ZL50D裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)含開(kāi)題及3張CAD圖

ZL50D裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)含開(kāi)題及3張CAD圖,zl50d,裝載,機(jī)工,裝置,設(shè)計(jì),開(kāi)題,cad ZL50D裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì) 摘 要 裝載機(jī)是一種廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口、礦山等建設(shè)工程的土石方施工機(jī)械，它主要用于鏟裝土壤、砂石、石灰、煤炭等散狀物料，也可對(duì)礦石、硬土等作輕度鏟挖作業(yè)。 輪式裝載機(jī)是以輪胎式拖拉機(jī)為基礎(chǔ)車(chē)體，加裝鏟斗作為工作裝置的一種土方工程機(jī)械。裝載機(jī)的工作裝置由鏟斗、連桿、搖臂、動(dòng)臂、轉(zhuǎn)斗油缸、舉升油缸組成。裝載機(jī)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(dòng)力與運(yùn)動(dòng)特性等。 本文參閱了大量裝載機(jī)設(shè)計(jì)的參考書(shū)，選擇反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)作為所設(shè)計(jì)的裝載機(jī)的工作裝置的結(jié)構(gòu)。根據(jù)任務(wù)書(shū)中的要求，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定鏟斗的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用圖解法確定動(dòng)臂與鏟斗、動(dòng)臂與搖臂、動(dòng)臂與機(jī)架、連桿與鏟斗、連桿與搖臂等各個(gè)鉸接點(diǎn)的位置，并對(duì)鏟斗的幾種典型工況的受力情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)工作裝置的主要部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。最后利用AutoCAD對(duì)裝載機(jī)工作裝置的各零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：裝載機(jī)；機(jī)械化；工作裝置  Abstract Loader is a kind of earthwork construction machinery which is widely used in highway, railway, construction, hydropower, port, mine and other construction projects. It is mainly used to shovel and load soil, sand, lime, coal and other bulk materials, and can also do light digging operation for ore and hard soil. Wheel loader is a kind of earthwork machinery which is based on tire tractor and equipped with bucket as working device. The working device of loader consists of bucket, connecting rod, rocker arm, boom, bucket cylinder and lifting cylinder. The rationality of loader working device directly affects the production efficiency, working load, power and motion characteristics of loader. In this paper, referring to a large number of reference books of loader design, the reverse six bar linkage mechanism is selected as the structure of the loader working device. According to the requirements of the task book, the structural parameters of the bucket are calculated by empirical formula, and the positions of the articulated points such as boom and bucket, boom and rocker arm, boom and frame, link and bucket, link and rocker arm are determined by graphic method. The stress conditions of several typical working conditions of the bucket are analyzed in detail, and the strength of the main components of the working device is checked. Finally, the structural parameters of each part of loader working device are designed in detail by using AutoCAD. Key words: loader; mechanization; working device 目錄 第1章 緒論 1 1.1 國(guó)內(nèi)輪式裝載機(jī)發(fā)展概況 1 1.2 國(guó)外輪式裝載機(jī)的發(fā)展概況 2 第2章 裝載機(jī)工作裝置總體設(shè)計(jì) 5 2.1 工作裝置的總體結(jié)構(gòu)與布置 5 2.2 工作裝置連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn) 6 2.3 工作裝置自由度的計(jì)算 10 2.4 工作裝置總體設(shè)計(jì) 12 第3章 ZL50D裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì) 13 3.1 工作裝置的設(shè)計(jì)要求 13 3.1.1 工作裝置工作性能 13 3.1.2 對(duì)工作裝置的要求 13 3.2 鏟斗設(shè)計(jì) 13 3.2.1 鏟斗的結(jié)構(gòu)形式 14 3.2.2 鏟斗的分類(lèi) 16 3.2.3 鏟斗斷面形狀和基本參數(shù)確定 16 3.2.4 鏟斗容量的計(jì)算 19 3.3 工作裝置連桿系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 3.3.1 機(jī)構(gòu)分析 22 3.3.2 尺寸參數(shù)設(shè)計(jì) 23 3.3.3 連桿系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析 32 3.4 工作裝置靜力學(xué)分析及強(qiáng)度校核 36 3.4.1 靜力學(xué)分析 36 3.5 工作裝置的受力分析 41 第4章 工作結(jié)構(gòu)主要零件的強(qiáng)度計(jì)算 47 4.1 動(dòng)臂強(qiáng)度計(jì)算 47 4.1.1 動(dòng)臂的形狀選擇 47 4.1.2 動(dòng)臂材料選擇 48 4.1.3 動(dòng)臂的初步設(shè)計(jì) 48 4.1.4 強(qiáng)度計(jì)算 48 4.1.5 強(qiáng)度校核 50 4.2 液壓缸設(shè)計(jì) 53 4.2.1 液壓缸的類(lèi)型和結(jié)構(gòu) 53 4.2.2 液壓缸基本參數(shù)設(shè)計(jì) 54 結(jié) 論 55 參考文獻(xiàn) 57 致 謝 59 第1章 緒論 1.1 國(guó)內(nèi)輪式裝載機(jī)發(fā)展概況 20世紀(jì)60年代初，我國(guó)裝載機(jī)產(chǎn)業(yè)開(kāi)始興起。1960年，我國(guó)上海港口機(jī)械廠(chǎng)制造了我國(guó)歷史上第一臺(tái)裝載機(jī)，它的額定功率為67KW，斗容量為1m3。它的驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)用了單橋驅(qū)動(dòng)，變速箱齒輪滑動(dòng)齒輪變速。