ZL50轮式装载机工作装置建模及仿真说明书

大学毕业设计 - I - 目录 摘 要 .I ABSTRACT.II 第一章 绪 论 . 1 1.1 装载机简介 . 1 1.2 设计内容 . 1 1.3 装 载机发展概况 . 2 第二章 装载机总体设计 .3 2.1 装载机总体参数的确定 . 3 2.2 装载机的插入阻力与掘起阻力的确定 . 4 第三章 装载机工作装设置计 .6 3.1 工作装置的设计要求 . 6 3.1.1 概述 . 6 3.1.2 轮式装载机工作过程 . 7 3.1.3 轮式装载机工作装置设计要求 . 7 3.2 铲斗设计 . 8 3.2.1 铲斗的结构形式 . 8 3.2.2 铲斗的分类 . 9 3.2.3 铲斗的设计要求 . 9 3.2.4 铲斗设计 . 9 3.3 动臂设计 . 14 3.3.1 对动臂的设计要求 . 14 3.3.2 动臂铰点位置的确定 . 14 3.3.3 动臂长度 Dl 的确定 . 16 3.3.4 动臂结构和形状的确定 . 17 3.4 连杆机构的设计 . 18 大学毕业设计 - II - 3.4.1 工作装置连 杆机构的类型 . 18 3.4.2 连杆机构的设计要求 . 20 3.4.3 连杆机构尺寸参数设计及铰点位置确定 . 21 第四章 工作装置受 力分析及强度计算 .26 4.1 确定计算位置及典型工况 . 26 4.1.1 计算位置的确定 . 26 4.1.2 典型工况选取和外载荷的计算 . 26 4.2 工作装置受力分析 . 27 4.2.1 对称载荷工况 . 27 4.2.2 偏载工况 . 30 4.3 工作装置强度校核 . 31 4.3.1 动臂 . 31 4.3.2 铰销强度的校核 . 32 第五章 工作装置的建模及仿真分析 .34 5.1 工作装置建模 . 34 5.1.1 在 Pro/E 中建立铲斗 . 34 5.1.2 启动 ADAMS/View 程序 . 35 5.1.2 检查和设置建模基本环境 . 35 5.1.3 Pro/E 铲斗模型导入 ADAMS . 35 5.1.4 工作装置的几何建模 . 36 5.1.5 创建约束及施加运动和载荷 . 38 5.2 初步仿真分析该模型的性能参数 . 41 5.2.1 铲斗后倾角及卸载角的测量 . 41 5.2.2 分析 .43 第六章 结 论 .44 参 考 文 献 .45 致 谢 .46 大学毕业设计 - I - 摘 要 装载机是一种用途较广的铲运、施工机械。 它广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口和矿山等工程建设。装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，是现代机械化施工中不可缺少的装备之一。 ADAMS 是 一款虚拟样机技术软件，其强大的机械系统动态仿真技术大大简化了机械产品的设计过程 ,缩短了产品开发的周期和成本 ,明显提高了产品质量。应用 ADAMS 软件设计装载机，首先是虚拟样机模型的建模，然后是样机仿真，在本设计中， 我们对工作装置设计计算和虚拟样机建模 ，使用 ADAMS 对其进行模拟仿真控制，而其工作装置用 ProE 进行了建模 ，可以根据设计者要求来进行调整，从而方便了设计者的不同需求。 关 键词： 装载机；工作装置 ； ADAMS； 仿真 大学毕业设计 - II - Abstract Loader is a broader use of scraper, construction machinery. It widely used in highway, railway, construction, utilities, ports and mines, and other construction projects. Loader is operating speed, high efficiency, good mobility, the advantages of operating the Light, lower costs of the project has played an important role in the construction of a modern mechanized equipment indispensable one. ADAMS as a virtual prototyping software, its powerful dynamic mechanical system simulation technology greatly simplifies the mechanical product design process and shorten the product The development cycle and cost, significantly improved product quality. ADAMS application software design loaders, is the first virtual prototype model of modeling, simulation and prototype is in the design, We design and calculation of the working device and the virtual prototype modeling, the use of its ADAMS simulation control, and their work devices ProE a standard model, designers can adjust to demand, thus facilitating the different needs of the designers. Keywords: Loader； Work-Equipment； ADAMS； Simulation 大学毕业设计 - 1 - 第一章 绪 论 1.1 装载机简介 装载机属于铲土运输机械类，是一种通过安装在前端一个完整的铲斗支承结构和连杆，随机器向前运动进行装载或挖掘，以及提升、运输和卸载的自行式履带或轮胎机械。