轮式装载机三维参数化造型设计及运动仿真【含三维图纸和说明书】
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西 南 交 通 大 学本科毕业设计(论文)装载机三维参数化造型设计3D parametric design of Loader年 级: 2004级机械6班学 号: 20030889姓 名: 王磊专 业: 机械电子工程指导老师: 肖世德2008年 6月 13日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第I页院 系 机械工程学院 专 业 机械电子工程 年 级 2004级机械6班 姓 名 王磊 题 目 装载机三维参数化造型设计 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第III页毕业设计(论文)任务书班 级 04机械6班 学生姓名 王磊 学 号 20030889 发题日期:2008年 3 月 10 日 完成日期:2008年 6 月 10 日题 目 装载机三维参数化造型设计 1、本论文的目的、意义装载机作为一种重要的工程机械,在公路、铁路等工程建设中应用广泛,但是目前我国装载机的技术和设计大部分都是沿用国外先进的技术和设计理念,因此进行装载机的设计研究具有深远的意义。良好的装载机可以加快工程建设速度,减轻劳动强度,提高工程质量,降低工程成本等,对其进行哪怕是微小的改动都有可能使装载机的技术性能得到巨大的改善。故本文在对轮式装载机有关部件进行理论分析的基础上应用SolidWorks2008对轮式装载机进行了3D设计。2、学生应完成的任务 1)背景资料研究及介绍; 2)熟悉solidworks软件的使用 3)利用三维软件完成装载机的各部分零件建模工作; 4)进行零件的组装,完成装载机实体建模工作; 5)制作三维工作动画状态; 6)毕业设计(论文)说明书; 7)毕业实习报告及专业文献翻译; 3、论文各部分内容及时间分配:(共 12 周)第一部分实习 (1周) 第二部分收集资料,完成总体设计 (3周) 第三部分 零件的绘制及组装 (4周)第四部分三维动态模拟 (2周) 第五部分 外文翻译及说明书 (2周)评阅及答辩 ( 周)备 注 指导教师: 年 月 日审 批 人: 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第VII页摘 要近年来,在国家宏观调控政策的影响下,我国工程机械产业进入加速增长阶段,呈现出前所未有的繁荣态势。工程机械装备已经成为我国国民经济发展的支柱产业之一。但是虽然我国工程机械行业的发展已经有了很好的基础,但是相比起国际先进的技术和设计水平来说还有相当大的差距。装载机是工程机械中的重要组成部分,目前我国自主开发装载机的能力还比较薄弱,很多关键技术还依赖于国外先进技术,因此加强对装载机研究和设计探讨有着深刻的意义。本文首先综述了国内外装载机技术研究的状况,提出未来装载机的外观造型及制造将更加美观和舒适。第二章主要对装载机的用途、分类和主要技术参数进行了介绍,并以轮式装载机为例介绍了装载机的工作工况,此部分是论文的基础。以轮式装载机为研究对象,第三章对轮式装载机工作装置、液压系统、行走系统和驾驶室这四个主体部分进行了具体设计,其中又以工作装置为重点,对铲斗、连杆系统做了详细的分析,利用有关的公式来计算铲斗断面形状和有关参数,并对连杆系统进行了机构分析,这部分是进行设计的理论基础。最后应用SolidWorks软件进行了轮式装载机的3D设计实现,其中对工作装置各部件、轮胎等进行了具体详细的设计实现,设计出了装载机的3D模型,对装载机的设计工作有一定的借鉴意义。关键词:轮式装载机 工作装置 SolidWorks 3D设计AbstractIn recent years, under the influence of Chinas macro adjustment and control policy, the construction machinery industry enters the stage of accelerated growth, showing a trend of unprecedented prosperity. Construction machinery and equipment has become one of the pillars for national economy development. Although there is a very good foundation of Chinas construction machinery industrys