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新金剛石和前沿碳處理技術(shù)
2005年第4卷
MYU東京
NDFCT 486
用于高速磨削的高性能cBN和金剛石砂輪的發(fā)展
Nofihiro Funayama和Junichi Matsuda*
日本千葉市，290-0515，朝日金剛石工業(yè)有限公司研究與開(kāi)發(fā)（2004年11月29日至2005年3月19日）
關(guān)鍵詞：高速磨削，cBN viMfied結(jié)合劑砂輪，金剛石砂輪
高速磨削用的cBN輪是一般的研磨方法，對(duì)這種方法的改進(jìn)技術(shù)是必要的。因此，有限元法（FEM）被用來(lái)優(yōu)化車(chē)輪的形狀，并設(shè)計(jì)爆破試驗(yàn)驗(yàn)證。為了重復(fù)研磨實(shí)驗(yàn)，一個(gè)適合用于高速研磨優(yōu)化的車(chē)輪（的技術(shù)必須要）很發(fā)達(dá)。輪的表現(xiàn)在這磨削實(shí)驗(yàn)里驗(yàn)證了，通過(guò)整修和換藥，車(chē)輪表面的調(diào)整是可能的。然后（才能）執(zhí)行用于金剛石砂輪性能確認(rèn)測(cè)試一個(gè)類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)。
1.介紹
雖然對(duì)高速磨削效率的提高已經(jīng)研究了近六十年，但是破壞還是發(fā)生在常規(guī)輪圓周速度旋轉(zhuǎn)達(dá)到60米/秒的時(shí)候。
cBN晶體高速磨削研究一直以來(lái)都是出現(xiàn)在市場(chǎng)上。 高速主軸的發(fā)展加快了其實(shí)際用途的發(fā)展。因?yàn)閏BN 晶體的硬度，熱穩(wěn)定性，尤其重要的是，切削刃的磨料顆粒，都適合用于高速研磨，因?yàn)樗仨毐３止ぷ骱荛L(zhǎng)一段時(shí)間。
在20世紀(jì)80年代，使用（磨料，輪轂，磨床）高速磨削相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，決定了它的實(shí)際用途。特別是，高速研磨技術(shù)被應(yīng)用到到高效率的齒形磨削加工汽車(chē)零部件上。圓周速度達(dá)到160米/秒的大規(guī)模生產(chǎn)線是目前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，高速磨削已知最先進(jìn)的加工者：電子郵箱：matsuda@asahidia.co.jp
該報(bào)告提出了一些不可缺少的對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)線的部分都采用200米/秒的圓周速度進(jìn)行高速磨削的技術(shù)。
2.車(chē)輪設(shè)計(jì)的高速磨削
高速磨削，在一般情況下，是施加到玻璃化的cBN的車(chē)輪上的。用于車(chē)輪高速磨削，不僅是良好的磨削性能，考慮以下三個(gè)點(diǎn)，而且由離心力引起的應(yīng)力和位移引起的對(duì)安全方面旋轉(zhuǎn)的破壞的減少是很有必要的。
1】輪芯材的選擇
2】輪芯的設(shè)計(jì)
3】接合層的粘合方法
輪轂的設(shè)計(jì)和車(chē)輪的平衡，影響表面光潔度和形狀在下一節(jié)中解釋。
2.1輪芯的高速磨削
對(duì)于輪芯的高速砂輪，所選擇的材料應(yīng)具有較高的的剛性。鋁合金，鈦合金和碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）等材料符合此標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)槲灰坪蛻?yīng)力，會(huì)降低材料的剛性，就如如。 （1）和（2）所示的那樣。
E：楊氏模量，V：泊松比，p：比重;w：角速度
R：內(nèi)徑；R：外徑；k：R/r；g：重力加速度
