铲运机连杆机构设计

铲运机连杆机构设计

总结由于工作装置的可靠性和尺寸对滑翔机的运行有很大影响，因此在滑翔机的设计和研究中应高度重视连杆机构。1机构设计中的最小传动角连杆机构(见图1)的作用,一是保证铲斗在动臂升举工况实现平动或接近平动;二是在铲取或卸载工况使铲斗绕动臂的铰接点回转所需角度,以实现铲取和卸载动作。连杆机构必须满足下列要求。1.1动臂升举时铲斗平动由图1知,铲斗由运输位置Ⅱ升举到任一位置(图示为卸载位置)时,动臂转角Δγ=γ′-γ,对应地铲斗相对动臂的转角Δβ=β′-β,则铲斗倾角变化Δζ=Δγ-Δβ,在铲斗升举过程中的任何位置均能满足Δζ=0时,即保证了铲斗的平动。当铲斗平动时,保证了在升举过程中不撒料,且保证在卸载时铲斗的转角αZh与动臂之升角无关。在实际设计中,并不严格要求Δζ=0,当Δζ<15°时,都认为是合理的。1.2动臂在任意位置,铲斗卸载角αx′≥45°αx′=αx+Δγ′-Δβ′≥45°式中:αx——动臂举到最高位置时铲斗卸载角;Δγ′——动臂由最高位置落下的转角;Δβ′——当动臂转角为Δγ′时铲斗相对动臂的转角。此时,转斗角αZh与卸载角αx,装载角αZ和插入角αC之间应满足αx′=αx+αZ-αC。当Δζ′=Δγ′-Δβ′=0,即铲斗平动时,则动臂在任意位置,铲斗之卸载角均相等,即αx′=αx。1.3适当的传动角从力的角度来看,为提高连杆机构传动效率和减少铰销轴承压力,应尽可能增大传动角,尤其是在铲取工况时更是如此。一般应保证最小传动角大于10°。1.4铲斗自动放平工作装置连杆机构见图1所示,不改变转斗油缸4的活塞杆位置,当动臂落下Δγ=γ′-γ时,铲斗3由卸载位置Ⅳ达到铲取位置Ⅰ,即称铲斗自动放平,其突出的优点是简化了操作,简化了控制系统且提高了作业效率。1.5铲取力变化曲线符合作业要求1.6不与其它构件发生干涉2正转六杆机构现有铲运机的杆件机构,就其类型来说,除美国Eimco916一种型号采用了导杆机构以外,其余全为仅有转动铰的连杆机构。其连杆机构按杆数分有四杆、六杆、八杆机构;按输入杆,输出杆之转向是否相同,分有正转机构(同向)和反转机构(反向)。图2为各国铲运机连杆机构的典型类型。图2a为西德SchopfL系列的八杆正转机构,其最大缺点是杆件太多、结构复杂。图2b为西德GHHLF-2H型的六杆正转机构,它由两个正转四杆机构组成。正转六杆机构如果尺寸综合合理,则当动臂升举时,铲斗倾角变化Δζ值可以很小,如SchopfL111型铲运机,即Δζ<10°,可以认为铲斗为近似平动。图2c为日本川崎KLD-M5N型的反转六杆机构,它由两个反转四杆机构组成,其主要优点是铲取力大。图2d所示的六杆正转机构,系由两个平行四边形正转机构组成,因而能严格保证铲斗平行升举。在世界各国的铲运机中,仅芬兰的Toro100D型采用了此种机构。图2e为美国Eimco919型的四杆正转机构,结构简单,但转斗油缸活塞行程大。由于在升举过程中,四杆机构呈平行四边形,故可保证铲斗平行升举。图2f为正转四杆机构的改进型式,其工作原理与图2e相同,只是在活塞杆和铲斗之间加了一短连杆,因而避免了卸载时活塞杆与铲斗后壁相碰。值得指出的是,正、反转连杆机构的铲取曲线是不同的。正、反转连杆机构铲取曲线见图3所示,正转连杆机构其最大铲取力Pmax发生在铲斗转角α为正时,且铲取力变化曲线陡峭(曲线2),因此在提取铲斗时的铲取力较大,适于装载矿石。