ZL20装载机工作装置设计.ppt

ZL20装载机工作装置设计 工作装置概述 装载机是一种常用的铲土运输机械 广泛应用于土木 建筑 水利 矿山等工程 起着减轻劳动强度 提高施工效率和质量的重要作用 分类及发展概况大 中 小型装载机 装载机的多功能 结构与工作原理 装载机的工作装置由铲斗 动臂 摇臂 连杆 或托架 及液压系统所组成 结构型式 工作装置设计 工作装置是带有液压缸的空间多杆机构 是完成装缷作业的主要执行部件 按有无铲斗托架分 工作装置可分为三杆 四杆 五杆 六杆和八杆机构 按输入杆和输出杆的转向分 可分为正转机构 输入杆件与输出杆件转向相同 和反转机构 输入杆件和输出杆件转向相反 目前国内采用较多是反转六连杆 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 反转六连杆机构多用于中小型装载机工作装置中 主要参数 额定载重量mr 2000kg铲斗额定容量vr 1m3最大卸载高度hmax 2600mm最小卸载距离Lsmin 900mm装载物料密度 2000kg m3平装容量vs与额定容量vr关系 vs vr 1 2额定容量vr额定重量mr关系 vr mr 铲斗设计 铲斗基本参数的确定铲斗设计时既要满足斗容要求又要注意提高铲斗铲装性能 其结构参数的计算模型用下图表示 铲斗断面形状 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 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 底壁是指斗底壁的直线段长度 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 长亦会减小卸载高度 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 缩短作业时间 但会减小斗容 铲斗张开角 为铲斗后壁与底壁间的夹角 一般取45 52 适当减小张开角并使斗底壁对地面有一定斜度 可以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50 l00mm 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轮胎侧壁 并增加行驶时轮胎的阻力 铲斗尺寸设计主要包括断面尺寸的确定和斗容量的误差判断两部分 其设计流程图如图 设计铲斗时 铲斗的回转半径R 即铲斗与动臂铰接点至切削刃间的距离 作为基本参数 铲斗的其他参数为R的函数 铲斗的回转半径R的大小不仅影响铲斗底壁的长度 而且还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按下式计算 1 铲斗的回转半径R的确定 式中VS 铲斗平装斗容量 m3 B 铲斗内侧宽度 m g 铲斗斗底长度系数 通常 Z 后斗壁长度系数 通常 K 挡板高度系数 通常 r 斗底和后斗壁直线间的圆弧半径系数 通常 1 挡板与后斗壁问的夹角 通常 选择 1时应使侧壁切削刃与挡板的夹角为90 张开角 斗底和后斗壁间的夹角 通常 斗底长度 Lg R g 1 4 1 5 R 斗后壁长度 Lz R z 1 1 1 2 R 挡板高度 Lk R k 0 12 0 14 R 斗底圆弧半径 r R r 0 35 0 40 当VS B 已知 只要初选 g Z Z r系数值和 1 可求得铲斗的基本参数 调整参数 根据调整后的各值与R之比分别计算 g Z Z r值 然后代入R计算式 既可确定新铲斗的回转半径R 由R和计算出来的系数值 即可确定新铲斗的其它参数值 一般取铲斗侧壁切削刃相对斗底壁的倾角 0 50 60 铲斗与动臂铰销距斗底壁的高度h 0 06 0 12 R 2 铲斗截面各边尺寸计算 铲斗斗容量计算与误差判断 Vr Vh 式中S 铲斗平装容量横截面 m2 a 挡板高度 a Lk 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 铲斗平装容量横截面面积S由5部分图形组成 如图所示 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 工作装置连杆机构设计 