此外，獲取所選擇材料的易用性是必須要考慮的。雖然最近從環(huán)境保護(hù)和降低回收成本的觀點(diǎn)出發(fā)，在圓周速度為160m/s時(shí)通常使用的鈦合金和鋁合金鋼，但是，在200米/秒是卻不能使用。因?yàn)樾静牡倪x擇需要考慮材料的疲勞極限。
2.2車(chē)輪的形狀
在車(chē)輪的高速磨削中，除了核心材料的選擇，形狀也是很重要的。利用有限元法（FEM）中的設(shè)計(jì)，以降低由于離心力的應(yīng)力和位移。特別是，由于離心力的位移，直接關(guān)系到車(chē)輪的破壞，控制這種位移的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。圖1示出的以位移值的差異作為形狀的函數(shù)。由于具有窄的點(diǎn)A和B的類(lèi)型是有效的位移，這樣的形狀的輪子被經(jīng)常采用。此外，車(chē)輪的重量的設(shè)計(jì)作為減少輪交換的工作的一個(gè)因素，也被認(rèn)為是在塑造最佳的車(chē)輪形狀。
圖一 旋渦的速度位移的關(guān)系。
2.3粘附性
許多陶瓷結(jié)合劑砂輪已應(yīng)用于CBN高速砂輪，其中有一些附著到金屬芯的分部。由于adherance核心直接涉及到剝落和銷(xiāo)毀段，所以為了防止破壞的車(chē)輪，粘合劑的選擇是很重要的。此外，通過(guò)考慮的段的形狀和長(zhǎng)度，和優(yōu)化的車(chē)輪的外直徑是一個(gè)函數(shù)，車(chē)輪破壞速度是可以得到改善的。圖2示出了不同的段長(zhǎng)度的銷(xiāo)毀速度比較。
2.4車(chē)輪平衡
由于離心力的作用，車(chē)輪由于不平衡引起振動(dòng)，形狀和表面粗糙度增加使其變得更壞。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，由于不平衡的重量與轉(zhuǎn)速的第二功率成正比，必須經(jīng)過(guò)高速磨削車(chē)輪平衡調(diào)整的開(kāi)始，但可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的核心形狀的主軸或不準(zhǔn)確的裝修不平衡。圖3顯示了不平衡量的關(guān)系為主軸的擬合誤差。在這種情況下，因?yàn)檐?chē)輪被分離，重心的變化成為一個(gè)問(wèn)題。一個(gè)解決這個(gè)問(wèn)題的方法是采用O環(huán)輪孔。據(jù)了解，采用此方法時(shí)擬合誤差的效果是不明顯的，就像圖4所示。然而，該方法并不能減少不平衡量。因?yàn)?，它最重要的是要抑制?chē)輪的不平衡，平衡必須配備改性機(jī)理，即使在機(jī)器方面來(lái)說(shuō)，平衡的調(diào)整也是所需的。雖然使用了平衡變形的機(jī)制，但是，這是不夠的。因?yàn)樵诟咚傩D(zhuǎn)的車(chē)輪上使用的液體由于離心力的作用而會(huì)流向外部。由操作者加入重量進(jìn)行調(diào)整后的車(chē)輪被安裝在機(jī)器上是由最有效的解決辦法。然而，這種方法從安全的觀點(diǎn)出發(fā)并不推薦。但是隨著高速磨削使用次數(shù)的增加這個(gè)問(wèn)題應(yīng)該能夠得到解決。
圖2段的長(zhǎng)度和破壞的速度比較
圖三（左）關(guān)系的不平衡擬合誤差。圖四（右）不平衡的車(chē)輪O形環(huán)
3砂輪高速磨削的安全性評(píng)價(jià)
通過(guò)進(jìn)行破壞試驗(yàn)從各種檢查結(jié)果對(duì)砂輪進(jìn)行優(yōu)化，從而對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。圖5示出的掛在車(chē)輪上的旋轉(zhuǎn)測(cè)試儀是一種使用壓縮空氣作為驅(qū)動(dòng)源的空氣渦輪機(jī)，安裝懸掛在主軸上的自旋測(cè)試儀。此測(cè)試儀具有測(cè)試旋轉(zhuǎn)輪稱(chēng)重可達(dá)到于40,000分鐘的能力，如用于曲柄軸的300千克的大直徑輪。就像圖。 6所示破壞試驗(yàn)后的車(chē)輪。此測(cè)試輪是由輕合金制成的，并于200 RN/ s的旋轉(zhuǎn)開(kāi)始。 “破壞速度為550米/秒。 A組的設(shè)計(jì)師正在研究測(cè)試的結(jié)果，開(kāi)發(fā)一種更安全的車(chē)輪。
