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机械毕业设计330ZL200装载机正转六连杆工作装置铲斗设计
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机械毕业设计330ZL200装载机正转六连杆工作装置铲斗设计,机械毕业设计论文
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- 1 - ZL200 装载机 正 转六连杆工作装置铲斗设计 摘 要 装载机是工程机械的主要机种之一，广泛用于建筑、矿山、水电、桥梁、铁路、公路、港口、码头等国民经济各部门。本文中参阅了大量的土方机械的设计参考书，其中大多数是有关装载机方面的，有的是工作装置单一构件的设计，有的则是整个工作装置的设计，并且有许多有关工作装置优化设计方面，各参考所涉及到的装载机虽然型号不同，研究的方法也有差异，但综合起来基本上也概述了现行的设计方法。国外装载机发展迅速，而我国装载机在设计上存在很多问题，其中主要集中在可靠性、结构设计强 度等方面。而工作装置对于装载机来说又是重中之重，所以工作装置的设计好坏直接影响到装载机的使用寿命以及工作效率等。虽然现在市场上的装载机已经日趋成熟，但对其进行改进设计仍有非常重要的意义，尤其是装载机的工作装置。 铲斗是工作装置的重要部件，直接用来切削、铲掘、运输和卸出物料。铲斗的结构形状、尺寸参数对插入阻力、掘起阻力及作业效率影响很大，所以铲斗的设计根据装载机的主要用途和作业条件从减小插入阻力、掘起阻力和提高效率出发，合理选择铲斗的结构形状，正确确定铲斗的尺寸参数。 关键词 工程机械，装载机，铲斗 nts - 2 - ZL200 Forward six loader working device bucket linkage design Abstract Loaders is one of the main machine the engineering machinery, widely used in construction, mine, water and electricity, Bridges, railways, highways, ports, docks and national economic sectors. In this article refer to a large number of earthwork the design of mechanical reference books, most of which is about the loader, have a plenty of a single component design work device, some is the whole work device design, and there are many relevant work device optimization design, the reference involved loader although different model, the method also has difference, but comprehensive up basically is reviewed the current design method. Foreign loader development is rapid, and our country loader in the design has a lot of problems, which mainly focus on reliability, structural design intensity, etc. And work device is also the most for loader, so the design of the device has a direct influence on the service life of the loader and work efficiency, etc. Although now in the market of the loader has increasingly mature, but for the design improvement there are still very important sense, especially of the loader working device. The bucket is an important part of the work unit, directly used to cutting, shovel dug, transportation and discharged materials. The bucket structure shape, size parameters on the resistance, resistance to dig up into the working efficiency and impact, so the bucket loader design according to the main application and operation conditions from reduce resistance, and insert the rise and improve the efficiency of resistance and rational selection of the bucket structure shape, correctly determine the size of the bucket parameters KEY WORDS Construction Machine, Wheel Loaders ,Work Equips nts - 3 - 目 录 中文摘要 1 英文摘要 2 目 录 3 1. 装载机工作装置铲斗设计概述 5 1.1 装载机工作装置铲斗设计概述 5 1.2 铲斗的结构型式 5 2. 铲斗的设计 5 2.1 铲斗设计要求 5 2.2 铲斗斗型的结构分析 6 2.2.1 切削刃的形状 6 2.2.2 铲斗的斗齿 6 2.2.3 铲斗的侧刃 7 2.2.4 斗体形状 7 2.3 铲 斗基本参数的确定 7 2.4 斗容的计量 10 2.4.1 几何斗容 (平装斗容 ) 10 2.4.2 额定斗容 (堆装斗容 ) 10 3. 