在1964年，Z435型裝載機(jī)由廈門(mén)工程機(jī)械廠(chǎng)和天津工程機(jī)械研究所測(cè)繪并制造，它的斗容量為1.7m3 ，額定功率為100.57KW。在1962年天津交通局和天津工程機(jī)械化研究所參照國(guó)外剛剛出現(xiàn)的鉸接式裝載機(jī),于1965年共同設(shè)計(jì)了Z425型=鉸接式裝載機(jī)。1970年，在天津工程機(jī)械研究所和柳州工程機(jī)械廠(chǎng)合作，制造了ZL50型裝載機(jī)，它的額定功率為163KW，斗容量為3m3。其采用雙渦輪變矩器、動(dòng)力換擋行星變速箱的液力機(jī)械傳動(dòng)方式，反“Z”字形連桿機(jī)構(gòu)的工作裝置及鉸接轉(zhuǎn)軸。，由于液力機(jī)械化傳動(dòng)式裝載機(jī)存在某些問(wèn)題，例如：拖啟動(dòng)、熄火轉(zhuǎn)向及排氣制動(dòng)等問(wèn)題，為了解決這些問(wèn)題又自行設(shè)計(jì)了“三合一”的機(jī)構(gòu)。ZL50型裝載機(jī)在實(shí)踐考核中，表現(xiàn)出了性能良好、結(jié)構(gòu)先進(jìn)的特點(diǎn)。而ZL100、ZL40、ZL30、ZL20裝載機(jī)系列產(chǎn)品也是在ZL50的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)發(fā)展起來(lái)的，并在這個(gè)系列的基礎(chǔ)上逐步設(shè)計(jì)出了DZL50型供地下礦坑和DZL40型隧道施工用的地下裝載機(jī)變型產(chǎn)品。通過(guò)近40年的發(fā)展，我國(guó)裝載機(jī)從無(wú)到有，產(chǎn)品種類(lèi)及產(chǎn)量從少到多，已經(jīng)形成獨(dú)立的系列產(chǎn)品和行業(yè)門(mén)類(lèi)。在1980年生產(chǎn)企業(yè)只有20家經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展現(xiàn)在已有100余家，初步形成了約19個(gè)型號(hào)的系列產(chǎn)品，并在工程機(jī)械中占有主要地位。主要生產(chǎn)廠(chǎng)家為：廈工、柳工、龍工、徐工、常林、臨工、山工、成工、宜工、鄭工、武林、朝工、山河智能等，長(zhǎng)時(shí)間的裝載機(jī)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、較強(qiáng)的實(shí)力、較高的市場(chǎng)占有率和較好的售后服務(wù)，讓這些廠(chǎng)家在市場(chǎng)中各自占有一席之地。由于其在“八五”、“九五”期間在技術(shù)革新方面資金投入較多使得其發(fā)揮出了較大的效力和作用，讓整個(gè)企業(yè)變得更有活力。在這之后輪式裝載機(jī)行業(yè)出現(xiàn)了井噴式的發(fā)展也就是在“十五”期間，據(jù)數(shù)據(jù)顯示在2000年以前25年內(nèi)裝載機(jī)銷(xiāo)量增長(zhǎng)率平均為17.86%，而在2001-2004年增長(zhǎng)率平均為46.98%，這大大超過(guò)前25年的平均增長(zhǎng)率；2006年中國(guó)裝載機(jī)26家主要企業(yè)共銷(xiāo)售119895臺(tái)，同比增長(zhǎng)13.3% 。 - 1 - 中國(guó)的小型裝載機(jī)制造現(xiàn)在在行業(yè)的發(fā)展有一定的利潤(rùn)空間，設(shè)備體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件生產(chǎn)較簡(jiǎn)單，進(jìn)入門(mén)檻低。另外，我國(guó)小型裝載機(jī)存在許多需要改進(jìn)的地方，如：傳輸系統(tǒng)技術(shù)水平太低，工作效率低，不利于節(jié)能減排，環(huán)境保護(hù)等；同時(shí)在液壓轉(zhuǎn)向方面是最好的和最優(yōu)先的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，變速操縱機(jī)械轉(zhuǎn)向液壓助力轉(zhuǎn)向等。我認(rèn)為這些都是小的技術(shù)方向發(fā)展的未來(lái)。目前有一些傳統(tǒng)的裝載機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)家開(kāi)始生產(chǎn)小型裝載機(jī)，如徐廈工新余廈工集團(tuán)，徐工集團(tuán)，江蘇柳工等。我認(rèn)為制造商進(jìn)入小設(shè)備行業(yè)不會(huì)對(duì)他們構(gòu)成威脅，反而會(huì)促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。新興國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)使我們國(guó)家的城市化進(jìn)程變得更快，勞動(dòng)力的需求越來(lái)越緊缺，勞動(dòng)力成本也越來(lái)越高，裝載機(jī)作為一個(gè)靈活的，廉價(jià)的機(jī)械設(shè)備，將成為高成本和低效率的手工勞動(dòng)的替代品，特別是在西部大開(kāi)發(fā)，這種產(chǎn)品將有廣闊的潛在市場(chǎng)。因此，小型裝載機(jī)將有良好的發(fā)展前景。 1.2 國(guó)外輪式裝載機(jī)的發(fā)展概況 早在第二次工業(yè)革命時(shí)期國(guó)外輪式裝載機(jī)就已出現(xiàn)，其發(fā)展到今天，無(wú)論是技術(shù)、設(shè)計(jì)、制造還是銷(xiāo)售、服務(wù)等都已經(jīng)非常成熟。國(guó)外著名的生產(chǎn)廠(chǎng)家有卡特彼勒、山貓、凱斯、約翰·迪爾、利勃海爾等。在2000年以前在中國(guó)市場(chǎng)正處于發(fā)展較弱期，輪式裝載機(jī)全球需求量約為74500臺(tái)。其中，中國(guó)是最大的地區(qū)市場(chǎng)，其后依次是歐洲、北美洲和日本。到2005年，市場(chǎng)環(huán)境急劇變化:?全球需求量幾乎翻一番，達(dá)14.2萬(wàn)臺(tái)，中國(guó)市場(chǎng)需求急劇增加成為世界上最大的市場(chǎng)。2005年卡特彼勒、小松、沃爾沃、CNH和迪爾的總產(chǎn)量占該年總產(chǎn)量的75%，而10年前5大制造商只占54%，目前這5大制造商在國(guó)際市場(chǎng)中所占份額的總和仍在增加。因此，國(guó)際市場(chǎng)掌握在少數(shù)制造商的手里。?國(guó)外輪式裝載機(jī)一方面往大型化發(fā)展，如：卡特彼勒公司90年代初推出Cat966F輪式裝載機(jī)，時(shí)隔1年又推出Cat980F輪式裝載機(jī)，它增加了斗容和功率，改善了性能、提高了可靠性。目前，全世界約有400臺(tái)（功率大于750kw）大型輪式裝載機(jī)應(yīng)用在露天礦山和建筑工程，與大型自卸汽車(chē)配套使用。另一方面，小型輪式裝載機(jī)以機(jī)動(dòng)靈活、效率高、多功能和價(jià)格低廉贏得市場(chǎng)，發(fā)展甚快。如：日本古河公司生產(chǎn)的FL30-1型輪式裝載機(jī)斗容0.34m3、機(jī)重2.3t；小松公司的 WA30-l型斗容0.34m3、柴油機(jī)功率20kw；豐田織機(jī)公司的斗容0.17m3、機(jī)重1t等。這些微型裝載機(jī)適用于建筑工地和地下礦山挖溝、平地、堆料等。國(guó)外小型裝載機(jī)及小型多功能裝載機(jī)，包括挖掘裝載機(jī)在內(nèi)，市場(chǎng)份額已相當(dāng)大，美國(guó)的山貓牌小型多功能裝載機(jī)車(chē)銷(xiāo)量在5萬(wàn)臺(tái)左右，還有美國(guó)的凱斯、約翰·迪爾、卡特彼勒、英國(guó)的JCB等公司的挖掘裝載機(jī)及小型多功能裝載機(jī)年銷(xiāo)量都在萬(wàn)臺(tái)以上。 - 3 - 第2章 裝載機(jī)工作裝置總體設(shè)計(jì) 2.1 工作裝置的總體結(jié)構(gòu)與布置 裝載機(jī)工作裝置是一種帶液壓缸的空間多桿連機(jī)構(gòu)以完成裝卸作業(yè)。工作裝置是組成裝載機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其工作性能的好壞由設(shè)計(jì)水平的高低決定，同時(shí)也會(huì)影響整機(jī)的工作效率與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。 裝載機(jī)工作裝置分為有鏟斗托架和無(wú)鏟斗托架兩種基本結(jié)構(gòu)形式，如下圖2-1、2-2所示。它由運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立的兩部分組成連桿機(jī)構(gòu)和動(dòng)臂舉升機(jī)構(gòu)，主要由鏟斗、動(dòng)臂、連桿、上下?lián)u臂、轉(zhuǎn)斗油缸、動(dòng)臂舉升油缸、托架、液壓系統(tǒng)等組成。 