0433-ZL50轮式装载机工作装置设计【优秀含6张CAD图+说明书】
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  • 0433-ZL50轮式装载机工作装置设计【优秀含6张CAD图+说明书】。1 绪论
    1.1 装载机概述
    1.1.1 装载机简介
    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。


    1.1.2 装载机的主要技术性能参数
    标志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 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和总功率,有效功率是指在29°C 和746mmHg(1mmHg=133.322Pa)压力情况下,在发动机飞轮上实有的功率(也称飞轮功率)。国产装载机上所标有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)
    指装载机设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(75kg±3kg)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地面上,前进和后退各档能达到最大速度,它影响装载机的生产率和安排施工方案,单位为 km/h 。
    (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平面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) 最大卸载高度
    指动壁处于最高位置,铲斗倾角为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(包括轮胎或车架)到斗刃之间的水平距离,单位为 mm 。
    (11) 工作装置动作三项和
    指铲斗提升、下降、卸载三项时间的总和,单位为 s 。


    1.1.3 装载机的用途
    装载机是一种用途十分广泛的工程机械,可以用来铲装、搬运、卸载、平整散装物料,也可以对岩石、硬土等进行轻度的铲掘工作。此外,还可以进行刮平地面和牵引其他机械等作业。换装相应的工作装置,装载机还可以进行推土、起重、装卸木料或钢管等作业。


    1.1.4 装载机的分类
    装载机一般按以下特点来分类:
    (1) 按行走装置不同分
    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内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了行走装置不同外,其他系统和构造大体相似,所以本次设计也以装载机为目标。轮胎式装载机简称为装载机,它由车架、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。
    (2) 按使用场合不同分类
    按使用场合不同可以分为露天用装载机和井下用装载机(铲运机)。铲运机机构简单,国内外生产和使用的装载机绝大多数是露天装载机,井下用铲运机是根据井下巷道的工作条件,对发动机的排污和噪音,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,在露天使用的装载机基础上变形设计而成的。
    (3) 按传动形式不同分类
    按传动形式不同分类可以分为: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。具有成本低、传动效率高、可拖动、维修方便等优点。主要缺点是操纵复杂而且费力,离合器和变速箱寿命较低。
    ② 液力机械传动
    它是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候传给传动系统的冲击和震动,故能平稳的插入料堆,并可以随外界载荷变化自动调速,不会因超载而使发动机熄火,而且可以在不停车状态下进行换挡,操作轻便,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。装载机的液力变矩器有以下四种:
     一级三元件液力变矩器
     双涡轮液力变矩器
     变量双泵轮液力变矩器
     双导轮液力变矩器
    我国液力机械传动装载机的生产已经形成一个系列,定型生产斗容量为0.5~3.5m3 的装载机,其额定载重量为1~7t 。即ZL10型、ZL15型、ZL20型、ZL25型、ZL30型、ZL40型、ZL45型、ZL50型、ZL0型、ZL160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传动零件,简化了传动系统,使整机质量减轻,并可以在一定范围内实现无级调速,使传动更加平稳,但它的启动性差,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的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较大,费用高,目前只在大型装载机上使用这种传动方式。
    此外,国内还有采用变矩离合器传动的形式。这种传动方式目前仅在国内生产的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变速器所组成。
    (4) 按装载方式不同分类
    按装载方式不同可以分为前卸式、后卸式、侧卸式和回转式。装载机基本上都是前卸式。
    (5) 按转向方式不同分类
    按转向方式不同可以分为整体式和铰接式。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转进行转向。国产ZL系列装载机大多数采用铰接式结构。
    图1-1为现场中的装载机。

    图1-1 ZL50 B型装载机


    1.2 装载机应用技术发展
    在经历了50~60年的发展后,到20世纪90年代中末期国外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,使国外装载机在原来的基础之上更加“精致”,其自动化程度也得以提高,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,降低了噪音、振动和排污量,保护了自然环境,最大程度的简化维修、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的水平。
    1.2.1 国外装载机发展现状
    (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。
    1) 发动机
    为了解决高作业效率与低燃料消耗的矛盾,近年来开始采用发动机管理系统。发动机管理系统也称自动控制系统、电脑控制系统等,是电子计算机在工程机械中的应用之一。它能及时的根据装载机的工作负荷要求去调节发动机的输出功率,使装载机更有效的利用发动机的性能和动力。减少了动力损失,节约燃料,减少排气量和噪音,同时可使发动机长期在额定点工作,增加发动机的使用寿命。
    如卡特彼勒公司994D型装载机采用的新一代Cat3516柴油发动机就安装了有HEUI(电液控制的燃油喷射)装置以及ADED(先进的柴油机管理)系统,可根据外载荷的大小有效地控制发动机的功率和转速,从而降低燃油消耗和尾气的排放,减少噪声。马拉松·勒图尔勒公司的L系列大型装载机则采用电脑控制的柴油机-电子驱动系统,4个驱动轮同时又充当制动器,其输出功率可以反馈到交流电机和柴油机,使转速提高,从而提高工作效率,使牵引效率高达77%(普通装载机为60%左右),此电脑控制系统能监控装载机的整个作业过程,在最大车速范围内使发动机的输出功率最大化。
    2) 传动机构
    以卡特彼勒公司为代表的装载机采用液力机械传动系统,其G系列装载机采用电子自动换挡控制,可以自动选择档位传动比,使换挡在变速箱最佳效率点进行。换挡离合器则采用电子压力控制,行驶和换挡过程平稳,提高了生产率,延长了元件的使用寿命。
    小松公司WA系列中的小功率装载机采用液压机械传动和新型集中结构驱动桥。它将主传动、制动器和行星终传动都集中在桥的中部,桥壳断面变化连续、平缓、内应力分布合理,从根本上防止因传动结构桥壳在轮边支撑轴段应力集中发生断裂。轮端采用浮动密封结构,安装简便,有自动补偿功能,密封性好。
    小松公司的全动力换挡变速器带有自动换挡开关,提高铲掘和装载作业过程中的牵引力,可以保证全功率进行装载作业。新型的可调离合器系统,能精确的控制行驶速度,驱动功率可以在20%~100%之间选择。
    凯斯C系列装载机配有新型臂力换挡变速器、防滑差速器、多片湿式盘式制动器以及电子停车制动器。
    迪尔H系列小功率装载机为静压传动,可以实现全程范围内的无级变速。中型以上的装载机采用由计算机控制动力换挡的单级单相液力机械传动,在任何情况下可以实现平稳换挡。快速换挡按钮可以使司机在1~4挡或2~4挡之间自动切换,变速和换挡由一根操纵杆集中控制。HST渐移式踏板可在保持发动机转速和液压系统流量的同时无限降低行驶速度。行车制动器为液压驱动自由调节双盘式制动器。
    马拉松·勒图尔勒公司的装载机采用柴油机-发电机-电动轮传动,比液力机械传动系统简单。在整个作业过程中柴油发动机以恒定转速运转,减少燃油消耗,延长发动机寿命。无变速箱、传动轴等许多部件,提高了传动效率,操作维修方便,低费用。独立电动牵引马达为固态控制,反应迅速,减少车轮打滑和轮胎过度磨损。设置了电动缓行器不用工作制动停机,装料对位准确。整机重心低,行驶稳定性好,可靠性高。
    3) 液压系统
    为了满足铲掘能力和快速卸载两方面的要求,装载机工作装置多采用多级液压系统。例如小松公司的WA450型装载机设有一只转换泵,切入料堆装载时切断阀自动使该泵卸载,通向工作装置的流量减少,使发动机功率更多的通过变矩器传给车轮,增加牵引力。该动臂举升时候,转换阀接入,以提高举升速度。
    卡特彼勒公司的G系列装载机采用高效大流量工作液压系统,负荷传感转向液压系统,使所需要的转向功率减少了8%,提高了作业效率和燃油经济性。大缸径转向液压缸使转向更灵活。此外,公司可根据个人喜好,在命令控制转向及电子-液压工作装置控制以及传动转向控制及先导式液压工作装置控制两种方式中进行选择。
    小松公司的WA系列采用双回路大流量液压系统,增大挖掘力并降低工作循环时间,提高燃油效率。液压驱动湿式多片制动器,可以避免气制动时由于水和冷凝引起的冻结和锈蚀,提高系统灵敏度。变输出液压系统可以最大限度的利用发动机的功率,提高生产率。
    4) 工作装置
    20世纪90年代中末期以来,装载机的工作装置已经不再采用单一的Z形连杆机构,卡特彼勒公司在继IT综合多用机上开发出八杆平行举升连杆机构之后,又在其992G、924G等装载机上采用了单铸钢动臂的所谓Versa连杆机构,可承受极大的扭矩载荷,具有卓越的可靠性耐用性及和平行举升机构类似的作业性能。工作装置能以水平位置提升或降下放在托板上的物料,可以配用多种作业装置,最大限度的减少司机由地面到最大高度对铲斗倾角的调整,前面视野更加开阔。沃尔沃公司在L500-L220D等D系列装载机上推出了该公司的专利产品 扭矩平行连杆机构(TP),在铲斗的整个举升循环中可以提高更大的倾翻力矩以及举升能力,这保证装载机不仅在配用铲斗时,而且在配用叉、吊等其他工作装置时都具有良好的作业能力。德国O&K公司为其小型装载机设计有Lear连杆;Schaff公司于2000年3月在Intermat 展览会上推出了具有可折叠式新型连杆机构的高卸位式SKL873型装载机等,进一步增加了装载机工作装置的种类,提高了其作业的多用性和适应性。
    图1-2为现场装载机的工作装置。

