ZL30装载机工作装置设计

ZL30 装载机工作装置设计I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。装载机工作装置的转斗六连杆机构是由与液压缸，铲斗相关联的两个四连杆机构组合而成。轮式装载机在作业时，靠改变液压缸的长度来使铲斗获得所要求的收斗角和卸料角。机构中各杆件长度及其结构参数确定后，需要对该机构作某些特定计算，以判断机构设计的正确性。在工作循环中速度与加速度变化合理；油缸活塞行程为最佳值；工作装置运动平稳、无干涉、无死点、无自锁；动臂从最底位置到最大卸载高度的举升过程中，保证铲斗中物料不洒落；在卸载后，动臂下放至铲掘位置铲斗能自动放平。关键词：轮式装载机；工作装置；连杆机构；强度校核 ZL30 装载机工作装置设计IIAbstractLoader is a widely used in highway, railway, construction, utilities, ports, mines and other construction projects earthwork construction machinery, it is mainly used for loading shovel of soil, sand, lime, coal and other bulk materials, and also on the ore , slightly hard soil such as digging shovel operation. Dress can be different for earth-moving equipment auxiliary work, lifting and other materials such as timber loading and unloading operations. The road, especially in highway construction, the loader works for the cut to fill roadbed, asphalt and cement concrete aggregate material site and loading and other operations. In addition also the pushing of soil, ground and traction Calibrating other mechanical and other operations. As with the operating speed loader, high efficiency, mobility, easy operation, etc., so it becomes the construction of earth and stone construction in one of the main models. This article shoveling a lot of design reference books transport machinery, most of which is about the loader area, some work of a single component device design, while others are the work of the device design, the reference to the loader involved although the model, the study methods are different, but together basically an overview of the existing design methods. The rapid development of foreign loader, but loader in our country also exist the design of many problems, mainly concentrated in the reliability, structural design strength and so on. The working device, it is most important for the loader, so the design of working device loader direct impact on the life and work efficiency. Although the loader on the market has matured, but its improved design is still of great significance, especially the loader working device.keyword： Wheel loaders； work unit； linkage； strength check ZL30 装载机工作装置设计III目 录摘 要 .错误！未定义书签。Abstract.I前 言 .11. 装载机工作装置设计概述 .21.1 装载机工作装置设计概述 .21.2 结构型式选择 .22. 铲斗的设计 .42.1 设计要求 .42.2 铲斗斗型的结构分析 .52.2.1 切削刃的形状 .52.2.2 铲斗的斗齿 .52.2.3 铲斗的侧刃 .52.2.4 斗体形状 .62.3 铲斗基本参数的确定 .62.4 斗容的计量 .82.4.1 几何斗容(平装斗容) .82.4.2 额定斗容(堆装斗容) .103. 