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工程机械学课程设计说明书-CAD 图纸，加图纸，加 153893706 指导老师： 设计者： 共 23 页1 ZL40 装装载载机机反反转转连连杆杆机机构构工工作作 装装置置的的设设计计 1 装载机工作装置介绍 装载机的工作装置是由铲斗、升降动臂的液压缸、 连杆机构组成，用以完成铲掘、装载作业。对中小型装 载机，一般还常配有可以更换的工作装置，以适应多种 作业的需要。 装载机工作装置应满足如下要求： 1.铲斗的运动轨迹符合作业要求，即要满足铲掘、 装载的要求； 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.保证驾驶员具有良好的工作条件，确保工作安全， 视野良好，操作简单和维修方便。 原始的装载机工作装置如图11 所示，铲斗 与动臂固定，若转斗液压缸不动，当动臂提升时，铲斗 和动臂一起绕着定点转动，斗的倾角随着动臂转角的增 大而增大，使斗中物料撒落，为使物料不撒落，要求动 臂举升时，铲斗应相对动臂向前倾，以补偿铲斗随动臂 转动所引起的后倾，实现铲斗接近平移运动。这样的运 动通常是由连杆机构来实现。 图 12 所示，为一个由机架、动臂拉杆和框架 （斗）组成的工作装置连杆机构，动臂和拉杆的一端与 车架铰接，另一端则与框架铰接。斗和斗液压缸固定在 框架上。动臂举升时，动臂与机架的夹角 改变， 引起框架和动臂的夹角 改变，由于斗装在框架上， 故斗相对于动臂产生了转动。动臂举升时，斗在空间的 运动，可以为斗跟随动臂一起绕定 C CA AD D 图图 纸纸，加加 1 15 53 38 89 93 3 7 70 06 6 工程机械学课程设计说明书-CAD 图纸，加图纸，加 153893706 指导老师： 设计者： 共 23 页2 点转动的牵连运动和相对动臂转动的相对运动的合成。 若动臂转角 （即斗的牵连运动） ，通过连杆 机构使框架（斗）相对于动臂转动（斗的相对运 动），则斗在空间的实际转角为： =+ 若 -，则 0，即使动臂在举升时，斗在 空间基本上无转角变化。 2 铲斗的设计 2.1 铲 斗的介绍 铲斗是 铲装物料 的工具， 它的斗型 与结构是 否合理， 直接影响 装载机的 生产率， 在设计工 作装置连 杆之前， 首先要确 定铲斗的 几何形状 和尺寸， 因为 工程机械学课程设计说明书-CAD 图纸，加图纸，加 153893706 指导老师： 设计者： 共 23 页3 它与连杆机构的设计有密切的关系。 设计铲斗首先要具有合理的斗型，以减少切削和装料阻 力，提高作业生产率，其次是在保证铲斗具有足够强度 和刚度的前提下，尽量减少自重，同时也应考虑到更换 工作装置和修复易换零件（切削刃、斗点）的方便。 1. 普通铲斗的构造（图21） 图 21 所示是一 个焊接结 构的铲斗， 底板上的 主切削刃 1 和侧板 上侧刀刃 2 均由耐 磨材料制 成；在铲 斗上方有 挡板 3 把 斗后壁加 高，以防 止斗举高 时物料向 后撒落。 斗底上镶 有耐磨材 料制成的 护壁 4， 以保护斗 底，并加 工程机械学课程设计说明书-CAD 图纸，加图纸，加 153893706 指导老师： 设计者： 共 23 页4 强斗的刚 度。 直线型刀刃适宜用于转载轻质和松散小颗粒物料， 并可以利用刀刃作刮平、清理场地工作；V 形刀刃 便于插入料堆，有利于改善 作用装置的偏载，适宜 于铲装较密实物料。由于其刀刃突出，影响卸载高度。 通常在设计铲斗时都采用带齿的铲斗，因为斗齿的 作用是铲斗插入物料时，减少铲斗与物料的作用面积使 插入力集中在斗齿上，破坏物料结构，因而带齿的斗具 有较大的插入料堆的能力，适宜于装矿石和坚硬的物体， 齿型的铲斗的选择使提高铲斗的寿命，使铲斗的插入力 减小，如果齿变钝了易于更换和维修，设计时采用分体 式铲斗。（如图22） 铲斗的截 面形状如 图 22 所示，它 的基本形 状由一段 圆弧、两 段直线所 焊接而成 的基本的 斗状圆弧 的半径 r、张开角 、后臂 高 h、底 臂长 l 等 四个参数 决定的， 圆弧半径 工程机械学课程设计说明书-CAD 图纸，加图纸，加 153893706 指导老师： 设计者： 共 23 页5 大，物料 进入铲斗 的流动性 能好，有利于减少物料装 入斗内的阻力，卸料快而干净，但圆弧半径过大，斗的 张开角大，不易于装满，且铲斗外形高，影响驾驶员的 视野。