装载机铲斗的设计

中南林业科技大学本科毕业设计ZL50装载机铲斗设计第第页1引言装载机是一种用途十分广泛的工程机械，它可以用来铲装、搬运、卸载、平整散装物料；也可以对岩石、硬石等进行轻度的铲掘工作。如果换装相应的工作装置，还可以进行推土、起重、装卸木料及钢管等作业。因此，它被广泛地应用于建筑、公路、铁路、水电、港口、矿山及国防等工程中，对加快工程建设速度，减轻劳动强度，提高工程质量，降低工程成本具有重要作用，所以装载机在国内外无论是在品种上或是在产量方面都得到迅速发展，称为工程机械的主要品种之一。装载机有单斗和多斗两种；如按使用场合来区分，则可分为露天和井下两种。工程机械上常用的是单斗装载机。单斗装载机的类型很多，有几种分类方法。按发动机的功率可分为小型、中型、大型和特大型四种。按装载方式可分为前卸式、回转式和后卸式。按传动形式，轮式装载机可分为机械传动、液力机械传动、液压传动和电传动。按其机架结构型式，轮胎式装载机又可分为铰接式装载机和整体式车架装载机。工作装置是工程机械进行生产作业的装置，该装置直接影响到整机的生产率和经济性，因此合理的设计有着重大意义，尤其是土方工程机械，作业过程中动力装置的大部分能量消耗在挖掘土壤上。由于工作装置的重量和成本只占整个机械的很小部分，因此，要降低挖掘土壤的能量，提高效率，从研究工作装置人手，在通常情况下，仅耗用较少的材料和费用就能明显地提高机械的性能，而机械的结构无须作重大改变。本次设计的是ZL50装载机的铲斗。在设计过程中参考了同类机型。2设计依据及主要技术指标发动机：6135K-9，额定功率：144KW，额定转速：2200r/min；铲斗堆装斗容:，平装斗容:2.4m；额定载重量:50KN；斗宽：2940mm（内侧宽2900mm）；空车自重:15.8t；工作油泵:p=15Mpa,Q=320L/min；转向油泵：p=10Mpa,Q=75L/min；变速箱操纵与变矩器补油泵p=1.5MpaQ=140L/min。3基本要求1．自己设计出铲斗；2．自定焊接工艺及热处理；3．校核斗齿强度；4．所有图纸用AUTOCAD2000绘制，说明书Word2000。4铲斗设计铲斗是工作装置的重要部件，工作条件恶劣，时常承受很大的冲击载荷及剧烈的磨削，其结构形状及尺寸参数对插入阻力、掘起阻力和生产率有着很大的影响。4.1铲斗设计要求铲斗设计要求满足：插入及掘起阻力小，作业效率高；具有足够的强度，刚度和耐磨性；适应铲装不同种类和重度的物料，具备不同结构型式和斗容的铲斗。4.2铲斗结构型式的选择不同种类的铲掘物料，需要不同结构形式的铲斗，如图1所示。通常铲斗由切削刃，斗底，侧壁及后斗壁组成。铲斗切削刃的形状根据所铲装物料的不同而异，通常分为直线形和非直线形（V形或弧形）两种。直线形切削刃（见图1（a））结构简单，具有良好的平地性能，适用于装载重度不超过16kN/m3，并且堆积比较松散的物料。非直线形切削刃（装载机多用形）中间突出(见图(b))，在铲斗插入料堆时，切削刃的中部能形成很大的比切力，容易插入料堆，且对中性较好。但平地性能和装满系数均不如直线形切削刃铲斗。装有斗齿的铲斗（（c）、(d)）在铲斗插入物料时，插入力分布在几个斗齿上，使每个斗齿形成很大的比压，应此，具有良好的铲入和掘起性能，适用于铲装堆积密实的物料及块度较大的岩石。斗齿可以延长切削刃的使用寿命，同时磨损后也易于快速更换。斗齿的形状对插入力有着一定的影响，试验证明，非对称、窄而长的斗齿比对称的、短而宽的斗齿切削阻力要小。