ZL15型轮式装载机设计论文说明书

毕 业 设 计 论 文题目 ZL15型轮式装载机 工作装置设计 32前 言 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；接行走系统结构不同，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。本书主要论述露天工程用的轮式装载机的设计。装载机的设计，大致要经历：明确任务、调查研究、制订设计任务书，进行整车布置、确定整机的主要性能参数，进行各部件的方案设计与强度计算，技术设计和工艺设计，试验鉴定和修改定型等这样一些阶段。一台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串和较低的使用成本来衡量的。这体现在设计工作中，就是应当使装载机具有较完善的技术经济性能与指标以及先进的部件结构方案。 摘 要我所设计的ZL15装载机既保留了传统装载机的优点，而有具有新的性能和优点。本次设计主要进行的工作装置的设计。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。先对装载机的发展概况几设计的指导思想、特点、任务进行概述，然后确定方案，在技术设计部分罗列了ZL15装载机的主要技术性能和参数，进行了牵引特性计算，工作装置设计。工作装置设计中有工作装置运动分析，对铲斗、动臂、连杆机构进行设计等几部分组成。在工艺设计中叙述了工艺工程。应用程序计算了受力分析。总之，整个设计是有序地完成的。在整个设计的过程中，在老师及其他老师的指导下顺利完成的，通过这次设计，我学到很多东西，在实践中把大学中所学的知识综合运用复习了一次，同时也学到很多新的东西，受益非浅。在此，本人表示衷心感谢！并真诚希望各位老师对我提出宝贵的意见。 AbstractThis type of ZL15 loader that I have designed has the common virtues of the traditional loaders.And it has some new-improved virtues and function. In my design progress,I put emphasis on the working-device.The ZL15 loader also has some traditional virtues like the articulited wheel-type loader.The loader digging and unload the goods by the working-device.The working-device has manyParts and it is connected to the machine.Some parts of the devices turning by liquid press realize. At first,I introduce the developing trend of the loaders,and explained the main designing idea, designing characteristic and designing task.The second part is the whole designing prgram.In the technical designing part,the main technological parameters and technological features of the ZL15 loader are listed.The following part is the calculation part of the tractive features and the designing of the working device.The necessary computer progress is placed in the end of my designing progress,all the computer program was composed with C language .In a word,the whole designing progress is designed carefully and step by step.I wish my design could clearly explained my designing idea.With the kind help of Mr.LiFeng and other teachers,I finished my design successfully.Through designing this type of ZL15 loader,I have attained a lot which was new to me.Here,I want to express my heartful gratitude to those teachers.At the same time ,the shortcomings in my design need to be poingted out by the teachers.thank you all. 