某型装载机工作机构设计
购买设计请充值后下载,资源目录下的文件所见即所得,都可以点开预览,资料完整,充值下载可得到资源目录里的所有文件。【注】:dwg后缀为CAD图纸,doc,docx为WORD文档,原稿无水印,可编辑。具体请见文件预览,有不明白之处,可咨询QQ:12401814
南昌航空大学科技学院学士学位论文某型装载机工作机构设计学生姓名:朱晨宇 班级:088105438 指导老师:贺红林 摘要:装载机属于铲土运输机械类,是一种通过安装在前端一个完整的铲斗支撑结构和连杆,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机械。它广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口和矿山等工程建设。装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点,因此成为工程建设中土石方施工的主要机种之一,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。 这次设计先介绍了装载机的工作机构利用AUTOCAD2007对装载机的工作机构进行了初步设计,然后对这种轮式装载机工作机构进行了总体设计到零部件设计。主要包括轮式装载机工作机构的关键零部件,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,以验证设计合理性。 关键词: 装载机; 机械化; 工作装置; 指导老师签名:I毕业设计(论文)任务书I、毕业设计(论文)题目:某型装载机工作机构设计II、毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求装载机是一种重要的工程机械既,即可用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料,也也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业,其基本工作动作:将铲斗插入物料,向后翻转铲斗, 保持载荷,提升物料到一定高度,将物料运输到卸荷地点、卸料, 然后回到装料处,如此循环往复。装载机上用来操控铲斗的部分称为工作机构,工作机构性能的好坏对装载机性能影响很大。本课题拟在对工作机构进行分析的基础上,对工作机构的组成部件进行设型,进而绘制工作机构的装配图及其零件工作图等。工作机构的主要设计参数如下:(1)最大铲取力:最大铲取力: ;(2)铲斗臂的最大举升力:;(3)铲斗额定斗容:;(4)最大卸载高度:; =1.1x11704.1x0.4x(1.15-1/3x0.825)+0.3 =8368.43(公斤米))(5)最大卸载距离:。III、毕 业设计(论文)工作内容及完成时间:(1)查阅相关资料,外文资料翻译(6000字符以上),撰写开题报告 01 - 04周(3)工作机构运动的方案拟定 05 - 06周(4)工作机构总体设计与计算 07 - 08周(5)工作机构的装配图设计 09 - 10周(6)工作机构部分零件工作图设计 11 - 12周(7)撰写毕业论文 13 - 15周(8)毕业设计审查、毕业答辩 16 - 17周 、主 要参考资料:1 李健成等. 矿山机械(装载机部分)M. 北京:冶金工业出版社, 19812 徐灏等. 机械设计手册(第5卷)M. 北京:机械工业出版社,20033 何正忠. 装载机M. 北京:冶金工业出版社, 1999 4 长沙矿山研究所露天装载机组.露天装载机M. 北京:机械工业出版社, 19745 于硕,闫涵. 装载机工作装置机构分析J. CADCAM与制造业信息化,2002(12)6 祝海林,周燕萍,李海宁等. 高卸位装载机工作机构尺寸优化J. 工程机械, 2008( 01)7 王国彪,曹旭阳,迟峰. 高卸型装载机工作装置的定制设计J,建筑机械, 2003,(04) .8 Shiegru Sarata, Niriho Kiyachi. Measuring and update of shape of pile for loadingJ. The OPERATION BY WHEEL LOADER25th International Symposium on Automation and Robotics in Construction, June 26-28,20089 Sanjiv Singh, Howard Cannon. Multi-resolution planning for earthmoving. In Proceedings Automation, May 1998, Leuven, BelgiumInternational Conference on Robotics and Automation, May 1998, Leuven, Belgium. 航空工程 系 机械设计制造及其自动化 专业类 0881054 班学生(签名): 日期:自 2012年 月 日至 2012年 月 日指导教师(签名): 助理指导教师(并指出所负责的部分): 系(室) 主任(签名): 附注:任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。