矿用自卸车车厢和举升机构设计

The Graduation Design for Bachelors DegreeThe Design for Compartment and Lifting Mechanism of Mining Dump Truck Candidate：Wang GangSpecialty：Vehicle engineeringClass：B05-18Supervisor：Lecturer. Han chunqiangHeilongjiang Institute of Technology2009-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要本设计的题目是矿用自卸车车厢和举升机构设计。矿用自卸车是矿业生产中的重要设备，它具有荷载量大，车速低，运距短等主要特点。车厢和举升机构是重要的工作装置，对于车辆可靠工作、自动倾倒货物具有重要作用。本设计首先论述了车厢和举升机构的结构形式，以及在满足设计性能需求的情况下，选择最符合要求的形式。在确定了矿用自卸车底盘的参数后，依此为依据完成其车厢和举升机构的设计，并对举升机构和液压系统进行校核，而且要绘制出车厢、举升机构、液压系统等图纸。在液压系统设计中，还要进行液压缸和油泵的选型和计算，并要选择取力器和方向控制阀的类型。由于矿用自卸车的工作条件比较恶劣，对它的要求也比一般的自卸车要苛刻，车厢的体积也比较大，强度要求也比较大，材料的强度也比较重要。若能将不同类型的举升机构，按其各自的特点配备到与之相应的自卸汽车，则无论是自卸汽车的工作性能，还是举升机构的使用效率，都会得到很大的改善。因此，如何选择合适的举升机构和车厢，成为自卸车设计的重要问题。关键词： 自卸车；设计；车厢；举升机构；液压系统ABSTRACTThe topic of this design is compartment and lifting mechanism of mining dump truck.The mining dump truck is importance equipments in the mineral industry,it have characteristics of carrying great capacity,the low speed and the short distance.The compartment and lifting mechanism of mining dump truck is of importance in work equipment,which have a large impact on the functions,such as the credibility of vehicle,the level of dumping the goods and so on.Firstly this design discussed the forms of the structure of compartment and lifting mechanism,and choiced the best form under the circumstance of satisfying the functions in need.After fixing on the parameter of the chassis of mining dump truck,according to this,we can complete its compartment and lifting mechanism,check hydraulic system and lifting mechanism,protract the blueprint of hydraulic system and lifting mechanism. In the design of hydraulic system,we need to choice the form of hydraulic cylinder and calculate the parameter of hydraulic cylinder,confirm the parameter and basic configuration and the scheme of total disposal of implement.Because of the worse working condition of mining dump truck,the demand for mining dump truck is very rigour,such as,the large volume of compartment and the big intension of material.If lifting mechanism of dump truck fit to it very well,the working performance of