【導(dǎo)讀】裝載機(jī)，是一種廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口、礦山等建設(shè)工程的土石方施工機(jī)械，它主要用于鏟裝土壤、砂石、石灰、煤炭等散狀物料，也可對礦石、硬土等作輕度鏟挖作業(yè)。本文以TZ08D型裝載機(jī)為例,先介紹了TZ08D裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)，利用AUTOCAD2021對裝載。體圖形，為進(jìn)一步動(dòng)態(tài)仿真和有限元分析做準(zhǔn)備。最后利用材料力學(xué)對工作裝置進(jìn)行校核。

　　

【正文】 HSGL0163/35 動(dòng)臂油缸 HSGL0163/35 鏟斗靜力學(xué)計(jì)算 （ 1）外載荷的確定原則 裝載機(jī)在鏟斗插入料堆，鏟取物料和舉升鏟斗的過程中，鏟斗要克服物料的阻力、物料與鏟斗間的摩擦力和物料自身的重力。這些力構(gòu)成了裝載機(jī)工作裝置的作業(yè)阻力。為了分析問題 方便，假設(shè)它們作用在鏟斗齒尖的刃口上，并形成兩個(gè)集中力：水平插入阻力和垂直掘起阻力。 由于鏟裝物料的種類和作業(yè)條件不同，裝載機(jī)實(shí)際作業(yè)時(shí)不可能使鏟斗切削刃均勻受載，但可簡化為兩種極端受載情況：一是對稱載荷，載荷沿切削刃均勻分布，計(jì)算時(shí)可用一個(gè)作用在斗刃中部的集中載荷來代替；二是偏心載荷，由于鏟斗偏鏟或物料的不均勻性而 導(dǎo)致物料對鏟斗的載荷產(chǎn)生不均勻分布，使載荷偏于鏟斗一側(cè)，形成偏心載荷，此時(shí)，通常將其簡化后的集中載荷加在鏟斗側(cè)邊的第一個(gè)斗齒上。 裝載機(jī)在鏟掘作業(yè)中，通常有以下三種受力狀況。 ○ 1 鏟斗水平插入料堆，工作裝置油缸閉鎖，此時(shí)可認(rèn)為鏟斗斗刃只受水平插入阻力的作用。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（說明書） 28 ○ 2 鏟斗水平插入料堆，翻轉(zhuǎn)鏟斗 (操縱轉(zhuǎn)斗缸 )或舉升動(dòng)臂 (操縱動(dòng)臂舉升缸 )鏟取物料時(shí)，認(rèn)為鏟斗斗齒只受垂直掘起阻力的作用。 ○ 3 鏟斗邊插入邊收斗或邊插入邊舉臂進(jìn)行鏟掘時(shí)，認(rèn)為鏟斗斗齒受水平插入阻力與垂直掘起阻力的同時(shí)作用。 如果將對稱載荷和偏載情況分別于上述三種典型受力工況相結(jié)合，就可得到鏟斗六種典型的受力作用工況，如圖 218 所示 圖 218 鏟斗運(yùn)動(dòng) 機(jī)構(gòu)外載荷工況 （ 2）外載荷計(jì)算 裝載機(jī)的工作阻力是多種阻力的合成。由于物料性質(zhì)和工作機(jī)構(gòu)工作方式的不同，工作阻力有不同的計(jì)算方法，一般工作阻力通常分別按插入阻力、掘起阻力和轉(zhuǎn)斗阻力矩進(jìn)行計(jì)算。 1)插入阻力 插入阻力就是鏟斗插入料堆時(shí)，料堆對鏟斗的反作用力。插入阻力由鏟斗前切削刃和兩側(cè)斗壁的切削刃的阻力，鏟斗底和側(cè)壁內(nèi)表面與物料的摩擦阻力，鏟斗斗底外表面和物料的摩擦阻力組成。這些阻力與物料的種類、料堆高度、鏟斗插入料堆的深度、鏟斗的結(jié)構(gòu)形狀等有關(guān)。計(jì)算上述阻力比較困難，一般按以下經(jīng)驗(yàn)公式來確定插入阻力。 FX= (N) (218) 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（說明書） 29 式中 K1— 物料塊狀與松散程度系數(shù)； K2— 物料性質(zhì)系數(shù)； K3— 料堆高度系數(shù)； K4— 鏟斗形狀系數(shù)； B— 鏟斗寬度， cm； L— 鏟斗的一次插入深度， cm。 查取有關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合老師建議， K1 =， K2 =， K3 =， K4 =， B=， L=40cm。 計(jì)算得： FX 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =。 2)掘起阻力 掘起阻力就是指鏟斗插入料堆一定深度后，舉升動(dòng)臂 時(shí)物料對鏟斗的反作用力。掘起阻力同樣與物料的種類、快度、松散程度、密度、料堆之間及物料與鏟斗之間的摩擦阻力有關(guān)。掘起阻力主要是剪切阻力。最大掘起阻力通常發(fā)生在鏟斗開始舉生的時(shí)刻，此時(shí)鏟斗中物料與料堆之間的剪切面積最大，隨著動(dòng)臂的舉升掘起阻力逐漸減 小。 鏟斗開始舉升時(shí)物料的剪切力按下式計(jì)算。 