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摘 要
裝載機(jī)屬于鏟土運(yùn)輸機(jī)械類，是一種通過安裝在前端一個(gè)完整的鏟斗支撐結(jié)構(gòu)和連桿，隨機(jī)器向前運(yùn)動(dòng)進(jìn)行裝載或挖掘，以及提升、運(yùn)輸和卸載的自行式機(jī)械。它廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口和礦山等工程建設(shè)。裝載機(jī)具有作業(yè)速度快、效率高、機(jī)動(dòng)性好、操作輕便等優(yōu)點(diǎn)，因此成為工程建設(shè)中土石方施工的主要機(jī)種之一，對(duì)于加快工程建設(shè)速度，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工程質(zhì)量，降低工程成本都發(fā)揮著重要的作用，是現(xiàn)代機(jī)械化施工中不可缺少的裝備之一。
這次設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，對(duì)這種輪式裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)到零部件設(shè)計(jì)。主要包括輪式裝載機(jī)工作裝置的關(guān)鍵零部件，如鏟斗、連桿機(jī)構(gòu)以及轉(zhuǎn)斗油缸、舉升油缸等，并對(duì)重要零件進(jìn)行了剛度、強(qiáng)度分析。應(yīng)用CAXA軟件對(duì)輪式裝載機(jī)工作裝置整體進(jìn)行設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞： 裝載機(jī)； 機(jī)械化； 工作裝置
Abstract
Loader of soil belonging to the transport machinery，Through the installation of a front-end in a bucket full support structure and linkage, Random forward movement for loading or excavation, And the upgrading, transportation and unloading of self-propelled machinery. It widely used in highway, railway, construction, utilities, ports and mines, and other construction projects. Loader is operating speed, high efficiency, good mobility, the advantages of operating the Light, So as the construction of earth and stone in the construction of one of the main machine, speed up the construction speed and reduce labor intensity and improve quality, lower costs of the project has played an important role in the construction of a modern mechanized equipment indispensable one.
The design of the modern use of advanced design methods, wheel loaders working on such a device design to design components. Wheel Loader work includes installation of critical components, such as the bucket, linkage and the fuel tank to the bucket, lifting the oil tanks, and carry out important parts of the stiffness, strength analysis. Application of CAXA software installed on the wheel loader work for the overall design and its use of this design three-dimensional display of expression.
Keywords：Loader； Mechanization；Work-Equipment
目錄
1緒論 1
1.1 輪式裝載機(jī)概述 1
1.1.1 裝載機(jī)簡介 1
1.1.2 裝載機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù) 1
1.1.3 裝載機(jī)的用途 3
1.1.4 裝載機(jī)的分類 3
1.2 裝載機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展 4
1.2.1 國外裝載機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.2.2 國外裝載機(jī)發(fā)展趨勢(shì) 5
1.2.3 國內(nèi)裝載機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 5
1.2.4 國內(nèi)裝載機(jī)發(fā)展趨勢(shì) 5
2 裝載機(jī)工作裝置總體設(shè)計(jì) 6
2.1 工作裝置的總體結(jié)構(gòu)與布置 6
2.2 工作裝置連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn) 8
2.3 工作裝置自由度的計(jì)算 13
2.4 工作裝置總體設(shè)計(jì) 15
3 ZL50 裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì) 16
3.1 工作裝置的設(shè)計(jì)要求 16
3.1.1 工作裝置工作性能 16
3.1.2 對(duì)工作裝置的要求 16
3.2 鏟斗設(shè)計(jì) 16
3.2.1 鏟斗的結(jié)構(gòu)形式 17
3.2.2 鏟斗的分類 19
3.2.3 鏟斗斷面形狀和基本參數(shù)確定 20
3.2.4 鏟斗容量的計(jì)算 23
3.3 工作裝置連桿系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24
3.3.1 機(jī)構(gòu)分析 24
3.3.2 尺寸參數(shù)設(shè)計(jì) 25
3.3.3 連桿系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析 31
3.4 工作裝置靜力學(xué)分析及強(qiáng)度校核 36
3.4.1 靜力學(xué)分析 36
3.4.2 強(qiáng)度校核 41
3.5 液壓缸設(shè)計(jì) 43
3.5.1 液壓缸的類型和結(jié)構(gòu) 43
3.5.2 液壓缸基本參數(shù)設(shè)計(jì) 44
4 結(jié)論 47
5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 48
6 致謝 49
參考文獻(xiàn) 50
附錄A 51
附錄B 58
1緒論
1.1 輪式裝載機(jī)概述
1.1.1 裝載機(jī)簡介
裝載機(jī)屬于鏟土運(yùn)輸類的機(jī)械，是一種通過安裝在前端的一個(gè)完整的鏟斗用來支撐結(jié)構(gòu)和連桿，隨著機(jī)器向前運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行裝載或挖掘，以及提升、運(yùn)輸和卸載的自行式的履帶或輪胎機(jī)械設(shè)備。它廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口和礦山等各類工程建設(shè)中。裝載機(jī)具有作業(yè)速度快、效率高、機(jī)動(dòng)性能好以及操作簡便等優(yōu)點(diǎn),是現(xiàn)代機(jī)械化的施工中不可缺少的裝備之一。
1.1.2 裝載機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù)