学士学位论文原创性声明本人声明,所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期:学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名: 日期:导师签名: 日期:毕业设计(外文)翻译 题目: 某型装载机工作机构设计 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 088105438 学 生 姓 名 朱晨宇 指 导 教 师 贺红林 二O一二年 六 月 毕业设计题目: 某型装载机的工作机构的设计 系 别 航空与机械工程系专业名称 机械设计制造及其自动化班级学号 088105438学生姓名 朱晨宇指导教师 贺红林 2012年 6 月 毕业设计(论文)开题报告题目 某型装载机工作机构设计专 业 名 称 机械设计制造及其自动化班 级 学 号 088105438学 生 姓 名 朱 晨 宇指 导 教 师 贺 红 林填表日期:2 0 1 2 年 2 月 21 日一、选题的依据及意义:装载机属于铲土运输机械类,是一种通过安装在前端一个完整的铲斗支撑结构和连杆,随机器向前运动进行装载和挖掘,以及提升,运输和卸载的自行式履带或轮胎机械。它广泛用于公路,铁路,建筑,水电,港口和矿山等工程建设。装载机具有作业速度快,效率高,机动性好,操作轻便等优点,因此成为工程建设中土石方施工的主要机种之一,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。二、国内外研究概况及发展趋势(含文献综述):在经历了50-60年的发展后,到20世纪90年代中末期国外轮式装载机技术已达到相当高的水平。基于液压技术,微电子技术和信息技术的各种智能系统已广泛应用于装载机的设计,计算操作控制,检测监控,生产经营和维修服务等各个方面,使国外轮式装载机在原来的基础上更加精制,其自动化也得以提高,从而进一步提高了生产效率,改善了司机的作业环境,提高了作业舒适性,降低噪声,振动,排污量,保护了自然环境,最大限度的简化维修,降低作业成本,使其性能,安全性,可靠性使用寿命和操作性能都达到了很高水平。产品形成系列,更新速度加快并朝大型化和小型化发展。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。这些产品如美国克拉克公司生产的675型,功率达1000kW,而日本东洋远搬株式会社生产的 310型,斗容量仅为0.11立方米。此外,装载机还向高卸位,远距离作业方向发展,如JCB公司开发的伸缩臂装载机,小松公司也开发了能扩大作业范围的带伸出机构的装载机。采用新结构,新技术,产品性能日趋完善。近年来开发的产品普遍采用了高性能发动机和自动换档变速器,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,行走颠簸减震等先进技术,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,各种自动功能更趋成熟,完善。如卡特彼勒公司994D型装载机采用新的一代Cat3516柴油发动机就安装有HEUI(电液控制的燃油喷射)装置以及ADEM9(先进的柴油)管理系统,可根据外载荷的大小有效地控制发动机的功率与转速,从而减少燃油消耗及尾气排放,减少噪声。小松公司的全动力换档变速器带有自动换挡开关,提高装载作业过程中的牵引力,可保证全功率进行装载作业。卡特彼勒公司的G系列装载机采用大流量工作液压系统,负荷传感转向液压系统,使所需转向功率减少了8%,提高了作业效率和燃油经济型。沃尔沃公司在L500-L220D系列装载机上推出了该公司的专利产品,扭矩平衡连杆机构(TP),在铲斗的整个循环中可提供更大的倾翻力矩以及举升能力,这保证了装载机不仅在配用铲斗时,而且在配用叉,吊其它工具时都具有优良的作业性能。近年来,国外轮式装载机在其未来技术发展中将广泛采用微电子技术与信息技术,完善计算机辅助驾驶系统、信息管理系统及故障诊断系统;采用单一吸声材料、噪声抑制的方法消除或降低机器噪声;通过不断改进电喷装置,进一步降低发动机的尾气排放量;研制无污染、经济型、环保型的动力装置;提高液压元件、传感元件和控制元件的可靠性与灵敏性,提高整机的机-电-信一体化水平;在控制系统方面,将广泛采用电子监控和自动报警系统、自动换档变速装置;普遍安装GPS定位与质量自动称量控制;开发机器人装载机等。装载工作是整个地下采矿的重要环节,其工作量最繁重,费时最多,对采矿生产率影响极大。消耗于这一工序的劳动量占循环时间的30%-40%。正因为如此,国外许多的国家十分重视装载机械的开发推广与使用。装载机开始制造是在90多年前。最早的装载机是在马拉的农用拖拉机前部装上铲斗而成.。自身带有动力的装载机,是在1920年初出现的,其铲斗安装在两根垂直立柱上,铲斗的举升和下落是用钢绳来操纵的。从1930年开始,装载机的机构得到较大的改进。1939年出现了比较先进的轮胎式装载,在40年代装载机得到了更大的发展。1944年,开始用液压代替钢绳控铲斗。1947年装载机发展成四轮驱动。1950年出现了第一台带有液力变矩器的轮胎式装载机,它使装载机能够很平稳地插入料堆并且使作增快,同时插入运动,发动机不会因插入阻力大而熄火。1960年出现了第一台铰接式装载机,这使装载机转向性能大大改善,增加了它的机动性能性和纵向稳定性。60年代的电动装载机。这是装载机设计的一个新的突破,它进一步增加了装载机的使用范围。今后装载机的发展趋势是通过工作机构尺寸的增加和机构的改进进一步增加了生成力。铲斗机工作时,铲斗的运动是由动臂油缸,恻卸油缸和机体的行走部共同控制的。在一个工作循环中铲斗要完成的动作有:1) 将铲斗放平由机体的行走部将铲斗推入料堆。2) 边推进边翻转铲斗使铲斗使物料充满铲斗。3) 当铲斗装满物料后,将铲斗转正并举臂到适当的位置作好运送的准备。4) 由机体的行走部将物料运送到卸载点。5) 将铲斗对准卸载口进行翻斗卸载。6) 将铲斗正位并下降动臂准备返回。7) 返回到卸载点8) 将铲斗放平到插入位置进行下一个工作循环。