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ZL30装载机工作装置设计含9张CAD图,文本

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ZL30 装载机工作装置设计目 录摘 要 I第一章 装载机的发展和应用11.1 装载机概述11.2 装载机的发展2第二章 装载机总体参数的确定62.1 装载机阻力的确定62.1.1 插入阻力62.1.2 铲起阻力62.1.3 转斗阻力矩72.2 装载机的总体布置原则82.3 装载机各部件的布置92.4 装载机的总体构造和分类10第三章 工作装置设计133.1 工作装置结构分析133.1.1 装载机工作装置133.1.2 结构形式的选择143.2 铲斗设计163.2.1 铲斗结构形式的选择163.2.2 铲斗基本参数的确定183.3 工作机构连杆系统的尺寸参数设计213.3.1 工作装置结构设计223.3.2 动臂设计223.3.3 连杆机构设计243.4 工作装置强度计算273.4.1 确定工作装置的计算位置273.4.2 工作装置载荷分析283.4.3 典型工况分析2923.4.5 工作装置受力分析303.4.6 工作装置强度校核34第四章 工作装置液压系统设计384.1 液压系统设计要求384.2 油缸作用力的确定384.3 液压系统设计计算394.4 液压系统原理分析404.5 工作装置的限位机构41总 结43主要参考文献44I摘 要装载机主要用来装卸成堆散料，也能进行轻度的铲掘工作。由于它适用于建筑、矿山、铁道、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较快，是工程机械中的一个主要机种。装载机根据不同的使用要求，发展形成了不同的结构类型。通常，按使用场合的不同，分成露天用装载机和井下用装载机；按行走系统结构不同，分成轮式装载机与履带式装载机；按卸料方式不同，分为前卸式（前端式） 、后卸式与回转式装载机。此次的毕业设计论文先对装载机的发展概况及设计的指导思想、特点、任务进行概述，然后确定方案，在技术设计部分罗列了 ZL30 装载机的主要技术性能和参数，进行了牵引特性计算。主要是针对国产装载机 ZL30 的工作装置进行设计，包括它的铲斗的选择包括：结构形式，具体参数，铲斗容量。然后进行的是其连杆机构的设计包括动臂的一些数据计算以及连杆机构中一些组件的尺寸，以及工作装置的强度的计算，采用受力分析法进行计算分析，最后进行装载机工作装置液压系统的设计。关键词：装载机，工作装置，连杆,铲斗1第一章 装载机的发展和应用1.1 装载机概述装载机主要用来铲、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。在公路施工中主要用于路基工程的填挖，沥青和水泥混凝土料场的集料、装料等作业。由于它具有作业速度快，机动性好，操作轻便等优点，因而发展很快，成为土石方施工中的主要机械。金属矿山的开采可划分为露天开采和地下开采两大类。我国露天矿采以矿石的比重约占 70，但从事地下开采的人员比露天开采的人员多。这是因为地下开采的条件复杂，使用的设备种类繁多，在产量相同的条件下，对地下矿投资的人力和物力远大于露天矿的缘故。 保护自然环境和合理地利用矿藏资源，是发展社会主义经济的必要条件。随着浅埋矿床的耗尽而愈来愈向深部开采，或当露天升采的深度很大而使地表遭受大面积的破坏时，就必须采用地下开采。可以预料今后地下开采仍将逐渐增加。不论是露天矿开采还是地下矿开采，对矿体较硬的金属矿山，都是经凿岩爆破将崩落松散矿石或岩石，经装运作业运至下步工序的作业地点。装载作业是矿山整个生产过程小既繁重又费时的作业。所以努力提高装载机械的作业能力，对实现矿山生产的高效率低消耗想着重要的作用。ZL 系列轮式装载机是一种高效率的工程机械，具有结构先进，性能可靠，机动性强，操纵方便等优点。广泛应用于矿山，建筑工地，道路修建，水利工程，港口，货场，电站以及其他工业部门，进行装载，推土，铲挖，起重，牵引等多种作业。对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作用，因此近几年来无论在国内还是国外装载机品种和产量都得到迅速发展，成为工程机械的主导产品之一。为适应装载机多功能作业的要求，轮式装载机已经向一机功能方向发展。这主要靠主机控制适合多种作业的组合工作装置完成。80 年代国外装载机和液压挖掘机除了不断完善装，挖功能外，正向一机多能方向发展。许多公司竞相生产各式各样的辅助机构。这种机型使用范围很广，其产品受到用户的普遍关注。在通用拖拉机前端加装载装置，后部加挖掘装置可改装变形成前装后挖拖拉机，亦称挖掘装载机，俗称“两头忙” 。工作装置的性能分析过去多采用作图分析和手工计算法，工作量繁重，精度较低。当分析工矿较多时问题更为突出，为克服手工画图的误差。本次设计前面所进行的工2作装置 CAD 设计是通过看资料、实物，通过初步分析、计算而确定的方案。其次要考虑各个工作液压缸作用力的均衡性，整机的稳定性，整机与地面的附着性、满足结构和布置的可能性，以综合比较初选方案，从而确定机构参数（一般来说，从计算机辅助分析中发现不合理的现象可究其原因，采取改进措施，是设计合理化。对已经拟订的各种方案可通过计算机辅助分析作进一步的取舍和修改，以便确定较合理的方案） 。同时，通过性能分析能够很清楚的了解到这个装载机装置在各个位置或各种工况时的里和其它参数，有利于更有效地使用挖掘装载机和使这种装载机工作效率得到最大限度的发挥。地下矿的开采，包括开拓、采准、回采三个步骤。开拓是矿山的基建工程，它是用井巷把地表与山地下矿体接通，并建成完整的运输、通风、排水的并巷工程，包括竖井、斜井、盲井、井底车场，如水泵房、变电室、机修站、火药库等，还有石门、阶段运输巷道、溜井等。采准是指掘进形成采区外形的一些巷道及为了回采工作面的碎岩和爆破而需要的自由空间。前者如采区的运输巷道、通风和人行天井，以及电耙巷道等，如切割槽、拉底空间、放矿漏斗等。 回采就是做完采准后，在采区工作面进行的落矿、装运和管理作业。回采中的矿石装运作业是矿山生产的重要环节。装载作业就是把开拓、采准、回采的矿石或岩石装入运输工具或卸入溜井。开拓、采准和回采三者在使用装运机械方面对比起来，采准工程的特点是：它的装运作业工作量，是在阶段水平以上或矿房内部及矿床上下盘中进行的。一般地说，这些巷道断面尺寸小、长度短，分布在阶段水平以上不同的高度上，要求机械设备轻便灵活，便于调入和调出及迁移到不同高度上。在断面只寸很小的空间内工作，由于设备的调入迁移和使用都比较困难，致使采准工作的机械化程度低、工作效率低、成本高。因此采准工作量的多少，便成为衡量采矿方法好坏的重要指标之一。1.2 装载机的发展1.国外装载机发展趋势近年来，随着建筑施工和资源开发规模的扩大，对装载机需求量迅速增加，因而对其可靠性、维修性、安全性和燃油经济性也提出了更高的要求。随着微电子技术向工程机械的渗透，现代装载机械日益向智能化和机电一体化发展。自 20 世纪以来，国外装载机进入了一个新的发展时期，在广泛应用新技术的同时，不断涌现出新结构3和新产品。继完成提高整机可靠性任务之后，技术发展的重点在于增加产品的电子信息技术含量和智能化程度。努力完善产品的标准化、系列化和通用化，改善驾驶人员的工作条件，向节能、环保方向发展。(1)系列化、特大型化系列化是工程机械发展的重要趋势。