-装载机整体设计及运动仿真（新） - 图文

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目录

摘要 ................................................................................................................................. III Abstract ........................................................................................................................... IV 第一章绪论 ...................................................................................................................... 1

1.1 装载机的分类 ................................................................................................... 1

1.1.1 按发动机功率 ........................................................................................ 1 1.1.2 按传动形式 ............................................................................................ 1 1.1.3 按行走结构 ............................................................................................ 1 1.1.4 按装卸方式 ............................................................................................ 2 1.2装载机的发展状况及趋势 ................................................................................ 2

1.2.1 国外装载机的发展趋势 ........................................................................ 2 1.2.2国内装载机发展现状及趋势 ................................................................. 4 1.3本次设计的主要内容 ........................................................................................ 5 第二章 装载机工作装置概述 ........................................................................................ 7

2.1概述 .................................................................................................................... 7 2.2 工作装置结构类型的选择 ............................................................................. 7 第三章 铲斗设计 .......................................................................................................... 10

3.1 铲斗设计要求 ................................................................................................. 10 3.2 铲斗斗型的结构分析 ..................................................................................... 10

3.2.1 铲斗切削刃 .......................................................................................... 10 3.2.2铲斗的斗齿 ........................................................................................... 11 3.2.3 铲斗的侧刃 ........................................................................................ 11 3.2.4 斗体的形状 ........................................................................................ 11 3.3铲斗的设计 ...................................................................................................... 12 第四章 工作装置结构设计 .......................................................................................... 14

4.1 动臂的设计 ................................................................................................... 14

4.1.1 动臂铰点位置的确定 .......................................................................... 15 4.1.2 动臂的形状与结构的确定 ................................................................ 15 4.2 连杆机构设计 ................................................................................................. 17

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4.2.1 设计要求 .............................................................................................. 17 4.2.2 连杆尺寸及铰点位置的确定 .............................................................. 17

第五章 装载机工作装置各构件建模及仿真 .............................................................. 21

5.1 工作装置各部分的生成 ................................................................................. 21

5.1.1 动臂的生成 .......................................................................................... 21 5.1.2 铲斗的生成 .......................................................................................... 22 5.1.3 连杆的生成 .......................................................................................... 22 5.1.4 摇臂的生成 .................................................................................................. 24

5.1.5 液压油缸的生成 .................................................................................. 24 5.1.6 液压缸活塞的生成 .............................................................................. 25 5.2 工作装置各机构的装配 ................................................................................. 25

5.3 装载机工作装置运动仿真 ..................................................................... 28 5.3.1 创建连杆 .............................................................................................. 28 5.3.2 创建运动副 .......................................................................................... 28 5.3.3 添加驱动 .............................................................................................. 29 5.4 工作装置运动分析 ......................................................................................... 33 结论 ................................................................................................................................ 36 参考文献 ........................................................................................................................ 37 致谢 ................................................................................................................................ 38 附录 ................................................................................................................................ 39

附录一 外文文献 ................................................................................................ 39 附录二 外文翻译 .................................................................................................. 49 附录三 设计任务书 ............................................................................................ 56 附录四 开题报告 ................................................................................................ 58

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摘要

装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重和其他物料如木材的装卸作业。在道路、特别是在高等级公路施工中，装载机用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。此外还可进行推运土壤、刮平地面和牵引其他机械等作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。

本次设计首先介绍了装载机的特点与分类，概述装载机的现有技术，并对比了国内外发展现状及趋势，根据设计任务书确定这次设计的主要内容。首先对ZL50轮式装载机的工作装置进行设计，包括铲斗选型及结构参数计算；连杆机构的设计，即动臂、摇臂、连杆的结构参数计算。接着根据设计结果对工作机构各构件进行UG建模，对整体连杆机构进行装配，检查各构件是否干涉。在装配正常的情况下加载运动副驱动，进行运行仿真，根据仿真结果对装载机工作装置进行动力学和运动学分析，由仿真结果得出动臂提升时间、铲斗卸载时间、动臂下降时间以及铲斗的翻转角度和卸载角度均符合设计要求，从而验证了本次设计的合理性。

关键字：装载机；工作装置；UG； 运动仿真

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Abstract

Loader is a kind of construction machinery which widely used in highway, railway, building hydropower mining and other engineering . It is mainly used to shovel sandstone, lime soil, coal and other material and it is also used to dig ore . Change of different auxiliary work unit can also be used to bulldozing, lifting and handing other materials such as wood . During the construction of roads, especially in high grade highway, loader is used in subgrade engineering fill dig, asphalt mixture of aggregate and cement concrete yard and loading operations. And also can be used to push the soil ,level the ground and operation other machinery traction .Loader has the characteristics of good operation speed, high efficiency, good maneuverability, convenient operation, so it become one of the main models of the conditions in the construction of engineering construction.

The graduation design paper introduces the characteristics and classification of loader in first space, overview the existing technology of loader and comparison of the development status both at home and abroad. According to the design plan descriptions of the main content of this design. First, we should design the working device of wheel loader ZL50: Including the selection of the bucket, structure form, specific parameters, bucket rated capacity，Then according to the results of the design of each component to modeling work institutions by UG. Assembly the linkage and check whether the interference in the assembly. Under the normal operation of the assembly load the drive of motion pair and then motion simulation. According to the result of simulation, dynamics and kinematics analysis was carried out on the loader working device. By the simulation results of dynamics and kinematics analysis working equipment ofloader，Confirm the time of the movable arm ascending, bucket unloading , movable arm down and flip bucket Angle and the unloading point is the same as expected,If they are different from expected, analyzes its main reasons.

