ZL60轮式反转六连杆装载机工作装置设计含开题及3张CAD图
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附件6中期报告(学生用表)系(部): 专业: 班级: 学生姓名 学号 指导教师 课题名称ZL60轮式反转六连杆装载机工作装置设计简述开题以来所做的具体工作和取得的进展或成果: 开题以来我通过老师的指导、网上查阅资料以及去图书馆借阅资料,已将工作装置的机构、结构设计和主要构件的强度校核计算完毕。说明书大体已经做完,在制图方面已将工作装置的大体已用三维软件(UG)绘制完毕。存在的具体问题与解决方法:1、 在液压缸选型上无法确定液压缸的类型,该用那种液压缸。后来通过老师的指导和查阅相关书籍已将液压缸选型问题解决。2、 在确定各个点的位置时无法快速确定下来,最后通过无数次的试凑,最终确定出各个点。下一步工作的主要研究任务、具体设想与安排:1、 将说明书完整的做出成品;2、 将所需的二维图画出;3、 将三维图完善;4、 对大臂及摇臂尝试进行有限元分析;5、 对工作装置进行运动分析。指导教师对前期工作的评价:指导教师签名:年 月 日注:1、本表可根据内容续页;2、指导教师评价及签名手写,其他内容电子版填写。附件3任务书(指导教师用表)系(部): 专业: 班级: 学生姓名 指导教师姓名 论文(设计)题目ZL60轮式反转六连杆装载机工作装置设计下达任务日期 任务起止日期 主要研究内容及方法研究内容:1、 了解国内外装载机的发展与方向;2、 设计及计算装载机工作装置。研究方法1、 在图书馆和网上查阅有关装载机的资料,整理选取相关的资料;2、 查看主要生产厂家的装载机视频案例;3、 与同学配合,向老师请教,做出改进后的装载机;4、 运用所学专业知识、设计经验采用计算法和类比法综合运用的方法;5、根据自己最后的设计,确定最终方案。主要任务及目标斗容:3.3 m3 额定载重量:6t 最大铲取力:180kN 最大牵引力:165kN最小卸载距离:1250mm 最大卸载高度:3100mm(1)ZL60轮式装载机工作装置的机构、结构设计和主要构件的强度校核计算;(2)编制设计计算说明书一份(40页左右不少于1.2 万字);(3)绘制ZL60轮式装载机工作装置装配图一张(A0);(4)绘制动臂部件图一张(A1);(5)绘制铲斗部件图一张(A1)。主要参考文献1 李健成矿山机械(装载机械部分)M 北京:冶金工业出版社19812 李健成矿山装载机械设计M 北京:机械工业出版社19893 机械设计手册编委会.机械设计手册M 北京:机械工业出版社20084 成大先.机械设计手册.液压传动M 化学化工出版社2017.65 韩泽光、郑夕健、同长虹机械设计M北京:北京航天航空大学出版社2011.96 杨占敏、王智明、张春秋装载机M北京:化学工业出版社2006.17 高湖海装载机械M冶金工业出版社20118 周岭、张有强机械工程专业英语M北京:北京航天航空大学出版社2014.89 章跃机械制造专业英语M北京:机械工业出版社200310 符春生、张克义机械制图M北京:北京航天航空大学出版社2010.811 郭利军、倪春迪、盛巍中文版UG7.0高级案例教程M北京:中国时代经济出版社2013.6进度安排各阶段工作任务起止日期查阅相关资料12周进行工作机构计算34周进行机械制图的绘制58周完成毕业设计说明书910周整理资料,进行答辩1112周任务下达人签名任务接收人签名教研室指导小组组长签名系部领导小组组长签名注:1、本表可根据内容续页; 2、本表一式两份,学生、系部存档各一份;3、签名需手写,其他内容电子版填写。附件7工作中期检查记录系(部): 专业: 班级: 姓名 学号 指导教师 检查主要内容到目前为止,毕业设计的进度已有75%,完成的内容:1.三维图的绘制;2.工作机构中各部分的设计计算,强度计算以及强度校核等;3.设计说明书的简单撰写。尚需完成的内容:1.二维图的绘制;2.撰写设计说明书;3.将之前设计的内容进行完善,不合理的进行修改。指导老师定期辅导,可帮助解决学生在设计过程中存在的问题;同时,定期检查进度和记录出勤情况,督促学生按计划开展毕业设计。存在的问题及拟采取的方法:存在的问题主要是在设计工作机构中,在选取合适的点位时存在问题。因为点的选取直接影响后续功能的实现,为了解决此问题,计划对点进行多次选取,利用试凑法;从而选取更加合适的位置,以便实现机构的功能。毕业论文(设计)工作领导小组意见组长签名:年 月 日注:1、本表可根据内容续页;2、领导小组意见手写,其他内容电子版填写。附件5开题报告(学生用表)系(部): 专业: 班级: 课题名称ZL60轮式反转六连杆装载机工作装置设计指导教师 学生 学号 一、 课题的来源及意义本文课题来源于生产生活,面向于装载机的工作装置设计。本次课题的意义是通过设计,巩固所学专业的基本知识,掌握ZL50D型轮式反转六连杆装载机工作装置及主要构件强度设计相关内容和设计方法。使学生得到现代工程师技术能力的基本训练,进一步提高专业设计能力。二、 国内外发展状况及研究背景1、国内发展状况我国装载机行业起步较晚,其制造技术是陆续从美国、德国和日本等国家引进的。目前,我国装载机的生产技术水平只相当于发达国家20世纪80年代的生产制造水平。虽然目前国内装载机的生产厂家群雄并立,并且有增无减,但国内的企业自主开发创新能力较弱,产品更新换代以适应市场需求的能力差,不能及时适应市场的需求。在生产制造上,工艺装备水平和生产能力低,造成关键零部件技术不过关,整机的可靠性,故障率,使用寿命,机、电、液一体化水平,外观质量,操纵灵活性和舒适性方面与先进国家产品相比差距较大。目前,我国装载机的发展有如下一些特点:(1) 缺乏高科技含量,产品质量不稳定,档次低我国生产的装载机的技术水平普遍较低,高科技附加值少,产品档次低,属于中等偏下水平。产品质量不稳定,国产装载机大故障的部位主要集中在传动系统,小毛病主要出现在液压系统。(2) 设备的灵活性、舒适性较差 灵活性是反映装载机工作效率的一个重要指标。由于设计或制造等原因,各个部件不能自如运作,工作起来笨拙不堪,现场讲是出工不出力、出力不出活。现场作业,其环境千差万别,特别是洞室、狭窄恶劣地段工作更需要灵活性,在这方面国外的大吨位设备也远比国内小吨位设备灵活的多。设备的舒适性是指驾驶员在操作设备作业时所感受到的舒适程度,也包括环保方面的排放标准和噪声大小等。国产产品驾驶室的噪声控制、密封问题都没有得到很好的解决。