ZL15型轮式装载机工作装置设计论文

毕 业 设 计 论 文 题目 ZL15 型轮式装载机 工作装置设计 2 前 言 装载机主要用来装卸成堆散料，也能进行轻度的铲掘工作。由于它适用于建筑、矿山、铁道、公路、水电等国民经济各个部门，因此，在国内外产量与品种的发展都较快，是工程机械中的一个主要机种。 装载机根据不同的使用要求，发展形成了不同的结构类型。通常，按使用场合的不同，分成露天用装载机和井下 用装载机；接行走系统结构不同，分成轮式装载机与履带式装载机；按卸料方式不同，分为前卸式 (前端式 )、后卸式与回转式装载机。本书主要论述露天工程用的轮式装载机的设计。 装载机的设计，大致要经历：明确任务、调查研究、制订设计任务书，进行整车布置、确定整机的主要性能参数，进行各部件的方案设计与强度计算，技术设计和工艺设计，试验鉴定和修改定型等这样一些阶段。一台装载机的设计是否成功，首先是从能否满足使用要求，好造、好用、好修，具备较高的作业生产串和较低的使用成本来衡量的。这体现在设计工作中，就是应当使装载机具有较完善 的技术经济性能与指标以及先进的部件结构方案。 2 摘 要 我所设计的 ZL15 装载机既保留了传统装载机的优点，而有具有新的性能和优点。 本次设计主要进行的工作装置的设计。装载机采掘和卸载货物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、连杆及液压系统等组成。铲斗以铲装物料；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，连杆使铲斗转动。动臂的升降和铲斗的转动采用液压操作。 先对装载机的发展概况几设计的指导思想、特点、任务进行概述，然后确定方案，在技术设计部分罗列了 ZL15 装载机的主要技术性能和参数，进行了牵引特性计算，工作装置设计。工作装置设计中有工作装置运动分析，对铲斗、动臂、连杆机构进行设计等几部分组成。 在工艺设计中叙述了工艺工程。应用程序计算了受力分析。总之，整个设计是有序地完成的。 在整个设计的过程中，在老师及其他老师的指导下顺利完成的，通过这次设计，我学到很多东西，在实践中把大学中所 学的知识综合运用复习了一次，同时也学到很多新的东西，受益非浅。在此，本人表示衷心感谢！并真诚希望各位老师对我提出宝贵的意见。 2 Abstract This type of ZL15 loader that I have designed has the common virtues of the traditional loaders.And it has some new-improved virtues and function. In my design progress,I put emphasis on the working-device. The ZL15 loader also has some traditional virtues like the articulited wheel-type loader.The loader digging and unload the goods by the working-device.The working-device has many Parts and it is connected to the machine.Some parts of the devices turning by liquid press realize. At first,I introduce the developing trend of the loaders,and explained the main designing idea, designing characteristic and designing task.The second part is the whole designing prgram.In the technical designing part,the main technological parameters and technological features of the ZL15 loader are listed.The following part is the calculation part of the tractive features and the designing of the working device. The necessary computer