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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 目 錄 1. 前言 1 1.1設(shè)計(jì)課題 1 1.2 裝載機(jī)的發(fā)展歷史 1 1.3 裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的特點(diǎn) 1 1.4裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的用途 2 2. 裝載機(jī)裝載過程分析 3 2.1裝載過程描述： 3 2.2裝載機(jī)的裝載阻力計(jì)算 3 3. 裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 7 3.1工作機(jī)構(gòu)對(duì)鏟斗運(yùn)動(dòng)的要求 7 3.2 鏟斗的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 3.3 斗容的計(jì)算和尺寸確定 8 3.4工作機(jī)構(gòu)桿件系統(tǒng)的配制與設(shè)計(jì) 10 4. 裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)受力分析 14 4.1工作機(jī)構(gòu)的最大受力工況與最大外載荷的確定 14 4.2工作機(jī)構(gòu)最大鏟取力與鏟斗臂最大舉升的確定 14 5. 工作機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性能分析 22 5.1 穩(wěn)定性指標(biāo) 22 5.2機(jī)器縱向穩(wěn)定性能分析 23 5.3 裝載機(jī)橫向穩(wěn)定性分析 25 6. 液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算 29 6.1 鏟斗上的側(cè)卸油缸設(shè)計(jì) 29 6.2 拉伸油缸的設(shè)計(jì) 30 總結(jié) 33 參考資料 34 致謝 35 1.前言 1.1設(shè)計(jì)課題 此次設(shè)計(jì)的課題為裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求該裝載機(jī)裝載能力大，機(jī)動(dòng)性好安全可靠，生產(chǎn)率較高，其斗柄是曲線的，鏟斗的提起和傾斜由油缸的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。 1.2 裝載機(jī)的發(fā)展歷史 裝載工作是整個(gè)地下采礦的重要環(huán)節(jié)，其工作量最繁重，費(fèi)時(shí)最多，對(duì)采礦生產(chǎn)率影響極大。消耗于這一工序的勞動(dòng)量占循環(huán)時(shí)間的30%-40%。 正因?yàn)槿绱?，?guó)外許多的國(guó)家十分重視裝載機(jī)械的開發(fā)推廣與使用。裝載機(jī)開始制造是在90多年前。最早的裝載機(jī)是在馬拉的農(nóng)用拖拉機(jī)前部裝上鏟斗而成.。自身帶有動(dòng)力的裝載機(jī)，是在1920年初出現(xiàn)的，其鏟斗安裝在兩根垂直立柱上，鏟斗的舉升和下落是用鋼繩來操縱的。從1930年開始，裝載機(jī)的機(jī)構(gòu)得到較大的改進(jìn)。1939年出現(xiàn)了比較先進(jìn)的輪胎式裝載，在40年代裝載機(jī)得到了更大的發(fā)展。1944年，開始用液壓代替鋼繩控鏟斗。1947年裝載機(jī)發(fā)展成四輪驅(qū)動(dòng)。1950年出現(xiàn)了第一臺(tái)帶有液力變矩器的輪胎式裝載機(jī)，它使裝載機(jī)能夠很平穩(wěn)地插入料堆并且使作增快，同時(shí)插入運(yùn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)因插入阻力大而熄火。1960年出現(xiàn)了第一臺(tái)鉸接式裝載機(jī)，這使裝載機(jī)轉(zhuǎn)向性能大大改善，增加了它的機(jī)動(dòng)性能性和縱向穩(wěn)定性。60年代的電動(dòng)裝載機(jī)。這是裝載機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)新的突破，它進(jìn)一步增加了裝載機(jī)的使用范圍。今后裝載機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是通過工作機(jī)構(gòu)尺寸的增加和機(jī)構(gòu)的改進(jìn)進(jìn)一步增加了生成力。 1.3 裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的特點(diǎn) 裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)由潺斗，鏟臂，鏟斗座，升降油缸（兩個(gè)左右對(duì)稱）側(cè)卸油缸，拉斗油缸組成。裝載機(jī)在工作過程中，鏟斗是沿料堆底部插入料堆的，斗尖在料堆內(nèi)運(yùn)動(dòng)，軌跡如圖1-1所示。 圖1-1 鏟斗軌跡 由于鏟斗沿料堆底部插入料堆所以插入阻力大，阻力方向與機(jī)體的推進(jìn)方向相反，從而使得裝載機(jī)有足夠的重量和牽引力來克服插力。以得到足夠的插入深度，鏟斗插入料堆后，在開始提升的瞬間，料堆對(duì)提升的阻力很大，以后就迅速的降低，故在提斗的過程中工作機(jī)構(gòu)承受的負(fù)載很不均勻，尖峰負(fù)荷大。