一些厂家试图在驾驶室里安装收录机等音响系统,其实在没解决设备噪声之前,这些都是徒劳的;同理,在没有解决驾驶室密封问题之前,一切空调等通风换气装置都是没有任何意义的。(3) 用途单一,产品规格中间大两头小我国生产的装载机所配有的附属作业装置有限,造成装载机使用功能少、用途单一。尽管已能产生出0.410t 的装载机产品,但产量主要集中在15t 范围内,无力生产微型级、大型级产品,造成了产品结构中间大、两头小的格局。2、国外发展状况(1) 产品形成系列,更新速度加快并朝大型化和小型化发展 产品的系列化、成套化、多品种化成为主流。为了适应市场需求,各厂商加快了产品的更新换代,如以卡特彼勒为代表的美国,以小松公司为代表的日本和装载机生产第三大集团西欧各厂家都加快推出多功能,全面兼顾动力性、机动性与灵活性的新产品,以满足不同用途用户的需求。此外,装载机的大小规格向两头延伸,以适应大型露天煤矿或金属矿和狭窄施工场所,如仓库、货栈、农舍、地下等场所的装载作业。这些产品如美国克拉克公司生产的675型,功率达1000 kW , 而日本东洋远般株式会社生产的310型,斗容量仅为0.11m3 ,功率为9.8kW。此外,装载机还向高卸位、远距离方向发展。如JCB公司开发了收缩臂式装载机,小松公司开发了能扩大作业范围带伸缩机构的装载机。(2) 采用新结构、新技术,产品性能日趋完善近年开发的产品普遍采用了高性能发动机和自动换挡变速器、大流量负荷传感液压系统、前后防滑差速器、多片湿式盘式制动器、行走颠簸减振先进技术,并综合液压、微电子和信息技术制造,并应用了很多智能系统。工作装置连杆机构推陈出新,各种自动功能更趋于成熟、完善。(3) 发展多种工作装置,不断满足市场需求所有厂家的产品都强调一机多用,配用快换装置及多种附件,可以换装几种到几十种甚至上百种不同的作业装置,如VME集团生产的VolvoBM装载机可更换多达100余种的工作装置,如各种用途的铲斗、装卸叉、吊具、清扫装置、集草叉、除雪铲、路面铣刨器具、压实器具、破碎器具、地表钻等,以便进行装载、铲平、搬运、挖掘、清理等作业。各种工作装置的更换非常简便,司机在驾驶室内只需12min就可以轻而易举的完成。(4) 易于维修、保养,注重环保所以产品都充分考虑到可维护、维修性,各关键零部件和维护点都预留了足够的通路,保养点集中并可以在地面上进行,普遍采用了自动集中润滑。大量机罩都采用可展开结构,可整体翻转,有些机型的驾驶室还可以整体倾翻。许多产品发动机风扇采用液压驱动。大部分产品设有微机操作信息中心供维修查询。各个厂家也都十分注意产品的环保,主要从降噪降污和节约能源入手。普遍采用了降噪、将污染、满足现有排放法的清洁型发动机,同时对机器主要噪声源都采取了各种防护措施。三、 本课题的研究目标和内容斗容:3.3 m3 额定载重量:6t 最大铲取力:180kN 最大牵引力:165KN最小卸载距离:1250mm 最大卸载高度:3100mm(1)ZL60轮式装载机工作装置的机构、结构设计和主要构件的强度校核计算;(2)编制设计计算说明书一份(40页左右不少于1.2 万字);(3)绘制ZL60轮式装载机工作装置装配图一张(A0);(4)绘制动臂部件图一张(A1);(5)绘制铲斗部件图一张(A1)。四、 本课题研究方法及进度安排1、研究方法(1) 在图书馆和网上查阅有关装载机的资料,整理选取相关的资料;(2) 查看主要生产厂家的装载机视频案例;(3) 与同学配合,向老师请教,做出改进后的装载机;(4) 运用所学专业知识、设计经验采用计算法和类比法综合运用的方法;(5) 根据自己最后的设计,确定最终方案。2、进度安排: (1) 第一二周:查阅相关资料;(2) 第三四周:进行工作机构计算;(3) 第五八周:进行机械制图的绘制;(4) 第九十周:完成毕业设计说明书;(5) 第十一十二周:整理资料,进行答辩。五、 实验方案的可行性分析和已具备的实验条件轮式装载机属于铲土运输机械类,是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口和矿山等建设工程的土石方施工机械。具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点,对于加快工程建设速度,减轻劳动强度,提高工程质量,降低工程成本都发挥着重要的作用,是现代机械化施工中不可缺少的装备之一。随着我国加入WTO组织和西部大开发的进程,及水电、港口、公路等基础设施建设项目的增多,国外先进工程机械先后涌入中国市场,我国工程机械设施同时面临着前所未有的机遇和挑战。这也意味着我国工程机械行业对技术人才的技术素质提出了更高的要求。六、 具体参考文献1 李健成.矿山机械(装载机械部分)M 北京:冶金工业出版社,19812 李健成.矿山装载机械设计M 北京:机械工业出版社,19893 机械设计手册编委会.机械设计手册M 北京:机械工业出版社,20084 成大先.机械设计手册.液压传动M 化学化工出版社,2017.65 韩泽光、郑夕健、同长虹机械设计M北京:北京航天航空大学出版社2011.96 杨占敏、王智明、张春秋装载机M北京:化学工业出版社2006.17 高湖海装载机械M冶金工业出版社20118 周岭、张有强机械工程专业英语M北京:北京航天航空大学出版社2014.8指导教师意见:指导教师签名: 年 月 日注:1、本表可根据内容续页;2、指导教师意见及签名手写,其他内容电子版填写。附件4指导记录(指导教师用表)系(部): 专业: 班级: 姓名 学号 指导教师 职称/学位 毕业论文(设计)题目ZL60轮式反转六连杆装载机工作装置设计日 期指导内容存在问题指导学时数2018.03.05下达设计任务书,给学生介绍装载机的结构原理及本次设计的要求及内容。学生对设计的机构缺乏基本了解,相关知识不足。3学时2018.03.12为学生介绍铲斗的设计方法,需了解关于铲斗相关资料,斗容的确定、铲斗形状等内容进行指导。 各种有关斗容的基本概念不是很明确。4学时2018.03.19给学生介绍工作机构的各个铰接点位置的确定方法。该部分内容的设计难点需深入阅读相关资料。4学时2018.03.26检查学生铰接点确定的是否合理,指导学生进行修改。学生在铰接点的确定过程中对基本方法缺乏深入了解。4学时2018.04.02 指导学生选择合理的动臂结构类型和动臂材料。需了解各种动臂结构类型的适应条件和合理选择动臂结构的类型。2学时2018.04.09对连杆、摇杆等零部件的结构进行介绍,指导学生对工作装置进行合理的设计。学生不太了解工作装置结构设计的基本要求。4学时2018.04.16指导学生了解工作机构中液压缸的作用及结构形式的选择。