progress is placed in the end of my designing progress,all the computer program was composed with C language .In a word,the whole designing progress is designed carefully and step by step.I wish my design could clearly explained my designing idea. With the kind help of Mr.LiFeng and other teachers,I finished my design successfully.Through designing this type of ZL15 loader,I have attained a lot which was new to me.Here,I want to express my heartful gratitude to those teachers.At the same time ,the shortcomings in my design need to be poingted out by the teachers.thank you all. 目 录 第一章 设计任务书 1 第二章 装载机的发展及应用 2.1 装载机在的介绍 1 2.2 装载机在地下开采中的应用 2 2.3 我国装载机的发展前景 3 第三章 轮式装载机总体参数的确定 4 第四章 装载机的总体布置 4.1 装载机的总体布置原则 6 4.2 装载机各部件的布置 7 4.3 装载机的总体构造和分类 9 第五章 装载机工作装置的设计 5.1 工作装置结构分析 10 5.2 铲斗设计 11 5.3 工作机构连杆系统的尺寸参数设计 15 5.4 工作装置强度计算 21 5.5 装载机工作装置中油缸作用力的确定 29 5.6 工作装置的限位机构 30 总结 31 参考文献 32 1 第一章 设计任务及要求 一 课题名称（包括主要技术参数）及要求 ZL15 型装载机工作装置设计 装载机工作装置斗容： 0.9 3m 额定载重量： 1.5t 柴油机功率： 50kw 整机重量： 5.1t 最大卸载高度： 2500m 最小卸载距离： 850mm 要求：保证装载机工作的功能，满足工程机械的各项使用性能。 二 课题内容几工作量 1. 总体方案确定 2. 工作装置结构形式分析 3. 工作装置运动分析 4. 工作装置性能分析 5. 图纸设计 6. 电算程序 7. 译文（机械设计类） 第二章 装载机的应用与发展状况 2.1 轮式装载机的介绍 金属矿山的开采可划分为露天开采和地下开采两大类。我国露天矿采以矿 石的比重约占 70，但从事地下开采的人员比露天开采的人员多。这是因为地下开采的条件复杂，使用的设备种类繁多，在产量相同的条件下，对地下矿投资的人力和物力远大于露天矿的缘故。 保护自然环境和合理地利用矿藏资源，是发展社会主义经济的必要条件。随着浅埋矿床的耗尽而愈来愈向深部开采，或当露天升采的深度很大而使地表遭受大面积的破坏时，就必须采用地下开采。可以预料今后地下开采仍将逐渐增加。 不论是露天矿开采还是地下矿开采，对矿体较硬的金属矿山，都是经凿岩爆破将崩落松散矿石或岩石，经装运作业运至下步工序的作业地点 。装载作业是矿山整个生产过程小既繁重又费时的作业。所以努力提高装载机械的作业能力，对实现矿山生产的高效率低消耗想着重要的作用。 ZL 系列轮式装载机是一种高效率的工程机械，具有结构先进，性能可靠，机动性 2 强，操纵方便等优点。广泛应用于矿山，建筑工地，道路修建，水利工程，港口，货场，电站以及其他工业部门，进行装载，推土，铲挖，起重，牵引等多种作业。 对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作用，因此近几年来无论在国内还是国外装载机品种和产量都得到迅速发展，成为工程机械的主导产品之一。 为适 应装载机多功能作业的要求，轮式装载机已经向一机功能方向发展。这主要靠主机控制适合多种作业的组合工作装置完成。 80 年代国外装载机和液压挖掘机除了不断完善装，挖功能外，正向一机多能方向发展。许多公司竞相生产各式各样的辅助机构。这种机型使用范围很广，其产品受到用户的普遍关注。 在通用拖拉机前端加装载装置，后部加挖掘装置可改装变形成前装后挖拖拉机，亦称挖掘装载机，俗称“两头忙”。 