dump truck and the efficiency of the use of lifting mechanism will be improved.So,how to choice the form of the lifting mechanism is a very important problem in the design of the dump truck. Key words： Dump truck; Design;Compartment; Lifting mechanism; Hydraulic systemII学院本科生毕业设计目 录摘要IAbstractI第1章 绪论11.1课题的提出11.2课题来源及研究意义11.3 矿用自卸车国内外研究概况及发展趋势11.3. 1国外研究发展概况11.3.2国内研究发展概况11.4研究的内容1第2章 整车参数的确定及车厢的设计12.1整车尺寸参数的确定12.2质量参数的确定12.3车厢形式的选择12.4车厢的选材12.5车厢的设计规范及尺寸确定12.6车厢后拦板开合机构设计与分析12.7本章小结1第3章 液压举升机构的设计13.1液压举升机构时应满足的性能13.2举升系统性能主要评价参数13.3液压举升机构方案的确定13.3.1液压举升机构简述13.3.2液压举升机构方案的选择13.4举升机构几何尺寸的确定13.4.1车厢与副梁铰支点O的确定13.4.2车厢放平时举升机构与车厢前铰支点A0的确定13.4.3液压油缸与副梁铰支点的确定13.4.4车厢放平时三角臂中支点C0座标和A0C0长度的确定13.4.5车厢放平时拉杆与三角臂铰接点B0的确定13.4.6拉杆与副梁铰接点D及拉杆长度的确定13.5 举升机构力学分析13.5.1机构的坐标计算13.5.2机构受力分析13.5.3拉杆截面尺寸的确定13.6 本章小结1第4章 液压系统的计算14.1液压油缸性能参数计算14.2液压泵性能参数计算14.3油箱容积与油管内径计算14.4系统压力校核14.5车厢升降时间的校核14.6方向控制阀的选型14.7操纵方式的选择14.8液压系统原理14.9取力器的选择14.10本章小结1第5章 副车架的设计15.1选用的底盘主车架的主要尺寸15.2副车架的结构设计15.2.1副车架的外形15.2.2副车架的选材15.2.3副车架的截面形状15.2.4加强板的布置15.2.5副车架的前端形状及安装位置15.2.6纵梁与横梁的连接设计15.3 副车架与主车架的连接设计15.4副车架尺寸的确定15.5副车架的强度刚度弯曲适应性校核15.6本章小结1结论1参考文献1致谢1附录1附录A.外文文献原文1附录B.外文文献中文翻译1第1章 绪 论1.1 课题的提出自卸车是利用发动机动力驱动液压举升机构，将车厢倾斜一定角度从而达到自动卸货的目的，并依靠货箱自重使其复位的专用汽车。按不同的用途自卸车可分为两大类：一类是非公路运输用的重型和超重型自卸汽车。这种自卸汽车主要应用于大型矿山、水利工地等场所，运输的货物通常是由与其配套的挖掘机械来完成装载的。这类汽车也称为矿用自卸汽车。这类自卸车辆在长度、宽度、高度以及轴荷等方面不受公路法规的限制，但同时它也只能在矿山、工地上使用，而不得用于公路运输。另一类是公路运输用的轻、中、重型（装载质量在210t）普通自卸汽车。这种自卸车主要承担着泥土、砂石、煤炭等松散货物的运输工作，它通常也是与装载机械配套使用的1。 普通自卸车辆有多种分类方法，按运输货物倾卸方向分为：后倾式、侧倾式、三面倾式和底卸式自卸汽车；按货箱栏板结构分为：栏板一面开启式、栏板三面开启式和簸箕式（即无后栏板式）汽车：按装载质量分为：轻型自卸汽车（me3.5t ）、中型自卸汽车（3.5t me8t）。矿用自卸车（Mining truck），也称之为非公路运输车（Offhighway truck），是露天矿山运输的重要设备，随着露天矿开采规模的扩大，开采深度的增加，运输道路坡度的变陡，铁路运输效率降低，曲率半径受到限制，爬坡能力低，很难适应深部开采的要求，从而为大型矿用自卸车的发展提供了机遇。目前，在年开采量千万吨以上的大型露天矿山的运输设备中，矿用自卸车已占8090。矿用自卸车安驱动型式分为电传动和液力机械传动，电传动的矿用自卸车又称电动轮自卸车。矿用汽车主要用于露天矿山，工作环境恶劣。随着露天矿开采规模的扩大，开采深度的增加，多数矿用汽车经常是满载连续上坡，下坡时又需要连续制动，柴油机和传动系统满负荷运行时间长，因此矿用汽车的使用可靠性要求很高，这也造成了其生产成本高，售价昂贵，产量不大。矿用自卸车是随着我国农村经济的不断发展，上世纪80年代末发展起来的自卸运输车辆，其装载重量在10t以上。自2001年11月10日起，中国正式成为WTO成员国，国内市场逐渐开放。同时，我国亦确立了以扩大内需为主的经济政策，实施西部施西部大开发战略，加大对基建项目的投资力度，农林牧渔、采矿、水利、军工、环保、商业运输、交通、通讯、金融、机场、电力、城市建设和石油开采等行业均快速发展，使各种类型的专用车需求量大增。