development, compared to the international advanced technology and design standards, there is still a large gap. The loader is the important component in the construction machinery. The ability that our country develops the loader independently is still weak at present, and many key technologies are still dependent on foreign advanced technology, so strengthen research and design of loader has a profound significance.This paper reviews the technical research of domestic and international loader, and proposes that the appearance model of the loader in the future will become more esthetic and more comfortable. The second Chapter has mainly made an introduction to use, classification and the main technical parameters of the loader, and takes wheel loader as an example to the introduction of the working operating mode of the loader. This part is a foundation of this thesis. Regard wheel loader as the research object, the third chapter has designed the Working device、Hydraulic System、Running system and Cab specifically. This part also focus on the Working device, makes detailed analysis to the Bucket and bar linkage system. This is part of the theoretical basis for the design. Finally, this thesis uses SolidWorks software to the wheel loader 3 D design, specifically to the working device components、tire, etc. This thesis design a 3 D model of the loader, and it has certain reference meanings in the design work of the loader.key words:Wheel Loader Working Device SolidWorks 3D Design目 录第1章 绪论11.1 选题背景11.2 装载机发展综述11.2.1 国外装载机技术发展概况11.2.2 国外装载机新技术现状及展望21.2.3 我国装载机新技术现状及展望31.2.4 国内轮式装载机发展趋势41.3 论文研究的主要内容5第2章 装载机概述62.1 装载机简介62.1.1 装载机的用途62.1.2 装载机的分类62.1.3 装载机的主要技术性能参数82.2 轮式装载机简介10第3章 轮式装载机主要部件设计123.1 轮式装载机工作装置的设计123.1.1 轮式装载机工作装置设计要求133.1.2 铲斗设计143.1.3 连杆系统设计203.2 液压系统设计273.2.1 液压系统的组成273.2.2 液压系统的类型283.2.3 工作装置液压系统293.2.4 转向液压系统303.3 行走系统设计303.3.1 车架313.3.2 车轮和轮胎333.4 驾驶室设计36第4章 轮式装载机3D造型设计实现394.1 SolidWorks简介394.2 工作装置设计实现404.2.1 铲斗设计实现404.2.2动臂设计实现424.2.3连杆设计实现434.2.4摇臂设计实现434.2.5 转斗油缸设计实现444.2.6 动臂油缸设计实现444.3 车体及其它部分设计484.3.1 方向盘设计484.3.2 轮胎设计484.3.3 车体设计494.4 渲染544.5 动画设计54第5章 结论56致 谢57参考文献58附录160附录262附录374 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第84页第1章 绪论1.1 选题背景装载机是一种用途十分广泛的工程机械,它主要用于对散状物料进行铲装运输卸载及平整作业。