装载机工作装置结构设计【含7张CAD图纸+PROE三维图+说明书+开题报告+外文翻译】
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装载机工作装置结构设计【含7张CAD图纸+PROE三维图+说明书+开题报告+外文翻译】,含7张CAD图纸+PROE三维图+说明书+开题报告+外文翻译,装载,机工,装置,结构设计,CAD,图纸,PROE,三维,说明书,开题,报告,外文,翻译
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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 工程机械，装载机，工作装置AbstractThe wheel loader is one kind of the engineering machinery, used in many departments of national economy such as the building , mine , water and electricity , bridge , railway , highway , port , quay extensively. In this article has referred the massive folk recipes machinery design reference book, majority is the related car loader aspect, some are works the equipment sole component design, some then is the entire work installment design, and has many related work installments optimization design aspect, each reference involves to the car loader although the model is different, the research method also has the difference, but synthesized basically has also outlined the present design method. The overseas loader development is rapid, but our country car loader has very many problems in the design, mainly concentrates in aspect and so on reliable, structural design intensity. But works the installment regarding the loader to say also is extremely important, therefore the work installment design is good and bad affects directly the car loader service life as well as the working efficiency and so on . Although in the present market car loader already day by day was mature, but carried on the improvement design to it still to have the extremely vital significance, in particular loader work installment. Loading the machine work equips of turn the container six connect pole organization is from press with liquid an urn of, the container mutually connection of two four connect the pole organization combine.A type loads the machine at homework, is pressed by the liquid of changes an urn lengths to makes the container acquired requests of accept the Cape of the container with unload to anticipate the Cape.Each pole in inside in organization a length and its construction parameter certain empress, need to make the some and particular calculation to that organization, the accuracy that to judge the organization the design.In worked circulation the speed changes with acceleration the reasonable;The oil a piston route of travel is the best value;The work equips the sport steady, have no to interfere with, have no the dead center and have no from the lock;Move the arm from most the bottom position arrives the biggest unloading to raise to rise the process inside highly, guaranteeing the container the inside the material do not spread to fall;After unloading, move the arm descend to put to the container to dig the position container can put automatically even.KEY WORDS Construction Machine, Wheel Loaders ,Work Equips目录前言11. 