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间的位置关系 以满足设计任务中规定的使用性能及技术经济指标 由于连杆尺寸以及销轴的相互影响 连杆机构可变形很大 可变参数很多 目前大多采用图解法或类比法加以确定 机构分析 工作机构由转斗机构和动臂举升机构两部分组成 转斗机构由转斗油缸CD 摇臂CBE 连杆FE 铲斗GF 动臂GBA和机架AD六个构件组成 实际上 是由两个反转四杆机构GFEB和BCDA所串联而成 当举升动臂时 若假定动臂为固定杆 则可把机架AD视为输入杆 把铲斗GF看成输出杆 由于AD和GF转向相反 所以称为反转六连杆机构 反转六连杆工作机构组成转斗油缸CD摇臂CBE连杆FE铲斗GF动臂GBA机架AD 设计要求 在运动学方面满足铲斗举升平移性 自动放平性 最大卸载高度 最小卸载距离和各个位置的卸载角等要求 在动力学方面满足挖掘力 铲取力 举升力和生产效率的要求前提下 使转斗油缸和举升油缸的所需输出力及功率尽量减少 各个位置必须保证工作机构正常工作 不得出现 死点 自锁 和 机构撕裂 等机构运动被破坏的现象 铰接点的确定 工作装置连杆机构尺寸参数的设计有图解法和解析法 本次设计采用图解法和类比以确定各铰接点的位置 将反转六连杆机构放到直角坐标系XOY中 只要确定出某一典型工况时的九个铰接点A B C D E F G H M坐标值 则可以求得工作装置连杆机构中各构件的尺寸参数值 工作装置机构各铰接点的选择 把已经设计好的铲斗横截面图按比例画在XOY坐标里 斗尖对准坐标原点O 斗前壁与X轴呈30 50前倾角 为工况I 即铲斗插入料堆时的位置 在此基础上选择下列各点 运输状态时G点的选择 工况I时的G点选择 由于X坐标值越小 铲斗的铲取力就越大 所以G点的选取尽可能小 而Y的坐标值也尽可能的小 由于受整机离地间隙和斗底的限制 一般根据坐标图上工况I时的铲斗实际状况 Y轴值一般取250 350mm X轴值取尽可能不与斗底干涉的位置 把G点确定下来 ZL20装载机Y的坐标值130mm左右 Y O X 1 以G点为圆心 将铲斗顺时针转动 至铲斗斗口O O 与x轴平行为止 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yz轴坐标值应等于轮胎的工作半径 yz A点的选择 一般A点选择前轮的右上方 它的选择是在工况 时 G点与G 连线的垂直平分线上 且一般选择在与前轴水平距离为轴距的1 3 1 2处 并且尽可能低一些 提高整机的稳定性 改善司机的视野 3 根据最大卸载高度 最小卸载距离和卸载角 画出铲斗在最高位卸载的位置 即工况IV 如图所示 4 以G 点为圆心 顺时针旋转铲斗 使铲斗斗口与x轴平行 即铲斗被举升到最高位置图 工况 5 连接GG 并作其垂直平分线 因为G和G 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GG 的垂直平分线上 G G 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1 3 1 2处 A点位置的变化 可挪动G 点和轮胎中心Z点的位置来调整 A G Z G 动臂的回转角通常取 80 90 本例取 89 动臂长度的确定 本例取2300mm左右 确定动臂长度 B点的选择 一般取B点在AG连线的上方 过A点水平线的下方 并在AG的垂直平分线左侧尽量靠近工况 时的铲斗处 相对前轮胎 B点在其外廓的左上部 B点选择的好坏 对连杆机构的传动比 倍力系数 连杆机构的布置以及转一斗油缸的长度等都有很大的影响 A G B 因为G B两点已被确定 所以再确定F和E点实际上是为了是终确定与铲斗相联的四杆机构GF2E2B的尺寸 E F点的选择 确定F E两点时 既要满足机构运动学的要求 保证铲斗在各工况时的转角 又要满足动力学要求 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 建议按下述方法进行设计 按双摇杆条件设计四杆机构令GF为最短杆 BG为最长杆 有GF BG FE BE令GF a FE b BE c BG d 并将上式不等号两边同时除以d 经整理可得下式 即 初步设计时 上式各值按下式选取 