后臂过小则容易漏料，过大则增加铲斗的外形影 响驾驶员的视野底臂长，则斗的插入料堆深度大，斗易 于装满，但 铲起力由于力臂的增加而减少，底臂长度 小则铲起力大，且由于卸料时铲斗刃口降落的高度小， 可以减少动臂举升高度，缩短作业时间。 2.2 铲斗的断面形状和基本参数的确定 斗的断面形状由圆弧半径r、张开角、后臂 高度 h、和底臂长l 等四个参数决定。如图23 所 示， 圆弧 半径 r 越 大，物料 进入铲斗 的流动性 越好，有 利于减少 物料装入 斗内的阻 力，卸载 快而干净， 但 r 过大， 斗的开口 大，不易 装满，且 铲斗的外 形较高， 工程机械学课程设计说明书-CAD 图纸，加图纸，加 153893706 指导老师： 设计者： 共 23 页6 影响驾驶 员观察铲 斗刃的工 作情况。 后壁高h 和底壁长h 是指斗上缘至圆弧与后壁 切点的距离，h 过小则易漏料，过大则增加铲斗外形， 影响驾驶员视线。 根据图23 铲斗截面基本参数： 已知该工作机构的额定载重量Q=4t 由土壤的自然重度公式得 V=mg/=40/20=2 在应用中采用平装斗容来计算铲斗的截面面积的 基本参数，铲斗的截面面积： 22 g1 S=R0.5cossin 0.5 (1) 2180 zkr ctg （ 21） 铲斗的几何容积V=SB，则可以建立下式： 2 1 0.5cossin 0.5 (1) 2180 gzkr V R Bctg （ 2 2） 式中 V 平装斗容量图24 所示阴影面积由设计给定； B 铲斗的净宽度； Q=4t V=2 g 铲斗斗底 长度系数， =L /R gg ； z 后斗壁长 度， =L /R zz 工程机械学课程设计说明书-CAD 图纸，加图纸，加 153893706 指导老师： 设计者： 共 23 页7 ； L 后斗壁长度，是指由后斗壁上缘至斗壁与斗 z 底延长线相交点的距离； 挡板高度系数， =L /R； kkk Lk 挡板高度； 圆弧半径系数， =r/R； rr 斗底与后斗壁间的夹角,又称斗张开角； 挡板与后斗壁的夹角。 1 由式（ 22）可见，已知V、 B，只要选定 g、 z、 k、 r等系数值和、 1值，即可求 得新铲斗的基本R。为此，实测所选样机铲斗的下列 数据 R,Lg,Lk,Lr,r,1和 值，并分别计算出 g,z,k和 r值，带入（ 21）式，即可求得新 铲斗的回转半径R，由基本参数R，根据所选定的各 系数值，即可求得新铲斗的其他参数值。 铲斗侧板切削刃，相对于斗底的倾交0=50 60。 工程机械学课程设计说明书-CAD 图纸，加图纸，加 153893706 指导老师： 设计者： 共 23 页8 取 0=60。 根据已知条件取合适的值： 取 =8、 r =0.4、 z =1.2、 g 1 0.12 k =1.5、 =50把以上数据代入式（ 22） 得铲斗的 回转半径： 2 2 5050 2.30.5 1.51.2 0.12 cos8 sin500.40.51 2180 1.08 R ctg Rm 并由 R 得到以下数值： 铲斗的横截面面积 S= V/B=2/2.5=0.8; 后 斗 臂 长 度 Lz =1.21.08=1.31m; 斗 底 长 度 Lg =1.51.08=1.62m; 挡 板 高 度 Lk =0.121.08=0.13m; 铲 斗 圆 弧 半径 r = 1.080.4=0.43 m; 底 臂 长 l =1.8/5.31.62=0.59m; 2.3 斗容的计算 根据确定的铲斗几何尺寸即可计算铲斗的容量。 1.平装容量（几何容量）Vp: 铲斗的平装斗容分为装有当板和无挡板两种。我选用有 挡板铲斗： （ 1）平装斗容V V=SB-2a b/3 m p 23 式中： S 铲斗横截面积等于0.8 B 铲斗内侧宽度等于2.5m a 近似取0.108m b 铲斗刀刃与挡板最上部之间的距离 （如图25） ，又余弦定理得 b=1.338m 所以 32 98 . 1 338 . 1 13. 0 3 2 2mVp 0=60 =8 1 r = 0.4 0.12 k z = 1.2 g = 1.5 =50 R=1. 0 8 S=0. 8 Lz=1.0 8 工程机械学课程设计说明书-CAD 图纸，加图纸，加 153893706 指导老师： 设计者： 共 23 页9 m Lg=1.62m Lk=0.13m r=0.43 m l=0.59m S=0.8 B=2.5m b=1.338m 3 1.98 p Vm （ 2） 堆装容量VH（额定斗容量） VH= V b B/8 b (a+c)/6 p 22 C 物料堆积高度 由于物料按2： 1 的坡度角堆装，所以c 近似等于c=0.730m 所以 3 2.28 H Vm 2.4 斗铰点位置的确定 动臂与 斗的连 接铰点 （简称 下铰点） 的位置 应 尽量 使铲斗 在铲掘 位置时 布置在 靠近切 削与地 面。