装载机反转连杆机构工作装置的设计资料.docx
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装载机反转连杆机构工作装置的设计资料
工程机械学课程设计
设计题目：
ZL40装载机反转连杆机构工作装置的设计
设计者：
学校名称：
班级：
指导老师：
一、课程设计题目------------------------------------------------1
二、铲斗设计------------------------------------------------------2
1、铲斗的构造-----------------------------------------------3
2、铲斗的断面形状和基本参数--------------------------4
3、斗容计算--------------------------------------------------7
三、动臂设计------------------------------------------------------8
1、动臂长度-----------------------------------------------------8
2、动臂铰点的确定--------------------------------------------9
四、反转斗四连杆机构设计---------------------------------------10
1、斗四连杆设计---------------------------------------------11
2、运动学和动力学分析------------------------------------12
2、程序代码---------------------------------------------------16
3、程序运行结果---------------------------------------------17
5、ZL40装载机参数-----------------------------------------20
6、转斗缸四连杆设计---------------------------------20
五、心得体会-------------------------------------------------21
六、参考文献-------------------------------------------------21
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ZL40装载机反转连杆机构工作装置的设计
1装载机工作装置介绍
装载机的工作装置是由铲斗、升降动臂的液压缸、连杆机构组成，用以完成铲掘、装载作业。
对中小型装载机，一般还常配有可以更换的工作装置，以适应多种作业的需要。
装载机工作装置应满足如下要求：
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；
2.要满足卸载高度和卸载距离的要求，并保证动臂在任何位置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.保证驾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。
原始的装载机工作装置如图1—1所示，铲斗与动臂固定，若转斗液压缸不动，当动臂提升时，铲斗和动臂一起绕着定点转动，斗的倾角随着动臂转角的增大而增大，使斗中物料撒落，为使物料不撒落，要求动臂举升时，铲斗应相对动臂向前倾，以补偿铲斗随动臂转动所引起的后倾，实现铲斗接近平移运动。
这样的运动通常是由连杆机构来实现。
图1—2所示，为一个由机架、动臂拉杆和框架（斗）组成的工作装置连杆机构，动臂和拉杆的一端与车架铰接，另一端则与框架铰接。
斗和斗液压缸固定在框架上。
动臂举升时，动臂与机架的夹角α改变，引起框架和动臂的夹角ß改变，由于斗装在框架上，故斗相对于动臂产生了转动。
动臂举升时，斗在空间的运动，可以为斗跟随动臂一起绕定
点转动的牵连运动和相对动臂转动的相对运动的合成。
若动臂转角△α（即斗的牵连运动），通过连杆机构使框架（斗）相对于动臂转动△ß（斗的相对运动），则斗在空间的实际转角为：
△γ=△α+△ß
若△α≈-△ß，则△γ≈0，即使动臂在举升时，斗在空间基本上无转角变化。
2铲斗的设计
2.1铲斗的介绍
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的关系。
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。
1.普通铲斗的构造（图2—1）
图2—1所示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；在铲斗上方有挡板3把斗后壁加高，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。
直线型刀刃适宜用于转载轻质和松散小颗粒物料，并可以利用刀刃作刮平、清理场地工作；V形刀刃便于插入料堆，有利于改善作用装置的偏载，适宜于铲装较密实物料。
