侧卸式装载机设计

1 摘 要 装载机是一种广泛用于公路 铁路 建筑 水电 港口 矿山等建设工程的土石方 施工机械 它主要用于铲装土壤 砂石 石灰 煤炭等散状物料 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进行推土 起重和其他物料如木材的装 卸作业 在道路 特别是在高等级公路施工中 装载机还用于路基工程的填挖 沥青混 合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业 此外还可进行推运土壤 刮平地面和牵引 其他机械等作业 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 因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一 本次设计报告共包括四个部分 是对整个设计过程的描述和总结 第一部分 前言 第二部分 正文 第三部分 结论 第四部分 参考文献 关键词 工程机械 装载机 工作装置 行走机构 1 目 录 1 前言前言 2 1 1 设计目的 2 1 2 选题意义 2 1 3 装载机的用途 3 1 4 装载机的分类 3 2 铲斗的设计铲斗的设计 5 2 1 设计要求 5 2 2 铲斗斗型的结构分析 5 2 3 铲斗基本参数的确定 7 2 4 斗容的计量 8 3 工作装置的结构设计工作装置的结构设计 11 3 1 机构分析 11 3 2 侧卸装载机的执行机构解析 12 3 3 设计方法 13 3 4 尺寸参数设计的图解法 14 3 5 确定动臂油缸的铰接位置及动臂油缸的行程 19 3 6 最大卸载高度和最小卸载距离 20 4 工作装置的强度计算工作装置的强度计算 21 4 1 计算位置 21 4 2 外载荷的确定 21 4 3 工作装置的受力分析 23 4 4 工作装置的强度校核 28 5 行走机构设计行走机构设计 38 5 1 行走参数的选择 38 5 2 电动机的选择 39 5 3 进行行走减速器的齿轮设计 40 参考文献参考文献 49 致致 谢谢 50 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 1 1 前言 1 1 设计目的 毕业设计是学生理论联系实际的重要课题 是学生综合运用 巩固基础理论 专业 技术和专业知识的机会 通过毕业设计 能够检查学生对所学知识掌握的程度 能够提 高学生解决实际问题的能力和独立工作的能力 并掌握机械设计的一般方法和步骤 是 学生获得知识的重要环节 因此 要求设计者在设计过程中必须端正态度 严格认真 尽可能多的查阅有关书籍 搜索资料 刻苦钻研 对比分析 取长补短 大胆创新 以 便做出高质量高水平的设计成果 1 2 选题意义 随着我国经济的持续 健康 高速发展 对工程机械的需求将增长 这些需求对工 程机械产品既提出了 量 又提出了 质 的巨大市场要求 我国 十二五 期间土石 方 路基路面 基础及建筑施工工作量预计比 十一五 要大一倍以上 工程机械的总 需求量亦将为 十一五 期间的二倍 推土机 装载机 轮式起重机 叉车 路面机械 凿岩钻车及挖掘机械等 7 类主要工程机械 十一五 末的年需求量可在 15 万台以上 而 装载机被大量应用于各行各业 无论是公路 铁路 建筑 水电 港口 矿山都有它的 身影 国外先进的采掘机械设备将有更多的机会进入中国 中国的设备也会有更多的的 机会走向世界 在这种情况下 我国从事地下采掘与工程的管理人员 技术人员和使用 维修人员都急需了解这类设备 国内从事该类设备制造业的工程技术人员为了研制出能 参与国际竞争的成套设备 也要掌握相关的设计理论和方法 所以对该类机械设备的设 计是具有重大意义的 1 2 1 普通装载机缺点 普通铲斗装载机挖力较小 铲斗的有效容积不大 在工作时 车身需要移动的范围 较大 特别是在狭窄区域工作时 很容易发生碰撞而导致安全事故 另外 普通装载机 的机械程度不高 需要操作人员的实时操控 对造作人员的工作压力较大 1 2 2 侧卸装载机优缺点 侧卸式装载机 图 1 1 这种装载机是正面铲装物料 运动至下料地点后进行侧卸下 料 它和普通的铲斗车相比较 其铲斗挖力较大 斗有效容积大 铲斗运动距离小 车 体机动高 工作外围广 铲斗能多用途等优点 另外 它的机械程度高 使得操作人员 能更加轻松 生产质量也能得到提高 生产安全也有了跟好的保障 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 2 图 1 1 侧卸式装载机 1 3 装载机的用途 装载机是一种用途十分广泛的工程机械 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 此外 还可以进行刮平地面和牵引其 他机械等作业 换装相应的工作装置 装载机还可以进行推土 起重 装卸木料或钢管 等作业 1 4 装载机的分类 常用的单斗装载机 按发动机功率 传动形式 行走系结构 装载方式的不同进行 分类 1 按行走装置的不同 装载机分为轮胎式和履带式两种 轮胎式装载机由动力装置 车架 行走装置 传动系统 转向系统 制动系统 液 压系统和工作装置等组成 其结构简图如下所示 轮胎式装载机采用柴油机为动力装置 液力变距 动力换挡变速箱 双桥驱动等组成的液力机械式传动系统 小型轮胎式装载 机有的采用液压传动或机械传动 