下 铰点靠 近铲斗 切削刃， 则转斗 时力臂 l 小， 有利 于 增加作 用在刀 刃上的 铲起力。 下铰点 靠近地 面，可 减少在 作业时， 由插入 阻力所 引起的 工程机械学课程设计说明书-CAD 图纸，加图纸，加 153893706 指导老师： 设计者： 共 23 页10 附加力 矩 (ph,见图 26） ，此力矩将影响掘起力值。 对装载轻质物料的铲斗，其下铰点允许高一些，以增 加回转半径R，增加转斗时斗刃所扫过的料堆面积， 从而提高铲斗物料的装满程度。下铰点距离斗底高度 一般可取h=（ 0.06 0.15） R。即： 下铰点距斗底高度 h=0.111.08=0.108m。 三： 动臂的设计 动臂长度决定于动臂与机架的铰点位置和动臂与 铲斗的铰点的位置。 动臂下铰点在动臂举升最高位置A1由所需的最 大卸载高度Hmax 和相应的卸载距离S 确定。动臂 的下铰点在动臂下落时的位置A2则应尽量靠近轮胎， 以减少对倾覆轴的力臂，缩短整机总长，但应保证铲斗 上翻时，斗与轮胎有一定的间隙。 动臂绕定轴转动至最高和最低位置时，要求其下铰点 分别落在A1和 A2位置上，则A1和 A2两点必在同 一圆弧上，故动臂与机架铰接点（简称动臂上 c=0.730m 3 2.28 H Vm h=0.108m 铰点）应 在 A1A2 连线的垂 直平分线 上。上铰 点在该 平分线上 的具体位 置由总体 布置确定。 上铰点O 的位置将 影响动臂 转角和动 臂的最大 外伸距离。 工程机械学课程设计说明书-CAD 图纸，加图纸，加 153893706 指导老师： 设计者： 共 23 页11 由图 31 可见， O 点靠后 布置，可减少动臂转角 （ #include #include using namespace std; int main() double K=0.99, A=0.3, C=0.55; double B=0.0; double Wmax,$max,Rmax,swap1,swap2; /声明 最大角 杆的极限角 double min=0.0; coutsetw(8)“a/d“setw(8)“c/d“setw(8) “b/d“setw(8)“Wmax“setw(8)“$max“ setw(8)“min“endl; for(int i=0;i11;i+) for(int j=0;j11;j+) B=K+A-C; swap1=(1+B*B+A*A-C*C-2*A*B*( cos(3.14*17/18) ) /sqrt( A*A+B*B-2*A*B*( cos(3.14*17/18) ) );/给 两个角赋值 swap2=B*sin(3.14*17/18)/sqrt( A*A+B*B-2*A*B*cos(3.14*17/18) ); Rmax=swap1-swap2; $max=acos( (A*A+1-B*B-2*B*C-C*C)/(2*A) ); Wmax=($max+Rmax)*180/3.14;/最大角度 min= acos( ( A*A+B*B-(1-C)*(1-C) ) /(2*A*B) )*180/3.14;/最小角度 工程机械学课程设计说明书-CAD 图纸，加图纸，加 153893706 指导老师： 设计者： 共 23 页19 coutsetw(8)Asetw(8)Csetw(8)B setw(10)Wmaxsetw(10)$max*180/3.14 setw(10)minendl; C+=0.01; A+=0.01; C=0.55; return 0; 运行结果： a/d c/d b/d Wmax $max min 0.3 0.55 0.74 205.019 163.187 11.4971 0.3 0.56 0.73 204.639 163.187 11.4446 0.3 0.57 0.72 204.251 163.187 11.3904 0.3 0.58 0.71 203.855 163.187 11.3344 0.3 0.59 0.7 203.451 163.187 11.2765 0.3 0.6 0.69 203.04 163.187 11.2167 0.3 0.61 0.68 202.619 163.187 11.1547 0.3 0.62 0.67 202.191 163.187 11.0905 0.3 0.63 0.66 201.753 163.187 11.024 0.3 0.64 