DCY3型铲运机工作装置设计（含CAD图纸）
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DCY3
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大学*届毕业设计说明书1.绪论1.1 铲运机的综述“地下铲运机”一词是参考英文“LHD unit”(Load-haul-dump unit)，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-机械传动、铰接式车架、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1.1铲运机全景图按动力源来分，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 1.5立方米及以下的铲运机;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。11.2 国、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”(Underground Open Mining)。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。1.2.1 铲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”(Underground Open Mining)。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(Wagner)公司在Grandview试验成功了第一台T-5型铲运机以来，地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。(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(Jarvis Clark)公司研制成第一台JS-100E型电动铲运机，1973年月1月在多姆(Dome)金矿试验成功。(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(Wagner)公司并入瑞典阿特拉斯柯普柯(Atlas Copco)公司。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(Sandvik Tamrock)公司;2)阿特拉斯科普科瓦格纳(Atlas Copco Wagner)公司;3)G.H.H公司;4)法德洛玛(FADROMA)公司(原BUMAR公司);5)绍普夫(Schopf)公司;21.2.2 铲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zL40型和ZL50型地面装载机基础上，改型研制成功了DZL40型和DZL50型地下内燃铲运机。随后，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0.4立方米到0.6立方米的地下铲运机约30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，NO-SPIN防滑差速器、工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CAD技术。我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;(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。31.3 铲运机的工作装置1.3.1 铲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，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。1.3.2 铲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1.2,此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1.2正转八杆机构(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1.3，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。图1.3 转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1.4，此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1.4 转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1.5，这种机构有如下优点：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。图1.5 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1.6， 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1.6 正转四杆机构（6）正转五杆机构正转五杆机构见图1.7，为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。图1.7 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-装-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。52 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2.1 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。2.1铲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1-3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2.2铲斗类型图铲斗由斗底、侧壁、斗刃及后壁等部分组成。如图2.3所示：图2.3铲斗组成(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。2.2 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2.4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2.4 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。82.3 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2.5所示。