南京工业大学铲土运输机械装-

1、第四节 装载机工作装置设计一、工作装置概述 1. 工作装置的组成 工作装置是装载机的重要组成部分,装载机的铲装、翻斗、提升以及卸料都是通过工作装置的有关运动来实现的。装载机的工作装置是由铲斗、动臂和用来转动铲斗、升降动臂的液压缸、连杆机构组成。2. 工作装置的要求1. 铲斗的运动轨迹符合作业要求,要满足铲掘、装载的要求。希望铲掘力大、易于装满料,并要求动臂在提升过程中,铲斗应保持接近平移的运动,以免斗中物料撒落。2. 要满足卸载高度和卸载距离的要求, 并保证动臂在任何位置都能卸净铲斗中的物料。 3. 在满足作业要求的前提下,工作装置结构简单,自重轻,受力合理强度高。 4. 应保证驾驶员具有良好

2、的工作条件，确保工作安全，视野良好，操作简单和维修方便。 3、工作装置的运动 在提升动臂过程中,动臂与车架的夹角 变化,引起铲斗相对于动臂的夹角 随之变化,即铲斗相对于动臂产生了转动。因此,动臂举升时,斗在空间的运动,可视为斗随动臂一起绕定点转动的牵连运动和相对动臂转动的相对运动的合成。若动臂相对车架转过,而通过闭锁的转斗油缸、连杆和摇杆使铲斗相对动臂转过,则铲斗相对车架的实际转角为=+若要求铲斗在提升过程中,保持平移或接近平移,则和数值相等,方向相反,= 。否则铲斗的倾角将变化。3、工作装置的运动 如果选挥得当,则可以满足铲斗在提升过程中,有前后摆动,但不超过15的要求。装载机由于构造上的原

3、因,很少采用真正的平行四边形的连杆机构，这样就不能使铲斗在举升过程中,保持完全平移,但可以合理的选择连杆、动臂以及油缸之长度,以及油缸与车架铰点的位置。如果转斗油缸活塞行程设计合理,亦能满足动臂在任何位置时部能卸载,其卸载角大于45的要求。按结构型式分为有铲斗托架和无铲斗托架两种。4.装载机工作装置类型有铲斗托架的工作装置是由铲斗、动臂、托架、连杆、转斗油缸和动臂油缸等组成无铲斗托架的工作装置是由铲斗、动臂、摇臂、连杆、转斗油缸和动臂油缸等组成。(1)有铲斗托架的工作装置有铲斗托架的工作装置,是最简单的四连杆机构,由四个两铰构件(机架.动臂.连杆和托架)组成。动臂、连杆的后端与车架铰接,前端与

4、铲斗托架铰接,托架上部铰接转斗油缸体,活塞杆及托架的下部与铲斗铰接这种四连杆机构能使铲斗在动臂提升过程中,当转斗油缸闭锁时,保持平移或接近平移,而且构造简单,易于更换其它工作装置。因动臂前端装设自重较大的托架和转斗油缸, 减少了载重量,并影响了司机视线,故少用(2)无托架的工作装置这种型式的连杆机构种类很多，按组成连杆的数目可分为六连杆、八连杆两种类型。无托架的工作装置, 前面没有笨重的托架,动臂后端与车架铰接,前端直接与铲斗铰接,转斗油缸铰接在车架上,活塞杆通过摇臂、连杆控制铲斗的翻转。 1) 六连杆 六连杆由两个三铰构件和四个两铰构件组成。它均以三铰构件1为动臂,构件2为铲斗,构件4为摇臂

5、,构件6为机架。这种连杆机构按运动状态可分为正转连杆机构和反转连杆机构。正转六连杆机构但动臂、摇臂、连杆及转斗油缸的中心线不易布置在同一平面内，工作装置受力不好，一般小型装载机有时采用这种型式。转斗油缸布置在动臂下面在铲掘作业转斗时,是以油缸大腔作用,故能产生较大的铲起力。1 正转六连杆机构1 正转六连杆机构转斗油缸布置在动臂的前上方小腔作用时实现铲掘油缸及活塞靠近铲斗,易被所装载的物料损伤, 工作装置整个重心外移,影响装载重量优点是动臂、连杆、摇杆及转斗油缸有可能布置在同一平面内,工作装置受力较好,履带式装载机常采用这种布置方式。1 正转六连杆机构结构布置简单方便。转斗油缸布置在动臂的上方铲

