DCY3铲运机工作装置设计（全套CAD图+设计说明书）
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铲运机
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DCY3铲运机工作装置设计
摘要
DCY3铲运机的工作装置设计的合理性直接影响整机的性能，对提高效率及其自动化程度具有重要的意义。分析了国内外铲运机的发展现状及发展趋势，指出了国内相对落后的地方，同时详细介绍了铲运机工作装置的组成及重要性。
用Pro/Engineer软件，结合二维图纸，实现了铲运机工作装置的实体建模、装配，在三维模型中，更加清晰地了解了铲运机工作装置的布局、连接，并对其进行了性能分析。
本次设计是通过计算得出各个结构相应尺寸和查阅国内外资料确定结构类型，通过Pro/ENGINEER动态仿真模块，对铲运机工作装置进行动态仿真，将其工作过程分为插入、铲掘、举升、卸载和自动放平五个工况，并详细分析了工作装置各个工况中，构件的动作情况及相关的运动参数。
关键词：铲运机；工作装置；仿真
- 内容简介：
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大 学 毕业设计任务书 学 院 、 系 ： 机械工程与自动化学院 专 业 ： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 学 号： 设 计 题 目 ： 铲运机工作装置设计 起 迄 日 期 : 指 导 教 师 : 系 主 任 : 发任务书日期 :年月 21日 毕 业 设 计 任 务 书 1毕业设计的任务和要求： 根据所提供铲运机资料，建立其工作装置的参数化实体模型，装配成机构，并对机构进行运动学仿真研究。根据动态仿真分析结果，分析工作装 置的特点和机构性能参数 ，对工作装置做改进设计并验证、分析改进后的结果 。 2毕业设计的具体工作内容： 1. 了解本课题的背景和设计要求。 2. 熟悉所选择铲运机工作机构的结构特点及工作原理（文献资料综述） 3. 结合工程图纸用 件实体建模，具体应用软件由实际情况决定。 4. 对铲运机的工作装置动态仿真分析。 5. 获取并分析工作装置的机构性能参数 。 6. 根据 分析结果 完成 工作装置的改进设计 。 7. 完成设计说明书及相应的 设计 图纸。 8. 翻译 与课题相关 外文资料 。 毕 业 设 计 任 务 书 3对毕业设计成果的要求： 1 铲运机工作装置的三维模型建立。 2 工作机构动态仿真并获取分析数据。 3 分析数据，得出改进后设计图纸 4 外文资料翻译 。 5 设计说明书。 4毕业设计工作进度计划： 起 迄 日 期 工 作 内 容 2011 年 2 月 21 日 3 月 12 日 3 月 13 日 4 月 16 日 4 月 17 日 5 月 17 日 5月 18日 6 月 01日 6 月 02 日 6 月 22 日 开题报告 查阅资料、进行设计构思、工作装置方案的选取 进行设计、 进行图纸的绘制 编写毕业设计说明书 论文答辩 学生所在系 审查意见： 系主任： 年 月 日 铲运机英文资料文献 I. of to of co be of of is to of a of a is to be on a to be to a to a to of a by as of be of to an of a in be of be of a at a to an HD in is of HD to it as as by it be my or to be to to be an HD an of be by is to to it to to be to be to do of to it or of HD be to it of be by a to at a to an HD to a it is to to an HD is in to a of is to s of to or . is HD to as as be to as as of HD as in or on no up of an by a to P 2004,he of a or of of to . A a be in to be to of 001) a as is a of be a of or an no or of 997, of is no to be to of HD is be in at HD is in a is HD at in a is to of is in to is of to to is as is on is to et 2000). A is in of of to it a to is is HD an is of to of is of to is is in of be in of of at it to is of a A is to a is in of at is be by an of to is is to be as as be a is to et 2000). An is he is a to a of to an be to is is of HD at a a is of an of in a It of it is of is a a an of of is or by on of To a of it is to a at in As 2003), a is be a to of a of of to be a on to be to 1. 文献 在本论文中，控制系统及其在现有机器上的实施领域将审议并最终执行。