国外著名大公司逐步实现其产品系列化进程，形成了从微型到特大型不同规格的产品，同时，产品更新换代的周期明显缩短。特大型工程机械的特点科技含量高，研制与生产周期较长，投资大，市场容量有限，市场竞争主要集中在少数几家公司。(2)多用途、超小型化、微型化推动多用途、超小型化、微型化发展的因素首先源于液压技术的发展和快速可更换连接装置的诞生，使得装载机能在作业现场完成各种附属作业装置的快速装卸及液压软管的自动连接。一方面，工作机械通用性的提高，可以使用户在不增加投资的前提下充分发挥设备本身的效能，能完成更多的工作；另一方面，为了尽可能地用机械作业代替人力劳动，提高生产效率，适应城市狭窄施工场所以及在货栈、码头、仓库、农舍、建筑物层内和地下工程作业环境的使用要求。(3)节能与环保为了提高产品的节能效果和满足日益苛刻的环保要求，国外工程机械公司主要从降低发动机排放、提高液压系统效率和减振、降噪等方面入手。近几年来国外装载机的设计和制造进一步体现了以人为本的理念，要为司机提供一个更加舒适的环境，以到达他们称之为全自动化型的境地。(4)计算机管理及故障诊断、远程监控系统及整机智能化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，不断研制出集液压、微电子及信息技术于一体的智能系统。并广泛应用于工程机械的产品设计之中，进一步提高产品的性能和高科技含量。例如卡特彼勒公司 90 年代开发的 F 系列和 G 系列装载机都安装有电子计算机监控系统，用以取代 E系列装载机上安装的电子监控系统。其司机台上装有条形液晶显示屏，微机监控系统能同时监控发动机燃油液面高度、冷却水温、变速箱油温和液压油温等 11 种功能。该监控系统还具有故障诊断能力，并可向司机提供三级报警.(5)优秀的设计和新结构的不断涌现90 年代中末期，部分装载机上安装有转速变速集成控制系统，它取消了传统的方向盘和变速操作杆，将转向和变速操纵集成在一个操作手柄上，并采用简单的触发方式控制开关和换挡用的分装式加速按钮。利用肘节的自然动作左右搬动操纵手柄来实现转4向，利用大拇指选择换挡按钮以实现前进与后退、加速与减速行驶，极大地简化了操作。2.我国装载机的发展前景随着我国国民经济建设的调整发展，大型轮式装载机的需求量会有大幅度上升，特别是西部大 开发，许多大型工程建设等，大型轮式装载机大有用武之地。另外，世界上生产大型轮式装载 机的国家、企业也不多，出口前景也非常好，苦于我们还拿不出产品。 1999 年，我国全行业 ZL60 型共销 28 台，ZL80 型及 ZL100 型一台也未销售。因此，我国大型 轮式装载机可以说是基本上未推向市场。影响推出市场的主要原因是，除开发水平较低外，主 要是配套件跟不上。大型 轮式装载机的配套件国内基本上没有，有少量的也是水平低，可靠 性差，不太适用，进口配套件价格又太贵。因此大型轮式装载机的国内市场基本上被国外大公 司所占领。我国装载机行业，特别是主要装载机制造企业，应抓住我国加入 WTO 后进口件价格 降低的机遇，进口一部分重要的关键部件，同时为尽量降低成本，加大力度开发一些目前已经有能力开发的零部件，如传动系统中的驱动桥、液压件中的缸、阀等，经过精心设计，开发出 具有中国特色的大型轮式装载机。只要我们的产品能占领国内市场，也一定能打进国际市场。 国产挖掘装载机及小型多功能装载机数量很少，在我国 ZL30 型以下属小型装载机，据 1999 年全行业主要企业统计,共销售小型装载机有 1546 台，能占全行业的8.2。 国外小型装载机及小型多功能装载机，包括挖掘装载机在内，市场份额已相当大。美国的 山猫牌小型多功能装载机年销量在 5 万台左右，还有美国的凯斯、约翰迪尔、卡特彼勒、英国 的 JCB 公司等的挖掘装载机及小型多功能装载机年销量都在万台上。可见世界市场上挖掘装载 机及小型多功能装载机市场是多么大，而中国目前这类产品基本上还没有。这类产品特别适用 于市政建设、中小城镇建设、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 有改造环境、植树造林等。特别是西部大开发，这类产品将有广阔的潜在市场。这类产品的开发，今后肯定是以静液压件传动为主，目前世界上小型装载机、小型多功能装载机基本上都是 静液压传动。我国要能真正把这类产品发展起来，必须有自己的创新。装载机行业的广大企 业，特别是有能力的大企业，应加大创新力度，去争我国小型装载机、小型多功能装载机、挖掘装载机等这一巨大的潜在市场。 我国西部 3000 米以上高海拔地区及沙漠地区占了很大的面积，在实施西部大开发中，高原 及沙漠型特殊用途装载机需要量较大，国内目前基本上还没有这类产品，5而国外大公司在这方 面已经有成熟的产品。因此，我国加入 WTO 后，这个巨大的潜在市场很可能被国外大公司所占领。我国的装载机行业从现在起应该积极行动起来，与有关科研院所及有关发动机等配套件企业联合起来，尽快开发出具有中国特色的高原、沙漠型特殊用途装载机，去抢占我国西部这一潜在大市场。 中型轮式装载机是国内最成熟而产量又大大过剩的产品。这种产品只要“入世”后实行国际采购，提高质量、水平、可靠性，那么大批进入国际市场的机遇就在眼前。6第二章 装载机总体参数的确定2.1 装载机阻力的确定装载机在进行铲掘作业中的作业阻力主要是：铲斗插入料堆时的插入力；提升动臂时的铲起力；翻起转斗时的转斗阻力矩。影响这些阻力的因素很多，例如铲掘的物料种类、铲斗的形状，铲斗插入的深度等。而铲掘的物料种类又是多种多样的，可能是土壤砂石，也可能是各种块度的矿石，因此在这些复杂因素影响下，难以准确的计算出装载机铲掘时的作业阻力，为确定这些阻力，则通过铲掘散状物料试验的办法得出经验公式和多种系数进行计算，下面分别计算装载机在铲掘散状物料时的各种阻力。2.1.1 插入阻力插入阻力是装载机铲斗插入料堆时，料堆对铲斗的反作用力。插入阻力分别由以下阻力组成：铲斗前切削刃口和斗壁两侧切削刃所受阻力；铲斗底和侧壁内表面与物料的摩擦阻力；铲斗外表面与料堆之间的摩擦阻力等组成。其值可以按下式计算： 式 2.14325. 121KKBlKKPbpx式中： 铲斗插入阻力；xP 物料的块度和松散程度的影响系数。对于松散程度较好的物料，块1K度 0.3mm 时，=1.0；块度 0.4mm 时，=1.1；块度 0.5mm 时，=1.3。如果1K1K1K松散程度较差，则上述各值增大 20%-40%；对于这里取=1.1； 1KK 物料种类影响系数，散状物料种类为沙石，取系数为 0.12；2 铲斗插入料堆深度(cm)；取 50cm；pl铲斗宽度(cm)；bB一料堆高度影响系数，料高度为 1.4m, =1.15。3K3K 4325. 121KKBlKKPbpx )(878455 . 115. 12965012. 01 . 125. 1N2.1.2 铲起阻力铲起阻力是指铲斗插入料堆一定深度后，用动臂油缸提升动臂时，料堆对铲斗的反作用力。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入料堆深度和pl7铲斗宽度所决定的矩形面积上的物料所决定。plbB铲起阻力同样受到物料的块度、松散性、容积比重、温度、湿度、物料之间及物料与斗壁摩擦的影响。最大的铲起阻力发生在铲斗刚刚开始提升的时刻。随着动臂的提升，铲起阻力逐渐减小。 铲斗开始提升时的铲起阻力可按下式确定：zP 式 2.2zPKBlbp2 . 2铲斗插入料堆深度(m)；plB 铲斗宽度(m)；b铲斗开始提升时物料的剪切阻力(KN/m )。取值为 35kN/m ；K33zPKBlbp2 . 