由于其刀刃突出，影响卸载高度。
通常在设计铲斗时都采用带齿的铲斗，因为斗齿的作用是铲斗插入物料时，减少铲斗与物料的作用面积使插入力集中在斗齿上，破坏物料结构，因而带齿的斗具有较大的插入料堆的能力，适宜于装矿石和坚硬的物体，齿型的铲斗的选择使提高铲斗的寿命，使铲斗的插入力减小，如果齿变钝了易于更换和维修，设计时采用分体式铲斗。
（如图2—2）
铲斗的截面形状如图2—2所示，它的基本形状由一段圆弧、两段直线所焊接而成的基本的斗状圆弧的半径r、张开角γ、后臂高h、底臂长l等四个参数决定的，圆弧半径大，物料进入铲斗的流动性能好，有利于减少物料装入斗内的阻力，卸料快而干净，但圆弧半径过大，斗的张开角大，不易于装满，且铲斗外形高，影响驾驶员的视野。
后臂过小则容易漏料，过大则增加铲斗的外形影响驾驶员的视野底臂长，则斗的插入料堆深度大，斗易于装满，但铲起力由于力臂的增加而减少，底臂长度小则铲起力大，且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，缩短作业时间。
2.2铲斗的断面形状和基本参数的确定
斗的断面形状由圆弧半径r、张开角γ、后臂高度h、和底臂长l等四个参数决定。
如图2—3所示，
圆弧半径r越大，物料进入铲斗的流动性越好，有利于减少物料装入斗内的阻力，卸载快而干净，但r过大，斗的开口大，不易装满，且铲斗的外形较高，影响驾驶员观察铲斗刃的工作情况。
后壁高h和底壁长h是指斗上缘至圆弧与后壁切点的距离，h过小则易漏料，过大则增加铲斗外形，影响驾驶员视线。
根据图2—3铲斗截面基本参数：
已知该工作机构的额定载重量Q=4t
由土壤的自然重度公式得V=mg/γ=40/20=2
在应用中采用平装斗容来计算铲斗的截面面积的基本参数，铲斗的截面面积：
（2—1）
铲斗的几何容积V=S×B，则可以建立下式：
（2—2）
式中V—平装斗容量图2—4所示阴影面积由设计给定；
B—铲斗的净宽度；
Q=4t
V=2
λ
—铲斗斗底长度系数，λ
=L
/R；
λ
—后斗壁长度，λ
=L
/R；
L
—后斗壁长度，是指由后斗壁上缘至斗壁与斗底延长线相交点的距离；
λ
—挡板高度系数，λ
=L
/R；
Lk—挡板高度；
λ
—圆弧半径系数，λ
=r/R；
γ―――斗底与后斗壁间的夹角,又称斗张开角；
γ
—挡板与后斗壁的夹角。
由式（2—2）可见，已知V、B，只要选定λg、λz、λk、λr等系数值和γ、γ1值，即可求得新铲斗的基本R。
为此，实测所选样机铲斗的下列数据R,Lg,Lk,Lr,r,γ1和γ值，并分别计算出λg,λz,λk和λr值，带入（2—1）式，即可求得新铲斗的回转半径R，由基本参数R，根据所选定的各系数值，即可求得新铲斗的其他参数值。
铲斗侧板切削刃，相对于斗底的倾交α0=50°～60°。
取α0=60°。
根据已知条件取合适的值：
取γ
=8°、λr=0.4、
、λz=1.2、λg=1.5、γ=50°把以上数据代入式（2—2）得铲斗的回转半径：
并由R得到以下数值：
铲斗的横截面面积S=V/B=2/2.5=0.8㎡;
后斗臂长度Lz=1.2×1.08=1.31m;
斗底长度Lg=1.5×1.08=1.62m;
挡板高度Lk=0.12×1.08=0.13m;
铲斗圆弧半径r=1.08×0.4=0.43m;
底臂长l=1.8/5.3×1.62=0.59m;
2.3斗容的计算
根据确定的铲斗几何尺寸即可计算铲斗的容量。
1.平装容量（几何容量）Vp:
铲斗的平装斗容分为装有当板和无挡板两种。
我选用有挡板铲斗：
（1）平装斗容V
V
=SB-2a
b/3m
式中：
S—铲斗横截面积等于0.8㎡
B—铲斗内侧宽度等于2.5m
a—近似取0.108m
b—铲斗刀刃与挡板最上部之间的距离（如图2—5），又余弦定理得b=1.338m
所以
α0=60°
γ
=8°
λr=0.4
λz=1.2
λg=1.5
γ=50°
R=1.08㎜
S=0.8㎡
Lz=1.08m
Lg=1.62m
Lk=0.13m
r=0.43m
l=0.59m
S=0.8㎡
B=2.5m
b=1.338m
（2）堆装容量VH（额定斗容量）
VH=V
＋b
B/8－[b
（a+c）]/6
C——物料堆积高度
由于物料按2：
1的坡度角堆装，所以c近似等于c=0.730m
所以
2.4斗铰点位置的确定
动臂与斗的连接铰点（简称下铰点）的位置应尽量使铲斗在铲掘位置时布置在靠近切削与地面。
下铰点靠近铲斗切削刃，则转斗时力臂l小，有利于增加作用在刀刃上的铲起力。
下铰点靠近地面，可减少在作业时，由插入阻力所引起的附加力矩（ph,见图2—6），此力矩将影响掘起力值。
对装载轻质物料的铲斗，其下铰点允许高一些，以增加回转半径R，增加转斗时斗刃所扫过的料堆面积，从而提高铲斗物料的装满程度。
下铰点距离斗底高度一般可取h=（0.06～0.15）R。
即：
下铰点距斗底高度h=0.11×1.08=0.108m。
三：
动臂的设计
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。
动臂绕定轴转动至最高和最低位置时，要求其下铰点分别落在A1和A2位置上，则A1和A2两点必在同一圆弧上，故动臂与机架铰接点（简称动臂上