標(biāo)志裝載機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù)都包括鏟斗容量、額定載重量、發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率、整機(jī)質(zhì)量、最大行駛速度、最小轉(zhuǎn)彎半徑、最大牽引力、最大掘起力、最大卸載高度、卸載距離、工作裝置動(dòng)作三項(xiàng)和等。
（1） 鏟斗容量
一般指鏟斗的額定容量，為鏟斗平裝容量與堆尖部分體積之和，單位為 m3 。
（2） 額定載重量
指在保證裝載機(jī)穩(wěn)定工作的前提下，鏟斗的最大載重量，單位為kg。
（3） 發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率
發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率又稱發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率或總功率，是表明裝載機(jī)作業(yè)能力的一項(xiàng)重要參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)功率分為有效功率和總功率，有效功率是指在29°C 和746mmHg（1mmHg=0.133KPa）壓力情況下，在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪上實(shí)有的功率（也稱飛輪功率）。單位為 kw。
（4） 整機(jī)質(zhì)量（工作質(zhì)量）
指裝載機(jī)設(shè)備應(yīng)有的工作裝置和隨機(jī)工具，在加足燃油，潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)液體下，并且?guī)в幸?guī)定的形式和尺寸的空載鏟斗和司機(jī)標(biāo)定質(zhì)量（75kg±3kg）時(shí)的主機(jī)總質(zhì)量。單位為 kg 。
（5） 最大行駛速度
指鏟斗空載，裝載機(jī)行駛于堅(jiān)硬的地面上，前進(jìn)和后退各檔能達(dá)到的最大速度。單位為 km/h 。
（6） 最小轉(zhuǎn)彎半徑
指自輪胎中心或后輪外側(cè)或鏟斗外側(cè)所構(gòu)成的弧線至回轉(zhuǎn)中心的距離。單位為 mm 。
（7） 最大牽引力
指裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)輪緣上所產(chǎn)生的推動(dòng)車輪前進(jìn)的作用力。裝載機(jī)的附著質(zhì)量越大，則可能產(chǎn)生的最大牽引力越大，單位為 kN 。
（8） 最大掘起力
指鏟斗切削刃的底面水平并高于底部基準(zhǔn)平面20mm 時(shí)，操縱提升液壓缸或轉(zhuǎn)斗液壓缸在鏟斗切削刃最前面一點(diǎn)向后100mm處產(chǎn)生的最大向上鉛垂力， 單位為 kN 。
（9） 最大卸載高度
指動(dòng)壁處于最高位置，鏟斗傾角為45°時(shí)，從地面到斗刃最低點(diǎn)之間的垂直距離，單位為 mm 。
（10） 卸載距離
一般指在最大卸載高度時(shí)，從裝載機(jī)本體最前面一點(diǎn)（包括輪胎或車架）到斗刃之間的水平距離，單位為 mm 。
（11） 工作裝置動(dòng)作三項(xiàng)和
指鏟斗提升、下降、卸載三項(xiàng)時(shí)間的總和，單位為 s 。
1.1.3 裝載機(jī)的用途
裝載機(jī)是一種用途十分廣泛的工程機(jī)械設(shè)備，可以用來進(jìn)行鏟裝、搬運(yùn)、卸載、平整散裝物料等作業(yè)。
1.1.4 裝載機(jī)的分類
裝載機(jī)按以下特點(diǎn)來分類：
（1） 按行走裝置的不同分類
按行走裝置的不同可以分為輪胎式和履帶式兩種類型。因?yàn)檫@兩類裝載機(jī)除了行走裝置不同外，其他的系統(tǒng)和構(gòu)造大體相似，所以本次設(shè)計(jì)也以輪胎式裝載機(jī)為目標(biāo)。輪胎式裝載機(jī)簡稱為裝載機(jī)，它由車架、工作裝置、動(dòng)力裝置、行走裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等組成。
（2） 按使用場(chǎng)合的不同分類
按使用場(chǎng)合的不同可以分為露天用裝載機(jī)和井下用裝載機(jī)（鏟運(yùn)機(jī)）。鏟運(yùn)機(jī)機(jī)構(gòu)簡單且國內(nèi)外生產(chǎn)和使用的裝載機(jī)絕大多數(shù)是露天裝載機(jī)，而井下用鏟運(yùn)機(jī)是根據(jù)井下巷道的工作條件，在露天使用的裝載機(jī)基礎(chǔ)上變形設(shè)計(jì)而成的[1]。
（3） 按傳動(dòng)形式的不同分類
按傳動(dòng)形式不同分類可以分為：機(jī)械傳動(dòng)、液力機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)四種。
（4） 按裝載方式的不同分類
按裝載方式不同可以分為前卸式、后卸式、側(cè)卸式和回轉(zhuǎn)式。其中裝載機(jī)基本上都是前卸式
圖1-1 ZL50 型輪式裝載機(jī)
Fig1-1ZL50 Wheel-type Loaders
1.2 裝載機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展
在經(jīng)歷了50多年的發(fā)展后，到20世紀(jì)90年代的中末期，國外裝載機(jī)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平?；谝簤杭夹g(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)等各種智能系統(tǒng)在裝載機(jī)各個(gè)方面的廣泛應(yīng)用。最大程度的簡化維修過程、降低作業(yè)的成本，使其各項(xiàng)性能都能達(dá)到很高的水平。
1.2.1 國外裝載機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀
（1） 產(chǎn)品形成系列，更新速度加快并朝大型化和小型化發(fā)展
產(chǎn)品的系列化、成套化、多品種化已經(jīng)成為主流。為了適應(yīng)市場(chǎng)的需求，各大廠商加快了產(chǎn)品的更新?lián)Q代。
（2） 采用新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)，產(chǎn)品性能日趨完善
近年來開發(fā)的產(chǎn)品都普遍采用了高性能發(fā)動(dòng)機(jī)和很多的智能系統(tǒng)。工作裝置中的連桿機(jī)構(gòu)推陳出新，自動(dòng)功能更是趨于成熟和完善。圖1-2為現(xiàn)場(chǎng)裝載機(jī)的工作裝置。
圖1-2 工作裝置
Fig1-2 Working Device
（3） 發(fā)展多種工作裝置，不斷滿足市場(chǎng)需求
所有廠家的產(chǎn)品都堅(jiān)持強(qiáng)調(diào)一機(jī)多用的特性，并配用快換裝置及多種附件，以便進(jìn)行裝載、鏟平、搬運(yùn)、挖掘、清理等作業(yè)。各種工作裝置的更換非常簡便，司機(jī)在駕駛室內(nèi)只需1~2min就可以輕而易舉的完成。
（4） 易于維修、保養(yǎng)，注重環(huán)保
所有的產(chǎn)品都充分考慮到可維護(hù)、維修性，各關(guān)鍵零部件和維護(hù)點(diǎn)都預(yù)留了足夠的通路，保養(yǎng)點(diǎn)集中并可以在地面上進(jìn)行，并且普遍采用了自動(dòng)集中潤滑，同時(shí)對(duì)機(jī)器主要噪聲源都采取了各種防護(hù)措施。
1.2.2 國外裝載機(jī)發(fā)展趨勢(shì)
綜合上述現(xiàn)狀以及未來市場(chǎng)的需求，國外裝載機(jī)在其未來的技術(shù)發(fā)展中將廣泛的應(yīng)用微電子技術(shù)與信息技術(shù)，完善計(jì)算機(jī)輔助駕駛系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)及故障診斷系統(tǒng)。向著更加的高效和安全的方向發(fā)展。
1.2.3 國內(nèi)裝載機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀
我國的裝載機(jī)行業(yè)起步相對(duì)較晚，其中的核心制造技術(shù)多是從美國、德國和日本等國家引進(jìn)的。雖然目前國內(nèi)裝載機(jī)的生產(chǎn)廠家群雄并立，且有增無減，但國內(nèi)企業(yè)的自主開發(fā)創(chuàng)新能力相對(duì)較弱，產(chǎn)品更新?lián)Q代以適應(yīng)市場(chǎng)需求的能力都比較差，難以及時(shí)的適應(yīng)市場(chǎng)需求。目前，我國裝載機(jī)的發(fā)展特點(diǎn)是：缺乏高科技含量，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，檔次低；設(shè)備的靈活性、舒適性較差；用途單一，產(chǎn)品規(guī)格中間大，兩頭小。
