装载机设计

•变矩器与发动机的匹配•装载机的总体参数•装载机的稳定性•装载机工作装置的设计•装载机的使用装载机设计太原科技大学连晋毅装载机的分类1.按使用场合，分为露天和井下两种。2.按发动机的功率，分为小型、中型、大型和特大型；3.按传动形式，分为机械式、液力式、液压式和电动式；4.按车架形式，分为铰接式和整体式；5.按卸货方式，分为前卸式、回转式和后卸式。6.按行走方式，分轮胎式和履带式7.按转向方式，分铰接转向式、后轮转向式、前轮转向式、全轮转向式、滑移转向式。变矩器的选用1、装载机对变矩器的要求•能传递发动机的全部有效功率•变换性能要好B=K0iηmax•效率要高、高效区要宽•对可透性有要求：在低、中传动比范围内可透性应小些，在高传动比时(尤其是接近l时)，可透性大些。•变矩系数应大些：λ大则可传递较大的转矩。2、常用变矩器•双涡轮变矩器•综合式变矩器：变矩系数大(4.7)，且高效范围宽，用于装载机铲装作业时，具有低速、大牵引力，而在运输工况时，具有较高的车速。另外，由于变矩器有两个涡轮，其变矩系数的曲线由两段不同斜率的曲线组成，因此，变矩器本身就相当于两档速度，可减少变速箱的档数，大大简化了变速箱的结构和操纵。发动机与变矩器的匹配•匹配要求：（1）由发动机与变矩器共同工作输出的最大扭矩所决定的牵引力应大于由地面附着条件决定的附着力，即：（2）与变矩器最大输出功率对应的牵引力与行走机构额定滑转率决定的牵引力应相等，即：（3）平均最大作业阻力应等于装载机的额定牵引力，即：保护发动机不超载获得最大生产率提高功率利用率部分功率匹配全功率匹配匹配方案的选择全功率匹配•变速泵与变矩器工作，转向泵与工作装置泵空转；•力矩平衡：Mez=Me-Mg-M’Z-MC•目的：满足作业时插入力的要求；M’g=(0.03~0.05)MH(ne/nH)部分功率匹配•变速泵与变矩器与工作装置泵工作，转向泵空转；•力矩平衡：M’ez=Me-Mg-M’Z-MC•目的：预留一定功率以满足工作装置油泵的需要；Mg=103PQT/(2πnbηb)功率匹配的比较选择•采用全功率匹配，可得到较大的牵引力与插入力；•采用部分功率匹配，可在插入的同时转斗或提升，得到较快的速度与较高的生产率；•对于小型装载机，宜用全功率匹配；•对于大中型装载机，宜用部分功率匹配。实际工作区域应在阴影范围内；变矩器的有效直径应满足：D1DD2装载机的总体构造是由发动机1、传动系统2、行走装置3、工作装置4、操纵系统5和机架6、驾驶室7等部分组成。装载机的构造铰接式车架整体式车架传动型式的选择铰接式转向全轮转向滑移式转向装载机的总体参数•额定载重量•最大载重量•倾翻载荷掘起力插入力PZ=（1.8-2.3）QHPx=Pk=Pφ确定总体参数的经验公式•发动机飞轮功率（马力）•装载机自重（吨）•最大卸载高度（m）•最小转向半径（m）•装载机全长（m）•装载机全宽（m）•装载机高度（m）Q为额定载重量装载机的总体布置•发动机与传动系的布置•车架铰销的布置•摆动桥的布置•工作装置的布置动臂与车架铰点A、动臂油缸与车架铰点M、动臂油缸滑塞杆与动臂铰点H•驾驶室的布置•桥荷中心的验算装载机采用刚性悬架，摆动桥可使装载机在任何时候都处于触地的位置，而不会失稳。装载机的总体受力分析•工况一：装载机满载等速运行•工况二：装载机水平运动，铲斗插入料堆，工作装置油缸闭锁•工况三：装载机水平运动，铲斗插入料堆的同时提升动臂或转斗，后轮离地•工况四：装载机水平运动并强制入土，铲斗插入料堆遇障碍物无法切入工况一工况二工况三工况四PK1=MK/rdPx=R1φPK2=MK/rdPx=R2φ装载机的作业阻力1.插入阻力2.铲起阻力3.