装载机料斗机构设计说明书

装载机料斗机构设计说明书班级：2008级车辆3班组长：王贤树20081295组员：修源20081307指导老师：谢进教授2011年6月13日目录TOC\o"1-5"\h\z\u第1章问题的提出1项目背景1设计要求1第2章设计方案的选择2国内外装载机研究的方向及问题22.2工作原理32.3装置操作3第3章机构尺寸设计4提升运动机构43.1.1尺寸设计过程5翻转运动机构6尺寸设计过程73.3整个设计尺寸综合10第4章机构运动分析与动力分析11装料阶段12装料阶段运动分析13装料阶段动力分析16提升阶段18提升阶段运动分析19提升阶段动力分析254.3卸料阶段294.3.1卸料阶段运动分析304.3.2卸料阶段动力分析34第5章本设计的设计过程36设计进度36细化分工36第6章结束语37参考文献39第1章问题的提出项目背景装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重和其他物料如木材的装卸作业。在道路、特别是在高等级公路施工中，装载机用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。此外还可进行推运土壤、刮平地面和牵引其他机械等作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。综合国内外装载机工作装置的结构型式，主要有七种类型，即按连杆机构的构件数不同，分为三杆式、四杆式、五杆式、六杆式和八杆式等；按输入和输出杆的转向是否相同又分为正转和反转连杆机构等。因为装载机的技术已经发展得相当成熟，本文通过比，确定设计目标，然后结合大学期间所学的知识，对装载机进行设计。本文定位于小型装载机，主要是以学习为目的。1.2设计要求本设计定位于小型装载机，除满足装载机装料，提升，卸料的基本功能外，还应考虑到小型装载机的特殊使用场合，以及设计的成本问题。本文对所设计的小型装载机作出以下要求：（1）装载机作业时工作装置应能保证：当转斗油缸闭锁、动臂油缸举升或降落时，连杆机构使铲斗上下平动或接近平动，以免铲斗倾斜而撒落物料；当动臂处于任何位置、铲斗绕动臂铰点转动进行卸料时，铲斗倾斜角不小于45°，卸料后动臂下降时又能使铲斗自动放平。（2）由于散装物料的多少，提升，卸料的高度等不同，料斗在空中的位置，姿态均不同。因而形成一个复杂多变的状态，这时本文考虑采用运载式组合机构运动系统，设计就显得十分方便。（3）本设计的关键问题是如何将上述两个机构组合起来，这里涉及到一个时序问题，应该使设计的各机构严格按规定的时序运动（4）整体要求：该设计在实现基本功能的基础上应该具有一定的空间运动范围，且应使各构件受力合理，有较长的使用寿命。第2章设计方案的选择国内外装载机研究的方向及问题1.反转六连杆目前国内研究和采用得较多是反转六连杆，如图所示。这种机构形式简单、尺寸紧凑。当铲斗铲掘物料时由于是反转机构，转斗油缸大腔进油工作，可以获得较大的铲掘力。也就是说，铲起同样重量的物料，转斗油缸的尺寸可以设计得较小。而且转斗油缸后置，使司机有较好的视野。反转六连杆机构尤其多用于中小型装载机工作装置中。图2.1反转六连杆机构2.八杆机构随着国外工程机械上普遍采用的八杆机构在中国市场的普及,近年来国内研究人员对于这种装载工作装置愈加重视。随着研究的深入发现装载机八杆机构工作装置的设计必须结合先进设计方法,如反求设计方法、各类有限元工程分析软件,否则难以得到最优方案,有时甚至得不到可行方案。