它广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口和矿山等工程建设。装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此成为工程建设中土石方施工的主要机种之一，对于加快工程建设速度，减轻劳动强度，提高工程质量，降低工程成本都发挥着重要的作用，是现代机械化施工中不可缺少的装备之一。 近年来，装载机的品种和产量在国内外都得到了迅 猛的发展。此次的设计任务就是装载机的重要组成部分 工作装置。 图 1-1 轮式装载机结构示意图 1 柴油发动机； 2 液力变矩器； 3 变速箱； 4 前、后桥； 5 车架铰链； 6 动臂提升油缸； 7 转斗油缸； 8 铲斗； 9 驾驶室； 11 滤清器 1.2 设计内容 ZL_50 轮式装载机工作装置建模及仿真；工作装置选型设计；工作装置模型的建立；工作装置仿真分析是本次设计的主要内容。这次设计应用到虚拟样机技术软件 ADAMS、PRO/E 软件的建模。 设计时利用 ADAMS、 PRO/E 等软件对轮式装载机工作装置进行设计和分析 ， 可以快捷、高效、精确地解决许多设计上的难题， 使设计的工作量减少，设计工作得到简化，设计效大学毕业设计 - 2 - 率和设计水平明显提高，装载机工作装置综合性能得到改善。 1.3 装载机发展概况 尽管国产轮式装载机的技术发展水平与西方发达国家存在着很大的差距，但也应该考虑到历史和国情的原因。目前国产轮式装载机亦正在从低水平、低质量、低价位、满足功能型向高水平、高质量、中价位、经济实用型过渡。从仿制仿造向自主开发过渡，各主要厂家也不断进行技术投入，采用不同的技术路线，在关键部件及系统上技术创新，摆脱目前产品设计雷同，无自己特色和优势的 现状，正在从低水平的无序竞争的怪圈中脱颖而出，成为装载机行业的领先者。其发展体现出以下一些趋势。 大型和小型轮式装载机，在近几年的发展过程中，受到客观条件及市场总需求量的限制。竞争最为激烈的中型装载机更新速度将越来越快。 各生产厂家根据实际情况，重新进行总体设计，优化各项性能指标，强化结构件的强度及刚度，以使铭机可靠性得到提高。 优化系统结构，提高系统性能。如动力系统的减振、散热系统的结构优化、工作装置的性能指标优化及各铰点的防尘、工业造型设计，逐步引进最新的传动系统和液压系统技术，予以国产化 、商业化，降低能耗，提高性能 利用电子技术及负荷传感技术来实现变速箱的自动换挡及液压变量系统的应用，提高效率、节约能源、降低装载机作业成本。大学毕业设计 - 3 - 第二章 装载机总体设计 轮式装载机设计包括总体 设计、工作装置设计和底盘设计。 装载机总体设计要完成的工作是根据它的用途、作业情况、制造条件及设计任务书的要求合理地选择机型，确定性能参数、整机尺寸、各部件的结构形式等，进行总体布置，从而实现整机的各种性能指标。 装载机是由许多部件组合起来的一个有机整体，其整机性能不仅取决于每个部件的品质，而且主要取决于各部件之 间的相互协调，这种相互协调是通过总体设计实现的，所以装载机总体设计对它的铭机性能起决定性作用。 而 各总成性能的协调如何，则又取决于总体参数及各总成部件的匹配情况及其布置的合理性，如果在设计过程中缺乏全局观点，而对总体参数及各总成部件的匹配考虑不周，或者注意不够，即便所设计的各部件结构是先进的，性能是良好的，但组合在一起不一定能获得整机的良好性能。因此，正确的选择和确定总体参数，能使设计部分获得良好的匹配关系。 2.1 装载机总体参数的确定 本次设计主要内容在于用现代先进的 CAD/CAE 等方面的软件，对工作装置 进行建模及仿真分析。但在对工作装置进行设计之前，我们必须先确定整体结构及整车的性能参数，由整车的要求来确定工作装置各构件的参数。整车的主要技术参数是根据主要用途，作业条件等实际情况合理选择的。类比现在国内外广泛应用的 ZL 系装载机，整车主要技术参数见 (表 2-1)。 由于这 次设计最初技术参数是通过统计类比方法选取的，所以对与今后参数的确定则要求结合类比与计算方法来确定。 (表 2-1)最初设计参数 序号 基本参数名称 单位 LG952L ZL50C- 设计 ZL50 1 额定斗容量 m3 2.7 3 2.7 2 额定载重量 t 5 5 5 3 最大卸载高度 mm 3197 2910 3180 4 对应卸载距离 mm 1214 1350 1274 5 轮距 mm 2250 2240 2250 6 轴距 mm 2760 2245 2450 7 功率 kw 162 162 162 大学毕业设计 - 4 - 2.2 装载机的插入阻力与掘起阻力的确定 装载机的工作阻力是多种阻力的合力。由于物料性质和工作机构工作方式的不同，工作阻力有不同的计算方法，一般工作阻力通常分别按插人阻力和掘起阻力进行计算 。 (1) 插入阻力 插入阻力就是铲斗插人料堆时，料堆对铲斗的反作用力 （图 2-1）所示 。插人阻力由铲斗前切削刃和两侧斗壁的切削刃的阻力，铲斗底和侧壁内表面与物料 的摩擦阻力，铲斗底外表面和物料的摩擦阻力组成。这些阻力与物料的种类、料堆高度、铲斗插人料堆的深度、铲斗的结构形状等有关。