工作装置的性能分析过去多采用作图分析和手工计算法，工作量繁重，精度较低。当分析工矿较多时问题更为突出，为克服手工画图的误差。本次设计前面 所进行的工作装置 CAD 设计是通过看资料、实物，通过初步分析、计算而确定的方案。其次要考虑各个工作液压缸作用力的均衡性，整机的稳定性，整机与地面的附着性、满足结构和布置的可能性，以综合比较初选方案，从而确定机构参数（一般来说，从计算机辅助分析中发现不合理的现象可究其原因，采取改进措施，是设计合理化。对已经拟订的各种方案可通过计算机辅助分析作进一步的取舍和修改，以便确定较合理的方案）。同时，通过性能分析能够很清楚的了解到这个装载机装置在各个位置或各种工况时的里和其它参数，有利于更有效地使用挖掘装载机和使这种装载 机工作效率得到最大限度的发挥。 2.2 装载机在地下开采中的应用 地下矿的开采，包括开拓、采准、回采三个步骤。开拓是矿山的基建工程，它是用井巷把地表与山地下矿体接通，并建成完整的运输、通风、排水的并巷工程，包括竖井、斜井、盲井、井底车场，如水泵房、变电室、机修站、火药库等，还有石门、阶段运输巷道、溜井等。 采准是指掘进形成采区外形的一些巷道及为了回采工作面的碎岩和爆破而需要的自由空间。前者如采区的运输巷道、通风和人行天井，以及电耙巷道等，如切割槽、拉底空间、放矿漏斗等。 回采就是做完采准后，在采区工作 面进行的落矿、装运和管理作业。回采中的矿石装运作业是矿山生产的重要环节。 装载作业就是把开拓、采准、回采的矿石或岩石装入运输工具或卸入溜井。开拓、采准和回采三者在使用装运机械方面对比起来，采准工程的特点是：它的装运作业工作量，是在阶段水平以上或矿房内部及矿床上下盘中进行的。一般地说，这些巷道断面尺寸小、长度短，分布在阶段水平以上不同的高度上，要求机械设备轻便灵活，便 3 于调入和调出及迁移到不同高度上。在断面只寸很小的空间内工作，由于设备的调入迁移和使用都比较困难，致使采准工作的机械化程度低、工作效率低、成本高。 因此采准工作量的多少，便成为衡量采矿方法好坏的重要指标之一。 2.3 我国装载机的发展前景 随着我国国民经济建设的调整发展，大型轮式装载机的需求量会有大幅度上升，特别是西部大 开发，许多大型工程建设等，大型轮式装载机大有用武之地。另外，世界上生产大型轮式装载 机的国家、企业也不多，出口前景也非常好，苦于我们还拿不出产品。 1999 年，我国全行业 ZL60 型共销 28台， ZL80 型及 ZL100 型一台也未销售。因此，我国大型 轮式装载机可以说是基本上未推向市场。影响推出市场的主要原因是，除开发水平较低外，主 要是配套件跟不上。大型 轮式装载机的配套件国内基本上没有，有少量的也是水平低，可靠 性差，不太适用，进口配套件价格又太贵。因此大型轮式装载机的国内市场基本上被国外大公 司所占领。我国装载机行业，特别是主要装载机制造企业，应抓住我国加入 WTO 后进口件价格 降低的机遇，进口一部分重要的关键部件，同时为尽量降低成本，加大力度开发一些目前已经有能力开发的零部件，如传动系统中的驱动桥、液压件中的缸、阀等，经过精心设计，开发出 具有中国特色的大型轮式装载机。只要我们的产品能占领国内市场，也一定能打进国际市场。 国产挖掘装载机及小型多功能装载机数量很少，在我国 ZL20 型以下属小型装载机，据 1999 年全行业主要企业统计 ,共销售小型装载机有 1546 台，能占全行业的8.2。 国外小型装载机及小型多功能装载机，包括挖掘装载机在内，市场份额已相当大。美国的 山猫牌小型多功能装载机年销量在 5 万台左右，还有美国的凯斯、约翰迪尔、卡特彼勒、英国 的 JCB 公司等的挖掘装载机及小型多功能装载机年销量都在万台上。可见世界市场上挖掘装载 机及小型多功能装载机市场是多么大，而中国目前这类产品基本上还没有。这类产品特别 适用 于市政建设、中小城镇建设、乡间非等级公路建设、一般公路的维护保养、港口码头作业，还 有改造环境、植树造林等。特别是西部大开发，这类产品将有广阔的潜在市场。这类产品的开发，今后肯定是以静液压件传动为主，目前世界上小型装载机、小型多功能装载机基本上都是 静液压传动。我国要能真正把这类产品发展起来，必须有自己的创新。装载机行业的广大企 业，特别是有能力的大企业，应加大创新力度，去争我国小型装载机、小型多功能装载机、挖掘装载机等这一巨大的潜在市场。 我国西部 3000 米以上高海拔地区及沙漠地区占了很 大的面积，在实施西部大开发中，高原 及沙漠型特殊用途装载机需要量较大，国内目前基本上还没有这类产品，而国外大公司在这方 面已经有成熟的产品。