装载机工作装置概述31.1 装载机工作装置设计概述31.2 结构型式选择41.3 装载机设计任务72 铲斗结构设计92.1 铲斗斗型的结构分析102.1.1 切削刃的形状102.1.2 铲斗的斗齿102.1.3 铲斗的侧刃112.1.4 斗体形状122.2 铲斗基本参数的确定122.3 斗容的计量153.1几何斗容(平装斗容)162.3.2 额定斗容(堆装斗容)163.工作装置的结构设计193.1 工作机构连杆系统的尺寸参数设计203.2 机构分析203.3 设计方法203.4 尺寸参数设计的图解法213.4.1 动臂与铲斗、摇臂、机架的三个铰接点B、E、A的确定223.4.1.1 确定坐标系223.4.1.2 画铲斗图223.4.1.3 确定动臂与铲斗的铰接点B223.4.1.4 确定动臂与机架的铰接点A243.4.1.5 确定动臂与摇臂的铰接点E253.4.2 连杆与铲斗和摇臂的两个铰接点C、D的确定253.4.3 举升油缸与动臂和机架的铰接点H及M点的确定283.5 确定动臂油缸的铰接位置及动臂油缸的行程313.5.1动臂油缸的铰接位置313.5.2 动臂油缸行程的确定323.6.2 最大卸载高度和最小卸载距离344 工作装置的强度计算354.1 计算位置354.2 外载荷的确定354.3 工作装置的受力分析384.4 工作装置的强度校核474.4.1动臂484.4.2 铰销524.4.3 连杆544.4.4 摇臂565 装载机工作装置中油缸作用力的确定625.1 转斗油缸的选择645.2 动臂油缸的选择675.3 转斗油缸与动臂油缸被动作用力的确定696. 工作装置的限位机构706.1 铲斗转角限位装置706.2 动臂升降的自动限位机构717装载机工作装置三维实体建模737.1 Pro/E软件介绍737.2 工作装置零件建模747.2.1 动臂的生成757.2.2 铲斗的生成777.2.3 底座的生成787.2.4 连杆的生成787.2.5摇臂的生成797.2.6 液压缸筒的生成797.2.7 液压缸活塞的生成808. 工作装置装配模型建模828.1 底座模型装配848.2 动臂模型装配858.3 铲斗模型装配868.4 液压缸体模型装配868.5 摇杆模型的装配连接888.6 连杆模型与铲斗模型和摇杆模型的装配连接888.7 销钉模型的连接888.8 本章小结929 装载机工作装置运动仿真949.1 概述949.2 创建装载机工作装置的机械运动仿真949.2.1 连接轴设置949.2.2 创建快照969.2.3 定义伺服电动机979.2.4 运行运动1029.2.5 结果回放动态干涉检查与制作播放文件10310 总结107致 谢108参 考 文 献109110 前 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资料的前提下，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，此设计资料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。1. 装载机工作装置概述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。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。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。1.3 装载机设计任务根据装载机用途、作业条件及技术经济指标等，选定工作装置设计参数如下。额 定 斗 容： 3 m3额 定 载 重 量： 50 KN整 机 质 量： 16.5 t轮 距： 2150 mm轴 距： 3427 mm轮 胎 规 格： 23.525最大 卸载 高度： 3090mm最小 卸载 距离： 1130mm2 铲斗结构设计 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。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。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。2.1 铲斗斗型的结构分析 2.1.1 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。 2.1.2 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。 2.1.3 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。 2.1.4 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，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。2.2 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毫米，以防止铲掘物料所形成的阶梯地面，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R是指铲斗的转铰中心B与切削刃之间的距离(图24)。由于铲斗的回转半径R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R可按下式计算 （2-1）使用平装斗容计算公式： 式中 几何斗容量 ( 图24中所示阴影断面 ) B。