小型装载机工作机构设计_带图纸
小型装载机工作机构设计[20191210110630]
摘 要
装载机被广泛应用于工程建设中，是当今机械化工作过程中不可缺少的机械装备之一。装载机构造简捷，但工作效率高，适应性强，能够在各种环境中工作。装载机的工作机构属于平面连杆机构，所以其工作机构尺寸的设计问题，实质就是平面连杆机构尺寸的设计问题。其工作机构主要用通过绘制机构尺寸法来进行机构尺寸的设计。本设计中主要是对工作机构进行尺寸设计和三维建模，并用ADAMS进行运动仿真。其中用SolidWorks三维软件来建模，能够按照设计者的要求进行修改，可以满足设计者不同的需要。
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关键字:装载机工作机构设计ADAMS仿真
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 装载机简介 1
1.2 装载机发展概况 1
1.3 设计内容及步骤 1
1.4 装载机总体参数的确定 2
第二章 装载机工作机构设计 3
2.1 工作机构的设计要求 3
2.1.1概述 3
2.1.2轮式装载机工作过程 3
2.2 铲斗设计 3
2.2.1铲斗的结构形式 4
2.2.2铲斗的设计要求 4
2.2.3铲斗设计 4
2.3 动臂设计 8
2.3.1对动臂的设计要求 8
2.3.2 动臂铰点位置及长度的确定 9
2.3.3动臂结构和形状的确定 12
2.4 连杆机构的设计 12
2.4.1工作机构的选型 12
2.4.2连杆机构的设计要求 13
2.4.3连杆机构尺寸参数设计及铰点位置确定 13
第三章 工作机构受力分析及强度计算 16
3.1 确定计算位置及典型工况 16
3.1.1计算位置的确定 16
3.1.2典型工况选取和外载荷的计算 16
3.2 工作机构受力分析 17
3.2.1对称载荷工况 17
3.2.2偏载工况 19
3.3 工作机构强度校核 20
3.3.1动臂 21
3.3.2铰销强度的校核 24
第四章 工作机构中油缸的选型与受力分析 25
4.1 卸载油缸的选择 25
4.2 动臂油缸的选择 27
第五章 工作机构的建模及仿真分析 30
5.1 工作装置建模 30
5.1.1在SolidWorks中建立铲斗与动臂并完成装配 30
5.1.2启动ADAMS/View 程序 32
5.1.3检查和设置建模基本环境 32
5.1.4 将SolidWorks模型导入ADAMS 32
5.1.5 创建约束及施加运动和载荷 33
5.2初步仿真分析该模型的性能参数 35
5.2.1 铲斗卸载角的测量 35
5.2.2 动臂转动角度测量 36
结语 37
参考文献 38
致谢 39
第一章 绪 论
1.1 装载机简介
装载机归属于铲运机械类，是一种广泛使用的铲运工程机械。装载机构造简捷，但工作效率高，适应性强，能够在各种环境中工作，是当今机械化工作过程中不可缺少的机械装备之一。近年来，装载机的技术和品种在世界范围内得到了迅速的发展。此次设计的任务是小型装载机的工作机构设计。
1.2 装载机发展概况
我国装载机的发展程度与发达国家有很大的差距，这应该是因为近代我国遭遇的挫折，还有我国科技发展起步时间晚，跟不上科技迅速发展的步伐所导致的。我国装载机水平赶不上发达国家，质量也相对不高，只能满足特定的作业任务。经过对装载机重视程度的增加，现在我国的装载机水平也有了很大提高。生产者投资量较以前有大幅增加，购买了国际先进技术与经验，投入到自我创新中，使得我国装载机的实用性能大幅提高，质量也有了很大改善。我国装载机将从目前产品设计照抄别国成果，无自己特色和优势的现状中摆脱出来，从低水平的毫无竞争优势的怪圈中脱颖而出，领先装载机行业。
1.3 设计内容及步骤
设计的主要内容是对ZL_50轮式装载机工作机构选型设计；工作机构尺寸设计；工作机构模型的建立；工作机构仿真分析。