4高速磨削
4.1高速磨削砂輪
因?yàn)樗窃谝粋€(gè)恒定的磨料負(fù)載，能夠提高磨削效率，導(dǎo)致的結(jié)果是添加到磨料的負(fù)荷降低，增加圓周速度，和磨削負(fù)荷隨之減小。這是高速研磨的最大優(yōu)點(diǎn)。
圖 5（左）砂輪在旋轉(zhuǎn)測(cè)試儀中的照片 圖6（右） 測(cè)試后破壞的砂輪
圖 7 磨削負(fù)載與圓周速率之間的關(guān)系。
圖片顯示了在恒定的磨削條件下，磨削負(fù)載與圓周速率之間的關(guān)系。車(chē)輪零件的數(shù)目通常代表了車(chē)輪的壽命。，增加部件的數(shù)量以降低車(chē)輪的磨損，這是必要的。并且車(chē)輪的耐磨損規(guī)格這個(gè)要求也要保證。但是，也有許多情況下，更耐磨損輪的磨削負(fù)荷增加，這對(duì)形狀和表面粗糙度的精度上右相當(dāng)大的影響。因此，如果磨削負(fù)荷降低，某些步驟必須采取確保工件的具有可以完成的所需特性。修整是其中的一些步驟，也是有效的高速磨削的重要元素。在高速磨削上有很多CBN陶瓷結(jié)合劑的砂輪。這些砂輪和金剛石制成的的修整器同時(shí)進(jìn)行修整工作。在整修時(shí)，cBN的切削刃和的圓周速度之比（修整速度/車(chē)輪速度）是可以調(diào)整的。旋轉(zhuǎn)修整器的進(jìn)料速度也是可以改變的。圖8顯示了出了通過(guò)以下方式獲得整修研磨特性的概念圖表。整修研磨條件是成立一個(gè)大的圓周速度比，高進(jìn)給速度會(huì)降低車(chē)輪的磨削負(fù)荷。因?yàn)樗谖覀兪褂酶咚俜鬯闄C(jī)執(zhí)行整修研磨試驗(yàn)所需的條件下不能夠達(dá)到良好的加工工件的質(zhì)量，我們必須考慮適合的車(chē)輪結(jié)合的條件。
對(duì)于加工用旋轉(zhuǎn)修整器，重要的是要選擇適合的cBN輪的工件。尤其是在一個(gè)較高的圓周速度比下對(duì)一些高速磨削整修器的選擇。這是要考慮旋轉(zhuǎn)修整器的耐磨損性和剛性。這樣的旋轉(zhuǎn)修整器的使用很依賴(lài)cBN的陶瓷結(jié)合劑砂輪的表面調(diào)整。圖9示出的，在測(cè)試過(guò)程中，cBN陶瓷結(jié)合劑的表面。垂直軸是圓周速度比，水平軸是進(jìn)給速度 率。我們知道，這是可能改變的陶瓷結(jié)合劑的表面和cBN的圓周速度比的組合。
4.2金剛石砂輪高速磨削
前面所討論的是cBN砂輪在高速磨削中的應(yīng)用。在高速研磨中，用金剛石砂輪甚至一個(gè)鉆石輪高速磨削施加倒角磨削奧拉液晶顯示器（LCD）玻璃和汽車(chē)玻璃可能效率會(huì)很高。
圖8 整修研磨的概念圖
圖 9 砂輪表面修整后，用激光顯微鏡分析。
圖10（左）改進(jìn)的例子 圖11（右）金剛石砂輪研磨板玻璃的例子
使用金剛石砂輪，我們不能像cBN輪一樣達(dá)到研磨效率正比于車(chē)輪速度。在高速磨削時(shí)，磨削頭達(dá)到高溫，以及金剛石的碳轉(zhuǎn)化。這是因?yàn)榻饎偸臒崽匦?。因此，有必要考慮在高速使用金剛石砂輪磨削時(shí)的冷卻方法。
此外，使用金剛石砂輪的情況下，不同于cBN的陶瓷結(jié)合劑砂輪，我們無(wú)法控制磨削負(fù)荷或表面不同的粗糙度。因此，必須采取下列措施。
1為了提高磨削負(fù)荷，金剛石晶粒尺寸必須足夠大。
2為了改善表面粗糙度，金剛石密度必須高。
重要的是，我們將繼續(xù)調(diào)整車(chē)輪規(guī)格的要求。
結(jié)論
考慮到cBN輪以及金剛石砂輪，高速研磨砂輪的設(shè)計(jì)的特點(diǎn)以及使用已經(jīng)被引進(jìn)。各種磨床高速磨削技術(shù)的改進(jìn)往往是由于應(yīng)用在大規(guī)模生產(chǎn)線的發(fā)展的需要。因此，工具制造商必須確定適合每個(gè)個(gè)人用戶(hù)（需求的）規(guī)格。
參考文獻(xiàn)
