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ZL15轮式装载机设计【7张CAD图纸+毕业论文】

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关键词：: zl15 轮式装载机设计 cad图纸毕业论文 ZL15轮式装载机

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ZL15轮式装载机设计

45页 23000字数+说明书+任务书+开题报告+7张CAD图纸【详情如下】

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摘要

轮式装载机属于铲土运输机械类，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施工机械。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重要的作用，是现代机械化施工中不可缺少的装备之一。

本次设计以模块的方式论述了轮式装载机的发展以及用途、分类和相关参数、总体构造、传动系统、制动系统、转向系统、工作装置和液压系统的组成。在用途和分类中对装载机的发动机功率、传动形式、行走结构、装卸方式?做了简单的介绍。通过选用原则的叙述，使我们对装载机使用性能有进一步的了解。另外，简单列举了国内外轮式装载机发展现状。众所周知现在我国已成为全球瞩目的装载机生产大国，但我们还仅仅是制造“大”国，而不是制造“强”国。自主创新能力不足，缺少具有自主知识产权和较强国际竞争力的产品是根本原因。开发具有自主知识产权的核心技术，尽快缩短与国外大公司间的技术差距，提升产品的国际市场竞争力，是摆在国内装载机企业面前一个十分迫切的问题。

关键词：轮式装载机总体构造传动系统制动系统转向系统自动换挡只能控制

Abstract

Wheel loader shovel soil mechanical belongs to transportation, is a widely used for highway, railway, construction, water and electricity, ports and mining and other construction engineering conditions of construction machinery. Work with speed, high efficiency and convenient operation, good mobility etc, and to speed up the construction speed, reduce labor intensity, improving engineering quality, reduce the cost for the project is an important role, is the modern mechanical construction of one of the indispensable equipment.

The design for the module way discusses the development and application of the wheel loader, classification and related parameters, general structure, transmission system, braking system, steering system, work device and the composition of the hydraulic system. In the use of the loader and classification of engine power, transmission form, and walking, structure, loading and unloading way do briefly introduced. Through the selection principle of narrative that we use to loader have further understanding of performance. In addition, simple summarizes the current situation of the development of wheel loader. As is known to all now China's has become a global attention the loader production country, but we still only a manufacturing "big" countries, and not to make "strong" countries. The independent innovation ability is insufficient, with independent intellectual property rights and the lack of a stronger international competitiveness of the products was the reason. Development with independent intellectual property rights of the core technology, shorten and foreign big company as soon as possible the technology gap between, improve product international market competition ability, is in the domestic front loader enterprise a very urgent question.

Keyword: Weel Loaders The Overall Structure Braking Systems Transmission Forms Transmissio

绪论1

第一章：轮式装载机的概况2

1.1 国内外本课题现状及研究趋势2

1.2 轮式装载机的发展特点以及设计要求3

1.2.1 轮式装载机的分类3

1.2.2 发展特点4

1.2.3 选用原则4

第二章：总体功能原理分析5

2.1 主功能于系统组成5

2.2 主要系统概述5

2.3 总体功能参数6

2.4 设计目标与功能原理分析6

2.4.1 功能原理图7

2.4.2 解决原理7

2.4.3 方案确立8

第三章：装载机工作装置结构设计9

3.1 轮式装载机工作装置的设计概述9

3.2 装载机工作装置结构分析11

3.2.1 铲斗的设计11

3.2.2 动臂的设计：铰点的位置和动臂长度的确定16

3.2.3 连杆机构的设计17

第四章：工作装置的限位机构21

4.1．铲斗前后倾角限位机构21

4.2．动臂升降自动限位机构21

4.3 . 铲斗自动放平机构21

第五章：工作装置的受力分析23

5.1 工作装置的受力分析23

5.1.1．确定计算位置23

5.1.2．选取工作装置受力最大的典型工况，确定外载荷。23

5.1.3．对工作装置进行受力分析。24

5.2 工作装置强度计算26

5.3 工作装置油缸作用力的确定29

5.3.1．铲起力的确定30

5.3.2．转斗油缸作用力的确定30

5.3.3．动臂油缸作用力的确定31

5.3.4．转斗油缸与动臂油缸被动作用力的确定31

第六章：基于ARM单片机的装载机障碍物监测预警系统设计32

6.1 引言32

6.2 系统硬件设计32

6.2.1 障碍物距离检测电路的设计33

6.2.2 声光报警电路设计34

6.3 系统软件设计34

6.4 调试及结果37

6.5 结论38

结论39

参考文献40

致谢41

1.2 轮式装载机的发展特点以及设计要求

1.2.1 轮式装载机的分类

轮式装载机可以按发动机功率，传动形式，行走系结构，装载方式的不同进行分类。

1）发动机功率：

　　①功率小于74kw为小型装载机。

　　②功率在74～147kw为中型装载机

　　③功率在147～515kw为大型装载机

　　④功率大于515kw为特大型装载机

　　2）传动形式：

　　①液力—机械传动，冲击振动小，传动件寿命长，操纵方便，车速与外载间可自动调节，一般在中大型装载机多采用；

　　②液力传动：可无级调速、操纵间便，但启动性较差，一般仅在小型装载机上采用；

　　③电力传动：无级调速、工作可靠、维修简单、费用较高，一般在大型装载机上采用。

　　3）行走结构：

　　①轮胎式：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、但被广泛应用；

　　②履带式：接地比压小，通过性好、重心低、稳定性好、附着力强、牵引力大、比切入力大、速度低、灵活性相对差、成本高、行走时易损坏路面。

　　4）装卸方式：

　　①前卸式：结构简单、工作可靠、视野好，适合于各种作业场地，应用较广；

　　②回转式：工作装置安装在可回转360O的转台上，侧面卸载不需要调头、作业效率高、但结构复杂、质量大、成本高、侧面稳性较差，适用于较侠小的场地。

　　③后卸式：前端装、后端卸、作业效率高、作业的安全性欠好。

1.2.2 发展特点

我国轮式装载机的发展概况可具体归纳为以下八点：

1）大型和小型轮式装载机,在近几年的发展过程中,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率将愈来愈快。

2）按照各生产厂家的现真实情况况,从头进行总体设计,优化各项性能指标,强化布局件的强度及刚度,使整机靠患上住性患上到大步提高。

3）细化体系布局。如动力体系的减振、散热体系的布局优化、工作装配的性能指标优化及各铰点的防尘、工业造型设计等。

4）哄骗电子技能及负荷传感技能来实现变速箱的自动换挡及液压变量体系的应用,提高效率、节约能源、减低装载机作业成本。

5）提高安全性、舒适性。驾驶室逐步具有FOPS&ROPS功能,驾驶室内环境将向汽车方向靠拢,方向盘、椅子、各把持手柄都能调治,使操笔者处于最佳位置工作。

6）减低噪声和排放,强化环保指标。随着许多人环保意识的增强,减低装载机噪声和排放的工作已迫在眉捷,现在很多大都会已经制定机动车的噪声和排放标准,工程设置装备摆设机械若不切合排放标准,将要限制在该地区的销售。

7）广泛哄骗新材料、新工艺、新技能,出格是机、电、液一体化技能,提高产物的生存的年限和靠患上住性。

8）最大限度地简化维修只管即便减少保养次数和维修时间,增大维修空间,普遍接纳电子监视及监控技能,进一步改善故障诊断体系,提供司机排除需要别人解答的题目的方法【3】。

2.3 总体功能参数

表2-1

序号要求参数名称参数值备注

1额定装载重量1.5T

2铲斗容量0.9m3

3行驶速度8~22km／h

4掘起力48KN

5最大牵引力40KN

6最大爬坡能力30°

7最小转弯半径4220mm

4364mm后轮

铲斗

8最大转向角度35°

9最大卸载高度2500mm

2.4 设计目标与功能原理分析

由于原理方案设计是轮式装载机设计的第一步,是对产品成败、好坏起决定性的作用的工作,所以必须慎重。

一台轮式装载机的设计是否成功，首先是从能否满足使用要求，好造、好用、好修，具备较高的作业生产率和较低的使用成本来衡量的。因此在总体布置时要考虑以下几条原则：1．保证整机的稳定性；2．结构紧凑、并有较高的传动的效率；3．便于操作和维修，工作安全可靠；4．外形平整美观。并且我们应该考虑轮式装载机的牵引性、动力性、经济性、稳定性、作业性等整机性能，他么是决定轮式装载机性能的关键指标【5】。

2.4.1 功能原理图

结论

完成了资料整理之后，就开始进行轮式装载机的总体功能分析，概括出了装载机的主功能与系统组成，并对轮式装载机各主要功能进行抽象化，在此基础上绘制出了轮式装置记得原理图，以找出解决方案。这一部分的工作需要与老师同学一起进行大量的讨论研究，细化自己的方案，改进不足之处，为日后装配图的绘制做好充分的准备。

然后，我就进入了具体的设计工作，对轮式装载机的各工作装置进行了结构的设计，以及对其强度的计算以及校核，最后利用CAD绘图落实在图纸上完成最终的设计。说明书的撰写即是对我的整个设计工作的总结。在这一阶段，我对CAD制图软件进行了学习，随着毕设的结束，我对软件的应用也有了一定的熟悉。

毕设是一个曲折漫长的过程，我们必须要有越挫越勇的精神来面对毕业设计。并且我们应该时刻保持着严肃严谨的的态度来面对毕设的每一个阶段，争取做出一个令人满意的毕业设计。

参考文献

[1] 杨占敏．轮式装载机设计[M]．北京：化学工业出版社，1982．

[2] 于硕．装载机工作装置的机构分析[J]. 工程机械，2001（8）：25-27

[3] 申文清．轮式装载机工作装置的建模及优化研究[J]. 筑路机械与施工机械化, 2006（4）:43-45

[4] 张青．工程机械概论［M］．北京：化学工业出版社，2009.

[5] 何正忠．装载机［M］．北京：冶金工业出版社，1999.