6、掘时靠小腔作用油缸及活塞稍离铲斗, 避免被所装载的物料损伤转斗油缸布置靠近铲斗,铲掘时靠小腔作用,缺点见前,这种机构现已少用2 反转六连杆机构转斗油缸铰接固定在车架上,铲掘时靠大腔作用,大中型装载机常采用这种布置方式。在这种结构型式中,有两个摇臂,所以又称双摇臂连杆机构。最常见的有三种型式。 2) 八连杆 正转八连杆反转八连杆此正转八连杆,在铲掘时靠大腔作用,铲起力大, 工作装置重心靠近机身,有利于提高整机的稳定性,但因受结构限制,布置会有困难。此正转八连杆,在铲掘时是靠小腔作用,但结构简单,布置方便。此为反转八连杆,是由两个反转四连杆和一个正转四连杆组成5.连杆机构的性能分析及类型选择各类连

7、杆机构的运动特点,铲起力大小和变化规律都不相同, 在选型上,可根据作业对象和作业方式,并考虑到结构简单、合理,而且能满足工作要求等因素进行选择。(1)正转六连杆机构其最大铲起力是当r0时,即在铲斗进行地面挖掘作业时最为有利。当转斗油缸闭琐,而提升动臂时,铲斗收斗角增加很快,适宜于依靠动臂的配合,铲取物料(即挖掘机采掘法)。(1)正转六连杆机构由于铲斗收斗角随动臂提升而增加很快,如使动臂在最大提升位置时之铲斗后倾角合宜,则必将造成动臂在下部运输位置时收斗角不够大，造成运输时易撒料。(1)正转六连杆机构在转斗卸料时,角速度较大,虽易于抖落斗中物料,但却容易引起对运输车辆的卸料冲击,影响驾驶员安全和

8、车辆寿命。P190在作业过程中，各杆件干涉少，动臂的几何形状可作成直线，省工省料，各杆件可以布置在同一平面内，杆件受力好。(1)正转六连杆机构 正转六连杆机构, 铲起力随r角的变化曲线陡峭, 在铲挖位置转斗时,铲起力将急刷减少,其连杆传动比亦较小,当采用在大型装载机上,为提高连杆传动效率, 需加大连杆尺寸,这将给结构布置带来困难,且影响司机视线,故这种连杆机构比较适用于建筑工地上建筑材料的装载和砂土材料的铲掘作业,但不适合坚实物料的铲掘作业和搬运工作。(2)正转八连杆正转八连杆的铲起力曲线变化比较平缓。动臂提升后，铲掘力变化小，铲斗收斗角变化亦小，因此铲斗在最下运输位置时，物料不会撒出。(2)

9、正转八连杆铲斗转斗卸料时，速度亦大，亦易卸料。与六连杆相比，其铰点多，磨损后松动亦大，维修费时，但其传动比大，用在大型装载机上,可减小连杆尺寸，改善司机视野。(3) 反转六连杆反转六连杆，在铲掘位置时，传动角大(连杆与从动杆中间的夹角)，转斗油缸又是大腔作用，因此能产生较大的铲起力。其最大铲起力是在r0时，故在铲掘位置转斗时，其铲起力是随r角的增大而逐渐增加，以后亦略有增加。卸载时,转斗角速度小,易于控制卸料速度,减少卸料冲击,很明显,在卸载后期,卸载速度有所下降。(3) 反转六连杆动臂在升降时,收斗角变化不大,因而在不影响动臂最高位置时卸料角度的条件下,可增加运输位置时的后倾角,这样可提高装

10、满程度,且减少运输时撒料情况。便于实现铲斗自动放平，提高功效。(3) 反转六连杆反转六连杆机构优点较多，得到广泛的应用，特别适合坚实物料的采掘和搬运。但这种连杆机构，摇臂下部在装车时易与车辆侧板相碰。反转六连杆仅适合于轮式装载机，因为履带式装载机的发动机常为前置式，这对反转六连杆机构，在布置上有一定困难，较少采用。二、工作装置结构设计工作装置结构设计的内容1)分析铲斗的结构,确定铲斗的型式；2)根据铲斗斗容的要求,确定其几何形状及几何参数；3)根据卸载高度和距离的要求,以及装载机本身的实际条件,确定动臂的形状、长度和车架的铰点位置；4)设计连杆机构。 1.铲斗设计(1) 铲斗设计的要求1)插入