八杆机构的结构装载机工作装置主要由铲斗、动臂、摇臂、连杆、举升缸、转斗缸组成。如图所示。图2.2装载机八杆机构工作装置结构模型本设计定位于小型的装载机，并且主要是以学习为目的。综合上述六杆机构和八杆机构的比较，本设计确定的设计方案为六杆机构。工作原理装载机的铲掘和装卸物料作业是通过其工作装置的运动来实现的。装载机工作装置由铲斗、动臂、连杆、摇臂和转斗油缸、动臂油缸等组成。整个工作装置铰接在车架上。铲斗通过连杆和摇臂与转斗油缸铰接，用以装卸物料。动臂与车架、动臂油缸铰接，用以升降铲斗。铲斗的翻转和动臂的升降采用液压操纵。2.3装置操作本文是设计一散装物料装载机的料斗提升和翻转机构，以满足装载机装料,提升，卸料的功能。料斗提升，翻转机构是安装在装载车上，装载车可以在平地上自由运动，因此此提升，翻转机构只要能在垂直平面作装料，提升，卸料的各种姿态即可。可将料斗的运动分成两部分，即提升运动和翻转运动，按运载组合原则，将提升运动安装在装载车上，它相对车将料斗提升，因而这提升运动就可满足地平面的任何空间。再将翻转运动安装在提升构件上，它相对提升构件作翻转运动，以满足装料，提升，卸料功能。通过一个液压缸的运动，可实现提升运动，通过另外一个液压缸可实现翻转运动。整个运动的运动简图如下图2.3。图装载机运动简图第3章机构尺寸设计提升运动机构设计分析图见下图图提升机构尺寸综合设计需考虑的问题：(1)根据实际情况确定设计要求，确定构件L的长度，从地面E点提升的高度；(2)计算构件L的摆角；(3)选择使构件L实现一定摆角的机构（此处选择液压系统为好）；(4)选用合适的液压缸（尺寸，按正位置等）；(5)检验传动角。3.1.1尺寸设计过程为方便设计，需先确定一个基本的设计要求，然后进行后续的设计计算。设计要求：提升构件，提升构件L从地面E点最高可提升，摆动构件L及液压缸的安装位置和，液压缸尺寸，。设计变量：提升构件L的摆角，液压缸活塞杆的安装位置C点，即AC的长度和起始角设计变量的求解过程：根据A，B的坐标，可求得AB的距离：根据A点坐标，长度，E点的位置方程为：可求得根据A点坐标，，点的坐标方程为：可求得根据，,,由余弦定理：可求得综上，翻转机构各杆尺寸如下：，，，，，，，3.2翻转运动机构设计分析图见下图和图图翻转机构综合要求图翻转机构综合设计需考虑的问题：(1)初始位置时，料斗底部线与摆杆L的夹角；(2)提升到不同高度，料斗底部线与摆杆L的夹角（三个特殊位置：最低位置，中间水平位置，最高位置）；(3)料斗最大摆角；(4)选用合适的液压缸；(5)连杆机构的传动角及连续传动条件；.1尺寸设计过程这里与提升机构尺寸设计过程类似，也许先确定一个基本的设计要求，然后进行后续的设计计算。设计要求：将料斗底部线作为料斗的位置参考线。在最低位置，中间位置及最高位置，线与摆杆L的夹角分别为。卸料时，线与摆杆L的夹角。最大摆角分析：料斗翻转机构以液压缸为原动机，则因摆角太大而难以实现。按组合机构设计原理，可以在液压缸摆动机构与料斗线之间再串联一个角度缩小机构，将变换成较小角度与摆动液压缸想串联。这种变换机构很多，常用的有齿轮等高副机构，这里采用比较简单的四连杆机构。四杆机构设计步骤：先按料斗摆角的要求，使所设计的四杆机构能将摆角缩小至，以满足摆动液压缸的摆角范围。见图3.3，ODEF为所设计的四杆机构，OF为相对固定的机架，FGH为液压缸摆动机构。O，F点坐标已知。