[6] 鲁东林．工程机械使用与维护［M］．北京：国防工业出版社，2008.

[7] 刘良辰．现代铲土运输机械［M］．北京：人民交通出版社，2003

[8] 马文星．筑路与养护路机械：原理、结构与设计［M］．北京：化学工业出版社，2005

[9] 陈家丽．国外轮式装载机新技术与新结构及其发展[J]．建筑机械化，2002（1）：17-19

[10] 黄靖远．机械设计学［M］．北京：机械工业出版社，1991.

[11] 朱龙根．机械系统设计［M］．北京：机械工业出版社，1980．

[12] 加藤一郎．机械手图册［M］．上海：上海科技出版社，1979．

[13] 机械设计手册5[M] 北京：机械工业出版社，1992．

[14]Shimoda,Masatoshi．Multiob jrctive shape optimization of linearelastic structures considering multipe loading conditions[J],material engineering,v39,n3.jul1996:407-414

[15] Hyde J M ．， Cutkosky M ．R．Controlling contact transition.

IEEE Contro1 Systems[J]，1994,14(1)：25-30

[16] Ii Z.X.，Qin Z．，Jiang S．et a1．Coordinated motion generation

and real-time grasping force control for multi-fingered manipulation.　Proceedings of the IEEE Internationa1 Conference on　Robotics and Automation[M]，1998，3631-3638