如果将其工作装置做相应的变化,还可以进行推土起重装卸等作业,广泛应用于建筑、公路、铁路、水电、港口、矿山、林业、国防等工程中,对加快工程建设速度、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。近几年来,无论在国内还是在国外,装载机的品种和产量部得到了迅猛发展,已成为工程机械主导产品之一。起源于美国的轮式装载机已从一种简单的装料设备发展成为多用途的工程机械。半个多世纪以来,它的技术不断进步,工作性能不断提高,应用范围也越来越广泛。因此,它在对于减轻人类劳动强度,加快工程进度,提高工作质量等方面起到了举足轻重的作用。可以预见,在今后的几十年里,装载机在国内外仍然会得到快速的发展,它仍是工程机械大家族中的一位重要成员。1.2 装载机发展综述1.2.1 国外装载机技术发展概况装载机,特别是轮式装载机用途非常广泛,几乎遍及各地域的建设部门,自20世纪20年代问世以来发展非常迅速,先后出现过四次根本性的技术进步。第一次是20世纪30年代出现了四轮驱动的轮胎装载机,体现了装载机的灵活机动性;第二次是20世纪40年代出现了柴油机代替汽油机,液压操作代替钢丝绳的机械操纵,使装载机可靠性及操纵性能大大改善;第三次是20世纪50年代出现了有液力变矩器的液力机械传动代替机械传动,从根本上解决了铲掘阻力大时发动机经常熄火的问题;第四次是20世纪60年代出现了铰接式装载机,使转弯半径大大缩小,体现了装载机的灵活机动性,同时稳定性也大为提高1。至此,现代装载机的基本结构,包括以柴油机为动力、液力传动、动力换挡、轮胎式四轮驱动、铰接式动力转向、作业装置液压操纵等已全部形成。到二十世纪七八十年代,美、日等各主要制造企业在装载机的可靠性、舒适性、安全性、降低能耗及提高作业效率等方面作了大量工作。特别是美国卡特彼勒公司等,其装载机的可靠性在这个时期已完全过关,一般情况下3年以内基本上没有什么故障。装载机开始向高技术、大型化方向发展,出现了一些新技术、新结构,如卡特彼勒988B、992C,克拉克公司475B、675等大型轮式装载机出现了可变能容的变矩器等新技术,其铲斗容量达16 m3以上,同时出现了代替普通仪表的电子监控器等新技术226。从20世纪90年代到现在,以美国卡特彼勒、日本小松为代表的世界最先进的装载机,广泛应用机电一体化及微电子技术,操纵实现了自动或半自动化,节能降耗,舒适高效,外观造型及外形制造达到了完美的程度,可以跟轿车媲美。产品的规格向大型化及微型化两头延伸,多用途及全液压驱动机型也得到了广泛发展3。1.2.2 国外装载机新技术现状及展望 1电子技术在装载机上的应用目前国外装载机新技术发展的一个显著特点是从最初的电子监控逐步发展到系统的电子控制,并已得到较为广泛的应用,比如柴油机的电子喷射燃烧系统、变速操纵的电脑集成控制系统等4。到目前已经发展到了利用体积很小的大规模集成电路、微处理器为核心,对装载机主要操纵控制系统如传动、转向、作业操纵等进行集成电子控制的装载机集成控制系统。目前世界上已出现了装载机卫星定位(GPS)电子控制系统,使作业装置定位快速、稳定、精确,极大地提高了多机联合作业的工作效率。在装载机上还可安装先进的卫星通讯与控制装置,对装载机进行全方位的信息管理。此外在地下矿井恶劣的施工条件下已出现了无人驾驶的遥控装载机。2静液压技术在装载机上的应用国外装载机最新技术发展的另一个显著特点是静液压驱动得到越来越普遍的应用,其传动效率比液力机械驱动高出十几个百分点。近年来世界上各主要装载机制造企业的发动机功率在70kW以下的小型装载机基本上都采用了静液压驱动。采用了静液压驱动后泵与马达基本上都是变量的,且泵的出油方向可变,不但传动效率高,而且还可非常方便地实现电液变速操纵的电子控制,与动力分配很好地配合,保证在各种速度下得到尽可能大的牵引力,达到最佳的高效节能效果,同时还可采用液压制动。静液压制动理论上是无磨损的,因而减少了制动系统的维护保养,提高了制动的可靠性。采用静液压传动后整机布置也发生了变化,驱动马达通过一个简单的传动箱固定在后桥上,传动箱另一端用传动轴与前桥相连,发动机横置。图1-1为卡特彼勒公司的906小型静液压传动装载机,由于发动机横置、后悬非常短且为大斜角,驾驶员的后视野非常好,提高了机动灵活性及作业效率425。