首先，工作机构选用反转六连杆机构，然后根据设计要求确定机构中的主要参数；根据铲斗的额定容量设计出铲斗的尺寸，再在坐标图上画出铲斗的截面图；运用图解法在平面图中作出工作机构的各种工况位置图，从而可以确定各铰点的位置；图解分析与计算相结合最终确定动臂、摇臂、连杆以及油缸的具体参数；最后在SolidWorks中建立工作机构的模型，再导入到Adams中进行运动仿真分析。
运用ADAMS、SolidWorks等软件对轮式装载机工作机构进行设计和分析，可以比较快速地解决设计上的许多困难，减少设计的工作量，简化设计工作，提高设计水平和效率，改进装载机工作机构的整体性能。
1.4 装载机总体参数的确定
本次设计主要内容在于对工作机构进行建模及仿真分析。装载机的结构和性能参数应该先设定好，然后再对工作机构进行设计。整车主要技术参数见(表1-1)。
这次设计最初技术参数可以通过类比计算获得，其他的各项参数也可以用这种方法得到。
(表1-1)最初设计参数
序号基本参数名称单位设计ZL50
1额定斗容量m30.01
2额定载重量N500
3最大卸载高度mm2000
4对应卸载距离mm800
5装载机轮距mm197
6轮胎宽度mm247
发动机选择CY4100-E3F柴油发动机，功率N=73kw，转速n=2200r/min。
轮胎规格9.75-18，bw=247mm，断面宽b=270mm，外径Rk=487.5mm。
第二章 装载机工作机构设计
2.1 工作机构的设计要求
2.1.1概述
装载机工作机构是由铲斗，动臂，连杆，摇臂，油缸以及机架组成的六连杆机构。装载机借助这套机构可以对运输工具进行装料，也能够在短距离内进行运输，还能平整地面等。有特殊装置代替斗时，装载机也可用于其他负荷运动。
装载机工作机构的布局和机能对整体的工作尺度和机能参数有直接影响。轮式装载机工作机构由杆数和运动特点不同能够分为多种形式。轮式装载机工作机构是由铲斗、连杆、摇臂、动臂、卸载油缸、提升油缸组成的反转六连杆机构。实质上是由提升下降机构和卸载工作机构两部分连杆机构组成。
2.1.2轮式装载机工作过程
轮式装载机集铲、装、运、卸于一体，总共由六种工况组成。
① 插入工况 铲斗放在地上，斗尖与地接触，地面与斗底板之间呈3o～5o倾角，便于铲斗插入料堆。
② 铲装工况 插入料堆后，在卸载油缸的作用下，铲斗在物料中转动，使物料被装入铲斗中，当铲斗端平时停止工作。
③ 重载运输工况 铲斗端平后，举升油缸驱动动臂，将铲斗提高到运输的高度进行运输。
④ 举升工况 卸载油缸保持不可伸缩，举升油缸驱动动臂升到最高的位置。
⑤ 卸载工况 举升油缸保持不可伸缩，卸载油缸驱动铲斗，使铲斗卸下物料，然后下降到初始位置。
⑥ 空载运输工况 铲斗中物料倒空后装载机从卸载的位置返回到物料位置。
2.2 铲斗设计
铲斗是工作机构中的重要组成构件。铲斗与物料直接接触，受到很大的冲击力，磨损剧烈。所以设计合理的铲斗几何形状和尺寸，可以削减阻力并提高铲斗的耐用性。
2.2.1铲斗的结构形式
通常用低碳，耐磨，高强度钢板焊接出铲斗。铲斗的各部分组成如图2-1所示。
图2-1轮式装载机铲斗结构
1—防滋板； 2—连接耳； 3—斗后壁．
4—斗前壁； 5—斗侧壁； 6—切削刃；
7—斗齿； 8—斗侧刃
铲斗选用构造简单的直线形状带有斗齿的切削刃，铲入物料时可以与地面近似保持平行，而且插入物料时受到的阻力比较小，铲取物料的效率比较高。
2.2.2铲斗的设计要求
(1)阻力小，效率高；
(2)强度，刚度足够且耐磨；
2.2.3铲斗设计
1、铲斗基本参数的确定
铲斗的基本参数包括圆弧半径r、伸开角γ、后壁高度h、底壁长l和铲斗宽度B。铲斗的宽度 Bg应该比装载机前面轮胎的外侧每侧大出 50~100mm，来避免从铲斗两侧掉下的物料把轮胎堵住，或者扎破轮胎。铲斗底壁与地面间要保持一定的角度，来减轻底壁的磨损。
铲斗的回转半径R是铲斗最基本的参数，它对铲斗的铲掘力的大小，铲取物料的效率都有直接影响，铲斗的其他参数都与R有关，可以通过R来求出。