但它易于卸載，故效率高，在鏟斗臂的左右對(duì)稱的布置兩個(gè)升降油缸，完成鏟斗的提升過程，鏟斗上安裝一個(gè)側(cè)卸油缸。用來卸下鏟斗內(nèi)的物料，鏟斗和鏟斗座采用焊接的方法聯(lián)結(jié)在一起，再用銷軸與鏟斗臂連接整個(gè)機(jī)構(gòu)是四連機(jī)構(gòu)完成裝卸過程。 1.4裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的用途 工作機(jī)構(gòu)是裝載機(jī)用以直接完成裝載工作的機(jī)構(gòu)，是裝、運(yùn)、卸一體的聯(lián)合設(shè)備。由于鏟斗即可作取料構(gòu)件，又可作運(yùn)料貯料和卸料物件，從而簡(jiǎn)化了整機(jī)結(jié)構(gòu)使用靈便。 2.裝載機(jī)裝載過程分析 2.1裝載過程描述： 鏟斗挖掘土壤的過程很類似金屬切削過程（如圖2-1，圖2-2）。斗刃切入后物料對(duì)切入的阻力取 決于物料的性質(zhì)和狀態(tài)，以及斗刃的刃角γ。 圖2-1 挖掘過程圖 圖2-2 鏟裝過程圖 斗刃切入后，在刃的物料被壓縮，變形以致破壞原來結(jié)構(gòu)，而改變堆存狀況，這種改變?nèi)Q于物料的性質(zhì)和狀態(tài)，斗刃的幾何形狀，切削角δ和切削厚度c，同時(shí)物料與斗底間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)也產(chǎn)生摩擦阻力，其大小取決于物料與斗底的摩擦系數(shù)和斗刃的后角θ。此外，由于刃前形成小堆而后才能進(jìn)入斗內(nèi)，這種物料間的內(nèi)摩擦阻力取決于物料的性質(zhì)和狀態(tài)，物料的內(nèi)摩擦系數(shù)和斗的運(yùn)動(dòng)軌跡。 鏟斗插入礦堆后，礦堆變形A1B1CDE（見鏟裝過程圖）包括三部分：第一滑移體A1B1FE。變形較明顯；第二滑移體CDEF變形不夠明顯；壓實(shí)區(qū)，在刃前ED，相當(dāng)于斗刃的延長(zhǎng)，壓實(shí)區(qū)的大小與裝載工作阻力的大小有密切關(guān)系。壓實(shí)區(qū)的大小取決與礦石的物理機(jī)械性質(zhì)，礦堆高度，鏟斗插深度以及鏟斗的形狀和尺寸等因素。當(dāng)斗刃插入礦堆時(shí)物料擠壓，剪切產(chǎn)生變形阻力，物料與斗臂間的摩擦阻力以及物料內(nèi)摩擦阻力等等阻力的綜合，便是裝載阻力。 2.2裝載機(jī)的裝載阻力計(jì)算 裝載機(jī)的裝載阻力包括插入阻力和鏟取阻力，其插入阻力計(jì)算式 Wen = K len1.25B 千克 式中 K-------與物料的性質(zhì)塊度，堆高和鏟斗形狀與關(guān)的系數(shù) K = K1 K2 K3 K4 K1-------物料塊度與松散度系數(shù) K2-------物料性質(zhì)系數(shù) K3-------堆高系數(shù) K4-------鏟斗斗形系數(shù) Len------鏟斗一次插入深度， 單位：厘米 B--------鏟斗寬度， 單位：厘米 鏟取阻力計(jì)算式： Msp0=1.1Wen[0.4(X-1/3Len)+Y] 公斤·米 式中： Wen---------插入阻力， 單位：公斤 Len---------鏟斗插入深度， 單位： 米 X，Y--------斗尖距鏟斗回轉(zhuǎn)中心的直角坐標(biāo)系植，單位：米 鏟取阻力矩Msp隨著鏟斗回轉(zhuǎn)角a的增大而減小，其變化規(guī)律為雙曲線（見下圖2-3） Msp= Msp0（1-Can） 式中 n= C= 圖2-3 力矩Msp隨著鏟斗回轉(zhuǎn)角a的變化曲線 式中Ma1-------鏟斗離開巖堆時(shí)，由物料重力產(chǎn)生的阻力矩 根據(jù)查表得： K1=1.3 K2=0.10 K3=1.10 K4=1.5 則 K =K1 K2 K3 K4 =1.3x0.10x1.10x1.5 =0.2145 取鏟斗一次插入深度Len =83.5cm 所以插入阻力為Wen=Klen1.25B =02145x82.51.25x2200x0.1 =0.2145x248.6x220 =11704.088(公斤) 根據(jù)工作機(jī)構(gòu)總圖確定X,Y的值 X-------鏟斗回轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)離斗刃的水平距離 Y--------鏟斗回轉(zhuǎn)中心O與地面的垂直距離 得X=1.15m Y=0.3m 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算鏟取力，有 Msp0=1.1Wen[0.4(X-1/3Len)+Y] =1.1x11704.1x[0.4x(1.15-1/3x0.825)+0.3] =8368.43(公斤?米) 3.裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3.1工作機(jī)構(gòu)對(duì)鏟斗運(yùn)動(dòng)的要求 鏟斗機(jī)工作時(shí)，鏟斗的運(yùn)動(dòng)是由動(dòng)臂油缸，惻卸油缸和機(jī)體的行走部共同控制的。在一個(gè)工作循環(huán)中鏟斗要完成的動(dòng)作有： 1） 將鏟斗放平由機(jī)體的行走部將鏟斗推入料堆。 2） 邊推進(jìn)邊翻轉(zhuǎn)鏟斗使鏟斗使物料充滿鏟斗。 3） 當(dāng)鏟斗裝滿物料后，將鏟斗轉(zhuǎn)正并舉臂到適當(dāng)?shù)奈恢米骱眠\(yùn)送的準(zhǔn)備。 