The keyword : Loader Working -device UG Motion Simulation

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第一章绪论

装载机的铲掘和装卸物料作业是通过其工作装置的运动来实现的。装载机工作装置由铲斗、动臂、连杆、摇臂和转斗油缸、动臂油缸等组成。整个工作装置铰接在车架上。铲斗通过连杆和摇臂与转斗油缸铰接，用以装卸物料。动臂与车架、动臂油缸铰接，用以升降铲斗。铲斗的翻转和动臂的升降采用液压操纵。

1.1 装载机的分类

常用的单斗装载机，按发动机功率，传动形式，行走系结构，装载方式的不同进行分类。

1.1.1 按发动机功率

1.功率小于74kw为小型装载机。 2 功率在74～147kw为中型装载机 3.功率在147～515kw为大型装载机 4.功率大于515kw为特大型装载机

1.1.2 按传动形式

1.液力—机械传动，冲击振动小，传动件寿命长，操纵方便，车速与外载间可自动调节，一般在中大型装载机多采用；

2.液力传动：可无级调速、操纵间便，但启动性较差，一般仅在小型装载机上采用； 3.电力传动：无级调速、工作可靠、维修简单、费用较高，一般在大型装载机上采用。

1.1.3 按行走结构

1.轮胎式：质量轻、速度快、机动灵活、效率高、不易损坏路面、接地比压大、通过性差、但被广泛应用；

2.履带式：接地比压小，通过性好、重心低、稳定性好、附着力强、牵引力大、比切入力大、速度低、灵活性相对差、成本高、行走时易损坏路面。

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1.1.4 按装卸方式

1.前卸式：结构简单、工作可靠、视野好，适合于各种作业场地，应用较广； 2.回转式：工作装置安装在可回转360°的转台上，侧面卸载不需要调头、作业效率高、但结构复杂、质量大、成本高、侧面稳性较差，适用于较侠小的场地。 3.后卸式：前端装、后端卸、作业效率高、作业的安全性欠好。

1.2装载机的发展状况及趋势

1.2.1 国外装载机的发展趋势

装载机问世于20世纪20年代，在经历了几十年的发展后，到 20 世纪 90 年代国外装载机的技术已具有很高的水平。基于液压技术、微电子技术及信息技术的各种智能系统在装载机上得到了广泛的应用，以及计算机操作控制、检测监控、生产经营和维修服务等各个方面，使国外装载机在原有的基础上更加的“精制”，其自动化的程度也相应的得到提高，从而进一步地提高了生产效率，改善了驾驶员的工作环境，提高了作业时的舒适性，减小了噪声、振动，降低了排污量，保护了自然环境，同时最大限度的简化了维修、降低了作业成本，使装载机的性能、可靠性、安全性、使用寿命及操作性能都有了很高的水平。

1.产品的系列化、成套化及多品种化成为市场主流，产品的更新速度加快并向着大型化和小型化发展。例如以卡特彼勒为代表的

美国，小松公司为代表的日本和装载机生产的第三大集团西欧各厂家都加快推出了多功能，全面兼顾动力性及机动性与灵活性良好的新产品，来满足不同用户的需求。此外，为了适应大型的露天煤矿或金属矿和那些狭窄的施工场地，装载机的大小规格也不断地向两头延伸。例如美国克拉克公司生产的675 型，功率可达 1000kW，日本东洋远搬株式会社生产的 310 型，斗容量只有0.11m3。此外，装载机在高卸位，远距离作业方面也得到了良好发展，例如 JCB 公司开发的伸缩臂式装载机，小松公司开发的带伸出机构能扩大作业范围的装载机。

2.采用新结构，开发新技术，产品性能得以日趋完善。近年来新开发的产品普遍运用了高性能的发动机和自动换档变速箱、大流量负荷传感液压系统、多片湿式盘式制动器及行走颠簸减震等先进技术，同时综合了液压、微电子和信息技术制造，并开发应用

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了众多智能系统。同时工作装置连杆机构不断推陈出新，各种自动功能更趋于成熟、完善。

如发动机方向上，为解决高作业效率和低燃料消耗的矛盾，近年来开始采用的发动机管理系统，使装载机能更有效利用发动机的动力，降低动力损失，节约燃料，降低废气排量以及噪声，同时能使发动机长期的在额定点工作，增加了发动机的使用寿命。例如卡特彼勒公司的994D 型装载机采用新一代的 Cat3516 柴油发动机就安装的有 HEUI（电液控制的燃油喷射）装置及ADEM9(先进的柴油机管理)系统，能根据外载荷的大小有效地去控制发动机的功率和转速，从而降低燃油消耗及尾气排放，减少噪声。

同时在其他方面，各种新技术也不断的推陈出新，不断地改善着装载机的性能及舒适性。如小松公司改进的全动力换档变速器，它带有自动换挡开关，可提高铲掘和装载过程中的牵引力，能保证全功率进行装载作业。卡特彼勒公司 G 系列的装载机就采用了高效大流量的工作液压系统及负荷传感转向液压系统，这使装载机所需的转向功率减少了 8%，从而提高了装载机的作业效率和燃油经济性。SCHAFF公司2000年推出的高卸位式SKL873型轮式装载机，具有可折叠式的新型连杆机构，它进一步增加了装载机的工作装置的种类，也提高了装载机作业的多用型和适应性。