目 录第一章 设计任务书1 第二章 装载机的发展及应用 2.1 装载机在的介绍12.2 装载机在地下开采中的应用22.3 我国装载机的发展前景 3第三章 轮式装载机总体参数的确定4第四章 装载机的总体布置 4.1 装载机的总体布置原则64.2 装载机各部件的布置74.3 装载机的总体构造和分类9第五章 装载机工作装置的设计5.1 工作装置结构分析 105.2 铲斗设计 115.3 工作机构连杆系统的尺寸参数设计 155.4 工作装置强度计算 21 5.5 装载机工作装置中油缸作用力的确定 29 5.6 工作装置的限位机构 30总结 31 参考文献 32 第一章 设计任务及要求一 课题名称（包括主要技术参数）及要求ZL15型装载机工作装置设计装载机工作装置斗容：0.9额定载重量：1.5柴油机功率：50整机重量：5.1最大卸载高度：2500最小卸载距离：850要求：保证装载机工作的功能，满足工程机械的各项使用性能。二 课题内容几工作量1. 总体方案确定2. 工作装置结构形式分析3. 工作装置运动分析4. 工作装置性能分析5. 图纸设计6. 电算程序7. 译文（机械设计类）第二章 装载机的应用与发展状况 2.1 轮式装载机的介绍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。2.2 装载机在地下开采中的应用地下矿的开采，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。2.3 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ZL20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，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。 第三章 轮式装载机总体参数的确定 3.1 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。一、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：铲斗前切削刃口和两侧壁切削刃口的阻力；铲斗底和侧壁内表面与物料的摩擦阻力；铲斗外表面与物料接触时的摩擦阻力。这些阻力与物料的类型、料堆的高度、铲今插入料堆的深度、铲斗的结构等因素有关。由实验得知，随着铲斗插入料堆深度的增加，插入力随指数稍大于1的抛物线而增长，推荐用下面的经验公式11算： 式中： P铲斗插入阻力(公斤)； K取决于被铲掘物科的块度和松散程度的影响系数,取块度小于400毫米时，K=1.1； K物科种类(容积比重)的影响系数，散状物料种类为沙石，系数为0.12； L。铲斗插入料堆深度(厘米)；取50cm;铲斗宽度(厘米)；一散状物料料堆高度影响系数，料高度为1.4m, =1.15。 二、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，科堆对铲斗的反作用力。铲斗插入科堆深度后，用动臂提升铲斗，铲起阻力由铲斗斗底插入科堆深度和铲斗宽度所决定的矩形面积上的物科所决定。铲起阻力同样受到物科的块度、松散性、容积比重、温度、湿度、物料之间及物料与斗壁摩擦之间的影响。最大的铲起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：l铲斗插入科堆深度(米)；B铲斗宽度(米)；铲斗开始提升时物科的剪切阻力(公斤米)。 (公斤)三、转斗阻力矩 转斗阻力矩是当铲斗插入科氓一定深度后，用转斗油缸使铲斗向上翻起时，料堆对铲斗的反作用力矩。当用翻转铲斗来铲掘物科比如不考虑铲斗翻转的角加速度，在铲斗翻起最开始时刻静阻力矩；具有最大值以。表元而当铲斗继续回转时，的数值迅速减小，回转到值时，即铲斗底板前线开始离开料堆坡面，这时静阻力矩为。，仅由铲斗中物科重量决定。翻起铲斗的静阻力矩肥；随铲斗翻转角的变化，表示开始转斗时刻的静阻力矩，这时铲斗翻转角，表示铲斗离开科堆时静阻力矩，这时铲斗翻转角。第四章 装载机的总体布置4.1 装载机的总体布置原则一 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。二总体布置的原则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。三总体布置的基准选择总体布置时，应注意以下几个基准选择：1通过后桥中心线的水平面，为上、下位置的基准面；2以通过后桥中心线的垂直面，为前、后位置的基准面；3以整机的铅垂纵向对称面，为左右位置的基准面。 四、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。4.2 装载机各部件的布置一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。二、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。三、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。 (一)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。(二)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。(三)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。（四）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。 六、驾驶室的布置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。4.3 装载机的总体构造和分类一装载机的总体构造：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。