计算上述阻力比较困难，一般按以下经验公式来确定总插人阻力。 图 2-1 25.143218.9 CgX LBKKKKP (N) 1 (2.1) 式中 XP 铲斗插入阻力（ N）； 8 最大掘起力 KN 150 150 150 9 满斗举升时间 s 6 6 5 10 空斗下降时间 s 4 4 5 11 转斗卸载时间 s 2 2 2 12 轮胎规格 23.5-25 23.5-25 23.5-25 13 外形尺寸 （长 宽 高） mm mm mm 7597 3024 3309 7620 2990 3260 7598 3024 3290 大学毕业设计 - 5 - 1K 被铲掘物料的块度及松散程度影响系数；对于 小块 物料 (碎石和 沙砾 ) 75.01 K 2K 物料种类影响系数； 同理取 1.02 K3K 料堆高度影响系数； 其值取中间值 8.03 K4K 铲斗形状系数 ， 一般在 1.1 1.8 之间，对于前刃不带齿的斗， 4K 取较大值 ,本机是带齿的斗且较大，则取 5.14 K CL 铲斗插入料堆深度 (cm)， 在 一 次铲掘法时，取等于 0.7 0.8 斗底长度，在配合铲掘法时，取等于 0.25 0.35 斗底的长度 ，取 536.1 7 63.03.0 gc LLcm gB 铲斗宽度 (cm)。 4.302gBcm 则有CL=53cm，gB=302.4cm， 1K =0.75， 2K =0.8，3K=1.0， 4K =1.5 把以上各参数代入公式（ 2.1）得 NP X 28.3 8 1 4 14.3 0 2535.18.01.075.08.9 25.1 (2) 掘起阻力 掘起阻力就是指铲斗插人料堆一定深度后，举升动臂时物料对铲斗的反作用力 （图 2-1）所示 。掘 起阻力同样与物料的种类、块度、松散程度、密度、物料之间及物料与铲斗之间的摩擦阻力有关。 最大掘起阻力 发生在铲斗开始提升时，并假定作用在 铲斗斗刃上，随着动臂的提升，掘起阻力逐渐减小。铲斗开始提升时的掘 起阻力 由公 式 （ 2.2） 计算： tgCZ KBLP 2.21 (2.2) 式中 ZP 掘起阻力 (N)； CL 铲斗插入料堆的深度 (m)； 53.0CLm gB 铲斗宽度 (m)； 024.3gBm tK 开始提升时物料的剪切应力 .对于块度是 0.1-0.3m的已松散的岩石，取tK=35000Pa 则有 NP z 510234.13 5 0 0 0024.353.02.2 大学毕业设计 - 6 - 第三章 装 载机工作装置设计 3.1 工作装置的设计要求 3.1.1 概述 装载机工作装置主要由铲斗和支持铲斗进行装载作业的连杆的系统组成，依靠这套装置装载机可以对汽车、火车进行散料装载作业，也可以对散料进行短途运输作业，还可以进行平地修路等作业。把铲斗更换成专门的装置，还可以进行其他装载作业。 装载机工作装置的结构和性能直接影响整机的工作尺寸和性能参数，因此，工作装置的合理性直接影响装载机的生产效率、工作负荷、动力与运动特性、不同工况下的作业效果、工作循环的时间、外形尺寸和发动机功率等。轮式装载机工作装置有多种形式 ，根据杆数和运动特征可分为正杆四转、正转五杆、正转六杆、反转六杆、正转八杆等类型。下面以常见的反转六杆式工作机构有二种形式如图（图 3-1）， 图 3-1 反转六连杆机构 下面以常见的反转六杆式工作机构 （图 3-1） a 图为例，叙述其组成。 如图 3-2 所示，轮式装载机工作装置由铲斗、连杆、摇臂、动臂、转斗油缸、举升油缸组成。这个机构实质是两个四杆机构。 大学毕业设计 - 7 - 图 3-2 装载机工作装置组成 1-铲斗； 2-连杆； 3-摇臂； 4-动臂 3.1.2 轮式装载机工作过程 轮式装载机是一种铲、装、运、卸一体化的自行式设备，它的工作过程由 六种工况组成。 插入工况 动臂下方，铲斗放置于地面，斗尖触地，斗底板与地面呈 3 5 倾角，开动装载机，铲斗借助机器的牵引力插入料堆。 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。 重载运输工况 铲斗铲装满物料后举升动臂，将铲斗举升至运输位置（即铲斗斗底离地高度不小于机器的最小允许离地间隙），然后驱动机器驶向卸载点。 举升工况 保持转斗缸长度不变，操作举升缸，将动臂升至上限位置，准备卸载。 卸载工况 在卸载点，在举升工况下操作转斗缸翻转铲斗，向溜井仓或运输车辆中卸载，铲斗 物料卸净后下放动臂，使铲斗恢复至运输位置。 空载运输工况 卸载结束后，装载机再由卸载点空载返回装载点。 3.1.3 轮式装载机工作装置设计要求 根据轮式装载机的作业特点，其工作装置的设计应满足以下要求。 大学毕业设计 - 8 - (l) 基本要求 所设计的装载机应具有较强的作业能力，铲斗插人料堆的阻力要小，在料堆中铲掘的能力大、能耗小。工作机构的各杆件受力状态良好，强度寿命合理。结构和工作尺寸适应生产条件需要，效率高。结构简单紧凑，制造及维修容易，操作使用方便。 (2) 特殊要求 由于铲斗宽度和容积都较大，所以铲装阻力大，装满 系数小，因此，设计时必须合理选取铲斗的结构和尺寸，以减小工作阻力，达到装满卸净、运输平稳。 铲斗由运输工况被举升到最高卸载位置的过程中，为避免铲斗中物料撒出，要求铲斗作“平移运动”。严格要求铲斗举升平 动是很困难的 。从不易撒料这一目的出发，绝对平动并无必要，只要把铲斗举升时的倾角变化限制在一定许可范围之内即可。 铲斗能自动放平。铲斗在最高位置卸载后厂闭锁转斗油缸，下放动臂，铲斗能自动变成插人工况（开始插人状态）的功能称为“铲斗自动放平”它对定点高位卸载很有意义。 轮式装载机的工作机构属于连杆机构 ，设计中要特别注意防止各个工况出现构件相 互干扰、“死点”、“自锁”和“机构撕裂”等现象；各处传动角不得小于 10。 