液压操纵 铰接式车架转向 反转杆机构的工作装置 履带式装载机由专用底盘或工业拖拉机为基础车 装上工作装置并配装相关的操纵 系统而构成 如图 1 2 所示 履带式装载机 由专用底盘或工业拖拉机为基础车 装上工作装置并配装相关的操纵系统而构成 如图 1 2 所示 履带式装载机的动力装置也是柴油机 机械式传动系统则釆用液压助 力湿式离合器或湿式双向液压操纵转向离合器和正转连杆机构的工作装置 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 3 图 1 2 履带式装载机 1 行走机构 2 发动机 3 动臂 4 铲斗 5 转斗油缸 6 动臂油缸 7 驾驶室 8 燃油箱 2 按发动机功率分类 功率小于 74kw 为小型装载机 功率在 74 147kw 为中型装载机 功率在 147 515kw 为大型装载机 功率大于 515kw 为特大型装载机 3 按传动形式分类 液力 机械传动 冲击振动小 传动件寿命长 操纵方便 车速与外载间可自动 调节 一般在中大型装载机多采用 液力传动 可无级调速 操纵间便 但启动性较差 一般仅在小型装载机上采用 电力传动 无级调速 工作可靠 维修简单 费用较高 一般在大型装载机上采 用 4 按装卸方式分类 前卸式 结构简单 工作可靠 视野好 适合于各种作业场地 应用较广 后卸式 前端装 后端卸 作业效率高 作业的安全性欠好 侧卸式 与其他的工程机械相比 装载机实用性很强 它主要用于煤巷 全岩巷 中煤及其他物料的装载 除完成 装载作业以外 还可以充当支护时的工作平台 在井下 作业时 主要是用完成工作面短距离运输 卧底 清帮 和支护等 由于它插入力大 机动性能好 全断面作业 安全性好 因而发展很快 成为进下施工的主要机械 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 4 2 铲斗的设计 2 1 设计要求 铲斗是直接用来切削 收集 运输和卸出物料 装载机工作时的插入能力及铲掘能 力是通过铲斗直接发挥出来的 铲斗的结构形状及尺寸直接影响装载机的作业效率和上 作可靠性 所以减少切削阻力和提高作业效率是铲斗结构设计的主要要求 铲斗是在恶劣的条件下工作 承受很大的冲击载荷和剧烈的磨削 所以要求铲斗具 有足够的强度和刚度 同时要耐磨 根据装载物料的容重 铲斗做成三种类型 正常斗容的铲斗用来装载客重 1 4 1 6 吨 米 3的物料 如砂 碎石 松散泥土等 增加斗容的铲斗 斗容一般为正常斗容的 1 4 1 6 倍 用来铲掘容重 1 0 吨 米 3左右的物料 如煤 煤渣等 减少斗容的铲斗 斗容为正常斗容的 0 6 0 8 用来装载容重大于 2 吨 米 3的物料 如铁矿石 岩石等 用于土方工程的装载机 因作业对象较广 因此多采用正常斗容的通用铲斗 以适应铲 装不同物料的需要 2 2 铲斗斗型的结构分析 2 2 1 切削刃的形状 铲斗切削刃的形状根据铲掘物料的种类不同而不同 一般分为直线型和非直线型两 种 图 2 1 直线型切削刃简单并利于地面刮平作业 但切削阻力较大 非直线型切削 刃有 v 型和弧型等 装载机用得较多的是 v 型斗刃 这种切削刃由于中间突出 在插入 料堆时 插入力可以集中作用在斗刃中间部分 易于插入料堆 同时对减少 偏裁切入 有一定的效果 但铲斗的装满系数要小于直线型斗刃的铲斗 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 5 2 2 2 铲斗的斗齿 装有斗齿的铲斗在装载机作业时 插入力由斗齿分担 形成较大的比压 利于插入 密实的料堆或松物料或撬起大的块状物料 便于铲斗的插入 斗齿磨损后容易更换 因 此 对主要用于铲装岩石或密实物料的装载机 其铲斗均装有斗齿 用于插入阻力较小 的松散物料或粘性物队其铲斗可以不装斗齿 斗齿的形状对切削阻力有影响 对称齿形的切削阻力比不对称齿形的大 长而狭窄 的齿比宽而短的齿的切削阻力要小 2 2 3 铲斗的侧刃 弧线型侧刃的插入阻力比 直线型侧刃小 但弧线型侧刃容易从两侧泄漏物料 不利于铲斗的装满 适于铲装岩石 2 2 4 斗体形状 对主要用于土方工程的装载机 在设计铲斗时要考虑斗体内的流动性 减少物料在 斗内的移动或滚动阻力 同时要有利于在铲装粘性物料时有良好的倒空性 铲斗底板的弧度 圆弧半径 见图 2 2 越大 铲掘时泥土的流动性越好 但对 1 R 于流动性差的岩石等 则应将底边加长而弧度减小 使铲斗容积加大 比较容易铲取 但是 当底边过长 则铲斗的铲起力变小 且铲斗插入料堆的插入阻力与刃口的插入深 度成比例的急剧增加 如图 2 3 所示 相反 如底边短 不但铲斗的铲起力大 而且 卸载时 斗刃口的降落高度小 也易于将物料卸净 因此 铲斗转铰销的位置以近于刃 口处为好 在极端时也有将转铰销布置在铲斗内部 如图 2 4 所示 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 6 2 3 铲斗基本参数的确定 铲斗宽度应大于轮胎外侧宽度 100 一 200 毫米 以防止铲掘物料所形成的阶梯地 K B 面 而损伤轮胎侧面和容易打滑而影响牵引力 铲斗的回转半径 R 是指铲斗的转铰中心 B 与切削刃之间的距离 图 2 4 由于铲 斗的回转半径 R 不仅影响铲起力和插入阻力的大小 而且与整机的总体参数有关 因此 铲斗的其它参数依据它来决定 