圖2-1 有鏟斗托架式 圖2-2 無(wú)鏟斗托架式 1—鏟斗；2—?jiǎng)颖郏?—連桿；4—下?lián)u臂；5—上搖臂；6—轉(zhuǎn)斗缸；7—?jiǎng)颖叟e升油缸；8—前車(chē)架；9—鏟斗托架 帶鏟斗托架的工作裝置，其動(dòng)臂及連桿的下鉸接點(diǎn)與鏟斗托架鉸接，上鉸接點(diǎn)與前車(chē)架支座鉸接；轉(zhuǎn)斗油缸鉸接在托架上部，活塞桿及托架下部與鏟斗鉸接。由托架、動(dòng)臂、連桿及前車(chē)架構(gòu)成一個(gè)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)斗缸閉鎖時(shí)，動(dòng)臂在舉升過(guò)程中，鏟斗始終保持平動(dòng)。無(wú)鏟斗托架的工作裝置，其動(dòng)臂下鉸接點(diǎn)與鏟斗鉸接，上鉸接點(diǎn)與前車(chē)架支座鉸接；轉(zhuǎn)斗缸一端與前車(chē)架鉸接，另一端與上搖臂鉸接；連桿一端與搖臂鉸接，另一端與鏟斗鉸接；搖臂鉸接在動(dòng)臂上。 動(dòng)臂舉升缸一般采用立式（又稱(chēng)豎式）或臥式（又稱(chēng)橫式）布置形式，常見(jiàn)有兩種連接方式：一種是油缸頂端與前車(chē)架鉸接（圖2-3）；另一種是油缸中部通過(guò)銷(xiāo)軸與前車(chē)架鉸接（圖2-4）。鏟斗是裝載物料的容器，通常具有兩個(gè)鉸接點(diǎn)，一個(gè)與動(dòng)臂下鉸接點(diǎn)鉸接，另一個(gè)與連桿鉸接。操縱轉(zhuǎn)斗缸實(shí)現(xiàn)鏟斗的裝載或卸料；操縱舉升油缸實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂和鏟斗升降運(yùn)動(dòng)。 圖2-3 立式布置形式 圖2-4 臥式布置形式 2.2 工作裝置連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn) 由裝載機(jī)工作裝置的自由度分析可知，工作裝置的連桿機(jī)構(gòu)均為封閉運(yùn)動(dòng)鏈的單自由度的平面低副運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其桿件數(shù)目應(yīng)為4、6、8、10、……等。由裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)分析可知，桿件數(shù)目越多越能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，但是鉸接點(diǎn)的數(shù)目也變得更多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，在動(dòng)臂上布置的難度也相應(yīng)增加。因此，實(shí)際上裝載機(jī)工作裝置的連桿機(jī)構(gòu)多為八桿以下機(jī)構(gòu)。這樣，按組成工作裝置連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)件數(shù)不同，裝載機(jī)工作裝置可分為三桿、四桿、五桿、六桿和八桿機(jī)構(gòu)；按輸入與輸出桿轉(zhuǎn)向不同，又可分為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。輸入與輸出桿的轉(zhuǎn)向相同的被稱(chēng)為正轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；輸入與輸出桿的轉(zhuǎn)向相反的被稱(chēng)為反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。綜合國(guó)內(nèi)外各類(lèi)型的裝載機(jī)工作裝置來(lái)看，其連桿機(jī)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)主要有下列幾種。 1、正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu) 機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)斗缸大腔進(jìn)油時(shí)轉(zhuǎn)斗處于鏟取狀態(tài)，此時(shí)會(huì)有較大鏟取力；各構(gòu)件設(shè)計(jì)越合理，鏟斗的舉升平動(dòng)性能就越好；由于連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比較大，使得鏟斗卸載角較大、卸載速度較高，因此卸載干凈，速度快；又因?yàn)橛休^大傳動(dòng)比，還可以適當(dāng)減小連桿機(jī)構(gòu)的尺寸，因而司機(jī)的視野會(huì)變得更大。但是機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)較為復(fù)雜，鏟斗自動(dòng)放平性較差。 組成一個(gè)自由度的平面八桿機(jī)構(gòu)共有16種基本結(jié)構(gòu)形式。由于連桿機(jī)構(gòu)要布置在動(dòng)臂上，所以有可能作為裝載機(jī)工作裝置的僅有兩種方案：其一，是由2個(gè)四鉸構(gòu)件和6個(gè)兩鉸構(gòu)件組成（圖2-5a）；其二，是由1個(gè)四鉸構(gòu)件、2個(gè)三鉸構(gòu)件和5個(gè)兩鉸構(gòu)件組成（圖2-5b~f）?？梢?jiàn)，八桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式很多，需進(jìn)行選擇使用。目前，裝載機(jī)工作裝置八桿機(jī)構(gòu)有以下兩種結(jié)構(gòu)形式： 1）由圖2-5b組成的工作裝置如圖2-6a、b所示。 2）由圖2-5e組成的工作裝置如圖2-6c所示。 圖2-5 八桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)成方案 圖2-6 八桿機(jī)構(gòu)工作裝置的結(jié)構(gòu)形式 2、六桿機(jī)構(gòu)工作裝置是目前裝載機(jī)上使用最為普及的一種結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于單自由度的六桿機(jī)構(gòu)，只能有兩個(gè)三鉸構(gòu)件和4個(gè)兩鉸構(gòu)件組成，其傳遞方案如圖2-7所示。圖b 所示方案目前在裝載機(jī)上尚未采用；圖a 所示方案形成的工作裝置，是以三鉸構(gòu)件1為動(dòng)臂、構(gòu)件2為鏟斗、構(gòu)件4為搖臂、構(gòu)件6為機(jī)架。 圖2-7 六桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)成方案 3、根據(jù)轉(zhuǎn)斗油缸布置位置的不同，可以作為裝載機(jī)工作裝置的六桿機(jī)構(gòu)，常見(jiàn)的有以下幾種結(jié)構(gòu)形式： （1）把轉(zhuǎn)斗缸放在前面的正轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)（圖2-8a）以圖2-7的構(gòu)件3為轉(zhuǎn)斗缸，其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)斗缸直接與搖臂相連接，兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)各自形成平行四邊形結(jié)構(gòu)，使鏟斗能夠自由平移；同八桿機(jī)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，司機(jī)視野較好。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)斗時(shí)油缸小腔進(jìn)油，鏟掘力相對(duì)較??；連桿機(jī)構(gòu)傳力比小，使得轉(zhuǎn)斗缸活塞行程較大，轉(zhuǎn)斗缸加長(zhǎng)，卸載程度不如八桿機(jī)構(gòu)；由于把轉(zhuǎn)斗缸放在前邊，使得工作裝置的整體重心外移，增大了工作裝置的前懸量，這樣整機(jī)在行駛的時(shí)候平穩(wěn)性會(huì)有所降低；而且鏟斗也不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放平。 圖2-8 六桿機(jī)構(gòu)工作裝置的結(jié)構(gòu)形式 （2）把轉(zhuǎn)斗缸放在后邊的正轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)（圖2-8b） 以圖2-7a 的構(gòu)件5為轉(zhuǎn)斗缸，并布置在動(dòng)臂的上方。