多功能工程机装载工作装置设计

多功能工程机装载工作装置设计

工作装置是直接在承载工具中装载材料的系统。它的结构和性能对整个机器的工作规模、性能参数、电机功率和生产能力有显著影响。因此,它的设计在整机设计中占有十分重要的地位。目前,常用的装载机工作装置由铲斗、动臂、连杆、摇臂、转斗油缸、动臂油缸等组成。一般对装载机工作装置的设计要求有:1)动臂举升过程中,铲斗上翻角(或称收斗角)的变化尽量小,保持物料不撒落;2)动臂举升时刃切削轨迹符合工况要求,且铲掘时掘起力变化规律符合工作要求;3)连杆系统在整个运动过程中,不得出现“死点”和“撕裂”现象,工作机构各构件之间,不允许发生“干涉”;4)传动角的变化范围有一定的限制,以保证工作装置的传力性能良好;5)机构传动应省力,作业时所消耗的功率要尽量小;6)转斗油缸活塞杆伸长不变,当动臂油缸从最高位置到最低位置时,铲斗应能自动呈插入料堆状态,以简化司机操作;7)保证在动臂举升的任意位置上都能卸载,即铲斗卸料角大于45°;8)工作装置的极限工作空间、最大卸料高度及最大卸料距离等应满足整机性能要求。由此可见,要设计出完全满足上述要求的工作装置相当困难。目前,国内设计工作装置的方法有三种,即类比作图试凑法、优化设计法和解析法。最常用的设计方法是类比作图试凑法,这种方法盲目性大,需多次作图试凑,工作量很大,而且设计精度较差。个别单位也开始采用解析法和优化设计方法,但使用效果并不理想,仍然未能全面解决卸料性与平移性、动力性与铲斗自动放平性之间的矛盾。近来,国内外一些厂家开始研究装载机的新型工作装置,并已在多功能工程机装载部分实现,如斯洛伐克ZTS集团生产的UNC-060型多功能工程机和泰安柴油机厂生产的ZLY10W型多功能工程机等。本文参照这些多功能工程机装载部分的机构,对装载机新型工作装置的设计进行了初探性研究。1机构工作原理新型工作装置由铲斗、动臂、转斗油缸、动臂油缸、铲斗平移引导油缸以及连接转斗油缸和铲斗平移引导油缸的油管等组成,工作原理见图1。转斗油缸和铲斗引导油缸的有杆腔与有杆腔之间、无杆腔与无杆腔之间由油路互通,并处于常通浮动状态。铲斗收斗和卸料可以依靠液压控制阀锁定铲斗平移引导油缸,由转斗油缸单独工作来实现。动臂油缸将动臂抬起,使动臂绕A点逆时针转动Δα角度,动臂在转动的同时,将铲斗平移引导油缸的BC边压缩,无杆腔的油被挤到转斗油缸的无杆腔,将转斗油缸的EF边伸长,从而带动铲斗绕D点相对动臂顺时针转动Δθ角度。如果能使Δα=Δθ,那么铲斗在这两个位置就能实现刚体平动。由此可见,新型工作装置的工况要求是由液压系统来实现的,它将会使装载机工作机构设计大为简化。2定转斗油缸和机制新型工作装置的设计,关键是如何合理地确定转斗油缸和铲斗平移引导油缸的安装位置和尺寸,使Δα≈Δθ,以保证动臂在提升或落下的过程中,铲斗始终是保持平移运动。2.1变化率的测定为了研究问题的方便,取铲斗平移引导油缸和转斗油缸的直径及行程完全相等,而且令其安装三角形尺寸也相等(见图1),则AC=DF=a,AB=DE=b。如图2所示,A、D点分别表示动臂和铲斗的回转中心;BC和EF分别表示引导油缸和转斗油缸对应于角α和θ时活塞杆的长度;由0°顺时针转到180°一边表示引导油缸活塞杆的长度变化,由180°顺时针转到0°一边表示转斗油缸活塞杆的长度变化。假设动臂转动Δα角,引导油缸的C点转到C1,活塞杆的压缩量为ΔL=BC=BC1;而转斗油缸的F点转到F1点,活塞杆的伸长量为ΔL′=EF1-EF,铲斗转动的角度为Δθ。因为两个平动油缸直径相等,所以任一瞬间都有ΔL=ΔL′。如果在任一瞬间ΔL=ΔL′的情况下,都能使得Δα=Δθ,那么,任一瞬间铲斗都是平动的。由图2有:L=√a2+b2-2abcosα‚L′=√a2+b2-2abcosθL=a2+b2−2abcosα−−−−−−−−−−−−−−√‚L′=a2+b2−2abcosθ−−−−−−−−−−−−−−√。