3.发展多种配套工作装置，不断满足市场需求。现在厂家新的产品都在强调一机多用，配有快换装置和多种附件，从而使一辆装载机可更换几种到几十种甚至更多的不同的作业装置。如VME集团推出的VolvoBM轮式装载机就可更换多达一百余种的工作装置，以便进行装载、搬运、挖掘、清理等作业。同时，各种工作装置的更换也非常简便，驾驶员只需几分钟就可轻易的完成。

4.维修、保养简单、注重环保。现在生产的产品都充分的考虑其可维修性，各关键零部件及维护点都预留有足够的通路，保养点集中并且可在地面上进行。而且各厂家也十分注重产品的环保性，都普遍采用了降噪、低污染、符合现有排放法规的发动机，也有同时对机器主要的噪音源采取了不同的防护措施。

综合上述的现状和未来市场的需求，国外装载机在其未来技术发展过程中将更广泛地采用微电子技术与信息技术，不断完善计算机辅助系统、信息管理系统和故障诊断系统；通过进一步改进电喷装置，降低柴油发动机尾气的排放量；研制无污染、环保型、经济型的动力装置；不断提高液压元件、控制元件和传感元件的可靠性和灵敏性，不断提高整机的“机电信”一体化；控制系统方面，会广泛地采用电子监控及自动报警系统、

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自动换档变速装置，开发“机器人式”装载机等。

1.2.2国内装载机发展现状及趋势

我国装载机行业起步较晚，国内最早一台装载机还是在第一个五年计划时生产，装载机的设计、制造技术陆续从美国、德国和日本等国家引进。目前，国内轮式装载机生产技术的水平只相当于发达国家 20 世纪 90 年代的生产水平。虽然目前国内装载机生产的厂家群雄并立，而且还有增无减，但国内自主开发创新能力较弱，产品更新换代以满足市场需求的能力比较差，不能及时适应市场的需求。在生产制造过程中，部分工艺装备水平及生产能力比较低，会造成关键零部件的技术不达标，整机的可靠性，使用寿命，机、电、液一体化水平，外观设计质量，操作的灵活性及舒适性等方面都与先进国家产品相比差距较大。目前，国内装载机发展仍有以下问题：

1.产品缺乏高科技含量，质量不稳定，档次较低。

我国目前生产的装载机技术水品普遍较低，高科技技术含量低，产品档次不高。同时部分产品质量不稳定，大故障部位主要集中于传动系统，小毛病也不断出现于液压系统。 2.设备的灵活性以及舒适性较差。

灵活性是装载机工作效率的一个重要指标。国内由于设计和制造等原因，装载机部分部件不能自如地运作，作业时笨拙不堪，工作效率低下。在现场作业时，尤其像洞室、狭窄恶劣地段都需要具有良好的灵活性，在这方面国内的大吨位装载机做的远远不足。 舒适性是指驾驶员操作设备作业时所感受得到的舒适程度，其中包括驾驶室内基本环境：温度，空气流通度等，还包括环保方面排放的标准以及噪声大小等。国内所生产的装载机驾驶室在噪声控制、密封问题方面都没有得到很好的解决。 3.工作装置用途单一，产品规格中间大两头小。

国内生产的装载机所配备的附属工作装置有限，装载机的使用功能较少、用途单一。所说国内已有0.4—10吨的装载机产品，但产量主要集中于1—5吨的范围内，微型级和大型级生产能力低下，造成产品规格中间大、两头小的局面。

尽管国产装载机的技术水平和西方发达国家存在着较大的差距，但应该要考虑到历史和国情的因素。目前国内装载机亦正从低水平、低价位、低质量、满足功能型向着高水平、中价位、高质量、经济实用型过渡，从仿制仿造向着自主开发过渡，各主要厂家也在不断地进行着技术投入，采取不同的技术路线，对关键部件和系统上进行技术创新，

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努力摆脱产品设计雷同，没有自己特色及优势的现状，正在从低水平的无序竞争中脱颖而出，争取成为装载机行业的领先者。其发展过程中体现出以下一些趋势：

我国正处在道路交通能源水利、城市建设等各方面基础建设的高峰后期，而前些年大量投入使用的高速公路等基础设施，正越来越多地进入维护保养期，同时城市建设也由大拆大建逐渐向精雕细刻转变，人们对城市道路建设和维护以及煤气管道自来水管道的维护要求越来越高，人力是无法完成的随着一系列大型工程建设的相继完工，我国的基础设施建设会逐渐走向成熟，近几年的国内市场状况必然是大型基建项目减少，而改建扩建修缮等小型工程增多，对小型工程机械的需求将会增大因此，小型化的土方工程施工机械施工必然替代人工的繁重劳动，并首先从经济发达地区的大城市及周边地区开始，挖掘装载机以及它的附件可迅速有效地完成人力无法完成的工作其灵活的工作空间便捷的运输方式更可取代我国市政部门现有的不太适合市政施工的大型机械（装载机履带式挖掘机等）另外，机场港口码头矿山军用设施石油与煤气管道铺设等行业的建设和维护也是挖掘装载机的用武之地这个结论从2009年到2010年2月份挖掘装载机的销量上就可以看出来就2010年2月份而言，3 t以下3~5 t和6 t以上的挖掘装载机销量分别为2 680 5 940和50台，市场份额分别为30.7% 68.1% 0.5%；中型挖掘装载机销量维持自2009年以来份额提升的趋势；大型挖掘装载机销量下降幅度较大在今后及今后相当长一段时间内，小型机械市场增长的潜力将会越来越大，如何开启国内小型机市场，并且做大做强，成为当下国内机械制造商的最大挑战但是由于我国挖掘装载机发展相对起步晚，在产品品种性能参数，以及使用可靠性售后服务等方面还存在着一定的差距，国外挖掘装载机的发展趋势除了可快换多功能铲斗松土器液村锤扫雪器等多种工作装置以外，体积小功率大轻巧灵活燃油经济性更好，增大驾驶室尺寸和玻璃窗面积，提高室内的气压以防尘，提高隔绝噪声能力，改善控制系统和操纵杆的位置，提高操作环境的舒适性，降低操作者的劳动强度，以及美化外观造型也是它的发展方向。