为了使操作方便和提高劳动生产率,铲斗臂上对称地布置两个油缸铲斗上安装有一个油缸使的得整个动作协调。铲斗是用来切削,收集,运输,卸出物料的不见。它设计的合理与否直接影响到装载机的身产率,能量消耗及工作的可靠性。铲斗的结构设计,一般应满足下列条件,在斗体尽可能轻的条件下,保证铲斗有足够的强度和刚度;铲斗的结构形状应保证铲斗插入物料堆时阻力最小;耐摩擦对易损斗齿更换方便等。为减小铲斗插入物料堆的阻力,尽量避免无效容积及顺利卸载的要求,铲斗形状通常是前臂高与后臂,前臂上部作为圆弧状,并装有一组齿,铲斗下部较上部略宽,四角呈圆弧状以方便卸载,避免大块堵塞,后臂与斗底的夹角要成钝角,即可避免可效容积又可使斗底铰点抬高,方便开斗。铲斗前臂直接切入物料,要求材质耐磨,强度高,一般用锰钢(ZG35Mn)铸造,并在其切削部位焊有硬质合金。铲斗后臂与斗体相连接,并支承整个斗体,故后臂多用碳钢铸造并铸有加强的筋条。斗体的两侧板连接前后臂,使之成一方箱,因其磨损受力较前后臂小,故小型铲斗用焊件式铸造,而大型铸斗两侧臂采用前后臂延长两侧,再用塞柱焊接在一起。斗的后臂固定着斗与斗柄,拉杆的铰及提升滑轮的铰座等。斗齿它可减小挖掘阻力。斗齿的形状应根据物料的物理,机械性质正确选择斗齿的最大厚度是铲斗加强厚度的2.2-2.3倍。斗齿是磨损严重的易损件。故通常用耐磨材料铸造。铲斗按其结构可分铆结构,铸造,焊接,铸-焊联合合金钢板铠装。铆结构铲斗的优点是制造容易,接个便宜。求点是强度差(铆钉易松动),主要用于小型挖掘机上。铸造铲斗:整体铸造的铲斗,强度较铆结构的高,但其自重较大,适用于小型挖掘机上。焊接铲斗:前臂和侧臂是钢板焊接,而后臂通常是铸造。其特点是自重较小。对单斗挖掘机,在动力不变的条件下,用焊接铲斗代替铸造铲斗,铲斗容积平均可增大1/3(即3米3增大4米3;6米3增大8米3;9米3增大12米3),这是提高挖掘机生产率的途径之一。但一般钢板焊接的铲斗,仅用于轻型挖掘机。铸-焊联合制造,外面包以合金钢板的铲斗,适用与大型铲斗(如斗容12米3)。根据设计要求,本设计采用焊接铲斗。三、研究内容: 1确定某型装载机工作装置的结构方案,并阐述装载机的适用范围与功能优势。2确定装载机总体参数,工作装置主要参数,了解各零部件的加工方案。3对系统中各零部件进行设计计算,确定零部件尺寸。4对装载机工作装置进行设计计算。5. 对装载机工作装置液压系统计算。6. 绘制出其装配图及若干零件的零件图。四、目标、主要特色及工作进度(1)查阅相关资料,外文资料翻译(6000字符以上),撰写开题报告 01 - 04周(2)工作机构运动的方案拟定 05 - 06周(3)工作机构总体设计与计算 07 - 08周(4)工作机构的装配图设计 09 - 10周(6)工作机构部分零件工作图设计 11 - 12周(7)撰写毕业论文 13 - 15周(8)毕业设计审查、毕业答辩 16 - 17周五、参考文献1 李健成等. 矿山机械(装载机部分)M. 北京:冶金工业出版社, 19812 徐灏等. 机械设计手册(第5卷)M. 北京:机械工业出版社,20033 何正忠. 装载机M. 北京:冶金工业出版社, 19994 长沙矿山研究所露天装载机组.露天装载机M. 北京:机械工业出版社, 19745 于硕,闫涵. 装载机工作装置机构分析J. CADCAM与制造业信息化,2002(12)6 祝海林,周燕萍,李海宁等. 高卸位装载机工作机构尺寸优化J. 工程机械, 2008( 01)7 王国彪,曹旭阳,迟峰. 高卸型装载机工作装置的定制设计J,建筑机械, 2003,(04)8 Shiegru Sarata, Niriho Kiyachi. Measuring and update of shape of pile for loadingJ. The25th International Symposium on Automation and Robotics in Construction, June 26-28,20089 Sanjiv Singh, Howard Cannon. Multi-resolution planning for earthmoving. In Proceedings International Conference on Robotics and Automation, May 1998, Leuven, Belgium.南昌航空大学科技学院学士学位论文目 录1. 前言11.1设计课题11.2 装载机的发展历史11.3 装载机工作机构的特点11.4装载机工作机构的用途22. 装载机装载过程分析32.1装载过程描述:32.2装载机的装载阻力计算33. 装载机工作机构的设计73.1工作机构对铲斗运动的要求73.2 铲斗的机构设计73.3 斗容的计算和尺寸确定83.4工作机构杆件系统的配制与设计104. 装载机工作机构受力分析144.1工作机构的最大受力工况与最大外载荷的确定144.2工作机构最大铲取力与铲斗臂最大举升的确定145. 工作机构稳定性能分析225.1 稳定性指标225.2机器纵向稳定性能分析235.3 装载机横向稳定性分析256. 液压缸设计计算296.1 铲斗上的侧卸油缸设计296.2 拉伸油缸的设计30总结33参考资料34致谢351.前言1.1设计课题此次设计的课题为装载机工作机构设计,要求该装载机装载能力大,机动性好安全可靠,生产率较高,其斗柄是曲线的,铲斗的提起和倾斜由油缸的动作来实现。1.2 装载机的发展历史装载工作是整个地下采矿的重要环节,其工作量最繁重,费时最多,对采矿生产率影响极大。消耗于这一工序的劳动量占循环时间的30%-40%。正因为如此,国外许多的国家十分重视装载机械的开发推广与使用。装载机开始制造是在90多年前。