图2-2 铲斗尺寸参照
(1)计算铲斗内壁宽度
(2.1)
式中 —装载机轮距（mm）
—轮胎宽度（mm）
—切削刃厚度（mm）
由总体参数表知：
则有 mm
(2)计算回转半径R
图2-2可以看出，铲斗的横截面积
(2.2)
铲斗的几何斗容
(2.3)
如果斗容量为额定容量，则回转半径R为
[1] (2.4)
式中 —铲斗额定容量（ ）
—铲斗内侧宽度（m）
—铲斗斗底长度系数，
—后斗壁长度系数，
—挡板高度系数 ，
—圆弧半径系数，
—挡板与后壁间的夹角
—斗底与后斗壁间夹角（即张开角），
图2-2中参数如下：
—铲斗的圆弧半径； （m）
—斗底的长度；
（m）
—后壁长度；
（m）
—挡板高度；
（m）
由式(2.4)知， 、 已知，选定 、 、 、 系数值和 、 值，然后代入式(2.4)，确定铲斗的回转半径R。再由R确定铲斗的其他参数值。
由总体参数知： mm=0.437m
取： =1.45 =1.12 =0.12 =0.38 =45° =8°
代入公式2.4得铲斗的回转半径R：
R=0.235m
所以：
一般取 。铲斗与动臂的铰接点到斗底壁的高度 。
所以铲斗与动臂铰销距斗底壁的高度：h＝0.104R=0.104×0.235=0.024m。
2、铲斗容量计算
在铲斗几何尺寸初步确定后，进行斗容计算，检验其是否与给定的斗容的误差是否符合要求，如果计算值与要求值误差过大，就需要修改相关尺寸，一直到满足要求为止。铲斗的斗容的计算已经标准化，其计算方法如下：
(1) 平装斗容
铲斗的平装容量按式(2.5)计算：
( ) (2.5)
式中 —有挡板的铲斗横截面面积（㎡）
—铲斗内侧宽度（m）
—挡板高度（m）
—切削刃刃口到挡板最上部的距离（m）
(2) 额定容量
额定容量按式（2-6）计算。
( ) (2.6)
3、铲斗截面设计
(1) 堆积高度c的计算
(2公式.6)中c的计算可以根据图2-3用如下方法。 ， ，且 ， ,因而
(2.7)
摘 要
装载机被广泛应用于工程建设中，是当今机械化工作过程中不可缺少的机械装备之一。装载机构造简捷，但工作效率高，适应性强，能够在各种环境中工作。装载机的工作机构属于平面连杆机构，所以其工作机构尺寸的设计问题，实质就是平面连杆机构尺寸的设计问题。其工作机构主要用通过绘制机构尺寸法来进行机构尺寸的设计。本设计中主要是对工作机构进行尺寸设计和三维建模，并用ADAMS进行运动仿真。其中用SolidWorks三维软件来建模，能够按照设计者的要求进行修改，可以满足设计者不同的需要。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:装载机工作机构设计ADAMS仿真
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 装载机简介 1
1.2 装载机发展概况 1
1.3 设计内容及步骤 1
1.4 装载机总体参数的确定 2
第二章 装载机工作机构设计 3
2.1 工作机构的设计要求 3
2.1.1概述 3
2.1.2轮式装载机工作过程 3
2.2 铲斗设计 3
2.2.1铲斗的结构形式 4
2.2.2铲斗的设计要求 4
2.2.3铲斗设计 4
2.3 动臂设计 8
2.3.1对动臂的设计要求 8
2.3.2 动臂铰点位置及长度的确定 9
2.3.3动臂结构和形状的确定 12
2.4 连杆机构的设计 12
2.4.1工作机构的选型 12
2.4.2连杆机构的设计要求 13
2.4.3连杆机构尺寸参数设计及铰点位置确定 13
第三章 工作机构受力分析及强度计算 16
3.1 确定计算位置及典型工况 16
3.1.1计算位置的确定 16
3.1.2典型工况选取和外载荷的计算 16
3.2 工作机构受力分析 17
3.2.1对称载荷工况 17
3.2.2偏载工况 19
3.3 工作机构强度校核 20
3.3.1动臂 21
3.3.2铰销强度的校核 24
