大学毕业设计
③ 铲斗边插入边收斗或边插入边举臂进行铲掘时，认为铲斗斗齿受水平插人阻力与垂直掘起阻力的同时作用。
如果将对称载荷和偏载情况分别与上述三种典型受力工况相组合型的受力作用工况，就可得到铲斗六种典工况。如图4-2所示：
(a)水平对称工况 (b)垂直对称工况 (c)水平垂直对称同时作用工况
(a)水平偏载工况 (b)垂直偏载工况 (c) 水平垂直偏载同时作用工况
图4-2 工作装置外载荷工况
4.2 工作装置受力分析
在确定了装载机典型作业工况和铲斗所受外载荷后，便可进行工作装置的受力分析，以求出相应工况下工作装置各构件的受力。
4.2.1对称载荷工况
对称载荷工况可简化成平面静定系统计算，但需要作如下假定。
① 忽略铲斗和支承横梁对工作装置各构件受力和变形的影响。根据这个假设，由于工作装置构件均为对称构件（对称于机器的纵轴线），当载荷是对称作用时，两侧杆件受力相等，各为相应工况外载荷的一半，可单独取一侧杆件系统并视为平面力系进行受力分析，即
Rx1?RX2?11RX，Ry1?Ry2?Ry 22- 27 -
大学毕业设计
② 每一侧连杆机构各构件轴线均假设在同一平面内，所有作用力都通过各杆件断面弯曲中心，忽略各杆件因不在同一平面内所引起的扭矩，计算时可以用构件的中轴线来代替实际构件。
根据以上假设，就可将工作装置这样一个空间超静定结构，简化为一般平面问题进行受力分析。
计算工作装置各构件受力时，首先以铲斗为受力分离体，去掉约束以反力代替，然后，根据构件中的连接顺序，依次求出各构件的受力。这样，根据平面静力学公式可列出工作装置各构件的静力学计算平衡方程式。
1、对称水平力与垂直力确定 (1) 水平力Px的确定 a) 发动机扭矩MT
参考同类样机，取：发动机功率N=160Kw， 转速n=2200r/min。 则由
MT=1000N/ω，ω=2πn/60 (4.1)
得 MT= 694.5N·m b) 驱动轮动力半径rd
r d= r –Δ×b (4.2) 式中 r—轮胎的自由半径，由轮胎规格23.5-25可知，轮胎宽度B=23.5英寸=0.597m，轮辋直径d=25英寸=0.635m，断面高度与宽度之比H/B取0.83，则轮胎的自由半径ro=(d+2H)/2=0.813m；
Δ—系数，一般取Δ=0.08~0.15，取Δ=0.10； b—轮胎的断面宽度，b=0.0595m. 则 rd=0.753m c)驱动力矩Mk
Mk=M2 iM η (4.3)
式中 M2——涡轮轴输出转矩，则M2=K×MT ，取变矩系数K=4；
iM ——机械传动部分总传动比（自变矩器输出轴至驱动轮）
iM=0.377neh×rd/vT=0.377×2200×0.753/11.5 = 49；
η
M——机械传动系和履带驱动段效率，取ηM =0.8.