23596. 250. 02 . 2 （KN）1142.1.3 转斗阻力矩 转斗阻力矩是当铲斗插入料堆一定深度后，用转斗油缸使铲斗向后翻转时，料堆对铲斗的反作用力矩。若不计惯性力的影响，根据实验证明，转斗的静阻力距随着铲斗翻转角的变化而改变，如图 3.1 所示在开始转斗时，所需克服的静阻力矩最大，随着转斗转角的增大。静阻力矩逐渐减小。当铲斗前刃离开料堆时。静阻力矩为M 。根据试验，最大静阻力矩 M 用下式计算0c 式 2.3)()31(4 . 01 . 1mNylxPMpxc式中： P 插入阻力；x 铲斗回转中心与斗刃的水平距离（m） ；x y 铲斗回转中心与地面的垂直距离（m） ；转斗时，铲斗除受到静阻力矩的作用外，还受到铲斗自重和铲斗中物料重力所引起的阻力矩的作用，因此，开始转斗时的总阻力矩 M 为 式 2.4)()(mNlGGMMprbe式中： 铲斗自重（N） ；bG 装载机额定载重量（N） ；rG 铲斗重心到回转中心的水平距离（m） ；见图 3.3bl8图 2.1 图 2.22.2 装载机的总体布置原则1.总体布置的内容总体布置内容应包括以下几个方面：(1)确定各个部件在整机上的位置，并对外形尺寸提出要求；(2)确定各部件之间、部件与整机之间的连接方式；(3)估算整机重量几重心位置，并对各部件的重量提出要求；(4)布置各个操纵机构、机棚、驾驶室等；(5)审核各运动件的运动空间，排除可能发生的运动干涉；(6)定出标准化、通用化和系列化的零、部件的名细表。2.总体布置的原则(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。3.设计中应考虑的整机性能 (1)牵引性，是装载机在不同工作速度下所能发出的最大牵引力的性能。它影响到机子的工作能力与工作效率。牵引性能的好风是用牵引功率和牵引效率来评价的。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。 (2)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。动力性能的好讯用动力因数来评价。(3)经济性，是反映装载机在工作中燃树消耗是否经济合理的性能。它有两个指9标：是依牵引马力小时消耗的燃油克数，这个指标可以用来比较不同装载机的经济性的好坏，另一个是作业中装卸每吨物料消耗的燃料这个指标可以用来核算作业的生产成本。由于后者包含着使用中各种因素的影响，因此不能用作评价不同装载机经济性能好坏的指标。 (4)稳定性，是装载机在坡道上行驶时不失去稳定和不倾翻的性能。它关系到装载机机在坡道行驶的安全性，因此，是一个很重要的性能指标。装载机的稳定性用稳定度这一指标的大小来表示。 (5)机动性，是装载机能否在狭窄场地转向和通过的性能因此，可以用外侧轮胎和铲斗的转向半径来标志。机动性的好坏，影响到装载机的适用程度。(6)作业性，是反映装载机整机使用好坏的性能，通常以功率到生产率的高低为评价指标，它与整机所具有的切削力、掘起力、铲斗容量和容积效率，以及工作装置杠杆系统的工作速度等有关。2.3 装载机各部件的布置1.发动机和传动系的布置发动机一般置于装载机后部，起着对前置铲斗中负荷的平衡作用，并增加装载机的稳定性。发动机是预选现成的，故主要尺寸均已知。根据载荷分配确定发动机相对后桥中心的前后位置，并参考同类型装载机的发动机布置来确定曲轴中心线相对车架上线的高度。发动机位置的布置要结合传动系各总成的结构和整机的使用要求全面考虑。发动机位置确定后，即可安排变矩器、变速器的位置然后确定传动轴数目。2.工作装置布置工作装置布置在整车的前端，结合工作装置的设计要求确定动臂与车架铰点的位置。假如动臂长度不变，铰点布置向前，最大卸载距离大，但由铲斗中载荷作用的倾翻力矩增加，为减小此倾翻力矩而不减小载重量，一般将铰点向后布置，但最好不安排在驾驶室两侧或驾驶室之后，以免动臂举升时恰在驾驶员的两侧影响驾驶人员的安全性。动臂落在最低位置时铲斗位于前轮之前，不能与前轮干涉。动臂的最大举升与最低位置的夹角一般为 90 左右，此角度太大，特使最大卸载高度时的卸载距离急剧下降，同时动臂油缸与动臂铰点间的距离(力臂)也大大减小，使受力情况不利。3.转向系的布置及分类轮胎式装载机的转向系：有偏转前轮转向和铰接式转向两类，偏转车轮转向又分为偏转前轮、偏转后轮、偏转前后轮三种。10(1)偏转前轮转向 前轮转向半径大于后轮转向半径，这样当前轮能从障碍物的内侧通过时，后轮也一定能从障碍物内侧通过，驾驶员可以利用前轮估计后轮避开障碍物，有利于安全行驶。在整体车架的车辆上，多采用偏转前轮的转向系。但是对装载机来说，由于工作机构布置在前端，转向机构的布置，受到前部空间的限制；又因为装载机的前轮负荷大、转向阻力大、所以，转向机构不易布置在前轮上。只有沿用其它车辆的前轮转向的底盘时，才采用偏转前轮转向。(2)偏转后轮转向后轮的转向半径大于前轮的转向半径，当前轮从障碍物的内侧通过后，后轮不一定就能从障碍物的内侧通过，这就不利于安全行驶。在一般车轮上，不采用偏转后轮的转向，但是在整体车架的装载机上，多采用偏转后轮的转向。这是因为装载机的油轮负荷大，并且前端空间位置又难以布置转向，所以，多采用偏转后轮转向。采用偏转后轮转向时，要求驾驶员要有熟练的操作技术。(3)偏转肋、后轮转向 一般采用前、后轮偏转角度相等的结构。全轮转向的转弯半径小，机动性好；前、后车轮的转向半径相同，后轮行驶在前轮的轮辙上，减小了后轮的行驶阻力。但是，由于驱动轮又是转向轮，造成结构复杂。(4)铰接式车架采用铰接转向铰接转向的铰销位置有以下三种情况:1)铰销位于前后轴线的中间，转弯时，前后轮轨迹重合。2)铰销位置在前后轴中间偏前，前轮转弯半径大于后轮转弯半径。3)铰销位置在前后轴中间偏后，前轮转弯半径小于后轮转弯半径。一般多采用第一种布置方案，故前轮与后轮轨迹相同，可以减小在劣路上的行驶阻力，并且前轮能通过的狭小地段，后轮也能顺利通过。整体式车架采用偏转车轮转向，装载机重载时前桥负荷比后桥大，所以多采用后轮转向。第二种方案比第一种结构复杂，尤其是要保证前转向轮与动臂不发生干涉，因而也给总体布置方而带来一定困难。在布置转向车轮时应保证它的周围有一定的空间，在任何转向角时车轮都不与周围的零部件相碰，尤其是在最大转向角时不能与车架相碰。转向梯形可布置在桥的前部或后部。4.驾驶室的布置11为使驾驶员在作业时前方有良好视野，整体式车架驾驶室是布置在车架的前部。驾驶室布置在前车架后端。这种布置形式前方视野舱便于驾驶员铲挖作业，但后方视野较差。转向时驾驶员随前车架一起转动，铲斗始终在驾驶员的正前方，便于对准料堆和卸载卡车。由于驾驶它在全车的较前部，因此在铲挖时驾驶员受到的冲击较大，容易疲劳。另外因驾驶室在前车架上，而发动机、变速箱等均在后车架上，所以操纵机构一般只能采用电、气压或液压操纵。目前国外有少数装载机驾驶室是这样布置的。2.4 装载机的总体构造和分类1.装载机的总体构造装载机一般有发动机，车架，动力传动系统，行走系统，工作装置，液压系统和操作系统等组成，发动机的液力变矩器把动力传给变速箱，然后经前传动轴和后传动轴分别传给前后驱动桥，以驱动车轮转动，工作装置是由动臂，铲斗，连杆机构，动臂油缸和转斗油缸等组成，动臂一端铰链在机架上，另一端和铲斗铰链连接。动臂的升降由动臂油缸带动，铲斗翻转则由转斗油缸通过连杆机构来实现，车架由前后两部分组成，中间用前后车架铰链联接，依靠转向油缸可使前后车架绕铰销相对地转动，以实现转向。2.装载机的分类(1)按行走装置分：有轮胎式和履带式两种。