與轉(zhuǎn)斗缸前置式相比，機(jī)構(gòu)前懸較小，傳動(dòng)比較大，活塞行程較短；有可能將動(dòng)臂、轉(zhuǎn)斗缸、搖臂和連桿機(jī)構(gòu)的中心線(xiàn)設(shè)計(jì)在同一平面內(nèi)，使結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單了，動(dòng)臂和鉸銷(xiāo)的受力情況也有所改善。缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)斗缸與車(chē)架的鉸接點(diǎn)位置較高，司機(jī)的視野會(huì)受到影響，其他同前置式。 （3）轉(zhuǎn)斗缸后置式正轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)（圖2-8c）仍以構(gòu)件5為轉(zhuǎn)斗缸，但將其布置在動(dòng)臂下方。在鏟掘收斗作業(yè)時(shí)，此時(shí)油缸工作腔為大腔，會(huì)擁有較大的掘起力。但組成工作裝置的各構(gòu)件最好不要布置在同一平面內(nèi)，構(gòu)件受力狀態(tài)較差。 （4）轉(zhuǎn)斗缸后置式反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)（圖2-8d） 以圖2-7a 的構(gòu)件5為轉(zhuǎn)斗缸，將其布置在動(dòng)臂上面，轉(zhuǎn)斗缸小腔作用時(shí)進(jìn)行鏟掘。這種機(jī)構(gòu)又稱(chēng)為“Z”形連桿機(jī)構(gòu)（Z-bar Linkage）。該機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是，鏟斗插入時(shí)轉(zhuǎn)斗缸大腔進(jìn)油，并且連桿機(jī)構(gòu)的傳力比可以設(shè)計(jì)成較大值，故可獲得較大的掘起力；二是，合理設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的尺寸，不僅可以得到良好的鏟斗平移性能，而且可以實(shí)現(xiàn)鏟斗的自動(dòng)放平；三是，結(jié)構(gòu)十分緊湊，前懸小。缺點(diǎn)是搖臂和連桿布置在鏟斗和前橋之間的狹窄部位，各構(gòu)件間易于發(fā)生干涉。 （5）轉(zhuǎn)斗缸后置式反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)（圖2-8e） 以圖2-7a 的構(gòu)件3為轉(zhuǎn)斗缸，布置在靠近鏟斗處，鏟掘時(shí)靠小腔作用。現(xiàn)在這種機(jī)構(gòu)很少用。 (a) (b) 圖2-9 工作裝置結(jié)構(gòu)形式 a）正轉(zhuǎn)四桿機(jī)構(gòu) b）正轉(zhuǎn)五桿機(jī)構(gòu) 4、正轉(zhuǎn)四桿機(jī)構(gòu)（圖2-9a） 該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，前懸較小。缺點(diǎn)是鏟掘轉(zhuǎn)斗時(shí)油缸小腔作用，輸出力較??；連桿機(jī)構(gòu)的傳力比難以設(shè)計(jì)成較大值，所以鏟掘力相對(duì)較小；轉(zhuǎn)斗缸行程較大，油缸結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)；鏟斗卸載時(shí)，活塞桿易與鏟斗底部相碰，減小了卸載角；機(jī)構(gòu)不易實(shí)現(xiàn)鏟斗自動(dòng)放平。 5、正轉(zhuǎn)五桿機(jī)構(gòu)（圖2-9b） 該機(jī)構(gòu)是在正轉(zhuǎn)四桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，當(dāng)鏟斗端平時(shí)，短連桿與活塞桿靠油缸拉力和鏟斗重力拉成一直線(xiàn)，合為一桿；而當(dāng)鏟斗卸料時(shí)，短連桿能相對(duì)活塞桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而避免了活塞桿與斗底相碰。 2.3 工作裝置自由度的計(jì)算 由于裝載機(jī)工作裝置的總體結(jié)構(gòu)是縱向?qū)ΨQ(chēng)，各構(gòu)件又是通過(guò)互相平行的銷(xiāo)軸連接的。因此，可將其簡(jiǎn)化為帶液壓缸的平面低副多桿機(jī)構(gòu)，不計(jì)各桿件的自重，并假設(shè)各鉸接點(diǎn)的摩擦力為零來(lái)進(jìn)行對(duì)裝載機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。 圖2-10所示，為典型的反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)和正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu)工作裝置的桿系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖中，UG為動(dòng)臂位置角；即動(dòng)臂上、下鉸接點(diǎn)的連線(xiàn)與垂直線(xiàn)的夾角，以繞動(dòng)臂上鉸接點(diǎn)逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，反之為?fù)；U為鏟斗位置角，即鏟斗斗底與水平線(xiàn)正向的夾角為正，反之為負(fù)。 圖2-10 工作裝置平面桿系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 a）反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu) b）正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu) 對(duì)于反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)的工作裝置（圖2-10a），它由舉升機(jī)構(gòu)GHI、油缸四連桿機(jī)構(gòu)DEFG和鏟斗四連桿機(jī)構(gòu)ABCD等組成。其中，活動(dòng)桿件數(shù)n=8，低副數(shù)11，高副數(shù)0。這樣，由平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式可得，反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)工作裝置的自由度 2 當(dāng)轉(zhuǎn)斗缸閉鎖時(shí)，動(dòng)臂在舉升缸的作用下舉升或下降鏟斗，此時(shí)該工作裝置的自由度為1，舉升缸為原動(dòng)件；當(dāng)舉升缸閉鎖，動(dòng)臂處于某一特定作業(yè)位置不動(dòng)時(shí)，在轉(zhuǎn)斗缸的作用下，通過(guò)一平面六桿機(jī)構(gòu)使鏟斗繞其鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)該工作裝置的自由度也是為1，轉(zhuǎn)斗缸為原動(dòng)件。 對(duì)于正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu)的工作裝置（圖2-10b），它由舉升機(jī)構(gòu)IMN、油缸四連桿機(jī)構(gòu)IFHJ、鏟斗四連桿機(jī)構(gòu)ABCD和中間四連桿機(jī)構(gòu)DEGF等組成。同樣可得，正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu)工作裝置的自由度F=2。 2.4 工作裝置總體設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)和設(shè)計(jì)要求，對(duì)于本次ZL50裝載機(jī)的設(shè)計(jì)采取以下方案： 在鏟斗部分，采用無(wú)鏟斗托架式結(jié)構(gòu)；油缸的布置形式為立式布置形式。同時(shí)考慮到實(shí)際工作中的運(yùn)用情況，它的連桿機(jī)構(gòu)采用的是反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)。 主要參數(shù)： 鏟斗容量： 3 m3 額定載重量： 5 t 發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率： 154 kw 整機(jī)質(zhì)量： 16.3 t 以上是為總體的參數(shù)，鏟斗的取值主要通過(guò)到老師傅和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的經(jīng)驗(yàn)得到；在連桿系統(tǒng)各個(gè)鉸接點(diǎn)的確定時(shí)，采用的是圖解法，確定其坐標(biāo)的位置；液壓系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸主要是通過(guò)行程和鉸接點(diǎn)的確定從液壓件中選取的，具體的設(shè)計(jì)如第三章所述。 