铲斗的回转半径 R 可按下式计算 2 1 180 15 0 2 cotsin cos 5 02 1 2 10 rkzg B rV R 使用平装斗容计算公式 180 15 0 2 cotsin cos 5 0 2 10 rkzg s B V R 式中 几何斗容量 图 2 4 中所示阴影断面 由设计任务书给定 米 K V 3 B 铲斗内侧宽度 米 铲斗斗底长度系数 通常 g 5 1 4 1 g 一 后斗壁长度系数 通常 z 2 1 1 1 z 挡板高度系数 通常 k 14 0 12 0 k 斗底和后斗壁直线间的圆弧半径系数 通常 R 40 0 35 0 R 挡板与后斗壁问的夹角 通常 1 00 1 10 5 斗底和后斗壁间的夹角 通常 有推荐 0 00 0 52 48 00 65 55 2 2 10 2 2 0 1 0 abbB w mm28271025971002150 0 B 式中 a1 铲斗侧壁切削刃的厚度 取mmma10010 0 1 b 轮距 bw 轮胎宽度 根据设计资料有 2 3 mmb mmb w 597 2150 所以有 2 4 180 15 0 2 cotsin cos 5 0 2 10 0 rkzg s B V R 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 7 mm g R 1244 180 50 15 0 2 50 cot4 050sin5cos13 0 19 1 45 1 5 028272 1 3 0 00 200 0 斗底长度 Lg 是指由铲斗切削刃到斗底与后斗壁交点的距离 2 5 mm R RL gg 1804 45 1 0 0 后斗壁长度是指出后斗壁上缘到与斗底相交点的距离 Z L 2 6 mm R RL zz 1480 19 1 0 0 铲斗圆弧半径 1 R 2 8 mm RRR R 498 4 0 001 铲斗与动臂铰销距斗底的高度 2 9 mmRRhb15012 0 12 0 06 0 00 铲斗侧壁切削刃相对于斗底的倾角 在选择时 应保证侧壁切削刃 00 0 60 50 1 与挡板的夹角为 因此取 0 500 切削角 0 300 0 90 2 4 斗容的计量 铲斗的斗容量可以根据铲斗的几何尺寸确定 2 4 1 几何斗容 平装斗容 K V 铲斗平装的几何斗容可按下式确定 图 2 5 对于装有挡板的铲斗 2 10 3 2 32 0 48 2 428 1 162 0 3 2 827 2 886 0 3 2 m bmaABVK 根据有关计算有 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 8 2 11 m LLLLL NDCNb mB mLa ZgKgZ K 428 1 50cos48 1 804 1 216 0 806 1 48 1 cos2 827 2 162 0 0222 222 22 0 A 铲斗横断面面积 如图 2 5 中所示阴影面积 铲斗内壁宽 m 0 B a 挡板高度 m b 斗刃刃口与挡板最上部之间的距离 m 2 4 2 额定斗容 堆装斗容 H V 铲斗堆装的额定斗容是指斗内堆装物料的四边坡度均为 1 2 此时额定斗容可按 H V 下式确定 图 2 5 2 12 3 2 3 2 0 2 05 3 276 0 162 0 6 428 1 8 827 2 428 1 48 2 68 m ch bBb VV KH 米 式中 c 物料堆积高度 米 物料堆积高度 c 可由作图法确定 图 2 5 根据科堆坡度角可得料堆尖端点肘 再由 d4 点作直线 d4N 与 Go 垂直 将 n4N 垂线向下延长 与斗刃刃口和挡板最下端之间 的连线相交 此交点与料堆尖端之间的距离 即为物料堆积高度 G 2 13 m ab ba bc 276 0 162 0 428 1 2 162 0 428 1 428 1 25 0 2 4 1 22 22 铲斗斗容的误差率 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 9 2 14 5 7 1 100 3 05 3 3 所以铲斗的设计合格 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 10 3 工作装置的结构设计 根据装载机用途 作业条件及技术经济指标等拟定购设计任务书的要求 选定了工 作装置的结构形式后 便可进行工作装置的结构设计 额 定 斗 容 3 m3 额 定 载 重 量 50 KN 整 机 质 量 17 5 t 轮 距 2150 mm 轴 距 3427 mm 轮 胎 规 格 23 5 25 最大 卸载 高度 2970 mm 最小 卸载 距离 1200 mm 工作装置败结构设计包括 1 确定动臂长度 形状及与车架的铰接位置 2 确定动臂油缸的铰接位置及动臂油缸的行程 3 连杆机构 由动臂 铲斗 转斗油缸 摇臂 连杆或托架等组成 的设计 工作装置的结构设计应满足以下要求 1 保证满足设计任务书中所规定的使用性能及技术经济指标的要求 如最大卸载高 度 最大卸载距离 在任何位置都能卸净物料并考虑可换工作装置等 2 保证作业时与其它构件无运动干涉 3 保证驾驶员有良好的劳动条件 如工作安全 视野开阔 操作简便等 工作装置的结构设计是一个比较复杂的问题 因为组成工作装置的各构件的尺寸及 位置的相互影响 可变性很大 对于选定的结构形式 