内容简介：: 长春理工大学光电信息学院学生毕业设计（论文）分院机电工程分院专业机械电子工程班级学生姓名指导教师设计（论文）起止日期教研室主任题目名称（包括主要技术参数）及要求：题目名称：轮式装载机设计内容：从轮胎式专用底盘为基础车，配置在、工作装置及其操作系统，完成装料，行走及其、卸料工作要求：完成工作装置的总体设计、铲斗、连杆。动臂，摇臂的结构设计及其、校核技术参数：额定载重量（1.5T）、铲斗容量（0.9m3）行驶速度（822KM/h）、掘起力（48KW）最大牵引力（40KW）、最大爬坡能力（30）最小转弯半径后轮（4220mm）、铲斗(4364mm) 最大转向角度（35）、最大卸载高度（2500mm）论文开题报告（设计方案论证）应包括以下几方面的内容：1. 本课题研究的目的和意义轮式装载机是一种用途较广的工程机械，广泛应用于铁路、公路、码头、矿山等工程建设，对于加快工程施工速度，减轻劳动强度都起到至关重要的作用。由于轮式装载机经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。因此，我们有必要研究它，轮式装载机的设计能使我综合运用机械制造的基本理论，综合使用了再大学四年里所学的理论知识，并结合生产实践中学到的技能知识，独立的分析和解决问题，也是熟悉和运用有关手册，图标等技术资料及编写技术文件的一次实践机会，并且希望可以提高装载机作业效率，对轮式装载机的发展起到一个推进的作用。2. 国内外研究现状我国轮式装载机主要是20世纪70年代初期发展起来的，以ZL50型装载机为主导产品，经过多年的发展，质量水平不断提高，已经形成独立的产品系列和行业门类。与工程机械其他机种相比，轮式装载机的桥、箱、泵、阀及缸等零部件产品配套相对成熟，已经形成了比较完整的配套体系。主要生产企业有柳工、厦工、龙工、临工、徐工、江苏常林、成工和山工等。主要机型包括：1、3t以下装载机：3t以下产品主要以ZL10、ZL15、ZL16为代表，还有一些利用拖拉机底盘改装的小型装载机，主要与日益增多的农用运输车辆配套使用。主要零部件均采用一般性能及质量的发动机、驱动桥、变速箱、液压件。技术较先进的静液压传动产品，液压件国内不易配套，产品成本居高不下，制约了该类产品在国内的发展。2、ZL30装载机：ZL30装载机主要生产厂家有成工、常林、徐工、宜工、山工等。该产品零部件配置较零乱，生产厂家具有自制的桥箱，风格各具特色，质量及性能上相对稳定，技术先进性一般。徐工最近开发的ZL30F装载机，采用电换挡变速箱，使3t级装载机技术上有新的突破。3、ZL40/ZL50装载机：ZL40/ZL50装载机，主要装载机生产厂家均拥有该产品。第一代产品几十年来沿续至今，全国几乎使用同一套图纸，有些技术力量薄弱的厂家，仍把其当作主导产品推向市场。第二、三代产品主要是对工作装置进行优化，改变外观造型。如柳工ZL40B/ZL50C、徐工ZL40E/ZL50E。第四代产品是在第三代的基础上，进一步优化整机的性能及配置，电控箱、湿式制动器等新技术得到应用，并形成了各企业的专有技术及专利技术，使产品以崭新的面目推向市场。4、ZL60及6t以上装载机：6t以及6t以上的装载机，这是国内潜在市场最大的产品，1998年以前大多数生产厂家均开发了ZL60装载机，但由于受传动件的制约，ZL60装载机没能成功地推向市场。在99北京国际工程机械博览会上，各厂家推出了新的一代ZL60装载机，多数厂家选择柳州ZF合资生产的箱或桥，液压元件也有新配置，发动机可选用斯太尔或上柴6121（Cat3306），整机可靠性上得到很大提高，给国内大吨位装载机带来发展机遇。我国轮式装载机面对的主要国外对手有：美国卡特彼勒公司、日本小松公司紧随其后，西欧是装载机生产的第三大集团，它拥有意大利菲亚特、阿里斯、瑞典沃尔沃、德国利勃海尔、OK、蔡特曼、英国JCB等著名公司。目前这些工程建设机械厂商现已全面进入了中国市场，主要对6吨级以上装载机形成垄断地位，在中小吨位装载机对国内不会造成很大威胁，但国外厂商正在研究中国市场的特点，开发出适合中国国情的新产品，进一步扩大其产品的市场占有率。他们的轮式装载机技术已达到相当高的水平。信息技术的飞速发展又给装载机技术的发展插上了奔腾的翅膀，基于微电子技术和信息技术的计算机治理系统、司机辅助操纵系统、柴油机电脑控制装置、电子计算机监控系统、电子自动换挡变速控制系统以及网络技术的智能系统已广泛应用于装载机的设计、计算操纵控制、检测监控、生产经营和维修服务等各个方面，使国外装载机在原来的基础上更加“精制”；其自动化程度也得以进步，从而进一步进步了生产效率；改善了司机的作业环境，进步了作业舒适性；降低了噪声、振动和排污量，保护自然环境；最大限度地简化维修、降低作以本钱，使其性能、安全性、可靠性、使用寿命和操纵性能都更上了一层楼。3.拟采取的研究路线收集资料，调研阅读有关资料撰写开题报告总体设计工作装置结构设计设计、计算、校核绘图设计说明书4.参考文献：1 杨占敏轮式装载机设计M北京：化学工业出版社，19822 于硕装载机工作装置的机构分析J. 工程机械，2001（8）：25-273 申文清轮式装载机工作装置的建模及优化研究J. 筑路机械与施工机械化, 2006（4）:43-454 张青工程机械概论M北京：化学工业出版社，2009. 5 何正忠装载机M北京：冶金工业出版社，1999.6 鲁东林工程机械使用与维护M北京：国防工业出版社，2008.7 刘良辰现代铲土运输机械M北京：人民交通出版社，20038 马文星筑路与养护路机械：原理、结构与设计M北京：化学工业出版社，20059 陈家丽国外轮式装载机新技术与新结构及其发展J建筑机械化，2002（1）：17-1910 黄靖远机械设计学M北京：机械工业出版社，1991.11 朱龙根机械系统设计M北京：机械工业出版社，198012 加藤一郎机械手图册M上海：上海科技出版社，197913 机械设计手册5M 北京：机械工业出版社，199214Shimoda,MasatoshiMultiob jrctive shape optimization of linearelastic structures considering multipe loading conditionsJ,material engineering,v39,n3.jul1996:407-41415 Hyde J M ， Cutkosky M RControlling contact transition.IEEE Contro1 SystemsJ，1994,14(1)：25-3016 Ii Z.X.，Qin Z，Jiang Set a1Coordinated motion generationand real-time grasping force control for multi-fingered manipulation.Proceedings of the IEEE Internationa1 Conference onRobotics and AutomationM，1998，3631-3638长春理工大学光电信息学院本科毕业设计摘要轮式装载机属于铲土运输机械类，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施工机械。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重要的作用，是现代机械化施工中不可缺少的装备之一。本次设计以模块的方式论述了轮式装载机的发展以及用途、分类和相关参数、总体构造、传动系统、制动系统、转向系统、工作装置和液压系统的组成。在用途和分类中对装载机的发动机功率、传动形式、行走结构、装卸方式做了简单的介绍。通过选用原则的叙述，使我们对装载机使用性能有进一步的了解。另外，简单列举了国内外轮式装载机发展现状。众所周知现在我国已成为全球瞩目的装载机生产大国，但我们还仅仅是制造“大”国，而不是制造“强”国。自主创新能力不足，缺少具有自主知识产权和较强国际竞争力的产品是根本原因。开发具有自主知识产权的核心技术，尽快缩短与国外大公司间的技术差距，提升产品的国际市场竞争力，是摆在国内装载机企业面前一个十分迫切的问题。关键词：轮式装载机总体构造传动系统制动系统转向系统自动换挡只能控制 Abstract Wheel loader shovel soil mechanical belongs to transportation, is a widely used for highway, railway, construction, water and electricity, ports and mining and other construction engineering conditions of construction machinery. Work with speed, high efficiency and convenient operation, good mobility etc, and to speed up the construction speed, reduce labor intensity, improving engineering quality, reduce the cost for the project is an important role, is the modern mechanical construction of one of the indispensable equipment. The design for the module way discusses the development and application of the wheel loader, classification and related parameters, general structure, transmission system, braking system, steering system, work device and the composition of the hydraulic system. In the use of the loader and classification of engine power, transmission form, and walking, structure, loading and unloading way do briefly introduced. Through the selection principle of narrative that we use to loader have further understanding of performance. In addition, simple summarizes the current situation of the development of wheel loader. As is known