工作装置铲斗结构设计 11 3.1 工作机构连杆系统的尺寸参数设计 12 3.2 机构分析 12 3.3 设计方法 12 3.4 尺寸参数设计的图解法 12 3.4.1 动臂与铲斗、摇臂、机架的三个铰接点 G、 B、 A 的确定 13 3.4.2 连杆与铲斗和摇臂的两个铰接点 C、 D 的确定 15 3.4.3 举升油缸与动臂和机架的铰接点 H 及 M 点的确定 17 3.5 确定动臂油缸的铰接位置及动臂油缸的行程 18 3.5.1 动臂油缸的铰接位置 18 3.5.2 动臂油缸行程 Hl 的确定 18 3.6 最大卸载高度和最小卸载距离 20 4.强度计算 20 nts - 4 - 4.1 计算位置 20 4.2 外载荷的确定 21 4.3 工作装置的受力分析 22 4.4 工作装置铲斗强度校核 28 4.4.1 铲斗上铰销强度校核 28 5.设计总结 30 参考文献 31 nts - 5 - 1. 装载机工作装置设计概述 1.1 装载机工作装置设计概述 装载机铲掘和装卸物料的作业是通过工作装置的运动实现的。 铲斗是装载机的工作装置的重要部件，由斗板、挡板、侧板、侧刃、切削刃等组成。它采用耐磨的高强度钢焊接而成。为了增强壁板的强度，在其下部焊接一块高强度角板；在斗底下部装设可更换的耐磨板及支脚以增强铲斗的寿命；切削刃采用耐磨钢并经热处理，最好易于更换。 1.2 铲斗结构型式 铲掘物料不同，装载机工作装置铲斗的结构形式也不一样 装载机工作装置铲斗切削刃的形状根据铲装物料的不同而异，通常可分为直线型和非直线型（ V形或弧 形）两种（图 2-1）。 直线型切削刃（图 2-1a）结构简单，有利于刮平地面，但切削阻力较大。 非直线型切削刃（图 2-1b）中间凸出，在插入物料时，在切削刃中部形成很大阻力，易于插入物料，且对中性好，但平地形不如直线型切削刃铲斗。 2. 铲斗的设计 2.1 设计要求 2.1.1 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。 2.1.2 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。 2.1.3 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 0.60.8，用来装载容重大于 2 吨米 3的物料 (如铁矿nts - 6 - 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。但铲斗的装满系数和平地形要小于 直 线型斗刃的铲斗。 2.2.2 铲斗的斗齿 铲斗斗 齿分为尖齿和钝齿。轮胎装载机多用尖齿，履带装载机多用钝齿，斗齿的数目视斗宽而定，一般平齿距在 150300mm 之间比较合适。 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nts - 7 - 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 铲斗的形状对铲装阻力及粘性物料的卸净性有很大的影响。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卸净性。 铲斗底板的圆弧半径 1R （见图 2 2)大些，斗底长度短些，铲掘时泥土的流动性越好，但对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。 2.3 铲斗基本参数的确定 铲斗宽度 KB 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，而且与装载机的卸载高度和卸载距离等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 nts - 8 - 18015.02c o ts i n)c o s(5.02.1210rkzgBrVR （ 2-1） 使用平装斗容计算公式： 18015.02c o ts i n)c o s(5.0210rkzgsBVR 式中 KV 几何斗容量 ( 图 2 4 中所示阴影断面 ) B。 铲 斗内侧宽度 (米 )； g 铲斗斗底长度系数，通常 5.14.1gz 一 后斗壁长度系数，通常 2.11.1z ； k 挡板高度系数，通常 14.012.0k； R 斗底和后斗壁直线间的圆弧半径系数，通常 40.035.0R ； 1 挡板与后斗壁问的夹角，通常 001 105 ； 0 斗底和后斗壁间的夹角，通常 000 5248， (有推荐 00 6555 )。10 2)2.01.0( abbB w （ 2 2） 0 3 1 5 0 1 0 0 5 9 7 2 1 0 3 4 5 0B mm 式中 a1-铲斗侧壁切削刃的厚度 取 mmma 10010.01 b -轮距 bw-轮胎宽度 根据相关资料有 nts - 9 - 3150597wb mmb mm（ 2 3） 所以有： 18015.02c o ts i n)c o s(5.02100 rkzgsBVR （ 2 4） mmgR12441805015.0250c o t4.050s i n5c o s13.028272.130002000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： mmRRL gg180445.1 00 （ 2 5） 后斗壁长度 ZL 是指出后斗壁上缘到与斗底相交点的距离： mmRRL zz148019.1 00 （ 2 6） 挡板高度 KL ： mmRRL KK 16213.0 00 （ 2 7） 铲斗圆弧 半径 1R ： mmRRR R4984.0 001 （ 2 8） 铲斗与动臂铰销距斗底的高度 : mmRRhb 15012.0)12.006.0( 00 (2-9) 铲斗侧壁切削刃相对于斗底的倾角 000 6050。在选择 1 时，应保证侧壁切削刃与挡板的夹角为 090 。因 此 取 0=500，切削角 0=300。 nts - 10 - 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 ) KV 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： 230232320 . 8 8 6 4 . 8 2 7 0 . 1 6 2 1 . 4 2 834 . 4 8KV A B a b mm （ 2 10） 根据有关计算有： 0222 2 22 2 2 00 . 1 6 22 . 8 2 72 c o s1 . 4 8 1 . 8 0 6 0 . 1 6 2 1 . 8 0 4 1 . 4 8 c o s 5 03 . 4 2 8KZ g K g Za L mBmb C N N DL L L L Lm （ 2 11） A 铲斗横断面面积，如图 2 5中所示阴影面积 0B 铲斗内壁宽 (m)， 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 ) HV 铲斗堆装的额定斗容 HV 是指斗内堆装物料的四边坡度均为 1： 2，此时额定斗容可按下式确定 (图 2 5) 2 23023861 . 