在满足上述要求下 可以有各种 各样的构件尺寸及铰接点位置 因此 只有在综合考虑各种因素的前提下 对工作装置 进行运动学和动力学分析 通过多方案比较 才能最后选出最佳构件尺寸及铰接点位置 使所设计的工作装置不仅满足使用要求 况且具有较高的技术经济指标 3 1 机构分析 3 1 1 装载机执行机构不同种类 现在国际上装载机的工作装置主要有两种 六杆机构 图 3 1 八杆机构 图 3 2 六杆机构的优点是传力能力大 使得装载机的挖力 所以一般都是在采掘类行业中运用 八杆机构的优点是杆件多 能实现的运动多 运转灵活 所以一般用于多功用采掘中 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 11 图 3 1 装载机六杆执行机构 图 3 2 装载机八杆执行机构 地下矿上的铲装作业中 由于空间有限 执行机构的设计就较为简单 通常采用四 种装置 正转四杆机构 正转五杆机构 正转六杆机构 Z 型反转六杆机构 如图 3 3 所 示 正传四杆机构 正转五杆机构 正转六杆机构 Z 型反转六杆机构 图 3 3 地下装载机常用工作装置 3 2 侧卸装载机的执行机构解析 根据图 3 3 一般装载机所用的执行机构有四种 1 正转四杆机构 2 正转五杆机构 3 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 12 正转六杆机构 4 Z 型反转六杆机构 下面对这四种机构进行进一步分析和选择 六杆机构 承载六杆机构的元件及铰销较多 所以他的结构也比较的复杂 铲斗在 进行物料的装载和卸载时 所能进行的活动也最大 Z 型反转六杆机构能承受的负载最大 而且其在铲斗工作时各处销轴承受的力最大 它的动臂在铲斗和前桥中 因为其中的空间十分狭窄 构件各部分很容易发生碰撞 正转四杆机构的构造是最最简洁的 它的前悬装置比较小 承载铲斗的元件 连接 的销轴之类的部件数量少 自身比重小 正传四杆机构可以很好地满足工作装置最初的 设计要求 它能很好地保证铲斗实现各种工作过程 在铲装物料时 铲斗可以在最大范 围内进行高速的运动 它的缺点是 在铲斗回到初始位置时 铲斗不能自动地平放 在 卸载物料时 活塞杆很容易和其他部件相摩擦甚至产生碰撞 正转五杆机构则是在四杆机构的基础上 在活塞杆和 铲斗之间加了一根连接杆 它能够改正四杆机构的缺点 使得铲斗和活塞杆在装卸物料时不容易产生摩擦碰撞 我设计的侧卸式铲斗装载机是在一般的正传四杆机构的基础上 将装载机的铲装部 分由只有一个铲斗变成铲斗和铲斗座相组合 这种机构可以说是近似的一中五杆机构 而且 我在铲斗和斗座之间加入了一个用于侧卸的油缸 这使得装载机卸载物料由传统 的正卸变成了侧卸 这样使得装载机拥有侧卸功能 而且 这样能够减小转斗油缸的长 度 它的示意图如图 3 4 所示 侧卸机构如图 3 5 所示 A 机架和动臂油缸的铰接点 B 机架和动臂的铰接点 C 机架和转斗油缸的铰接点 D 动臂油缸和动臂的铰接点 E 转斗油缸和铲斗座的铰接点 F 动臂和铲斗座的铰接点 G 铲斗和侧卸油缸的铰接点 H 侧卸油缸和铲斗座的铰接点 M 铲斗座和铲斗铰接点 图 3 4 侧卸装载机执行机构总图 1 机架 2 动臂油缸 3 动臂 4 转斗油缸 5 铲斗座 6 侧卸油缸 7 铲斗 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 13 3 3 设计方法 因为工作机构连杆系统的尺寸参数直接与整机的基本性能和工作参数有关 所以通 常是先初步设计出整机的主要参数 然后以其为条件 再进行连杆系统的尺寸设计 不管用什么方法确定各铰接点的坐标值 但最终都必须满足对工作机构设计提出的 各种要求 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 在动力学方面 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 3 4 尺寸参数设计的图解法 图解法比较直观 易于掌握 是目前工程设计时常用的一种方法 图解法是在初步确定了最大卸载高 最小卸载距离 卸载角 轮胎尺寸和铲斗几何 尺寸等参数后进行的 它通过在坐标图上确定工况 见图 3 5 时工作工作机构的九 个铰接点的位置来实现 图 3 5 铰接点 B 的确定 3 4 1 动臂与铲斗 摇臂 机架的三个铰接点 B E A 的确定 1 确定坐标系 如图 3 2 所示 先在坐标纸上选取直角坐标系 冲选定长度比例尺 xOy 1 2 画铲斗图 把已设计好的铲斗横截面外轮廓按比例画在坐标里 斗尖对准坐标原点xOy O 斗前臂与 x 轴呈前倾角 此为铲斗插入料堆时位置 即工况 3 3 确定动臂与铲斗的铰接点 B 由于 B 点的 x 坐标值越小 转斗铲取力就越大 所以 B 点靠近 O 点是有利的 但它 受斗底和最小离地高度的限制 不能随意减小 而 B y 坐标值增大时 铲斗在料堆中的铲 取面积增大 装的物料多 但这样就缩小了 B 点与连杆铲斗铰接点 C 的距离 使铲取力 下降 综合考虑各种因素的影响 设计时 一般根据坐标图上工况 I 时的铲斗实际状况 在 保证 B 点与 Y 轴坐标值和 x 轴坐标值尽可能小而且不与斗底干涉的mmyB350 240 B x 前提下 在坐标图上人为地把 B 点初步确定下来 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 