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1、ZL20裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì),工作裝置概述,裝載機(jī)是一種常用的鏟土運(yùn)輸機(jī)械，廣泛應(yīng)用于土木、建筑、水利、礦山等工程，起著減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高施工效率和質(zhì)量的重要作用。,分類及發(fā)展概況 大、中、小型裝載機(jī),,裝載機(jī)的多功能,結(jié)構(gòu)與工作原理,,,裝載機(jī)的工作裝置由鏟斗、動(dòng)臂、搖臂、連桿（或托架）及液壓系統(tǒng)所組成。 結(jié)構(gòu)型式,工作裝置設(shè)計(jì),工作裝置是帶有液壓缸的空間多桿機(jī)構(gòu)，是完成裝缷作業(yè)的主要執(zhí)行部件。 按有無鏟斗托架分，工作裝置可分為三桿、四桿、五桿、六桿和八桿機(jī)構(gòu)。 按輸入桿和輸出桿的轉(zhuǎn)向分，可分為正轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（輸入桿件與輸出桿件轉(zhuǎn)向相同）和反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（輸入桿件和輸出桿件轉(zhuǎn)向相反）。,,,,,目前國內(nèi)采

2、用較多是反轉(zhuǎn)六連桿。這種機(jī)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、尺寸緊湊。當(dāng)鏟斗鏟掘物料時(shí)由于是反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)斗油缸大腔進(jìn)油工作，可以獲得較大的鏟掘力。 也就是說，鏟起同樣重量的物料，轉(zhuǎn)斗油缸的尺寸可以設(shè)計(jì)得較小。而且轉(zhuǎn)斗油缸后置，使司機(jī)有較好的視野。反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)多用于中小型裝載機(jī)工作裝置中。,主要參數(shù),額定載重量mr=2000 kg 鏟斗額定容量vr= 1m3 最大卸載高度hmax=2600 mm 最小卸載距離Lsmin=900 mm 裝載物料密度=2000 kg/m3 平裝容量vs與額定容量vr關(guān)系：vs=vr/1.2 額定容量vr額定重量mr關(guān)系： vr=mr/,鏟斗設(shè)計(jì),鏟斗基本參數(shù)的確定 鏟斗設(shè)計(jì)時(shí)既要滿足斗

3、容要求又要注意提高鏟斗鏟裝性能，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算模型用下圖表示。,鏟斗斷面形狀,鏟斗的斷面形狀由鏟斗圓弧半徑r、底壁長(zhǎng)l 、后壁高h(yuǎn)和張開角四個(gè)參數(shù)確定。 圓弧半徑r越大，物料進(jìn)入鏟斗的流動(dòng)性越好，有利于減少物料進(jìn)入斗內(nèi)的阻力，卸料時(shí)干凈而且快捷。但r過大，斗的開口較大時(shí)，不易轉(zhuǎn)滿，而且鏟斗外形較高，將影響駕駛員觀察鏟斗斗刃的工作情況。,底壁是指斗底壁的直線段長(zhǎng)度。長(zhǎng)則鏟斗鏟入料堆深度大，斗易裝滿。但掘起力將由于力臂的增加而減小，插入的阻力也將隨鏟斗鏟入料堆的深度而急劇增加。長(zhǎng)亦會(huì)減小卸載高度。短則掘起力大，且由于卸料時(shí)鏟斗刃口降落的高度小，還可減小動(dòng)臂舉升高度，縮短作業(yè)時(shí)間，但會(huì)減小斗容。,

4、鏟斗張開角為鏟斗后壁與底壁間的夾角，一般取4552。適當(dāng)減小張開角并使斗底壁對(duì)地面有一定斜度，可以減小插入料堆時(shí)的阻力，提高鏟斗的裝滿程度。 鏟斗的寬度應(yīng)大于裝載機(jī)兩前輪外側(cè)間的寬度，每側(cè)要寬出50l00mm。如鏟斗寬度小于兩輪外側(cè)間的寬度，則鏟斗鏟取物料后所形成的料堆階梯會(huì)損傷輪胎側(cè)壁，并增加行駛時(shí)輪胎的阻力。,鏟斗尺寸設(shè)計(jì)主要包括斷面尺寸的確定和斗容量的誤差判斷兩部分，其設(shè)計(jì)流程圖如圖,,設(shè)計(jì)鏟斗時(shí)，鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R(即鏟斗與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)至切削刃間的距離)作為基本參數(shù)，鏟斗的其他參數(shù)為R的函數(shù)。 鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R 的大小不僅影響鏟斗底壁的長(zhǎng)度，而且還影響轉(zhuǎn)斗時(shí)掘起力及斗容的大小，所以它是一個(gè)