因此，我国加入 WTO 后，这个巨大的潜在市场很可能被国外大公司所占领。我国的装载机行业从现在起应积极行动起来，与有关科研院所及有关发动机等配套件企业联合起来，尽快开发出具有中国特色的高 4 原、沙漠型特殊用途装载机，去抢占我国西部这一潜在大市场。 中型轮式装载机是国内最成熟而产量又大大过剩的产品。这种产品只要“入世”后实行国 际采购，提高质量、水平、可靠性，那么大批 进入国际市场的机遇就在眼前。 第三章 轮式装载机总体参数的确定 3.1 装载机铲掘时的作业阻力 装载机在进行铲掘作业中的作业阻力主要是：铲斗插入料堆时的插入力；提升动臂时的铲起力；翻起转斗时的转斗阻力矩。影响这些阻力的因素很多，例如铲掘的物料种类、铲斗的形状，铲斗插入的深度等。而铲掘的物料种类又是多种多样的，可能是土壤砂石，也可能是各种块度的矿石，因此在这些复杂因素影响下，难以准确的计算出装载机铲掘时的作业阻力，为确定这些阻力，则通过铲掘散状物料试验的办法得出经验 公式和多种系数进行计算，下面分别计算装载机在铲掘散状物料时的各种阻力。 一、插入阻力 插入阻力是装载机铲斗插入料堆时，料堆对铲斗的反作用力。插入阻力分别由以下阻力组成：铲斗前切削刃口和两侧壁切削刃口的阻力；铲斗底和侧壁内表面与物料的摩擦阻力；铲斗外表面与物料接触时的摩擦阻力。这些阻力与物料的类型、料堆的高度、铲今插入料堆的深度、铲斗的结构等因素有关。由实验得知，随着铲斗插入料堆深度的增加，插入力随指数稍大于 1 的抛物线而增长，推荐用下面的经验公式 11算： 4325.121 KKBLKKP KGc 式中： Pc 铲斗插入阻力 (公斤 )； K 1 取决于被铲掘物科的块度和松散程度的影响系数 ,取块度小于 400毫米时， K 1=1.1； K2 物科种类 (容积比重 )的影响系数，散状物料种类为沙石，系数为0.12； L。 铲斗插入料堆深度 (厘米 )；取 50cm； KB 铲斗宽度 (厘米 )； 5 3K 一散状物料料堆高度影响系数，料高度为 1.4m, 3K=1.15。 4325.121 KKBLKKP KGc 此处省略 NN NNNNN NNN NN 字 装载机工作装置图 二装载工作对工作机构设计的要求 6 （一）轮胎式装教机工作过程 轮胎式装载机是一种装运卸作业联合一体的自行式机械，它的工作过程由 5 种工作状态或工况组成： 1）工况 I 插入状态 动臂下放，铲斗放置地面，斗尖触地，铲斗前壁对地面呈 3 5 前倾角；开动装载机铲斗借助机器的牵引力插入料堆。 2) 工况 II 铲装状态 工况 I 以后，转动铲斗，铲取物料 ，待铲斗口翻转至近似水平为止。 3)工况 III 重载运输状态 举升动臂，待工况 II 之铲斗升高到适合位置 (以斗底离地的高度不小于最小允许距离为准 )，然后驱动装载机，载重驶向卸载点。 4)工况 IV 一卸载状态 在卸载点，举升动臂使铲斗至卸载位置；翻转铲斗，向运输车辆或固定料仓卸载；卸毕，下放动臂，使铲斗恢复到运输状态。 5)工况 V 空载运输状态 卸载结束后，装载机由卸载点空 载返回装载点。在露天矿或工地，通常轮胎式装载机是向载重汽车卸裁，出于装载点和卸载点距离很近，卸载位置较高，所以一般称作“定点高位卸载”。 地下矿山使用的轮胎式装载机习惯上称“井下铲运机”。目前，铲运机多数向溜井或矿仓卸载，运输距离较长，卸载位置较低，所以一般被称为“动点低位卸载” 工作装置的结构设计包括： 1）确定动臂的长度、形状及车架的铰接位置。 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（动臂、铲斗、转斗油缸、摇臂和连杆构成） 4）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。 （ 2）保证作业过程中任何构件不与其它构件干涉。 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个构件尺寸几位置的相互影响，可变性很大。对于选定的结构形式，在满足上述条件下可以有各种各样的构件尺寸及铰接点位置。通过多种方案的比较，选出最佳构件的尺寸及铰接点位置，使所设计的工作装置不仅满足使用要求，而且具有较高的技术经济指标。 目前，在实际设计工作中，参考同类样机结构，采用比较 法设计。下面以连杆式的工作装置为例来进行分析。 三机构分析 反转六杆工作机构由转斗机构和动臂举升机构组成转斗油缸 CD,摇臂 CBE连杆 FE铲斗 GF 动臂 GBA 机架 AD 六个构件组成，由于 AD 和 GF 转向相反，所以此机构称为 7 反转六杆机构。 