机械毕业设计（论文）-ZL40轮式装载机工作装置结构设计【全套图纸】 .doc

前 言 随着社会的不断发展，工程机械作为现代化基础建设的主要工具和手段已为人们 说熟知。工程机械及设备已是集机、电、液一体化和信息、激光等高薪技术以及审美 艺术于一身的现代机电产品，并且正在向着自动化、远距离控制和智能化等方向发展。 装载机作为现代工程机械很重要的一种设备也是如此。装载机主要用于铲装土壤、沙 石、煤炭、石灰等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业，换装不同的辅助 工作装置还可以进行推土、起重、破碎等作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、 机动性好、操作轻便等优点，因而广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等 建筑工程。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 在国外，装载机经历了 5060 年的发展后，到 20 世纪 90 年代中末期国外轮式装 载机技术已达到相当高的水平。基于液压技术、微电子技术和信息技术的各种智能系 统已广泛应用于装载机的设计、计算操作控制、检测监控、生产经营和维修服务等各 个方面，这使得国外轮式装载机在原来的基础上更加“精致” ，其自动化程度也得到 极大的提高，从而进一步提高了生产效率，改善了司机的作业环境，提高了作业的舒 适性，降低了噪声、振动和排污量，保护了自然环境；最大限度地简化维修、降低作 业成本，使其性能、安全性、可靠性、使用寿命和操作性能都达到了很高的水平。为 了满足铲掘能力和快速装卸两方面的要求，装载机工作装置采用多级液压系统，工作 装置已不再采用单一的 z 形连杆机构，不断研制出集液压、微电子及信息技术于一体 的智能系统，并广泛应用于轮式装载机的产品设计之中。国外轮式装载机在其未来技 术发展中将广泛应用微电子技术与信息技术，完善计算机辅助驾驶系统、信息管理系 统及故障诊断系统；采用单一吸声材料、噪声抑制方法等消除或降低机器噪声；通过 不断改进电喷装置，进一步降低柴油发动机的尾气排放量；研制无污染、经济型、环 保型的动力装置；提高液压元件、传感元件和控制元件的可靠性与灵敏性，提高整机 的机电信一体化水平；在控制系统方面，将广泛采用电子监控和自动报警系统、 自动换挡变速装置；普遍安装 gprs 定位与质量自动称量装置；开发“机器人式”装 载机等。向系列化，特大型化；多用途，微型化；进一步普及应用液压技术，广泛应 用微电子、信息技术；更加重视安全性、舒适性和可靠性；向节能与环保方向发展。 我国轮式装载机行业起步较晚，制造技术是陆续从美国、德国和日本等国家引进 的。目前国产轮式装载机正在从低水平、低质量、低价位、满足功能型向高水平、高 质量、中价位、经济实用型过渡。从仿制仿造向自主开发过渡，各主要厂家也不断进 行技术投入，采用不同的技术路线，在关键部件及系统上技术创新，摆脱目前产品设 计雷同，无自己特色和优势的现状，我国装载机行业正在从低水平的无序竞争的怪圈 中脱颖而出，成为装载机行业的领先者。在近几年的发展过程中，大型和小型轮式装 载机受到客观条件及市场总需求量的限制。竞争最为激烈的中型装载机更新速度越来 越快：不断优化各项性能指标，强化结构件的强度及刚度，以使整机可靠性得到提高； 优化系统结构，提高系统性能；利用电子技术及负荷传感技术来实现变速箱的自动换 挡及液压变量系统的应用，提高效率、节约能源、降低装载机作业成本；提高安全性、 舒适性；降低噪声和排放，强化环保指标；广泛利用新材料、工艺、新技术，特别是 机、电、液一体化技术，提高产品的寿命和可靠性；最大限度地简化维修，尽量减少 保养次数和维修时间，增大维修空间，普遍采用电子监视及监控技术，进一步改善故 障诊断系统，提供排除问题的方法。 本论文主要是从装载机的工作装置进行设计、分析着手对装载机进行研究，对装 载机的工作状况进行一些简单的探讨，在设计过程中主要是对工作装置的铲斗、动臂、 连杆进行分析和设计。 目 录 摘 要.i abstract.ii 第 1 章 概述.1 1.1 国内外发展概况.1 1.1.1 国内发展概况.1 1.1.2 国外发展概况.2 1.2 设计的主要内容.3 1.2.1 主要内容.3 1.2.2 技术关键.3 第 2 章 轮式装载机的基本结构和工作原理分析.4 2.1 装载机的特点、分类及适用范围.4 2.2 轮式装载机的基本结构.4 2.3 工作装置.5 2.3.1 铲斗结构.5 2.3.2 连杆结构.6 2.3.3 动臂结构.6 2.3.4 工作装置的液压系统.7 2.3.5 限位机构.7 2.4 转向系统.7 2.4.1 全液压转向器.7 2.4.2 转向油缸.7 2.4.3 转向泵.8 2.5 传动系统.8 2.5.1 变速器.8 2.5.2 驱动桥.8 2.5.3 传动轴.8 2.6 液压系统.9 2.7 制动系统.9 2.7.1 行车制动系统.9 2.7.2 手动制动系统.9 2.8 工作原理.10 第 3 章 轮式装载机工作装置结构的系统分析、论证.11 3.1 铲斗分析.11 3.1.1 铲斗的分类.12 