ZL50轮式装载机工作装置设计

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321ZL50轮式装载机工作装置设计 摘 要：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。 关键词：装载机； 机械化； 工作装置 The Design of the Wheel Loader Working Device Student: Zeng qing linTutor: Wu Bing(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128) Abstract：Loader of soil belonging to the transport machinery，Through the installation of a front-end in a bucket full support structure and linkage, Random forward movement for loading or excavation, And the upgrading, transportation and unloading of self-propelled machinery. It widely used in highway, railway, construction, utilities, ports and mines, and other construction projects. Loader is operating speed, high efficiency, good mobility, the advantages of operating the Light, So as the construction of earth and stone in the construction of one of the main machine, speed up the construction speed and reduce labor intensity and improve quality, lower costs of the project has played an important role in the construction of a modern mechanized equipment indispensable one. Keywords：Loader； Mechanization；Work-Equipment1 绪论1.1 轮式装载机概述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29C 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（75kg3kg）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。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1。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。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）；另一种是油缸中部通过销轴与前车架铰接（图3）。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1 有铲斗托架式Fig1 A bucket bracket type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）；另一种是油缸中部通过销轴与前车架铰接（图3）。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 立式布置形式 图3 卧式布置形式 Fig2 Vertical layout form Fig3 Horizontal layout form 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5bf）。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：由图4b组成的工作装置如图5a、b所示。由图4e组成的工作装置如图5c所示。 图4 八杆机构的构成方案Fig4 Eight pole institution construction program 图5 八杆机构工作装置的结构形式Fig5 Ght pole institutions work device structure form(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6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6 六杆机构的构成方案Fig6 The composition of six poles structure scheme 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7a） 以图6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。(2） 转斗缸后置式正转六杆机构（图7b） 以图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7c） 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。 图7 六杆机构工作装置的结构形式Fig7 Six members and institutions structure form working device(4） 转斗缸后置式反转六杆机构（图7d） 以图6a 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7e） 以图6a 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 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 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 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。 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9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。对于反转六杆机构的工作装置（图9a），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9b），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 t3 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。矿用轮式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）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10所示。 1齿尖； 2齿坐； 3钢销 图10 双段斗齿 Fig10 Double section dipper teeth 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250300mm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500600kg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。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。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。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。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 图11 铲斗断面基本参数图Fig11 The basic parameter diagram. Bucket section （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和张开角四个参数确定，如图11所示。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 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50100mm。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： 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（12）计算。图12 铲斗尺寸参考Fig12 Bucket size reference（m） （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，=1.401.53 后壁长度系数，=1.11.2 挡板高度系数，=0.120.14 圆弧半径系数， 张开角，为4552 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 =1.51140=1710mm =1.11140=1254mm =0.121140=136.8mm一般取铲斗侧壁切削刃相对斗底壁的倾角=5060。铲斗与动臂铰接点距离斗底壁的高度=（0.060.12）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13）按照式（2）计算。对于有防溢板的铲斗 （m3） (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13 铲斗容量计算Fig13 Bucket capacity is calculated （2） 额定容量铲斗的额定容量（见图13）按照式（3）计算。对于有防溢板的铲斗 （m3） （3）式中 c 物料堆积高度，m对于无防溢板的铲斗 （m3）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14）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。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-低位卸载工况图14 反转六杆机构简图Fig14 Reverse six poles structure diagram 1）确定坐标系如图15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35的前倾角。此为铲斗插入料堆时位置，即插入工况。图15 动臂上三铰接点设计Fig15 Moving arm hinged on three point design 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=250350mm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）。确定动臂与机架的铰接点A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。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 。 （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0.10.16，宽面轮胎取0.050.1）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。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。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1/31/2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。1） 确定动臂与摇臂的铰接点BB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16 动臂铰接点A的确定Fig16 The hinged point A arm affirmatory （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18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。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 （5）如图3-10所示，若令GF=a，FE=b，BE=c，BG=d，并将式（5）不等号两边同时除以d，整理后得到下式，即 （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 （7）由式（3-7）选取K=0.950得到 a=0.3d=425c=0.58d=830，代入（3-6）得到 b=948 。图18 连杆、摇臂、转斗油缸尺寸设计Fig18 Connecting rod, rocker, and turn fights oil cylinder size design 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：E点不可与前桥相碰，并有足够的最小离地高度；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；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；高位卸载工况时，EF杆与GF杆的传动角也必须大于10。如图19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19 连杆端部铰接点设计Fig19 Connecting rod ends hinged point design 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。转斗油缸与摇臂和机架的铰接点C和D点的确定在图18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。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 （8）C点一般取在B点左上方，BC与BE夹角可取CBE=130180，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。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18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）。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。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。在图20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： 图20 铲斗位置角计算 Fig20 Bucket Angle calculation （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 ADCDBC+BA=0 （10）将式（3-10）中各向量分别向轴和轴投影，则得到下列方程 （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 （12）将式（12）等号两边平方后，使两方程相加，并令 （13）和 （14）则从式（3-12）中消去了，并将其变换成下列三角方程 （15）将式（3-15）乘以，并设，则式（3-15）可化为 （16）解式（3-16），得 或 （17）同理，在向量四边形GFEB中，有 BEFEGF+GB= 0 （18）令 （19）和 （20）得三角方程 （21）其解为 （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