0.65 201.306 163.187 10.9551 0.3 0.65 0.64 200.849 163.187 10.8835 0.31 0.55 0.75 205.479 163.399 11.2337 0.31 0.56 0.74 205.097 163.399 11.1814 0.31 0.57 0.73 204.708 163.399 11.1274 0.31 0.58 0.72 204.311 163.399 11.0716 0.31 0.59 0.71 203.907 163.399 11.014 0.31 0.6 0.7 203.494 163.399 10.9544 0.31 0.61 0.69 203.073 163.399 10.8927 0.31 0.62 0.68 202.644 163.399 10.8289 0.31 0.63 0.67 202.206 163.399 10.7628 0.31 0.64 0.66 201.759 163.399 10.6942 0.31 0.65 0.65 201.302 163.399 10.6231 0.32 0.55 0.76 205.939 163.6 10.983 0.32 0.56 0.75 205.557 163.6 10.9309 0.32 0.57 0.74 205.166 163.6 10.8771 0.32 0.58 0.73 204.769 163.6 10.8216 0.32 0.59 0.72 204.364 163.6 10.7642 0.32 0.6 0.71 203.95 163.6 10.7049 0.32 0.61 0.7 203.529 163.6 10.6436 0.32 0.62 0.69 203.1 163.6 10.5801 工程机械学课程设计说明书-CAD 图纸，加图纸，加 153893706 指导老师： 设计者： 共 23 页20 0.32 0.63 0.68 202.661 163.6 10.5144 0.32 0.64 0.67 202.214 163.6 10.4463 0.32 0.65 0.66 201.758 163.6 10.3756 0.33 0.55 0.77 206.401 163.792 10.7441 0.33 0.56 0.76 206.018 163.792 10.6922 0.33 0.57 0.75 205.627 163.792 10.6387 0.33 0.58 0.74 205.228 163.792 10.5834 0.33 0.59 0.73 204.822 163.792 10.5263 0.33 0.6 0.72 204.409 163.792 10.4673 0.33 0.61 0.71 203.987 163.792 10.4064 0.33 0.62 0.7 203.557 163.792 10.3432 0.33 0.63 0.69 203.119 163.792 10.2779 0.33 0.64 0.68 202.672 163.792 10.2102 0.33 0.65 0.67 202.216 163.792 10.14 0.34 0.55 0.78 206.865 163.974 10.5162 0.34 0.56 0.77 206.48 163.974 10.4646 0.34 0.57 0.76 206.089 163.974 10.4113 0.34 0.58 0.75 205.69 163.974 10.3563 0.34 0.59 0.74 205.283 163.974 10.2995 0.34 0.6 0.73 204.869 163.974 10.2408 0.34 0.61 0.72 204.447 163.974 10.1801 0.34 0.62 0.71 204.018 163.974 10.1174 0.34 0.63 0.7 203.579 163.974 10.0525 0.34 0.64 0.69 203.133 163.974 9.98521 0.34 0.65 0.68 202.677 163.974 9.91551 0.35 0.55 0.79 207.33 164.148 10.2985 0.35 0.56 0.78 206.945 164.148 10.2471 0.35 0.57 0.77 206.552 164.148 10.194 0.35 0.58 0.76 206.153 164.148 