铲斗内侧宽度(米)； 铲斗斗底长度系数，通常 一后斗壁长度系数，通常； 挡板高度系数，通常； 斗底和后斗壁直线间的圆弧半径系数，通常； 挡板与后斗壁问的夹角，通常； 斗底和后斗壁间的夹角，通常，(有推荐)。 （22） mm式中 a1-铲斗侧壁切削刃的厚度 取 b-轮距 bw-轮胎宽度根据设计资料有 （23）所以有： （24）斗底长度Lg是指由铲斗切削刃到斗底与后斗壁交点的距离： （26）挡板高度： （27）铲斗圆弧半径： （28）铲斗与动臂铰销距斗底的高度: (2-9)铲斗侧壁切削刃相对于斗底的倾角。在选择时，应保证侧壁切削刃与挡板的夹角为。因此取0=500，切削角0=300。2.3 斗容的计量 铲斗的斗容量可以根据铲斗的几何尺寸确定。 3.1几何斗容(平装斗容)铲斗平装的几何斗容可按下式确定(图25)。对于装有挡板的铲斗： （210） 根据有关计算有 （211）式中 A铲斗横断面面积，如图25中所示阴影面积 铲斗内壁宽(m)， a挡板高度(m)； b斗刃刃口与挡板最上部之间的距离(m)。 2.3.2 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，此时额定斗容可按下式确定(图25) （2-12）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)：根据科堆坡度角可得料堆尖端点肘，再由d4点作直线d4N与Go垂直，将n4N垂线向下延长，与斗刃刃口和挡板最下端之间的连线相交，此交点与料堆尖端之间的距离，即为物料堆积高度G。 （213）铲斗斗容的误差率 （214）所以铲斗的设计合格。3.工作装置的结构设计工作装置败结构设计包括：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标的要求，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。3.3 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B的确定 3.4.1 动臂与铲斗、摇臂、机架的三个铰接点B、E、A的确定 3.4.1.1 确定坐标系如图3-2所示，先在坐标纸上选取直角坐标系，初选定长度比例尺。 3.4.1.2 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。 3.4.1.3 确定动臂与铲斗的铰接点B 由于B点的x坐标值越小，转斗铲取力就越大，所以B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B 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，但这样就缩小了B点与连杆铲斗铰接点C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B点与Y轴坐标值和x轴坐标值尽可能小而且不与斗底干涉的前提下，在坐标图上人为地把B点初步确定下来。(1) 以B点为圆心，使铲斗顺时针转动48o，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： （31）式中 轮胎动力半径， mm； 轮毂直径，mm； 轮胎宽度，mm； 轮胎断面高度与宽度之比。取0.7； 轮胎变形系数，普通轮胎为0.05。 3.4.1.4 确定动臂与机架的铰接点A （32） 圆整后取Rd=715mm。(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，此时，B点位置为，如图3-2所示。(4)以点为圆心，顺时针旋转铲斗48o，即得铲斗被举升到最高位置图(工况)。(5)连接B并作其垂直平分线因为B和点同在以A点为圆心，动臂AB长为半径的圆弧上，所以A点必在B的垂直平分线上。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处。A点位置的变化，可借挪动点和轮胎中心点的位置来进行。 3.4.1.5 确定动臂与摇臂的铰接点EE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E点在AB连线上方，其在AB连线上的投影点距A点45%处。相对前轮胎，E点在其外廓的左上部。 3.4.2 连杆与铲斗和摇臂的两个铰接点C、D的确定因为B、E两点已被确定，所以再确定C和D点实际上是为了是终确定与铲斗相联的四杆机构BCDE的尺寸。确定C 、D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。为此，建议按下述方法进行设计：按单摇杆条件设计六杆机构，连杆与铲斗铰点C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CD的有效分力较大，以发挥比较大的掘起力。通常BC与铲斗回转半径之间的夹角=100o120o；BC=（0.130.14）lD（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E布置在动臂两铰点的连线AB的中部偏上为m处。设计时初步取m=(0.110.18)lD，le=(0.450.50)lD，EF=（0.220.24）lD，DE=（0.290.32）lD。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E；将动臂由最低到最高位置时的转角分成若干等分，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BC的相应位置：、，并使它们互相平行；然后画出铲斗在最大卸载高度时的卸载位置（取卸载角），得。假设铲斗在最大卸载高度卸载时摇臂和连杆CD处在极端位置，即铰接点C、D、E位于同一条直线上，则连杆CD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，连接各点得一曲线，过点作此曲线的内包圆弧，则圆弧的圆心G即为与车架的交接点，圆弧的半径G既为转斗油缸的最小安装尺寸。