图1-14 CAT906静液压传动装载机3新系统、新结构近年来,世界上一些主要装载机制造企业如卡特彼勒、小松、瑞典沃尔沃都出现了一些新结构,驾驶室内的乘座、操纵等都完全按人机工程学精心设计制造,使驾驶室视野开阔,舒适性达到了较完美的程度4。驾驶室连同发动机罩等整个外观都按美学精心设计制造,令人赏心悦目。同时,后罩设计成大倾角、整体式、可翻转,既美观又极其方便维护保养,且后视野良好。传动系统方面,变速器普遍采用了电液换挡,极方便地实现电子控制。普遍采用了带内藏湿式多片式制动器的驱动桥,加上全液压制动系统,大大改善并提高了制动性能,减少了制动系统的维护保养,且大大延长了制动器的使用寿命。同时驱动桥可由用户选择配带防滑差速器,提高恶劣条件下的通过性及作业性能24。国外先进的装载机基本上都采用了负荷传感转向系统,中大型为流量放大负荷传感型。这种先进的转向系统使整机获得最佳动力性及燃油经济性,在同样作业效率下比不带负荷传感器的转向系统减少燃料消耗8%以上。1.2.3 我国装载机新技术现状及展望目前,国内各生产厂家没有自己的拳头产品,没有自身的关键技术及强有力的技术创新队伍,主导产品挡次低,企业负担重,生产成本高。具体如下13t以下装载机3t以下产品主要以ZL10、ZL15、ZL16为代表,还有一些利用拖拉机改装的装载机,主要与日益增多的农用运输车辆配套使用。主要零部件均采用一般性能及质量的发动机、驱动桥、变速箱、液压件。技术较先进的静液压传动产品,液压件国内不易配套,产品成本居高不下,制约了该类产品在国内的发展。2ZL30装载机ZL30装载机主要生产厂家有成工、常林、徐工、宜工、山工等。该产品零部件配置较零乱,生产厂家具有自制的桥箱,风格各具特色,质量及性能上相对稳定,技术先进性一般。徐工最近开发的ZL30F装载机,采用电控换挡变速箱,使3t级装载机技术有了新的突破。3ZL40/ZL50装载机主要装载机生产厂家均拥有该产品。第一代产品十年来延续至今,全国几乎使用同一套图纸,有些技术力量薄弱的厂家,仍把其当作主导产品推向市场。第二、三代产品主要是对工作装置进行优化,改变外观造型。如柳工ZL40B/ZL50C、徐工ZL40E/ZL50E。第四代产品是在第三代的基础上,进一步优化整机的性能及配置,电控箱、湿式制动器等新技术得到应用,并形成了各企业的专有技术及专利技术,使产品以崭新的面貌推向市场。4ZL60及6t以上装载机6t以及6t以上的装载机,这是国内潜在市场最大的产品,1998年以前大多数生产厂家均开发了ZL60装载机,但由于受传动件的制约,ZL60装载机没能成功的推向市场。在1999年北京国际工程机械博览会上,各厂家推出了新一代ZL60装载机,多数厂家选择柳州ZF合资生产的箱或桥,液压元件也有新配置,发动机可选用斯太尔或上柴6121(Cat3306),整机可靠性得到很大提高,给国内大吨位装载机带来发展机遇527。1.2.4 国内轮式装载机发展趋势国产轮式装载机正在从低水平、低质量、低价位、满足功能型向高水平、高质量、中价位、经济实用型过渡。从仿制仿造向自主开发过渡,各主要生产厂家不断进行技术投入,采用不同的技术路线,在关键部件及系统上技术创新,摆脱了产品设计雷同、无自己特色和优势的现状,从低水平的无序竞争的怪圈中脱颖而出,成为装载机行业的领先者4。1大型和小型轮式装载机,在近几年的发展过程中,受到客观条件及市场总需求的限制。竞争最为激烈的中型装载机更新速度将越来越快。2根据各生产厂家的实际情况,重新进行总体设计,优化各项性能指标,强化结构件的强度及刚度,使整机可靠性得到大步提高。3细化系统机构。如动力系统的减振、散热系统的结构优化、工作装置的性能指标优化及各铰点的防尘、工业造型设计等。4利用电子技术及负荷传感器技术来实现变速箱的自动换挡及液压变量系统的应用,提高效率、节约能源、降低装载机的作业成本。5提高安全性、舒适性。驾驶室逐步具备FOPS&ROPS功能,驾驶室内环境将向汽车方向靠拢,方向盘、座椅、各操纵手柄都能调节,使操作者处于最佳位置操作。6降低噪声和排放,强化环保指标。随着人们环保意识的增强,降低装载机的噪声和排放的工作已经迫在眉睫,工厂建设机械若不符合排放标准,将要被限制在该地区销售。7广泛利用新材料、新工艺、新技术,特别是机、电、液一体化技术,提高产品的寿命和可靠性。8最大限度地简化维修,尽量减少保养次数和维修时间,增大维修空间,普遍采用电子监视及监控技术,进一步改善故障诊断系统,提供司机排除问方法。总之,我国装载机将进一步向微电子技术方向发展,外观造型及制造将更加美观,但在技术质量上即可靠性方面还未得到根本解决。