4 2 8 2 . 8 2 7 1 . 4 2 82 . 4 8 0 . 1 6 2 0 . 2 7 6869 . 0 5HKbB bV V h cm 米（ 2-12） 式中 c 物料堆积高度 (米 )。 nts - 11 - 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。 mabbabc276.0162.0428.12162.0428.1428.125.02412222（ 2 13） 铲斗斗容的误差率： %5%7.1%1003 05.33 （ 2 14） 所以铲斗的设计合格。 3. 工作装置的铲斗结构设计 根据装载机用途、作业条件及技术经济指标等的要 求，选定了工作装置铲斗的结构形式后，便可进行工作装置铲斗的结构设计。相关数据如下： 额 定 斗 容： 10 m3 额 定 载 重 量： 20 t 整 机 质 量： 650 t 轮 距： 3150 mm 轴 距： 4427 mm 轮 胎 规 格： 23.5 25 最大 卸载 高度： 4200 mm nts - 12 - 最小 卸载 距离： 1700 mm 工作装置铲斗结构设计涉及内容包括 ： 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。 3.1 工作机构连杆系统的尺寸参数设计 由于现今国内、外购轮胎式装载机广泛地采用 正 转六杆工作机构，并且它的设计难度较大，又有一定的代表性，所以以其为例，阐述工作机构连杆系统的尺寸参数设计，以求举一反三。 3.2 机构分析 正 转六杆工作机构由转斗机构和动臂举升机构两个部分组成。转斗机构内转斗油缸 GF、摇臂 FED、连杆 DC、铲 斗 BC、动臂 AEB 和机架 AG 六个构件组成。 当举升油缸闭锁时，启动转斗油缸，铲斗将绕 B 点作定轴转动，当转斗油缸闭锁，举升油缸动作时，铲斗将作复合运动，即一边随动臂对 A 点作牵连运动，同时又相对动臂绕 B 点作相对转动。这在作机构运动分析时必须注意。 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 1）时工作工作机构的九个铰接点的位置来实现。 nts - 13 - 图 3 1 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 确定坐标系 如图 3-2所示，先在坐标纸上选取直角坐标系 xOy ，选定长度比例尺 1 。 画铲斗图 把已设计好的铲斗横截面外轮廓按比例画在 xOy 坐标里，斗尖对准坐标原点 O，斗前臂与 x 轴呈 3 前倾角。此为铲斗插入料堆时位置，即工况。 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 mmy B 350240 和 x 轴坐标值 Bx 尽可能小而且不与斗底干涉的前提下 ，在坐标图上人为地把 B 点初步确定下来。 (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 KR ： nts - 14 - 12 wwwd bbHdR（ 3 1） 式中 dR 轮胎动力半径， mm； wd 轮毂直径， mm； wb 轮胎宽度， mm； wbH/ 轮胎断面高度与宽度之比。取 0.7； 轮胎变形系数，普通轮胎为 0.05。 确定动臂与机架的铰接点 A 12252 5 . 4 0 . 7 2 3 . 5 1 0 . 0 521 . 7 1 4wdwwd HRbbm （ 3 2） 圆整后取 Rd=1715mm。 (3)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iB。 (4)以iB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 )。 (5)连接 BiB并作其垂直平分线因为 B 和iB点同在以 A 点为圆心，动臂 AB 长为半径的圆弧上，所以 A 点必在 BiB的垂直平分线上。 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 2/13/1 处。 A 点位置的变化，可借挪动iB点和轮胎中心点的位置来进行。 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。如图 4 7 所示，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 连杆与铲斗和摇臂的两个铰接点 C、 D 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nts - 15 - 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 =100o120o； BC=（ 0.130.14） lD（见图 3 3）。（ lD为动臂长度） 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=(0.110.18)lD， le=(0.450.50)lD， EF=（ 0.220.24） lD， DE=（ 0.290.32） lD。 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。 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 045 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，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： 11CB 、22CB iiCB ，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（取卸载角 00 5045 ），得 iiCB。假设铲斗在最大卸载高度卸载时摇臂和连杆 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= cECii 、。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，作出铲斗在不同卸载位置时所对应的摇臂与转斗油缸活塞杆铰接点位置 iF，连接 iF各点得一曲线，过 iF点作此曲线的内包圆弧 N ， 则圆弧的圆心 G 即为与车架的交接点，圆弧 N 的半径 G iF既为转斗油缸的最小安装尺寸 minR 。 