1.3本次设计的主要内容

本次设计主要围绕轮式装载机的工作装置，包括以下内容： 1.确定铲斗的形状及各个参数；

2.根据铲斗的参数及设计要求设计动臂的尺寸； 3.图解法确定各铰点的相对位置，及连杆形状；

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4.对工作装置进行装配及运动仿真； 5.对工作装置进行运动分析。

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第二章 装载机工作装置概述

2.1概述

装载机的工作装置由铲斗、动臂、摇杆、连杆(或托架)及转斗液压缸和动臂液压缸等组成。铲斗和动臂通过连杆与转斗液压铰接，用以装卸物料；动臂与车架和动臂液压缸铰接，用以升降铲斗。铲斗的翻转和动臂的升降采用液压缸操纵。

铲斗、摇臂、连杆、转斗液压缸、动臂、动臂油缸及车架互相铰接构成一个连杆机构。当转斗液压缸闭锁时，动臂在动臂液压缸的作用下提升，该连杆机构能使铲斗保持平移或使斗底平面与水平面的夹角的变化控制在允许的范围内，以免装满物料的铲斗由于倾斜而撒落物料。

动臂提升过程中，动臂与车架的夹角发生变化，从而引起铲斗相对于动臂产生了转动。因此，提升动臂时，铲斗在空间的实际运动有两个运动合成，即由跟随动臂一起运动的牵连运动和相对动臂转动的相对运动合成。

2.2 工作装置结构类型的选择

装载机工作装置的结构型式分为有铲斗托架和无铲斗托架两种。现代的装载机工作装置一般为无铲斗托架的形式。其铲斗与动臂的前端和连杆铰接，动臂后端与车架上部支座铰接，摇杆铰接在动臂上并分别与连杆和转斗液压缸的活塞杆铰接，转斗液压缸体与车架铰接。

根据摇臂——连杆数目及铰接位置的不同，可组成不同型式的连杆机构。不同型式的连杆机构，铲斗的铲起力P随铲斗转角α的变化关系，倾斜时的角速度大小以及工作

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装置的运动特性也不同。因此，装载机工作装置结构型式的选择，既要考虑结构简单，又要考虑作业性质与铲掘方式来确定。

正转连杆机构的工作装置，当机构运动时，铲斗与摇臂的转动方向相同。其运动特点是：发出最大铲起力P时的铲斗转角α是负的，有利于地面的挖掘，铲斗倾斜时的角速度大，易于抖落砂土，但冲击较大。

反转连杆机构的工作装置，当机构运动时，铲斗与摇臂的转动方向相反。其运动特点是，发出最大铲起力P时的铲斗转角α是正的，且铲起力变化曲线陡峭，因此，在提升铲斗肘的铲起力较大，适于装载矿石，不利于地面的挖掘；铲斗倾斜时的角速度小，卸料平缓，但难于抖落砂土；升降动臂时能基本保持铲斗平移，因此物料撒落少，易于实现铲斗自动放平；摇臂——连杆的传动比较小。

反转连杆机构多采用单连杆，双连杆机构布置较困难。反转连杆机构当铲斗位于运输位置时，连杆与动臂轴线相交，因此，难于布置在同一平面内。但由于这种型式结构简单，铲起力较大，所以中小型装载机采用较多。国产zL50装载机的工作装置就是这种反转连杆机构。

国外装载机发展迅速，而我国装载机在设计上存在很多问题，其中主要集中在可靠性、结构设计强度等方面，而工作装置对于装载机来说又是重中之重，所以工作装置的设计好坏直接影响到装载机的使用寿命以及工作效率等。虽然现在市场上的装载机已经日趋成熟，但对其进行改进设计仍有非常重要的意义，尤其是装载机的工作装置。装载机工作装置的转斗六连杆机构是由与液压缸，铲斗相关联的两个四连杆机构组合而成。轮式装载机在作业时，靠改变液压缸的长度来使铲斗获得所要求的收斗角和卸料角。机构中各杆件长度及其结构参数确定后，需要对该机构作某些特定计算，以判断机构设计的正确性。在工作循环中速度与加速度变化合理；油缸活塞行程为最佳值；工作装置运动平稳、无干涉、无死点、无自锁；动臂从最底位置到最大卸载高度的举升过程中，保证铲斗中物料不洒落；在卸载后，动臂下放至铲掘位置铲斗能自动放平。

装载机作业时工作装置应能保证：当转斗油缸闭锁、动臂油缸举升或降落时，连杆机构使铲斗上下平动或接近平动，以免铲斗倾斜而撒落物料；当动臂处于任何位置、铲斗绕动臂铰点转动进行卸料时，铲斗倾斜角不小于45°，卸料后动臂下降时又能使铲斗自动放平。