在广大城乡的沙场、矿山、工地及般的土木工程等的运输作业矿用自卸车以其良好的通过型、机动性的优点得到了广泛的应用。在矿用自卸车的设计当中，液压举升机构的设计一直处于重要的地位。这是因为液压举升机构是矿用自卸车的重要工作系统，其设计方案的优劣直接影响着汽车的多个主要性能指标。应用最优化方法进行液压举升机构的设计，对提高液压举升机构的设计质量和效率具有重要的意义2。1.2课题来源及研究意义当今汽车工业面临的主要挑战是买方市场的形成和产品更新换代速度的日益加快。汽车产品开发的一个主要手段就是变型设计，即以现有产品为基础，保持其基本结构和功能不变，对其局部结构、尺寸或配置进行一定范围内的变动和调整，以此快速形成适应市场需求的新产品。自动倾卸汽车是以发动机为动力，经过变速器的取力机构和液压倾卸装置，进行车厢自动倾卸，从而实现自动卸货的一种车辆。因其短途卸载方便，动力性、机动性均较好，与装载机，带式输送机，吊车等其它吊装机具配合使生产效率明显提高，被广泛应用于建设工地、矿山、港口、码头等，用来搬运岩石，废土，煤，沙子等物资。自卸汽车包括两大类：铰接式自卸汽车和刚性自卸汽车。刚性自卸汽车按传动方式又可分为液力机械传动自卸汽车和电力机械传动自卸汽车两种。装载量在10t以上的自卸汽车，由于载重量大，外形尺寸宽，超过了公路对车辆的使用要求，一般不能在公路上运行，我们称之为非公路自卸汽车。此类自卸汽车主要用于露天矿山和地下采矿，有时也用于采石场和水利、建筑工程中。 矿用自卸汽车是一种专用汽车，技术要求高，社会需求量少。过去很长一段时间，国内矿用自卸汽车生产厂家主要靠引进国外车型，通过仿制和部分改造开发自己的新车型。随着设计水平和生产能力逐渐提高，部分矿用汽车生产厂家开始与高校等科研机构合作，开发具有自主知识产权的矿用自卸汽车。如北京首钢重型汽车制造厂与北京科技大学合作，开发的SGA3550型矿用自卸汽车。在 SGA3550型矿用自卸汽车样机装配过程中，发现了一些设计上的失误，造成部分零件的返工，延长了样机制作时间。可见，有必要采用新的设计方法，如国外部分矿用自卸汽车生产厂家采用的虚拟样机技术，保证整车一次装配成功，减少甚至避免零件的返工，缩短新车型的研制时间，降低研制成本，提高整车性能。矿用自卸汽车液压系统是矿用自卸汽车重要组成部分，液压系统性能好坏直接影响整车的工作性能和可靠性。本课题在满足设计要求下，对矿用自卸车的车厢和举升机构进行合理的选择和设计，并为进一步研究整车的计算机辅助设计提供经验，进而提高自卸汽车产品的设计质量和设计效率。同时，也希望能为推广虚拟样机等先进CAD技术的应用，以及为提高我国专用汽车的设计水平进行一些有益的探索。1.3 矿用自卸车国内外研究概况及发展趋势而作为专用车辆品种之一的自卸汽车，几十年来在国内外获得迅速发展与普及，至今其保留量大约占专用汽车的25%，并且日趋完善，成为系列化多品种的产品。矿用汽车有两个比较显著的发展趋势：大型化和智能化。随着以微电子技术为核心的现代科技的发展，解决了柴油机、传动系统以及轮胎大型化中出现的一系列问题，为矿用自卸汽车大型化创造了条件。现在吨位最大的矿用汽车是Liebher公司生产的T282自卸车，其载重量己达364t（采用电力机械传动）。在自动化方面，随着微电子技术和GPS（全球卫星定位系统）的扩大应用，为无人驾驶矿用汽车创造了技术条件。 对于自卸汽车，一般不专门作底盘设计，而是用具有相同装载质量的载货汽车底盘进行改装。因此，自卸汽车的设计主要是举升机构的设计，举升机构的设计质量是影响自卸汽车使用性能的关键因素。虽然举升机构是自卸汽车的关键部件，但是很多厂家在进行举升机构的设计时所采用的方法还比较落后，其主要方法是对于不同装载质量的自卸汽车举升机构，根据现有自卸汽车举升机构的大小，凭经验按照一定的比例加大或缩小相应构件的尺寸设计成的，这就是传统的经验类比法。采用这种设计方法，由于举升机构的复杂性以及机构铰点位置布置的复杂性等问题，所以在决定实际结构时往往取较大的安全系数，结果是材料的潜力不能充分发挥，产品性能也难以发挥。只能靠一次次的设计实验来改进，这样设计出的举升机构必然存在许多不合理的因素，影响自卸汽车举升性能的提高，也必然导致设计制造周期长，成本高。因此，要先获得良好工作性能的举升机构，就必须从根本上改进设计手段和方法，提高举升机构的设计质量。电子计算机的发展为此提供了有利条件，以计算机为辅助手段的计算机辅助设计、优化设计软件及计算机图形学，使得自卸汽车举升机构的虚拟设计成为现实，这一设计上的巨大进步带来的经济效益是巨大的。1.3.1 国外研究发展概况重型专用汽车在专用汽车中所占的比例继续上升，与此同时，重型专用汽车在重型汽车市场中所占份额也将继续提高，预计几年内将超过普通重型车所占的市场份额；专用车需求进一步向专业化高技术含量发展，专用车生产向柔性化、自动化方向发展，产品配套国际化、模块化；市场竞争更趋激烈，具有较强市场应变能力的企业将不断发展壮大，而应变能力较差的企业将逐步被市场所淘汰；我国专用汽车企业的劳动力优势与国外专用汽车企业的资金优势将逐步弱化，竞争力主要体现在企业的创新能力和市场应变能力；重型专用汽车产量集中度相对提高，逐步形成行业内的知名企业； 以技术为基础的企业进入难度提高。