因此各制造企业在采用、发展先进技术的同时应花大力气迅速、彻底地解决可靠性问题,这样才能在加入WTO后与国外大公司先进产品进行竞争,才能使我国装载机大批量进入国际市场。1.3 论文研究的主要内容随着我国加入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。方便的装载机械能够为企业、工厂、工程节省大量的人力物力,装载机的优良设计和不断改进成为装载机机械设计研究人员和工厂所关注的课题。本文主要研究的内容有:第1章:综述国内外装载机技术状况,提出本文研究的目的和意义。第2章:简单介绍了装载机的功能、分类和主要技术参数,并简绍了轮式装载机的工作工况。第3章:对轮式装载机的工作装置、液压系统、行走系统和驾驶室这四个主要部件进行分析和设计。第4章:应用SolidWorks 2008软件对装载机进行了3D设计。第5章:对结论的总结和未来的工作展望。第2章 装载机概述2.1 装载机简介工程机械是工程施工所用的机械设备的统称,广泛用于建筑工程、道路交通、矿山等行业,因此也称为建设机械。工程机械大致可分为:挖掘机械,铲土运输机械,工程起重机械,机动工业车辆,压实机械,路面机械,桩工机械,混凝土机械,钢筋加工机械,军用工程机械,凿岩机械与气动工具等类型6。随着工程项目逐渐向高难度、高空间、大规模、快进度等方面发展,越来越多的工程施工离不开工程机械的参与。装载机是工程机械中的一大种类,主要用于土石方施工,属于铲土运输类机械。2.1.1 装载机的用途装载机是通过安装在前端一个完整的铲斗支承结构和连杆,随机器向前运动进行装载或挖掘,以及提升、运输和卸载的自行式履带或轮胎机械7。装载机的用途很多,适用面广,主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料,也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。在道路,特别是在高等级公路施工中,装载机用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重以及其他物料如木材的装卸作业等。装载机的作业对象主要是:各种土壤、砂石料、灰料以及其他筑路用散料物料等。正是由于装载机的用途广,以及具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点,因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一,对于减轻劳动强度,加快工程建设速度,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一8。2.1.2 装载机的分类装载机一般按一下特点来分类:1按行走装置不同分类按行走装置不同可以分为轮胎式和履带式两种。由于国产履带式装载机多是在推土机基础上形成及国外使用和生产的绝大多数是轮胎式装载机,又因为这两类装载机除行走装置不同外,其他系统和构造大体相似,所以本论文以讲述轮胎式装载机为主。2按使用场合不同分类按使用场合不同分为露天用装载机和井下用装载机(铲运机)。铲运机结构简单。国内外生产和使用的装载机绝大多数是露天的轮式装载机,井下用铲运机是根据井下巷道的工作条件,对发动机的排污和消声,整机高度和工作装置以及驾驶操作系统的布置等提出特殊要求后,在露天用装载机基础上变型设计而成的。3按传动形式不同分类按传动形式不同可以分为机械传动、液力机械传动、液压传动和电传动四种。(1)机械传动 在国内仅用于斗容量为0.5m3以下的装载机,它一般直接采用汽车或拖拉机的传动装置,即离合器和变速器。具有低成本、传动效率高、可拖动、维修方便等优点。主要缺点是操纵复杂且费力,离合器和变速箱寿命较低。(2)液力机械传动 它是轮式装载机的主要传动形式。这是因为液力机械传动取消了机械传动中的离合器而换用液力变矩器,取消了人力换挡变速箱而换用了动力换挡变速箱。这样变矩器能吸收在作业时传给传动系统的冲击和震动,故能平稳地插入料堆,并可随外界载荷变化自动调速,不会因为超载而使发动机熄火,而且可在不停车情况下进行换挡,操纵轻便,工作可靠性高。主要缺点是功率损失较大,传动效率较低,成本较高,结构复杂,维修不便。大中型装载机都采用液力机械传动。轮式装载机的液力变矩器有一下四种:a.一级三元件液力变矩器;b.双涡轮液力变矩器;c.变量双泵轮液力变矩器;d.双导轮液力变矩器。我国液力机械传动轮式装载机的生产已形成一个系列,定型生产斗容量为0.53.5m3的装载机,其额定载重量为17t。即ZL10型、ZL15型、ZL29型、ZL25型、ZL30型、ZL40型、ZL45型、ZL50型、ZL70型、ZL1600型、等10余种机型,20余个变型产品。(3)液压传动 用柴油机带动液压泵产生高压油,并通过控制系统和油管带动液压马达使车轮转动。