多功能工程機(jī)裝載工作裝置設(shè)計(jì)

多功能工程機(jī)裝載工作裝置設(shè)計(jì)

工作裝置是直接在承載工具中裝載材料的系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)整個(gè)機(jī)器的工作規(guī)模、性能參數(shù)、電機(jī)功率和生產(chǎn)能力有顯著影響。因此,它的設(shè)計(jì)在整機(jī)設(shè)計(jì)中占有十分重要的地位。目前,常用的裝載機(jī)工作裝置由鏟斗、動(dòng)臂、連桿、搖臂、轉(zhuǎn)斗油缸、動(dòng)臂油缸等組成。一般對(duì)裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)要求有:1)動(dòng)臂舉升過(guò)程中,鏟斗上翻角(或稱收斗角)的變化盡量小,保持物料不撒落;2)動(dòng)臂舉升時(shí)刃切削軌跡符合工況要求,且鏟掘時(shí)掘起力變化規(guī)律符合工作要求;3)連桿系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,不得出現(xiàn)“死點(diǎn)”和“撕裂”現(xiàn)象,工作機(jī)構(gòu)各構(gòu)件之間,不允許發(fā)生“干涉”;4)傳動(dòng)角的變化范圍有一定的限制,以保證工作裝置的傳力性能良好;5)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)應(yīng)省力,作業(yè)時(shí)所消耗的功率要盡量小;6)轉(zhuǎn)斗油缸活塞桿伸長(zhǎng)不變,當(dāng)動(dòng)臂油缸從最高位置到最低位置時(shí),鏟斗應(yīng)能自動(dòng)呈插入料堆狀態(tài),以簡(jiǎn)化司機(jī)操作;7)保證在動(dòng)臂舉升的任意位置上都能卸載,即鏟斗卸料角大于45°;8)工作裝置的極限工作空間、最大卸料高度及最大卸料距離等應(yīng)滿足整機(jī)性能要求。由此可見(jiàn),要設(shè)計(jì)出完全滿足上述要求的工作裝置相當(dāng)困難。目前,國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)工作裝置的方法有三種,即類(lèi)比作圖試湊法、優(yōu)化設(shè)計(jì)法和解析法。最常用的設(shè)計(jì)方法是類(lèi)比作圖試湊法,這種方法盲目性大,需多次作圖試湊,工作量很大,而且設(shè)計(jì)精度較差。個(gè)別單位也開(kāi)始采用解析法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,但使用效果并不理想,仍然未能全面解決卸料性與平移性、動(dòng)力性與鏟斗自動(dòng)放平性之間的矛盾。近來(lái),國(guó)內(nèi)外一些廠家開(kāi)始研究裝載機(jī)的新型工作裝置,并已在多功能工程機(jī)裝載部分實(shí)現(xiàn),如斯洛伐克ZTS集團(tuán)生產(chǎn)的UNC-060型多功能工程機(jī)和泰安柴油機(jī)廠生產(chǎn)的ZLY10W型多功能工程機(jī)等。本文參照這些多功能工程機(jī)裝載部分的機(jī)構(gòu),對(duì)裝載機(jī)新型工作裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了初探性研究。1機(jī)構(gòu)工作原理新型工作裝置由鏟斗、動(dòng)臂、轉(zhuǎn)斗油缸、動(dòng)臂油缸、鏟斗平移引導(dǎo)油缸以及連接轉(zhuǎn)斗油缸和鏟斗平移引導(dǎo)油缸的油管等組成,工作原理見(jiàn)圖1。轉(zhuǎn)斗油缸和鏟斗引導(dǎo)油缸的有桿腔與有桿腔之間、無(wú)桿腔與無(wú)桿腔之間由油路互通,并處于常通浮動(dòng)狀態(tài)。鏟斗收斗和卸料可以依靠液壓控制閥鎖定鏟斗平移引導(dǎo)油缸,由轉(zhuǎn)斗油缸單獨(dú)工作來(lái)實(shí)現(xiàn)。