【文章內(nèi)容簡介】 ——動臂與車架鉸點到裝載機前面外廓水平距離，mm； ——最大卸載高度，mm； ——動臂與車架連接鉸點的高度，mm。 代入數(shù)據(jù)得，=2890mm(2)動臂油缸的位置一般有兩種方式。圖212所示為舉升油缸立式布置；另一種布置方式為舉升油缸臥式布置，即當鏟斗處于裝載位置時，舉升油缸接近水平，如圖213所示。最近生產(chǎn)的裝載機多用后一種布置方式，它是機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果。 圖212 立式布置 圖213 臥式布置1動臂 2舉升油缸 1動臂 2舉升油缸 工作裝置連桿機構(gòu)輪式裝載機工作裝置連桿機構(gòu)的設(shè)計任務(wù)是確定各連桿的尺寸和相互的位置關(guān)系，以滿足設(shè)計任務(wù)中的規(guī)定的使用性能及經(jīng)濟技術(shù)指標。由于連桿機構(gòu)尺寸以及銷軸位置的相互影響，連桿機構(gòu)可變性很大，同時又要受結(jié)構(gòu)限制，可變參數(shù)很多，因而無法單純采用理論計算的方法來確定，目前大多數(shù)采用圖解法并配合統(tǒng)計或類比法加以確定，本次設(shè)計采用圖解法和類比法對工作裝置加以確定。反轉(zhuǎn)六桿機構(gòu)如圖214所示。它由轉(zhuǎn)斗機構(gòu)和動臂舉升機構(gòu)兩個部分組成。a 插入工況b 鏟裝工況c 最高位置工況d 高位卸載工況圖214 反轉(zhuǎn)六桿機構(gòu)簡圖 轉(zhuǎn)斗機構(gòu)由轉(zhuǎn)斗油缸CD、搖臂CBE、連桿EF、鏟斗GF、動臂GBA和機架AD六個構(gòu)件組成。實際上，它是由兩個反轉(zhuǎn)四桿機構(gòu)組成GFEB和BCDA串聯(lián)而成。當舉升動臂時，若假定動臂為固定桿，則可以把機架AD視為輸入桿，把鏟斗GF看成輸出桿，由于AD與GF轉(zhuǎn)向相反，所以把此機構(gòu)稱作反轉(zhuǎn)六桿機構(gòu)。舉升油缸主要由動臂舉升油缸HM和動臂GBA構(gòu)成。若把油缸分解成兩個活動構(gòu)件和一個移動副，則反轉(zhuǎn)六桿機構(gòu)放入活動構(gòu)件數(shù)為n=8，運動低副數(shù)應(yīng)用計算機構(gòu)自由度公式，可得其自由度為2。因為油缸均為運動件，所以整個機構(gòu)有確定的運動。當舉升油缸閉鎖時，啟動轉(zhuǎn)斗油缸，鏟斗將繞G點做定軸運動；當轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖，舉升油缸動作時，鏟斗將做復(fù)合運動，即一邊隨動臂對A進行牽引運動，同時有相對動臂繞G點作相對運動。圖解法比較直觀，易于掌握，是目前工程設(shè)計時常用的一種方法。圖解法是在初步確定了最大卸載高度、最小卸載距離、卸載角、輪胎尺寸和鏟斗幾何尺寸等整機主要參數(shù)后進行的，通過在坐標圖上確定工況Ⅱ時工作機構(gòu)的9個鉸接點的位置來實現(xiàn)。（1）動臂與鏟斗、搖臂、機架的三個鉸接點G、B、A的確定1) 確定坐標系，畫鏟斗圖如圖215所示，選取直角坐標系xOy，并選定長度比例尺把已設(shè)計好的鏟斗橫截面圖畫在坐標系里，斗尖對準坐標原點O，斗前壁與x軸呈前傾角。此為鏟斗插入料堆時的位置，即工況Ⅰ。圖 215 動臂上三鉸接點的設(shè)計2) 確定動臂與鏟斗的鉸接點G由于G點的x坐標值越小，轉(zhuǎn)斗崛起力就越大，所以G點靠近O點是有利的，但它受斗底和最小離地高度的限制，不能隨意減??；而G點的y坐標值增大時，鏟斗在料堆中的鏟取面積增大，裝的物料多，但縮小了G點與連桿鏟斗鉸接點F的距離，使崛起力下降。