中南林業(yè)科技大學本科畢業(yè)設計ZL50裝載機鏟斗設計第第頁1引言裝載機是一種用途十分廣泛的工程機械，它可以用來鏟裝、搬運、卸載、平整散裝物料；也可以對巖石、硬石等進行輕度的鏟掘工作。如果換裝相應的工作裝置，還可以進行推土、起重、裝卸木料及鋼管等作業(yè)。因此，它被廣泛地應用于建筑、公路、鐵路、水電、港口、礦山及國防等工程中，對加快工程建設速度，減輕勞動強度，提高工程質量，降低工程成本具有重要作用，所以裝載機在國內外無論是在品種上或是在產量方面都得到迅速發(fā)展，稱為工程機械的主要品種之一。裝載機有單斗和多斗兩種；如按使用場合來區(qū)分，則可分為露天和井下兩種。工程機械上常用的是單斗裝載機。單斗裝載機的類型很多，有幾種分類方法。按發(fā)動機的功率可分為小型、中型、大型和特大型四種。按裝載方式可分為前卸式、回轉式和后卸式。按傳動形式，輪式裝載機可分為機械傳動、液力機械傳動、液壓傳動和電傳動。按其機架結構型式，輪胎式裝載機又可分為鉸接式裝載機和整體式車架裝載機。工作裝置是工程機械進行生產作業(yè)的裝置，該裝置直接影響到整機的生產率和經濟性，因此合理的設計有著重大意義，尤其是土方工程機械，作業(yè)過程中動力裝置的大部分能量消耗在挖掘土壤上。由于工作裝置的重量和成本只占整個機械的很小部分，因此，要降低挖掘土壤的能量，提高效率，從研究工作裝置人手，在通常情況下，僅耗用較少的材料和費用就能明顯地提高機械的性能，而機械的結構無須作重大改變。本次設計的是ZL50裝載機的鏟斗。在設計過程中參考了同類機型。2設計依據及主要技術指標發(fā)動機：6135K-9，額定功率：144KW，額定轉速：2200r/min；鏟斗堆裝斗容:，平裝斗容:2.4m；額定載重量:50KN；斗寬：2940mm（內側寬2900mm）；空車自重:15.8t；工作油泵:p=15Mpa,Q=320L/min；轉向油泵：p=10Mpa,Q=75L/min；變速箱操縱與變矩器補油泵p=1.5MpaQ=140L/min。3基本要求1．自己設計出鏟斗；2．自定焊接工藝及熱處理；3．校核斗齒強度；4．所有圖紙用AUTOCAD2000繪制，說明書Word2000。4鏟斗設計鏟斗是工作裝置的重要部件，工作條件惡劣，時常承受很大的沖擊載荷及劇烈的磨削，其結構形狀及尺寸參數(shù)對插入阻力、掘起阻力和生產率有著很大的影響。4.1鏟斗設計要求鏟斗設計要求滿足：插入及掘起阻力小，作業(yè)效率高；具有足夠的強度，剛度和耐磨性；適應鏟裝不同種類和重度的物料，具備不同結構型式和斗容的鏟斗。4.2鏟斗結構型式的選擇不同種類的鏟掘物料，需要不同結構形式的鏟斗，如圖1所示。通常鏟斗由切削刃，斗底，側壁及后斗壁組成。鏟斗切削刃的形狀根據所鏟裝物料的不同而異，通常分為直線形和非直線形（V形或弧形）兩種。直線形切削刃（見圖1（a））結構簡單，具有良好的平地性能，適用于裝載重度不超過16kN/m3，并且堆積比較松散的物料。非直線形切削刃（裝載機多用形）中間突出(見圖(b))，在鏟斗插入料堆時，切削刃的中部能形成很大的比切力，容易插入料堆，且對中性較好。