机械课程设计（论文）-ZL20装载机反转连杆机构工作装置设计（全套图纸） .doc

zl20装载机铲斗课程设计计算说明书设计计算过程计算结果zl20装载机铲斗设计说明书全套图纸，加153893706一、课程设计题目试设计装载机反转连杆机构工作装置。已知该工作装置额定载重量q=2t，卸载高度h=2.5m，铲斗宽度b=1.9m，斗四连杆机构的尺寸参数为k= 0.97，a/d=0.30.4，c/d=0.550.65，上下摇臂为曲线型，动臂亦按照曲线型结构考虑，其转角=90，=1.41.5，=1.11.2，=0.120.14，=0.350.4，=4852，=510。要求： 1. 编写详细设计计算书； 2. 绘制机构运动轨迹简图（2图）； 3. 用cad绘制工作装置装配总图（1图）； 4. 绘制铲斗部件结构图（2图）。二、装载机工作装置介绍2.1、装载机用途装载机是一种作业效率高，用途广泛的工程机械，它不仅对松散的堆积物料进行装、运、卸作业，还可对岩石、硬土进行轻度铲掘作业，并能用来清理、刮平场地及牵引作业。如换装相应的工作装置，还可完成推土、挖土、松土、起重，以及装载棒料等工作。原始的装载机工作装置如图11所示，铲斗与动臂固定，若转斗液压缸不动，当动臂提升时，铲斗和动臂一起绕着定点转动，斗的倾角随着动臂转角的增大而增大，使斗中物料撒落，为使物料不撒落，要求动臂举升时，铲斗应相对动臂向前倾，以补偿铲斗随动臂转动所引起的后倾，实现铲斗接近平移运动。这样的运动通常是由连杆机构来实现。图12所示，为一个由机架、动臂拉杆和框架（斗）组成的工作装置连杆机构，动臂和拉杆的一端与车架铰接，另一端则与框架铰接。斗和斗液压缸固定在框架上。动臂举升时，动臂与机架的夹角改变，引起框架和动臂的夹角改变，由于斗装在框架上，故斗相对于动臂产生了转动。动臂举升时，斗在空间的运动，可以为斗跟随动臂一起绕定点转动的牵连运动和相对动臂转动的相对运动的合成。若动臂转角（即斗的牵连运动），通过连杆机构使框架（斗）相对于动臂转动（斗的相对运动），则斗在空间的实际转角为： =+若-，则0，即使动臂在举升时，斗在空间基本上无转角变化。2.2、装载机工作装置应满足如下要求：1、铲斗的运动轨迹符合作业要求，即要满足铲掘、装载的要求；2、要满足卸载高度和卸载距离的要求，并保证动臂在任何位置都能卸净铲斗中的物料；3、在满足作业要求的前提下，工作装置结构简单，自重轻、受力合理、强度高；4、保证驾驶员具有良好的工作条件，确保工作安全，视野良好，操作简单和维修方便。三、铲斗的设计铲斗是铲装物料的工具，它的斗型与结构是否合理，直接影响装载机的生产率，在设计工作装置连杆之前，首先要确定铲斗的几何形状和尺寸，因为它与连杆机构的设计有密切的关系。设计铲斗首先要具有合理的斗型，以减少切削和装料阻力，提高作业生产率，其次是在保证铲斗具有足够强度和刚度的前提下，尽量减少自重，同时也应考虑到更换工作装置和修复易换零件（切削刃、斗点）的方便。3.1、铲斗的构造在设计铲斗时采用的是普通型焊接铲斗，底板上的主切削刃1和侧板上的侧切削刃2均由耐磨材料制成；铲斗的上方有挡板3把斗的后臂提高，以防止铲斗举高时物料向后撒落。斗底上镶有摩擦材料制造的护臂4，以保护斗臂。如图（1）。图（1） 铲斗的构造 1 主切削刃 2 侧刀刃 3 挡板 4 护板 铲斗时采用的是普通型焊接铲斗- 图（2） 带分体式斗齿铲斗通常在设计铲斗时都采用带齿的铲斗，因为斗齿的作用是铲斗插入物料时，减少铲斗与物料的作用面积使插入力集中在斗齿上，破坏物料结构，因而带齿的斗具有较大的插入料堆的能力，适宜于装矿石和坚硬的物体，齿型的铲斗的选择使提高铲斗的寿命，使铲斗的插入力减小，如果齿变钝了易于更换和维修，设计时采用分体式铲3.2、铲斗的截面形状和基本参数的确定铲斗的截面形状如上图所示，它的基本形状由一段圆弧、两段直线所焊接而成的基本的斗状圆弧的半径r、张开角、后臂高h、底臂长l等四个参数决定的。