H. Aikawa and J. Matsuda: JSME Spring Annual Meeting (1997) 185.
J. Matsuda: Journal of the Society of Grinding Engineers 44 (2000) 353.
H. Nishioka, K.Une, M. Mochizt~ki and J. Matsuda: New Diamond 59 (2000) 42.
T. Nishiyama: Journal of the Society of Grinding Engineers 45 (2000) 428.
H. Honma and H. Aikawa: Abrasive Technology Conference (2001) 81.
河北建筑工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文資料翻譯
系別： 機(jī)械工程系
專(zhuān)業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)在制造及其自動(dòng)化
班級(jí)： 機(jī) 094
姓名： 王 猛
學(xué)號(hào)： 2009307419
外文出處：Cutting tool applications
附 件：1、外文原文；2、外文資料翻譯譯文。
指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：
簽字：
年 月 日
注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。
河北建筑工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
課題
名稱(chēng)
QTZ40塔式起重機(jī)—變幅機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
系： 機(jī)械工程系
專(zhuān)業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其制動(dòng)化
班級(jí)： 機(jī)094
姓名： 王猛
學(xué)號(hào)： 2009307419
起迄日期： 2013年3月25日~ 2013年 6月21日
設(shè)計(jì)（論文）地點(diǎn):
指導(dǎo)教師： 李常勝
輔導(dǎo)教師：
發(fā)任務(wù)書(shū)日期： 2013年3月 5 日
1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目的：
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)機(jī)械專(zhuān)業(yè)學(xué)生在畢業(yè)前的一次全面訓(xùn)練，目的在于鞏固和擴(kuò)大學(xué)生在校所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決問(wèn)題的能力。是培養(yǎng)、鍛煉學(xué)生獨(dú)立工作能力和創(chuàng)新精神的最佳手段。畢業(yè)設(shè)計(jì)要求每個(gè)學(xué)生在工作過(guò)程中，要獨(dú)立思考，刻苦鉆研，有所創(chuàng)新、解決相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握塔式起重機(jī)的總體設(shè)計(jì)、變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、變幅小車(chē)的設(shè)計(jì)和計(jì)算等內(nèi)容，為今后步入社會(huì)工作崗位打下良好的基礎(chǔ)。
2、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：
（1） 設(shè)計(jì)任務(wù)：
① 總體參數(shù)的選擇（QTZ40級(jí)別）
② 結(jié)構(gòu)形式
（2） 總體設(shè)計(jì)
① 主要技術(shù)參數(shù)性能
② 設(shè)計(jì)原則
③ 平衡重的計(jì)算
④ 塔機(jī)的風(fēng)力計(jì)算
⑤ 整機(jī)傾翻穩(wěn)定性的計(jì)算
（3） 變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算
① 變幅機(jī)構(gòu)的形式
② 確定卷筒尺寸
③ 選擇電動(dòng)機(jī)、減速器、制動(dòng)器、聯(lián)軸器
④ 驗(yàn)算實(shí)際變幅速度
⑤ 驗(yàn)算起、制動(dòng)時(shí)間
⑥ 電動(dòng)機(jī)發(fā)熱驗(yàn)算
⑦ 卷筒強(qiáng)度的計(jì)算
（4） 變幅小車(chē)的設(shè)計(jì)
① 變幅小車(chē)的形式
② 變幅小車(chē)的強(qiáng)度計(jì)算
（5） 設(shè)計(jì)要求
① 主要任務(wù)：學(xué)生應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立完成一項(xiàng)給定的設(shè)計(jì)任務(wù)，編寫(xiě)符合要求的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，并正確繪制機(jī)械與電氣工程圖紙，獨(dú)立撰寫(xiě)一分畢業(yè)論文，并繪制有關(guān)圖表。
② 知識(shí)要求：學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)綜合運(yùn)用多學(xué)科的理論、知識(shí)與技能，分析與解決工程問(wèn)題。通過(guò)學(xué)習(xí)、鉆研與實(shí)踐，深化理論認(rèn)識(shí)、擴(kuò)展知識(shí)領(lǐng)域、延伸專(zhuān)業(yè)技能。
③ 能力培養(yǎng)要求：學(xué)生應(yīng)學(xué)會(huì)依據(jù)技術(shù)課題任務(wù)，完成資料的調(diào)研、收集、加工與整理，正確使用工具書(shū)；培養(yǎng)學(xué)生掌握有關(guān)工程設(shè)計(jì)的程序、方法與技術(shù)規(guī)范，提高工程設(shè)計(jì)計(jì)算、圖紙繪制、編寫(xiě)技術(shù)文件的能力；培養(yǎng)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)、測(cè)試等科學(xué)研究的基本方法；鍛煉學(xué)生分析與解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。
④ 綜合素質(zhì)要求：通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)生應(yīng)掌握正確的設(shè)計(jì)思想；培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的工作作風(fēng)；在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)能樹(shù)立正確的生產(chǎn)觀、經(jīng)濟(jì)觀與全局觀。
⑤ 設(shè)計(jì)成果要求：
1） 凡給定的設(shè)計(jì)內(nèi)容，包括說(shuō)明書(shū)、計(jì)算書(shū)、圖紙等必須完整，不得有未完的部分，不應(yīng)出現(xiàn)缺頁(yè)、少圖紙現(xiàn)象。
