡住大块物料。2.4.3 方案设计小结根据以上分析，确定了铲斗的设计方案为整体前卸式直型斗刃铲斗。这种设计既符合本次设计任务的要求，而且结构简单，工作可靠，产品成本低、实用性好，因此，确定了铲斗的设计方案。2.5铲运机器人工作装置连杆系统设计方案2.5.1 工作装置连杆机构类型铲运机器人的工作装置是由液压缸驱动的，实现铲运机器人各种作业的空间多杆机构。由于工作装置是铲运机器人上完成铲装物料等作业的执行机构，是铲运机器人的关键部件之一，它的结构和性能对整机的工作尺寸、发动机功率、生产效率及市场竞争力等都有显著影响。其设计水平的高低直接影响整机性能的优劣，进而影响整机的工作效率和经济性指标。综合国内外轮式装载机的工作装置形式，主要有7种类型的连杆机构。按工作机构的构件数不同，可分为三杆，四杆，五杆，六杆和八杆连杆机构。按输入杆和输出杆的转向是否相同又分为正转和反转连杆机构。(1)正转八杆机构正转八杆机构如图2-5,此机构在转斗油缸大腔进油时转斗铲取，所以掘起力较大；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；正转八杆机构的主要缺点是机构复杂，不易实现铲斗自动放平。图2-5 正转八杆机构(2)转斗油缸前置式正转六杆机构转斗油缸前置式正转六杆机构见图2-6。该工作机构由两个平行四杆机构组成，其优点是转斗缸直接与摇臂相连接，铲斗平移性较好。结构简单，司机视野较好。缺点是转斗时油缸小腔进油，铲掘力相对较小；这种机构的缺点是连杆机构传力比小，使得转斗缸活塞行程较大，转斗缸加长；由于转斗缸前置，使得工作装置的整体重心外移，增大了工作装置的前悬量，影响整机的稳定性和行驶时的平稳性；铲斗不易实现自动放平。图2-6 转斗油缸前置式正转六杆机构（3）转斗油缸后置式正转六杆机构转斗油缸后置式正转六杆机构见图2-7。此种机构与转斗缸前置式相比，机构前悬较小，传动比较大，活塞行程较短；有可能将动臂、转斗缸、摇臂和连杆机构的中心线设计在同一平面内，从而简化了结构，改善了动臂和铰销的受力状态。缺点是：转斗缸与车架的铰接点位置较高，影响了司机的视野；转斗时油缸小腔进油，掘起力相对较小。图2-7 转斗油缸后置式正转六杆机构（4）转斗油缸后置式反转六杆机构转斗油缸后置式反转六杆机构见图2-8.这种机构有如下优点：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，所以获得较大的掘起力；恰当地选择各构件尺寸，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；结构紧凑，前悬小，司机视野好。缺点是摇臂和连杆布置在铲斗与前桥之间的狭窄空间，容易发生构件相互干涉。图2-8 转斗油缸后置式反转六杆机构（5）正转四杆机构正转四杆机构见图2-9。 该机构结构最为简单，易于设计成铲斗举升平动；前悬较小。缺点是铲掘转斗时油缸小腔作用，输出力较小；连杆机构的传力比难以设计成较大值，所以铲掘力相对较小；转斗缸行程较大，油缸结构较长；铲斗卸载时，活塞杆易与铲斗底部相碰，减小了卸载角；机构不易实现铲斗自动放平。 图2-9 正转四杆机构（6）正转五杆机构正转五杆机构见图2-10。为克服正转四杆机构卸载时活塞杆易于斗底相碰的缺点，在活塞杆与铲斗之间增加一根短连杆，从而使正转四杆机构变成正转五杆机构。其缺点正如正转四杆机构。图2-10 正转五杆机构（7）动臂可伸缩式三杆机构 这种机构的插入工况是靠动笔伸出实现的，它解决了靠机器行走插入易使轮胎磨损严重的问题；卸载时可伸出动臂，以获得较大的卸载高度和卸载距离；而运输工况可缩回动臂，以减小前悬。缺点是既不能实现铲斗平动，又不能实现铲斗自动放平，结构也比较复杂。综上分析，反转六杆工作机构优点较多，能比较理想的满足铲、装、卸作业要求，所以它得到了广泛运用。所以如前所述，在本次设计中，也将采用反转六连杆机构。