    图1-2 工作装置
    5) 智能系统
    当前,装载机发展的一个重要特点是不断研制出集液压、微电子及信息技术于一体的智能系统,并广泛运用于装载机的产品设计之中,目前广泛运用的有如下一些系统:
    行驶平稳性控制系统: 在动臂举升液压缸液压回路中增加一个蓄能器,以衰减工作装置在机器行驶过程中产生的振动,减少装载机的颠簸。
    附着力控制系统: 在每个车辆上安装一个速度传感器,自动将所需要的制动力施加到车辆上,并将扭矩传给与之紧密相连的车轮上,便于装载机直线行驶和转向。
    动力电子控制/管理系统: 根据传动装置和液压系统工作状态,自动调节发动机输出功率,以满足不同作业情况的需要,提高燃料的经济性。
    发动机自动控制系统: 当装载机处于非作业工况时,自动降低发动机转速,减少燃料消耗及发动机噪声。
    关键信息显示/管理系统: 采用网络通讯技术,在办公室的控制中心实时监控装载机的作业状态,据此向驾驶员提供基于文字提示的精确的故障诊断信息。
    转向变速集成控制系统: 取消传统的转向盘和变速杆,将转向与变速操纵装置集成在一个操纵手柄上,并采用简单的触发式方向控制开关和选挡用的分装式加速按钮。利用肘节的自然动作左右扳动操纵杆,实现转向;利用大拇指选择按钮,实现前进与后退、加速与减速行驶。
    销轴润滑系统: 能为工作装置上的所有销轴提供为期200h的润滑服务,并使销轴作业易于完成。
    舒适驱动控制系统: 其目的是提高驾驶员的舒适性,帮助长时间进行作业的驾驶员减轻劳动,保持作业效率。
    负载感应变速系统: 根据负载状态,自动调节车速及发动机飞轮扭矩,实现高速、小扭矩或低速、大扭矩的动力输出。
    计算机故障诊断系统: 通过控制面板上的指示灯、听觉与视觉相结合的报警信号,提醒驾驶员可能潜在的故障隐患。驾驶员只管全神贯注的工作而无需不断查看仪表读数。
    负载自动稳定器: 采用一对钢模氮气蓄能器,安装在前车架中,与工作装置液压系统相连通。当作业或低速行驶时,系统自动断开,当车速超过4.8km/h时,由电子速度开关控制的电磁阀自动开启,蓄能器吸收工作装置液压系统的振动与冲击载荷,提高了操作的稳定性、安全性和舒适性。
    燃油/空气比例控制系统: 提高燃料的利用率,确保发动机排出的废气符合环境控制法的要求。
    计算机监控/管理系统: 连续监控/管理装载机数十项性能指标参数,在遇到突发或紧急情况时,很容易通过液晶仪表显示、听觉与视觉相结合的报警信号,提醒驾驶员注意。
    装载量称量系统: 自动称量并显示铲斗的净装载量,从而使司机心中有数,防止过载或欠载,减少无效跑车次数,节省作业时间,提高生产效率。并可以对质量累计计算,显示仪表以彩色数码显示,清楚明了,校准简便,测量误差为±3%以内。
    面板控制系统: 采用声、光、电及数字显示的控制面板,实现装载仪器与仪表的报警与监控。
    液压泵电子管理系统: 自动控制液压泵的运行状态。
    自动运输控制系统: 降低机器在凹凸不平的路面上的振动,提高驾驶舒适性和作业效率。JCB公司456BZX型上(18t)安装此系统,最高车速达38km/h。
    先进的转向系统: 采用代替传统的转向盘和控制手柄,此系统在WA1200型上已安装。
    柴油发动机先进管理系统: 装备有用于燃油喷射控制及维护发动机最佳性能的电子控制模块,其亦可与监控系统进行通讯,当发生故障时提醒司机注意。Cat3516B型发动机装有此模块。
    视距内遥控作业: 可在危险地带如急陡的边坡处实现安装作业。如美国Sierrita矿的Cat992C型装载机设了Black Box Automation 公司开发的视距内无线电远距离遥控系统。
    6) 驾驶室
    近几年来国外装载机的设计和制造进一步体现了以人为本的理念,要为司机提供一个更加舒适的环境,以达到他们称之为全自动化型的境地。大中型装载机驾驶室普遍采用翻车保护装置结构(ROPS)和落物保护装置结构(FOPS),室内安装空调装置,采用防尘、减震和隔离材料。按人机工程学设计的司机座椅可以全方位调节,以及功能集成的操纵手柄,全自动换挡装置及电子监控与故障自诊断等各种智能系统,司机台上安装AM/FM立体声盒式磁带收录机,有的还装有网络电话等,这些都极大的改善了司机工作环境,提高了工作效率与作业舒适性。
    如卡特彼勒公司装载机的即使是设有微机监控装置和可调悬挂式座椅,先导液压阀操纵铲斗控制手柄及流量放大转向系统等,使操作轻便、灵活,采用防翻车保护装置和落物保护装置结构符合ISO标准要求。
    小松公司的WA系列驾驶室采用硅橡胶黏性阻尼安装,以吸收振动和噪声。室内布置简洁,可适应不同体型的司机。还设有电控加热器、除霜器和空调,侧窗和后窗提供了无障碍的全景视野,部分机型驾驶室后窗还设有电提升装置。电控行驶控制系统(ECSS),能将纵向和垂直方向的低频振动降低40%~50%,减小司机疲劳程度。
    (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1~2min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。


    1.2.2 国外装载机发展趋势
    综合上述现状和未来市场需求,国外装载机在其未来的技术发展中将广泛应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、噪声抑制方法等消除或降低机器噪声;通过不断改进电喷装置,进一步降低柴油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、自动换挡变速装置;普遍安装GPS定位与质量自动称量装置;开发“机器人式”装载机等。
    (1) 系列化,特大型化
    系列化是工程机械发展的重要趋势。国外著名大公司逐步实现其产品系列化进程,形成了从微型到特大型不同规格的产品。与此同时,产品更新换代的周期明显缩短。
    (2) 多用途,微型化
    为了全方位的满足不同用户的需求,国外装载机在朝着系列化、特大型化方向发展的同时,已进入多用途、微型化发展阶段。推动这一发展的因素首先源于液压技术的发展,通过对液压系统的合理设计,使得工作装置能够完成多种作业功能;其次,快速可更换连接装置的诞生,安装在工作装置上的液压快速可更换连接器,能在作业现场完成各种附属装置的快速装卸及液压软管的自动连接,使得更换附属作业装置的工作在司机室通过操纵手柄即可快速完成。一方面,工作机械通用性的提高,可使用户在不断增加投资的前提下充分发挥设备本身的效能,完成更多的工作;另一方面,为了尽可能地用机器作业代替人力劳动,提高生产效率,适应城市狭窄施工场所以及特殊作业环境的使用要求,小型及微型装载机有了用武之地,并得到了较快的发展。为占领这一市场,各生产厂商都推出了多用途、小型和微型装载机。
    (3) 进一步普及应用液压技术,广泛应用微电子、信息技术
    液压技术将得到进一步的发展和应用,并继续朝着高速、高压、大流量、大功率、动静态性好、质量轻、结构简单、成本低和寿命长等更高水平发展。液压技术将进一步与微电子、信息技术相结合,实现机-电-信一体化,最大限度的提高功能利用率,提高装载机的技术性能和科技含量。
    (4) 不断创新的结构设计
    目前,装载机的工作装置已不再采用单一的Z形连杆机构,许多公司不断设计出新颖独特的连杆机构工作装置,这将进一步增加装载机工作装置的种类。
    (5) 更加重视安全性、舒适性和可靠性
    装载机的安全性、舒适性和可靠性技术将得到更广泛的重视。翻滚保护和落物保护结构驾驶室、消声、减震、防油污以及全球定位系统(GPS),闭路监视系统,超声波后障碍探测系统,微机监控和自动报警系统,不解体检测和简化维修等各种新技术与装置将得到进一步的发展和更广泛的应用。
    (6) 向节能与环保方向发展
    一些节能环保的新技术和新方法,如代用燃料、节能装置、降噪装置将得到更深入的试验研究并推广应用,进一步降低能耗,提高作业经济效益。


    1.2.3 国内装载机发展现状
    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0.4~10t 的装载机产品,但产量主要集中在1~5t 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。