最早的装载机是在马拉的农用拖拉机前部装上铲斗而成.。自身带有动力的装载机,是在1920年初出现的,其铲斗安装在两根垂直立柱上,铲斗的举升和下落是用钢绳来操纵的。从1930年开始,装载机的机构得到较大的改进。1939年出现了比较先进的轮胎式装载,在40年代装载机得到了更大的发展。1944年,开始用液压代替钢绳控铲斗。1947年装载机发展成四轮驱动。1950年出现了第一台带有液力变矩器的轮胎式装载机,它使装载机能够很平稳地插入料堆并且使作增快,同时插入运动,发动机不会因插入阻力大而熄火。1960年出现了第一台铰接式装载机,这使装载机转向性能大大改善,增加了它的机动性能性和纵向稳定性。60年代的电动装载机。这是装载机设计的一个新的突破,它进一步增加了装载机的使用范围。今后装载机的发展趋势是通过工作机构尺寸的增加和机构的改进进一步增加了生成力。1.3 装载机工作机构的特点装载机工作机构由潺斗,铲臂,铲斗座,升降油缸(两个左右对称)侧卸油缸,拉斗油缸组成。装载机在工作过程中,铲斗是沿料堆底部插入料堆的,斗尖在料堆内运动,轨迹如图1-1所示。 图1-1 铲斗轨迹 由于铲斗沿料堆底部插入料堆所以插入阻力大,阻力方向与机体的推进方向相反,从而使得装载机有足够的重量和牵引力来克服插力。以得到足够的插入深度,铲斗插入料堆后,在开始提升的瞬间,料堆对提升的阻力很大,以后就迅速的降低,故在提斗的过程中工作机构承受的负载很不均匀,尖峰负荷大。但它易于卸载,故效率高,在铲斗臂的左右对称的布置两个升降油缸,完成铲斗的提升过程,铲斗上安装一个侧卸油缸。用来卸下铲斗内的物料,铲斗和铲斗座采用焊接的方法联结在一起,再用销轴与铲斗臂连接整个机构是四连机构完成装卸过程。1.4装载机工作机构的用途 工作机构是装载机用以直接完成装载工作的机构,是装、运、卸一体的联合设备。由于铲斗即可作取料构件,又可作运料贮料和卸料物件,从而简化了整机结构使用灵便。 2.装载机装载过程分析2.1装载过程描述:铲斗挖掘土壤的过程很类似金属切削过程(如图2-1,图2-2)。斗刃切入后物料对切入的阻力取决于物料的性质和状态,以及斗刃的刃角。图2-1 挖掘过程图图2-2 铲装过程图斗刃切入后,在刃的物料被压缩,变形以致破坏原来结构,而改变堆存状况,这种改变取决于物料的性质和状态,斗刃的几何形状,切削角和切削厚度c,同时物料与斗底间的相对运动也产生摩擦阻力,其大小取决于物料与斗底的摩擦系数和斗刃的后角。此外,由于刃前形成小堆而后才能进入斗内,这种物料间的内摩擦阻力取决于物料的性质和状态,物料的内摩擦系数和斗的运动轨迹。铲斗插入矿堆后,矿堆变形ABCDE(见铲装过程图)包括三部分:第一滑移体ABFE。变形较明显;第二滑移体CDEF变形不够明显;压实区,在刃前ED,相当于斗刃的延长,压实区的大小与装载工作阻力的大小有密切关系。压实区的大小取决与矿石的物理机械性质,矿堆高度,铲斗插深度以及铲斗的形状和尺寸等因素。当斗刃插入矿堆时物料挤压,剪切产生变形阻力,物料与斗臂间的摩擦阻力以及物料内摩擦阻力等等阻力的综合,便是装载阻力。2.2装载机的装载阻力计算装载机的装载阻力包括插入阻力和铲取阻力,其插入阻力计算式 Wen = K len1.25B 千克式中 K-与物料的性质块度,堆高和铲斗形状与关的系数 K = K1 K2 K3 K4 K1-物料块度与松散度系数 K2-物料性质系数 K3-堆高系数 K4-铲斗斗形系数 Len-铲斗一次插入深度, 单位:厘米 B-铲斗宽度, 单位:厘米铲取阻力计算式: Msp0=1.1Wen0.4(X-1/3Len)+Y 公斤米式中: Wen-插入阻力, 单位:公斤 Len-铲斗插入深度, 单位: 米 X,Y-斗尖距铲斗回转中心的直角坐标系植,单位:米 铲取阻力矩Msp随着铲斗回转角a的增大而减小,其变化规律为双曲线(见下图2-3) Msp= Msp0(1-Can)式中 n= C=图2-3 力矩Msp随着铲斗回转角a的变化曲线式中Ma-铲斗离开岩堆时,由物料重力产生的阻力矩 根据查表得: K1=1.3K2=0.10 K3=1.10K4=1.5 则 K =K1 K2 K3 K4 =1.3x0.10x1.10x1.5 =0.2145取铲斗一次插入深度Len =83.5cm 所以插入阻力为Wen=Klen1.25B =02145x82.51.25x2200x0.1 =0.2145x248.6x220 =11704.088(公斤)根据工作机构总图确定X,Y的值 X-铲斗回转中心O点离斗刃的水平距离 Y-铲斗回转中心O与地面的垂直距离 得X=1.15m Y=0.3m带入有关数据计算铲取力,有 Msp0=1.1Wen0.4(X-1/3Len)+Y =1.1x11704.1x0.4x(1.15-1/3x0.825)+0.3 =8368.43(公斤米)3.装载机工作机构的设计3.1工作机构对铲斗运动的要求铲斗机工作时,铲斗的运动是由动臂油缸,恻卸油缸和机体的行走部共同控制的。在一个工作循环中铲斗要完成的动作有:1) 将铲斗放平由机体的行走部将铲斗推入料堆。2) 边推进边翻转铲斗使铲斗使物料充满铲斗。3) 当铲斗装满物料后,将铲斗转正并举臂到适当的位置作好运送的准备。4) 由机体的行走部将物料运送到卸载点。5) 将铲斗对准卸载口进行翻斗卸载。6) 将铲斗正位并下降动臂准备返回。7) 返回到卸载点8) 将铲斗放平到插入位置进行下一个工作循环。为了使操作方便和提高劳动生产率,铲斗臂上对称地布置两个油缸铲斗上安装有一个油缸使的得整个动作协调。3.2 铲斗的机构设计铲斗是用来切削,收集,运输,卸出物料的不见。它设计的合理与否直接影响到装载机的身产率,能量消耗及工作的可靠性。铲斗的结构设计,一般应满足下列条件,在斗体尽可能轻的条件下,保证铲斗有足够的强度和刚度;铲斗的结构形状应保证铲斗插入物料堆时阻力最小;耐摩擦对易损斗齿更换方便等。