1.2.4 國內(nèi)裝載機(jī)發(fā)展趨勢(shì)
盡管國內(nèi)的裝載機(jī)技術(shù)發(fā)展水平與西方發(fā)達(dá)國家相比還存在著很大的差距，但也應(yīng)該考慮到歷史和國情的原因。目前國產(chǎn)的裝載機(jī)正在從仿制仿造向自主開發(fā)過渡，各個(gè)主要廠家也都不斷進(jìn)行著技術(shù)投入，在關(guān)鍵部件及系統(tǒng)上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。其發(fā)展體現(xiàn)出如下的一些趨勢(shì)：產(chǎn)品型號(hào)更加全面；優(yōu)化系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，提高系統(tǒng)性能；利用新材料，發(fā)展電子類新技術(shù)；強(qiáng)化環(huán)保，簡化維修等[3]。
2 裝載機(jī)工作裝置總體設(shè)計(jì)
2.1 工作裝置的總體結(jié)構(gòu)與布置
裝載機(jī)的工作裝置是完成裝卸作業(yè)并帶液壓缸的空間多桿機(jī)構(gòu)。工作裝置是組成裝載機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計(jì)水平的高低直接影響工作裝置性能的好壞，進(jìn)而影響整機(jī)的工作效率與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。
裝載機(jī)工作裝置分為有鏟斗托架和無鏟斗托架兩種基本結(jié)構(gòu)形式，如下圖2-1、2-2所示。它由運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立的兩部分組成 連桿機(jī)構(gòu)和動(dòng)臂舉升機(jī)構(gòu)，主要由鏟斗、動(dòng)臂、連桿、上下?lián)u臂、轉(zhuǎn)斗油缸、動(dòng)臂舉升油缸、托架、液壓系統(tǒng)等組成。
圖2-1 有鏟斗托架式
Fig 2-1Having a bucket bracket type
圖2-2 無鏟斗托架式
Fig 2-2No bucket bracket type
1—鏟斗 2—?jiǎng)颖? 3—連桿 4—下?lián)u臂 5—上搖臂 6—轉(zhuǎn)斗缸 7—?jiǎng)颖叟e升油缸 8—前車架 9—鏟斗托架
帶鏟斗托架的工作裝置，其動(dòng)臂及連桿的下鉸接點(diǎn)與鏟斗托架鉸接，上鉸接點(diǎn)與前車架支座鉸接；轉(zhuǎn)斗油缸鉸接在托架上部，活塞桿及托架下部與鏟斗鉸接。由托架、動(dòng)臂、連桿及前車架構(gòu)成一個(gè)平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)斗缸閉鎖時(shí)，動(dòng)臂在舉升過程中，鏟斗始終保持平動(dòng)。無鏟斗托架的工作裝置，其動(dòng)臂下鉸接點(diǎn)與鏟斗鉸接，上鉸接點(diǎn)與前車架支座鉸接；轉(zhuǎn)斗缸一端與前車架鉸接，另一端與上搖臂鉸接；連桿一端與搖臂鉸接，另一端與鏟斗鉸接；搖臂鉸接在動(dòng)臂上。
動(dòng)臂舉升缸一般采用立式或臥式布置形式，常見有兩種連接方式：一種是油缸頂端（H點(diǎn)）與前車架鉸接（圖2-3）；另一種是油缸中部通過銷軸與前車架鉸接（圖2-4）。鏟斗是裝載物料的容器，通常具有兩個(gè)鉸接點(diǎn)，一個(gè)與動(dòng)臂下鉸接點(diǎn)鉸接，另一個(gè)與連桿鉸接。操縱轉(zhuǎn)斗缸實(shí)現(xiàn)鏟斗的裝載或卸料；操縱舉升油缸實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂和鏟斗升降運(yùn)動(dòng)。
圖2-3 立式布置形式 圖2-4 臥式布置形式
Fig 2-3 Vertical arrangement Fig 2-4 Horiaontal arrangement
2.2 工作裝置連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)
由裝載機(jī)工作裝置的自由度分析可知，工作裝置的連桿機(jī)構(gòu)均為封閉運(yùn)動(dòng)鏈的平面低副運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。對(duì)裝載機(jī)工作裝置而言，盡管桿件數(shù)目越多越能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，但同時(shí)鉸接點(diǎn)的數(shù)目也隨之增加，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，就越難在動(dòng)臂上進(jìn)行布置。因此，實(shí)際上裝載機(jī)工作裝置的連桿機(jī)構(gòu)多為八桿以下機(jī)構(gòu)。這樣，按組成工作裝置連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)件數(shù)不同，裝載機(jī)工作裝置可分為三桿、四桿、五桿、六桿和八桿機(jī)構(gòu)；按輸入與輸出桿轉(zhuǎn)向不同，又可分為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。正轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是指輸入與輸出桿的轉(zhuǎn)向相同；反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是指輸入與輸出桿的轉(zhuǎn)向相反[4]。綜合國內(nèi)外裝載機(jī)工作裝置可知，其連桿機(jī)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)主要有下列幾種。
1、 正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu) 機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)斗缸大腔進(jìn)油時(shí)轉(zhuǎn)斗鏟取，所以鏟取力較大；各構(gòu)件設(shè)計(jì)合理時(shí)，鏟斗能獲得較好的舉升平動(dòng)性能；連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比較大，鏟斗能獲得較大的卸載角和卸載速度，因此卸載干凈，速度快；因傳動(dòng)比大，還可以適當(dāng)減小連桿機(jī)構(gòu)的尺寸，因而可以改善司機(jī)的視野。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，鏟斗自動(dòng)放平性較差。
由于連桿機(jī)構(gòu)要布置在動(dòng)臂上，所以有可能作為裝載機(jī)工作裝置的僅有兩種方案：其一，是由2個(gè)四鉸構(gòu)件和6個(gè)兩鉸構(gòu)件組成（圖2-5a）；其二，是由1個(gè)四鉸構(gòu)件、2個(gè)三鉸構(gòu)件和5個(gè)兩鉸構(gòu)件組成（圖2-5b~f）[5]?？梢?，八桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式很多，需進(jìn)行選擇使用。目前，裝載機(jī)工作裝置八桿機(jī)構(gòu)有以下兩種結(jié)構(gòu)形式：
1） 由圖2-5b組成的工作裝置如圖2-6a、b所示。
2） 由圖2-5e組成的工作裝置如圖2-6c所示。
圖2-5 八桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)成方案
Fig 2-5 The composition of the solution of eight bar linkage
圖2-6 八桿機(jī)構(gòu)工作裝置的結(jié)構(gòu)形式
Fig 2-6 The structure of working device of eight bar linkage
2、 六桿機(jī)構(gòu) 六桿機(jī)構(gòu)工作裝置是目前裝載機(jī)上使用最為普及的一種結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于六桿機(jī)構(gòu)，只能有兩個(gè)三鉸構(gòu)件和4個(gè)兩鉸構(gòu)件組成，其傳遞方案如圖2-7所示。其中，圖b 所示方案目前在裝載機(jī)上尚未采用；圖a 所示方案形成的工作裝置，是以三鉸構(gòu)件1為動(dòng)臂、構(gòu)件2為鏟斗、構(gòu)件4為搖臂、構(gòu)件6為機(jī)架。
