装载机铲斗无误差偏移机构的设计

装载机铲斗无误差偏移机构的设计

0工作装置的设计装载是一种广泛用于道路、铁路、建筑等建设项目的石桩机械。它主要用于土壤、砂、石灰和其他材料的清洁。在道路建设中，该装置用于填写和钻孔道路结构的填充填充、混合沥青路面材料和水泥混凝土原料的集中材料和安装材料。长期以来,中国有很多学者对其进行了深入的研究。工作装置是装载机上直接实现铲装物料的机构,它的结构和性能都显著地影响整机的工作尺寸、性能参数、发动机功率及生产率等因素,因此,工作装置的设计是装载机设计中十分重要的组成部分。目前,装载机工作装置连杆的类型有多种:六连杆和八连杆,正转和反转,转斗油缸也可布置在不同位置,因而可组成多种形式。这些传统的结构决定了装载机工作装置的技术特性,给其设计带来了一定难度,即使采用计算机优化设计方法,也无法从根本上解决卸料性与平移性、动力性与铲斗自动放平性之间的矛盾。笔者经过多年研究,突破传统,提出两种新型工作装置方案,并进行了理论研究。1动臂油缸和转斗油缸笔者设计的新型工作装置中,方案1的工作原理见图1。转斗油缸和铲斗平移引导油缸的有杆腔之间、无杆腔之间通过油路互通,并处于常通浮动状态。铲斗的收斗和卸料可以依靠液压控制阀锁定铲斗平移引导油缸,由转斗油缸单独工作来实现。当动臂油缸将动臂抬起,使动臂绕A点逆时针转动角度Δα时,动臂在转动同时,将铲斗平移引导油缸的BC边压缩,使该油缸无杆腔的油挤到转斗油缸的无杆腔,将转斗油缸的EF边伸长,转斗油缸带动铲斗绕D点相对动臂顺时针转动角度Δθ。如果能使Δα=Δθ,那么铲斗在这两个位置就能实现刚体平动。由此可见,该新型工作装置的工况要求是由液压系统来实现的,它将会使装载机工作机构设计大为简化。方案1的工作装置带有铲斗平移引导油缸,铲斗平移引导油缸实际上是一个为带动转斗油缸而设置的活塞泵,这使得机构较为复杂。方案2的工作原理建立在方案1的基础上,笔者通过理论研究,证明了去掉铲斗平移引导油缸,仍能满足铲斗的平移和工作装置各工况的技术要求,从而使工作装置得到了简化,其结构如图2所示。2移引导油缸与转斗油缸的运动方案1和方案2,从原理上讲,都只能做到近似使铲斗平行,但由于其误差较小,能满足装载机作业工况的要求,因此仍然可以在实际中应用。无误差的工作装置机构是建立在油缸行程a=f(θ)和a′=f(θ′)曲线为轴对称的原理上的。由图3可知,若函数曲线为轴对称,则函数在对称轴上必有极值,而极值存在的充分条件是,函数在极值点的一阶导数da/dθ=0,且da/dθ过极值点时改变符号。求极值,令da/dθ=0,则Ρsinθ2√Μ-Ρcosθ=0Psinθ2M−Pcosθ√=0即Psinθ=0因此θ=π式中:P=2bc,b为AC段的长度,c为AB段的长度;M=b2+c2。从图4可以看出,当θ=π时,函数在此点的两侧da/dθ改变符号,因此,函数有极值,其横坐标用θg表示,即θg=π。因为函数a和a′在0≤θ≤2π时只有一个极值,且θg=π,所以函数曲线对称于横坐标为π的纵轴。此轴坐标与b、c值的选取无关,恒为π。对于所研究的机构,转角θ的变化范围在极限情况下为0～π。函数曲线对称于横坐标为π的纵轴,其物理意义是以动臂为对称轴将转斗油缸翻转180°,如图5所示。图5中BC边为铲斗平移引导油缸,其长度为a,在这种情况下机构工作时,铲斗平移引导油缸与转斗油缸同步运动,即两油缸以相等的变化率同时伸长或缩短。铲斗平移引导油缸与转斗油缸的运动情况如图6所示。