    1.2.4 国内装载机发展趋势
    尽管国内装载机的技术发展水平与西方发达国家存在着很大的差距,但也应该考虑到历史和国情的原因。目前国产装载机也正在从低水平、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,各个主要厂家也不断进行技术投入,采用不同的技术路线,在关键部件及系统上技术创新,摆脱目前产品设计雷同,无自己特色和优势的现状,正在从低水平的无序竞争的怪圈中脱颖出来,成为装载机行业的领先者。其发展体现出以下一些趋势:
    ⑴ 大型和小型装载机,在近几年的发展过程中,受到客观条件及市场总需求量的限制,竞争最为激烈的中型装载机更新速度将越来越快。
    ⑵ 各生产厂家根据实际情况,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,以使整机可靠性得到提高。
    ⑶ 优化系统结构,提高系统性能。如动力系统的减震系统、散热系统的结构优化、工作装置的性能指标优化及各铰接点的防尘、工业造型设计,逐步引进最新的传动系统和液压系统技术,予以国产化、商业化,降低能耗,提高性能。
    ⑷ 利用电子技术及负荷传感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、降低装载机作业成本。
    ⑸ 提高安全性、舒适性。驾驶室逐步具备FOPS和ROPS功能,通过国际安全要求的认证,达到国际市场的基本要求,获得进入国际市场的许可证。驾驶室内环境将向汽车方向靠拢,转向盘、座椅、各操纵手柄都能调节,使操作者处于最佳位置工作。
    ⑹ 降低噪声和排放,强化环保指标。随着人们环保意识的增强,许多大城市已制定机动车的噪声和排放标准,工程建设机械若不符合排放标准,将要限制在此地区销售。
    ⑺ 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。
    ⑻ 最大限度的简化维修,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,提供排除问题的方法。


    1.3 本章小结
    通过以上对装载机整体的的叙述, 能明显的认识到其工作装置在整个装载机中占据着重要的作用,其各个系统的目的在于使工作装置能够得到最优化的工作状态,提高装载机在工程中的应用效率,因此,本次设计在于设计出使用范围广,通用性强的一种装载机的工作装置。
















    2 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
    装载机工作装置是完成装卸作业并带液压缸的空间多杆机构。工作装置是组成装载机的关键部件之一,其设计水平的高低直接影响工作装置性能的好坏,进而影响整机的工作效率与经济性指标。
    装载机工作装置分为有铲斗托架和无铲斗托架两种基本结构形式,如下图2-1、2-2所示。它由运动相互独立的两部分组成 连杆机构和动臂举升机构,主要由铲斗、动臂、连杆、上下摇臂、转斗油缸、动臂举升油缸、托架、液压系统等组成。

    图2-1 有铲斗托架式


    图2-2 无铲斗托架式
    1—铲斗 2—动臂 3—连杆 4—下摇臂 5—上摇臂 6—转斗缸 7—动臂举升油缸 8—前车架 9—铲斗托架


    带铲斗托架的工作装置,其动臂及连杆的下铰接点与铲斗托架铰接,上铰接点与前车架支座铰接;转斗油缸铰接在托架上部,活塞杆及托架下部与铲斗铰接。由托架、动臂、连杆及前车架构成一个平行四边形连杆机构,使得转斗缸闭锁时,动臂在举升过程中,铲斗始终保持平动。无铲斗托架的工作装置,其动臂下铰接点与铲斗铰接,上铰接点与前车架支座铰接;转斗缸一端与前车架铰接,另一端与上摇臂铰接;连杆一端与摇臂铰接,另一端与铲斗铰接;摇臂铰接在动臂上。
    动臂举升缸一般采用立式(又称竖式)或卧式(又称横式)布置形式,常见有两种连接方式:一种是油缸顶端与前车架铰接(图2-3);另一种是油缸中部通过销轴与前车架铰接(图2-4)。铲斗是装载物料的容器,通常具有两个铰接点,一个与动臂下铰接点铰接,另一个与连杆铰接。操纵转斗缸实现铲斗的装载或卸料;操纵举升油缸实现动臂和铲斗升降运动。

    图2-3 立式布置形式 图2-4 卧式布置形式

    2.2 工作装置连杆机构的结构形式与特点
    由装载机工作装置的自由度分析可知,工作装置的连杆机构均为封闭运动链的单自由度的平面低副运动机构,其杆件数目应为4、6、8、10、……等。对装载机工作装置而言,尽管杆件数目越多越能实现复杂的运动,但同时铰接点的数目也随之增加,结构越复杂,就越难在动臂上进行布置。因此,实际上装载机工作装置的连杆机构多为八杆以下机构。这样,按组成工作装置连杆机构构件数不同,装载机工作装置可分为三杆、四杆、五杆、六杆和八杆机构;按输入与输出杆转向不同,又可分为正转和反转机构。正转机构是指输入与输出杆的转向相同;反转机构是指输入与输出杆的转向相反。综合国内外装载机工作装置可知,其连杆机构典型结构主要有下列几种。
    1、 正转八杆机构 机构在转斗缸大腔进油时转斗铲取,所以铲取力较大;各构件设计合理时,铲斗能获得较好的举升平动性能;连杆机构的传动比较大,铲斗能获得较大的卸载角和卸载速度,因此卸载干净,速度快;因传动比大,还可以适当减小连杆机构的尺寸,因而可以改善司机的视野。机构结构较复杂,铲斗自动放平性较差。
    组成一个自由度的平面八杆机构共有16种基本结构形式。由于连杆机构要布置在动臂上,所以有可能作为装载机工作装置的仅有两种方案:其一,是由2个四铰构件和6个两铰构件组成(图2-5a);其二,是由1个四铰构件、2个三铰构件和5个两铰构件组成(图2-5b~f)。可见,八杆机构的结构形式很多,需进行选择使用。目前,装载机工作装置八杆机构有以下两种结构形式:
    1) 由图2-5b组成的工作装置如图2-6a、b所示。
    2) 由图2-5e组成的工作装置如图2-6c所示。

    图2-5 八杆机构的构成方案

    图2-6 八杆机构工作装置的结构形式
    2、 六杆机构 六杆机构工作装置是目前装载机上使用最为普及的一种结构形式。对于单自由度的六杆机构,只能有两个三铰构件和4个两铰构件组成,其传递方案如图2-7所示。其中,图b 所示方案目前在装载机上尚未采用;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4为摇臂、构件6为机架。

    图2-7 六杆机构的构成方案

    根据转斗油缸布置位置的不同,可以作为装载机工作装置的六杆机构,常见的有以下几种结构形式:
    1) 转斗缸前置式正转六杆机构(图2-8a) 以图2-7的构件3为转斗缸,其优点是转斗缸直接与摇臂相连接,易于设计成两个平行的四连杆机构,铲斗平移性较好;同八杆机构相比,结构简单,司机视野较好。缺点是转斗时油缸小腔进油,铲掘力相对较小;连杆机构传力比小,使得转斗缸活塞行程较大,转斗缸加长,卸载程度不如八杆机构;由于转斗缸前置,使得工作装置的整体重心外移,增大了工作装置的前悬量,影响整机的稳定性和行驶时的平稳性;铲斗不易实现自动放平。

    图2-8 六杆机构工作装置的结构形式
    2) 转斗缸后置式正转六杆机构(图2-8b) 以图2-7a 的构件5为转斗缸,并布置在动臂的上方。与转斗缸前置式相比,机构前悬较小,传动比较大,活塞行程较短;有可能将动臂、转斗缸、摇臂和连杆机构的中心线设计在同一平面内,从而简化了结构,改善了动臂和铰销的受力状态。缺点是:转斗缸与车架的铰接点位置较高,影响了司机的视野,其他同前置式。
    3) 转斗缸后置式正转六杆机构(图2-8c) 仍以构件5为转斗缸,但将其布置在动臂下方。在铲掘收斗作业时,以油缸大腔工作,故能产生较大的掘起力。但组成工作装置的各构件不易布置在同一平面内,构件受力状态较差。
    4) 转斗缸后置式反转六杆机构(图2-8d) 以图2-7a 的构件5为转斗缸,将其布置在动臂上面,转斗缸小腔作用时进行铲掘。这种机构又称为“Z”形连杆机构(Z-bar Linkage)。该机构具有以下优点:一是,铲斗插入时转斗缸大腔进油,并且连杆机构的传力比可以设计成较大值,故可获得较大的掘起力;二是,合理设计连杆机构各构件的尺寸,不仅可以得到良好的铲斗平移性能,而且可以实现铲斗的自动放平;三是,结构十分紧凑,前悬小,司机视野好。缺点是摇臂和连杆布置在铲斗和前桥之间的狭窄部位,各构件间易于发生干涉。
    5) 转斗缸后置式反转六杆机构(图2-8e) 以图2-7a 的构件3为转斗缸,布置在靠近铲斗处,铲掘时靠小腔作用。现在这种机构很少用。

    3、正转四杆机构(图2-9a) 该机构结构最为简单,易于设计成铲斗举升平动;前悬较小。缺点是铲掘转斗时油缸小腔作用,输出力较小;连杆机构的传力比难以设计成较大值,所以铲掘力相对较小;转斗缸行程较大,油缸结构较长;铲斗卸载时,活塞杆易与铲斗底部相碰,减小了卸载角;机构不易实现铲斗自动放平。

    4、 正转五杆机构(图2-9b) 该机构是在正转四杆机构的基础上,在活塞杆和铲斗之间增加一根短连杆演变而成的,从而克服了正转四杆机构卸载时活塞杆易与斗底相碰的不足。当铲斗端平时,短连杆与活塞杆靠油缸拉力和铲斗重力拉成一直线,合为一杆;而当铲斗卸料时,短连杆能相对活塞杆转动,从而避免了活塞杆与斗底相碰。