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G为圆心，过点做此曲线的外包圆弧，圆弧N的半径G，即为转斗油缸的最大安装距离，转斗油缸的行程，按下式计算： （33）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。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AB联线附近或上方，并取。AH不可能取得太大，它还受到油缸行程的限制。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)和H点向B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。图34 动臂油缸铰接点的确定这个结论是显而易见的，因为由图35可知，两种结构的油缸的最小工作力臂均出观在铲斗被举到最高位置时，但图35（a）中小于图35（b）中的，并且都为锐角，而力臂大小为。所以，在相同条件下，中间铰接式油缸的最小输出力矩要比底部铰接式油缸的最小输出力矩大。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连线之上，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。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： （34）式中 动臂油缸的最大安装距离仍M 动臂油缸的最小安装距离MH。 AB= 2558 mm AH取1050 mm最小离地间隙一般 图36 动臂油缸的铰接位置作图知道图37 动臂油缸行程的设计油缸最大长度1644 mm ，最小长度963 mm ， （3-5）符合设计要求。 3.6.2 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，则应该满足下列要求： （333）在轨迹图中测量出： hx=3100mmhmax=3090mm Lx=1200mmlmin=1130mm所以满足和的要求。4 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，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水平力的作用。2) 铲斗水平插入料堆后，翻转铲斗(靠转斗油缸工作) 或提升动臂(靠动臂油缸工作)铲掘时，此时认为铲斗切削刃只受到垂直力的作用。3) 铲斗边插入边转斗或边插入边提臂铲掘时，此时认为水平力与垂直力同时作用在铲斗的切削刃上。综合上述分机可以得到如下六种工作装置的典型工况(图42)：1. 对称水平力的作用工况(图42a)水平力(即插入阻力PC)的大小由装载机的牵引力决定，其水平力的最大值为： (41) 此处根据已知取 （42） 装载机空载时的最大牵引力， 插入力。2. 对称垂直力的作用工况(图42b)垂直力(即铲起阻力)的大小受装载机纵向稳定条件的限制(图321)，其最大值为 （4-3）式中 W装载机满载时的自重； 装载机重心到前轮与地面接触点的距离；在此处取轴距的四分之一靠前。 （44）式中 L 轴距。 W整车重量。 W1满载时前桥负荷，取整机重量的75。3 平力与垂直力同时作用的工况(图42g)此时垂直力由式(43)给出，水平力取发动机扣除工作油泵功率后，装载机所能发挥的牵引力。4受水平偏载的作用工况(图42d)5受垂直偏载的作用工况(图42e)垂直力之大小与工况(b)相同。6受水平偏载与垂直偏载同时作用的工况(图42f)水平力与垂直力的大小与工况(c)相同。4.3 工作装置的受力分析在确定了计算位置及外载荷的大小后，便可进行工作装置的受力分桥。由于工作装置是一个受力较复杂的空间超静定系统，为简化计算，通常要作如下假设：1) 在对称受载工况中(图42 a、b、c)，由于工作装置是个对称结构，故两动臂受的载荷相等。同时略去铲斗及支承横梁对动臂受力与变形的影响，则可取工作装置结构的一例进行受力分析，如图(323a)所示，其上作用的载荷取相应工况外载荷之半进行计算，即： （45）在偏载工况中(图322d、e、f)，近似地用求简支粱支反力的方法，求出分配于左右动臂平面内的等效力 (图43b)： （4-6）由于，所以取进行计算。(图43b)中 (47)2）计算铲斗重量GD。铲斗的重量由两部分组成，一部分是围成铲斗的钢板的重量G1，另一部分是筋板、吊耳等附属装置的重量G，估算G的值为10G1，则 (48)又 (49)式中 S1铲斗侧壁的面积， t铲斗壁厚， S2斗底和后斗壁的面积， K档板面积， 钢板的密度（取=7850kg/m3）， g重力加速度（取g=10N/Kg），由前述可得 S1=0.886m2 t=0.01m S2=6.437 m2 SK=0.461 m2代入各项数据可得： 3)认为动臂轴线与连杆摇臂轴线处于同一平面， 则所有的作用力都通过构件(除铲斗外)断面的弯曲中心，即略去了由于安装铰座而产生的附加的扭转，从而可以用轴线、折线或曲线来代替实际构件。通过上面的分析与假设，就能将工作装置这样一个空间超静定结构，简化为平面问题进行受力分析。工作装置的受力分桥，就是根据上述各种工况下作用在铲斗的外力，用解析法或图解法求出对应工况下工作装置各构件的内力。下面以工况(c)为例进行受力分析，其他工况与此类同。(a)水平偏载（Pxa=295KN,PZa=0）如图44a所示，取铲斗为脱离体，根据平衡原理，分析铲斗的受力：由 （410） （411）由 （412）所以 （413）由 (414则 （415）如图324b所示，取连杆为脱离体，根据平衡原理，作用于连杆两端的力大小相等，方向相反，即： （416）由图示受力分析可知，连杆此时受拉。如图44c所示，取摇臂为脱离体，根据平衡原理，分桥摇臂的受力； 由 （417） (418)由 （419）由 （420）如图324d所示，取动臂为脱离体，根据平衡原理，分析动臂的受力： （421）由 （422）由 （423）b）垂直偏载（Pxa=0,Pza=116KN）与求水平偏载一样，如图44a所示，取铲斗为脱离体，根据平衡原理，分析铲斗的受力：由 （424） （425）由 （426）所以 （427）由 （428） （429）如图324b所示，取连杆为脱离体，根据平衡原理，作用于连杆两端的力大小相等，方向相反，即： （430）由图示受力分析可知，连杆此时受拉。