图6中铲斗平移引导油缸的初始安装角取为θ,则转斗油缸的初始安装角θ′=2π-θ,由此可见,设计这种工作机构非常简单,只要将两油缸的初始安装角对称于动臂布置即可。因为两函数曲线a=f(θ)与a′=f(θ′)完全重合,并且对称于横坐标为π的纵轴,所以在机构工作时,da/dθ与da′/dθ处处相等,即当Δa=Δa′时,Δθ=Δθ′,△ABC与△A′B′C′始终全等,铲斗作平移运动。为了简化机构,取消铲斗平移引导油缸。简化后,动臂油缸与转斗油缸的运动情况如图7所示。它由两个同心圆组成。由转斗油缸组成的△A′B′C′在小圆内运动,而由动臂油缸组成的△AB″C″在大圆内运动。为了方便说明问题,假想引入铲斗平移引导油缸,则由其所组成的△ABC也在小圆内运动,这样,动臂工作时完全可以做到图6铲斗平移引导油缸与转斗油缸运动Fig.6ΜovementofΟilCylinderandSloopΟilCylinderΙnducedbyBucketΤranslation图6铲斗平移引导油缸与转斗油缸运动Fig.6MovementofOilCylinderandSloopOilCylinderInducedbyBucketTranslation图7动臂油缸与转斗油缸运动Fig.7ΜovementofArmΟilCylinderandSloopΟilCylinder图7动臂油缸与转斗油缸运动Fig.7MovementofArmOilCylinderandSloopOilCylinderA′B′C′≌△ABC,△AB″C″∽△ABC(1)由式(1)可得到△AB″C″∽△A′B′C′。令B″C″、B′C′边的长度分别为a″、a′,而△A′B′C′∽△AB″C″,因此有a˝a´=b˝b´=c˝c´=k式中:k为比例常数(相似比)。由上述分析可得a″=ka′,θ″=θ′(2)当动臂转动一个位置以后,如果△AB″C″1∽△A′B′C1,则有a˝1a´1=b˝b´=c˝c´=k因此a″1=ka′1(3)θ″1=θ′1(∠C″1AB″=∠C′1A′1B′1)(4)式中:b″、b′、c″、c′为△AB″C″和△A′B′C′的对应边长。式(3)减去式(2),得Δa″=kΔa′(5)式(4)减去式(2),得Δθ″=Δθ′(6)式(6)表明,在动臂升降前后,前述的两个三角形始终保持相似时,动臂的转角Δθ″等于铲斗的转角Δθ′,即铲斗在两个位置上彼此平行。为了使机构工作时两个三角形始终相似,在油路控制上必须作适当的改变,使动臂油缸的前腔与转斗油缸的后腔连通,其油路系统如图8所示。除在油路上予以保证之外,在两油缸的结构参数上还必须采取相应的措施,使两个三角形始终相似。两个三角形相似的关键是式(5),如果能做到Δa″=kΔa′,则两三角形必相似,即必同步变化。考虑到系列化的要求,希望动臂油缸的直径与铲斗油缸的直径相等,即D=D′,根据两油缸进、排油量相等的关系,得π(D2-d2)4Δa˝=πD´24Δa´即d2=(1-Δa´Δa˝)D2(7)将Δa″=kΔa′代入式(7)得d=D√1-1k(8)式中:d为动臂油缸的活塞杆直径。根据以上理论分析可知,只要按式(8)计算动臂油缸活塞杆直径,就可以在油缸的基本参数上保证机构工作时两油缸同步运动,使两个三角形始终相似,铲斗始终平行,因此,这种机构从原理上讲没有误差。至于转斗油缸的活塞杆直径,主要是根据受力大小来决定,它的尺寸对机构平行无任何影响。