圖2-7 六桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)成方案
Fig 2-7 The composition of the scheme of six bar linkage
根據(jù)轉(zhuǎn)斗油缸布置位置的不同，可以作為裝載機(jī)工作裝置的六桿機(jī)構(gòu)，常見的有以下幾種結(jié)構(gòu)形式：
1） 轉(zhuǎn)斗缸前置式正轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)（圖2-8a） 以圖2-7的構(gòu)件3為轉(zhuǎn)斗缸，其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)斗缸直接與搖臂相連接，易于設(shè)計(jì)成兩個(gè)平行的四連桿機(jī)構(gòu)，鏟斗平移性較好；同八桿機(jī)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)簡單，司機(jī)視野較好。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)斗時(shí)油缸小腔進(jìn)油，鏟掘力相對(duì)較??；連桿機(jī)構(gòu)傳力比小，使得轉(zhuǎn)斗缸活塞行程較大，轉(zhuǎn)斗缸加長，卸載程度不如八桿機(jī)構(gòu)；工作裝置的整體重心由于轉(zhuǎn)斗缸前置而外移，這樣會(huì)增大工作裝置的前懸量，影響整機(jī)的穩(wěn)定性和行駛時(shí)的平穩(wěn)性；鏟斗不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放平。
圖2-8 六桿機(jī)構(gòu)工作裝置的結(jié)構(gòu)形式
Fig 2-8 Structure of the work of six bar linkage mechanism
2） 轉(zhuǎn)斗缸后置式正轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)（圖2-8b） 以圖2-7a 的構(gòu)件5為轉(zhuǎn)斗缸，并布置在動(dòng)臂的上方。與轉(zhuǎn)斗缸前置式相比，機(jī)構(gòu)前懸較小，傳力比較大，活塞行程較短；有可能將動(dòng)臂、轉(zhuǎn)斗缸、搖臂和連桿機(jī)構(gòu)的中心線設(shè)計(jì)在同一平面內(nèi)，從而簡化了結(jié)構(gòu)，改善了動(dòng)臂和鉸銷的受力狀態(tài)。缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)斗缸與車架的鉸接點(diǎn)位置較高，影響了司機(jī)的視野，其他同前置式。
3） 轉(zhuǎn)斗缸后置式正轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)（圖2-8c） 仍以構(gòu)件5為轉(zhuǎn)斗缸，但將其布置在動(dòng)臂下方。在鏟掘收斗作業(yè)時(shí)，以油缸大腔工作，故能產(chǎn)生較大的掘起力。但組成工作裝置的各構(gòu)件不易布置在同一平面內(nèi)，構(gòu)件受力狀態(tài)較差。
4） 轉(zhuǎn)斗缸后置式反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)（圖2-8d） 以圖2-7a 的構(gòu)件5為轉(zhuǎn)斗缸，將其布置在動(dòng)臂上面，轉(zhuǎn)斗缸小腔作用時(shí)進(jìn)行鏟掘。這種機(jī)構(gòu)又稱為“Z”形連桿機(jī)構(gòu)（Z-bar Linkage）。該機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是，鏟斗插入時(shí)轉(zhuǎn)斗缸大腔進(jìn)油，并且連桿機(jī)構(gòu)的傳力比可以設(shè)計(jì)成較大值，故可獲得較大的掘起力；二是，合理設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的尺寸，不僅可以得到良好的鏟斗平移性能，而且可以實(shí)現(xiàn)鏟斗的自動(dòng)放平；三是，結(jié)構(gòu)十分緊湊，前懸小，司機(jī)視野好。缺點(diǎn)是搖臂和連桿布置在鏟斗和前橋之間的狹窄部位，各構(gòu)件間易于發(fā)生干涉。
5） 轉(zhuǎn)斗缸前置式反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)（圖2-8e） 以圖2-7a 的構(gòu)件3為轉(zhuǎn)斗缸，布置在靠近鏟斗處，鏟掘時(shí)靠小腔作用?，F(xiàn)在這種機(jī)構(gòu)很少用。
3、正轉(zhuǎn)四桿機(jī)構(gòu)（圖2-9a） 該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)最為簡單，易于設(shè)計(jì)成鏟斗舉升平動(dòng)；前懸較小。缺點(diǎn)是鏟掘轉(zhuǎn)斗時(shí)油缸小腔作用，輸出力較小；連桿機(jī)構(gòu)的傳力比難以設(shè)計(jì)成較大值，所以鏟掘力相對(duì)較??；轉(zhuǎn)斗缸行程較大，油缸結(jié)構(gòu)較長；鏟斗卸載時(shí)，活塞桿易與鏟斗底部相碰，減小了卸載角；機(jī)構(gòu)不易實(shí)現(xiàn)鏟斗自動(dòng)放平。
4、 正轉(zhuǎn)五桿機(jī)構(gòu)（圖2-9b） 該機(jī)構(gòu)是在正轉(zhuǎn)四桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在活塞桿和鏟斗之間增加一根短連桿演變而成的，從而克服了正轉(zhuǎn)四桿機(jī)構(gòu)卸載時(shí)活塞桿易與斗底相碰的不足[6]。當(dāng)鏟斗端平時(shí)，短連桿與活塞桿靠油缸拉力和鏟斗重力拉成一直線，合為一桿；而當(dāng)鏟斗卸料時(shí)，短連桿能相對(duì)活塞桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而避免了活塞桿與斗底相碰。
5、 動(dòng)臂可伸縮式三桿機(jī)構(gòu)（圖2-9c） 該機(jī)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)臂借助油缸可以進(jìn)行伸縮。其鏟斗插入工況是依靠動(dòng)臂伸出來實(shí)現(xiàn)的，從而解決了靠機(jī)器行走時(shí)插入造成輪胎嚴(yán)重磨損的問題；卸載時(shí)可伸出動(dòng)臂，以獲得較大的卸載高度和卸載距離；運(yùn)輸工況時(shí)，可縮回動(dòng)臂，減小前懸，提高車架行駛時(shí)的穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)鏟斗放平和鏟斗自動(dòng)放平，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
圖2-9 工作裝置結(jié)構(gòu)形式
Fig 2-9 Working device structure
a）正轉(zhuǎn)四桿機(jī)構(gòu) b）正轉(zhuǎn)五桿機(jī)構(gòu) c）動(dòng)臂可伸縮式三桿機(jī)構(gòu)
2.3 工作裝置自由度的計(jì)算
由于組成裝載機(jī)工作裝置的各構(gòu)件是通過銷軸連接的，各個(gè)銷軸互相平行；加上，其結(jié)構(gòu)又是縱向?qū)ΨQ。因此，在進(jìn)行裝載機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，可將其簡化為帶液壓缸的平面低副多桿機(jī)構(gòu)，不計(jì)各桿件的自重，并假設(shè)各鉸接點(diǎn)的摩擦力為零。
圖2-10所示，為典型的反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)和正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu)工作裝置的桿系結(jié)構(gòu)簡圖。圖中，UG為動(dòng)臂位置角；即動(dòng)臂上、下鉸接點(diǎn)的連線與垂直線的夾角，以繞動(dòng)臂上鉸接點(diǎn)逆時(shí)針方向?yàn)檎?，反之為?fù)；U為鏟斗位置角，即鏟斗斗底與水平線正向的夾角為正，反之為負(fù)。