綜合考慮各種因素的影響，設(shè)計時，一般根據(jù)坐標圖上工況Ⅰ時的鏟斗實際情況，在保證G點y軸的坐標值=232mm和x軸坐標值盡可能小的而且不與斗底干涉的前提下，我取G點的坐標為(1199,232)。3) 確定動臂與機架的鉸接點Aa. 以G點為圓心，使鏟斗順時針轉(zhuǎn)動，至鏟斗斗口與x軸平行為止，即工況Ⅱ。 b. 把已選定的輪胎外廓畫在坐標圖上。應(yīng)使輪胎前緣與工況Ⅱ時的鏟斗后壁的間隙盡量小些。輪胎中心Z的坐標值應(yīng)等于輪胎的工作半徑。 (215)式中 —Z點的y坐標值，mm；—輪輞直徑，mm；—輪胎寬度，mm；H/—輪胎斷面高度與寬度之比(普通輪胎取1，)；—輪胎變形系數(shù)（~，~）。根據(jù)該型號的基本參數(shù)可知：=635mm，=代入上式解得：=。c. 根據(jù)給定的最大卸載高度=3030mm，最小卸載距離=1100mm，以及卸載角=45176。，畫出鏟斗在最高位置卸載時的位置圖，即工況Ⅳ，令此時斗尖為，G點位置為。d. 以為圓心，順時針旋轉(zhuǎn)鏟斗，使鏟斗口與x軸平行，即得到鏟斗最高位置圖，即工況Ⅲ。e. 因為G和點同在以A點為圓心，動臂AG長為半徑的圓弧上，根據(jù)上面的計算可以知道動臂長度AG=2890mm，因此，我得到A點坐標為(3445，2060)。 4) 確定動臂與搖臂的鉸接點B B點的位置是一個十分關(guān)鍵的參數(shù)，它對連桿機構(gòu)的傳動比、倍力系數(shù)、連桿機構(gòu)的布置以及轉(zhuǎn)斗油缸的長度都有很大影響。根據(jù)分析與經(jīng)驗，一般取B點在AG連線的上方，過A點的水平線下方，并在AG的垂直平分線上，并在AG的垂直平分線上左側(cè)靠近工況Ⅱ時的鏟斗處。相對于前輪胎，B點在其外廓的左上部。通過作圖，設(shè)計出B點坐標為(1651,1300)。（2）連桿與鏟斗和搖臂的兩個鉸接點F、E的確定因為G、B兩點已被確定，所以在確定F點和E點實際上是為了最終確定與鏟斗相連的四桿機構(gòu)GFEB的尺寸，如圖216所示。圖216 連桿、搖臂、轉(zhuǎn)斗油缸尺寸設(shè)計 確定F、E兩點時，既要考慮對機構(gòu)的要求，又要注意動力學(xué)的要求，同時，還要防止前述各種機構(gòu)被破壞的現(xiàn)象。1）按雙搖桿條件設(shè)計四桿機構(gòu)令GF為最短桿，BG桿為最長桿，即必有GF+BGFE+BE (216)如圖216所示，若令，GF=a,FE=b,BE=c,BG=d,并將式(216)不等號兩邊同時除以d，經(jīng)整理上式得下式，即 (217)其中d值由BG確定，即d=。初步設(shè)計時，(217)式中各值可按式(218)中選取。 K=～a=(～)d (218) c=(～)d 所以得K=，a=，c=,b=700mm。2）確定E點和F點的位置這兩點位置的確定要綜合考慮如下四點要求：a. E點不可與前橋相碰，并且有足夠的最小離地高度；b. 插入工況時，使EF桿盡量與GF桿垂直，這樣可獲得較大的傳動比角和倍力系數(shù)；c. 鏟裝工況時，EF與GF桿的夾角必須小于170176。，即傳動角不能小于10176。，以免機構(gòu)運動時發(fā)生自鎖；d. 高位卸載工況時， EF桿與GF桿的傳動角也必須大于10176。具體做法如下：如圖217所示，鏟斗取工況Ⅰ。分別以B點和G點為圓心，以c和分別為半徑畫弧，其交點為E；再分別以G點和E點為圓心，a和b半徑畫弧，則其交點必為F。在設(shè)計時一般使∠EFG不小于70176。即可 圖 217 連接端部鉸接點設(shè)計作圖所得，在鏟裝工況下， E點坐標為(2123,497)， F點坐標為(1451,693)。為了防治機構(gòu)出現(xiàn)“死點”，“自鎖”或“撕裂”現(xiàn)象，設(shè)計時應(yīng)滿足下列不等式。