装载机的总体毕业设计及工作装置设计

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）前言随着现代社会的不断发展，作为现代化基础建设主要工具和手段的工程机械扮演着重要的角色。工程机械设备是集机、电、液一体化和信息、激光等高新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，因此广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建筑工程。在我国，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，使国外轮式转载机在原来的基础上更加“精致” ，其自动化程度也得以提高，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。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，我国轮式尽管国产轮式装载机的技术发展水平与西方发达国家存在着一定的差距，但也应该考虑到历史和国情的原因。目前国产轮式装载机亦正在从低水平、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，摆脱目前产品设计哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）雷同，无自己特色和优势是现状，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。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度越来越快；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。本次毕业设计主要先从轮式装载机的总体进行设计，然后着手工作装置的设计、分析，从而对装载机进行研究，其中对装载机的工作状况进行了一些简单的探讨，以及对工作装置的液压系统进行简单的设计与讨论。通过整个设计，让自己对装载机有了更深的了解与认识。本设计在编写过程中力求准确无误，运用严谨的科学的方法，但由于时间紧迫，且自己水平有限，设计中难免有不妥之处，还望各位老师予以批评指正。第一章 轮式装载机的概述哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）1.1 装载机的简介装载机属于铲土运输机械类，是一种通过安装在前端一个完整的铲斗支撑结构和连杆，随机器向前运动进行装载和挖掘，以及提升，运输和卸载的自行式履带或轮胎机械。它广泛用于公路，铁路，建筑，水电，港口和矿山等工程建设。装载机具有作业速度快，效率高，机动性好,操作轻便等优点，因此成为工程建设中土石方施工的主要机种之一，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。1.1.1 装载机的用途装载机是一种用途十分广泛的工程机械，可以用来铲装，搬运，卸载，平整散装物料，也可以对岩石，硬土等进行轻度的挖掘工作。此外，还可以刮平地面和牵引其它机械等作业。换装相应的工作装置，装载机还可以进行推土，起重，装卸木料或钢管等作业。装载机的作业对象主要是:各种土壤，砂石料，灰料以及其他筑路用散装物料等。1.1.2 装载机的分类常见的单斗装载机一般有以下特点来分类。（1）按行走装置不同分类:轮胎式和履带式。国产履带式装载机多是在推土机基础上形成及国内外使用和生产的绝大多数是轮胎式装载机，这两类装载机除行走装置不同外，其它系统和构造大体相似。（2）按使用场合不同分类：露天用装载机和井下用装载机（铲运机） 。国内外生产和使用的装载机绝大多数是露天轮式装载机。铲运机的结构相对来说是比较简单的。（3）按传动形式不同分类：机械传动式，液力机械传动式，液压传动式和电传动式。机械传动式在国内仅用于 0.5m以下的装载机，它一般直接采用汽车或拖拉机的传动装置，即离合器和变速器。由于液力传动机械取消了机械传动中的离合器而换用液力变矩器，取消了人力换挡变速箱而换用了动力换档变速箱，是发动机在不停车的情况下换挡，操作轻便，工作可靠性高，因此液力机械传动式是轮式装载机的主要传动形式。液压传动使用柴油机带动液压泵产生高压油，并通过控制系统和油管带动液压马达使车轮传动。它能够简化传动系统，使整机质量减轻，但由于启动性哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）差，液压件价格昂贵，寿命也比较低，因此目前仅用于小型装载机上。电传动是由柴油机驱动交流发电机，以此来驱动装在车轮上的直流电动机，然后通过轮边减速器带动车轮转动，这样可以实现无级调速。这种传动检查方便，维修简单，工作可靠。缺点是电机设备质量大，费用高，目前只在大型装载机上使用。（4）按装载方式不同分类：前卸式，后卸式，侧卸式和回转式。轮式装载机基本上都是前卸式。（5）按转向方式不同分类：整体式和铰接式。国产 ZL 系列轮式装载机绝大多数采用铰接式。