ZL50装载机反转六连杆工作装置铲斗设计.doc

2008级工程机械专业课程设计 ZL50装载机反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ZL50 loader reverse six connecting rod working device design of bucketAbstract 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 parametersKEY WORDS Construction Machine, Wheel Loaders ,Work Equips目 录中文摘要1英文摘要2目 录31. 装载机工作装置铲斗设计概述 51.1装载机工作装置铲斗设计概述51.2铲斗的结构型式52. 铲斗的设计 52.1铲斗设计要求 52.2铲斗斗型的结构分析 62.2.1切削刃的形状62.2.2铲斗的斗齿62.2.3铲斗的侧刃72.2.4斗体形状72.3铲斗基本参数的确定72.4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) 103. 工作装置铲斗结构设计 113.1工作机构连杆系统的尺寸参数设计 123.2机构分析123.3设计方法123.4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动臂油缸行程的确定 183.6最大卸载高度和最小卸载距离 204.强度计算 20 4.1计算位置20 4.2外载荷的确定214.3工作装置的受力分析 224.4工作装置铲斗强度校核 28 4.4.1铲斗上铰销强度校核285.设计总结30参考文献 311. 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1.41.6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1.41.6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21)。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（见图22)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23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24所示。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24)。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 （2-1）使用平装斗容计算公式：式中 几何斗容量 ( 图24中所示阴影断面 ) B。铲斗内侧宽度(米)； 铲斗斗底长度系数，通常 一后斗壁长度系数，通常；挡板高度系数，通常； 斗底和后斗壁直线间的圆弧半径系数，通常；挡板与后斗壁问的夹角，通常；斗底和后斗壁间的夹角，通常， (有推荐)。 （22） mm式中 a1-铲斗侧壁切削刃的厚度 取b-轮距bw-轮胎宽度根据相关资料有 （23）所以有： （24）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： （25）后斗壁长度是指出后斗壁上缘到与斗底相交点的距离： （26）挡板高度： （27）铲斗圆弧半径： （28）铲斗与动臂铰销距斗底的高度: (2-9)铲斗侧壁切削刃相对于斗底的倾角。在选择时，应保证侧壁切削刃与挡板的夹角为。因此取0=500，切削角0=300。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)铲斗平装的几何斗容可按下式确定(图25)。对于装有挡板的铲斗： （210） 根据有关计算有： （211） A铲斗横断面面积，如图25中所示阴影面积 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)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，此时额定斗容可按下式确定(图25) （2-12）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25)：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。 （213）铲斗斗容的误差率： （214）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： 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： 23.525 最大 卸载 高度： 2970 mm 最小 卸载 距离： 1200 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反转六杆工作机构，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 机构分析反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31）时工作工作机构的九个铰接点的位置来实现。图31 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3.4.1.1 确定坐标系如图3-2所示，先在坐标纸上选取直角坐标系，选定长度比例尺。3.4.1.2 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。3.4.1.3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。图32 连杆两铰接点的确定图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： （31）式中 轮胎动力半径， mm； 轮毂直径，mm； 轮胎宽度，mm；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。3.4.1.4确定动臂与机架的铰接点A （32） 圆整后取Rd=715mm。(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，如图3-2所示。 (4)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)。 (5)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长为半径的圆弧上，所以A点必在B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处。 A点位置的变化，可借挪动点和轮胎中心点的位置来进行。3.4.1.5 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。如图47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33）。（ 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：、，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），得。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=。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，连接各点得一曲线，过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既为转斗油缸的最小安装尺寸。 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，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： （33）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。图33 确定连杆机构图解法简图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。