如图44c所示，取摇臂为脱离体，根据平衡原理，分桥摇臂的受力； 由 （430） (431)由 （432）由 （433）如图324d所示，取动臂为脱离体，根据平衡原理，分析动臂的受力： （434）由 （435）由 （436）比较两种工况可知第5种典型工况受力比较大，故取第5种工况为例进行强度计算。4.4 工作装置的强度校核根据计算工况及其受力分析，即可按强度理论对工作装置主要构件进行强度校核。 4.4.1动臂动臂可看成是支承在前车架A点和动臂油缸上铰点H点的双支点悬臂梁(图45)，为简化计算，将动臂主轴线分为BI、IJ、JA等折线，分别求各段内的内力Q、N、M的值。动臂的危险断面一般在H点附近，在此断面上作用有弯曲应力和正应力： (MPa) （437）式中 M计算断面上的弯矩（）； N计算断面上的轴向力(N)； W计算断面的抗弯断面系数(m3) F计算断面的截面积(m2)。 （MPa） （438）式中 Q计算断面的剪力(N)； SZmax计算断面中性轴Z处的静矩（m3）； JZ计算断面时对中性轴Z的惯性矩（m4）； b计算断面的宽度（m）。因为动臂计算断面多为矩形，则 （MPa） （439）图45 动臂强度校核图强度计算中许用应力按下式选取 （440）式中 s材料的屈服极限，国内装载机工作装置的动臂以及摇臂多采用16Mn钢，其s=360MPa； n安全系数，设计手册中规定n1.11.5，考虑工程机械工作繁重，作业条件恶劣及计算上的失误，一般取n1.5，此处取n=1.8。则 MPa BI段：弯矩 (441)轴向力 (442)剪力 (443)参考柳工856型装载机，取动臂厚b=60mm，宽h=200mm则 m3 (444) F=bh=0.06x0.2=12x10-3m2 (445)将式(441)(442) (443) (444)及(445)代入式（437）和(439)得： IJ段：弯矩 (446)轴向力 (447)剪力 (448)参考柳工856型装载机，取动臂厚b=60mm，宽h=450mm则 m3 (449) F=bh=0.06x0.45=27x10-3m2 (450)将式(446)(447) (448) (449)及(450)代入式（437）和(439)得： 4.4.2 铰销装载机工作装置铰销的一般结构形式及受力情况，如图46所示。目前国内外一些工程机械工作装置上采用密封式铰销。所谓密封式铰销，就是铰销轴套的端部加一个密封圈，密封圈可以防止润滑剂泄露及尘土进入，因此可延长轴销和轴套销的使用寿命及减少定期润滑的次数，使日常维修工作所消耗的时间及费用减少。工作装置各铰销的强度计算都采用下面的计算公式：销轴的弯曲应力： （451） 销轴的弯曲应力； 计算载荷，为铰点所受载荷之半； 销轴弯曲强度计算的计算长度， ，式中L1、a、d的意义如图46所示； （452） W销轴的抗弯断面系数， 。销轴支座的挤压应力： （4-53）销轴套的挤压应力： （454）式中 轴套的支承长度。铰销材料选用40Cr,其S=800MPa,则 MPa现将各个铰销的参数列于下表：表41 铰销各参数及应力计算值 4.4.3 连杆装载机在作业过程中，连杆有时受拉，有时受压，需要同时进行强度计算及压杆稳定验算。其计算根据工程力学中所讲的方法进行。连杆的强度校核： （455）式中 F轴向力 A连杆截面积连杆材料选用16Mn钢，其屈服极限s=350MPa，即 = s/n=360/1.8=200MPa作用在连杆上的作用力由图324b中有： 则 m2取连杆截面为圆形截面，直径D=80mm，则 压杆稳定校核：连杆的材料取16Mn钢，查表可得：E=210MPa,s=350MPa,p=280MPa,a=461MPa,b=2.568MPa （456）将连杆简化成一端铰支一端固定的梁，即=0.7，则 （457） （458）因为1,所以不能用欧拉公式计算临界压力。由经验公式知 （459）因为2,所以cr=s=350MPa Fcr=Acr=1758KN （460）由于铲斗额定载荷为50KN，斗重为7.487KN，所以连杆压力为： Fmax=(50+7.487)cos7o=57KN （461）所以 （462）满足压杆稳定的要求。 4.4.4 摇臂摇臂的危险截面处于E点附近，在次截面上作用有弯曲应力和正应力，计算方法与动臂相同，将摇臂主轴线分成DE、EF段分别计算其内力。如图47。DE段：轴向力 剪力 弯矩 摇臂材料选用16Mn，其屈服极限s=360MPa，n=1.8,则 =360/1.8=200MPa截面MM处的正应力和剪应力按如下公式计算： (MPa) （437）式中 M计算断面上的弯矩（）； N计算断面上的轴向力(N)； W计算断面的抗弯断面系数(m3) F计算断面的截面积(m2)。 （MPa） （438）式中 Q计算断面的剪力(N)； SZmax计算断面中性轴Z处的静矩（m3）； JZ计算断面时对中性轴Z的惯性矩（m4）； b计算断面的宽度（m）。因为动臂计算断面多为矩形，则 （MPa） （439）E点横截面图形见图48。将此截面在AutoCAD中做成面域，查询可得 所以 图47 摇臂强度计算简图EF段：轴向力 剪力 弯矩图48 摇臂E点截面形状图 和DE段一样，此处截面NN如图48。 5 装载机工作装置中油缸作用力的确定目前大多数装载机的工作装置只有两种油缸：动臂油缸和转斗油缸。推压(变幅)油缸则采用较少。动臂油缸与转斗油缸的作用力有两种情况：油缸推动机构运动时的作用力为主动作用力(简称工作力或作用力)，其最大值取决于液压系统的工作压力和油缸直径(活塞作用面积)；工作装置工作时作用于闭锁状态的油缸上的作用力为被动作用力，其最大值取决于液压系统的过载阀压力值和承载活塞面积。如工作装置的动臂油缸不动，靠转斗油缸转动铲斗而进行铲掘作业时，则转斗油缸所产生的作用力为主动作用力，动臂油缸所承受的作用力为被动作用力。当油缸最大被动作用力大于外载荷的作用力时，油缸无回缩现象，否则因过载阀打开而溢流，使油缸发生回缩。