第3章 ZL50D裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì) 3.1 工作裝置的設(shè)計(jì)要求 3.1.1 工作裝置工作性能 工作裝置的結(jié)構(gòu)和性能直接影響工程機(jī)械整機(jī)的工作尺寸和性能參數(shù)，工作裝置的合理性直接影響整機(jī)的工作效率、生產(chǎn)負(fù)荷、動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)特性、不同工況下的作業(yè)效果、工作循環(huán)的時(shí)間、外形尺寸和發(fā)動(dòng)機(jī)功率等。不同類(lèi)型工程機(jī)械的工作裝置的組成是不同的。 裝載機(jī)的工作過(guò)程包括：插入工況、鏟裝工況、重載運(yùn)輸工況、舉升工況、卸載工況、空載運(yùn)輸工況。裝載機(jī)的工作裝置主要由鏟斗、動(dòng)臂、連桿、搖臂、轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸組成。裝載機(jī)工作裝置主要由鏟斗和支持鏟斗進(jìn)行裝載作業(yè)的連桿系統(tǒng)組成，依靠這套裝置裝載機(jī)可以對(duì)汽車(chē)、火車(chē)進(jìn)行散料裝載作業(yè)，也可以對(duì)散料進(jìn)行短距離運(yùn)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(zhuān)門(mén)的裝置，還可以進(jìn)行其他的裝載作業(yè)。 3.1.2 對(duì)工作裝置的要求 工作裝置在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求 （1）角度要求：滿(mǎn)足工作循環(huán)中對(duì)鏟斗各個(gè)工作位置的角度要求，達(dá)到所要求的卸載高度與卸載距離。 （2）運(yùn)動(dòng)要求：在工作循環(huán)中速度與加速度變化合理，油缸活塞行程為最佳，工作裝置運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)干涉、無(wú)死點(diǎn)、無(wú)自鎖，動(dòng)臂從最低位置到最大卸載高度的舉升過(guò)程中，保證鏟斗中的物料無(wú)撒落，在卸載后，動(dòng)臂下放至鏟掘位置，鏟斗能自動(dòng)放平。 （3）結(jié)構(gòu)要求：結(jié)構(gòu)要求簡(jiǎn)單緊湊，承載元件數(shù)量（包括油缸）盡量少，前懸小。 （4）動(dòng)力性要求：連桿機(jī)構(gòu)具有較高的力傳遞效率，以保證工作裝置產(chǎn)生較大的插入力、掘起力和舉升力。 3.2 鏟斗設(shè)計(jì) 鏟斗是工作裝置的重要部件，裝載機(jī)工作時(shí)用它直接鏟掘、裝載、運(yùn)輸和傾卸物料。鏟斗直接與物料接觸，是裝、運(yùn)、卸的工具，工作時(shí)，它被推壓插入料堆鏟取物料，工作條件惡劣，要承受很大的沖擊力和劇烈的磨損，因此鏟斗設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)裝載機(jī)的作業(yè)能力有較大的影響。為了保證鏟斗的設(shè)計(jì)質(zhì)量，首先應(yīng)當(dāng)合理的確定鏟斗的結(jié)構(gòu)及幾何尺寸，以降低鏟斗插入物料的阻力。其次要保證鏟斗有足夠的強(qiáng)度、剛度、耐磨性，使之具有合理的使用壽命。 3.2.1 鏟斗的結(jié)構(gòu)形式 鏟斗的形狀和尺寸參數(shù)對(duì)插入阻力、鏟取阻力、轉(zhuǎn)斗阻力和生產(chǎn)率都有著很大的影響。同一個(gè)鏟斗有兩種容積標(biāo)志：一是物料裝平時(shí)的容積，稱(chēng)為平裝斗容；二是物料裝滿(mǎn)堆高后的容積，稱(chēng)為堆裝斗容。機(jī)器銘牌上標(biāo)稱(chēng)的斗容通常為堆裝的容積。鏟斗由斗底、側(cè)壁、斗刃及后壁等部分組成。鏟斗的斗刃還分為帶齒和不帶齒的兩種。鏟斗的斷面形狀一般為“U”形，用鋼板焊接而成。 （1）斗體形狀 從整個(gè)斗體形狀看來(lái)，鏟斗基本可以分成“淺底”和“深底”兩種類(lèi)型。在斗容量相同的情況下，前者開(kāi)口尺寸較大，斗底深度較小，即斗前壁較短，而后者正好相反。 淺底鏟斗插入料堆的深度較小，相應(yīng)的插入阻力也較小，容易裝滿(mǎn)，但運(yùn)輸行駛時(shí)容易撒落物料；由于前懸增大，影響車(chē)輛行駛平穩(wěn)性。而深底鏟斗則恰恰相反。相比之下，定點(diǎn)裝載使用淺底鏟斗，而運(yùn)輸距離較大則采用深底鏟斗較為合適。 斗體常用低碳、耐磨、高強(qiáng)度鋼板焊接制成。 （2）切削刃的形狀 根據(jù)裝載物料不同，切削刃有直線(xiàn)型和非直線(xiàn)型。前者形式簡(jiǎn)單，有利于鏟平地面，但鏟裝阻力較大。后者又有V形和弧形等，由于這種刃中間突出，鏟斗插入料堆時(shí)可使插入力集中作用在斗刃的中間部分，所以插入阻力較小，容易插入料堆，并有利于減少偏載插入，但鏟斗裝滿(mǎn)系數(shù)要比前者小。 礦用輪式裝載機(jī)工作條件惡劣，任務(wù)繁重，插入和掘起阻力都很大，偏載工況對(duì)工作機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度影響嚴(yán)重，所以多選用非直線(xiàn)形切削刃，并以V形切削刃為佳。斗刃材質(zhì)是即耐磨又耐沖擊的中錳合金鋼材料，側(cè)切削刃和加強(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(méi)有斗齒。若斗刃上裝有斗齒時(shí)，斗齒將先于切削刃插入料堆，由于它比壓大，所以比不帶齒的切削刃易于插入料堆，插入阻力能減小20%左右，特別是對(duì)料堆比較密實(shí)、大塊較多的情況，效果尤為顯著，因此礦用裝載機(jī)一般都是帶斗齒。 斗齒結(jié)構(gòu)分為整體式和分體式兩種，一般斗齒是用高錳鋼制成的整體式，用螺栓固定在鏟斗斗刃上，中小型裝載機(jī)多采用這種形式。為便于斗齒磨損后更換和節(jié)約斗齒金屬，也有使用雙段斗齒的，如圖3-1所示。 圖3-1 雙段斗齒 1—齒尖； 2—齒坐； 3—鋼銷(xiāo) 這種斗齒的齒尖與齒坐的配合面為錐面，兩者配合情況良好。裝配時(shí)，先置入有彈性的金屬橡皮，然后再?gòu)纳线吇驈南逻呁叫武N(xiāo)孔中打入鋼銷(xiāo)3即可。由于拆卸方便，齒尖一邊磨損后可以翻轉(zhuǎn)再使用，從而延長(zhǎng)使用壽命。大型裝載機(jī)由于作業(yè)條件差、斗齒磨損嚴(yán)重，故常采用這種分體式斗齒。 斗齒的形狀和間距對(duì)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250~300mm左右，太大時(shí)由于切削刃將直接參與插入工作，使阻力增大，太小時(shí)，齒間易于卡住石塊，也將增大工作阻力。長(zhǎng)而窄的齒要比段而寬的齒插入阻力小，但太窄又容易損壞，所以齒寬以每厘米長(zhǎng)載荷不大于500~600kg為宜。 （4）鏟斗側(cè)刃 因?yàn)閭?cè)刃參與插入工作，為減小插入阻力，側(cè)壁前刃應(yīng)與斗前壁成銳角，弧線(xiàn)或折線(xiàn)側(cè)刃鏟斗的插入阻力比直線(xiàn)形側(cè)刃要小，但具有弧線(xiàn)或折線(xiàn)形側(cè)刃鏟斗的側(cè)壁較淺，物料易于從兩側(cè)撒落，影響鏟斗的裝滿(mǎn)。為了不使斗容減小太多，一般可將連接前后斗壁的側(cè)壁刃口設(shè)計(jì)成弧形。 （5）斗底 斗前壁與斗后壁用圓弧銜接，構(gòu)成弧形斗底。為了使物料在斗中有很好的流動(dòng)性，斗底圓弧半徑不宜太小，前后壁夾角不應(yīng)小于物料與鋼板的摩擦角的2倍，以免卡住大塊物料。若取物料與鋼板的摩擦因數(shù)f =0.4，則摩擦角φ≈22°，所以張開(kāi)角必須大于44°。 綜上所述，針對(duì)我的鏟斗設(shè)計(jì)性質(zhì)如下： 斗體材料：低碳、耐磨、高強(qiáng)度鋼板 斗刃形狀：直線(xiàn)形斗刃 斗刃材料：耐磨又耐沖擊的中錳合金鋼材料 3.2.2 鏟斗的分類(lèi) 鏟斗按照卸載方式一般可以分為整體前卸式、側(cè)卸式、推卸式和底卸式等數(shù)種。 （1）整體前卸式鏟斗 整體前卸式鏟斗的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，有效裝載容積大，但需要有較大的卸載角才能將物料卸凈。通常情況下，絕大多數(shù)前端式這裝載機(jī)都是用這種鏟斗。 （2）側(cè)卸式鏟斗 這種鏟斗沒(méi)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(chǎng)地往側(cè)旁的運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行裝載作業(yè)時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)就更加顯著了。 （3）推卸式鏟斗 它可以彌補(bǔ)整體前卸式鏟斗卸載高度不足，在裝載機(jī)其他尺寸參數(shù)相同的情況下，能夠顯著提高卸載高度和增加卸載距離；特別適用于卸出小顆粒粘性物料。與整體前卸式鏟斗相比，推卸式鏟斗的結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些，且需要用動(dòng)力推卸，但具有以上的一些優(yōu)點(diǎn)，在地下作業(yè)時(shí)多被采用。 （4）底卸式鏟斗 底卸式鏟斗是用動(dòng)力打開(kāi)斗底卸載的，同推卸式鏟斗一樣可以提高卸載高度，但結(jié)構(gòu)也是比較復(fù)雜。 以為考慮到成本和產(chǎn)品的實(shí)用性，以及在工作中遇到的情況，本次的設(shè)計(jì)所采用的是整體前卸式的鏟斗卸載方式。 3.2.3 鏟斗斷面形狀和基本參數(shù)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(zhǎng)l、后壁高h(yuǎn)和張開(kāi)角γ四個(gè)參數(shù)確定，如圖3-2所示。 圖3-2 鏟斗斷面基本參數(shù)圖 圓弧半徑r越大，物料進(jìn)入鏟斗的流動(dòng)性越好，有利于較少物料裝入斗內(nèi)的阻力，卸料快而干凈。但r過(guò)大，斗的開(kāi)口大，不易裝滿(mǎn)，且鏟斗外形較高，影響駕駛員觀(guān)察鏟斗斗刃的工作情況。 后壁高h(yuǎn)是指鏟斗上緣至圓弧與后壁切點(diǎn)間的距離。 底壁長(zhǎng)l是指斗底壁的直線(xiàn)段長(zhǎng)度。l長(zhǎng)則鏟斗鏟入料堆深度大，斗容易裝滿(mǎn)，但掘起力將由于力臂的增加而減小。由試驗(yàn)得知，插入阻力隨鏟入料堆的深度而急劇增加。l長(zhǎng)同樣會(huì)減小卸載高度，短則掘起力大，且由于卸料時(shí)鏟斗刃口降落的高度小，還可以減小動(dòng)臂舉升高度，縮短作業(yè)時(shí)間，但會(huì)減小斗容。對(duì)裝載輕質(zhì)物料為主的鏟斗，l可選擇大些，對(duì)于裝載巖石的鏟斗，應(yīng)取小些。 鏟斗張開(kāi)角γ 為鏟斗后壁與底壁之間的夾角，一般取45°到52°之間。適當(dāng)減小張開(kāi)角并使斗底壁對(duì)地面有一定斜度，可減小插入料堆時(shí)的阻力，提高鏟斗的裝滿(mǎn)程度。 鏟斗的寬度應(yīng)大于裝載機(jī)兩個(gè)前輪外側(cè)間的寬度，每側(cè)要寬出50~100mm。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行成的料堆階梯會(huì)損傷到輪胎側(cè)壁，并增加行駛時(shí)輪胎的阻力。 通過(guò)以上的介紹，結(jié)合從現(xiàn)場(chǎng)采集來(lái)的大概參數(shù)，本次設(shè)計(jì)的具體參數(shù)初定如下： 鏟斗圓弧半徑r： 350mm 底壁長(zhǎng)l： 700mm 后壁高h(yuǎn)： 400mm 張開(kāi)角γ： 48° （2）鏟斗基本參數(shù)的確定 在定下了以上的斷面參數(shù)后，從現(xiàn)場(chǎng)的參考數(shù)據(jù)得到，本設(shè)計(jì)鏟斗的總寬度B為2900mm，并且鏟斗壁厚為30mm。 設(shè)計(jì)時(shí)，把鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R （即鏟斗與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)至切削刃間的距離），如圖3-3所示，作為基本參數(shù)，鏟斗的其他參數(shù)作為R的函數(shù)。它的大小不僅直接影響鏟斗底壁的長(zhǎng)度，而且還直接影響轉(zhuǎn)斗時(shí)掘起力及斗容的大小，所以它是一個(gè)與整機(jī)總體有關(guān)的參數(shù)。鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R可按照式（3-1）計(jì)算。 圖3-3 鏟斗尺寸參考 式中 —鏟斗平裝斗容，2.5m3 —鏟斗內(nèi)側(cè)寬度，2.840m —鏟斗斗底長(zhǎng)度系數(shù)，=1.40~1.53 —后壁長(zhǎng)度系數(shù)，=1.1~1.2 —擋板高度系數(shù)，=0.12~0.14 —圓弧半徑系數(shù)， —張開(kāi)角，為45°~52° —擋板與后壁間的夾角（無(wú)擋板取0） 圖3-3中各參數(shù)含義如下： —鏟斗圓弧半徑，m —斗底長(zhǎng)度，是指由鏟斗切削刃至斗底延長(zhǎng)線(xiàn)與斗后壁延長(zhǎng)線(xiàn)交點(diǎn)的距離，m —后壁長(zhǎng)度，是指由后壁上緣至后壁延長(zhǎng)線(xiàn)與斗底延長(zhǎng)線(xiàn)交點(diǎn)的距離，m —擋板高度，m 調(diào)整參數(shù)，根據(jù)調(diào)整后的各值與R之比分別計(jì)算、、、值，=1.5，=1.1， =0.12 然后代入式（3-1），即可確定鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R，通過(guò)計(jì)算得出1140mm 即可得出 =1.5×1140=1710mm =1.1×1140=1254mm =0.12×1140=136.8mm 一般取鏟斗側(cè)壁切削刃相對(duì)斗底壁的傾角=50°~60°。鏟斗與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)距離斗底壁的高度=（0.06~0.12）R。 3.2.4 鏟斗容量的計(jì)算 由于本次設(shè)計(jì)的鏟斗容量是在設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中體現(xiàn)出來(lái)的，并且鏟斗的參數(shù)都是根據(jù)鏟斗容量而定下的，所以如下只介紹的是它的算法公式。 3.2.5幾何斗容(平裝斗容) 鏟斗平裝的幾何斗容可按下式確定。 對(duì)于裝有擋板的鏟斗： （3-1） 根據(jù)有關(guān)計(jì)算有 （3-2） A—鏟斗橫斷面面積，如圖2—5中所示陰影面積 —鏟斗內(nèi)壁寬(m)， a—擋板高度(m)； b—斗刃刃口與擋板最上部之間的距離(m)。 3.2.6 額定斗容(堆裝斗容) 鏟斗堆裝的額定斗容是指斗內(nèi)堆裝物料的四邊坡度均為1：2，此時(shí)額定斗容可按下式確定。 （3-3） 式中 c—物料堆積高度(米)。 物料堆積高度c可由作圖法確定(圖2—5)：根據(jù)科堆坡度角可得料堆尖端點(diǎn)肘，再由d4點(diǎn)作直線(xiàn)d4N與Go垂直，將n4N垂線(xiàn)向下延長(zhǎng)，與斗刃刃口和擋板最下端之間的連線(xiàn)相交，此交點(diǎn)與料堆尖端之間的距離，即為物料堆積高度G。 圖3-4 裝載機(jī)斗容計(jì)算圖 （3-4） 鏟斗斗容的誤差率 （3-5） 所以鏟斗的設(shè)計(jì)合格。 圖3-5 設(shè)計(jì)鏟斗 3.3 工作裝置連桿系統(tǒng)設(shè)計(jì) 通過(guò)在第二章中的工作裝置連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)的介紹，綜合本次設(shè)計(jì)的基本要求和設(shè)計(jì)任務(wù)，所選取的結(jié)構(gòu)形式為反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式。 3.3.1 機(jī)構(gòu)分析 反轉(zhuǎn)六桿工作機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3-6所示，它由轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)和動(dòng)臂舉升機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分組成。 轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)斗油缸CD、搖臂CBE、連桿FE、鏟斗GF、動(dòng)臂GBA和機(jī)架AD六個(gè)構(gòu)件組成。實(shí)際上，它由兩個(gè)反轉(zhuǎn)四桿機(jī)構(gòu)GFEB和BCDA（即圖中GF2E2B和BC2DA）所串聯(lián)而成。當(dāng)舉升動(dòng)臂時(shí)，若假定動(dòng)臂為固定桿，則可把機(jī)架AD視為輸入桿，把鏟斗GF看成輸出桿，由于AD和GF轉(zhuǎn)向相反，所以叫反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)。 舉升機(jī)構(gòu)主要由動(dòng)臂舉升油缸HM和動(dòng)臂GBA構(gòu)成。 