随着计算机技术的发展和应用，50年代发展起来的以线性规划和非线性规划为主要内容的新的数学分支一数学规划被应用于解决工程设计问题，形成了工程设计的新理论和新方法，即工程优化设计理论与方法。特别从60年代以来，最优化技术发展迅速，而且得到了广泛的应用。在汽车工业发达的欧、美、日等国家，汽车优化设计理论和方法已应用于汽车诸多领域的很多环节，从汽车发动机、底盘、车身等主要总成的优化到整车动力传动系统的匹配，优化设计使他们的汽车工业保持了世界领先地位。1.3.2 国内研究发展概况我国在机械设计中采用最优化技术的历史很短，但其发展速度却是十分惊人的。无论在机构综合、通用零部件设计，还是各种专业机械的设计都有最优化技术应用的成果。张宝生等编著的汽车优化设计理论与方法对汽车主要总成和主要参数的优化设计进行了较为系统的介绍。自卸汽车举升机构的优化设计正从研究、探讨走向实际应用阶段。在计划经济向市场经济转换初期，由于汽车领域不象航天等领域受到重视，国内大多数轻型矿用自卸车生产企业在举升机构的设计过程中一直沿用着经验类比的方法设，即传统的“类比作图试凑法”，这种传统的设计方法主要是凭借设计者的经验，参照相同或类似的较为成熟的设计方案，辅以必要的分析计算，确定一个初始的设计方案，并通过估算，初步确定有关参数；然后对初定方案进行必要的分析及校核计算；如果某些设计要求得不到满足，则可进行设计方案的修改，设计参数的调整，并再一次进行分析及校核计算，如此多次反复，直到获得相对合适的设计方案为止。显然，这种工作方法工作量大、效率低，而且设计出的举升机构往往存在许多不合理的因素，影响矿用自卸车举升性能的提高，并严重阻碍着矿用自卸车产品的系列化。随着市场经济的深入发展和市场竟争的激烈，一些研究机构、工程车改装厂在举升机构的设计中采用了这种方法，并取得了一定的优化成果。优化设计作为一种新的设计方法具有综合的本质，它能够把过去的设计开发经验加以总结，寻找出更优的结构。优化技术将越来越得到更为广泛的应用。 1.4 研究的内容随着矿用自卸车变得越来越重要，则有关它的设计领域也变得日益重要起来。它的总体设计程序与载货车基本相近。本人进行一系列的市场调研和同类车型资料的收集，摸清了产品主要技术经济指标，了解有关设计标准法规等。在此基础上拟定设计原则，协调使用、制造与经济三方面矛盾，处理好产品技术先进性与工艺继承性、零部件通用化程度以及生产成本的辩证关系，然后进入具体技术设计阶段。针对上述问题和课题的研究需要，本文的主要工作是自卸汽车车厢和举升机构系统的设计研究。具体工作如下： 1、举升机构设计用机构动力学的知识对油缸前推连杆组合式自卸汽车的举升机构进行设计计算，并对举升机构液压系统的设计步骤进行了说明。对举升液压缸、液压油泵、换向阀等液压元件计算和选取进行了详细的阐述。 2、车厢的设计 参考同类车型的车厢的尺寸参数，确定其上长宽高。并对车厢后拦板开合机构的形式的选择，而且要进行设计与分析。第2章 整车参数的确定及车厢的设计2.1整车尺寸参数的确定 该自卸汽车是选择奔驰1926K型自卸车底盘，利用该车发动机动力驱动液压举升机构取力器-传动轴-液压泵-举升油缸，将车厢举升到一定角度卸货，并依靠车厢自重使其复位的专用汽车。该车最大装载质量为10t，是适用于公路运输的重型自卸汽车。倾卸机构采用油缸前推式举升机构。该自卸汽车主要由货箱、副梁、液压举升机构、液压系统等部件组成，主要技术参数见表2.1。表2.1整车参数汽车外形尺寸（）最大装载质量10000kg整备质量9000kg轴距L4415mm轮距（前后）19921860前悬 1410后悬 1175接近角离去角货箱尺寸倾斜时间（举升落下） 15s13s最大举升角总质量19000kg最高车速（kmh）82最小转弯半径（m）7.8最大爬坡度78百公里油耗（L/100km）222.2质量参数的确定额定装载质量是自卸汽车的基本使用性能参数之一。目前，中、长距离公路运输趋向使用重型自卸汽车，以便提高运输效率、降低运输成本，额定装载质量一般为919t；而承担市区或市郊短途运输的自卸汽车额定装载质量为4.59t。同时，还应考虑到厂家的额定装载质量的合理分级，以利于产品系列化、部件通用化和零件标准化。此外，额定装载质量还必须与选用的二类货车底盘允许的最大总质量相适应。改装部分质量主要包括：车厢质量、副车架质量、液压系统质量、举升机构质量以及其他改装部件的质量。改装部分质量既可通过计算、称重求得，也可以根据同类产品提供的数据进行估算。自卸汽车整车整备质量是指装备齐全、加够油料、液压油和冷却液的空车质量3。它一般是二类底盘整备质量与改装部分质量的总合，是自卸汽车总体设计的重要设计参数之一。整备质量： 选取9000kg；装载质量： 选取10000kg；驾驶员质量：65kg/人，额定载员3人，；自卸汽车总质量是指装备齐全，包括驾驶员，并按规定装满货物的质量。其值可按下式确定。 （2.1）则： =9000+10000+195=19195kg2.3车厢形式的选择车厢是用于装载和倾卸货物。它一般是由前栏板、左右侧栏板，图2.1为典型的底板横剖面呈矩形的后倾式车厢结构。为避免装载时物料下落碰坏驾驶室顶孟，通常车厢前栏板加做向上前方延伸的防护挡板。车厢底板固定在车厢底架之上孟，车厢的侧栏板、前后栏板外侧面通常布置有加强筋4。车厢结机构型式按用途不同大概可分为：普通矩形车厢和铲斗车厢。 普通矩形车厢用于散装货物运输。它的要求要比矿用自卸车车厢要低，其后板装有自动开合机构，保证货物顺利卸出。普通矩形车厢板厚为：前板46，边板48，后板58，底板612。比如：程力牌自卸车普通矩形车厢标准配置板厚为：前4边4底8后5。 1-车厢总成；2-后栏板；3、4-铰链座；5-车厢铰支座； 6-侧栏板；7-防护挡板；8-底板图2.1车厢结构图铲斗车厢则适用于大石块等粒度较大货物的运输。考虑到货物的冲击和碰幢，铲斗车厢的设计形状较复杂，用料较厚。比如：程力牌自卸车矿用铲斗车厢标准配置板厚为：前6边6底10，而且有些车型在底板上焊接一些角钢，以增加车厢的刚度和抗冲击能力。 图2.2普通矩形车厢图2.3铲斗车厢车厢对自卸汽车的质量利用系数影响很大，对其使用寿命也有一定的影响。因此，自卸车的车厢是自卸车的重要部分。目前，国内外自卸车车厢都是用钢制成的，从质量分配来看，车厢质量大约占自卸车整备质量的14。综合上述，车厢采用普通车厢。2.4 车厢的选材 1、车厢选材原则工程材料的一般选用原则：具有良好的使用性能，优良的工艺性及合理的经济性。对于自卸汽车车厢应考虑以下性能：（1）使用性能:使用性能是选材考虑的主要问题。（2）工艺性能:材料加工的工艺流程要适合批量生产。（3）经济性能:选择材料的经济性是当前注意的问题。 2、车厢钢板选材 在遵循满足使用性能要求，较好工艺性和较好经济性的前提下，车厢选用选用Q235工程用钢材。2.5 车厢的设计规范及尺寸确定将全金属焊接车厢设计成等刚度体车厢是自卸汽车设计的重点，但是很难既能保证高强度又能保证轻量化。就整车而言，可以看成由车轮、前轴、后桥壳、悬架、车架、车厢及其橡胶缓冲块等不同刚度单元组合而成的弹性体，受力时，将按照各自的刚度产生各自的变形，其变形量与刚度成反比，吸收的能量与刚度成正比。车厢刚度，无论是弯曲刚度还是扭转刚度，都会增加车架的相应刚度，两者的刚度是相辅相成、互相补偿的。当汽车前后左右车轮处于高差较大的路面，车架扭曲较大时，车厢应该有一定的扭转随动性。如果车相的扭转刚度过大，当车架扭转到一定程度时，车厢前支承缓冲块相应的一侧压到极限位置，车厢纵梁的另一侧可能离开缓冲块，车厢前端的一大部分重量转移到一侧的车架纵梁上，纵梁可能超载损坏。如果车厢扭转刚度过小，能与车架扭转随动，当车架产生较大扭曲时，车厢可能因变形过大而早期损坏5。全金属焊接等刚度车厢设计的规范化的定量的设计计算方法并不是很完善，根据一些经验，可以知道一些设汁规范和经验数据：车厢底板和侧梁断面应小些，布置应密集，这样易于形成等刚度。自卸汽车的车架断面系数也应比同级吨位的货车车架大一倍，5t自卸汽车的车厢底板厚度应不小于6mm，本文所设计的矿用自卸车，其额定载荷为10t，故其车厢底板厚度取10mm。 1、车厢外部尺寸参数参考同类车型的车厢的尺寸，可确定自卸车的车厢的尺寸。表2.2车厢的整体尺寸车厢长度5200mm车厢宽度2609mm车厢高度1705mm车厢前后板厚度6mm车厢底板厚度10mm车厢栏板厚度50mm车厢栏板高度50mm挡板钢板厚度6mm挡板肋宽度50mm挡板肋厚度44mm 2、车厢内部尺寸参数车厢内部长宽各为车厢的长宽相应减掉厢板钢板和车厢加强肋的厚度，高度减去钢板厚度，即有车厢内层的长，宽，高为：车厢长度： 4600mm车厢宽度： 2440mm车厢高度： 1300mm即有，车厢的有效体积为：V=14.6 3、车厢铰接点尺寸确定 车厢链结点定在车厢前后尺寸长度的四分之一处，高度定在车厢高度的三分之二处，即有链接点尺寸： 链接点距后厢板尺寸： 835mm 链接点高度： 1088mm （距离厢板高度） 2.6车厢后拦板开合机构设计与分析自卸汽车改装对车厢后拦板开合机构设计要求如下： 在车厢倾斜卸货时，举升机构升至一定高度后，后厢板在重力的作用下自行打开，货物开始倾卸。卸货完毕，车厢恢复水平状态，车厢复位。 1-车厢；2-后板挂锁总成；3-后厢板；4-锁钩；5-扭转弹簧；6-锁钩轴； 7-锁钩下销；8-转轴；9-销轴；10-支承架；11-调节螺母；12-拉杆图2.4后厢板示意图 如图所示为车厢板锁启机构。该机构的主要特点是靠车厢举升机构的摆差来锁启车厢板。它主要由锁钩4扭转弹簧5 拉杆11等组成。转轴8中间穿有拉杆12，转轴8两端与支承架10铰接，以满足拉杆12以转轴为圆心转动。支承架的下端通过销轴9固定在副车架上，车厢1可以绕该轴转动，而支承架相对于车架来说是不动的。锁钩4固定在车厢底架上，了绕其锁钩轴6转动。扭转弹簧5力图使锁钩逆时针转动，使之紧紧地锁在车厢板3。当自卸汽车车厢举升时，由于锁轴和转轴通过支承架固定在副车架上，车厢以销轴9为圆心，以为半径转动。