4） 由機(jī)體的行走部將物料運(yùn)送到卸載點(diǎn)。 5） 將鏟斗對(duì)準(zhǔn)卸載口進(jìn)行翻斗卸載。 6） 將鏟斗正位并下降動(dòng)臂準(zhǔn)備返回。 7） 返回到卸載點(diǎn) 8） 將鏟斗放平到插入位置進(jìn)行下一個(gè)工作循環(huán)。 為了使操作方便和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，鏟斗臂上對(duì)稱地布置兩個(gè)油缸鏟斗上安裝有一個(gè)油缸使的得整個(gè)動(dòng)作協(xié)調(diào)。 3.2 鏟斗的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 鏟斗是用來切削，收集，運(yùn)輸，卸出物料的不見。它設(shè)計(jì)的合理與否直接影響到裝載機(jī)的身產(chǎn)率，能量消耗及工作的可靠性。 鏟斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般應(yīng)滿足下列條件，在斗體盡可能輕的條件下，保證鏟斗有足夠的強(qiáng)度和剛度；鏟斗的結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)保證鏟斗插入物料堆時(shí)阻力最小；耐摩擦對(duì)易損斗齒更換方便等。 為減小鏟斗插入物料堆的阻力，盡量避免無效容積及順利卸載的要求，鏟斗形狀通常是前臂高與后臂，前臂上部作為圓弧狀，并裝有一組齒，鏟斗下部較上部略寬，四角呈圓弧狀以方便卸載，避免大塊堵塞，后臂與斗底的夾角要成鈍角，即可避免可效容積又可使斗底鉸點(diǎn)抬高，方便開斗。 鏟斗前臂直接切入物料，要求材質(zhì)耐磨，強(qiáng)度高，一般用錳鋼（ZG35Mn）鑄造，并在其切削部位焊有硬質(zhì)合金。 鏟斗后臂與斗體相連接，并支承整個(gè)斗體，故后臂多用碳鋼鑄造并鑄有加強(qiáng)的筋條。 斗體的兩側(cè)板連接前后臂，使之成一方箱，因其磨損受力較前后臂小，故小型鏟斗用焊件式鑄造，而大型鑄斗兩側(cè)臂采用前后臂延長(zhǎng)兩側(cè)，再用塞柱焊接在一起。 斗的后臂固定著斗與斗柄，拉桿的鉸及提升滑輪的鉸座等。 斗齒它可減小挖掘阻力。斗齒的形狀應(yīng)根據(jù)物料的物理，機(jī)械性質(zhì)正確選擇斗齒的最大厚度是鏟斗加強(qiáng)厚度的2.2-2.3倍。斗齒是磨損嚴(yán)重的易損件。故通常用耐磨材料鑄造。 鏟斗按其結(jié)構(gòu)可分鉚結(jié)構(gòu)，鑄造，焊接，鑄-焊聯(lián)合合金鋼板鎧裝。 鉚結(jié)構(gòu)鏟斗的優(yōu)點(diǎn)是制造容易，接個(gè)便宜。求點(diǎn)是強(qiáng)度差（鉚釘易松動(dòng)），主要用于小型挖掘機(jī)上。 鑄造鏟斗：整體鑄造的鏟斗，強(qiáng)度較鉚結(jié)構(gòu)的高，但其自重較大，適用于小型挖掘機(jī)上。 焊接鏟斗：前臂和側(cè)臂是鋼板焊接，而后臂通常是鑄造。其特點(diǎn)是自重較小。對(duì)單斗挖掘機(jī)，在動(dòng)力不變的條件下，用焊接鏟斗代替鑄造鏟斗，鏟斗容積平均可增大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），這是提高挖掘機(jī)生產(chǎn)率的途徑之一。但一般鋼板焊接的鏟斗，僅用于輕型挖掘機(jī)。 鑄-焊聯(lián)合制造，外面包以合金鋼板的鏟斗，適用與大型鏟斗（如斗容﹥12米3）。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)采用焊接鏟斗。 3.3 斗容的計(jì)算和尺寸確定 3.3.1斗容的計(jì)算 1) 幾何斗容： 按美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）標(biāo)準(zhǔn)前端式裝載幾何斗容EK（單位為m3）由下式確定斗背上擋板的鏟斗斗容為： EK=SBBH-2/3h2b 式中 : S-------------鏟斗橫斷面面積， m2 BBH---------鏟斗的內(nèi)臂寬， m; h-----------擋板高度， m; b------------斗刃刃口與擋板最部之間的距離， m； 2）額定斗容： 按SAE標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于斗背上裝有擋板的鏟斗 ES=EK+b2BBH/8- b2(h+c)/6 式中C-----物料“堆積”高度，m其確定方法如下圖，由斗刃刃口和擋板最下部之間作一連線，再由料堆尖端M點(diǎn)作直線MN與CD垂直，將MN垂線向下延長(zhǎng)，與斗刃刃口和擋板最下部之間的連線相交，此點(diǎn)與料堆尖端之間的距離，使表示物料堆積高度C。 鏟斗橫斷面積如圖3-1： 圖3-1 鏟斗橫斷面積簡(jiǎn)化計(jì)算圖 1-擋板 2-斗刃 3-鏟斗橫斷面積 鏟斗橫斷面面積和斗容 1） 將已知的橫斷面分成若干塊，方法如下： 找出鏟斗底部的內(nèi)圓弧部分的中心G點(diǎn)，通過G點(diǎn)作BE線與CD線平行，然后找出鏟斗橫斷面面內(nèi)從圓弧過渡到直線的過渡點(diǎn)A、F再分別連A、G和F、G這樣就把鏟斗的橫斷面分成四塊。 按設(shè)計(jì)要求鏟斗的額定斗容為1立方米。 2) 預(yù)估各部分尺寸如下： 鏟斗內(nèi)臂寬BBH=1800mm b=1200mm R=300mm GK=320mm BE=500mm AB=130mm h=160 mm EF=100mm ∠AGF=135。 