輪式裝載機(jī)的工作裝置設(shè)計及動態(tài)仿真.doc

第1章 ZL50輪式裝載機(jī)的工作裝置設(shè)計1.1 ZL50輪式裝載機(jī)的工作裝置設(shè)計要求1.1.1 概述裝載機(jī)工作裝置主要由鏟斗和支持鏟斗進(jìn)行裝在作業(yè)的連桿系統(tǒng)組成，依靠這套裝置裝載機(jī)可以對汽車，火車進(jìn)行散料裝載作業(yè)，也可以對散料進(jìn)行短途運輸作業(yè)，還可以進(jìn)行平地修路等作業(yè)。把鏟斗更換成專門的裝置，還可以進(jìn)行其他裝載作業(yè)。裝載機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)和性能直接影響整機(jī)的工作尺寸和參數(shù)，因此，工作裝置的合理性直接影響裝載機(jī)的生產(chǎn)效率、工作負(fù)荷、動力與運動特性，不同工況下的作業(yè)效果、工作循環(huán)時間、外形尺寸和發(fā)動機(jī)功率等。輪式裝載機(jī)工作裝置有多種形式，根據(jù)桿數(shù)和運動特征可分為正轉(zhuǎn)四桿、正轉(zhuǎn)五桿、正轉(zhuǎn)六桿、反轉(zhuǎn)六桿、正轉(zhuǎn)八桿等。本次設(shè)計研究的是反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)形式簡單、尺寸緊湊。當(dāng)鏟斗鏟掘物料時由于是反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)斗油缸大腔進(jìn)油工作，可以獲得較大的鏟掘力。也就是說，鏟起同樣重量的物料，轉(zhuǎn)斗油缸的尺寸可以設(shè)計得較小。而且轉(zhuǎn)斗油缸后置，使司機(jī)有較好的視野。反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)尤其多用于中小型裝載機(jī)工作裝置,我國生產(chǎn)的ZL系列輪式裝載機(jī)工作裝置多采用這種形式。圖1-1 反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)輪式裝載機(jī)的工作裝置由鏟斗、連桿（或托架）、搖臂、動臂、轉(zhuǎn)斗油缸、動臂油缸組成。這個機(jī)構(gòu)實質(zhì)是兩個四桿機(jī)構(gòu)。圖1-2 輪式裝載機(jī)的工作裝置1.1.2 輪式裝載機(jī)工作過程輪式裝載機(jī)是一種鏟、裝、運、卸一體化的自行式設(shè)備，它的工作過程由六種工況組成。插入工況 動臂下放，鏟斗放置于地面，斗尖觸地，斗底板與地面呈 35傾角，開動裝載機(jī)，鏟斗借助機(jī)器的牽引力插入料堆。 鏟裝工況 鏟斗插入料堆后，轉(zhuǎn)動鏟斗鏟取物料，待鏟斗翻至近似水平為止。 重載運輸工況 鏟斗鏟裝滿物料后舉升動臂，將鏟斗舉升至運輸位置(即鏟斗斗底離地高度不小于機(jī)器的最小允許離地間隙)，然后驅(qū)動機(jī)器駛向卸載點。 舉升工況 保持轉(zhuǎn)斗缸長度不變，操作舉升油缸，將動臂升至上限位置，準(zhǔn)備卸載。 卸載工況 在卸載點，在舉升工況下操作轉(zhuǎn)斗缸翻轉(zhuǎn)鏟斗，向溜井倉或運輸車輛中卸載，鏟斗物料卸凈后下放動臂，使鏟斗恢復(fù)至運輸位置?？蛰d運輸工況 卸載結(jié)束后，裝載機(jī)再由卸載點空載返回裝載點。1.1.3 輪式裝載機(jī)工作裝置設(shè)計要求根據(jù)輪式裝載機(jī)的作業(yè)特點，其工作裝置的設(shè)計應(yīng)滿足以下要求。1.基本要求所設(shè)計的裝載機(jī)應(yīng)具有較強(qiáng)的作業(yè)能力，鏟斗插入料堆的阻力要小，在料堆中鏟掘的能力大、能耗小。工作機(jī)構(gòu)的各桿件受力狀態(tài)良好，強(qiáng)度壽命合理。