这种传动方式省去了一系列的零件,简化了传动系统,使整机质量减轻,并可在一定范围内实现无级调速,使传动更加平稳,但他的启动性差,性能良好的液压元件昂贵,寿命也较低,故在装载机中的使用受到限制,目前只用在小型装载机上。但随着液压技术的发展,液压元件质量不断提高和成本不断降低,液压传动将会越来越多地在中小型装载机上使用。(4)电传动 由柴油机驱动交流发电机发电,以此来驱动装在车轮上的直流电动机,然后通过轮边减速带动车轮转动,这样也省去了一系列传动零件,可实现无级调速。这种传动检查方便,维修简单,工作可靠。缺点是电机设备质量大,费用高,目前只在大型装载机上使用这种传动形式。 此外,国内还有采用变矩离合器传动的形式。这种形式目前只在DC10型装载机上采用,它的动力传动系统是由变矩器、干式离合器和手动滑移齿轮式变速器所组成。4按装载方式不同分类 按装载方式不同分为前卸式、后卸式、侧卸式和回转式。轮式转载机基本上都是前卸式。5按转向方式不同分类按转向方式不同可分为整体式和铰链式。前者利用偏转后轮或前轮转向,或者同时偏转前后轮,后者采用铰接车架,利用前后车架之间的相对偏差进行转向。国产ZL系列轮式装载机绝大多数采用铰接式结构。2.1.3 装载机的主要技术性能参数装载机的主要技术性能参数有铲斗容量、额定载重量、发动机额定功率、整机质量、最大行驶速度、最小转弯半径、最大牵引力、最大掘起力、最大卸载高度、卸载距离、工作装置动作三项和等。1铲斗容量 一般指铲斗的额定容量,为铲斗平装容量与堆尖部分体积之和,用“m3”来表示。2额定载重量指在保证装载机稳定工作的前提下,铲斗的最大载重量,单位为“kg”。3发动机额定功率发动机额定功率又称发动机标定功率或总功率,是表明装载机作业能力的一项重要参数。发动机功率分为有效功率与总功率,有效功率是指在和746mmHg压力情况下,在发动机飞轮上实有的功率(也称飞轮功率)。国产装载机上所标的功率一般指总功率,即包括发动机有效功率和风扇、燃油泵、润滑油泵、滤清器等辅助设备所消耗的功率。单位为“KW”。4整机质量(工作质量)指装载机装备应有的工作装置和随机工具,加足燃油、润滑系统、液压系统和冷却系统都加足液体,并且带有规定形式和尺寸的空载铲斗和司机标定质量(75Kg3Kg)时的主机质量。它关系到装载机使用的经济性、可靠性和附着性能,单位为“Kg”。5最大行驶速度指铲斗空载,装载机行驶于坚硬的水平面上,前进和后退各档能达到的最大速度,它影响装载机的生产率和安排施工方案,单位为“”。6最小转弯半径指自轮胎中心或后轮外侧或铲斗外侧所构成的弧线至回转中心的距离,单位为“mm”。7最大牵引力指装载机驱动轮缘上所产生的推动车轮前进的作用力。装载机的附着质量越大,则可能产生的最大牵引力就越大,单位为“kN”。8最大掘起力指铲斗切削刃的底面水平并高于底部基准面20mm时,操纵提升液压缸或转斗液压缸在铲斗切削刃最前面一点向后100mm处产生的最大向上铅垂力。单位为“kN”。9最大装卸高度指动臂处于最该位置,铲斗装卸角为45时,从地面到斗刃最低点之间的垂直距离,单位为“mm”。10卸载距离一般指在最大卸载高度时,从装载机本体最前面一点(包括轮胎和车架)到斗刃之间的水平距离,单位为“mm”。11工作装置三项和指铲斗提升、下降、卸载三项时间的总和,单位为“s” 8 23。图2.1为CXX955-G轮式装载机外形,表2.1为其主要技术参数9。表2.1 CXX955-G主要技术参数项目单位参数项目单位参数 铲斗容量m33.8行走速度 额定载荷 t45%档km/h0-11 整机操作重量 t16.5档km/h0-35 长宽高mm798029903344倒档km/h0-15 轴距 mm2810最大爬坡能力28 轮距 mm2240轮胎规格23.5-25 卸载高度 mm3400发动机型号D6114ZGB 卸载距离 mm1580额定功率/额定转速kw/r/min160/2200 动臂提升时间 s7车桥加强桥 三项和时间 s13图2.1 CXX955-G轮式装载机外形2.2 轮式装载机简介轮胎式装载机简称为轮式装载机,根据使用场合分为两类,即在露天装载作业时使用的前端轮式装载机和主要用于地下矿物开采作业的井下铲运机。一般由车架、工作装置、动力装置、行走装置、传动系统、转向系统、制动系统和液压系统等组成。如图2.2所示为前端式轮式装载机的基本组成:图2.2 轮式装载机结构示意图轮式装载机是一种铲、装、运、卸一体化的自行式设备,它的工作过程由六种工况组成:1插入工况动臂下放,铲斗放置于地面,斗尖触地,斗底板与地面呈35倾角,开动装载机,铲斗借助机器的牵引力插入料堆。2铲装工况铲斗插入料堆后,转动铲斗铲取物料,待铲斗口翻至近似水平为止。