学生对液压油缸的基本知识较缺乏。3学时2018.04.23指导学生对各零部件的强度进行校核方法。学生需进一步补充关于力学分析方面的知识。4学时2018.05.02指导学生对装载机的工作装置进行装配图绘制。 学生对装配图绘制中的相应知识缺乏了解。3学时2018.05.07 指导学生对设计说明书进行编制,检查绪论部分的内容。相关资料掌握较少,内容不完善。3学时2018.05.14对工作机构中各杆件的设计进行检查。结构设计存在不合理的地方,如平动性不合理。4学时2018.05.18检查说明书,校核计算部分。存在计算错误,指导学生改进。3学时2018.05.22检查并指导学生装配图的标注是否符合相关标注规范。装配图上各类标注存在的问题较多。8学时2018.05.25对学生的零件图进行检查指导。零件图标注存在的问题较多。8学时2018.05.28对学生的设计资料进行全面的检查和指导。进一步改进完善。8学时注:本表可续页,由指导教师根据毕业论文(设计)指导工作方案和实际指导情况填写(可电子版填写)。ZL60轮式反转六连杆装载机工作装置设计摘 要装载机是工程机械的主要机种之一,主要用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工。它具有重量轻、机动灵活、效率高、维修方便等特点;它既可进行铲装作业,又可用作短途运输。对于加快工程建设速度,减轻劳动强度,提高工程质量,降低工程成本都发挥着重要的作用。装载机的工作装置对于装载机来说是重中之重,所以工作装置的设计好坏直接影响到装载机的使用寿命以及工作效率等。这次设计采用先进的现代设计方法,对这种轮式装载机的工作装置进行了总体设计到零部件设计。主要包括轮式装载机工作装置的关键零部件,如铲斗、连杆机构以及转斗油缸、举升油缸等,并对重要零件进行了刚度、强度分析。应用UG软件对轮式装载机工作装置整体进行设计,并用它对本次设计进行立体展示表达。在设计过程中,必须使工作装置运动平稳、无干涉、无死点、无自锁、有足够的强度;动臂从最底位置到最大卸载高度的举升过程中,保证铲斗中物料不洒落;在卸载后,动臂下放至铲掘位置铲斗能自动放平。关键字:3.3m3斗容;轮式装载机;反转六连杆机构;工作装置;强度校核AbstractAs one of the main types of construction machinery, loader is mainly used for earthwork construction of highway, railway, building, hydropower, port, mine and other construction projects. Characterized by light weight, flexibility, high efficiency and convenient maintenance, it can not only carry out scooping but also be used for short-distance transportation, as well as plays an important role in speeding up the engineering construction, reducing labor intensity, improving the quality of the project and reducing the cost of the project. For a loader, the working device is the most important, therefore, the design of the working device directly affects the life length and efficiency of a load.The design of the modern use of advanced design methods, wheel loaders working on such a device design to design components. It mainly includes key parts of wheel loaders working device, such as bucket, link mechanism, rotary bucket cylinder and lifting cylinder etc., and the rigidity and strength of key parts are analyzed. Application of UG software installed on the wheel loader work for the overall design and its use of this design three-dimensional display of expression. In the process of design, the working device must be worked smoothly without interference, dead spot or self-lock and with sufficient strength. During the lifting process of boom from the bottom to the maximum uninstall height, the material in the bucket must be ensured not to spill out, and the bucket can be leveled down automatically when the boom is lowered to the digging position after unloading.Key words: 3.3m3 bucket capacity; Wheel loader; Reversing six-bar mechanism; Working device; Strength checking目 录第1章 绪 论11.1 装载机概述11.2 装载机应用技术发展11.2.1 国外装载机发展现状11.2.2 国外装载机发展趋势11.2.3 国内装载机发展现状11.2.4 国内装载机发展趋势2第2章 