转斗阻力矩MZ=MS+(Gb+Gj)lB三种作业阻力的应用•一次铲掘法插入时只受力：Px转斗时只受力：MZ•配合铲掘法插入同时提臂：Px、PZ插入同时转斗提臂：Px、PZ、MZ•挖掘法•分段铲掘法装载机的稳定性•评价指标（1）稳定比（2）稳定度纵向稳定性•三种计算工况：（1）装载机满载水平运行，动臂最大外伸（2）装载机满载水平运行，遇障碍物突然制动（3）装载机满载上下坡运行（δ为轮胎的弹性变形）横向稳定性•横坡失稳过程：（1）首先以摆动桥水平销轴中点与低侧轮胎接地点连线DE为轴倾翻；（2）以低侧前后轮接地点连线EJ为轴倾翻。•一级稳定性•（δ为轮胎F离地时轮胎E的弹性变形）一级失稳时，装载机一级失稳时，车架与摆动桥发生碰撞，固定桥一侧车轮离开地面，此时，虽然一般不至于翻车，但会使驾驶员产生不安。另外着地侧车轮承受前桥全部负荷，使这个轮胎负荷过重，因此，装载机在作业和行驶过程中，不应失去一级稳定性。二级稳定性综合一、二级后：当装载机失去一级稳定性后，装载机进一步倾翻则是以低侧前后轮接地点连线EJ为轴翻转。Ω=β1+γβ1为一级失稳的角度;γ为摆动桥的摆动角;δ’为J轮承担全部后桥负荷时的变形.铰接式装载机的转向稳定性1、最大转角θmax时的纵向稳定性max21cos)(lLlhaMi2、最大转角θmax时的横向稳定性1）一级稳定性：cosBGAaNi2）二级稳定性：max2221cosBBdBei•说明：装载机并不一定真正能够行驶或停在与稳定度相同的坡道上，因为设计时总是要保证装载机在坡道上滑转或滑移先于倾翻，即：•l2/hφ或B/2hφ•l2——重心与后桥的水平距离；•h——重心高度；•φ——附着系数；•B——装载机轮距。装载机的工作装置装载机的工作装置分为有铲斗托架和无铲斗托架两类。有铲斗托架的工作装置其铲斗装在托架上，并由托架上的铲斗液压油缸控制铲斗转动。无铲斗托架式工作装置由动臂、摇臂、连杆和铲斗组成的四连杆机构、铲斗液压缸与动臂液压缸等组成。除了标准铲斗外，还有各种不同用途的铲斗和其他工作装置。无铲斗托架工作装置连杆机构又分为反转式和正转式。装载机工作装置类型无托架式连杆机构简图正反转连杆机构的结构特点、运动特点图1铲起力随铲斗倾角变化的曲线图2卸载速度随铲斗转角变化曲线1-正转六连杆2-正转八连杆3-反转六连杆l-正转连杆2-反转连杆不同类型的工作装置ZL50装载机工作装置装载机工作装置设计铲斗结构)5.2~5.1(AH0R)12.0~06.0(BH0R•动臂油缸行程：3、连杆机构的设计1）设计要求•平移性：铲斗从最低铲起收斗位置到最大卸载高度时的任意位置，应保证铲斗中满载的物料不撒落，即铲斗后倾角的变化应不大于15°。一般，铲斗在地面时取后倾角为45°，在最大卸载高度时取60°。•卸料性：在动臂提示过程中的任意位置，铲斗都能卸净物料，即在任意位置时都能使铲斗的卸料角大于45°。•放平性：铲斗在任意位置卸完料后，应保证动臂下降到最低位置时，铲斗能自动放平处于铲掘位置。•力的传递性：为保证连杆机构具有较高的力传递效率，应尽量使杆件之间力的作用方向与铰接点运动方向的夹角，即压力角不要太大（传动角不超过90°的情况下尽量的大），已使有效分力尽可能的大些。•不干涉性：连杆机构在作业过程中无运动干涉。平移性卸料性转斗油缸的铰接点与行程HsmaxAGRmaxRminB1C1D1E1F1C’1B2D2C2E2F2C3D3B3E3F3F’3C’3D’3D’2C’2F’2D’1F’1HA45°45°mleφ油缸行程L＝Rmax－RminhB工作装置设计经验公式小结•铲斗回转半径R0＝•动臂与车架铰点HA＝（1.5－2.5）R0•动臂与铲斗铰点HB＝0.06-0.12R0（＝250-300mm）•动臂回转角φ＝80°-90°•动臂长度lD＝•铲斗回转角ψ＝100°-125°•铲斗上两铰点间得距离BC＝0.13-0.14lD•摇臂与动臂铰点E距A点距离le＝0.45-0.5lD•摇臂与动臂铰点E距动臂中心垂直距离m＝0.11-0.18lD•摇臂长臂ED＝0.29-0.32lD，摇臂短臂EF＝0.22-0.24lD•连杆最小长度CD＝CE－DE•转斗油缸行程lx＝Rmax－Rmin限位机构的设计•铲斗前倾角（卸料）的限位•铲斗后倾角的限位•动臂升降的自动限位•铲斗自动放平机构挡块行程开关对称载荷偏载工况工作装置的油缸力•装载机工作装置油缸（即动臂油缸和转斗油缸）的作用力有主动力和被动力之分。