3重载运输工况铲斗铲满物料后举升动臂,将铲斗举升至运输位置,然后驱动机器驶向装卸点。4举升工况保持转斗缸长度不变,操作举升缸,将动臂升至上限位置,准备卸载。5卸载工况在装卸点,在举升工况下操作转斗缸翻转铲斗,向溜井仓或运输车辆中装卸,铲斗物流装卸后下放动臂,使铲斗恢复至运输位置。6空载运输工况卸载结束后,装载机再由装卸点空载返回装载点。第3章 轮式装载机主要部件设计3.1 轮式装载机工作装置的设计轮式装载机的工作装置主要由铲斗和支持铲斗进行装载作业的连杆系统组成,依靠这套装置装载机可以对汽车、火车进行散料装载作业,也可以对散料进行短途运输作业,还可以进行平地修路作业。把铲斗更换成专门的装置,还可以进行其他装载作业。装载机工作装置的结构和性能直接影响整机的工作尺寸和性能系数,因此,工作装置的合理性直接影响装载机的生产效率、工作负荷、动力与运动特性、不同工况下的作业效果、工作循环的时间、外形尺寸和发动机功率等。轮式装载机工作装置由多种形式,根据杆数和运动特征可分为正转四杆、正转五杆、正转六杆、反转六杆、正转八杆等类型。下图3.1表示反转六杆工作机构的组成8。1铲斗; 2连杆;3摇臂; 4动臂图3.1 装载机工作装置组成一般来说装载机的工作装置由铲斗、动臂、连杆、摇臂和转斗油缸、动臂油缸等组成。工作装置铰接在车架上,铲斗通过连杆、摇臂与转斗液压缸铰接,用以装卸物料。动臂与车架以及动臂液压缸铰接,用以升降铲斗。铲斗的翻转和动臂的升降采用液压操纵。装载机工作装置的循环作业过程如图3.2所示10:地面铲掘工况一地面收斗工况一运输工况一动臂举升过程一上限收斗工况一上限卸料工况一动臂下降一铲斗自动放平至地面铲掘工况,并为下一循环作业过程准备。图3.2 装载机工作装置作业过程3.1.1 轮式装载机工作装置设计要求根据轮式装载机的作业特点,其工作装置的设计应该满则以下要求。1基本要求所设计的装载机应具有较强的作业能力,铲斗插入料堆的阻力要小,在料堆中的铲掘的能力大,能耗小。工作机构的各杆受力状态良好,强度寿命合理。结构和工作尺寸适应生产条件需要,效率高。结构紧凑,制造以及维修容易,操作使用方便。2特殊要求(1)由于铲斗宽度和容积都比较大,所以铲装阻力大,装满系数小,因此,设计时应合理选取铲斗的结构和尺寸,以减小工作阻力,达到装满卸净、运输平稳。(2)铲斗由运输工况升到最高装卸位置的过程中,为避免铲斗中物流撒出,要求铲斗做“平移”运动。严格要求铲斗举升平移是很难的,它给设计工作带来很多麻烦,并将急剧降低工作装置的其他性能。从不易撒料这一目的出发,绝对平动并无必要,主要把铲斗举升时的倾角变化限制在一定许可范围之内即可。因为铲斗堆装时,物流堆角为1:2左右,即倾角为27左右,而松散物料的自然安息角平均在40左右,所以举升过程中,铲斗口的倾角不大于40-27=13时便可减少撒料,。设计时,一般控制在10以内为好。(3)保证必要的卸载角、卸载高度和卸载距离。轮式装载机要求铲斗在从运输工况至最高位置之间的任一高度都能卸载干净,为此,铲斗各瞬时的卸载角(铲斗斗底对地面的前倾角)均需不小于45.铲斗在最高位置卸载时,最大卸载高度(铲斗尖离地高度)和卸载距离L,必须与配套的载重起初车厢尺寸相适应,或遵照设计任务书规定。(4)铲斗能自动放平。铲斗在最高位置卸载后,闭锁转斗油缸,下放动臂,铲斗能自动变成插入工况(开始插入状态)的功能称为“铲斗自动放平”。它对定点高度卸载很有意义。因为汽车就在装载机旁边,若卸载后,与下放动臂同时,装载机驶向装载点,当到达装载点的时,铲斗刚好呈开始插入状态,即可开始新的装、运、卸工作循环。如此,能省去两次操作(铲斗由卸载工况-运输工程-插入工况),既提高了装载工作效率,又减轻了司机的劳动强度。(5)轮式装载机的工作机构属于连杆机构,设计中要特变注意防止各个工况出现构件相互干扰、“死点”、“自锁”和“机构撕裂”等现象;各处传动角不得小于10;在满足综合工作性能的前提下,尽可能增大机构的倍力系数。(6)应尽量减小工作机构的前悬(即工作机构重心至整机重心的距离)、长度和高度,以提高装载机在各种工况下的稳定性和司机的视野。3在作业过程中,轮式装载机的工作装置应能保证以下几点:(1)当动臂出于某种作业位置不动时,在转斗油缸作用下,通过连杆机构使铲斗绕其铰接点转动。(2)当转斗油缸闭锁,动臂在动臂油缸作用下提升或下降铲斗过程中,连杆机构应能使铲斗在提升时保持平移,或斗底平面与地面的夹角变化控制在很小的范围,以免装满物料的铲斗由于倾斜而使物料撒落。(3)在动臂下降时,能自动将铲斗放平,以减轻驾驶员的劳动强度,提高生产率10 19。3.1.2 铲斗设计工作装置使装载机的执行机构之一,铲斗是这个执行机构的执行构件,它是工作装置的重要部件。铲斗直接与物料接触,是装、运、卸的工具。