弧线或折线形铲斗侧刃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，物料易从两侧撒落，影响铲斗的装满。这种形状的铲斗较适宜铲装岩石。本设计选用直线形带齿铲斗。(a)直线形斗刃铲斗；(b)V形斗刃铲斗，(c)直线形带齿铲斗；（d）V形带齿铲斗图1铲斗结构型式简图4.3铲斗基本参数的确定铲斗的主要参数是铲斗的宽度和铲斗的回转半径。1）铲斗的宽度：是铲斗的主要基本参数。铲斗宽度应大于装载机前轮外侧宽度。若小于前轮外侧宽度，则铲斗铲取物料后所形成的料堆阶梯，会损伤轮胎侧壁，并增加行驶阻力。2）铲斗回转半径：是指铲斗和动臂铰销的中心与铲斗切削刃之间的距离。由于铲斗的回转半径不仅影响掘起力的大小，而且与装载机的卸载高度和卸载距离等总体参数有关，所以铲斗的其他参数都是根据它来确定的。下图2所示为铲斗基本参数简图。铲斗的回转半径按下式计算：R===1.20m图2铲斗基本参数简图式中:R———铲斗的回转半径,m；———铲斗平装几何容量,=2.4m3；W———铲斗内侧宽度，W=2.9m；———铲斗斗底长度系数，取=1.45；———后斗板长度系数,取=1.15；———挡板高度系数，取=0.13；———斗底与后斗板直线间的圆弧半径系数,取=0.37；———挡板与后斗板之间的夹角,取=；———斗底与后斗板之间的夹角，取=。3）铲斗的断面形状参数：斗的圆弧半径r，张开角，挡板高度和底壁长等四个参数。圆弧半径r大，物料进入铲斗的流动性好，物料装入斗内阻力减小，卸载快而干净；但圆弧半径r过大，斗的开口太大，物料不易装满，且铲斗较高，不利驾驶员观察铲斗刀刃作业情况。挡板高度过小，易漏料；过大则增加铲斗外形，影响驾驶员视线。后斗壁长，则斗插入料堆深度大，斗易装满，但由于力臂的增大而使掘起力减小，插入阻力随斗插入料堆的深度而急剧增加，还影响卸载高度；后斗壁短，则掘起力大，并由于卸料时铲斗刃口降落的高度小，可以减少动臂举升高度，缩减作业时间。对铲装轻质物料为主的铲斗，后斗壁长度可以选用大些；对铲装岩石料的铲斗，应取小些。斗底的长度是指由铲斗切削刃到后斗底与后斗板交点的距离：==1.451.20=1.74m后斗板长度是指由后斗板上缘到与斗底交点的距离：==1.151.20=1.38m挡板高度=0.131.20=0.156m铲斗圆弧半径r==0.371.20=0.444m铲斗动臂铰销距斗底的高度=0.09=0.091.20=0.108m铲斗侧板切削刃相对于斗底的倾角=55°在选择时，要使得侧板切削刃与挡板的夹角为90°，切削刃的削间角4.4铲斗容量的计算铲斗基本参数确定后，就可以根据铲斗的几何尺寸来确定斗容量。如图3所示。有挡板铲斗铲斗容量按下式计算：铲斗平装容量：=堆尖部分体积：铲斗额定容量：式中:———标定面以下的铲斗内部横截面面积,；———铲斗内侧宽度,；———铲斗中部切削刃口与后斗板上缘之间的距离,；———挡板高度,；———物料堆积高度,。图3有挡板铲斗故所设计铲斗的容量与标准容量相差不大，故合适。以下为S的计算式5铲斗的强度计算装载机的作业条件是复杂多变的，即使在同样的作业条件下，由于工作位置及作业工况的不同，铲斗的受力也不一样。因此铲斗的强度计算包括：1.确定受力最大的计算位置；2.选取受力最大的典型工况；3.对铲斗进行受力分析；4.对铲斗上的销轴和斗齿进行强度校核。5.1确定铲斗的计算位置通过分析装载机铲斗插入铲斗料堆、铲掘、运输、提升和卸载等作业过程，可知装载机在地面上铲掘物料时，工作装置的受力分析，可取装载机在水平地面上（铲斗斗底与地面的夹角为到）铲掘时作为计算位置（图4），并假设外载荷作用在铲斗的切削刃上。