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综合国内外装载机工作装置的结构型式，主要有七种类型，即按连杆机构的构件数不同，分为三杆式、四杆式、五杆式、六杆式和八杆式等；按输入和输出杆的转向是否相同又分为正转和反转连杆机构等。结合此次毕业设计，我们选择反转六杆机构。

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第三章 铲斗设计

3.1 铲斗设计要求

1.铲斗是直接用来切削、收集、运输和卸出物料，装载机工作时的插入能力及铲掘能力是通过铲斗直接发挥出来的，铲斗的结构形状及尺寸直接影响装载机的作业效率和上作可靠性，所以减少切削阻力和提高作业效率是铲斗结构设计的主要要求。 2.铲斗是在恶劣的条件下工作，承受很大的冲击载荷和剧烈的磨削，所以要求铲斗具有足够的强度和刚度，同时要耐磨。

3.根据装载物料的容重，铲斗做成三种类型；正常斗容的铲斗用来装载客重1.4-1.6吨／米3的物料(如砂、碎石、松散泥土等)：增加斗容的铲斗，斗容一般为正常斗容的1.4-1.6倍，用来铲掘容重1.0吨／米3左右的物料(如煤、煤渣等)；减少斗容的铲斗，斗容为正常斗容的0.6~0.8，用来装载容重大于2吨／米3的物料(如铁矿石、岩石等)。用于土方工程的装载机，因作业对象较广，因此多采用正常斗容的通用铲斗，以适应铲装不同物料的需要。

3.2 铲斗斗型的结构分析

3.2.1 铲斗切削刃

铲斗切削刃的形状根据铲掘物料的种类不同而不同，一般分为直线型和非直线型两种（图3-1)。直线型切削刃简单并利于地面刮平作业，但切削阻力较大。非直线型切削刃有v型和弧型等，装载机用得较多的是v型斗刃。这种切削刃由于中间突出，在插入料堆时，插入力可以集中作用在斗刃中间部分，易于插入料堆，同时对减少“偏裁切入”有一定的效果。但铲斗的装满系数要小于直线型斗刃的铲斗。

图3-1铲斗样式

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3.2.2铲斗的斗齿

装有斗齿的铲斗在装载机作业时，插入力由斗齿分担，形成较大的比压，利于插入密实的料堆或松物料或撬起大的块状物料，便于铲斗的插入，斗齿磨损后容易更换。因此，对主要用于铲装岩石或密实物料的装载机，其铲斗均装有斗齿。用于插入阻力较小的松散物料或粘性物队其铲斗可以不装斗齿。

斗齿的形状对切削阻力有影响：对称齿形的切削阻力比不对称齿形的大；长而狭窄的齿比宽而短的齿的切削阻力要小。装有斗齿的铲斗在装载机作业时，插入力由斗齿分担，形成较大的比压，利于插入密实的料堆或松物料或撬起大的块状物料，便于铲斗的插入，斗齿磨损后容易更换。因此，对主要用于铲装岩石或密实物料的装载机，其铲斗均装有斗齿。用于插入阻力较小的松散物料或粘性物队其铲斗可以不装斗齿。

斗齿的形状对切削阻力有影响：对称齿形的切削阻力比不对称齿形的大；长而狭窄的齿比宽而短的齿的切削阻力要小。

3.2.3 铲斗的侧刃

弧线型侧刃的插入阻力比直线型侧刃小，但弧线型侧刃容易从两侧泄漏物料，不利于铲斗的装满，适于铲装岩石。

3.2.4 斗体的形状

对主要用于土方工程的装载机，在设计铲斗时要考虑斗体内的流动性，减少物料在斗内的移动或滚动阻力，同时要有利于在铲装粘性物料时有良好的倒空性。铲斗底板的弧度(圆弧半径R1，见图3-2)越大，铲掘时泥土的流动性越好，但对于流动性差的岩石等，则应将底边加长而弧度减小，使铲斗容积加大，比较容易铲取。但是，当底边过长，则铲斗的铲起力变小，且铲斗插入料堆的插入阻力与刃口的插入深度成比例的急剧增加，如图2-3所示。相反，如底边短，不但铲斗的铲起力大，而且卸载时，斗刃口的降落高度小，也易于将物料卸净。因此，铲斗转铰销的位置以近于刃口处为好，在极端时也有将转铰销布置在铲斗内部，如图3-2所示。

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图3-2 铲斗

3.3铲斗的设计

铲斗宽度BK应大于轮胎外侧宽度100-200毫米，以防止铲掘物料所形成的阶梯地面，而损伤轮胎侧面和容易打滑而影响牵引力。

铲斗的回转半径R是指铲斗的转铰中心B与切削刃之间的距离(图3-2)。由于铲斗的回转半径R不仅影响铲起力和插入阻力的大小，而且与整机的总体参数有关。因此铲斗的其它参数依据它来决定。铲斗的回转半径R可按下式计算

R?Vr?????1.2B0?0.5?g(?z??kcos?1)sin???2cot?0.5?1??r??2?180??????????? （3-1）

式中Vr——几何斗容量 ( 图3—2中所示阴影断面 ) ，

B0—铲斗内侧宽度(米)，取3000mm；

?g —铲斗斗底长度系数，通常?g?1.4~1.5；

?z—后斗壁长度系数，通常?z?1.1~1.2；

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?k——挡板高度系数，通常?k?0.12~0.14；

?R——斗底和后斗壁直线间的圆半径系数，通常?R?0.35~0.40； ?1——挡板与后斗壁问的夹角，通常?1?50~100；

?0——斗底和后斗壁间的夹角，通常?0?480~520。 将以上各参数代入公式（3-1）得：

R?Vr????????1.2B0?0.5?g(?z??kcos?1)sin???2cot?0.5?1??r?????