to all now Chinas has become a global attention the loader production country, but we still only a manufacturing big countries, and not to make strong countries. The independent innovation ability is insufficient, with independent intellectual property rights and the lack of a stronger international competitiveness of the products was the reason. Development with independent intellectual property rights of the core technology, shorten and foreign big company as soon as possible the technology gap between, improve product international market competition ability, is in the domestic front loader enterprise a very urgent question.Keyword: Weel Loaders The Overall Structure Braking Systems Transmission Forms Transmissio目录绪论1 第一章：轮式装载机的概况21.1 国内外本课题现状及研究趋势21.2 轮式装载机的发展特点以及设计要求31.2.1 轮式装载机的分类31.2.2 发展特点41.2.3 选用原则4第二章：总体功能原理分析52.1 主功能于系统组成52.2 主要系统概述52.3 总体功能参数62.4 设计目标与功能原理分析62.4.1 功能原理图72.4.2 解决原理72.4.3 方案确立8第三章：装载机工作装置结构设计93.1 轮式装载机工作装置的设计概述93.2 装载机工作装置结构分析113.2.1 铲斗的设计113.2.2 动臂的设计：铰点的位置和动臂长度的确定163.2.3 连杆机构的设计17第四章：工作装置的限位机构214.1 铲斗前后倾角限位机构214.2动臂升降自动限位机构214.3 . 铲斗自动放平机构21第五章：工作装置的受力分析235.1 工作装置的受力分析235.1.1确定计算位置235.1.2选取工作装置受力最大的典型工况，确定外载荷。235.1.3 对工作装置进行受力分析。245.2 工作装置强度计算265.3 工作装置油缸作用力的确定295.3.1铲起力的确定305.3.2转斗油缸作用力的确定305.3.3动臂油缸作用力的确定315.3.4转斗油缸与动臂油缸被动作用力的确定31第六章：基于ARM单片机的装载机障碍物监测预警系统设计326.1 引言326.2 系统硬件设计326.2.1 障碍物距离检测电路的设计336.2.2 声光报警电路设计346.3 系统软件设计346.4 调试及结果376.5 结论38结论39参考文献40致谢41绪论轮式装载机是一种用途较广的工程机械，广泛应用于铁路、公路、码头、矿山等工程建设，对于加快工程施工速度，减轻劳动强度都起到至关重要的作用。由于轮式装载机经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。因此，我们有必要研究它，轮式装载机的设计能使我综合运用机械制造的基本理论，综合使用了再大学四年里所学的理论知识，并结合生产实践中学到的技能知识，独立的分析和解决问题，也是熟悉和运用有关手册，图标等技术资料及编写技术文件的一次实践机会，并且希望可以提高装载机作业效率，对轮式装载机的发展起到一个推进的作用。第一章：轮式装载机的概况1.1 国内外本课题现状及研究趋势我国轮式装载机主要是20世纪70年代初期发展起来的，以ZL50型装载机为主导产品，经过多年的发展，质量水平不断提高，已经形成独立的产品系列和行业门类。与工程机械其他机种相比，轮式装载机的桥、箱、泵、阀及缸等零部件产品配套相对成熟，已经形成了比较完整的配套体系。主要生产企业有柳工、厦工、龙工、临工、徐工、江苏常林、成工和山工等。主要机型包括：1、3t以下装载机：3t以下产品主要以ZL10、ZL15、ZL16为代表，还有一些利用拖拉机底盘改装的小型装载机，主要与日益增多的农用运输车辆配套使用。主要零部件均采用一般性能及质量的发动机、驱动桥、变速箱、液压件。技术较先进的静液压传动产品，液压件国内不易配套，产品成本居高不下，制约了该类产品在国内的发展。2、ZL30装载机：ZL30装载机主要生产厂家有成工、常林、徐工、宜工、山工等。该产品零部件配置较零乱，生产厂家具有自制的桥箱，风格各具特色，质量及性能上相对稳定，技术先进性一般。徐工最近开发的ZL30F装载机，采用电换挡变速箱，使3t级装载机技术上有新的突破。3、ZL40/ZL50装载机：ZL40/ZL50装载机，主要装载机生产厂家均拥有该产品。第一代产品几十年来沿续至今，全国几乎使用同一套图纸，有些技术力量薄弱的厂家，仍把其当作主导产品推向市场。第二、三代产品主要是对工作装置进行优化，改变外观造型。如柳工ZL40B/ZL50C、徐工ZL40E/ZL50E。第四代产品是在第三代的基础上，进一步优化整机的性能及配置，电控箱、湿式制动器等新技术得到应用，并形成了各企业的专有技术及专利技术，使产品以崭新的面目推向市场。4、ZL60及6t以上装载机：6t以及6t以上的装载机，这是国内潜在市场最大的产品，1998年以前大多数生产厂家均开发了ZL60装载机，但由于受传动件的制约，ZL60装载机没能成功地推向市场。在99北京国际工程机械博览会上，各厂家推出了新的一代ZL60装载机，多数厂家选择柳州ZF合资生产的箱或桥，液压元件也有新配置，发动机可选用斯太尔或上柴6121（Cat3306），整机可靠性上得到很大提高，给国内大吨位装载机带来发展机遇【1】。我国轮式装载机面对的主要国外对手有：美国卡特彼勒公司、日本小松公司紧随其后，西欧是装载机生产的第三大集团，它拥有意大利菲亚特、阿里斯、瑞典沃尔沃、德国利勃海尔、OK、蔡特曼、英国JCB等著名公司。目前这些工程建设机械厂商现已全面进入了中国市场，主要对6吨级以上装载机形成垄断地位，在中小吨位装载机对国内不会造成很大威胁，但国外厂商正在研究中国市场的特点，开发出适合中国国情的新产品，进一步扩大其产品的市场占有率。他们的轮式装载机技术已达到相当高的水平。信息技术的飞速发展又给装载机技术的发展插上了奔腾的翅膀，基于微电子技术和信息技术的计算机治理系统、司机辅助操纵系统、柴油机电脑控制装置、电子计算机监控系统、电子自动换挡变速控制系统以及网络技术的智能系统已广泛应用于装载机的设计、计算操纵控制、检测监控、生产经营和维修服务等各个方面，使国外装载机在原来的基础上更加“精制”；其自动化程度也得以进步，从而进一步进步了生产效率；改善了司机的作业环境，进步了作业舒适性；降低了噪声、振动和排污量，保护自然环境；最大限度地简化维修、降低作以本钱，使其性能、安全性、可靠性、使用寿命和操纵性能都更上了一层楼【2】。 1.2 轮式装载机的发展特点以及设计要求 1.2.1 轮式装载机的分类轮式装载机可以按发动机功率，传动形式，行走系结构，装载方式的不同进行分类。1）发动机功率：功率小于74kw为小型装载机。功率在74147kw为中型装载机功率在147515kw为大型装载机功率大于515kw为特大型装载机 2）传动形式：液力机械传动，冲击振动小，传动件寿命长，操纵方便，车速与外载间可自动调节，一般在中大型装载机多采用；液力传动：可无级调速、操纵间便，但启动性较差，一般仅在小型装载机上采用；电力传动：无级调速、工作可靠、维修简单、费用较高，一般在大型装载机上采用。3）行走结构：轮胎式：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、但被广泛应用；履带式：接地比压小，通过性好、重心低、稳定性好、附着力强、牵引力大、比切入力大、速度低、灵活性相对差、成本高、行走时易损坏路面。4）装卸方式：前卸式：结构简单、工作可靠、视野好，适合于各种作业场地，应用较广；回转式：工作装置安装在可回转360O的转台上，侧面卸载不需要调头、作业效率高、但结构复杂、质量大、成本高、侧面稳性较差，适用于较侠小的场地。后卸式：前端装、后端卸、作业效率高、作业的安全性欠好。 1.2.2 发展特点我国轮式装载机的发展概况可具体归纳为以下八点：1）大型和小型轮式装载机,在近几年的发展过程中,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率将愈来愈快。2）按照各生产厂家的现真实情况况,从头进行总体设计,优化各项性能指标,强化布局件的强度及刚度,使整机靠患上住性患上到大步提高。3）细化体系布局。如动力体系的减振、散热体系的布局优化、工作装配的性能指标优化及各铰点的防尘、工业造型设计等。4）哄骗电子技能及负荷传感技能来实现变速箱的自动换挡及液压变量体系的应用,提高效率、节约能源、减低装载机作业成本。5）提高安全性、舒适性。驾驶室逐步具有FOPS&ROPS功能,驾驶室内环境将向汽车方向靠拢,方向盘、椅子、各把持手柄都能调治,使操笔者处于最佳位置工作。6）减低噪声和排放,强化环保指标。随着许多人环保意识的增强,减低装载机噪声和排放的工作已迫在眉捷,现在很多大都会已经制定机动车的噪声和排放标准,工程设置装备摆设机械若不切合排放标准,将要限制在该地区的销售。7）广泛哄骗新材料、新工艺、新技能,出格是机、电、液一体化技能,提高产物的生存的年限和靠患上住性。8）最大限度地简化维修只管即便减少保养次数和维修时间,增大维修空间,普遍接纳电子监视及监控技能,进一步改善故障诊断体系,提供司机排除需要别人解答的题目的方法【3】。 1.2.3 选用原则1）机型的选择：主要依据作业场合和用途进行选择和确定。一般在采石场和软基地进行作业，多选用履带式装载机；2）动力的选择：一般多采用工程机械用柴油发动机，在特殊地域作业，如海拔高于3000m的地方，应采用特殊的高原型柴油发动机； 3）传动型式的选择：一般选用液力机械传动。其中关键部件是变矩器形式的选择。目前我国生产的装载机多选用双涡轮、单级两相液力度矩器。 4）在选用装载机时，还要充分考虑装载机的制动性能，包括多个在制动、停车制动和紧急制动三种。制动器有蹄式、钳盘式和湿式多片式三种。制动器的驱动机构一般采用加力装置，其动力源有压缩空气，气顶油和液压式三种。目前常用的是气顶油制动系统，一般采用双回路制动系统，以提高行驶的安全性。第二章：总体功能原理分析2.1 主功能于系统组成装载机主要用来铲、装、卸、运土和石料一类散状物料，也可以对岩石、硬土进行轻度铲掘作业。