杆件机械在中小型铲运机中得到了广泛的应用,为保证铲斗平行升举,反转连杆机构必须成对出现,故六杆反转机构系由两个反转四杆机构组成,而四杆机构只能为正转机构;图2e、f所示的四杆正转机构在铲运机上应用比例较大,这是由于其结构简单,总体布置方便,借增大油缸尺寸亦可得所需的铲取力之故。3回转六杆机构和六杆机构相比,四杆机构尤其是平行四边形机构之综合是比较简单的,因此,这里以反转六杆机构为例进行讨论。以铲斗平行升举和自动放平两个条件作为综合的依据,其余之设计要求则仅作为检验机构综合合理性的条件。3.1动臂与成卡的铰接点位置首先,按给定的额定斗容确定铲斗的基本参数,并画出铲斗的横断面简图。然后,如图4(动臂铰点位置)所示,根据最大卸载高度Hmax,最小卸载距离Lmin和铲斗基本参数初定动臂长度。在此基础上,即可根据铲运机总体布置的要求初步确定动臂上三个铰接点的位置。动臂与铲斗的铰接点G:当动臂在最低位置时,点G应尽量靠近轮胎,但应保证当铲斗从铲取位置上翻到运输位置时,铲斗与轮胎仍有一定的间隙,并应保证满足铲运机最小离地间隙的要求。当动臂在最高升举位置时,点G′系由最大卸载高度Hmax和最小卸载距离Lmin决定。动臂与机架的铰接点A:由图4(动臂铰点位置)显而易见,点A应在GG′的垂直平分线上,其具体位置由总体布置确定。在总体布置和卸载距离许可时,点A应尽量靠近整机重心,以改善受力情况,减少前悬长度。动臂与摇臂的铰接点B:考虑到总体布置的要求,并使连杆长度和转斗油缸行程不要过大,点B应在AG中点上方附近靠近点G的一侧。A、B、G三点确定之后,就确定了动臂的形状和尺寸,亦即在两个反转四杆机构中分别定出了一个杆AB或BG的尺寸和初始位置。3.2生产方法用作图法综合连杆机构尺寸,又可用试凑法和相对角移量作图法。3.2.1确定铰接点位置试凑法综合连杆机构尺寸如图5所示,在两个四杆机构的七个铰接点A、B、C、D、E、F、G中,A、B和G三点已经确定。试凑法的基本方法是初定F、E、C三点,然后根据铲斗平行升举和铲斗自动放平两个条件,找出符合总体布置要求的转斗油缸与机架铰接点D。在初定铲斗四杆机构GFEB时,可采用双摇杆机构,即令a+d>b+c,亦即k=b/d+c/d-a/d<1,通常取k=0.97～0.99,a/d=0.26～0.36,c/d=0.46～0.72。在初定点C时,可取摇臂比c/e=1.5左右,并应注意使点C尽量靠近位置Ⅱ的铲斗后壁,以方便转斗油缸的布置,这样,就初步确定了F、E、C三点,亦即确定了铲斗四杆机构GFEB和摇臂EBC。据此,从图5容易看出,对应于铲斗的位置Ⅰ和Ⅱ,点C的位置CⅠ和CⅡ即可确定。按照铲斗平行升举条件,对应于铲斗位置Ⅲ和Ⅱ,在转斗油缸活塞杆位置不变条件下应有G′FⅢ//GFⅡ,于是可以找到FⅢ点。根据点FⅢ和已知的连杆和摇臂即可确定点C的位置CⅢ。同样,根据FⅢ和已知的连杆的摇臂可以确定点C的位置CⅣ。由铲斗自动放平条件知,CⅠ、CⅡ点的转斗油缸活塞杆位置应当相同。于是,CⅡCⅢ和CⅠCⅢ垂直平分线的交点即为所求的转斗油缸与机架的铰接点D。必须指出的是,经验表明,求得的D点往往难于满足总体布置的要求,如D点远高于A点而不可取,或油缸初始长度不合要求或油缸推力方向不合适等。因而需要重新确定C点,甚至F、E、C三点,按上述方法再求D点,如此反复试凑,直到D点符合总体布置要求。若有设计经验,初定诸铰接点之位置比较合适,则应用此法综合连杆机构不难奏效。否则,反复试凑作图,其工作量太大。