工況Ⅱ時： GF+FEGE (219)工況Ⅳ時： FE+BEFB (220)檢驗E與F點位置設(shè)計：Ⅱ時，GF=，F(xiàn)E=700mm，GE=815mm，因此滿足GF+FEGE。Ⅳ時，F(xiàn)E=700mm，BE=，F(xiàn)B=1157mm，因此滿足FE+BEFB。綜上所得，E點與F點設(shè)計位置滿足要求。（3）轉(zhuǎn)斗油缸與搖臂和機架的鉸接點C和D的確定在圖216中，如果確定了C點和D點，就最后確定了與機架連接的四桿機構(gòu)BCDA的尺寸。C點和D點的布置直接影響到鏟斗舉升平動和自動放平性能，對掘起力和動臂舉升阻力的影響都較大。1)確定C點從力的傳遞出發(fā)，顯然使搖臂BC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)增大。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)角難以滿足各個工況的要求，并且使轉(zhuǎn)斗油缸行程過長。初步設(shè)計時，一般取BC≈(～)BE （221）因此，取BC==。C點一般取在B點左上方，BC與BE夾角(即搖桿折角)，可取∠CBE=160176。，C點運動不與鏟斗干擾，其高度不影響司機視野。 2)確定D點 轉(zhuǎn)斗油缸與機架的鉸接點D，是根據(jù)鏟斗由工況Ⅱ舉升到工況Ⅲ過程為平動和由工況Ⅳ下降到工況Ⅰ能自動放平這兩大要求來確定的。如圖216所示，當鉸接點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時的C點的位置CCCC4也就唯一的被確定下來。因為鏟斗由工況Ⅱ舉升到工況Ⅲ或由工況Ⅳ下放到工況Ⅰ的運動過程中，轉(zhuǎn)斗油缸的長度分別保持不變，所以D點必為C2點和C3點連線的垂直平分線與點C1和C4點連線的垂直平分線的交點。 研究證明，D點設(shè)計在A點的左下方較好。D的固定坐標為(3016,2045)。（4）動臂舉升油缸與動臂和車架鉸接點H點及M點的確定動臂舉升油缸的布置應(yīng)本著舉臂時工作力矩大、油缸穩(wěn)定性好、構(gòu)件互不干擾、整機穩(wěn)定性好等原則來確定。綜合考慮這些因素，一般動臂舉升油缸都布置在前橋與前后車架的鉸接點之間的狹窄空間里。動臂油缸動臂鉸接點一般選在約為動臂長度的1/3處, 且在動臂與車架和鉸斗的鏟接點的連線上, 以便能安裝鉸點支座。動臂油缸與車架鉸接點, 除應(yīng)考慮油缸的行程外, 還要使其到地面的距離滿足裝載機離地間隙的要求， M點往前橋方向靠近是比較有利的。這樣做，可使動臂舉升油缸在動臂整個舉升過程中，舉升工作力臂大小的變化往往較小，即工作力矩變化不大，避免鏟斗舉升最高位置時的舉升力不足，因此此時工作力臂往往較小或最小。但是采用底部鉸接式油缸時，要使M點前移是比較困難的，它受到前橋的限制，支座布置也比較麻煩。為了克服M點前移的困難，可采用M點上移和H點向G點方向前移的辦法使動臂舉升油缸幾乎呈水平狀態(tài)。計算證明這樣布置也能得到較好的舉升特性。最近生產(chǎn)的裝載機多用這種布置方式，它是機構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果，所以此處采用舉升油缸臥式布置。動臂與水平面角度初選為因此，取工況Ⅰ時的H坐標為（，934），M點的坐標為（3566,）。經(jīng)過上述的各步作圖，整個工作裝置連桿機構(gòu)的尺寸參數(shù)設(shè)計完畢。為了進一步檢驗鏟斗的平動質(zhì)量，在工況Ⅱ、Ⅲ之間選擇2個位置進行檢驗鏟斗的轉(zhuǎn)角，所得結(jié)果鏟斗轉(zhuǎn)角差小于，則證明設(shè)計合理[1]。