2） 對(duì)設(shè)計(jì)的全部?jī)?nèi)容，包括設(shè)計(jì)計(jì)算、機(jī)械構(gòu)造、工作原理、整機(jī)布置等，均有清晰的了解。對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程、計(jì)算步驟有明確的概念，能用圖紙完整的表達(dá)機(jī)械結(jié)構(gòu)與工藝要求，有比較熟練的認(rèn)識(shí)圖紙能力。對(duì)運(yùn)輸、安裝、使用等亦有一般了解。
3） 說(shuō)明書(shū)、計(jì)算書(shū)內(nèi)容要精練，表述要清楚，取材合理，取值合適，設(shè)計(jì)計(jì)算步驟正確，數(shù)學(xué)計(jì)算準(zhǔn)確，各項(xiàng)說(shuō)明要有依據(jù)，插圖、表格及字跡均應(yīng)工整、清楚、不得隨意涂改。制圖要符合機(jī)械機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)，且清潔整齊。
4） 對(duì)國(guó)內(nèi)外塔式起重機(jī)情況有一般的了解，對(duì)各種塔式起重機(jī)有一定的分析、比較能力。
其他各項(xiàng)應(yīng)符合本資料有關(guān)部分提出的要求。
3、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成果要求（包括圖表、實(shí)物等硬件要求）：
① 計(jì)算說(shuō)明書(shū)一份
內(nèi)容包括：設(shè)計(jì)任務(wù)要求的選型、設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容、畢業(yè)實(shí)習(xí)報(bào)告等。作到內(nèi)容完整，論證充分（包括經(jīng)濟(jì)性論證），字跡清楚，插圖和表格正規(guī)（分別進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)）、批準(zhǔn)，字?jǐn)?shù)要求不少于2萬(wàn)字；撰寫(xiě)中英文摘要；提倡學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算與繪圖。
② 圖紙一套
不少于四張零號(hào)圖紙量
4、主要參考文獻(xiàn)：
[1] 哈爾濱建筑工程學(xué)院主編.工程起重機(jī).北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社
[2] 董剛、李建功主編.機(jī)械設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社
[3] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).化學(xué)工業(yè)出版社（5冊(cè)）
[4] GB/T9462—1999 塔式起重機(jī)技術(shù)條件
[5] GB/T13752—1992 塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范
[6] GB5144—1994 塔式起重機(jī)安全規(guī)程
5、本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃：
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 容
2013.3.25-2013.3.28
2013.3.29-2013.4.13
2013.4.14-2013.4.20
2013.4.21-2013.5.15
2013.5.16-2013.6.5
2013.6.6-2013.6.19
2013.6.20-2013.6.21
熟悉整理資料
方案選擇及總體設(shè)計(jì)
繪制總圖
變幅機(jī)構(gòu)、變幅小車(chē)的設(shè)計(jì)
繪制變幅機(jī)構(gòu)、變幅小車(chē)裝配圖
繪制零件圖紙
準(zhǔn)備論文及答辯
教研室審查意見(jiàn)：
教研室主任簽字：
年 月 日
系審查意見(jiàn)：
系主任簽字：
年 月 日
河北建筑工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
課題
名稱(chēng)
QTZ40塔式起重機(jī)—變幅機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
系 別： 機(jī)械工程系
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)： 機(jī)094
學(xué)生姓名： 王 猛
學(xué) 號(hào)： 2009307419
指導(dǎo)教師： 李常勝
課題來(lái)源
導(dǎo)師課題
課題類(lèi)別
畢業(yè)設(shè)計(jì)
一、論文資料的準(zhǔn)備
裝載機(jī)工作裝置是組成裝載機(jī)的關(guān)鍵部件之一。它按有無(wú)鏟斗托架可分為有鏟斗托架和無(wú)鏟斗托架兩種類(lèi)。有鏟斗托架的工作裝置其鏟斗裝在托架上，并由托架上的鏟斗液壓油缸控制鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)。由于鏟斗托架重量大，使得鏟斗的裝載重量相應(yīng)減少，因此，國(guó)內(nèi)外裝載機(jī)廣泛采用無(wú)鏟斗托架式工作裝置。按組成連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)件數(shù)不同可分為三桿、四桿、五桿、六桿和八桿；按輸入和輸出桿的轉(zhuǎn)向不同，又可分為正轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（輸入桿件與輸出桿件轉(zhuǎn)向相同）和反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（輸入桿件與輸出桿件轉(zhuǎn)向相反）。其中轉(zhuǎn)斗缸后置式反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)由于機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、容易布置，同時(shí)又能滿(mǎn)足主要設(shè)計(jì)要求，如能獲得大的傳動(dòng)比和掘起力，良好的鏟斗平移性能。
ZL50裝載機(jī)工作裝置為無(wú)鏟斗托架轉(zhuǎn)斗油缸后置式反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)，反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)由搖臂、動(dòng)臂、鏟斗和連桿組成的四連桿機(jī)構(gòu)，鏟斗液壓缸與動(dòng)臂液壓缸等組成，裝載機(jī)的鏟掘和裝卸作業(yè)是通過(guò)工作裝置的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)動(dòng)臂處于某種作業(yè)位置不動(dòng)時(shí)，在鏟斗液壓缸作用下，連桿機(jī)構(gòu)可使鏟斗繞其鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)鏟斗液壓缸閉鎖時(shí)，動(dòng)臂在動(dòng)臂液壓缸作用下提升或下降鏟斗過(guò)程中，連桿機(jī)構(gòu)能使鏟斗保持平移或斗底平面與地面的夾角控制在很小的范圍內(nèi)，以免裝裝滿(mǎn)物料的的鏟斗由于傾斜而撒落；當(dāng)動(dòng)臂下降時(shí)，能使鏟斗平放在地面上。