轮胎式装载机是以轮胎式专用底盘为基础车，配置工作装置及操作系统组成。其重量轻，速度快，机动灵活性及效率高，因而他的品种与产量都发展快。履带式装载机是以专用底盘或工业履带式拖拉机为基础，装上工作装置及操作系统完成。其接地比压小，通用性好；重心低，稳定性好；重量大，附着性能好。因此，在轮式装载机不适宜的场合更显优越性。(2)卸料方式分：有前卸式，回转式，后卸式 前卸式装载机的工作装置不回转，装料与卸料都是整机走动进行，作业过程中调车费时，但因结构简单，工作可靠，视野良好，因此应用最广泛。 回转式装载机的动臂安装在转台上，铲斗在前端装料后，回转至侧面卸掉，装载时不需要调车，作业效率高，适宜于厂区工作。但结构复杂，回转卸载时偏心载荷较大，整机侧向稳定性不好。后卸载装载机是在前端装料，卸载时铲斗越过驾驶室向后端卸料，作业时不需要12调车，可直接向后停在起后面的运输车辆卸载，作业效率高。但卸载时铲斗越过驾驶室不安全，只用于矿井下狭窄的场地。(3)联接方式分为：整体式、铰接式整体式装载机的车架是一个整体，利用偏转后轮同时偏转进行转向。铰接式装载机的车架有前后两部分组成，中间用垂直铰销联接，它通过连接前后车架的油缸推动前后车架绕垂直铰链相对转动折腰转向。由于前后车架折腰度大（大约 3540 度） ，所以转弯半径小，可在半径比较小的场地作业。(4)铲斗的额定量分：小型10t。t 0 . 26 . 03.装载机的作业方式装载机是循环作业式的工程机械。它的一个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动作构成。其中，对物料的铲取方法和作业时运输车辆的配置方案，将影响生产率的高低。(1)铲取方法：装载机对物料的铲取方法有一次铲取法和复合铲取法两种。1)一次铲取法：铲斗一次插入料堆，一次收斗而装满铲斗的铲取方法。作业时装载机从正前方驶进料堆，边进边放下铲斗，在料堆前 1m 处使铲斗落到地面，处于浮动位置，斗刃能触及料堆时，加大油门缓缓插入料堆，然后铲斗上翻，提升动臂到运输位置再倒退驶出。该法是最简单常用方法，比较适用于阻力比较小的松散料堆。2)复合铲取法：装载机前进插入料堆的同时，铲斗与提臂相配合铲取物料的方法。这样铲取切削阻力小，容易装满铲斗，适合铲装切削阻力较大的物料。2.作业配置方案：装载机与运输车辆的作业配置方案，主要取决于现场的条件、运输车与装载机的数量和类型。广泛使用的有“I 形” 、 “V 形” 、 “L 形”作业方法。1)“I”形作业法：运输车平行与工作面并往复地前进和后退，所以也称之为穿梭作业法。这种作业方式可减少装载机改变方向的次数，如果装载机与运输车配合的好，会有较好的生产率。2)“V”形作业法：运输车与工作面成 60 度的角度，装载机装满铲斗后，在倒车驶离工作面的过程中，并调转驶向料堆，进入下一次的作业循环。这种作业方式可以得到较短的工作循环时间，故应用十分广泛。3)“L”形作业法：运输车垂直于工作面，装载机铲装物料后，倒退并翻转 90 度，然后向前驶向料堆进行下次铲装。这种作业方式在运距较短时，一个司机可轮换在两辆运输车上工作，以减少人力。这种作业方式适用宽广的作业场合。13 第三章 工作装置设计3.1 工作装置结构分析3.1.1 装载机工作装置装载机采掘和卸载货物的作业是通过工作装置的运动实现的。装载机的工作装置由铲斗，动臂、摇臂、连杆及液压系统等组成。铲斗以铲装物料；动臂和动臂油缸的作用是提升铲斗并使之与车架连接；转斗油缸通过摇臂，连杆使铲斗转动。动臂的升降和铲斗的转动采用液压操作。1.设计时要求由铲斗、摇臂、连杆、转斗油缸、动臂、动臂油缸及车架互相铰接所构成的连杆机构，应保证在装载机作业时能满足：1)铲斗的平移能力，即当转斗油缸闭锁，动臂在动臂油缸的作用力下提升时。连杆机构能使铲斗保持平移或使斗底平面与水平面夹角的变化控制在允许的范围内。以免装满物料的铲斗由于倾斜而洒落物料。2)一定大小的卸荷角，即当动臂处于任何作业位置时，在转斗油缸的作用下通过连杆机构使铲斗绕其铰接点转动，并且卸荷角不小于 45 度。3)铲斗的自动放平能力，即在动臂下降时，铲斗能自动放平，以减轻驾驶员的劳动强度，提高生产率。2.装载工作对工作机构设计的要求轮胎式装载机是一种装运卸作业联合一体的自行式机械，它的工作过程由 5 种工作状态或工况组成：1)工况 I插入状态动臂下放，铲斗放置地面，斗尖触地，铲斗前壁对地面呈 3-5前倾角；开动装14载机铲斗借助机器的牵引力插入料堆。2)工况 II铲装状态工况 I 以后，转动铲斗，铲取物料，待铲斗口翻转至近似水平为止。3)工况 III重载运输状态举升动臂，待工况 II 之铲斗升高到适合位置(以斗底离地的高度不小于最小允许距离为准)，然后驱动装载机，载重驶向卸载点。4)工况 IV一卸载状态在卸载点，举升动臂使铲斗至卸载位置；翻转铲斗，向运输车辆或固定料仓卸载；卸毕，下放动臂，使铲斗恢复到运输状态。5)工况 V空载运输状态卸载结束后，装载机由卸载点空载返回装载点。在露天矿或工地，通常轮胎式装载机是向载重汽车卸裁，出于装载点和卸载点距离很近，卸载位置较高，所以一般称作“定点高位卸载” 。3.工作装置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，在任何位置都能卸净物料并考虑可换工作装置。2)保证作业过程中任何构件不与其它构件干涉。工作装置的结构设计是一个比较复杂的问题，因为组成工作装置的各个构件尺寸几位置的相互影响，可变性很大。对于选定的结构形式，在满足上述条件下可以有各种各样的构件尺寸及铰接点位置。通过多种方案的比较，选出最佳构件的尺寸及铰接点位置，使所设计的工作装置不仅满足使用要求，而且具有较高的技术经济指标。3.1.2 结构形式的选择装载机的工作装置的结构形式分为有铲斗托架和无铲斗托架两种。有铲斗托架的工作装置其动臂和连杆的后端与车架的支座铰链，动臂和连杆的前端与铲斗托架铰链，托架上部铰接转斗油缸，其活塞杆几托架下部与铲斗铰接。当托架、动臂、连杆及车架支座构成的是平行四连杆机构，则在转斗油缸闭锁的情况下提升动臂时，铲斗始终保持平移，使得铲斗内物料不易洒落。但是由于在动臂的前端装有较重的托架和转斗油缸，使得装载机的有效载重量减小，所以目前用得较少。无托架的工作装置，结构比较简单，其铲斗与动臂的前端和连杆直接铰接。按组成连杆机构的数目可以分为六连杆和八连杆，连杆构件数目多，机构的铰接点就多，结构越复杂，因此超过八连杆的机构在装载机上一般不采用。按连杆机构运动可以分为正转连杆工作装置和反转连杆工作装置。如图 3.1 就是反转连杆工作装置。正转连15杆机构的摇臂与铲斗转动方向相同，而反转连杆工作装置的摇臂与铲斗转动方向相反。正转连杆机构工作装置的运动特点是：最大掘起力是在铲斗底面略低于地面时，即铲斗转角为负值时（见图 3.2 曲线 1、2） ，适宜于挖掘地面，铲斗卸荷时前倾角速度大，易于抖落物料，但冲击较大。正转连杆机构可以分为：单连杆和双连杆。1.正转单连杆工作装置正转单连杆机构连杆数目少，结构简单，易于布置，转斗油缸可以布置在动臂的下方，活塞杆不易受损伤；提升动臂时铲斗后倾角变化小。其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（见图 3.2 曲线 1） 。若要提高连杆的传动比，需要加大摇臂的长度，这样给布置带来困难，并造成驾驶员视野不良。2.正转双连杆工作装置双连杆机构连杆数目多，连杆传动比大，掘起力曲线变化平缓（见图 3.2 曲线 2） ，动臂提升后铲挖力变化小，连杆的尺寸可缩小，扩大了驾驶员的视野。