工程机械计算书

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1、华东交通大学 设计计算书设计者:王彬彬1一、 工程机械课程设计题目 试设计装载机反转连杆机构工作装置。已知该工作装置额 定载重量 Q=3t,卸载高度 H=2.7m,铲斗宽度 B=2.3m,斗四连杆 机构的尺寸参数为 K= 0.98,a/d=0.30.45,c/d=0.500.60,上下 摇臂为直线型，动臂按曲线型结构考虑，其转角 =90，g=1.41.5,z=1.11.2, k=0.120.14, r=0.350.4,=4852 ,1=510 要求： 编写详细设计计算书（包括上机编程） 绘制机构运动轨迹简图（2图） 用 CAD 绘制工作装置装配总图（1图） 绘制铲斗部件结构图（2图） 二、装载

2、机用途：装载机是一种作业效率高，用途广泛的工程机械，它不仅 对松散的堆积物料进行装、运、卸作业，还可对岩石、硬土进 行轻度铲掘作业，并能用来清理、刮平场地及牵引作业。如换 装相应的工作装置，还可完成推土、挖土、松土、起重，以及 装载棒料等作业。 装载机工作装置应满足下列要求： 1 铲斗的运动轨迹符合作业要求，即要满足铲掘，装载的要 求。希望铲掘力大，斗易于装满料，并要求动臂在提升过程中， 铲斗应保持接近平移的运动，以免斗中物料撒落。 2 要满足卸载高度和距离的要求，并保证动臂在任何都能卸 净铲斗中的物料。 3 在满足作业要求的前提下，工作装置结构简单，自重轻， 受力合理，强度高。 4 应保证驾

3、驶员具有良好的工作条件，确保工作安全，视野 良好，操作简单和维修方便。 三、铲斗设计铲斗是铲装物料的工具，它的斗型与结构是否合理，直接 影响装载机的生产率。在设计工作装置连杆结构之前，首先要 确定铲斗的几何形状和尺寸，因为它与连杆机构的设计有密切 联系。 设计铲斗首先要具有合理的斗型，以减少切削和装料阻力， 提高作业生产率，其次是在保证铲斗具有足够强度和刚度的前 提下，尽量减少自重，同时也应考虑到更换工作装置和修复易 换零件（切削刃、斗点）的方便。普通铲斗的构造：Q=3t H=2.7m B=2.3m K= 0.98 a/d=0.30.45 c/d=0.500.60华东交通大学 设计计算书设计者

4、:王彬彬2图（a）直刀刃铲斗；（b）v 行刀刃铲斗；（c）带斗齿 铲斗（d）v 形刀刃带斗齿铲斗 （a ）是一个焊接结构的铲斗，底板上的主切削刃 1 和侧板上 侧刀刃 2 均由耐磨材料制成；在铲斗的上方有挡板 3 把斗后臂 加高，以防止斗举高时物料向后撒落。斗底上镶有耐磨材料制 成的护壁 4，以保护斗底，并加强斗的刚度。直线刀刃适于装载轻质和松散小颗粒物料，并可利用刀刃刮 平，清理场地工地；v 行刀刃铲斗便于插入料堆，有利于改善 作业装置的偏载，适宜于铲装较紧密物料。由于其刀刃突出， 影响卸载高度。图 1 带分体式斗齿铲斗a) 装有分体式斗齿的铲斗 b) 分体式斗齿1、齿尖 2、基本齿 3、固

5、定销 4、切削刃 铲斗的截面形状如上图所示，它的基本形状由一段圆弧、两段 直线所的斗的圆弧半径 r，张开角,后臂高 h 和底臂长 l 等四个 参数确定的圆弧半径 r 越大，物料进入铲斗的流动性好，有利 于减少物料装入内的阻力，卸料快而干净，但 r 过大，斗的开华东交通大学 设计计算书设计者:王彬彬3口大，不易装满，且铲斗外形较高，影响驾驶员观察铲斗刃的 工作情况。 2、铲斗的断面形状和基本参数的确定 铲斗的断面形状由斗的圆弧半径 r，张开角,后臂高 h 和底 臂长 l 等四个参数确定如图图 2 铲斗截面的基本参数 根据上图铲斗截面的基本参数已知该工作装置额定载重量 Q=3t 根据土壤的自然重度