装载机工作装置总体设计32.1 工作装置的总体结构与布置32.2 工作装置连杆机构的结构形式与特点32.3 工作装置自由度的计算5第3章 装载机工作装置设计73.1 铲斗设计73.1.1 铲斗的结构形式73.1.2 铲斗断面形状和基本参数确定83.1.3 铲斗容量的计算103.2 工作装置连杆系统设计123.2.1 机构分析123.2.2 尺寸参数设计133.3 工作装置静力学分析213.3.1 外载荷确定原则213.3.2 铲斗形心的确定213.3.3 外载荷的计算253.4 工作机构的受力分析与计算283.4.1 装载机的几种工况283.4.2 联合铲装时的受力分析283.4.3 工作机构主要零件的强度计算及液压缸的确定323.4.4 摇臂及连杆的计算343.4.5 关于润滑42第4章 UG软件的应用454.1 仿真和优化454.2 零件设计464.3 产品设计48第5章 实体模型的制作51总 结53附 录55参考文献57致 谢59ZL60轮式反转六连杆装载机工作装置设计摘 要装载机是工程机械的主要机种之一,主要用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工。它具有重量轻、机动灵活、效率高、维修方便等特点;它既可进行铲装作业,又可用作短途运输。对于加快工程建设速度,减轻劳动强度,提高工程质量,降低工程成本都发挥着重要的作用。装载机的工作装置对于装载机来说是重中之重,所以工作装置的设计好坏直接影响到装载机的使用寿命以及工作效率等。这次设计采用先进的现代设计方法,对这种轮式装载机的工作装置进行了总体设计到零部件设计。主要包括轮式装载机工作装置的关键零部件,如铲斗、连杆机构以及转斗油缸、举升油缸等,并对重要零件进行了刚度、强度分析。应用UG软件对轮式装载机工作装置整体进行设计,并用它对本次设计进行立体展示表达。在设计过程中,必须使工作装置运动平稳、无干涉、无死点、无自锁、有足够的强度;动臂从最底位置到最大卸载高度的举升过程中,保证铲斗中物料不洒落;在卸载后,动臂下放至铲掘位置铲斗能自动放平。关键字:3.3m3斗容;轮式装载机;反转六连杆机构;工作装置;强度校核AbstractAs one of the main types of construction machinery, loader is mainly used for earthwork construction of highway, railway, building, hydropower, port, mine and other construction projects. Characterized by light weight, flexibility, high efficiency and convenient maintenance, it can not only carry out scooping but also be used for short-distance transportation, as well as plays an important role in speeding up the engineering construction, reducing labor intensity, improving the quality of the project and reducing the cost of the project. For a loader, the working device is the most important, therefore, the design of the working device directly affects the life length and efficiency of a load.The design of the modern use of advanced design methods, wheel loaders working on such a device design to design components. It mainly includes key parts of wheel loaders working device, such as bucket, link mechanism, rotary bucket cylinder and lifting cylinder etc., and the rigidity and strength of key parts are analyzed. Application of UG software installed on the wheel loader work for the overall design and its use of this design three-dimensional display of expression. In the process of design, the working device must be worked smoothly without interference, dead spot or self-lock and with sufficient strength. During the lifting process of boom from the bottom to the maximum uninstall height, the material in the bucket must be ensured not to spill out, and the bucket can be leveled down automatically when the boom is lowered to the digging position after unloading.Key words: 3.3m3 bucket capacity; Wheel loader; Reversing six-bar mechanism; Working device; Strength checking目 录第1章 绪 论11.1 装载机概述11.2 装载机应用技术发展11.2.1 国外装载机发展现状11.2.2 国外装载机发展趋势11.2.3 国内装载机发展现状11.2.4 国内装载机发展趋势2第2章 装载机工作装置总体设计32.1 工作装置的总体结构与布置32.2 