应尽量减小工作机构的前悬（即工作机构重心至整机重心的距离）、长度和高度，以提高装载机在各种工况下的稳定性和司机的视野。 3.2 铲斗设计 工作装置是装载机的执行机构之一，铲斗是这个执行机构的执行构件，它是工作装置的重要部件。铲斗直接与物料接触，是装、运、卸的工具，工作时，它被推压插人料堆铲取物料，工作条件恶劣，要承受很大的冲击力和剧烈的磨损，因此铲斗的设计质量对装载机的作业能力有较大影 响。 所以铲斗的设计就是根据装载机的主要用途和作业条件，从而减少插入阻力，掘起阻力及提高生产率，合理的确定铲斗的几何形状和尺寸。 3.2.1 铲斗的结构形式 铲斗通常用低碳，耐磨，高强度钢板焊接而成。由切削刃、侧壁切削刃、斗底、斗后壁、挡板、角板、耐磨板、护板或支角组成。 由于铲斗是直接与物料接触，特别是铲装坚硬的砂等物料，斗前缘与斗壁磨损较快，因此，斗前缘采用耐磨的高锰钢等优质材料，或者是堆焊硬质合金 。 此设计采用堆焊 TDP-1(35)型合金，硬度 HR(要求在 35 以上），侧切削刃和加强角板都采用高强度耐磨板料 制成，耐，磨板和支角亦都用耐磨材料制成，可以更换，用以增加大学毕业设计 - 9 - 铲斗的使用寿命。铲斗前缘的斗齿是用 65Mn 锻制后热处理或 ZG13Mn 铸成型斗齿。斗齿是易换件，磨损较快，必要时应予以更换。 轮式装载机的铲斗断面形状一般为“ U” 形，用钢板焊接而成。常见铲斗结构如图 3-3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 3-3 常见铲斗结构 铲斗由斗底、侧壁、斗刃及后壁等部分组成，如图 3-4 所示。 图 3-4 轮式装载机铲斗结构 1 防滋板； 2 连 接耳； 3 斗后壁 4 斗前壁； 5 斗侧壁； 6 切削刃； 7 斗齿； 8 斗侧刃 本次设计铲斗采用直线形 带斗齿的切削刃 如图 3-3(c)所示 ，其特点是结构简单，具有良好的平地性能，能适于铲装较松散的物料，带有斗齿的铲斗在铲斗插入、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，因而带有齿的。 3.2.2 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 。 3.2.3 铲斗的设计要求 (1) 插入及铲起阻力小，作业效率高； (2) 铲斗工作条 件恶劣，要求强度，刚度足够且耐磨； (3) 由所铲装物料的种类和重度不同，设计不同结构形式的铲斗。 3.2.4 铲斗设计 大学毕业设计 - 10 - 1、 铲斗基本参数的确定 铲斗的几何断面形状由 铲 斗的圆弧半径 r、张开角 、后壁高度 h、底壁长 l 和铲斗宽度 B 五个基本参数确定。此外， 铲斗的宽度 Bg应大于 装载机两前轮外侧间的宽度 ，每侧大出 50100mm。如果铲斗宽度小于两轮外侧间的宽度，则铲斗铲取物料后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。所 以 是 保护轮胎不受损伤，底壁相对地面应有一定倾角，以减少摩擦阻力并保护底壁。 在设计铲斗时， 可 参照同类型铲斗，选择 r、 h、 l、参数；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 3-2 所示）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 图 3-5 铲斗尺寸参照 (1)计算铲斗内壁宽度 0B abbB w 2)2.01.0(0 (3.1) 试中 b 装载机轮距， mm ； wb 轮胎宽度， mm； a 铲斗侧壁切削刃厚度， mm。 由总体设计中可知： 2250b 595wb 22a 则有 298022217959522500 B mm (2)计算回转半径 R 由图 3-5 可以看出，铲斗横截面积 ) 1801(5.02 c ots i n)c os(5.0 212 rKZgRS(3.2) 而铲斗几何斗容 2.10 rS VBSV (3.3) 大学毕业设计 - 11 - 若斗容量为额定容量，则回转半径 R 为 1 8 015.02co ts i nco s5.02.1210rKZgrBVR 1 (3.4) 式中 rV 设计任务书给的铲斗额定容量， 3m ； 0B 铲斗内侧宽度 ， m g 铲斗斗底长度系数 ， 53.140.1g； Z 后斗壁长度系数 ， 2.11.1Z ； K 挡板高度系数 ， 14.012.0K ； r 圆弧半径系数 ， 4.035.0 Rrr ； 1 挡板与后斗壁间夹角，选择时应使侧壁切削刃与挡板的夹角为 90； 斗底与后斗壁间夹角 （即张开角）， 5245 ； 图 3-5 中 各参数含义如下 。 r 铲斗的圆 弧半径， m； Rr )4.035.0( gL 斗底长度，指铲斗切削刃至斗底延长线与后斗壁延线交点的距离 ， m, RRL gg 53.14.1 ZL 后壁长度，是指由后斗壁上缘至后壁延长线交点的距离 ， m， RRL KZ 2.11.1 KL 挡板高度 ， m， RRL KK 14.012.0 由式 (3-4)可知，当 rV 、0B已知，只要初选g、 Z 、 K 、 r ，系数值和 、 1 值，即可求得新铲斗的基本参数。调整参数，根据调整后的各值与 R 之比分别计算g、 Z 、 K 、r 值，然后代入式 (3.4)，即可确定新铲斗的回转半径 R。由 R 和计算出来的各系数值，即可确定新铲斗的其他参数值。 