扇形面積 AGFA=ЛR2x135/360=3.14x30x30/360 =1060(cm2) 三角形面積 ABGA=0.5AbxR=0.5x13x30=195(cm2) 三角形面積GEFC=0.5EfxR=0.5x10x30=150(cm2) 梯形面積 BCDEB=0.5x（BE+CD）x GK=0.5x(50+120)x32=2720(cm2) 3） 求總面積： S=1060+195+150+2720+4125=4125（cm2） 幾何斗容： EK=SBBH-2/3(h2b) =4125x180-2/3(16x16x120) =742500-20480 =722020(cm3) =0.722(m3) 額定斗容： ES=EK+b2BBH/8-b2/8(h+c) =0722x106=120x120x180/8-120x120/6(16+31) =0.9496(m3) 符合設(shè)計(jì)額定斗容1立方米的設(shè)計(jì)要求。 3.4工作機(jī)構(gòu)桿件系統(tǒng)的配制與設(shè)計(jì) 由于裝載機(jī)歌德工作機(jī)構(gòu)實(shí)際上就是一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，根據(jù)工作條件對(duì)鏟斗在工作循環(huán)各階段的要求，確定鏟斗在其運(yùn)動(dòng)軌跡上應(yīng)有的位置來確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使它盡可能的滿足鏟斗這個(gè)桿件在運(yùn)動(dòng)上的要求。 設(shè)計(jì)方法： 3.4.1確定鏟斗的工作位置 假設(shè)鏟斗是ab桿，根據(jù)工作需要確定鏟斗在工作過程中要求的五個(gè)位置，即鏟斗的插入位置（a,b位置），向上翻轉(zhuǎn)到正位（a,b位置）升舉到中間（a’b3’位置）升舉到卸載高度（a’’b4’’位置），翻斗卸載（a’’b5’’位置）和返回原位ab1位置。 確定鏟斗插入位置（ab1）時(shí)，應(yīng)使斗前臂與地面約有的傾角。為了得到較大的翻斗鏟取力，還應(yīng)使ab1相對(duì)b1c的位置有較大的翻斗力臂。 確定鏟斗上的翻到正位（ab2）時(shí)，應(yīng)使斗口水平向上，鏟斗的后臂與車輪有適當(dāng)?shù)拈g隙。確定鏟斗與地面的相對(duì)位置時(shí)，應(yīng)考慮鏈輪有5%的滾動(dòng)半徑變形量，應(yīng)使斗底與地面約有200-300mm的間隙。 鏟斗升舉過程中，為了使鏟斗運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不撒礦，應(yīng)盡量使鏟斗平移而無轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是使為只a’b3’//a’，b4’。在a’’b5’’卸載時(shí)，應(yīng)使前臂與地面的傾角有45度。以上的卸載角并且斗尖的位置符合對(duì)卸載高度和卸載距離的要求。 因點(diǎn)a’,a’’,a 都在以g為圓心的圓弧上，所以還應(yīng)根據(jù)機(jī)器結(jié)構(gòu)的可能性，在確定a點(diǎn)三個(gè)位置的同時(shí)確定動(dòng)臂的回轉(zhuǎn)g。 3.4.2求ab1桿相對(duì)ag桿的運(yùn)動(dòng)位置 按上述五個(gè)位置，將動(dòng)臂ag桿視為不動(dòng)，求出ab1桿相對(duì)動(dòng)臂ag桿的五個(gè)運(yùn)動(dòng)位置ab1,ab2,ab3,ab4,ab5。在這五個(gè)位置中ab1及ab2按鏟斗插入和轉(zhuǎn)正的位置定出 ab3位置，按保持鏟斗平易，因此動(dòng)臂轉(zhuǎn)角θ/2即鏟斗相對(duì)動(dòng)臂轉(zhuǎn)θ/2角，即∠b2a3=θ/2定出b3點(diǎn)。同樣的道理∠b3a4=θ/2定出b4點(diǎn)，再按卸載時(shí)b4’’b5’’=b4b5即可定出 b5點(diǎn)的位置。 圖3-2 四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖 3.4.3求四桿機(jī)構(gòu)ab2c2d 仍將動(dòng)臂視為固定桿。先根據(jù)結(jié)構(gòu)條件估選d點(diǎn)位置，再以d為心作c2 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡的最低點(diǎn)不低于斗底距地面的高度。當(dāng)僅用一個(gè)翻斗油缸時(shí)，c2點(diǎn)的位置不應(yīng)碰到前橋差速器。c2點(diǎn)選取后，則桿b2c2長(zhǎng)初步確定。據(jù)初選的b2c2由點(diǎn)b5使b5c5=b2c2確定c5點(diǎn)位置。應(yīng)使c5點(diǎn)不越過點(diǎn)b5與點(diǎn)d的連線。因當(dāng)c5點(diǎn)在b5嗲與點(diǎn)d的連線上 時(shí)。鏟斗的卸載角達(dá)到最大，所以選取的c5距b5d的距離應(yīng)符合在低位卸載時(shí)，仍能使卸載角不小于45。的需要。點(diǎn)c5及連桿b2c2長(zhǎng)度確定后，據(jù)b2c2=b3c3,=b1c1=b4c4即可定出c1,c3,c4。 3.4.4 求四桿機(jī)構(gòu)de2fg 四桿機(jī)構(gòu)ab2c2d求得后，就可以開始求桿機(jī)構(gòu)de2fg，在此四桿中，固定桿dg（既動(dòng)臂上的兩個(gè)鉸點(diǎn)）為已知，還知道當(dāng)桿e2d的轉(zhuǎn)角為∠e3de3時(shí)，桿件fg相對(duì)固定桿dg的轉(zhuǎn)角為θ/2（實(shí)際上是動(dòng)臂dg相對(duì)機(jī)架fg轉(zhuǎn)了θ/2角）。