動(dòng)臂油缸將動(dòng)臂抬起,使動(dòng)臂繞A點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)Δα角度,動(dòng)臂在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí),將鏟斗平移引導(dǎo)油缸的BC邊壓縮,無(wú)桿腔的油被擠到轉(zhuǎn)斗油缸的無(wú)桿腔,將轉(zhuǎn)斗油缸的EF邊伸長(zhǎng),從而帶動(dòng)鏟斗繞D點(diǎn)相對(duì)動(dòng)臂順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)Δθ角度。如果能使Δα=Δθ,那么鏟斗在這兩個(gè)位置就能實(shí)現(xiàn)剛體平動(dòng)。由此可見(jiàn),新型工作裝置的工況要求是由液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,它將會(huì)使裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化。2定轉(zhuǎn)斗油缸和機(jī)制新型工作裝置的設(shè)計(jì),關(guān)鍵是如何合理地確定轉(zhuǎn)斗油缸和鏟斗平移引導(dǎo)油缸的安裝位置和尺寸,使Δα≈Δθ,以保證動(dòng)臂在提升或落下的過(guò)程中,鏟斗始終是保持平移運(yùn)動(dòng)。2.1變化率的測(cè)定為了研究問(wèn)題的方便,取鏟斗平移引導(dǎo)油缸和轉(zhuǎn)斗油缸的直徑及行程完全相等,而且令其安裝三角形尺寸也相等(見(jiàn)圖1),則AC=DF=a,AB=DE=b。如圖2所示,A、D點(diǎn)分別表示動(dòng)臂和鏟斗的回轉(zhuǎn)中心;BC和EF分別表示引導(dǎo)油缸和轉(zhuǎn)斗油缸對(duì)應(yīng)于角α和θ時(shí)活塞桿的長(zhǎng)度;由0°順時(shí)針轉(zhuǎn)到180°一邊表示引導(dǎo)油缸活塞桿的長(zhǎng)度變化,由180°順時(shí)針轉(zhuǎn)到0°一邊表示轉(zhuǎn)斗油缸活塞桿的長(zhǎng)度變化。假設(shè)動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)Δα角,引導(dǎo)油缸的C點(diǎn)轉(zhuǎn)到C1,活塞桿的壓縮量為ΔL=BC=BC1;而轉(zhuǎn)斗油缸的F點(diǎn)轉(zhuǎn)到F1點(diǎn),活塞桿的伸長(zhǎng)量為ΔL′=EF1-EF,鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為Δθ。因?yàn)閮蓚€(gè)平動(dòng)油缸直徑相等,所以任一瞬間都有ΔL=ΔL′。如果在任一瞬間ΔL=ΔL′的情況下,都能使得Δα=Δθ,那么,任一瞬間鏟斗都是平動(dòng)的。由圖2有:L=√a2+b2-2abcosα?L′=√a2+b2-2abcosθL=a2+b2?2abcosα??????????????√?L′=a2+b2?2abcosθ??????????????√。令a2+b2=M,2ab=N,則有:L=√Μ+Νcosα(1)L′=√Μ-Νcosθ(2)L=M+Ncosα??????????√(1)L′=M?Ncosθ??????????√(2)對(duì)式(1)、(2)取一階導(dǎo)數(shù),則函數(shù)L=f(α)和L′=f(θ)的變化率分別為:dL/dα=Νsinα/√2(Μ-Νcosα)(3)dL′/dθ=Νsinθ/√2(Μ-Νcosθ)(4)dL/dα=Nsinα/2(M?Ncosα)????????????√(3)dL′/dθ=Nsinθ/2(M?Ncosθ)????????????√(4)據(jù)(1)～(4)式,可作函數(shù)L=f(α)、L′=f(θ)及dL/dα、dL′/dθ的曲線,參見(jiàn)圖3。由圖4可知,L=f(α)和L′=f(θ)是兩條完全重合的曲線。不同之處是當(dāng)α角減小時(shí),θ角增加;反之亦然。保持鏟斗平移的條件是:當(dāng)ΔL=ΔL′時(shí),Δα=Δθ。由于函數(shù)L=f(α)及L′=f(θ)的變化率不是常數(shù)(非線性的),不能使用曲線的任意一段為工作段。