二装载机的分类：（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。三装载机的作业方式：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。 第五章 装载机工作装置设计5.1 工作装置结构分析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。由动臂、动臂油缸、铲斗、转斗油缸、摇臂、连杆及车架相互铰链而成的机构，在装载机工作时需要保证：当动臂处于某种作业位置不动时，在转斗油缸的的作用下，通过连杆机构使铲斗绕其铰接点转动；当转斗油缸闭锁时，动臂在动臂油缸的作用下提升或下降铲斗过程中，连杆机构应该能使铲斗在提升过程中保持平动或与地面的夹角变化控制在很小的范围，以免装满料的铲斗由于铲斗倾斜而使物料洒落；而在动臂下降时，又自动将铲斗放平，以减轻驾驶员的劳动强度，提高生产效率。一. 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，则在动臂提升、转斗油缸闭锁时，铲斗始终保持平动，斗内物料不会洒落。无铲斗托架的工作装置，结构比较简单，同时，由于转斗油缸及铲斗都是直接铰接在托架上，所以铲斗的转动角较大。但是，动臂前端的较重的托架减少了铲斗的载重量。根据摇臂、连杆数目及铰接位置的不同，可组成不同形式的连杆机构，铲斗的铲起力P随铲斗转角a的变化关系，倾斜时的角速度大小以及工作装置的运动特性也不同。因此，装载机工作装置的结构形式的选择，既要考虑结构简单，也要考虑作业性质和挖掘方式来确定。5.2 铲斗设计一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1.41.6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铲斗，一般适应铲装不同物料的需要。铲斗切削刃的形状根据铲掘物料的种类不同而不同，一般分为直线型或非直线型两种。直线型切削刃简单并利于地面刮平作业，但切削阻力较大。非直线型切削刃有V型和弧型等，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；同时减少“偏载切入”有一定的效果。但铲斗的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。弧线型侧刃的插入阻力比直线型侧刃小，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。 铲斗底板的弧度(圆弧半径，见图)越大，铲掘时泥土的流动性越好，但对于流动性差的岩石等，则应将底边加长而弧度减小，使铲斗容积加大，比较容易铲取。但是当底边过长，则铲斗的铲起力变小，且铲斗插入料堆的插入阻力与刃口的插入深度成比例的急剧增加，如图所示。相反，如底边短，不但铲斗的铲起力大，而且卸载时，斗刃口的降落高度小，也易于将物料卸净。因此，铲斗转铰销的位置以近于刃口处为好。二铲斗容积一） 铲斗基本参数的确定铲斗宽度应大于装载机轮胎宽度，每侧为mm，以便保护轮胎侧壁，减少行使阻力。在确定铲斗各部分尺寸时，一般把铲斗的回转半径R作为基本参数。着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。式中 ： 几何4容量(图318小所示阴影断面)，由设计任务书给定(米)B。铲斗内侧宽度(米)；铲斗斗底长度系数，通常1.4-1.5， 铲斗基本参数图后斗壁长度系数，通常1.1-1.2，挡板高度系数，通常0.12-0.14；斗底和后斗壁直线间的圆弧半径系数，通常0.35-0.40；挡板与后斗壁问的夹角，通常rl5-10；斗底和后斗壁间的夹角，通常r。48-52， (有推荐55-65) 由计算得： 选取 斗底长度Lg是指由铲斗切削刃到斗底与后斗壁交点的距离：=1528mm后斗壁长度是指后斗壁上缘到与底相交点的距离：=1216mm挡板高度： =143mm铲斗圆弧半径： =386mm铲斗与动臂铰销距斗底的高度： =165mm铲斗侧壁切削刃相对于斗底的倾角。在选择时，挡板的夹角为90。二） 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) 铲斗平装的几何斗容可按下式确定：对于装有挡板的铲斗： 米式中： 铲斗横断面面积，如图中所示阴影面积（米）算得为0.38m铲斗内壁宽(米)，1.93m挡板高度(米)；1.43m斗刃刃口与挡板h之间的距离(米)。0.9m=0.73m2额定斗容(堆装斗容) 铲斗堆装的额定斗容vR是指斗内堆装物料的四边坡度均为1：2，此时额定斗容可按下式确定。对于装有挡板的铲斗： 米 式中： c物料堆积高度(米)。物料堆积高度c可由作图法确定：根据科堆坡度角可得料堆尖端点M，再由M点作直线MN与CD垂直，将MN垂线向下延长，与斗刃刃口和挡板最下端之间的连线相交，此交点与料堆尖端之间的距离，即为物料堆积高度C,如下图所示。 5.3 工作机构连杆系统的尺寸参数设计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。这是其它6种工作机构所望尘莫及的。 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。缺点足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，设计时需特别精心。一工作装置结构设计根据装载机的用途、作业条件及技术经济指标等拟订的设计任务书的要求，选定了工作装置结构形式以后，可开始进行工作装置的结构设计。