铲斗切削刃面平贴地面时，提升动臂铲斗自然后倾，使铲装物料不会倒出，进行地面上挖掘工作可以缩短循环时间，适于利用铲斗和动臂配合作业。其缺点是结构较复杂，转斗油缸较难布置在动臂下边。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，但是这样装载机满载运输时，铲斗中的物料又容易撒落。3.反转连杆工作装置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转时发挥出来，而且最大铲起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（见图 3.2 曲线 3） ，在铲装物料转斗时掘起力大，易于进行掘起作业，适用于一次铲掘法铲装，但是不适于进行往上耙料的作业，铲斗卸载时前倾最后阶段速度降低，卸载平稳、冲击小，但难于抖落砂土；由于连杆数目少，传动比小，为了增大摇臂传动比，需增大尺寸，这不仅使卸载时连杆易碰自卸卡车货槽侧壁，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。反转单连杆的工作装置，由于结构简单、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，因此，在近代装载机上得到了广泛的采用。我国 ZL 系列转载机的工作装置都是采用反转单连杆型式。至于反转双连杆机构，由于结构复杂，难于布置，所以目前装载机上较少采用。16图 3.1 反转连杆工作装置图 3.2 工作特性图3.2 铲斗设计3.2.1 铲斗结构形式的选择铲斗是直接用来切削、收集、运输和卸出物料，装载机工作时的插入能力及铲掘能力是通过铲斗直接发挥出来的，铲斗的结构形状及尺寸直接影响装载机的作业效率和工作可靠性，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。铲斗是在恶劣的环境下工作承受很大的冲击载荷和剧烈的磨损，所以要求铲斗具有足够的强度和刚度，同时要耐磨。根据装载物料的容重，铲斗做成三种类型：正常斗容的铲斗用来装载容重 1.4-1.6吨/米 的物料（如砂、碎石、松散泥土等） ，增加斗容的铲斗，斗容一般为正常斗容3的 1.41.6 倍，用来采掘容重 1.0 吨/米 左右的物料（如煤、渣等） ；减少斗容的铲3斗，斗容为正常的 0.60.8，用来装载斗容重大于 2 吨/米 的物料（如铁矿石、岩3石等） 。用于土方工程机械的装载机，因作业对象较广，因此多采用正常斗容的通用17铲斗，一般适应铲装不同物料的需要。不同种类的物料，需要不同结构形式的铲斗，通常铲斗由切削刃、斗底、侧壁及后斗壁组成。铲斗切削刃的形状根据所铲装物料的不同而异，通常分为直线型和非直线型。直线型切削刃结构简单，具有良好的平地性能，但切削阻力较大，适用于装载重度不超过 16kN/m ，并且堆积比较松散的物料。非直线型切削刃有 V 型和弧型等，3装载机用的较多是 V 型斗刃。这种切削刃由于中间突出，在插入料堆时，插入力可以集中作用在斗刃中间部分，易于插入料堆；且对中性较好。但平地性能和装满系数要小于直线型斗刃的铲斗。装有斗齿的铲斗，在装载机作业时，插入力有斗齿分担，形成较大的比压，利于插入密实的料堆疏松物料，便于铲斗的插入，斗齿可以延长切削刃的使用寿命，斗齿磨损后容易更换。因此，对主要用于铲装岩石或密实物料的装载机，其铲斗均装有斗齿。用于插入阻力较小的松散物料或粘性物料，其铲斗可以不装斗齿。斗齿的形状对切削阻力的影响：对称齿型的切削阻力比不对称的大；长而狭窄的齿比宽而短的切削阻力小。弧线或折线形铲斗侧刃的插入阻力比直线形侧刃小，但弧线或折线形侧刃铲斗的侧壁较浅，容易从两侧泄漏物料，不利于铲斗的装满，这种形状适宜于铲装岩石。对主要用于土方工程的装载机，在设计铲斗时要考虑斗体内的流动性，减少物料在斗体的移动或滚动阻力，同时要有利于在铲装粘性物料是有良好的倒空性。 （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 3.3 常见的铲斗结构18铲斗的形状对铲装阻力和粘性物料卸静性有着较大的影响。对于主演铲装土方的装载机，希望斗底圆弧半径大些，斗底长度短些，如图 3.3a 所示，以改善泥土在斗内的流动性，减少物料在斗内的运动阻力。而对于主要用于铲装流动性较差的岩石装载机，希望采用圆弧半径较小，矮而深的铲斗，如图 3.3b 所示，这种铲斗贯入性好，可以减小铲插入料堆的阻力，同时也可以改善司机的视野。但过深的铲斗会引起斗底太长，因而造成掘起力变小。图 3.4 铲斗断面基本参数图3.2.2 铲斗基本参数的确定1.铲斗宽度铲斗宽度是铲斗的主要基本参数。铲斗宽度应大于装载机前轮外侧宽度，每侧突出 50-100mm，如果铲斗宽度小于轮胎外侧宽度，则铲斗铲取物料后所形成的料推阶梯，会损伤轮胎侧壁，增加行驶阻力。取 2400mm。2.铲斗回传半径 R0指铲斗与动臂铰接点至切削刃之间的距离是铲斗的基本参数。铲斗的其他断面形状参数视为该参数的函数。这是因为它直接影响铲斗前壁的长度，前壁长度的铲斗要求插入深度大，插入力大，卸载时所占的高度空间大，而且直接影响铲斗铲取力和斗容的大小。根据几何简图（见图 3.5）可以计算铲斗横截面积为)(1801 (5 . 02cotsin)cos(5 . 0200201200mmRArkZg式 3.1而铲斗的几何容积，可得回传半径为00BAVg)()1801 (5 . 02cotsin)cos(5 . 01000201090mmBVRrKZgg式 3.219图 3.5 铲斗基本参数简图式中 ：斗的几何容量(图 3.5 所示阴影断面)，取 1.7m ；gV3铲斗内壁宽度，为铲斗宽度扣除两侧壁厚，即0B mm；2360202240020BB铲斗斗底长度系数，1.4-1.5，取 1.45；gg后斗壁长度系数，1.1-1.2，取 1.15；ZZ挡板高度系数，0.12-0.14，取 0.13；KK斗底和后斗壁直线间的圆弧半径系数，0.35-0.4，取 0.36；rr挡板与后斗壁间的夹角，5 -10 ，取 9 ； 11斗底和后斗壁间的夹角，48 -52 ，(有推荐 55 -65 )；取 4800； 由计算得： mmR1148020706. 0mmA 3.铲斗的断面形状参数：斗的圆弧半径、张开角、挡板高度和底壁长，1R0klzl如图 3.5 所示。斗底长度：是指铲斗切削刃到斗底后斗壁交线之间的距离，可用下式计算：=1650mm 式 3.30041. 1RRlgg后斗壁长度：是指切削刃至斗底圆弧与底壁相切点间的距离，长，则斗插入料堆zlzl深度大，斗易于装满，但由于力臂的增大而使掘起力减小，插入阻力随铲斗插入料堆的深度而急剧增加，长还影响卸载高度；短，则掘起力大，并由于卸料时铲斗刃zlzl20口降落的高度小，可以减小动臂举升高度，缩短作业时间。对装载轻质物料为主的铲斗，可以选用大些；对装载岩石料的铲斗。应取小些。zlzl=1320mm 式 3.40015. 1RRlzz挡板高度：是指斗上缘至斗底圆弧与后壁相切点间的距离。过小，易漏料；过klklkl大则增加铲斗外形。影响驾驶员视线。 =149mm 式 3.50013. 0RRlKK铲斗圆弧半径：铲斗圆弧半径大，物料进入铲斗的流动性好，物料装入斗内阻力减1R小。卸料快速干净；但过大，斗的开口太大，物料不易装满，且铲斗较高，不利于1R驾驶员观察铲斗刀刃作业情况。 =413mm 式 3.600136. 