本章将概述和讨论研究的目的 ,方法和普遍概况 ,和控制系统的建设与设计。 这个项目的目的是为地下铲运机的机动性探讨适当的控制策略。进一步的研究工作将展开尤其是远程操作系统和完全自动化控制系统，调查在一个铲运机上实施这样一个系统需要什么。由于远程业务系统要求使用照相机，自动系统也将利用此工具，将机器视觉作为指导系统。这个项目的核心将是这两个控制系统在一个现有规模的铲运机模型上的实施。 下面的步骤是在本项目将采取的方式。所有步骤将在专业工程师监督协助指导下进行，并由他们提供一些技术资料和意见。相关文献于以下方面： 一个典型的铲运机的主要特征，以及他们需要做什么。 自动化的实施。自动化可以实现什么？自动铲运机对采矿业意味着什么？ 这两个控制策略：远程操作和自动化系统 施这些系统时将用到哪些设备和任务？这是来源于检索数据库，图书馆和其他公共信息。 分析已经建成的铲运机模型来查明铲运机是如何操作的，如机械 ，电气和控制功能。这些资料是靠对它做试验和测试它的边界收集到的。下面可确定： 是否现有的机械特性，电路和编程适合我的项目。 哪些设备，部件或编程需要重新设计才能实现机器的远程操作和自动化。 模 回顾一下适当的铲运机建模技术，为机器的控制选择适当的状态变量并得出一个代数方程。这项工作通过研究不同的建模方法来实施，其资源来自数据库，图书馆和以往工程相关研究。使用模拟技术测试，并核实该机器直到它能够依照各种输入来采取行动。这种模拟将采用微软的 序设计 为铲运机构建通讯方案用来运行远程操作和自动化。这个程序也被 将包括以下所有功能： 从装置接收视觉信号并发送到计算机。 指示机器应该朝什么方向走（最远距离操作），或者检测隧道的墙壁和相应地移动（自动化） 最后，铲运机将被检验，以确保它能在两种控制策略下正常运行。这项测试将铲运机放入一个模拟隧道中通过其演习行走而不遇到任何碰撞。 本章介绍了手头的项目，实施远程操作和自动化控制系 统，一个已经建成铲运机模型。 2. 地下铲运机 本章文献，为广泛使用的铲运机建立一个合适的控制策略。经过对这个项目的研究和有关背景资料的收集，则可能实施以一个实际的模型铲运机为单位的策略。 铲运机广泛用于矿山井下这个领域，执行多种任务。尽管他们的主要作用是往返和运输矿物于挖掘点和倾倒点之间，像托运卡车。 地下开采的环境是极其危险的地方，有些铲运机事故会造成那些机器操者以及其他采矿人员的重伤，严重的会死亡。这些车辆必须能够穿过狭窄蜿蜒的隧道，隧道里温度很高， 很脏，有很多灰尘，以及抵御和隧道壁的偶尔相撞偶尔。 . 典型铲运机，如图 示，用柴油或电力发动，支撑在四个实心橡胶轮胎上，没有间隙。它们是由一个铰接式机体组成，由一个主销栓连接两个部分。这种铰接式格局使用两个液压系统，为机器在曲折狭窄的隧道中转向提供良好的督导。该机器的两节都有一个装有不可操纵轮的轴，前面部分包铲斗或铲头，和后面的部分包含引擎。机器的外形必须符合它们工作的巷道，这意味着机器的外形较长，较宽，较矮。 一个控制系统安装到铲运机上是理想的，由于其工作在危险的 煤矿环境中。但这是非常困难的，由于粗糙的，不可预知的环境。斯滕茨声称半自动化系统将促进生产力，如增加产量，降低运营成本，提高了安全性。在铲运机上有许多不同的控制策略可以实施。这些当中有两个主要的类别，分别是基础设施辅助和独立的整车战略，没有对基础设施或隧道修改上的要求。独立控制车辆的优势，是不需要对铲运机工作的隧道作出任何改变，车辆可以用在任何时候运行在任何矿井。对铲运机的四个主要控制策略做了分析和比较，分别是人工操作，远程控制，远程操作和全自动化。 手动操作是当前用于采矿业 最常见的手段，坐在封闭仓内的司机可以随时定位。机舱的位置于运行方向垂直，用来观察该车辆前进和后退的方向。这种操作方法的主要缺点是关系到司机的安全，驾驶疲劳和基本人为错误。与远程控制和远程操作的方法相比，该方法的优势是该机器可以更快在隧道 行走， 远程控制车辆是指操作者远离了机器，但该机器仍然在他的视线范围内，通过一个遥控话筒来控制机器。该系统的优势，这是操作者位于远离及时危险的地方，而不是直接在铲运机上操作。虽然这么说，但仍然存在伤害和意外事故的风险，因为铲运机要在视线范围内运作 ，还事关司机的驾驶疲劳和人为错误。该系统的缺点是，操作者没有在机舱操作，而铲运机在工作过程中必须一直在他们的视线范围内，这要求他们在操作过程中要一直站着。因此仍然有受伤的风险，也关系到司机疲劳损伤和人为错误。 遥操作控制系统是一个类似远程控制的系统，其中操作者在铲运机工作室完全掌控它，但二者之间有一段很长的距离。舒适的在地面通过操作界面来控制车辆。这个接口由两个基本组成部分：视觉系统和控制面板。主要缺点是，这种系统控制的车辆不能像有司机在车上操作运行时行走的那么快。这是 由于有远程感官知觉的局限（罗伯特等人。 2000年）。 自动化系统是指操作者仍位于地面，但他担任着一个监督该系统的角色，因此他们依然远离危险。有很多方法可以实现自动化系统，最常用的包括机器视觉，传感器和接收器和全球定位系统，将来也会用到这些。该控制系统的主要优点是，由于车辆转在整个地下隧道中有能力自主监督，铲运机可以以更快的速度运行，因而提高生产力的同时还保持一个安全的环境。 机器视觉是靠获取影像和对它进行处理，然后破译图像中的信息达到对机器控制 的目的。它使用所控制的系统中的数码相机，图像处理软件和有关数字通信设备。任意规格的机器视觉系统的主要特征是数码相机的接口方案，其中一个相机捕捉到图像并把该图像转换为数字序列。这个序列代表图像的像素，然后在系统运行时用电脑操作和分析这个图像。 