14 1 以 B 点为圆心 使铲斗顺时针转动 48o 即工况 2 把已选定的轮胎外廓画在坐标图上 作图时 应使轮胎前缘与工况 时铲斗后壁 的间隙尽量小些 目的使机构紧凑 前悬小 但一般不小于 50mm 轮胎中心 Z 的 y 轴 坐标值应等于轮胎的工作半径 K R 3 1 1 2 w w w d b b Hd R 式中 轮胎动力半径 mm d R 轮毂直径 mm w d 轮胎宽度 mm w b 轮胎断面高度与宽度之比 取 0 7 w bH 轮胎变形系数 普通轮胎为 0 05 4 确定动臂与机架的铰接点 A 3 2 m b b Hd R w w w d 714 0 05 0 15 237 0 2 25 4 25 1 2 圆整后取 Rd 715mm 1 根据给定的最大卸载高度 最小卸载距离和卸载角 画出铲斗在最高位卸载的位 置图 即工况 此时 B 点位置为 如图 3 6 所示 i B A 1200 50 A B C1 C B 图 3 6 连杆两铰接点的确定图 2 以点为圆心 顺时针旋转铲斗 48o 即得铲斗被举升到最高位置图 工况 i B 3 连接 B并作其垂直平分线 因为 B 和点同在以 A 点为圆心 动臂 AB 长为 i B i B 半径的圆弧上 所以 A 点必在 B的垂直平分线上 i B A 点位置尽可能低一点 以提高整机工作的稳定性 减小机器高度 改善司机视野 一般 A 点取在前轮右上方 与前轴心水平距离为轴距的处 2 1 3 1 A 点位置的变化 可借挪动点和轮胎中心点的位置来进行 i B 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 15 5 确定动臂与摇臂的铰接点 E E 点位置是一个十分关键的参数 它对连杆机构的传动比 倍力系数 连杆机构的布 置以及转斗油缸的长度等都有很大影响 根据分析和经验 一般取 E 点在 AB 连线上方 其在 AB 连线上的投影点距 A 点 45 处 相对前轮胎 E 点在其外廓的左上部 3 4 2 机构中 C D F 点的确定 因为 B E 两点已被确定 所以再确定 C 和 D 点实际上是为了是终确定与铲斗相联 的四杆机构 BCDE 的尺寸 确定 C D 两点时 既要考虑对机构运动学的要求 如必须保证铲斗在各工况时的 转角 又要注意动力学要求 如铲斗在铲装物料时应能输出较大的铲取力 同时 还要 防止前述各机构运动被破坏的现象 为此 建议按下述方法进行设计 按单摇杆条件设计六杆机构 连杆与铲斗铰点 C 的位置影响连杆的受力和转斗油缸 的行程 选择时主要考虑当铲斗处于地面挖掘位置情况下 转斗油缸作用在连杆 CD 的有 效分力较大 以发挥比较大的掘起力 通常 BC 与铲斗回转半径之间的夹角 100o 120o 取 113 BC 0 13 0 14 lD BC 0 14 2913 410 见图 3 7 图 3 7 确定连杆机构图解法简图 摇臂和连杆要传递比较大的插入和转斗阻力 因此在设计时不仅考虑运动关系 而 且还应考虑它们的强度和刚度 摇臂是形状以及长短臂的比例关系及铰点 E 的位置的确 定 主要考虑连杆的受力情况及它们在空间布置的方便和可能性 同时转斗油缸的行程 及连杆的长度也不要过大 摇臂可做成直的也可做成弯曲的形状 弯曲摇臂的夹角一般 不大于 30o 否则使构件受力不良 摇臂与动臂的铰点 E 布置在动臂两铰点的连线 AB 的 中部偏上为 m 处 设计时初步取 m 0 11 0 18 lD m 0 15 2913 440 le 0 45 0 50 lD EF 0 22 0 24 lD EF 0 23 2913 670 DE 0 29 0 32 lD DE 0 32 2913 874 完成上述构件尺寸选择后 就可用下述作图方法来确定连杆 CD 的长度 转斗油缸与 车架的铰点 G 及行程 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 16 根据已经选定的工作装置连杆机构的尺寸参数 画出动臂和铲斗在地面时铲斗后倾 的位置及摇臂和动臂的铰点 E 将动臂由最低到最高位置时的转角分成若干等分 0 45 提升动臂到不同的角度 并保持后倾铲斗的平移性 依次画出 BC 的相应位置 11C B 并使它们互相平行 然后画出铲斗在最大卸载高度时的卸载位置 取卸 22C B iiC B 载角 在这里 50 取得 假设铲斗在最大卸载高度卸载时摇臂和连 00 50 45 iiC B 杆 CD 处在极端位置 即铰接点 C D E 位于同一条直线上 则连杆 CD 的最小长度 b 根据摇臂的结构尺寸和铲斗在任意位置能卸净物料这一条件 作出铲斗在不同cEC ii 卸载位置时所对应的摇臂与转斗油缸活塞杆铰接点位置 连接各点得一曲线 过 i F i F 点作此曲线的内包圆弧 则圆弧的圆心 G 即为与车架的交接点 圆弧的半径 G i F N N 既为转斗油缸的最小安装尺寸 i F min R 根据提升动臂过程中铲斗保持平移的特性画出相应的摇臂与转油缸的铰接点位置 得一曲线 以铰接点 G 为圆心 过点做此曲线的外包圆弧 圆弧 N 的半径 G i F i FN i F 即为转斗油缸的最大安装距离 转斗油缸的行程 按下式计算 max R x l 3 3 minmax RRlx 当连杆机构和铰接点位置确定以后 根据上述作图法所确定的转斗油缸与车架铰接 点 G 