小型装载机工作机构的设计.doc

全套设计包括设计说明书+CAD图纸。购买请联系qq：541937254小型装载机工作机构的设计摘 要装载机的工作装置直接影响装载机的性能参数和作业效率,对其进行合理的设计,在整机设计中占有十分重要的地位.本设计根据已有相同型号的装载机预先假定各个杆件的长度，然后通过优化设计从工作装置运动分析入手，再满足机构性能要求的前提下，对假定的参数进行校核和修改，从而得到最优参数值。再根据本装载机的额定装载质量对各个铰点进行受力分析，然后对动臂、摇臂、连杆及其销轴进行强度校核，进而得到满足要求的技术参数。全面分析铲运机工作装置特点， 将其分解为转斗机构和举升机构两大功能相对独立子机构，通过选取对工作装置性能影响最大的传动比为目标函数，以边界约束、性能约束、运动协调性约束、油缸稳定性约束、总体布置约束、干涉性约束等为条件，建立优化设计数学模型。根据ZL10装载机工作装置连杆机构的实际工作要求,提出能够满足多种要求和良好工作性能的优化计算方法,建立数学模型,编制优化计算程序,求得结果;并通过实际应用和电脑动态模拟,证明优化结果的正确性. 对装载机工作装置中举升机构进行理论分析和数学建模 ,确定变量、 约束条件和目标函数 .以 MATLAB仿真软件为工具 ,对所建立的数学模型进行最优化的仿真研究 ,形成一套完整的优化设计体系。通过设计计算得到小型装载机工作机构的技术参数，基本满足要求。关键词：关键词： 装载机，工作装置，受力分析，强度校核，六杆机构， 优化设计， 数学模型, THE DESIGN OF SMALL FREIGHT MACHINEABSTRACTExamination of the design drawing together on the work machine reproduced the design of devices. Thewheel loaderworking linkage affects thewheel loader capability and busywork efficiency. It is in quite importantstatus thatreasonable design aboutworking linkage in thewhole.The work of the loader device use reverse six-bar linkage. According to this design has the same pre-loader models assume that the length of each bar, and then by optimizing the design of Motion Analysis from the device to start, and then meet the performance requirements of agencies under the premise of the assumption that the parameters of the calibration and modification, which has been optimal parameter values. Loader in accordance with the quality of the rated load point of each hinge force analysis, and then boom, arm, connecting rod and pin for strength checking, and then met the requirements of technical parameters. Achieved by calculating the work of agencies to small loader technical parameters, basic Meet the requirement. author analyzes theworking characteristics of ascraper completely-devideait intoting bucket mechanism and liftingmechanism. and under the conditions such as boudary constraint performace constraint, motion conrdination constralnt， cylinderstability constraint-whole arregement constraint interference constraint etc-the author set supoptimization desin mathematial models for theraper by selecting trans mission ratio