基于AutoCADZL20EFBD裝載機(jī)工作裝置平移性和自動(dòng)落平設(shè)計(jì)

王凱強(qiáng)，王登化

基于AutoCADZL20EFBD裝載機(jī)工作裝置平移性和自動(dòng)落平設(shè)計(jì)

王凱強(qiáng)1,3，王登化1,2,3

（1.常州科研試制中心有限公司，江蘇 常州 213023；2.江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013；3.江蘇省煤礦井下防爆車輛重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213023）

文章介紹了基于AutoCAD反向圖解法確定ZL20EFB裝載機(jī)工作裝置的各鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)的方法和步驟，并用Solidworks機(jī)構(gòu)仿真對(duì)得到的鉸點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，證明結(jié)果顯示用這種方法得到的鉸點(diǎn)是滿足工作裝置平移性和自動(dòng)落平的設(shè)計(jì)要求。

反向圖解法；反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)；仿真

1 裝載機(jī)工作裝置介紹

裝載機(jī)工作裝置是由運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立的連桿機(jī)構(gòu)和動(dòng)臂舉升機(jī)構(gòu)兩部分組成的反轉(zhuǎn)六連桿工作裝置，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是裝載機(jī)的核心部件，其設(shè)計(jì)水平將直接關(guān)系裝載機(jī)的工作性能。工作裝置有四個(gè)典型的工況，如圖1所示。在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面．鏟斗最大卸載高度、最小卸載距離、舉升平移性、自動(dòng)放平性和各個(gè)位置的卸載角等是必須滿足的。工作裝置目前主要有四種設(shè)計(jì)方法，即優(yōu)化設(shè)計(jì)法、解析法、AutoCAD及類比作圖試湊法。

對(duì)于轉(zhuǎn)斗缸的缸體端在前車架上的位置，其鉸接點(diǎn)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：1）傳力比大；2）鏟斗在裝滿料收斗后的舉升過程中應(yīng)基本保持平移。依據(jù)鏟斗及機(jī)構(gòu)形式的差異,鏟掘下限位置時(shí)收斗角一般取40°～50°，上限位置時(shí)收斗角應(yīng)小于60°,同時(shí)必須保證任意兩個(gè)位置的收斗角之差不大于15°，滿足平移性要求；3）在任意位置,鏟斗都能夠卸料干凈；4）上限位置卸料后,動(dòng)臂下降至地面位置時(shí),靠工作機(jī)構(gòu)自身運(yùn)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)鏟斗的自動(dòng)放平。

圖1 機(jī)構(gòu)及工況

鏟斗平移性、自動(dòng)放平性、卸料性、卸料距離、卸料高度、掘起力和連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比,是裝載機(jī)七項(xiàng)重要工作性能重要指標(biāo)。目前，部分企業(yè)主要還是采用傳統(tǒng)的類比作圖試湊法，該方法不但工作量大，而且很難獲得最優(yōu)的方案。本文發(fā)明一種AutoCAD反向圖解法解決這個(gè)鏟斗平移性及自動(dòng)放平性。放平和卸料位置確定，當(dāng)點(diǎn)G落在FFx連線的垂直平分線上時(shí)，可滿足自動(dòng)放平性；收斗和舉升當(dāng)點(diǎn)位置確定，G落在FsFg'連線的垂直平分線上時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放平。鏟斗的收斗角和上限位置角均會(huì)影響F點(diǎn)的具體位置。本文采用AutoCAD，連桿自下向上地設(shè)計(jì)滿足平移性和自動(dòng)放平性的要求。

2 確定機(jī)構(gòu)各鉸點(diǎn)的步驟

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定A點(diǎn)。先將鏟斗按下圖2，分別作出放平、收斗、舉高和卸料四種狀態(tài)，并將其編輯為圖塊。其次將設(shè)計(jì)要求做出四種工況圖，連線BBx做中垂線，轉(zhuǎn)動(dòng)角一般78°-82°，按82°設(shè)計(jì)，確定A點(diǎn)，確定動(dòng)臂長(zhǎng)度。

圖2 四種狀態(tài)及A、D點(diǎn)確定

（2）確定D點(diǎn)。初選連桿長(zhǎng)度，一般550-630mm，取590mm，連線BC，過C點(diǎn)半徑590mm圓與AB交于P點(diǎn)，另一點(diǎn)Pz，PPz連線延長(zhǎng)線交于過Cx點(diǎn)半徑590mm圓于Dx,檢驗(yàn)BxCx和CxDx夾角必須大于10°，否則按夾角10°取Dx；連接CPz，以此線為中垂線，鏡像P點(diǎn)，得到D點(diǎn)。為保證機(jī)構(gòu)不產(chǎn)生死角滿足動(dòng)力性，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程 CBD不允許共線，即BC和CD連桿線不允許成0°或180°，一般至少10°安全余量，即10°到170°，所以BxCx和CxDx夾角必須大于等于10°，見圖2。