油缸作用力的分析与确定是装载机设计中的重要内容之一，分析装载机的工作情况可知，为保证装载机正常而有效地工作，油缸作用力应能保证装载机工作时发挥最大的铲起力Ng，使铲斗装满，同时动臂油缸的作用力还应保证把满斗的物料提升到所需的卸载高度与卸载距离。所以最大铲起力Ng是确定油缸作用力的依据。确定了工作装置油缸作用力和可能产生的被动作用力后，便可按选定的液压系统的工作压力设计油随所需之缸径，并选定过载阀之压力。至于油缸行程，如前所述，它由工作装置结构方案决定。工作装置的结构方案，也影响各油缸在主动和被动状态下的作用力，所以确定油缸作用力要在工作装置的结构方案、构件尺寸与铰接点位置选定之后进行。进行分析与计算。表51转斗油缸参数缸径DD1 CDYPMXC+MREW2EEKKA（长）25029918090110500+s100100M482M953*-110表52动臂油缸参数缸径DD1 CDYPMXC+MREW2EEKKA（长）140166806595630+s7070M422M682*-75 5.1 转斗油缸的选择1）转斗油缸作用力的确定。由图51所示，装载机在铲掘工况，动臂油缸闭锁，转斗油缸发出最大崛起力时，其主动力按下式计算： （51）式中： K考虑连杆机构摩擦损失的系数，取K1.25； 最大铲起力； 铲斗自重； n转斗油缸数。其中 根据载荷和系统压力计算油缸内径D 。当油缸大腔进油，活塞杆承受推力P1 （52）即 式中： D油缸内径； p系统压力； 油缸机械效率，对于橡胶密封=0.95。由于 则 在系列中取D=250mm. 3）确定活塞杆直径d 速比，压力较大时选用大值，此处取则 ， （53）图5-1 油缸主动力的计算简图取系列值d=180mm. 4)计算油缸壁厚 （54）式中： py试验压力，取24MPa； 许用应力，油缸材料选用45号钢，其b=700MPa，n=5,即所以 在系列中取=24.5mm根据上述数据选用油缸型号为HSGF250/180354x854. 5.2 动臂油缸的选择1）动臂油缸主动力的确定由图5-1所示，当转斗油缸闭锁，动臂油缸产生最大崛起力时其主动力按下式计算： （55）式中 ：K2考虑连杆机构摩擦损失的系数，取K21.25； 最大铲起力； 动臂自重，在CAD中求得其面积，并算出体积从而求得Gs约为30KN； n转斗油缸数。 PF未考虑连杆机构摩擦损失的转斗油缸被动力根据载荷和系统压力计算油缸内径D 。当油缸大腔进油，活塞杆承受推力P1 （56）即 式中 ：D油缸内径； p系统压力； 油缸机械效率，对于橡胶密封=0.95。由于则 在系列中取D=140mm. 3）确定活塞杆直径d速比，压力较大时选用大值，此处取则 ， （57）取系列d=80mm.4)计算油缸壁厚 （58）式中：py试验压力，取24MPa； 许用应力，油缸材料选用45号钢，其b=700MPa，n=5,即所以 在系列中取=13mm 根据上述数据选用油缸型号为HSGF140/80700x1330.5.3 转斗油缸与动臂油缸被动作用力的确定转斗油随和动臂油缸的被动作用力P4、P4，是根据装载机在工作中， 工作装置受力最大的计算工况确定的。因此，可直接利用本章第四节强度计算中六种工况的计算结果，取其中的最大值作为转斗油随和动臂油缸的被动作用力。据此可以确定液压系统过载阀的调定压力。通常过载闷的调定压力要比油缸最大被动力大20左右。6. 工作装置的限位机构装载机工作时，为使操纵方便，提高劳动生产率，要求在工作装置的结构设计小，对铲斗在地面时的后倾角，一般不小于，在最大卸载高度时的卸载角(或前倾角)，般不小于。对动臂提升与下降的高度进行控制与限位。因此，需要有相应的限位装置与限位机构。此外，当铲斗在某一卸载高度卸载后，要求自动控制铲斗卸载后的后倾角，使之放下动臂时、铲斗能自动放平。因此需要有铲斗自动放平机构。6.1 铲斗转角限位装置铲斗转角限位装置通常采用简单的档块结构。如图61所示，把挡块直接焊在铲斗后斗壁将面上，挡块4用来限制铲斗的后倾角，档块B用来限制铲斗的前倾角，与之相对应的挡块则分别焊在工作装置的动臂或横梁上。作业时，装载机水平插入料堆，然后操纵转斗油缸使铲斗上翻，在运输位置的铲斗后倾到45。时，铲斗上的挡块4与动臂或横梁上相应的档块相碰(图61b)铲斗即停止上翻。由于转斗油缸控制阀尚未回到中立位置，故油泵继续向转斗油缸供油，造成液压系统的压力超过过载闷调出压力，过载闷打开，避免机构损坏。铲斗前倾角的限位原理与上述一样，在最大卸载高度的铲斗前倾角达到时，铲斗上的挡块B与动臂或横梁上相对应的挡块相碰(图328a)，铲斗即停止前倾。铲斗前倾角的限位挡块的作用是有利于铲斗中物料的倒净。当装载粘性物料时，可以来回搬动转斗油缸控制阀，使铲斗和限位挡块碰撞，使物料抖落倒净。6.2 动臂升降的自动限位机构动臂升降自动限位机构的作用是把动臂油缸控制阀放于提升(或下降)位置，提升(或下降)到一定高度时，动臂油缸控制阀自动地返回中立位置。动臂升降的自动限位机构通常采用动臂油缸控制阀自动复位结构。如图62所示，气控阀5安装在动臂后铰接点处，并由可调的凸决4控制，凸块安装在动臂后铰接点上，随动臂铰接点一起转动。气控阀的进气口与贮气罐相连，出气口与动臂油缸控制阀7的进气口相连。当操纵动臂上升时，控制阴借定位机构使动臂操纵杆停留在上升位置；当动臂提升到最大高度队凸块与气控阀的触头相碰使气控阀打开，压缩空气(一般不超过8公斤厘米2)进入动臂油缸控制阀的进气口，推动控制阀里的活动柱塞移动，使定位机构失去定位作用，控制阀便在回位弹簧作用下返回中间位置(可参阅ZL50装载机分配阀)，动臂即停止上升动臂下降的自动限位原理与上述相同。7装载机工作装置三维实体建模7.1 Pro/E软件介绍ProE中主要用到它的三维实体建模技术、装配技术。ProE中的三维实体模型除了可以将用户的设计思想以最真实的模型在计算机上表现出来之外，借助于系统参数(Sygtem paraneter)，用户还可随时计算出产品的体积、面积、重心、重量、惯性大小等，以了解产品的真实性，并补足传统面结构、线结构的不足。ProE中零件装配是通过定义零件模型之间的装配约束来实现的，也就是在各零件之间建立一定的链接关系，并对其进行约束，从而确定各零件在空间的具体位置关系。可以说，零件之间的装配约束关系就是实际环境中零件之间的设计关系在虚拟环境的映射。因此，如何定义零件之间的装配约束关系是零件装配的关键。