（5）動臂油缸和翻斗油缸行程的計算根據(jù)上面計算所得的各個構(gòu)件的參數(shù)，對機構(gòu)在不同工況位置作圖，如圖（218）油缸最大長度mm，最小長度=1403 mm＜ （222）符合設(shè)計要求。圖218 動臂油缸和翻斗油缸行程的計算由圖可知轉(zhuǎn)斗油缸最大長度1656mm，最小長度1157mm，＜ （223）符合設(shè)計要求。根據(jù)測量得出產(chǎn)斗的最大卸載高度和最小卸載距離符合設(shè)計任務(wù)的要求。本章主要應(yīng)用圖解法對裝載機工作裝置進行設(shè)計，這種方法簡單直觀，易于掌握，是目前工程設(shè)計時常用的一種方法。它是在初步確定最大卸載高度、最小卸載距離、卸載角、輪胎尺寸和鏟斗幾何尺寸等整機主要參數(shù)后進行的，通過在坐標圖上確定各個工況時工作機構(gòu)的9個鉸點的位置來實現(xiàn)機構(gòu)的設(shè)計，最后得到工作裝置各個零部件的基本尺寸，最后在通過各個零部件的尺寸建立機構(gòu)簡圖，計算出動臂油缸和翻斗油缸的行程范圍，為下一章裝載機工作裝裝置各個零部件的建模做好準備。3 工作裝置的仿真與分析 Pro/E軟件簡介PRO/EWildfire是美國PTC公司最新推出的一套從設(shè)計到制造的機械自動化軟件[8]。產(chǎn)品設(shè)計師可以利用該軟件輕松的完成部件、整機模型的裝配，并對設(shè)計的產(chǎn)品預(yù)先進行靜態(tài)分析、裝配干涉檢驗等操作。Pro/E系統(tǒng)提供了完善的仿真功能，通過對機構(gòu)實體模型添加運動副、驅(qū)動器實現(xiàn)對機構(gòu)運動速度、軌跡、位移、運動干涉等情況的分析，為機構(gòu)的設(shè)計與檢驗提供數(shù)據(jù)支持，使得原來在二維圖紙上難以表達和設(shè)計的運動變得直觀和易于修改[9]。 特點：(1) 參數(shù)化設(shè)計Pro/Engineer是第一個引入?yún)?shù)化概念的計算機輔助軟件，參數(shù)化設(shè)計通過尺寸驅(qū)動來實現(xiàn)，所謂尺寸驅(qū)動，就是指以模型的尺寸來決定模型的形狀，一個模型由一組具有一定關(guān)聯(lián)的尺寸進行定義。這一功能特性給工程設(shè)計者提供了在設(shè)計上從未有過的簡易和靈活，可使設(shè)計人員從大量的繁重而瑣碎的建模工作中解脫出來，從而大大提高設(shè)計速度，并減少信息的存儲量。(2) 基于特征 特征的概念最早出現(xiàn)在1978年美國MIT的一篇學(xué)士論文CAD中基于特征的零件表示中，至20世紀80年代有關(guān)特征建模技術(shù)得到廣泛關(guān)注。特征是一種集成對象，其包含豐富的工程語義，因此，它是最高層次上表達產(chǎn)品的功能和形狀信息。(3) 單一集成數(shù)據(jù)庫 Pro/engineer系統(tǒng)建立在單一數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，這一點不同于大多數(shù)建立在多個數(shù)據(jù)庫之上的傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是指工程中的所有數(shù)據(jù)來自同一數(shù)據(jù)庫，這樣可以使不同部門的設(shè)計人員同時復(fù)制同一個產(chǎn)品，提高了設(shè)計效率。(4) 全數(shù)據(jù)相關(guān)采用全數(shù)據(jù)相關(guān)，則在設(shè)計中任何一處的修改都將反映到整個設(shè)計的其他環(huán)節(jié)中，例如，如果改了工程圖中的基本數(shù)據(jù)，那么實體三維實體模型也將隨之發(fā)證變化，在加工中的數(shù)控加工路徑也會自動更新。這將對產(chǎn)品的設(shè)計和生成帶來很大的方便