大学毕业设计 - 12 - 由总体参数知： 37.2 mVr 29800 Bmm=2.98m 取：g=1.45 z=1.12 K=0.12 r=0.38 =48 1=8 代入公式 3.4 得铲斗的回转半径 R： R=1.218m 所以： mRrr 462.0218.138.0 mRL gg 7 6 6.12 1 8.145.1 mRL ZZ 38.12 1 8.112.1 mRL KK 1 4 6.02 1 8.112.0 一般取铲斗侧壁切削刃相对斗底壁的倾角 60500。铲斗与 动臂铰销（称下铰接点）距斗底壁的高度 Rh )12.006.0( 。 所以铲斗与动臂铰销距斗底壁的高度： h 0.104R=0.104 1.218=0.1273m。 2、铲斗容量计算 铲斗容量是装载机的总体参数之一，铲斗几何尺寸初步确定后，应立即进行斗容计算，以检验其是否满足给定的斗容要求，若计算值与要求值不符，则需修改有关尺寸，直至满足要求为止。如前所述，铲斗的斗容量已经系列化，其计算也已标准化，计算方法如下。 (1) 平装斗容 铲斗的平装容量（见图 3-6 ）按式 (3.5)计算。 对于有防 溢 板的铲斗 baSBVS 20 32( 3m ) (3.5) 式中 S 有挡板的铲斗横截面面积，； 0B 铲斗内侧宽度， m； a 挡板高度， m； b 斗刃刃口与挡板最上 部之间的距离， m。 大学毕业设计 - 13 - 图 3-7 额定斗容铲斗的横截面 图 3-6 铲斗容量计算 (2) 额定容量 额定容量（见图 3-6）按式（ 3.6）计算。 对于有防溢 板的铲斗 cabBbVVSr 68202 ( 3m ) (3.6) 3、 铲斗截面的计算机辅助设计 装载机铲斗的设计实质是确定铲斗的截面形状和尺寸。用人工设计铲斗截面很繁琐，修改也很麻烦，而用计算机辅助设计铲斗的截面既简单、迅速又准确。下面介绍铲斗截 面的计算机辅助设计。 (1) 堆积高度 c 的计算 利用公式 (3.6)计算铲斗容量时，式中 c的计算可参照图 3-7 用下述方法进行。图 3-7是额定容量铲斗的横截面，其中挡板 DN 高为 ,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 CKH CND 。因而 mmabbabKHIKc 40524122 (3.7) (2) 铲斗的开口长 b的计算 由图 3-7 知 c os2c os2 2222 ZgZg LLLLNOCOCONOCN mmLLLLLNDCNb ZgZKg 1330c os222222 大学毕业设计 - 14 - 图 3-8 铲斗 截面计算 (3) 铲斗横截面 S 的计算 如图 3-8 所示，铲斗平装容量横截面面积 S由 5 块基本几何图形组成。 54321 SSSSSS 式中 1S 扇形 AGF 的面积， 2S 直角三角形 GFN 的面积， 3S 直角三角形 GAC 的面积， 4S 三角形 CGN 的面积， 5S 直角三角形 CND 的面积， 246.0)180(360)180(360 221 rGFS 079.02t a n21212 rLrFNGFS z 1705.02t a n21213 rLrCAGAS g 1758.0)()(4 NGlCGlCNllS 097.0c os22121 225 zggzk LLLLLCNNDS 所以 ： 7683.01758.0097.01705.0079.0246.054321 SSSSSS 铲斗的几何 斗容量按式 (3-5)计算： 32 25.22535.233.1146.03298.27683.0 mV S 额定斗容按式 (3.6)计算 37.274.249 6.025.2 mV r 3.3 动臂设计 3.3.1 对动臂的设计要求 (1) 结构简单，容易制造； (2) 受力合理，强度，刚度足够。 3.3.2 动臂铰点位置的确定 大学毕业设计 - 15 - 动臂铰点位置的确定，应在总体参数己确定后，以及铲斗主要尺寸确定后进行。动臂与铲斗连接点也称下铰点，其下限位置应保证铲斗正常工作位置和下挖掘位置还有铲斗在运输位置时，仍与轮胎保持有定问隙为准，而且下铰点与地而应有 200 300 的离地间隙。其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。其具体位置可用作图方法来确定，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1B的下限位置Bh（见图 3-9），然后将铲斗转置运输位置并留出定间隙，绘出轮胎位置，再根据最大卸载高度maxsH、最小卸载minsl及卸载角度要求，可以确定下铰点上限位置。 图 3-9 确定动臂铰点位置及长度计算图 动臂与机架的连结点 A(上铰点 )应在 BB1 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 Dl 、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。 A 点与前轮中心的距离为 Al ， Al 增大则动臂增长而动臂回转角将会减小，大学毕业设计 - 16 - 且动臂伸出距离减小，提高装载机在铲斗最人伸出时的稳定性。因此，在总 体布置允许的条件下，Al可以适当的增大， 但也会增加司机室布置的困难，一般动臂转动的角度 在8090（如图 3-9 所示）。 动臂与车架铰点的高度通常取： mmRHA 8.2 1 7 21 2 1 87 8 4.15.25.1 (3.8) 式中 R 铲斗回转半径 (m) (1) Rh /sin 即 =6 动臂处于最低位置时，铲斗斗底与地面成 3-5倾角 ，取 =5则下铰点 B 的下限位置： hB=Rsin( + ) =1.218 sin(6 +5 )=0.2324m 在 230300mm的范围内，故合理。 (2) 下铰点 B 的上限位置： hB1=Rsin( + )+Hsmax=1.218 sin(6+45) +3.18 =4.1265m 3.3.3 动臂长度 Dl 的确定 (1) 动臂长度计算 动臂铰点位置确定之后，按定比例作图即可直接求得。除此之外， 也可以按图 3-9 利用几何关系可求出动臂的长度： 2m a x2m i n s i nc os RHHlRll AsBsD(3.9) 式中 minsl 铲斗最小卸载高度，单位 m； R 铲斗回转半径，单位 m； 铲斗回转半径与斗底夹角，单位度 ； 铲斗最大卸载高度时的最大卸载角，单位度 ； Bl 动臂与车架连接铰点到装载机前面外廓部分（轮胎）的水平 距离，单位 m； maxsH 最大卸载高度，单位 m； AH 动臂与车架连接铰点高度，单位 m； Dl 动臂的长度，单位 m 。 则取： minsl=1274mm =6 R =1218mm =45 maxsH=3180mm 大学毕业设计 - 17 - AH=2172.8mm Bl=1628.8mm 把参数 代入公式 （ 3.9） 则求得：Dl=2895mm=2.895m (2) 动臂转动的角度 17.84/a r c s in2 DBA lhH ，在 8090的可选范围内，故合适。 (3) 验算最小距离 2.1266m in BDs lll mm 可近似的看作 1274mm, Dl 的长度满足总体尺寸的要求 。 3.3.4 动臂结构和形状的确定 动臂的形状按其纵向中心线形状可分为直 线形和曲线形两种。如图 3-10 所示 。 直线行动臂结构简单，制造容易，而且受力情况好，通常正转式连杆工 作装置多采用这种形式；曲线型动臂一般常用于反转式连杆作装置，这种形式的动臂可使反转式 连杆工 作装置布置更为合理。 而这次设计选着曲线形动臂。 图 3-10 动臂形式 ( a )单板型 ( b )双板型 ( c )工字型 ( d )箱型 图 3-11 动臂断面形状 动臂的断面机构形式有单板、双板和箱形，如图 3-11。许多装载机采用单板，这种动臂机构简单，工艺性好，但抵抗受扭的刚性较差；大中型装载机多采用双板形或箱形断面结 构的动臂，可 以改善单板动臂受扭刚度不好的影响。为了减少动臂的重量，动臂的断面尺寸 可 按等强度设计。 本次设计采用的是曲线形单 板动臂，这样不但结构简单容易制造，而且经济性好。 (a) 曲线形 (b)直线形 大学毕业设计 - 18 - 3.4 连杆机构的设计 3.4.1 工作装置连杆机构的类型 综合国内、外轮式装载机的 工作装置的形式，主要有 7 种类型的连杆机构。按工作机构的构件数不同，可分为三杆、四杆、五杆、六杆和八杆连杆机构。按输入杆和输出杆的转向是否相同又分为正转和反转连杆机构。 7 种连杆机构如图 3-12 所示。 (1)正转八杆机构 正转八杆机构见图 3-12(a)。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；由于传动比大，还可适当减小连杆系统尺寸，因而司机视野得到改善，但是一定要“适当”，否 则易使连杆系统倍力系数减小，影响掘起力发挥。 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。 (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 3-12(b) 。此机构的转斗油缸与铲斗和摇臂直接连接，该工作机构由两个平行四杆机构组成，它可使铲斗具有很好的平动性能。它比八杆机构简单，司机视野较好。这种机构的缺点是转斗时油缸小腔进油，掘起力相对较小；连杆系统传动比小，使得转斗油缸活塞行程大，油缸加长，卸载速度不如八杆机构；由于转斗油缸前置，使工作机构前悬增大，影响整机稳定性和行驶的平稳 性；也不能实现铲斗的自动放平。 (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 3-12(c)。此种机构与上述前置式油缸相比，前悬较大、传动比较大、活塞行程较短；有可能将动臂、转斗油缸、摇臂和连杆设计在同一平面内，从而简化了结构，改善了动臂和铰销的受力状态。缺点是转斗油缸与车架的铰接点位置较高，影响司机视野；转斗时油缸小腔进油，掘起力相对较小。为了增大掘起力，需提高液压系统压力或加大转斗油缸直径，这样质量会增大。 (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 3-12(d)。这种机构有如下优点： a .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，所以可获得较大的掘起力 ； b.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； 大学毕业设计 - 19 - (a)正转八杆机构 (b)转斗油缸前且式正转六杆机构 (c)转斗油缸后置式正转六杆机构 (d)转斗油缸后里式反转六杆机构 (e)正转四杆机构 (f)正转五杆机构 (g)动胃可伸缩 式三杆机构 图 3-12 轮式装载机工作装置机构类型 大学毕业设计 - 20 - 1 动臂伸缩油缸 2 转斗油缸 3 动份举升油缸 4 铲斗后开口油缸 c结构十分紧凑，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。 (5) 正转四杆机构 正转四杆机构见图 3-12 ( e )。它是 7 种连杆机构最简单的一种，容易保证四杆机构实现铲斗举升平动，此机构前悬较小。缺点是转斗的油缸小腔进油，油缸输出力较小，又因连杆系统倍力系数难以设计出较大值，所以转斗油缸活塞行程大，油缸尺寸小；此外，在卸载时 活塞杆易与斗底相碰，所以卸载角减小。