    5、 动臂可伸缩式三杆机构(图2-9c) 该机构的最大优点是动臂借助油缸可以进行伸缩。其铲斗插入工况是依靠动臂伸出来实现的,从而解决了靠机器行走时插入造成轮胎严重磨损的问题;卸载时可伸出动臂,以获得较大的卸载高度和卸载距离;运输工况时,可缩回动臂,减小前悬,提高车架行驶时的稳定性。缺点是不能实现铲斗放平和铲斗自动放平,结构比较复杂。

    图2-9 工作装置结构形式
    a)正转四杆机构 b)正转五杆机构 c)动臂可伸缩式三杆机构

    2.3 工作装置自由度的计算
    由于组成装载机工作装置的各构件是通过销轴连接的,各个销轴互相平行;加上,其结构又是纵向对称。因此,在进行装载机工作装置的运动学分析时,可将其简化为带液压缸的平面低副多杆机构,不计各杆件的自重,并假设各铰接点的摩擦力为零。
    图2-10所示,为典型的反转六杆机构和正转八杆机构工作装置的杆系结构简图。图中,UG为动臂位置角;即动臂上、下铰接点的连线与垂直线的夹角,以绕动臂上铰接点逆时针方向为正,反之为负;U为铲斗位置角,即铲斗斗底与水平线正向的夹角为正,反之为负。

    图2-10 工作装置平面杆系结构简图
    a)反转六杆机构 b)正转八杆机构

    对于反转六杆机构的工作装置(图2-10a),它由举升机构GHI、油缸四连杆机构DEFG和铲斗四连杆机构ABCD等组成。其中,活动杆件数n=8,低副数 11,高副数 0。这样,由平面机构自由度的计算公式可得,反转六杆机构工作装置的自由度
    2
    当转斗缸闭锁时,动臂在举升缸的作用下举升或下降铲斗,此时该工作装置的自由度为1,举升缸为原动件;当举升缸闭锁,动臂处于某一特定作业位置不动时,在转斗缸的作用下,通过一平面六杆机构使铲斗绕其铰点转动,此时该工作装置的自由度也是为1,转斗缸为原动件。
    对于正转八杆机构的工作装置(图2-10b),它由举升机构IMN、油缸四连杆机构IFHJ、铲斗四连杆机构ABCD和中间四连杆机构DEGF等组成。同样可得,正转八杆机构工作装置的自由度F=2。


    2.4 工作装置总体设计
    由设计任务书和设计要求,对于本次ZL50装载机的设计采取以下方案:
    在铲斗部分,采用无铲斗托架式结构;油缸的布置形式为立式布置形式。同时考虑到实际工作中的运用情况,它的连杆机构采用的是反转六杆机构。

    主要参数:
    铲斗容量: 3.0 m3
    额定载重量: 5 t
    发动机额定功率: 154 kw
    整机质量: 16.3 t

    以上是为总体的参数,铲斗的取值主要通过到现场测量和老师傅的经验得到;在连杆系统各个铰接点的确定时,采用的是图解法,确定其坐标的位置;液压系统中的转斗油缸和举升油缸主要是通过行程和铰接点的确定从液压件中选取的;然而在本次的设计中,主要采用CATIA 软件进行的设计,具体的设计如第三章所述。







    3 ZL50 装载机工作装置设计
    3.1 工作装置的设计要求
    3.1.1 工作装置工作性能
    工作装置的结构和性能直接影响工程机械整机的工作尺寸和性能参数,工作装置的合理性直接影响整机的工作效率、生产负荷、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。不同类型工程机械的工作装置的组成是不同的。
    装载机的工作过程包括:插入工况、铲装工况、重载运输工况、举升工况、卸载工况、空载运输工况。装载机的工作装置主要由铲斗、动臂、连杆、摇臂、转斗油缸和举升油缸组成。装载机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距离运输作业,还可以进行平地修路等作业。把铲斗更换成专门的装置,还可以进行其他的装载作业。

    3.1.2 对工作装置的要求
    工作装置在设计时应满足以下要求
    (1) 角度要求:满足工作循环中对铲斗各个工作位置的角度要求,达到所要求的卸载高度与卸载距离。
    (2) 运动要求:在工作循环中速度与加速度变化合理,油缸活塞行程为最佳,工作装置运动平稳、无干涉、无死点、无自锁,动臂从最低位置到最大卸载高度的举升过程中,保证铲斗中的物料无撒落,在卸载后,动臂下放至铲掘位置,铲斗能自动放平。
    (3) 结构要求:结构要求简单紧凑,承载元件数量(包括油缸)尽量少,前悬小。
    (4) 动力性要求:连杆机构具有较高的力传递效率,以保证工作装置产生较大的插入力、掘起力和举升力。

    3.2 铲斗设计
    铲斗是工作装置的重要部件,装载机工作时用它直接铲掘、装载、运输和倾卸物料。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,因此铲斗设计质量对装载机的作业能力有较大的影响。为了保证铲斗的设计质量,首先应当合理的确定铲斗的结构及几何尺寸,以降低铲斗插入物料的阻力。其次要保证铲斗有足够的强度、刚度、耐磨性,使之具有合理的使用寿命。

    3.2.1 铲斗的结构形式
    铲斗的形状和尺寸参数对插入阻力、铲取阻力、转斗阻力和生产率都有着很大的影响。同一个铲斗有两种容积标志:一是物料装平时的容积,称为平装斗容;二是物料装满堆高后的容积,称为堆装斗容。机器铭牌上标称的斗容通常为堆装的容积。铲斗由斗底、侧壁、斗刃及后壁等部分组成。铲斗的斗刃还分为带齿和不带齿的两种。铲斗的断面形状一般为“U”形,用钢板焊接而成。
    (1)斗体形状
    从整个斗体形状看来,铲斗基本可以分成“浅底”和“深底”两种类型。在斗容量相同的情况下,前者开口尺寸较大,斗底深度较小,即斗前壁较短,而后者正好相反。
    浅底铲斗插入料堆的深度较小,相应的插入阻力也较小,容易装满,但运输行驶时容易撒落物料;由于前悬增大,影响车辆行驶平稳性。而深底铲斗则恰恰相反。相比之下,定点装载使用浅底铲斗,而运输距离较大则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,切削刃有直线型和非直线型。前者形式简单,有利于铲平地面,但铲装阻力较大。后者又有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,但铲斗装满系数要比前者小。
    矿用装载机工作条件恶劣,任务繁重,插入和掘起阻力都很大,偏载工况对工作机构的强度影响严重,所以多选用非直线形切削刃,并以V形切削刃为佳。斗刃材质是即耐磨又耐冲击的中锰合金钢材料,侧切削刃和加强角板都用高强度耐磨钢材料制成。
    (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,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、大块较多的情况,效果尤为显著,因此矿用装载机一般都是带斗齿。
    斗齿结构分为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,也有使用双段斗齿的,如图3-1所示。

    图3-1 双段斗齿
    1—齿尖; 2—齿坐; 3—钢销
    这种斗齿的齿尖与齿坐的配合面为锥面,两者配合情况良好。装配时,先置入有弹性的金属橡皮,然后再从上边或从下边往方形销孔中打入钢销3即可。由于拆卸方便,齿尖一边磨损后可以翻转再使用,从而延长使用寿命。大型装载机由于作业条件差、斗齿磨损严重,故常采用这种分体式斗齿。
    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250~300mm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,齿间易于卡住石块,也将增大工作阻力。长而窄的齿要比段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500~600kg为宜。
    (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,物料易于从两侧撒落,影响铲斗的装满。为了不使斗容减小太多,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f =0.4,则摩擦角φ≈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:耐磨又耐冲击的中锰合金钢材料

    3.2.2 铲斗的分类
    铲斗按照卸载方式一般可以分为整体前卸式、侧卸式、推卸式和底卸式等数种。
    (1) 整体前卸式铲斗
    整体前卸式铲斗的突出优点是结构简单,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,绝大多数前端式这装载机都是用这种铲斗。
    (2) 侧卸式铲斗
    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场地往侧旁的运输设备进行装载作业时,其优点就更加显著了。
    (3) 推卸式铲斗
    它可以弥补整体前卸式铲斗卸载高度不足,在装载机其他尺寸参数相同的情况下,能够显著提高卸载高度和增加卸载距离;特别适用于卸出小颗粒粘性物料。与整体前卸式铲斗相比,推卸式铲斗的结构复杂一些,且需要用动力推卸,但具有以上的一些优点,在地下作业时多被采用。
    (4) 底卸式铲斗
    底卸式铲斗是用动力打开斗底卸载的,同推卸式铲斗一样可以提高卸载高度,但结构也是比较复杂。

    以为考虑到成本和产品的实用性,以及在工作中遇到的情况,本次的设计所采用的是整体前卸式的铲斗卸载方式。

    3.2.3 铲斗断面形状和基本参数确定
    (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γ四个参数确定,如图3-2所示。