鏟斗用以鏟裝物料；動(dòng)臂和舉升油缸用來(lái)提升鏟斗；轉(zhuǎn)斗油缸通過(guò)搖臂、連桿使鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)。工作裝置的作業(yè)過(guò)程大致是這樣的：動(dòng)臂油缸回縮，將動(dòng)臂下放至下限位置（即動(dòng)臂油缸全縮）后，鏟斗插入地面，斗尖觸地，開(kāi)動(dòng)裝載機(jī)，鏟斗借助機(jī)器的牽引力插入料堆；然后轉(zhuǎn)斗油缸伸出，轉(zhuǎn)動(dòng)鏟斗，鏟取物料：待鏟斗收斗后，轉(zhuǎn)斗缸閉鎖，動(dòng)臂油缸伸出，舉升動(dòng)臂，將鏟斗升到適當(dāng)?shù)倪\(yùn)輸位置，然后驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)，載重駛向卸料點(diǎn)；到達(dá)卸料點(diǎn)后，保持轉(zhuǎn)斗缸長(zhǎng)度不變，動(dòng)臂油缸繼續(xù)伸長(zhǎng)，將鏟斗舉升到任意卸料高度；然后將動(dòng)臂油缸閉鎖，轉(zhuǎn)斗油缸收縮翻轉(zhuǎn)鏟斗，裝載機(jī)卸載；卸料結(jié)束后，動(dòng)臂油缸回縮，下放動(dòng)臂，實(shí)現(xiàn)鏟斗自動(dòng)。
對(duì)裝載機(jī)工作裝置的主要設(shè)計(jì)要求，在裝載機(jī)工作時(shí)要保證：當(dāng)動(dòng)臂處于某種作業(yè)位置不動(dòng)時(shí)（此時(shí)動(dòng)臂油缸封閉），在轉(zhuǎn)斗油缸作用下，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)使鏟斗繞其鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)卸料，通常要求卸料角不小于４５度，以保證卸料干凈。當(dāng)動(dòng)臂在動(dòng)臂油缸作用下，提升或降低鏟斗過(guò)程中（此時(shí)轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖），連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)能使鏟斗在提升時(shí)保持平移或控制斗底平面與地面的夾角在很小的范圍內(nèi)變化，以免由于鏟斗產(chǎn)生傾斜而使裝滿(mǎn)的物料散落而造成安全事故。通常，要求鏟斗在上升。下降過(guò)程中最大轉(zhuǎn)角差不大于15度；而在動(dòng)臂下降時(shí)，又自動(dòng)將鏟斗放平，以減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率。此外，連桿機(jī)構(gòu)還應(yīng)具有良好的動(dòng)力傳遞性能，運(yùn)動(dòng)中不與其他構(gòu)件發(fā)生干擾，而且具有足夠的強(qiáng)度和剛度等。這些就是后面的運(yùn)動(dòng)仿真分析和有限元結(jié)構(gòu)分析所考慮的問(wèn)題了。
1929年生產(chǎn)出第一臺(tái)輪式裝載機(jī)，（斗容0.753立方米，載重680公斤）。這是較早的裝載機(jī)，采用門(mén)架式結(jié)構(gòu)。在這之前是用鋼繩提斗式的裝卸機(jī)具。這一時(shí)期的裝載機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：發(fā)動(dòng)機(jī)前置，前輪小，后輪大，單橋驅(qū)動(dòng)，前輪轉(zhuǎn)向，輪架式工作裝置用鋼繩提臂翻斗，拖拉機(jī)底盤(pán)，牽引力小，鏟斗切入力小，作業(yè)速度低。
到了四十年代有了專(zhuān)用底盤(pán)，由克拉克公司于1947年生產(chǎn)，采用的是液壓-連桿機(jī)構(gòu)，取代了以前的門(mén)架式結(jié)構(gòu)。專(zhuān)用底盤(pán)具備了現(xiàn)代裝載機(jī)的外形，提高了提升速度，卸載高度和掘起力，因而可用于松散的土方和石方，這是裝載機(jī)發(fā)展過(guò)程中的第一次重大突破。
到了五十年代，裝載機(jī)的結(jié)構(gòu)性能更加完善了，1951年美國(guó)開(kāi)始采用液力機(jī)械傳動(dòng)，同時(shí)車(chē)架結(jié)構(gòu)采用三點(diǎn)支撐，提高了車(chē)輛的越野性和牽引性。這時(shí)候裝載機(jī)開(kāi)始形成系列化專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)。這時(shí)期的裝載機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)形成了柴油機(jī)-液力變矩器-動(dòng)力換擋變速箱-雙橋驅(qū)動(dòng)，這又是一次重大突破。
六十年代，生產(chǎn)出了能在礦山作業(yè)的大型裝載機(jī)，這時(shí)期采用的是鉸接式的裝載機(jī)，這是第三次重大突破。鉸接轉(zhuǎn)向的優(yōu)點(diǎn)是：鏟斗隨前車(chē)架轉(zhuǎn)向，可滿(mǎn)足原地轉(zhuǎn)向；與剛性車(chē)架相比，一個(gè)作業(yè)循環(huán)內(nèi)平均行駛路程少，生產(chǎn)效率高，轉(zhuǎn)彎半徑小，機(jī)動(dòng)性好，適用于狹窄場(chǎng)地作業(yè)。
七十至八十年代，這個(gè)時(shí)期的裝載機(jī)工作裝置朝著安全、操作省力、維修方便等方面發(fā)展。如鉗盤(pán)式制動(dòng)器取代了蹄式制動(dòng)器。（沾水復(fù)原性好，散熱性好，壽命長(zhǎng)等）銷(xiāo)軸采用二硫化鉬潤(rùn)滑，由10小時(shí)加一次潤(rùn)滑脂變?yōu)?00小時(shí)加一次。
二、本課題的目的（重點(diǎn)及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題）
設(shè)計(jì)工作結(jié)構(gòu)和參數(shù)計(jì)算并分析確定其液壓系統(tǒng)的工作原理和工作過(guò)程。繪制裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)原理圖，并完成各部分零部件圖的繪制，按要求編制總體設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。完成上述要求要用到機(jī)械設(shè)計(jì)及原理、理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械制造、和熟練運(yùn)用相關(guān)軟件等知識(shí)。
在掌握裝載機(jī)基本構(gòu)造、工作原理和性能要求等知識(shí)的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)、力學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)，借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，對(duì)裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，擺脫進(jìn)行大量計(jì)算的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，減少重復(fù)設(shè)計(jì)，縮短工作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。