举升机构主要由举臂油缸 HM 和动臂 GBA 构成，若将整个反转机构放置在直角坐标系中，只要确定出九个铰链点 GFEBCDAH 和 M 的位置就可求得工作机构连杆系统中个构件的尺寸参数值。 一） 寸参数的图解 图解法是在初步确定了最大卸载高，最小卸载距离，卸载角等参数后进行的。 （一） 动臂与铲斗， 摇臂，机架的三个铰链点 GBA 的确定 1定坐标系 先在坐标纸上选取直角坐标系 XOY，并选定长度比例 2画铲斗图 把已画好的铲斗横截面外廓图按比例画在坐标里，斗尖对准 O 点，与 X 轴成 53度的前倾角。此时铲斗插入料堆的位置工矿 I。 3确定动臂与铲斗的铰链点 G 由于 G 点的 X 坐标值越小转斗铲取力就越大， G 点的 Y 坐标值一般取 200120 mm 8 反转六杆工作机构简图 4 定动臂与机架的铵接点 A 以 G 为圆心，使铲斗顺时针转动，至铲斗斗口与 x 轴平行为止。 即工矿 II， Y 值为 )1()(24.25 wwwkZ bbHdRY)15.01(1612244.25 6.254.25 650 (mm) 轮胎选标准系列 : 16-24 外直径为 1460 10mm， （ a） 根据最大卸载高度 h 和最小卸载距离 l 和卸载角 画出工矿 ， G 点位置为 9 G 。以 G 点为圆心，顺时针旋转铲斗，使铲斗口与 x 轴平行，即得铲斗被举升到最高位，即工况图 III。 (b)连接 G 和 G ，作 G G 的垂直平分线， A 点必在垂直平分线上，且 A 点取在前轮的右上方，与前轴心水平距离为轴距的 1/3 1/2 处。 5确定动臂与摇臂的铰接点 B B 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。一般 B 点在 AG 连线的上方，过 A 点水平线下方，相对于前轮外廓， B 点在其左上方。 （二）连杆与铲斗和摇臂两个铰接点 E F 的确定 确定 E F 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矿时的转 角又要注意动力学的要求，如铲斗在铲装物料时输出较大的力，同时还要考虑各种机构运动被破坏的现象。 1按双摇杆条件设计四杆机构，并令 GF 杆为最短杆， BG 为最长杆，即必有： GF+BGFE+BE 若令 GF=a,FE=b,BE=c,BG=d,并将上式两边同时除以 d 得下式： 1 dadcdbK 初步设计时，上式可在下列值内选取： 995.0950.0K da )5.03.0( dc )8.04.0( 因为 d 值已经由 确定，所以可求得 a、 b、 c 三值。 d=1352mm, a=406mm 676mm, c=541 1081mm 这两点位移的确定要综合考虑如下四点要求： 1)E 点不可与前桥相碰，并有足够的最小离地高度； 2)工况 I 时，使 EF 杆尽处与 G 杆垂直，这样可获得较大的传动角和倍力系放； 3)工况时， EF 与 GF 两杆的夹角必须小于 170 度，即传动角不能小于 l0度，以免机构运动时发生自铡； 4)工况 IV 时， EF 与 GF 杆的传动角也必须大于 l 0 度。 具体作法有两种： 1)初选 E 点法 如图 4 9 所示，铲斗取工况 I 。以 B 点为圆。以 BE c 为半径画弧；人为地初选 E 点，使其落在 B 点右下方的 弧段上；再分别以 B 点和 G 点为圆心，以 FE b和 GF a 分别为半径画弧，得交点，即为 F。 2)图解法 10 分别以 B 点和 G 点为圆心， c 和 22 ba 分别为半径画弧，其交点为 E；再分别以 G 和 E 点为圆心， a 和 b 为半径画弧，则其交点必为 F。如下图所示： 若上述所得 E 和 F 点均满足要求则罢，否则，可调整 a、 b、 c 长度，重新作图，直至满意为止。但是，同时满足上述四点要求是不易的，尤其若保证 EF 上GF 是很难的，所以，设计时，一般使 EFG 不小于 70 即可。 3为了防止机构出现“死点”、“自锁”或“撕裂”设计时还应满足下列不等式： 工况 l 时 GF 十 FE GE 工况 IV 肘 FE 十 BE FB （三）转斗油缸与摇臂和机架的铰链点 C 和 D 的确定 . 确定 C 点 从力传动效果出发，显然使摇臂 BC 段长一些有利，那样可以增大转斗油缸的作用力臂，使攫取力相应的增加。但增加 BC 段，必将减小铲斗与摇臂的转角比，造成铲斗转角难以满足各工矿的要求，并且使转斗油缸行程过长。