第四章 工作机构中油缸的选型与受力分析 25
4.1 卸载油缸的选择 25
4.2 动臂油缸的选择 27
第五章 工作机构的建模及仿真分析 30
5.1 工作装置建模 30
5.1.1在SolidWorks中建立铲斗与动臂并完成装配 30
5.1.2启动ADAMS/View 程序 32
5.1.3检查和设置建模基本环境 32
5.1.4 将SolidWorks模型导入ADAMS 32
5.1.5 创建约束及施加运动和载荷 33
5.2初步仿真分析该模型的性能参数 35
5.2.1 铲斗卸载角的测量 35
5.2.2 动臂转动角度测量 36
结语 37
参考文献 38
致谢 39
第一章 绪 论
1.1 装载机简介
装载机归属于铲运机械类，是一种广泛使用的铲运工程机械。装载机构造简捷，但工作效率高，适应性强，能够在各种环境中工作，是当今机械化工作过程中不可缺少的机械装备之一。近年来，装载机的技术和品种在世界范围内得到了迅速的发展。此次设计的任务是小型装载机的工作机构设计。
1.2 装载机发展概况
我国装载机的发展程度与发达国家有很大的差距，这应该是因为近代我国遭遇的挫折，还有我国科技发展起步时间晚，跟不上科技迅速发展的步伐所导致的。我国装载机水平赶不上发达国家，质量也相对不高，只能满足特定的作业任务。经过对装载机重视程度的增加，现在我国的装载机水平也有了很大提高。生产者投资量较以前有大幅增加，购买了国际先进技术与经验，投入到自我创新中，使得我国装载机的实用性能大幅提高，质量也有了很大改善。我国装载机将从目前产品设计照抄别国成果，无自己特色和优势的现状中摆脱出来，从低水平的毫无竞争优势的怪圈中脱颖而出，领先装载机行业。
1.3 设计内容及步骤
设计的主要内容是对ZL_50轮式装载机工作机构选型设计；工作机构尺寸设计；工作机构模型的建立；工作机构仿真分析。
首先，工作机构选用反转六连杆机构，然后根据设计要求确定机构中的主要参数；根据铲斗的额定容量设计出铲斗的尺寸，再在坐标图上画出铲斗的截面图；运用图解法在平面图中作出工作机构的各种工况位置图，从而可以确定各铰点的位置；图解分析与计算相结合最终确定动臂、摇臂、连杆以及油缸的具体参数；最后在SolidWorks中建立工作机构的模型，再导入到Adams中进行运动仿真分析。
运用ADAMS、SolidWorks等软件对轮式装载机工作机构进行设计和分析，可以比较快速地解决设计上的许多困难，减少设计的工作量，简化设计工作，提高设计水平和效率，改进装载机工作机构的整体性能。
1.4 装载机总体参数的确定
本次设计主要内容在于对工作机构进行建模及仿真分析。装载机的结构和性能参数应该先设定好，然后再对工作机构进行设计。整车主要技术参数见(表1-1)。
这次设计最初技术参数可以通过类比计算获得，其他的各项参数也可以用这种方法得到。
(表1-1)最初设计参数
序号基本参数名称单位设计ZL50
1额定斗容量m30.01
2额定载重量N500
3最大卸载高度mm2000
4对应卸载距离mm800
5装载机轮距mm197
6轮胎宽度mm247
发动机选择CY4100-E3F柴油发动机，功率N=73kw，转速n=2200r/min。
轮胎规格9.75-18，bw=247mm，断面宽b=270mm，外径Rk=487.5mm。
第二章 装载机工作机构设计
2.1 工作机构的设计要求
2.1.1概述
装载机工作机构是由铲斗，动臂，连杆，摇臂，油缸以及机架组成的六连杆机构。装载机借助这套机构可以对运输工具进行装料，也能够在短距离内进行运输，还能平整地面等。有特殊装置代替斗时，装载机也可用于其他负荷运动。
装载机工作机构的布局和机能对整体的工作尺度和机能参数有直接影响。轮式装载机工作机构由杆数和运动特点不同能够分为多种形式。轮式装载机工作机构是由铲斗、连杆、摇臂、动臂、卸载油缸、提升油缸组成的反转六连杆机构。实质上是由提升下降机构和卸载工作机构两部分连杆机构组成。
2.1.2轮式装载机工作过程
轮式装载机集铲、装、运、卸于一体，总共由六种工况组成。