则 Mk=4×694.5×49×0.8=108897.6N·m
对于轮式机械， PK=Mk/ rd
则有 PK=108897.6/0.753=144618.3 N 所以，水平力 Px=PKP=PK-Pf
- 28 -
大学毕业设计
式中 Pf——滚动阻力，Pf=f×GS 取滚动阻力系数f=0.07，总重力GS=50KN
则 Px = 141.12KN
(2) 垂直力PZ 参考 临工工ZL50同类样机， 选取 PZ = 120K N 两侧受力均为PZ =60KN (3) 单侧动臂受力 Pax ，Pby
由于对称工况，在假设条件下，两动臂受力大小相同，所以可取工装的一侧进行受力分析
则 Pax = Px/2 =70.56KN Pby = PZ/2 =30KN
图4-3 工作装置受力分析
2、取铲斗为分离体，根据平衡原理计算铲斗的受力
∑MG=0 PF=(Pxa×h1+ Pyb×l1) /(h2×cosα1+l2×sinα1) ∑y=0 xG= Pxa+ PF×cosα
1
∑y=0 yG= －PF×sinα1+ Pby
3、取连杆为分离体，因连杆为二力杆件，故PF=PE (受拉力) 4、取摇臂为分离体，根据平衡原理，摇臂的受力为： ∑x=0 xD= PC×cosα3+PE×cosα∑y=0 yD=PE×sinα2－PC×sinα5、取动臂为分离体：
∑MA=0 PH=( -yD×l6+yG×l7-xD×h5+xG×h7)/( h6×cosα4+ l5×sinα4 ) ∑x=0 xA= PHcosα4 +xD+xG ∑y=0 yA= yD+yG－PH×sinα有前面叙述的可以得到：
4
2 3
∑MD=0 PC= PE×(l4×sinα2+ h3×cosα2) /（h4×cosα3－l3×sinα3）
lB?405mm l1?1312mm l2?29mm h1?127.3mm h2?420mm ?1?7.6?
- 29 -
大学毕业设计
?2?7.6? l3?0mm l4?433.4mm h3?672mm h4?570mm ?3?3.5?
?4?38.7? h7?204.5.75mm l7?2048mm 5mm l5?679mm l6?1542h5?832.55mm h6?678mm把上值代入以上公式可以得：
PF =115KN xG=184.55KN yG=14.8KN PE=115KN PC=146.2KN xD=260KN yD=－31KN PH=269.5KN xA=234.2KN yA=-184.7KN
4.2.2偏载工况
把偏载工况转化为作用在铲斗中点的集中力和，个附加力偶。由于装载机无论是转斗缸还是举升缸，在作业中，左、右缸的作用力总是相等的（因为左、右缸的油路是并联的） , 因而可假定附加力偶仅作用在铲斗、动臂和横梁上，其他杆件不受此力偶的影响。集中力所引起的各杆件受力计算如同对称工况一样，可以视为一平面力系。附加力偶则在动臂上产生扭矩和侧弯矩。现以水平和垂直偏载工况为例计算动臂与车架铰接点由于附加力偶所引起的外载荷。(如图4-4)
把作用在斗边齿上的外力（垂直力N和水平力P）转化为作用在铲斗中心的水平集中力P、垂直集中力N和力偶My=PL ，Mx=NL 。
图4-4 偏载工况受力分析
α=40°
力偶对动臂的作用可分解成一个扭矩MK和一个侧弯矩MG，以矢量式表示，即 Mx?MKx?MGx (4.4) My?MKy?MGy (4.5)
- 30 -
大学毕业设计
式中 MKx,MKy—由Mx,My所引起的对动臂的弯矩，
MKx?Mxco?s (4.6)
? (4.7) MKy?MysinMKx,MKy—分别表示由Mx,My所引起的对动臂的侧弯矩，
MGx?Mxsin? (4.8) MGx?Mycos? (4.9)
α—动臂几何轴线与水平面的夹角。α=40°； 合成扭矩
MK?MKx?MKy (4.10) 合成侧弯矩
MG?MGx?MGy (4.11)
4.3 工作装置强度校核
在求得工作装置各主要构件受力的基础上，计算各构件的内力，并进行危险断面的强度校核。
材料的屈服极限，国内装载机工作装置的动臂常用 16Mn钢，σS=330 ～360MPa ；摇臂材料常用Q235钢，σS= 210～240MPa 销轴的材料常用 40Cr , σS=800MPa
4.3.1动臂
在对称载荷作用下。此时，动臂可看作是支承在车架A点和动臂油缸上铰接点H的双
支点悬臂变截面曲梁。为简化计算，将动臂主轴线分成 GI、IJ 、 JH 、 HA 等折线段，见图4-5，求出每段的内力 Q 、 N 、 M 值。
如，GI段和IJ段： 轴向力
Ni?xGcosai?yGsinai (4.12) 剪力
Qi?xGsinai?yGcosai (4.13)
图4-5 动臂内力计算
- 31 -