在PmE中改变个别零件，在装配体中的零件将得到相应的修改。建立起来的装配体可以生成分解图，从而可以直观地观察到零件之间的设计关系，并且用户也可以从装配体中生成工程装配图。7.2 工作装置零件建模在传统的工程设计中，设计人员首先在头脑中形成产品的三维轮廓，然后在图纸上利用二维工程图表示，其他设计人员以及工艺 生产等不同部门的人员再通过二维图纸将产品还原为三维影像。由于图纸的错误和理解的偏差，设计人员的意图并不总能完全实现，因而设计制造的周期较长，产品的质量也受到影响。在产品的形状和结构较为复杂的时候尤其如此。因此三维化设计应该是发展趋势。三维模型的发展经历了由线框、曲面到实体的过程。实体模型最真实的反映三维形体的特性，不但包括了形体的几何轮廓，而且由于实体有密度属性，因而可以进行质量计算、干涉检查等操作。基本特征是建模时创建的第一个特征，是零件结构的基本要素。基本特征以后的其他特征依赖于基本特征。基本特征可以是实体特征，也可以是基准特征，正交基准平面就常常被用作基本特征。在Pro/E中进行零件设计的步骤是先创建基本特征，然后添加结构特征。开始做零件之前，应做好充分的准备工作，明确设计意图。认真考虑设计的关键尺寸，可以变动的尺寸与尺寸之间的关系，在装配时与其他零件的装配关系等。由于在Pro/E中实体模型可以有多种不同的生成方法,采取何种方法更为合理、高效,需要有一个经验积累过程。一般来说，要根据图形的形状选择生成模型的方式。草图绘制尽量简化，最好不要绘制过渡圆角、倒角等非关键性信息。如果要像绘制二维工程视图那样绘制草图,效率会很低,实践证明也没有这个必要。因为在Pro/ENGINEER中我们可以对实体进行各种编辑操作，如倒圆角。再就是如果草图绘制过于精细,再生成模型时会耗尽计算机资源,使得三维模型生成速度很慢且易出现问题。 7.2.1 动臂的生成图7.2.1动臂建模主要采用拉伸，首先选定草绘平面进入草绘模式，绘出动臂二维草图，然后进行拉伸生成动臂三维实体，再在其上打孔，应注意保证主要尺寸的准确性。对另一个动臂我们可以用复制的方法得到。 7.2.2 铲斗的生成图7.2.2铲斗采用拉伸方法建立基本体，用抽壳功能形成基本壳体。在基本体上添加加厚板以及肋板特征。添加耳特征时只需建立耳特征的一个面，然后采用镜像复制命令就可以完成肋板的设 7.2.3 底座的生成图7.2.3底座 7.2.4 连杆的生成图7.2.4连杆连杆的生成比较简单，主要采用了拉伸命令，需要注意的是在草绘截面时尺寸的标注，要保证主要尺寸的准确，比如两孔中心距。7.2.5摇臂的生成图7.2.5摇臂 7.2.6 液压缸筒的生成图7.2.6液压缸筒液压缸模型结构及尺寸参看机械设计手册，主要采用拉伸生成，需要注意的是尾部联结油管的内部结构和建立方法。 7.2.7 液压缸活塞的生成图7.2.7液压缸活塞其结构和尺寸需参看机械设计手册，也主要采用拉伸生成，注意也要加上密封槽。8. 工作装置装配模型建模零件设计完成后，往往需要根据设计要求对零件进行装配。在Pro/ENGINEER的装配模块中，通过定义零件之间的位置约束关系，可以把子零件装配成一个装配件，并检查零件之间是否有干涉以及装配体的运动情况是否合乎设计要求。同时在生成装配体过程中，用户可以根据需要添加生成新的零件和特征。使用Pro/E 进行装配设计有两种基本方法，示意图如图8.1.1所示。 在上面两种方法中，第1种方法相对第2种方法是比较低端的方法。因为在真正的概念设计中，（a）由底向上的设计方法(b)由顶向下的设计方法图8.1.1Pro/E的装配件设计方法很少利用一个零件来控制整个装配体的设计，往往都是在拿出产品的外在概念和功能概念后，逐步 对产品进行设计上的细化，直至细化到单个零件。比如设计一种新型号的汽车，先由设计师拿出汽车外观的概念图，然后由底盘工程师和车身工程师一起进行汽车的布局协调，根据协调的结果，得到各自部分布局的概念图，在这个布局概念的基础上进行零件的细化设计。由此可以看出，在对产品总体设计上，以由顶向下的设计方法更为贴近实际一些。但是由底向上的设计方法并不是一无是处，对于一些已经比较成熟的产品设计过程，采用这种设计方法效率反而高一些。在实际的装配过程中通常混合使用这辆中设计方法，以发挥各自的优点。比如本次对矿用小型装载机的改造设计，由于该项设计在技术上已经比较成熟，所以采用第一种方法比较合适。前面已经生成矿用小型装载机的各种底层零件的三维模型，然后采用由底向上的装配设计方法对这些零件进行空间定位来生成装配件。在装配件设计时，可以根据需要对装配件中的零件进行修改，比如修改零件尺寸，移动零件在装配件中的位置，生成新的特征等。对于一个装配件，当其中所有的零件都被完全约束时，这种装配件就称为参数化的装配件，否则就是非参数化的装配件。下面对本次装载机工作装置模型的装配设计过程作简要叙述：8.1 底座模型装配进入装配界面调入图7.2.3所示底座实体模型，点选图8.1.2所示按扭固定主体模型。在元件放置对话框中点确定。 图8.1.28.2 动臂模型装配调入图7.2.1所示动臂实体模型，在元件放置对话框中点“连接”(图8.1.3)在连接类型中选“销钉”（图8.1.4），约束类型1为“轴对齐”分别在动臂模型和底座模型上选择需要对齐 的轴线。约束类型2为“平移”，分别在两实体上选择要匹配的面，系统会自动调节模型位置，可以点选“反向”按钮改变模型方向，在“约束偏移”框中输入偏移尺寸（如图8.1.5）可以调节匹配面间的间隙，点选“移动”（图8.1.6）进入移动界面，（如图8.1.7）选“旋转”，用鼠标在图区点选动臂模型，然后拖动鼠标可以调节动臂角度，点中键终止操作，点“确定”完成动臂模型装配。 图8.1.3 图8.1.4 图8.1.5 图8.1.6 图8.1.78.3 铲斗模型装配调入铲斗模型，动臂和铲斗的连接类型也属于销钉连接，分别选取铲斗模型和动臂模型需要对齐的轴，然后选择匹配平移面，操作方法同动臂装配操作方法。8.4 液压缸体模型装配 第一步：缸筒与底座的连接缸筒与底座的连接属于销钉连接，操作方法同前所述。旋转缸筒角度使其基本接近和动臂连接的角度。第二步：活塞杆与缸筒和动臂的连接活塞杆与缸筒之间能够自由伸缩，所以连接类型选用“圆柱”连接。 “圆柱”连接类型只有一个轴对齐约束，分别选取缸筒和活塞杆的中心轴，点选“移动”按扭选择“平移”，调整活塞杆在缸筒中的位置。