令a2+b2=M,2ab=N,则有:L=√Μ+Νcosα(1)L′=√Μ-Νcosθ(2)L=M+Ncosα−−−−−−−−−−√(1)L′=M−Ncosθ−−−−−−−−−−√(2)对式(1)、(2)取一阶导数,则函数L=f(α)和L′=f(θ)的变化率分别为:dL/dα=Νsinα/√2(Μ-Νcosα)(3)dL′/dθ=Νsinθ/√2(Μ-Νcosθ)(4)dL/dα=Nsinα/2(M−Ncosα)−−−−−−−−−−−−√(3)dL′/dθ=Nsinθ/2(M−Ncosθ)−−−−−−−−−−−−√(4)据(1)～(4)式,可作函数L=f(α)、L′=f(θ)及dL/dα、dL′/dθ的曲线,参见图3。由图4可知,L=f(α)和L′=f(θ)是两条完全重合的曲线。不同之处是当α角减小时,θ角增加;反之亦然。保持铲斗平移的条件是:当ΔL=ΔL′时,Δα=Δθ。由于函数L=f(α)及L′=f(θ)的变化率不是常数(非线性的),不能使用曲线的任意一段为工作段。因此,满足铲斗平移条件只有两种可能。1横坐标对应的增量利用中心对称的性质,在点A的两侧取增量,并令ΔL=ΔL′,则横坐标对应的增量Δα=Δθ。根据曲线中心对称原理设计平移机构时,只要找出对称中心的横坐标αg,并在α=αg两侧对称布置两油缸的初始安装角,即可得到:当ΔL=ΔL′时,Δα=Δθ。23函数l.f和l=f是对称轴，图4b显示了l-f和l-f利用曲线的同轴对称性质,在对称轴两侧当ΔL=ΔL′时,必定有Δα=Δθ。2.2cos2sin曲线的对称中心必定是曲线的拐点,但拐点不一定都是对称中心,要判断其拐点两侧的对称性才能确定。当曲线为中心对称时,在拐点处的二阶导数为零,且二阶导数过拐点时改变符号。据(3)式,取L=f(α)的二阶导数得:d2Ldα2=√Μ-Νcosα(2Νcosα-Ν2sin2αΜ-Νcosα)4(Μ-Νcosα)(5)d2Ldα2=M−Ncosα√(2Ncosα−N2sin2αM−Ncosα)4(M−Ncosα)(5)令d2Ldα2=0d2Ldα2=0,则有:2Νcosα-Ν2sin2α/(Μ-Νcosα)=0(6)解方程得:cosα=(Μ±√Μ2-Ν2)/Ν(7)将M=a2+b2,N=2ab代入式(6)得根[cosα]1=b/a,[cosα]2=a/b。因已给定a>b,因此只能取cosα=b/a,所以有:αg=arccos(b/a)(8)同理可求得:θg=arccos(b/a)(9)αg、θg分别表示曲线L和L′拐点的横坐标,由(8)、(9)式可知,两条曲线是重合的。由式(5)和式(8)很难得出函数d2Ld2α在拐点αg处改变符号的结论。由图3可知,L=f(α)在0～π之间只有一个拐点。若αg=π/2时,曲线L在此拐点两侧是对称的,但因为a<b,b≠0,a≠∞,所以cosα≠0,即αg≠π/2,这说明该拐点不是对称中心,即曲线L在0～π之间不是中心对称。同理,曲线L′在0～π之间亦不是中心对称。2.3工作装置的设计工作装置的平移精度与定边长a和b以及它们的安装角α、θ关系很大(见图1)。通过上述分析得知,曲线L或L′在0～π之间做不到完全中心对称。但在b远远小于a即当b/a值很小时,αg很接近π/2,拐点两侧的曲线L或L′的变化率(一阶导数)是近似中心对称的。根据这一原理,可以设计装载机的工作装置。在确定b/a值时,还要考虑油缸和动臂铰点的布置以及总体结构尺寸等因素,一般可取b/a=0.18～0.30,相应的αg=72°～79°。为减小平移误差,应选取拐点附近的曲线为工作段,因为在拐点附近曲线两侧对应点的变化率相差最小。设动臂工作角度变化范围为αT,则αT=α2-α1,参见图3。一般可取αT=0°～75°,故两油缸的初始安装角(见图1)为:α=θ1=