工作装置连杆机构的结构形式与特点32.3 工作装置自由度的计算5第3章 装载机工作装置设计73.1 铲斗设计73.1.1 铲斗的结构形式73.1.2 铲斗断面形状和基本参数确定83.1.3 铲斗容量的计算103.2 工作装置连杆系统设计123.2.1 机构分析123.2.2 尺寸参数设计133.3 工作装置静力学分析213.3.1 外载荷确定原则213.3.2 铲斗形心的确定213.3.3 外载荷的计算253.4 工作机构的受力分析与计算283.4.1 装载机的几种工况283.4.2 联合铲装时的受力分析283.4.3 工作机构主要零件的强度计算及液压缸的确定323.4.4 摇臂及连杆的计算343.4.5 关于润滑42第4章 UG软件的应用454.1 仿真和优化454.2 零件设计464.3 产品设计48第5章 实体模型的制作51总 结53附 录55参考文献57致 谢59第1章 绪 论1.1 装载机概述装载机主要用于铲装石灰、土壤、煤炭和其他散状物料。装载机不仅可以完成挖掘作业,还可以执行一些其他任务,如推平和起重等。它具备自重轻、机动灵活、效率高等特点,所以用途广泛。1.2 装载机应用技术发展1.2.1 国外装载机发展现状(1) 产品已经形成系列化,成品更新速度快,并且朝着大型化、小型化方向发展;(2) 装载机的成套化、系列化、多品种化已经成为当下市场的主流;(3) 装载机上采用新的结构、新的技术,可以使装载机的性能日趋完善;(4) 开发各种工作装置以满足市场需求;(5) 易于维修、保养,注重环保。1.2.2 国外装载机发展趋势(1) 系列化,特大型化;(2) 多用途,微型化;(3) 广泛使用液压技术,广泛使用微电子和信息技术,提高装载机的技术含量;(4) 不断创新结构上的设计;(5) 安全性、舒适性和可靠性也是国外企业的卖点。1.2.3 国内装载机发展现状中国的装载机制造技术与国外的一些国家还有一定的差距。虽然国内装载机生产企业确实数量多,而且还仍呈现增长趋势,但国内大多企业自主开发创新产品的能力比较的弱,导致产品的更新能力也随之减弱,适应装载机市场需求的能力变差。在装载机制造方面,国内关键部件技术不能满足要求,技术装备和生产能力也较低。与发达国家相比,我国装载机在操纵灵活性和舒适性方面较差。国内装载机有以下几个特点:(1) 产品质量不稳定,科技含量低国内生产的装载机产品质量不稳定:国产装载机的传动系统是出现大故障的主要部位,而在液压系统中主要出现一些小毛病。装载机制造技术普遍也比较低,现在处于较低水平。(2) 设备的灵活性、舒适性较差 可以体现装载机工作效率的主要是它的灵活性。由于制造等原因,装载机各部件不能自如的运作,工作起来显得不够灵活,工作效率低。 国内装载机驾驶室噪声控制问题还没有得到很好的解决;密封问题也尚未得到的解决,这些问题都需要进一步的改进和完善。(3) 产品用途单调,产品规格中小型化国内生产的装载机功能较少、用途较单一,主要是因为国内生产的装载机只能配置几种附属作业装置,在这方面的技术水平不高。尽管已经能生产了0.4吨到10吨 的装载机,但是装载机的产量仍然主要在1吨到5吨的范围内。国内生产企业无法生产微型,大型,超大型的产品,导致产品中小型化。1.2.4 国内装载机发展趋势由于我国历史与国情等原因,目前国内装载机生产企业与西方发达国家的一些制造企业的生产水平仍存在较大差距。现在国产装载机正在处于一个十分重要的过渡期,国内各个厂家也在加大对技术方面的投入。中国装载机制造业现在有下面几个发展趋势:(1) 大小型装载机受到了一些客观条件与市场需求的限制,所以无法大量的生产制造,厂商对这方面的投入也不是很注重。 (2) 通过优化每个系统,以提高每个系统的性能。动力系统的减震、工作装置的性能指标优化、冷却系统结构优化、工业设计等。引进国外最先进的传动系统和液压系统技术,使国内装载机生产更先进。(3) 提高安全性、舒适性。通过设计,驾驶室内提供了ROPS和FOPS功能,使国内装载机能够通过国际安全要求认证。(4) 降低装载机驾驶室与装载机对外部环境的噪声,减少尾气排放,强化装载机的环保指标,让国内的装载机绿色化。- 75 -第2章 装载机工作装置总体设计2.1 工作装置的总体结构与布置工作装置是装配到装载机上,是装载机上的关键组件之一,它能够使装载机完成铲取、装载及卸载等作业。它是自带液压缸的多连杆机构。 工作装置是由两个独立的运动机构组成:动臂举升机构与多连杆机构。主要由铲斗、连杆、动臂、上下摇臂、转斗油缸、动臂举升油缸、托架等组成。2.2 工作装置连杆机构的结构形式与特点目前装载机上使用最为广泛的是六连杆机构工作机构。它的机构传递方案如图2-1所示。其中,目前未在装载机使用的是图b 所示的方案;由图a 所示方案形成的工作装置,是以三铰构件1为动臂、构件2为铲斗、构件3为连杆、构件4为摇臂、构件5为转斗油缸、构件6为机架。图2-1 六杆机构的构成方案以下是一些最广泛设计的装载机设计类型。它是根据转斗油缸布置位置的不同设计的。转斗油缸可以作为装载机工作装置其中的连杆机构:(1) 转斗油缸前置式正转六杆机构(图2-2a)以图2-1a的构件3作为转斗油缸时,它的优点在于装载机的转斗油缸可以直接连接到摇臂上。缺点就是在翻转铲斗时,是转斗油缸小腔进油,通过的小腔作用来实现翻转,这样铲斗的铲掘力就会相对较小。 图2-2 六杆机构工作装置的结构形式(2) 转斗油缸后置式正转六杆机构(图2-2b)以图2-1a中的构件5作为转斗油缸,并将装载机的转斗油缸放在动臂的上方。机构的传动比大于转斗油缸前置式的传动比,并且前悬小于转斗油缸前置式的。活塞行程比转斗油缸前置式的短。缺点是:转斗油缸后置式的转斗油缸与车架的铰接点位置过高,这会影响驾驶员的视野并且在操作方面给驾驶员造成不便。(3) 转斗油缸后置式正转六杆机构(图2-2c)使用图2-1a中构件5作为转斗油缸,并将转斗油缸安装在动臂下方,以便当装载机用于铲掘收斗作业时,使用油缸的大腔进行工作,产生更大的掘起力,并且铲斗易于翻转。(4) 转斗油缸后置式反转六杆机构(图2-2d)将图2-1a中的构件5为转斗油缸并将其安装在动臂的上。该机构主要有以下几个优点:一是铲斗插入料堆时(第一工况时)转斗油缸的大油腔注油,多连杆机构的传力比可以设计成较大的值。因此铲斗可以获得较大的掘起力,使得铲斗翻转时比较容易;二是多连杆机构各构件的尺寸合理设计;三是工作装置连杆的结构十分紧凑,前悬也很小,所以驾驶员的视野会更好。缺点是在摇臂与连杆的位置处于铲斗与前桥之间的狭窄位置,容易造成构件之间发生干涉,无法满足市场需求。