工作装置的结构设计 .103.2 机构分析 .113.3 设计方法 .113.4 尺寸参数设计的图解法 .123.4.2 连杆与铲斗和摇臂的两个铰接点 F、E 的确定 .143.4.3 举升油缸与动臂和机架的铰接点 H 及 M 点的确定 .163.5 确定动臂油缸的铰接位置及动臂油缸的行程 .173.5.1 动臂油缸的铰接位置 .173.5.2 动臂油缸行程 Hl的确定 .183.5.3 确定转斗油缸行程 .193.6 最大卸载高度和最小卸载距离 .204.工作装置的强度计算 .214.1 计算位置 .214.2 外载荷的确定 .214.3 工作装置的受力分析 .234.3.1 对称水平受力工况 .254.3.2 对称垂直偏载 .284.3.3 对称垂直力和水平力同时作用 .294.3.4 水平偏载工况 .304.3.5 垂直偏载工况 .314.3.6 垂直和水平复合偏载工况 .324.4 工作装置的强度校核 .32 ZL30 装载机工作装置设计IV4.4.1 动臂 .324.4.2 铰销 .364.4.3 连杆和摇臂强度校核 .384.工作装置中油缸的设计 .435.1 转斗油缸的选择 .445.2 动臂油缸的选择 .465.3 转斗油缸与动臂油缸被动作用力的确定 .476. 工作装置的限位机构 .476.1 铲斗转角限位装置 .486.2 动臂升降的自动限位机构 .48参 考 文 献 .50致 谢 .51附 录 .52外文和外文翻译 .52图纸清单 .67 ZL30 装载机工作装置设计1引 言装载机是以轮胎式或履带式拖拉机为基础车，安装上铲斗作为工作装置的一种土方工程机械。它是一种作业效率高、操作轻便、用途广泛的施工机械，它不仅用来对松散的堆积物料进行装、运、卸等作业，还可以铲装爆破后的矿石以及对硬土进行轻度挖掘，并能用来进行清理、刮平场地及牵引等作业。装载机的铲掘和装卸物料是通过工作装置的运动而得以实现的，装载机工作装置由铲斗、动臂、连杆、摇臂和转斗油缸、动臂油缸等组成。整个工作装置铰接在车架上。铲斗通过连杆和摇臂与转斗油缸铰接，用以装卸物料。动臂与车架、动臂油缸铰接，用以升降铲斗。铲斗的翻转和动臂的升降采用液压操纵。装载机作业时工作装置应能保证：当转斗油缸闭锁、动臂油缸举升或降落时，连杆机构使铲斗上下平动或接近平动，以免铲斗倾斜而撒落物料；当动臂处于任何位置、铲斗绕动臂铰点转动进行卸料时，铲斗倾斜角不小于 45，卸料后动臂下降时又能使铲斗自动放平。综合国内外装载机工作装置的结构型式，主要有七种类型，即按连杆机构的构件数不同，分为三杆式、四杆式、五杆式、六杆式和八杆式等；按输入和输出杆的转向是否相同又分为正转和反转连杆机构等。工作装置直接影响到装载机的性能参数和其作业效率。ZL40ZL50 装载机，主要装载机生产厂家均拥有该产品。第一代产品几十年来沿续至今，全国几乎使用同一套图纸，有些技术力量薄弱的厂家，仍把其当作主导产品推向市场。第二三代产品主要是对工作装置进行优化，改变外观造型。所以，合理的设计工作装置的结构是非常重要的。常见的有关轮式装载机的工作装置设计中，广泛采用反转六连杆机构为例进行设计以及放平性、工作强度的校核，本次设计中在没有同类正转机构设计数据的前提下，反复琢磨工作装置的工作原理，并使用机械设计软件 AUTOCAD 进行工作装置的各铰接点的设计，所以在进行有关校核时直接应用绘图尺寸，可以保证精度要求，此设计数据也可以作为今后正转工作装置的设计参考。当然，在设计中难免有疏忽以及错误的地方，望批评指正。 ZL30 装载机工作装置设计21. 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。装载机的工作装置由铲斗、动臂、摇臂连杆(或托架)及液压系统等组成(图 11)。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。由动臂、动臂油缸、铲斗、转斗油缸、摇臂连杆(或托架)及车架相互铰接所构成的连杆机构，在装载机工作时要保证：当动臂处于某种作业位置不动时，在转斗油缸作用下，通过连杆机构使铲斗绕其铰接点转动；当转斗油缸闭锁时，动臂在动臂油缸作用下提升或下降铲斗过程中，连杆机构应能使铲斗在提升时保持平移或斗底平面与地面的夹角变化控制在很小的范围，以免装满物料的铲斗由于铲斗倾斜而使物料撒落；而在动臂下降时，又自动将铲斗放平，以减轻驾驶员的劳动强度，提高劳动生产率。1.2 结构型式选择装载机工作装置的结构型式分为有铲斗托架和无铲斗托架两种。有铲斗托架的工作装置如图 11a 所示。其动臂和连杆的后端与车架支座铰接，动臂和连杆的前端与铲斗托架铰接，托架上部铰接转斗油缸体，其活塞杆及托架下部与铲斗铰接。当托架、动臂、连杆及车架支座构成的是平行四连杆机构，则在动留提升、转斗油缸闭锁时，铲斗始终保持平移，斗内物科不会撤落。有铲斗托架的工作装置易十更换铲斗及安装附件，例如将铲斗卸下，在托架上装上起重叉便可进行起重及叉车作业。 ZL30 装载机工作装置设计3有铲斗托架的工作装置，结构比较简单，同时，由于转斗油缸及铲斗都是直接铰接在托架上，所以铲斗的转动角较大。但由于在动管前端装有较重的托架，所以减少了铲斗的载重量。国产 ZL35、Z1160 装载机均采用有铲斗托架的工作装置。无铲斗托架的工作装置如图 11b 所示。其动臂的前端和铲斗铰接，动管的后端和车架上部支座铰接，动管油缸两端分别和动管及车架底部支座铰接，转斗油缸一端和车架铰接，另一端和摇臂铰按，摇臂则铰接在动臂上，连杆一端和摇臂铰接，另一端和铲斗铰接。根据摇臂连杆数目及铰接位置的不同，可组成不同型式的连杆机构。不同型式的连杆机构，铲斗的铲起力 P 随铲斗转角 的变化关系，倾斜时的角速度大小以及工作装置的运动特性也不同。