1.1.3 装载机的主要技术性能参数标志装载机的主要技术性能参数有铲斗容量，额定载重量，发动机额定功率，整机质量，最大行驶速度，最小转弯半径，最大牵引力，最大挖掘力，最大卸载高度，卸载距离，工作装置三项和等。（1）铲斗容量一般指铲斗的额定容量，为铲斗平装容量与堆尖部分体积之和，用“m”来表示。（2）额定载重量指在保证装载机稳定工作的前提下，铲斗的最大载重量，单位为“” 。（3）发动机额定功率发动机额定功率又称为发动机标定功率或总功率，是表明装载机作业能力的一项重要参数。发动机功率分为有效功率与总功率，有效功率是指在 29和746Hg(1mmHg=133.322Pa)压力的情况下，在发动机飞轮上实有的功率（亦称飞轮功率） 。国产装载机所标的功率一般指总功率，即包括发动机有效功率和风扇，燃油泵，润滑油泵，滤清器等辅助设备所消耗的功率。单位为“kW” 。（4）整机质量（工作质量）指装载机装备应有的工作装置和随机工具，加足燃油，润滑系统，液压系统和冷却系统亦加足液体，并且带有规定形式和尺寸的空载铲斗和司机标定质量（75 3 ）时的主机质量。它关系到装载机使用的经济性，可靠性和附着性能，单位为“” 。（5）最大行驶速度指铲斗空载，装载机行驶在坚硬的水平面上，前进和后退各档都达到的最大速度，它影响装载机的生产率和安排施工方案。单位为“/h” 。（6）最小转弯半径指自轮胎中心或后轮外侧或铲斗外侧所构成的弧线至回转中心的距离，单哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）位为“” 。（7）最大牵引力指装载机驱动轮缘上所产生的推动车轮前进的作用力，单位为“kN” 。（8）最大掘起力指铲斗切削刃的底面水平并高于底部基准平面 20时，操纵提升液压缸或转斗液压缸在铲斗切削刃最前面一点向后 100处产生的最大向上铅垂力，单位为“kN” 。（9）最大卸载高度指动臂处于最高位置，铲斗卸载角为 45时，从地面到切削刃最低点之间的垂直距离，单位为“” 。（10）卸载距离一般指在最大卸载高度时，从装载机本体最前面的一点（包括轮胎和车架）到斗刃的水平距离，单位为“” 。（11）工作装置动作三项和指铲斗提升，下降，卸载三项时间的总和，单位为“s” 。1.2 轮式装载机应用技术发展1.2.1 国外轮式装载机水平及发展趋势在经历了 50-60 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，使国外轮式装载机在原来的基础上更加精制，其自动化也得以提高，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，降低噪声，振动，排污量，保护了自然环境，最大限度的简化维修，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水平。产品形成系列，更新速度加快并朝大型化和小型化发展。如以卡特彼勒为代表的美国，以小松公司为代表的日本和装载机生产第三大集团西欧各厂家都加快推出多功能，全面兼顾动力性，机动性与灵活性的新产品。这些产品如美国克拉克公司生产的 675 型，功率达 1000kW，而日本东洋远搬株式会社生产的 310 型，斗容量仅为 0.11 立方米。此外，装载机还向高卸位，远距离作业方向发展，如 JCB 公司开发的伸缩臂装载机，小松公司也开发了能扩大作业范围的带伸出机构的装载机。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）采用新结构，新技术，产品性能日趋完善。近年来开发的产品普遍采用了高性能发动机和自动换档变速器，大流量负荷传感液压系统，前后防滑差速器，多片湿式盘式制动器，行走颠簸减震等先进技术，并综合液压，微电子和信息技术制造，并应用了很多智能系统。工作装置连杆机构推陈出新，各种自动功能更趋成熟，完善。如卡特彼勒公司 994D 型装载机采用新的一代 Cat3516 柴油发动机就安装有 HEUI（电液控制的燃油喷射）装置以及 ADEM9(先进的柴油)管理系统，可根据外载荷的大小有效地控制发动机的功率与转速，从而减少燃油消耗及尾气排放，减少噪声。小松公司的全动力换档变速器带有自动换挡开关，提高装载作业过程中的牵引力，可保证全功率进行装载作业。卡特彼勒公司的G 系列装载机采用大流量工作液压系统，负荷传感转向液压系统，使所需转向功率减少了 8%,提高了作业效率和燃油经济型。沃尔沃公司在 L500-L220D 系列装载机上推出了该公司的专利产品，扭矩平衡连杆机构（TP）,在铲斗的整个循环中可提供更大的倾翻力矩以及举升能力，这保证了装载机不仅在配用铲斗时，而且在配用叉，吊其它工具时都具有优良的作业性能。近年来，国外轮式装载机在其未来技术发展中将广泛采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、噪声抑制的方法消除或降低机器噪声；通过不断改进电喷装置，进一步降低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、自动换档变速装置；普遍安装 GPS 定位与质量自动称量控制；开发机器人装载机等。1.2.2 国内轮式装载机水平及发展趋势我国轮式装载机起步较晚，其制造技术是陆续从美国、德国和日本等国家引进的。