6、公 式，取 r=18KN/m ,得3V=mg/r=30/18=1.67m (15KN/m 设计计算书设计者:王彬彬4L 挡板高度k 圆弧半径系数， =r/Rrr斗底与后斗壁间的夹角,又称斗张开角 挡板与后斗壁的夹角1根据已知条件取合适的值:取 =1.41; =1.15; =0.13; =0.36; gzkr=9; =521把数据代入上式得铲斗的回转半径：R=1.2m L = R=1.411.2=1.692mggL = R=1.151.2=1.38mzzL = R=0.131.2=0.156mkkr=rR=0.361.2=0.432m图 3 铲斗斗型计算 根据上图所示计算各段长度：x=r/tg2

7、6=0.432/tg26=0.886m l=1.6920.886=0.806mh=1.380.886=0.494m =1.41g =1.15z =0.13k =0.36r =91=52R=1.2mL =1.692mgL =1.38mzL =0.156mkr=0.432mx=0.886ml=0.806m华东交通大学 设计计算书设计者:王彬彬5b =(1.692+0.1) +1.38+0.156/(cos9) -2222*1.6927*1.38+0.156/(cos9)*cos52b=1.423m 下铰点的位置为：h =(0.060.15)R=(0.060.15)1.2=0.1441取 h =0.

8、144m13、斗容计算 根据确定的铲斗几何尺寸即可计算铲斗斗容图 4 平装容量 V 有挡板铲斗V =SB-2a b/3 mp23式中 S铲斗截面积()；B铲斗内侧宽度()；a挡板垂直刮平线的高度；b铲斗刀刃与挡板最上部之间的距离。 因为 a=0.156m,b=1.423m 铲斗截面积:S=R 0.5 （ cos ）sin2 gzk1ctg/20.5（1/180） r2=0.706V =0.7062.3-2a b/3=1.624-0.023=1.601p2h=0.494mb=1.423mh =0.144m1a=0.156m b=1.423mS=0.706V =1.601pc=0.54m华东交通大

9、学 设计计算书设计者:王彬彬62、堆装容量 V (额定斗容量)BV = V b B/8b (a+c)/6 Bp22式中： c物料堆积高度。 c=(b/2)*tan(30)+(b/2)*tan(x) (1)Cos(x)=(1.423 +y -0.156 )/2*y*1.423 (2)222y =1.38 +(1.692+0.1) -2*1.38*(1.692+0.1) (3)222所以 c=0.552mV =1.948mB3四、动臂的设计1.动臂长度动臂长度决定于动臂与机架的铰点位置和动臂与铲斗的铰 点的位置。动臂下铰点在动臂举升最高位置 A1 由所需的最大卸载高 度 Hmax 和相应的卸载距离

10、 S 确定。动臂的下铰点在动臂下落 时的位置 A2 则应尽量靠近轮胎，以减少对倾覆轴的力臂，缩 短整机总长，但应保证铲斗上翻时，斗与轮胎有一定的间隙。2.动臂铰点的确定图 5 动臂上铰点位置的确定 根据已知条件可知 转角 =90 取铲斗距轮胎的距离为=0.1 卸载高度 Hmax=0.135Q+2.37=0.135*3+2.37=2.775m 装载机自重 G=4.057Q-1.97=4.057*3-1.97=10.201tV =1.948mB3=90=0.1Hmax=2.775mG=10.201tL=6.036mh=0.144m=6.892=52x1=1.025m华东交通大学 设计计算书设计者:

11、王彬彬7装载机全长 L=0.502Q+4.53=0.502*3+4.53=6.036m 下铰点离地高度 h=0.144m=arcsin(h/R)=arcsin(0.144/1.2)=6.892取 =52+=52+6.892=58.692x1=Rsin(+)=1.2sin58.692=1.025mA1A2 的垂直距离 b=2.775-0.144+1.025=3.656m 取A1=90=905231.304=6.696A1A2=bcos6.696=3.656cos6.696=3.681mOA1=3.863/cos(45)=2.73m五、反转连杆机构的设计根据设计题目的要求可得，要求工作装置设计成为