图2.5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2.6)，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2.6 铲斗参考尺寸 (1.1)式中 Vr铲斗的额定容量，m；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=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 =b+(0.10.2)-2a (m) (1.2)式中b-装载机轮距，m； -轮胎宽度，m；a-铲斗侧壁切削刃厚度，m。查阅资料，得b=2.24m， =0.5969m，a=0.025m，关于(0.10.2),取0.15m.计算得=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) (1.7) S铲斗平装容量横截面，；a挡板高度， m；b铲斗开口长，m；c堆积高度，m。1.铲斗平装容量横截面S的计算：如图2.7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2.7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2.3.3知：S1=0.331m2 S2=0.050m2 S3=0.198m2 S4=0.105m2 综上所得： S=0.873m22.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2.8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=0.448m图2.8 额定容量铲斗的横截面铲斗容量计算代入(1.7)式中，得 3.025m。（1）铲斗的容量误差判断若满足 式中 计算斗容量 计算给定的允许斗容量误差，根据设计要求为0.1立方米则 所以所设计的铲斗容量符合设计要求。3.铲斗上下铰接点位置的确定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=(0.060.12)R,取h=0.121m。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。924 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BB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La，La增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。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 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。112.5 连杆的设计 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。图解法简图如图2.9连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E和C的位置，然后确定油缸与车架相连铰点G的位置和油缸的尺寸和行程。动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。122.6 铲运机工作装置与动臂铰接点位置的确定图2.10 铲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G点的x坐标值越小，转斗崛起力就越大，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G点的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G点与连杆铲斗铰接点F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y轴的坐标值yG=250350mm和x轴坐标值尽可能小的而且不与斗底干涉的前提下，我取G点的坐标为(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，至铲斗斗口与x轴平行为止，即工况。以为圆心，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并作垂直平分线。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A点必在的垂直平分线上点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1312处。A点的位置尽可能的低一点，有利于整机工作的稳定性。（3）确定动臂与摇臂的铰接点BB点的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都有很大影响。根据分析与经验，一般取B点在AG连线的上方，过A点的水平线下方，并在AG的垂直平分线上，并在AG的垂直平分线上左侧靠近工况时的铲斗处。相对于前轮胎，B点在其外廓的左上部。这样，动臂的形状和尺寸大概地确定了，即确定了BG和AG的长度。132.7 铲运机工作装置部件相关物理量图2.11 铲运机的工作装置简图 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大臂上杆AE的位置角传动角DCB大臂上杆AB的位置角传动角GEF杆AD的位置角传动角BGF a1BC相对于BA的转角a杆DC的长度a2BG相对于BE的转角b杆BC的长度a3EF相对于EB的转角c杆AB的长度a4AD相对于AB的转角d杆AD的长度AB与AE的夹角e杆GF的长度BA与BE的夹角f杆EF的长度BC与BG的夹角g杆BE的长度EA与EB的夹角h杆BG的长度铰接点A的Y坐标铰接点E的Y坐标说明：（1）结构角始终为正值，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： ：大臂AE的位置角 （2.1） ：大臂AB杆的位置角 （2.2） ：机架AD的位置角 （2.3）注：（：动臂在任意位置时相对于最低点的转角）（：动臂在最低位置时的初始角度值）28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。142.8.1 缸杆四杆机构的分析图2.11缸杆示意图角度定义：AD相对于AB的转角，以AB为起始边，绕A点逆转为正。 （2.4） （2.5） BC相对于BA的转角，以BA为起始边，绕B点逆转为正。求解角度：对于缸杆机构ABCD，以AB方向为X轴正方向，A点为原点，Y轴方向符合右手定理，设CD相对于的投影为。