为避免碰撞，需把斗底制造成凹形，因而既减小了斗容，又增加了制造困难，而且铲斗也不能实现自动放平。 (6) 正转五杆机构 正转五杆机构见图 3-12 ( f )。为克服正转四杆机构卸载时活塞杆易与斗底相碰的缺点，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为正转瓦杆机构。当铲斗翻转铲取物料时，短连杆与活塞杆在油缸拉力和铲斗重力作用下成一直线，如同一杆；当铲斗卸载时，短连杆能相对活塞杆转动，避免 了 活塞杆与斗底相碰。此机构的其他缺点仍如正转四杆机构。 (7) 动臂 可伸缩式三杆机构 动臂可伸缩式三杆机构见图 3-12 ( g ) 。 它的最大特点是动臂可借助油缸 1 进行伸缩。这种机构的铲斗插人工况是靠动臂伸出实现的，它解决了靠机器行走插人易使轮胎严重磨损问题；卸载时可伸出动臂，以获得较大的卸载高度和卸载距离；而运输工况时可缩回动臂，以减小前悬，从而提高了行驶的稳定性。这种机构的缺点是既不能实现铲斗平动，又不能实现铲斗自动放平，结构亦比较复杂。 综上分析可知，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广泛的应用。因此 ,本次设计工作装置采用反转六杆连杆机构。 3.4.2 连杆机构的设计要求 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、最小卸载跟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。 在设计反转六杆工作机构时，要注意的是，一定要保证机构在各种工况的各个位置都能正常工作，不得出现“死点”、“自锁”和“机构撕裂”等机构运动被破坏的现象。 目前，工作装置连杆机构尺寸参数的设计主要有两种方法，即图解法和解析法。 所以在设计时要大学毕业设计 - 21 - 满足一下几点： (1) 动臂从最低位置到最大卸载高度的提升过程中，保证斗中料不撒落，铲斗后倾角的变化尽量小（一般不超过 15）； (2) 在动臂提升高度范围内的任意位置 ,铲斗的卸载角不小于 45，以保证铲斗能卸净物料； (3) 作业时与其他的构件无运动干涉； (4) 使驾驶员工作方便，安全及视野宽阔。 (5) 最小传动角不小于 10，以便提高传动效率和减少铰销的挤压应力。 3.4.3 连杆机构尺寸参数设计及铰点位置确定 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度、最小卸载距离、卸载角、轮胎尺寸和铲斗几何尺寸等整机主要参数后进行的，它通过在坐标图上确定工况（见图 3-13）时工作机构的 9 个铰接点的位置来实现。 (1) 动臂与铲斗、摇臂、机架的三个铰接点 G 、 B 、 A 的确定 1) 确定坐标系如图 3-13 所示，先在坐标纸上选取直角坐标系 xOy，并选定长度比 。 大学毕业设计 - 22 - 图 3-13 动臂上三铰接点设计 2) 画铲斗图 把已设计好的铲 斗横截面外廓图按比例画在 xOy 坐标里，斗尖对准坐标原点 O，斗前壁与 x轴呈 3 5 前倾角。此为铲斗插人料堆时位置，即工况 。 3) 确定动臂与铲斗的铰接点 G 由于 G 点的 x 坐标值越小，转斗掘起力就越大，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，但这样缩小 G 点与连杆铲斗铰接点 F 的距离，使掘起力下降。综合考虑各种因素的影响，设计时，一般根据坐标图上工况工时的铲斗实际状况，在保证 G 点 y 轴坐标值Gy=250 350mm 和 x轴坐标值Gx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 G 点初步确定下来。 4) 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 OO与 x轴近似平行为止，即工况。 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坐标值应等于轮胎的工作半径 KR 。 根据给定的最大卸载高度 xh、最小卸载距离xl和卸载角x，画出铲斗在最高位置卸载时的位置图，即工况，并令此时斗尖为 4O ， G 点位置为 G，如图 3-14 所示。 以 G点为圆心，顺时针旋转铲斗，使铲斗口与 x轴平行，即得到铲斗最高举升位置图（即工况）。 连接 GG并作其垂直平分线。因为 G 和 G点同在以 A 点为圆心， 动臂 Dl 长为半径的圆弧上，所以 A 点必在 GG的垂直平分线上。可得 A 点坐标。 5) 确定动臂与摇臂的铰接点 B B 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等都有很大影响。如图 3-14 所示，根据分析和经验，一般取 B点在 AG 连线的上方，过 A 点的水平线下方，并在 AG 的垂直平分线左侧尽量靠近工况时的铲斗处。相对前轮胎， B 点在其外廓的左上部。 (2) 连杆与铲斗和摇臂的两个铰接点 F 、 E 的确定 因为 G 、 B 两点已被确 定，所以再确定 F 点和 E 点实际上是为了最终确定与铲斗相大学毕业设计 - 23 - 连的四杆机构 GFEB(即 GF2E2B)的尺寸，如图 3-14 所示。 图 3-14 连杆、摇臂、转斗油缸尺寸设计 确定 F、 E 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，又要注意动力学的要求，如铲斗在铲装物料时应能输出较大的掘起力，同时，还要防止前述各种机构运动被破坏的现象。