    图3-2 铲斗断面基本参数图

    圆弧半径r越大,物料进入铲斗的流动性越好,有利于较少物料装入斗内的阻力,卸料快而干净。但r过大,斗的开口大,不易装满,且铲斗外形较高,影响驾驶员观察铲斗斗刃的工作情况。
    后壁高h是指铲斗上缘至圆弧与后壁切点间的距离。
    底壁长l是指斗底壁的直线段长度。l长则铲斗铲入料堆深度大,斗容易装满,但掘起力将由于力臂的增加而减小。由试验得知,插入阻力随铲入料堆的深度而急剧增加。l长同样会减小卸载高度,短则掘起力大,且由于卸料时铲斗刃口降落的高度小,还可以减小动臂举升高度,缩短作业时间,但会减小斗容。对装载轻质物料为主的铲斗,l可选择大些,对于装载岩石的铲斗,应取小些。
    铲斗张开角γ 为铲斗后壁与底壁之间的夹角,一般取45°到52°之间。适当减小张开角并使斗底壁对地面有一定斜度,可减小插入料堆时的阻力,提高铲斗的装满程度。
    铲斗的宽度应大于装载机两个前轮外侧间的宽度,每侧要宽出50~100mm。如铲斗宽度小于两轮外侧间的宽度,则铲斗铲取物料后所行成的料堆阶梯会损伤到轮胎侧壁,并增加行驶时轮胎的阻力。

    通过以上的介绍,结合从现场采集来的大概参数,本次设计的具体参数初定如下:
    铲斗圆弧半径r: 350mm
    底壁长l: 700mm
    后壁高h: 400mm
    张开角γ: 48°

    (2)铲斗基本参数的确定
    在定下了以上的断面参数后,从现场的参考数据得到,本设计铲斗的总宽度B为2900mm,并且铲斗壁厚为30mm。
    设计时,把铲斗的回转半径R (即铲斗与动臂铰接点至切削刃间的距离),如图3-3所示,作为基本参数,铲斗的其他参数作为R的函数。它的大小不仅直接影响铲斗底壁的长度,而且还直接影响转斗时掘起力及斗容的大小,所以它是一个与整机总体有关的参数。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,2.5m3
    铲斗内侧宽度,2.840m
    铲斗斗底长度系数, =1.40~1.53
    后壁长度系数, =1.1~1.2
    挡板高度系数, =0.12~0.14
    圆弧半径系数,
    张开角,为45°~52°
    挡板与后壁间的夹角(无挡板取0)
    图3-3中各参数含义如下:
    铲斗圆弧半径,m
    斗底长度,是指由铲斗切削刃至斗底延长线与斗后壁延长线交点的距离,m

    后壁长度,是指由后壁上缘至后壁延长线与斗底延长线交点的距离,m

    挡板高度,m

    调整参数,根据调整后的各值与R之比分别计算 、 、 、 值, =1.5, =1.1, =0.12
    然后代入式(3-1),即可确定铲斗的回转半径R,通过计算得出 1140mm
    即可得出 =1.5×1140=1710mm
    =1.1×1140=1254mm
    =0.12×1140=136.8mm
    一般取铲斗侧壁切削刃相对斗底壁的倾角 =50°~60°。铲斗与动臂铰接点距离斗底壁的高度 =(0.06~0.12)R。

    3.2.4 铲斗容量的计算
    由于本次设计的铲斗容量是在设计任务书中体现出来的,并且铲斗的参数都是根据铲斗容量而定下的,所以如下只介绍的是它的算法公式。
    (1) 平装容量
    铲斗的平装容量(见图3-4)按照式(3-2)计算。
    对于有防溢板的铲斗
    (m3) (3-2)
    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
    (m3)
    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(3-3)计算。
    对于有防溢板的铲斗
    (m3) (3-3)
    式中 c 物料堆积高度,m
    对于无防溢板的铲斗
    (m3)


    图3-5 设计铲斗
    图3-5 所示为本次设计的铲斗,并通过CATIA输出的立体图形。

    3.3 工作装置连杆系统设计
    通过在第二章中的工作装置连杆机构的结构形式与特点的介绍,综合本次设计的基本要求和设计任务,所选取的结构形式为反转六杆机构结构形式。
    3.3.1 机构分析
    反转六杆工作机构简图如图3-6所示,它由转斗机构和动臂举升机构两个部分组成。
    转斗机构由转斗油缸CD、摇臂CBE、连杆FE、铲斗GF、动臂GBA和机架AD六个构件组成。实际上,它由两个反转四杆机构GFEB和BCDA(即图中GF2E2B和BC2DA)所串联而成。当举升动臂时,若假定动臂为固定杆,则可把机架AD视为输入杆,把铲斗GF看成输出杆,由于AD和GF转向相反,所以叫反转六杆机构。
    举升机构主要由动臂举升油缸HM和动臂GBA构成。
    若把油缸分解成两个活动构件和一个移动副,则反转六杆工作机构的活动构件数n=8,运动低副数PL=11,由自由度公式F=3n-2PL,得到自由度为2。因为两个油缸均为运动件所以整个机构具有确定的运动。
    当举升油缸闭锁时,启动转斗油缸,铲斗将绕G点作定轴转动;当转斗油缸闭锁,举升油缸动作时,铲斗将作复合运动,即一边随动臂对A点作牵连运动,同时又相对动臂绕G点作相对转动。
    其材料为低碳、耐磨、高强度钢。

    图3-6 反转六杆机构简图
    I-插入工况 II-铲装工况 III-最高位置工况 IV-高位卸载工况 V-低位卸载工况

    3.3.2 尺寸参数设计
    因为图解法比较直观,易于掌握,故采用图解法设计,它通过在坐标图上确定铲装工况(图3-6)时工作装置的9个铰接点的位置来实现。

    (1)动臂与铲斗、摇臂、机架的三个铰接点G、B、A的确定
    1)确定坐标系
    如图3-7所示,先选取坐标系并确定尺寸比例1:40。
    2)画铲斗图
    把设计好的铲斗横截面外廓按比例在坐标系xOy中画出,斗尖对准坐标原点O,斗前壁与x轴呈3°~5°的前倾角。此为铲斗插入料堆时位置,即插入工况。

    图3-7 动臂上三铰接点设计

    3) 确定动臂与铲斗的铰接点G
    由于G点的x坐标值越小,转斗掘起力就越大,所以G点靠近O点是有利的,但它受斗底和最小离地高度的限制,不能随意减小;而G点的y坐标值增大时,铲斗在料堆中的铲取面积增大,装的物料多,但这样缩小了G点与连杆铲斗铰接点F的距离,使得掘起力下降。
    综合考虑各种因素的影响,根据坐标图上插入工况的铲斗实际状况,在保证G点y轴坐标值yG=250~350mm和x轴坐标值xG尽可能小而且不与斗底干涉的前提下,在指标图上人为的把G点初步定下来。初定G点坐标为(1130,260)。

    4) 确定动臂与机架的铰接点A
    ①以G点为圆心,使铲斗顺时针转动,至铲斗斗口 与x轴平行为止,即铲装工况。
    ②把已选定的轮胎外廓画在指标图上(轮胎外廓直径约为1600mm)。作图时,应使轮胎前缘与铲装工况时铲斗后壁的间隙尽量小些,目的是使机构紧凑、前悬小,但一般不小于50mm;轮胎中心Z的y坐标值应等于轮胎的工作半径Rk 600mm 。
    (3-4)
    式中 Z点的y坐标值,mm
    轮辋直径,mm
    轮胎宽度,mm
    轮胎断面高度与宽度之比(普通轮胎取1,宽面轮胎去0.83,超宽面轮胎取0.64)
    轮胎变形系数(普通轮胎为0.1~0.16,宽面轮胎取0.05~0.1)
    ③根据给定的最大卸载高度hx,最小卸载距离lx和和卸载角 ,画出铲斗在最高位置卸载时的位置图,即高位卸载工况,并令此时斗尖为O4,G点位置为 ,如图3-7所示。
    ④以 点为圆心,顺时针旋转铲斗,使铲斗口与x轴平行,即得到铲斗最高举升位置图。
    ⑤连接 并作其垂直平分线。因为G和 点同在以A点为圆心,动臂AG长为半径的圆弧上,所以A点必须在 的垂直平分线上。
    A点在平分线的位置应尽可能低一些,以提高整机工作的稳定性,减小机器高度,改善司机视野。一般A点取在前轮右上方,与前轴心水平距离为轴距的1/3~1/2处。最终定下A点的坐标为(3230,2110)。
    A点位置的变化,可借挪动 点和轮胎中心Z点的位置来进行。

    5) 确定动臂与摇臂的铰接点B
    B点的位置是一个十分关键的参数。它对连杆机构的传动比、倍力系数、连杆机构的布置以及转斗油缸的长度等都有很大的影响。如图3-7所示,根据分析和经验,一般取B点在AG连线的上方,过A点的水平线下方,并在AG的垂直平分线左侧尽量靠近铲装工况时的铲斗处。相对前轮胎,B点在其外廓的左上部。本次设计所确定B点坐标为(1680,1565)。在CATIA中显示如图3-8和图3-9所示。