目前我国轮式装载机生产技术水平只相当于发达国家 20 世纪 80 年代的制造水平。虽然目前国内轮式装载机生产厂家群雄并立，并且有增无减，但国内的企业自主开发创新能力较弱， ，产品更新换代以适应市场需求的能力较差，不能及时适应市场的需求。在生产制造中，工艺装备水平和生产能力较低，造成关键零部件技术不过关，整机的可靠性，故障率，使用寿命，机电液一体化水平，外观质量，操作的灵活性和舒适性方面 与先进国家产品相比差距较大。目前，我国的轮式装载机发展有如下特点:（1）缺乏高科技含量，产品质量不稳定，档次低。（2）设备的灵活性，舒适性较差。（3）用途单一，产品规格中间大两头小。尽管国产轮式装载机的技术水平与西方发达国家存在着很大的差距，但也哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）应该考虑到历史和国情的原因。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，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。其发展体现出以下一些趋势：（1）大型和小型轮式装载机，在近年的发展过程中，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度将越来越快。（2）各生产厂家根据实际情况，重新进行总体设计，优化各项性能指标，强化结构件的强度和刚度，以使整机可靠性得到提高。（3）优化系统结构，提高系统性能。（4）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。（5）提高安全性和舒适性。（6）降低噪声排放，强化环保指标。（7）广泛使用新材料、新工艺、新技术，特别是机电液一体化技术，提高产品寿命和可靠性。（8）最大限度的简化维修，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，提高排除问题的方法。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第二章 轮式装载机的构造和工作原理2.1 轮式装载机的总体结构与特点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等组成。下图是轮式装载机结构简图。1-铲斗；2-摇臂；3-动臂；4-转斗油缸；5-前车架；6-动臂油缸；7-驾驶室；8-变矩器；9-发动机；10-水箱；11-配重；12-后桥；13-后车架；14-变速箱；15-前桥；16-连杆 图 2-1 轮式装载机组成轮式装载机的动力是柴油机发动机，大多数采用液力变矩器，动力换档变速箱的液力机械传动形式（小型装载机有的采用液压传动或机械传动） ，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连杆机构。2.2 轮式装载机的工作原理 轮式装载机是以柴油发动机为动力源，以轮胎行走机构产生推力(或牵引力)，由工作装置来完成土石方工程的铲挖、装载、卸载及运输作业的一种工程施工机械。以常用的轮式装载机为例(见图 2-1 所示)，其工作过程是发动机 9 的动哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）力经变矩器传给传给变速器 14，再由变速箱 14 经过前后传动轴分别传给前后桥 15、12 以驱动车轮转动，使装载机工作装置接近并插入料堆。工作装置动臂的一端铰接在车架上，一端铰接着铲斗，利用转斗油缸 4 通过摇臂 2 和连杆 16可使铲斗翻转，利用动臂油缸可使动臂绕上铰接点旋转，以举升、放下铲斗，完成装载作业。2.3 轮式装载机工作装置及液压系统轮式装载机工作装置如图 2-2 所示。它是由铲斗、动臂、摇臂、连杆、转斗油缸和动臂油缸组成。1-转斗油缸；2-摇臂；3-动臂；4-铲斗；5-斗齿；6-动臂油缸图 2-2 轮式装载机的工作装置工作装置液压系统原理见图 2-3 所示。1-转斗油缸；2-动臂油缸；3-转斗油缸腔；4-转斗油缸腔；5-分配阀；6-工作液压泵；7-测压点图 2-3 工作装置液压图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）2.4 轮式装载机的传动系统轮式装载机传动系统如图 2-4 所示。它是由变矩器、变速箱、传动轴、前后驱动桥、桥边减速器等组成。1-发动机；2-液力变矩器；3-变速油泵；4-工作油泵；5-转向油泵；6-变速箱；7-驻车制动；8-传动轴；9-驱动桥；10-轮边减速器；11-行车制动器；12-轮胎 图 2-4 轮式装载机传动系统变矩器采用双涡轮液力机械式，变速箱采用行星式液压换挡。变速箱由箱体、行星齿轮式变速机构、液压动力换挡系统等。轮式装载机的驱动桥分为前桥和后桥，前桥的主动螺旋锥齿轮为左旋，后桥则为右旋。它是由壳体、主传动器、半轴、轮边减速器及轮胎轮辋等组成。主传动器是一级螺旋锥齿轮减速器，主要用来增大传动系的扭矩与降低传动系的转速，并改变传递运动的方向。差速器是由两个锥形直齿半轴齿轮、十字轴及四个锥形直齿行星齿轮。