裝載機鏟斗無誤差偏移機構的設計

0工作裝置的設計裝載是一種廣泛用于道路、鐵路、建筑等建設項目的石樁機械。它主要用于土壤、砂、石灰和其他材料的清潔。在道路建設中，該裝置用于填寫和鉆孔道路結構的填充填充、混合瀝青路面材料和水泥混凝土原料的集中材料和安裝材料。長期以來,中國有很多學者對其進行了深入的研究。工作裝置是裝載機上直接實現鏟裝物料的機構,它的結構和性能都顯著地影響整機的工作尺寸、性能參數、發動機功率及生產率等因素,因此,工作裝置的設計是裝載機設計中十分重要的組成部分。目前,裝載機工作裝置連桿的類型有多種:六連桿和八連桿,正轉和反轉,轉斗油缸也可布置在不同位置,因而可組成多種形式。這些傳統的結構決定了裝載機工作裝置的技術特性,給其設計帶來了一定難度,即使采用計算機優化設計方法,也無法從根本上解決卸料性與平移性、動力性與鏟斗自動放平性之間的矛盾。筆者經過多年研究,突破傳統,提出兩種新型工作裝置方案,并進行了理論研究。1動臂油缸和轉斗油缸筆者設計的新型工作裝置中,方案1的工作原理見圖1。轉斗油缸和鏟斗平移引導油缸的有桿腔之間、無桿腔之間通過油路互通,并處于常通浮動狀態。鏟斗的收斗和卸料可以依靠液壓控制閥鎖定鏟斗平移引導油缸,由轉斗油缸單獨工作來實現。當動臂油缸將動臂抬起,使動臂繞A點逆時針轉動角度Δα時,動臂在轉動同時,將鏟斗平移引導油缸的BC邊壓縮,使該油缸無桿腔的油擠到轉斗油缸的無桿腔,將轉斗油缸的EF邊伸長,轉斗油缸帶動鏟斗繞D點相對動臂順時針轉動角度Δθ。如果能使Δα=Δθ,那么鏟斗在這兩個位置就能實現剛體平動。由此可見,該新型工作裝置的工況要求是由液壓系統來實現的,它將會使裝載機工作機構設計大為簡化。方案1的工作裝置帶有鏟斗平移引導油缸,鏟斗平移引導油缸實際上是一個為帶動轉斗油缸而設置的活塞泵,這使得機構較為復雜。方案2的工作原理建立在方案1的基礎上,筆者通過理論研究,證明了去掉鏟斗平移引導油缸,仍能滿足鏟斗的平移和工作裝置各工況的技術要求,從而使工作裝置得到了簡化,其結構如圖2所示。2移引導油缸與轉斗油缸的運動方案1和方案2,從原理上講,都只能做到近似使鏟斗平行,但由于其誤差較小,能滿足裝載機作業工況的要求,因此仍然可以在實際中應用。無誤差的工作裝置機構是建立在油缸行程a=f(θ)和a′=f(θ′)曲線為軸對稱的原理上的。由圖3可知,若函數曲線為軸對稱,則函數在對稱軸上必有極值,而極值存在的充分條件是,函數在極值點的一階導數da/dθ=0,且da/dθ過極值點時改變符號。求極值,令da/dθ=0,則Ρsinθ2√Μ-Ρcosθ=0Psinθ2M?Pcosθ√=0即Psinθ=0因此θ=π式中:P=2bc,b為AC段的長度,c為AB段的長度;M=b2+c2。從圖4可以看出,當θ=π時,函數在此點的兩側da/dθ改變符號,因此,函數有極值,其橫坐標用θg表示,即θg=π。因為函數a和a′在0≤θ≤2π時只有一個極值,且θg=π,所以函數曲線對稱于橫坐標為π的縱軸。此軸坐標與b、c值的選取無關,恒為π。對于所研究的機構,轉角θ的變化范圍在極限情況下為0～π。函數曲線對稱于橫坐標為π的縱軸,其物理意義是以動臂為對稱軸將轉斗油缸翻轉180°,如圖5所示。圖5中BC邊為鏟斗平移引導油缸,其長度為a,在這種情況下機構工作時,鏟斗平移引導油缸與轉斗油缸同步運動,即兩油缸以相等的變化率同時伸長或縮短。鏟斗平移引導油缸與轉斗油缸的運動情況如圖6所示。