为减小铲斗插入物料堆的阻力,尽量避免无效容积及顺利卸载的要求,铲斗形状通常是前臂高与后臂,前臂上部作为圆弧状,并装有一组齿,铲斗下部较上部略宽,四角呈圆弧状以方便卸载,避免大块堵塞,后臂与斗底的夹角要成钝角,即可避免可效容积又可使斗底铰点抬高,方便开斗。铲斗前臂直接切入物料,要求材质耐磨,强度高,一般用锰钢(ZG35Mn)铸造,并在其切削部位焊有硬质合金。铲斗后臂与斗体相连接,并支承整个斗体,故后臂多用碳钢铸造并铸有加强的筋条。斗体的两侧板连接前后臂,使之成一方箱,因其磨损受力较前后臂小,故小型铲斗用焊件式铸造,而大型铸斗两侧臂采用前后臂延长两侧,再用塞柱焊接在一起。斗的后臂固定着斗与斗柄,拉杆的铰及提升滑轮的铰座等。斗齿它可减小挖掘阻力。斗齿的形状应根据物料的物理,机械性质正确选择斗齿的最大厚度是铲斗加强厚度的2.2-2.3倍。斗齿是磨损严重的易损件。故通常用耐磨材料铸造。铲斗按其结构可分铆结构,铸造,焊接,铸-焊联合合金钢板铠装。铆结构铲斗的优点是制造容易,接个便宜。求点是强度差(铆钉易松动),主要用于小型挖掘机上。铸造铲斗:整体铸造的铲斗,强度较铆结构的高,但其自重较大,适用于小型挖掘机上。焊接铲斗:前臂和侧臂是钢板焊接,而后臂通常是铸造。其特点是自重较小。对单斗挖掘机,在动力不变的条件下,用焊接铲斗代替铸造铲斗,铲斗容积平均可增大1/3(即3米3增大4米3;6米3增大8米3;9米3增大12米3),这是提高挖掘机生产率的途径之一。但一般钢板焊接的铲斗,仅用于轻型挖掘机。铸-焊联合制造,外面包以合金钢板的铲斗,适用与大型铲斗(如斗容12米3)。根据设计要求,本设计采用焊接铲斗。3.3 斗容的计算和尺寸确定3.3.1斗容的计算1) 几何斗容: 按美国汽车工程师学会(SAE)标准前端式装载几何斗容EK(单位为m3)由下式确定斗背上挡板的铲斗斗容为: EK=SBBH-2/3h2b式中 : S-铲斗横断面面积, m2 BBH-铲斗的内臂宽, m; h-挡板高度, m; b-斗刃刃口与挡板最部之间的距离, m; 2)额定斗容: 按SAE标准,对于斗背上装有挡板的铲斗 ES=EK+b2BBH/8- b2(h+c)/6 式中C-物料“堆积”高度,m其确定方法如下图,由斗刃刃口和挡板最下部之间作一连线,再由料堆尖端M点作直线MN与CD垂直,将MN垂线向下延长,与斗刃刃口和挡板最下部之间的连线相交,此点与料堆尖端之间的距离,使表示物料堆积高度C。铲斗横断面积如图3-1:图3-1 铲斗横断面积简化计算图 1-挡板 2-斗刃 3-铲斗横断面积铲斗横断面面积和斗容1) 将已知的横断面分成若干块,方法如下:找出铲斗底部的内圆弧部分的中心G点,通过G点作BE线与CD线平行,然后找出铲斗横断面面内从圆弧过渡到直线的过渡点A、F再分别连A、G和F、G这样就把铲斗的横断面分成四块。按设计要求铲斗的额定斗容为1立方米。2) 预估各部分尺寸如下: 铲斗内臂宽BBH=1800mm b=1200mm R=300mm GK=320mm BE=500mm AB=130mm h=160 mm EF=100mmAGF=135。 扇形面积 AGFA=R2x135/360=3.14x30x30/360 =1060(cm2)三角形面积 ABGA=0.5AbxR=0.5x13x30=195(cm2)三角形面积GEFC=0.5EfxR=0.5x10x30=150(cm2)梯形面积 BCDEB=0.5x(BE+CD)x GK=0.5x(50+120)x32=2720(cm2)3) 求总面积: S=1060+195+150+2720+4125=4125(cm2)几何斗容: EK=SBBH-2/3(h2b) =4125x180-2/3(16x16x120) =742500-20480 =722020(cm3) =0.722(m3)额定斗容: ES=EK+b2BBH/8-b2/8(h+c) =0722x106=120x120x180/8-120x120/6(16+31) =0.9496(m3)符合设计额定斗容1立方米的设计要求。3.4工作机构杆件系统的配制与设计由于装载机歌德工作机构实际上就是一个四连杆机构,根据工作条件对铲斗在工作循环各阶段的要求,确定铲斗在其运动轨迹上应有的位置来确定设计系统,使它尽可能的满足铲斗这个杆件在运动上的要求。设计方法:3.4.1确定铲斗的工作位置假设铲斗是ab杆,根据工作需要确定铲斗在工作过程中要求的五个位置,即铲斗的插入位置(a,b位置),向上翻转到正位(a,b位置)升举到中间(ab3位置)升举到卸载高度(ab4位置),翻斗卸载(ab5位置)和返回原位ab1位置。 确定铲斗插入位置(ab1)时,应使斗前臂与地面约有的倾角。为了得到较大的翻斗铲取力,还应使ab1相对b1c的位置有较大的翻斗力臂。 确定铲斗上的翻到正位(ab2)时,应使斗口水平向上,铲斗的后臂与车轮有适当的间隙。确定铲斗与地面的相对位置时,应考虑链轮有5%的滚动半径变形量,应使斗底与地面约有200-300mm的间隙。 铲斗升举过程中,为了使铲斗运动平稳,不撒矿,应尽量使铲斗平移而无转动,也就是使为只ab3/a,b4。在ab5卸载时,应使前臂与地面的倾角有45度。以上的卸载角并且斗尖的位置符合对卸载高度和卸载距离的要求。因点a,a,a 都在以g为圆心的圆弧上,所以还应根据机器结构的可能性,在确定a点三个位置的同时确定动臂的回转g。3.4.2求ab1杆相对ag杆的运动位置按上述五个位置,将动臂ag杆视为不动,求出ab1杆相对动臂ag杆的五个运动位置ab1,ab2,ab3,ab4,ab5。在这五个位置中ab1及ab2按铲斗插入和转正的位置定出 ab3位置,按保持铲斗平易,因此动臂转角/2即铲斗相对动臂转/2角,即b2a3=/2定出b3点。