圆弧半径r大，物料进入铲斗的流动性能好，有利于减少物料装入斗内的阻力，卸料快而干净，但圆弧半径r过大，斗的张开角大，不易于装满，且铲斗外形较高，影响驾驶员观察铲斗刃的工作情况。后臂高h是指斗上缘至圆弧与后壁切点的距离，h过小则容易漏料，过大则增加铲斗的外形影响驾驶员的视野。底臂长，则斗的插入料堆深度大，斗易于装满，但 铲起力由于力臂的增加而减少，底臂长度小则铲起力采用分体式铲大，且由于卸料时铲斗刃口降落的高度小，可以减少动臂举升高度，缩短作业时间。斗的断面形状由圆弧半径r、张开角、后臂高度h、和底臂长l等四个参数决定。如图（3） 图（3）铲斗截面的基本参数根据上图铲斗截面基本参数，已知该工作机构的额定载重量q=2t ，由土壤的自然重度公式：得 v=mg/=29.8/20=0.98在应用中采用平装斗容来计算铲斗的截面面积的基本参数，铲斗的截面面积：铲斗的几何容积v=sb，则可以建立下式：式中：v平装斗容量图(4)所示阴影面积由设计给定；b铲斗的净宽度；v=0.98铲斗斗底长度系数，=l/r；后斗壁长度，=l/r；l后斗壁长度，是指由后斗壁上缘至斗壁与斗底延长线相交点的距离；挡板高度系数，=l/r；l挡板高度； 圆弧半径系数，=r/r；斗底与后斗壁间的夹角,又称斗张开角；挡板与后斗壁的夹角。图 (4) 铲斗截面的具体参数根据已知条件取合适的值：取=8、r=0.4、k =0.14、z =1.2、g =1.5、=50把以上数据代入上式得铲斗的回转半径：r=0.921m。并由r得到以下数值：铲斗的横截面面积 s= v/b=0.98/1.9=0.516=8r =0.4k =0.14z =1.2g =1.5=50r=0.921ms=0.516后 斗 臂 长 度lz =1.20.921=1.1052m斗 底 长 度lg =1.50.921=1.3815m挡 板 高 度lk =0.140.921=0.1289m铲 斗 圆 弧 半径r =0.40.921=0.3684 m底 臂 长l =1.38150.3684/tan25。=0.5909m下铰点距斗底高度h=0.10.921=0.0921m3.3、斗容计算根据确定的铲斗几何尺寸即可以计算铲斗斗容3.3.1、平装斗容v（有挡板铲斗）v=sb-2ab/3 m式中：s铲斗横截面积等于0.516b铲斗内侧宽度等于1.9ma近似取0.15mb铲斗刀刃与挡板最上部之间的距离，又余弦定理得 b=1.338m所以 v=0.96 m三.三.二、堆装容量vh（额定斗容量）vh = vbb/8b(a+c)/6 c 物料堆积高度由于物料按2：1的坡度角堆装，所以c近似等于c=0.730m所以vh =1.65m四、 动臂的设计4.1、动臂长度动臂长度决定于动臂与机架的铰点位置和动臂与铲斗的铰点的位置。lz=1.1052mlg=1.3815mlk=0.1289mr=0.3684 ml=0.5909mh=0.0921ms=0.516a=0.15mb=1.338mv=0.96 mc=0.730mvh =1.65m动臂下铰点在动臂举升最高位置a1由所需的最大卸载高度hmax和相应的卸载距离s确定。动臂的下铰点在动臂下落时的位置a2则应尽量靠近轮胎，以减少对倾覆轴的力臂，缩短整机总长，但应保证铲斗上翻时，斗与轮胎有一定的间隙。4.1.1、动臂铰点的确定动臂上铰点:在确定了a1、a2、则上铰点o一定在由a1、a2、连线的垂直平分线上，具体位置由总体布置确定，o点向后布置可减少和最大外伸，有利于整机稳定，但靠后布置受驾驶室布置及折腰铰点位置限制。动臂的上、下铰点位置确定后，就可以用计算或作图法确定动臂长度。