工程機(jī)械計(jì)算書

1、一、 工程機(jī)械課程設(shè)計(jì)題目試設(shè)計(jì)裝載機(jī)反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)工作裝置。已知該工作裝置額定載重量Q=3t,卸載高度H=2.7m,鏟斗寬度B=2.3m,斗四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)為K= 0.98,a/d=0.30.45,c/d=0.500.60,上下?lián)u臂為直線型，動(dòng)臂按曲線型結(jié)構(gòu)考慮，其轉(zhuǎn)角=90°，g=1.41.5,z=1.11.2, k=0.120.14, r=0.350.4,=4852,1=510要求：編寫詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算書（包括上機(jī)編程）繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)圖（2圖）用CAD繪制工作裝置裝配總圖（1圖）繪制鏟斗部件結(jié)構(gòu)圖（2圖）二、裝載機(jī)用途： 裝載機(jī)是一種作業(yè)效率高，用途廣泛的工程機(jī)械，它不僅對(duì)松

2、散的堆積物料進(jìn)行裝、運(yùn)、卸作業(yè)，還可對(duì)巖石、硬土進(jìn)行輕度鏟掘作業(yè)，并能用來(lái)清理、刮平場(chǎng)地及牽引作業(yè)。如換裝相應(yīng)的工作裝置，還可完成推土、挖土、松土、起重，以及裝載棒料等作業(yè)。裝載機(jī)工作裝置應(yīng)滿足下列要求：1鏟斗的運(yùn)動(dòng)軌跡符合作業(yè)要求，即要滿足鏟掘，裝載的要求。希望鏟掘力大，斗易于裝滿料，并要求動(dòng)臂在提升過(guò)程中，鏟斗應(yīng)保持接近平移的運(yùn)動(dòng)，以免斗中物料撒落。2要滿足卸載高度和距離的要求，并保證動(dòng)臂在任何都能卸凈鏟斗中的物料。3在滿足作業(yè)要求的前提下，工作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自重輕，受力合理，強(qiáng)度高。4應(yīng)保證駕駛員具有良好的工作條件，確保工作安全，視野良好，操作簡(jiǎn)單和維修方便。三、鏟斗設(shè)計(jì) 鏟斗是鏟裝物料

3、的工具，它的斗型與結(jié)構(gòu)是否合理，直接影響裝載機(jī)的生產(chǎn)率。在設(shè)計(jì)工作裝置連桿結(jié)構(gòu)之前，首先要確定鏟斗的幾何形狀和尺寸，因?yàn)樗c連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有密切聯(lián)系。 設(shè)計(jì)鏟斗首先要具有合理的斗型，以減少切削和裝料阻力，提高作業(yè)生產(chǎn)率，其次是在保證鏟斗具有足夠強(qiáng)度和剛度的前提下，盡量減少自重，同時(shí)也應(yīng)考慮到更換工作裝置和修復(fù)易換零件（切削刃、斗點(diǎn)）的方便。普通鏟斗的構(gòu)造： 圖（a）直刀刃鏟斗；（b）v行刀刃鏟斗；（c）帶斗齒鏟斗（d）v形刀刃帶斗齒鏟斗（a ）是一個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的鏟斗，底板上的主切削刃1和側(cè)板上側(cè)刀刃2均由耐磨材料制成；在鏟斗的上方有擋板3把斗后臂加高，以防止斗舉高時(shí)物料向后撒落。斗底上鑲有耐磨材

4、料制成的護(hù)壁4，以保護(hù)斗底，并加強(qiáng)斗的剛度。 直線刀刃適于裝載輕質(zhì)和松散小顆粒物料，并可利用刀刃刮平，清理場(chǎng)地工地；v行刀刃鏟斗便于插入料堆，有利于改善作業(yè)裝置的偏載，適宜于鏟裝較緊密物料。由于其刀刃突出，影響卸載高度。 圖1 帶分體式斗齒鏟斗 a) 裝有分體式斗齒的鏟斗 b) 分體式斗齒 1、齒尖 2、基本齒 3、固定銷 4、切削刃鏟斗的截面形狀如上圖所示，它的基本形狀由一段圓弧、兩段直線所的斗的圓弧半徑r，張開角,后臂高h(yuǎn)和底臂長(zhǎng)l等四個(gè)參數(shù)確定的圓弧半徑r越大，物料進(jìn)入鏟斗的流動(dòng)性好，有利于減少物料裝入內(nèi)的阻力，卸料快而干凈，但r過(guò)大，斗的開口大，不易裝滿，且鏟斗外形較高，影響駕駛員觀察