whlcb is the most irrfluencial element to working performane as the object functionBased on the actual requirements of the working linkage of loader ZL10, the author puts forward the optimum calculatingmethod that is supposed to be effective in differentways. The author also sets up a mathematical model, makes the optimumprogramand finds outthe results. In practice and dynamic computer simulation, the validity of the results is proved. This thesis makes the theoretical analysis and mathematic model towards the lif ting mechanism of the loader working equipment , and conforms the variables , the rest ricting conditions and the target functions. It simulates the mathematic model in the optimal way with the MATLAB sof tware , and establishes a set of integrity and excellent design system.KEY WORDS: Freight machine ，Work device， Force analysis,，Strengthchecking scraper， Six-bar linkages， Optimization design 7目录前 言1第1章绪论31.1本课题的研究背景及意义31.1.1 装载机简介31.2 装载机的国内外发展状况31.2.1国内装载机的发展现状及趋势3第2章 装载机总体设计52.1 轮式装载机工作装置总体参数确定52.2.1 轮式装载机的工作装置总体参数确定52.2.2 轮式装载机的工作机构参数的初步确定62.2.4 工作机构参数的初步确定7第3章 装载机工作装置设计83.1 工作装置的设计要求83.1.1 装载机工作装置设计要求83.2.2 铲斗的设计83.2.2.1 铲斗的断面形状和基本参数确定83.4 连杆系统设计123.4.1 工作装置连杆机构设计123.4.2 工作装置连杆机构分析123.5 工作装置的运动学分析133.5.1动臂运动133.5.2转斗油缸的运动143.5.3转斗机构的传动比153.6 约束条件的确立163.7 工作机构的优化设计193.7.1反转六杆机构的优化设计193.7.1.1建立反转六杆机构优化设计的数学模型193.7.1.1.1设计变量的确定193.7.1.1.2目标函数的确定203.7.1.1.3 约束条件的确定21第4章 装载机工作装置受力分析234.1 工作装置受力分析及其计算234.1.1 计算位置的确定234.1.2 外载荷的确定234.1.3 外载荷的确定274.2 工作装置整体受力分析274.3 铰结点受力分析计算284.3.1 铰结点约束反力计算284.3.2 铰结点D约束反力计算294.3.3 铰结点A约束反力计304.5 动臂油缸作用力的确定32第 5 章 强度校核345.1 销轴的校核345.1.1 剪切强度校核345.1.2 挤压强度校核35结 论40谢 辞41参考文献42外文资料翻译43前 言装载机的工作装置主要是由铲斗和支持铲斗进行装载作业的连杆系统组成的，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途运输作业，还可以进行平地修路等作业，把铲斗换成专门的装置，还可以进行其他装载作业。装载机工作装置的结构和性能直接影响整机的工作尺寸和性能参数，因此，工作装置的合直接影响装载机的生产效率、工作负荷、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。20世纪后期开始，国际上工程机械装备的生产注重向大型化、微型化、多功能化、专用化和智能化的方向发展。而在我国工程机械行业几经洗礼和业内人士的不断努力，在国际市场上也充分显示了强大的生命力。在我国的工业化发展进程中，工程机械有初始发展逐步走向成熟时期，一些主导产品的研发、设计和制造水平都有了相当程度的提高，某些产品质量也达到了用户认可的水平。产品以其价格低廉也具有一定的竞争力。但同国际先进的工程制造厂家相比差距还是比较大的主要表现在产品的可靠性、使用寿命、绿色工程设计、高新技术的创新应用以及管理模式上。