0RRRr铲斗上的动臂铰销距斗底的高度：=103mm 式 3.7009. 0Rhb铲斗侧壁切削刃相对于斗底的倾角。在选择时，使侧壁切削刃与挡板60500a1的夹角为，切削刃的削尖角。90403004.斗容的计算铲斗的斗容量可以根据铲斗的几何尺寸确定。（1）几何斗容(平装斗容) gV铲斗平装的几何斗容可按下式确定： = () 式 3.8gV00BA 3m对于装有挡板的铲斗：（） 式 3.9baBAVg200323m式中： 铲斗截面积，计算得 0.706m ；0A2铲斗内壁宽(m)，2.36m；0Ba 挡板高度(m)；0.156m；铲斗刀刃与挡板最上部之间的距离(m)，1.423m；b=1.601m 。baBAVg200322（2）额定斗容(堆装斗容) hV 铲斗堆装的额定斗容是指斗内堆装物料的四边坡度均为 1：2，此时额定斗容hV可按下式确定。无挡板铲斗的额定斗容：(m ) 式 3.10hV)248(302bBbVg3式中：b为铲斗刀刃与斗背最上部之21间的距离，mm；为物料按 2 比 1 的坡度角堆装的体积。)248(302bBb对于装有挡板的铲斗的额定斗容： (m ) 式 3.11)(68202cabBbVVgH3式中： c物料堆积高度(m)；为物料按 2 比 1 的坡度角堆装)(68202cabBb的体积。计算得。)(948. 13mVH物料堆积高度 c 可由作图法确定，即由料堆顶点作直线垂直于刮平线（刀刃与挡板高度连线） ，如下图所示。图 3.6 斗容计算图5.斗齿的设计铲斗斗刃上可以由斗齿，也可以没有斗齿。若斗刃上装有斗齿，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，效果尤为明显。斗齿结构分整体式和分体式两种。一般斗齿是用高锰钢制成的整体式，用螺栓固定在铲斗斗刃上。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250500mm 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，但太窄又容易损坏，所以齿宽以每厘米长载荷不大于 500-600kg 为宜。初选齿间距为300mm，斗齿宽度为 60mm，斗齿长度为 300mm。3.3 工作机构连杆系统的尺寸参数设计22转斗油缸后置式反转六杆机构这种机构有两大优点：1.转斗油缸大腔进油时转斗，并且连杆系统的倍力系数能设计成较大值。所以可以获得相当大的铲取力；2.恰当地选择各构件尺寸，不仅能得到良好的铲斗平动性能，而且可以实现铲斗自动放平。 此外，结构十分紧凑、前悬小，司机视野好也是此种机构的突出优点。缺点是摇臂和连杆布置在铲斗与前桥之间的狭窄部位，容易发生构件相互干扰。3.3.1 工作装置结构设计工作机构的基本给构如图所示。铲斗 1、动臂 2、连杆 3、摇臂 4、转斗油缸 5，举升油缸 6 等组成。图 3.7 装载机工作装置图3.3.2 动臂设计反转六杆工作机构由转斗机构和动臂举升机构组成转斗油缸 FG、摇臂 DEF、连杆CD、铲斗 BC、动臂 BEA 、机架 AG 六个构件组成，由于 AG 和 BC 转向相反，所以此机构称为反转六杆机构。1.动臂铰接点高度动臂铰接点的位置时通过作图在确定的，如图 3.8 所示，若确定了动臂下铰点的最高位置，则最大卸载高度、最小卸载距离及最高位置的卸载角随之iBmaxsHminsl23而定。图 3.8 中为斗底与铲斗回转半径的夹角，动臂下铰点当铲斗在地面产掘时的位置，在考虑斗底与水平面夹角时及铲斗装满物料后倾不与轮胎相碰的1B53情况下，尽量靠近轮胎，以减小装载机的整机尺寸。动臂的上铰接点 A 应在连线iBB1的垂直平分线上，当最大卸载高度和最小卸载距离一定时，上铰接点的前后位置影响动臂的长度、动臂的回转角及动臂最大伸出时的稳定性。大，动臂增大，动臂dlAl回转角减小，倾翻力矩小，提高了装载机在铲斗最大伸出时的稳定性，所以在允许的情况下希望大些。动臂与车架铰接点的高度通常取： Al 式 3.12)()5 . 25 . 1 (0mmRHA 图 3.8 动臂铰点位置及长度计算图动臂与车架铰接点的左右位置。根据装载机轮距、动臂、转斗油缸的尺寸布置和视线等确定。动臂回转角通常取。90802.动臂长度24动臂铰接点位置确定之后，按图 5.8 利用几何关系可以求出动臂的长度。Dl（mm）20max20min)sin()cos(RHHlRllAsBsD 式 3.13式中：铲斗最小卸载距离，1250mm；minsl 铲斗回传半径与斗底的夹角；5 铲斗最大卸载高度时最大卸载角，通常取；取； 4545 动臂与车架铰接点到装载机前面外廓水平距离，1668mm；Bl 最大卸载高度，2850mm。maxsH 计算得：。mmlD27763.动臂的形状与结构动臂形状一般可以分为直线形和曲线形两种，如图 3.9 所示。直线形动臂结构简单，制造容易，并且受力情况较好，通常正转式连杆工作装置采用较多；曲线形动臂，一般反转式连杆采用较多，这种结构形式的动臂可以使工作装置的布置更为合理。图 3.9 动臂结构形式图动臂的断面结构形式有单板、双板和箱型三种。单板动臂结构简单、工艺性好、但其强度和刚度较低，小型装载机采用较多，大、中型装载机对动臂的强度和刚度要求较高，则多采用双板或箱型断面的动臂。为了减轻工作装置的重量，动臂的断面尺寸一般按等强度来设计。3.3.3 连杆机构设计连杆机构是由铲斗、动臂、连杆、摇臂和转斗油缸等组成，该机构的设计是个较复杂的问题。对已定结构型式的连杆机构，在满足使用要求的情况下，各构件可以设计成各种尺寸及不同铰接点位置，构件尺寸及铰接点的位置可变性较大。所以设计出的连杆机构，并不都具有高的技术经济指标。要想获得连杆机构的最佳尺寸及构件最合理的铰接位置，需要结合总体布置、构件的运动学及动力学分析，并综合考虑各种因素进行方案比较，选择较理想的方案。若运用优化设计理论，借助计算机，则可以25获得更理想的设计方案。1.连杆机构设计要求1）平移性好，动臂从最低到最高卸载高度的举升过程中，铲斗后倾角变化尽量小，尽量接近平移运动，保证满载铲斗中的物料不撒落，一般相对地面的转角差不大于 15 度；铲斗在地面时的后倾角取 45 度左右；在运输位置时应有大于 45 度。在最大卸载高度时一般取 47-61 度。2）卸载性好，在动臂举升高度范围内的任意位置，铲斗的卸载角，以保 45证能卸载干净。3）动力性好，在设计构件尺寸时，为保证连杆机构具有较高的力传递效率，斗杆机构要能满足铲掘位置传动角接近 90 度，使有效分力大，以便有较大的掘起力；运输位置传动角小于 170 度，这个角太大会使铲斗收不紧，以致运输途中使物料撒落。斗摇壁应尽量短，否则，为了获得一定的掘起力，势必使缸摇臂较长，连杆机构尺寸增大，翻斗油缸行程较长，造成卸料时间过长。4）作业时与其他构件无运动干涉，保证驾驶员工作方便、视野宽阔。2.连杆尺寸及铰点位置反转连杆机构（见图 3.7）的尺寸及铰点位置确定：连杆 CD 的长度 b，摇臂 DF的长臂长度 c 和短臂长度 e，铲斗上两个铰接点 BC 之间的距离 a，铰接点 E 和铰接点C 的位置，转斗油缸与车架的铰点 G 的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，该参数不仅影响着连杆机构的运动和受力，而且与连杆的尺寸和铰接点的位置有关，因此连杆机构的其他构件的尺寸可以依据该参数来确定。