左右差速器壳组成的行星齿轮传动副，它对左右车轮的不同转速起差速作用，并将主传动器的扭矩和运动传给半轴。左右半轴为全浮式，它将主传动器通过差速器传来的扭矩和运动传给轮边减速器。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）轮边减速器为一行星齿轮传动机构，内齿圈固定在轮边支承轴上，行星轮架与轮辋固定在一起传动，其运动是通过半轴、太阳轮而得到的。轮边减速器的任务是进一步增大传动系的扭矩和降低转速。2.5 轮式装载机的转向系统 轮式装载机的行驶方向是依靠转向系统来进行操纵的，转向系统能够根据作业要求保持装载机稳定地沿直线方向或改变其行驶方向。转向系统主要由液压泵、粗滤油器、精滤油器、液压转向器、分流阀、转向液压缸等组成。如图 2-5 所示为转阀式全液压转向系统。图 2-5 转向系统原理图2.6 轮式装载机的制动系统制动系统用于行驶时降低或停止，以及在平地或坡道较长时间的停车，按功能分为行车制动和驻车制动两大系统。轮式装载机行车制动系统(又称脚制动)多采用气顶油式双管路四轮制动如图 2-6 所示。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。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）图 2-6 行车制动器驻车制动(又称手制动)系统用于装载机在工作中出现紧急情况时制动，以及当装载机的气压过低时起保护作用，也可以用在停车后使装载机保持原位置，不致因路面倾斜或其他外力作用而移动。第三章 ZL50 轮式装载机的总体设计3.1 ZL50 轮式装载机总体参数的确定3.1.1 轮式装载机的基本组成轮式装载机根据使用场合不同可分为两类，即在露天装载作业时使用的前端轮式装载机和主要用于地下矿物开采的井下铲运机。国产 ZL 系列前端式轮式装载机的底盘采用的是由柴油机驱动的液力机械传动系统，铰接转向，气顶油式的盘式制动。工作装置系统多采用反转六连杆式，采用液压操纵。3.1.2 轮式装载机总体参数的确定轮式装载机的总体参数，是指它的主要性能参数和基本尺寸参数。性能参数包括装载机自重力，额定载重量，铲斗容量，发动机功率，最大插入力，掘起力，最大卸载高度和卸载距离等。基本尺寸参数包括轴距，轮距，轮胎尺寸，外形尺寸等。(1)装载机自重力装载机的自重力通常指由装载机本身的制造装配质量以及发动机的冷却水、燃料油、润滑油、液压系统油、随车必备工具、驾驶员体重等因素引起的重力。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）装载机靠行走将铲斗插入料堆，铲斗插入料堆的能力取决于装载机的牵引力 ，牵引力 受装载机附着力的限制，故装载机的自重力应能使其驱动系统产生足够的附着力，以满足铲斗插入料堆的需求。在插入料堆时，牵引力主要用来克服插入阻力和运行阻力，即(3-1)式中 装载机行走牵引力，N；铲斗插入阻力，N；装载机整机质量，kg；滚动阻力系数。(3-2)式中 附着系数装载机牵引力受地面附着条件限制，所以牵引力的最大值应不大于附着力，由于装载机多为四轮驱动，从而将式(2-1)代入(2-2)式中，可求得装载机自重力 为(3-3)其中，参考文献得： =0.50。通过计算得出综上计算得： 43995N。根据设计任务书以及指导老师建议，取（2）装载机额定载重量装载机额定载重量是在保证装载机必要的稳定性能的前提下，它的最大载重能力。额定载重量。在本次设计中，装载机额定载重量由设计任务书给出，由于设计的是 ZL50轮式装装载机，因此装载机额定载重量 。(3)装载机铲斗容量装载机铲斗容量分两种：一种称为额定容量，是指铲斗四周均以 1/2 坡度堆积物料时，由物料坡面与铲斗内廓所形成的容积；另一种称为平装容量，指铲斗的平装容积。通常所说的铲斗容量是指其额定容量。平装容量 与额定容量 有如下关系,即(3-4)额定容量与额定载重量有如下关系，即哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）(3-5)式中 装载物料密度。其中取 kg/m，计算得： 。(4)发动机功率根据设计要求，我选用发动机型号为 6135k-9a，额定转速为 2200r/min，额定功率为 210Hp。(5)最大插入力最大插入力是装载机插入料堆时在铲斗斗刃上产生的作用力，其值取决于牵引力，牵引力越大，插入力也越大。在平地匀速运动下不考虑空气阻力时，插入力大小等于牵引力减去滚动阻力。(3-6)式中 最大插入力， N；发动机最大有效功率，W；插入速度，m/s；传动系统效率；装载机自重力，N；滚动阻力系数。计算得： =14200N装载机的最大插入阻力 受附着力限制，所以要保证(3-7)即，对于铲装时停止运动，用推压油缸使铲斗插入料堆的装载机，插入力取决于推压油缸的推力，但最大不超过装载机与地面的静摩擦力。铲斗插入料堆时，单位长度斗刃上所产生的最大作用力，叫做单位斗刃插入力，也称比切力。比切力是表示装载机铲斗插入料堆能力的指标，比切力越大，铲斗插入料堆的能力越强。(6)掘起力装载机掘起力是指在下述条件下，铲斗绕着某一规定铰接点回转时，作用在铲斗切削刃后面 100mm 处的最大垂直向上的力(对于非直线型斗刃的铲斗，指其斗刃最前面一点后 100mm 处的位置)。