毕业设计（论文）-ZL100轮式装载机的设计.doc

毕毕 业业 论论 文文 题题 目目 ZL100 轮式装载机的设计 学学 院院 机械工程学院 专专 业业 机械工程及自动化 班班 级级 机自 0704 班 学学 生生 李士廷 学学 号号 20070403087 指导教师指导教师 李坤山 二一一 年 五 月 三十一 日 济南大学毕业论文 0 摘 要 本次设计主要进行装载机整体以及工作装置的设计，轮式装载机的工作装置由 铲斗、连杆、摇臂、转斗油缸和举升油缸组成。依靠这套装置装载机可以对汽车、 火车进行散料装载作业，也可以对散料进行短途运输作业、还可以进行平地修路等 作业。 由于轮式装载机常工作在各种复杂的工况下，这就要求轮式装载机具有良好的 适应性和可靠性，尤其是工作装置的各种设计参数直接影响装载机的整机性能，因 此对轮式装载机的设计提出了严格的要求。对轮式装载机工作装置的运动学、动力 学进行研究，以提高装载机作业效率，对轮式装载机的整机设计具有特别重要的意 义。 本次设计采用新参数方法来设计铲斗尺寸参数，并验证容量；同时利用图解法 设计连杆机构尺寸，并对连杆机构进行受力分析及强度校核。 关键词：轮式装载机，工作装置，总体构造 济南大学毕业论文 1 ABSTRACT Wheel Loader from the bucket, connecting rod, rocker arm, boom, bucket cylinder and lift cylinder transfer form. The device loader can rely on buses and trains for bulk loading operations, bulk materials can also be short-distance transport operations, road repair, etc. can also be carried out ground operations. As the wheel loader often work in the complex condition, which requires wheel loader has a good adaptability and reliability, in particular, the installation of various design parameters directly affect the performance of the whole loader, Therefore, the design of the wheel loader made strict requirements. Wheel Loader on the kinematics, dynamics studies, to improve operating efficiency loader, wheel loaders machine on the design of particular importance. The design uses a new method to design parameters of the bucket size parameter, and verify that capacity; also use Graphic design size linkage, and linkage to conduct stress analysis and strength analysis Key words： wheel loaders, work unit，the overall structure 济南大学毕业论文 2 目 录 摘要. .I ABSTRACT.II 1 前言.1 1.1 外装载机发展动态.1 1.2 选题的意义.2 1.3 设计中应考虑的整机性能.2 2 轮式装载机总体参数的选择和总体布置.3 2.1 概述.3 2.2 装载机整体参数的选择.4 2.3 装载机铲掘时的作业阻力.5 2.4 装载机的整体布置.7 3 装载机工作装置的设计8 3.1 概述.8 3.2 铲斗的设计.8 3.2.1 设计要求.8 3.2.2 铲斗基本尺寸的确定.9 4 装载机的传动系统.13 5 装载机得制动系.14 6 装载机的使用和维护.16 7 结论.17 参考文献.18 致谢.19 济南大学毕业论文 3 1 前言 1.1 国内外装载机的发展动态 装载机主要用来装卸成堆散料，也能进行轻度的铲掘作业。