要成功的设计一个任意类型的车辆控制系统，有必要拥有一个能在任意时间内描述车辆位置，方向和其他重要的车辆参数的模型。正如里德利和科克所说，对一个铲运机来说，基本运动模型是最合适的车辆造型方式，尽管这是一项艰巨的任务，因为其独特的铰接式结构。 论 本章回顾文献，并建立了对铲运机明确的看法，并在建模和控制策略的实施上做一个简短的总结。 大学 *届毕业设计说明书 第 1 页 共 2 页 运机工作装置设计 摘要 运机的工作装置设计的合理性直接影响整机的性能，对提高效率及其自动化程度具有重要的意义。 分析了国内外铲运机的发展现状及发展趋势，指出了国内相对落后的地方，同时详细介绍了铲运机工作装置的组成及重要性。 用 件，结合二维图纸，实现了铲运机工作装置的实体建模、装配，在三维模型中， 更加清晰地了解了铲运机工作装置的布局、连接，并对其进行了性能 分析。 本次设计是通过计算得出各个结构相应尺寸和查阅国内外资料确定结构类型，通过 态仿真 模块，对铲运机工作装置进行动态仿真，将其工作过程分为插入、铲掘、举升、卸载和自动放平五个工况，并 详细分析了工作装置各个工况中，构件的动作情况及相关的运动参数 。 关键词：铲运机；工作装置；仿真 大学 *届毕业设计说明书 第 2 页 共 2 页 to of of of of of of to a in a of of of is by of to to of be of of of 毕业设计说明书 运机工作装置设计 学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 年 6 月 大学 *届毕业设计说明书 第 I 页 共页 目 录 . 1 运机的综 述 . 1 、内外地下铲运机的发展和研究状况 . 2 运机国外发展历程 . 2 运机国内发展历程 . 4 铲运机的工作装置 . 5 运机的工作组成及其性能 . 5 2 铲运机工作装置分析 . 10 斗的基本组成方式 . 10 斗的分类 . 12 斗的设计 . 13 2 4 动臂的设计 . 18 杆的设计 . 19 运机工作装置与动臂铰接点位置的确定 . 21 运机工作装置部件相关物理量 . 22 2 8 铲运机六连杆机构的分析 . 23 杆四杆机构的分析 . 24 杆四杆机构的分析 . 26 个四连杆机构极限状态分析 . 27 运机工作装置的数据计算结果 . 30 3 工作装置的三维建模 . 32 4 铲运机工作装置仿真 . 34 铲运机工况分析 . 34 铲斗举料时平动性分析 . 错误 !未定义书签。 铲运机卸载情况分析 . 35 铲运机的自动放平性分析 . 36 5 总结 . 39 参 考 文 献 . 40 大学 *届毕业设计说明书 第 共页 致谢 . 41 大学 *届毕业设计说明书 第 1 页 共 41 页 运机的综述 “地下铲运机”一词是参考英文“ (即装一运一卸设备演绎而来。地下铲运机是以柴油机或以电动机为原动机、液压或液力 接式车架、轮胎行走、前端前卸式铲斗的装载、运输或卸载设备。主要用于地下矿山和隧道工程。它与地面或露天矿使用的装载机有许多相似之处，其主要区别是地下铲运机机身低矮、驾驶室横向布置、采用光面或半光面地下耐用切割工程轮胎且以柴油机为原动机的铲运机还装有柴油尾气净化装置。 图 按动力源来分，地下铲运机可分为以柴油机为动力的内燃铲运机和以电动机 为动力的电动铲运机。 按斗容来分，大致可分为 : 小型铲运机 :斗容量 中型铲运机 :斗容量 2立方米到 4立方米的铲运机 ; 大型铲运机 :斗容量 4立方米以上的铲运机。 1 大学 *届毕业设计说明书 第 2 页 共 41 页 、内外地下铲 运机的发展和研究状况 20世纪六十年代以来，世界采矿业的国际竞争日益加剧，各发达国家纷纷将现今的露天矿开采技术运用到地下矿生产中，使地下矿劳动生产率成倍甚至十几倍的提高，矿石成本大幅度下降。从而出现了所谓的“地下露天采矿” (其特点主要表现在 :地下开拓运输为地下公路 (斜坡道 )开拓、高阶段开采和地下破碎 ;地下菜矿方法为大孔和深孔凿岩、空场和大采场采矿、阶段出矿的大规模地下采矿 ;地下采掘设备为无轨化、大型化、液压化、节能化和自动化。地下铲运机就是在这种背景下，由 露天矿前端式装载机演变发展起来的一种新型高效地下无轨装运卸设备。 运机国外发展历程 地下铲运机是 20世纪 60年代发展起来的一种高效、灵活、机动，集铲、运、卸于一体的地下无轨矿山主要装运设备。随着地下采矿设备无轨化的迅速发展，地下铲运机因机动灵活、作业效率高、生产费用低，已成为矿山主要的地下装运设备，直接反映地下矿山的开采水平。它对加快矿山建设速度、扩大开采规模、提高劳动生产率和矿山经济效益，都具有重要作用 ,世界采矿业的国际竞争日益加剧，各发达国家纷纷将先进的露天矿开采技术运用到地下矿生产中，使 地下矿劳动生产率成倍甚至十几倍的提高，矿石成本大幅度下降。从而出现了所谓的“地下露天采矿”(其特点主要表现在 :地下开拓运输为地下公路 (斜坡道 )开拓、高阶段开采和地下破碎 ;地下采矿方法为大孔和深孔凿岩、空场和大采场采矿、阶段出矿的大规模地下采矿 ;地下采掘设备为无轨化、大型化、液压化、节能化和自动化。地下铲运机就是在这种背景下，由露天矿前端式装载机演变发展起来的一种新型高效地下无轨装运卸设备。国外发达国家地下铲运机发展的总体特点是 :基础好、起步早、发展全面、技术 成熟。 其发展大致经历了如下几个阶段 : (l)初始研发阶段 (60年代初 ) 1963年美国瓦格纳 (司在 下铲运机得到了迅速的发展，相应地也加速了地下矿山无轨凿岩、运输、装药、喷锚支护、手撬及辅助作业设备的发展，从而形成了以地下铲运机为主体的无轨化采矿技术。 