圖2-10 工作裝置平面桿系結(jié)構(gòu)簡圖
Fig 2-10 Working plane truss structure diagram
a）反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu) b）正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu)
a)Inversion of six bar linkage b）Forward eight rod mechanism
對(duì)于反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)的工作裝置（圖2-10a），它由舉升機(jī)構(gòu)GHI、油缸四連桿機(jī)構(gòu)DEFG和鏟斗四連桿機(jī)構(gòu)ABCD等組成。其中，活動(dòng)桿件數(shù)n=8，低副數(shù)11，高副數(shù)0。這樣，由平面機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算公式可得，反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)工作裝置的自由度
2
當(dāng)轉(zhuǎn)斗缸閉鎖時(shí)，動(dòng)臂在舉升缸的作用下舉升或下降鏟斗，此時(shí)該工作裝置的自由度為1，舉升缸為原動(dòng)件；當(dāng)舉升缸閉鎖，動(dòng)臂處于某一特定作業(yè)位置不動(dòng)時(shí)，在轉(zhuǎn)斗缸的作用下，通過一平面六桿機(jī)構(gòu)使鏟斗繞其鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)該工作裝置的自由度也是為1，轉(zhuǎn)斗缸為原動(dòng)件。
對(duì)于正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu)的工作裝置（圖2-10b），它由舉升機(jī)構(gòu)IMN、油缸四連桿機(jī)構(gòu)IFHJ、鏟斗四連桿機(jī)構(gòu)ABCD和中間四連桿機(jī)構(gòu)DEGF等組成。同樣可得，正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu)工作裝置的自由度F=2。
2.4 工作裝置總體設(shè)計(jì)
在鏟斗部分，采用無鏟斗托架式結(jié)構(gòu)；油缸的布置形式為立式布置形式。同時(shí)考慮到實(shí)際工作中的運(yùn)用情況，它的連桿機(jī)構(gòu)采用的是反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)。
主要參數(shù)：
鏟斗容量： 3.0 m3
額定載重量： 5 t
發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率： 154 kw
整機(jī)質(zhì)量： 16.3 t
以上數(shù)據(jù)是總體的參數(shù)，鏟斗的取值主要通過到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和經(jīng)驗(yàn)得到；在連桿系統(tǒng)各個(gè)鉸接點(diǎn)的確定時(shí)，采用的是圖解法，確定其坐標(biāo)的位置；液壓系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸主要是通過行程和鉸接點(diǎn)的確定從液壓件中選取的。
3 ZL50 裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)
3.1 工作裝置的設(shè)計(jì)要求
3.1.1 工作裝置工作性能
工作裝置的結(jié)構(gòu)和性能直接影響著工程機(jī)械整機(jī)的工作尺寸和性能參數(shù)，工作裝置的合理性直接影響整機(jī)的工作效率、生產(chǎn)負(fù)荷、動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)特性、不同工況下的作業(yè)效果、工作循環(huán)的時(shí)間、外形尺寸和發(fā)動(dòng)機(jī)功率等。不同類型工程機(jī)械的工作裝置的組成是不同的。
裝載機(jī)的工作過程包括：插入工況、鏟裝工況、重載運(yùn)輸工況、舉升工況、卸載工況、空載運(yùn)輸工況。裝載機(jī)的工作裝置主要由鏟斗、動(dòng)臂、連桿、搖臂、轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸組成。
3.1.2 對(duì)工作裝置的要求
工作裝置在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足以下要求
（1） 角度要求：滿足工作循環(huán)中對(duì)鏟斗各個(gè)工作位置的角度要求，達(dá)到所要求的卸載高度與卸載距離。
（2） 運(yùn)動(dòng)要求：在工作循環(huán)中速度與加速度變化合理，油缸活塞行程為最佳，工作裝置運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、無干涉、無死點(diǎn)、無自鎖，動(dòng)臂從最低位置到最大卸載高度的舉升過程中，保證鏟斗中的物料無撒落，在卸載后，動(dòng)臂下放至鏟掘位置，鏟斗能自動(dòng)放平。
（3） 結(jié)構(gòu)要求：結(jié)構(gòu)要求簡單緊湊，承載元件數(shù)量（包括油缸）盡量少，前懸小。
（4） 動(dòng)力性要求：連桿機(jī)構(gòu)具有較高的力傳遞效率，以保證工作裝置產(chǎn)生較大的插入力、掘起力和舉升力。
3.2 鏟斗設(shè)計(jì)
鏟斗是工作裝置的重要部件，裝載機(jī)工作時(shí)用它直接鏟掘、裝載、運(yùn)輸和傾卸物料。鏟斗直接與物料接觸，是裝、運(yùn)、卸的工具，工作時(shí)，它被推壓插入料堆鏟取物料，工作條件惡劣，要承受很大的沖擊力和劇烈的磨損，因此鏟斗設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)裝載機(jī)的作業(yè)能力有較大的影響。為了保證鏟斗的設(shè)計(jì)質(zhì)量，首先應(yīng)當(dāng)合理的確定鏟斗的結(jié)構(gòu)及幾何尺寸，以降低鏟斗插入物料的阻力。其次要保證鏟斗有足夠的強(qiáng)度、剛度、耐磨性，使之具有合理的使用壽命。
3.2.1 鏟斗的結(jié)構(gòu)形式
鏟斗的形狀和尺寸參數(shù)對(duì)插入阻力、鏟取阻力、轉(zhuǎn)斗阻力和生產(chǎn)率都有著很大的影響。同一個(gè)鏟斗有兩種容積標(biāo)志：一是物料裝平時(shí)的容積，稱為平裝斗容；二是物料裝滿堆高后的容積，稱為堆裝斗容。機(jī)器銘牌上標(biāo)稱的斗容通常為堆裝的容積。鏟斗由斗底、側(cè)壁、斗刃及后壁等部分組成。鏟斗的斗刃還分為帶齒和不帶齒的兩種。鏟斗的斷面形狀一般為“U”形，用鋼板焊接而成。
（1）斗體形狀
從整個(gè)斗體形狀看來，鏟斗基本可以分成“淺底”和“深底”兩種類型。在斗容量相同的情況下，前者開口尺寸較大，斗底深度較小，即斗前壁較短，而后者正好相反。
淺底鏟斗插入料堆的深度較小，相應(yīng)的插入阻力也較小，容易裝滿，但運(yùn)輸行駛時(shí)容易撒落物料；由于前懸增大，影響車輛行駛平穩(wěn)性。而深底鏟斗則恰恰相反。相比之下，定點(diǎn)裝載使用淺底鏟斗，而運(yùn)輸距離較大則采用深底鏟斗較為合適。
斗體常用低碳、耐磨、高強(qiáng)度鋼板焊接制成。
（2）切削刃的形狀
根據(jù)裝載物料不同，切削刃有直線型和非直線型。前者形式簡單，有利于鏟平地面，但鏟裝阻力較大。后者又有V形和弧形等，由于這種刃中間突出，鏟斗插入料堆時(shí)可使插入力集中作用在斗刃的中間部分，所以插入阻力較小，容易插入料堆，并有利于減少偏載插入，但鏟斗裝滿系數(shù)要比前者小。
礦用裝載機(jī)工作條件惡劣，任務(wù)繁重，插入和掘起阻力都很大，偏載工況對(duì)工作機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度影響嚴(yán)重，所以多選用非直線形切削刃，并以V形切削刃為佳。斗刃材質(zhì)是即耐磨又耐沖擊的中錳合金鋼材料，側(cè)切削刃和加強(qiáng)角板都用高強(qiáng)度耐磨鋼材料制成。
（3）斗齒
鏟斗斗刃上可以有斗齒，也可以沒有斗齒。若斗刃上裝有斗齒時(shí)，斗齒將先于切削刃插入料堆，由于它比壓大，所以比不帶齒的切削刃易于插入料堆，插入阻力能減小20%左右，特別是對(duì)料堆比較密實(shí)、大塊較多的情況，效果尤為顯著，因此礦用裝載機(jī)一般都是帶斗齒。