同样的道理b3a4=/2定出b4点,再按卸载时b4b5=b4b5即可定出 b5点的位置。图3-2 四杆机构运动图3.4.3求四杆机构ab2c2d仍将动臂视为固定杆。先根据结构条件估选d点位置,再以d为心作c2 点的运动轨迹的最低点不低于斗底距地面的高度。当仅用一个翻斗油缸时,c2点的位置不应碰到前桥差速器。c2点选取后,则杆b2c2长初步确定。据初选的b2c2由点b5使b5c5=b2c2确定c5点位置。应使c5点不越过点b5与点d的连线。因当c5点在b5嗲与点d的连线上 时。铲斗的卸载角达到最大,所以选取的c5距b5d的距离应符合在低位卸载时,仍能使卸载角不小于45。的需要。点c5及连杆b2c2长度确定后,据b2c2=b3c3,=b1c1=b4c4即可定出c1,c3,c4。 3.4.4 求四杆机构de2fg 四杆机构ab2c2d求得后,就可以开始求杆机构de2fg,在此四杆中,固定杆dg(既动臂上的两个铰点)为已知,还知道当杆e2d的转角为e3de3时,杆件fg相对固定杆dg的转角为/2(实际上是动臂dg相对机架fg转了/2角)。当杆ed转角为e3de4时,杆fg又转了/2。当翻斗油缸活塞杆收缩即连杆e2f缩短时,铲斗进行卸载。卸载后,杆ed反转e5de1,杆fg反转角,使铲头恢复到原始的插入位置,然后求符合这些条件的四杆机构。 4.装载机工作机构受力分析 4.1工作机构的最大受力工况与最大外载荷的确定 进行工作的受力分析时,应首先根据工作机构选择受力最大工况,并按受力最大工况下的外载荷进行受力分析。在装载机的工作循环中,铲斗的插入是靠行走机构将铲斗推入料堆的,在铲,提斗斜载和降斗的诸工况中,铲斗在插入后提斗的铲挖物料工况,是工作机构受力最大的工况,在此工况下,由于物料种类和作业条件的不同,对外载荷可简化成载荷沿铲斗斗刃均布的对称受载情况和由于铲斗偏铲斗,料堆密实程度不均造成的偏载荷情况。由于对偏载荷的大小缺少数据,所以在计算中,往往按对称受载计算后,以适当的安全裕量来考虑偏载荷的影响。4.2工作机构最大铲取力与铲斗臂最大举升的确定4.2.1最大铲取力的确定最大铲取力即铲斗斗尖接触地面,铲斗臂油缸向上升,铲斗刚起时,起斗尖处产生的最大挖掘力。(SAE规定,在距离斗尖四英寸处产生的,最大垂直向上的力为最大铲取力)。图4-1 地下矿用装载机铲取力与载重量经验公式 图4-1是根据三十八种地下矿用铲运机的数据求得铲取力与栽重量的经验关系式。图中的每一点是一种铲运机的数据,图中的直线是用均值法求得的直线式。 Pt=1.47+1.56GZ GZ-铲斗的载重量, 吨 Pt-最大铲取阻力, 吨 GZ=gv 其中v为斗容1立方米 g=9.8 m/s2 计算 : Pt=1.47+1.56GZ =1.47+1.56x2.65x9.8x1 =41.98(吨)4.2.2铲斗臂的最大举升力 铲斗臂油缸升举斗臂的力臂随着铲斗接近最高位置而减少,当铲斗臂油缸将铲斗升举到最高位置时,斗内能够被斗臂举起的最大载荷重,就是铲斗臂的最大举升载荷。 最大举升载荷应小于能够使机体倾覆的倾翻载荷,其中铲斗臂油缸的直径便根据斗臂的最大升举力来确定的。由此选DG-J160C-E1(左,右两个)作为升降油缸。 铲斗臂的最大举升力应能够满足最大举升载荷的要求和使用边插入边举臂的铲装操作要求,在转载机中,取倾翻载荷的85%作为动臂的最大举升载荷。 P=1.7 Gz 其中Gz-铲斗臂的额定载重量, 公斤计算代入数据 P=1.7 Gz =1.7x2.5x9.8x1 =44.19x9.8 =432.66(KN)4.2.3.装载机工作机构受力分析 铲斗在料堆内运动时,所受的外阻力可分解成水平分量Pax及垂直分量Pay.(如图所示)为便于进行计算取铲斗所受的载荷为均分,动臂轴线与连杆及挂壁轴线处于同一平面内,略去由于铰接座占有空间而产生的附加扭矩。将空间超静定结构简化为平面问题进行分析。 图4-2 铲斗阻力分解图 取铲斗为分离体,按力平衡可写出方程。 按MB=0 得: Paxh1+Payh =Pc(h2cos1+h2 sin1) Pc= Paxh1+Payh按X=0 得: Pax+ Pc cos1-Pbx=0 Pbx=Pax+ Pc cos1 按Y=0 得: Pby+ Pc sin1 -Pay Pby=Pay- Pc sin1 其中 N=PaxV N=48.5Kw 总功率 V=3.1Km/h Pax=N/V=5.75(吨) Pay=Gz+G 其中 Gz-铲斗的额定装载重 G-铲斗的自重 0.383吨 代入数据得: Pay=25.97+0.338=26.308(吨)根据工作机构总图,确定h1,l1,h2,l2, a各值 h1=300mm l1=550mm l2=1150mm a=35。 代入数据计算 PL,Pbx,Pby得 = = =58.88(吨)Pbx=Pax+Pc cos =57.5+58.88xcos35。 =5398(吨)Pby=Pay-Pc sin =26.308-58.88xsina35。=-7.46(吨)其中负号表示受力与图示方向相反计算得出的力PC就是拉斗油缸受力4.3工作机构强度的校核 根据工作机构受力分析,将构件上的作用力求得后就可以进行强度校核。4.3.1铲斗臂: 将铲斗臂看成是支承在固定箱体和铲斗座上的双支点悬梁(如下图)。其危险断面在D点附近上作用的应力为: = M/W + N/F 图4-3 铲斗臂受力分析图 式中 M-计算端面上的弯矩; N-计算断面上的轴向力; W-计算断面上的抗弯断面系数; F-计算端面面积。 取过D点的端面m-m (如图) 厕 M = -Pby(l1-l2) - Pbx(h1-h2) N = Pbysina + Pbxcosa m-n = M/W +N/F = 其中 Pbx = 53.98 (吨) Pby = 7.36 (吨)根据工作机构总图确定参数l1 ,l2 ,h1 ,h2 ,. 