5、與整機(jī)總體有關(guān)的參數(shù)。鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑尺寸按下式計(jì)算。,,（1）鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R的確定,式中 VS 鏟斗平裝斗容量 (m3)； B。鏟斗內(nèi)側(cè)寬度(m)； g 鏟斗斗底長(zhǎng)度系數(shù)，通常 Z 后斗壁長(zhǎng)度系數(shù)，通常 K擋板高度系數(shù)，通常 r斗底和后斗壁直線間的圓弧半徑系數(shù)，通 常 ； 1 擋板與后斗壁問的夾角，通常 ； 選擇1時(shí)應(yīng)使側(cè)壁切削刃與擋板的夾角為90； 張開角，斗底和后斗壁間的夾角， 通常,,,,,,斗底長(zhǎng)度： Lg=Rg=(1.41.5)R， 斗后壁長(zhǎng)度：Lz=Rz=(1.11.2)R， 擋板高度： Lk=Rk=(0.120.14)R， 斗底圓弧半徑：r=Rr=(0.

6、350.40) 當(dāng)VS 、 B。已知，只要初選g 、Z 、Z 、r 系數(shù)值和、1，可求得鏟斗的基本參數(shù)。調(diào)整參數(shù)，根據(jù)調(diào)整后的各值與R之比分別計(jì)算g 、Z 、Z 、r值，然后代入R計(jì)算式，既可確定新鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R。由R和計(jì)算出來的系數(shù)值，即可確定新鏟斗的其它參數(shù)值。 一般取鏟斗側(cè)壁切削刃相對(duì)斗底壁的傾角0=50 60 。鏟斗與動(dòng)臂鉸銷距斗底壁的高度h= (0.060.12)R。,（2）鏟斗截面各邊尺寸計(jì)算,鏟斗斗容量計(jì)算與誤差判斷,Vr-Vh 式中 S鏟斗平裝容量橫截面，m2； a擋板高度，a=Lk，m； b鏟斗開口長(zhǎng)，m； c堆積高度，m。 鏟斗平裝容量橫截面S的計(jì)算： 鏟斗

7、平裝容量橫截面面積S由5部分圖形組成，如圖所示。 式中 S1扇形AGF的面積，m2； S2直角三角形GFN，m2； S3直角三角形GAC，m2； S4三角形CGN，m2； S5直角三角形CND，m2。,,,,工作裝置連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),工作裝置連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)任務(wù)是確定各連桿的尺寸和相互間的位置關(guān)系，以滿足設(shè)計(jì)任務(wù)中規(guī)定的使用性能及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。由于連桿尺寸以及銷軸的相互影響，連桿機(jī)構(gòu)可變形很大，可變參數(shù)很多，目前大多采用圖解法或類比法加以確定。,機(jī)構(gòu)分析,工作機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)和動(dòng)臂舉升機(jī)構(gòu)兩部分組成。 轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)斗油缸CD、搖臂CBE、連桿FE、鏟斗GF、動(dòng)臂GBA和機(jī)架AD六個(gè)構(gòu)

8、件組成。實(shí)際上，是由兩個(gè)反轉(zhuǎn)四桿機(jī)構(gòu)GFEB和BCDA所串聯(lián)而成。當(dāng)舉升動(dòng)臂時(shí)，若假定動(dòng)臂為固定桿，則可把機(jī)架AD視為輸入桿，把鏟斗GF看成輸出桿，由于AD和GF轉(zhuǎn)向相反，所以稱為反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)。,反轉(zhuǎn)六連桿工作機(jī)構(gòu)組成 轉(zhuǎn)斗油缸CD 搖臂CBE 連桿FE 鏟斗GF 動(dòng)臂GBA 機(jī)架AD,設(shè)計(jì)要求,在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面滿足鏟斗舉升平移性、自動(dòng)放平性、最大卸載高度、最小卸載距離和各個(gè)位置的卸載角等要求； 在動(dòng)力學(xué)方面滿足挖掘力(鏟取力)、舉升力和生產(chǎn)效率的要求前提下，使轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸的所需輸出力及功率盡量減少。各個(gè)位置必須保證工作機(jī)構(gòu)正常工作，不得出現(xiàn)“死點(diǎn)”、“自鎖”和“機(jī)構(gòu)撕裂”等機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)被破