（3）確定E點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)和搖臂線。連接DxDs,過D點(diǎn)做DxDs平行線，即搖臂線，再做DDs中垂線，交于E點(diǎn)，然后E點(diǎn)繞A點(diǎn)旋轉(zhuǎn)82°即Ex，EF=(0.7～1.0)DE，∠DEF=130°～180°，初選F點(diǎn)，然后以E點(diǎn)為圓心，EF為半徑畫圓，確定Fs。以Ex為圓心 EF為半徑畫圓，連線DxEx并延長(zhǎng)交于Fx，見圖3。

（4）確定G點(diǎn)。連接FsFg和FxF 并分別做中垂線，中垂線交點(diǎn)和或中垂線和AB線區(qū)域?yàn)镚點(diǎn)區(qū)域，一般取AB上中垂線之間線段中點(diǎn)為G點(diǎn)或中垂線交點(diǎn)為G點(diǎn)，見圖3。

圖3 E、F、G及L和H點(diǎn)的確定

（5）確定L和H點(diǎn)。連接BBx，過Ex做平行線分別交ABx AB于Lx和L，然后過Lx做AB垂線，然后以Lx為圓心，以LxL為半徑做圓交于H點(diǎn)，見圖3。檢查4工況

圖4 油缸尺寸和行程確定及鏟斗平移性

（6）以Solidworks驗(yàn)證平移性和自動(dòng)放平性。依據(jù)在AutoCAD中所確定的鉸點(diǎn)，以地面的投影為坐標(biāo)原點(diǎn)來確定A～G點(diǎn)的坐標(biāo)，以Solidworks建立虛擬樣機(jī)模型，在各鉸點(diǎn)之間建立相應(yīng)的約束，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定舉升缸和轉(zhuǎn)斗缸的行程并按圖4計(jì)算行程驅(qū)動(dòng)油缸。翻斗底面相對(duì)X軸正方向的角度用函數(shù)來測(cè)量，計(jì)算載荷穩(wěn)定后一個(gè)嚙合周期的嚙合振動(dòng)，利用EDRST和EDHTIME命令設(shè)置求解步和輸出結(jié)果。

利用WDWRITE命令輸出K文件，并進(jìn)行計(jì)算。結(jié)算后使用后處理器LS-PREPOST打開計(jì)算結(jié)果d3plot文件，可以查看嚙合過程中的力和變形。根據(jù)三檔的工況，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪靜態(tài)法向嚙合力為5694.8N，嚙合力曲線在5700N上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍大約在4000N—7500N。

通過動(dòng)態(tài)分析還發(fā)現(xiàn)兩齒輪在嚙合過程中齒面與齒面接觸點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)變較大，齒根處應(yīng)力最大，在脫離嚙合的過程中逐漸減小，直至消失。嚙合曲線在靜態(tài)嚙合力附近波動(dòng)。

4 結(jié)論

本文建立了汽車變速器三檔齒輪的三維模型，并分析了模態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。通過模態(tài)分析，確定了變速器處于三檔時(shí)的嚙合頻率，通過動(dòng)態(tài)分析，確定了齒輪嚙合過程中的應(yīng)力應(yīng)變以及嚙合力的變化情況。為汽車變速器的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)參考。

[1] Leon A. Automotive Transmission [M].Springer. US,2013.

[2] 劉海江,于信匯等.汽車齒輪[Ｍ].同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.

[3] 張洪才,何波.有限元分析-ANSYS13.0從入門到實(shí)戰(zhàn)[Ｍ].北京;機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

Based on AutoCAD ZL20EFBD Loader Working Device Translation andAutomatic Leveling Design

Wang Kaiqiang1,3, Wang Denghua1,2,3

( 1.Changzhou Development & Manufacture Center Co., Ltd., Jiangsu Changzhou 213023;2.Jiangxi Vocational College of Mechanical & Electrical Technology, Jiangxi Nanchang 330013;3.Jiangsu Key Laboratory of Coal Mine Explosion Proof Vehicles, Jiangsu Changzhou 213023 )

This paper introduces the method and steps of determining each hinge point design of ZL20EFB loader working device based on AutoCAD reverse diagram method, and verifies the hinge points obtained by Solidworks mechanism simulation, and proves that the hinge points obtained by this method meet the design requirements of translation and automatic leveling of the working device.

Inverse diagrammatic method; Reverse six link mechanism; Simulation

A

1671-7988(2019)21-93-03

U415.51+4

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1671-7988(2019)21-93-03

王凱強(qiáng)（1974-），陜西咸陽人，工程師，學(xué)士學(xué)位，就職于常州科研試制中心有限公司。研究方向：有限元分析、運(yùn)動(dòng)仿真和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.032

CLC NO.:U415.51+4