由于它适于建筑、 矿山、公路、水电等国民经济各个部门，因此在国内外，产量与品种的发展都比较 快，是工程机械的一个主要品种。 轮式装载机具有用途广、作业生产率高、机动性好、短距离铲运土石方时作业 成本低等优点，因此随着建筑、水利、采矿、等大型工程发展的需要，在国外出现 了不断设计自造新型的大功率、大斗容量轮式装载机的趋向。例如美国国际收割机 公司设计的 580 型装载机，功率达 1075 马力，斗容量为 16.1 立方米，又如美国克 拉克公司设计的 675 型装载机，功率达 1316 马力，斗容量为 18.4 立方米. 我国现代轮式装载机起始于 20 世纪 60 年代中期的 Z435 型。该机为整体机架、 后桥转向。经过几年的努力，在吸收当时世界最先进的轮式装载机技术的基础上， 开发成功了功率为 162KW 的铰接式轮式装载机，定型为 Z450(即后来的 ZL50)，并于 1971 年 12 月 28 日 正式通过专家鉴定。就这样诞生了我国第一台铰接式轮式装载 机，从而开创了我国装载机行业形成与发展的历史。 到 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。到目前为止，我国轮式装载机已经发展到了第三代，但最基本的结 构仍然是由 Z450(ZL50)演变而来。第二代变化不很大，第三代变化稍大一些。2001 年我国装载机全行业总销售量已突破 3 万台，居世界装载机市场的前列。因此，目 前我国已经成了世界上装载机产销大国。 中国装载机工业在发展的同时，一些问题也日益显露出来。特别是行业进入门 槛极低，价格恶性竞争导致企业盈利能力低下，营销理念缺失，市场难以拓展，产 品质量及可靠性差，此外，产品及组织结构老化以及服务升级增加的成本难以消化 等因素严重等制约了行业的进一步发展和品质的提高。 因此，中国装载机企业必须抓住新的发展形势，在产品研发上体现差异化战略 和成本领先战略，继续加强行业以企业国家级技术中心和高校及科研院所为主体的 科研开发体系建设，打造价值链营销，加强品牌建设，提升品牌价值，只有这样才 能在新形势下立于不败之地。 济南大学毕业论文 4 1.2 选题的意义 轮式装载机是一种量大而面广的工程机械，广泛用于工厂、矿山、建筑、水电 工程、道路、码头、农田乃至家庭、是工程机械社会保有量最大的品种之一。根据 目前的市场情况分析，35t 级装载机是市场上销售的主力机型。610t 级产品国 内只有柳工、厦工、徐工和临工等少数几个企业有成型的产品，但技术、成本、价 格以及可靠性等方面并未取得突破，和国外差距依旧很大。国内装载机以中小吨位 为主，但 6t 机及以上的吨位的机型尚且依赖于进口，在国际市场上，国内大吨位装 载机根本无法与国外产品抗衡。可以说国产大吨位装载机尚在国际市场门槛之外， 没能够真正进入国际流通领域。国外大吨位装载机大量的进入中国，中国大吨位的 装载机也有更多的机会走向世界，在这种情况下，我们从事工程的技术人员、管理 人员和使用维修人员都亟须要了解这类设备，国内从事大型装载机设备制造业的工 程技术人员为了研制出能参与国际竞争的成套设备也要掌握相关的设计理论及方法， 所以对大吨位装载机的设计是具有重大意义的。 1.3 设计中应考虑的整机性能 整机的技术性能好坏，是体现设计成功的主要标志。装载机的主要技术性能主 要应该考虑：牵引性、动力性、经济性、稳定性、稳定性、机动性和作业性。 牵引性：是装载机在不同工作速度下所能发出最大牵引力的性能。它影响到机 器的工作能力与工作效率。牵引性的好坏，是用功率和牵引效率来衡量的。