及转斗油缸的行程 一般当转斗油缸闭锁的情况下提升动臂的过程中 铲斗在任 x l 何位置时的后倾角都不在地面时后倾角大 在动臂提升范围内后倾角通常允许相差 15o 铲斗卸载角通常随卸载高度的降低而稍有减小 若铲斗的卸载角小于 45o时 可减小 BC 或的长度来满足对卸载角的要求 x l 要实现动臂提升到最大卸载位置卸载后 动臂下放到地面时铲斗即自动放平 只 要凑成连杆机构使铲斗由最高位置到地面过程中 上翻角即可 3 4 3 举升油缸与动臂和机架的铰接点 H 及 M 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 整 机稳定性好等原则来确定 综合考虑这些因素 一般举升油缸都布置在前桥与前后车架 的铰接点之间的狭窄空间里 如图 3 8 所示 一般 H 点选定在 AB 联线附近或上方 并取 AH 不可能取得太大 它还受到油缸行程的限制 2 ABAH 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 17 图 3 8 动臂油缸铰接点的确定 考虑到联合铲装 边抓入边举臂 工况的需要 在满足 M 点最小离地高度要求的前 提下 令工况 时 HM 近似于水平 一般取 HM 与水平线成 10o 15o夹角 这是机械优化 设计的结果 M 点往前桥方向靠是比较有利的 这样做 可使动臂油缸在动臂整个举升过程中 举升工作力臂大小的变化较小 即工作力矩变化不大 避免铲斗举升到最高位置时的举 升力不足 因为此时工作力臂往往较小或最小 但是 采用底部铰接式油缸时 要使 M 点前移是比较困难的 它受前桥限制 支座布置也较麻烦 为克服 M 点前移的困难 可 采取 M 点上移 即加大 和 H 点向 B 点方向前移的办法 使举升动臂油缸几乎呈水 M h 平状态 计算证明 这样布置也能得到较好的举升特性 为了得到较好的举升工作力臂变化特性曲线 以适应举升过程中阻力矩的变化和合 理地选定举升油缸的功率 采用中间铰接式油缸是比较理想的 如图所示 这个结论是显而易见的 因为由图3 9 可知 两种结构的油缸的最小工作力臂 均出观在铲斗被举到最高位置时 但图3 9 a 中小于图 3 9 b 中MAH 的 并且都为锐角 而力臂大小为 所以 在相同条件下 MAH MAHAH sin 中间铰接式油缸的最小输出力矩要比底部铰接式油缸的最小输出力矩大 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 18 图 3 9 动臂举升油缸两铰接点设计 3 5 确定动臂油缸的铰接位置及动臂油缸的行程 3 5 1 动臂油缸的铰接位置 确定动臂油缸与动臂及车架的铰接点 H M 的位置 图 3 9 通常参考同类样机 同时考虑动臂油缸的提升力臂与行程的大小选定 H 点一般选在约为动臂长度的三分之一 处 且在动臂两铰接点的连线之上 以便留出铰座位置 对曲线型动臂而言 动臂油 缸与车架有两种连接方式 油缸下端与车架铰接 图 3 10a 油缸中部或上端与车架铰 接 图 3 10b 后者在动臂提升过程中 由于油缸下端的摆动 可以使动臂油缸的提升 力臂变化较小 效率较高 但不论那种连接方式 都要使动臂油缸的下端到地面的距离 HM 满足装载机离地间隙的要求 此外 在采用动臂油缸下端摆动的连接方式时 要注意 油缸下端在摆动过程中不与机体发生于涉 图 3 10 动臂油缸的铰接位置 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 19 3 5 2 动臂油缸行程的确定 H l 在选定动臂油缸铰接点的位置后 便可用与求动臂长度相同的解析法或作图法求出 其油缸行程 H l 3 4 mm H LLl minmax 式中 动臂油缸的最大安装距离仍 M m Lmax H 动臂油缸的最小安装距离 MH m Lmin AB 2913 mm AH 取 1457 mm 最小离地间隙一般350 1451 mm hmmhmm 此处取 作图知道 图 3 11 动臂油缸行程的设计 油缸最大长度 1941mm 最小长度 1201 mm 3 5 max min 1 62 m m h h 符合设计要求 3 6 最大卸载高度和最小卸载距离 铲斗高位卸载时的卸载高度和卸载距离必须分别不小于设计任务给定的最大卸 x h x l 载高度和最小卸载距离 否则将影响卸载效率 甚至不能进行高位卸载 太大 max h min l x h 时 将增加卸载冲击 损坏运输车辆 过大 虽然有利于装车 但加大了工作机构前悬 x l 降低整机稳定性 若要满足要求 则应该满足下列要求 3 6 max hhx min llx 在轨迹图中测量出 max 30002970 x hmmhmm mmlmmlx12001200 min 所以满足和的要求 max h min l 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 20 4 工作装置的强度计算 工作装置的强度计算包括 1 确定计算位置 2 选取工作装置受力最大的典型工况 确定外载荷 3 对工作装置进行受力分析 4 主要零件的强度校核 4 1 计算位置 分析装载机插入料堆 铲起 提升 卸载等作业过程可知 装载机在铲掘物料时 工作装置的受力最大 所以取铲斗斗底与地面的前倾角为时的铲取位置 图 4 1 作 0 5 为计算位置 且假定外裁荷作用在铲斗的切削刃上 