3.1.2 铲斗的结构形式.12 3.1.3 斗体形状.12 3.1.4 切削刃形状.13 3.1.5 斗齿.13 3.1.6 铲斗侧刃.13 3.1.7 斗底.14 3.1.8 铲斗断面形状.14 3.2 连杆分析.15 3.2.1 连杆机构形式.15 3.2.2 动臂结构形式.17 3.3 轮式装载机的工况分析.17 第 4 章 轮式装载机工作装置铲斗总成结构设计.19 4.1 主要技术参数.19 4.2 铲斗基本参数的确定.20 4.3 铲斗容量计算.22 4.3.1 基本型铲斗.22 4.3.2 有挡板铲斗.22 4.4 铲斗上下铰接点位置的确定.23 4.5 铲斗设计与计算.23 4.6 铲斗容量校核.24 4.7 工作装置连杆结构设计.27 4.7.1 设计要求.27 4.7.2 动臂求解.28 4.7.3 尺寸参数设计的图解法.30 4.8 工作装置受力分析及强度校核.33 4.8.1 外载荷计算.33 4.8.2 工作装置受力分析.35 4.8.3 工作装置强度校核分析.39 4.8.4 工作装置强度校核计算.42 4.9 装载机工作装置中油缸作用力的确定.44 4.10 工作装置的限位机构.45 4.11 设计工作装置结构小结.46 第 5 章 结论.48 5.1 主要结论.48 5.2 进一步研究与展望.49 致 谢.50 参考文献.51 摘 要 本文从轮式装载机的国内外发展状况研究出发，对轮式装载机的用途、分类方式 及轮式装载机在国内外的现状和发展趋势进行概述。通过对轮式装载机的基本结构及 工作原理的分析和对工作装置的深入研究，根据本次设计的指导思想和任务要求，确 定了本次设计的方案。 本文首先分析了 zl40 轮式装载机工作装置在设计过程中应满足的要求和 zl40 轮式装载机的主要技术参数，然后根据其要求依次对工作装置的铲斗、动臂、连杆机 构进行了设计，确定出工作装置的基本参数，在此基础上，结合工作装置的典型工况， 对工作装置进行受力分析和强度校核。最后根据设计的结论和设计过程中对轮式装载 机的一些认识提出了对轮式装载机的一些展望。 关键词：铲斗，连杆结构，摇臂，铰接机构 陈杰：zl40 轮式装载机工作装置结构设计 ii abstract this article embarks from the wheeled loaders domestic and foreign development condition research, then take a short overview to the use、the classified way of wheeled loader and the wheeled loaders present situations and the trend of development in the domestic and foreign. then through to the analysis of the wheeled loaders basic structure、 principle of works and the depth study of the device, according to this designs guiding principle and mission requirement, determine the program of this design. in the beginning of this design , the zl40 wheeled loader work installment request which should be meet in the design process and the zl40 wheeled loaders major technique parameter are first displayed, then according to the requirement design the work installments scoop, boom and link structure in turn. has determined work installment basic parameter. then basis the work installments basic parameter and union work installments typical operating mode, carries on the stress analysis and the intensity examination to the work installment. finally make some forecast according to the design conclusion and understanding of the wheeled loaders during the design process of the wheeled loader. keywords:keywords: scoop, link structure, rocking shaft, linkwork 2012 届机械设计制造及其自动化（工程机械）专业毕业设计（论文） iii 第 1 章 概述 装载机主要用于铲装土壤、沙石、煤炭、石灰等散状物料，也可对矿石、硬土等 作轻度铲挖作业，换装不同的辅助工作装置还可以进行推土、起重、破碎等作业。