(5) 转斗油缸后置式反转六杆机构(图2-2e) 以图2-1a 的构件3作为转斗油缸并将其布置在靠近铲斗的地方。 2.3 工作装置自由度的计算图2-3为反转六杆机构工作装置各连杆结构简图。图2-3 工作装置平面杆系结构简图该机构中活动构杆件数n=8,低副数目Pi=11,高副数目Ph=0。这样,通过平面机构的自由度的计算公式,反转六杆机构工作装置的自由度为 F=3n-2Pi-Ph=2 (2-1)第3章 装载机工作装置设计3.1 铲斗设计3.1.1 铲斗的结构形式(1) 斗体形状从铲斗的整体形状来看,铲斗分为两种形式:深底和浅底。浅底铲斗比深底铲斗更容易装满,但在运输过程中浅底铲斗容易溢出物料。相比之下,浅底铲斗更适合定点装卸,深底铲斗适合远距离的运输。(2) 切削刃形状切削刃分为两种类型:直线型和非直线型;前者设计比后者的要简单,这样会有利于铲平地面,但铲装的阻力要比后者的大。非直线型切削刃主要有两种类型:V形和弧形。这种切削刃在插入时具有相对较小的阻力并且易于插入料堆中,并且对于减小偏执载荷的插入也是有利的。(3) 斗齿斗齿是安装或焊接在铲斗斗刃上的,有的斗刃也不安装或焊接斗齿。如果将铲斗的斗刃上安装或焊接了斗齿后,则首先将斗齿插入料堆中。由于安装或焊接斗齿的比压大,所以带齿的比不带齿的切削刃更容易插入料堆里。当料堆的密度更大时,效果更加明显。斗齿结构分为两种:分体式和整体式。一般斗齿都是用高锰钢制成的整体式,用螺栓固定在铲斗斗刃上,图3-1是整体式斗齿。图3-1 整体式斗齿(4) 铲斗侧刃由于铲斗侧刃要参与插入工作,为了减小插入阻力,侧壁前刃通常与铲斗的前壁形成锐角。弧线或折线侧刃铲斗的插入阻力小于直线形侧刃的插入阻力,但具有弧线或折线形侧刃铲斗的侧壁较浅。物料容易从两侧撒落,影响铲斗的堆装量。(5) 斗底为了使铲装的物料在铲斗内能有良好的流动性,铲斗底部的圆弧半径应不宜过小,前后壁夹角应大于物料与钢板的摩擦角的2倍,以免卡住大块物料。若取物料与钢板的摩擦因数f =0.4,则摩擦角22,所以张开角必须大于44。综上所述,针对我的铲斗设计性质如下:斗体材料:低碳、耐磨、高强度钢板斗刃形状:直线形斗刃斗刃材料:耐磨和耐冲击的中锰合金钢材料3.1.2 确定铲斗断面形状和基本参数(1) 铲斗的断面形状铲斗的断面形状由铲斗圆弧半径r、底壁长l、后壁高h和张开角四个参数确定,如图3-2所示。图3-2 铲斗断面基本参数图后壁高h是指铲斗的上边缘至圆弧与后壁切点之间的距离。底壁长l是指铲斗底壁的直线部分的长度。l如果增加,铲斗铲入料堆深度也变大,铲斗容易装满,但掘起力将由于力臂的增加而减小。从试验中可知,插入阻力随着铲斗入料堆的深度而急剧增加。l长同样也会降低卸载高度。l如果缩短,则掘起力大;并且由于卸料时铲斗刃口降落的高度较小,缩短工作时间,但会降低铲斗容量。对于主要装载轻质物料的铲斗,l可选择较的大值;对于装载岩石的铲斗,应取小些。铲斗张开角 是铲斗后壁和底壁之间的角度,一般在45到52之间。本次设计的具体参数初始设置如下:铲斗圆弧半径r:500mm底壁长l:700mm后壁高h:400mm张开角:50(2) 铲斗基本参数的确定 设定好上述铲斗断面参数后,根据老师给定的参数,本次设计铲斗的总宽度B为3100mm,铲斗壁厚为20mm。在设计铲斗时,铲斗的回转半径R (即铲斗与动臂铰接点到切削刃之间的距离)被用作基本参数。铲斗的其他参数作为R的函数。铲斗的回转半径R可按照式(3-1)计算。 图3-3 铲斗尺寸参考(m) (3-1)式中 铲斗平装斗容,3m3 铲斗内侧宽度,3.02m 铲斗斗底长度系数,=1.401.53 后壁长度系数,=1.11.2 挡板高度系数,=0.120.14 圆弧半径系数,取值范围(0.350.4) 张开角,为4552取50 挡板与后壁间的夹角510(无挡板取0)图3-3中各参数含义如下: 铲斗圆弧半径,m Lg 斗底长度,是指从铲斗切削刃到铲斗底部延长线与铲斗后壁延长线交点的距离,m (3-2) KZ 后壁长度,是指从后壁上缘到后壁延长线与斗底延长线交点的距离,m Kk 挡板高度,m 调整每个参数后,每个值可以通过与R值之比,分别计算出、值,=1.4,=1.2,=0.13,=0.4然后,代入公式(3-1),可以确定铲斗的回转半径R,并且可以计算得出R1314mm即可得出 Lg=1.41314=1839.6mmLz=1.21314=1576.8mmLk=0.131314=170.8mm通常,铲斗侧壁切削刃相对于铲斗底壁的倾角=5060。铲斗与动臂铰接点距离斗底壁的高度为 h=(0.060.12)R=78.84157.68mm (3-3)r=525.6mmS=0.957 m3.1.3 铲斗容量的计算 在设计任务书里已经给出来了铲斗的斗容,并且铲斗的参数是根据铲斗的斗容制定下的,因此,下面只描述用于计算铲斗斗容的算法公式。(1) 平装容量根据公式(3-4)计算铲斗的平装容量(见图3-4)。对于有防溢板的铲斗 VS=SB0-23a2b=3.87 (3-4)式中 有挡板的铲斗横截面面积,m2 铲斗内侧宽度,m 挡板高度,m 斗刃刃口与挡板最上部之间的距离,m对于无防溢板的铲斗 Vs=SB0(m3) (3-5)式中 不装挡板的铲斗横截面面积,m2 图3-4 铲斗容量计算(2) 额定容量铲斗的额定容量(见图3-4)按照式(3-6)计算。对于有防溢板的铲斗 Vr=Vs+b2B08-b26a+c=3.44 (3-6)式中 c 物料堆积高度,m对于无防溢板的铲斗Vr=Vs+b2B08-b3243.44-3.33.3=4.24% FE+BE (3-9)如图3-10所示,若令GF=a,FE=b,BE=c,BG=d,并将式(3-9)不等号两边同时除以d,整理后得到下式,即 K=bd+cd-ad1 (3-10)上式各值可按式(3-11)选取,由G(1300,300)、B(1977,1827)点的坐标得到d=1670mm (3-11)由式(3-8)选取K=0.950得到,a=0.39d=651mmc=0.6d=1000mm,代入(3-11)得到,b=1271mm。图3-9 连杆、摇臂、转斗油缸尺寸设计3.2.2.4 确定E和F点位置确定这两个点位置必须考虑一下四个要求:(1) E点不得与装载机的前轴发生碰撞,并且要使它与地面有足够小距离;(2) 插入工况时,使EF杆与GF杆尽可能垂直,以便获得更大的传动角和倍力系数;(3) 铲装工况时,EF杆与GF杆的夹角必须小于170,即传动角不能小于10,以免机构运动时发生自锁;(4) 高位卸载工况时,EF杆和GF杆之间的传动角也必须大于10。