2?180?????=1206mm

斗底长度Lg是指由铲斗切削刃到斗底与后斗壁交点的距离：

Lg??gR?1.50R?1809mm

后斗壁长度LZ是指出后斗壁上缘到与斗底相交点的距离：

LZ??z=1.15R?1387mm

挡板高度LK：

LK??KR?0.13R?157mm

铲斗圆弧半径R1：

R1??RR?0.4R?482mm 铲斗与动臂铰销距斗底的高度:

hb?(0.06~0.12)R?0.087R?105mm

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第四章 工作装置结构设计

根据给定的设计说明书进行工作装置结构设计，工作机构的基本给构如图4-1所示。由铲斗1、动臂2、连杆3、摇臂4、转斗油缸5，举升油缸6等组成。

图4-1工作装置简图

工作装置结构设计包括：

1．确定动臂长度、形状及与车架的铰接位置； 2．确定动臂油缸的铰接位置及动臂油缸的行程；

3．连杆机构(动臂、铲斗、转斗油缸、摇臂、连杆等)的设计。

工作装置的设计应符合以下几点要求：

1．保证满足设计任务书中所规定的使用性能及技术经济指标的要求，如最大卸载高度、最大卸载距离、在任何位置都能卸净物料并考虑可换工作装置等。 2．保证作业时与其它构件无运动干涉。

3．保证驾驶员有良好的劳动条件，如工作安全、视野开阔、操作简便等

4.1 动臂的设计

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4.1.1 动臂铰点位置的确定

动臂与铲斗的铰点称为动臂下铰点。其下限位置应保证铲斗正常工作位置和下挖位置以及铲斗在运输位置时，仍与轮胎保持有一定间隙，而且下铰点与地面应有250～300的离地间隙。其上限位置应保证铲斗有最大卸载高度、卸载角度及最小卸载距离。其位置可用作图法来确定。

根据铲斗形状、几何尺寸及铲斗与地面应保持的角度可以确定下铰点B1的下限位置，然后将铲斗转至运输位置并留出一定间隙，绘出轮胎位置，再根据最大卸载高度、卸载角度、及最小卸载距离的要求，确定上铰点的位置。动臂与机架的连接点A应在B1Bi连线的垂直平分线上，当最大卸载高度和最小卸载距离一定时，上铰接点的前后位置影响动臂的长度ld、动臂的回转角?及动臂最大伸出时的稳定性。lA大，动臂增大，动臂回转角?减小，倾翻力矩小，提高了装载机在铲斗最大伸出时的稳定性，所以在允许的情况下希望lA大些。动臂与车架铰接点的高度通常取：（R0是回转半径）

动臂回转角度通常取80~90度，取 80度。

铲斗在最大卸载位置时斗尖距原点的距离为263.8mm。 由此可确定上铰点的位置，A点在两个铰点的垂直平分线上， 由作图可得动臂长度： lD?[lsmin?R0cos(????)?lB]2?[Hsmax?HA?R0sin(????)?lB]2

（4-1）

由设计任务书知：最大卸载高度Hsmax?3200mm，lsmin?1250mm 代入得：

lD?1206mm。

4.1.2 动臂的形状与结构的确定

动臂的形状一般可分为直线型和曲线形两种，如图4-3，直线形动臂结构简单，制造容易，并且受力情况较好，通常正转式连杆工作装置采用较多；曲线形动臂，一般反转式连杆采用较多，这种结构形式的动臂可以使工作装置的布置更为合理。

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图4-2 动臂铰点的确定

动臂的断面结构形式有单板、双板和箱型三种。单板动臂结构简单、工艺性好、但其强度和刚度较低，小型装载机采用较多，大、中型装载机对动臂的强度和刚度要求较高，则多采用双板或箱型断面的动臂。为了减轻工作装置的重量，动臂的断面尺寸一般按等强度来设计。

图4-3 动臂结构

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5.1.2 铲斗的生成

图5-2 铲斗

铲斗的生成需要先创建基准平面，进去草图绘制界面，绘制草图的基本轮廓，根据铲斗的长度确定拉伸长度，根据铲斗的厚度，对三维实体进行抽壳操作，选择抽除面，点击确定后，生成一个壳体。

在生成的图像的基础上对增加挡板，注意挡板的厚度和挡板与铲斗的角度绘制挡板的二维图，对其进行拉伸操作，拉伸长度为铲斗宽度。对他们进行“求和”操作，使他们成为一个整体。

由第三章确定的铲斗与动臂、连杆的铰接点的位置，添加板筋，进行切除拉伸，要注意的是动臂不能与铲斗底部产生干涉。然后对其进行求和。生成铲斗三维实体。

5.1.3 连杆的生成

连杆的生成比较简单，主要采用拉伸切除命令，绘图过程中主要注意其尺寸和位置。

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图5-3 连杆

图5-4 摇臂

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5.1.4 摇臂的生成

进入草图绘制界面，绘制出摇臂的形状，由于长臂与断臂之间有夹角，做个圆角可以减少应力集中，然后进行拉伸切除。图5-4

5.1.5 液压油缸的生成

图5-5 液压油缸

液压缸主要采用旋转、拉伸和抽壳等命令，此构建需要建立多个基准面。

图5-6 液压缸活塞

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5.1.6 液压缸活塞的生成

活塞杆的操作与液压缸操作所用的操作命令差不多，主要根据第三章所确定的尺寸进行绘制。

5.2 工作装置各机构的装配

零件设计完成后，往往需要根据设计要求对零件进行装配。在UG NX 8.0的装配模块中，通过定义零件之间的位置约束关系，可以把子零件装配成一个装配件，并检查零件之间是否有干涉以及装配体的运动情况是否合乎设计要求。同时在生成装配体过程中，用户可以根据需要添加生成新的零件和特征。