得 : l1 =640 mm l2 =300 mm h2 =200 mm h1 =950 mm =60 其中 F = 180 x 310 = 55800 mm2 W =d3/32 =2924817.6 (mm3) 带入公式有: m-n = M/W + N/F = = =-0.014+0.059 =0.045(MPa)很显然,铲斗臂强度满足要求4.3.2 销轴 材料选择 20 CrMnMo 885 MPa 图4-4 铲斗臂前头销轴图销轴的弯曲应力 = 式中 - 销应力轴的弯曲 - 计算载荷, 为铰点所受载荷的一半 - 销轴弯曲强度计算的计算长度 = W = 其中 =20 mm a=5mm d=50mm = =0.5x20+5+0.5x50 =400 (mm) W = =x3.14x(50x10-3) =12.27x10-6 (m3) P1=0.5x54.2=27.1(吨) = =865.8 (Mpa) 885 Mpa 故满足强度要求4.3.3铲斗 将铲斗分离出来,把它看成是弯曲的薄板,其危险断面在如图4-5所示的断面n-n则图4-5 铲斗危险断面图 M = N = m-n = M/W + N/F = 根据工作机构总图确定h, l, F的值得 : h=50 mm l=625 mm =60 F=35x2200=77000 (mm2) 其中=5.75(吨); =25.97(吨)代入数据得: = + =(0.4456+0.3185) =76.4 (Map) 835 Map 故铲斗满足强度要求、 5.工作机构稳定性能分析稳定性能是指机器行走和工作时不致发生翻到和侧滑,并且保持规定的行走方向的能力。稳定性不仅影响作业和行走安全,而且与生产率有关, 只有良好的稳定性,才能保证其他性能的充分发挥。此外稳定性对减轻司机劳动强度有很大意义。5.1 稳定性指标衡量稳定性的指标是稳定系数和稳定角。稳定系数是稳定力矩和倾复力矩之比 K= Mst / Mo 1.11.3 根据机器平衡状态的重要性对稳定性系数有不同的具体要求 稳定角是机器重心与支撑点连线的最大倾角 纵向倾角: tg= L/2Hc横向倾角: tg= B/2Hc图5-1工作机构稳定性分析图稳定角因机器工作机构状态而改变,一般30 405.2机器纵向稳定性能分析装载机受力图5-2如下:图5-2 装载机受力图基本阻力 W=W01+W02 其中 W01=z11 W02= z22风阻力Ww1作用迎风面积的形心上,高度为h wi插入阻力: Wen方向与运动相反铲取阻力:Wsp作用在斗尖上,垂直路面动阻力: Wg 作用在Cg点,方向视加速度。 而定与路面平行,其值为 Wg=G/gdVw/dt切向作用力 Pt1 和Pt2作用在车轮与路面的接触点上,方向与运动方向相同。由平衡方程列出矩方程z1+G Hcsin+G/gdVw/dt+wwih wi-Wsp(l3+l)-G l2cos=0又由于y=0 z1+ z2=Wsp+Gcos联立以上两式Z1= G l2cos- G Hcsin-G/gdVw/dt-wwi+Wenh+Wsp(l3+ l2) L Z2 = G l2cos+G Hcsin+G/gdVw/dt-wwi+wwih wi+Wspl3 L 从上式可以看出, 和 不仅与机器的结构系数有关而且还与机器的各种状态有关即上坡时, Z1 减小 Z2 增大 下坡时, Z1 增大 Z2 减小 上坡行驶时,装载机的稳定极限状态是前轮离开地面,机器绕后轮接地点b向后翻倒 即 z1=0 并且 dVw/dt,wwi,Wen Wsp 均为零 所以l2cos- G Hcsin=0最大稳定坡度为为了安全起见,在使滑动的可能性先于翻倒的可能性 即 即查表取=0.5 插入铲斗时,装载机的稳定极限状态与插力与铲取时极为相似即 Z2=0,此时=0,wwi=0 最大卸载距离时,装载机的稳定极限状态与插入与铲取时极为相似。 既 Z2=0, =0,Wen i=0,Wsp=0 Gs-装载机的翻倒载荷, Go- 额定载荷取翻倒载荷的一半5.3 装载机横向稳定性分析图5-3装载机横向稳定性分析图 装载机外力: 两侧车轮的垂直支反力 和 ,装载机的自重G对C点取力矩平衡 得 对D点取力矩平衡 得 联立以上两式 得 当 时,即有侧翻危险稳定性条件为 : 求出极限侧坡 转弯时的横行稳定性 转弯时受力 假设重心Cg在AB的中点上 ,在Cg带内除重力和阻力 Wgx之外,还增加了侧向运动阻力 Wgx 和垂直轴的惯性力矩(动力矩) Mgz 假设转半径为R,转向角为,据上述图形关系 ABD=假设装载机以等速转弯则 由力矩平衡关系,分别对A 点和B点取矩 若Y1,Y2之一大于侧向粘着力,将发生侧滑而丧失稳定性,所以防止侧滑的稳定性条件为: 下图是不发生侧滑的条件 图5-4 侧滑稳定性图既为产生横向打滑的极限速度V1如果不考虑转弯时重心和轮距的变化, 则横向侧翻条件为: 既为产生侧翻的极限速度V2为保证安全,应使侧滑先于侧翻即 由于 =0.8 B1.6Hc H c B/1.6=656 mm 对以上分析加以综合管理。 纵向稳定角 tg纵 =L/2Hc=1500/2X656=1.143 纵=arctg1.143=48.82 横向稳定角 tg横=B/2Hc tg横 =10550/2X656=0.8 横=arctg0.8=38.67 可以预选 Hc =400 mm 这时纵 ,横都满足稳定性要求。6. 液压缸设计计算6.1 铲斗上的侧卸油缸设计6.1.1铲斗装满物料后,不仅要灵活卸载,而且能够自动复原,所以有这一系列动作必须由侧卸油缸来完成,则所选的油缸类型为双作用单杆液压缸。另外,根据铲斗的劳动强度应选用重型的活塞杆,查表选取DG系列的油缸。 