轮式装载机的工作装置设计及动态仿真.doc

第1章 ZL50轮式装载机的工作装置设计1.1 ZL50轮式装载机的工作装置设计要求1.1.1 概述装载机工作装置主要由铲斗和支持铲斗进行装在作业的连杆系统组成，依靠这套装置装载机可以对汽车，火车进行散料装载作业，也可以对散料进行短途运输作业，还可以进行平地修路等作业。把铲斗更换成专门的装置，还可以进行其他装载作业。装载机工作装置的结构和性能直接影响整机的工作尺寸和参数，因此，工作装置的合理性直接影响装载机的生产效率、工作负荷、动力与运动特性，不同工况下的作业效果、工作循环时间、外形尺寸和发动机功率等。轮式装载机工作装置有多种形式，根据杆数和运动特征可分为正转四杆、正转五杆、正转六杆、反转六杆、正转八杆等。本次设计研究的是反转六连杆机构，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。反转六连杆机构尤其多用于中小型装载机工作装置,我国生产的ZL系列轮式装载机工作装置多采用这种形式。图1-1 反转六连杆机构轮式装载机的工作装置由铲斗、连杆（或托架）、摇臂、动臂、转斗油缸、动臂油缸组成。这个机构实质是两个四杆机构。图1-2 轮式装载机的工作装置1.1.2 轮式装载机工作过程轮式装载机是一种铲、装、运、卸一体化的自行式设备，它的工作过程由六种工况组成。插入工况 动臂下放，铲斗放置于地面，斗尖触地，斗底板与地面呈 35倾角，开动装载机，铲斗借助机器的牵引力插入料堆。 铲装工况 铲斗插入料堆后，转动铲斗铲取物料，待铲斗翻至近似水平为止。 重载运输工况 铲斗铲装满物料后举升动臂，将铲斗举升至运输位置(即铲斗斗底离地高度不小于机器的最小允许离地间隙)，然后驱动机器驶向卸载点。 举升工况 保持转斗缸长度不变，操作举升油缸，将动臂升至上限位置，准备卸载。 卸载工况 在卸载点，在举升工况下操作转斗缸翻转铲斗，向溜井仓或运输车辆中卸载，铲斗物料卸净后下放动臂，使铲斗恢复至运输位置。空载运输工况 卸载结束后，装载机再由卸载点空载返回装载点。1.1.3 轮式装载机工作装置设计要求根据轮式装载机的作业特点，其工作装置的设计应满足以下要求。1.基本要求所设计的装载机应具有较强的作业能力，铲斗插入料堆的阻力要小，在料堆中铲掘的能力大、能耗小。工作机构的各杆件受力状态良好，强度寿命合理。结构和工作尺寸适应生产条件需要，效率高。结构简单紧凑，制造及维修容易，操作使用方便。2.特殊要求(1)由于铲斗宽度和容积都较大，所以铲装阻力大，装载系数小。因此设计铲斗宽度为2990，铲斗容量为3m，以减小工作阻力，达到装满卸净、运输平稳。(2)铲斗由运输工况被举升到最高卸载位置的过程中，为避免铲斗中物料撒出，要求铲斗作“平移运动”。从不易撒料这一目的出发，绝对平动并无必要，只要把铲斗举升时的倾角变化限制在一定许可范围之内即可，设计时一般控制在 10以内为好。(3)保证必要的卸载角、卸载高度和卸载距离。轮式装载机要求铲斗在从运输工况至最高位置之间的任一高度都能卸载干净，为此，铲斗各瞬时的卸载(铲斗斗底对地面的前倾角 )均需不小于 45。根据设计任务书中的规定，铲斗在最高位置卸载时，最大卸载高度为3050，卸载距离为1200。(4)铲斗能自动放平。铲斗在最高位置卸载后，闭锁转斗油缸，下放动臂，铲斗能自动变成插入工矿(开始插入状态)的功能成为“铲斗自动放平”。(5)轮式装载机的工作机构属于连杆机构，设计中要注意防止各个工况出现构件相互干扰、“死点”、“自锁”和“机构撕裂”等现象；各处传动角不得小于10；在综合满足工作性能的前提下，尽可能增大机构的倍力系数。(6)应尽量减少工作机构的前悬(即工作机构重心至整机重心的距离)、长度和高度，以提高装载机在各种工况下的稳定性和司机的视野。1.2铲斗的结构设计和尺寸设计1.2.1 铲斗的设计要求铲斗是装载机工作装置的执行构件。铲斗直接与物料接触，是装、运、卸的工具，工作时，它被推压插入料堆铲取物料，工作条件恶劣，是承受很大的冲击力和剧烈的磨损，因此铲斗的设计质量对装载机的作业能力有较大影响。为了保证铲斗的设计质量，首先应当合理地确定铲斗的结构及几何形状，以降低铲斗插入物料的阻力。其次要保证铲斗具有足够的强度、刚度、耐磨性，使其具有合理的寿命。、1.2.2 铲斗的基本结构形式轮式装载机的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1-3所示。 (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1-3 常见的铲斗结构铲斗由斗底、侧壁、斗刃及后壁等部分组成。如图1-4所示。图1-4 轮式装载机铲斗结构(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。(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1-3(a)和非直线型见图1-3(b)、1-3(d)。前者形式简单，有利于铲平地面，但铲装阻力大。后者有V形和弧形等，插入阻力较小，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。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。1.2.3 铲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1-5所示的就是整体前卸式。它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1-5 整体前卸式铲斗卸载工况1-举升油缸；2-铲斗；3-转斗油缸；4-动臂(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。同整体前卸式铲斗相比，推卸式铲斗的结构复杂一些，且需另用动力推卸。(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。综上所得，根据本次设计任务的要求，装载机工作装置要求结构简单，并且考虑到产品成本与经济实用性。因此，我采用了整体前卸式铲斗。1.2.4 铲斗的设计1.铲斗的断面形状和基本参数的确定(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、后壁高h和张开角四个参数确定，如图4-6所示。 图1-6 铲斗断面基本参数圆弧半径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h是指铲斗上缘至圆弧与后壁切点间的距离。底壁长l是指斗底壁的直线段长度。l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。l长亦会减小卸载高度。l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，缩短作业时问，但这会减小斗容。根据任务书要求以及老师建议，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4552。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。铲斗的宽度应大于装载机两前轮外侧间的宽度，每侧要宽出50l00mm。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。(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R的函数。R是铲斗的回转半径(见图1-7)，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1-7 铲斗参考尺寸 (1-1)式中 Vr铲斗的额定容量，m；B0铲斗的内侧宽度，m；g铲斗的斗底长度系数，g=1.401.53； z后壁的长度系数，z=1.11.2；k挡板的高度系数，k=0.120.14；r圆弧的半径系数，r=rR=0.350.4；张开角,为4552；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Vr=3m。铲斗的内侧宽度 B0=b+bw+(0.10.2)-2a (m) (1-2)式中b-装载机轮距，m； bw-轮胎宽度，m；a-铲斗侧壁切削刃厚度，m。查阅资料，徐工ZL50轮式装载机图册，得b=2.24m，bw =0.5969m，a=0.025m，关于(0.10.2),取0.15m.计算得B0=2.937m。设计参数的选择，借助经验获取，g=1.5，z=1.15，k=0.13，r=0.4，=48，1=13。通过上述参数的选择，带入(1-1)式中，得到R=1.339m。