結(jié)構(gòu)和工作尺寸適應(yīng)生產(chǎn)條件需要，效率高。結(jié)構(gòu)簡單緊湊，制造及維修容易，操作使用方便。2.特殊要求(1)由于鏟斗寬度和容積都較大，所以鏟裝阻力大，裝載系數(shù)小。因此設(shè)計鏟斗寬度為2990，鏟斗容量為3m，以減小工作阻力，達(dá)到裝滿卸凈、運輸平穩(wěn)。(2)鏟斗由運輸工況被舉升到最高卸載位置的過程中，為避免鏟斗中物料撒出，要求鏟斗作“平移運動”。從不易撒料這一目的出發(fā)，絕對平動并無必要，只要把鏟斗舉升時的傾角變化限制在一定許可范圍之內(nèi)即可，設(shè)計時一般控制在 10以內(nèi)為好。(3)保證必要的卸載角、卸載高度和卸載距離。輪式裝載機(jī)要求鏟斗在從運輸工況至最高位置之間的任一高度都能卸載干凈，為此，鏟斗各瞬時的卸載(鏟斗斗底對地面的前傾角 )均需不小于 45。根據(jù)設(shè)計任務(wù)書中的規(guī)定，鏟斗在最高位置卸載時，最大卸載高度為3050，卸載距離為1200。(4)鏟斗能自動放平。鏟斗在最高位置卸載后，閉鎖轉(zhuǎn)斗油缸，下放動臂，鏟斗能自動變成插入工礦(開始插入狀態(tài))的功能成為“鏟斗自動放平”。(5)輪式裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)屬于連桿機(jī)構(gòu)，設(shè)計中要注意防止各個工況出現(xiàn)構(gòu)件相互干擾、“死點”、“自鎖”和“機(jī)構(gòu)撕裂”等現(xiàn)象；各處傳動角不得小于10；在綜合滿足工作性能的前提下，盡可能增大機(jī)構(gòu)的倍力系數(shù)。(6)應(yīng)盡量減少工作機(jī)構(gòu)的前懸(即工作機(jī)構(gòu)重心至整機(jī)重心的距離)、長度和高度，以提高裝載機(jī)在各種工況下的穩(wěn)定性和司機(jī)的視野。1.2鏟斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計和尺寸設(shè)計1.2.1 鏟斗的設(shè)計要求鏟斗是裝載機(jī)工作裝置的執(zhí)行構(gòu)件。鏟斗直接與物料接觸，是裝、運、卸的工具，工作時，它被推壓插入料堆鏟取物料，工作條件惡劣，是承受很大的沖擊力和劇烈的磨損，因此鏟斗的設(shè)計質(zhì)量對裝載機(jī)的作業(yè)能力有較大影響。為了保證鏟斗的設(shè)計質(zhì)量，首先應(yīng)當(dāng)合理地確定鏟斗的結(jié)構(gòu)及幾何形狀，以降低鏟斗插入物料的阻力。其次要保證鏟斗具有足夠的強(qiáng)度、剛度、耐磨性，使其具有合理的壽命。、1.2.2 鏟斗的基本結(jié)構(gòu)形式輪式裝載機(jī)的鏟斗斷面形狀一般為“U”形，用鋼板焊接而成，常見的鏟斗結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。 (a)直線形斗刃鏟斗 (b)V形斗刃鏟斗 (c)直線形帶齒鏟斗 (d)弧形帶齒鏟斗 圖1-3 常見的鏟斗結(jié)構(gòu)鏟斗由斗底、側(cè)壁、斗刃及后壁等部分組成。如圖1-4所示。圖1-4 輪式裝載機(jī)鏟斗結(jié)構(gòu)(1)斗體的形狀鏟斗的斗體基本可分成“淺底”和“深底”兩種類型。在斗容量相同情況下，前者開口尺寸較大，斗底深度較小，即斗前壁較短，而后者則正好相反。淺底鏟斗插入料堆的深度小，相應(yīng)的插入阻力也小，容易裝滿，但運輸行駛時容易撒料；由于前懸增大，影響車輛行駛平穩(wěn)性。而深底鏟斗則恰恰相反。根據(jù)設(shè)計要求，此裝載機(jī)工作裝置主要進(jìn)行定點或短距離裝載，所以選用淺底鏟斗。斗體采用低碳、耐磨、高強(qiáng)度鋼板焊接制成。(2)切削刃的形狀根據(jù)裝載物料的不同，切削刃有直線型見圖1-3(a)和非直線型見圖1-3(b)、1-3(d)。前者形式簡單，有利于鏟平地面，但鏟裝阻力大。