1）摇臂 DF 长度及铰接点位置连杆与铲斗铰点 C 的位置与连杆的受力和转斗油缸的行程有关，选择时主要考虑当铲斗处于地面铲掘位置时，转斗油缸作用在连杆 CD 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；BC 长0R125100。Dla)14. 013. 0(摇臂 DF 和连杆 CD 要传递较大的插入和转斗阻力，要充分考虑其强度和刚度。摇臂 DF的形状和长短臂的比例关系及铰点 E 的位置，是由连杆机构受力情况及它们在空间ec布置的方便和可能性来确定的，同时转斗油缸的行程及连杆 CD 的长度也不宜过大。摇臂可以做成直线形或弯曲形。弯曲形摇臂夹角一般不大于 30 度，否则构件受力不良。铰点 E 的位置，布置在动臂两铰点连线 AB 的中部偏上 m 处。el设计时初定：26。DDDDelclelmll)29. 027. 0(;)24. 022. 0(;)12. 011. 0(;)5 . 048. 0( 式 3.14计算得：。805749;666610;333305;13881332cemle2）确定连杆长度及转斗油缸在车架上的铰接点确定上述尺寸后，用作图法确定连杆 CD 的长度 b，转斗油缸在车架上的铰接点 G 及其行程，如图 3.10 所示。由已选好的连杆机构尺寸参数，绘制出动臂和铲斗在地面时铲斗后倾角 45 度的位置及摇臂和动臂的铰点 E。将动臂由最低到最高位置的转角等分成 4 份，提升动臂到不同的角度，并保持铲斗的平移性，依次绘出的相应位置，5544332211,CBCBCBCBCB并使它们相互平行。然后绘出铲斗在最大卸载高度时的卸载位置，取卸载角 45 度，假设铲斗在最大卸载高度卸载时摇臂 DF 和连杆 CD 处在极端位置，即铰接点 C、D、E位于一条直线上，则 CD 的最小长度。再根据已选定的连杆 CD、摇臂cEcb55DEF，绘出其相应的位置和,由此得出该位置摇臂与转斗油缸的铰点。11DC111FED1F保持后倾铲斗的平移性，作出铲斗在提升中的各位置及其相应的连杆机构位置，得出相应的摇臂与转斗油缸铰点位置，连接各点得一曲线，作该曲线的外包弧iFiFM；则圆弧 M 的圆心 G 即为所求转斗油缸在车架上的铰点；半径 GF 即为转斗油缸的最大安装长度。maxR同理，作出铲斗在不同卸载位置时的连杆机构位置，得出摇臂与转斗油缸铰点位置，连接各点得一曲线，作该曲线的内包圆弧 N，则圆弧半径为转斗油缸的ififiGf最小安装长度。于是转斗油缸的行程可以按下式计算： minRxl)(3456801025minmaxmmRRlx当在转斗油缸闭锁情况下举升动臂，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，在动臂举升范围内后倾角通常允许相差 15 度。铲斗卸载角通常随着卸载高度的降低而略有减小，若铲斗的卸载角小于 45 度，可以通过减小 BC 或的长度来xl满足对卸载角的要求。当动臂举升到最大卸载位置卸载后，动臂下降到地面时要求铲斗能自动放平，只要凑成连杆机构铲斗由最高卸载位置到地面过程中，铲斗绕 B 点的上翻角等于即可。3）举升油缸与动臂和机架的铰接点 H 及 I 的确定举升油缸布置应本着工作力矩大、油缸稳定性好、构件互不干扰、整机稳定性好的原则来确定。一般 H 点选在 AG 连线上方，并取 AGAH/3。AH 不能取太大，它受到油缸行程的27限制。I 点尽量与地保持最小高度，并且往前桥方向靠是比较有利的，这样举升工作力臂大小变化比较小。图 3.10 确定连杆机构的图解法3.4 工作装置强度计算 3.4.1 确定工作装置的计算位置装载机作业工况不同，工作装置的受力情况也不一样。因此，进行工作装置强度计算时。只要其受力最大时的计算位置，选取工作装置受力最大的典型工况，来对工作装置进行强度计算。通过分析装载机铲斗插入料堆、铲起、提升、卸载等作业过程可知，装载机在地28面铲掘物料时，工作装置的受力最大，所以对装载机进行受力分析，可选取装载机在水平地面上铲斗斗底与地面的夹角为 3-5 度铲掘时的铲取位置作为计算位置，且假设外载荷作用在铲斗的切削刃上。图 5.11 工作装置强度计算位置3.4.2 工作装置载荷分析1.载荷分析 1）水平受力装载机沿水平面运动，工作装置油缸闭锁，铲斗插入料堆，此时认为物料对铲斗的阻力水平作用在切削刃上，水平力的大小由装载机的牵引力决定，其最大值按下式计算： 式 3.15ftxFFFmax =75200(N) 式中：装载机空载时驱动轮上的最大切线牵引力，N；maxtF装载机空载时滚动阻力，N；fF2）垂直力的作用工况铲斗水平插入料堆足够深度后，装载机停止运动，向后转斗或提升动臂，此时认为掘起阻力垂直作用在切削刃上，且垂直载荷受装载机的纵向稳定性条件的限制，其最大值为： （N） 式 3.16ijGFz0233613009996029=55628(N)式中：装载机空载时的自重；0G装载机重心到前轮与地面接触点的距离；j垂直力的作用点到前轮与地面接触点的距离；i3）水平与垂直同时受力装载机在水平面上匀速运动，铲斗水平插入料堆一定深度后，边插入边转斗或者边插入边提升动臂，此时认为物料对铲斗的水平阻力和垂直阻力同时作用在切削刃上。 ； 式 3.17ftxFFFmaxilGFz103.4.3 典型工况分析由于物料种类和作业条件的不同，装载机实际作业不可能使铲斗切削刃均匀的受力，可将其转化为两种情况：1.认为载荷沿切削刃中部的集中载荷来代替均布载荷，称为对称受载的情况；2.由于铲斗偏铲，料堆密实程度不同，使载荷偏于铲斗一侧。形成偏载情况，通常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分为如下三种受力情况：1）铲斗水平插入料堆，工作装置油缸闭锁，此时认为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（依靠动臂油缸工作）铲掘时，认为切削刃只受到垂直力的作用。3）铲斗边插入边转斗或边提臂铲掘时，认为水平力与垂直力同时作用在铲斗切削刃上。 根据以上分析得出工作装置构件受力最大的六种典型工况：1.对称水平受力工况如图 3.12（a） ，这种工况下铲斗的水平载荷由装载机的牵引力决定，水平力的最大值按式 3.15 计算。2.对称垂直受力工况如图 3.12（b） ，这种工况下垂直载荷受装载机的纵向稳定条件限制，其最大值按式 3.16 计算。3.对称水平力与垂直力同时作用的工况如图 3.12（c） ，这种工况下水平载荷与垂直载荷按式 3.17 计算。4.水平偏载工况如图 3.12（d） ，水平载荷按式 3.15 计算，但是要考虑偏载情况。5.垂直偏载工况如图 3.12（e） ，垂直载荷按式 3.16 计算，但是要考虑偏载情况。306.水平偏载与垂直偏载同时作用工况如图 3.12（f） ，其受力按公式 3.17 计算，但是要考虑偏载情况。图 3.12 工作装置典型工况图3.4.5 工作装置受力分析1.由于工作装置是一个受力情况比较复杂的空间超静定系统，精确计算比较复杂，为简化计算，可作如下假设：1）认为铲斗及动臂横梁不影响动臂的受力与变形；2）认为动臂轴线与摇臂连杆轴线处于同一水平面内。2.通过以上假设，就能将工作装置简化成一个简单的平面力系进行分析。1）对于对称受力工况，由于动臂是个对称结构，所以两动臂所受的载荷相等。同时略去铲斗及支撑横梁对动臂与受力与变形的影响，则可取工作装置一侧进行分析，31其上作用的载荷取相应工况外载荷的一半进行分析计算，即：(N)376002/7520021xaxFF(N)278142/3467021zazFF2）在偏载的工况中，近似地用求简支梁的方法，求出分配于左右动臂平面内的等效力和；xFzF ； 式 3.18xaxFbbaFzazFbbaF； 式 3.19axxbxFFFazbzFFF由于,所以只求，。