圖6中鏟斗平移引導油缸的初始安裝角取為θ,則轉斗油缸的初始安裝角θ′=2π-θ,由此可見,設計這種工作機構非常簡單,只要將兩油缸的初始安裝角對稱于動臂布置即可。因為兩函數曲線a=f(θ)與a′=f(θ′)完全重合,并且對稱于橫坐標為π的縱軸,所以在機構工作時,da/dθ與da′/dθ處處相等,即當Δa=Δa′時,Δθ=Δθ′,△ABC與△A′B′C′始終全等,鏟斗作平移運動。為了簡化機構,取消鏟斗平移引導油缸。簡化后,動臂油缸與轉斗油缸的運動情況如圖7所示。它由兩個同心圓組成。由轉斗油缸組成的△A′B′C′在小圓內運動,而由動臂油缸組成的△AB″C″在大圓內運動。為了方便說明問題,假想引入鏟斗平移引導油缸,則由其所組成的△ABC也在小圓內運動,這樣,動臂工作時完全可以做到圖6鏟斗平移引導油缸與轉斗油缸運動Fig.6ΜovementofΟilCylinderandSloopΟilCylinderΙnducedbyBucketΤranslation圖6鏟斗平移引導油缸與轉斗油缸運動Fig.6MovementofOilCylinderandSloopOilCylinderInducedbyBucketTranslation圖7動臂油缸與轉斗油缸運動Fig.7ΜovementofArmΟilCylinderandSloopΟilCylinder圖7動臂油缸與轉斗油缸運動Fig.7MovementofArmOilCylinderandSloopOilCylinderA′B′C′≌△ABC,△AB″C″∽△ABC(1)由式(1)可得到△AB″C″∽△A′B′C′。令B″C″、B′C′邊的長度分別為a″、a′,而△A′B′C′∽△AB″C″,因此有a?a′=b?b′=c?c′=k式中:k為比例常數(相似比)。由上述分析可得a″=ka′,θ″=θ′(2)當動臂轉動一個位置以后,如果△AB″C″1∽△A′B′C1,則有a?1a′1=b?b′=c?c′=k因此a″1=ka′1(3)θ″1=θ′1(∠C″1AB″=∠C′1A′1B′1)(4)式中:b″、b′、c″、c′為△AB″C″和△A′B′C′的對應邊長。式(3)減去式(2),得Δa″=kΔa′(5)式(4)減去式(2),得Δθ″=Δθ′(6)式(6)表明,在動臂升降前后,前述的兩個三角形始終保持相似時,動臂的轉角Δθ″等于鏟斗的轉角Δθ′,即鏟斗在兩個位置上彼此平行。為了使機構工作時兩個三角形始終相似,在油路控制上必須作適當的改變,使動臂油缸的前腔與轉斗油缸的后腔連通,其油路系統如圖8所示。除在油路上予以保證之外,在兩油缸的結構參數上還必須采取相應的措施,使兩個三角形始終相似。兩個三角形相似的關鍵是式(5),如果能做到Δa″=kΔa′,則兩三角形必相似,即必同步變化。考慮到系列化的要求,希望動臂油缸的直徑與鏟斗油缸的直徑相等,即D=D′,根據兩油缸進、排油量相等的關系,得π(D2-d2)4Δa?=πD′24Δa′即d2=(1-Δa′Δa?)D2(7)將Δa″=kΔa′代入式(7)得d=D√1-1k(8)式中:d為動臂油缸的活塞桿直徑。根據以上理論分析可知,只要按式(8)計算動臂油缸活塞桿直徑,就可以在油缸的基本參數上保證機構工作時兩油缸同步運動,使兩個三角形始終相似,鏟斗始終平行,因此,這種機構從原理上講沒有誤差。至于轉斗油缸的活塞桿直徑,主要是根據受力大小來決定,它的尺寸對機構平行無任何影響。