因此初步设计取： BEBC )0.17.0( C 点一般取在 B 左上方， BC与 BE 夹角可取 180130CBA ，并使工矿一时摇臂与转斗油缸趋近垂直， C 点运动不得与铲斗干扰。 2确定 D 点 转斗油缸与机架的铰链点 D 的确定，是依据工矿举升到工矿 过程为平动，由工矿到工矿时为启动放平这两大要求来确定的。 当以上铰链点确定下来后，则铲斗在各工矿的 C 位置也唯一的被确定下来。因为铲斗油缸由工矿举升到或由放到工矿的过程中，转斗油缸的长度均分别保持不变，所以 D 点必为 2C 和3C点连线的垂直平分线与 1C 和 4C 连线的垂直平分线的交点。 11 （四） 升油缸与动臂和机架的铰接点 H 及 M 的确定 举升油缸布置应本着工作力矩大、油缸稳定性好、构件互不干扰、整机稳定性好的原则来确定。 一般 H 点选在 AG 连线上方，并取 AG AG/3。 AH 不能取太大，它受到油缸行程的限制。 M 点尽量与地保持最小高度，并且望前桥方向靠是比较有利的，这样举升工作力臂大小变化比较小。 四动臂形状的选择 动臂按其纵向中心线形状分为直线型与曲线型两种。前 者结构简单，腹板变形小，重量轻，而且动臂的受力情况好。后者可使工作装置布置更为合理。 动臂的断面尺寸由强度分析决定，为减轻工作装置重量，通常按等强度梁设计动臂断面尺寸。 动臂断面的结构形式有单板式、双板式和箱体式三种。大型装载机的动臂多采用双板式或箱体式结构。因为这种动臂形式能较好的改善动臂的受力情况，消除了单板式动臂因摇臂支撑力作用使动臂承受附加扭矩的影响。此工作装置是 ZL45-40 型装载机的工作装置，固采用双板式曲线型结构，其具体参数见上述所示。 5.4 工作装置强度计算 一计算位置 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 5 度时的铲取位置作为计算位置，且假定外载荷作用在铲斗的切削刃上。 二外载荷的确定 由于物料种类和作业条件的不同，装载机实际作业不可能使铲斗切削刃均匀的受力，可将其转化为两种情况： 1.认为载荷沿切削刃中部的集中载荷来代替均布载荷，称为对称受载的情况； 2.由于铲斗偏铲，料堆密实程度不同，使载荷偏于铲斗一侧。形成偏载情况，通常将其简化后的集中载荷加在铲斗侧边第一斗齿上。 装载机的铲掘过程通常分为如下三种受 力情况： （ 1）铲斗水平插入料堆，工作装置油缸闭锁，此时认为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（依靠动臂油缸工作）铲掘时，认为切削刃只受到垂直力的作用。 （ 3）铲斗边插入边转斗或边提臂铲掘时，认为水平力与垂直力同时作用在铲斗切削刃上。 综合上述分析，可以得到以下六种工作装置的典型结构和工矿： 1水平力的作用工况 12 水平力（即插入力阻力cP）的大小由装载机的牵引力决定，起水平力的最大值为： ckx PPR m ax=5964(N) 式中：maxKP 装载机空载时的最大牵引力 cP 插入力 2垂直力的作用工况 垂直力（即铲取阻力）的大小受装载机的纵向稳定条件限制，其最大值为： lWLRY 1209314235100 3467 0(N) 式中： W 装载机空载是的自重； 1L 装载机重心到前轮与地面接触点的距离； l 垂直力 YR 的作用点到前轮与地面接触点的距离； 3对称水平力与垂直力同时作用的工况 此时垂直力由上式给出，水平力取发动机扣除工作油泵功率后，装载机所能发出的牵引力kpP。 4偏载的作用工况。 5受垂直力偏载的作用工况，垂直力大小与工况 II 相同。 6受水平偏载与垂直偏载同时作用的工况，水平力与垂直力的大小与工况相同。 三工作装置受力分析 在确定了计算位置及外载荷的大小后，可进行工作装置的受力分析。 （ 1）在对称受载的工况下，由于工作装置是个对称结构，固两动臂受的载荷相等。同时略去铲斗及支撑横梁对动臂与受力与变形的影响，则可取工作装置；则一侧进行分析，其上作用的载荷取相应工况外载荷的一半进行分析计算，即： 2 98 2 02/5 96 4 021 xax RR (N) 13 173352/3467021 yay RR (N) （ 2）在偏载的工 况中，近似地用求简支梁支反力的方法，求出分配于左右动臂平面内的等效力 aR 与 bR ： xax Rb baR ； yay Rb baR axxbx RRR ； ayby RRR 由于 bxax RR , bYaY RR , 所以只求 axR， aYR 在工作装置中 a= 165mm, b= 1500mm 6 62 0 05 96 4 01 50 01 50 01 65 axR N 38483346701500 1500165 aYR N 认为动臂轴线与连杆、摇臂轴 线处于同一平面内，则所有的作用力都通过构件（铲斗除外）断面的弯曲中心，即略去的由于安装铰座而产生的附加扭转，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。 