大学 *届毕业设计说明书 第 3 页 共 41 页 (2)发展和推广的年代 (20世纪 60年代到 70年代 ) 在地下矿山的苛刻作业环境中，由于铲运机具有高效、灵活、机动、多用和生产费用低等突出优点，随着无轨化采矿技术的推广，而得到了广泛的应用 。进入 20世纪 70年代，国外地下铲运机技术已渐趋成熟，形成了系列化产品。但是当时铲运机几乎都是柴油机驱动的内燃铲运机，与以往的有轨或风动轮胎式铲运机相比，虽然具有无可置疑的优越性，但柴油机所排出的废气、烟雾、热辐射及噪音却严重地污染了地下矿山的作业环境。为了解决内燃铲运机排气污染问题，早在 60年代人们就开始探索电动铲运机的可行性问题。 1972年，加拿大贾维斯克拉克 (司研制成第一台 1973年月 1月在多姆 (矿试验成功。 (3)迅速发展和技术 进步的年代 (20世纪 80年代到 90年代 ) 80年代，由于世界矿业不景气，矿山机械产品的市场竞争更趋激烈。许多采矿与工程设备制造公司进行了兼并或联合，优化资源组合，以增强市场竞争力。其中的一个典型的例子就是 :美国瓦格纳 (司并入瑞典阿特拉斯柯普柯(司。这一段时期的主要技术成果可归纳如下 : 1)电动铲运机取得突破性进展 ; 2)向大型化发展的同时，也向窄机身、微型化方向发展 ; 3)动力机出现了重大的变革 ; 4)多用化、组合化 ; 5)变速箱采用电 /液换挡和电子控制技术 ; 6)驱动桥采用防滑差速器、全封闭湿式多盘制动器和光面耐切割轮胎 : 7)液压系统不断完善提高 ; 8)注重环保和安全 ; 9)发展遥控铲运机 (视距遥控 ); 10)重视和发展自动化技术。 (4)成熟发展阶段 目前，己进入 21世纪第四年，国外地下铲运机在经历了将近 40年的发展和技术进步之后，已经进入成熟发展阶段。据 90年代初统计，世界铲运机拥有量超过 15000台。 10年之后，目前的世界铲运机拥有量应该更多。在经历了激烈竞争和兼并、联大学 *届毕业设计说明书 第 4 页 共 41 页 合等变动之后，目前世界铲运机主要生产厂家有 : 1)山特维克汤姆洛克 (司 ; 2)阿特拉斯科普科瓦格纳 (司 ; 3) 4)法德洛玛 (司 (原 ; 5)绍普夫 (司 ;2 运机国内发展历程 我国地下矿山使用铲运机始于 1975年，由寿王坟铜矿使用从波兰引进的地下内燃铲运机开始。由于它显示出的优越性，很快在全国许多矿山推广，揭开了我国矿山无轨化开采发展的序幕。经历了近 30年的发展，目前我国已有 60多个冶金、有色金属、黄金和化工矿山使用地下铲运机，拥有 60多种型号的铲运机约 1000台，其中以柴油机为动力源约占 70%，居主导地位。在约 1000台铲运机中，从国外进口的 500余台，国产铲运机近 500台。我国自行研制地下铲运机始于 70年代中期，由长沙矿山研究院分别与厦门工程机械厂和柳州工程机械厂 (天津工程机械研究所 )合作，在型研制成功了 后，从 70年代后期到 90年代初，在对引进的铲运机进行消化，对国外铲运机核心技术深入理解和掌握的基础上，长沙矿山研究院、北京矿冶研究总院、马鞍山矿山 研究院、南昌矿山研究所等院所与国内制造厂家合作，先后研制了斗容 0余种型号 (包括中外合作生产的型号 )。其中，国内研制的机型大多数通过鉴定，中外合作生产的机型均已通过验收，但批量在 5台以上，并在矿山生产中得到连续使用的，只有为数不多的几种类型。 90年代中期以来，为了填补国产大中型铲运机几乎是空白的局面，有关单位又研制生产了一批具有 90年代国外铲运机水平的大中型铲运机。这种铲运机的共同特点是 :采用依茨风冷低污染柴油机、克拉克液力机械传动装置、全封闭湿式多盘制动器， 作装置液压系统采用双泵合流、先导控制等技术。设计中广泛采用国地下铲运机技术经过近 30年的发展，已经日趋成熟，日益与世界同步，接近或达到世界当代水平。 国内铲运机研究情况如下： (l)在柴油机尾气净化方面进行了大量实验研究工作，取得了显著成效 ; 大学 *届毕业设计说明书 第 5 页 共 41 页 (2)成功进行了电动铲运机的研制，形成了系列产品 ; (3)遥控铲运机的研制与使用 ; (4)矿用耐用轮胎的研制和全面推广 ; (5)研制和检测手段日臻完善，接近世界水平 ; (6)地下铲运机的生产逐步形成系列化、专业化及通用化。 3 铲运机的工作装置 运机的工作组成及其性能 工作装置是铲运机工作的关键部件 ,铲运机的工作装置是由多杆组成的复杂运动机构。工作装置的组成：大臂、举升缸、转斗缸、小臂、连杆、铲斗组成，地下铲运机是一种装运卸一体化的自行式设备，它的工作过程均可以反映在工作装置上，而工作装置的各种工况由举升油缸和转斗油缸的长度共同决定，它的工作过程由五种工况组成 :4 (l)插入工况 :动臂下放，铲斗放置于地面，斗尖触地，斗底与地面呈 3至 5倾角，开动地下铲运机，铲斗借助机器的牵引力插入料堆。 (2)铲装工况 :铲斗插入料堆后，转动铲斗铲取物料，待铲斗口翻至近似水平为止。 (3)举升工况 :收斗后，利用举升油缸使动臂转动到适当的卸载位置。 (4)卸载工况 :在卸载点，利用转斗油缸使铲斗翻转，向溜井料仓或运输车辆卸载，铲斗物料卸净后下放动臂，使铲斗恢复至运输位置。 (5)自动放平工况 :铲斗在最高举升位置 45卸载后，保持转斗油缸长度不变，将动臂放至铲掘位置时，斗底与地平面的后角为 3到 5。 工作装置的合理性直接影响铲运机的生产效率、工作负荷、动力与运动特性、工作循环时间、外形尺寸、和发动机功率等，不同的类型装 置其组成不同，工作装置的设计的合理与否，性能直接影工作效率和工作质量，其性能主要体现在如下几方面： (1)传动性 为了保证工作机构传动性能良好，防止机构锁死，要求机构运动过程中各传动角在大于 10小于 170。 （ 2）平移性和卸料性分析 平移性 :动臂提升过程中为避免铲斗中的物料撒落，大学 *届毕业设计说明书 第 6 页 共 41 页 要求铲斗近似平动。卸料性 :保证能卸净铲斗中的物料，在转斗液压缸的作用下，应保证铲斗的卸料角大于 45。 （ 3）最大卸载高度和最大卸载距离 最大卸载高度 :测量铲斗切削刃垂直方向和水平方向的运动轨迹。最大卸载距离 :相对铲运机 的轮胎的距离。 （ 4）铲斗自动放平性 使铲斗从高位卸载状态下落到插入状态，期间保持转斗液压缸长度不变，测量铲斗地面与水平间夹角的变化 ,即可得到铲斗自动放平行。运机的工作机构类型 综合国内、外露天装载机及地下铲运机转斗连杆机构的形式，主要有 7种类型的连杆机构，按构件数不同，可分为三杆、四杆、五杆、六杆和八杆转斗连杆机构。按输入和输出杆的转向是否相同又分为正转和反转连杆转斗机构。 (1)正转八杆机构 正转八杆机构如图 机构在转斗油缸大腔进油时转斗铲取，所以掘起力较大；各构件尺寸配置合理 时，铲斗具有较好的举升平动性能；连杆系统传动比较大，铲斗能获得较大的卸载角和卸载速度，因此卸载干净，速度快；正转八杆机构的主要缺点是机构复杂，不易实现铲斗自动放平。 图 (2)转斗油缸前置式正转六杆机构 转斗油缸前置式正转六杆机构见图 其优点是转斗缸直接与摇臂相连接，该工作机构由两个平行四杆机构组成 ，铲斗平移性较好 。 结构简单，司机视野较好。缺点是转斗时油缸小腔进油，铲掘力相对较小；连杆机构传力比小，使得转斗缸活塞行程较大，转斗缸加长；由于转斗缸前置，使得工作装置的整体重心外移，增 大了工作装置的前悬量，影响整机的稳定性和行驶时的平稳性；铲斗不易实现自动放平。 大学 *届毕业设计说明书 第 7 页 共 41 页 图 斗油缸前置式正转六杆机构 （ 3）转斗油缸后置式正转六杆机构 转斗油缸后置式正转六杆机构见图 种机构 与转斗缸前置式相比，机构前悬较小，传动比较大，活塞行程较短；有可能将动臂、转斗缸、摇臂和连杆机构的中心线设计在同一平面内，从而简化了结构，改善了动臂和铰销的受力状态。缺点是：转斗缸与车架的铰接点位置较高，影响了司机的视野 ；转斗时油缸小腔进油，掘起力相对较小。 图 斗油缸后置式正转六杆机构 （ 4）转 斗油缸后置式反转六杆机构 转斗油缸后置式反转六杆机构见图 种机构有如下优点：转斗油缸大腔进油时转斗，并且连杆系统的倍力系数能设计成较大值，所以获得较大的掘起力；恰当地选择各构件尺寸，不仅能得到良好的铲斗平动性能，而且可以实现铲斗的自动放平；结构紧凑，前悬小，司机视野好。缺点是摇臂和连杆布置在铲斗与前桥之间的狭窄空间，容易发生构件相互干涉。 大学 *届毕业设计说明书 第 8 页 共 41 页 图 转斗油缸后置式反转六杆机构 （ 5）正转四杆机构 正转四杆机构见图 该机构结构最为简单，易于设计成铲斗举升平动；前悬较小。缺点是铲掘转斗时 油缸小腔作用，输出力较小；连杆机构的传力比难以设计成较大值，所以铲掘力相对较小；转斗 油 缸行程较大，油缸结构较长；铲斗卸载时，活塞杆易与铲斗底部相碰，减小了卸载角；机构不易实现铲斗自动放平。 图 正转四杆机构 （ 6）正转五杆机构 正转五杆机构见图 克服正转四杆机构卸载时活塞杆易于斗底相碰的缺点，在活塞杆与铲斗之间增加一根短连杆，从而使正转四杆机构变成正转五杆机构。其缺点正如正转四杆机构。 大学 *届毕业设计说明书 第 9 页 共 41 页 图 正转五杆机构 （ 7）动臂可伸缩式三杆机构 这种机构的插入工况是靠动笔伸出实现的，它解 决了靠机器行走插入易使轮胎磨损严重的问题；卸载时可伸出动臂，以获得较大的卸载高度和卸载距离；而运输工况可缩回动臂，以减小前悬。缺点是既不能实现铲斗平动，又不能实现铲斗自动放平，结构也比较复杂。 铲运机包括车轮、牵引梁、液压装置、带铲土机构的铲斗、车架和车架升降调整机构。其工作机构由两大部分组成：动臂升降机构和转斗机构。举升机构主要由动臂举升油缸和动臂构成。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设计要求；在动力学方面，主要是在满足挖掘力、举升力和生产率要求 的前提下，使转斗油缸和举升油缸的所需输出力及功率尽量减小。转斗机构由转斗油缸、摇臂、连杆、铲斗、动臂和机架 6 个构件组成。实际上，它是由两个反转四杆机构串联而成。当举升动臂时，若假设动臂为固定杆，则可把机架视为输入杆，把铲斗看成输出杆，由于机架和铲斗转向相反，所以把机构称作反转六杆机构。 反转六杆工作机构优点较多，能比较理想地满足铲 卸作业要求，所以它在露天装载机和地下铲运机上都得到了广泛的应用。 通过计算各个连杆的长度，可以实现比较精确的运动传递。 综上分析，反转六杆工作机构优点较多，能比较理想的满足铲、 装、卸作业要求，所以它得到了广泛运用。所以如前所述，在本次设计中，也将采用反转六连杆机构 。 5 大学 *届毕业设计说明书 第 10 页 共 41 页 2 铲运机工作装置分析 铲运机工作装置的主要部分为六杆机构，如下图所示为铲运机的主要工作装置，该装置的自由度为 2，所以只要确定铲斗的位置角和动臂的位置角就可以确定工作装置的运动状态或位置。根据模型明确各个部件的名称及其作用，在对其工作状态进行分析，了解铲运机整个的工作过程。 6 图 铲运机的工作装置模型 1）铲斗； 2）小臂； 3）连杆； 4）摇臂； 5）大臂。 斗的基本组成方式 铲斗断面形状一 般为“ U”形，用钢板焊接而成，常见的铲斗结构如图 1 (a)直线形斗刃铲斗 (b)V 形斗刃铲斗 (c)直线形带齿铲斗 (d)弧形带齿铲斗 图 铲斗由斗底、侧壁、斗刃及后壁等部分组成。