5.2选取铲斗受力最大的典型工况，确定外载荷由于作业条件和作业对象的不同，装载机在实际作业时不可能使铲斗切削刃均匀受载，但为计算方便可简化为两种极端情况：1.认为载荷是沿着切削刃均匀分布，并已作用在切削刃中部的集中载荷来来替其均匀载荷，称为对称受载。由于铲斗偏载或物料密实程度不匀，使载荷偏于铲斗一侧，称为偏载。形为偏载情况时，可认为简化后的集中载荷作用在铲斗一侧的第一斗齿上。装载机在铲掘过程工作装置受力最大有以下三种情况：a.装载机向前运动，铲斗水平插入料堆，工作装置油缸闭锁，此时认为物料对铲斗的阻力水平作用在切削刃上；b.铲斗水平插入料堆足够深度后，向后翻转铲斗或提升动臂，此时认为铲斗切削刃只受垂直力的作用；c.装载机匀速前进，铲斗插入料堆一定深度时，边插入边转斗或边插入边提升动臂，此时认为铲斗的切削刃上同时受水平阻力和垂直阻力。综上分析，可得出工作装置受力最大的六种工况（如图5所示）其中以工况f下的各构件受力大。图4工作装置强度计算位置5.3铲斗的受力分析工作装置实际上是一个空间超静定系统，受力情况复杂，精确计算比较繁琐，为了方便计算，作以下假设：铲斗及其支承横梁不影响动臂的受力与变形；动臂轴线与摇臂、连杆轴线处于同一平面内。通过以上假设，将工作装置这样一个空间超静定结构，简化成了一个简单的平面力系。对于对称受力工况，由于动臂是一个对称结构，两动臂受力大小相同，所以可以取工作装置的一侧进行受力分析，并取外载荷的一半进行计算，即(a)水平对称工况；(b)垂直对称工况；(c)水平和垂直同时作用对称工况；(d)水平偏载工况；(e)垂直偏载工况；(f)水平核垂直同时偏载工况图5工作装置典型工况图对于偏载工况，近似的用简支梁的方法，求出分配在左,右动臂平面内的等效力和（图6）。图6工作装置受力分析简图5.4工况f下的相关计算5.4.1水平阻力式中:———装载机自重，；———装载机重心到前轮中心之间在坐标上的距离，；———垂直力的作用点到前轮中心之间在坐标上的距离，；———前桥载荷，；———轴距,。5.4.2装载机空载时滚动阻力式中:———综合的滚动阻力系数，取；———分别驱动轮和从动轮之载荷；。5.4.3垂直阻力式中:———发动机有效功率，；———发动机转速，；———发动机至驱动轮一档总传动比；———传动系效率；———工作油泵功率，；———车轮的动力半径，。a)式中:———装载机的额定牵引力，；———装载机插入料堆的理论作业速度（前进一档速度）,；———传动系统总效率,液力机械传动取；———辅助油泵输出的压力，；———辅助油泵的流量，；———油泵效率，一般取。a.1根据总体参数合理匹配的原则，为使装载机在正常工作时，铲斗能插入料堆一定的深度，装载机的额定牵引力应等于插入阻力，即又式中:———插入阻力，；———物料块度及松散程度影响系数，；———物料种类影响系数，；———料堆高度影响系数，；———铲斗形状系数，；———铲斗插入料堆深度，；———铲斗宽度，。故a.2变速箱操纵与变矩器补油泵，；工作油泵，；转向油泵CB46型，；故b.发动机至驱动轮一档总传动比式中：———传动系统中的双涡轮液力机械变矩器的传动比，；———行星式动力换挡变速箱的传动比，；———行星式轮边减速器的传动比，；———液力变矩器的传动比，；———变矩器的效率，；———变矩系数，。c.轮胎的动力半径轮胎的规格由于轮胎的静力半径和动力半径之间的差别不大，因此可以认为。故故可得，5.4.4外载荷的计算5.5铲斗的相关计算如图7所示，取铲斗为分离体，根据平衡原理有则有===式中铲斗重量图7铲斗受力分析图5.6销轴强度校荷装载机工作装置铰销的一般结构及受力情况如图所示。