由于铲斗油缸安装在铲斗的背部,为便于安装,应用单耳式安装方式。6.1.2铲斗装满物料后,侧卸油缸在卸载过程中对铲斗的作用示意图如下:取恻卸油缸的安装角=要使得油缸能够卸载铲斗内的物料其最小的推力要等于(故侧卸油缸的推力将 KN =计算得 (KN) 图6-1 侧卸油箱卸载过程中对铲斗的作用示意图根据FKN 查表选取有关尺寸如下: 表6-1缸径(mm)活 塞 杆直径活塞面积()推力KN拉力KN最大行程mm大端小端14Mpa16Mpa14Mpa16Mpa10055785054751099125676658764000由上表,侧卸油缸选用DG-J100C-E1型6.1.3侧卸油缸的验算液压缸的推力F1 公式中-工作压力Mpa A1-活塞的作用面积其中 故侧卸油缸强度满足强度要求6.2 拉伸油缸的设计6.2.1铲斗的铲取物料的过程以及提起,皆由拉伸油缸来完成,根据它的劳动强度应选用双作用单杆液压缸。其中活塞杆应选用重型的,查表选取DG系列油缸。为了方便拉伸油缸的安装, 应选用单耳式安装6.2.2铲斗装满物料后,拉深油缸刚开始将铲斗拉起时,油缸的抗力F2达到最大值。 根据前面装载机工作机构的受力分析,得: (KN)图6-2 油缸抗力图由于工作压力为16Mpa.根据Pc=577KN P2=16Mpa 选取的油缸的有关尺寸如下表表6-2缸径(mm)活 塞 杆直径活塞面积()推力KN拉力KN最大行程mm大端小端14Mpa16Mpa14Mpa16Mpa280150615.72439.04862.05985.20614.66702.464000根据上表 选取拉伸油缸的型号为: DG- J280C-E1拉伸油缸的强度校核: 根据: F2=P2A2 式中 F2油缸的拉力 KN P2-工作压力 Mpa A2-液压缸有杆腔作用面积 m2 -活塞的直径 m2 -活塞杆直径 m m =附: (升降油缸) 表6-3缸径(mm)活 塞 杆直径活塞面积()推力KN拉力KN最大行程mm大端小端14Mpa16Mpa14Mpa16Mpa160902010613744281483217019242219904000根据最升力确定前面已叙述。总 结 装载机铲掘和装卸物料的作业是通过工作机构的运动实现的。装载机的工作机构由铲斗、动臂、摇臂连杆(或托架)及液压系统等组成。铲斗用以铲装物料;动臂和动臂油缸的作用是提升铲斗并使之与车架连接;转斗油缸通过摇臂连杆(或托架)使铲斗转动。动臂的升降和铲斗的转动采用液压操纵。由动臂、动臂油缸、铲斗、转斗油缸、摇臂连杆(或托架)及车架相互铰接所构成的连杆机构,在装载机工作时要保证:当动臂处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;当转斗油缸闭锁时,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铲斗倾斜而使物料撒落;而在动臂下降时,又自动将铲斗放平,以减轻驾驶员的劳动强度,提高劳动生产率。 通过整个课题的研究工作,主要得出以下结论和成果:1.通过AUTOCAD2007软件对装载机的工作机构进行了二维平面设计,对AUTOCAD软件有了更深刻的理解和运用;2.对这次设计的装载机工作机构进行了总体设计到零部件设计。主要包括装载机的工作机构的关键部件,如铲斗,臂,液压装置等。并对重要零件进行了刚度、强度分析。参考资料1 李健成等. 矿山机械(装载机部分)M. 北京:冶金工业出版社, 19812 徐灏等. 机械设计手册(第5卷)M. 北京:机械工业出版社,20033 何正忠. 装载机M. 北京:冶金工业出版社, 19994 长沙矿山研究所露天装载机组.露天装载机M. 北京:机械工业出版社, 19745 于硕,闫涵. 装载机工作装置机构分析J. CADCAM与制造业信息化,2002(12)6 祝海林,周燕萍,李海宁等. 高卸位装载机工作机构尺寸优化J. 工程机械, 2008( 01)7 王国彪,曹旭阳,迟峰. 高卸型装载机工作装置的定制设计J,建筑机械, 2003,(04)8 Shiegru Sarata, Niriho Kiyachi. Measuring and update of shape of pile for loadingJ. The25th International Symposium on Automation and Robotics in Construction, June 26-28,20089 Sanjiv Singh, Howard Cannon. Multi-resolution planning for earthmoving. In Proceedings International Conference on Robotics and Automation, May 1998, Leuven, Belgium.致 谢 在本文的撰写过程中,贺红林老师作为我的指导老师,他治学严谨,学识渊博,视野广阔,为我营造了一种良好的学术氛围。置身其间,耳濡目染,潜移默化,使我不仅接受了全新的思想观念,树立了明确的学术目标,领会了基本的思考方式,掌握了通用的研究方法,而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。其严以律己、宽以待人的崇高风范,朴实无华、平易近人的人格魅力,与无微不至、感人至深的人文关怀,令人如沐春风,倍感温馨。正是由于他在百忙之中多次审阅全文,对细节进行修改,并为本文的撰写提供了许多中肯而且宝贵的意见,本文才得以成型。 在此特向贺红林老师致以衷心的谢意!向他无可挑剔的敬业精神、严谨认真的治学态度、深厚的专业修养和平易近人的待人方式表示深深的敬意!2012 年 5 月- 35 -
收藏