2.5.2工作装置动臂结构及举升油缸布置动臂按纵向中心线形状可简单的分为曲线形与直线型两种。动臂断面形状可分为单板型、双板型、工字型和箱型数种。板型动臂比较简单，一般用在中小型装载机上。因此，在本次设计中根据设计要求将采用曲线型，动臂断面为单板型。动臂油缸的位置一般有两种方式。图2-11所示为举升油缸立式布置；另一种布置方式为举升油缸卧式布置，即当铲斗处于装载位置时，举升油缸接近水平，如图2-12所示。最近生产的装载机多用后一种布置方式，它是机构优化设计的结果。图2-11立式布置 图2-12 卧式布置1-动臂 2-举升油缸 1-动臂 2-举升油缸2.5.3 机构分析轮式装载机工作装置连杆机构的设计任务是确定各连杆的尺寸和相互的位置关系，以满足设计任务中的规定的使用性能及经济技术指标。由于连杆机构尺寸以及销轴位置的相互影响，连杆机构可变性很大，同时又要受结构限制，可变参数很多，因而无法单纯采用理论计算的方法来确定，目前大多数采用图解法并配合统计或类比法加以确定。反转六杆机构如图2-13所示。它由转斗机构和动臂举升机构两个部分组成。 插入工况 铲装工况 最高位置工况 高位卸载工况图2-13 反转六杆机构简图转斗机构由转斗油缸CD、摇臂CBE、连杆EF、铲斗GF、动臂GBA和机架AD六个构件组成。实际上，它是由两个反转四杆机构组成GFEB和BCDA串联而成。当举升动臂时，若假定动臂为固定杆，则可以把机架AD视为输入杆，把铲斗GF看成输出杆，由于AD与GF转向相反，所以把此机构称作反转六杆机构。举升油缸主要由动臂举升油缸HM和动臂GBA构成。若把油缸分解成两个活动构件和一个移动副，则反转六杆机构放入活动构件数为n=8，运动低副数应用计算机构自由度公式F=3n-2PL，可得其自由度为2。因为油缸均为运动件，所以整个机构有确定的运动。当举升油缸闭锁时，启动转斗油缸，铲斗将绕G点做定轴运动；当转斗油缸闭锁，举升油缸动作时，铲斗将做复合运动，即一边随动臂对A进行牵引运动，同时有相对动臂绕G点作相对运动。2.5.4 方案设计小结 据以上分析，确定了连杆系统的设计方案为反转六杆系统。这种设计与其他类型系统相比机构前悬较小，传动比较大，活塞行程较短，连杆系统的倍力系数能设计成较大值，可以获得较大的掘起力；恰当地选择各构件尺寸，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而且结构简单，工作可靠，实用性好。因此，确定了连杆系统的设计方案。 反转六杆机构与铲斗结构 如PROE图所示：图2-14 工作装置图其AUTOCAD装配图如下：图2-15 工作装置装配图第三章 工作装置铲斗结构设计3.1 铲斗基本参数设计3.1.1 铲斗的断面形状铲斗的断面形状由铲斗圆弧半径r、底壁长l、后壁高h和张开角四个参数确定，如图3-1所示。 图3-1 铲斗断面基本参数圆弧半径r越大，物料进入铲斗的流动性越好，有利于减少物料进入斗内的阻力，卸料时干净而且快捷。但r过大，斗的开口较大时，不易转满，而且铲斗外形较高，将影响驾驶员观察铲斗斗刃的工作情况。后壁h是指铲斗上缘至圆弧与后壁切点间的距离。底壁长l是指斗底壁的直线段长度。l长则铲斗铲入料堆深度大，斗易装满但掘起力将由于力臂的增加而减小，插入的阻力也将随铲斗铲入料堆的深度而急剧增加。l长亦会减小卸载高度。l短则掘起力大，且由于卸料时铲斗刃口降落的高度小，还可减小动臂举升高度，缩短作业时问，但这会减小斗容。根据任务书要求，可选择大些。铲斗张开角为铲斗后壁与底壁间的夹角，一般取4552。适当减小张开角并使斗底壁对地面有一定斜度，可减小插入料堆时的阻力，提高铲斗的装满程度。铲斗的宽度应大于装载机两前轮外侧间的宽度，每侧要宽出50l00mm。如铲斗宽度小于两轮外侧间的宽度，则铲斗铲取物料后所形成的料堆阶梯会损伤履带侧壁，并增加行驶时履带轮的阻力。