10.1393 0.35 0.59 0.75 205.746 164.148 10.0828 0.35 0.6 0.74 205.332 164.148 10.0244 0.35 0.61 0.73 204.91 164.148 9.96414 0.35 0.62 0.72 204.48 164.148 9.90178 0.35 0.63 0.71 204.042 164.148 9.83726 0.35 0.64 0.7 203.596 164.148 9.77046 0.35 0.65 0.69 203.141 164.148 9.70124 0.36 0.55 0.8 207.797 164.313 10.0903 0.36 0.56 0.79 207.411 164.313 10.0391 0.36 0.57 0.78 207.018 164.313 9.98626 0.36 0.58 0.77 206.618 164.313 9.93181 0.36 0.59 0.76 206.211 164.313 9.87562 0.36 0.6 0.75 205.797 164.313 9.8176 0.36 0.61 0.74 205.375 164.313 9.75766 0.36 0.62 0.73 204.945 164.313 9.69569 工程机械学课程设计说明书-CAD 图纸，加图纸，加 153893706 指导老师： 设计者： 共 23 页21 0.36 0.63 0.72 204.508 164.313 9.63158 0.36 0.64 0.71 204.062 164.313 9.56523 0.36 0.65 0.7 203.607 164.313 9.49651 0.37 0.55 0.81 208.265 164.472 9.89084 0.37 0.56 0.8 207.879 164.472 9.83988 0.37 0.57 0.79 207.486 164.472 9.78736 0.37 0.58 0.78 207.085 164.472 9.7332 0.37 0.59 0.77 206.678 164.472 9.67732 0.37 0.6 0.76 206.264 164.472 9.61963 0.37 0.61 0.75 205.842 164.472 9.56005 0.37 0.62 0.74 205.413 164.472 9.49847 0.37 0.63 0.73 204.975 164.472 9.43479 0.37 0.64 0.72 204.53 164.472 9.3689 0.37 0.65 0.71 204.076 164.472 9.30066 0.38 0.55 0.82 208.736 164.623 9.69968 0.38 0.56 0.81 208.349 164.623 9.64897 0.38 0.57 0.8 207.955 164.623 9.59672 0.38 0.58 0.79 207.555 164.623 9.54285 0.38 0.59 0.78 207.148 164.623 9.48729 0.38 0.6 0.77 206.733 164.623 9.42994 0.38 0.61 0.76 206.312 164.623 9.37073 0.38 0.62 0.75 205.882 164.623 9.30954 0.38 0.63 0.74 205.446 164.623 9.24629 0.38 0.64 0.73 205.001 164.623 9.18085 0.38 0.65 0.72 204.548 164.623 9.11311 0.39 0.55 0.83 209.208 164.768 9.51624 0.39 0.56 0.82 208.821 164.768 9.46579 0.39 0.57 0.81 208.427 164.768 9.41381 0.39 0.58 0.8 208.026 164.768 9.36024 0.39 0.59 0.79 207.619 164.768 9.305 0.39 0.6 0.78 207.205 164.768 9.248 0.39 0.61 0.77 206.783 164.768 9.18916 0.39 0.62 0.76 206.355 164.768 9.12837 0.39 0.63 0.75 205.918 