为此，建议按下述方法进行设计。 1) 按双摇杆条件设计四杆机构 令 GF 杆为最短杆， BG 杆为最长杆，即必有 GF+BGFE + BE 1 (3.10) 如图 3-14 所示，若令 GF =a 、 FE=b 、 BE=c、 BG =d ，并将式 (3.10)不等号两边同 除以 d，经整理可得下式，即 K=b d c d a d2 销轴支座的挤压应力 jy=P1/L1d=218MPa 销轴套的挤压应力 jy= P1/L3d=218MPa 此处 P1 是把作用在销上的力看做集中应力求解的，实际上销的受力要分散的多。由计算结果，安全系数均大于 2，所以摇臂销强度满足要求。 b 动臂缸销强度校核 P1 =PH/2=134.75K N W= d3/32=12.3 cm3 L2 =1/2 L1+a+H/2=25/2+2.5+12=27mm W =P1L2/W=295.8 MPa 销轴支座的挤压应力 jy= P1/L1d = 115 MPa 销轴套的挤压应力 jy= P1/L3d = 145MPa 显然，销及轴套均满足强度要求。大学毕业设计 - 34 - 第五章 工作装置的建模及仿真分析 轮式装载机是一种用途较广的施工机械，其工作装置是完成铲、装、运、卸等作业并带有液压缸的空间多杆机构。工作装 置设计水平的高低直接影响装载机作业性能的好坏，进而影响整机工作效率。过去基本沿用类比法进行设计，工作繁琐、设计精度低、周期长，且不易获得各项性能指标都比较满意的设计方案。随着计算机技术的发展及各种 CAD、 CAE 软件的应用，轮式装载机工作装置的设计与传统设计方法相比较，有了很大的改变。利用 CAD、 CAE 技术可以快捷、高 效、精确地解决许多技术上的难题，缩短产品设计周期，提高设计质量， 增强产品的市场竞争力。 在本章中，我们先利用 Pro/E 和 ADAMS 建立工作装置的模型，然后再在 ADAMS 中对工作装置的模型进行仿 真分析。初步是在 Pro/E 中建立铲斗的模型，然后将铲斗的模型导入 ADAMS 中。然后在 ADAMS 中将模型建好，并对整个工作装置模型进行仿真分析。 5.1 工作装置建模 5.1.1 在 Pro/E 中建立铲斗 在 Pro/E 中分别建立铲斗的模型如（图 5-1） 首先，启动 Pro/E 程序；选着新建按钮后选零件、实体缺省模式；其次，选拉伸按钮，选取参考面，画出铲斗的横截面的平面图，再进行拉伸距离；然后选取抽壳按钮，选着参照面，再选取抽壳的厚度打对勾进行抽壳；其他的用拉伸进行作图；最后，用拉伸把铲斗得斗齿画好，选着阵列按钮选 着斗齿进行阵列后得到的图如图 5-1 图 5-1 铲斗图 大学毕业设计 - 35 - 5.1.1 动 ADAMS/View 程序 1. 点击 adams/view 图标，启动 adams/view. 2. 在欢迎对话框中选择 creat a new model 项，重力设置 Earth Normal.参数；单位设置选择 MMKS 系统。 3. 选择 OK。 5.1.2 检查和设置建模基本环境 检查默认单位，在 setting 菜单选择 units 命令，显示单位设置对话框，当前的设置应该为 MMKS 系统 在 setting 菜单，选 working grid 命令，显示设置工作栅格对话 框。设置 sizeX=3500mm,sizeY=4000mm,spcingX=50mm选择 OK.。在 setting 菜单，选择 Gravity 命令，显示设置重力加速度对话框；当的的重力设置应该为 X=0， Y=-9.8065， Z=0。Gravity=on 选择 OK 按钮。 5.1.3 Pro/E 铲斗模型导入 ADAMS 在 Pro/E 中把铲斗的模型建好后，再把建好的铲斗模型保存为副本类型为 *.slp 或 *.x_t格式。 在 ADAMS 中，选着 Adams/View 菜单栏的 File 中的 Import，再输入如图 5-3，然 图 5-3 铲斗导入 后， 选择 OK。 图 5-2 工作栅格 大学毕业设计 - 36 - 5.1.4 工作装置的几何建模 1.创建动臂 a. 定义关键点 根据所设计的动臂，画出动臂的截面形状，在其边缘标出一系列关键点的坐标，如表5-1； (表 5-1) 动臂关键点坐标 在工具箱选择 定义点工具。选择参数： Add to Ground,Dont attatch；根据表中的坐标，分别定义各点。 b. 在几何建模工具箱中选择 创建板工具。 在参数设置栏，设置如图 5-4；其中，厚度根据自己动臂的宽度设定，半径根据动臂前后两铰点外缘半径设定。再把创建好的进行copy，在 工具箱中选择 进行移动，在参数设置栏，设置如图 5-5。 c.创建动臂的中间梁。选择工具箱中的 工具。 在参数设置栏，设置如图 5-6；其中，厚度根据自图 5-4 图 5-5 图 5-6 大学毕业设计 - 37 - 己动臂中间梁的宽度设定，半径根据动臂的形状设定。 在 Adams 中从而可以得到动臂如图 5-7 图 5-7 动臂 2.创建连杆、摇臂、油缸 a.创建连杆 根据所设计的连杆和连杆的关键点，在几何建模工具箱中选择创建板工具。须参数设置如图 5-8，依次选择 F 点 E 点。将连杆重命名 liangan。 b.创建摇臂 创建摇臂的方法跟创建连杆的类似，将摇臂重命名 yaobi。 c.创建油缸 根据所设计的油缸和油缸的关键点，在几何建模工具箱中选择 创建板工具。须参数设置如图5-9 和图 5-10，选择 C 点 D 点。就可以创建转斗油缸。而创建举升油缸的方法跟创建转斗油缸的方法类似。 根据以上关键点 建立的实体模型如（图 5-11）所示 图 5-8 连杆参数 图 5-9 图 5-10