9、壞的現(xiàn)象。,鉸接點(diǎn)的確定,工作裝置連桿機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)有圖解法和解析法，本次設(shè)計(jì)采用圖解法和類比以確定各鉸接點(diǎn)的位置。 將反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)放到直角坐標(biāo)系XOY中，只要確定出某一典型工況時(shí)的九個(gè)鉸接點(diǎn)A,B,C,D,E,F,G,H,M坐標(biāo)值，則可以求得工作裝置連桿機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的尺寸參數(shù)值。,工作裝置機(jī)構(gòu)各鉸接點(diǎn)的選擇,把已經(jīng)設(shè)計(jì)好的鏟斗橫截面圖按比例畫在XOY坐標(biāo)里，斗尖對(duì)準(zhǔn)坐標(biāo)原點(diǎn)O，斗前壁與X軸呈3050前傾角。為工況I，即鏟斗插入料堆時(shí)的位置。 在此基礎(chǔ)上選擇下列各點(diǎn)：,運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)G點(diǎn)的選擇,工況I時(shí)的G點(diǎn)選擇，由于X坐標(biāo)值越小，鏟斗的鏟取力就越大。所以G點(diǎn)的選取盡可能小，而Y的坐標(biāo)值也盡

10、可能的小，由于受整機(jī)離地間隙和斗底的限制，一般根據(jù)坐標(biāo)圖上工況I時(shí)的鏟斗實(shí)際狀況，Y軸值一般取250350mm, X軸值取盡可能不與斗底干涉的位置，把G點(diǎn)確定下來。 ZL20裝載機(jī)Y的坐標(biāo)值130mm左右。,Y,O,X,(1) 以G點(diǎn)為圓心，將鏟斗順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，至鏟斗斗口 OO與x軸平行為止，即工況。 (2)把已選定的輪胎外廓畫在坐標(biāo)圖上。作圖時(shí)，應(yīng)使輪胎前緣與工況時(shí)鏟斗后壁的間隙盡量小些，目的使機(jī)構(gòu)緊湊、前懸小，但一般不小于50mm ；輪胎中心Z的yz軸坐標(biāo)值應(yīng)等于輪胎的工作半徑：,yz,A點(diǎn)的選擇,一般A點(diǎn)選擇前輪的右上方，它的選擇是在工況、時(shí)，G點(diǎn)與G連線的垂直平分線上，且一般選擇在與前軸

11、水平距離為軸距的1/31/2處。并且盡可能低一些，提高整機(jī)的穩(wěn)定性，改善司機(jī)的視野。,,(3)根據(jù)最大卸載高度、最小卸載距離和卸載角，畫出鏟斗在最高位卸載的位置，即工況IV，如圖所示。 (4)以G點(diǎn)為圓心，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)鏟斗，使鏟斗斗口與x軸平行，即鏟斗被舉升到最高位置圖(工況)。 (5)連接GG并作其垂直平分線，因?yàn)镚和G點(diǎn)同在以A點(diǎn)為圓心，動(dòng)臂AB長(zhǎng)為半徑的圓弧上，所以A點(diǎn)必在GG的垂直平分線上。,G,G,A點(diǎn)位置盡可能低一點(diǎn)，以提高整機(jī)工作的穩(wěn)定性，減小機(jī)器高度，改善司機(jī)視野。一般，A點(diǎn)取在前輪右上方，與前軸心水平距離為軸距的1/31/2處。 A點(diǎn)位置的變化，可挪動(dòng)G點(diǎn)和輪胎中心Z點(diǎn)的位置來

12、調(diào)整。,A,G,Z,G,動(dòng)臂的回轉(zhuǎn)角通常取=8090。 本例取=89,,動(dòng)臂長(zhǎng)度的確定： 本例取2300mm左右。,確定動(dòng)臂長(zhǎng)度,B點(diǎn)的選擇：,一般取B點(diǎn)在AG連線的上方，過A點(diǎn)水平線的下方，并在AG的垂直平分線左側(cè)盡量靠近工況時(shí)的鏟斗處。相對(duì)前輪胎，B點(diǎn)在其外廓的左上部。B點(diǎn)選擇的好壞，對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比、倍力系數(shù)、連桿機(jī)構(gòu)的布置以及轉(zhuǎn)一斗油缸的長(zhǎng)度等都有很大的影響。,A,G,B,因?yàn)镚、B兩點(diǎn)已被確定，所以再確定F和E點(diǎn)實(shí)際上是為了是終確定與鏟斗相聯(lián)的四桿機(jī)構(gòu)GF2E2B的尺寸。,E, F點(diǎn)的選擇：,,確定F 、E兩點(diǎn)時(shí)，既要滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求，保證鏟斗在各工況時(shí)的轉(zhuǎn)角，又要滿足動(dòng)力學(xué)要