164.768 9.06555 0.39 0.64 0.74 205.474 164.768 9.00057 0.39 0.65 0.73 205.022 164.768 8.93333 0.4 0.55 0.84 209.682 164.907 9.34004 0.4 0.56 0.83 209.294 164.907 9.28985 0.4 0.57 0.82 208.9 164.907 9.23816 0.4 0.58 0.81 208.5 164.907 9.18489 0.4 0.59 0.8 208.093 164.907 9.12997 0.4 0.6 0.79 207.678 164.907 9.07332 0.4 0.61 0.78 207.257 164.907 9.01485 0.4 0.62 0.77 206.829 164.907 8.95447 工程机械学课程设计说明书-CAD 图纸，加图纸，加 153893706 指导老师： 设计者： 共 23 页22 0.4 0.63 0.76 206.393 164.907 8.89207 0.4 0.64 0.75 205.95 164.907 8.82756 0.4 0.65 0.74 205.499 164.907 8.76081 上述运行的结果根据以下四点来选择参数： 所要求的铲斗转角 max。 铲斗在极限收斗位置时，a 杆和 d 杆的夹角 max 铲斗在动臂举升至最高位置时，a 杆和 d 杆的 夹角 max， a 杆和 d 杆所夹之锐角10 使在地面铲掘位置时的a 杆和 d 杆的夹角接近 等于 EJ 则选择a/d=0.4;c/d=0.60;max=189; max=165;min=9;b/d=0.79 。 斗上铰点的位置参考同类型机器在连杆机构设计中 确定，它与斗下铰点的距离不宜过大，否则将增加斗连 杆机构尺寸，使结构布置困难。根据同类型机器的连杆 设计取a=450mm， 则有： b=900mm， c=684mm， d=1139mm。 6:ZL40 装载机参数 卸载高度 2800mm;卸载距离 1000mm；轮胎半径 750mm；全 高 3170mm 全 长 6815mm 4.2 转斗缸四连杆设计 转斗缸四连杆机构设计是根据所设定的铲斗上翻角 和下翻角变化规律进行的。 铲斗上翻角变化规律（要求），动臂在水平位置 以下，其上翻角的变化量 应为正值，在动臂最低 位置提升至运输位置时其 值可大些，以增大收斗 角，减少运输时的撒料；动臂在上部位置，则希望 小一些，以保持斗的平移性能；动臂由最 低位置举升至最高位置，斗上翻角变化量要求 15。当活塞杆收缩，动臂转至任意位置，要求卸 载角 45。 1.把设计要求的铲斗上、下翻角变化规律。 动臂转角以斗平放在地面时的动臂位置为初始位置，其 转角范围为，每隔10作出动臂的转角值。 上翻角斗铰线转角以地面上时的收斗位置为初始位置。 a/d=0.4 c/d=0.60 max 189 b/d=0.79 min 9 a=450mm b=900mm c=684mm d=1139mm 下翻角 工程机械学课程设计说明书-CAD 图纸，加图纸，加 153893706 指导老师： 设计者： 共 23 页23 斗铰线转 角以动臂 举升最大 时的翻斗位置为初始位置。 即动臂转角为 时，下翻角斗铰线 转角为9=0。 2.把已选择确定的斗四连杆机构按表42 所列 出的斗铰线不同位置作出斗四连杆机构运动图，如图4 5 所示。它表示出动臂（机架）转角为0、 10、 20 时，转斗液压缸活塞杆外伸，上翻角斗铰线 相应转至0、 1、 29和转斗液压缸活塞收 缩，下翻角斗铰线相应转至0、 1、 29 的位置。摇臂则分别转至0s、 1s、2s、 9s和 0 x、 1x、 2s、 9s的位置。通过作图即可获得满足铲 斗上、下翻角变化规律时上摇臂的对应角度位置。 （上、下摇臂间的夹角可任选）。 5 心得体会 最近两周我一直在进行此课程设计，通过这个课程设计，我学 到了很多东西，同时也明白了很多道理，所学到的这些东西对 我以后进入工作岗位，帮助肯定也是很大的，同时我也了解了 工程技术人员平时的大概工作过程，和他们的辛苦程度。总之， 本次课程设计对我来说是受益斐浅 ！ 6 参考文献 1.工程机械学 主编；高国安 唐经世 2.机械设计指导主编：洪家娣等 3.工程机械优化设计主编：陈育仪 4. ZL40 主要技术参数 徐州 工程机械 科技 股份有限公司
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