3.1.2 铲斗基本参数的确定设计时，把铲斗的回转半径R(即铲斗与动臂铰接点至切削刃之间的距离)作为基本参数，铲斗的其他参数则作为R的函数。R是铲斗的回转半径(见图3-2)，它的大小不仅直接影响铲斗底壁的长度，而且还直接影响转斗时掘起力及斗容的大小，所以它是一个与整机总体有关的参数。铲斗的回转半径尺寸可按下式计算。 图3-2 铲斗参考尺寸R=VrB00.5gz+kcos1)sin-r2cot2-0.5(1-180),m (3-1)式中 Vr铲斗的额定斗容，m；其大小由设计任务书给定； B0铲斗的内侧宽度，m ； g铲斗的斗底长度系数，g=LgR=1.401.53； z后壁的长度系数，z=LzR= 1.11.2； k挡板的高度系数，k=LkR= 0.120.14； r圆弧的半径系数，r= rR 0.350.4； 张开角, 4552； 1挡板与后壁间的夹角，选择1时应使侧壁切削刃与挡板的夹角为90。在设计当中，铲斗的额定容量由设计任务书给出Vr=2m。铲斗的内侧宽度: B0=b+bw+0.10.2-2a，m (3-2)式中 b 装载机轮距，m； bw 轮胎宽度，m；a 铲斗侧壁切削刃厚度，m。经查阅资料，根据利勃海尔装载机图册与此次设计要求，得b=1.8m，bw =0.6m，a=0.04m，关于(0.10.2),取0.16m.计算得B0=2.480m。设计参数的选择，由经验获取，g=1.5，z=1.15，k=0.13，r=0.4，=48，1=13。通过上述参数的选择，带入(3-1)式中，得到R=1.225m。由R=1.225可知铲斗截面各边尺寸，其计算如下： 斗底长度: Lg=Rg=1.2251.5=1.838m， 斗后壁长度: Lz=Rz=1.2251.15=1.409m， 挡板高度: Lk=Rk=1.2250.13=0.159m， 斗底圆弧半径: r =R r=1.2250.4=0.490m， 3.2 铲斗容量计算与误差判断铲斗容量是铲运机气人的总体参数之一，铲斗的斗容量已经系列化，其计算也以标准化。（1）铲斗容量计算设计铲斗的额定容量： Vr=SB0-23a2b+b28B0-b26(a+c),m (3-3)式中 S铲斗平装容量横截面，m；a挡板高度， m；b铲斗开口长，m；c堆积高度，m。铲斗平装容量横截面S的计算：如图3-7所示，铲斗平装容量横截面积S由5块基本几何图形组成。图3-7 铲斗截面计算计算公式为： S = S1 + S2 + S3 + S4+S5 （3-4）式中 S1扇形AGF的面积，m2； S2直角三角形GFN，m2； S3直角三角形GAC，m2； S4三角形CGN，m2； S5直角三角形CND，m2。由图3-7知： S1 =GF2360180- （3-5） S2 =12GFFN=12rLz-rtan2 （3-6） S3 =12GACA=12rLg-rtan2 （3-7） S4 =LL-CNL-CG(L-NG) （3-8） S5 =12NDCN=12 LkLz2+Lg2-2LzLgcos （3-9）经过测量可知GF=0.49m， FN=0.30m，CA=0.72m，GA=0.49m，CN=1.37m，CG=0.87m，NG=0.57m，ND=0.137m，将上述数值分别代入公式（3-5），（3-6），（3-7），（3-8），（3-9）。可以得S1=0.277,S2=0.0735,S3=0.1764,S4=0.05，S5=0.094将上述结果带入（3-4）最终得到S=0.676m2铲斗开口长b和堆积高度c的计算由图 3-7所示，铲斗开口长b的计算： b=CN2+ND2=Lz2+Lg2+Lk2-2LzLgcos （3-10）由以上计算得 Lg=1.838m，Lz=1.409m，Lk=0.159m可得b=1.377m堆积高度c的计算：图3-8是额定容量铲斗的横截面积，其中挡板DN高为a，CD是铲斗开口长b，IH是斗尖至铲斗侧壁的高度c。