4 2 外载荷的确定 由于物料种类和作业条件的不同 装载机实际作业时不可能使铲斗切削刃均匀受载 但可简化为两种极端情况 认为载荷沿切削刃均匀分布 并以作用在铲斗切削刃中部 的集中载荷来代替其均布载荷 称为对称受载情况 由于铲斗偏铲 料堆密实程度不 均 使载荷偏于铲斗一例 形成偏载情况时 通常是将其简化后的集中栽荷加在铲斗侧 边第一斗齿上 装载机的铲掘过程通常可分如下三种受力情况 1 斗水平插入料堤 工作装置油缸闭锁 此时认为铲斗切削刃只受到水平力的作用 2 铲斗水平插入料堆后 翻转铲斗 靠转斗油缸工作 或提升动臂 靠动臂油缸 工作 铲掘时 此时认为铲斗切削刃只受到垂直力的作用 3 铲斗边插入边转斗或边插入边提臂铲掘时 此时认为水平力与垂直力同时作用在 铲斗的切削刃上 综合上述分机可以得到如下六种工作装置的典型工况 图 4 2 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 21 1 对称水平力的作用工况 图 4 2a 水平力 即插入阻力 PC 的大小由装载机的牵引力决定 其水平力的最大值为 4 1 cKPx PPR max 此处根据已知取 4 2 KNPR MAX KPx 138 装载机空载时的最大牵引力 maxKP P 插入力 c P 2 对称垂直力的作用工况 图 4 2b 垂直力 即铲起阻力 的大小受装载机纵向稳定条件的限制 图 3 21 其最大值 为 4 3 KN l WL pz 5 54 2830 8571018 1 式中 W 装载机满载时的自重 tW185 0 5 17 装载机重心到前轮与地面接触点的距离 在此处取轴距的四分之一靠前 1 L 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 22 4 4 mm W W W WWL L875 0 0 7513427 1 1 式中 L 轴距 mmL3427 W 整车重量 W1 满载时前桥负荷 取整机重量的 75 3 对称水平力与垂直力同时作用的工况 图 4 2g 此时垂直力由式 4 3 给出 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 KP P 4 受水平偏载的作用工况 图 4 2d 5 受垂直偏载的作用工况 图 4 2e 垂直力之大小与工况 b 相同 6 受水平偏载与垂直偏载同时作用的工况 图 4 2f 水平力与垂直力的大小与工况 c 相同 4 3 工作装置的受力分析 在确定了计算位置及外载荷的大小后 便可进行工作装置的受力分桥 由于工作装 置是一个受力较复杂的空间超静定系统 为简化计算 通常要作如下假设 1 在对称受载工况中 图 4 2 a b c 由于工作装置是个对称结构 故两 动臂受的载荷相等 同时略去铲斗及支承横梁对动臂受力与变形的影响 则可取工作 装置结构的一例进行受力分析 如图 3 23a 所示 其上作用的载荷取相应工况 外载荷之半进行计算 即 4 5 KNPPKNPP Y a Yx a X 25 27 5 54 2 1 2 1 69138 2 1 2 1 在偏载工况中 图 3 22d e f 近似地用求简支粱支反力的方法 求出分配于左 右动臂平面内的等效力 图 4 3b ba RR 与 4 6 a ZZ b Z a xX b x Z a ZX a x PPPPPP P a ba PP a ba P 由于 所以取进行计算 b Y a Y b X a X RRRR a Y a X RR 与 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 23 图 4 3b 中 870 989amm bmm 4 7 989870 138295 870 989870 54 5116 870 a X a Z PKN PKN 2 计算铲斗重量 GD 铲斗的重量由两部分组成 一部分是围成铲斗的钢板的重量 G1 另一部分是筋板 吊耳等附属装置的重量 G 估算 G 的值为 10 G1 则 4 8 1111 1 1 0 0 10GGGGGGD 又 4 9 gtStStSG K 2 211 式中 S1 铲斗侧壁的面积 t 铲斗壁厚 S2 斗底和后斗壁的面积 SK 档板面积 钢板的密度 取 7850kg m3 g 重力加速度 取 g 10N Kg 由前述可得 S1 0 886m2 t 0 01m S2 6 437 m2 SK 0 461 m2 代入各项数据可得 NG680610785001 0 461 0 437 6 886 0 2 1 KNNGGD487 7748768061 11 1 1 3 认为动臂轴线与连杆 摇臂轴线处于同一平面 则所有的作用力都通过构件 除铲斗外 断面的弯曲中心 即略去了由于安装铰座而产生的附加的扭转 从而可以 用轴线 折线或曲线来代替实际构件 通过上面的分析与假设 就能将工作装置这样一个空间超静定结构 简化为平面问 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 24 题进行受力分析 工作装置的受力分桥 就是根据上述各种工况下作用在铲斗的外力 用解析法或图 解法求出对应工况下工作装置各构件的内力 下面以工况 c 为例进行受力分析 其他 工况与此类同 a 水平偏载 Pxa 295KN PZa 0 如图 4 4a 所示 取铲斗为脱离体 根据平衡原理 