如果换不同的工作装置，还可以完成推土、起重、装卸其他物料的工作。轮胎式装载机由动力装置、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等组成【4】。 2.2 主要系统概述1）传动系统：由变速器（也叫变矩器变速箱总成）、驱动桥、传动轴等组成。通过不同的传递方式使发动机的转动转变为工作装置各种不同形式的运动。如：车架的转动、装载机动臂的升降、铲斗的收放等等。其中，主要的传递方式为液压传动。一、变速器：由液力变矩器及变速箱两部分组成。二、驱动桥：由前桥及后桥两部分组成。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，其它件全部通用。三、传动轴：由汽车的传动轴演变而来。由于轮式装载机的力量大、扭矩大，应该大大加强传动轴的承载能力。 2）转向系统：其功用是操纵车辆的行驶方向，应能根据需要保持车辆稳定的直线行驶，并且根据要求灵活的改变形式方向。对转向系统的基本要求是操纵轻便灵活，工作稳定可靠，使用经济耐久。一般采用液压转向系统。3）制动系统：由行车制动以及停车制动（驻车制动）两部分组成。行车制动用于一般性的行驶中速度控制及停车，也叫脚制动。起到降速和停车作用。而停车制动主要用于停车后的制动，或者在行驶制动失效时的应急制动，以及在坡道上的较长时间的停车制动。要求制动轻便可靠。4）工作装置：装载机的铲掘和装卸物料作业是通过其工作装置的运动来实现的。装载机工作装置由铲斗、动臂、连杆、摇臂和转斗油缸及动臂油缸等组成。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。铲斗的翻转和动臂的升降均采用液压操纵。2.3 总体功能参数表2-1序号要求参数名称参数值备注1额定装载重量1.5T2铲斗容量0.9m3行驶速度822kmh4掘起力48KN5最大牵引力40KN6最大爬坡能力307最小转弯半径4220mm4364mm后轮铲斗8最大转向角度359最大卸载高度2500mm 2.4 设计目标与功能原理分析由于原理方案设计是轮式装载机设计的第一步,是对产品成败、好坏起决定性的作用的工作,所以必须慎重。一台轮式装载机的设计是否成功，首先是从能否满足使用要求，好造、好用、好修，具备较高的作业生产率和较低的使用成本来衡量的。因此在总体布置时要考虑以下几条原则：1保证整机的稳定性；2结构紧凑、并有较高的传动的效率；3便于操作和维修，工作安全可靠；4外形平整美观。并且我们应该考虑轮式装载机的牵引性、动力性、经济性、稳定性、作业性等整机性能，他么是决定轮式装载机性能的关键指标【5】。 2.4.1 功能原理图轮式装载机（控制、运动）能量的传递能量的转换转向系统制动系统停车降速工作装置挖掘装卸物料车架行走装置动力装置传动系统图2-1 功能原理图2.4.2 解决原理表2-2序号方案功能1231转向全液压转向系统流量放大液压转向系统负荷传感液压转向系统2传动系统液压传动啮合传动摩擦传动3行走轮胎履带4工作装置连杆机构凸轮机构非远齿轮机构5制动前盘式制动器驱动桥内置湿式摩擦片式制动器 2.4.3 方案确立由以上原理可以拟定出以下方案：A: 4.15.1B: 4.25.2C: 4.25.2D: 4.35.1E: 4.35.1 一、转向系统：全液压转向系统的优点是操纵方便，不用复杂的连杆机构，但是功率损失较大。流量放大液压转向系统节能效果较明显但是结构复杂。负荷传感液压转向系统能够保证供油充足但是转向时有轻微的滞后感。综合灵敏性，经济型，好修的原则，选用全液压转向系统。二、传动系统：由于轮式装载机的作业循环由驶进料堆、铲取、后退、转向、驶进卸料目标和卸料等一系列往复移动、往复摆动、旋转的动作构成，因此选用液压传动系统。三、行走：因轮胎式其重量轻、速度快、机动灵活性及工效高，因此选用轮胎式。四、工作装置：由于轮式装载机需要承受重载荷，且工作环境恶劣，因此采用连杆机构。当转斗油缸闭锁、动臂油缸举升或降落时，连杆机构使铲斗上下平动或接近平动，以免铲斗倾斜而撒落物料【6】。五、制动：由于技术限制，采用前盘式制动器有以上分析可知，方案A最可行，因此选择方案A。第三章：装载机工作装置结构设计 3.1 轮式装载机工作装置的设计概述装载机工作装置的设计应该满足以下要求：1铲斗的运动轨迹符合作业要求，即要满足铲掘、装载的要求。希望铲掘力大，斗易于装满料，并要求动臂在提升过程中，铲斗应保持接近平移的运动，以免斗中物料撒落。2要满足卸载高度和距离的要求，并保证动臂在任何位置都能卸净铲斗中的物料。3在满足作业要求的前提下，工作装置结构简单，自重轻，受力合理，强度高。4应保证驾驶员具有良好的工作条件，确保工作安全，视野良好，操作简单和维修方便。5铲斗能自动放平，即铲斗从最高卸载位置直接自动回到插入工况状态，以便于提高工作效率。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。装载机的工作装置由铲斗、动臂、摇臂、连杆、及转斗油缸和动臂油缸等组成（如图31）。铲斗与动臂及通过连杆与转斗油缸铰接，用以装卸物料；动臂与车架及与动臂油缸铰接，用以升降铲斗。铲斗的翻转和动臂的升降采用液压操先分析一下装载机作业时工作装置连杆机构的运动关系【7】。提升动臂过程中，由于动臂与车架的夹角改变，而引起铲斗相对于动臂的夹角也发生变化，就是铲斗相对动臂产生了转动。因此，提升动臂时，铲斗在空间的实际运动是两个运动的合成的，即由跟随动臂一起运动的牵引运动和相对动臂转动的相对运动合成。从而保证铲斗为平动，保证了条件1。图3-1 装载机工作装置（无托架式） 1-铲斗 2-连杆 3-动臂 4-摇臂 5-转斗油缸 6-动臂油缸设定：为动臂相对车架转角；为铲斗实际转角；为转斗油缸、摇臂和连杆使铲斗相对动臂转角 = + （31）显然，铲斗的转向与动臂一致时，为正值，铲斗倾角变化增大，反之，为负，铲斗的倾角变化小，若铲斗与动臂的转向相反，并且=-时，则铲斗倾角无变化即=0，即铲斗平动，达到预期效果。但是装载机很少采用平行四边形连杆机构。因此不能使铲斗在提升过程中保持平移。所以要通过合理的选择连杆之间长度的比例关系，使得在动臂提升时，铲斗产生一个与动臂举升转向相反的转动，以使铲斗倾角变化控制在较小的范围内（15）。图3-2 各种结构掘起力变化图装载机工作装置按结构可分为有托架和无托架两种。前者因为采用了结构正好构成平行四边形结构所以能很好的满足动臂提升过程中铲斗的平行移动的要求。但是由于在动臂的前端装有较重的托架和转斗油缸，使得装载机的载重量减少，所以很少采用。后者又可分为6杆和8杆机构，大都采用6杆机构，因为装置要求能用最简单的结构达到要求的效果。按连杆运动可分为正转和反转连杆工作装置。正反是针对主动构件摇臂和被动构件铲斗的转动方向的异同而言的，相同则为正，反之为反转。正转连杆机构的特点是：最大掘起力是在铲斗底面略低于底面时，即铲斗转角为负值时，适用于挖掘地面，铲斗倾卸时前倾角速度大，易于抖落物料，但冲击力较大。提起铲斗的掘起力比反转连杆的小【8】。正转连杆机构又可分为单连杆和双连杆两种。前者结构简单，易于布置，转斗油缸可以布置在动臂下方，活塞杆不易受损伤；铲斗在低位置时，后倾角可比双连杆取的大些，装载机满载运输时，物料撒落少；提升动臂时铲斗后倾角变化小。缺点是连杆的传动比较双连杆小，从而造成掘起力曲线变化较陡（如图3-2曲线1）。若提高传动比，必须增长动臂，带来很多不便。后者连杆传动比大；掘起力曲线平缓（如图3-2曲线2），动臂提升后铲挖力变化小；连杆的尺寸可缩小，改善了驾驶员的视野；铲斗切削刃面平贴地面时，提升动臂铲斗自然后倾，使铲装的物料不会倒出，进行地面上挖掘工作可缩短循环时间，适于利用铲斗及动臂配合作业；铲装物料时铲斗后倾角速度大，可抖动铲斗中物料向后移动，易于装满铲斗。缺点是结构复杂，转斗油缸较难布置在动臂的下边；如果要使动臂在最大举升高度时铲斗后倾角不致过大，就需使铲斗在低位置时后倾角小些，这样当装载机满载运输时铲斗中物料容易撒落。由于总体布置和动臂结构形状的不同，正转连杆机构中转斗油缸可以布置在不同的位置，最常见的是转斗油缸布置在动臂上方或布置在动臂的下方。在上方时，布置方便，提升动臂时，由于转斗油缸的轴线不会和动臂油缸的轴线相交，所以可将动臂、连杆、摇臂及转斗轴缸的中心线布置在同一平面内，工作装置的受力情况较好。其缺点是铲斗铲掘物料时转斗油缸的小腔工作，因而造成液压系统压力较高或使转斗油缸的缸径和重量增大，履带式多采用这种形式布置。转斗油缸布置在动臂的下方，铲装物料时转斗油缸大腔工作，推力大，但动臂、摇臂、连杆及转斗油缸的中心线不能布置在同一平面内，工作装置受力不好，一般小型装载机有时采用这种形式。反转连杆工作装置的运动特点是：最大掘起力是在铲斗底略高于地面后翻时发挥出来，而且最大铲掘力比正转连杆机构大。反转连杆机构掘起力曲线变化较陡峭（如图3-2中曲线3），在铲装物料转斗的掘起力大，易于进行掘起工作，适用于铲装地面上的岩石，但不利于地面以下的挖掘；提升铲斗时，铲斗后倾角变化小，所以铲斗在低位置时后倾角可大些，装载机满载运行时物料撒落少，这种连杆机构适用于一次铲掘作业法，不适于进行往上筢料的工作，铲斗卸载时前倾最后阶段速度降低，卸载平稳冲击力小，但难于抖落砂土；连杆数目少，传动比小，为了增大摇臂的传动比，须增大尺寸，这不仅使卸载时连杆易碰到自卸卡车货槽侧壁而且还造成驾驶员视野不好；铲斗在最高卸载位置卸载后，下降动臂铲斗易于自动放平。反转双连杆机构由于结构复杂，难于布置，所以目前很少采用。综上所述，各种结构都有各自的优缺点，由于我的设计是ZL15型装载机的工作装置综合考率结构简单适用与性价比等因素，我采用了反转单连杆机构工作装置。它的结构简单；掘起力大；运输状态铲斗后倾角大，不易撒落物料；铲斗能自动放平等优点，它在国产装载机上应用很广。美国“卡特皮勒”公司也将正转双连杆工作装置的988型装载机变型为单连杆工作装置的988B型。 3.2 装载机工作装置结构分析 3.2.1 铲斗的设计1）铲斗选择概述铲斗设计应满足的要求：1 插入掘起阻力小，作业效率高；2 铲斗工作条件恶劣，时常承受很大的冲击载荷及剧烈的磨削，要求铲斗具有足够的强度和耐磨性；3 根据所铲装的物料种类及重量的不同，设计不同结构形式及不同斗容的铲斗。一般铲斗由切削刃、斗底、侧臂及后斗臂组成。标准铲斗是一个焊接结构件如图3-3。由耐磨锰钢钢板弯曲成图3-3 铲斗1- 斗齿 2-主刀板 3、5、8-加强板 4-斗壁 6-侧刀板 7-侧板 9-挡板 10-角钢 11-上支撑板 12-连接板 13-下支撑板 14-销轴 15-限位块弧形的斗壁与在其两侧放置并焊在一起的侧板组成了具有一定装载容量的铲斗基本部分斗体。铲斗的切削边和侧壁上焊接有主刀板2和侧刀板6，在主刀板上还装有锰钢楔形斗齿1加强主刀板寿命，斗齿与主刀板之间用螺钉连接，以便于更换。为了加强斗体的刚度，在其后上部沿长度方向焊有角钢10，在其下部及侧面焊有加强板3和5，为了防止颤抖举升到高处时物料撒落，在角钢之上沿长度方向焊有一档板9，该板用加强板8来加强其刚度。