5、鏟斗刃的工作情況。2、鏟斗的斷面形狀和基本參數(shù)的確定鏟斗的斷面形狀由斗的圓弧半徑r，張開角,后臂高h(yuǎn)和底臂長(zhǎng)l等四個(gè)參數(shù)確定如圖 圖2 鏟斗截面的基本參數(shù)根據(jù)上圖鏟斗截面的基本參數(shù) 已知該工作裝置額定載重量Q=3t 根據(jù)土壤的自然重度公式，取r=18KN/m,得 V=mg/r=30/18=1.67m(15KN/m<r<20KN/m) 在應(yīng)用中采用平裝斗容來(lái)計(jì)算鏟斗的截面面積的基本參數(shù)，鏟斗的橫截面積： S=R0.5（cos）sinctg/20.5（1/180） 鏟斗的幾何容積V=鏟斗的橫截面積S×鏟斗寬B，則可建立下式： 式中 V平裝斗容量圖224所示陰影面積由設(shè)計(jì)給定

6、B鏟斗的凈寬度 鏟斗斗底長(zhǎng)度系數(shù)，=L/R 后斗壁長(zhǎng)度，=L/R L后斗壁長(zhǎng)度，是指由后斗壁上緣至斗壁與斗底延長(zhǎng)線相交點(diǎn)的距離 擋板高度系數(shù)，=L/R L擋板高度 圓弧半徑系數(shù)，=r/R 斗底與后斗壁間的夾角,又稱斗張開角 擋板與后斗壁的夾角 根據(jù)已知條件取合適的值: 取=1.41; =1.15; =0.13; =0.36; =9° =52° 把數(shù)據(jù)代入上式得鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑： R=1.2m L=×R=1.41×1.2=1.692m L=×R=1.15×1.2=1.38m L=×R=0.13×1.2=0.156m r

7、=r×R=0.36××1.2=0.432m圖3鏟斗斗型計(jì)算根據(jù)上圖所示計(jì)算各段長(zhǎng)度： x=r/tg26°=0.432/tg26°=0.886m l=1.6920.886=0.806m h=1.380.886=0.494m b=(1.692+0.1)+1.38+0.156/(cos9)-2*1.6927*1.38+0.156/(cos9)*cos52° b=1.423m下鉸點(diǎn)的位置為： h=(0.060.15)×R=(0.060.15)×1.2=0.144取 h =0.144m3、斗容計(jì)算根據(jù)確定的鏟斗幾何尺寸即可計(jì)

8、算鏟斗斗容圖4平裝容量V 有擋板鏟斗 V=SB-2ab/3 m 式中 S鏟斗截面積()； B鏟斗內(nèi)側(cè)寬度()； a擋板垂直刮平線的高度； b鏟斗刀刃與擋板最上部之間的距離。因?yàn)閍=0.156m,b=1.423m鏟斗截面積:S=R0.5（cos）sinctg/20.5（1/180）=0.706V=0.706×2.3-2ab/3=1.624-0.023=1.6012、堆裝容量V(額定斗容量)V= VbB/8b(a+c)/6 式中：c物料堆積高度。c=(b/2)*tan(30°)+(b/2)*tan(x°) (1)Cos(x°)=(1.423+y-0.156)

9、/2*y*1.423 (2)y=1.38+(1.692+0.1)-2*1.38*(1.692+0.1) (3)所以c=0.552mV=1.948m四、動(dòng)臂的設(shè)計(jì) 1.動(dòng)臂長(zhǎng)度 動(dòng)臂長(zhǎng)度決定于動(dòng)臂與機(jī)架的鉸點(diǎn)位置和動(dòng)臂與鏟斗的鉸點(diǎn)的位置。 動(dòng)臂下鉸點(diǎn)在動(dòng)臂舉升最高位置A1由所需的最大卸載高度Hmax和相應(yīng)的卸載距離S確定。動(dòng)臂的下鉸點(diǎn)在動(dòng)臂下落時(shí)的位置A2則應(yīng)盡量靠近輪胎，以減少對(duì)傾覆軸的力臂，縮短整機(jī)總長(zhǎng)，但應(yīng)保證鏟斗上翻時(shí)，斗與輪胎有一定的間隙。 2.動(dòng)臂鉸點(diǎn)的確定圖5 動(dòng)臂上鉸點(diǎn)位置的確定根據(jù)已知條件可知轉(zhuǎn)角=90°取鏟斗距輪胎的距離為=0.1卸載高度Hmax=0.135Q+2.