FZ=(N) (219) 式中 K— 開始舉升鏟斗時(shí)物料的剪切應(yīng)力，它通過實(shí)驗(yàn)測定，對于塊度為 ～ 的松散花崗巖，剪切應(yīng)力的平均值取 K=35000Pa； B— 鏟斗寬度， m； LC 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 — 鏟斗插入料堆的深度， m。 其中 K=30000Pa， B=， LC錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =。 計(jì)算得： FZ 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =。 3)轉(zhuǎn)斗阻力矩 當(dāng)鏟斗插入料堆一定深度后，用轉(zhuǎn)斗油缸使鏟斗向后翻轉(zhuǎn)，料堆對鏟斗的反作 用力矩稱為轉(zhuǎn)斗阻力矩。當(dāng)用鏟斗翻轉(zhuǎn)鏟取物料時(shí)，在鏟斗充分插入料堆轉(zhuǎn)斗的初始時(shí)刻，轉(zhuǎn)斗的靜阻力矩最大，用 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 表示，此時(shí)鏟斗轉(zhuǎn)角 錯(cuò)誤 !未找到引用源。=0；其后，轉(zhuǎn)斗靜阻力矩隨著鏟斗翻轉(zhuǎn)角 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 的變化而按雙曲線特性變化。開始鏟取時(shí)的靜阻力矩 Ma0錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為 0 11 .1 0 .4 4xM F x L y? ????? ? ????????? (N m) (220) 式中 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 — 開始轉(zhuǎn)斗時(shí)的插入阻力， N； 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（說明書） 30 x— 鏟斗回轉(zhuǎn)中心與斗刃的水平距離， m； y— 鏟斗回轉(zhuǎn)中心與地面的垂直距離， m； L— 鏟斗的插入深度， m。 根據(jù)鏟斗的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，得 x=， y=。又 L=， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =。 計(jì)算得： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 = m。 轉(zhuǎn)斗阻力矩計(jì)算：鏟斗在料堆中轉(zhuǎn)斗時(shí)，除了要克服料堆的靜阻力矩之外，還要克服鏟斗自重力和鏟斗中物料所產(chǎn)生的阻力矩。因此，開始轉(zhuǎn)斗的阻力矩為 MZ=Ma0+(GH+GC)LB(N m) (221) 章 式中 MZ— 轉(zhuǎn)斗阻力矩， N m； Ma0— 開始轉(zhuǎn)斗靜阻力矩， N m； GH— 輪式裝 載機(jī)額定載重量重力， N； GC— 鏟斗自重力， N； LB— 鏟斗中心至回轉(zhuǎn)中心 B 的水平距離， m。 其中， Ma0 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 = m， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =12650N,錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =3500 N,錯(cuò)誤 !未找到引用源。 =。 計(jì)算得： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 = m。 作用在連桿上的力 FC 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ：鏟斗充分插入料堆后開始轉(zhuǎn)斗時(shí)，作用在鏟斗與轉(zhuǎn)斗連桿鉸銷上的力 FC 為 FC=MZ/LC(N) (222) 式中 LC— 鏟斗回轉(zhuǎn)中心至 FC 的作用線的垂直距離， m。 其中 MZ= m， LC =。 計(jì)算得 ： FC =。 這里需要說明的是，插入阻力、掘起阻力和轉(zhuǎn)斗阻力并不是任何工況下都同時(shí)存在，而是隨著鏟掘的方法不同，存在一種、兩種或三種。例如，采用一次鏟掘時(shí)，在鏟斗插入料堆的過程中，只有插入阻力。而當(dāng)插入停止后鏟斗由轉(zhuǎn)斗油缸反轉(zhuǎn)時(shí)，只存在轉(zhuǎn)斗阻力矩。當(dāng)采用鏟斗在插入料堆的同時(shí)，進(jìn)行舉升動(dòng)臂的聯(lián) 合鏟掘時(shí)，則在此工作過程中同時(shí)存在插入阻力和掘起阻力。