由 于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此广泛用于公路、 铁路、建筑、水电、港口、矿山等建筑工程1。 1.1 国内外发展概况 1.1.1 国内发展概况 我国装载机行业起步于 20 世纪 50 年代末。1958 年，上海港口机械厂首先测绘 并试制了 67kw、斗容量 1m3的装载机，该机采用单桥、滑动齿轮变速。1964 年，天 津工程机械研究所和厦门工程机械厂测绘并试制了功率为 100kw、斗容量 1.7m3的 z435 型装载机，该机为整体式机架、后桥转向。70 年代中期，国内成功研制出 zl 系列，zl90 轮式装载机于 1976 年在柳州工程机械厂试制成功，该机为大型轮式装载 机，首次采用气顶油双管路制动系统，钳盘式制动器，液压系统先导阀操纵主阀，转 向辅助泵、流量转向阀系统，压力转换阀节能系统等先进的系统与结构。1978 年，天 津工程机械研究所根据机械部的要求，定制出以柳工 z450 为基型的我国轮式装载机 系列标准，70 年代末、80 年代初我国装载机制造企业已增加至 20 多家，初步形成了 我国装载机行业。到 80 年代，随着行业的发展，通过和国外的技术合作，国内又研 制了 zl10、zl15 以及小型的 zl04、zl07、zl08 此外还生产了 陈杰：zl40 轮式装载机工作装置结构设计 2 zl16、zl60、zl70、zl80、zl100 等型号。进入 90 年代，我国装载机行业发展更 为迅速，产量和品种相应扩大。 zl20 型以下属于小型装载机，适用于市政建设、中小型城镇建设、乡间非等级 公路建设、一般公路的维护保养、港口码头作业，还有改善环境、植树造林等。因价 格低、综合使用率高、回报较为丰厚，发展前景十分诱人。近几年国内小型装载机市 场发展迅猛，出现快速发展之势。小型装载机投入批量生产始于山东青州，当时是用 手扶拖拉机加动臂、铲斗改装而成的，也有用拖拉机传动件，加上专用车架改装而成 的。由于市场需求加速，产品发展加速，到现在做得比较好的已经没有了拖拉机的气 息。目前，小型装载机制造企业主要集中在山东的青州、莱州、泰安，河南的郑州、 巩义，洛阳、河北石家庄以及安徽阜阳等。做小型装载机的专业企业有厦工集团所属 的厦工新宇、徐工集团所属的徐特、柳工所属的江苏柳工等。小型装载机市场应比大 型装载机市场大，且在“十一五”期间会迅速发展。国内企业都在争夺这块市场，传 统大厂也积极进入，大厂进入小型装载机市场后对小型装载机质量的提高非常有利， 尤其是配件质量的提高，但是受现阶段农村用户在选购设备时考虑的关键因素。配置 提高必然带来成本上升，对现阶段小型装载机来说最优化的解决方案，应该是在成本 和性能之间找到平衡。 目前装载机已经走出了一条自主发展的道路，并逐渐发展壮大，牢牢控制了国 内 90%以上的市场份额，其行业地位十分重要。中国已经成为世界上名副其实的装载 机大国，国产装载机产品以其出色的性价比优势，已经开始在国际市场上崭露头角， 呈现比较好的发展势头。 1.1.2 国外发展概况 在经历了 5060 年的发展后，到 20 世纪 90 年代中末期国外轮式装载机技术已达 到相当高的水平。基于液压技术、微电子技术和信息技术的各种智能系统已广泛应用 于装载机的设计、计算操作控制、检测监控、生产经营和维修服务等各个方面，使国 外轮式转载机在原来的基础上更加“精致” ，其自动化程度也得到极大的提高，从而 进一步提高了生产效率，改善了司机的作业环境，提高了作业舒适性，降低了噪声、 振动和排污量，保护了自然环境，最大限度地简化维修、降低作业成本，使其性能、 安全性、可靠性、使用寿命和操作性能都达到了很高的水平。为了满足铲掘能力和快 速装卸两方面的要求，装载机工作装置采用多级液压系统，工作装置已不再采用单一 的 z 形连杆机构，不断研制出集液压、微电子及信息技术于一体的智能系统，并广泛 应用于轮式装载机的产品设计之中。 2012 届机械设计制造及其自动化（工程机械）专业毕业设计（论文） 3 国外轮式装载机在其未来技术发展中将广泛应用微电子技术与信息技术，完善计 算机辅助驾驶系统、信息管理系统及故障诊断系统；采用单一吸声材料、噪声抑制方 法等消除或降低机器噪声；通过不断改进电喷装置，进一步降低柴油发动机的尾气排 放量；研制无污染、经济型、环保型的动力装置；提高液压元件、传感元件和控制元 件的可靠性与灵敏性，提高整机的机电信一体化水平；在控制系统方面，将广泛 采用电子监控和自动报警系统、自动换挡变速装置；普遍安装 gprs 定位与质量自动 称量装置；开发“机器人式”装载机等。向系列化，特大型化；多用途，微型化；进 一步普及应用液压技术，广泛应用微电子、信息技术；更加重视安全性、舒适性和可 靠性；向节能与环保方向发展。 1.2 设计的主要内容 1.2.1 主要内容 对于轮式装载机而言，它是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口和矿山 等建设工程的土石方机械。