12、一反转 六连杆机构。反转机构是主从动的运动方向相反。反转机构的 连杆动力学特点是在铲掘位置时的传动角（连杆与从动杆所夹 的锐角）大，转斗液压缸以大腔作用，能产生较大的崛起力。 1.运动学分析 动臂升降时，收斗角变化不大，因而在不增加动臂在最 高位置时的收斗角的条件下，可加大动臂在下部位置的收斗角， 这样可提高铲掘时铲斗的装满程度并减少运输时撒料现象。 卸载时，转斗角速度小，易于控制卸料速度，减少卸料 冲击。图 6 所示正转连杆和反转连杆工作装置在动臂处于最大 的举升高度时铲斗的卸载速度随铲斗转角的变化曲线，很明显， 在铲斗卸载的后期（铲斗切削刃与水平夹角 0）反转连杆的卸载速度显著下降。图 6

13、 卸载速度随铲斗转角变化曲线1-正转连杆；2-反转连杆 易于实现铲斗的自动效率，使铲斗自顶部卸载位置降落 至地面时，无需操纵转斗油缸，便能依靠连杆机构本身自动回 到铲掘位置，简化操作，提高了功效。b=3.656m=6.696A1A2=3.681mOA1=2.73m华东交通大学 设计计算书设计者:王彬彬8反转连杆机构特别适用于坚实物料（如矿石、原石）的采 掘和搬运作业，这是因为在铲掘作业转斗时，转斗液压缸大腔 作用，提高了连杆传动比，使铲起力得到较大的增加。同时由 于新连杆机构铰点的减少，使结构简化。 图 7 中可以看成两个连杆机构组合而成的（转斗缸四连杆 机构 ABCD 和斗四连杆机构 DEG

14、F） ，图中用了两种不同的粗 实线表示出来。2.斗四连杆设计在设计连杆机构时要满足以下条件：1.铲斗的运动轨迹符合作业的要求2.满足动臂在任一位置都能卸载铲斗的卸载角不得小于453.连杆机构的传动角尽可能大，以提高连杆机构的传动效率， 减少铰销的受力情况4.作业时，各杆件无运动干涉满足斗（相对动臂）的转角范 围，在转角范围内，连杆机构的传动角应大于 10，斗后倾的 极限位置是由动臂在最低位置时的一定的收斗角 sh 所决定 的，同时，由于斗随动臂的提升而一起转动，因而斗的转角范 围 为在地面上的最大收斗角 sh;动臂在最高位置的卸载角 和动臂从地面转至最高位置的转角 之和，即图 7 工作装置的机

15、构运动图华东交通大学 设计计算书设计者:王彬彬9=+一般sh=4050=4550 =7590故 一般在 180左右。设计时，在斗的转角范围内，转动角 应尽可能取的大一些，否则，对杆件机构接近运动极点，铲斗 极容易由于铰销间隙而引起晃动，增加撒料和噪音。但是，由 于所要求斗的转角范围 很大，转动角要取的大比较困难， 考虑到转动角最小值出现在连杆机构受载不大的位置，因此转 动角在极限位置允许取小些，但保证大于 10。斗四连杆机构尺寸要适合，因考虑结构布置的可能性和 合理性 斗四连杆机构传动比应符合掘起力变化规律要求。要求 斗在铲掘位置附近斗四连杆机构的力传动比应比较大，以保证 有足够大的掘起力。 运动学与动力学分析 斗四连杆机构即双摇杆机构，其最长杆 d 与最短杆 a 的长 度之和大于另外两杆 b 与 c 的长度之和，即adbc a/d 1b/dc/d 1b/dc/d- a/d =k式中 a铲斗上下铰点连线（简称斗铰线）长度，即图中 FG 杆（图 7）b连接上铰和下摇臂的连杆长度，即图中 EF 杆c 下摇臂长度,图中 DE 杆d摇臂支点与动臂下铰点之连线长度，图中 DG 杆斗四连杆