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37a所示，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。图34 动臂油缸铰接点的确定这个结论是显而易见的，因为由图35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35（a）中小于图35（b）中的，并且都为锐角，而力臂大小为。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35)，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36a)；油缸中部或上端与车架铰接(图36b)。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35 动臂举升油缸两铰接点设计3.5.2 动臂油缸行程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： （34）式中 动臂油缸的最大安装距离仍M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 图36 动臂油缸的铰接位置作图知道图37 动臂油缸行程的设计油缸最大长度1644 mm ，最小长度963 mm ， （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和卸载距离必须分别不小于设计任务给定的最大卸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，降低整机稳定性。若要满足要求，则应该满足下列要求： （333）在轨迹图中测量出：所以满足和的要求。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时的铲取位置(图41)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。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42)：1. 对称水平力的作用工况(图42a)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： (41)此处根据相关资料取 （42）装载机空载时的最大牵引力， 插入力。2. 对称垂直力的作用工况(图42b)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321)，其最大值为 （4-3）式中 W装载机满载时的自重； 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。 （44） 式中L 轴距。 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42g)此时垂直力由式(43)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。4受水平偏载的作用工况(图42d)5受垂直偏载的作用工况(图42e)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42f)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42 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(323a)所示，其上作用的载荷取相应工况外载荷之半进行计算，即： （45）在偏载工况中(图322d、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43b)： （4-6）由于，所以取进行计算。(图43b)中 (47) 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10G1，则 (48) 又 (49) 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： 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44a所示，取铲斗为脱离体，根据平衡原理，分析铲斗的受力：由 （410） （411） 由 （412） 所以 （413） 由 (414) 则 （415） 如图324b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： （416）由图示受力分析可知，连杆此时受拉。如图44c所示，取摇臂为脱离体，根据平衡原理，分桥摇臂的受力； 由 （417） (418)由 （419）由 （420）如图324d所示，取动臂为脱离体，根据平衡原理，分析动臂的受力： 由 （421）由 （422）由 （423）b）垂直偏载（Pxa=0,Pza=116KN）与求水平偏载一样，如图44a所示，取铲斗为脱离体，根据平衡原理，分析铲斗的受力：由 （424） （425）由 （426）所以 （427）由 （428）则 （429） 如图324b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： （430）由图示受力分析可知，连杆此时受拉。如图44c所示，取摇臂为脱离体，根据平衡原理，分桥摇臂的受力； 由 （430） (431)由 （432）由 （433）如图324d所示，取动臂为脱离体，根据平衡原理，分析动臂的受力： 由 （434）由 （435） 由 （436）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。4.4 工作装置铲斗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铲斗的需校核部位进行强度校核。4.4.1 铲斗上铰销强度校核装载机工作装置铰销的一般结构形式及受力情况，如图46所示。目前国内外一些工程机械工作装置上采用密封式铰销。所谓密封式铰销，就是铰销轴套的端部加一个密封圈，密封圈可以防止润滑剂泄露及尘土进入，因此可延长轴销和轴套销的使用寿命及减少定期润滑的次数，使日常维修工作所消耗的时间及费用减少。工作装置各铰销的强度计算都采用下面的计算公式：销轴的弯曲应力： （437）销轴的弯曲应力； 计算载荷，为铰点所受载荷之半；销轴弯曲强度计算的计算长度， ，式中L1、a、d的意义如图46所示； （438） W销轴的抗弯断面系数， 。销轴支座的挤压应力： （4-39）销轴套的挤压应力： （440）式中轴套的支承长度。铰销材料选用40Cr,其S=800MPa,则 MPa现将各个铰销的参数列于下表：表41 铲斗上铰销各参数及应力计算值名称销轴各参数(单位：mm)计算载荷及各种应力直径aWB9525703010496KN413MPa209MPa174MPa80C8020623010248KN297MPa155MPa103MPa505.设计总结通过本次课程设计，对装载机工作装置结构尤其是铲斗的结构有了比较清晰的认识。这次设计中，由于铲斗的一些部位需进行强度校核，需要确定连杆机构的尺寸，进行受力分析。装载机工作装置的尺寸的设计方法用到了图解法。这种方法比较直观，易于掌握，是目前工程设计是比较常用的方法。通过图解法的运用，对装载机工作装置的运动过程有了深刻的认识，这种方法也可以运用到其他的工程机械工作装置尺寸的设计当中，例如挖掘机工作装置的设计。说明书的编写过程中，对说明书撰写的内容和要求有了认识，如对标题、目录、正文、参考文献等编写，说明书中有关数据的表格、图、公式的编写的规范化，在原来的基础上有了很大的提高。由于只设计了机械的一小部分，所以有很多数据都来自网上资源的搜索，通过这次设计，对网上资源的寻找所需资料的能力有了巨大的提高。对AutoCAD的熟练运用有了巨大的提高。我想，这一次的设计将会为下一次的毕业设计的成功完成打下扎实的基础。参考文献1吴永平，姚怀新主编， 工程机械设计【M】，北京：人民交通出版社，2005.6。2吴庆明主编，工程机械设计【M】，武汉大学出版社，2006。3 其它网络检索到的相关资料。袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