工作时,它被推压插入物料堆铲取物料,工作条件恶劣,要承受很大的冲击力和剧烈的磨损,因此铲斗的设计质量对装载机的作业能力有较大影响。为了保证铲斗的设计质量,首先应当合理确定铲斗的结构和几何形状,以降低铲斗插入物料的阻力。其次要保证铲斗具有足够的强度、刚度、耐磨性,使其具有合理的使用寿命8。3.1.2.1 铲斗的结构形式轮式装置的铲斗断面形状一般为“U”形,用钢板焊接而成。常见铲斗结构如图3.3所示8:a)直线形斗刃铲斗b)V形斗刃铲斗c)直线形带齿铲斗d)弧形带齿铲斗图3.3 常见铲斗结构1防溢板;2连接耳;3斗后臂;4斗前臂;5斗侧臂6切削刀;7斗齿; 8斗侧刃 图3.4 轮式装载机铲斗结构铲斗由斗底、侧壁、斗齿及后壁等部分组成,如图3.4所示1斗体形状从整个斗体形状来看,铲斗基本可分成“浅底”和“深底”两种类型。在斗容量相同情况下,前者开口尺寸较大,斗底深度较小,即斗前壁较短,而后者刚好相反。浅底铲斗插入料堆的深度小,相应的插入阻力也小,容易装满,但运输行驶时容易撒料;由于前悬增大,影响车辆行驶平稳性。而深底铲斗恰恰相反。相比之下,定点装载使用浅底铲斗,而运输距离较大者采用深底铲斗较为合适。斗体常用低碳、耐磨、高强度钢板焊接制成。2切削刃的形状根据装载物料不同,切削刃有直线形和非直线形两种。前者形式简单,有利于铲平地面,但铲装阻力较大。后者有有V形和弧形等,由于这种刃中间突出,铲斗插入料堆时可使插入力集中作用在斗刃的中间部分。所以插入阻力较小,容易插入料堆并有利于减少偏载插入,但铲斗装满系数比前者小。矿用轮式装载机工作条件恶劣,任务繁重,插入和掘起阻力都很大,偏载工况对机构的强度影响严重,所以多选用非直线形切削刀,并以V形切削刀为佳。斗刃材料是既耐磨又耐冲击的中猛合金刚材料,侧切削刃加强角板都用高度耐磨钢材料制成。3斗齿铲斗斗刃上可以有斗齿,也可以没有斗齿。若斗刃上装有斗齿时,斗齿将先于切削刃插入料堆,由于它比压大(即单位长度插入力大),所以比不带齿的切削刃易于插入料堆,插入阻力能减小20%左右,特别是对料堆比较密实、大块较大的情况,效果尤为显著,因此一般矿用轮式装载机的铲斗均带斗齿。斗齿机构分整体式和分体式两种,一般斗齿是用高锰钢制成的整体式,用螺栓固定在铲斗斗刃上,中小型装载机多采用这种形式。为便于斗齿磨损后更换和节约斗齿金属,也有使用双段斗齿。大型装载机由于作业条件差,斗齿磨损严重,故常采用双段斗齿。斗齿的形状和间距对切削阻力是有影响的。一般中型装载机铲斗的斗齿间距为250300mm左右,太大时由于切削刃将直接参与插入工作,使阻力增大,太小时,齿间易卡住石块,也将增大工作阻力。长而窄的齿比短而宽的齿插入阻力小,但太窄又容易损坏,所以齿宽以每厘米长载荷不大于500600kg为宜。图3.5为工程机械市场中使用的几种斗齿。图3.5 市场中常见的几种斗齿4铲斗侧刃因为侧刃参与插入工作,为减小插入阻力,侧壁前刃应与斗前壁成锐角,弧线或折线侧刃铲斗的插入阻力比直线形侧刃要小,但具有弧线或折线形侧刃铲斗的侧壁较浅,物料易从两侧撒落,影响铲斗的装满。为了不是斗容减小太多,一般可将连接前后斗壁的侧壁刃口设计成弧形。5斗底斗前壁与斗后壁用圆弧衔接,构成弧形斗底。为了使物料在斗中有很好的流动性,斗底圆弧半径不宜太小,前后壁夹角(铲斗开口角或张开角)不应小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,则摩擦角,所以张开角必须大于44 。3.1.2.2 铲斗的分类铲斗按装卸方式一般分为整体前卸式、侧卸式、推卸式和底卸式等数种。1整体前卸式铲斗在使用整体前卸式铲斗卸料时,要在转斗油缸作用下绕与动臂相连的销轴向前翻转一个角度,使斗底板与水平面间的夹角大于物料的自然堆角。图3.6表示了它的卸载工况。1举升油缸;2铲斗;3转斗油缸;4动臂;图3.6 整体前卸式铲斗卸载工况整体前卸式铲斗的突出优点式结构简单,工作可靠,有效装载容积大,但需要有较大的卸载角才能将物 料卸净。通常情况下,绝大多数前端式装载机都使用这种铲斗。2侧卸式铲斗侧卸式铲斗经过转斗油缸和两个销轴与托架铰接成一个整体,也可以往机器前方卸料。当如果需要往机器一侧卸料时,可以拔去一个侧销,通过转斗油缸动作来卸料。这种铲斗没有侧板,插入阻力小,装载效率高,特别是在装载机用于填沟或在狭窄地往侧旁的运输设备进行装载作业时,其优点更加显著。3推卸式铲斗推卸式铲斗结构可以弥补整体前卸式铲斗卸载高度的不足,在装载机其他尺寸参数相同情况下,能够显著地提高卸载高度和增加卸载距离。可用图3.7表示1斗底板;2,3推板;4铲斗油缸;5滚子;6推板后筋板图3.7 推卸式铲斗1,4,7铰销;2固定部分;3活动部分;
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