使用UG NX 8.0进行装配设计有两种基本方法，示意图如图5-7所示。 在上面两种方法中，第1种方法相对第2种方法是比较低端的方法。因为在真正的概念设计中，通常，很少利用单独的一个零件来控制整个装配体的设计，往往都是在拿出产品的外在概念和功能概念后，在此基础上，逐步对产品进行设计上的细化，直至细化到单个零件。

（a）由底向上的装配方法（b）由顶向下的设计方法

图5-7 装配方法

在对产品总体设计上，以由顶向下的设计方法更为贴近实际一些。但是由底向上的设计方法并不是一无是处，对于一些已经比较成熟的产品设计过程，采用这种设计方法效率反而高一些。在实际的装配过程中通常混合使用各种设计方法，从而发挥它们各自的优点。比如本次对ZL50轮式装载机的改造设计，由于该项设计在技术上已经比较成熟，所以采用第一种方法比较合适。

前面已经生成装载机的各种底层零件的三维模型，然后采用由底向上的装配设计方法对这些三维零件图进行空间定位来生成装配件。在装配件设计时，可以根据需要对装

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配件中的零件进行进一步的修改，以得到更好的装配尺寸，比如增大或缩小零件尺寸，移动零件在装配件中的位置，生成新的特征等等。对于一个装配件，当其中所有的零件都被完全约束时，这种装配件就称为参数化的装配件，否则就是非参数化的装配件。

下面对本次装载机工作装置模型的装配过程作简要叙述：

打开UG NX 8.0后，在文件选项卡下点击“新建”，进入选择界面，在模板对话窗口下选择“装配”，进入装配界面，此时出现“添加组件对话框”，打开铲斗所在的位置，放置对话口如图5-8，选择“绝对原点”，点击应用，添加“铲斗”成功。点击“添加组件”

，继续添加动臂，重复以上操作。

图5-8 放置

打开动臂所在的位置，添加动臂后，对动臂和铲斗进行约束，首先，在装配约束对话框中（如图所示）选择“接触对齐”，在方位选项中选择“自动判断中心/轴”。对铲斗和动臂的铰接孔进行约束，使其在一条直线上。然后再对铲斗和动臂添加距离约束，使其在正确的装配位置，在“装配约束”对话框的“类型”下拉菜单中选择“距离”选项如图，添加动臂外面与铲斗铰点内侧的距离，值为0.5，装配好铲斗与动臂如图5-9。

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图5-9装配约束

注意检查铲斗与动臂之间是否有干涉，如有干涉，在满足尺寸要求的基础上继续修改零件。直到无干涉，所用零件能够正常转动或移动。

装配好动臂和铲斗后，按照以上方法，再次装配摇臂，同样，摇臂在运动过程中不能与动臂产生干涉。

按顺序，接着装配机架与连杆。

装配液压缸时，需要先创建一个小的装配图，将液压缸和液压活塞装配好，然后再将装配好的液压系统添加到工作装置的装配图中。这样装配比单个装配液压缸、液压活塞要方便的多。

图5-10 铲斗与动臂装配图

全部装配好后，尤其要检查一下各个零部件之间是否有干涉，如有干涉，继续修改，但也确定尺寸和铰点的位置不能改变。装配好的工作装置如下图5-11所示

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图5-11 工作装置装配图

5.3 装载机工作装置运动仿真

完成装载机工作装置的装配模型后，就要开始本次设计的下一个内容—装载机工作装置运动仿真。可能因为是初次设计，缺乏经验的原因，但也能够看出正确的装配方法是确保运动仿真能否实现的关键。

5.3.1 创建连杆

仿真之前需要在装配好的工作装置中创建连杆。点击“运动导航器”

，在右边

弹出的装配名称上单击右键选择“新建运动仿真”，此时，进入仿真创建阶段，在弹出的环境设置中选择“运动学”。

设置好环境后，创建连杆，在工具栏中单击

按钮，进入创建连，杆状态，在

装配图中点击铲斗，则铲斗被选中，被设定为连杆，在“质量属性选项”中选择“自动”，则铲斗的密度为UG 8.0的默认值。给连杆设置个名称“LO1”,重复以上操作，分别把动臂、摇杆、连杆、转斗油缸、动臂油缸、前车架设置成连杆，创建连杆操作完成。

5.3.2 创建运动副

连杆创建后在工具栏中单击

按钮，出现图5-12对话框，创建运动副。根据工

作装置在运动的过程中，根据各个部件之间的相对运动确定其运动副，例如动臂与铲斗的铰点之间是相对转动，没有其他的相对运动，所以他们之间为选择副，动臂油缸与活

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塞之间只有相对滑动的运动关系，则它们为滑动副。下面以创建动臂和铲斗间的旋转副的、转斗油缸和活塞之间的滑动副举例说明一下：