如图 大学 *届毕业设计说明书 第 11 页 共 41 页 图 (1)斗体的形状 铲斗的斗体基本可分成 “ 浅底 ” 和 “ 深底 ” 两种类型。在斗容量相同情况下 ，前者开口尺寸较大，斗底深度较小，即斗前壁较短，而后者则正好相反。 浅底铲斗插入料堆的深度小，相应的插入阻力也小，容易装满 ，但运输行驶时容易撒料；由于前悬增大，影响车辆行驶平稳性。而深底铲斗则恰恰相反。根据 设计 要求，此装载机工作装置主要进行定点或短距离装载，所以选用浅底铲斗。斗体采用低碳、耐磨、高强度钢板焊接制成。 7 (2)切削刃的形状 根据装载物料的不同，切削刃有直线型 见图 2.2(a)和非直线型 见图2.2(b)、 2.2(c)、 2.2(d)。前者形式简单，有利于铲平地面，但铲装阻力大。后者有 入阻力较小，容易插入物料，并有利于减少偏载插入，但铲装系数小。 根据设计任务书要求，此工作装置需进行铲平工作， 且工作条件相对良好，所以选用直线型切削刃。斗刃材质采用既耐磨又耐冲击的中锰合金钢材料侧削刃和加强角板都用高强度耐磨钢材料制成。 (3)斗齿 铲斗斗刃 上可以有斗齿也可以没有斗齿，若斗刃上装有斗齿 时 ，斗齿将先于切削刃插人料堆，由于它 比压大 (单位长度插入力大 )，所以比带齿的切削刃易于插入料堆，插人阻力能减小 20%左右，特别是对料堆比较密实、大块较多的情况，效果尤为显著。 大学 *届毕业设计说明书 第 12 页 共 41 页 斗齿结构分整体式和分体式两种，此铲斗的斗齿工作条件相对良好，磨损较轻，所以采用用高锰钢制成的整体式，直接焊接固定在铲斗斗刃上。 斗齿的形状和 间距对切削阻力是有影响的。一般中型装载机铲斗的斗齿间距为250至 300毫米之间。 (4)铲斗侧刃 因为侧刃参与插入工作，为减小插入阻力，侧壁前刃应与应与斗前壁成锐角，弧线或折线侧刃铲斗的插入阻力比直线侧刃要小。为了不使斗容减小太多，将侧壁刃口设计成折线。 (5)斗底 斗前壁与与斗后壁用圆弧连接，构成弧形斗底。 为了使物料在斗中有很好的流动性，斗底圆弧半径不宜太小，前后壁夹角 (铲斗开口角或张开角 )不应小于物料与钢板的摩擦角的 2倍，以免卡住大块物料。 斗的分类 铲斗按卸载方式一般可分为整体前卸式、侧卸式 、推卸式和底卸式等数种。 (1)整体前卸式铲斗 图 的突出优点就是结构简单，工作可靠，有效装载容积大，但需要较大的卸载角才能将物料卸净。 图 整体前卸式铲斗卸载工况 (2)侧卸式铲斗 侧卸式铲斗如整体式一样，可以往机器前方卸料。当如果需要往机器一侧卸料时，可以拔去一个侧销，通过转斗油缸动作来卸料。这种铲斗因为没有侧板，插入大学 *届毕业设计说明书 第 13 页 共 41 页 阻力小，装载效率高，特别是在装载机用于填沟或在狭窄场地往侧旁的运输设备进行装载作业时，其优点就更加显著了。 (3)推卸式铲斗 推卸式铲斗可以用来 弥补整体式铲斗卸载高度的不足，在装载机其他尺寸参数相同的时候，能够显著地提高卸载高度和增加卸载距离。 (4)底卸式铲斗 底卸式铲斗是用动力打开斗底卸载，同推卸式铲斗一样可以提高卸载高度，但结构也比较复杂。 8 斗的设计 (1)铲斗的断面形状 铲斗的断面形状由铲斗圆弧半径 r、底壁长 l 、后壁高 四个参数确定，如图 示 。 图 圆弧半径 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 的开口较大时，不易 装 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。 后壁 底壁 长 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。 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，缩短作业时问，但这会减小斗容。根据任务书 要求以大学 *届毕业设计说明书 第 14 页 共 41 页 及老师建议 ，可选择大些 。 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。 铲斗的宽度应大于两前轮外侧间的宽度，每侧要宽出 50 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。 (2)铲斗基本参数的确定 设计时，把铲斗的回转半径 R(即铲斗与动臂铰接点至切削刃之间的距离 )作为基本参数，铲斗的其他参数则作为 见图 它的大小不仅直接影响铲斗底壁的长度，而且还 直接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可按下式计算。 图 铲斗参考尺寸 ) 1801(s i n)c 00201 c t (式中 铲斗的额定容量， m； 错误 !未找到引用源。 铲斗的内侧宽度， m； g 铲斗的斗底长度系数， g= z 后壁的长度系数 ， z= 大学 *届毕业设计说明书 第 15 页 共 41 页 k 挡板的高度系数 ， k=误 !未找到引用源。 r 圆弧的半径系数 ， r=错误 !未找到引用源。 = 张开角 ,为 45 52 ； 1 挡板与后壁间的夹角，选择 1 时应使侧壁切削刃与挡板的夹角为 90。 在设计当中，铲斗的额定容量由设计任务书给出 m。铲斗的内侧宽度 错误 !未找到引用源。 =b+错误 !未找到引用源。 +(2a (m) (式中 轮距， m； m； m。 查阅资料，得 b=未找到引用源。 =a=关于(取 误 !未找到引用源。 = 设计参数的选择，借助经验获取， g=z=k=r= =48， 1=13。 