装载机停在坚实的水平地面上； 1装载机具有标准的使用质量； 2铲斗斗刃底部平行于地面，且与地平面距离的上下误差不超过 25mm。 3哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）装载机掘起力标志着装载机铲斗绕规定点回转时动臂举升或铲斗翻转的能力。如果在举升或转斗过程中，引起装载机后轮离开地面，则垂直作用在铲斗上使装载机后轮离开地面的力就是装载机的掘起力。掘起力是由转斗或动臂油缸提供的，根据装载机的稳定性计算，初步计算时，根据额定载重量按下式近似确定。(3-8)计算得：转斗或提升动臂时，单位长度斗刃上产生的最大掘起力叫做单位斗刃掘起力。(7)最大卸载高度和铲斗最大举升高度最大卸载高度是指动臂在最大举升高度、铲斗斗底与水平面成 45角卸载时，其斗刃最低点距离地面的高度，露天装载机的卸载高度可以根据配用车辆车厢高度确定，即(3-9)式中 最大卸载高度， mm；配用车辆车厢高度，mm；考虑到作业时斗刃与车厢侧板间保留必要的间隙，取。查取文献， 。计算得： 。铲斗在最大举升高度是指铲斗举升到最高位置卸载时，铲斗后壁挡板顶部运动轨迹最高点到地面的距离。对于露天装载机，这个参数对作业无影响。(8)铲斗最大卸载高度时的卸载距离铲斗最大卸载高度时的卸载距离，是指铲斗在最大卸载高度时，铲斗斗刃到装载机本体最前面一点(包括轮胎和车架)之间的水平距离。这个距离小于铲斗处于非最高位置卸载时的卸载距离，所以称为最小卸载距离，要保证(3-10)式中 最小卸载距离， mm；配用车辆车厢宽度， mm；哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）装载机本体前缘与运输车辆间应保留的距离，mm。查取文献， 。计算得： 。(9)铲斗的卸载角与后倾角铲斗被举升到最大高度卸载时，铲斗底板与水平面间的夹角为卸载角。为了保证铲斗在任何举升高度都能卸净物料，这就要保证在任何举升高度时都满足装载机处于运输工况时，铲斗底板与水平面间的夹角为后倾角。后倾角过小,不但影响铲斗的装满程度，而且使铲斗举升初期物料向前撒落；后倾角太大，使铲斗举升后期向后撒落，易造成设备事故。取后倾角(10)最小离地间隙装载机最小离地间隙是通过性的一个指标，它表示装载机无碰撞的越过石块、树桩等障碍的能力。根据经验，取最小离地间隙为 450mm。(11)轴距和轮距装载机轴距是指前后桥中心线的距离。轴距的大小影响装载机的纵向稳定性、转弯半径和整机质量。轮距是指两侧轮胎中线的距离，本次所设计的装载机，前后桥采用相同的轮距及同类轮胎。轮距的大小影响装载机的横向稳定性及转弯半径和单位长度斗刃上的插入能力。参考山特牌 ZL50 轮式装载机，确定本次设计的装载机的轴距为 3200mm，轮距为 2240mm。3.2 ZL50 轮式装载机的总体布置3.2.1 总体布置的内容装载机总体布置的内容包括以下几个方面：确定各部件在整机上的位置及占据的空间。 1确定各部件之间，各部件与整机之间的连接方式。 2估计整机自重力及重心位置，并对各部件质量提出要求。 3布置各操纵机构，机器覆盖件，驾驶室等。 4审查各运动件的运动空间，排除可能发生的干涉。 5定出标准化，通用化，系列化的零部件明细表。 6哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3.2.2 总体布置的原则总体布置时要考虑以下原则:保证整机的稳定性。 1结构紧凑，并有较高的传动销率。 2便于操作维修，工作安全可靠。 3外形美观，协调。 43.2.3 总体布置的基准选择总体布置时应该准确选择三个方向的布置基准：以通过后桥中心线的水平面为上下位置的基准。 1以通过后桥中心线的垂直面为前后位置的基准。 2以两侧车轮的对称面为左右位置的基准。 33.2.4 各部件布置的具体要求(1)车架连接和传动轴的的布置我所设计的 ZL50 轮式装载机采用一般的铰接式装载机模型。故作出如下设计：铰接销布置在轴距的 1/2 处，此种布置转弯半径小；前后轮轨迹重合，减少了行驶阻力和转弯阻力。连接前后车架的铰接销有上下两个，车架的外部宽度受轮距限制， ，内部宽度要求考虑安装发动机和转向油缸的位置，车架高度是根据结构的强度要求和支撑件尺寸要求而定.每个车架绕铰接销的相对转角为 35左右。传动轴布置在装载机的纵向对称平面内，且保证水平布置使中间传动轴的中点与车架的铰接销中心线重合。(2)发动机与传动系统的布置发动机按纵向布置在装载机的后部，以保证整机的稳定性。发动机相对后桥的前后距离，可根据桥荷分配力进行调整。(3)摆动桥的布置哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）为了保证装载机在凹凸不平的路面上行驶时，其左右轮都与地面接触，而不悬空，采用了摆动桥结构。根据经验，我选取了后桥摆动。(4)工作装置的布置工作装置布置在装载机的前部。工作装置的具体布置详见第四章。(5)驾驶室的布置在铰接式车架上，驾驶室布置一般有三种方案。驾驶室布置在前车架的后部。驾驶员视野好，并与铲斗的相对视角保持 1不变，铲斗的对准性容易控制，但驾驶员受到工作机构传来的冲击较大，容易疲劳。