它反映 了装载机利用发动机功率进行工作的有效程度，是最重要的一个性能指标。 动力性：是反映装载机在行驶中，以不同档位工作时，所具有的加速性能，以 及所能达到的最大行驶速度和爬坡能力的一个性能。动力性能的好坏，用动力因素 来评价。 经济性：是反映装载机在工作中燃料消耗的燃料克数，这个指标可以用来比较 不同装载机的经济性的好坏。 稳定性：是装载机在坡道行驶时不失去稳定性和不倾翻的性能。它关系到装载 机在坡道行驶的安全性。 机动性：是装载机能否在狭小场地转向和通过的能力。可以用外侧轮胎和铲斗 的转向半径来评价。机动性的好坏影响装载机的适用程度。 作业性：是反映装载机使用好坏的性能，通常以统计功率下作业生产率的高低 为评价指标。 上述各种性能是由总体设计和各部件的设计来保证的。它涉及到合理选用发动 机功率，合理确定总体参数和进行总体布置，合理选用传动系的各部件等各个系统。 济南大学毕业论文 5 2.轮式装载机总体参数的选择和总体布置 2.1 概述 总体设计的重要性： 装载机是由许多装配件和零部件组合成的一个整体，所以装载机的性能不仅取 决于每个装配件和零部件的好坏，而是更取决于各个装配件性能的相互协调，换言 之，装载机的总体设计对整机的性能起着决定新的影响。如果设计中缺乏对整车整 体的考虑，即使各部件的设计都是完好的，但组合起来不一定获得整机的良好性能。 所以总体设计必须保证从整车的主要性能出发，正确的选择各个零件的结构形式， 并进行合理的布置。 装载机的整体设计必须从好用好造出发，设计出符合我国使用的装载机。好用 即有良好的使用性能，它表现为生产率高，操纵轻便，机动灵活，安全耐用可靠， 好造即有良好的加工工艺性，制造简单维护修理方便。 装载机的一般布置： 装载机主要是装载散状物料，并将物料卸入自卸卡车或直接将物料运送到卸料 地点。装载机也承担了轻度的铲掘工作，推土和修理场地等作业。为完成上述工作， 装载机的一般布置是将铲斗及工作装置安放在最前端，如上图所示，发动机一般至 济南大学毕业论文 6 于装载机的后部，这样可以平衡装载机的额外载荷，发动机的输出端接液力变矩器、 变速器,再通过万向节和传动轴与前后驱动桥相连。驾驶员的座位布置在装载机的中 部，即在工作装置之后发动机之前，但一般将驾驶室的位置尽量向前布置，这样可 以方便前方视野开阔，有利于作业的准确。 为保证装载机作业的稳定性、铲斗与料堆或相对位置的准确性，装载机均不安 装弹性悬架，但为了防止它在凹凸不平的地面上行驶时有车轮悬空的现象，则采用 驱动桥铰接于车架上，使该驱动桥能绕纵向轴线摆动一定的角度。 装载机的转向方式一种是铰接式转向，另一种是偏转车轮式转向，由于转向半 径等问题采用铰接式转向的居多。 装载机的主要技术性能： 装载机的主要技术性能包括：发动机功率、斗容、载重量、牵引力、铲起力、 车速、最大爬坡度、最小转向半径、卸载高度和卸载距离、铲斗的倾斜角等. 2.2 装载机总体参数的选择 装载机总体参数的选择就是对装载机主要性能提出总体的要求，作为整机和各 个装配部件设计的依据。 装载机的总体参数主要包括：发动机功率、额定载重量、装载机的自重、最小 转向半径、装载机的总长、装载机的总宽、装载机的总高、装载机的几何斗容量等。 要合理选用上述参数，就必须熟悉与所设计装载机同类型的各种装载机的结构、 性能和主要参数，并要掌握一定的使用和维修知识、再根据所设计装载机的主要用 途、作业和生产要求，从整机性能出发合理选择上述参数。 确定整体参数的经验公式： 发动机功率（马力） =28.614Q+63.62 e N =28.61410+63.62 =349.76kw/h 装载机自重（吨） W=4.057Q+1.97 =4.05710+1.97 =42.54t 最大卸载高度（米） =0.135Q+2.37 max H =0.13510+2.37 =3.72m 最小转向半径（米） =0.226Q+6.33 min R 济南大学毕业论文 7 =0.22610+6.33 =8.59m 装载机全长（米） =0.502Q+4.53 i L =0.50210+4.53 =9.55m 装载机全宽（米） =0.218Q+1.73 n B =0.21810+1.73 =3.91m 装载机高度 =0.128Q+2.69 h H =4.07m 装载机的几何斗容量 （为额定斗容，） 2 . 