后者有V形和弧形等，插入阻力較小，容易插入物料，并有利于減少偏載插入，但鏟裝系數(shù)小。根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求，此工作裝置需進(jìn)行鏟平工作，且工作條件相對良好，所以選用直線型切削刃。斗刃材質(zhì)采用既耐磨又耐沖擊的中錳合金鋼材料側(cè)削刃和加強(qiáng)角板都用高強(qiáng)度耐磨鋼材料制成。(3)斗齒鏟斗斗刃上可以有斗齒也可以沒有斗齒，若斗刃上裝有斗齒時，斗齒將先于切削刃插人料堆，由于它比壓大(單位長度插入力大)，所以比帶齒的切削刃易于插入料堆，插人阻力能減小20%左右，特別是對料堆比較密實、大塊較多的情況，效果尤為顯著。斗齒結(jié)構(gòu)分整體式和分體式兩種，此鏟斗的斗齒工作條件相對良好，磨損較輕，所以采用用高錳鋼制成的整體式，直接焊接固定在鏟斗斗刃上。斗齒的形狀和間距對切削阻力是有影響的。一般中型裝載機(jī)鏟斗的斗齒間距為250至300毫米之間。(4)鏟斗側(cè)刃因為側(cè)刃參與插入工作，為減小插入阻力，側(cè)壁前刃應(yīng)與應(yīng)與斗前壁成銳角，弧線或折線側(cè)刃鏟斗的插入阻力比直線側(cè)刃要小。為了不使斗容減小太多，將側(cè)壁刃口設(shè)計成折線。(5)斗底斗前壁與與斗后壁用圓弧連接，構(gòu)成弧形斗底。為了使物料在斗中有很好的流動性，斗底圓弧半徑不宜太小，前后壁夾角(鏟斗開口角或張開角)不應(yīng)小于物料與鋼板的摩擦角的2倍，以免卡住大塊物料。1.2.3 鏟斗的分類鏟斗按卸載方式一般可分為整體前卸式、側(cè)卸式、推卸式和底卸式等數(shù)種。(1)整體前卸式鏟斗圖1-5所示的就是整體前卸式。它的突出優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，有效裝載容積大，但需要較大的卸載角才能將物料卸凈。圖1-5 整體前卸式鏟斗卸載工況1-舉升油缸；2-鏟斗；3-轉(zhuǎn)斗油缸；4-動臂(2)側(cè)卸式鏟斗側(cè)卸式鏟斗如整體式一樣，可以往機(jī)器前方卸料。當(dāng)如果需要往機(jī)器一側(cè)卸料時，可以拔去一個側(cè)銷，通過轉(zhuǎn)斗油缸動作來卸料。這種鏟斗因為沒有側(cè)板，插入阻力小，裝載效率高，特別是在裝載機(jī)用于填溝或在狹窄場地往側(cè)旁的運輸設(shè)備進(jìn)行裝載作業(yè)時，其優(yōu)點就更加顯著了。(3)推卸式鏟斗推卸式鏟斗可以用來彌補(bǔ)整體式鏟斗卸載高度的不足，在裝載機(jī)其他尺寸參數(shù)相同的時候，能夠顯著地提高卸載高度和增加卸載距離。同整體前卸式鏟斗相比，推卸式鏟斗的結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些，且需另用動力推卸。(4)底卸式鏟斗底卸式鏟斗是用動力打開斗底卸載，同推卸式鏟斗一樣可以提高卸載高度，但結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。綜上所得，根據(jù)本次設(shè)計任務(wù)的要求，裝載機(jī)工作裝置要求結(jié)構(gòu)簡單，并且考慮到產(chǎn)品成本與經(jīng)濟(jì)實用性。因此，我采用了整體前卸式鏟斗。1.2.4 鏟斗的設(shè)計1.鏟斗的斷面形狀和基本參數(shù)的確定(1)鏟斗的斷面形狀鏟斗的斷面形狀由鏟斗圓弧半徑r、底壁長、后壁高h(yuǎn)和張開角四個參數(shù)確定，如圖4-6所示。 圖1-6 鏟斗斷面基本參數(shù)圓弧半徑r越大，物料進(jìn)入鏟斗的流動性越好，有利于減少物料進(jìn)入斗內(nèi)的阻力，卸料時干凈而且快捷。但r過大，斗的開口較大時，不易裝滿，而且鏟斗外形較高，將影響駕駛員觀察鏟斗斗刃的工作情況。后壁h是指鏟斗上緣至圓弧與后壁切點間的距離。底壁長l是指斗底壁的直線段長度。