c=0.730m
h=0.108m
铰点）应在A1A2连线的垂直平分线上。
上铰点在该
平分线上的具体位置由总体布置确定。
上铰点O的位置将影响动臂转角和动臂的最大外伸距离。
由图3—1可见，O点靠后布置，可减少动臂转角（δ<δ’）和动臂最大外伸距离（l但O点布置太后面，对驾驶室的布置造成困难，可能影响驾驶员的操作安全。
对铰接式装载机则还受到折腰铰接点位置的限制
动臂的长度决定于动臂与机架的铰点位置（上铰点）和动臂与铲斗的铰点（下铰点）的位置。
动臂上铰点:
在确定了A1、A2、则上铰点O一定在由A1、A2、连线的垂直平分线上，具体位置由总体布置确定，O点向后布置可减少和最大外伸，有利于整机稳定，但靠后布置受驾驶室布置及折腰铰点位置限制。
动臂的上、下铰点位置确定后，就可以用计算或作图法确定动臂长度。
如图3—1
根据已知条件可知：
转角δ=90°；
取铲斗离轮胎的距离为△=0.1m；
卸载高度H=2.8m；
下铰点距离地的高度h=0.108m；
则Φ=arcsin（h/R）=arcsin（0.10/0.9）≈5.7°；
δ=90°
△=0.1m
H=2.8m
Φ=5.7°
又有γ=50°；
γ+Φ=50°+5.7°=55.7°；
L=Rsin55.7°=0.108sin55.7°=0.89m；
A1A2=2.8-0.108+0.89=3.582m；
取∠A1=90°
则β角为90°-50°-34.3°=5.7°；
则L’=A1A2/cos5.7°=3.6m；
OA1=3.6/2cos45°=2.55m。
四反转斗连杆机构的设计
根据题目的设计要求可得，要求工作装置设计成斗四连杆机构，此机构的动力学特点是在产掘位置时的传动角大，转斗液压缸以大腔作用，能产生较大的崛起力。
我设计反转六连杆工作装置，采用以动臂为固定件的图解法来设计连杆机构，把六连杆分成两个四连杆机构（即斗四连杆和斗油缸四连杆机构）分别设计。
连杆机构设计要求：
（1）铲斗运动轨道符合作业要求。
（2）满足动臂在任意位置都能卸载，即卸载角。
（3）连杆机构的传动角尽可能大，以提高传动效率。
（4）作业时，各构件间无运动干涉。
4.1斗四连杆机构的设计
1.斗四连杆机构的设计要求：
（1）满足斗（相对动臂）的转角范围，在转角范围内，传动角大于10°转
角范围比较大。
传动角取得比较大较难，但传动角最小值时，连杆机构受载不大，因此传动角可小些，但不得小于10°。
如图4—0
γ=50°
L=0.89m
A1A2=3.5m
β=5.7°
L’=3.6m
OA1=2.55m
（2）斗四连杆机构传动比应符合掘起力变化规律要求。
即在铲掘位置附近力传动比比较大，以保证有足够的掘起力。
（3）连杆尺寸要适当，考虑结构布置的可能性和合理性。
4.2运动学与动力学分析
1.运动学特点：
（1）动臂提升时，收斗角变化不大，因而在不增加动臂在最高位置的收斗的条件下，可加大动臂在下部位置的收斗角，这样即可提高铲掘是的装满程度，避免撒料。
（2）卸料时，转斗角速度小，易于控制卸料速度，减少卸料冲击。
图4—1所示是正转连杆机构和反转连杆工作装置在动臂处于举升高度时铲斗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（铲斗切削刃与水平面夹角γ<0）反转连杆的卸载速度显著下降。
（3）易于实现自动效率，铲斗自顶部降至地面时，无需操纵转斗油缸，铲斗自动回到铲掘位置，简化操作，提高功效。
由图4—2可以看成两个四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DEFG），由两种不同的线条标出。
2.运动学与动力学分析
斗四连杆机构是双摇杆机构，其最长杆d与最短杆a之和应大于是b与c长度之和，即
a＋d＞b＋c
a—铲斗上下铰点连线长b—斗上铰点和下摇臂连杆长c—下摇臂长d—摇臂铰支点与动臂下铰点之连线长度。
1）斗四连杆机构斗铰线的最大转角范围
当机构杆件长度确定后，为保证最小传动角≧10°，则该机构所容许的最大转动范围ω也就确定了。
斗四连杆机构的最小传动角的位置有两个，如图4—3所示：
一个是当斗铰线a在右端极限位置，a、b杆所夹的锐角为最小传动角，作辅助线e得到：
可得
D杆与e线之夹角
由此可得，a杆在右端极限位置b杆夹角为10°时，a杆与d杆之最大夹角为：
另一个是斗铰线在左端位置，当摇臂c转至d杆相重合时，由解析几何可以证明，a,b杆所夹之锐角为最小传动角γmin.其值可由三角关系求得：
如上述求得的γmin≥10°，则说明该机构斗铰线a在左端位置均能满足传动角要求。
由于我们不希望斗四杆机构出现正、反转变化，故其极限位置是当c、b杆拉直时，此时a、d之夹角为：
如上述求得γmin＜10°，则说明该机构为保证
传动角≥10°，c与d杆不可能达到重合位置。
可令γmin=10°，应用三角关系可求得φmax。
由上述斗铰线的两个极限位置即可求得该机构所允许的最大转角范围ωmax
ωmax=φmax＋τmax
3.斗四连杆机构的最大力传动比
斗四连杆机构在运动时，连杆b的力作用线把旋转运动的杆件转动中心连线分为两端如图4—4所示，由力学三心定理可知：
分截点即为a、c杆件的相对瞬心，则二杆件角度之比等于该二杆件相对瞬心距离的反比。