它具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点。 对于加快工程建设速度，减轻劳动强度，提高工程质量，降低工程成本都发挥着极其 重要的作用。本课题是从轮式装载机的工作原理出发，通过对工作装置的传动方案、 铲斗结构及功能等方面的分析论证，应用机电液一体化技术，正确进行并完成轮 式装载机工作装置的系统设计，使工作装置在作业中平稳、可靠、实现自动控制。从 而提高其结构的合理性、稳定性，控制的自动性，操纵的灵活性，外观的美丽性等。 1.2.2 技术关键 在开题过程中首先要明白轮式装载机是属于土石方机械，对其国内外的发展历史、 现状和趋势有充分的了解；其次是对轮式装载机的结构和工作原理进行系统的论述和 分析，对各个系统和装置的构成和功用进行进一步的说明；再次是对工作装置铲斗 进行系统分析和论述，并且对其进行设计：如对铲斗的形状、铲斗的材料、铲斗的宽 度和高度、铲斗相对于连杆和前轮的尺寸位置等；最后是对控制系统的液压系统进行 设计和分析，通过对液压系统的设计来实现工作装置的自动控制，并且在保证工作装 置能实现自动控制的同时还应力求运行的平稳、迅速、可靠、环保和经济。 本设计从装载机的工作原理出发，根据总体技术指标，通过对工作装置的传动方 案、铲斗结构及功能作用等方面的分析论证，完成 zl40 装载机工作装置的结构设计， 使工作装置在作业中达到规定的要求，设计中主要包括以下几个方面： 陈杰：zl40 轮式装载机工作装置结构设计 4 （1）国内外装载机的现状、发展趋势和发展方向综述； （2）zl40 型装载机的基本结构和工作原理分析； （3）zl40 型装载机工作装置总成结构的系统分析、论证； （4）zl40 型装载机工作装置总成结构的设计。 第 2 章 轮式装载机的基本结构和工作原理分析 2.1 装载机的特点、分类及适用范围 常用单斗装载机的分类、特点及适用范围见表 2-1。 表表 2-12-1 单斗装载机分类、特点及适用范围单斗装载机分类、特点及适用范围 分类形式分类特点及适用范围 小型功率小于 74kw 中型功率 74147kw 大型功率 147515kw 发动机功率 特大型功率大于 515kw 机械传动 结构简单、制造容易、成本低、使用维修较容易；传动系冲击 振动大，功率利用差。仅小型装载机采用 液力机械传动 传动系冲击振动小，传动件寿命高、车速随外载自动调节、操 作方便减少驾驶员疲劳。大中型装载机多采用 液压传动 无极调速、操作简单；启动性差、液压元件寿命短。仅小型装 载机上采用 传动形式 电传动 无极调速、工作可靠、维修简单；设备质量大、费用高。大型 装载机上采用 轮胎式装载机 （1）铰接式 （2）整体式车 架装载机 质量轻、速度快、机动灵活、效率高、不易损坏路面；接地比 压大、通过性差、稳定性差、对场地和物料块度有一定要求应用 范围广泛。转弯半径小、纵向稳定性好，生产率高。不但适用于 路面。而且可用于井下物料的装卸运输作业。车架是一个整体， 转向方式有后轮转向、全轮转型、前轮转向及差速转向。仅小型 全液压驱动和大型电动装载机使用 行走系结构 履带式装载机 接地比压小，通过性好、重心低、稳定性好、附着性能好、牵 引力大、比切入力大；速度低、机动灵活性差、制造成本高、行 走时易损路面、转移场地需拖运。用在工程量大，作业点集中， 路面条件差的场合 装载方式前卸式 前端铲装卸载，结构简单、工作可靠、视野好。是用于各种作 业场地，应用广 2012 届机械设计制造及其自动化（工程机械）专业毕业设计（论文） 5 回转式 工作装置安装在可回转 90-360的转台上，侧面卸载不需调 车，作业效率高；结构复杂、质量大、成本高、侧稳定性差。适 用狭小的场地作业 后卸式 前端装料，后端卸料，作业效率高；作业安全性差，应用不广 侧卸式 前端装料，侧面卸料，适用于地下或场地狭窄的作业场地 2.2 轮式装载机的基本结构 轮式装载机是由动力装置、车架、行走装置、传动系统、转向系统、制动系统、 液压系统和工作装置组成。轮式装载机的动力是柴油发动机，大多采用液力变矩器， 动力换挡变速箱的液力机械传动型式，液压操纵、铰接式车体转向、双桥驱动、宽基 低压轮胎、工作装置多采用反转六连杆机构等，其结构总体图如图 2.1 所示。 2.3 工作装置 装载机的铲掘和装卸物料作业是通过工作装置的运动来实现的，其工作装置由铲 斗、动臂、连杆、摇臂和转斗油缸、动臂油缸、拉杆等组成。整个工作装置铰接在车 架上，铲斗通过连杆和摇臂与转斗油缸铰接，用以装卸物料。动臂与车架、动臂油缸 铰接，用以升降铲斗，其工作装置图，如图 2.2 所示。 图 2.1 轮式装载机总体结构图 1-铲斗 2-动臂 3-连杆 4-前车架 5-轮胎 6-后车架 7-配重 8-发动机 9-烟囱 10-驾驶室 11-液压系统 陈杰：zl40 轮式装载机工作装置结构设计 6 2.3.1 铲斗结构 土方工程的装载机铲斗斗体常用低碳、耐磨、高强度钢板焊接而成，切削刃常采 用耐磨的中锰合金钢材料，侧切削刃和加强角板都用高强度耐磨材料制成。铲斗切削 刃的形状分四种，齿形的选择应考虑插入阻力、耐磨性和易于更换等因素。齿形分尖 齿和钝齿，轮式装载机多采用尖齿；斗齿的数目视斗宽而定，一般平均齿距在 150300mm 比较合适。斗齿结构分整体式和分体式，中小型装载机多采用整体式； 大型装载机由于作业条件恶劣，斗齿磨损严重，常用分体式。