但平地性能和裝滿系數(shù)均不如直線形切削刃鏟斗。裝有斗齒的鏟斗（（c）、(d)）在鏟斗插入物料時，插入力分布在幾個斗齒上，使每個斗齒形成很大的比壓，應此，具有良好的鏟入和掘起性能，適用于鏟裝堆積密實的物料及塊度較大的巖石。斗齒可以延長切削刃的使用壽命，同時磨損后也易于快速更換。斗齒的形狀對插入力有著一定的影響，試驗證明，非對稱、窄而長的斗齒比對稱的、短而寬的斗齒切削阻力要小?；【€或折線形鏟斗側刃的插入阻力比直線形側刃要小，但具有弧線或折線形側刃鏟斗的側壁較淺，物料易從兩側撒落，影響鏟斗的裝滿。這種形狀的鏟斗較適宜鏟裝巖石。本設計選用直線形帶齒鏟斗。(a)直線形斗刃鏟斗；(b)V形斗刃鏟斗，(c)直線形帶齒鏟斗；（d）V形帶齒鏟斗圖1鏟斗結構型式簡圖4.3鏟斗基本參數(shù)的確定鏟斗的主要參數(shù)是鏟斗的寬度和鏟斗的回轉半徑。1）鏟斗的寬度：是鏟斗的主要基本參數(shù)。鏟斗寬度應大于裝載機前輪外側寬度。若小于前輪外側寬度，則鏟斗鏟取物料后所形成的料堆階梯，會損傷輪胎側壁，并增加行駛阻力。2）鏟斗回轉半徑：是指鏟斗和動臂鉸銷的中心與鏟斗切削刃之間的距離。由于鏟斗的回轉半徑不僅影響掘起力的大小，而且與裝載機的卸載高度和卸載距離等總體參數(shù)有關，所以鏟斗的其他參數(shù)都是根據它來確定的。下圖2所示為鏟斗基本參數(shù)簡圖。鏟斗的回轉半徑按下式計算：R===1.20m圖2鏟斗基本參數(shù)簡圖式中:R———鏟斗的回轉半徑,m；———鏟斗平裝幾何容量,=2.4m3；W———鏟斗內側寬度，W=2.9m；———鏟斗斗底長度系數(shù)，取=1.45；———后斗板長度系數(shù),取=1.15；———擋板高度系數(shù)，取=0.13；———斗底與后斗板直線間的圓弧半徑系數(shù),取=0.37；———擋板與后斗板之間的夾角,取=；———斗底與后斗板之間的夾角，取=。3）鏟斗的斷面形狀參數(shù)：斗的圓弧半徑r，張開角，擋板高度和底壁長等四個參數(shù)。圓弧半徑r大，物料進入鏟斗的流動性好，物料裝入斗內阻力減小，卸載快而干凈；但圓弧半徑r過大，斗的開口太大，物料不易裝滿，且鏟斗較高，不利駕駛員觀察鏟斗刀刃作業(yè)情況。擋板高度過小，易漏料；過大則增加鏟斗外形，影響駕駛員視線。后斗壁長，則斗插入料堆深度大，斗易裝滿，但由于力臂的增大而使掘起力減小，插入阻力隨斗插入料堆的深度而急劇增加，還影響卸載高度；后斗壁短，則掘起力大，并由于卸料時鏟斗刃口降落的高度小，可以減少動臂舉升高度，縮減作業(yè)時間。對鏟裝輕質物料為主的鏟斗，后斗壁長度可以選用大些；對鏟裝巖石料的鏟斗，應取小些。斗底的長度是指由鏟斗切削刃到后斗底與后斗板交點的距離：==1.451.20=1.74m后斗板長度是指由后斗板上緣到與斗底交點的距離：==1.151.20=1.38m擋板高度=0.131.20=0.156m鏟斗圓弧半徑r==0.371.20=0.444m鏟斗動臂鉸銷距斗底的高度=0.09=0.091.20=0.108m鏟斗側板切削刃相對于斗底的傾角=55°在選擇時，要使得側板切削刃與擋板的夾角為90°，切削刃的削間角4.4鏟斗容量的計算鏟斗基本參數(shù)確定后，就可以根據鏟斗的幾何尺寸來確定斗容量。