l長則鏟斗鏟入料堆深度大，斗易裝滿但掘起力將由于力臂的增加而減小，插入的阻力也將隨鏟斗鏟入料堆的深度而急劇增加。l長亦會減小卸載高度。l短則掘起力大，且由于卸料時鏟斗刃口降落的高度小，還可減小動臂舉升高度，縮短作業(yè)時問，但這會減小斗容。根據(jù)任務(wù)書要求以及老師建議，可選擇大些。鏟斗張開角為鏟斗后壁與底壁間的夾角，一般取4552。適當(dāng)減小張開角并使斗底壁對地面有一定斜度，可減小插入料堆時的阻力，提高鏟斗的裝滿程度。鏟斗的寬度應(yīng)大于裝載機(jī)兩前輪外側(cè)間的寬度，每側(cè)要寬出50l00mm。如鏟斗寬度小于兩輪外側(cè)間的寬度，則鏟斗鏟取物料后所形成的料堆階梯會損傷輪胎側(cè)壁，并增加行駛時輪胎的阻力。(2)鏟斗基本參數(shù)的確定設(shè)計時，把鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R(即鏟斗與動臂鉸接點至切削刃之間的距離)作為基本參數(shù)，鏟斗的其他參數(shù)則作為R的函數(shù)。R是鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑(見圖1-7)，它的大小不僅直接影響鏟斗底壁的長度，而且還直接影響轉(zhuǎn)斗時掘起力及斗容的大小，所以它是一個與整機(jī)總體有關(guān)的參數(shù)。鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑尺寸可按下式計算。 圖1-7 鏟斗參考尺寸 (1-1)式中 Vr鏟斗的額定容量，m；B0鏟斗的內(nèi)側(cè)寬度，m；g鏟斗的斗底長度系數(shù)，g=1.401.53； z后壁的長度系數(shù)，z=1.11.2；k擋板的高度系數(shù)，k=0.120.14；r圓弧的半徑系數(shù)，r=rR=0.350.4；張開角,為4552；1擋板與后壁間的夾角，選擇1時應(yīng)使側(cè)壁切削刃與擋板的夾角為90。在設(shè)計當(dāng)中，鏟斗的額定容量由設(shè)計任務(wù)書給出Vr=3m。鏟斗的內(nèi)側(cè)寬度 B0=b+bw+(0.10.2)-2a (m) (1-2)式中b-裝載機(jī)輪距，m； bw-輪胎寬度，m；a-鏟斗側(cè)壁切削刃厚度，m。查閱資料，徐工ZL50輪式裝載機(jī)圖冊，得b=2.24m，bw =0.5969m，a=0.025m，關(guān)于(0.10.2),取0.15m.計算得B0=2.937m。設(shè)計參數(shù)的選擇，借助經(jīng)驗獲取，g=1.5，z=1.15，k=0.13，r=0.4，=48，1=13。通過上述參數(shù)的選擇，帶入(1-1)式中，得到R=1.339m。(3)鏟斗截面各邊尺寸計算斗底長度：Lg=Rg=1.3391.5=2.001m， (1-3)斗后壁長度：Lz=Rz=1.3391.15=1.540m， (1-4)擋板高度：Lk=Rk=1.3390.13=0.201m， (1-5)斗底圓弧半徑：r=Rr=1.3390.4=0.536m， (1-6)2.鏟斗容量計算與誤差判斷鏟斗容量是裝載機(jī)的總體參數(shù)之一，鏟斗的斗容量已經(jīng)系列化，其計算也以標(biāo)準(zhǔn)化。(1)鏟斗容量計算設(shè)計鏟斗的額定容量： (m) (4-7)式中 S鏟斗平裝容量橫截面，m2；a擋板高度， m；b鏟斗開口長，m；c堆積高度，m。鏟斗平裝容量橫截面S的計算：如圖1-8所示，鏟斗平裝容量橫截面積S由5塊基本幾何圖形組成。 圖1-8 鏟斗截面計算計算式為 （1-8） 式中 S1扇形AGFO的面積，m2；S2直角三角形GFN，m2；S3直角三角形GAC，m2；S4三角形CGN，m2；S5直角三角形CND，m2。