① 插入工况 铲斗放在地上，斗尖与地接触，地面与斗底板之间呈3o～5o倾角，便于铲斗插入料堆。
② 铲装工况 插入料堆后，在卸载油缸的作用下，铲斗在物料中转动，使物料被装入铲斗中，当铲斗端平时停止工作。
③ 重载运输工况 铲斗端平后，举升油缸驱动动臂，将铲斗提高到运输的高度进行运输。
④ 举升工况 卸载油缸保持不可伸缩，举升油缸驱动动臂升到最高的位置。
⑤ 卸载工况 举升油缸保持不可伸缩，卸载油缸驱动铲斗，使铲斗卸下物料，然后下降到初始位置。
⑥ 空载运输工况 铲斗中物料倒空后装载机从卸载的位置返回到物料位置。
2.2 铲斗设计
铲斗是工作机构中的重要组成构件。铲斗与物料直接接触，受到很大的冲击力，磨损剧烈。所以设计合理的铲斗几何形状和尺寸，可以削减阻力并提高铲斗的耐用性。
2.2.1铲斗的结构形式
通常用低碳，耐磨，高强度钢板焊接出铲斗。铲斗的各部分组成如图2-1所示。
图2-1轮式装载机铲斗结构
1—防滋板； 2—连接耳； 3—斗后壁．
4—斗前壁； 5—斗侧壁； 6—切削刃；
7—斗齿； 8—斗侧刃
铲斗选用构造简单的直线形状带有斗齿的切削刃，铲入物料时可以与地面近似保持平行，而且插入物料时受到的阻力比较小，铲取物料的效率比较高。
2.2.2铲斗的设计要求
(1)阻力小，效率高；
(2)强度，刚度足够且耐磨；
2.2.3铲斗设计
1、铲斗基本参数的确定
铲斗的基本参数包括圆弧半径r、伸开角γ、后壁高度h、底壁长l和铲斗宽度B。铲斗的宽度 Bg应该比装载机前面轮胎的外侧每侧大出 50~100mm，来避免从铲斗两侧掉下的物料把轮胎堵住，或者扎破轮胎。铲斗底壁与地面间要保持一定的角度，来减轻底壁的磨损。
铲斗的回转半径R是铲斗最基本的参数，它对铲斗的铲掘力的大小，铲取物料的效率都有直接影响，铲斗的其他参数都与R有关，可以通过R来求出。
图2-2 铲斗尺寸参照
(1)计算铲斗内壁宽度
(2.1)
式中 —装载机轮距（mm）
—轮胎宽度（mm）
—切削刃厚度（mm）
由总体参数表知：
则有 mm
(2)计算回转半径R
图2-2可以看出，铲斗的横截面积
(2.2)
铲斗的几何斗容
(2.3)
如果斗容量为额定容量，则回转半径R为
[1] (2.4)
式中 —铲斗额定容量（ ）
—铲斗内侧宽度（m）
—铲斗斗底长度系数，
—后斗壁长度系数，
—挡板高度系数 ，
—圆弧半径系数，
—挡板与后壁间的夹角
—斗底与后斗壁间夹角（即张开角），
图2-2中参数如下：
—铲斗的圆弧半径； （m）
—斗底的长度；
（m）
—后壁长度；
（m）
—挡板高度；
（m）
由式(2.4)知， 、 已知，选定 、 、 、 系数值和 、 值，然后代入式(2.4)，确定铲斗的回转半径R。再由R确定铲斗的其他参数值。
由总体参数知： mm=0.437m
取： =1.45 =1.12 =0.12 =0.38 =45° =8°
代入公式2.4得铲斗的回转半径R：
R=0.235m
所以：
一般取 。铲斗与动臂的铰接点到斗底壁的高度 。
所以铲斗与动臂铰销距斗底壁的高度：h＝0.104R=0.104×0.235=0.024m。
2、铲斗容量计算
在铲斗几何尺寸初步确定后，进行斗容计算，检验其是否与给定的斗容的误差是否符合要求，如果计算值与要求值误差过大，就需要修改相关尺寸，一直到满足要求为止。铲斗的斗容的计算已经标准化，其计算方法如下：
(1) 平装斗容
铲斗的平装容量按式(2.5)计算：
( ) (2.5)
式中 —有挡板的铲斗横截面面积（㎡）
—铲斗内侧宽度（m）
—挡板高度（m）
—切削刃刃口到挡板最上部的距离（m）
(2) 额定容量
额定容量按式（2-6）计算。
( ) (2.6)
3、铲斗截面设计
(1) 堆积高度c的计算
(2公式.6)中c的计算可以根据图2-3用如下方法。 ， ，且 ， ,因而
(2.7)
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