装载机结构三维造型与仿真

1铲斗的建模并按设计要求验算铲斗是动作机构的主要组成部分。由于它直接与物料接触，是装运卸的工具和容器，故它的外形、各部结构件、几何尺寸、质量、强度等等。都严重影响着整机的生产能力、功率和效率等。轮式装载机铲斗结构1.1铲斗及机宽度的确定斗宽b必须大于两轮胎外侧距离，以便铲斗能为装载机自身扫清路面障碍，避免物料切割损坏轮胎。根据查得到柳工ZL30E的资料，铲斗的宽B=2456mm，大于两轮外侧的距离2300mm。1.2铲斗的断面形状铲斗的断面形状由铲斗圆弧半径r、底壁长l、后壁高h和张开角γ四个参数确定，如图所示。铲斗断面基本参数圆弧半径r越大，物料进入铲斗的流动性越好，有利于减少物料进入斗内的阻力，卸料时干净而且快捷。但r过大，斗的开口较大时，不易装满，而且铲斗外形较高，将影响驾驶员观察铲斗斗刃的工作情况。后壁h是指铲斗上缘至圆弧与后壁切点间的距离。底壁长l是指斗底壁的直线段长度。l长则铲斗铲入料堆深度大，斗易装满．但掘起力将由于力臂的增加而减小，插入的阻力也将随铲斗铲入料堆的深度而急剧增加。l长亦会减小卸载高度。l短则掘起力大，且由于卸料时铲斗刃口降落的高度小，还可减小动臂举升高度，缩短作业时问，但这会减小斗容。铲斗张开角γ为铲斗后壁与底壁间的夹角，一般取45°～52°。适当减小张开角并使斗底壁对地面有一定斜度，可减小插入料堆时的阻力，提高铲斗的装满程度。1.3铲斗基本参数的确定设计时，把铲斗的回转半径R(即铲斗与动臂铰接点至切削刃之间的距离)作为基本参数，铲斗的其他参数则作为R的函数。R是铲斗的回转半径(见图1-7)，它的大小不仅直接影响铲斗底壁的长度，而且还直接影响转斗时掘起力及斗容的大小，所以它是一个与整机总体有关的参数。铲斗的回转半径尺寸可按下式计算。（1-1）式中Vr—铲斗的额定容量，m³；—铲斗的内侧宽度，为铲斗宽度扣除两侧壁厚δλg—铲斗的斗底长度系数，λg=1.40～1.5；λz—后斗壁的长度系数，λz=1.1～1.2；λk—挡板的高度系数，λk=0.120.14；λr—斗底和后斗臂直线间的圆弧的半径系数，λr==0.35～0.4；γ—张开角,为45°～52°；γ1—挡板与后斗壁间的夹角，选择γ1时应使侧壁切削刃与挡板的夹角为90°。γ1=5°~10°在设计当中，铲斗的额定容量由数据得出Vr=1.7m³。铲斗的内侧宽度=B-2a(m)(1-2)铲斗宽度B=2456mm，a=25mm，计算得=2406mm。设计参数的选择，借助经验获取，λg=1.5，λz=1.15，λk=0.13，λr=0.4，γ=48°，γ1=10°。通过上述参数的选择，带入(1-1)式中，得到R=1051.42mm。1.4铲斗截面各边尺寸计算斗底长度：Lg=Rλg=1051.42mm×1.5=1577.13mm，(1-3)斗后壁长度：Lz=Rλz=1051.42mm×1.15=1209.13mm，(1-4)挡板高度：Lk=Rλk=1051.42mm×0.13=136.68mm，(1-5)斗底圆弧半径：r=Rλr=1051.42mm×0.4=420.57mm，（1-6）1.5铲斗建模、斗容验算SolidWorks计算得截面的面积S=6353.16mm2，但建模是缩小到1/10的。所以实际面积S=635316mm2=0.635316m2。如图1。（图1）铲斗内侧宽度B0=2406mm=2.406m。所以几何斗容Vg=B0×S=2.406m×0.635316m2=1.5286m3所以额定斗容Vr=Vg×1.2=1.5286m3×1.2=1.83432m3相差率θ=（1.83432-1.7）÷1.7=7.9%。