由图可知：在最高位置，料斗翻转倒出物料，在此过程中，OF杆作为机架不动，OD杆转角为，EF杆的转角四杆机构给定的设计要求为：机架，机架与摆杆L的夹角取取最高位置来求解各设计变量：根据A点坐标，可得：可求得最高位置，根据A点坐标，，最高位置O点坐标，机架OF杆长度：可求得最高位置根据杆OF长度，杆OA长度，角，有：可求得：OD杆的位移矩阵为：D是OD上的点，由刚体的位移矩阵方程有：同时，O点到D点的距离始终保持不变，有运动约束方程：EF杆的位移矩阵为：E是EF杆上的点，由刚体的位移矩阵方程有：同时，E点到F点的距离始终保持不变，有运动约束方程：又DE杆长度始终不变，则有：同时有图可知：在最高位置准备的卸料的初始位置时，料斗呈水平状态，则OD杆此时处于水平位置则有：综合上述方程：可得未知数为，即为设计标量。可求得设计变量进而可求得四杆机构各杆的尺寸：选定液压缸：，使液压缸的摆动铰链位于摆杆L的AF线上的G点处，由最低位置到最低位置,有：可求得同时又有：可求得可求得根据，，，又有：可求得摆杆的初始角综上，翻转机构各杆尺寸如下：，，，，，，，，，3.3整个设计尺寸综合根据第4章机构运动分析与动力分析机构运动分析就是根据在机构各构件运动尺寸已确定、且原动件的运动规律（通常原动件做匀速转动）已知来对构件的位移、速度和加速度进行分析。这有利于了解机械的运动性能，也是机构动力分析的前提。机构的动力分析就是分析机构中各构件所受载荷，是分析机械动力性的重要参数，也是决定构件尺寸及结构形状等的重要依据。课程设计中，机构的速度较低，分析时可略去构件的惯性力、重力和运动副的摩檫。即只对机构进行静力分析。由于机构中构件所受载荷与原动件位置角有关，故应对机构在工作行程的不同位置进行受力分析。由此可求得构件所受的最大载荷并以此作为确定构件尺寸等的依据。本设计机构在不同的运动过程中，各个运动规律不一致，各个杆件的受力情况也不一致，因此考虑将整个运动过程划分为3个运动阶段，分别为装料阶段，提升阶段，卸料阶段，然后进行相应的运动分析和动力分析。第三章已经将设计机构所有的尺寸确定，首先，可在ADAMS软中画出简图，然后确定一些基本参数（见图4.1），最后便可进行模拟仿真，最后得到整个机构的运动分析和动力分析结果。图4.1软件中基本参数的设置装料阶段在ADAMS进行模拟仿真时，以装载机前轮与地面的切点为原点，装料阶段，整个机构的初始位置与装料完成瞬时的位置分别见图和图。图4.2装料初始位置图4.3装料完成位置装料阶段运动分析利用ADAMS软件进行模拟仿真，可得到装料阶段各构件的运动曲线：DE杆的运动分析：DE杆位移曲线DE杆速度曲线DE杆加速度曲线EH杆运动分析：EH杆位移曲线EH杆速度曲线EH杆加速度曲线液压缸HG运动分析：液压缸HG位移曲线液压缸HG速度曲线液压缸HG加速度曲线OD杆运动分析：OD杆位移曲线OD杆速度曲线OD杆加速度曲线4.1.2装料阶段动力分析同样可利用ADAMS软件进行模拟仿真，可得到装料阶段各运动副的受力曲线：D的受力曲线E的受力曲线F的受力曲线G的受力曲线H的受力曲线O的受力曲线4.2提升阶段提升阶段，整个机构的初始位置与装料完成瞬时的位置相同，提升阶段完成瞬时的位置见图。