通过上述 参数的选择，带入 (中，得到 R= (3)铲斗截面各边尺寸计算 斗底长度： g= (斗后壁长度： z= (挡板高度： k= (斗底圆弧半径： r= (铲斗容量是装载机的总体参数之一，铲斗的斗容量已经系列化，其计算也以标准化。 (1)铲斗容量计算 设计铲斗的额定容量： 2 22 00 23 8 6r bB B a b a c (m) (S 铲斗平装容量横截面 ， 错误 !未找到引用源。 ； a 挡板高度， m； b 铲斗开口长， m； c 堆积高度， m。 的计算： 大学 *届毕业设计说明书 第 16 页 共 41 页 如图 斗平装容量横截面积 块基本几何图形组成。 图 计算式为 1 2 3 4 5S S S S S S （ 式中 扇形 直角三角形 直角三角形 三角形 直角三角形 由图 ： 误 !未找到引用源。 =2=错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 3=错误 !未找到引用源。 4=错误 !未找到引用源。 =o 2 S=铲斗开口长 8 o 堆积高度 图 中挡板 a， 铲斗开口长 b，斗尖至铲斗侧壁的高度 c。根据美国汽车工程师手册规定 直于 大学 *届毕业设计说明书 第 17 页 共 41 页 K/2=b/板 垂直于斗侧壁 以则 : c=H=错误 !未找到引用源。 定容量铲斗的横截面 铲斗容量计算代入 ( 中，得 错误 !未找到引用源。 （ 1）铲斗的容量误差判断 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 计算斗容量 错误 !未找到引用源。 计算给定的允许斗容量误差，则 错误 !未找到引用源。 所以所设计的铲斗容量符 合设计要求。 铲斗的下铰接点即与动臂的连接铰接点。当铲斗在铲掘位置时，应尽量使该点靠近切削刃与地面。下铰接点靠近铲斗切削刃，则转斗时力臂小，有利于增加作用在斗刃上的掘起力。下铰接点靠近地面，可减少在作业时的铲入阻力。下铰接点距斗底高度 h=(,取 h= 铲斗的上铰接点即铲斗与拉杆或连杆的连接铰点。上铰接点与下铰接点的距离 (称斗铰连线 )不宜过大，否则将增加铲斗连杆机构的尺寸，给结构布置带来一定困难。 9 大学 *届毕业设计说明书 第 18 页 共 41 页 2 4 动臂的设计 1）动臂铰点位置的 确定 动臂铰点位置的确定，应在总体参数已经确定后，以及铲斗主要尺寸已经确定后之后进行。动臂与铲斗连接点亦称下铰点，其下限位置应该保证铲斗正常工作位置和下挖位置以及铲斗在运输位置，仍与轮胎保持有一定间隙为准，而且下铰点与地面应有 250300 离地间隙。其上限位置应保证铲斗最大卸载高度、卸载角度及最小的卸载距离。其具体位置可用作图的方法来确定它，根据铲斗形状、几何尺寸及铲斗与地面应保持的角度可以确定下铰点的下线位置，然后将铲斗转至运输位置并留出一定间隙，绘出轮胎位置，再根据最大卸载高度的要求最小卸载距离和 卸载角度的要求，可以确定下铰点的上限位置。动臂与机架的连接点 A 应在 连线的垂直平分线上。当其他要求不变时， A 点的前后位置将影响动臂的长度 L、动臂的回转角、动臂伸出最大距离以及铲斗在升起时摆动的角。 A 点与前轮中心的距离 大则动臂长而转角减小，且动臂伸出距离减小，倾翻力矩减小，提高了铲运机在铲斗最大伸出时的稳定性。 大学 *届毕业设计说明书 第 19 页 共 41 页 动臂的横向布置，则应根据轮距、动臂本身的结构、转斗油缸的尺寸以及司机视线要求来确定，但动臂与轮胎之间必须有一定间隙以保证安全工作。 2）动臂长度的确定 s i n()c 2m a i n 动臂的铰点位置确定后，按上图图解法和公式就可求出。 3）动臂的形状和结构 动臂的形状按其纵向中心线形状可分为直线型和曲线形两种。直线型动臂结构简单，制造容易，而且受力情况较好，通常正转式连杆工作装置多采用这种形式；曲线形动臂一般采用反转式连杆工作装置，这种形式的动臂可使反转式连杆工作装置布置更为合理。 11 杆的设计 尽量满足要求： (1)传动性 为了保证工作机构传动性能良好，防止机构锁死，要求机构运动过程中各传动角在大于 10小于 170。 （ 2）平移性和卸料性分析 平移性 :动臂提升过程中为避免铲斗中的物料撒落，要求铲斗近似平动。卸料性 :保证能卸净铲斗中的物料，在转斗液压缸的作用下，应保证铲斗的卸料角大于 45。 （ 3）最大卸载高度和最大卸载距离 最大卸载高度 :测量铲斗切削刃垂直方向和水平方向的运动轨迹。最大卸载距离 :相对铲运机的轮胎的距离。 （ 4）铲斗自动放平性 使铲斗从高位卸载状态下落到插入状态，期间保持转斗液压缸长度不变，测量铲斗地面与水平间夹角的变化 ,即可得到铲斗自动放平行。 （ 5）力的传递性 为保证连杆具有较高的力传递效率，应尽量使杆件之间力的作用方向 与铰接点运动方向的夹角，即压力角不要太大，已使有效分力尽量大一些。 （ 6）不干涉性 连杆机构在作业过程中无运动干涉。 图解法简图 大学 *届毕业设计说明书 第 20 页 共 41 页 如图 杆的设计尺寸 连杆结构设计的主要内容是确定各个铰点的适当位置和连杆尺寸，至于在设计连杆机构中，所以满足的各种要求和注意事项可参照设计手册，进行步骤，可选定摇臂的形状和尺寸，然后确定铰点 的位置，然后确定油缸与车架相连铰点 臂的长度是连杆机构的主要参数，摇臂将固定在动臂上，摇 臂的长度、连杆的长度、油缸的长度都与动臂长度有关。因此连杆机构的其他构件尺寸和铰点位置，都将参照动臂的长度来确定。 为得到理想的结果，各连杆 尺寸及铰点位置初步确定之后，可采用优化方法找出最佳位置和最佳几何尺寸，这对提高铲运机的工作效率更为有利。 