分体式斗齿分为基本齿 和齿尖两部分，磨损后只需更换齿尖346。 2.3.2 连杆结构 轮式装载机广泛采用的是 z 型反转六连杆机构工作装置，其主要特点有14： （1）装载机铲掘转斗时，转斗油缸无杆腔进油，掘起力大，有利于提高装载机 的铲掘能力。 （2）当动臂升举至卸料高度时，转斗油缸有杆腔开始进油，铲斗向前翻转卸料， 因铲斗转动角度较小，铲斗卸料速度可得到有效控制（由 z 型连杆机构保证） ，故铲 斗卸载惯性小，减少了机构的卸载冲击。 （3）通过 z 型反转连杆机构铰点的优化设计，可实现装载机在动臂升举和运载 过程中，铲斗保持平移运动，物料不易撒落，提高装载机的装卸效率。 （4）z 型反转连杆易于实现铲斗自动放平，可以提高装载机铲装和平地作业效 图 2.2 装载机工作装置 2012 届机械设计制造及其自动化（工程机械）专业毕业设计（论文） 7 率。 2.3.3 动臂结构 工作装置的动臂结构用来安装和支承铲斗，并通过升举油缸实现铲斗升降。动臂 的形状按其纵向中心形状可分为直线形和曲线形两种，轮式装载机多采用曲线形动臂 的反转六连杆机构。动臂的断面结构形式有单板、双板、工字形和箱形。小型装载机 多采用单板；大中型装载机多采用双板形、工字形或箱形断面结构的动臂。 2.3.4 工作装置的液压系统 轮式装载机工作装置的液压系统应保证工作装置能完成铲掘、提升、保持、翻斗 等动作，这就要求动臂油缸操纵阀必须具有提升、保持、下降和浮动四个位置，而转 斗油缸操纵阀必须具有后倾、保持和前倾三个位置。其可分为独立形式，共泵分流形 式和能量转换形式三种结构形式5。 2.3.5 限位机构 为使装载机在作业过程中操纵简便、动作准确、安全可靠、生产率高，在工作装 置中常设有铲斗前倾、后倾角限位、动臂升降自动限位装置以及铲斗自动放平机构。 在铲装、卸料作业时，对铲斗后倾、前倾角有一定的要求，进行限位控制，多采用限 位挡块限位方式6。 2.4 转向系统 我国第一代 zl40 型装载机采用螺杆螺母循环球式直接带动转向阀的机械式转向 系统，设有带随动杆的机械反馈，该系统与全液压转向系统相比，转向力及油压压力 损失较大，可靠性相对差一些。目前我国轮式装载机已普遍采用全液压传动系统，其 包括全液压流量放大转向系统，负荷传感转向系统，其动力系统及燃油经济性较好， 且易于操作。 2.4.1 全液压转向器 全液压转向器主要由随动转阀和计量马达组成。全液压转向器广泛应用于车辆转 向和船舶液压舵；驾驶人员通过它可以用较小的操纵力实现较大的转向力控制，并且 在性能上安全、可靠、操纵灵活、轻便。 陈杰：zl40 轮式装载机工作装置结构设计 8 转向器的操纵是全液压式的，也就是说在转向柱和转向轮之间没有机械连接，在 转向器与转向油缸之间是液压管或软管连接。 2.4.2 转向油缸 转向油缸由缸体、缸盖、活塞杆、活塞等组成。油缸的活塞杆端与后车架相连， 另一端与前车架相连接，两个转向油缸进出油管路多采用交叉连接，即一个转向油缸 的大腔与另一个转向油缸的小腔相连，转向时使前后车架相对转动，实现铰接式装载 机的左右转向。 2.4.3 转向泵 转向泵为齿轮泵，固定在变速箱上，由发动机带动变速箱内的齿轮和轴驱动。 2.5 传动系统 轮式装载机的传动系统主要由变速器、驱动桥、传动轴等组成。 2.5.1 变速器 变速器由液力变矩器及变速箱组成，其结构形式包括变矩器的一端与柴油机、另 一端与变速箱直接相连；变速器为一整体与柴油机分置；或变矩器与柴油机直接相连 而与变速器分置，之间用传动轴连接。 变速器的主要作用有： （1）改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速变化范围，以适应不同的行驶条件； （2）在发动机旋转方向不变情况下，能改变行驶方向； （3）利用空档，中断动力传递，以使发动机能够启动、怠速，便于换挡或动力 输出。 2.5.2 驱动桥 驱动桥由前桥、后桥组成，前桥直接固定在前车架上，后桥为摆动桥，通过副车 架与后车架相连。 现代轮式装载机基本上都采用铰接式转向，因此前后驱动桥除主传动螺旋锥齿轮 中的旋向不同外，其他件全部通用。我国轮式装载机的驱动桥大多采用整体桥壳，全 浮式半轴，具有主传动及轮边两级减速的驱动桥。 2012 届机械设计制造及其自动化（工程机械）专业毕业设计（论文） 9 2.5.3 传动轴 轮式装载机的传动轴由汽车的传动轴演变而来。由于要对由汽车传动轴改装的轴 力量加大，扭矩加大，所以这种传动轴可靠性不高，后对重型汽车传动轴经专门设计 为轮式装载机专用传动轴，承载能力好，可靠性高，已普遍应用在我国的轮式装载机 产品上。 2.6 液压系统 液压系统包括工作液压系统和转向液压系统两个部分。 装载机工作液压系统目前已开始普遍采用先导工作液压系统，采用数液比例先导 控制方向阀，经电控制系统处理后形成脉冲宽度调制信号，经功率放大器放大以驱动 高速开关阀，从而控制多路阀来推动油缸，可方便地完成铲斗的各种工作。 装载机作为一种可路面行驶的工程机械，其转向系统必须可靠，因而我国装载机 基本上采用的是液压转向系统，它可分为普通助力转向系统和负荷传感转向系统，而 负荷传感转向系统又可分为阀控和泵控两种形式。 普通助力转向系统是采用转向液压系统和工作液压系统完全独立的方案，其结构 简单，成本低，可靠性好。 