图4.4提升完成位置.1提升阶段运动分析利用ADAMS软件进行模拟仿真，可得到提升阶段各构件的运动曲线：液压缸BC运动分析：液压缸BC位移曲线液压缸BC速度曲线液压缸BC加速度曲线DE杆的运动分析：DE杆的位移曲线DE杆的速度曲线DE杆的加速度曲线EH杆运动分析：EH杆位移曲线EH杆速度曲线EH杆加速度曲线液压缸HG运动分析：液压缸HG位移曲线液压缸HG速度曲线液压缸HG加速度曲线OAF杆运动分析：OAF杆位移曲线OAF杆速度曲线OAF杆加速度曲线OD杆运动分析：OD杆位移曲线OD杆速度曲线OD杆加速度曲线.2提升阶段动力分析同样可利用ADAMS软件进行模拟仿真，可得到提升阶段各运动副的受力曲线：A的受力曲线液压缸BC受力曲线B的受力曲线C的受力曲线D的受力曲线E的受力曲线F的受力曲线液压缸HG受力曲线G的受力曲线H的受力曲线O的受力曲线4.3卸料阶段在卸料阶段，整个机构的初始位置与提升完成瞬时的位置相同，卸料阶段完成瞬时的位置见图。图4.5卸料完成位置4.3.1卸料阶段运动分析利用ADAMS软件进行模拟仿真，可得到卸料阶段各构件的运动曲线：DE杆运动分析：DE杆位移曲线DE杆速度曲线DE杆加速度曲线EH杆运动分析：EH杆位移曲线EH杆速度曲线EH杆加速度曲线液压缸HG运动分析：液压缸HG位移曲线液压缸HG速度曲线液压缸HG加速度曲线OD杆运动分析：OD杆位移曲线OD杆速度曲线OD杆加速度曲线.2卸料阶段动力分析同样可利用ADAMS软件进行模拟仿真，可得到卸料阶段各运动副的受力曲线：D的受力曲线E的受力曲线F的受力曲线G的受力曲线液压缸HG的受力曲线H的受力曲线O的受力曲线综上，本设计在不同运动阶段的运动分析和动力分析完成。第5章本设计的设计过程5.3设计进度1.一至三周，查找相关资料，对国内外装载机进行一个系统的了解，确定本设计的目标，要解决的问题及相关机构简图；2.四至七周，确定设计变量，进行相关计算；3.八至十三周，绘制草图，进行简单的运动，受力分析，以及CAD建模；4.十四至十六周，利用ADAMS进行虚拟仿真，进一步完善机构，并作相关的改进，完成该设计。5.4细化分工王贤树and修源合作完成前期的调研及讨论王贤树完成提升机构的相关内容修源完成翻转机构的相关内容王贤树and修源进行机构的组合分析，完成后续内容第6章结束语学期伊始，本文作者提出“小型装载机设计”项目方案，然后通过网络，图书馆查询相关资料，进而提出设计方案，然后进行分工计划，两位作者合力完成小型装载机运动机构的尺寸设计，运动分析和动力分析。在整个过程中，两位作者经过了多次的讨论与分析，付出了许多，整个设计凝聚了两位作者辛劳的汗水。通过一个学期的认真学习和不懈努力，作者完成了整个设计，这门课程也画上一个完满的句号。本文作者生活在码头附近，经常可以看到许多装载机作业于码头或船上，对装载机有一定的了解，也有很浓厚的兴趣，遂有了利用所学知识设计一个小型装载机的想法。经过对国内外相关研究的分析了解，确定了本设计的设计方案，然后结合大学期间所学的相关的专业知识进行后续的设计计算。在设计过程，遇到过许多问题，通过不断的讨论和分析，本文作者不断调整原有的计划与思路，并进行一些改进，完成了提升机构和翻转机构的尺寸设计，然后利用相关软件进行运动分析和动力分析，最终完成了小型装载机料斗机构的设计。通过本次机械综合设计，本文作者体会良多，既发现了自身在学习过程中许多不足的地方，同时学到了许多东西。在本次综合设计过程中，作者发现自身对机械原理知识掌握得不够深入，许多的理论理解得不够透彻，在运用公式方面也不够熟练。另外，在设计过程中，更深入的认识到理论与实践的差距，以后需要加强将理论知识用于实践中的能力。在本次设计中，本文作者通过网络，图书馆等多种不同的途径查找各方面的资料，综合各种不同学科的信息，并进行筛选处理，学会了工程科学中相关资源的检索，利用与处理，培养了良好的信息意识，必将为未来的毕业设计