铲斗背面焊有上支撑板11和下支撑板13，为了加强刚度，两支板间用连接板焊成一体。在上下支撑板上，分别开有连杆2和动臂3相铰接的销孔。为了防止工作装置连杆机构的运动干涉现象，在铲斗背面还焊有上、下两限位块以限制铲斗上、下转动位置。铲斗的切削刃形状不同可分为直线型和非直线型（V型或弧型）。直线型结构简单，有良好的平地性能，适用欲装载重度低于1.6t，正好适合于ZL15型。V型铲斗对中性好，平地和装满系数不如直线型。又可分为有斗齿的铲斗和无齿铲斗，有齿容易插入并可延长铲斗使用寿命。所以采用有斗齿且斗齿可换型。铲斗的侧刃弧线型比直线型小，但弧线型侧刃容易从两侧泄漏物料，不利于铲斗的装满，适于铲装岩石。因此，本设计选用直线型侧刃。由于侧刃参与插入工作，为减小插入阻力，侧壁前刃应与斗前壁成锐角，为了不使斗容减少太多，可将前后斗壁的侧壁刃口设计成弧形。从整个斗体形状看，又分为“浅底”和“深底”两种类型。斗容相同情况下，前者铲斗开口尺寸较大，斗底深度较小，即前斗壁较短，后者切好相反。浅底铲斗插入料堆的深度小，相应得插入阻力也小，容易装满，但运输行驶时容易撒料；由于前悬增大，影响车辆行驶平稳性。而深度铲斗恰相反。一句话：地点装载用浅底，运输距离较大采用深底较为合适。综合考虑个人的设计要求，应该选用深底铲斗较为合适。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良好多的流动性，斗底圆弧半径不宜太小，前后壁夹角不应小于物料与钢板的摩擦角的2倍，以免卡住大块物料。若取物料与钢板的摩擦系数为f=0.4，则摩擦角22，所以张开角必须大于44。由于一般装载机主要用于铲装土方工程，所以斗底半径大些，斗底长度短些，可以改善泥土在斗内的流动性，减少物料在斗内的运动阻力【9】。2）铲斗基本参数的确定：铲斗的宽度和铲斗的回转半径铲斗的宽度B要大于装载机每边轮胎外侧宽度50100mm，否则，铲装物料或分层铲取土时，所形成的阶梯地面不仅会损伤轮胎的侧面，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R是指铲斗与动臂转铰的中心B与切削刃之间的距离。斗宽B可以由下式计算： B=L+bw+2(50100) （32）式中： L总体设计时确定的轮距； bw轮胎宽度。计算可得B=1950mm。铲斗的回转半径R由下式计算：（33）铲斗的横截面积S为：（34）式中： V额定斗容量，由额定载重量和所铲装物料重量计算（m3）; B铲斗净宽（m）；铲斗斗底长度系数，取=Lg/R=1.5； Lg斗底长度，是指由铲斗切削刃至斗底与后斗壁延长线交点的距离后斗壁长度系数，取=Lz/R=1.2； Lz后斗壁长度，是指由后斗壁上缘至斗壁与斗底延长线相交点的距离；挡板高度系数，取= Lk/R=0.120.14,取0.12；挡板高度；r斗底和后斗壁直线间的圆弧半径系数，取r=r/R=0.35; 挡板与后斗壁之间的夹角， =510取8；斗底和后斗壁之间的夹角， =4852，取50；由33式可见，已知V、B，只要选定等系数值和、值，即可求得新铲斗的基本参数R。为此，实测所选样机的下列数据R、Lg、Lr，r,和、值并分别计算值，根据各项系数值，即可求得新铲斗的其他参数值。铲斗侧板切削刃，相对于斗底的倾角=5060。值得选择应使侧壁切削刃与挡板的夹角为90。经计算得：R=785mm；Lk=102mm; Lz=1020mm；r=305mm;Lg =1120mm；3) 铲斗斗容的实际计算值图3-4 铲斗基本参数计算图斗前壁长LB为斗口点至斗底圆弧起点B的长度。由于铲斗采用了深底形式，所以有： LB=（620665）* （35）式中 V额定斗容（m3）。为了充分发挥装载机的插入能力，LB不应小于铲斗可能的最大插入深度。选择了深斗底侧壁倾=4060。图3-5 铲斗几何尺寸图由于铲斗选择了有挡板型，因此其平装斗容VP可由下式计算：（36）铲斗截面积由（34）式计算，也可以用简化计算法，求得S=4.62105mm2。式中：系考虑由于在挡板高度内，斗两侧无挡板所引起物料容积的减少；a挡板垂直刮平线的高度；b铲斗刀刃与挡板最上部之间的距离；其有挡板的队装斗容V可由下式计算：（37）物料按21的坡度角堆装的体积，考虑了由于挡板高度范围内无侧面当班所引起的堆装斗容的减少；C物料堆积高度。图3-6 铲斗横断面图3-7 铲斗横断面计算图物料堆积高度可由作图法来确定。即由堆料定点作直线垂直于刮平线（刀刃与挡板高度连线）,与刀刃和挡板下缘之连线DH相交，此交点与堆料尖端之距离即为物料堆积高度C。经计算可得铲斗额定斗容约为0.91m；几何斗容为0.782 m。此外，需要确定斗铰点位置：动臂与斗的铰点即下铰点的位置应尽量使铲斗在挖掘位置时布置在靠近切削刃与地面。下铰点靠近铲斗切削刃，转斗时力臂小，有力于增加作用在刀刃上的铲起力。下铰点靠近地面，可减少在作业时，由插入阻力所引起的附加力矩，此力矩将影响掘起力值。对装载轻质物料的铲斗，下铰点可以高些，以增加回转半径R，增加转斗时斗刃所扫过的堆料面积，从而提高铲斗物料的装满程度。铲斗与动臂相铰接的点距斗底的高度 h=0.060.12R=58mm116mm。铲斗上铰点与下铰点的距离（斗铰连线）不宜过大，否则将增加斗连杆机构尺寸，使结构布置困难。下铰点的位置可以在设计连杆机构中确定【10】。3.2.2 动臂的设计：铰点的位置和动臂长度的确定1动臂铰点位置的确定：动臂铰点的位置时通过作图来确定的；动臂下铰点的最高位置Bi，确定了最大卸载高度Hsmax，最大卸载高度时的卸载距离（最小卸载距离）lsmin及最高位置时的卸载角。为斗底与铲斗回转半径的夹角，动臂下铰点当铲斗在地面挖掘时的位置B1，再考虑斗底与地平面夹角=35时及铲斗装满料后倾不与轮胎相碰的情况下，尽量靠近轮胎，以减少整机的尺寸。动臂的上铰点A应在Bi B1连线的垂直平分线上，当最大卸载高度和最小卸载距离一定时，它的前后位置影响动臂的长度lD、动臂的回转角及动臂最大伸出时的稳定性。lA大,动臂增长，动臂回转角减小，倾翻力矩小，提高了图3-8 确定动臂位置及长度计算装载机在铲斗最大伸出时的稳定性，因此，在总体布置允许的情况下希望lA大些。动臂与车架铰点的高度通常取：（38）式中： R铲斗回转半径动臂与车架角点的左右位置，根据装载机的轮距，动臂和转斗油缸的尺寸布置和视线等确定。动臂回转角通常取=8090。 2动臂长度lD的确定：动臂铰点位置确定以后，可以按图38利用几何关系求出动臂的长度lD：（39）式中：lsmin铲斗最小卸载距离（m）； R铲斗回转半径；铲斗的回转半径与斗底夹角；铲斗最大卸载高度时的最大卸载角； lB 动臂与车架铰点到装载机前面轮廓部分的水平距离,由测量可得 lB=950mm； Hsmax 最大卸载高度HA 动臂与车架铰点的高度经过把已知带入39式计算可得出动臂长度 lD=2089mm。所以初步选定动臂长度为此值，若不符合以后的设计要求，则要加长动臂。求出动臂长度后，根据其铰点的位置和铲斗的结构参数，按比例做图进行校核，看是否满足总体尺寸的要求；根据轮胎的型号16/70-20，查得轮胎的断面宽度为410mm；外径为1075mm。lB取的是950mm，则轮胎前边缘距动臂与车架铰点，即动臂上铰点的水平距离为1050+1075/2=1587.5mm，很明显，动臂尺寸符合此要求，不用加长动臂。针对满足动臂在最低位置铲斗最大后倾角时是否与前轮相碰的要求，根据图38的几何关系计算得动臂的最小长度为2386mm,动臂太长了会使结构不太合理，因此应当把动臂的上铰点前移，综合考虑多种参数的配合关系，最后选定动臂的长度为2157mm。（注：此时确定的是动臂的长度即动臂两铰点距离）3动臂的形状与结构：动臂的形状有直线型和曲线形两种，直线形结构结单，制造容易，并且受力情况好，通常正传式连杆工作装置采用。由于本设计采用了反转连杆工图3-9 动臂形状作装置，所以应采用曲线形动臂，这种结构的优点是可以使结构布置合理。动臂的断面结构型式分单板、双板和箱形三种。单板动臂结构简单、工艺性好、但其强度和刚度低，小型机可以采用。大中型装载机对动臂的强度和刚度要求都高，因此多采用后两种形式。确定动臂的形状如图39。 3.2.3 连杆机构的设计我们的连杆设计为反转单连杆机构的设计，采用连杆机构的图解综合设计方法【11】。从保证连杆机构的完成铲掘、运输及卸载作业要求出发，对连杆的设计须满足下列要求：1动臂从最低到最大卸载高度的提升过程中，保证满载铲斗中的物料不撒落，铲斗后倾角的变化尽量小（小于15），铲斗在地面时后倾角取1=4246；在最大卸载高度时通常取=4761；2在动臂提升高度范围热内的任意位置，铲斗的卸载角45，以保证铲斗能卸净物料；3作业时与其他结构无干涉运动；4使驾驶员工作方便、安全及视野宽阔；5为保证连杆机构具有较高的力传递效率，在设计连杆机构的尺寸时，尽可能使主动杆件与被动杆件所构成的传动角，在不超过90尽量大些。以减少较轴承受的挤压力并使有效分力变大。连杆机构在运动过程中，由于传动角是变化的，所以有效分力也随之变化。在设计中选择连杆机构的构件尺寸时，要尽可能使得在挖掘阻力最大时，力的传递效率最高，使铲斗能发挥其最大挖掘力。1）连杆尺寸及铰点位置的确定：反转连杆机构应设计应有：摇臂、连杆尺寸的确定，铰点的位置，转斗油缸与车架的铰点位置及转斗油缸的行程等。动臂的长度是连杆机构的主要参数，他不仅影响着连杆机构的运动和受力，而且与连杆的尺寸及铰点位置相关。因此须根据先前计算的动臂的长度进行连杆的设计计算。连杆与铲斗铰点的位置影响连杆的受力和转斗油缸的行程，选择时主要考虑当铲斗处于地面铲掘位置情况下，转斗油缸作用在连杆的有效分力较大，以发挥较大的掘起力。通常BC与铲斗回转半径之间的夹角=100125；a=（0.130.14）lD。摇臂和连杆CD要传动较大的插入和转斗阻力，因此在设计时不仅考虑运动关系，而且还应考虑它们的强度和刚度。摇臂的形状及长短的比例关系及铰点的位置确定，要考虑连杆受力情况及它们在空间布置得方便和可能性，同时转斗油缸的行程及连杆的长度也不要过大。摇臂也有直的和弯曲的。弯曲摇臂的夹角不大于30，否则受力不良。摇臂与动臂的铰点布图3-10 确定连杆机构的图解法简图置在动臂两铰点连线的中部le偏上m处。设计时初步取le=(0.450.50) lD；m=(0.110.18) lD；e=（0.220.24）lD；c=(0.290.32) lD。取100，由于铲斗各项参数以得，所以可初选BC=610mm，a=427, le=1000,m=325,e=500,c=647,动臂长OB取2157mm。完成上述尺寸选择后，用下述作图方法来确定连杆的长度b、转斗油缸与车架铰接点的位置G及行程。作图原理如图310。根据已选定的工作装置连杆机构的尺寸参数，画出动臂和铲斗在地面时铲斗后倾45的位置及摇臂和动臂的铰点E；将动臂有最低到最高位置时的转角分成若干等分，提升动臂到不同的角度，并保持铲斗的平动特性，依次画出BC相应得位置：B1C1、B2C2B i C i，并使它们平行；然后画出铲斗在在最大卸载高度时的卸载位置（卸载角=4550），得B i Ci。