负荷传感转向系统由转向泵、负荷传感转向器及液压缸等组成，其液压系统的功 率与柴油机的输出功率匹配更加合理，能源利用率更高。 2.7 制动系统 2.7.1 行车制动系统 轮式装载机行车制动系统一般用气压、液压或气液混合方式进行控制。气液混合 方式的气顶油双管路四轮制动，它是由空气压缩机、油水分离器、储气筒、双管路气 制动阀、盘式制动器等组成。 工作时，压缩空气经油水分离器过滤后，经压力控制器、单向阀进入储气罐。制 动时，踩下气制动阀，压缩空气分两路进入前、后加力器，使制动液产生高压，进入 盘式制动器制动车轮。 2.7.2 手动制动系统 手制动系统采用的是机械操纵双蹄内涨蹄式，主要由操纵杆、软轴、制动器组成。 陈杰：zl40 轮式装载机工作装置结构设计 10 拉动操纵杆，通过软轴使制动器内两蹄片涨开压在制动鼓上，达到制动的目的。操纵 杆安装在司机的座位旁，旋动其上的调节螺栓可以调节软轴钢丝绳的松紧。制动器为 自动增力，安装在变速箱输出轴前端。拉动操纵杆，蹄片完全压紧制动鼓时，接触率 应达 85%以上，完全拉紧操纵杆时，不能起步或在小于 5的坡道上停车，解除制动后， 摩擦片不得与制动鼓接触。 2.8 工作原理 轮式装载机是以柴油发动机或电动机为动力源，以轮胎为行走机构产生推力，由 工作装置来完成土石方工程的铲挖、装卸及运输作业的一种工程机械。 轮式装载机的基本工作过程是：发动机液力变矩器变速箱前、后轴前、 后桥轮边减速器，来驱动车轮转动，使装载机工作装置接近并插入料堆。铲斗用于 铲装物料，动臂和动臂油缸为铲斗提供铰接支撑，翻斗油缸通过摇臂、连杆使铲斗转 动。由铲斗、动臂 、摇臂、连杆、动臂油缸、翻斗油缸及车架相互铰接所构成的连 杆机构，在装载机工作时由油缸驱动完成动臂的举升、下降和铲斗的内收、外放，从 而完成规定的工作。 2012 届机械设计制造及其自动化（工程机械）专业毕业设计（论文） 11 第 3 章 轮式装载机工作装置结构的系统分析、论证 装载机工作装置主要由铲斗和支撑铲斗进行装载作业的连杆系统组成，依靠这套 装置装载机可以进行散料装载作业、短途运输作业，还可以进行平地修路等作业。把 铲斗更换成专门的装置，还可以进行其它装载作业。 装载机工作装置的结构和性能直接影响整机的工作尺寸和性能参数，因此，工作 装置的合理性将直接影响装载机的生产效率、工作负荷、动力与运动特性、不同工况 下的作业效果、工作循环的时间、外形尺寸和发动机效率等。不同类型的装载机的工 作装置的结构是不同的。本设计介绍的是 zl40 型轮式装载机的工作装置，它由铲斗、 动臂、连杆、摇臂、转斗油缸和举升油缸组成。装载机的工作过程包括：插入工况、 铲装工况、重载运输工况、举升工况、卸载工况、空载运输工况,其工作装置如图 3.1 所示。 3.1 铲斗分析 工作装置是装载机的执行机构之一，铲斗是这个执行机构的执行构件，它是工作 3.1 装载机工作装置 陈杰：zl40 轮式装载机工作装置结构设计 12 装置的重要部件。铲斗直接与物料接触，是装、运、卸的工具，工作时，它被推压插 入料堆铲取物料，工作条件恶劣，要承受很大的冲击力和剧烈的磨损，因此铲斗的设 计质量对装载机的作业能力有较大的影响。为了保证铲斗的设计质量，首先应当合理 地确定铲斗的结构及几何形状，以降低铲斗插入物料的阻力。其次要保证铲斗具有足 够的强度、刚度、耐磨性，使其具有合理的使用寿命。铲斗应具有16： （1）较强的作业能力，铲斗插入料堆的阻力要小； （2）在料堆中铲掘的能力大、能耗小； （3）工作机构的各杆件受力状态良好，强度寿命合理； （4）结构和工作尺寸适应生产条件需要，效率高； （5）结构简单紧凑，制造和维修容易，操作使用方便。 3.1.1 铲斗的分类 铲斗分为整体前卸式铲斗、侧卸式铲斗、推卸式铲斗和底卸式铲斗等，铲斗的形 式很多，即便是同一类型铲斗，因使用场合不同，在结构上也存在不少差别。轮式装 载机的铲斗断面形状一般为“u”形，用钢板焊接而成。 3.1.2 铲斗的结构形式 铲斗的形状和尺寸参数对插入阻力、铲取阻力、转斗阻力和生产率有着很大的关 系16。同一个铲斗有两种容积标志:一是物料装平时的容积，称为平装容积；一是物 料装满堆高后的容积，称为堆装斗容。机器铭牌上标称的斗容通常为铲斗的堆装容积。 铲斗由斗底、侧壁、斗刃及后壁等部分组成。铲斗的斗刃还分带齿和不带齿的两种， 其铲斗结构型式简图如图 3.2 所示。 图 3.2 铲斗结构形式简图 a）直型斗刃铲斗 b）v 型刃铲斗 c）直型带齿铲斗 d）v 型带齿铲斗 2012 届机械设计制造及其自动化（工程机械）专业毕业设计（论文） 13 3.1.3 斗体形状 从整个斗体形状来看，铲斗基本可分为“浅底”和“深底”两种类型。在斗容量 相同的情况下，前者开口尺寸较大，斗底深度较小，即斗前壁较短，而后者开口尺寸 较小，斗底深度反而较大。浅底铲斗插入料堆的深度小，相应的插入阻力也小，容易 装满，但运输行驶时容易撒料；由于前悬增大，影响车辆行驶的平稳性。而深底铲斗 则恰恰相反，插入料堆的深度大，相应的插入阻力也大。相比之下，定点装载使用浅 底铲斗，而运输距离较大则采用深底铲斗较为合适。铲斗斗体常用低碳、耐磨、高强 度钢板焊接而成2。 3.1.4 切削刃形状 根据装载物料的不同，切削刃有直线形和非直线形两种。