12 . 1 QV V h k h V Q Vh = 2 28 . 5 1.62 . 1 10 m (：物料的容积比重（t/） 用来铲装砂、碎石、松散泥土等 =1.6t/ 3 m 3 m Q：装载机的额定载重量) 2.3 装载机铲掘时的作业阻力 装载机在进行铲掘作业中的作业阻力主要是：铲斗插入料堆的插入力；提升动 臂时的铲起力；影响这些阻力的因素很多，例如铲掘物料的种类，铲斗的形状，插 入的深度等等在这些复杂因素的影响下，难以准确的计算出装载机铲掘时的作业阻 力，为了确定这些阻力，则通过铲掘散装物料实验的办法得出经验公式和多种系数 进行计算。 插入阻力： 插入阻力是装载机铲斗插入物料堆时，料堆对铲斗的反作用力。由实验得知随 着铲斗插入深度的增加，插入力随指数稍大于 1 的抛物线而增长，用下公式进行计 算。 43 25 . 1 0210 KKBLKKP K =1.30.12390011.5 25 . 1 100 =288589.46kg=2885894.6N 济南大学毕业论文 8 式中 ：铲斗的插入阻力（kg） 0 P ：取决于被铲掘物料的块度和松散程度的影响因素（块度500 毫米时， 1 K 取值 1.3） ：物料总类的影响因素，见下表. 砂石=0.12 2 K 2 K ：物料插入料堆的深度（mm） =100mm 0 L 0 L ：料斗的宽度（mm） =3900mm k B k B ：散装物料堆高度的影响系数，见下表 3 K ：铲斗形状系数，一般在 1.1 到 1.8 之间，取 1.5、 4 K 铲起阻力： 铲起阻力是指铲斗插入物料堆一定深度后，用动臂油缸提升动臂时，物料对铲 斗的反作用力。铲斗插入料堆深度后，用动臂提升铲斗，铲起阻力由铲斗斗底插 0 L 入料堆深度和铲斗宽度所决定矩形面积上的物料所决定。 0 L k B 铲斗开始提升时的铲起阻力可按下式来确定： a P KBLP ka0 2 . 2 =2.213.93500 济南大学毕业论文 9 =30030Kg=300300N ：物料插入料堆的深度（m） =1m 0 L 0 L ：料斗的宽度（m） =3.9m k B k B ：铲斗提升时的剪切阻力（Kg/） =3500（Kg/） K 2 m K 2 m 2.4 装载机的总体布置 总体布置就是保证各个装配部件间的性能协调和它们相互位置的正确布置，力 求达到较好的整车性能。 总布置草图的基准 为布置各部件在整车上的相互位置和尺寸，必须先找到基准，然后将它们逐一 画到图纸上。目前常用的基准可以这样取 1. 以车架上缘面作为各零部件上下位置的基准。 2. 以装载机纵向对称面作为左右位置的基准。 3. 以通过后桥中心线并与车架上缘面相垂直的平面作为前后位置的基准。 济南大学毕业论文 10 3.装载机工作装置 3.1 概述 装载机的工作装置有铲斗、动臂、摇臂及液压系统组成。如下图 3.2 铲斗的设计 3.2.1 设计要求 1. 铲斗是直接用来切削、收集和卸出物料，装载机的结构形状及尺寸直接影响到 装载机的作业效率和工作的可靠性，所以减少切削阻力和提高作业效率是铲斗 设计的主要要求。 2. 铲斗是在恶劣条件下工作的，承受很大的冲击载荷和剧烈的磨损，所以铲斗应 该具有足够的强度和刚度，同时应该要耐磨。 斗型的结构分析 1.切削刃的形状：铲斗切削刃一般可分为直线型和非直线型二种。直线型切削 斗刃简单并利于刮平作业，但切削阻力 济南大学毕业论文 11 较大。非直线型切削斗刃易于插入物料但铲斗装满系数小于直线型斗刃的铲斗。 2.铲斗的斗齿：斗齿的形状对切削阻力有影响：对称全齿的切削阻力比不对称 的要大长而狭窄的比宽而短的齿切削阻力要小。 3.2.2 铲斗基本参数的确定 铲斗的回转半径是指铲斗的转动中心 B 与切削刃之间的距离。如下图 0 R 0 002 010 0 180 1 (5 . 0 2 sincos5 . 0 ctgB V R rkzg k = 0 . 