相对而言我们的自主开发能力还比较薄弱，有自主知识产权的产品技术较少，新产品的关键技术大部分还依赖于引进国外的技术；另一方面对国外的先进技术的消化、吸收、创新不足。其次对市场反应慢，产品的更新周期太长，我国的工程机械行业的技术发展的仍旧任重而道远。由于我国是传统的农业手工业国家，机械化水品不高，因而小型装载机的产生会促进农业手工劳动向现代化、机械化转变，其也将成为农用工程机械的主要产品之一。因此加快装载机的发展步伐是迫切需要的现实需求。铲斗额定载重量1t以下的小型装载机有较大的发展空间。但在我国机械的工程机械市场上国际知名品牌例如大宇、卡特、日立、小松等都是外国产品，在市场上的占有额达到60%。其中韩国的大宇的市场占有额九达到23%。而且现在国际小型装载机正逐步向造型美观、高效舒适、节能降耗的方向发展，因此国内的工程机械行业为了提高其竞争力，就必须进行技术革新，不断优化和提高其产品的性能，推出新的产品。本设计的目的就是设计可行性的小型装载机的工作装置，此工作装置能满足装载机在较复杂的工作环境中顺利完成作业。在本设计中以工作装置处于地面铲掘位置时工作装置承载的额定载荷为计算载荷对动臂进行强度校核。从而满足要求。本次设计是在姚永玉老师的精心指导下，查阅许多相关的书籍和手册完成的。姚永玉老师在我的设计中做了全程耐心细致的指导，并且在最后对本此设计做了认真详细的审阅，并提出了许多宝贵的意见和建议，我在此向姚老师表示诚挚的问候和衷心的感谢。由于本人水平有限，设计中纰漏与错误之处在所难免，恳请各位答辩老师给与批评指正，修改其中的错误，以期使设计更加完善。 第1章绪论1.1本课题的研究背景及意义近年来我国的工程机械产业进入了加速增长阶段，呈现出前所未有的繁荣态势。工程机械装备已经成为我国国民经济发展的主要支柱产之一，占据世界工程机械总量第七位，随着国家大力投资新建基础设施的进行，为国内工程机械产品市场的开发提供了良好的发展空间，同时也会有力的拉动相关产业的发展。良好的环境为我们大力发展装载机提供了良好的机遇。1.1.1 装载机简介装载机属于铲土运输类机械，是一种通过安装在前端一个完整的铲斗支撑机构和连杆，随机器向前进行装载或挖掘，以及提升、运输、和卸载的自行式履带或轮胎机械。是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口及矿山等建设工程的土石方施工机械，由于其具有作业速度快、效率高、机动性好和操作轻便等优点，已成为工程建设中土石方施工的主要机种之一1.2 装载机的国内外发展状况1.2.1国内装载机的发展现状及趋势近十年来，全世界每年挖掘机产量虽然有些波动（最高年产量曾达到20余万台），但挖掘机的年产量总要大大高于装载机和推土机的年产量。据有关专家估算，全世界各种施工作业场约有65%至70%的土石方工程是由挖掘机完成的。另外，从经济性考虑，完成同样的土石方施工量，采用挖掘机作业比用装载机、推土机消耗的能量要少，装载机次之，推土机能量消耗最大。购买一台挖掘机虽然一次性投资比装载机、推土机要大一些，但投资回收期短,是真正购入成本低的设备。 国内市场对液压挖掘机机型的需求现象 据统计，国内市场对液压挖掘机机型的需求以2025中型机型为主。 到2003年，2025t级机型产销量所占比例为70%，2733t级机型产销 量所占比例为13%其余小型与重型机型所占比例很少。这是由于2025t级产品优良 的效率所决定的。它们的作业效率高，使用面广，质量上乘，配套件供应充足，而价格适中。 因此，国外独资与合资公司在我国大多以生产这一类机型为主。 1.2.2 国外装载机的发展现状及趋势 20世纪90年代末国外的轮式装载机技术已达到了相当高的水平，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的应用于装载机的设计、计算机操控、监测监控、生产经营、和维修服务等各个方面，使国外装载机的自动化水平更加提高，而且进一步提高了生产效率，改善了司机的作业环境，提高舒适性，降低噪音、震动、和排污量，保护了环境，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的水平。 国外轮式装载机在其未来技术发展中将广泛应用微电子技术和信息技术，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及其噪音；通过不断改进电喷装置；进一步降低差游记发动机尾气排放量；提高液压元件、传感元件、和控制元件的可靠性格灵敏性，提高整机的机-电-信一体化水平；在控制方面采用电子监控和自动报警装置、自动换挡变速装置；安装GPS定位与质量自动化装置；开发“机器人式”装载机等。 第2章 装载机总体设计2.1 轮式装载机工作装置总体参数确定装载机按额定载重量可以分为：小型(10t)。轻、中型装载机主要用于工程施工和装卸作业，它要求机动性好，能适应多种作业要求，因而一般常配有可更换的多种作业装置。