在元件放置对话框中点“+”按扭（图8.1.8）增加一个“销钉”连接类型，分别选取活塞杆前端环和动臂连接轴孔的轴线，然后分别选取活塞杆前端环和动臂需要匹配的面，输入偏移尺寸，系统自动完成活塞杆与动臂的装配连接，点“确定”退出。图8.1.8第三步：缸盖模型的装配调入缸盖模型，在连接类型中选取“刚性”连接，在约束中选“匹配”选择缸的前端面和缸盖内端面进行重合匹配，再增加“插入”约束，分别选取缸盖曲面和缸体曲面，系统自动完成缸盖的装配连接。8.5 摇杆模型的装配连接摇杆模型与动臂模型装配连接也采用销钉连接操作方法同上所述。8.6 连杆模型与铲斗模型和摇杆模型的装配连接在装配连杆时首先选取和摇杆的连接或和铲斗的连接为“销钉”连接，操作过程同前所述。其次选取连杆的另一端与铲斗或摇杆的连接为圆柱连接，操作过程同前所述。这样就完成了连杆模型的装配。8.7 销钉模型的连接销钉的连接选用“刚性”连接，首先选取“插入”约束，选择销钉曲面和要插入的孔面，其次选取“匹配”约束，选择销钉盖内表面和需要匹配的面完成重合匹配，最后点“确定”结束。 (a) (b)(c)(d)图7.2.8装载机四种不同工况下的装配模型8.8 本章小结本章主要介绍了本次所设计的矿用小型装载机工作装置的主要零件的三维实体建模方法和模型的装配设计过程。需要提出的是在建模过程中，对于不同生成方法的选择应尽可能采用简单方法，采取能简则简的原则，这样能大大提高设计效率。对于细节问题一般放在设计最后统一进行。如倒角、渲染效果等。在装配设计中需要注意的是各模型之间连接类型和约束的选择，正确的选取连接类型和约束，能够确保后续动态仿真的实现。本次设计的主要任务是矿用小型装载机工作装置的动态模拟设计，但为了美观,根据车体的基本结构和基本尺寸也生成了车体,如图3.2.9所示为本次设计装配的装载机在几种不同情况下的装配模型。9 装载机工作装置运动仿真9.1 概述完成装载机工作装置的装配模型设计后，就要开始进行本次设计的核心内容装载机工作次试验才确定的。可能因为初次设计，缺乏经验的原因，但也能够看出正确的装配方法是确保运动仿真能够实现的关键。在Pro/ENGINEER的“机械（ Mechanism）”模块中，将“机械”模型带入到“设计动画”中来创建一个动画序列。9.2 创建装载机工作装置的机械运动仿真 9.2.1 连接轴设置本次设计只对大臂连接轴进行了设置，对其余连接轴均采用默认设置。大臂连接轴设置过程如下：打开工作装置的装配模型文件，点选主菜单上的“应用程序”弹出其下拉菜单，然后点选“Mechanism”进入机械模块界面。接着选择“Mechanism”，弹出其下拉菜单，点选“拖动”命令。出现“拖动”对话框，如图4.2.1所示。然后选取装配模型中的大臂上的一点，用鼠标对其进行托移。建议在托移过程中将铲斗锁定。具体方法:先点选“拖动”对话框中的“约束”选项卡，如图4.2.1所示。再点选标签，如图4.2.2所示，然后选取铲斗与大臂的连接轴，这样就锁定了铲斗，在拖动大臂过程中铲斗将保持不动。图4.2.1 图4.2.2将大臂托移到铲土工况时的位置，也就是图3.2.9(a)所示大臂位置，然后关闭“托动”对话框。选择“Mechanism(M)”下拉菜单中的“连接轴设置”命令，系统弹出如图4.2.3所示的“连接轴设置”对话框，在该对话框中进行下列操作：在装配模型中选择大臂与底座的连接轴，系统加亮所选取的轴，该连接轴名称Connection_1.axis_1显示在对话框中，同时该接头中的第一主体底座显示绿色，第二主体大臂显示青色。清除复选框并单击“生成零点”。系统便将当前“连接轴位置”设置为零。点“限制”按钮系统显示如图4.2.4所示的界面，选中该界面中的复选框，再分别在“最小”和“最大”文本框中键入0和81。这样就限定了该连接轴，即大臂的运动范围。单击“连接轴设置”对话框中的“确定”按钮。完成该连接轴设置。再次拖动大臂可验证所定义的极限已经起作用了。图4.2.3 图4.2.4 9.2.2 创建快照可通过创建快照操作使工作装置的某个位置保存下来，以便下次查看。本次设计对装载机的工作装置在几个不同工况中的位置均创建了快照，具体方法如下：将工作装置拖动到需要创建快照的工位，在“拖动”对话框中点选“快照”选项卡，然后单击按钮就完成了一次快照创建。 9.2.3 定义伺服电动机伺服电动机是以单一自由度在两个主体之间强加特殊运动。向模型中添加伺服电动机，是为运动运行作准备。伺服电动机通过将位置、速度或加速度指定为时间的函数来形成运动轮廓，主要有以下函数：常量：y=A，A=常量；该类型用于定义恒定运动。斜插入：y=A+B*t,其中，A= 常量，B=斜率；该类型用于定义恒定运动或随时间成线性变化的运动。余弦：y=A*cos(2*Pi*t/T+B)+C, A=振幅，B=相位，C=偏移量，T=周期；该类型用于定义振荡往复运动。摆线：y=L*t/TL*sin(2*Pi*t/T)/2*Pi, L=总上升数，T=周期；该类型用于模拟一个凸轮轮廓输出。表：通过输入一个表来定义位置速度或加速度与时间的关系，表文件的扩展名为.tab，可以在任何文本编辑器创建或打开。文件采用两栏格式，第一栏是时间，该栏中的时间值必须从第一行到最后一行按升序排列；第二栏是速度、加速度或位置。可以在连接轴或几何图元上放置伺服电动机.对于一个图元,可以定义任意多个伺服电动机.本次设计的装载机工作装置模型中共定义了八个伺服电动机,其中六个定义在铲斗与举升臂的连接轴上,主要用来控制铲斗的翻转运动.另外两个电动机都定义在举升臂与底座的连接轴上,两个电动机运动方向相反,用来举臂和落臂.定义伺服电动机的具体操作如下:选择“Mechanism(M)”下拉菜单中的“伺服电动机”选项，系统弹出“伺服电动机”对话框，单击该对话框中的“新建”按钮。弹出如图4.2.5所示的“伺服电动机定义”对话框，在该对话框中进行下列操作。（1） 键入伺服电动机名称：在该对话框中的名字文本框中键入伺服电动机名或采用系统默认名。（2）选择连接轴：单击对话框中的“类型”标签在该界面下进行下列操作。图4.2.5a.单击“从动实体”区域中的，从弹出的下拉列表中选择“连接轴”（默认选项）b.在装配模型上选中所要定义
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