2. 180 50 1 (5 . 0 2 50 38 . 0 50sin8cos13 . 0 1 . 15 . 15 . 002 . 0 28 . 5 ctg =1.67m 式中：几何斗容量 k V 济南大学毕业论文 12 ：铲斗内侧宽度（米） 0 B ：铲斗斗底长度系数（通常=1.41.5） g g ：后斗臂长度系数（通常=1.11.2） z z ：挡板高度系数（通常=0.120.14） k k ：斗底和后斗臂直线间的圆弧半径系数（通常=0.350.40） r r ：挡板和后斗臂之间的夹角（通常=510 度） 1 1 ：斗底和后斗臂之间的夹角（通常=4852 度） 0 0 斗臂长度是指由铲斗切削刃到斗底与后斗臂交点的距离： g L =1.51.67=2.505m 0 RL gg 后斗臂长度是指由后铲斗壁上缘到斗底相交点的距离： z L =1.11.67=1.837m 0 RL zz 挡板高度： k L =0.131.67=0.2171m 0 RL kk 铲斗的圆弧半径： 1 R =0.381.67=0.6346m 01 RR r 铲斗与动臂铰接处距斗底的距离 =0.11.67=0.167m 0 1 . 0 Rhw 3.3 动臂的设计 动臂的结构设计应满足以下要求： 1.保证满足设计任务书中所规定的使用性能及技术经济指标的要求，如最大卸 载高度、最大卸载距离、在任何位置都能泄净物料并保证可换工作装置等。 2.保证作业时与其他构件无运动干涉。 3.保证驾驶员有良好的劳动条件，如工作安全、视野开阔、操作简便等 动臂长度的确定： 根据前面计算的最大卸载高度 济南大学毕业论文 13 及最大卸载距离 S 可以按下图进行初步计算动臂的长度。 max H 在上图中，AB 为动臂的长度，Bn 为动臂与铲斗铰接点至斗尖的连线。当动臂提 升到最大卸载高度，使铲斗处于最小卸载距离 S 时，利用所示的几何关系，从 max H 三角形 AI 可求出动臂： , B AB l 3.1 222 2 ( sincos ) ab labcc ba 式中 a=+R+S=0.6+0.8+0.9=2.3m1 A l b=-=3.72-2.1=1.62m2 max H A h =1.84m3 22 () bb chl 22 (0.1671.837 ) 将 1.2.3 带入 3.1 得 222 2 ( sincos ) ab labcc ba = 222. 2.31.621.842 1.84(1.62sin55 ) =4m ：动臂与车架铰接点 A 的高度 A h ：铰接点 A 到前轮中心得水平距离 A l 济南大学毕业论文 14 R：前轮半径 S：铲斗的最小卸载距离 铲斗的最大卸载高度 max H 动臂按其纵向中线形状可分为直线型与曲线形二种。前者结构简单，腹板变形 小，重量轻，而且动臂受力状况良好，但后者可使工作装置更加合理。 动臂的断面的结构形式有单板，双板和箱型结构。大型装载机一般采用双板或箱型 得结构，因为这种动臂形式能改善动臂的受力情况，消除了单板动臂因摇臂支撑力 作用使动臂承受附加扭矩的影响。 济南大学毕业论文 15 4.装载机传动系统 下图所示，为我国当前典型的轮式装载机的传动系统。该系统由 3 变速器（也 叫变矩器变速箱总成） 、8 驱动桥、5 传动轴等组成。 （1）变速器 变速器 2 由液力变矩器 3 及变速箱 4 两部分组成。该变速器为双涡轮液力变矩 器加行星式动力换挡变速箱组成。 该变速箱有一个前进、一个后退两个行星排，加 上一个直接挡（II 挡） ，共两前进、一后退三个挡。结构简单、挡位少，完全实现 了单杆操纵。变矩器有两个涡轮，二涡轮直接传给变速箱输入轴（齿轮） ，为各挡轻 载变速状态。一涡轮是通过超越离合器才传给变速箱输入轴，当各相应挡扭矩加大， 速度降低到超越离合器结合时，两个涡轮同时参加工作，为相应挡的低速大扭矩状 态，这一切都是由超越离合器通过速度的高低自动实现的。 2）驱动桥 驱动桥 8 由前桥 10、后桥 9 组成（图 2） 。由于装载机需要大的牵引力，因此现 代轮式装载机前后桥均为驱动桥。