當(dāng)桿ed轉(zhuǎn)角為∠e3de4時(shí)，桿fg又轉(zhuǎn)了θ/2。當(dāng)翻斗油缸活塞桿收縮即連桿e2f縮短時(shí)，鏟斗進(jìn)行卸載。卸載后，桿ed反轉(zhuǎn)∠e5de1，桿fg反轉(zhuǎn)θ角，使鏟頭恢復(fù)到原始的插入位置，然后求符合這些條件的四桿機(jī)構(gòu)。 4.裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)受力分析 4.1工作機(jī)構(gòu)的最大受力工況與最大外載荷的確定 進(jìn)行工作的受力分析時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)工作機(jī)構(gòu)選擇受力最大工況，并按受力最大工況下的外載荷進(jìn)行受力分析。在裝載機(jī)的工作循環(huán)中，鏟斗的插入是靠行走機(jī)構(gòu)將鏟斗推入料堆的，在鏟，提斗斜載和降斗的諸工況中，鏟斗 在插入后提斗的鏟挖物料工況，是工作機(jī)構(gòu)受力最大的工況，在此工況下，由于物料種類和作業(yè)條件的不同，對(duì)外載荷可簡(jiǎn)化成載荷沿鏟斗斗刃均布的對(duì)稱受載情況和由于鏟斗 偏鏟斗，料堆密實(shí)程度不均造成的偏載荷情況。由于對(duì)偏載荷的大小缺少數(shù)據(jù)，所以在計(jì)算中，往往按對(duì)稱受載計(jì)算后，以適當(dāng)?shù)陌踩Ａ縼砜紤]偏載荷的影響。 4.2工作機(jī)構(gòu)最大鏟取力與鏟斗臂最大舉升的確定 4.2.1最大鏟取力的確定 最大鏟取力即鏟斗斗尖接觸地面，鏟斗臂油缸向上升，鏟斗剛起時(shí)，起斗尖處產(chǎn)生的最大挖掘力。（SAE規(guī)定，在距離斗尖四英寸處產(chǎn)生的，最大垂直向上的力為最大鏟取力）。 圖4-1 地下礦用裝載機(jī)鏟取力與載重量經(jīng)驗(yàn)公式 圖4-1是根據(jù)三十八種地下礦用鏟運(yùn)機(jī)的數(shù)據(jù)求得鏟取力與栽重量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。圖中的每一點(diǎn)是一種鏟運(yùn)機(jī)的數(shù)據(jù)，圖中的直線是用均值法求得的直線式。 Pt=1.47+1.56GZ GZ-----------鏟斗的載重量， 噸 Pt-----------最大鏟取阻力， 噸 GZ=ρgv 其中v為斗容1立方米 g=9.8 m/s2 計(jì)算 ： Pt=1.47+1.56GZ =1.47+1.56x2.65x9.8x1 =41.98(噸) 4.2.2鏟斗臂的最大舉升力 鏟斗臂油缸升舉斗臂的力臂隨著鏟斗接近最高位置而減少，當(dāng)鏟斗臂油缸將鏟斗升舉到最高位置時(shí)，斗內(nèi)能夠被斗臂舉起的最大載荷重，就是鏟斗臂的最大舉升載荷。 最大舉升載荷應(yīng)小于能夠使機(jī)體傾覆的傾翻載荷，其中鏟斗臂油缸的直徑便根據(jù)斗臂的最大升舉力來確定的。由此選DG-J160C-E1（左，右兩個(gè)）作為升降油缸。 鏟斗臂的最大舉升力應(yīng)能夠滿足最大舉升載荷的要求和使用邊插入邊舉臂的鏟裝操作要求，在轉(zhuǎn)載機(jī)中，取傾翻載荷的85%作為動(dòng)臂的最大舉升載荷。 P=1.7 Gz 其中Gz-------鏟斗臂的額定載重量， 公斤 計(jì)算代入數(shù)據(jù) P=1.7 Gz =1.7x2.5x9.8x1 =44.19x9.8 =432.66(KN) 4.2.3.裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)受力分析 鏟斗在料堆內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所受的外阻力可分解成水平分量Pax及垂直分量Pay.(如圖所示)為便于進(jìn)行計(jì)算取鏟斗所受的載荷為均分，動(dòng)臂軸線與連桿及掛壁軸線處于同一平面內(nèi)，略去由于鉸接座占有空間而產(chǎn)生的附加扭矩。將空間超靜定結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面問題進(jìn)行分析。 圖4-2 鏟斗阻力分解圖 取鏟斗為分離體，按力平衡可寫出方程。 按∑MB=0 得： Pax?h1+Pay?h =Pc(h2cosα1+h2 sinα1) ∴ Pc= Pax?h1+Pay?h 按∑X=0 得： Pax+ Pc cosα1-Pbx=0 ∴ Pbx=Pax+ Pc cosα1 按∑Y=0 得： Pby+ Pc sinα1 -Pay ∴ Pby=Pay- Pc sinα1 其中 N=Pax?V N=48.5Kw 總功率 V=3.1Km/h ∴Pax=N/V=5.75(噸) Pay=Gz+G 其中 Gz------鏟斗的額定裝載重 G-------鏟斗的自重 0.383噸 代入數(shù)據(jù)得： Pay=25.97+0.338=26.308（噸) 根據(jù)工作機(jī)構(gòu)總圖，確定h1,l1,h2,l2, a各值 h1=300mm l1=550mm l2=1150mm a=35。 代入數(shù)據(jù)計(jì)算 PL,Pbx,Pby得 = = =58.88（噸） Pbx=Pax+Pc cosα =57.5+58.88xcos35。 =5398(噸) Pby=Pay-Pc sinα =26.308-58.88xsina35。 =-7.46(噸) 其中負(fù)號(hào)表示受力與圖示方向相反 計(jì)算得出的力PC就是拉斗油缸受力 4.3工作機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的校核 根據(jù)工作機(jī)構(gòu)受力分析，將構(gòu)件上的作用力求得后就可以進(jìn)行強(qiáng)度校核。 4.3.1鏟斗臂： 將鏟斗臂看成是支承在固定箱體和鏟斗座上的雙支點(diǎn)懸梁（如下圖）。其危險(xiǎn)斷面在D點(diǎn)附近上作用的應(yīng)力為： σ = M/W + N/F ≤ [σ] 圖4-3 鏟斗臂受力分析圖 式中 　M-----計(jì)算端面上的彎矩； N-----計(jì)算斷面上的軸向力； W-----計(jì)算斷面上的抗彎斷面系數(shù)； F-----計(jì)算端面面積。 取過D點(diǎn)的端面m-m (如圖) 廁 M = -Pby(l1-l2) - Pbx(h1-h2) 　 N = Pbysina + Pbxcosa 　σm-n = M/W +N/F ≤ [σ] = 其中 Pbx = 53.98 （噸） Pby = 7.36 （噸） 根據(jù)工作機(jī)構(gòu)總圖確定參數(shù)l1 ,l2 ,h1 ,h2 ,α. 得 : l1 =640 mm l2 =300 mm 　h2 =200 mm h1 =950 mm 　α =60o 其中 F = 180 x 310 = 55800 mm2 W =d3/32 =2924817.6 (mm3) 帶入公式有： σm-n = M/W + N/F = = =-0.014+0.059 =0.045（MPa） 很顯然，鏟斗臂強(qiáng)度滿足要求 4.3.2 銷軸 材料選擇 20 CrMnMo [σ] ≤ 885 MPa 圖4-4 鏟斗臂前頭銷軸圖 銷軸的彎曲應(yīng)力 = ≤[σ] 式中　 -------- 銷應(yīng)力軸的彎曲 ------------ 計(jì)算載荷， 為鉸點(diǎn)所受載荷的一半 ------------- 銷軸彎曲強(qiáng)度計(jì)算的計(jì)算長(zhǎng)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(噸) = ==865.8 (Mpa) ≤885 Mpa 故滿足強(qiáng)度要求 4.3.3鏟斗 將鏟斗分離出來，把它看成是彎曲的薄板，其危險(xiǎn)斷面在如圖4-5所示的斷面n-n則 圖4-5 鏟斗危險(xiǎn)斷面圖 M = N = σm-n = M/W + N/F = 根據(jù)工作機(jī)構(gòu)總圖確定h, l,, F的值 得 ： h=50 mm l=625 mm =60 F=35x2200=77000 (mm2) 其中=5.75（噸）； =25.97(噸) 代入數(shù)據(jù)得： = + =（0.4456+0.3185） =76.4 (Map) ≤835 Map 故鏟斗滿足強(qiáng)度要求、 5.工作機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性能分析 穩(wěn)定性能是指機(jī)器行走和工作時(shí)不致發(fā)生翻到和側(cè)滑，并且保持規(guī)定的行走方向的能力。穩(wěn)定性不僅影響作業(yè)和行走安全，而且與生產(chǎn)率有關(guān)， 只有良好的穩(wěn)定性，才能保證其他性能的充分發(fā)揮。此外穩(wěn)定性對(duì)減輕司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度有很大意義。 5.1 穩(wěn)定性指標(biāo) 衡量穩(wěn)定性的指標(biāo)是穩(wěn)定系數(shù)和穩(wěn)定角。穩(wěn)定系數(shù)是穩(wěn)定力矩和傾復(fù)力矩之比 K= Mst / Mo ≥1.1~1.3 根據(jù)機(jī)器平衡狀態(tài)的重要性對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)有不同的具體要求 穩(wěn)定角是機(jī)器重心與支撐點(diǎn)連線的最大傾角 縱向傾角： tgδ= L/2Hc 橫向傾角： tgδ= B/2Hc 圖5-1工作機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性分析圖 穩(wěn)定角因機(jī)器工作機(jī)構(gòu)狀態(tài)而改變，一般δ≥30 ~40 5.2機(jī)器縱向穩(wěn)定性能分析 裝載機(jī)受力圖5-2如下： 圖5-2 裝載機(jī)受力圖 基本阻力 　W=W01+W02 其中 　W01=z1μ1 　 W02= z2μ2 風(fēng)阻力Ww1作用迎風(fēng)面積的形心上，高度為h wi 插入阻力： Wen方向與運(yùn)動(dòng)相反 鏟取阻力：Wsp作用在斗尖上，垂直路面 動(dòng)阻力： Wg 作用在Cg點(diǎn)，方向視加速度。 而定與路面平行，其值為 Wg=δG/g×dVw/dt 切向作用力 Pt1 和Pt2作用在車輪與路面的接觸點(diǎn)上，方向與運(yùn)動(dòng)方向相同。 