若把油缸分解成兩個(gè)活動(dòng)構(gòu)件和一個(gè)移動(dòng)副，則反轉(zhuǎn)六桿工作機(jī)構(gòu)的活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=8，運(yùn)動(dòng)低副數(shù)PL=11，由自由度公式F=3n-2PL，得到自由度為2。因?yàn)閮蓚€(gè)油缸均為運(yùn)動(dòng)件所以整個(gè)機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)舉升油缸閉鎖時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)斗油缸，鏟斗將繞G點(diǎn)作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖，舉升油缸動(dòng)作時(shí)，鏟斗將作復(fù)合運(yùn)動(dòng)，即一邊隨動(dòng)臂對(duì)A點(diǎn)作牽連運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又相對(duì)動(dòng)臂繞G點(diǎn)作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。 其材料為低碳、耐磨、高強(qiáng)度鋼。 圖3-6 反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 I-插入工況 II-鏟裝工況 III-最高位置工況 IV-高位卸載工況 V-低位卸載工況 3.3.2 尺寸參數(shù)設(shè)計(jì) 因?yàn)閳D解法比較直觀(guān)，易于掌握，故采用圖解法設(shè)計(jì)，它通過(guò)在坐標(biāo)圖上確定鏟裝工況（圖3-6）時(shí)工作裝置的9個(gè)鉸接點(diǎn)的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。 （1）動(dòng)臂與鏟斗、搖臂、機(jī)架的三個(gè)鉸接點(diǎn)G、B、A的確定 1）確定坐標(biāo)系 如圖3-7所示，先選取坐標(biāo)系并確定尺寸比例1：40。 2）畫(huà)鏟斗圖 把設(shè)計(jì)好的鏟斗橫截面外廓按比例在坐標(biāo)系xOy中畫(huà)出，斗尖對(duì)準(zhǔn)坐標(biāo)原點(diǎn)O，斗前壁與x軸呈3°~5°的前傾角。此為鏟斗插入料堆時(shí)位置，即插入工況。 圖3-7 動(dòng)臂上三鉸接點(diǎn)設(shè)計(jì) 3）確定動(dòng)臂與鏟斗的鉸接點(diǎn)G 由于G點(diǎn)的x坐標(biāo)值越小，轉(zhuǎn)斗掘起力就越大，所以G點(diǎn)靠近O點(diǎn)是有利的，但它受斗底和最小離地高度的限制，不能隨意減??；而G點(diǎn)的y坐標(biāo)值增大時(shí)，鏟斗在料堆中的鏟取面積增大，裝的物料多，但這樣縮小了G點(diǎn)與連桿鏟斗鉸接點(diǎn)F的距離，使得掘起力下降。 綜合考慮各種因素的影響，根據(jù)坐標(biāo)圖上插入工況的鏟斗實(shí)際狀況，在保證G點(diǎn)y軸坐標(biāo)值yG=250~350mm和x軸坐標(biāo)值xG盡可能小而且不與斗底干涉的前提下，在指標(biāo)圖上人為的把G點(diǎn)初步定下來(lái)。初；定G點(diǎn)坐標(biāo)為（1130，260）。 4）確定動(dòng)臂與機(jī)架的鉸接點(diǎn)A ①以G點(diǎn)為圓心，使鏟斗順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，至鏟斗斗口與x軸平行為止，即鏟裝工況。 ②把已選定的輪胎外廓畫(huà)在指標(biāo)圖上（輪胎外廓直徑約為1600mm）。作圖時(shí)，應(yīng)使輪胎前緣與鏟裝工況時(shí)鏟斗后壁的間隙盡量小些，目的是使機(jī)構(gòu)緊湊、前懸小，但一般不小于50mm；輪胎中心Z的y坐標(biāo)值應(yīng)等于輪胎的工作半徑Rk=600mm 。 （3-6） 式中 —Z點(diǎn)的y坐標(biāo)值，mm —輪輞直徑，mm —輪胎寬度，mm —輪胎斷面高度與寬度之比（普通輪胎取1，寬面輪胎去0.83，超寬面輪胎取0.64） —輪胎變形系數(shù)（普通輪胎為0.1~0.16，寬面輪胎取0.05~0.1） ③根據(jù)給定的最大卸載高度hx，最小卸載距離lx和和卸載角，畫(huà)出鏟斗在最高位置卸載時(shí)的位置圖，即高位卸載工況，并令此時(shí)斗尖為O4，G點(diǎn)位置為，如圖3-7所示。 ④以點(diǎn)為圓心，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)鏟斗，使鏟斗口與x軸平行，即得到鏟斗最高舉升位置圖。 ⑤連接并作其垂直平分線(xiàn)。因?yàn)镚和點(diǎn)同在以A點(diǎn)為圓心，動(dòng)臂AG長(zhǎng)為半徑的圓弧上，所以A點(diǎn)必須在的垂直平分線(xiàn)上。 A點(diǎn)在平分線(xiàn)的位置應(yīng)盡可能低一些，以提高整機(jī)工作的穩(wěn)定性，減小機(jī)器高度，改善司機(jī)視野。一般A點(diǎn)取在前輪右上方，與前軸心水平距離為軸距的1/3~1/2處。最終定下A點(diǎn)的坐標(biāo)為（3230，2110）。 A點(diǎn)位置的變化，可借挪動(dòng)點(diǎn)和輪胎中心Z點(diǎn)的位置來(lái)進(jìn)行。 5）確定動(dòng)臂與搖臂的鉸接點(diǎn)B B點(diǎn)的位置是一個(gè)十分關(guān)鍵的參數(shù)。它對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比、倍力系數(shù)、連桿機(jī)構(gòu)的布置以及轉(zhuǎn)斗油缸的長(zhǎng)度等都有很大的影響。如圖3-7所示，根據(jù)分析和經(jīng)驗(yàn)，一般取B點(diǎn)在AG連線(xiàn)的上方，過(guò)A點(diǎn)的水平線(xiàn)下方，并在AG的垂直平分線(xiàn)左側(cè)盡量靠近鏟裝工況時(shí)的鏟斗處。相對(duì)前輪胎，B點(diǎn)在其外廓的左上部。本次設(shè)計(jì)所確定B點(diǎn)坐標(biāo)為（1680，1565）。顯示如圖3-8和圖3-9所示。 圖3-8 動(dòng)臂鉸接點(diǎn)A的確定 圖3-9 動(dòng)臂鉸接點(diǎn)的三維顯示 （2）連桿與鏟斗和搖臂的兩個(gè)鉸接點(diǎn)F、E的確定 因?yàn)镚、B兩點(diǎn)已被確定，所以再確定F點(diǎn)和E點(diǎn)實(shí)際上是為了最終確定與鏟斗相連的四桿機(jī)構(gòu)GFEB的尺寸，如圖3-10所示。 確定F、E兩點(diǎn)時(shí)，既要考慮對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求，如必須保證鏟斗在各個(gè)工況時(shí)的轉(zhuǎn)角，又要注意動(dòng)力學(xué)的要求，如鏟斗在鏟裝物料時(shí)應(yīng)能輸出較大的掘起力，同時(shí)，還要防止前述各種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)被破壞的現(xiàn)象。 1）按雙搖桿條件設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu) 令GF桿為最短桿，BG為最長(zhǎng)桿，即有 GF+BG > FE+BE （3-7） 如圖3-10所示，若令GF=a，F(xiàn)E=b，BE=c，BG=d，并將式（3-5）不等號(hào)兩邊同時(shí)除以d，整理后得到下式，即 （3-8） 上式各值可按式（3-7）選取，由G（1130，260）、B（1680，1565）點(diǎn)的坐標(biāo)得到d=1415mm （3-9） 由式（3-9）選取K=0.950 得到 a=0.3d=425 c=0.58d=830，代入（3-8） 得到 b=948 。 圖3-10 四連桿機(jī)構(gòu)GFEB尺寸 2）確定E和F點(diǎn)位置 這兩點(diǎn)位置的確定要綜合考慮如下四點(diǎn)要求：①E點(diǎn)不可與前橋相碰，并有足夠的最小離地高度；②插入工況時(shí)，使EF桿盡量與GF桿垂直，這樣可獲得較大的傳動(dòng)角和倍力系數(shù)；③鏟裝工況時(shí)，EF桿與GF桿的夾角必須小于170°，即傳動(dòng)角不能小于10°，以免機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生自鎖；④高位卸載工況時(shí)，EF桿與GF桿的傳動(dòng)角也必須大于10°。 如圖3-11所示，鏟斗去插入工況，以B點(diǎn)為圓心，以BE=c為半徑畫(huà)弧；人為的初選E點(diǎn)，使其落在B點(diǎn)右下方的弧線(xiàn)上；再分別以E點(diǎn)和G點(diǎn)為圓心，以FE=b和GF=a分別為半徑畫(huà)弧，得到交點(diǎn)，即為F。 