如圖3所示。有擋板鏟斗鏟斗容量按下式計算：鏟斗平裝容量：=堆尖部分體積：鏟斗額定容量：式中:———標定面以下的鏟斗內部橫截面面積,；———鏟斗內側寬度,；———鏟斗中部切削刃口與后斗板上緣之間的距離,；———擋板高度,；———物料堆積高度,。圖3有擋板鏟斗故所設計鏟斗的容量與標準容量相差不大，故合適。以下為S的計算式5鏟斗的強度計算裝載機的作業(yè)條件是復雜多變的，即使在同樣的作業(yè)條件下，由于工作位置及作業(yè)工況的不同，鏟斗的受力也不一樣。因此鏟斗的強度計算包括：1.確定受力最大的計算位置；2.選取受力最大的典型工況；3.對鏟斗進行受力分析；4.對鏟斗上的銷軸和斗齒進行強度校核。5.1確定鏟斗的計算位置通過分析裝載機鏟斗插入鏟斗料堆、鏟掘、運輸、提升和卸載等作業(yè)過程，可知裝載機在地面上鏟掘物料時，工作裝置的受力分析，可取裝載機在水平地面上（鏟斗斗底與地面的夾角為到）鏟掘時作為計算位置（圖4），并假設外載荷作用在鏟斗的切削刃上。5.2選取鏟斗受力最大的典型工況，確定外載荷由于作業(yè)條件和作業(yè)對象的不同，裝載機在實際作業(yè)時不可能使鏟斗切削刃均勻受載，但為計算方便可簡化為兩種極端情況：1.認為載荷是沿著切削刃均勻分布，并已作用在切削刃中部的集中載荷來來替其均勻載荷，稱為對稱受載。由于鏟斗偏載或物料密實程度不勻，使載荷偏于鏟斗一側，稱為偏載。形為偏載情況時，可認為簡化后的集中載荷作用在鏟斗一側的第一斗齒上。裝載機在鏟掘過程工作裝置受力最大有以下三種情況：a.裝載機向前運動，鏟斗水平插入料堆，工作裝置油缸閉鎖，此時認為物料對鏟斗的阻力水平作用在切削刃上；b.鏟斗水平插入料堆足夠深度后，向后翻轉鏟斗或提升動臂，此時認為鏟斗切削刃只受垂直力的作用；c.裝載機勻速前進，鏟斗插入料堆一定深度時，邊插入邊轉斗或邊插入邊提升動臂，此時認為鏟斗的切削刃上同時受水平阻力和垂直阻力。綜上分析，可得出工作裝置受力最大的六種工況（如圖5所示）其中以工況f下的各構件受力大。圖4工作裝置強度計算位置5.3鏟斗的受力分析工作裝置實際上是一個空間超靜定系統(tǒng)，受力情況復雜，精確計算比較繁瑣，為了方便計算，作以下假設：鏟斗及其支承橫梁不影響動臂的受力與變形；動臂軸線與搖臂、連桿軸線處于同一平面內。通過以上假設，將工作裝置這樣一個空間超靜定結構，簡化成了一個簡單的平面力系。對于對稱受力工況，由于動臂是一個對稱結構，兩動臂受力大小相同，所以可以取工作裝置的一側進行受力分析，并取外載荷的一半進行計算，即(a)水平對稱工況；(b)垂直對稱工況；(c)水平和垂直同時作用對稱工況；(d)水平偏載工況；(e)垂直偏載工況；(f)水平核垂直同時偏載工況圖5工作裝置典型工況圖對于偏載工況，近似的用簡支梁的方法，求出分配在左,右動臂平面內的等效力和（圖6）。圖6工作裝置受力分析簡圖5.4工況f下的相關計算5.4.1水平阻力式中:———裝載機自重，；———裝載機重心到前輪中心之間在坐標上的距離，；———垂直力的作用點到前輪中心之間在坐標上的距離，；———前橋載荷，；———軸距,。