工作装置的受力分析，就是根据上述工况下作用在铲斗的外力，用解析法或作图法求出对应工况下工作装置各构件的内力。下面以工况为例进行分析，其它工况与此类同。 取铲斗为脱离体，根据平衡原理，分析铲斗的受力： 由 0BM)s inco s(121211 lhPlRhR caYaX 14 所以 121311 s inc os lh lRhRP aYaXc 14s in2014c o s58010653848316566200 6.5675190739591451 （ N） 由 0X 0co s1 BcaX XPR 所以 )co s(1caXB PRX )14c o s9 1 4 5 16 6 2 0 0( 154934 (N) 由 0Y 0s in1 BcaY YPR 所以 )s in(1caYB PRY )14s in9 1 4 5 13 8 4 8 3( 16359 (N) 所示，取连扦为脱离体，根据平衡原理，作用于连扦两端的力大小相等，方向相反，即： cF PP 0 GM )s i nc o s()s i nc o s( 33342423 lhPlhP EF 所以 33342423 s inco s s inco s lh lhPP FE 4.420 26.44591451 96859 15 工作装置受力分析 由 0X 0c o sc o s23 FEG PPX所以 32 c o sc o s EFG PPX 8c o s9685914c o s91451 18465 (N) 0Y 0s ins in23 FEG PPY所以 23 s ins in FEG PPY 14s in9 1 4 5 18s in9 6 8 5 9 8644 (N) 16 由图示受力分析可知，连杆此时受拉。 如图所示，取摇臂为脱离体，根据平衡原理，分析摇臂的受力 由 0AM0)s i nc o s(77651546 lYhXlYhXlhP BBGGH 所以 15467765 s inco s lh lYhXlYhXP BBGGH 55s i n31155c os2621065163 5 91665154 9 3412658644311184 6 5 405280579490692789 (N) 由 0X 0c o s1 BGHA XXPX 所以 BGHA XXPX 1c o s 1549341846555c o s692789 260898 (N) 0Y 0s in4 HBGA PYYY所以 )s in(4HBGA PYYY )55s in6 9 2 7 8 91 6 3 5 98 6 4 4( 542496 (N) 四动臂强度校核 根据计算工况及受力分析，即可按强度理论对工作装置主要构件进行强度校核。 1动臂 动臂可看成是支撑在车架 A 点和动臂油缸上铰点 H 点的双支点悬梁臂，其危险断面在H 点附近，在此断面上作用有弯曲应力 和正应力： FNWM 1 式中： F 计算断面的截面积； M 计算断面上的弯矩； N 计算断面上的轴向力； W 计算断面的抗弯断面系数。 17 对于 H 点的 mm 断面： 2431 LYlXLYLXM GGBB 4468644491 8 4 6 55891 6 3 5 916031 5 4 9 3 4 =-2.6 810 12 c o s)(c o s)( GBcB XXYYN=1.1 510 将式和代入得： F XXYYW LYLXLXLYX GBGBGGGBBmm 122443 c o s)(c o s)( 同理，计算得 H 点的 nn 断面的应力 nn 2摇臂 摇臂的受力分析，如图所示，弯曲应力和正应力，计算法和动臂相同。 3铰销 其危险断面在支座 G 点附近，装载机工作装置铰销的一般结构形式及受力情况，如图所示。 