(3)铲斗截面各边尺寸计算斗底长度：Lg=Rg=1.3391.5=2.001m， (1-3)斗后壁长度：Lz=Rz=1.3391.15=1.540m， (1-4)挡板高度：Lk=Rk=1.3390.13=0.201m， (1-5)斗底圆弧半径：r=Rr=1.3390.4=0.536m， (1-6)2.铲斗容量计算与误差判断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： (m) (4-7)式中 S铲斗平装容量横截面，m2；a挡板高度， 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：如图1-8所示，铲斗平装容量横截面积S由5块基本几何图形组成。 图1-8 铲斗截面计算计算式为 （1-8） 式中 S1扇形AGFO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。由图4-8知：S1=GF2360(180-)=0.331m2 S2=12GFFN=12rLz-rtan2=0.050m2 S3=12GACA=12rLg-rtan2=0.198m2 S4=LL-CNL-CG(L-NG)=0.105m2 综上所得： S=0.873m2铲斗开口长b和堆积高度c的计算铲斗开口长b的计算： CN=1.372 堆积高度c的计算：图1-9是额定容量铲斗的横截面积，其中挡板DN高为a，CD是铲斗开口长b，IH是斗尖至铲斗侧壁的高度c。根据美国汽车工程师手册规定IH垂直于CD，且IK=CK/2=b/4.按照通常的设计要求，挡板DN应垂直于斗侧壁CN，所以CKHCND。则 c=IK+KH=14b+ba2b2-a2=0.448m图1-9 额定容量铲斗的横截面铲斗容量计算代入(1-7)式中，得 Vr=3.025m。（1）铲斗的容量误差判断若满足 Vr-Vh 式中 Vh-计算的斗容量； -设计中给定的允许斗容量误差，根据设计要求为0.1m3则 Vr-Vh=3-3.037FE+BE (4-10)如图4-21所示，若令，GF=a,FE=b,BE=c,BG=d,并将式(4-10)不等号两边同时除以d，经整理上式得下式，即 (4-11)其中d值由BG确定，即d=1636mm。初步设计时，(4-11)式中各值可按式(4-12)中选取。 K=0.9500.995 a=（0.3 0.5）d (4-12) c=(0.40.8)d所以得K=0.970，a=654mm，c=982mm,b=1200mm。2）确定E点和F点的位置这两点位置的确定要综合考虑如下四点要求：E点不可与前桥相碰，并且有足够的最小离地高度；插入工况时，使EF杆尽量与GF杆垂直，这样可获得较大的传动比角和倍力系数；铲装工况时，EF与GF杆的夹角必须小于170，即传动角不能小于10，以免机构运动时发生自锁；高位卸载工况时，EF杆与GF杆的传动角也必须大于10。具体做法如下：如图1-22所示，铲斗取工况。分别以B点和G点为圆心，以c和分别为半径画弧，其交点为E；再分别以G点和E点为圆心，a和b半径画弧，则其交点必为F。 图 1-22 连接端部铰接点设计作图所得，在铲装工况下，即工况下，E点坐标为(2535，833),F点坐标为(1337,903)。为了防治机构出现“死点”，“自锁”或“撕裂”现象，设计时应满足下列不等式。工况时： GF+FEGE (4-13)工况时： FE+BEFB (4-14)检验E与F点位置设计：工况时，GF=654mm，FE=1200mm，GE=1851mm，因此满足GF+FEGE。工况时，FE=1200mm，BE=982mm，FB=2175mm，因此满足FE+BEFB。综上所得，E点与F点设计位置满足要求。(3)转斗油缸与摇臂和机架的铰接点C和D的确定在图4-21中，如果确定了C点和D点，就最后确定了与机架连接的四杆机构BCDA的尺寸。C点和D点的布置直接影响到铲斗举升平动和自动放平性能，对掘起力和动臂举升阻力的影响都较大。1)确定C点从力的传递出发，显然使摇臂BC长一些有利，那样可以增大转斗油缸作用力臂，使掘起力相应增大。但加长BC段，必将减小铲斗和摇臂的转角比，造成铲斗转角难以满足各个工况的要求，并且使转斗油缸行程过长。初步设计时，一般取BC=(0.7-1.0)BE （4-15）因此，取BC=O.8BE=785mm。C点一般取在B点左上方，BC与BE夹角(即摇杆折角)，可取CBE=165，C点运动不与铲斗干扰，其高度不影响司机视野。 2)确定D点 转斗油缸与机架的铰接点D，是根据铲斗由工况举升到工况过程为平动和由工况下降到工况能自动放平这两大要求来确定的