12 大学 *届毕业设计说明书 第 21 页 共 41 页 运机工作装置与动臂铰接点 位置的确定 图 运机的三个铰接点设计图 （ 1） 确定动臂与铲斗的铰接点 G 由于 斗崛起力就越大，所以 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 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，但缩小了 的距离，使崛起力下降 。 综合考虑各种因素的影响，设计时，一般根据坐标图上工况 时的铲斗实际情况，在保证 G点 50 350取 1300,250)。 （ 2） 确定动臂与机架的铰接点 A 以 G 点为圆心，使铲斗顺时针转动，至铲斗斗口 错误 !未找到 引用源。 与 x 轴平行为止，即工况 。以 错误 !未找到引用源。 为圆心，顺时针旋转铲斗，使铲斗口与 x 轴平行，即得到铲斗最高位置图，即工况 ，连接 G 错误 !未找到引用源。并作垂直平分线。 因为 误 !未找到引用源。 点同在以 臂 *届毕业设计说明书 第 22 页 共 41 页 为半径的圆弧上，所以 点 A 应在 G G的垂直平分线上，且根据轮胎的工作半径，将 A 点取在前轮右上方，与前 轮 轴心水平距离为轴距的 1 3 1 2处。 利于整机工作的稳定性。 （ 3） 确定动臂与摇臂的铰接点 B 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都有很大影响。根据分析与经验，一般取 B 点在线的上方，过 A 点的水平线下方，并在 垂直平分线上，并在 垂直平分线上左侧靠近工况时的铲斗处。相对于前轮胎， 这样，动臂的形状和尺寸大概地确定了，即确定了 13 运机工作装置部件相关物理量 图 运机的工作装置简图 大学 *届毕业设计说明书 第 23 页 共 41 页 表 1 铲运机的工作装置符号及物理意义 符号 物理意义 符号 物理意义 0大臂上杆 位置角 1 传动角 大臂上杆 位置角 2 传动角 杆 3 传动角 C 相对于 转角 a 杆 G 相对于 转角 b 杆 F 相对于 转角 c 杆 D 相对于 转角 d 杆 1 夹角 e 杆 2 夹角 f 杆 3 夹角 g 杆 4 夹角 h 杆 0的 1H 铰接点 坐标 说明： （ 1）结构角4321 , 始终为正值，而且保持不变。 （ 2）位置角以 A 点为角顶点，以 A 为起点 X 正方向的水平线为起始边，逆时针方向为正，各角度在计算中表示为以下： 0：大臂 000（ 1 ：大臂 101 （ 2 ：机架 012 （ 注： （ ：动臂在任意位置时相对于最低点的转角） （ 0102, ：动臂在最低位置时的初始角度值） 大学 *届毕业设计说明书 第 24 页 共 41 页 2 8 铲运机六连杆机构的分析 铲运机工作装置可分为两个子结构：六连杆机构和举升机构。在对六连杆机构进行分析时可将六杆机构分解为缸杆四杆机构和斗杆四杆机构两个二级子结构，显然两个四杆机构只有表示方法上有差别，因此可以代换其表示符号来处理运动特点。 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的位置关系，以满足设计任务中的规定的使用性 能及经济技术指标。由于连杆机构尺寸以及销轴位置的相互影响，连杆机构可变性很大，同时又要受结构限制，可变参数很多，因而无法单纯采用理论计算的方法来确定，目前大多数采用图解法并配合统计或类比法加以确定。 14 杆四杆机构的分析 图 杆示意图 角度定义： 4a 044 （ 010204 a （ 1a 求解角度： 对于缸杆机构 A 轴正方向， *届毕业设计说明书 第 25 页 共 41 页 定理，设 B 的投影为 。 可知： （ 将上式在 X， Y 方向投影可得： 14 c （ 0s 4 （ 变换上两式可得： 14 c os （ 14 s in （ 将上两式等号两边平方相加变换可得： 0c o o s)c o s(2s i n)s i 422221414 令： 44 s 6*3 7 6*2s （ )1 4 2 2c 376*2)c 44 （ 42222 c o s2 （ 42222 c o 2 2*836*21 2 4 88361 4 2 2376 a 则等式可化为： 0c o ss 1 （ 解之得： 2221 ar ct 以 D 点作为右手坐标点的原点，置 D B 位置矢量于该坐标系的单位矢量 I 的正方向，设级组的初始形式参数为 M，如果 D C的 M=+1，上式 大学 *届毕业设计说明书 第 26 页 共 41 页 处取正号，反之，取负号。 以下为特殊情况： 如果 且)(2)(ar ar s 2224222 则： 2ar ct 221 （ 如图，在上示四杆机构中， 的杆件之一是机架。在这个机构中，有一个二级组（自由度为 0 的运动链称为杆组，不能再分的杆组称基本杆组），这个级组是由三个转动副和两个构件组合而成，故称之为级组，基本组的运 动副 组的内点，而运动副 D， B 即为外点。通常，级组机构在整个运动过程中，如果内点 C 在 永远就在该侧。如果发生了 说明机构本身含有不定因素。 杆四杆机构的分析 由 1a 与 2a 的关系可以知道： 2213 （ 则变换可得： 1312 图 杆机构的示意图 大学 *届毕业设计说明书 第 27 页 共 41 页 求解角度3数对应关系为： 3124 , 为此可以设函数 ),( a， b， c， 中 b 为输出连架杆， d 相对于 c 的转角，
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