圖3-11 連桿端部鉸接點(diǎn)設(shè)計(jì) 如圖所示的得到了E和F點(diǎn)的位置，由于各種工況的情況不定，所以在這就不具體說(shuō)明此時(shí)情況的坐標(biāo)值。 （3）轉(zhuǎn)斗油缸與搖臂和機(jī)架的鉸接點(diǎn)C和D點(diǎn)的確定 在圖3-10中，如果確定了C點(diǎn)和D點(diǎn)，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(diǎn)和D點(diǎn)的布置直接影響到鏟斗舉升平動(dòng)和自動(dòng)放平性能，對(duì)掘起力和動(dòng)臂舉升阻力的影響都較大。 1）確定C點(diǎn) 從力傳遞效果出發(fā)，顯然使搖臂BC段長(zhǎng)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)增加。但加長(zhǎng)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(mǎn)足各個(gè)工況的要求，并且使得轉(zhuǎn)斗油缸行程過(guò)長(zhǎng)。因此初步設(shè)計(jì)時(shí)，一般取 （3-10） C點(diǎn)一般取在B點(diǎn)左上方，BC與BE夾角可取∠CBE=130°~180°，并注意使插入工況時(shí)搖臂BC與轉(zhuǎn)斗油缸CD趨近垂直；C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)不得與鏟斗干涉，其高度不能影響司機(jī)視野。 通過(guò)本次設(shè)計(jì)的基本要求，在這里確定BC=0.72BE=600mm，同時(shí)BC與BE夾角取值∠CBE=154°。 2）確定D點(diǎn) 轉(zhuǎn)斗油缸與機(jī)架的鉸接點(diǎn)D，是根據(jù)鏟斗由鏟裝工況舉升到最高位置工況過(guò)程為平動(dòng)和由高位卸載工況下降到插入工況時(shí)能自動(dòng)放平這兩大要求來(lái)確定的。 如圖3-10所示，當(dāng)鉸接點(diǎn)G、F（即F2）、E（即E2）、B、C（即C2）被確定后，則鏟斗分別在工況I、II、III、IV時(shí)的C點(diǎn)的位置C1、C2、C3、C4也就唯一被確定了。 因?yàn)殓P斗由工況II舉升到工況III或由工況IV下放到工況I的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)斗油缸的長(zhǎng)度分別保持不變，所以D點(diǎn)必為C2點(diǎn)和C3 點(diǎn)連線(xiàn)的垂直平分線(xiàn)與C1和C4點(diǎn)連線(xiàn)的垂直平分線(xiàn)的交點(diǎn)。 最終，D點(diǎn)設(shè)計(jì)在A點(diǎn)的左下方，這樣不但平動(dòng)性能好，而且動(dòng)臂舉升時(shí)，可減小舉升外阻力矩，有利于舉升油缸的設(shè)計(jì)。D點(diǎn)的固定坐標(biāo)值為（3000，1850）。 (4）動(dòng)臂舉升油缸與動(dòng)臂和車(chē)架鉸接點(diǎn)H點(diǎn)及M點(diǎn)的確定 動(dòng)臂舉升油缸的布置應(yīng)本著舉臂時(shí)工作力矩大、油缸穩(wěn)定性好、構(gòu)件互不干擾、整機(jī)穩(wěn)定性好等原則來(lái)確定。綜合考慮這些因素，所以動(dòng)臂舉升油缸都布置在前橋與前后車(chē)架的鉸接點(diǎn)之間的狹窄空間里。 通過(guò)以上的設(shè)計(jì)，確定了各個(gè)鉸接點(diǎn)的位置，同時(shí)設(shè)計(jì)好了的外形前提下，在軟件畫(huà)圖為基礎(chǔ)，得到本次設(shè)計(jì)中 ZL50裝載機(jī)的各個(gè)工況如下： 圖3-12 I 插入工況 圖3-13 Ⅱ 低位鏟裝工況 圖3-14 Ⅲ 低位卸載工況 圖3-15 Ⅳ 高位鏟裝工況 圖3-16Ⅴ 高位卸載工況 3.3.3 連桿系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析 （1）鏟斗對(duì)地位置角 圖3-16所示為鏟斗位置角計(jì)算，A、B、G為動(dòng)臂與機(jī)架、搖臂、鏟斗的鉸接點(diǎn)，D、C為轉(zhuǎn)斗油缸與機(jī)架、搖臂的鉸接點(diǎn)，E、F為連桿與搖臂、鏟斗的鉸接點(diǎn)。因?yàn)镚點(diǎn)和F點(diǎn)同為一個(gè)鏟斗上的兩點(diǎn)，所以鏟斗在坐標(biāo)系中的平面運(yùn)動(dòng)可用GF桿的平面運(yùn)動(dòng)來(lái)描述，而在鏟斗舉升過(guò)程中的各瞬時(shí)對(duì)地面的傾角，即鏟斗對(duì)地位置角，可用GF與地面的夾角來(lái)表示。由于在舉升過(guò)程中鏟斗做復(fù)合運(yùn)動(dòng)，所以可用運(yùn)動(dòng)合成的方法求得。 圖3-17 鏟斗位置角計(jì)算 在圖3-17中，取運(yùn)輸工況為工作裝置連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的初始位置，令為與地面固連的直角坐標(biāo)系，x軸與地面平行，并在動(dòng)臂上G點(diǎn)（動(dòng)臂與鏟斗鉸接點(diǎn)）處建立一個(gè)隨動(dòng)臂一起運(yùn)動(dòng)的動(dòng)坐標(biāo)系，則動(dòng)臂被舉升時(shí)的鏟斗各瞬時(shí)對(duì)地位置角，可用下式計(jì)算： （3-11） 式中 --GF桿與動(dòng)坐標(biāo)系軸的夾角（方向角） --動(dòng)臂ABG舉升時(shí)，在固定坐標(biāo)系xOy中轉(zhuǎn)過(guò)的轉(zhuǎn)角 在動(dòng)坐標(biāo)系中，運(yùn)用“向量投影法”，可求得以機(jī)架桿AD的方向角為自變量，鏟斗GF桿的方向角為因變量的函數(shù)方程式。 根據(jù)向量投影法的原理，可把四桿機(jī)構(gòu)GFEB和BCDA當(dāng)作兩個(gè)封閉的向量四邊形，各邊向量分別用GF、BE、GB、AD、CD、BC、BA表示，他們的模分別用GF、BE、GB、AD、CD、BC、BA表示，則在BCDA向量四邊形中有 AD－CD－BC+BA=0 （3-12） 將式（3-12）中各向量分別向軸和軸投影，則得到下列方程 （3-13） 式中、、、分別為各邊向量對(duì)軸的方向角。 變換式（3-13）為下式，即 （3-14） 將式（3-14）等號(hào)兩邊平方后，使兩方程相加，并令 （3-15） 和 （3-16） 則從式（3-13）中消去了，并將其變換成下列三角方程 （3-17） 將式（3-13）乘以，并設(shè)，則式（3-15）可化為 （3-18） 解式（3-15），得 或 （3-19） 同理，在向量四邊形GFEB中，有 BE－FE－GF+GB= 0 （3-20） 令 （3-21） 和 （3-22） 得三角方程 （3-23） 其解為 （3-24） 通過(guò)公式的計(jì)算和實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸的情況，可得到在各個(gè)工況的對(duì)地位置角分別為： 插入工況：105°； 鏟裝工況：50°； 最高位置工況：57°； 高位卸載工況：131°。 因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中，鏟斗的對(duì)地位置角是不斷變化的，在此只針對(duì)以上四種特殊情況的位置角代入了計(jì)算。 （2）最大卸載高度和最小卸載距離 鏟斗高位卸載時(shí)的卸載高度和卸載距離，必須分別不小于設(shè)計(jì)任務(wù)給定的最大卸載高度和最小卸載距離，否則將影響卸載效率，甚至不能進(jìn)行高位卸載。太大時(shí)，將增加卸載沖擊，損壞運(yùn)輸車(chē)輛；過(guò)大，雖然有利于裝車(chē)，但加大了工作機(jī)構(gòu)前懸，降低了整機(jī)穩(wěn)定性。 如圖3-5所示，高位卸載時(shí)，鏟斗與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)的坐標(biāo)為 （3-25） 式中 x1，x2—工況II時(shí)G點(diǎn)的x和y坐標(biāo)值（1130，260） —工況II時(shí)動(dòng)臂對(duì)x軸的方向角40° —?jiǎng)颖叟c鏟斗鉸接點(diǎn)分別在G點(diǎn)和點(diǎn)之間的距離，可用式（3-24）計(jì)算 =3291 （3-26） 即得到點(diǎn)的坐標(biāo)為（985，3487） 若要滿(mǎn)足和要求，必須有下列各式成立 （3-27） （3-28） 式中 OG—鏟斗尖O點(diǎn)至G點(diǎn)距離1141mm —前輪軸心的x坐標(biāo)值2873mm —輪胎工作半徑600mm —工況IV時(shí)OG對(duì)x軸的方向角，可用下式計(jì)算 =58° （3-29） 所以 =3487－1141×sin58° =2519 mm≥hmax（2500）滿(mǎn)足要求 =2873―600―985+1141cos58° =1893 mm≥lmin（150