在“运动副”对话框中的“类型：下拉菜单中选择旋转副，在“操作”下连杆选择为铲斗铰点外轮廓，原点为默认值，矢量延中心轴方向。在“基本”窗口下选择连杆为动臂铰点内圆柱面。“啮合连杆”不打勾。要给运动副命名。在创建油缸滑动副时，在“运动副”对话框的类型下选择“滑动副”，在“操作”窗口下，选择的连杆为要运动的滑杆，选择为活塞杆，原点系统默认，运动方向为油缸方向，选择为两点的方向。“基本”窗口下连杆选择为油缸，“啮合连杆”依旧不打勾。给运动副命名。

图5-12 运动副

重复以上的操作，依次创建其它的运动副。

5.3.3 添加驱动

运动副创建好后，要使工作装置进行仿真运动，需要给运动副添加驱动如图5-13。动臂提升、下降时间及铲斗前倾时间的长短，直接影响着装载机的作业效率，从提高生产率的角度出发，希望这些时间要短，但动臂提升时间太短，不但需要很大功率的液压泵，而且提升动臂时产生很大的动载。动臂下降和铲斗前倾速度太快，则会产生很大的

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冲击及易造成油压缸上腔的真空。通常取动臂提升时间为6～9s，动臂下降时间为4～6s，铲斗前倾时间为2～3s。

跟据其上升下降的时间范围添加驱动，在转斗油缸移动副处添加驱动，在平移下拉菜单中选择“函数”，

函数类型选为“位移”。在函

（新建）按钮，在插

数下拉菜单中选择“函数管理器”进入“XY函数管理器”点击

入中选择“运动函数”。在左边的对话框内选择STEP函数。STEP函数表达式为STEP( x, x0, h0, x1, h1)，其中，x表示自变量；x0表示step函数开始点，可以是常数或函数表达式；x1表示step函数结束点；h。表示step函数初始值，可以是常数或函数表达式；h1表示step函数最终值。在转斗液压缸的移动副上加驱动，其驱动函数为：STEP( time, 2, 0, 3, 20)+STEP( time, 11, 0, 13, -40)+STEP( time,14 , 0, 16, 20) 。在举升缸的移动副处添加驱动，其驱动函数为：STEP( time, 0, 0， 2,-3)+STEP( time, 3, 0, 10, 60)+STEP( time, 14, 0, 20, -60)。

图5-13 驱动

然后在插入下拉菜单中点击“解算方案”对驱动进行解算时间设为22s，步时定为 运动时间的60倍，在

前打勾。重力方向设定为—Y轴。

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图5-14 结算分析

关闭后打开“动画”对话框，点击播放开始播放。从中可以看到装载机的工作装置在驱动下的运动情况。下图为装载机工作的几个工况：

图5-15为插入时工况，通过转斗油缸的滑动使铲斗向下倾斜，与水平地面形成5度左右的夹角，在装载机牵引力的作用下，铲斗插入物料。

图5-15插入

图5-16为铲取时工况，转斗液压缸向外滑动，物料随铲斗向上翻转，直到运输位置，即铲斗后倾角为45度时。

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图5-16 铲取

图5-17为装载机装满物料后举升过程时工况，此时转斗液压缸锁死，铲斗在动臂液压缸的作用下向上提升，直至最高位置，在此运动过程中应保证铲斗后倾角变化范围在15度以内。

图5-17 举升

图5-18为装载机在最大卸载高度时的工况，此工况要求装载机的卸载角大于45度，从而保证物料能够卸载干净。

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图5-18 卸载

5.4 工作装置运动分析

图 5-19 铲斗后壁与水平面的夹角

铲斗的翻转程度与液压缸的伸缩程度有关，液压缸伸长时，铲斗反向转动。图5-19为铲斗后壁与水平面的夹角在工作装置运动时随时间的变化图像，由图可以看出，铲斗

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在最低位置时，铲斗后壁与水平面的夹角稍微大于45度，在最高位置时铲斗与水平面的夹角也在45度左右，因此铲斗后倾角的变化范围在15度以内，符合要求。在最高位置时，卸载角大于45度，则符合要求。

图5-20 斗尖与车轮轴的距离

由图5-20可知，在最大卸载高度（即16s时），卸载时斗尖距轮中心竖直距离

为2400mm左右，轮胎半径为714mm， 则最大卸载高度为3114mm左右，基本满足要求。

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图5-21 动臂位移图

图5-21为动臂位移-时间关系曲线图，由图知，位移增长比较平稳，铲斗在提升时不会受到比铰大的冲击。而且动臂提升时间为3 10s，则提升总时间为7s，下降时间为14 20s，总下降时间为6s左右，符合动臂上升下降时间。此情况下装载机的工作效率比较高。

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结论

轮式装载机在我国应用十分广泛，而工作装置是其能够完成工作任务的必要装备，为满足装载机在各种各样的情况下工作，装载机的工作装置还需要不断地改进和发展。

在此次设计期间，我主要对装载机的工作装置进行了分析计算，对UG三维绘图软件进行了学习，因为很多东西都是第一次接触，对他们不太了解，所以只能边学习，边进行，在确定工作装置尺寸、位置时做了许多重复性工作。在各部分零件图完成后，装配过程中不能产生干涉，由于第一次设计，在装配时还需要不断地修改零件图。在设计过程中必须要满足铲斗与水平面的角度，这样才能使铲斗在提升过程中物料不撒落，卸载时物料能够卸载干净。

这次毕业设计收获很多，不仅了解装载机的一些知识，而且对UG软件有了较为系统的应用，这次设计让我认识到对于设计的每一个步骤必须认真对待，否则在以后的设计工程中就可能出现比较大的错误。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0t93.html