驾驶室布置在后车架的前部。驾驶员的视野不好，驾驶员与铲斗的相对 2视角有变化，铲斗的准确性不易控制，但驾驶员受工作机构传来的冲击小，不易疲劳。驾驶室布置在后车架的前悬壁处。这种布置的形式，综合了前两种布置 3形式的有点，并克服其缺点。但转向时铲斗准确性差，由于铲取作业和卸载作业一般不在转向时进行，因此影响不大。综合考虑，本次设计采用第三种布置方式。3.2.5 控制桥荷力分配当桥荷力分配确定为具体值后，才能进行使用性能分析。装载机在作业过程中，作用在铲斗上的外载荷力变化范围很大，使作用在前后桥上的桥荷力大小也发生了变化。为了满足装载机的通过性、牵引性和稳定性的要求，前、后桥的载荷力必须在这个变化中合理分配。对于我所设计的轮式装载机,按照国家推荐桥荷力分配如下。空载时，前桥桥荷力占装载机自重力的 40%45%，后桥桥荷力占装载机自重力的 60%65%。满载时，前桥桥荷力占装载机自重力的 75%80%，后桥桥荷力占装载机自重力的 25%20%。令 就是整机的自重力， 为重心到前桥的水平距离， 为轴距。空载时，静止的装载机受力如(3-1)图所示，由力的平衡条件可求得桥荷力为(3-11)(3-12)前后桥的桥荷之比哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）其中，计算得： 0.7。根据推荐一般使 0.82，即满足前、后桥桥荷力分配。重载时，静止的装载机受力如图（3-2）所示，此时桥荷力为(3-13)(3-14)重载时的桥荷力之比其中，计算得：根据推荐一般使 =34，即满足前、后桥桥荷力分配。综上所述，桥荷力分配满足要求。3.3 ZL50 轮式装载机的稳定性计算装载机的稳定性是指装载机在行驶过程中，不发生倾翻和侧滑的的能力。通常用稳定比和稳定度来评价装载机的稳定性。作用在装载机上的外力，对装载机可能产生两种力矩：一种是使装载机产生倾翻趋势的力矩，称为倾翻力矩 ；另一种是使装载机趋于稳定的力矩，称为稳定力矩 。稳定力矩和倾翻力矩之比，称为稳定比，即K= (3-15)当 K 时，装载机稳定；当 时装载机倾翻；当 时，装载机处于将要倾翻而未倾翻的临界状态。在一般情况下 。装载机存在多种可能发生倾翻的工况，在此，对轮式装载机满载、动臂最大外伸，机器停在水平位置时的工况的受力图如图(3-1)所示。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）图 3-1 稳定系数计算图示K= (3-16)式中 Q铲斗中物料的重量（额定载重量） ；l动臂最大外伸时，载荷中心离前轴的距离；C装载机的使用质量；L1装载机的重心离前轴的距离。其中，Q=5000kg，L1=1630mm，C=16700kg ，l=1680mm。计算得：K=3.21因此稳定性满足要求。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第四章 ZL50 轮式装载机的工作装置设计4.1 ZL50 轮式装载机的工作装置设计要求4.1.1 概述装载机工作装置主要由铲斗和支持铲斗进行装在作业的连杆系统组成，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。把铲斗更换成专门的装置，还可以进行其他装载作业。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参数，因此，工作装置的合理性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、工作循环时间、外形尺寸和发动机功率等。轮式装载机工作装置有多种形式，根据杆数和运动特征可分为正转四杆、正转五杆、正转六杆、反转六杆、正转八杆等。本次设计研究的是反转六连杆机构，这种机构形式简单、尺寸紧凑。当铲斗铲掘物料时由于是反转机构，转斗油缸大腔进油工作，可以获得较大的铲掘力。也就是说，铲起同样重量的物料，转斗油缸的尺寸可以设计得较小。而且转斗油缸后置，使司机有较好的视野。反转六连杆机构尤其多用于中小型装载机工作装置,我国生产的 ZL 系列轮式装载机工作装置多采用这种形式。图 4-1 反转六连杆机构轮式装载机的工作装置由铲斗、连杆（或托架） 、摇臂、动臂、转斗油缸、动臂油缸组成。这个机构实质是两个四杆机构。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）图 4-2 轮式装载机的工作装置4.1.2 轮式装载机工作过程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。插入工况 动臂下放，铲斗放置于地面，斗尖触地，斗底板与地面呈 135倾角，开动装载机，铲斗借助机器的牵引力插入料堆。铲装工况 铲斗插入料堆后，转动铲斗铲取物料，待铲斗翻至近似水平 2为止。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 3(即铲斗斗底离地高度不小于机器的最小允许离地间隙)，然后驱动机器驶向卸载点。举升工况 保持转斗缸长度不变，操作举升油缸，将动臂升至上限位置， 4准备卸载。