与此同时，拉杆以转轴8为圆心，以为半径转动。随着车厢举升角度的增大，和轨迹的差就也相应的增大，由拉杆拉动锁钩下销7左移，克服扭转弹簧的弹力， 迫使锁钩开启，打开车厢板，使车厢中的货物卸下。随着车厢的降落,与轨迹的距离逐渐缩小，直至两轨迹相交，扭转弹簧使锁钩锁住车厢板。而且从图中可以看出，若车厢再继续逆时针转动，与轨迹间则产生负间隙，使调节螺母11左移而离开转轴8一定的距离5。2.7本章小结本章主要确定自卸汽车整车参数及对自卸汽车车厢进行了选型计算。整车参数将会对自卸车的车厢设计起到至关重要的作用，质量参数会对自卸车的举升机构和液压系统的设计有这决定性的作用。整车参数和质量参数选择是自卸车的设计的主要依据，因此，它们是设计的重点。车厢的设计主要对自卸车车厢的形式选择、材料的选择；对车厢和其底板、拦板等主要尺寸的确定；对车厢后拦板开合机构设计和分析；通过以上结构设计和力学分析，该自卸车车厢的强度和厢后拦板开合机构均符合要求。 第3章 液压举升机构的设计3.1 液压举升机构时应满足的性能 对于液压举升机构考虑到工作环境、工作性质及工作内容等的要求，在设计过程中应满足以下功能： 1、较强的免维护性矿自卸车主要应用场所是沙场、矿山、工地等，这些场所沙尘肆虐，工作环境恶劣，自卸机构的维护条件较差，甚至有时根本谈不上什么维护。因此需要自卸机构在设计时就要考虑到铰支点和油缸的免维护性。 2、良好的动力性举升机构作为矿用自卸车卸料时的动力来源，为保证卸料顺利完成，要求其必须具有良好的动力性能。自卸车由于其特定的使用环境和用户群体决定了它经常处于超载状态，这就要求举升机构要具有一定的过载系数。 3、平稳性要求举升机构在倾卸货物时具有较好的平稳性，不得有较大的动力冲击，降低冲击力对机构各部件的损伤概率，保证机构的使用寿命。4、卸料性矿用自卸车顾名思义就是省却了人力卸料之苦，通过特定的机构使用液压力自动卸料。因此，自卸车举升机构应达到的卸料目标是：在较短的时间内使货箱举升一定的角度，即举升机构将货箱举升到最大举升角所需的时间（对此国家规定了时间限值）；货箱被举升机构举升到最大转角时，货物应顺利地倾卸完毕（即最大举升角达到货物的安息角）。5、紧凑性矿用自卸车多数是大吨位的工程运输车辆，其装载工具多为大型装载机械。为了装载方便，矿用自卸车的货箱布置位置一般较低，同时又要考虑到矿用自卸车的工作环境，应使其具有较好的通过性（即离地间隙受限），因此，自卸车的举升机构布置空间就受到很大的限制，这就要求机构具有较好的紧凑性，占用较少的空间。6、协调性液压举升机构实际上是一种演化的四连杆机构，在外力作用下，各部件能沿自己的铰支点按设计者的意图顺利转动，不得出现传动角小于许用传动角的情况，更不能有死点位置的存在。目前大多数企业一直沿用传统的“类比作图试凑法”进行设计，这种方法存在效率低、工作量大以及设计方案难以达到最优的缺点，设计方案难以同时兼顾以上各性能要求。这与当今高科技环境下的相关领域相比，缺少科学性，人的主观经验决定了车辆的性能。由此带来的问题是，车辆性能低下，难以适应市场的需求。同时由于设计手段的落后，设计周期长，产品投放市场迟缓，不能适应市场多变的要求。因此借助计算机技术，运用最优化方法，改善液压举升机构的设计手段和方法，快速、高效、保值、保量完成液压举升机构的设计，适应市场竞争的需求，意义重大，有着重大的社会价值和经济价值。3.2 举升系统性能主要评价参数自卸汽车的举升机构由液压缸驱动，其性能的好坏，表现为举升货物的最大举升力和最大举升倾角，以及对液压系统的要求两方面。液压举升机构的性能评价参数有如下几方面：1、举升力系数K举升力系数是评价液压举升机构举升性能的参数，指单位举升重力所需要的油缸推力，即： K=F/mg （3.1）式中：F一油缸的有效推力（N）； m一 举升质量 （Kg）； g一 重力加速度 （m/）。对于具体形式的举升机构，举升力系数K与汽车总布置参数和机构的性能特征有关，K值只能比较同类型举升机构的工作效率。对于相同的举升质量，举升力系数越小，则液压举升力越小，油缸的油压也越小，这样举升机构耗能也较少。2、举升油缸最大行程是指货箱达到最大举升角时，举升油缸的最大伸长量。它既是举升油缸的结构参数，又是举升机构的性能参数。举升油缸最大行程较小，可减少举升油缸的级数，降低制造成本，同时举升机构的布置也较方便。3、举升高度是指举升机构所占用的空间高度。对于重型矿用自卸汽车的后置双缸举升机构，空间高度决定于举升缸的安装长度和举升缸的初始方位角。举升缸初始安装长度越小，举升缸在车上就越好布置。4、最大举升角指举升机构能使货箱倾翻的最大角度。它是决定能否把货箱内货物倾卸干净的参数。一般的松散物在水平面上堆积成圆锥体，锥体角称为松散物的安息角。安息角也称休止角、堆积角，一般为35-55度。将松散物置于光滑的平板上，使此平板倾斜到松散物开始滑动时的角度，为松散物滑动角，一般为3040度。松散物安息角和滑动角是评价松散物流动特性的一个重要指标。它们与松散物的粒径、含水率、尘粒形状、尘粒表面光滑程度、松散物粘附性等因素有关。