由平衡方程列出矩方程 z1+G Hcsinα+δG/g×dVw/dt+wwih wi-Wsp（l3+l）-G l2cosα=0 又由于∑y=0 z1+ z2=Wsp+Gcosα 聯(lián)立以上兩式 Z1= G l2cosα- G Hcsinα-δG/g×dVw/dt-wwi+Wenh+Wsp（l3+ l2） L Z2 = G l2cosα+G Hcsinα+G/g×dVw/dt-wwi+wwih wi+Wspl3 L 從上式可以看出， 和 不僅與機(jī)器的結(jié)構(gòu)系數(shù)有關(guān) 而且還與機(jī)器的各種狀態(tài)有關(guān) 即上坡時(shí)， Z1 減小 Z2 增大 下坡時(shí)， Z1 增大 Z2 減小 上坡行駛時(shí)，裝載機(jī)的穩(wěn)定極限狀態(tài)是前輪離開地面，機(jī)器繞后輪接地點(diǎn)b向后翻倒 即 z1=0 并且 dVw/dt，wwi，Wen Wsp 均為零 所以l2cosα- G Hcsinα=0 最大穩(wěn)定坡度為 為了安全起見，在使滑動(dòng)的可能性先于翻倒的可能性 即 即 查表取φ=0.5φ ∴ 插入鏟斗時(shí)，裝載機(jī)的穩(wěn)定極限狀態(tài)與插力與鏟取時(shí)極為相似 即 Z2=0，此時(shí)=0，wwi=0 ∴ 最大卸載距離時(shí)，裝載機(jī)的穩(wěn)定極限狀態(tài)與插入與鏟取時(shí)極為相似。 既 Z2=0， =0，Wen i=0，Wsp=0 Gs-----------裝載機(jī)的翻倒載荷， Go----------- 額定載荷取翻倒載荷的一半 5.3 裝載機(jī)橫向穩(wěn)定性分析 圖5-3裝載機(jī)橫向穩(wěn)定性分析圖 裝載機(jī)外力： 兩側(cè)車輪的垂直支反力 和 ，裝載機(jī)的自重G 對(duì)C點(diǎn)取力矩平衡 得 對(duì)D點(diǎn)取力矩平衡 得 聯(lián)立以上兩式 得 當(dāng) 時(shí)，即有側(cè)翻危險(xiǎn) ∴穩(wěn)定性條件為 ： ∴ 求出極限側(cè)坡 轉(zhuǎn)彎時(shí)的橫行穩(wěn)定性 轉(zhuǎn)彎時(shí)受力 假設(shè)重心Cg在AB的中點(diǎn)上 ，在Cg帶內(nèi)除重力和阻力 Wgx之外，還增加了側(cè)向運(yùn)動(dòng)阻力 Wgx 和垂直軸的慣性力矩（動(dòng)力矩） Mgz 假設(shè)轉(zhuǎn)半徑為R，轉(zhuǎn)向角為，據(jù)上述圖形關(guān)系 ∠ABD= 假設(shè)裝載機(jī)以等速轉(zhuǎn)彎 則 由力矩平衡關(guān)系，分別對(duì)A 點(diǎn)和B點(diǎn)取矩 ∴ 若Y1，Y2之一大于側(cè)向粘著力，將發(fā)生側(cè)滑而喪失穩(wěn)定性，所以防止側(cè)滑的穩(wěn)定性條件為： 下圖是不發(fā)生側(cè)滑的條件 圖5-4 側(cè)滑穩(wěn)定性圖 ∴ ∴ 既為產(chǎn)生橫向打滑的極限速度V1 如果不考慮轉(zhuǎn)彎時(shí)重心和輪距的變化， 則橫向側(cè)翻條件為： ∴ 既為產(chǎn)生側(cè)翻的極限速度V2 為保證安全，應(yīng)使側(cè)滑先于側(cè)翻 即 ∴ 由于 =0.8 ∴ B＞1.6Hc ∴ H c＜ B/1.6=656 mm 對(duì)以上分析加以綜合管理。 縱向穩(wěn)定角 tgδ縱 =L/2Hc=1500/2X656=1.143 ∴ δ縱=arctg1.143=48.82 橫向穩(wěn)定角 tgδ橫=B/2Hc ∴tgδ橫 =10550/2X656=0.8 ∴ δ橫=arctg0.8=38.67 ∴ 可以預(yù)選 Hc =400 mm 這時(shí)δ縱 ，δ橫都滿足穩(wěn)定性要求。 6. 液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算 6.1 鏟斗上的側(cè)卸油缸設(shè)計(jì) 6.1.1．鏟斗裝滿物料后，不僅要靈活卸載，而且能夠自動(dòng)復(fù)原，所以有這一系列動(dòng)作必須由側(cè)卸油缸來完成，則所選的油缸類型為雙作用單桿液壓缸。另外，根據(jù)鏟斗的勞動(dòng)強(qiáng)度應(yīng)選用重型的活塞桿，查表選取DG系列的油缸。 由于鏟斗油缸安裝在鏟斗的背部，為便于安裝，應(yīng)用單耳式安裝方式。 6.1.2鏟斗裝滿物料后，側(cè)卸油缸在卸載過程中對(duì)鏟斗的作用示意圖如下： 取惻卸油缸的安裝角 = 要使得油缸能夠卸載鏟斗內(nèi)的物料 其最小的推力要等于（ 故側(cè)卸油缸的推力 將 KN = 計(jì)算得 （KN） 圖6-1 側(cè)卸油箱卸載過程中對(duì)鏟斗的作用示意圖 根據(jù)FKN 查表選取有關(guān)尺寸如下： 表6-1 缸徑（mm） 活 塞 桿 直徑 活塞面積 （） 推力 KN 拉力 KN 最大 行程 mm 大端 小端 14Mpa 16Mpa 14Mpa 16Mpa 100 55 78．50 54．75 109．9 125．6 76．65 87．6 4000 由上表，側(cè)卸油缸選用DG-J100C-E1型 6.1.3側(cè)卸油缸的驗(yàn)算 液壓缸的推力F1 公式中----------工作壓力Mpa A1----------活塞的作用面積 其中 故側(cè)卸油缸強(qiáng)度滿足強(qiáng)度要求 6.2 拉伸油缸的設(shè)計(jì) 6.2.1鏟斗的鏟取物料的過程以及提起，皆由拉伸油缸來完成，根據(jù)它的勞動(dòng)強(qiáng)度應(yīng)選用雙作用單桿液壓缸。其中活塞桿應(yīng)選用重型的，查表選取DG系列油缸。 為了方便拉伸油缸的安裝， 應(yīng)選用單耳式安裝 6.2.2鏟斗裝滿物料后，拉深油缸剛開始將鏟斗拉起時(shí)，油缸的抗力F2達(dá)到最大值。 根據(jù)前面裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的受力分析，得： （KN） 圖6-2 油缸抗力圖 由于工作壓力為16Mpa. 