11、及掘起阻力小,作业效率高；2)铲斗工作条件恶劣,时常承受很大的冲击载荷及剧烈的磨削,要求铲斗具有足够的强度和刚度及耐磨性；3)根据所铲装物料的种类及重度的不同,设计不同结构型式及不同斗容的铲斗。根据装载物料的容重,一般铲斗常做成三种类型：正常斗容铲斗增加斗容铲斗减小斗容铲斗用来装载容重14一16kN/m3的物料(如砂.碎石.松散泥土等)斗容一股为正常斗容的1.4-1.6倍,用来铲装容重10kN/m3的物料(煤、煤渣等)斗容为正常斗容的0.6-0.8倍,用来装载容重大于20kN/m3的物料(如铁矿石.岩石等)。(2)铲斗的构造铲斗主要由切削刃1、侧壁切削刃2、斗底3、后斗壁4、档板5、角板6、耐

12、磨板7、护板或支脚8组成。普通常用铲斗斗体通常都是用低炭、耐磨、高强度钢板焊接而成。切削刃的形状大致可分为直刀刃、V形刀刃、直刃带斗齿和V形刃带斗齿四种切削刃的形状直线形刀刃适用于铲装轻质或松散小颗粒物料,可利用刀刃作刮平、清理等工作V形刀刃便于插入料堆,有利于改善作业装置的偏载,适于铲装较密实的物料.但因为其刃口突出,影响卸载高度.铲斗的斗齿 斗齿的作用是在铲斗插入料堆时,减少刀刃与料堆的作用面积,使插入力集中在斗齿上,容易插入缝隙,破坏物料结构因而带齿的铲斗具有较大的插入力,适于铲装大粒度矿石和坚实物料齿形的选择应考虑插入阻力和耐磨两个因素, 及易于更换.尖齿(长而窄)插入力较强,但不耐磨

13、,钝齿(宽而短) 较耐磨,但插入阻力大,一般轮式装载机多用尖齿,履带式多用钝齿斗齿分为整体式和分体式两种。铲斗的斗齿斗齿的数目由斗宽而定,一般平均齿距约为150一350mm.斗齿间距过小,易于撒料,插入阻力反而增大,有害无利。整体式分体式中小型装载机多用整体式分体式斗齿分为基本齿和齿尖两部分大型装载机作业条件恶劣,斗齿损坏严重,常用分体式。磨损后只需更换齿尖。侧壁切削刃直线形侧壁切削刃折线形侧壁切削刃侧壁切削刃的形状对插入能力有影响。折线或弧线形铲斗侧刃的插入阻力比直线形侧刃要小。折线或弧线形侧壁深度较浅,物料易于从两侧撤落,影响铲斗的装满,这种形状的铲斗适用于铲装岩石。(3)铲斗的几何断面形

14、状和基本参数的确定铲斗的几何断面形状由的圆弧半径R1，张开角r0，后壁高度h，底壁长和铲斗宽度B五个参数确定。铲斗的宽度应大于前轮外缘宽度,每侧大出50一100mm,以保护轮胎不受损伤,底壁相对于地面有一定倾角,以减少摩擦阻力并保护底壁。1 铲斗的几何断面形状2 铲斗的宽度3 铲斗几何尺寸的确定设计铲斗时,可参照同类型铲斗,选择各参数；也可利用相似原理,把经过实践使用证明是比较合理的斗型作为新铲斗的基型进行相似设计。在选择各种参数时,以铲斗回转半径R0(指铲斗与动臂连接铰点至切削刃口的距离)作为基本参数，其他参数作为R0的函数。铲斗横截面积铲斗的斗容0sVSBVS 平装斗容量(几何斗容),设计

15、任务书给定,m3S 铲斗横截面积,m2B0铲斗内净宽度,mLP193,铲斗回转半径R0B0铲斗内净宽度,mg 铲斗斗底长度系数，g 斗底长度,铲刀切削刃至斗底与后斗壁延长线交点的距离。LP194,P208z 后斗壁长度系数，铲斗回转半径R0z后斗壁长度, 由后斗壁上缘至斗底延长线相交点的距离。k 挡板高度系数k 挡板高度,(m)b 斗底和后斗壁直线间的圆弧半径系数R1 铲斗圆弧半径,(m)0 斗底与后斗壁间夹角,又称斗张开角铲斗回转半径R01 挡板与后斗壁间的夹角，已知平装斗容量VS、B0,只要选定0、 1的值,并选定g、z 、k、b后,即可求得基本参数 R0由R0来确定其他参数的值,则可绘出