目前装载机工作装置上采用密封式销轴，即销轴轴套的端部加一个密封圈，密封圈可以防止润滑剂泄漏及灰尘进入，可以延长销轴和轴套的使用寿命及减少定期润滑的次数，使日常维修工作所耗时间及费用减少。目前轴套多用复合套（金属和多种聚合物制成）或轴承代替，安装使用性能耗，使用寿命长。5.6.1与连杆联接处的销轴的强度计算销轴的弯曲应力式中：———销轴的弯曲应力，；———计算载荷，是销轴所受载荷的一半，,N；———销轴弯曲强度计算长度，；———销轴的直径,；———销轴的抗弯断面系数，，。图8工作装置铰销其中，，式中的意义如图8所示。销轴支座的挤压应力为强度计算中所用的许用应力可按下式选取式中：———材料的屈服极限，国内装载机工作装置的销轴材料常用40Cr钢，其屈服极限取；———安全系数，一般规定，考虑工程机械工作繁重，作业条件恶劣及计算上的误差，取。5.6.2与动臂联接处的销轴的强度计算销轴的弯曲应力图9工作装置铰销式中：———销轴的弯曲应力，；———计算载荷，是销轴所受载荷的一半，,N；———销轴弯曲强度计算长度，———销轴B的直径,；———销轴的抗弯断面系数，，。其中，；式中的意义如图9所示。销轴支座的挤压应力，强度计算中所用的许用应力可按下式选取式中：———材料的屈服极限，国内装载机工作装置的销轴材料常用40Cr钢，其屈服极限取；———安全系数，一般规定，考虑工程机械工作繁重，作业条件恶劣及计算上的误差，取。5.7斗齿的设计和强度校核及热处理：5.7.1斗齿的选材斗齿是装载机装载时主要的刀具，它的选材必需要有很强的硬度，选斗齿的材料为ZGMn13，因为它强度，耐磨性和淬透性较高具有很好的机械性能。5.7.2斗齿的设计本设计选用分体式斗齿。该斗齿由齿尖、基本齿和固定销组成。斗齿的宽度选为49，采用沉头方颈螺栓连接，螺栓为GB/T,螺母6170-86，垫圈97.1-8520-140HV。5.7.3斗齿强度的校核经分析可知，铲斗受力最大时，螺栓断面是危险断面，应校核铲斗螺栓的强度。受拉螺纹部分的强度式中：———螺栓所受的总拉力，，N；———螺栓的直径，；———紧连接螺栓的许用拉引力，；S———安全系数，取S=1.2.所以斗齿满足设计的需要。5.7.4斗齿的热处理工艺：淬火：将加工好的铲斗斗齿，加热到820度，保温10分钟使斗齿充分受热；然后采用油冷却淬火，淬火后，斗齿的硬度大幅度的提高，可以满足铲斗斗齿的设计需要。6铲斗主要部件的选材和热处理6.1两侧刀片的选材和热处理选择刀片的材料为ZG45Mn。其耐磨性和淬透性较高，调质后有良好的综合机械性能，也可以正火后使用，符合装载机对两侧刀片的要求。热处理是正火回火。正火是将钢加热到或以上30～50度，保温一定时间，然后再以稍快于退火冷却速度（如空冷、风冷等）冷却。主要作用降低硬度，便于切削；细化晶粒，改善组织，提高机械性能；消除内应力，为下一道工序做准备；提高钢的塑性和韧性，便于冷冲、拉、压、拔加工。回火是将钢件选材重新加热到以下的某一温度，保温一段时间，然后置于空气或水中冷却的方法，主要作用是消除因冷却快产生的内应力，降低脆性，以减小工件变形和开裂；调整工件硬度，提高塑性和韧性，以获得工件所要求的机械性能；稳定工件尺寸。6.2加强板的选材和热处理加强板在铲斗中作用是增加铲斗的强度的，也起着增加斗容的作用。加强板的材料选择是低合金高强度结构钢16Mn。热处理为正火回火。要求安装时焊接，要焊前预热，焊后保温缓冷，采用此种方法有效防止了冷裂纹的产生。焊接要求双面焊，满焊，不得有残渣、气孔和漏焊。