如果鏟斗插入料堆的同時(shí)，又配合鏟斗的翻轉(zhuǎn)和動(dòng)臂的舉升運(yùn)動(dòng)，則三種同時(shí)存在。后兩種工況由于鏟斗插入料堆的深度較小，實(shí)際上總阻力比一次插入鏟掘時(shí)的阻力要小。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（說明書） 31 連桿的強(qiáng)度校核 一般在鏟斗掘起時(shí)，連桿受拉，按此工況進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。 由前面計(jì)算可知，連桿在掘起時(shí)，受拉力為 FC=錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。截面面積取 A= 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。按照連桿強(qiáng)度條件 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 223） 計(jì)算得： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 = 連桿材料選取 Q235 鋼，查取文獻(xiàn)得， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 取安全系數(shù)為 2，于是 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。 即連桿強(qiáng)度設(shè)計(jì)符合要求。 動(dòng)臂的強(qiáng)度校核 動(dòng)臂是裝載機(jī)工作裝置的主要承力構(gòu)件，其外形有直線形和曲線形兩種。曲線形動(dòng)臂常用于反轉(zhuǎn)式連桿機(jī)構(gòu)，其形狀容易布置，也容易實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)優(yōu)化。直線形動(dòng)臂結(jié)構(gòu)的形狀簡單，容易制造，成本低，通常用于正轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)。 動(dòng)臂的斷面有單板、雙板和箱形三種結(jié)構(gòu)形式。單 板式動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，制造成本低，但扭轉(zhuǎn)剛度較差，中小型裝載機(jī)多采用單板式動(dòng)臂，而大型裝載機(jī)多采用雙板式或箱形斷面的動(dòng)臂，用于加強(qiáng)和提高抗扭剛度，從而使搖臂、連桿、轉(zhuǎn)斗油缸、鏟斗和都比的較點(diǎn)都布置在同一平面上。箱形斷面動(dòng)臂的強(qiáng)度和剛度較雙板式動(dòng)臂更好，但其結(jié)構(gòu)和加工均較復(fù)雜。 本節(jié)以 TZ08D 裝載機(jī)工作裝置動(dòng)臂為例，采用材料力學(xué)中的梁模型對動(dòng)臂結(jié)構(gòu)精確求解動(dòng)臂的應(yīng)力，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，減少材料用量，降低產(chǎn)品成本。 計(jì)算載荷工況 當(dāng)裝載機(jī)處于鏟斗掘起偏載工況時(shí)，鏟斗插入料堆，翻斗油缸工作， 動(dòng)臂油缸閉鎖。偏載為集中載荷，作用于距斗刃尖和鏟斗內(nèi)側(cè)壁各 100mm 處。 根據(jù)整機(jī)縱向穩(wěn)定性條件作用于鏟斗上最大的垂直載荷 N=G? L1/L=105 KN （ 224） 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（說明書） 32 式中 : G—— 裝載機(jī)操作重量 L1—— 整機(jī)重心離前橋中心水平距離 L—— 載荷 N 離前橋中心水平距離 以工作裝置為分析對象 ,分別取鏟斗、叉子掛接框?yàn)楦綦x體得翻斗油缸的作用力為 P= N? L3? L5? L2 ? L4= kN （ 225） 式中 : L2—— 搖臂中鉸孔中心線到轉(zhuǎn)斗缸中心線垂直距離 L3—— 搖臂中鉸孔中心線到拉桿中心線垂直距離 L4—— 鏟斗下鉸孔中心線到拉桿中心線垂直距離 L5—— 載荷 N 到鏟斗下鉸孔中心線垂直距離 由前面公式（ 224）（ 225）計(jì)算可得到 F1= N F2= N 建立動(dòng)臂強(qiáng)度分析力學(xué)模型 圖 219 TZ08D 裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)圖 （ 1）支座的簡化 在圖 219 中，工作裝置動(dòng)臂前面與叉子掛接框連接，使活動(dòng)端，后面與動(dòng)臂后座連接，是固定端，所以把這端利用固定鉸支座簡化表示，而另一端是活動(dòng)端。