    图3-8 动臂铰接点A的确定

    图3-9 动臂铰接点的三维显示

    (2)连杆与铲斗和摇臂的两个铰接点F、E的确定
    因为G、B两点已被确定,所以再确定F点和E点实际上是为了最终确定与铲斗相连的四杆机构GFEB的尺寸,如图3-10所示。
    确定F、E两点时,既要考虑对机构运动学的要求,如必须保证铲斗在各个工况时的转角,又要注意动力学的要求,如铲斗在铲装物料时应能输出较大的掘起力,同时,还要防止前述各种机构运动被破坏的现象。
    1) 按双摇杆条件设计四杆机构
    令GF杆为最短杆,BG为最长杆,即有
    GF+BG > FE+BE (3-5)
    如图3-10所示,若令GF=a,FE=b,BE=c,BG=d,并将式(3-5)不等号两边同时除以d,整理后得到下式,即
    (3-6)
    上式各值可按式(3-7)选取,由G(1130,260)、B(1680,1565)点的坐标得到d=1415mm
    (3-7)
    由式(3-7)选取K=0.950
    得到 a=0.3d=425
    c=0.58d=830,代入(3-6)
    得到 b=948 。

    图3-10 连杆、摇臂、转斗油缸尺寸设计
    2) 确定E和F点位置
    这两点位置的确定要综合考虑如下四点要求:①E点不可与前桥相碰,并有足够的最小离地高度;②插入工况时,使EF杆尽量与GF杆垂直,这样可获得较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杆与GF杆的传动角也必须大于10°。
    如图3-11所示,铲斗去插入工况,以B点为圆心,以BE=c为半径画弧;人为的初选E点,使其落在B点右下方的弧线上;再分别以E点和G点为圆心,以FE=b和GF=a分别为半径画弧,得到交点,即为F。

    图3-11 连杆端部铰接点设计
    如图所示的得到了E和F点的位置,由于各种工况的情况不定,所以在这就不具体说明此时情况的坐标值。
    (3) 转斗油缸与摇臂和机架的铰接点C和D点的确定
    在图3-10中,如果确定了C点和D点,就最后确定了与机架连接的四杆机构BCDA的尺寸。C点和D点的布置直接影响到铲斗举升平动和自动放平性能,对掘起力和动臂举升阻力的影响都较大。
    1) 确定C点
    从力传递效果出发,显然使摇臂BC段长一些有利,那样可以增大转斗油缸作用力臂,使掘起力相应增加。但加长BC段,必将减小铲斗和摇臂的转角比,造成铲斗转角难以满足各个工况的要求,并且使得转斗油缸行程过长。因此初步设计时,一般取
    (3-8)
    C点一般取在B点左上方,BC与BE夹角可取∠CBE=130°~180°,并注意使插入工况时摇臂BC与转斗油缸CD趋近垂直;C点运动不得与铲斗干涉,其高度不能影响司机视野。
    通过本次设计的基本要求,在这里确定BC=0.72BE=600mm,同时BC与BE夹角取值∠CBE=154°。
    2) 确定D点
    转斗油缸与机架的铰接点D,是根据铲斗由铲装工况举升到最高位置工况过程为平动和由高位卸载工况下降到插入工况时能自动放平这两大要求来确定的。
    如图3-10所示,当铰接点G、F(即F2)、E(即E2)、B、C(即C2)被确定后,则铲斗分别在工况I、II、III、IV时的C点的位置C1、C2、C3、C4也就唯一被确定了。
    因为铲斗由工况II举升到工况III或由工况IV下放到工况I的运动过程中,转斗油缸的长度分别保持不变,所以D点必为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。
    最终,D点设计在A点的左下方,这样不但平动性能好,而且动臂举升时,可减小举升外阻力矩,有利于举升油缸的设计。D点的固定坐标值为(3000,1850)。

    (4) 动臂举升油缸与动臂和车架铰接点H点及M点的确定
    动臂举升油缸的布置应本着举臂时工作力矩大、油缸稳定性好、构件互不干扰、整机稳定性好等原则来确定。综合考虑这些因素,所以动臂举升油缸都布置在前桥与前后车架的铰接点之间的狭窄空间里。

    通过以上的设计,确定了各个铰接点的位置,同时设计好了的外形前提下,在CATIA软件画图为基础,得到本次设计中 ZL50装载机的各个工况如下:

    图3-12 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

    图3-15 V 低位卸载工况


    3.3.3 连杆系统运动分析
    (1)铲斗对地位置角
    图3-16所示为铲斗位置角计算,A、B、G为动臂与机架、摇臂、铲斗的铰接点,D、C为转斗油缸与机架、摇臂的铰接点,E、F为连杆与摇臂、铲斗的铰接点。因为G点和F点同为一个铲斗上的两点,所以铲斗在坐标系中的平面运动可用GF杆的平面运动来描述,而在铲斗举升过程中的各瞬时对地面的倾角,即铲斗对地位置角,可用GF与地面的夹角 来表示。由于在举升过程中铲斗做复合运动,所以 可用运动合成的方法求得。

    图3-16 铲斗位置角计算

    在图3-16中,取运输工况为工作装置连杆机构运动的初始位置,令 为与地面固连的直角坐标系,x轴与地面平行,并在动臂上G点(动臂与铲斗铰接点)处建立一个随动臂一起运动的动坐标系 ,则动臂被举升时的铲斗各瞬时对地位置角 ,可用下式计算:
    (3-9)
    式中 GF杆与动坐标系 轴的夹角(方向角)
    动臂ABG举升时,在固定坐标系xOy中转过的转角
    在动坐标系 中,运用“向量投影法”,可求得以机架杆AD的方向角 为自变量,铲斗GF杆的方向角 为因变量的函数方程式。
    根据向量投影法的原理,可把四杆机构GFEB和BCDA当作两个封闭的向量四边形,各边向量分别用GF、BE、GB、AD、CD、BC、BA表示,他们的模分别用GF、BE、GB、AD、CD、BC、BA表示,则在BCDA向量四边形中有
    AD-CD-BC+BA=0 (3-10)
    将式(3-10)中各向量分别向 轴和 轴投影,则得到下列方程
    (3-11)
    式中 、 、 、 分别为各边向量对 轴的方向角。
    变换式(3-11)为下式,即
    (3-12)
    将式(3-12)等号两边平方后,使两方程相加,并令
    (3-13)

    (3-14)
    则从式(3-12)中消去了 ,并将其变换成下列三角方程
    (3-15)
    将式(3-15)乘以 ,并设 ,则式(3-15)可化为
    (3-16)
    解式(3-16),得


    (3-17)
    同理,在向量四边形GFEB中,有
    BE-FE-GF+GB= 0 (3-18)

    (3-19)

    (3-20)
    得三角方程
    (3-21)
    其解为
    (3-22)
    通过公式的计算和实际设计尺寸的情况,可得到在各个工况的对地位置角分别为:
    插入工况:105°;
    铲装工况:50°;
    最高位置工况:57°;
    高位卸载工况:131°。
    因为在运动过程中,铲斗的对地位置角是不断变化的,在此只针对以上四种特殊情况的位置角代入了计算。

    (2)最大卸载高度和最小卸载距离
    铲斗高位卸载时的卸载高度 和卸载距离 ,必须分别不小于设计任务给定的最大卸载高度 和最小卸载距离 ,否则将影响卸载效率,甚至不能进行高位卸载。 太大时,将增加卸载冲击,损坏运输车辆; 过大,虽然有利于装车,但加大了工作机构前悬,降低了整机稳定性。
    如图3-5所示,高位卸载时,铲斗与动臂铰接点 的坐标为
    (3-23)
    式中 x1,x2 工况II时G点的x和y坐标值(1130,260)
    工况II时动臂对x轴的方向角40°
    动臂与铲斗铰接点分别在G点和 点之间的距离,可用式(3-24)计算
    =3291 (3-24)
    即得到 点的坐标为(985,3487)
    若要满足 和 要求,必须有下列各式成立
    (3-25)
    (3-26)
    式中 OG 铲斗尖O点至G点距离1141mm
    前轮轴心的x坐标值2873mm
    轮胎工作半径600mm
    工况IV时OG对x轴的方向角,可用下式计算
    =58° (3-27)
    所以
    =3487-1141×sin58°
    =2519 mm≥hmax(2500)满足要求

    =2873―600―985+1141cos58°
    =1893 mm≥lmin(1500)满足要求

    (3)铲斗卸载角
    装载工作要求铲斗在工况II和工况III之间的任何位置都能正常卸载,即各处卸载角 都必须不小于45°。对反转六杆机构进行分析可知,由于工况II时转斗油缸最长,而低位卸载时转斗油缸长度最短,所以,若工况II和工况III时的铲斗的卸载角 都不小于45°,则他们之间各个位置必能正常卸载,因此,只要对铲斗的高位卸载角和低位卸载角进行计算分析即可。
    高位卸载角 为:

    =131-105+5=31° (3-28)

    3.4 工作装置静力学分析及强度校核
    3.4.1 静力学分析
    (1)外载荷确定原则
    装载机在铲斗插入料堆,铲取物料和举升铲斗的过程中,铲斗要克服切削物料的阻力、物料与铲斗间的摩擦力和物料自身的重力。这些力构成了装载机工作装置的作业阻力。为了分析问题方便,假设它们作用在铲斗齿尖的刃口上,并形成两个集中力:水平插入阻力和垂直掘起阻力。
    由于铲装物料的种类和作业条件不同,装载机实际作业时不可能使铲斗切削刃均匀受载,但可以简化为两种极端受载情况:一是对称载荷,载荷沿切削刃均匀分布,计算时可用一个作用在斗刃中部的集中载荷来代替;二是偏心载荷,由于铲斗偏铲或物料的不均匀性而导致物料对铲斗的载荷产生不均匀分布,使载荷偏于铲斗一侧,形成偏心载荷,此时,通常将其简化后的集中载荷加在铲斗侧边的第一个斗齿上。
    装载机在铲掘作业过程中,通常有以下三种受力工况:
    ①铲斗水平插入料堆,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3-17所示。