6.3侧板的选材和热处理侧板是铲斗的主要部件，侧板的尺寸大小直接影响着铲斗的容量和载重量侧板的选择的材料是低合金高强度结构钢16Mn，它可以满足设计的需要。热处理为正火回火。6.4斗壁的选材和热处理斗壁和侧板等共同围成的几何结构正是铲斗的容积。斗壁选择的材料为低合金高强度结构纲16Mn，16Mn可以满足铲斗设计的需要。热处理为正火回火。7焊接工艺ZL50装载机的铲斗各部件采用焊接的方式来联接。7.1焊接的优点焊接结构与铆钉、螺栓连接或者铸造、锻造方法相比，具有很多的优点：1.焊接接头强度高；2.焊接金属结构设计的灵活性大；3.任何大型的焊接金属结构，均可以在起重运输条件允许的尺寸和重量氛围内，将它分成若干个部件，分别制造或焊接成若干段，然后运至工地吊起组装并焊接成整体；4.由于刚才市场上各种型号和规格的扎制型钢基本上都很齐全，因此焊接金属结构均可以充分利用这些型钢组焊成所需要的结构形状；5.与铆接或者螺栓连接相比，焊接金属结构的整体质量最轻，不但节省刚才，而且节省了安装金属结构的基础造价；6.焊接厚度可达几十毫米，这对于铆接或螺栓连接却是难以做到的；7.最适应制作大型或者重型且是单件生产的产品结构，另外，结构变更或改型很快；8.制作周期较短，制造工时较少，焊前准备工作简单，焊后立即可以应用，无需像混凝土结构那样的保养期，因而制造成本较低；9.成品率较高，一旦出现焊接缺陷，一般都是可修复的，很少出现废品；10．可以很方便地实现与其他连接方法联合使用；11.在一个金属结构上，按照实际需要在不同部位选用不同性能，不同材质的钢材，实现异种钢材的焊接，做到物尽所用；12.焊接接头密封性好，焊接处的气密和液密性能是其他连接方法无法比拟的，特别在高温、高压容器的结构上，只有焊接才是最理想的连接形式；13.结构的变更与改型快，而且容易；14．如果在焊接结构上的焊缝很有规则，就容易实现高效率的机械化和自动化焊接生产，综合经济效益极为显著。7.2焊接要求1.采用手工电弧焊焊机焊接；2.因为钢板的厚度一般都在6到10毫米，所以选择的焊条的直径为5毫米，参看《金属结构的设计和制造》第六章金属结构的焊接，采用E4303型焊条，在使用前必须烘干，烘干温度为200度，并保温1到2小时；3.电弧电压、焊接倾角、焊接电流选择合适；4.电源极性：直流电源反接，既工件接负极，焊丝接正极；5.接头为对接接头，焊脚高6mm，要求钢板两面都要施焊；6.满焊，不得有残渣、气孔和漏焊，焊接要求双面焊；7.焊接时要注意到焊接对材料的影响；8.要防止焊接热裂纹；9.焊接铲斗时尽量均匀对称施焊，尤其主刃板与斗底板、斗壁板的对接焊缝要进行分遍分段施焊，降低焊接热输入量和焊接热集中程度，使正反两面焊缝的焊接变形量相互抵消。10.铲斗焊接组焊过程分三步。第一，斗壁板卷板；第二，斗壁板与斗侧板组焊，对接主刃板，铺斗底板，与支承板一起上胎组焊铲斗；第三，焊接。三步工序相互独立顺序进行互步干涉。11.斗底板与主刃板及其它对接间隙选择合适且均匀，否则焊缝冷却后，会使斗底板、斗壁板和主刃板产生相应的焊接变形。与斗壁板之间采用分布均与的圆孔断续焊接。12.要保证斗底板的平整，使其不会因步平整或其他原因使斗底板局部高出两侧斗侧板或主刃板，破坏主刃板与两侧板构成的平面。结论此次设计的是长为2.9米，回转半径为1.20米，堆装斗容为3的装载机的铲斗，并进行了相应的强度校荷，且满足使用要求。由于知识面有限，此次设计中难免会出现错误和遗憾，希望各位指定老师批评指正。致谢在本次毕业设计中，得到了王坤明老师、邓民涯老师、谭跃辉老师以及朱洪前老师的精