假设铲斗在最大卸载高度卸载时摇臂和连杆CD处在极限位置，即铰点C、D、E共线，则连杆的最小长度b=C i E i-c 。根据摇臂的结构尺寸和铲斗在任意位置能卸尽物料这一条件，做出铲斗在不同卸载位置时所对应的摇臂与转斗油缸活塞杆铰接位置F i，连接各点得一曲线，过F i点作此曲线的内包圆弧N，则圆弧N的圆心G即为所求铲斗油缸与车架的铰点，圆弧N的半径G F i即为转斗油缸的最小安装尺寸Rmin 。根据提升动臂过程中铲斗保持平移的特性画出对应的摇臂与转斗油缸的铰点的位置F i，连接F i得一曲线，以铰点G为圆心，过F i点作此曲线的外包圆弧N，圆弧N的半径GF I即为转斗油缸的最大安装距离Rmax。转斗油缸的行程lx可由下式计算：（310）当连杆机构的的尺寸和铰点位置确定后，根据上述作图法所确定的转斗油缸与车架的铰点G及转斗油缸的行程lx，一般当转斗油缸的闭锁情况下提升动臂的过程中，铲斗在任何位置时的后倾角都比铲斗在地面时的后倾角大，在动臂提升范围内后倾角通常允许相差15。铲斗卸载角通常随着卸载高度的降低而有所减少，若铲斗的卸载角小于45时，可减少BC或lx的长度来满足对卸载角的要求。要实现动臂提升到最大卸载位置卸载后，动臂下放到地面时铲斗即自动放平，只要凑成连杆机构使铲斗由最高卸载位置到地面过程中，上翻角=+即可。经过作图法与考虑其他各项因素的综合影响，计算出初步的能够满足设计工装置要求的连杆尺寸及两油缸的行程的最小安装距离。根据图解法，并综合考虑干涉的影响经多次画图验证获得下组合理方案：BC=610mm，a=427mm， c=750，m=503mm，e=380mm，le=1179mm，b=780mm，转斗油缸最大行程及最小行程为1395mm和1026mm；提升油缸最大行程及最小行程为1790mm和1007mm；经以上公式计算得转斗油缸行程为369mm，提升油缸行程为783mm，经作图与计算的结果可以定出转斗油缸的安装距离为1228mm，提升动臂油缸的安装距离即最小行程处为1007mm。设计工作装置连杆机构还可以用分解图解法来设计。如把反转六杆机构分成若干个四杆机构进行设计。其实，连杆机构的设计是一门很深的学问，因为组成连杆的各构件的位置和尺寸的可变性较大，设计连杆过程中，若要获得理想的方案，需要结合总体布局，全面考虑各种因素，多方案的对连杆机构进行运动学分析比较，做大量的重复工作来得到最合理的铰接点位置。我门所采用的作图法是非常传统的方法，此外，还有采用数学建模等多种计算机编程辅助设计。对于设计好的连杆尺寸，还需要进一步的优化，使工作装置能够更好的满足要求的前提下更加精确，简单紧凑。其实完整的连杆设计应该包括设计和优化的内容，由于时间的仓促与个人水平有限，不能把连杆的设计作的更加理想化，因为连杆设计可以单列出作为一门重要的研究项目。2）连杆机构的干涉问题在建立装载机工作装置优化设计连杆机构运动的协调性约束时，必须分析工作装置在作业过程中，连杆机构可能出现的运动干涉友“死点”位置。这是机构成立的必要条件。装载机工作装置干涉问题比较复杂，但可归纳为三大类：第一类是连杆机构本身的运动协调性，如工作装置在作业运动过程中出现的极限位置而引起机构构件间的干涉问题；第二类是连杆机构与工作装置其它构件间的干涉问题，如摇臂与横梁、前车架等之间的干涉；第三类是动臂举升缸与转斗缸间的干涉问题。干涉问题是装载机工作装置设计中很棘手的。这里主要研究第一类。为了防止铲斗卸载时连杆机构超过极限位置，并使其产生一定的撞击，以使铲斗中的物料卸净，常装设铲斗前倾限位挡块，一般设在铲斗与动臂横梁之间及摇臂与动臂之间。铲斗前倾限位挡块的装设给连杆机构带来了干涉问题，如当铲斗在较低位置卸载后提升动臂时，由于动臂与摇臂相碰，使得它们不能相对运动，而且迫使铲斗油缸活塞向外拉，此时动臂油缸的作用力臂比转斗油缸的作用力臂大得多，所以转斗油缸的作用力P比动臂的作用力P大得多，而动臂油缸又是大腔作用，转斗油缸则是小腔作用；因此转斗的油缸中的作用力可能比系统压力高的多，这样会造成转斗油缸油封损坏或引起软管破裂。为了克服这种现象，在液压系统中转斗油缸的小腔设有限压阀，当小腔受力较大时，限压阀打开油泄出，活塞杆伸长，使构件能够运动。此外，连杆的设计还有相似设计方法，此方法原理是把工作装置六杆机构分成两个四杆机构，具体是分为铲斗四连杆和铲斗油缸四连杆机构，正如原来所述得分解方法。相似设计可以根据已有的连杆设计很容易的相似设计出新的连杆机构的尺寸参数。在这里没有应用到所以不在详细介绍。第四章：工作装置的限位机构采用限位机构能使操作简便，减轻驾驶员的劳动强度，提高劳动生产率及防止连杆机构越过极限位置而造成死机。 4.1 铲斗前后倾角限位机构一般应在铲斗在最低位置时的后倾角（需要在铲斗后壁安装上限位块）及在最大卸载高度时的卸载角（需要在铲斗后壁安装下限位块）。铲斗转角限位装置通常采用简单的挡块结构，把挡块分别直接焊在铲斗后臂及动臂上。铲斗前倾角的限位原理是在最大卸载高度，铲斗前倾角度达到45时，铲斗与动臂上的限位挡块相碰，铲斗停止前倾。铲斗前倾角限位挡块另一作用是有利于铲斗中物料倾倒干净。当装粘性物料时利用铲斗与动臂的碰撞，使物料抖落干净【12】。 4.2动臂升降自动限位机构根据作业要求对动臂的升降高度进行控制（动臂升降自动限位机构来实现）。动臂升降自动限位机构的作用是把动臂油缸控制阀放于提升(或下降)位置，当动臂提升(或下降)到一定高度时，动臂油缸控制阀自动地返回中立位置。动臂升降的自动限位机构通常采用动臂油缸控制阀自动复位结构。如图41所示，气控阀5安装在动臂后铰接点处，并由可调的凸决4控制，凸块安装在动臂后铰接点上，随动臂铰接点一起转动。气控阀的进气口与贮气罐相连，出气口与动臂油缸控制阀7的进气口相连。图4-1 动臂升降自动限位机构当操纵动臂上升时，控制阀借定位机 1-储气罐 2-气管 3-动臂 4-凸块构使动臂操纵杆停留在上升位置；当动臂 5-气控阀 6-动臂油缸操纵杆 7-动提升到最大高度时，凸块与气控阀的触头臂油缸控制阀相碰使气控阀打开，压缩空气(一殷不超过8公斤厘米3)进入动臂油缸控制阀的进气口，推动控制阀里的活动柱塞移动，使定位机构失去定位作用，控制阀便在回位弹簧作用下返回中间位置，动臂即停止上升动臂下降的自动限位原理与上述相同。 4.3 . 铲斗自动放平机构铲斗自动放平机构的作用是铲斗卸载后，空铲斗上翻到预先调整好的角度时，使转斗油缸控制阀自动地返回中间位置。如图42所示，气控阀5安装在转斗油缸的缸体上，由安装在定位拉杆6上的可调凸块控制；定位拉杆与转斗油缸平行，连接在油缸两端铰接点处，定位拉杆随油缸活塞杆起伸缩。气控阀的进口与贮气罐连接，出口与转斗油缸控制阀8的进气口相连。当铲斗卸载后，操纵转斗油缸使铲斗上翻，这时转斗控制阀停留在上转位置。当铲斗上翻到一定角度时，凸块与气控阀的触头相碰，使气控阀打开，压缩空气进入转斗油缸控制阀的进气口，推动活动柱塞，使定位机构失去定位作用，控制阀便在回位弹簧作用下返回中间位置铲斗即停止转动。根据作业要求，调整凸块的位置，可以保证铲斗从任意卸载高度卸载后，自动控制铲斗转角位置以保证铲斗落地时斗底与地面平行或成一定的铲掘角度，达到铲斗自动放平的目的。图4-2 自动放平机构简图铲斗在一定卸载高度时，希能够望控制铲斗 1-储气罐 2-气管 3-转斗油缸 4-的后倾角度，使动臂落至铲掘位置时铲斗能凸块 5-气控阀 6-定位拉杆 7-转够自动放平（同理需要有铲斗自动放平机构）。斗油缸操纵杆 8-转斗油缸控制阀第五章：工作装置的受力分析5.1 工作装置的受力分析5.1.1确定计算位置分析装载机插入料堆、铲起、提升、卸载等作业过程可知，装载机在铲掘物料时，工作装置的受力最大，所以取铲斗斗底与地面的前倾角为5时的铲取位置如图51作为计算位置，且假定外载荷作用在铲斗的切削刃上。图5-1 工作装置强度计算位置 5.1.2选取工作装置受力最大的典型工况，确定外载荷。由于物料种类和作业条件不同，装载机实际作业时不可能使铲斗切削刃均匀受载，但可简化为两种极端情况：一是认为载荷沿切削刃均匀分布，并以作用在铲斗切削刃中部的集中载荷来代替其均布载荷，称为对称受载情况另一为由于铲斗偏铲、料堆密实程度不均，使载荷偏于铲斗一侧。形成偏载情况时通常是将其简化后的集中载荷加在铲斗侧边第一斗齿上。装载机的铲掘过程通常可分如下三种受力情况：1)铲斗水平插入料堤，工作装置油缸闭锁，此时认为铲斗切削刃只受到水平力的作用。2)铲斗水平插入料堆后，翻转铲斗(靠转斗油缸工作)或提升动臂(靠动臂油缸工作)铲掘时，此时认为铲斗切削刃只受到垂直力的作用。3)铲斗边插入边转斗或边插入边提臂铲掘时，此时认为水平力与垂直力同时作用在铲斗的切削刃上。综合上述分析可以得到如下六种工作装置的典型工况(图52)；1 对称水平力的作用工况(图322e)水平力(即插入阻力Pe)的大小由装载机的牵引力决定，其水平力的最大值为 =40KN （51）装载机空载时的最大牵引力， Pc插入力。2对称垂直力的作用工况(图52b)垂直力(即铲起阻力)的大小受装载机纵向稳定条件的限制，如图313，其最大值为 =5100g*1207 /2155=27993N （52）式中：W装载机空载时的自重； L1装载机重心到前轮与地面接触点的距离； l垂直力RY的作用点到前轮与地面接触点的距离。3对称水平力与垂直力同时作用的工况图此时垂直力由式(52)给出，水平力取发动机扣除工作油泵功率后，装载机所能发挥的牵引力PKP。4受水平偏载的作用工况(图d)；5受垂直偏载的作用工况(图e)；6水平偏载与垂直偏载同时作用工况（图f）：此时水平力与垂直力与工况3同。5.1.3 对工作装置进行受力分析。工作机构实际上是一个空间超静定系统，受力情况复杂，精确计算往往比较烦琐。为了简便图5-2 轮式工作装置受载典型工况简图计算，通常略去由于铰座占有空 (a)对称水平载荷 (b)对称垂直载荷 (c)对称水间而产生的附加力矩，不考虑铲平和垂直载荷 (d)水平偏载荷 (e)垂直偏载荷斗和支撑横粱对工作装各构件受 (f)水平和垂直偏载荷力和变形的影响，并且认为动臂轴线与摇臂、连杆轴线处于同一平面内。这样，将工作机构一个空闯超静定结构，简化成一个简单的平面力系。对于对称受力工况，由于两动臂结构完全对称，所以可取工作机构的一侧进行受力分析，外载荷为：；（53）对于偏载荷工况，近似的把铲斗简化为简支梁，从而求出分配到左右动臂平面内的等效力。靠近偏载一侧的动臂载荷高些，其计算外载荷为：；（54）外裁荷求出后，用解析法或图解法可进行工作机构的受力分析。分析上述六种典型工况，通常第六典型工况各构件受力较大，下面我们以此种情况为例，取一例动臂进行受力分析(图54)首先取铲斗为分离体，按静力平衡原理，计算铲斗的受力：（55）图5-3 工作装置受力简图其中铲斗重量。（56）图5-4 工作装置各构件受力简图（57）取连杆为分离体，连杆为二力杆件，则PD=PC取摇臂为分离体（58）（59）（510）取动臂为分离体（511）（512）（513） 5.2 工作装置强度计算在求得工作机构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【13】。