13、求，鏟斗在鏟裝物料時(shí)應(yīng)能輸出較大的鏟取力，同時(shí)，還要防止前述各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)被破壞的現(xiàn)象。建議按下述方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。 按雙搖桿條件設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu) 令GF為最短桿，BG為最長(zhǎng)桿，有 GF+BGFE+BE 令GF=a，F(xiàn)E=b, BE=c, BG=d，并將上式不等號(hào)兩邊同時(shí)除以d ,經(jīng)整理可得下式，即,,初步設(shè)計(jì)時(shí)，上式各值按下式選取。 K=0.9500.995 a=(0.30.5)d c=(0.40.8)d d值已由BG確定，所以即可求出a、b、c三值。,,E, F點(diǎn)的選擇：,可在B、 G兩點(diǎn)己確定的情況下，除按LGF為最短桿、LBG為最長(zhǎng)桿、而且滿足LGF +LBG LEF

14、 +LBE的條件外，還應(yīng)滿足E點(diǎn)不可與前橋或前車架相碰，并有足夠的離地高度； 工況I時(shí)，EF桿盡量與GF桿垂直，可以獲得較大的傳動(dòng)角和倍力系數(shù)； 工況時(shí)EF桿與GF桿的夾角必需小于1700，LGF + LEF LGE，以免發(fā)生機(jī)構(gòu)自鎖、死點(diǎn)、撕裂； 工況IV時(shí)EF桿與GF桿的夾角必須大于100 ，LEF + LBE LBF 。, C、D點(diǎn)的選擇：,C點(diǎn)和D點(diǎn)的布置直接影響到鏟斗舉升平移性和自動(dòng)放平性能，對(duì)鏟取力和動(dòng)臂舉升阻力有較大的影響。從力傳動(dòng)效果出發(fā)，顯然搖臂LBC段長(zhǎng)一些有利，可以增加轉(zhuǎn)斗油缸作用力臂，使鏟取力相應(yīng)增加，但增加LBC必將減少鏟斗和搖臂的轉(zhuǎn)角比，造成鏟斗轉(zhuǎn)角難以滿足各個(gè)工況

15、要求，轉(zhuǎn)斗油缸過長(zhǎng)。 初步設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)滿足LBC (0.71.0) LBE，C點(diǎn)一般取B點(diǎn)的左上方(工況I)，并滿足CBE=1300 1800、BC桿與CD桿盡量垂直，C點(diǎn)不與鏟斗干擾、不影響司機(jī)的視野。 D點(diǎn)是依據(jù)自動(dòng)放平和平移性這兩大要求來確定的，在轉(zhuǎn)斗油缸長(zhǎng)度保持不變的條件下，從工況IV下降到工況I過程中C1和C4連線的乖直平分線和從工況II到工況III過程中C2和C3連線的垂直平分線的交點(diǎn)就是D點(diǎn)。研究證明的D點(diǎn)應(yīng)在A點(diǎn)的左下方為較好，這樣平移性能好，減小動(dòng)臂舉升外阻力矩，有利于舉升油缸的設(shè)計(jì)。, H, M點(diǎn)的選擇：,一般動(dòng)臂舉升油缸都布置在前橋與前后車架的鉸接點(diǎn)之間的空間里，H一般

16、選在AG連線的LAH1/3處。LAH不要取得太大，它已還要受油缸行程的限制，而M點(diǎn)一般選定在靠近前橋的地方。,裝載機(jī)的作業(yè)條件是復(fù)雜多變的，即使在同樣的作業(yè)條件下，由于工作位置及作業(yè)工況不同，工作裝置的受力情況也不一樣，因此工作裝置的強(qiáng)度計(jì)算包括： 1.確定受力最大的計(jì)算位置； 2.選取工作裝置受力最大的典型工況，確定外載荷； 3.對(duì)工作裝置進(jìn)行受力分析； 4.對(duì)工作裝置的主要構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度校核。,工作裝置的強(qiáng)度計(jì)算,裝載機(jī)工作裝置受力分析,裝載機(jī)作業(yè)條件復(fù)雜，又加上工作裝置及作業(yè)工況不同受力情況也不一樣。因此，進(jìn)行工作裝置強(qiáng)度計(jì)算時(shí)必須確定其受力最大的位置即選取工作裝置受力最大的典型工