目前国内外对工程机械工作装置备销轴的强度计算都采用下面的计算公式 18 销轴的弯曲应力w： 21 WLPw= 3893657.33 5.125.15597 (千克 /厘米 2 ) 式中 ： w 销轴的弯曲应力； 1P 计算载荷，为铰点所受载荷之半； 2L 销轴弯曲强度计算的计算长度； W 销轴的抗弯断面系数 取销轴直径为 70mm 为例： 3321 dW 33 65770321 3 销轴支座的挤压应力： 11 dLPjy70125155795=17.8=178（千克 /厘米 2 ） 销轴套的挤压应力： 31 dLPjy式中： 3L为轴套的支承长度 ； 19 4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。 强度计算中所用的许用应力 可按下式选取： ns = 30002.13600 （千克 /厘米 2 ） s 材料的屈服极限。国内装载机工作装置的动臂常用 16Mn钢，其s 3600千克厘米 2 ；摇 臂材料为 3 号钢，s 2100 一 2400 千克厘米 2 ； n 安全系数，设计手册规定 n 5.11.1 ；由于工程机械工作繁重，条件恶劣，并考虑到计算上的误差，通常 M 1.5。 5.5 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，动臂油位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裁荷的作用力时，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科提升到所需的卸载高度与卸载距离。所以最大铲起力 Ng 是确定油随作用力的依据。 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。 20 5.6 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中，对铲斗在地面时的后倾角，一般不小于 45 ，在最大卸裁高度时的卸载角 (或前倾角 )，一般不小于 45 。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。 一、铲斗转 角限位装置 铲斗转角限位装置通常采用简单的挡块结构。如图所示，把挡块直接焊在铲斗后的斗壁背面上，挡块 A 用来限制铲斗的后倾角，挡块 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 A 与动臂或横梁上相应的挡块相碰铲斗即停止上翻。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阀调出压力，过载阀打开，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 45 时，铲斗上的挡块 B 与动臂或横梁上相对应的挡块相碰，铲斗即停止前倾。 铲斗转角限位装置简图 21 总 结 经过这三个月的集中努力，毕 业设计已经接近尾声，至此我已经完成了所有的设计任务。在我做设计期间，主要经历了实习，可行性分析，计算和绘图等几个阶段。 由于设计的内容是第一次接触，所以开始着手时候不是很顺利，整个设计过程中有很多反复计算，如设计装载机工作装置的工作部分确定各个铰接点位置的过程中走了一些弯路。到目前为止对设计不是非常满意，我所学知识有限没能弄懂某些知识点，在设计过程中，很多新的东西都是边翻资料边作设计，对有些知识掌握的不透，还需要在以后的工作学习过程中多实践学习。同时在设计过程中有粗心大意的时候，造成了一些影响，望老师谅解。 设计过程中，我得到老师的细心指导，使我所遇到的困难得到了即时的解决。另外，也感谢老师的督促指导，在此向所有的指导老师表示感谢！ 22 主要参考文献 1. 机械设计课程设计 寇尊权 主编 吉林科学技术出版社 2 机械设计 杨明忠 主编 3轮式装载机设计 吉林工业大学工程机械教研室编 中国建筑工业出版社 1982 年 12 月第一版 4矿山装载机设计 东北工学院 李 建成 主编 机械工业出版社 1989年 5 月 第一版 5机械工程图学 吉林大学 侯洪生 主编 科学出版社 2001年 9 月 第一版 6.露头装载机 冶金工业部长沙矿山研究所 主编 7.地下装载机 结构设计与使用 高梦熊 主编 北京冶金工业出版社 8装载机工作装置优化设计 王国彪，杨力夫 主编 机械工业出版社 9. 装载机械 高湖海主编 工程机械构造图册 刘烯平 主编 10. 装载机械 高湖海 主编 11.中文版 Auto CAD 2004 机械 制作轻松入门 王建平，长会珍 编 科学出版社 12.机械原理 机械原理 谢进 , 万朝燕 , 杜立杰主 编 13. 机械设计手册 机械设计手册编委会 主编 14. C 程序设计 第二版 谭浩强 编 清华大学出版社