16、铲斗内壁横断面的形状。hb 铲斗与动臂铰销距斗底的高度其它参数0 铲斗侧壁切削刃相对于斗底的倾角,0 切削刃的削尖角,选择 1 (挡板与后斗壁间的夹角)时,使侧壁切削刃与挡板的夹角为 90(4) 铲斗斗容的计算铲斗的基本参数确定后，根据铲斗的几何尺寸就可以计算铲斗容量。1 几何斗容(平装斗容)对于有挡板的铲斗S 铲斗横断面积(m2)；B0铲斗内壁宽度；a挡板高度；b斗刃口与挡板最上部之间的距离。LP195,P2091 几何斗容(平装斗容)对于有挡板的铲斗SB0铲斗的容积,是考虑由于在挡板高度内，斗两侧没有挡板而引起的物料减少。对于无挡板的铲斗S无挡板后的横断面积LP195,P2092 额定斗容

17、(堆装斗容)对于无挡板的铲斗物料按2:1的坡度堆装的体积 对于有挡板的铲斗物料按2:1的坡度堆装的体积,并考虑了由于挡板高度范围内无侧板引起堆装物料的减少。c物料堆积高度,可用作图法确定LP195,P2092动臂设计动臂铰点位置的确定,应在总体参数以及铲斗主要尺寸已经确定后进行。(1)动臂铰点位置的确定 1)下铰点动臂与铲斗连接点亦称下铰点。LP197,P2101)下铰点根据铲斗形状、几何尺寸及铲斗与地面应该保持的角度，确定下铰点B1的下限位置。 1 下限位置下铰点与地面应有250-300mm离地间隙。?下铰点的下限位置应保证铲斗正常工作位置和下挖位置以及铲斗在运输位置时,仍与轮胎保持有一定间

18、隙。初定1)下铰点 2 上限位置作最大卸载高度Hmax最小卸载距离Lmin卸载角作R0上限位置应保证铲斗有最大卸载高度、卸载角度及最小卸载距离。用作图方法来确定确定下铰点上限位置2) 动臂与机架的连结点A动臂与机架的连结点A应在BiB1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LD、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度。动臂绕定轴转动至最高点Bi和最低点位置B1时, BiB1必在同一圆弧上2) 动臂与机架的连结点A A点与前轮中心的距离为LA。LA增大,动臂增长,而转角减小。且动臂伸出距离减小,倾翻力矩减小,提高了装载机在铲斗最大伸出时的稳定性。在

19、总体布置允许的条件下, LA可以增大些。但会增加驾驶室布置的困难。4)动臂转动的角度一般动臂转动的角度常在80一903)动臂与车架铰点的高度HA动臂与车架铰点的高度：0(1.52.5)AHRR0铲斗回转半径。动臂的横向布置，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定。5) 动臂的横向布置但动臂与轮胎之间必须留有一定间隙(100mm左右)以保证能安全工作。 (2)动臂长度LD的确定动臂铰点位置确定后,可用作图法或计算法确定动臂长度 LD 。LP196,P210Lsmin -铲斗最小卸载距离R0-铲斗回转半径-铲斗回转半径与斗底夹角-铲斗最大卸载高度时最大卸载角LB-动臂与车架连

20、接铰点到装载机前面外廓部分(轮胎)的水平距离. LP197,P210Hsmax-最大卸载高度HA -动臂与车架连接铰点的高度LB22min0max0cos()sin()DsBsABllRlHHRl(3) 动臂结构的选择 动臂一般可分为直线型和曲线型两种。直线型动臂结构简单,制造容易,受力情况良好,在正转式连杆工作装置中采用较多.曲线型动臂的结构型式使工作装置的布置更为合理，一般在反转式连杆工作装置中采用较多。(3) 动臂结构的选择 动臂断面的结构形式有单板、双板和箱形等多种。单板断面结构简单、工艺性好，但其强度和刚度一般较低，小型装载机采用较多双板与箱形断面的动臂强度与刚度较好，但结构复杂、工