在利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真之前，我們要對(duì)裝載機(jī)的各個(gè)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算及繪圖，具體步驟如下：
1.分析裝載機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r和推土機(jī)的結(jié)構(gòu)類(lèi)別。
2.選擇裝載機(jī)機(jī)的各部件形式。
3.計(jì)算裝載機(jī)作業(yè)的阻力
4.確定裝載機(jī)總體參數(shù)。
5.對(duì)裝載機(jī)的工作裝置進(jìn)行總體布置。
6.計(jì)算裝載機(jī)的穩(wěn)定性。
7.選擇工作裝置結(jié)構(gòu)形式。
8.對(duì)工作裝置運(yùn)動(dòng)和受力進(jìn)行分析
最后，利用Proe建立裝載機(jī)工作裝置的實(shí)體模型，并在電腦屏幕上進(jìn)行模擬工作系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真，以便能及早的發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)參數(shù)上的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，從而減少了物理樣品試制過(guò)程中出項(xiàng)的各種問(wèn)題。利用其中的動(dòng)態(tài)模擬自動(dòng)檢測(cè)各桿件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的干涉問(wèn)題，效率高、準(zhǔn)確度好，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難題，使桿件干涉問(wèn)題在設(shè)計(jì)過(guò)程中得到了有效的解決?？s短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，為裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供方便、實(shí)用的設(shè)計(jì)方法、仿真分析。有助于理解和分析工作裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的結(jié)果，并提供相應(yīng)的改進(jìn)信息。應(yīng)用Proe 軟件的建模和動(dòng)態(tài)模擬仿真分析等模塊，成功地解決裝載機(jī)工作裝置傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中無(wú)法直觀觀察工作裝置空間運(yùn)動(dòng)狀況的難題，是直觀、方便地進(jìn)行裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)、布局、模擬和動(dòng)態(tài)分析的一次有益嘗試，為生產(chǎn)高質(zhì)量、高性能的裝載機(jī)工作裝置提供了可靠保障。
三、主要內(nèi)容、研究方法、研究思路
主要內(nèi)容：
1.確定ZL50裝載機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)方案，并闡述裝載機(jī)的適用范圍與功能優(yōu)勢(shì)。
2.確定裝載機(jī)總體參數(shù)、工作裝置主要參數(shù)，了解各零部件的加工方案。
3.對(duì)系統(tǒng)中各零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,確定個(gè)零部件的尺寸。
4.對(duì)裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
5.繪制出其裝配圖及若干零件。
6.利用Proe設(shè)計(jì)軟件對(duì)裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真。
研究方法：
前期人工計(jì)算出裝載機(jī)工作裝置各個(gè)零件的確切數(shù)據(jù)，繪制零件圖。然后對(duì)裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)錄入裝載機(jī)工作裝置數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括管理模塊、查詢(xún)模塊、文件管理模塊和幫主模塊。然后對(duì)工作裝置的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)的快速提取，并采用直觀的樹(shù)形圖顯示參數(shù)信息，方便完成查詢(xún)操作，數(shù)據(jù)的同列與匯總。然后利用Proe設(shè)計(jì)軟件對(duì)裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真。
研究思路：
利用Proe設(shè)計(jì)軟件，建立裝載機(jī)工作裝置的三維實(shí)體模型，并對(duì)工作裝置的模型添加運(yùn)動(dòng)副約束與運(yùn)動(dòng)約束。最后對(duì)裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。
四、總體安排和進(jìn)度（包括階段性工作內(nèi)容及完成日期）
2013.3.29-2013.4.11 熟悉整理資料
2013.4.12-2013.4.25 方案選擇及總體設(shè)計(jì)
2013.4.26-2013.5.9 繪制總圖
2013.5.10-2013.5.23 工作裝置設(shè)計(jì)
2013.5.24-2013.6.13 工作裝置運(yùn)動(dòng)及受力分析計(jì)算
2013.6.14-2013.6.22 繪制零件圖紙
2013.6.23-2013.6.27 準(zhǔn)備論文及答辯
五、主要參考文獻(xiàn)
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指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
指導(dǎo)教師簽名： 日期：
教研室意見(jiàn)：
教研室主任簽名： 日期：
系意見(jiàn)：
系領(lǐng)導(dǎo)簽名： 日期：
系蓋章
課題來(lái)源：導(dǎo)師課題、社會(huì)實(shí)踐、自選、其他
課題類(lèi)別：工程設(shè)計(jì)、施工技術(shù)、新品開(kāi)發(fā)、軟件開(kāi)發(fā)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)論文。