5.4.2裝載機空載時滾動阻力式中:———綜合的滾動阻力系數(shù)，??；———分別驅動輪和從動輪之載荷；。5.4.3垂直阻力式中:———發(fā)動機有效功率，；———發(fā)動機轉速，；———發(fā)動機至驅動輪一檔總傳動比；———傳動系效率；———工作油泵功率，；———車輪的動力半徑，。a)式中:———裝載機的額定牽引力，；———裝載機插入料堆的理論作業(yè)速度（前進一檔速度）,；———傳動系統(tǒng)總效率,液力機械傳動取；———輔助油泵輸出的壓力，；———輔助油泵的流量，；———油泵效率，一般取。a.1根據總體參數(shù)合理匹配的原則，為使裝載機在正常工作時，鏟斗能插入料堆一定的深度，裝載機的額定牽引力應等于插入阻力，即又式中:———插入阻力，；———物料塊度及松散程度影響系數(shù)，；———物料種類影響系數(shù)，；———料堆高度影響系數(shù)，；———鏟斗形狀系數(shù)，；———鏟斗插入料堆深度，；———鏟斗寬度，。故a.2變速箱操縱與變矩器補油泵，；工作油泵，；轉向油泵CB46型，；故b.發(fā)動機至驅動輪一檔總傳動比式中：———傳動系統(tǒng)中的雙渦輪液力機械變矩器的傳動比，；———行星式動力換擋變速箱的傳動比，；———行星式輪邊減速器的傳動比，；———液力變矩器的傳動比，；———變矩器的效率，；———變矩系數(shù)，。c.輪胎的動力半徑輪胎的規(guī)格由于輪胎的靜力半徑和動力半徑之間的差別不大，因此可以認為。故故可得，5.4.4外載荷的計算5.5鏟斗的相關計算如圖7所示，取鏟斗為分離體，根據平衡原理有則有===式中鏟斗重量圖7鏟斗受力分析圖5.6銷軸強度校荷裝載機工作裝置鉸銷的一般結構及受力情況如圖所示。目前裝載機工作裝置上采用密封式銷軸，即銷軸軸套的端部加一個密封圈，密封圈可以防止?jié)櫥瑒┬孤┘盎覊m進入，可以延長銷軸和軸套的使用壽命及減少定期潤滑的次數(shù)，使日常維修工作所耗時間及費用減少。目前軸套多用復合套（金屬和多種聚合物制成）或軸承代替，安裝使用性能耗，使用壽命長。5.6.1與連桿聯(lián)接處的銷軸的強度計算銷軸的彎曲應力式中：———銷軸的彎曲應力，；———計算載荷，是銷軸所受載荷的一半，,N；———銷軸彎曲強度計算長度，；———銷軸的直徑,；———銷軸的抗彎斷面系數(shù)，，。圖8工作裝置鉸銷其中，，式中的意義如圖8所示。銷軸支座的擠壓應力為強度計算中所用的許用應力可按下式選取式中：———材料的屈服極限，國內裝載機工作裝置的銷軸材料常用40Cr鋼，其屈服極限取；———安全系數(shù)，一般規(guī)定，考慮工程機械工作繁重，作業(yè)條件惡劣及計算上的誤差，取。5.6.2與動臂聯(lián)接處的銷軸的強度計算銷軸的彎曲應力圖9工作裝置鉸銷式中：———銷軸的彎曲應力，；———計算載荷，是銷軸所受載荷的一半，,N；———銷軸彎曲強度計算長度，———銷軸B的直徑,；———銷軸的抗彎斷面系數(shù)，，。