3.2.2杆机构设计组为清晰起见,我们将图5(试凑法综合连杆机构尺寸)之反转六杆机构简化成图6(反转六杆机构简化图)的型式。为使作图简化,采用反转法,将动臂ABG看作固定杆,而将机架AD看作输入杆,则铲斗GF为输出杆。于是,铲斗平行升举条件即为:AD和GF的相对角移量相等,亦即φ=ψ。从图5不难看出,当铲斗由运输位置Ⅱ升举到最高位置Ⅳ时,动臂相对于机架转动了Δγ=γ′-γ。当动臂看作固定件时。则机架相对于动臂转动了-Δγ,故φ=ψ-Δγ是已知的。若根据设计经验或参照同类机型定出摇臂转角λ,则可按相对角移量ψ、λ或φ、λ分别综合铲斗四杆机构GFEB和油缸四杆机构ADCB。以GFEB四杆机构为例,具体作法如下(见图7):①、按比例作出固定杆GB;②、作射线GL使与GB之夹角为ψ/2;③、作射线BK使与BG之夹角为λ/2;④、作出直线BK、GL之交点R12;⑤、以R12为顶点,在任意位置作∠ZcR12ZB=∠GBR12;⑥、分别在R12ZG和R12ZB任取点F、E;⑦、连接GF、FE、GB,则GFEB为所求之四杆机构。作图时应该注意:①、角ψ/2与λ/2反向;②、R12ZG绕R12沿小于180°的角转到R12L的方向应与ψ/2的方向相同;R12ZB绕R12沿小于180°的角转到R12K的方向应与λ/2角的方向相同;③、由于作∠ZcR12ZB与点F、E均带任意性,故在理论上可综合出无限多个四杆机构满足给定的相对角移量要求。但为使所求之机构满足铲运机工作装置要求,应顾及试凑法中所述的杆件尺度比例关系。用同样的方法可以作出四杆机构ADCB。分别作出的两个四杆机构在保证初始状态和运动范围不变的情况下,可以进行相似变换,以得到所希望的杆件尺寸,然后按需要任意布置在动臂上。必须指出,如果设计时只要求反转六杆机构满足铲斗平行升举条件,如现有的TLF-4等许多铲运机一样,则按相对角移量来进行综合是很方便的;如需同时要求铲斗自动放平,则由于此条件未能反映在综合中,故仍需检验转斗油缸铰接点D的位置是否满足要求。因此亦需反复作图试凑。3.3构件的图解法前述之作图法需反复试凑,作图繁复,工作量大,我们在设计中采用了一种较为实用的图解实验法,其作法如下:3.3.1按试凑法或相对角移量法作出如图5所示的铲斗四杆机构GFEB以及当铲斗在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ位置时四杆机构的位置GFⅠEⅠB、GFⅡEⅡB、G′FⅢEⅢB′和G′FⅣEⅣB′。3.3.2在透明纸上画出两张图8(构件图解法1)所示的图形和一张图9(构件图解法2)所示的图形,半径表示构件长度,角度表示构件的转角。3.3.3将图8覆盖在图5上,并使圆心O分别与B、B′重合,0°半径线分别与BEⅠ和B′EⅣ重合。3.3.4在适当的位置任取一点CⅠ,则根据摇臂EⅠBCⅠ的形状和尺寸以及∠EⅠBEⅡ和∠EⅢB′EⅣ即可迅速找到对应的CⅡ、CⅢ和CⅣ点来。3.3.5将图9(构件图解法2)覆盖其上,并适当挪动其位置以使图9上的两条圆弧分别通过CⅠ、CⅣ和CⅡ、CⅢ。则图9的圆心O即为所求的转斗油缸与机架的铰接点D。如D点位置不符合总体布置要求,则可另选一点CⅠ如前法炮制,直至求得满意的D点为止。当然,如有必要,除变动CⅠ点外,亦可改变铲斗四杆机构以得到合理的D点。不难看出,这种图解实验法省事而易奏效,是一种较为实用的工程方法。3.4函数q全法机构综合问题