目錄 第 1 章 前言 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.1 概述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.2 發(fā)展趨勢(shì) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 第 2 章 總體設(shè)計(jì) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 2.1 概述 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 2.2 確定總體設(shè)計(jì)方案 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 2.2.1 金屬結(jié)構(gòu) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2 2.2.2 工作機(jī)構(gòu) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19 2.2.3 安全保護(hù)裝置 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????27 2.3 總體設(shè)計(jì)原則 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 2.3.1 整機(jī)工作級(jí)別 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 2.3.2 機(jī)構(gòu)工作級(jí)別 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 2.3.3 主要技術(shù)性能參數(shù) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????30 2.4 平衡重的計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????30 2.5 起重特性曲線 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32 2.6 塔機(jī)風(fēng)力計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????34 2.6.1 工作工況Ⅰ ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????35 2.6.2 工作工況Ⅱ ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 2.6.3 非工作工況Ⅲ ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????40 2.7 整機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????43 2.7.1 工作工況Ⅰ ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????44 此工況下，塔機(jī)穩(wěn)定可靠。 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????45 2.7.2 工作工況Ⅱ ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????45 2.7.3 非工作工況Ⅲ ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????46 2.7.4 工作工況Ⅳ ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????47 2.8 固定基礎(chǔ)穩(wěn)定性計(jì)算 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????48 第 3 章 變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????50 3.1 變幅機(jī)構(gòu)的形式 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????50 3.2 確定卷筒的尺寸 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????50 3.2.1 卷筒的名義直徑 D??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????50 3.2.2 多層繞卷筒相關(guān)參數(shù)計(jì)算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????51 3.3. 選擇電動(dòng)機(jī)、減速器、制動(dòng)器、聯(lián)軸器 ???????????????????????????????????????????????????????????????????51 3.3.1 選擇電動(dòng)機(jī) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52 3.3.2 選擇減速器 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52 3.3.3 變幅機(jī)構(gòu)制動(dòng)器的選擇 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????53 3.3.4 變幅機(jī)構(gòu)聯(lián)軸器的選擇 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????54 3.4. 驗(yàn)算變幅速度 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????56 3.5 驗(yàn)算起、制動(dòng)時(shí)間驗(yàn)算 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????56 3.6 電動(dòng)機(jī)發(fā)熱校驗(yàn) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????58 3.7 校驗(yàn)卷筒強(qiáng)度 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????59 第 4 章 變幅小車(chē)的設(shè)計(jì) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????60 4.1 變幅小車(chē)的形式 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????60 4.2 變幅小車(chē)的設(shè)計(jì) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????60 4.2．1 繩索牽引式小車(chē)構(gòu)造及其驅(qū)動(dòng)方式 ???????????????????????????????????????????????????????????????????60 4.2．2 運(yùn)行小車(chē)牽引力計(jì)算 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????61 4.2.3 牽引繩最大張力 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????65 4.2.4 選擇牽引繩 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????65 4.2.5 牽引卷筒計(jì)算 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????65 第 5 章 畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????70 參考文獻(xiàn) ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????71