K 0 950 0 995a 0 3 0 5 dc 0 4 0 8 dd值已由BG确定 所以即可求出a b c三值 E F点的选择 可在B G两点己确定的情况下 除按LGF为最短杆 LBG为最长杆 而且满足LGF LBG LEF LBE的条件外 还应满足E点不可与前桥或前车架相碰 并有足够的离地高度 工况I时 EF杆尽量与GF杆垂直 可以获得较大的传动角和倍力系数 工况 时EF杆与GF杆的夹角必需小于1700 LGF LEF LGE 以免发生机构自锁 死点 撕裂 工况IV时EF杆与GF杆的夹角必须大于100 LEF LBE LBF C D点的选择 C点和D点的布置直接影响到铲斗举升平移性和自动放平性能 对铲取力和动臂举升阻力有较大的影响 从力传动效果出发 显然摇臂LBC段长一些有利 可以增加转斗油缸作用力臂 使铲取力相应增加 但增加LBC必将减少铲斗和摇臂的转角比 造成铲斗转角难以满足各个工况要求 转斗油缸过长 初步设计时 一般应满足LBC 0 7 1 0 LBE C点一般取B点的左上方 工况I 并满足 CBE 1300 1800 BC杆与CD杆尽量垂直 C点不与铲斗干扰 不影响司机的视野 D点是依据自动放平和平移性这两大要求来确定的 在转斗油缸长度保持不变的条件下 从工况IV下降到工况I过程中C1和C4连线的乖直平分线和从工况II到工况III过程中C2和C3连线的垂直平分线的交点就是D点 研究证明的D点应在A点的左下方为较好 这样平移性能好 减小动臂举升外阻力矩 有利于举升油缸的设计 H M点的选择 一般动臂举升油缸都布置在前桥与前后车架的铰接点之间的空间里 H一般选在AG连线的LAH 1 3处 LAH不要取得太大 它已还要受油缸行程的限制 而M点一般选定在靠近前桥的地方 装载机的作业条件是复杂多变的 即使在同样的作业条件下 由于工作位置及作业工况不同 工作装置的受力情况也不一样 因此工作装置的强度计算包括 1 确定受力最大的计算位置 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 对工作装置的主要构件进行强度校核 工作装置的强度计算 装载机工作装置受力分析 装载机作业条件复杂 又加上工作装置及作业工况不同受力情况也不一样 因此 进行工作装置强度计算时必须确定其受力最大的位置即选取工作装置受力最大的典型工况对工作装置进行分析 工作装置强度校核位置的确定 分析装载机铲掘 运输 提升及卸载等作业过程 发现装载机在水平面铲掘物料时工作装置受力最大 因此 对工作装置进行受力分析时可选取工作装置在水平面作业 铲斗斗底与地面夹角为3 5 铲掘时作为计算位置 工作装置典型工况选择及外载荷确定 装载机在铲掘过程中使工作装置受力最大有以下3种情况 装载机沿水平面运动 工作装置油缸闭锁 铲斗插入料堆 铲斗水平插入料堆足够深度后 装载机停止运动 然后转斗或提升动臂 装载机在水平面上匀速运动 铲斗水平插入料堆一定深度后 边插入边转斗或边插入边转动臂 由于作业场地 作业条件和作业对象的不同 装载机在实际作业时 切削受力十分复杂 固简化如下 对称变载 即认为外载荷是沿铲斗切削刃均匀分布 偏载 认为集中载荷完全由场地一侧第一颗齿所承受 由以上所述分析 使工作装置某些构件受力最大有以下六种典型工况 此种工况铲斗的水平载荷由装载机牵引力决定 水平力最大值按下式计算 3 1 式中 装载机空载时驱动轮上最大切线牵引力 装载机空载时滚动阻力 装载机的附着重量 附着系数 对称水平受力工况 此工况垂直载荷受装载机的纵向稳定条件限制 其最大值为 3 2 式中 装载机自重 装载机重心到前轮接地点距离 垂直作用力的作用点到前轮接地点距离 对称垂直受力工况 此时的水平力通常在此工况下按发动机所能传到装载机驱动轮上的牵引力计算 水平偏载工况此时水平力按水平受力工况 垂直偏载工况此时垂直力按垂直受力工况 对称水平力和垂直力同时作用的工况 施加载荷 工作装置所受的外载荷为 px G 52136N式中 G为装载机的自重 kg 为附着系数py G L1 L 47795N式中 L1为装载机重心到前轮的水平距离 m L为装载机铲斗斗刃到前轮的水平距离 m 在确定了装载机典型工况和铲斗所受外载荷后 接下来进行工作装置的受力分析 以便求出相应工况下工作装置各构件的受力 在受力分析时