分析铲斗的受力 由 4 10 0 B M 121211 sincos lhPlPhP C a Z a X 4 11 KN lh lPhP P a Z a X c 184 6sin4006cos360 500 2 487 7sincos 1212 11 由 4 12 0cos 0 1Bc a X XPPX 所以 4 13 KN PPX c a XB 478 6cos184295 cos 0 1 由 4 14 0 2 sin 0 1 Da ZBc G PZPZ 则 4 15 KN G PPZ D c a ZB 5 15 7 3 2 19 2 487 7 6sin184 2 sin 0 1 如图 3 24b 所示 取连杆为脱离体 根据平衡原理 作用于连杆两端的力大小相等 方向相反 即 4 16 DC PP 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 25 由图示受力分析可知 连杆此时受拉 如图 4 4c 所示 取摇臂为脱离体 根据平衡原理 分桥摇臂的受力 由 4 17 34332324 cossincossin 0 hPlPhPlP M FFDD E 4 18 KN PF 438 8sin1488cos551 6sin8006cos776 295 由 4 19 KN PPX PPXX DFE DFE 727 6cos2958cos438 coscos 0coscos 0 23 23 由 4 20 KN PPZ PPZZ DFE DFE 30 6sin2958sin438 sinsin 0sinsin 0 23 23 如图 3 24d 所示 取动臂为脱离体 根据平衡原理 分析动臂的受力 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 26 由 4 21 KN lh lZhXlZhX P lZhXlZhXlhPM EEBB H EEBBHA 443 15sin33915cos742 904307907271527 5 152053478 sincos 0sincos 0 4546 6577 65774546 由 4 22 KN XXPX XXPXX EBHA EBHA 677 72747815cos443 cos 0cos 0 4 4 由 4 23 KN PZZZ ZZPZZ HEBA BEHA 160 15sin44330 5 15 cos 0sin 0 0 4 4 b 垂直偏载 Pxa 0 Pza 116KN 与求水平偏载一样 如图4 4a 所示 取铲斗为脱离体 根据平衡原理 分析 铲斗的受力 由 4 24 0 B M 121211 sincos lhPlPhP C a Z a X 4 25 KN lh lPhP P a Z a X c 495 6sin4006cos360 500 2 487 7sincos 1212 11 由 4 26 0cos 0 1Bc a X XPPX 所以 4 27 KN PPX c a XB 492 6cos4950 cos 0 1 由 4 28 0 2 sin 0 1 Da ZBc G PZPZ 则 4 29 KN G PPZ D c a ZB 61 2 487 7 6sin495116 2 sin 0 1 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 27 如图 3 24b 所示 取连杆为脱离体 根据平衡原理 作用于连杆两端的力大小相等 方向相反 即 4 30 DC PP 由图示受力分析可知 连杆此时受拉 如图 4 4c 所示 取摇臂为脱离体 根据平衡原理 分桥摇臂的受力 由 4 30 34332324 cossincossin 0 hPlPhPlP M FFDD E 4 31 KN PF 735 18547 7728 495 由 4 32 KN PPX PPXX DFE DFE 1220 6cos4958cos735 coscos 0coscos 0 23 23 由 4 33 KN PPZ PPZZ DFE DFE 6 50 6sin4958sin735 sinsin 0sinsin 0 23 23 如图 3 24d 所示 取动臂为脱离体 根据平衡原理 分析动臂的受力 由 4 34 KN lh lZhXlZhX P lZhXlZhXlhPM EEBB H EEBBHA 200 15sin68015cos806 742 6 5063912201767611853492 sincos 0sincos 0 4546 6577 65774546 由 4 35 KN XXPX XXPXX EBHA EBHA 921 122049215cos200 cos 0cos 0 4 4 由 4 36 KN PZZZ ZZPZZ HEBA BEHA 41 15sin200 6 5061 cos 0sin 0 0 4 4 比较两种工况可知第 5 种典型工况受力比较大 故取第 5 种工况为例进行强度计算 中国矿业大学成人教育学院中国矿业大学成人教育学院 20142014 届毕业设计届毕业设计 28 4 4 工作装置的强度校核 根据计算工况及其受力分析 即可按强度理论对工作装置主要构件进行强度校核 4 4 1 动臂 动臂可看成是支承在前车架 A 点和动臂油缸上铰点 H 点的双支点悬臂梁 图 4 5 为简化计算 将动臂主轴线分为 BI