斗齒結(jié)構(gòu)分為整體式和分體式兩種，一般斗齒是用高錳鋼制成的整體式，用螺栓固定在鏟斗斗刃上，中小型裝載機(jī)多采用這種形式。為便于斗齒磨損后更換和節(jié)約斗齒金屬，也有使用雙段斗齒的，如圖3-1所示。
圖3-1 雙段斗齒
Fig.3-1 The double period of bucket teeth
1—齒尖； 2—齒坐； 3—鋼銷
這種斗齒的齒尖與齒坐的配合面為錐面，兩者配合情況良好。裝配時(shí)，先置入有彈性的金屬橡皮，然后再從上邊或從下邊往方形銷孔中打入鋼銷3即可。由于拆卸方便，齒尖一邊磨損后可以翻轉(zhuǎn)再使用，從而延長使用壽命。大型裝載機(jī)由于作業(yè)條件差、斗齒磨損嚴(yán)重，故常采用這種分體式斗齒。
斗齒的形狀和間距對(duì)切削阻力是有影響的。一般中型裝載機(jī)鏟斗的斗齒間距為250~300mm左右，太大時(shí)由于切削刃將直接參與插入工作，使阻力增大，太小時(shí)，齒間易于卡住石塊，也將增大工作阻力。長而窄的齒要比段而寬的齒插入阻力小，但太窄又容易損壞，所以齒寬以每厘米長載荷不大于500~600kg為宜。
（4）鏟斗側(cè)刃
因?yàn)閭?cè)刃參與插入工作，為減小插入阻力，側(cè)壁前刃應(yīng)與斗前壁成銳角，弧線或折線側(cè)刃鏟斗的插入阻力比直線形側(cè)刃要小，但具有弧線或折線形側(cè)刃鏟斗的側(cè)壁較淺，物料易于從兩側(cè)撒落，影響鏟斗的裝滿。為了不使斗容減小太多，一般可將連接前后斗壁的側(cè)壁刃口設(shè)計(jì)成弧形。
（5）斗底
斗前壁與斗后壁用圓弧銜接，構(gòu)成弧形斗底。為了使物料在斗中有很好的流動(dòng)性，斗底圓弧半徑不宜太小，前后壁夾角不應(yīng)小于物料與鋼板的摩擦角的2倍，以免卡住大塊物料。若取物料與鋼板的摩擦因數(shù)f =0.4，則摩擦角φ≈22°，所以張開角必須大于44°。
綜上所述，針對(duì)我的鏟斗設(shè)計(jì)性質(zhì)如下：
斗體材料：低碳、耐磨、高強(qiáng)度鋼板
斗刃形狀：直線形斗刃
斗刃材料：耐磨又耐沖擊的中錳合金鋼材料
3.2.2 鏟斗的分類
鏟斗按照卸載方式一般可以分為整體前卸式、側(cè)卸式、推卸式和底卸式等數(shù)種。
（1） 整體前卸式鏟斗
整體前卸式鏟斗的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，有效裝載容積大，但需要有較大的卸載角才能將物料卸凈。通常情況下，絕大多數(shù)前端式這裝載機(jī)都是用這種鏟斗。
（2） 側(cè)卸式鏟斗
這種鏟斗沒有側(cè)板，插入阻力小，裝載效率高，特別是在裝載機(jī)用于填溝或在狹窄場(chǎng)地往側(cè)旁的運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行裝載作業(yè)時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)就更加顯著了。
（3） 推卸式鏟斗
它可以彌補(bǔ)整體前卸式鏟斗卸載高度不足，在裝載機(jī)其他尺寸參數(shù)相同的情況下，能夠顯著提高卸載高度和增加卸載距離；特別適用于卸出小顆粒粘性物料。與整體前卸式鏟斗相比，推卸式鏟斗的結(jié)構(gòu)復(fù)雜一些，且需要用動(dòng)力推卸，但具有以上的一些優(yōu)點(diǎn)，在地下作業(yè)時(shí)多被采用。
（4） 底卸式鏟斗
底卸式鏟斗是用動(dòng)力打開斗底卸載的，同推卸式鏟斗一樣可以提高卸載高度，但結(jié)構(gòu)也是比較復(fù)雜。
以為考慮到成本和產(chǎn)品的實(shí)用性，以及在工作中遇到的情況，本次的設(shè)計(jì)所采用的是整體前卸式的鏟斗卸載方式。
3.2.3 鏟斗斷面形狀和基本參數(shù)確定
（1）鏟斗的斷面形狀
鏟斗的斷面形狀由鏟斗圓弧半徑r、底壁長l、后壁高h(yuǎn)和張開角四個(gè)參數(shù)確定，如圖3-2所示。
圖3-2 鏟斗斷面基本參數(shù)圖
Fig.3-2 The double period of bucket teeth
圓弧半徑r越大，物料進(jìn)入鏟斗的流動(dòng)性越好，有利于減少物料裝入斗內(nèi)的阻力，卸料快而干凈。但r過大，斗的開口大，不易裝滿，且鏟斗外形較高，影響駕駛員觀察鏟斗斗刃的工作情況。
后壁高h(yuǎn)是指鏟斗上緣至圓弧與后壁切點(diǎn)間的距離。
底壁長l是指斗底壁的直線段長度。l長則鏟斗鏟入料堆深度大，斗容易裝滿，但掘起力將由于力臂的增加而減小。由試驗(yàn)得知，插入阻力隨鏟入料堆的深度而急劇增加。l長同樣會(huì)減小卸載高度，短則掘起力大，且由于卸料時(shí)鏟斗刃口降落的高度小，還可以減小動(dòng)臂舉升高度，縮短作業(yè)時(shí)間，但會(huì)減小斗容。對(duì)裝載輕質(zhì)物料為主的鏟斗，l可選擇大些，對(duì)于裝載巖石的鏟斗，應(yīng)取小些。
鏟斗張開角 為鏟斗后壁與底壁之間的夾角，一般取45°到52°之間。適當(dāng)減小張開角并使斗底壁對(duì)地面有一定斜度，可減小插入料堆時(shí)的阻力，提高鏟斗的裝滿程度。
鏟斗的寬度應(yīng)大于裝載機(jī)兩個(gè)前輪外側(cè)間的寬度，每側(cè)要寬出50~100mm。如鏟斗寬度小于兩輪外側(cè)間的寬度，則鏟斗鏟取物料后所行成的料堆階梯會(huì)損傷到輪胎側(cè)壁，并增加行駛時(shí)輪胎的阻力。
通過以上的介紹，結(jié)合從現(xiàn)場(chǎng)采集來的大概參數(shù)，本次設(shè)計(jì)的具體參數(shù)初定如下：
鏟斗圓弧半徑r： 350mm
底壁長l： 700mm
后壁高h(yuǎn)： 400mm
張開角： 48°
(2）鏟斗基本參數(shù)的確定
在定下了以上的斷面參數(shù)后，從現(xiàn)場(chǎng)的參考數(shù)據(jù)得到，本設(shè)計(jì)鏟斗的總寬度B為2900mm（輪距選定為2500mm），并且鏟斗壁厚為30mm。
設(shè)計(jì)時(shí)，把鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R （即鏟斗與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)至切削刃間的距離），如圖3-3所示，作為基本參數(shù)，鏟斗的其他參數(shù)作為R的函數(shù)。它的大小不僅直接影響鏟斗底壁的長度，而且還直接影響轉(zhuǎn)斗時(shí)掘起力及斗容的大小，所以它是一個(gè)與整機(jī)總體有關(guān)的參數(shù)。鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R可按照式（3-1）計(jì)算。
圖3-3 鏟斗尺寸參考
Fig.3-3 Bucket size reference
（m） （3-1）
式中 —鏟斗平裝斗容，2.5m3
—鏟斗內(nèi)側(cè)寬度，2.840m
—鏟斗斗底長度系數(shù)，=1.40~1.53
—后壁長度系數(shù)，=1.1~1.2
—擋板高度系數(shù)，=0.12~0.14
—圓弧半徑系數(shù)，
—張開角，為45°~52°
—擋板與后壁間的夾角（無擋板取0）
圖3-3中各參數(shù)含義如下：
—鏟斗圓弧半徑，m
—斗底長度，是指由鏟斗切削刃至斗底延長線與斗后壁延長線交點(diǎn)的距離，m
—后壁長度，是指由后壁上緣至后壁延長線與斗底延長線交點(diǎn)的距離，m
—擋板高度，m
調(diào)整參數(shù)，根據(jù)調(diào)整后的各值與R之比分別確定、、、值，=1.5，=1.1， =0.12
然后代入式（3-1），即可確定鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R，通過計(jì)算得出1140mm
即可得出 =1.5×1140=1710mm
=1.1×1140=1254mm
=0.12×1140=136.8mm
一般取鏟斗側(cè)壁切削刃相對(duì)斗底壁的傾角=50°~60°。鏟斗與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)距離斗底壁的高度=（0.06~0.12）R。
3.2.4 鏟斗容量的計(jì)算
由于本次設(shè)計(jì)的鏟斗容量是在設(shè)計(jì)任務(wù)書中體現(xiàn)出來的，并且鏟斗的參數(shù)都是根據(jù)鏟斗容量而定下的，所以如下只介紹的是它的算法公式。
（1） 平裝容量
鏟斗的平裝容量（見圖3-4）按照式（3-2）計(jì)算。
對(duì)于有防溢板的鏟斗
（m3） (3-2)
式中 —有擋板的鏟斗橫截面面積，m2
—鏟斗內(nèi)側(cè)寬度，m
—擋板高度，m
—斗刃刃口與擋板最上部之間的距離，m
對(duì)于無防溢板的鏟斗
（m3）
式中 —不裝擋板的鏟斗橫截面面積，m2
圖3-4 鏟斗容量計(jì)算
Fig.3-4 Bucket capacity calculation