    图3-17 工作装置外载荷工况

    (2)外载荷计算
    装载机的工作阻力是多种阻力的合力。由于物料性质和工作机构工作方式的不同,工作阻力有不同的计算方法,一般工作阻力通常分别按插入阻力、掘起阻力和转斗阻力矩进行计算。
    ①插入阻力
    插入阻力就是铲斗插入料堆时,料堆对铲斗的反作用力。插入阻力由铲斗前切削刃和两侧斗壁的切削刃的阻力,铲斗底和侧壁内表面与物料的摩擦阻力,铲斗底外表面和物料的摩擦阻力组成。这些阻力与物料的种类、料堆高度、铲斗插入料堆的深度、铲斗的结构形状等有关。计算上述阻力比较困难,一般按照下面经验公式来确定:
    (N) (3-29)
    式中 K1 物料块度与松散程度系数,见附录表3-1
    K2 物料性质系数,见附录表3-2
    K3 料堆高度系数,见附录表3-3
    K4 铲斗形状系数,一般在1.1~1.8之间,取1.3
    B 铲斗宽度,290cm
    L 铲斗的一次插入深度,40cm
    得到: F=9.8×1.0×0.045×1.10×1.3×290×401.25
    =18397(N)

    ②掘起阻力
    掘起阻力就是指铲斗插入料堆一定深度后,举升动臂时物料对铲斗的反作用力。掘起阻力同样与物料的种类、块度、松散程度、密度、物料之间及物料与铲斗之间的摩擦阻力有关。掘起阻力主要是剪切阻力。最大掘起阻力通常发生在铲斗开始举升的时刻,此时铲斗中物料与料堆之间剪切面积最大,随着动臂的举升掘起阻力逐渐减小。
    铲斗开始举升时物料的剪切力按下式计算
    (N) (3-30)
    式中 K 开始举升铲斗时物料的剪切应力,它通过试验测定,对于块度为0.1~0.3m的松散花岗岩,剪切应力的平均值取K=35000Pa
    B 铲斗宽度,m
    Lc 铲斗插入料堆的深度,m
    得到: F=2.2×35000×2.9×0.4
    =89320(N)

    ③转斗阻力矩
    当铲斗插入料堆一定深度后,用转斗油缸使铲斗向后翻转时,料堆对铲斗的反作用力矩称为转斗阻力矩。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 表示,此时铲斗转角a=0;其后,转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3-18),一直到铲斗前切削刃离开料堆坡面线为止 。开始铲取时(a=0)的静阻力矩 为
    (3-31)
    式中 Fx 开始转斗时的插入阻力,18397N
    x 铲斗回转中心与斗刃的水平距离,1.13m
    y 铲斗回转中心与地面的垂直距离,0.26m
    L 铲斗的插入深度,0.4m
    得到
    =1.1×18397×[0.4×(1.13-0.25×0.4)+0.26]
    =13599 (N·m)

    图3-18 转斗静阻力矩与铲斗转角的关系
    掘起阻力矩 随铲斗回转角a的增大而减小。当铲斗回转a角后,其转斗阻力矩 为
    (3-32)
    式中


    铲斗离开料堆时的翻转角度
    铲斗离开料堆时,由物料重力产生的阻力矩,N·m
    转斗阻力矩计算:铲斗在料堆中转斗时,除了要克服料堆的静阻力矩之外,还要克服铲斗自重和铲斗中物料所产生的阻力矩。因此,开始转斗的阻力矩为
    (3-33)
    式中 转斗阻力矩,N·m
    开始转斗静阻力矩,13599 N·m
    装载机额定载重量重力,49000 N
    铲斗自重力,13470N
    铲斗中心至回转中心B的水平距离(图3-19),0.5m
    得到
    =13599+(49000+13470)×0.5
    =44834 (N·m)


    图3-19 作用在转斗连杆上力的确定
    作用在转斗连杆上的力 :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 (图3-12)
    (N) (3-34)
    式中 铲斗回转中心至 的作用线的垂直距离,0.430m
    得到 =44834/0.43
    =104265 (N)
    3.4.2 强度校核
    摇臂的强度校核,在对称载荷作用下,摇臂可看作是支承在动臂B点变截面曲梁。为简化计算,将摇臂主轴线分成CB、BE折线段,见图3-20,求出每段的内力值。

    图3-20 摇臂内力计算
    由式3-34可得Fc=104265 N,取单边侧板为研究对象,得到
    N (3-35)
    由 ,得到
    (3-36)
    代入数据得到
    =72116 N
    弯矩
    =43269 N·m (3-37)
    在对称水平载荷作用下,由内力得出内力图(图3-21)

    图3-21 对称载荷引起的摇臂内力图
    然后对危险断面强度校核。对于危险断面1-1,在此断面上作用有弯曲应力和正应力,以其合成应力所表示的强度条件为
    (3-38)
    (3-39)
    由式3-39得到:
    =0.0063 m2
    得到: 20 000 000 Pa
    强度通过
    式中 A 摇臂断面1-1处截面积
    R 摇臂断面处外圆弧半径
    b 侧臂断面1-1处的钢板厚度
    d 断面1-1处铰接销直径


    3.5 液压缸设计
    3.5.1 液压缸的类型和结构
    为了实现增压目的,本装置选用增压液压缸。增压液压缸工作原理如图3-22所示。当低压为P1的液体推动增压杆的大活塞D时,大活塞推动与其连成一体的小活塞d输出压力为P2的高压液体。增压缸的特性方程为:
              (3-40)
    (3-41)
    式中, 称为增压比,代表其增压能力。显然,增压能力是在降低有效流量的基础上得到的,也就是说增压缸仅仅是增大输出的压力,并不能增大输出的能量。

    图3-22 单作用液压缸

    3.5.2 液压缸基本参数设计
    1.液压缸载荷力的组成和计算
    液压缸的载荷力在整个推进过程中式变化的,计算时只需求出最大载荷力 。液压缸在受压状态下工作,其活塞杆上的力包括工作载荷 ,导轨的摩擦力 和由于速度变化而产生的惯性力 。以上三种载荷之和称为液压缸的外载荷 。
    起动加速时 (3-42)
    稳态运动时 (3-43)
    减速制动时 (3-44)
    除外载荷 外作用于活塞上的载荷 还包括液压缸密封处的摩擦力阻力 ,由于各种缸的密封材质和密封形成不同,密封阻力难以精确计算,一般估算为:
    (3-45)
    式中: ——液压缸的机械效率,本装置取0.90。
    故 。 (3-46)
    2.液压缸的主要参数计算
    活塞杆受压时 (3-47)
    式中: ——大腔活塞有效作用面积,m2
    ——小腔活塞有效作用面积,m2
    ——液压缸工作腔压力
    ——液压缸回油腔压力,即背压
    ——活塞直径
    ——活塞杆直径
    本装置中取 , , MPa。则可得出杆径比约为0.3。
    对无活塞杆腔,当要求推力为 时, 。 (3-48)
    对有活塞杆腔,当要求推力为 时, 。 (3-49)
    式中: ——液压缸的工作压力,本装置取16Mpa。
    ——往返速比, ,本装置取1.46。
    ——液压缸的机械效率,本装置取0.90。
    缸筒的内径 应取(9)和(10)中计算值较大的一个,然后按(GB/T2348-1993)/mm中所列的液压缸内径系列圆整为标准值。圆整后转斗油缸和举升油缸的增压缸活塞直径均为 mm,活塞杆直径均为 mm。
    3.活塞杆的最大允许行程
    活塞行程 ,在初步确定时,主要是按实际工作需要的长度来考虑的。但这一工作行程并不一定是液压缸的稳定性所允许的行程。为计算行程,首先应求出活塞杆的最大允许计算长度 。由欧拉公式推导出:
    (3-50)
    式中: ——活塞杆弯曲失稳临街压缩力,N。
    ——活塞杆纵向压缩力,N。
    ——安全系数,通常 。
    ——材料的弹性模数。钢材的 N/mm2
    ——活塞杆横截面惯性矩,mm2;圆截面
    对于各种安装导向条件的液压缸计算长度 (3-51)
    式中: ——活塞杆直径,mm。
    ——液压缸末端条件系数(安装及导向系数)。
    根据上述公式所确定的活塞杆计算长度及(GB/T2349-1980)/mm中,第一系列所给出的活塞行程系列,确定转斗油缸活塞行程为600mm,举升油缸活塞缸行程为800mm。
    4.最小导向长度的确定
    当活塞杆全部外伸时,从活塞支撑面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度H。如果导向长度过小,将使液压缸的初始挠度(间隙引起的挠度)增大,影响液压缸的稳定性,因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。对一般液压缸,最小导向长度H应满足以下要求
    (3-52)
    式中: ——液压缸的最大行程。
    ——缸筒内径。
    本装置中 mm, mm, mm,故取 mm,得到 H=120。
    活塞的宽度,一般取 。到向套滑动面的长度A,在 mm时,取 。本装置中取 mm, mm。