因此,滿足鏟斗平移條件只有兩種可能。1橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的增量利用中心對(duì)稱的性質(zhì),在點(diǎn)A的兩側(cè)取增量,并令ΔL=ΔL′,則橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的增量Δα=Δθ。根據(jù)曲線中心對(duì)稱原理設(shè)計(jì)平移機(jī)構(gòu)時(shí),只要找出對(duì)稱中心的橫坐標(biāo)αg,并在α=αg兩側(cè)對(duì)稱布置兩油缸的初始安裝角,即可得到:當(dāng)ΔL=ΔL′時(shí),Δα=Δθ。23函數(shù)l.f和l=f是對(duì)稱軸，圖4b顯示了l-f和l-f利用曲線的同軸對(duì)稱性質(zhì),在對(duì)稱軸兩側(cè)當(dāng)ΔL=ΔL′時(shí),必定有Δα=Δθ。2.2cos2sin曲線的對(duì)稱中心必定是曲線的拐點(diǎn),但拐點(diǎn)不一定都是對(duì)稱中心,要判斷其拐點(diǎn)兩側(cè)的對(duì)稱性才能確定。當(dāng)曲線為中心對(duì)稱時(shí),在拐點(diǎn)處的二階導(dǎo)數(shù)為零,且二階導(dǎo)數(shù)過(guò)拐點(diǎn)時(shí)改變符號(hào)。據(jù)(3)式,取L=f(α)的二階導(dǎo)數(shù)得:d2Ldα2=√Μ-Νcosα(2Νcosα-Ν2sin2αΜ-Νcosα)4(Μ-Νcosα)(5)d2Ldα2=M?Ncosα√(2Ncosα?N2sin2αM?Ncosα)4(M?Ncosα)(5)令d2Ldα2=0d2Ldα2=0,則有:2Νcosα-Ν2sin2α/(Μ-Νcosα)=0(6)解方程得:cosα=(Μ±√Μ2-Ν2)/Ν(7)將M=a2+b2,N=2ab代入式(6)得根[cosα]1=b/a,[cosα]2=a/b。因已給定a>b,因此只能取cosα=b/a,所以有:αg=arccos(b/a)(8)同理可求得:θg=arccos(b/a)(9)αg、θg分別表示曲線L和L′拐點(diǎn)的橫坐標(biāo),由(8)、(9)式可知,兩條曲線是重合的。由式(5)和式(8)很難得出函數(shù)d2Ld2α在拐點(diǎn)αg處改變符號(hào)的結(jié)論。由圖3可知,L=f(α)在0～π之間只有一個(gè)拐點(diǎn)。若αg=π/2時(shí),曲線L在此拐點(diǎn)兩側(cè)是對(duì)稱的,但因?yàn)閍<b,b≠0,a≠∞,所以cosα≠0,即αg≠π/2,這說(shuō)明該拐點(diǎn)不是對(duì)稱中心,即曲線L在0～π之間不是中心對(duì)稱。同理,曲線L′在0～π之間亦不是中心對(duì)稱。2.3工作裝置的設(shè)計(jì)工作裝置的平移精度與定邊長(zhǎng)a和b以及它們的安裝角α、θ關(guān)系很大(見(jiàn)圖1)。通過(guò)上述分析得知,曲線L或L′在0～π之間做不到完全中心對(duì)稱。但在b遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于a即當(dāng)b/a值很小時(shí),αg很接近π/2,拐點(diǎn)兩側(cè)的曲線L或L′的變化率(一階導(dǎo)數(shù))是近似中心對(duì)稱的。根據(jù)這一原理,可以設(shè)計(jì)裝載機(jī)的工作裝置。在確定b/a值時(shí),還要考慮油缸和動(dòng)臂鉸點(diǎn)的布置以及總體結(jié)構(gòu)尺寸等因素,一般可取b/a=0.18～0.30,相應(yīng)的αg=72°～79°。為減小平移誤差,應(yīng)選取拐點(diǎn)附近的曲線為工作段,因?yàn)樵诠拯c(diǎn)附近曲線兩側(cè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的變化率相差最小。設(shè)動(dòng)臂工作角度變化范圍為αT,則αT=α2-α1,參見(jiàn)圖3。一般可取αT=0°～75°,故兩油缸的初始安裝角(見(jiàn)圖1)為:α=θ1=