根據(jù)Pc=577KN P2=16Mpa 選取的油缸的有關(guān)尺寸如下表 表6-2 缸徑（mm） 活 塞 桿 直徑 活塞面積 （） 推力 KN 拉力 KN 最大 行程 mm 大端 小端 14Mpa 16Mpa 14Mpa 16Mpa 280 150 615.72 439.04 862.05 985.20 614.66 702.46 4000 根據(jù)上表 選取拉伸油缸的型號(hào)為： DG- J280C-E1 拉伸油缸的強(qiáng)度校核： 根據(jù)： F2=P2A2 式中 F2—————油缸的拉力 KN P2---------------工作壓力 Mpa A2---------------液壓缸有桿腔作用面積 m2 -------------活塞的直徑 m2 -------------活塞桿直徑 m m = 附： （升降油缸） 表6-3 缸徑（mm） 活 塞 桿 直徑 活塞面積 （） 推力 KN 拉力 KN 最大 行程 mm 大端 小端 14Mpa 16Mpa 14Mpa 16Mpa 160 90 201．06 137．44 281．48 321．70 192．42 219．90 4000 根據(jù)最升力確定前面已敘述。 總 結(jié) 裝載機(jī)鏟掘和裝卸物料的作業(yè)是通過工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。 裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)由鏟斗、動(dòng)臂、搖臂——連桿(或托架)及液壓系統(tǒng)等組成。鏟斗用以鏟裝物料；動(dòng)臂和動(dòng)臂油缸的作用是提升鏟斗并使之與車架連接；轉(zhuǎn)斗油缸通過搖臂——連桿(或托架)使鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)。動(dòng)臂的升降和鏟斗的轉(zhuǎn)動(dòng)采用液壓操縱。由動(dòng)臂、動(dòng)臂油缸、鏟斗、轉(zhuǎn)斗油缸、搖臂——連桿(或托架)及車架相互鉸接所構(gòu)成的連桿機(jī)構(gòu)，在裝載機(jī)工作時(shí)要保證：當(dāng)動(dòng)臂處于某種作業(yè)位置不動(dòng)時(shí)，在轉(zhuǎn)斗油缸作用下，通過連桿機(jī)構(gòu)使鏟斗繞其鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖時(shí)，動(dòng)臂在動(dòng)臂油缸作用下提升或下降鏟斗過程中，連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)能使鏟斗在提升時(shí)保持平移或斗底平面與地面的夾角變化控制在很小的范圍，以免裝滿物料的鏟斗由于鏟斗傾斜而使物料撒落；而在動(dòng)臂下降時(shí)，又自動(dòng)將鏟斗放平，以減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。 通過整個(gè)課題的研究工作，主要得出以下結(jié)論和成果: 1.通過AUTOCAD2007軟件對(duì)裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了二維平面設(shè)計(jì)，對(duì)AUTOCAD軟件有了更深刻的理解和運(yùn)用； 2.對(duì)這次設(shè)計(jì)的裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)到零部件設(shè)計(jì)。主要包括裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，如鏟斗，臂，液壓裝置等。并對(duì)重要零件進(jìn)行了剛度、強(qiáng)度分析。 參考資料 [1] 李健成等. 礦山機(jī)械（裝載機(jī)部分）[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社, 1981 [2] 徐灝等. 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In Proceedings International Conference on Robotics and Automation, May 1998, Leuven, Belgium. 致 謝 ??? 在本文的撰寫過程中，賀紅林老師作為我的指導(dǎo)老師，他治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，視野廣闊，為我營(yíng)造了一種良好的學(xué)術(shù)氛圍。置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了明確的學(xué)術(shù)目標(biāo)，領(lǐng)會(huì)了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且還明白了許多待人接物與為人處世的道理。其嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無華、平易近人的人格魅力，與無微不至、感人至深的人文關(guān)懷，令人如沐春風(fēng)，倍感溫馨。正是由于他在百忙之中多次審閱全文，對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行修改，并為本文的撰寫提供了許多中肯而且寶貴的意見，本文才得以成型。 ??? 在此特向賀紅林老師致以衷心的謝意！向他無可挑剔的敬業(yè)精神、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的治學(xué)態(tài)度、深厚的專業(yè)修養(yǎng)和平易近人的待人方式表示深深的敬意！ 2012 年 5 月 - 35 -