最后得到懸臂梁模型。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（說明書） 33 （ 2）載荷的簡化 在裝載機(jī)工作的時(shí)候，一般工作載荷為均勻載荷，為了方便計(jì)算可以將它簡化為集中力，作用在鏟斗中部。 經(jīng)過以上簡化得到工作裝置動(dòng)臂的計(jì)算簡圖，如圖 220 所示 圖 220 工作裝置動(dòng)臂的計(jì)算簡圖 G—— 動(dòng)臂結(jié)構(gòu)重力 N—— 外部載荷 F—— 動(dòng)臂油缸對動(dòng)臂所加的力 動(dòng)臂的校核計(jì)算 （ 1）彎矩的計(jì)算 分析裝載機(jī)工作的幾個(gè)工況可以看出，動(dòng)臂在舉升工況的時(shí)候受力最大，容易造成破壞，所以滿足了這一個(gè)工況，其他的工況也就會滿足強(qiáng)度要求了。下面就只校核工作裝置動(dòng)臂在舉升工況下的強(qiáng)度。 如圖 221 所示動(dòng)臂仍然受三個(gè)力分別是載荷的壓力，動(dòng)臂油缸的推力，還有自身的重力，以及支座的作用力。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（說明書） 34 圖 221 舉升工況下工作裝置動(dòng)臂的計(jì)算簡圖 在計(jì)算內(nèi)力的時(shí)候，一般應(yīng)先求出支座的反力。在現(xiàn)在的情況下，由于動(dòng)臂的右端是自由端，無需確定支反力，就可以 直接計(jì)算彎矩。在后梁 AC 范圍內(nèi)，把坐標(biāo)原點(diǎn)取在 A 點(diǎn)，并用截面 11 以右的外力來計(jì)算彎矩，得到 M1=NxX1=5x104x1=5x104Nm 取 B3 這一段為研究對象，在 33 截面左側(cè)受力分析得到 M2= NxX1+GxX2=5 x104+ x104= x104 Nm 取 AB 段為研究對象，在 22 截面右側(cè)受力分析得到 M3= NxX1+GxX2 –FxX3 = = x104Nm 取 A 端面授力分析得到 M4= x104 = x104Nm （ 2）彎矩圖的繪制 以 A 點(diǎn)為原點(diǎn)繪制動(dòng)臂的彎矩圖如圖 222 所示 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（說明書） 35 圖 222 動(dòng)臂的彎矩圖 由圖 222 可知截面 A 上的彎矩最大 Mmax=? 104 Nm （ 3） 彎曲應(yīng)力的計(jì)算 WMmaxmax ?? （ 226） W= 6 222211 hbhb ? （ 227） 根據(jù)圖 221 和公式 222 可以得到 W= 6 1536316575 22 ??? = 圖 45 動(dòng)臂的截面 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文（說明書） 36 由公式（ 226）計(jì)算可得 WMmaxmax ??=4 ???=132 MPa 查表可知 Q235 鋼的許用彎曲應(yīng)力 [? ]=158 MPa 比較得到 max? [? ] 因此可以得出結(jié)論，動(dòng)臂滿足強(qiáng)度要求，具有較大的安全儲備。 第三章 裝載機(jī)鏟斗運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型建立 Pro /Engineer 是美國 PTC 公司推出的，具有單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特征以及全相關(guān)等特點(diǎn)的產(chǎn)品。 Pro /Engineer 可以用來建立實(shí)體幾何模型，對所建模型進(jìn)行仿真和分析，通過模擬真實(shí)環(huán)境的工作狀況對其進(jìn)行分析判斷和干涉檢查，以盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷和潛在的失敗可能，提前進(jìn)行改善和修正。從而減少后期修改而付出的昂貴代價(jià)，縮短設(shè)計(jì)周期。其能夠?qū)⑸婕爸辽?產(chǎn)的全過程集成到一起，使所有的用戶能夠同時(shí)進(jìn)行同一產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造工作，即實(shí)現(xiàn)并行工程。 本章以 TZ08D 型裝載機(jī)為例，在 Pro／ Engineer 軟件環(huán)境下，對裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行三維實(shí)體建模為進(jìn)一步的干涉檢查、運(yùn)動(dòng)仿真與分