根据美国汽车工程师手册规定IH垂直于CD，且IK=CK/2=b/4.按照通常的设计要求，挡板DN应垂直于斗侧壁CN，所以CKHCND。则 c=IK+KH=14b+ba2b2-a2 （3-11）将a=0.165m与b=1.387m代入（3-15）得 c=0.430m 图3-8 额定容量铲斗的横截面铲斗容量计算代入(3-3)式中，可以得 Vr=2.025m。（2）铲斗的容量误差判断若满足 | Vr-Vh| （3-12）式中 Vh-计算的斗容量； -设计中给定的允许斗容量误差，根据设计要求为0.1m3则设计的铲斗容量符合设计要求。 将上述结果带入（3-12），|Vr-Vh|=|2-2.025|FE+BE (4-2)如图4-2所示，若令，GF=a,FE=b,BE=c,BG=d,并将式(4-10)不等号两边同时除以d，经整理上式得下式，即 (4-3)其中d值由BG确定，即d=1636mm。初步设计时，(4-3)式中各值可按式(4-4)中选取。K=0.9500.995 a=(0.30.5)d (4-4)c=(0.40.8)d此次设计中取 K=0.982，a=495mm，c=1155mm,b=998mm。（2）确定E点和F点的位置这两点位置的确定要综合考虑如下四点要求：E点不可与前桥相碰，并且有足够的最小离地高度；插入工况时，使EF杆尽量与GF杆垂直，这样可获得较大的传动比角和倍力系数；装工况时，EF与GF杆的夹角必须小于170，即传动角不能小于10，以免机构运动时发生自锁；位卸载工况时，EF杆与GF杆的传动角也必须大于10。具体做法如下：如图4-3所示，铲斗取工况。分别以B点和G点为圆心，以c和分别为半径画弧，其交点为E；再分别以G点和E点为圆心，a和b半径画弧，则其交点必为F。 图 4-3 连接端部铰接点设计作图所得，在铲装工况下，即工况下，E点坐标为(2535，833),F点坐标为(1337,903)。为了防治机构出现“死点”，“自锁”或“撕裂”现象，设计时应满足下列不等式。工况时： GF+FEGE (4-5)工况时： FE+BEFB (4-6)检验E与F点位置设计：工况时，GF=495mm，FE=998mm，GE=1114mm，因此满足GF+FEGE。工况时，FE=998mm，BE=1155mm，FB=2945mm，因此满足FE+BEFB。综上所得，E点与F点设计位置满足要求。4.1.4 转斗油缸与摇臂和机架的铰接点的确定在图4-3中，如果确定了C点和D点，就最后确定了与机架连接的四杆机构BCDA的尺寸。C点和D点的布置直接影响到铲斗举升平动和自动放平性能，对掘起力和动臂举升阻力的影响都较大。1)确定C点从力的传递出发，显然使摇臂BC长一些有利，那样可以增大转斗油缸作用力臂，使掘起力相应增大。但加长BC段，必将减小铲斗和摇臂的转角比，造成铲斗转角难以满足各个工况的要求，并且使转斗油缸行程过长。初步设计时，一般取BC(0.71.0)BE （4-7）因此，取BC=O.8BE=809mm。C点一般取在B点左上方，BC与BE夹角(即摇杆折角)，可取CBE=175，C点运动不与铲斗干扰。 2)确定D点 转斗油缸与机架的铰接点D，是根据铲斗由工况举升到工况过程为平动和由工况下降到工况能自动放平这两大要求来确定的。如图4-2所示，当铰接点G、F(即F2)、E(即E2)、B、C、(即C2)被确定后，则铲斗分别在工况、时的C点的位置C1、C2、C3、C4也就唯一的被确定下来。因为铲斗由工况举升到工况或由工况下放到工况的运动过程中，转斗油缸的长度分别保持不变，所以D点必为C2点和C3点连线的垂直平分线与点C1和C4点连线的垂直平分线的交点。 研究证明，D点设计在A点的左下方较好。D的固定坐标为(3611,2104)。4.1.5动臂举升油缸与动臂和车架铰接点的确定动臂举升油缸的布置应本着举臂时工作力矩大、油缸稳定性好、构件互不干扰、