主动力就是保证装载机正常作业情况下，油缸推动工作机构运动的作用力，其最大值决定于工作装置参数及掘起力；被动力就是当油缸闭锁情况下，装载机铲掘时作用于油缸上的力，它的最大值取决于液压系统的限压阀的压力及活塞的作用面积。•当转斗油缸闭锁，靠提升动臂进行掘起或举升时，动臂油缸产生主动力，其大小应能克服最大掘起力时所产生的总力矩；此时的转斗油缸大端产生支承力，其油压应小于液压系统中限压阀的压力（比系统压力大20~30%）；•当动臂油缸闭锁进行转斗时，转斗油缸主动…；•当铲斗下翻进行强制入土时，转斗油缸小腔产生主动力，动臂油缸小腔为支承力；工作装置的油缸力•转斗油缸主动力的确定•动臂油缸主动力的确定175647563KnllllGllllPPDZF)(912111082lPlGlGlPnlKPFbDZH转斗油缸和动臂油缸的被动力，根据前述工作装置强度计算中六种典型工况计算的结果，取其中最大值作为转斗油缸和动臂油缸的被动力。装载机工作装置的优化•设计变量取工作装置处于地面铲掘工况作为工作装置特性的标定位置。工作装置转斗六连杆机构有A，B，C，D，E，F，G共7个铰点，动臂铰点G由总体设计确定。各铰点坐标为A(x1,x2),B(x3,x4),C(x5,x6),D(x7,x8),E(x9,xl0),F(x11,xl2)，则设计变量为：X=[x1,x2,,,⋯⋯x12]装载机工作装置的优化•目标函数(1)单目标：连杆机构的传力比最大化（单位转斗缸力所获得的铲斗掘起力）。minF(X)=minf1(x)(2)多目标：比如在追求连杆机构传动比最大的同时,保证铲斗自动放平性（卸料和铲掘两工况下的转斗液压缸长度尽量相同）。minF(X)=min[f1(X),f2(X)…fn(x)]多目标的处理：使用加权因子化为单目标：minF(X)=ω1f1(X)+ω2f2(X)使用满意度化为单目标：层次分析法、神经网络法、遗传算法等。装载机工作装置的优化•约束条件a)收斗性能：最小收斗角大于45。；b)卸料性能：最小卸料角大于45。；c)平移性能：收斗角变化值△≤15。；d)动力性能：机构夹角为10。～170。；e)自动放平性：铲斗在最高位置卸料后，不收斗，动臂直接放到地面时，斗底与地面夹角在一5。～0。之内。最大卸载高度和卸载距离约束；油缸稳定性约束（伸缩比例小于1.6）；传动角约束；不干涉约束和边界约束等。•优化方法惩罚函数法2.装载机的液压系统装载机工作装置液压系统，它主要用于控制动臂升降、铲斗翻转和转台回转等动作。如ZL50型装载机，铲斗转动滑阀为三位六通阀，有铲斗上转、铲斗下转、铲斗液压缸闭锁(中位)三个位置。动臂滑阀为四位六通阀，有动臂提升、动臂下降、动臂液压缸闭锁、动臂浮动四个位置。液压传动系统图装载机工作过程装载机作业操作方法松散物料铲装方式土壤铲装方式装载机装载作业组织法T型作业法I型作业法V型作业法L型作业法“T”装载机装载作业时的合理运距装载机的生产率装载机的工作性能参数思考题•名词解释：额定载重量、额定斗容、比铲力、比切力、最大卸载高度、最小卸载距离、卸料角、后倾角、铲斗回转半径•装载机对变矩器有何要求？如何选用？•如何选择发动机与变矩器的匹配方案？•装载机为什么要设置摆动桥？•对装载机连杆机构的设计要保证哪些性能要求？•比较正转六连杆与反转六连杆机构的性能特点？•分析装载机的一级稳定性与二级稳定性？•装载机工作装置有哪些限位机构？如何设计？•装载机的计算工况有哪几种？•掌握装载机工作装置各绞点的确定方法？•掌握装载机工作装置连杆机构的图解设计方法？再见了…