由圖4-8知：S1=GF2360(180-)=0.331m2 S2=12GFFN=12rLz-rtan2=0.050m2 S3=12GACA=12rLg-rtan2=0.198m2 S4=LL-CNL-CG(L-NG)=0.105m2 綜上所得： S=0.873m2鏟斗開口長b和堆積高度c的計算鏟斗開口長b的計算： CN=1.372 堆積高度c的計算：圖1-9是額定容量鏟斗的橫截面積，其中擋板DN高為a，CD是鏟斗開口長b，IH是斗尖至鏟斗側(cè)壁的高度c。根據(jù)美國汽車工程師手冊規(guī)定IH垂直于CD，且IK=CK/2=b/4.按照通常的設(shè)計要求，擋板DN應(yīng)垂直于斗側(cè)壁CN，所以CKHCND。則 c=IK+KH=14b+ba2b2-a2=0.448m圖1-9 額定容量鏟斗的橫截面鏟斗容量計算代入(1-7)式中，得 Vr=3.025m。（1）鏟斗的容量誤差判斷若滿足 Vr-Vh 式中 Vh-計算的斗容量； -設(shè)計中給定的允許斗容量誤差，根據(jù)設(shè)計要求為0.1m3則 Vr-Vh=3-3.037FE+BE (4-10)如圖4-21所示，若令，GF=a,FE=b,BE=c,BG=d,并將式(4-10)不等號兩邊同時除以d，經(jīng)整理上式得下式，即 (4-11)其中d值由BG確定，即d=1636mm。初步設(shè)計時，(4-11)式中各值可按式(4-12)中選取。 K=0.9500.995 a=（0.3 0.5）d (4-12) c=(0.40.8)d所以得K=0.970，a=654mm，c=982mm,b=1200mm。2）確定E點和F點的位置這兩點位置的確定要綜合考慮如下四點要求：E點不可與前橋相碰，并且有足夠的最小離地高度；插入工況時，使EF桿盡量與GF桿垂直，這樣可獲得較大的傳動比角和倍力系數(shù)；鏟裝工況時，EF與GF桿的夾角必須小于170，即傳動角不能小于10，以免機(jī)構(gòu)運動時發(fā)生自鎖；高位卸載工況時，EF桿與GF桿的傳動角也必須大于10。具體做法如下：如圖1-22所示，鏟斗取工況。分別以B點和G點為圓心，以c和分別為半徑畫弧，其交點為E；再分別以G點和E點為圓心，a和b半徑畫弧，則其交點必為F。 圖 1-22 連接端部鉸接點設(shè)計作圖所得，在鏟裝工況下，即工況下，E點坐標(biāo)為(2535，833),F點坐標(biāo)為(1337,903)。為了防治機(jī)構(gòu)出現(xiàn)“死點”，“自鎖”或“撕裂”現(xiàn)象，設(shè)計時應(yīng)滿足下列不等式。工況時： GF+FEGE (4-13)工況時： FE+BEFB (4-14)檢驗E與F點位置設(shè)計：工況時，GF=654mm，F(xiàn)E=1200mm，GE=1851mm，因此滿足GF+FEGE。工況時，F(xiàn)E=1200mm，BE=982mm，F(xiàn)B=2175mm，因此滿足FE+BEFB。綜上所得，E點與F點設(shè)計位置滿足要求。(3)轉(zhuǎn)斗油缸與搖臂和機(jī)架的鉸接點C和D的確定在圖4-21中，如果確定了C點和D點，就最后確定了與機(jī)架連接的四桿機(jī)構(gòu)BCDA的尺寸。C點和D點的布置直接影響到鏟斗舉升平動和自動放平性能，對掘起力和動臂舉升阻力的影響都較大。1)確定C點從力的傳遞出發(fā)，顯然使搖臂BC長一些有利，那樣可以增大轉(zhuǎn)斗油缸作用力臂，使掘起力相應(yīng)增大。但加長BC段，必將減小鏟斗和搖臂的轉(zhuǎn)角比，造成鏟斗轉(zhuǎn)角難以滿足各個工況的要求，并且使轉(zhuǎn)斗油缸行程過長。初步設(shè)計時，一般取BC=(0.7-1.0)BE （4-15）因此，取BC=O.8BE=785mm。C點一般取在B點左上方，BC與BE夾角(即搖桿折角)，可取CBE=165，C點運動不與鏟斗干擾，其高度不影響司機(jī)視野。 2)確定D點 轉(zhuǎn)斗油缸與機(jī)架的鉸接點D，是根據(jù)鏟斗由工況舉升到工況過程為平動和由工況下降到工況能自動放平這兩大要求來確定的