卸载工况 在卸载点，在举升工况下操作转斗缸翻转铲斗，向溜井仓或 5运输车辆中卸载，铲斗物料卸净后下放动臂，使铲斗恢复至运输位置。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。 64.1.3 轮式装载机工作装置设计要求根据轮式装载机的作业特点，其工作装置的设计应满足以下要求。1.基本要求所设计的装载机应具有较强的作业能力，铲斗插入料堆的阻力要小，在料堆中铲掘的能力大、能耗小。工作机构的各杆件受力状态良好，强度寿命合理。结构和工作尺寸适应生产条件需要，效率高。结构简单紧凑，制造及维修容易，操作使用方便。2.特殊要求哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）(1)由于铲斗宽度和容积都较大，所以铲装阻力大，装载系数小。因此设计铲斗宽度为 2990，铲斗容量为 3m，以减小工作阻力，达到装满卸净、运输平稳。(2)铲斗由运输工况被举升到最高卸载位置的过程中，为避免铲斗中物料撒出，要求铲斗作“平移运动” 。从不易撒料这一目的出发，绝对平动并无必要，只要把铲斗举升时的倾角变化限制在一定许可范围之内即可，设计时一般控制在 10以内为好。(3)保证必要的卸载角、卸载高度和卸载距离。轮式装载机要求铲斗在从运输工况至最高位置之间的任一高度都能卸载干净，为此，铲斗各瞬时的卸载(铲斗斗底对地面的前倾角 )均需不小于 45。根据设计任务书中的规定，铲斗在最高位置卸载时，最大卸载高度为 2900，卸载距离为 1300。(4)铲斗能自动放平。铲斗在最高位置卸载后，闭锁转斗油缸，下放动臂，铲斗能自动变成插入工矿(开始插入状态)的功能成为“铲斗自动放平” 。(5)轮式装载机的工作机构属于连杆机构，设计中要注意防止各个工况出现构件相互干扰、 “死点” 、 “自锁”和“机构撕裂”等现象；各处传动角不得小于10；在综合满足工作性能的前提下，尽可能增大机构而倍力系数。(6)应尽量减少工作机构的前悬(即工作机构重心至整机重心的距离)、长度和高度，以提高装载机在各种工况下的稳定性和司机的视野。4.2 铲斗的结构设计和尺寸设计4.2.1 铲斗的设计要求铲斗是装载机工作装置的执行构件。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，是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，使其具有合理的寿命。4.2.2 铲斗的基本结构形式轮式装载机的铲斗断面形状一般为“U”形，用钢板焊接而成，常见的铲斗结构如图 4-3 所示。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）(a)直线形斗刃铲斗 (b)V 形斗刃铲斗 (c)直线形带齿铲斗 (d)弧形带齿铲斗 图 4-3 常见的铲斗结构铲斗由斗底、侧壁、斗刃及后壁等部分组成。如图 4-4 所示。图 4-4 轮式装载机铲斗结构(1)斗体的形状铲斗的斗体基本可分成“浅底”和“深底”两种类型。在斗容量相同情况下，前者开口尺寸较大，斗底深度较小，即斗前壁较短，而后者则正好相反。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，影响车辆行驶平稳性。而深底铲斗则恰恰相反。根据设计要求，此装载机工作装置主要进行定点或短距离装载，所以选用浅底铲斗。斗体采用低碳、耐磨、高强度钢板焊接制成。(2)切削刃的形状根据装载物料的不同，切削刃有直线型见图 4-3(a)和非直线型见图 4-3(b)、4-3(d)。前者形式简单，有利于铲平地面，但铲装阻力大。后者有 V 形和弧形等，插入阻力较小，容易插入物料，并有利于减少偏载插入，但铲装系数小。根据设计任务书要求，此工作装置需进行铲平工作，且工作条件相对良好，所以选用直线型切削刃。斗刃材质采用既耐磨又耐冲击的中锰合金钢材料侧削刃和加强角板都用高强度耐磨钢材料制成。(3)斗齿铲斗斗刃上可以有斗齿也可以没有斗齿，若斗刃上装有斗齿时，斗齿将哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）先于切削刃插人料堆，由于它比压大(单位长度插入力大)，所以比不带齿的切削刃易于插入料堆，插人阻力能减小 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。斗齿结构分整体式和分体式两种，此铲斗的斗齿工作条件相对良好，磨损较轻，所以采用用高锰钢制成的整体式，直接焊接固定在铲斗斗刃上。斗齿的形状和间距对切削阻力是有影响的。一般中型装载机铲斗的斗齿间距为 250 至 300 毫米之间。(4)铲斗侧刃因为侧刃参与插入工作，为减小插入阻力，侧壁前刃应与应与斗前壁成锐角，弧线或折线侧刃铲斗的插入阻力比直线侧刃要小。为了不使斗容减小太多，将侧壁刃口设计成折线。(5)斗底斗前壁与与斗后壁用圆弧连接，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，前后壁夹角(铲斗开口角或张开角)不应小于物料与钢板的摩擦角的 2 倍，以免卡住大块物料。4.2.3 铲斗的分类铲斗按卸载方式一般可分为整体前卸式、侧卸式、推卸式和底卸式等数种。