（2） 額定容量
鏟斗的額定容量（見圖3-4）按照式（3-3）計(jì)算。
對(duì)于有防溢板的鏟斗
（m3） （3-3）
式中 c —物料堆積高度，m
對(duì)于無防溢板的鏟斗
（m3）
3.3 工作裝置連桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)
通過在第二章中的工作裝置連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)的介紹，綜合本次設(shè)計(jì)的基本要求和設(shè)計(jì)任務(wù)，所選取的結(jié)構(gòu)形式為反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式。
3.3.1 機(jī)構(gòu)分析
反轉(zhuǎn)六桿工作機(jī)構(gòu)簡圖如圖3-5所示，它由轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)和動(dòng)臂舉升機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分組成。
轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)斗油缸CD、搖臂CBE、連桿FE、鏟斗GF、動(dòng)臂GBA和機(jī)架AD六個(gè)構(gòu)件組成。實(shí)際上，它由兩個(gè)反轉(zhuǎn)四桿機(jī)構(gòu)GFEB和BCDA（即圖中GF2E2B和BC2DA）所串聯(lián)而成。當(dāng)舉升動(dòng)臂時(shí)，若假定動(dòng)臂為固定桿，則可把機(jī)架AD視為輸入桿，把鏟斗GF看成輸出桿，由于AD和GF轉(zhuǎn)向相反，所以叫反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)。
舉升機(jī)構(gòu)主要由動(dòng)臂舉升油缸HM和動(dòng)臂GBA構(gòu)成。
若把油缸分解成兩個(gè)活動(dòng)構(gòu)件和一個(gè)移動(dòng)副，則反轉(zhuǎn)六桿工作機(jī)構(gòu)的活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=8，運(yùn)動(dòng)低副數(shù)PL=11，由自由度公式F=3n-2PL，得到自由度為2。因?yàn)閮蓚€(gè)油缸均為運(yùn)動(dòng)件所以整個(gè)機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)舉升油缸閉鎖時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)斗油缸，鏟斗將繞G點(diǎn)作定軸轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖，舉升油缸動(dòng)作時(shí)，鏟斗將作復(fù)合運(yùn)動(dòng)，即一邊隨動(dòng)臂對(duì)A點(diǎn)作牽連運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又相對(duì)動(dòng)臂繞G點(diǎn)作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。
其材料為低碳、耐磨、高強(qiáng)度鋼。
圖3-5 反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)簡圖
Fig.3-5 Inversion of six bar linkage diagram
I-插入工況 II-鏟裝工況 III-最高位置工況 IV-高位卸載工況 V-低位卸載工況
3.3.2 尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)
因?yàn)閳D解法比較直觀，易于掌握，故采用圖解法設(shè)計(jì)，它通過在坐標(biāo)圖上確定鏟裝工況（圖3-6）時(shí)工作裝置的9個(gè)鉸接點(diǎn)的位置來實(shí)現(xiàn)。
（1）動(dòng)臂與鏟斗、搖臂、機(jī)架的三個(gè)鉸接點(diǎn)G、B、A的確定
1）確定坐標(biāo)系
如圖3-6所示，先選取坐標(biāo)系并確定尺寸比例1：40。
2）畫鏟斗圖
把設(shè)計(jì)好的鏟斗橫截面外廓按比例在坐標(biāo)系xOy中畫出，斗尖對(duì)準(zhǔn)坐標(biāo)原點(diǎn)O，斗前壁與x軸呈3°~5°的前傾角。此為鏟斗插入料堆時(shí)位置，即插入工況。
圖3-6 動(dòng)臂上三鉸接點(diǎn)設(shè)計(jì)
Fig. 3-6 Three hinged point on the movable arm design
3） 確定動(dòng)臂與鏟斗的鉸接點(diǎn)G
由于G點(diǎn)的x坐標(biāo)值越小，轉(zhuǎn)斗掘起力就越大(與連桿鏟斗鉸接點(diǎn)F的距離增大)，所以點(diǎn)靠近O點(diǎn)是有利的，但它受斗底和最小離地高度的限制，不能隨意減小；而G點(diǎn)的y坐標(biāo)值增大時(shí)，鏟斗在料堆中的鏟取面積增大，裝的物料多，但這樣縮小了G點(diǎn)與連桿鏟斗鉸接點(diǎn)F的距離，使得掘起力下降。
綜合考慮各種因素的影響，根據(jù)坐標(biāo)圖上插入工況的鏟斗實(shí)際狀況，在保證G點(diǎn)y軸坐標(biāo)值yG=250~350mm和x軸坐標(biāo)值xG盡可能小而且不與斗底干涉的前提下，在指標(biāo)圖上人為的把G點(diǎn)初步定下來，取G為（1130，260）。 .
4） 確定動(dòng)臂與機(jī)架的鉸接點(diǎn)A
①以G點(diǎn)為圓心，使鏟斗順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，至鏟斗斗口與x軸平行為止，即鏟裝工況。
②把已選定的輪胎外廓畫在指標(biāo)圖上（輪胎外廓直徑約為1600mm）。作圖時(shí)，應(yīng)當(dāng)使輪胎前緣與鏟裝工況時(shí)的鏟斗后壁的間隙盡量小些，目的是使機(jī)構(gòu)緊湊、前懸小，但一般都不小于50mm；輪胎中心Z的y坐標(biāo)值應(yīng)等于輪胎的工作半徑Rk 600mm 。
（3-4）
式中 —Z點(diǎn)的y坐標(biāo)值，mm
—輪轂直徑，mm
—輪胎寬度，mm
—輪胎斷面高度與寬度之比（普通輪胎取1，寬面輪胎去0.83，超寬面輪胎取0.64）
—輪胎變形系數(shù)（普通輪胎為0.1~0.16，寬面輪胎取0.05~0.1）
③根據(jù)給定的最大卸載高度hx，最小卸載距離lx和和卸載角，畫出鏟斗在最高位置卸載時(shí)的位置圖，即高位卸載工況，并令此時(shí)斗尖為O4，G點(diǎn)位置為，如圖3-6所示。
④以點(diǎn)為圓心，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)鏟斗，使鏟斗口與x軸平行，即得到鏟斗最高舉升位置圖。
⑤連接并作其垂直平分線。因?yàn)镚和點(diǎn)同在以A點(diǎn)為圓心，動(dòng)臂AG長為半徑的圓弧上，所以A點(diǎn)必須在的垂直平分線上。
A點(diǎn)在平分線的位置應(yīng)盡可能低一些，以提高整機(jī)工作的穩(wěn)定性，減小機(jī)器高度，改善司機(jī)視野。一般A點(diǎn)取在前輪右上方，與前軸心水平距離為軸距（選定為3320）的1/4~1/2處。最終定下A點(diǎn)的坐標(biāo)為（3230，2110）。
A點(diǎn)位置的變化，可借挪動(dòng)點(diǎn)和輪胎中心Z點(diǎn)的位置來進(jìn)行。
5） 確定動(dòng)臂與搖臂的鉸接點(diǎn)B
B點(diǎn)的位置是一個(gè)十分關(guān)鍵的參數(shù)。它對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比、倍力系數(shù)、連桿機(jī)構(gòu)的布置以及轉(zhuǎn)斗油缸的長度等都有很大的影響。如圖3-6所示，根據(jù)分析和經(jīng)驗(yàn)，一般取B點(diǎn)在AG連線的上方，過A點(diǎn)的水平線下方，并在AG的垂直平分線左側(cè)盡量靠近鏟裝工況時(shí)的鏟斗處。相對(duì)前輪胎，B點(diǎn)在其外廓的左上部。本次設(shè)計(jì)所確定B點(diǎn)坐標(biāo)為（1680，1565）。
（2）連桿與鏟斗和搖臂的兩個(gè)鉸接點(diǎn)F、E的確定
因?yàn)镚、B兩點(diǎn)已被確定，所以再確定F點(diǎn)和E點(diǎn)實(shí)際上是為了最終確定與鏟斗相連的四桿機(jī)構(gòu)GFEB的尺寸，如圖3-7所示。