10、37=0.135*3+2.37=2.775m裝載機(jī)自重G=4.057Q-1.97=4.057*3-1.97=10.201t裝載機(jī)全長(zhǎng)L=0.502Q+4.53=0.502*3+4.53=6.036m下鉸點(diǎn)離地高度h=0.144m=arcsin(h/R)=arcsin(0.144/1.2)=6.892º取=52°+=52°+6.892°=58.692°x1=Rsin(+)=1.2×sin58.692°=1.025mA1A2的垂直距離b=2.775-0.144+1.025=3.656m取A1=90°=90°5

11、2°31.304°=6.696°A1A2=b÷cos6.696°=3.656÷cos6.696°=3.681mOA1=3.863/cos(45°)=2.73m五、反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)題目的要求可得，要求工作裝置設(shè)計(jì)成為一反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)。反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是主從動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方向相反。反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的連桿動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)是在鏟掘位置時(shí)的傳動(dòng)角（連桿與從動(dòng)桿所夾的銳角）大，轉(zhuǎn)斗液壓缸以大腔作用，能產(chǎn)生較大的崛起力。1.運(yùn)動(dòng)學(xué)分析動(dòng)臂升降時(shí)，收斗角變化不大，因而在不增加動(dòng)臂在最高位置時(shí)的收斗角的條件下，可加大動(dòng)臂在下部位置的收斗角，這樣可提

12、高鏟掘時(shí)鏟斗的裝滿程度并減少運(yùn)輸時(shí)撒料現(xiàn)象。卸載時(shí)，轉(zhuǎn)斗角速度小，易于控制卸料速度，減少卸料沖擊。圖6所示正轉(zhuǎn)連桿和反轉(zhuǎn)連桿工作裝置在動(dòng)臂處于最大的舉升高度時(shí)鏟斗的卸載速度隨鏟斗轉(zhuǎn)角的變化曲線，很明顯，在鏟斗卸載的后期（鏟斗切削刃與水平夾角0）反轉(zhuǎn)連桿的卸載速度顯著下降。 圖6卸載速度隨鏟斗轉(zhuǎn)角變化曲線 1-正轉(zhuǎn)連桿；2-反轉(zhuǎn)連桿易于實(shí)現(xiàn)鏟斗的自動(dòng)效率，使鏟斗自頂部卸載位置降落至地面時(shí)，無(wú)需操縱轉(zhuǎn)斗油缸，便能依靠連桿機(jī)構(gòu)本身自動(dòng)回到鏟掘位置，簡(jiǎn)化操作，提高了功效。 反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)特別適用于堅(jiān)實(shí)物料（如礦石、原石）的采掘和搬運(yùn)作業(yè)，這是因?yàn)樵阽P掘作業(yè)轉(zhuǎn)斗時(shí)，轉(zhuǎn)斗液壓缸大腔作用，提高了連桿傳動(dòng)比，使

13、鏟起力得到較大的增加。同時(shí)由于新連桿機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)的減少，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。圖7中可以看成兩個(gè)連桿機(jī)構(gòu)組合而成的（轉(zhuǎn)斗缸四連桿機(jī)構(gòu)ABCD和斗四連桿機(jī)構(gòu)DEGF），圖中用了兩種不同的粗實(shí)線表示出來(lái)。2.斗四連桿設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)時(shí)要滿足以下條件： 1.鏟斗的運(yùn)動(dòng)軌跡符合作業(yè)的要求 2.滿足動(dòng)臂在任一位置都能卸載鏟斗的卸載角不得小于45° 3.連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角盡可能大，以提高連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，減少鉸銷的受力情況 4.作業(yè)時(shí)，各桿件無(wú)運(yùn)動(dòng)干涉滿足斗（相對(duì)動(dòng)臂）的轉(zhuǎn)角范圍，在轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角應(yīng)大于10°，斗后傾的極限位置是由動(dòng)臂在最低位置時(shí)的一定的收斗角sh所決定的，同時(shí)，由