所以根据公式计算的数据建模，得出的额定斗容是1.83m3，与设计要求1.7m3的相差率是7.9%。下图是建模好的铲斗：（图）2.动臂建模2.1动臂铰点高度动臂铰点的位置是通过作图来确定的。如图2所示，若确定了动臂下铰点（动臂与铲斗的铰接点）的最高位置Bi，则最大卸载高度Hsmax、最大卸载高度时卸载距离（最小卸载距离）lsmin及最高位置时卸载角β随之而定。图2中α·为斗底与铲斗回转半径的夹角，动臂下铰点当铲斗在地面铲掘时位置B1，在考虑斗底与地平面夹角δ=3°~5°时及铲斗装满物料后倾不与轮胎相碰的情况下，当最大卸载高度和最小卸载距离一定时，上铰点的前后位置影响动臂的长度ld、动臂的回转角φ及动臂最大伸出时的稳定性。lA大，动臂增长，动臂回转角φ减小，倾翻力矩小，提高了装载机在铲斗最长伸出时的稳定性，因此，在总体布置允许的情况下希望lA大些。动臂与车架铰点的高度通常取HA=(1.5~2.5)R(mm)，这里R=1051.42mm，所以HA=1577.1~2628.6mm。动臂与车架铰点的左右位置，根据装载机的轮距、动臂、转斗油缸的尺寸布置和视线等确定。动臂回转角80°~90°。这里取85°（图2）2.2由作图法求动臂长度图3是作图法确定动臂的长度。所有尺寸都缩小到1/10了。（图3）由设计已知lsmin=1055mm，Hsmax=2911mm，卸载角β=45°，α，=5.8°，动臂回转角85°，HA=1577.1~2628.6mm这些条件，经过作图法可得：LA=974.3mm，LB=1646.3mm，HA=2036.7mm，LD=2677.2mm。所以由作图法求得的动臂长度为2677.2mm。2.3由公式法求动臂长度按图2利用几何关系可以求出动臂的长度lDLD=21ASmax2B1sminRsinH-HlRcos-l）（）（mm（1-7）式中：lsmin——铲斗最小卸载距离，1055mm。α，——铲斗回转半径与斗底的夹角，α，=5.8°。β——铲斗最大卸载高度时最大卸载角，β=45°。LB——动臂与车架铰点到装载机前面外廓水平距离，由图3得LB=1646.3mmHsmax——最大卸载高度，2911mm。HA——动臂与车架的铰点高度，由图3得HA=2036.mm。把这些数据代入公式(1-7)可得LD=2646mm。求出动臂长度2646mm。两种方法求出的数据相差31.2mm。证明作图还是很精确的。取两者平均数，动臂长度设计为LD=2661.6mm。2.4动臂形状设计动臂按纵向中心线形状可简单的分为曲线形与直线型两种。正转式多产用直线型，反转式多产用曲线型。动臂断面形状可分为单板型、双板型、工字型和箱型数种。板型动臂比较简单，一般用在中小型装载机上。因此，在本次设计中根据设计要求将采用曲线型，动臂断面为单板型。建模后的如图4。（图4）3.动臂、摇臂、连杆、机架及铲斗之间铰点的确定3.1确定动臂与摇臂的铰接点CC点位置是一个十分关键的参数。它对连杆机构的传动、死点、平动性能、连杆机构的布置以及转斗油缸的长度等都有很大的影响。根据分析和参考同类产品，C点应处于：（1）在AB连线的上方，过A点水平线的下方，在前轮胎的左前方；（2）在AB垂直平分线的左侧，尽量靠近铲斗；（3）经多次计算和试验，取C点到A点的距离为1713.5mm，水平距离1461.8mm，竖直距离893.9mm，C点到B点的距离为1033.5mm。经验算符合上述要求。3.2确定连杆与铲斗和摇臂的两个铰接点F、E因为B、C两点已被确定，所以在确定F点和E点实际上是为了最终确定与铲斗相连的四杆机构GFEB的尺寸，如图5所示。(图5)确定F、E两点时，既要考虑对机构的要求，又要注意动力学的要求，同时，还要防止前述各种机构被破坏的现象。