(1)整体前卸式铲斗图 4-5 所示的就是整体前卸式。它的突出优点就是结构简单，工作可靠，有效装载容积大， ，但需要较大的卸载角才能将物料卸净。图 4-5 整体前卸式铲斗卸载工况哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）1-举升油缸；2-铲斗；3-转斗油缸；4-动臂(2)侧卸式铲斗侧卸式铲斗如整体式一样，可以往机器前方卸料。当如果需要往机器一侧卸料时，可以拔去一个侧销，通过转斗油缸动作来卸料。这种铲斗因为没有侧板，插入阻力小，装载效率高，特别是在装载机用于填沟或在狭窄场地往侧旁的运输设备进行装载作业时，其优点就更加显著了。(3)推卸式铲斗推卸式铲斗可以用来弥补整体式铲斗卸载高度的不足，在装载机其他尺寸参数相同的时候，能够显著地提高卸载高度和增加卸载距离。同整体前卸式铲斗相比，推卸式铲斗的结构复杂一些，且需另用动力推卸。(4)底卸式铲斗底卸式铲斗是用动力打开斗底卸载，同推卸式铲斗一样可以提高卸载高度，但结构也比较复杂。综上所得，根据本次设计任务的要求，装载机工作装置要求结构简单，并且考虑到产品成本与经济实用性。因此，我采用了整体前卸式铲斗。4.2.4 铲斗的设计1.铲斗的断面形状和基本参数的确定(1)铲斗的断面形状铲斗的断面形状由铲斗圆弧半径 r、底壁长 、后壁高 h 和张开角 四个l参数确定，如图 4-6 所示。图 4-6 铲斗断面基本参数圆弧半径 r 越大，物料进入铲斗的流动性越好，有利于减少物料进入斗内的阻力，卸料时干净而且快捷。但 r 过大，斗的开口较大时，不易转满，而且铲斗外形较高，将影响驾驶员观察铲斗斗刃的工作情况。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）后壁 h 是指铲斗上缘至圆弧与后壁切点间的距离。底壁长 l 是指斗底壁的直线段长度。l 长则铲斗铲入料堆深度大，斗易装满但掘起力将由于力臂的增加而减小，插入的阻力也将随铲斗铲入料堆的深度而急剧增加。l 长亦会减小卸载高度。l 短则掘起力大，且由于卸料时铲斗刃口降落的高度小，还可减小动臂举升高度，缩短作业时问，但这会减小斗容。根据任务书要求以及老师建议，可选择大些。铲斗张开角 为铲斗后壁与底壁间的夹角，一般取 4552。适当减小张开角并使斗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 50l00mm。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。(2)铲斗基本参数的确定设计时，把铲斗的回转半径 R(即铲斗与动臂铰接点至切削刃之间的距离)作为基本参数，铲斗的其他参数则作为 R 的函数。R 是铲斗的回转半径(见图 4-7)，它的大小不仅直接影响铲斗底壁的长度，而且还直接影响转斗时掘起力及斗容的大小，所以它是一个与整机总体有关的参数。铲斗的回转半径尺寸可按下式计算。图 4-7 铲斗参考尺寸（m ） (4-1)式中 Vr铲斗的额定容量，m；铲斗的内侧宽度，m；g铲斗的斗底长度系数，g=1.40 1.53； z后壁的长度系数， z=1.11.2；哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）k挡板的高度系数，k=0.12 0.14；r圆弧的半径系数， r= =0.350.4 ；张开角,为 4552 ；1挡板与后壁间的夹角，选择 1 时应使侧壁切削刃与挡板的夹角为 90。在设计当中，铲斗的额定容量由设计任务书给出 Vr=3m。铲斗的内侧宽度=b+ +(0.10.2)-2a (m) (4-2)式中 b-装载机轮距，m；-轮胎宽度，m；a-铲斗侧壁切削刃厚度，m。查阅资料，山特牌 ZL50 轮式装载机图册，得 b=2.24m， =0.5969m，a=0.025m，关于(0.10.2),取 0.15m.计算得 =2.937m。设计参数的选择，由经验获取，g=1.5，z=1.15 ，k=0.13，r=0.4，=48，1=13。通过上述参数的选择，带入(4-1)式中，得到 R=1.259m。(3)铲斗截面各边尺寸计算斗底长度：Lg=Rg=1.2591.5=1.889m ， (4-3)斗后壁长度：Lz=Rz=1.2591.15=1.448m ， (4-4)挡板高度：Lk=Rk=1.2590.13=0.163m ， (4-5)斗底圆弧半径：r=Rr=1.2590.4=0.503m ， (4-6)2.铲斗容量计算与误差判断铲斗容量是装载机的总体参数之一，铲斗的斗容量已经系列化，其计算也以标准化。(1)铲斗容量计算设计铲斗的额定容量：(m) (4-7)200386rbBVSaac式中 S铲斗平装容量横截面， ；a挡板高度， m；b铲斗开口长，m；c堆积高度，m。铲斗平装容量横截面 S 的计算： 1哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）如图 4-8 所示，铲斗平装容量横截面积 S 由 5 块基本几何图形组成。图 4-8 铲斗截面计算计算式为 （4-12345SS8）式中 S 1扇形 AGF 的面积， m2；S2直角三角形