21、艺性较差，大中型装载机采用较多单板式动臂在粗大横梁的加强下，其刚度大大提高，大中型装载机渐趋普遍采用。 3连杆机构设计我们以反转单连杆机构为例,介绍连杆机构的图解综合设计方法。(1)设计要求1) 平移性要求：动臂在从最低到最大卸载高度的举升过程中,保证满载铲斗中的物料不撒落,保持斗口平移上升,其斗的转角变化量应不大于15,铲斗在地面时的后倾角取1 = 45左右,在运输位置应 45,在最大卸载高度一般取 = 60左右。(1)设计要求2) 卸料性要求：斗在任何位置其卸载角应45,以保证卸净。3)传动性要求：在任何位置杆件的传动角都应大于10,在最大铲起力时,传动角应接近90。4) 相容性要求： 在

22、整个运动过程中, 不得产生任何干涉(指在机械方面) 。(1)设计要求5) 放平性要求：斗由最高点降至最低点铲装，斗底应能自动放平。 6) 运动规律性要求：斗由下上移时，斗口应快速转平，然后平移上升。7) 操纵性要求：操纵方便，安全可靠，视野好。(2) 设计方法 1) 图解综合法：指用作图的方法确定所设计连杆机构尺寸与铰点位置。2) 相似设计法： 根据相似设计理论按选定相似比由已知连杆机构设计新连杆机构； 3) 优化设计方法：首先确定所遇到的各个参变量，确定优化目标；然后建立考虑各参变量的数学模型； 最后用计算机计算目标函数为最大或最小的一组值。 1) 连杆机构设计主要确定连杆机构设计的主要内容

23、是确定各个铰点的适当位置和连杆的有关尺寸。(3) 连杆机构图解综合法设计三个铰点布置：斗与连杆的铰点C，动臂与摇臂铰点E，转斗油缸与车架的铰点G ；三个杆件长：摇臂长、拉杆长、斗油缸的行程长。 掌握2) 设计动臂的长度LD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。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。讨论连杆与铲斗铰点C的位置,影响着连杆和油缸的受力和行程。选择时,主要考虑斗处于地面铲掘位置情况下,连杆CD作用在铲斗上的转动力距较大,以发挥最大的力。1 连杆与铲斗铰点C的位置ED与CD两者中间之夹角愈大,CB两点间的距离

24、愈长, CB与CD中间的夹角愈接近于直角,则转动力矩愈大,但实际上受结构的限制,这几点是互相矛盾的,相互关系的变化,还将影响转动的角速度。确定C点(14.0 13.0)DBC aL 得C点。 LD 动臂长截取C点的周向坐标：以铲斗回转半径R0为始线,顺时针转过=1001252 动臂与摇臂铰点E的确定常布置在动臂AB两铰点的连线AB的中部且偏向A点,并向上方偏移一段距离m即E处。初步设计时：Le=(0.450.5)LDm=(0.110.18)LDLD 动臂长2 动臂与摇臂铰点E的确定讨论E点向下移, 在卸载时,连杆可能与铲斗后壁发生干涉E点向上移, 将使摇臂与油缸所形成的夹角变小,影响摇臂的旋转

25、力矩前后移动, 将影响整个连杆机构的空间布置。3 摇臂的形状与夹角摇臂的形状常为弯形,弯臂折角常在30以下短臂长长臂长长短臂比讨论3 摇臂的形状与夹角角的大小常影响连杆的有效移动, 角过小,虽然连杆CD开始移动速度较大,但逐渐减慢,而实际总移动速度却降低了,且总行程亦缩短了。摇臂的长短,直接影响铲斗能否转到预期的卸载位置和油缸的行程和推力，因此都应全面考虑后选定。4 拉杆长度的确定利用斗最高举升卸载位置时,拉杆与下摇臂近似成一条直线的特殊位置作图画出动臂、铲斗在最低点收斗位置简图,由B1及已知1 、做R0,顺时针旋转角并截取B1C1=a得C1点由地面向上截取高度为 HA的水平线, 以B1为圆心, LD为半径的圆弧交于A,得A点4 拉杆长度的确定连AB线并截取Ag=Le ，过g作AB垂线截长度m得E点。画出动