如图3-10所示,将铲斗去插入工况,以B点为圆心,以BE=c为半径画弧;人工初选E点,使其落在B点右下角的圆弧上;然后分别以E点和G点为中心,分别用FE=b和GF=a绘制半径的圆弧得到交点,即为F。图3-10 连杆端部铰接点设计3.2.2.5 确定转斗油缸与摇臂和机架的铰接点C和D(1) 确定C点从作用力的传递开始,可以肯定摇臂BC段长一些更加的好,这可以增加转斗油缸的推力并增加挖掘力。但是,如果BC部分延长,铲斗和摇臂之间的角度比将减小。因此初步设计时,一般取 BC(0.71.0)BE (3-12)点C通常位于点B左上角。BC与BE之间的角度为CBE=130180。另外请注意,当达到插入工况时,摇臂BC接近转斗油缸CD趋近垂直。C点运动不得干涉铲斗,其高度不得影响驾驶员的视野。在此确定BC=0.67BE=680mm,并且BC与BE之间的角度为CBE=130。(2) 确定D点如图3-10所示,当铰接点G、F(即F2)、E(即E2)、B、C(即C2)被确定之后,然后,铲斗分别在工况I、II、III、IV时的C点的位置C1、C2、C3、C4也就唯一的确定。当铲斗从工况II举升到工况III或工况IV时,下放到工况I的运动过程中,转斗油缸的长度始终保持不变,因此D点必须在C2点和C3 点连线的垂直平分线与C1和C4点连线的垂直平分线的交点上。最后,D点设计在A点的左下角。这样设计不仅会给装载机工作装置提供良好的平移性能,而且动臂在举升过程中,还可以降低举升外阻力矩。D点的固定坐标值为(3537,1885)。(3) 确定动臂举升油缸与动臂和车架铰接点H点及M动臂举升油缸布置在前轴和前后车架的铰接点之间的狭窄空间内。通过上述确定了装载机工作装置的每个铰接点的位置。在设计良好的外形前提下,基于UG软件绘图,本次设计中 ZL60装载机的各个工作状况如下图:图3-11 I 插入工况图3-12 II 铲装工况图3-13 III 最高位置工况图3-14 IV 高位卸载工况3.3 工作装置静力学分析3.3.1 外载荷确定原则在铲掘作业过程中,装载机通常具有以下三种受力工作状况:(1) 铲斗水平插入料堆中,工作装置油缸闭锁,此时可认为铲斗斗刃只受水平插入阻力的作用。(2) 铲斗水平插入料堆,翻转铲斗或举升动臂铲取物料时,认为铲斗斗齿只受垂直掘起阻力的作用。(3) 铲斗边插入边收斗或边插入边举臂进行铲掘时,认为铲斗斗齿受水平插入阻力与垂直掘起阻力的同时作用。如果将对称载荷和偏载情况分别与上述三种典型受力工况相组合,就可得到铲斗六种典型的受力作用工况,如图3-15所示。图3-15 工作装置外载荷工况3.3.2 铲斗形心的确定以C点为原点进行计算(1) 三角形形心的确定 由图可得 yC1=403mm xC1=888mm(2) 扇形形心的确定图3-16 扇形形心x=2/3 (3-13)式中, 用弧度表示,=0.72,r=525mm由此可得x=317mmx=xsin=287mm y=r-xc2cos65=403mm(3) 三角形ODB的形心确定图3-17 三角形ODB形心的确定y=175mm x=1088mm(4) 三角形OEB的形心确定OBD=25BC=y/sin12.5=808mmy= BCsin(65-15)=618mmx= BCcos50=519mm由以上各式该形心在x轴和Y轴上的坐标为x=888mm y=403mmx=287mm y=403mmx=913mm y=175mmx=519mm y=618mmDH=1.212m(5) 铲斗重心坐标为:根据几何关系有A=1/21.8391.212=1.11443mA=0.36R=0.31244m A=A=1/20.5251.127=0.2958m由此可得铲斗重心坐标为 X=A1x1-(A3x3+A4x4-A2x2)A1+A2-A3-A4 (3-14)代入数据得:X=785mm Y=A1y1-(A3y3+A4y4-A2y2)A1+A2-A3-A4 (3-15)代入数据得:Y=407mm 即铲斗形心坐标为(785,407)。(6) 铲斗在堆装状态下的物料重心 已知:C0(785,407) AD=1213mm MD=1481mm根据几何关系得三角形DNM重心坐标为(218,720),三角形ADM重心(506,839)。 堆装状态物料重心图3-18 铲斗的形心xc=A1x1+A2x2+A3x3A1+A2+A3代入数据得x=632mm同理可得y=516mm式中, A铲斗横断面面积;A的面积; A物料堆高面积。 x1,y1铲斗横断面形心坐标; x2,y2的形心坐标; x3,y3物料堆高形心坐标;由于(632,516)和铲斗形心坐标(785,407)接近,因此选物料和铲斗重心坐标为(710,460)。3.3.3 外载荷的计算(1) 插入阻力根据一般方法难以计算上述阻力,通常根据以下经验公式确定: Fx=9.8K1K2K3K4BL1.25 (N) (3-16)式中 K1 物料块度与松散程度系数,见附录附表1 K2 物料性质系数,见附录附表2 K3 料堆高度系数,见附录附表3 K4 铲斗形状系数,宽斗 B1.5 m K3=1.1 1.4; 小斗 B(0.51.3)m K4=1.61.8;取1.4 B 铲斗宽度,305cm L 铲斗一次插入深度,48cm(最大插入深度可取铲斗前壁长的0.60.7倍)得到: Fx=9.810.20.81.4305481.25=84591.3(N)(2) 掘起阻力铲斗开始举升时物料的剪切力按下式计算 FZ=2.2KBLC (N) (3-17)式中 K 开始举升铲斗时物料的剪切应力;此值是通过试验测定的,块度为0.10.3m的松散花岗岩,它的剪切应力平均值可取K=35000Pa。 B 铲斗宽度,m Lc 铲斗插入料堆的深度,m得到: Fz=2.2350003.050.48=112728(N)(3) 转斗阻力矩当铲斗翻转铲取物料时,在铲斗充分插入料堆转斗的最初时刻,转斗静阻力矩具有最大值,用Ma0表示,此时铲斗转角a=0;之后,当铲斗静阻力矩随着铲斗的翻转角a的变化而按双曲线特性变化(见图3-19),一直到铲斗前切削刃离开料堆坡面线为止(a=a)。开始铲取时(a=0)的静阻力矩Ma0为Ma0=1.1Fx0.4(x-14L)+y (3-18)式中 Fx 开始转斗时的插入阻力,165000N(取最大牵引力值) x 铲斗回转中心与斗刃的水平距离,1.3m y 铲斗回转中心与地面的垂直距离,0.3m L 铲斗的插入深度,0.48m Ma0=1.1Fx0.4(x-14L)+y =1.11650000.4(1.30.250.48)+0.3 =140118(Nm)图3-19 转斗静阻力矩与铲斗转角的关系掘起阻力矩Ma随着铲斗回转角a的增加而减小。