如图： 图(5) 动臂铰点的确定图示根据已知条件可知：转角=90取铲斗离轮胎的距离为=0.1m,卸载高度h=2.5m下铰点距离地的高度h=0.0921m则=arcsin（h/r）= arcsin（0.921/0.0921）=5.739又有=50+=50+5.739=55.739=90=0.1mh=0.0921m=5.739+=55.739l=rsin53.739=0.921sin53.739=0.761ma1a2=2.5-0.0921+0.761=3.1689m取 a1=90则角为90-50-34.261=5.739则l=a1a2/cos5.739=3.1848moa1=3.1848/2cos45=2.229m五、反转斗四连杆机构的设计根据题目的设计要求可得，要求工作装置设计成一反转四连杆机构，此机构的动力学特点是在产掘位置时的传动角大，转斗液压缸以大腔作用，能产生较大的崛起力五.一、动臂设计要求1、动臂提升时，收斗角变化不大，在满足最高位置收斗角条件下，加大动臂在下部时收斗角，这样提高装满程度，避免撒料。2、卸料时，转斗角速度小，易于控制卸料速度，减少卸料冲击。3、易于实现自动效率，铲斗自顶部降至地面时，无需操纵转斗油缸，铲斗自动回到铲掘位置，简化操作，提高功效 图 (6) 卸载速度随铲斗转角变化曲线l=0.761ma1a2=3.1689m5.739l=3.1848moa1=2.229m工作装置为反转四连杆机构 图(7) 工作装置整体简图此图形可以看成两个四连杆机构组合而成的（转斗缸四连杆机构abcd和斗四连杆机构defg），由两种不同的线条标5.2、连杆机构设计要求： 1、铲斗运动轨道符合作业要求。2、满足动臂在任意位置都能卸载，即卸载角3、连杆机构的传动角尽可能大，以提高传动效率4、作业时，各构件间无运动干涉5.3、斗四连杆机构的设计要求：1、满足斗（相对动臂）的转角范围，在转角范围内，传动角大于10。转角范围比较大。传动角取得比较大较难，但传动角最小值时，连杆机构受载不大，因此传动角可小些，但不得小于102、斗四连杆机构传动比应符合掘起力变化规律要求。即在铲掘位置附近力传动比比较大，以保证有足够的掘起力。3、连杆尺寸要适当，考虑结构布置的可能性和合理性。5.4、运动学与动力学分析：斗四连杆机构是双摇杆机构，其最长杆d与最短杆a之和应大于是b与c长度之和，即 adbca铲斗上下铰点连线长 b斗上铰点和下摇臂连杆长 c下摇臂长 d摇臂铰支点与动臂下铰点之连线长度5.4.1、斗四连杆机构斗铰线的最大转角范围当机构杆件长度确定后，为保证最小传动角 10，则该机构所容许的最大转动范围也就确定了斗四连杆机构的最小传动角的位置有两个如图所示： 图(8) 斗四连杆的最小传动角位置一个是当斗铰线a在右端极限位置，a、b杆所夹的锐角为最小传动角，作辅助线e得到：可得：d杆与e线之夹角由此可得，a杆在右端极限位置b杆夹角为10时，a杆与d杆之最大夹角为： 另一个是斗铰线在左端位置，当摇臂c转至d杆相重合时，由解析几何可以证明，a,b杆所夹之锐角为最小传动角min.其值可由三角关系求得min=arccos a +-（d-c）/2(a/d)(b/d）如上述求得min10，则说明该机构为保证传动角10，c与d杆不可能达到重合位置。可令min=10，应用三角关系可求得max.由上述斗铰线的两个极限位置即可求得该机构所允许的最大转角范围max max=maxmax5.4.2、斗四连杆机构的最大力传动比斗四连杆机构在运动时，连杆b的力作用线把旋转运动的杆件转动中心连线分为两端如图1-8所示，由力学三心定理可知，分截点即为a、c 杆件的相对瞬心，则二杆件角度之比等于该二杆件相对瞬心距离的反比。即 c/a=x/(d-x)如果不计摩擦的损失，得：cmc=ama则：ma/ mc=x/(d-x)式中ma ，mc分别为杆件a、c的力矩。式中可见，x值越大，则ma/ mc值越大，设计要求铲掘位置时x值在极大值附近。图(9) 力传动比最大值的位置斗四连杆机构各杆长度确定后，x值有如下关系。设连杆b的两端点在d杆为x轴的直角坐标系中的坐标分别为（x1,y1)和（x2,y2),可列出连杆直线方程由图(9)可见： 代入上式经简化得 令即可求得该机构在x达到极限值时的斗铰线a与d杆的夹角ej，在此位置，该机构获得最大力传动比。