17、況對(duì)工作裝置進(jìn)行分析。,工作裝置強(qiáng)度校核位置的確定,分析裝載機(jī)鏟掘、運(yùn)輸、提升及卸載等作業(yè)過程，發(fā)現(xiàn)裝載機(jī)在水平面鏟掘物料時(shí)工作裝置受力最大。因此，對(duì)工作裝置進(jìn)行受力分析時(shí)可選取工作裝置在水平面作業(yè)，鏟斗斗底與地面夾角為3 5鏟掘時(shí)作為計(jì)算位置。,工作裝置典型工況選擇及外載荷確定,裝載機(jī)在鏟掘過程中使工作裝置受力最大有以下3種情況： 裝載機(jī)沿水平面運(yùn)動(dòng)，工作裝置油缸閉鎖，鏟斗插入料堆。 鏟斗水平插入料堆足夠深度后，裝載機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，然后轉(zhuǎn)斗或提升動(dòng)臂。 裝載機(jī)在水平面上勻速運(yùn)動(dòng)，鏟斗水平插入料堆一定深度后，邊插入邊轉(zhuǎn)斗或邊插入邊轉(zhuǎn)動(dòng)臂。 由于作業(yè)場(chǎng)地，作業(yè)條件和作業(yè)對(duì)象的不同，裝載機(jī)在實(shí)際作業(yè)時(shí)

18、，切削受力十分復(fù)雜。固簡(jiǎn)化如下：,對(duì)稱變載：即認(rèn)為外載荷是沿鏟斗切削刃均勻分布。 偏載：認(rèn)為集中載荷完全由場(chǎng)地一側(cè)第一顆齒所承受。 由以上所述分析，使工作裝置某些構(gòu)件受力最大有以下六種典型工況：,,,,此種工況鏟斗的水平載荷由裝載機(jī)牽引力決定。水平力最大值按下式計(jì)算： (3.1) 式中 裝載機(jī)空載時(shí)驅(qū)動(dòng)輪上最大切線牽引力 裝載機(jī)空載時(shí)滾動(dòng)阻力 裝載機(jī)的附著重量 附著系數(shù),,,,,,. 對(duì)稱水平受力工況,此工況垂直載荷受裝載機(jī)的縱向穩(wěn)定條件限制，其最大值為： (3.2) 式中 裝載機(jī)自重， 裝載機(jī)重心到前輪接地點(diǎn)距離，

19、 垂直作用力的作用點(diǎn)到前輪接地點(diǎn)距離。,,,,,. 對(duì)稱垂直受力工況,,,此時(shí)的水平力通常在此工況下按發(fā)動(dòng)機(jī)所能傳到裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)輪上的牽引力計(jì)算 .水平偏載工況 此時(shí)水平力按水平受力工況 .垂直偏載工況 此時(shí)垂直力按垂直受力工況,,,.對(duì)稱水平力和垂直力同時(shí)作用的工況,施加載荷,工作裝置所受的外載荷為： px = G = 52136 N 式中，G為裝載機(jī)的自重（kg）； 為附著系數(shù) py = GL1/L = 47795 N 式中， L1為裝載機(jī)重心到前輪的水平距離（m） L為裝載機(jī)鏟斗斗刃到前輪的水平距離(m),在確定了裝載機(jī)典型工況和鏟斗所受外載荷后，接下來進(jìn)行工作裝置的受力分

20、析，以便求出相應(yīng)工況下工作裝置各構(gòu)件的受力。在受力分析時(shí)我們把六種典型工況綜合起來按兩大類分析，即對(duì)稱工況和偏載工況。 對(duì)稱工況 對(duì)稱載荷工況可簡(jiǎn)化成平面靜定系統(tǒng)計(jì)算，但需要作如下規(guī)定 忽略鏟斗和支撐橫梁對(duì)工作裝置各構(gòu)件受力和變形的影響。 每一側(cè)連桿構(gòu)件軸線均假設(shè)在同一平面內(nèi)，所有作用力都通過各桿件斷面彎曲中心，忽略各桿件因不在同一平面內(nèi)所引起的扭矩，計(jì)算時(shí)可以用構(gòu)件的中心線來代替實(shí)際構(gòu)件。,工作裝置受力分析,通過以上假設(shè)，就能將工作裝置這樣一個(gè)空間超靜定結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的平面力系進(jìn)行分析。,,,根據(jù)各典型工況受力分析求出各構(gòu)件的作用力，畫出彎距圖，找出其危險(xiǎn)斷面，按強(qiáng)度理論對(duì)工作裝置主要構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度校核。,（四）工作裝置的強(qiáng)度校核,