可知： （2.6）将上式在X，Y方向投影可得：X方向的投影： （2.7）Y方向的投影： （2.8）变换上两式可得： （2.9） （2.10）将上两式等号两边平方相加变换可得： （2.11）令： （2.12） （2.13） （2.14） 则等式可化为： （2.15）解之得： （2.16）以D点作为右手坐标点的原点，置DB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DC的j分量为正，则M=+1，上式处取正号，反之，取负号。以下为特殊情况： 如果且则： （2.17） 如图，在上示四杆机构中，AD，AB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C即为级组的内点，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DB连线的某一侧，它永远就在该侧。如果发生了C点从DB的一侧转移到另外一侧，则说明机构本身含有不定因素。2.8.2 斗杆四杆机构的分析由与的关系可以知道： （2.18）则变换可得： （2.19）图2.12斗杆机构的示意图求解角度可以用代换角度的方法求解，参数对应关系为： 为此可以设函数，a，b，c，d为杆长，其中c为机架，d为输入连架杆，b为输出连架杆，bit为d相对于c的转角，函数值为b相对于c的转角，角度规定同缸杆机构的角度规定。15综合上述计算，得出计算结果表2 物理量计算结果序号物理量结果1a1248mm2b376mm3c1422mm4d836mm5e534mm6f510mm7g541mm8h6159H0148110R06332.9 两个四连杆机构极限状态分析对于缸杆机构ABCD和斗杆机构BEFG，都面临这样一个问题：正反转铰接四连杆机构在运动过程中，一般都具有两个极限工作状态，而在这两种机构中，在运动过程中，可能既有正转，又有反转。下面分别对正反转两种情况进行分析。正转铰接四连杆机构的两个极限工作状态如下图所示：(a)(b)当a在区间上变化时，b相应的由变至，且有如下对应的计算公式：当时对应于 （2.20）当时对应于 （2.21）反转铰接四连杆机构的两个极限工作状态如下图所示：（a）（b） 当a在区间上变化时，b相应的由变至，且有如下对应的计算公式： 当时 对应于 （2.22） 当时 对应于 （2.23）2.10铲运机工作装置的数据计算结果铲运机的各项参数：表3 各型铲运机的参数参数项目单位名称、型号（规格）CY-1.5（922D）CY-1.5E（922E）CY-2CY-3（ST-31/2）CY-4（ST-5C）额定铲斗容量立方米1.531.5323.13.8最大铲取力KN69.669.68091196单机总重t10.3210.6511.416.522.8净载荷t3.633.6346.009.5外转弯半径（最小）mm47914791510055306405内转弯半径（最小）mm2781278128002740317590度转弯时巷道宽度mm28452845310036803810装料时最大举升高度mm37083708406039805400卸料高度（最大）mm13001300155015001600外形尺寸（长宽高）mm673515242032673515242032676016842032820319562156927122612286计算结果如下表所示： 表4 各部件的计算结果序号物理量单位最终计算结果1小臂的长度mm750 2大臂的长度mm1800 3液压杆的深度mm700 4连杆的长度mm7085摇臂的长度mm780 6铲斗两铰接点的距离mm4887铲斗的宽度mm1790 8铲斗上沿高度mm12409铲斗容量3 10车轮的直径mm12663 工作装置的三维建模图3.1 铲运机的铲斗图3.2 铲运机的动臂图3.3 铲运机的连杆图3.4 铲运机的摇臂第 41 页 共 41 页4 铲运机工作装置仿真4.1 铲运机工况分析所谓典型工况，是因为这些工况确定了铲运机外载荷，铲斗斗尖上的最大插入阻力、最大铲掘阻力和最大转斗阻力，这些力可以作为系统载荷的计算、分析依据。工况：铲斗插入料堆的牵引工况主要确定插入阻力，这时Fz为零；工况：铲运机停在路面上，保持操作重量，动臂处于低位，后轮离开地面时的牵引工况主要确定铲起阻力，这时Rx为零；工况：前轮离开地面时的牵引工况主要确定的是转斗的阻力，这时Rx为零。4.2 铲斗举料时平动性分析图4.1 CY3铲运机高位举升工况在举升工况过程中，转斗油缸闭锁，举升油缸伸长，动臂上举，实现物料的举升。此过程，要注意铲斗的平动性。所谓平动性是指动臂从最低位置到最高位置的举升过程中，保证铲斗内物料稳定、不散落。即要求铲斗的角度变化小于15。平动分析时，在实际运行中外载荷为物料重量与工作装置自重之和，在料堆内时考虑铲斗与物料的摩擦力。为简化分析，这里只考虑工作装置自重的影响。图4.2 铲斗平动分析过程铲斗角度变化曲线上图为铲斗举升平动性分析曲线，也就是铲斗在举升过程中铲斗转动角度变化曲线。图中显示铲斗在举升过程中转动角度最大和最小角度之差小于15，满足铲斗举升平动性的要求。4.3 铲运机卸载情况分析图4.3 CY3铲运机高位卸载工况在卸载工况中，举升油缸闭锁，铲斗油缸收缩，铲斗翻转，从而实现物料的卸载。卸载工作要求铲斗在动臂最低和最高位置之间的任何位置都能卸料，即各处的卸载角都必须大于或等于45。由最低卸料位置举升到最高卸料位置铲斗角度转动角度曲线可以看出，只要对铲斗的高位卸载角和低位卸载角分析就可以了。 图4.4 卸载过程中卸载角曲线上图中，最高位时举升油缸达到最大行程，卸载角达到74，远大于卸载角的要求，可以实现轻松卸料。铲斗处于卸载状态时斗尖离地高度： （3.7）铲斗处于卸载状态时的倾角，即卸载角可以用上面的求斗角倾角的计算结果。铲斗处于卸载状态时斗尖至前轮外缘的水平距离： （3.8） 4.4 铲运机的自动放平性分析图4.5 CY3铲运机铲掘工况铲斗自动放平是指动臂在最高位置卸料后，转斗油缸闭锁，举升油缸开始工作，使动臂下降到最低位置后，铲斗恰好处于插入工况。相反的定义和它等价，即由插入工况时转斗油缸闭锁，由举升油缸举升至最高位置时恰好是铲斗的卸料位置。下面的分析采用的是后一过程。此分析过程中油缸速度恒定，铲斗受恒定外力，测定举升油缸受力随举升时间变化关系。图4.6 自动放平过程中铲斗角度变化曲线上图中最大值为58，最小值为4，铲斗由插入工况4转动终了卸载位置的49，转动角度为45，其中最大角度为58。显示机构的设计满足自动放平要求。这里的角度都是铲斗前壁和地面的夹角。自动放平过程中油缸受力随举升时间变化曲线，显示在这一过程中油缸受力的变化趋势，此过程中外载荷为工作装置自重。受力曲线都是力和举升时间的函数关系。具体分析曲线见下图，这里主要是获取受力随举升时间的变化趋势。在此过程中，举升机构的倍力系数的变化较大，举升油缸产生的举升力变化较大。图4.7自动放平分析过程油缸受力曲线5 总结经过近一个学期的查阅相关资料，认真学习各种软件的基础上，本设计详细介绍了铲运机工作装置的组成构件及作用；充分利用CY3铲运机工作装置的图纸，应用Pro/Engineer软件完成了铲运机工作装置的三维实体建模，并通过动态仿真分析获取详细的机构性能参数,验证机构设计的可行性。主要结论如下：(1)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。(2)
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