即
ωc/ωa=x/（d-x）
如果不计摩擦的损失，得：
ωcMc=ωaMa
则：
Ma/Mc=x/（d-x）
式中Ma，Mc—分别为杆件a、c的力矩。
式中可见，x值越大，则Ma/Mc值越大，设计要求铲掘位置时x值在极大值附近。
斗四连杆机构各杆长度确定后，x值有如下关系。
设连杆b的两端点在d杆为x轴的直角坐标系中的坐标分别为（x1,y1）和（x2,y2）,可列出连杆直线方程
由图4—4可见：
代入上式经简化得
令
即可求得该机构在x达到极限值时的斗铰线a与d杆的夹角EJ，在此位置，该机构获得最大力传动比。
4.斗四连杆尺寸的选择
根据统计资料：
K=0.98,a/d=0.26～0.36,c/d=0.46～0.72。
5.在选择长度比时，若斗的转角范围大，k和c/d值应取大些；若k和a/d值取小些，则可以使连杆机构最小传动角增大。
取定一连杆长度值，即可根据已选择之长度比确定四连杆各构件尺寸。
K=0.98
a/d=0.26～0.36
c/d=0.50～0.60
连杆机构设计参数可变性很大，每选定一组k、a/d、c/d值，即相应有一机构方案。
利用上述运动学和动力学分析的计算式，即可求得每一个方案为保证最大传动角所允许的最大转角范围ωmax，以及最大力传动比位置的a、d杆夹角EJ.
为了能迅速确定机构参数，并提高设计质量，我们把k、a/d、c/d在上述推荐范围内的数值按一定步长变化，利用电子计算机很容易算出相应每组k、a/d、c/d值所对应的一组
Ωmax、φmax、γmin和EJ值，将它们列成表，利用此表使选的方案在满足下列条件的前提下，确定机构的初始位置：
原始代码：
#include
#include
#include
usingnamespacestd;
intmain（）
{doubleK=0.99,A=0.3,C=0.55;
doubleB=0.0;
doubleWmax,$max,Rmax,swap1,swap2;
//声明最大角杆的极限角
doublemin=0.0;
cout<<<"b/d"<<for（inti=0;i<11;i++）
{
for（intj=0;j<11;j++）
{
B=K+A-C;swap1=（1+B*B+A*A-C*C-2*A*B*（cos（3.14*17/18）））
/sqrt（A*A+B*B-2*A*B*（cos（3.14*17/18）））;//给两个角赋值
swap2=B*sin（3.14*17/18）/sqrt（A*A+B*B-2*A*B*cos（3.14*17/18））;
Rmax=swap1-swap2;
$max=acos（（A*A+1-B*B-2*B*C-C*C）/（2*A））;
Wmax=（$max+Rmax）*180/3.14;//最大角度
min=acos（（A*A+B*B-（1-C）*（1-C））
/（2*A*B））*180/3.14;//最小角度
cout<<<C+=0.01;
}
A+=0.01;
C=0.55;
}
return0;
}
运行结果：
a/dc/db/dWmax$maxmin
0.30.550.74205.019163.18711.4971
0.30.560.73204.639163.18711.4446
0.30.570.72204.251163.18711.3904
0.30.580.71203.855163.18711.3344
0.30.590.7203.451163.18711.2765
0.30.60.69203.04163.18711.2167
0.30.610.68202.619163.18711.1547
0.30.620.67202.191163.18711.0905
0.30.630.66201.753163.18711.024
0.30.640.65201.306163.18710.9551
0.30.650.64200.849163.18710.8835
0.310.550.75205.479163.39911.2337
0.310.560.74205.097163.39911.1814
0.310.570.73204.708163.39911.1274
0.310.580.72204.311163.39911.0716
0.310.590.71203.907163.39911.014
0.310.60.7203.494163.39910.9544
0.310.610.69203.073163.39910.8927
0.310.620.68202.644163.39910.8289
0.310.630.67202.206163.39910.7628
0.310.640.66201.759163.39910.6942
0.310.650.65201.302163.39910.6231
0.320.550.76205.939163.610.983
0.320.560.75205.557163.610.9309
0.320.570.74205.166163.610.8771
0.320.580.73204.769163.610.8216
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