因此，装载机工作装置结构型式的选择，既要考虑结构简单，又要考虑作业性质与铲掘方式来确定(图 12)。正转连杆机构的工作装置，当机构运动时，铲斗与摇臂的转动方向相同(图 13a、b、c、d)。其运动特点是：发出最大铲起力 P 时的铲斗转角 是负的(图 12a 曲线)，有利于地面的挖掘(图 12b)，铲斗倾斜时的角速度大，易于抖落砂土，但冲击较大。正转连杆机构又可分为正转单连杆(图 12a、b)和正转双连杆(图 12c、d)两种形式。单连杆机构的连杆数目少，结构简单，易于布置，一般也能较好地满足作业要求。缺点是铲起力变化曲线陡峭(图 12 曲线)；摇臂连杆的传动比较小，为提高传动比，需加长摇臂连杆的长度，给结构布置带来困难，并影响驾驶员的视野。双连杆机构的结构较复杂，转斗油缸也难于布置在动臂下方， 但摇臂连杆的传动比较大，因此摇臂连杆尺寸可以减小，驾驶员的视野较好，铲起力变化曲线平缓(图 12a 曲线)，适于利用铲斗及动臂复合铲掘的作业(图 12c)。缺点是提升动臂铲斗便后倾，因此，如保证动臂在最大卸载高度时，铲斗的后倾角适当，则动管在运输位置时，铲斗的后倾角较小，易造成铲斗内物料的撒落。 ZL30 装载机工作装置设计4图 12 常见工作装置结构形式正转连杆机构，因总体结构布置及动臂形状的不同而将转斗油缸布置在不同的位置上。如将转斗油缸布置在动臂上方(图 33b、d)，则在动臂提升时，转斗油缸轴线与动臂轴线不会交叉，因而这种布置便于实现动臂、摇臂连杆与转斗油缸的中心线布置在同一平面内，工作装置受力较好。缺点是当铲斗铲装物科时油缸的小腔工作，因而使铲斗油缸的缸径与重量增大。国产 zK410 装载机的工作装置就是采用这种正转双连杆机构。反转连杆机构的工作装置，当机构运动时，铲斗与摇臂的转动方向相反(图 1-3e)。其运动特点是，发出最大铲起力 P 时的铲斗转角 是正的，且铲起力变化曲线陡峭(图 12a 曲线)，因此，在提升铲斗肘的铲起力较大，适于装载矿石(图 12d)，不利于地面的挖掘；铲斗倾斜时的角速度小，卸料平缓，但难于抖落砂土；升降动臂时能基本保持铲斗平移，因此物料撒落少，易于实现铲斗自动放平(图 12e)；摇臂连杆的传动比较小。反转连杆机构多采用单连杆，双连杆机构布置较困难。反转连杆机构当铲斗位于运输位置时，连杆与动臂轴线相交，因此，难于布置在同一平面内。但由于这种型式结构简单，铲起力较大，所以中小型装载机采用较多。国产 zL50装载机的工作装置就是这种反转连杆机构(图 11b)。应当指出，正、反转连杆机构都是非平行四边形机构。因此，在动臂提升过程中，铲斗或多或少总要向后翻转一些。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。 ZL30 装载机工作装置设计52.2 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。但铲斗的装满系数要小于直线型斗刃的铲斗。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。 ZL30 装载机工作装置设计62.2.4 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 22)越大，铲掘时泥土的流动性越好，1R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 ，以防止铲掘物料所形成gBm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 是指铲斗的转铰中心 B 与切削刃之间的距离(图 24)。0R由于铲斗的回转半径 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 可按下式计0R算使用平装斗容计算公式 : 1（2- 1805.2cotsin)co(5.0 0010 bkzg pBVR ZL30 装载机工作装置设计71）式中 几何斗容量 ( 3)；PVmB。铲斗内侧宽度( )；铲斗斗底长度系数，通常g 5.14g一后斗壁长度系数，通常 ；z 2.z挡板高度系数，通常 ；k 0.k斗底和后斗壁直线间的圆弧半径系数，通常 ；b 40.35.b挡板与后斗壁问的夹角，通常 ；1 015斗底和后斗壁间的夹角，通常 ， (有推荐 )。0 0248065铲斗内侧宽度按下式 计算：1（210 2).0(abBw2） mm75式中 -铲斗侧壁切削刃的厚度 取1a m250.1b-轮距 b =1800mmbw-轮胎宽度 bw =375mm所以有：m gR156 18045.248cot.048sin9co13.05.027. 7. 0200 斗底长度 是指由铲斗切削刃到斗底与后斗壁交点的距离按下式 计算：gl 1（23）0Rlg1734后斗壁长度 是指出后斗壁上缘到与斗底相交点的距离按下式 计算：Z 1 ZL30 装载机工作装置设计8（24）mRlz4.13290z.挡板高度 按下式 计算：Kl1（25）004.RmlK15铲斗圆弧半径 按下式 计算：1（26）01Rbm4.62.铲斗与动臂铰销距斗底的高度按下式 计算：1（20)1.0(Rhb7） mb 4.102.).6.(0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0651削刃与挡板的夹角为 。因此取 =600，切削角 0=300。092.4 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确定(图 25)。