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斗油 的铰接点位置iF得一曲线，以铰接点 G 为圆心，过iF点做此曲线的外包圆弧 N ，圆弧nts - 16 - N 的半径 GiF，即为转斗油缸的最大安装距离maxR，转斗油缸的行程xl，按下式计算： minmax RRl x （ 3 3） 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xl，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xl的长度来满足对卸载角的要求。 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 3-4 所示，一般 H 点选定在 AB 联线附近或上方，并取 2/ABAH 。 AH 不可能取得太大，它还受到油缸行程的限制。 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 10o15o 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，如图 3 7a 所示，为克服 M 点前移的困难，可采取 M 点上移 (即加大 Mh )和 H 点向 B 点方向前移的办法，使举升动臂油缸几乎呈水平状态，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。 nts - 17 - 图 3 4 动臂油缸铰接点的确定 这个结论是显而易见的，因为由图 3 5 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 5（ a）中 MAH 小于图 3 5（ b）中的MAH ，并且都为锐角，而力臂大小为 MAHAH sin 。所以，在相同条件下，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。 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 5)，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 6a)；油缸中部或上端与车架铰接 (图 3 6b)。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。 nts - 18 - 3.5.2 动臂油缸行程 Hl 的确定 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 Hl ： mmH LLl inax（ 3 4） 式中 mLax 动臂油缸的最大安装距离仍 M H mLmin 动臂油缸的最小安装距离 MH。 AB= 2558 mm AH 取 1050 mm 最小离地间隙一般 mmhmmhmm 1537,350 此处取图 3 6 动臂油缸的铰接位置 作图知道 nts - 19 - 图 3 7 动臂油缸行程的设计 油缸最大长度 1644 mm ，最小长度 963 mm ， 71.1minmax mmhh（ 3-5） 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xh和卸载距离xl必须分别不小于设计任务给定的最大卸载高度maxh和最小卸载距离 minl ，否则将影响卸载效率，甚至不能进行高位卸载。xh太大时，将增 加卸载冲击，损坏运输车辆，xl过大，虽然有利于装车，但加大了工作机构前悬，降低整机稳定性。 若要满足要求，则应该满足下列要求： maxhhx minllx（ 3 33） 在轨迹图中测量出： mmhmmh x 27903000 max mmlmml x 1 2 0 01 2 0 0 m in 所以满足maxh和 minl 的要求。 nts - 20 - 4. 强度计算 工作装置铲斗的强度计算包括： 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 05 时的铲取位置 (图 4 1)作为计算位置，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。 nts - 21 - 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)： 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： cKPx PPR max(4 1) 此处根据相关资料取 KNPR M AXKPx 138 （ 4 2） maxKPP 装载机空载时的最大牵引力， cP 插入力。 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 KNlWLp z5.54283085710181（ 4-3） 式中 W 装载机满载时的自重； tW 185.05.17 1L 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。 mmW WW WWLL 875007513 4 2 711 ）（）（ （ 4 4） 式中 L 轴距。 mmL 3427 。 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 KPP 。 4受水平偏载的作用工况 (图 4 2d) nts - 22 - 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： KNPPKNPP YaYxaX 25.275.542121,691382121 （ 4 5） 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 ba RR 与 (图 4 3b)： aZZbZaxXbxZaZXaxPPPPPPPa baPPa baP; （ 4-6） 由于 bYaYbXaX RRRR ; ，所以取 aYaX RR 与 进行计算。 (图 4 3b)中 nts - 23 - mmbmma 870,9 8 8 0 KNPKNPaZaX1165.5487087098802951388708709880(4 7) 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 1111 1.10010 GGGGGG D (4 8) 又 gtStStSG K )2( 211 (4 9) 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： NG 6 8 0 6107 8 5 001.0461.0437.6886.021 ）（ KNNGG D
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