其中，；式中的意義如圖9所示。銷軸支座的擠壓應力，強度計算中所用的許用應力可按下式選取式中：———材料的屈服極限，國內裝載機工作裝置的銷軸材料常用40Cr鋼，其屈服極限取；———安全系數(shù)，一般規(guī)定，考慮工程機械工作繁重，作業(yè)條件惡劣及計算上的誤差，取。5.7斗齒的設計和強度校核及熱處理：5.7.1斗齒的選材斗齒是裝載機裝載時主要的刀具，它的選材必需要有很強的硬度，選斗齒的材料為ZGMn13，因為它強度，耐磨性和淬透性較高具有很好的機械性能。5.7.2斗齒的設計本設計選用分體式斗齒。該斗齒由齒尖、基本齒和固定銷組成。斗齒的寬度選為49，采用沉頭方頸螺栓連接，螺栓為GB/T,螺母6170-86，墊圈97.1-8520-140HV。5.7.3斗齒強度的校核經分析可知，鏟斗受力最大時，螺栓斷面是危險斷面，應校核鏟斗螺栓的強度。受拉螺紋部分的強度式中：———螺栓所受的總拉力，，N；———螺栓的直徑，；———緊連接螺栓的許用拉引力，；S———安全系數(shù)，取S=1.2.所以斗齒滿足設計的需要。5.7.4斗齒的熱處理工藝：淬火：將加工好的鏟斗斗齒，加熱到820度，保溫10分鐘使斗齒充分受熱；然后采用油冷卻淬火，淬火后，斗齒的硬度大幅度的提高，可以滿足鏟斗斗齒的設計需要。6鏟斗主要部件的選材和熱處理6.1兩側刀片的選材和熱處理選擇刀片的材料為ZG45Mn。其耐磨性和淬透性較高，調質后有良好的綜合機械性能，也可以正火后使用，符合裝載機對兩側刀片的要求。熱處理是正火回火。正火是將鋼加熱到或以上30～50度，保溫一定時間，然后再以稍快于退火冷卻速度（如空冷、風冷等）冷卻。主要作用降低硬度，便于切削；細化晶粒，改善組織，提高機械性能；消除內應力，為下一道工序做準備；提高鋼的塑性和韌性，便于冷沖、拉、壓、拔加工。回火是將鋼件選材重新加熱到以下的某一溫度，保溫一段時間，然后置于空氣或水中冷卻的方法，主要作用是消除因冷卻快產生的內應力，降低脆性，以減小工件變形和開裂；調整工件硬度，提高塑性和韌性，以獲得工件所要求的機械性能；穩(wěn)定工件尺寸。6.2加強板的選材和熱處理加強板在鏟斗中作用是增加鏟斗的強度的，也起著增加斗容的作用。加強板的材料選擇是低合金高強度結構鋼16Mn。熱處理為正火回火。要求安裝時焊接，要焊前預熱，焊后保溫緩冷，采用此種方法有效防止了冷裂紋的產生。焊接要求雙面焊，滿焊，不得有殘渣、氣孔和漏焊。6.3側板的選材和熱處理側板是鏟斗的主要部件，側板的尺寸大小直接影響著鏟斗的容量和載重量側板的選擇的材料是低合金高強度結構鋼16Mn，它可以滿足設計的需要。熱處理為正火回火。6.4斗壁的選材和熱處理斗壁和側板等共同圍成的幾何結構正是鏟斗的容積。斗壁選擇的材料為低合金高強度結構綱16Mn，16Mn可以滿足鏟斗設計的需要。熱處理為正火回火。7焊接工藝ZL50裝載機的鏟斗各部件采用焊接的方式來聯(lián)接。7.1焊接的優(yōu)點焊接結構與鉚釘、螺栓連接或者鑄造、鍛造方法相比，具有很多的優(yōu)點：1.焊接接頭強度高；2.焊接金屬結構設計的靈活性大；3.