对于装有挡板的铲斗可按下式 计算：（2baSBVp2038）根据有关计算有 ZL30 装载机工作装置设计9mlllNDCbBlaZgKgZK308.1cos275.1002铲斗横断面面积，如图 25 中所示阴影面积S铲斗内壁宽(m)，0Ba挡板高度(m)；b斗刃刃口与挡板最上部之间的距离(m)。 54321SS扇形 AGF 的面积直角 GFN2直角 GAC3SCGN4直角 CND5=0.246170211836FS2m=0.06724NG2 23 7.CA2522 24974.02135.168.096.11483.0mCNDSGPFmmPPS5431 .S ZL30 装载机工作装置设计102.4.2 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HV容可按下式 计算确定(图 25)3（29）30259.168mVcabBHp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)：由 M 点作直线 MN 与 CD 垂直，将 MN垂线向下延长，与斗刃刃口和挡板最下端之间的联机相交，此交点与料堆尖端之间的距离，即为物料堆积高度 c。物料堆积高度可按下式 计算：3（210）mcab4023.12铲斗斗容的误差率%47.61059.3. 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针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： 1.7 m 3额 定 载 重 量： 30 KN整 机 质 量： 90 t ZL30 装载机工作装置设计11轮 距： 1800 mm轴 距： 2600 mm轮 胎 规 格： 14.0024最大 卸载 高度： 2750 mm最小 卸载 距离： 1180 mm工作装置的结构设计包括：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针的要求，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 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。 ZL30 装载机工作装置设计123.3 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 G 的确定(1) 动臂与铲斗、摇臂、机架的三个铰接点 G、B、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 ZL30 装载机工作装置设计13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xOy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 。32)确定动臂与铲斗的铰接点 G 由于 G 点的 x 坐标值越小，转斗铲取力就越大，所以 G 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 坐标值增大时，y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 G 点与连杆铲斗铰接点 F 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 G 点与 Y 轴坐标值 和 x 轴坐标值 尽可能小myG350Gx而且不与斗底干涉的前提下，在坐标图上人为地把 G 点初步确定下来。3)确定动臂与机架的铰接点 A ZL30 装载机工作装置设计14(1) 以 G 点为圆心，使铲斗顺时针转动,使斗口与水平面平行，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 可按下式 计算：KR1（31）12wwdbHYR式中 轮胎动力半径， mm；d轮毂直径，mm； = 609.4mmwwd轮胎宽度， mm； = 355.5mmbb轮胎断面高度与宽度之比。取 1；wH/轮胎变形系数，取 0.1。则 625mmZY(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 IV，此时，G 点位置为 ，如图 3-2 所示。 G(5)连接 G 并作其垂直平分线因为 G 和 点同在以 A 点为圆心，动臂 AG 长 为半径的圆弧上，所以 点必在 G 的垂直平分在线。AA 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。2/13取 A 点与前轴心水平距离为 770mm 处，此时 A(3335,1791.4),此时动臂的转动半径即 AG 为 2713mm。3.4.1.5 确定动臂与摇臂的铰接点 BB 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 B 点在 AG 联机上方，其在 AG 联机上的投影点距 A 点 45%处。相对前轮胎，点在其外廓的左上部。通过作图，设计出点坐标为（1802,1334）3.4.2 连杆与铲斗和摇臂的两个铰接点 F、E 的确定因为 G、F 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 ZL30 装载机工作装置设计15铲斗相联的四杆机构 GFEB 的尺寸。 确定 F 、E 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。1)按单摇杆条件设计六杆机构，连杆与铲斗铰点 E 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 FE 的有效分力较大，以发挥比较大的掘起力。 （见图 33） 。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 B 布置在动臂两铰点的联机 AG 的中部偏上处。若令，GF=a，FE=b, BE=c, BG=d,又因为 GFEB 构成的 4 连杆机构中GF+BGFE+BE则 K= b/d+c/d-a/d1 （3-2）其中 d 由 BG 确定，取 d=1300mm初步设计时，式（3-2）中各值可按以下选取：K=0.9500.995a=(0.30.5)dc=(0.40.8)d所以得 k=0.98 a=600mm c=820mm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 B；将动臂由最低到最高位置时的转角045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 GF 的相应位置： 、 ，并使它们互相平行；然后画出铲斗在1FG2iF最大卸载高度时的卸载位置。假设铲斗在最大卸载高度卸载时摇臂和连杆 FE 处在极端位置，即铰接点 F、E、B 位于同一条直线上，则连杆 FE 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cBFi、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iC各点得一曲线，过 点作此曲线的内包圆弧 ，则圆弧的圆心 o 即为与车架iCiCN ZL30 装载机工作装置设计16的交接点，圆弧 的半径 0 既为转斗油缸的最小安装尺寸 。NiCminR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 o 为圆心，过 点做此曲线的外包圆弧 ，i iCN圆弧 N 的半径 o ，即为转斗油缸的最大安装距离 ，转斗油缸的行程 ，i maxRxl按下式 计算：1（33）minaxRlx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xl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。xl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 ZL30 装载机工作装置设计17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 AG 联线附近或上方，并取 。AH 不可能取得太大，它还受到油缸2/AGH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 )Mh和 H 点向 G 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。 ZL30 装载机工作装置设计18图 34 动臂油缸铰接点的确定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联机之上，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。 ZL30 装载机工作装置设计19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Hl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 按下式 计算：l4（34）mHLlinax式中 动臂油缸的最大安装距离仍ma MH动臂油缸的最小安装距离 MH。inAG= 2713 mm AH 取 1440 mm最小离地间隙一般 mhmh1305,350此 处 取图 36 动臂油缸的铰接位置作图知道 ZL30 装载机工作装置设计20图 37 动臂油缸行程的设计油缸最大长度 1813 mm ，最小长度 1200 mm ，51.minaxh符合设计要求。动臂举升油缸行程：613mm3.5.3 确定转斗油缸行程由于装载机要求在最低位置举升到最高位置时的任意位置都能卸载，卸载角不能小于 ，所以转斗油缸的行程必须满足。45把最低与最高位置之间分为 6 份，每个位置画出卸载角为 时的铲斗，根据连45杆之间的长度和角度关系，可以得出任意位置的转斗油缸长度，其中最小值即为转斗油缸的最小安装距离。 转斗油缸的最小安装距离：976mm转斗油缸的最大伸长：1429mm转斗油缸行程：453 mm ZL30 装载机工作装置设计21图 3-10 转斗油缸行程与铰接点的作用图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xhxl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maxhminl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xl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，则应该满足下式 要求：4（3 5）maxhminl在轨迹图中测量出： x 27502750axll1818min所以满足 和 的要求。maxhin ZL30 装载机工作装置设计224.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 41)作为计算位置，05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