当铲斗回转a角后,转斗阻力矩Ma为 Ma=Ma0(1-can) (3-19)式中n=lg(2Ma0-Mama0)lga3c=1(a)nMa0-MaMa0 a 铲斗离开料堆时的翻转角度 Ma 铲斗离开料堆时,由物料重力产生的阻力矩,Nm转斗阻力矩计算:开始转斗的阻力矩为 MZ=Ma+(Gm+GC)LC (3-20)式中 MZ 转斗阻力矩,Nm Ma0 开始转斗静阻力矩,140118Nm Gm 装载机额定载重量重力,6000 N Gc 铲斗自重力取铲斗底厚20mm,后臂和挡板厚20mm,侧板厚15mm根据铲斗各机构尺寸计算铲斗体积为:V=0.1804钢=7900Kg/m3GC=vg=14253(N) LG 铲斗中心至回转中心C的水平距离(图3-20),0.6m得到 MZ=Ma+(Gm+GC)LC=140118+(60000+14253)0.6 =184669.8(Nm)图3-20 作用在转斗连杆上力的确定作用在转斗连杆上的力FF:铲斗充分插入料堆后开始转斗时,作用在铲斗与铲斗连杆铰销上的力为FF(图3-20)。3.4 工作机构的受力分析与计算3.4.1 装载机的几种工况(1) 重载铲斗举升至最高位置;(2) 重载铲斗举升至最大水平幅度;(3) 联合铲装工况;3.4.2 联合铲装时的受力分析图3-21 铲斗受力分析(1) FF求解由图可知a=710mm b=1300mmc=650mm y=300mm 以G为支点,有力矩方程 Gm+Gc2a+Fsh2b+Fin2y=FFsin80c (3-21)代入数据得FF=461866NFF=FE(方向相反) (2) FG求解图3-22 G点的受力分析经过计算知F1E1水平,因此有FF与Fin/2方向一致。有 FG=(Fin2+FF)2+Fsh2+Gc+Gm22 (3-22)代入数据得FG=329037N =arctan(Fin/2+FFFsh2+Gc+Gm2) (3-23)代入数据得:=72(3) 分离摇杆,取B为支点,有力矩方程: FELBEsin3=FcLBCsin2 (3-24)由此可得Fc=FELBEsin3LBCsin2代入数据得Fc=600910N(4) 求解FB图3-23 FB的分解经过计算 FE与Fc夹角为23.8。根据几何关系有:FE2+FC2-2FEFCcos17.5=FB2可得FE=4618662+6009102-2230933461866cos156.2=1040331N(5) FE,FB夹角求解 =arccos(FE2+FB2-FC22FBFE) (3-25) 代入数数据得=arccos(4618662+10403312-600910221040331461866) =13(6) 分离动臂,以A为支点,有 FBLM+FHLAN=FGLAG (3-26)图3-24 动臂受力分析式中,A点到FB的作用线的距离 ; 点到的作用线的距离 ;点到的作用线的距离 ;经过计算得AG与水平线夹角为33.5,FG与水平线夹角为18,因此有FG与AG连线的夹角为51.5。所以有 LAQ=AGsin51.5=2512mm 由前面已求得FB与水平线的夹角为13,AB与水平线的夹角为7。 所以有FB与AB夹角为6。LAM=ABsin6=1969sin6=206mm根据同类型产品,取AH=800mm由(3-23)得,有 FH=FGFAQ-FBLAMLAN =3290372512-520165.5206800=968758N(7) 求解FA XA=FHcos33.5+FB2cos13-FGsin72 =968758cos33.5+520165.5cos13-329037sin72=1001734.5N YA=-(FHsin33.5+FB2sin13-FGcos72) =-(968758sin33.5+520165.5sin13-329037cos72) =-316003N 因此有FA=XA2+YA2FA=1050394N 那么FA与水平线夹角为 =arccos XA/YA (3-27) =45.43.4.3 工作机构主要零件的强度计算及液压缸的确定说明:对于装载机的每个工作机构,在计算装载机工作强度时应使用第四强度理论: =(n+)2+3k2s/n (3-28)工作初步计算 max=MW+FSs/n (3-29)式中,n为安全系数,n=1.82.3。(1) 动臂强度计算动臂可以看作是支撑在车架的A点和动臂油缸上铰接点H的双支点悬臂变截面曲梁,为简化计算,将动臂危险取为动臂油缸上H处截面。则max=MW+FSs/n取n=2。 W=BHA23 (3-30) S=2BH (3-31)M=FAsin42.5LANF= FAcos42.5=774431NBsHA2-FHA-6M=0 (3-32) 得 HAFF2+24BsM2Bs (3-33)式中,M=1050394sin42.50.8=567709Nm s屈服极限,MPa; 45钢s=353MPa; B钢板厚度,取B=40mm HA774431+7744312+240.0435356770910620.04353106519mm根据同类型产品,取HA=560mm(2) 转斗油缸的选择 F1=FC=600910N工作压力取 P=30MPa 直径的选择根据国家系列,P1推=603186N,P1拉=412334N 查表得,活塞杆直径d=90mm; 缸体内径D1=160mm。 行程的选择经过计算得其行程为:S=405mm;根据同类型产品,取S=600mm。根据经验公式L+SL=1.61.7 (3-34)代入数据得:L=8501000mm(3) 动臂油缸的选择 直径的选择F2=FH=968758N 工作压力取P=30MPa;根据同类型产品,取液压缸杆径D2=150mm 液压缸内径D3=220mm F=1140398N取S=750mm;根据经验公式(3-31),=1.6-1.7代入数据得:L=10711250mm 行程的选择经过计算以及根据同类型产品,所以行程取S=750mm。3.4.4 摇臂及连杆的计算(1) 经过讨论可知,摇臂的危险断面在B点所在截面,根据公式图3-25 危险校核max=MW+FB22W=BHB23S=2BHBM=FcLBC 代入数据得:M=204309NmF=Fcsin90 代入数据得:F=600910N 根据公式 B可得公式:
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