5.4.3、斗连杆机构尺寸的选择斗四连杆机构个构件长度比根据资料统计一般可在下述范围内选取：k=0.97;a/d=0.260.36;c/d=0.460.72在选择长度比时，若斗的转角范围大，k和c/d值应取大些；若k和a/d值取小些，则可以使连杆机构最小传动角增大。取定一连杆长度值，即可根据已选择的长度比确定四连杆各构件尺寸。连杆机构设计参数可变性很大，每选定一组k、a/d、c/d值，即相应有一机构方案。利用上述运动学和动力学分析的计算式，即可求得每一个方案为保证其最大传动角所允许的最大转角范围max，以及最大力传动比位置的a、d杆夹角ej。为了能迅速确定机构参数，并提高设计质量，我们把k、a/d、c/d在上述推荐范围内的数值按一定步长变化，利用电子计算机很容易算出相应每组k、a/d、c/d值所对应的一组。max、max、min和ej值，将它们列成表，利用此表使选的方案在满足下列条件的前提下，确定机构的初始位置：六、编程计算6.1、程序代码：#include#include#includeusing namespace std;int main() double k=0.97, a=0.3, c=0.55; double b=0.0; double wmax,$max,rmax,swap1,swap2;/声明 最大角 杆的极限角 double min=0.0;coutsetw(8)a/dsetw(8)c/dsetw(8)b/dsetw(8)wmaxsetw(8)$maxsetw(8)minendl; for(int i=0;i11;i+)for(int j=0;j11;j+) b=k+a-c; swap1=(1+b*b+a*a-c*c-2*a*b*( cos(3.14*17/18) )/sqrt( a*a+b*b-2*a*b*( cos(3.14*17/18) ) );/给 两个角赋值 swap2=b*sin(3.14*17/18)/sqrt( a*a+b*b-2*a*b*cos(3.14*17/18) ); rmax=swap1-swap2;$max=acos( (a*a+1-b*b-2*b*c-c*c)/(2*a) ); wmax=($max+rmax)*180/3.14;/最大角度 min= acos( ( a*a+b*b-(1-c)*(1-c) ) /(2*a*b) )*180/3.14;/最小角度 coutsetw(8)asetw(8)csetw(8)bsetw(10)wmaxsetw(10)$max*180/3.14setw(10)minendl; c+=0.01;a+=0.01; c=0.55;return 0;6.2、运行结果：上述运行的结果根据以下四点来选择参数：（1）所要求的铲斗转角max；（2）铲斗在极限收斗位置时，a杆和d杆的夹角max；（3）铲斗在动臂举升至最高位置时，a杆和d杆的夹角max，a杆和d杆所夹之锐角10；（4）使在地面铲掘位置时的a杆和d杆的夹角接近等于ej。则选择a/d=0.4;c/d=0.55;max=250;max=154;min=9;b/d=0.82。斗上铰点的位置参考同类型机器在连杆机构设计中确定，它与斗下铰点的距离不宜过大，否则将增加斗连杆机构尺寸，使结a/d=0.4c/d=0.55max=250max=154min=9b/d=0.82构布置困难。根据同类型机器的连杆设计取按比例关系可得:取a=385mm;b=742mm;c=578mm;d=963mm。七、转斗缸四连杆设计 转斗缸四连杆机构设计是根据所设定的铲斗上翻角和下翻角变化规律进行的。 铲斗上翻角变化规律（要求），动臂在水平位置以下，其上翻角的变化量应为正值，在动臂最低位置提升至运输位置时其值可大些，以增大收斗角，减少运输时的撒料；动臂在上部位置，则希望小一些，以保持斗的平移性能；动臂由最低位置举升至最高位置，斗上翻角变化量要求15。当活塞杆收缩，动臂转至任意位置，要求卸载角45。把设计要求的铲斗上、下翻角变化规律，以动臂转角以斗平放在地面时的动臂位置为初始位置，其转角范围为，每隔10作出动臂的转角值。上翻角斗铰