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。 济南大学毕业论文 16 5.装载机得制动系 制动系是用来使行驶车辆减速或停车的装置，它主要由制动器及自动驱动机构 二大部分组成，一个完善的制动系，通常包括有主动制动器、停车制动器和紧急制 动器三类制动器。 制动系的制动能力主要取决于： 1.装载机轮胎与路面间得附着力 2.装载机得重量及其在二轴之间的分配 3.制动器得结构形式和尺寸制动时车轮的受力分析: 制动时由于传动系已经分开，车轮不在受发动机扭矩的作用，但与车轮相连接 的各旋转零件仍有惯性力矩作用在车轮上，同时还有滚动阻力矩以及由制动 f M i M 器产生的制动力矩作用在车轮上。此外，作用在车轮上还有驱动桥上得动负荷 b M ，路面对车轮的反作用力 Z 以及惯性力和行驶方向相反的切向反作用力。 D G f P B P 切向反作用力就是作用在车轮的有效制动力。 B P 制动车轮的受力简图如下 如对车轮中心取力矩，则得： 0 BifBK MMMP 济南大学毕业论文 17 式中：制动力矩 b M ：与车轮相连旋转质量的惯性力矩 f M ：滚动阻力矩 i M ：一个车轮的有效制动力 B P ：轮胎的滚动半径 K 有效制动力得值受轮胎与地面附着系数得限制，亦 B P BD PG 当有效制动力达到其极限值时，车轮即将被“抱死” （停止旋转）而发 maxBD PG 生滑移。 济南大学毕业论文 18 6.装载机使用维护 1. 装载机必须在宽度大于 1.5 倍轮距的坚实地面上行走、作业。 2. 铲斗在卸载状态下严禁动臂举升。 3. 动臂高举时，在铲斗和动臂下方不准站人。 4. 严禁在上坡或下坡时急转弯，否则机器会倾翻。 5. 驾驶员在离开操纵位置之前，应把铲斗落至地面、挖斗处于收斗位置并放置地 面后再离开座位，关闭发动机。 6. 冬季或寒冷地区收车后应放尽水箱的冷却水。 7. 在坡上停机是非常危险的！如不可避免务必按照以下事项进行：必须将支脚和 铲斗同时插入地中，手刹刹死，并将所有手柄置于中位待停稳后，可停止发动机， 驾驶员才能下车，并在轮胎下端放足够的障碍物。 8. 当行走时，应先将挖斗置于收回位置，并收回支腿。动臂置于中间位置，挖斗 距地面一米左右。装载铲斗处于最大收斗角位置，下端缘离地高 250300mm， 保持重心的最佳位置。并且除驾驶员外，不允许乘坐其它人员，更不允许任何人 员乘坐在铲斗内。 9. 整机的可靠性和使用寿命除本身制造质量外，和用户的维护和保养也有密切的 关系。技术保养主要包括润滑和定期保养。其中润滑应注意以下事项： 定期要应参照说明书上的润滑表向各润滑点加注适量的润滑脂，加注后应 将各油口、油嘴擦试干净。 加注液压油时，一定要加入同一牌号液压油。不同牌号的液压油掺混会使 液压油沉淀变质。 随着季节的变化，一定要及时更换不同牌号的油，以保证整机良好的工作 性能并延长其寿命。 变速箱、分动箱、驱动桥、液压油箱要定期更换油，换油时，应在放尽旧 油 后用轻柴油或煤油（掺有 5%的机油）清洗各管道和容器。 济南大学毕业论文 19 7 7 结 论 毕业论文是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次 比较完整的装载机的设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合 锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高 我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通 过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻 炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提 升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所