重型装载机多系轮胎式，主要用于矿山、采石场作铲掘、装卸作业，由于作业条件苛刻，要求装载机具有更高的结构强度和可靠性。小型装载机小巧灵活，配上多种工作装置，主要用于城市、农村的多种作业。2.2.1 轮式装载机的工作装置总体参数确定参照同类型样机及设计要求初步确定小型装载机的总体参数如表2-1所示：表2-1 ZL-10装载机的总体参数项目ZL-10额定斗容量（m）0.8额定载重量（T）1.6机重（T）4.8车全长（mm）4900车宽（mm）1640车高（mm）2650斗宽（mm）1600轴距（mm）1980最大卸载高度（mm）1893最大崛起力（KN）35卸载角（）452.2.2 轮式装载机的工作机构参数的初步确定根据总体参数初步确定工作装置结构如图2-2：图2-2 工作装置机构示意图A点为动臂和机架联结的铰点 B点为转斗油缸和机架联结的铰N点为动臂油缸和机架联结的铰点 C点为动臂油缸和摇臂CDE联结的铰点D点为动臂和摇臂CDE联结的铰点 E点为连杆EF和摇臂CDE联结的铰点F点为连杆EF和铲斗FGV的铰点 G点为动臂和铲斗的铰点V点为斗齿尖 M点为动臂油缸和动臂的铰点反转六连杆机构由铲斗 GF、动臂 ADG、连杆 FE、摇臂CDE、转斗油缸 BC、动臂油缸NM和机架 ABN 组成。它是个两自由度机构，包括斗杆机构和缸杆机构。斗杆机构是铲斗和摇杆CDE组成的四连杆机构，即DEFG，缸杆机构是转斗油缸和摇杆CDE组成的四连杆机构，即ABCD。动臂机构包括动臂油缸MN和动臂ADG。铲斗就是FGV。2.2.4 工作机构参数的初步确定 本设计采用作图试凑法进行设计，在进行计算之前将工作装置的结构参数进行初步确定，以方便下面的计算。工作装置结构参数如表2-2所示：表2-2 装载机工作装置结构参数杆件长度（mm）杆件长度（mm）AG2200EF678AB302CD415AD1459FG365AN519CE951DG863ED530AM1240GM961NM1003NM1550BC1070BC1415GV672 以上参数为初步设定参数，将在后面章节进行校核。第3章 装载机工作装置设计3.1 工作装置的设计要求3.1.1 装载机工作装置设计要求根据装载机的使用状况，一般地对其工作装置的设计要求主要包括以下几个方面：l) 铲运功能:铲斗运动轨迹符合作业要求，正常完成铲掘、装载功能。2) 平移型:动臂提升过程中，铲斗保持平移运动，以免斗中午料撒落。3) 掘起力:希望铲掘力大，且铲掘时掘起力变化规律符合工作要求。4) 干涉性:工作机构各构件之间不允许发生运动干涉。5) 传动角:传动角符合某限制范围，以保证工作装置的传力性能良好。6) 卸载性:满足卸载高度和卸载距离要求，保证动臂在任何位置都能卸净铲斗中的物料。工作装置的卸载性就是当动臂处于任何作业位置时，在转斗缸作用下，应保证铲斗的卸料角均大于45。7) 总体布置要求:工作装置的极限工作空间、最大卸载高度及最大卸料距离等应满足整机性能要求。8) 在满足作业要求的前提下，工作结构简单、自重轻、受力合理、强度高:应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。9) 工作装置的动力性就是铲斗处于地面铲掘位置时，工作装置应有较高的力传动比，以保证有较大的掘起力。3.2.2 铲斗的设计3.2.2.1 铲斗的断面形状和基本参数确定 铲斗的断面形状有铲斗圆弧半径r、底壁长l、后壁高h和张开角四个参数确定。图3-2铲斗断面基本参数圆弧半径 r 越大 , 物料进入铲斗的流动性越好 , 有利于减少物料装入斗内的阻力 , 卸料快而干净。底壁长 l越长 , 则铲斗铲入料堆的深度大 , 斗易装满 , 但铲掘力将由于力臂的增加而减少 , 对轻质物料为主的铲斗 , l可选择大些 , 对铲装岩石的铲斗 , l取小些。铲斗张开角一般为 45 52 , 适当减小 a 并使斗底壁对地面有一定斜度 ( 一般取值较小) ,可减小插入料堆的阻力 , 提高铲斗的装满程度。铲斗的宽度应大于装载机两前轮外侧间的宽度 , 每侧要宽出 50100mm , 否则铲斗取物料后所形成的料堆阶梯会损伤轮胎的侧壁 , 并增加行驶阻力。铲斗的下铰接点即与动臂的连接点 , 当铲斗在铲掘位置时 , 应尽量使该点靠近切削刃与地面 , 下铰接点靠近铲斗切削刃 , 则转斗时力臂小 , 有利于增加作用在斗刃上的铲掘力。下铰接点靠近地面 ,可减小在作业时的铲入阻力。铲斗上铰接点即铲斗与拉杆的连接铰点 , 参考同类型装载机工作装置确定。上铰接点与下铰接点距离不宜过大 , 否则将增加铲斗连杆机构的尺寸 , 给结构布置带来一定的困难。（2）铲斗基本参数的确定第4章 装载机工作装置受力分析4.1 工作装置受力分析及其计算工作装置的结构计算包括：（1）确定计算位置;(2) 选取工作装置受力最大的典型工况，确定外载荷;(3) 对工作装置进行受力分析。4.1.1 计算位置的确定分析装载机插入料堆，铲起、提升、卸载等作业过程可知，装载机在铲掘物料时，工作装置受力最大。取铲斗斗底与地面的前倾角为3并假定外载荷作用在铲斗切削刃上的铲掘位置为计算位