14、于斗隨動(dòng)臂的提升而一起轉(zhuǎn)動(dòng)，因而斗的轉(zhuǎn)角范圍為在地面上的最大收斗角sh;動(dòng)臂在最高位置的卸載角和動(dòng)臂從地面轉(zhuǎn)至最高位置的轉(zhuǎn)角之和，即圖7工作裝置的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖 =+ 一般 sh=40°50°=45°50 ° =75°90°故一般在180°左右。設(shè)計(jì)時(shí)，在斗的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)角應(yīng)盡可能取的大一些，否則，對(duì)桿件機(jī)構(gòu)接近運(yùn)動(dòng)極點(diǎn)，鏟斗極容易由于鉸銷間隙而引起晃動(dòng)，增加撒料和噪音。但是，由于所要求斗的轉(zhuǎn)角范圍很大，轉(zhuǎn)動(dòng)角要取的大比較困難，考慮到轉(zhuǎn)動(dòng)角最小值出現(xiàn)在連桿機(jī)構(gòu)受載不大的位置，因此轉(zhuǎn)動(dòng)角在極限位置允許取小些，但保證大于10&#

15、176;。斗四連桿機(jī)構(gòu)尺寸要適合，因考慮結(jié)構(gòu)布置的可能性和合理性斗四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比應(yīng)符合掘起力變化規(guī)律要求。要求斗在鏟掘位置附近斗四連桿機(jī)構(gòu)的力傳動(dòng)比應(yīng)比較大，以保證有足夠大的掘起力。運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析斗四連桿機(jī)構(gòu)即雙搖桿機(jī)構(gòu)，其最長(zhǎng)桿d與最短桿a的長(zhǎng)度之和大于另外兩桿b與c的長(zhǎng)度之和，即 adbca/d 1b/dc/d1 b/dc/d- a/d =k 式中 a鏟斗上下鉸點(diǎn)連線（簡(jiǎn)稱斗鉸線）長(zhǎng)度，即圖中FG桿（圖7） b連接上鉸和下?lián)u臂的連桿長(zhǎng)度，即圖中EF桿 c 下?lián)u臂長(zhǎng)度,圖中DE桿 d搖臂支點(diǎn)與動(dòng)臂下鉸點(diǎn)之連線長(zhǎng)度，圖中DG桿 斗四連桿機(jī)構(gòu)斗鉸線的最大轉(zhuǎn)角范圍當(dāng)各桿件長(zhǎng)度比確定后，為保證

16、最小傳動(dòng)角10°，該機(jī)構(gòu)所允許的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角范圍max也確定了。斗四連桿機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角位置有兩個(gè)（圖8）：圖8 斗四連桿的最小傳動(dòng)角位置一是當(dāng)斗鉸線a在右端極限位置,a、b 桿所夾之銳角為最小傳動(dòng)角min;另一個(gè)是斗鉸線在左端位置，當(dāng)搖臂c轉(zhuǎn)至d桿相重合時(shí)，由解析幾何可以證明，a,b桿所夾之銳角為最小傳動(dòng)角min.其值可由三角關(guān)系求得min=arccos a +-（d-c）/2(a/d)(b/d）如上述求得min10°，則說(shuō)明該機(jī)構(gòu)為保證傳動(dòng)角10°，c與d桿不可能達(dá)到重合位置?？闪頼in=10°，應(yīng)用三角關(guān)系可求得max.由上述斗鉸線的兩個(gè)極限位置即可

17、求得該機(jī)構(gòu)所允許的最大轉(zhuǎn)角范圍max max=maxmax斗四連桿機(jī)構(gòu)的最大力傳動(dòng)比斗四連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，連桿b的力作用線把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的桿件轉(zhuǎn)動(dòng)中心連線分為兩端如圖9所示，由力學(xué)三心定理可 知，分截點(diǎn)即為a、c 桿件的相對(duì)瞬心，則二桿件角度之比等于該二桿件相對(duì)瞬心距離的反比。即 c/a=x/(d-x)如果不計(jì)摩擦的損失，得： cMc=aMa則：Ma/ Mc=x/(d-x)式中Ma ，Mc分別為桿件a、c的力矩。式中可見，x值越大，則Ma/ Mc值越大，設(shè)計(jì)要求鏟掘位置時(shí)x值在極大值附近。圖9 力傳動(dòng)比最大值的位置斗連桿機(jī)構(gòu)尺寸的選擇斗四連桿機(jī)構(gòu)個(gè)構(gòu)件長(zhǎng)度比根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)一般可在下述范圍內(nèi)選?。篕=