bxaxFFbzazFFaxFazF在工作装置中 a=165mm,b=1500mm。 N834727520015001500165axFN617475562815001500165azF32图 3.13 工作装置受力分析简图3.认为动臂轴线与连杆、摇臂轴线处于同一平面内，则所有的作用力都通过构件（铲斗除外）断面的弯曲中心，即略去的由于安装铰座而产生的附加扭转，从而可以用轴线、折线或曲线来代替实际构件。通过上面的分析与假设，就能将工作装置这样一个空间超静定结构简化为平面问题进行受力分析。工作装置的受力分析，就是根据上述工况下作用在铲斗的外力，用解析法或作图法求出对应工况下工作装置各构件的内力。典型工况 6 下的各构件受力最大，以工况6 进行内力计算。3334（a）铲斗(b)连杆(c)摇臂(d)动臂图 3.14 工作装置各构件受力分析1)如图 3.14（a）取铲斗为脱离体，根据平衡原理，分析铲斗的受力：由 ,有 0BM)sincos(5 . 0121211lhFlGlFhFcDbzaxa所以 121311sincos5 . 0lhlGlFhFFDbzaxac 6 .56751907395 （N）91451由 ， 0 X0cos1BcxaXFF所以 )cos(1cxaBFFX )14cos9145166200( (N)154934由 ， 0Z05 . 0sin1bBczaGZFF 所以 bczaBGFFZ5 . 0sin1 =(N)163592）如图 3.14（b）所示，取连扦为分离体，根据平衡原理，作用于连杆两端的力大小相等，方向相反，即： CDFF 由图示受力分析可知，连杆此时受拉。3)如图 3.14（c）所示，取摇臂为分离体，根据平衡原理，进行受力分析： 0EM)sincos()sincos(33342423lhFlhFFD35 所以 33342423sincossincoslhlhPFDF 4 .42026.44591451 (N)96859 0 X0coscos23DFEFPX 所以 23coscosDFEFFX 8cos9685914cos91451 (N)18465 0Z0sinsin23DFEFFZ所以 23sinsinDFEFFZ 14sin914518sin96859 (N)86444）如图 3.14（d）所示，取动臂为分离体，根据平衡原理，分析动臂的受力。由, 0AM0)sincos(77654546lZhXlZhXlhFBBEEH 所以 45466577sincoslhlZhXlZhXFEEBBH 55sin31155cos26210651635916651549341265864431118465 405280579490 (N)692789由 , 0 X0cos4BEHAXXFX 所以 BEHAXXFX4cos 1549341846555cos692789 (N)260898 , 0Z0sin4HBEAFZZZ所以 )sin(4HBEAFZZZ)55sin692789163598644(N)5424963.4.6 工作装置强度校核根据典型工况受力分析所求出的作用力，即可按强度理论对工作装置主要构件进行强度校核。1.动臂动臂可看成是支撑在车架 A 点和动臂油缸上铰点 H 点的双支点悬梁臂，其危险断面在H 点附近： 式 3.20)(maxaMPANWM式中： 计算断面的截面积,；A2mm36 计算断面的弯矩，；MmmN 计算断面的轴向力，；NN计算断面的抗弯断面模数，。W3mm 式 3.21)(maxmaxMPabJQSzz如果计算断面为矩形则有：)(23maxMPaAQ式中： Q计算断面的剪力，N； 计算断面中性轴 Z 处的静矩，；maxzS3mm 计算断面对中性轴 Z 的惯性矩，；zJ4mm B计算断面的宽度，mm。图 3.15 动臂强度计算简图对于 H 点的断面：MM (Nmm) 式 3.222431lZlXlZlXMEEBB 44686444918465589163591603154934=-2.6810 式 3.23)(cos)(cos)(21NZZXXNBEEB =1.1510 式 3.24)(sin)(sin)(21NZZXXQBEEB =4106 . 93762106 . 16bhW计算出MPaMPa3002166max MPaMPa24060max2.铰销其危险断面在支座 G 点附近，装载机工作装置铰销的一般结构形式及受力情况，如图所示。在铰销轴套的端部增加一个密封圈，密封圈可以防止润滑剂泄漏及尘土进入，因此可以延长轴销和轴套的使用寿命及减小定期润滑次数，使日常维修工作所消耗的时间及费用减小。目前国内外对工程机械工作装置铰销的强度计算都采用下面的计算公式：销轴的弯曲应力：w （） 式 3.2521WlFwMPa=()15083657.335 .1215597MPa式中 ： 销轴的弯曲应力；w计算载荷，为铰销所受载荷的一半；1F销轴弯曲强度计算的计算长度；其中的2l;,212mmdalldal,1意义如图 3.16 所示； 销轴的抗弯断面模数，W取销轴直径为 50mm： 式 3.263321dW98174503213 销轴支座的挤压应力：j )(11MPadlFjj MPaMPa300178销轴套的挤压应力： )(31MPadlFjj式中： 为轴套的支承长度。3l38图 3.16 工作装置铰销3.连杆 装载机在作业过程中，连杆有时受拉，有时受压。首先校核连杆的稳定性: 临界力)(12838096. 010610200289222NlEIFcr 连杆最大受力)(12838091451NFC 强度计算中所用的许用应力可按下式选取： =（MPa）ns1565 . 1235 )(156)(7630914512maxMPaMPaAFC 经过以上校核计算得出拉杆满足稳定性和强度要求。39第四章 工作装置液压系统设计4.1 液压系统设计要求根据装载机作业条件多变，温差变化大，工况恶劣，粉尘多及负荷繁重等情况，对其工作装置液压系统提出以下要求：1.良好的工作性能：保证工作装置工作平稳，操作灵活、轻便及具有较高的生产效率等；2.工作可靠，寿命长：保证液压元件和辅助装置在高温和高寒条件下工作可靠性和较长的使用寿命，并且具有适应外载荷急剧变化的能力；3.容易拆装，便于维修保养。4.2 油缸作用力的确定工作装置油缸的作用力有主动力和被动力之分，所谓主动力就是保证装载机正常作业情况下，油缸推动工作机构运动的作用力，其最大值决定于工作装置参数及掘起力；被动力就是在油缸闭锁情况下，装载机铲掘时作用于油缸上的力，该力的最大值取决于液压系统的限压阀的压力及活塞的作用面积。确定油缸的主动力和被动力是装载机液压系统设计的前提。为了保证装载机能够正常而有效地进行作业，工作装置油缸必须产生能够克服最大掘起阻力和转斗总阻力矩的主动力，以便装满铲斗，同时动臂油缸所产生的主动力还必须能将满载铲斗举升到最大卸载高度。油缸主动力是根据装载机的最大掘起力来确定的。zF1.铲斗油缸主动力装载机在铲掘工况，动臂油缸闭锁，转斗油缸发出最大掘起力时，其主动力按下式计算： 式 4.1)(175647563NKnllllGllllFFDZF式中：铲斗自重，1400kg；DG 考虑连杆机构摩擦损失系数，取 1.25；1K n转斗油缸数。计算得：)(66690 NFF2.动臂油缸主动力当转斗油缸闭锁时，动臂油缸产生最大掘起力时，其主动力按下式计算：)(912111082