確定F、E兩點(diǎn)時(shí)，既要考慮對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的要求，如必須保證鏟斗在各個(gè)工況時(shí)的轉(zhuǎn)角，又要注意動(dòng)力學(xué)的要求，如鏟斗在鏟裝物料時(shí)應(yīng)能輸出較大的掘起力，同時(shí)，還要防止前述各種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)被破壞的現(xiàn)象。
1） 按雙搖桿條件設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)
令GF桿為最短桿，BG為最長桿，即有
GF+BG > FE+BE （3-5）
如圖3-8所示，若令GF=a，F(xiàn)E=b，BE=c，BG=d，并將式（3-5）不等號(hào)兩邊同時(shí)除以d，整理后得到下式，即
（3-6）
上式各值可按式（3-7）選取，由G（1130，260）、B（1680，1565）點(diǎn)的坐標(biāo)得到d=1415mm
（3-7）
由式（3-7）選取K=0.950
得到 a=0.3d=425
c=0.58d=830，代入（3-6）
得到 b=948 。
圖3-7 連桿、搖臂、轉(zhuǎn)斗油缸尺寸設(shè)計(jì)
Fig.3-7 Connceting rod ,rocker arm,turning cylinder size design
2） 確定E和F點(diǎn)位置
這兩點(diǎn)位置的確定要綜合考慮如下四點(diǎn)要求：①E點(diǎn)不可與前橋相碰，并有足夠的最小離地高度；②插入工況時(shí)，使EF桿盡量與GF桿垂直，這樣可獲得較大的傳動(dòng)角和倍力系數(shù)；③鏟裝工況時(shí)，EF桿與GF桿的夾角必須小于170°，即傳動(dòng)角不能小于10°，以免機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生自鎖；④高位卸載工況時(shí)，EF桿與GF桿的傳動(dòng)角也必須大于10°。
如圖3-7所示，鏟斗去插入工況，以B點(diǎn)為圓心，以BE=c為半徑畫??；人為的初選E點(diǎn)，使其落在B點(diǎn)右下方的弧線上；再分別以E點(diǎn)和G點(diǎn)為圓心，以FE=b和GF=a分別為半徑畫弧，得到交點(diǎn)，即為F。
圖3-8 連桿端部鉸接點(diǎn)設(shè)計(jì)
Fig.3-8 Connecting rod end hinged point of design
如圖所示的得到了E和F點(diǎn)的位置，由于各種工況的情況不定，所以在這就不具體說明此時(shí)情況的坐標(biāo)值。
（3） 轉(zhuǎn)斗油缸與搖臂和機(jī)架的鉸接點(diǎn)C和D點(diǎn)的確定
在圖3-8中，如果確定了C點(diǎn)和D點(diǎn)，就最后確定了與機(jī)架連接的四桿機(jī)構(gòu)BCDA的尺寸。C點(diǎn)和D點(diǎn)的布置直接影響到鏟斗舉升平動(dòng)和自動(dòng)放平性能，對(duì)掘起力和動(dòng)臂舉升阻力的影響都較大。
1） 確定C點(diǎn)
從力傳遞效果出發(fā)，顯然使搖臂BC段長一些有利，那樣可以增大轉(zhuǎn)斗油缸作用力臂，使掘起力相應(yīng)增加。但加長BC段，必將減小鏟斗和搖臂的轉(zhuǎn)角比，造成鏟斗轉(zhuǎn)角難以滿足各個(gè)工況的要求，并且使得轉(zhuǎn)斗油缸行程過長。因此初步設(shè)計(jì)時(shí)，一般取
（3-8）
C點(diǎn)一般取在B點(diǎn)左上方，BC與BE夾角可取∠CBE=130°~180°，并注意使插入工況時(shí)搖臂BC與轉(zhuǎn)斗油缸CD趨近垂直；C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)不得與鏟斗干涉，其高度不能影響司機(jī)視野。
通過本次設(shè)計(jì)的基本要求，在這里確定BC=0.72BE=600mm，同時(shí)BC與BE夾角取值∠CBE=154°。
2） 確定D點(diǎn)
轉(zhuǎn)斗油缸與機(jī)架的鉸接點(diǎn)D，是根據(jù)鏟斗由鏟裝工況舉升到最高位置工況過程為平動(dòng)和由高位卸載工況下降到插入工況時(shí)能自動(dòng)放平這兩大要求來確定的。
如圖3-7所示，當(dāng)鉸接點(diǎn)G、F（即F2）、E（即E2）、B、C（即C2）被確定后，則鏟斗分別在工況I、II、III、IV時(shí)的C點(diǎn)的位置C1、C2、C3、C4也就唯一被確定了。
因?yàn)殓P斗由工況II舉升到工況III或由工況IV下放到工況I的運(yùn)動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)斗油缸的長度分別保持不變，所以D點(diǎn)必為C2點(diǎn)和C3 點(diǎn)連線的垂直平分線與C1和C4點(diǎn)連線的垂直平分線的交點(diǎn)。
最終，D點(diǎn)設(shè)計(jì)在A點(diǎn)的左下方，這樣不但平動(dòng)性能好，而且動(dòng)臂舉升時(shí)，可減小舉升外阻力矩，有利于舉升油缸的設(shè)計(jì)。D點(diǎn)的固定坐標(biāo)值為（3000，1850）。
（4） 動(dòng)臂舉升油缸與動(dòng)臂和車架鉸接點(diǎn)H點(diǎn)及M點(diǎn)的確定
動(dòng)臂舉升油缸的布置應(yīng)本著舉臂時(shí)工作力矩大、油缸穩(wěn)定性好、構(gòu)件互不干擾、整機(jī)穩(wěn)定性好等原則來確定[7]。綜合考慮這些因素，所以動(dòng)臂舉升油缸都布置在前橋與前后車架的鉸接點(diǎn)之間的狹窄空間里。
3.3.3 連桿系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析
（1）鏟斗對(duì)地位置角
圖3-9所示為鏟斗位置角計(jì)算，A、B、G為動(dòng)臂與機(jī)架、搖臂、鏟斗的鉸接點(diǎn)，D、C為轉(zhuǎn)斗油缸與機(jī)架、搖臂的鉸接點(diǎn)，E、F為連桿與搖臂、鏟斗的鉸接點(diǎn)。因?yàn)镚點(diǎn)和F點(diǎn)同為一個(gè)鏟斗上的兩點(diǎn)，所以鏟斗在坐標(biāo)系中的平面運(yùn)動(dòng)可用GF桿的平面運(yùn)動(dòng)來描述，而在鏟斗舉升過程中的各瞬時(shí)對(duì)地面的傾角，即鏟斗對(duì)地位置角，可用GF與地面的夾角來表示。由于在舉升過程中鏟斗做復(fù)合運(yùn)動(dòng)，所以可用運(yùn)動(dòng)合成的方法求得。
圖3-9 鏟斗位置角計(jì)算
Fig.3-9 The bucket position Angle calculation
在圖3-9中，取運(yùn)輸工況為工作裝置連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的初始位置，令為與地面固連的直角坐標(biāo)系，x軸與地面平行，并在動(dòng)臂上G點(diǎn)（動(dòng)臂與鏟斗鉸接點(diǎn)）處建立一個(gè)隨動(dòng)臂一起運(yùn)動(dòng)的動(dòng)坐標(biāo)系，則動(dòng)臂被舉升時(shí)的鏟斗各瞬時(shí)對(duì)地位置角，可用下式計(jì)算：
（3-9）
式中 —GF桿與動(dòng)坐標(biāo)系軸的夾角（方向角）
—?jiǎng)颖跘BG舉升時(shí)，在固定坐標(biāo)系xOy中轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)角
在動(dòng)坐標(biāo)系中，運(yùn)用“向量投影法”，可求得以機(jī)架桿AD的方向角為自變量，鏟斗GF桿的方向角為因變量的函數(shù)方程式。
根據(jù)向量投影法的原理，可把四桿機(jī)構(gòu)GFEB和BCDA當(dāng)作兩個(gè)封閉的向量四邊形，各邊向量分別用GF、BE、GB、AD、CD、BC、BA表示，他們的模分別用GF、BE、GB、AD、CD、BC、BA表示，則在BCDA向量四邊形中有
AD－CD－BC+BA=0 （3-10）
將式（3-10）中各向量分別向軸和軸投影，則得到下列方程
（3-11）
式中、、、分別為各邊向量對(duì)軸的方向角。
變換式（3-11）為下式，即
（3-12）
將式（3-12）等號(hào)兩邊平方后，使兩方程相加，并令
（3-13）
和
（3-14）
則從式（3-12）中消去了，并將其變換成下列三角方程
（3-15）
將式（3-15）乘以，并設(shè)，則式（3-15）可化為
（3-16）
解式（3-16），得
（3-17）
同理，在向量四邊形GFEB中，有
BE－FE－GF+GB= 0 （3-18）
令
（3-19）
和