18、0.970.99;a/d=0.260.36;c/d=0.460.72在選擇長(zhǎng)度比時(shí)，若斗的轉(zhuǎn)角范圍大，k和c/d值應(yīng)取大些；若k和a/d值取小些，則可以使連桿機(jī)構(gòu)最小傳動(dòng)角增大。取定一連桿長(zhǎng)度值，即可根據(jù)已選擇之長(zhǎng)度比確定四連桿各構(gòu)件尺寸。連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)可變性很大，每選定一組k、a/d、c/d值，即相應(yīng)有一機(jī)構(gòu)方案。利用上述運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析的計(jì)算式，即可求得每一個(gè)方案為保證最大傳動(dòng)角所允許的最大轉(zhuǎn)角范圍max，以及最大力傳動(dòng)比位置的a、d桿夾角EJ.為了能迅速確定機(jī)構(gòu)參數(shù)，并提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，我們把k、a/d、c/d在上述推薦范圍內(nèi)的數(shù)值按一定步長(zhǎng)變化，利用電子計(jì)算機(jī)很容易算出相應(yīng)每組k、a/

19、d、c/d值所對(duì)應(yīng)的一組max、max、min和EJ值，將它們列成表，利用此表使選的方案在滿足下列條件的前提下，確定機(jī)構(gòu)的初始位置：3.程序代碼Dim A, B, C, E As Integer, F As Integer, G As Integer, i, j, k, h, n, X, o, r, pPrint "K=0.98"Print "a/d", "b/d", "c/d", "Wmax", "Omax", "Rmin"For A = 0.3 To

20、0.46 Step 0.01 For C = 0.50 To 0.61 Step 0.01 B = 0.98 + A - C i = (A 2 + 1 - B 2 - 2 * B * C - C 2) / (2 * A) o = Atn(-i / Sqr(-i * i + 1) + 2 * Atn(1) F = o * 180 / 3.1415926 j = (A 2 + B 2 - (1 - C) 2) / (2 * A * B) r = Atn(-j / Sqr(-j * j + 1) + 2 * Atn(1) G = r * 180 / 3.1415926 k = (1 + B 2 +

21、A 2 - C 2 - 2 * A * B * Cos(170 * 3.1415926 / 180) / (2 * Sqr(A 2 + B 2 - 2 * A * B * Cos(170 * 3.1415926 / 180) h = Atn(-k / Sqr(-k * k + 1) + 2 * Atn(1) X = (B * Sin(170 * 3.1415926 / 180) / Sqr(A 2 + B 2 - 2 * A * B * Cos(170 * 3.1415926 / 180) n = Atn(X / Sqr(-X * X + 1) p = o + h - n E = p * 18

22、0 / 3.1415926 Print A, B, C, E, F, G Print Next CNext A4.運(yùn)行結(jié)果： 上述運(yùn)行的結(jié)果根據(jù)以下四點(diǎn)來(lái)選擇參數(shù)：所要求的鏟斗轉(zhuǎn)角max。鏟斗在極限收斗位置時(shí)，a桿和d桿的夾角max鏟斗在動(dòng)臂舉升至最高位置時(shí)，a桿和d桿的夾角max，a桿和d桿所夾之銳角10°使在地面鏟掘位置時(shí)的a桿和d桿的夾角接近等于EJ則選擇a/d=0.35;c/d=0.59;max=190°max=164°min=10°b/d=0.75按比例關(guān)系（圖1-3）可得：Lg/Lg=a/a圖上尺寸為：Lg=53mm; a=14mm代入得53

23、/1692=14/aa=447mm;b=958mm;c=753mm;d=1277mm5.ZL30裝載機(jī)參數(shù)卸載高度2775mm;卸載距離1393mm；輪胎半徑650mm；六、轉(zhuǎn)斗缸四連桿設(shè)計(jì)鏟斗上翻角和下翻角變化規(guī)律（要求），動(dòng)臂在水平位置以下，上翻角為正，在最低位置時(shí)可大些，減少運(yùn)輸撒料，在上部小些，以保持平移，鏟斗變化角15，并在任意位置，卸載角=45。（1）反設(shè)計(jì)要的鏟斗上，下翻角變化規(guī)律列成隊(duì)；（2）批把已選項(xiàng)定的四連桿按表作出運(yùn)動(dòng)圖；（3）確立轉(zhuǎn)斗缸四連桿各參數(shù)；具體數(shù)值由軌跡圖得：AB=400mm,BC=1355mm,CD=700mm。小 結(jié) 經(jīng)過(guò)這兩周的課程設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)態(tài)度，了解了作為一個(gè)工程師的艱辛，設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品從無(wú)到有，是一位設(shè)計(jì)者參考許多相關(guān)資料的成果。從知道課程設(shè)計(jì)題目，我把設(shè)計(jì)題目從頭到尾看了一遍，覺得不是很難，都是照著公式去計(jì)算，而隨著設(shè)計(jì)的深入，難度也隨之產(chǎn)生，要確定某個(gè)量并不是依靠簡(jiǎn)單的公式就可以