前者结构形式简单，有 利于铲平地面，但铲装阻力较大，不利于铲装硬度系数较大的土壤。非直线型切削刃 又有 v 形和弧形等形式，由于这种刃中间突出，铲斗插入料堆时可使插入力集中作用 在斗刃的中间部分，所以插入阻力较小，容易插入料堆，并有利于减少偏载插入，但 铲斗装满系数要比前者小。切削刃一般采用耐磨的中锰合金钢材料，侧切削刃和加强 角板都用高强度耐磨材料制成2。 3.1.5 斗齿 铲斗斗刃上可以有斗齿，也可以没有斗齿。当斗刃上装有斗齿时，斗齿将先于切 削刃插入料堆，由于它比压大（即单位长度插入力大） ，所以比不带齿的切削刃易于 插入料堆，插入阻力能减小 20%左右，特别是对料堆比较密实、大块较多的情况，效 果尤为显著，因此一般矿用轮式装载机的铲斗均带斗齿。 斗齿结构分整体式和分体式，中小型装载机多采用整体式；大型装载机由于作业 条件恶劣，斗齿磨损严重，常用分体式。分体式斗齿分为基本齿和齿尖两部分，带分 分体式斗齿如图 3.3 所示，磨损后只需更换齿尖。 斗齿的形状和间距对切削阻力是有影响的。一般中型装载机的斗齿间距为 150300mm 左右，太大时由于切削刃将直接参与插入工作，使阻力增大，太小时， 齿间易卡住石块，也将增大工作阻力。长而窄的齿要比短而宽的齿插入阻力小，但太 陈杰：zl40 轮式装载机工作装置结构设计 14 窄又容易损坏，所以齿宽以每厘米长载荷不大于 500600kg 为宜。 3.1.6 铲斗侧刃 因为侧刃参与插入工作，为减小插入阻力，侧壁前刃应与斗前壁成锐角，侧刃应 是弧线或折线形；弧线形侧刃铲斗的插入阻力比直线形侧刃铲斗要小，但弧线或折线 形侧刃铲斗的侧壁较浅，物料易从两侧洒落，影响铲斗的装满。为了不使斗容减少太 多，一般可将连接前后斗壁的侧壁刃口设计成弧形。 3.1.7 斗底 斗前壁与斗后壁用圆弧衔接，构成弧形斗底。为了使物料在斗中有很好的流动性， 斗底圆弧半径不宜太小。 3.1.8 铲斗断面形状 铲斗的断面形状由铲斗圆弧半径、底壁长、后壁高和张开角四个参数确 1 r g r b r 0 定，其铲斗断面结构图如图 3.4 所示。 圆弧半径越大，物料进入铲斗的流动性越好，有利于减少物料装入斗内的阻力， 1 r 卸料快而干净。但过大，斗的开口大，不易装满，且铲斗外形较高，影响驾驶员观 1 r 察铲斗斗刃的工作情况。 后壁高是指铲斗上缘至圆弧与后壁切点间的距离。 b r 底壁长是指斗底壁的直线段长度，长则铲斗铲入料堆深度大，斗易装满，但 g r g r 掘起力将由于力臂的增加而减小。由试验得知，插入阻力随铲入料堆的深度而急剧增 加。长亦会减小卸载高度，短则掘起力大，且由于卸料时铲斗刃口降落的高度小， g r g r 图 3.3 分体式斗齿 2012 届机械设计制造及其自动化（工程机械）专业毕业设计（论文） 15 还可减小动臂举升高度，缩短作业时间，但这会减小斗容。对装载轻质物料为主的铲 斗，可选择大些；对铲装岩石的铲斗，应取小些。 g r g r 铲斗张开角为铲斗后壁与底壁间的夹角，一般取 4552。适当减小张开角并 0 使底壁对地面有一定斜度，可减小插入料堆时的阻力，提高铲斗的装满程度。 铲斗的宽度应大于装载机两前轮外侧间的宽度，每侧要宽出 50100mm。如铲斗 宽度小于两轮外侧间的宽度，则铲斗铲取物料后所形成的料堆阶梯会损伤轮胎侧壁， 并增 加行 驶时 轮胎 的阻 力。 3.2 连杆分析 3.2.1 连杆机构形式 综合国内、外轮式装载机工作装置的形成，按工作机构的构件数不同，可分为四 杆、六杆和八杆连杆机构。按输入杆和输出杆的转向不同又分为正转和反转连杆机构， 铲斗工作装置连杆机构图314，如图 3.5 所示。 （1）转斗油缸前置式正转六连杆机构 图 3.4 铲斗断面结构图 圆弧半径；底壁长；后壁高；张开角；回转半径 1 r g r b r 0 0 r 陈杰：zl40 轮式装载机工作装置结构设计 16 转斗油缸前置式正转六连杆机构的转斗油缸与铲斗和摇臂直接连接，该工作机构 由两个平行四杆机构组成，它可使铲斗具有很好的平动性能。它比八连杆机构简单， 司机视野较好。这种机构的缺点是转斗时油缸小腔进油，掘起力比较小；连杆系统传 动比小，使得转斗油缸活塞行程大，油缸加长，卸载速度不如八连杆机构；由于转斗 油缸前置，使工作机构前悬增大，影响整机稳定性和行驶的平稳性；也不能实现铲斗 的自动放平。 （2）转斗油缸后置式正转六连杆机构 此种机构与上述前置式油缸相比，前悬较大、传动比较大、活塞行程较短；有可 能将动臂、转斗油缸、摇臂和连杆设计在同一平面内，从而简化了结构，改善了动臂 和铰销的受力状态。缺点是转斗油缸与车架的铰接点位置较高，影响司机视野；转斗 时油缸小腔进油，掘起力相对较小。为了增大掘起力，需提高液压系统压力和加大转 斗油缸直径，这样质量会增大。 （3）正转八连杆机构 正转八连杆机构在转斗油缸大腔进油时转斗铲取，所以掘起力较大；各构件尺寸 配置合理时，铲斗具有较好的举升平动性能；连杆系统传动比较大，铲斗能获得较大 的卸载角和卸载速度，因此卸载干净、速度快；由于传动比大，还可适当减小连杆系 统尺寸，因而司机视野得到改善，但是一定要“适当”，否则易使连杆系统倍力系数减 小，影响掘起力发挥。正转八连杆机构的主要缺点是机构复杂，不易实现铲斗自动放 平。 （4）转斗油缸后置式反转六连杆机构 这种机构有以下优点：a、转斗油缸大腔进油，并且连杆系统的倍力系数能设计 成较大值，所以可获得较大的掘起力；b、恰当地选择各构件尺寸，不仅能得到良好 图 3.5 常用的铲斗工作装置结构图 a)、b)正转六连杆机构；c)正转八连杆机构；d)反转六连杆机构 2012 届机械设计制造及其自动化（工程机械）专业毕业设计（论文） 17 的铲斗平动性能，而且可以实现铲斗的自动放平；c、结构十分紧凑，前悬小，司机 视野好。缺点是摇臂和连杆布置在铲斗与前桥之间的狭窄空间，容易发生构件相互干 涉。 （5）正转四连杆机构 它是五种常用机构中最简单的一种，容易保证四杆机构实现铲斗举升平动，此机 构前悬较小。缺点是转斗的油缸小腔进油，油缸输出力较小，又因连杆系统倍力系数 难以设计出较大值，所以转斗油缸活塞行程大，油缸尺寸小；此外，在卸载时活塞杆 易与斗底相碰，所以卸载角减小。为避免碰撞，需把斗底制造成凹形，因而既减小了 斗容，又增加了制造困难，而且铲斗也不能实现自动放平。 综上分析可知，反转六连杆工作机构优点较多，能比较理想地满足铲、装、卸作 业要求，所以它在露天装载机上得到广泛的应用，我国 zl 系列轮式装载机的工作装 置就多采用反转 z 型六连杆机构2。 3.2.2 动臂结构形式 动臂的结构形式按照纵向中心线形状可简单地分为曲线形与直线形两种，如图 3.6 所示。直线形动臂多用于正转式连杆工作装置（履带式装载机） ，曲线形动臂常用 于反转式连杆工作装置（轮胎式装载机）2。 动臂的结构形式按断面形状可分为单板型、双板型、工字型和箱型等多种。板型 动臂比较简单，一般用在中、小型装载机上。箱型动臂的制造工艺复杂，但有较好的 抗弯和抗扭能力，多为大型装载机所采用。 使动臂起落的油缸称为举升油缸，举升油缸的布置有两种方式：举升油缸立式布 置和举升油缸卧式布置，即当铲斗处于装载位置时，举升油缸接近水平。 图 3.6 动臂结构形式 陈杰：zl40 轮式装载机工作装置结构设计 18 3.3 轮式装载机的工况分析 对于轮式装载机而言，由连杆机构形式分析可知多采用反转六连杆机构，所以对 轮式装载机的工作装置的系统设计就以反转六连杆机构为例进行设计。 轮式装载机的工作装置由铲斗、连杆、摇臂、动臂、转斗油缸、举升油缸组成， 这种机构实质是两个四连杆机构。轮式装载机是一种铲、装、运、卸一体化的自行式 设备，它的工作过程由六种工况组成18。 （1）插入工况：动臂下放，铲斗放置于地面，使斗尖触地，斗底板与地面成 3 到 5倾角，开动装载机，铲斗借助机器的牵引力插入料堆； （2）铲装工况：铲斗插入料堆后，转动铲斗铲取物料，待铲斗口翻至近似水平； （3）重载运输工况：铲斗铲装满物料后举升动臂，将铲斗举升至运输位置，然 后驱动机器驶向卸载点； （4）举升工况：保持转斗油缸长度不变，操作举升油缸，将动臂升至卸载位置， 准备卸载； （5）卸载工况：举升至卸载点，在举升工况下操作转斗缸翻转铲斗，进行卸载； （6）空载运输工况：卸载结束后，装载机再由卸载点空载返回装载点。 针对各种工况下的工作条件和对各种形式的工作装置进行的分析、论证得知，本 设计的工作装置具体要求如下：铲斗采用带斗齿有防溢板的铲斗，连杆采用反转六连 杆机构，动臂采用单板双动臂型，液压缸采用卧式布置。 2012 届机械设计制造及其自动化（工程机械）专业毕业设计（论文） 19 第 4 章 轮式装载机工作装置铲斗总成结构设计 工作装置在设计时应满足以下要求16： （1）角度要求：满足工作循环中铲斗各工作位置时的角度要求，达到所要求的 卸载高度与卸载距离。 （2）运动要求：在工作循环中速度与加速度变化合理；油缸活塞行程为最佳值； 工作装置运动平稳、无干涉、无死点、无自锁；动臂从最低位置到最大卸载高度的举 升过程中，保证铲斗中物料不撒落；在卸载后，动臂下放至铲掘位置时斗能自动放平。 （3）结构要求：结构要求简单紧凑，承载元件数量（包括油缸）尽量少，前悬 小。 （4）动力性要求：连杆机构具有较高的力传递效率，以保证工作装置产生较大 的插入力、崛起力和举升力。 4.1 主要技术参数 zl40 型装载机主要技术参数如表 4-1 所示： 表表 4-14-1 zl40zl40 型轮式装载机主要参数型轮式装载机主要参数20 产品型号zl40单位 陈杰：zl40 轮式装载机工作装置结构设计 20 额定斗容2.2 3 m 额定载重量4000kg 机重13.4kg 卸载高度（升至最高点和用 45倾卸角时）2820mm 卸载距离（升至最高点和用 45倾卸角时）1060mm 铲挖深度（铲斗前倾 10时）269mm 总长7100mm 总高3200mm 总宽2585mm 车体宽度（轮胎外缘）2900mm 回转半径（铲斗处于装运位置时）6190mm 型号6135k-13e 飞轮功率130kw柴油机 额定转速2100min/ r 其外形结构尺寸如图 4.1 所示。 4.2 铲斗基本参数的确定 铲斗的主要参数是铲斗的宽度和铲斗的回转半径。 图 4.1 zl40 型轮式装载机外形结构尺寸图 2012 届机械设计制造及其自动化（工程机械）专业毕业设计（论文） 21 铲斗的宽度要大于左右轮胎外侧宽度 510cm，否则铲装物料时形成阶梯地面， 不仅会损伤轮胎，而且还会引起轮胎打滑影响牵引力的发挥。 铲斗的回转半径是指铲斗和动臂铰销的中心 b 与铲斗切削刃之