    4 CATIA软件的应用
    4.1 CATIA软件的介绍
    由于本次设计的图形是通CATIA软件表达的,在此对于对其做一个简单的介绍:

    CATIA是英Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application的缩写。它是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM 一体化软件。
    在70年代 Dassault Aviation 成为了第一个用户,CATIA 也应运而生。从1982年到1988年,CATIA 相继发布了1版本、2版本、3版本,并于1993年发布了功能强大的4版本,现在的CATIA 软件分为V4版本和 V5版本两个系列。V4版本应用于UNIX 平台,V5版本应用于UNIX和Windows 两种平台。V5版本的开发开始于1994年。为了使软件能够易学易用,Dassault System 于94年开始重新开发全新的CATIA V5版本,新的V5版本界面更加友好,功能也日趋强大,并且开创了CAD/CAE/CAM 软件的一种全新风格。
    法国 Dassault Aviation 是世界著名的航空航天企业。其产品以幻影2000和阵风战斗机最为著名。CATIA的产品开发商Dassault System 成立于1981年。而如今其在CAD/CAE/CAM 以及PDM 领域内的领导地位,已得到世界范围内的承认。其销售利润从最开始的一百万美元增长到现在的近二十亿美元。雇员人数由20人发展到2000多人。
    CATIA是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化软件,居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位,广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子\电器、消费品行业,它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域,其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。CATIA 提供方便的解决方案,迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒,几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过13,000的用户选择了CATIA。CATIA 源于航空航天业,但其强大的功能得到了各行业的认可,在欧洲汽车业,已成为事实上的标准。CATIA 的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的电子装配,创造了业界的一个奇迹,从而也确定了CATIA 在CAD/CAE/CAM 行业内的领先地位。
    CATIA V5版本是IBM和达索系统公司长期以来在为数字化企业服务过程中不断探索的结晶。围绕数字化产品和电子商务集成概念进行系统结构设计的CATIA V5版本,可为数字化企业建立一个针对产品整个开发过程的工作环境。在这个环境中,可以对产品开发过程的各个方面进行仿真,并能够实现工程人员和非工程人员之间的电子通信。产品整个开发过程包括概念设计、详细设计、工程分析、成品定义和制造乃至成品在整个生命周期中的使用和维护。CATIA V5版本具有:
    1)重新构造的新一代体系结构
    为确保CATIA产品系列的发展,CATIA V5新的体系结构突破传统的设计技术,采用了新一代的技术和标准,可快速地适应企业的业务发展需求,使客户具有更大的竞争优势。
    2)支持不同应用层次的可扩充性
    CATIA V5对于开发过程、功能和硬件平台可以进行灵活的搭配组合,可为产品开发链中的每个专业成员配置最合理的解决方案。允许任意配置的解决方案可满足从最小的供货商到最大的跨国公司的需要。
    3)与NT和UNIX硬件平台的独立性
    CATIA V5是在Windows NT平台和UNIX平台上开发完成的,并在所有所支持的硬件平台上具有统一的数据、功能、版本发放日期、操作环境和应用支持。CATIA V5在Windows平台的应用可使设计师更加简便地同办公应用系统共享数据;而UNIX平台上NT风格的用户界面,可使用户在UNIX平台上高效地处理复杂的工作。
    4)专用知识的捕捉和重复使用
    CATIA V5结合了显式知识规则的优点,可在设计过程中交互式捕捉设计意图,定义产品的性能和变化。隐式的经验知识变成了显式的专用知识,提高了设计的自动化程度,降低了设计错误的风险。
    5)给现存客户平稳升级
    CATIA V4和V5具有兼容性,两个系统可并行使用。对于现有的CATIA V4用户,V5年引领他们迈向NT世界。对于新的CATIA V5客户,可充分利用CATIA V4成熟的后续应用产品,组成一个完整的产品开发环境。
    航空航天:CATIA源于航空航天工业,是业界无可争辩的领袖。以其精确安全,可靠性满足商业、防御和航空航天领域各种应用的需要。
    汽车工业:CATIA是汽车工业的事实标准,是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。CATIA在造型风格,车身及引擎设计等方面具有独特的长处,为各种车辆的设计和制造提供了端对端的解决方案。CATIA涉及产品、加工和人三个关键领域。CATIA的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间。
    造船业:CATIA为造船工业提供了优秀的解决方案,包括专门的船体产品和船载设备、机械解决方案。船体设计解决方案已被应用于众多船舶制造企业。中国广州的文冲船厂也对CATIA 进行了成功地应用,使用CATIA 进行三维设计,取代了传统的二维设计。
    CATIA 也显示出了在非高科技行业的应用价值。例如:L’Oreal 使用CATIA 设计洗发水的包装瓶,这使得不仅是包装设计人员,其他非技术人员,像销售人员、采购人员、管理人员都可以快速地浏览大量产品照片。这一点在卫生用品制造业是非常重要的,因为在这个行业中包装是唯一不同的产品。
    在大型企业和公司这方面,CATIA有着绝对的优势。现在CATIA主要是在发展中小型企业,当然它的中小型企业的用户数量也在不断地增长。

    4.2 CATIA软件的应用
    4.2.1 零件设计
    因为装载机工作装置也是有多个零部件组成,这里以铲斗设计过程为例,通过第三章中的铲斗参数设计,在此阐述从理论到CATIA图形的设计过程:
    首先在草图设计环境中设计草图1(如图4-1),添加草图中尺寸间的约束条件。

    图4-1 草图1
    退出草图设计环境,回到零件设计的环境,使得所设计的草图生成立体图,如图4-2所示。

    图4-2 实体1
    在此回到草图设计环境中,设计草图2(如图4-3),之后得到第二片的实体合成在同一个零件上(如图4-4)。

    图3-3 草图2

    图4-4 实体2
    同理,一步一步得到整个零件的实体图形。

    4.2.2 产品设计
    在各个设计好的零件的基础上,进入CATIA软件的产品设计模式,从中添加动臂和摇杆以及他们铰接处的垫片和销轴。如图4-5所示

    图4-5 添加零部件
    在零部件添加完之后,按照设计要求,添加各个零部件之间的约束条件,是它们依照设计要求配合在一起。如图4-6所示

    图4-6 添加各零部件间的约束
    同理,把每个零部件全部设计到一起,并用约束条件使它们连接在一起,从而完成这次装载机工作装置设计的全部过程,得到达到设计要求的产品(图4-7)。

    图4-7 装载机工作装置
    通过一步步的设计,最终完成本次设计的整个过程,达到设计任务书的要求。
    结论
    针对工程机械行业,装载机是一种普遍运用的机械,本次结合以前别人设计经验的基础上,设计了ZL50型装载机工作装置,并利用CATIA软件进行图形表达。该装置主要含有铲斗、动臂、连杆、上下摇臂、转斗油缸、动臂举升油缸、托架、液压系统等组成。在设计过程中,利用CATIA软件,对各部品进行三维建模,并对整个工作装置进行总体布局。其中铲斗、连杆系统是我设计的重点。通过查阅大量资料,并且在乔宏老师的悉心指导下,我完成了整个工作装置的设计。最终设计的这套装置符合设计要求。
    达到最大卸载高度2.5m和最小卸载距离1.5m的要求,本设计最大卸载高度为2.519m,最小卸载距离为 1.893m 。并且工作装置运动平稳、无干涉、无死点、无自锁,动臂从最低位置到最大卸载高度的举升过程中,保证铲斗中的物料无撒落,在卸载后,动臂下放至铲掘位置,铲斗能自动放平。
    在设计过程中我遇到了很多问题。在连杆机构技术方面,要实现铲斗在从高位卸载工况能自动放平到铲装工况,以及从铲取工况到最高位置工况能保持平动;在使用CATIA软件过程中,保存管理使用混乱、约束类型选择不当、绘图方法没有遵照原则。通过老师的指导及同学的帮助,以及自己的不断学习,依依解决了这些问题。当然,本设计还存在许多不足,希望各位老师和同学多提出宝贵意见,以便我在今后的学习工作中改进。
    通过本次毕业设计,使我学习到很多知识。特别是对工程机械方面的知识有了更为深入地了解。在利用CATIA进行三维建模的过程中,更是收获甚多。并且通过设计,使我具备了一定的设计能力,及独立解决问题的能力。









    参考文献

    【1】秦四成 编著;工程机械设计;北京:科学出版社,2003.5
    【2】杨占敏 王智明 张春秋 等编著;装载机;北京:化学工业出版社,2006.1
    【3】高湖海 主编;装载机械;冶金工业出版社,
    【4】王国彪 杨立夫 编著;装载机工作装置优化设计;机械工业出版社,1996
    【5】赵云波 编著;CATIA V5 基础教程;人民邮电出版社,2007
    【6】康鹏工作室 编著;CATIA V5 产品设计实例教程;清华大学出版社,2006
    【7】周士昌 主编;液压系统设计图集;北京:机械工业出版社,
    【8】吉林工业大学 编;工程 ...
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