1）按双摇杆条件设计四杆机构由《机械原理》知识可得，如果铰链四杆机构各杆的长度不满足杆长条件，无周转副，此时不论以何杆为机架，均为双摇杆机构。所以只需列出不满足杆长条件的式子即可。令BF为最短杆，BC杆为最长杆，即必有BF+BCFE+CE(1-8)如图5所示，若令，BF=a,FE=b,CE=c,BC=d,并将式(1-8)不等号两边同时除以d，经整理上式得下式，即1bcaKddd(1-9)其中d值由BC确定，即d=1033.5mm。初步设计时，(1-8)式中各值可按式(1-10)中选取。K=0.950～0.995a=（0.3～0.5）dc=(0.4～0.8)d(1-10)所以得K=0.970，a=454.2mm，c=620mm,b=836.7mm。即BF=454.2mm，EF=836.7mm，CE=620mm，BC=1033.5mm。2）确定E点和F点的位置这两点位置的确定要综合考虑如下四点要求：○1E点不可与前桥相碰，并且有足够的最小离地高度；○2插入工况时，使EF杆尽量与BF杆垂直，这样可获得较大的传动比角和倍力系数；○3铲装工况时，EF与BF杆的夹角必须小于170°，即传动角不能小于10°，以免机构运动时发生自锁；○4高位卸载工况时，EF杆与BF杆的传动角也必须大于10°。为了防治机构出现“死点”，“自锁”或“撕裂”现象，设计时应满足下列不等式。工况Ⅱ时：BF+FEBE(4-13)工况Ⅳ时：FE+CEFC(4-14)检验E与F点位置设计：○1工况Ⅱ时，BF=454.2mm，FE=836.7mm，BE=1290.7mm，因此满足BF+FEBE。○2工况Ⅳ时，FE=836.7mm，CE=620mm，FC=1239mm，因此满足FE+CEFC。综上所得，E点与F点设计位置满足要求。4.所有零部件的装配（图6）（图7）图6和图7是装载机所有零件的展示，是装载机的爆炸图，然后要把这所有的零部件装配起来。(图8)（图9）（图10）图8是装载机在铲土工况下的装配模型，图9是装载机在倾倒物料工况下的装配模型，图10是装载机在举升物料工况下的装配模型。5.装载机功能的检验5.1收斗角和卸料角的检验（图11）由图11可知，在铲斗收斗最大位置时，铲斗底部与装载机上表面的角度是46°，满足设计45°的要求。这样可以保证动臂在举升的过程中，物料的不撒落。（图12）由图12可知，在最高的卸载位置时，铲斗的下底面与水平面的夹角是48.42°，大于设计要求45°，满足设计要求。根据装载机的要求，当动臂处于任何作业位置时，在转斗油缸的作用下，使卸载角不小于45°。于是我又测了一个位置的角度，如图13，卸载角是48.8°，也满足要求。（图13）5.2卸载距离和卸载高度的检验（图14）如图14，当装载机在最高位置卸载时，铲斗最低点与前轮的水平距离1892.9mm，竖直距离2220.3mm，轮胎的外径为1344mm，计算出来的卸载距离为1220.9mm，卸载高度为2892.3mm。设计要求是卸载距离1055±30mm（1025mm~1085mm），卸载高度2911±30mm（2881mm~2941mm）。与设计要求相比较，三维建模的装载机卸载距离多了135.9mm，卸载高度满足要求。所以卸载距离有点略大些。5.3长、宽、高的检验上面3图测量出来的长=6708.4mm，宽=2300mm，高3231mm。都满足设计要求。5.4转向角度的检验图示位置为转向的最大位置，由图可知转向角度为40°，满足最大转向角40°的要求。5.5斗容的检验在铲斗建模中已经检验过了，得出的额定斗容是1.83m3，与设计要求1.7m3的相差率是7.9%。