(1)动臂动臂可简化为一个支承在动臂油缸铰点H的车架A点的双铰悬臂折纸变截面梁(图55)。进行强度计算时，通常把它按动臂形状分成几个折线段，加12，23，34，45四个区域，求出每段内的弯矩、剪力和轴向力。计算断面的正应力：（514）图5-5 动臂强度计算图式中： M计算断面的弯矩 W计算断面的抗弯断面系数 N计算断面的轴向力 F计算断面的断面积计算断面的剪应力为：（515）式中 Q计算断面的剪力N 计算断面中性轴z处的静矩计算断面时对中性轴z的惯性矩b计算断面的宽度如果计算断面为矩形：则有（516）通常动臂的危险断面在H点附近，我们以MM断面为例进行计算，在MM断面的弯矩，轴向力和剪力为： (517) （518）（519）将求出的M、N值代入式 Q值代入式得：（520）（521）上面式中末注明符号的意义见图55。 (2)连杆连杆在装载机铲掘过程中，有时受拉，有时受压，因此，需要对其进行强度及压杆稳定验算。(3)摇臂摇臂的受力状态如图54c所式，其危险断面通常在E点附近，在此断面上作用有弯曲应力和正应力，计算方法与动臂相同【14】。 (4)铰销，装载机工作机构铰销的一般结构型式及受力情况如图56所示。有些先进些的装载机工作装置上采用密封式铰销。所谓密封铰销，就是铰销的端部加一个密封圈，密封圈可以防止润滑剂泄露及尘土进入，因此可延长销轴和轴套的使用寿命及减少润滑周期，是日常维修工作耗时少。本设计采用了轴端挡板密封。强度验算可以验算销轴的弯曲强度和轴座挤压强度。图5-6 铰硝强度计算简图(a)中间双支撑 (b)中间单支撑弯曲应力为（522）式中 P1计算载荷，是铰销所受载荷的一半（N）；销轴弯曲强度计算长度，其中各参数如图 W销轴的抗弯断面系数，。销轴支座的挤压应力为（523）销轴套的挤压应力（524）式中轴套的支承长度（m）。强度计算中的许用应力按下式选取（525）式中材料的屈服极限，国内装载机工作装置的动臂及摇臂多用16Mn钢，其屈服极限取 =360（MPa）；n安全系数，一般取1.11.5，工程机械一般取其大于1.5。 5.3 工作装置油缸作用力的确定动臂油缸与转斗油缸的作用力有两种情况：油缸推动机构运动时的作用力为主动作用力(简称工作力或作用力)，其最大值取决于液压系统的工作压力和油缸直径(活塞作用面积)；工作装置工作时作用于闭锁状态的油缸上的作用力为被动作用力，其最大值取决于液压系统的过载阀压力值和承载活塞面积。如工作装置的动臂油缸不动，靠转斗油缸转动铲斗而进行铲掘作业时，则转斗油缸所产生的作用力为主动作用力，动臂油位所承受的作用力为被动作用力。当油缸最大被动作用力大于外裁荷的作用力时，油缸无回缩现象，否则因过载阀打开而溢流，使油缸发生回缩。油缸作用力的分析与确定是装载机设计中的重要内容之一。分析装载机的工作情况可知，为保证装载机正常而有效地工作，油缸作用力应能保证装载机工作时发挥最大的铲起力Ng，使铲斗装满，同时动臂油缸的作用力还应保证把满斗的物料提升到所需的卸载高度与卸载距离。所以最大铲起力Ng是确定油缸作用力的依据。确定了工作装置油缸作用力和可能产生的被动作用力后，便可按选定的液压系统的工作压力设计油钢所需之缸径，并选定过载阀之压力。至于油缸行程，如前所述，它由工作装置结构方案决定。工作装置的结构方案，也影响各油缸在主动和被动状态下的作用力，所以确定油缸作用力要在工作装置的结构方案、构件尺寸与铰接点位置选定之后进行。下面的过程即为确定油缸作用力的分析与计算【15】。 5.3.1铲起力的确定装载机的最大铲起力受其稳定条件限制，所以一般情况下由图321所示的纵向稳定条件按式(310)求出：（526） 5.3.2转斗油缸作用力的确定由图327所示，分别取铲斗连杆、摇臂为脱离体，根据平衡原理可以确定转斗油缸作用力P斗：图5-7 油缸作用力的计算简图(a)脱离体图 (b)计算尺寸图解公式推导过程不在详细叙述：（527）式中K考虑连杆机构摩擦损失的系数，取K1.25Ng最大铲起力；GK铲斗自重；PB转斗油缸与愿臂铰接点的作用力；GA动臂自重；PK动臂油缸与动臂铰接点的作用力。 5.3.3动臂油缸作用力的确定如图327所示，根据平衡原理可以确定动臂油缸作用力P臂：（528）式中 K2考虑连杆机构皮控损失的系数，取K2125。5.3.4转斗油缸与动臂油缸被动作用力的确定转斗油随和动臂油缸的被动作用力P斗、P臂，是根据装载机在工作中工作装置受力最大的计算工况确定的。因此，可直接利用本章第四节强度计算中六种工况的计算结果，取其中的最大值作为转斗油随和动臂油缸的被动作用力。据此可以确定液压系统过载阀的调定压力。通常过载荷的调定压力要比油缸最大被动力大20左右。第六章：基于ARM单片机的装载机障碍物监测预警系统设计6.1 引言随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术获得广阔的发展空间，工业控制领域也进行着一场巨大的变革，以32位高端处理器为平台的实时嵌入式软硬件技术将应用在工业控制的各个角落。嵌入控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点,其应用已深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域,对各行各业的技术改造、产品更新换代、加速自动化化进程、提高生产率等方面起到了极其重要的推动作用。现今，国内外虽有部分车辆安装了超声波倒车防撞报警装置、基于的智能车辆防撞系统、图像处理技术的汽车追尾预警系统等，但是用于像装载机这种广泛用于城建、矿山、公路等工程的工程机械的障碍物监测预警系统却没有发现。所以建立一个对障碍物进行监测预警的系统，提前为驾驶员提供危险信号，让驾驶员能及时采用有效措施是减少事故的有效方法。6.2 系统硬件设计本系统以装载机为研究对象，以实现信号采集、调理、传送、显示和预警为目的。把系统划分为障碍物距离信号采集模块、LCD显示模块、声光报警模块和处理器模块这四个部分。其中以处理器为核心，通过总线和接口电路把信号输入和输出相连。系统做成框图如图6-1所示。图6-1 系统组成框图该MiniARM模块集成有C2290微控制器最小系统，USB主机控制器、10M以太网通信控制器以及NAND FLASH 电子盘，其硬件资源主要有：2M NOR FLASH、16K SRAM、2M/8M Bytes PSRAM、10M 以太网接口、2 路USB-Host 控制器、集成电子盘、2 路CAN控制器以及RTC等。LCD显示模块使用内置T6963C的液晶显示模块，该模块上已经实现了T6963C与行、列驱动器及显示缓冲区RAM 的接口。6.2.1 障碍物距离检测电路的设计对于障碍物的检测方法有超声波测距法、图像处理法、激光测距法等。但是由于超声波传感器具有信息处理简单、价格低廉、制作方便等优点。本系统采用超声波测距法来对障碍物的距离进行检测。（1）超声波测距的原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为c，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离，即s=ct/2 (1)。（2）超声波测距电路在本系统中超声波测距电路是由MICROCHIP的PIC16C57设计而成的，选用的超声波传感器是T/R40-16压电陶瓷传感器。在工作中，主控器PIC16C57发出信号使发射端的超声波换能器发出加以电压激励，其受激励后以脉冲的形式发射超声波，当超声波接收器接收到回波信号时，传回到主控器中，从脉冲信号开始发射时主控器中的定时器便开始计时，接收到回波信号时停止计时。所侧出的时间间隔再乘以声速就得到了两倍的距离值。从而计算出障碍物到发射点的距离。其电路图如图6-2所示。图6-2 超声波测距电路图距离值通过PIC16C57的10脚进行串行输出，经MAX232芯片后与ARM的串口相连。芯片MAX232是为RS232标准串口设计的接口电路，它完成TTL电平和RS232电平的转换。6.2.2 声光报警电路设计本系统要求根据影响装载机稳定性的障碍物距离的临界值对危险状况进行三级报警。当处于低危险状况时，只有指示灯绿灯被点亮，提醒驾驶者注意；当危险级别增高时，指示灯黄灯点亮，同时伴随有舒缓的蜂鸣声，提醒驾驶者采取措施；当达到最高危险级别时，指示灯红灯被点亮，同时蜂鸣声由舒缓转为急促，提醒驾驶者赶紧制动。设计中，分别采用了LPC2290的P2.20（GPIOA4）驱动绿色LED，P2.21（GPIOA5）驱动黄色LED, P2.22（GPIOA6）驱动红色LED，P2.23（GPIOA7）驱动蜂鸣器。所设计的报警电路如图6-3所示。图6-3 报警电路图6.3 系统软件设计常用的嵌入式操作系统有VxWorks、Windows CE、嵌入式Linux和C/OS-等，由于C/OS-嵌入式系统具有公开源代码，具有实时多任务内核来进行多任务调度等优点，所以本系统选用C/OS-嵌入式操作系统【16】。由于采用模块化编程，所以C/OS-II下系统任务的划分也是基于不同的功能模块，每一个模块被分解成一个或者多个任务，每个任务被安排一个优先级。这样，一旦这些任务被建立起来，它们之间的调度情况就完全由C/OS-II来完成。结合本系统的设计需求，程序中创建串口通信任务、报警任务、LCD显示任务。其软件流程框图如图6-4所示。图6-4 软件流程框图上电后，首先进行硬件的初始化，然后对C/OS-II操作系统进行初始化，建立任务，进行多任务调度。C /OS - II的任务调度是抢占式的，所以在设置任务优先级的时候应该尽量考虑任务对实时性的要求。即使两个任务的重要性是相同的，它们也必须有优先级上的差异，这也就意味着高优先级的任务在处理完成后必须进入等待或挂起状态，否则低优先级的任务永远也不可能执行。本系统中设置串口通信任务的优先级高于液晶显示任务，液晶显示任务的优先级又高于报警任务。1.串口通信任务完成超声波测距部分与ARM处理器之间的数据传输。串口通信部分主要包括两部分内容：用户接口函数和任务函数。串口共有5个用户接口函数，分别为deopen()、dclose()、dread()、dwrite（）和diocontrol()。超声波测距装置和LPC2290进行通信的部分程序代码如下：diocontrol(Uart0_Handles,UART0_SET_MODE, (void *)&Mode0)； / 设置UART 模式diocontrol(Uart0_Handles,UART0_SET_TIMEROUT,(void *)5)； / 设置接收超时因子, 参数 =0 则关闭超时diocontrol(Uart0_Handles, UART0_CLR_FIFO, (void *)0)； / 清空接收软FIFOwhile (1)Rece_Count=dread(

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