任何大型的焊接金屬結構，均可以在起重運輸條件允許的尺寸和重量氛圍內，將它分成若干個部件，分別制造或焊接成若干段，然后運至工地吊起組裝并焊接成整體；4.由于剛才市場上各種型號和規(guī)格的扎制型鋼基本上都很齊全，因此焊接金屬結構均可以充分利用這些型鋼組焊成所需要的結構形狀；5.與鉚接或者螺栓連接相比，焊接金屬結構的整體質量最輕，不但節(jié)省剛才，而且節(jié)省了安裝金屬結構的基礎造價；6.焊接厚度可達幾十毫米，這對于鉚接或螺栓連接卻是難以做到的；7.最適應制作大型或者重型且是單件生產的產品結構，另外，結構變更或改型很快；8.制作周期較短，制造工時較少，焊前準備工作簡單，焊后立即可以應用，無需像混凝土結構那樣的保養(yǎng)期，因而制造成本較低；9.成品率較高，一旦出現(xiàn)焊接缺陷，一般都是可修復的，很少出現(xiàn)廢品；10．可以很方便地實現(xiàn)與其他連接方法聯(lián)合使用；11.在一個金屬結構上，按照實際需要在不同部位選用不同性能，不同材質的鋼材，實現(xiàn)異種鋼材的焊接，做到物盡所用；12.焊接接頭密封性好，焊接處的氣密和液密性能是其他連接方法無法比擬的，特別在高溫、高壓容器的結構上，只有焊接才是最理想的連接形式；13.結構的變更與改型快，而且容易；14．如果在焊接結構上的焊縫很有規(guī)則，就容易實現(xiàn)高效率的機械化和自動化焊接生產，綜合經濟效益極為顯著。7.2焊接要求1.采用手工電弧焊焊機焊接；2.因為鋼板的厚度一般都在6到10毫米，所以選擇的焊條的直徑為5毫米，參看《金屬結構的設計和制造》第六章金屬結構的焊接，采用E4303型焊條，在使用前必須烘干，烘干溫度為200度，并保溫1到2小時；3.電弧電壓、焊接傾角、焊接電流選擇合適；4.電源極性：直流電源反接，既工件接負極，焊絲接正極；5.接頭為對接接頭，焊腳高6mm，要求鋼板兩面都要施焊；6.滿焊，不得有殘渣、氣孔和漏焊，焊接要求雙面焊；7.焊接時要注意到焊接對材料的影響；8.要防止焊接熱裂紋；9.焊接鏟斗時盡量均勻對稱施焊，尤其主刃板與斗底板、斗壁板的對接焊縫要進行分遍分段施焊，降低焊接熱輸入量和焊接熱集中程度，使正反兩面焊縫的焊接變形量相互抵消。10.鏟斗焊接組焊過程分三步。第一，斗壁板卷板；第二，斗壁板與斗側板組焊，對接主刃板，鋪斗底板，與支承板一起上胎組焊鏟斗；第三，焊接。三步工序相互獨立順序進行互步干涉。11.斗底板與主刃板及其它對接間隙選擇合適且均勻，否則焊縫冷卻后，會使斗底板、斗壁板和主刃板產生相應的焊接變形。與斗壁板之間采用分布均與的圓孔斷續(xù)焊接。12.要保證斗底板的平整，使其不會因步平整或其他原因使斗底板局部高出兩側斗側板或主刃板，破壞主刃板與兩側板構成的平面。結論此次設計的是長為2.9米，回轉半徑為1.20米，堆裝斗容為3的裝載機的鏟斗，并進行了相應的強度校荷，且滿足使用要求。由于知識面有限，此次設計中難免會出現(xiàn)錯誤和遺憾，希望各位指定老師批評指正。致謝在本次畢業(yè)設計中，得到了王坤明老師、鄧民涯老師、譚躍輝老師以及朱洪前老師的精