设计的货箱最大举升角必须大于货物的安息角，这样才可保证将货箱内的货物倾斜干净。 表3.1常运货物的安息角物料名称煤焦炭铁矿石铜矿细沙粗沙石灰石安息角（度）2745504050354530355040455、油压特性曲线举升过程中，油缸工作压力是举升角的函数。理想的油压特性曲线应是油压波动很小，但对于重型矿用自卸汽车常用的后置直推式双缸举升机构，由于多级伸缩油缸自身结构原因，油压特性曲线只能是阶跃型的，在每一级油缸伸出瞬时缸内油压都有一个冲击。设计时，需要控制最大油压峰值在可允许的范围内。6、举升机构的耗能量举升机构要将货物倾卸到位就必定要消耗一定的能量，这些能量的消耗影响着整车的使用经济性，但这只是占其能量消耗的一小部分，因此能耗量是评价举升机构性能好坏的一个次要参数。上述六个性能参数构成了对举升机构进行综合评价的基本指标7。3.3 液压举升机构方案的确定3.3.1 液压举升机构简述普通自卸汽车和专用自卸汽车设计的主要工作是在定型的汽车二类底盘上合理的布置车厢，适当的选用和设计举升机构，使汽车具有自卸功能。举升机构是实现自卸汽车功能的基本部件。举升机构的好坏直接影响到自卸汽车的性能，因此是自卸汽车设计中最为重要的部分。举升机构种类繁多，设计方法也不尽相同。目前，在自卸车上广泛采用液压举升机构，根据油缸与车厢底板的连接方式，常用的举升机构有两种形式：油缸直接推动式和连杆组合式两大类8。直推式举升机构利用液压油缸直接举升货厢倾卸货物。此结构布局简单、结构紧凑、举升效率高。但由于液压油缸工作行程长，故一般要求采用单作用的2级或3级伸缩式套筒油缸.按油缸布置位置不同，直推式举升机构可分为前置式和后置式（亦称为中置式）两种，前置式一般采用单缸，后置式既可采用单缸，也可采用并列双缸。在相同举升载荷条件下，前置式需要的举升力较小，举升时货箱横向刚度大，但油缸活塞的工作行程长；后置式的情况则与前置式的相反。油缸与车厢底板之间通过连杆机构相连接，这种举升机构称为连杆组合式举升机构。在生产实践中连杆组合式举升机构因其具有举升平顺、油缸活塞工作行程短，举升机构布置灵活等优点，得到了广泛的采用，发展出了多种连杆组合式举升机构形式，如油缸前推（后推）连杆放大式、油缸前推（后推）杠杆平衡式、油缸浮动式等。a） 前置式 b） 中置（后置）式图3.1直推式举升机构1-车厢；2-拉杆；3-三角形拉杆；4-举升油缸；5-副车架图3.2油缸前推连杆组合式1-车厢；2-拉杆；3-三角形拉杆；4-举升油缸；5.副车架图3.3油缸后推连杆组合式1-车厢；2-拉杆；3-三角形拉杆；4-举升油缸；5-副车架图3.4油缸前推杠杆平衡式举升机构1-车厢；2-拉杆；3-三角形拉杆；4-举升油缸；5.副车架图3.5 油缸后推杠杆平衡式举升机构1-车厢；2-拉杆；3-三角形拉杆；4-举升油缸；5-副车架图3.6 油缸浮动式举升机构上面各种机构各有优缺点，使用时根据实际需要进行选择。相对来说，直推式举升机构的设计较为简单，而连杆组合式的设计较为复杂和灵活。 3.3.2 液压举升机构方案的选择直推式举升机构利用液压油缸直接举升车厢倾卸。该机构布置简单、结构紧凑、举升效率高，但液压油缸工作行程长，因此，一般要求采用单作用的2级或多级伸缩式套筒油缸。另外单缸系统其横向刚度不足，系统倾卸稳定性差，还存在工作寿命短、成本高等缺点。表3.2推动式和连杆组合式举升机构的综合比较项目 类别 直推式连杆组合式结构布置简单，易于布置比较复杂系统布置较小较大建造高度较底较高油缸加工工艺性多级缸，加工精度高，工艺性差单级缸，制造简便，工艺性好油压特性较差较好系统密封性密封环节多，易渗漏密封环节少，密封性好工作寿命磨损大，易损坏，工作寿命较不易损坏，工作寿命较长制造成本较高较底系统稳定性较差较好系统耐冲击性较好较差 连杆组合式举升机构具有举升平顺、油缸活塞的工作行程短、机构布置灵活等优点。该机构又分油缸后推式和油缸前推式两种，油缸后推式机构举升力系数适中，结构紧凑，但各部件布置集中在后部，车厢底板受力大，适用于中型自卸汽车油缸前推式机构举升力系数小、省力、油压特性好，适用于重型自卸汽车9。综合考虑以上因素，我们决定选用油缸前推式连杆组合式举升机构。 3.4 举升机构几何尺寸的确定油缸前推式四连杆举升机构（见图3.7），主要由举升油缸EC、拉杆BD和三角臂ABC构成。点O是车厢与副梁的铰接点。工作时油缸充油，使油缸EC伸长，三角臂ABC和拉杆BD随着转动并升高，举升车厢，使其绕O点倾翻。货物卸完后，车厢靠自重复位。举升机构在初始位置所占据的空间愈小愈好，以保证机构紧凑，各构件不发生运动干涉，可协调运转。用作图法初选各铰支点的位置及各构件的几何尺寸。图3.7机构设计示意图3.4.1 车厢与副梁铰支点O的确定车厢后铰支点O应尽量靠近车架大梁的尾端。已知车厢副梁高205mm，长4000mm，兼顾结构安排空间，取水平方向离副梁尾端146mm、垂直方向离副梁下沿118mm处，作为车厢后铰支点，并以车厢后铰支点作为四连杆运动的坐标原点（0，0），x轴平行于副梁的上平面，指向汽车前方。3.4.2 车厢放平时举升机构与车厢前铰支点A0的确定。车厢前铰支点的坐标（，）可按经验公式（3.2）计算 （3.2）式中L油缸最大工作行程，参考同类车型油缸型号，初选油缸自由长度=1165mm，最大有效工作行程L=780mm；车厢最大举升角，根据车厢倾卸动作要求和所运物料的安息角，选取= R经验系数，根据L尺寸，选取R=175因此可得， =2730mm考虑结构安排，取=2725mm点的垂直方向应尽量靠近车厢底面，充分利用车厢底部空间，减少油缸下支点沉人副梁中的深度。确定距车厢底板的距离为83mm，已知底板纵梁高180mm，因此。点坐标为（2725，184）。3.4.3 液压油缸与副梁铰支点的确定由于油缸具有相当大的尺寸，以及开始举升时，为减少油缸的工作压力，油缸必须具有一定数值的倾斜角，因此，E 点相对点O的垂直距离由结构允许最小值确定，即mm。E点x轴坐标由经验公式求得 （3.3） =2387mm 根据结构安排，令为2378，则E点坐标为（2378，-70）。3.4.4 车厢放平时三角臂中支点C0座标和A0C0长度的确定 点即油缸上支点。车厢放平时，点应尽量靠近车厢底面，要充分利用上部空间，从而减少油缸下支点沉人副梁中的深度。令点垂直方向在点下90mm。又车厢放平时，油缸长度应略大于油缸最小长度15mm，以保证车厢确实能放平，油缸不会产生干涉。根据结构安排，定水平方向在点前805mm，则点坐标为（3610，142），=885mm。3.4.5 车厢放平时拉杆与三角臂铰接点B0的确定连接，并将绕O点向上转到点。以为圆心，为半径画弧，再以E为圆心以1165+780-10=1935mm为半径画弧，两弧交点，连接和，作=又以为顶点，为边，=根据结构允许尺寸，取=354mm，连接、调整B点位置，使AB、BC为整数，AB= =1180mm，由此确定点的坐标为（3872，-94），ABC和为和时三角架所处的位置。3.4.6 拉杆与副梁铰接点D及拉杆长度的确定作的垂直平分线交线于D点，为结构允许的连杆与副梁铰支点的最高位置，取=175。调整点D位置使为整数，最后确定点坐标为（1955，175），拉杆长度=1608mm。用作图法初选出各铰支点位置后，需要对不同举升角作运动轨迹校核。如果出现点C至车厢底板距离小于点A至车厢底板距离的情况，则应加大AC线与x轴平行线的夹角的数值，重新计算各铰支点参数值10。3.5 举升机构力学分析举升机构力学分析的目的就是要求得各构件在车厢任意举升角时的受力最大值，为液压系统参数确定和构件截面尺寸的计算提供依据。举升力系数K是体现举升机构动力性的指标，是指单位举升质量所需要的液压缸推力。 （3.4）式中：液压油缸最大举升力； G车厢满载时，车厢质量与货物质量之和。 已知G=125009.8=122500NK直接影响自卸汽车的经济性能，其值越小越好。随着车厢举升角的变化，K值是变化的。考虑到机构在初始位置时车厢内货物最多，阻力臂最大，车厢启动时又有惯性阻力作用，此时油缸推力最大。因此，下面只对初始位置时各构件进行力学分析。3.5.1 机构的坐标计算A、G、B、C、F的坐标及 、的计算（见图3.8）图3.8举升机构坐标分析简图已知当举升时，三角臂、点及车厢满载重心坐标值如下：=2725， =184=3872，=-94=3610，=142 =1515，=853在举升角时，和和交点的坐标 （3.5）（，）通过求解方程 （3.6）可得=1260， =272在举升角时，点O至直线的距离：=347 （3.7） 在举升角时，点至直线的距离和点至直线的距离：=320 （3.8） =208（3.9）在举升角时，点至直线的距离和点至直线的距离：=153 （3.10）=494 （3.11） 以上数值也可以通过作图法直接测量，可以省去大量繁琐的计算，在实际工作中应用比比较广泛。两种方法各有所长，可根据个人习惯选择。3.5.2 机构受力分析取车厢为分离体（见图3.9） 图3.9 举升机构力学分析图由力矩平衡方程可知 =0即 （3.12）代入已知数据得：=524258.4N取三角架ABC为分离体（见图3.10）图3.10 举升机构力学分析图由力矩平衡方程可知 =0 （3.13）已知： ，得油缸最大举升力 =347642.2N=0即 得拉杆最大拉力 = = =107670.5N （3.14）可以求得举升力系数= =2.83.5.3 拉杆截面尺寸的确定拉杆BD为二力受拉杆件，作用力对称分布在两根拉杆上，因此作用在每根拉杆上的最大拉力： = =53835N （3.15）初选拉杆材质为Q235，从手册可查得= 230 N/ 拉杆最小横截面面积 A=468 （3.16）取 A=500m实际上 = N/ （3.17） 校核安全系数=2.15n因此，拉杆截面面积耐满足强度要求11。3.6 本章小结从分析过程中可以看出，自卸汽车举升机构的设计要综合考虑各项因素，既要结构紧凑又要具有较大的举升力，更要安全可靠。本章对自卸车厢及举升机构进行了设计计算包括：主要尺寸参数的选择的确定；举升工作原理、油缸推力的计算以及举升机构参数的校核计算等。通过以上结构设计和力学分析，该自卸车举升机构选用合理。31