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、举臂(举升)油缸6等组成。整个工作机构铰接在车架7上。 装载机工作装置图二装载工作对工作机构设计的要求（一）轮胎式装教机工作过程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”。地下矿山使用的轮胎式装载机习惯上称“井下铲运机”。目前，铲运机多数向溜井或矿仓卸载，运输距离较长，卸载位置较低，所以一般被称为“动点低位卸载”工作装置的结构设计包括：1）确定动臂的长度、形状及车架的铰接位置。2）确定动臂油缸的铰接位置及动臂油缸的行程。3）连杆机构（动臂、铲斗、转斗油缸、摇臂和连杆构成）4）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。目前，在实际设计工作中，参考同类样机结构，采用比较法设计。下面以连杆式的工作装置为例来进行分析。三机构分析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CD,摇臂CBE连杆FE铲斗GF动臂 GBA 机架AD六个构件组成，由于AD和GF转向相反，所以此机构称为反转六杆机构。 举升机构主要由举臂油缸HM和动臂GBA构成，若将整个反转机构放置在直角坐标系中，只要确定出九个铰链点GFEBCDAH和M的位置就可求得工作机构连杆系统中个构件的尺寸参数值。一） 寸参数的图解图解法是在初步确定了最大卸载高，最小卸载距离，卸载角等参数后进行的。（一） 动臂与铲斗，摇臂，机架的三个铰链点GBA的确定1定坐标系先在坐标纸上选取直角坐标系XOY，并选定长度比例2画铲斗图把已画好的铲斗横截面外廓图按比例画在坐标里，斗尖对准O点，与X轴成度的前倾角。此时铲斗插入料堆的位置工矿I。3确定动臂与铲斗的铰链点G由于G点的X坐标值越小转斗铲取力就越大，G点的Y坐标值一般取mm反转六杆工作机构简图4 定动臂与机架的铵接点A以G为圆心，使铲斗顺时针转动，至铲斗斗口与x轴平行为止。即工矿II，Y值为 (mm)轮胎选标准系列: 16-24 外直径为146010mm，（a）根据最大卸载高度h和最小卸载距离l和卸载角画出工矿，G点位置为G。以G点为圆心，顺时针旋转铲斗，使铲斗口与x轴平行，即得铲斗被举升到最高位，即工况图III。(b)连接G和 G，作G G的垂直平分线，A点必在垂直平分线上，且A点取在前轮的右上方，与前轴心水平距离为轴距的1/31/2处。5确定动臂与摇臂的铰接点B B点位置是一个十分关键的参数。它对连杆机构的传动比，倍力系数，连杆机构的布置以及转斗油缸的长度等都有很大影响。一般B点在AG连线的上方，过A点水平线下方，相对于前轮外廓，B点在其左上方。（二）连杆与铲斗和摇臂两个铰接点EF的确定确定EF两点时，既要考虑对机构运动学的要求，如必须保证铲斗在各工矿时的转角又要注意动力学的要求，如铲斗在铲装物料时输出较大的力，同时还要考虑各种机构运动被破坏的现象。1按双摇杆条件设计四杆机构，并令GF杆为最短杆，BG为最长杆，即必有： GF+BGFE+BE若令GF=a,FE=b,BE=c,BG=d,并将上式两边同时除以d得下式：初步设计时，上式可在下列值内选取：因为d值已经由确定，所以可求得a、b、c三值。d=1352mm, a=406mm676mm, c=5411081mm 这两点位移的确定要综合考虑如下四点要求：1)E点不可与前桥相碰，并有足够的最小离地高度；2)工况I时，使EF杆尽处与G杆垂直，这样可获得较大的传动角和倍力系放；3)工况时，EF与GF两杆的夹角必须小于170度，即传动角不能小于l0度，以免机构运动时发生自铡；4)工况IV时，EF与GF杆的传动角也必须大于l 0度。具体作法有两种： 1)初选E点法 如图49所示，铲斗取工况I 。以B点为圆。以BEc为半径画弧；人为地初选E点，使其落在B点右下方的弧段上；再分别以B点和G点为圆心，以FEb和GFa分别为半径画弧，得交点，即为F。2)图解法分别以B点和G点为圆心，c和分别为半径画弧，其交点为E；再分别以G和E点为圆心，a和b为半径画弧，则其交点必为F。如下图所示： 若上述所得E和F点均满足要求则罢，否则，可调整a、b、c长度，重新作图，直至满意为止。但是，同时满足上述四点要求是不易的，尤其若保证EF上GF是很难的，所以，设计时，一般使不小于70即可。 3为了防止机构出现“死点”、“自锁”或“撕裂”设计时还应满足下列不等式： 工况l时 GF十FEGE 工况IV肘 FE十BEFB（三）转斗油缸与摇臂和机架的铰链点C和D的确定. 确定C点从力传动效果出发，显然使摇臂BC段长一些有利，那样可以增大转斗油缸的作用力臂，使攫取力相应的增加。但增加BC段，必将减小铲斗与摇臂的转角比，造成铲斗转角难以满足各工矿的要求，并且使转斗油缸行程过长。因此初步设计取：C点一般取在B左上方，BC与BE夹角可取，并使工矿一时摇臂与转斗油缸趋近垂直，C点运动不得与铲斗干扰。2确定D点转斗油缸与机架的铰链点D的确定，是依据工矿举升到工矿过程为平动，由工矿到工矿时为启动放平这两大要求来确定的。当以上铰链点确定下来后，则铲斗在各工矿的C位置也唯一的被确定下来。因为铲斗油缸由工矿举升到或由放到工矿的过程中，转斗油缸的长度均分别保持不变，所以D点必为和点连线的垂直平分线与和连线的垂直平分线的交点。（四） 升油缸与动臂和机架的铰接点H及M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AGAG/3。AH 不能取太大，它受到油缸行程的限制。M点尽量与地保持最小高度，并且望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。四动臂形状的选择动臂按其纵向中心线形状分为直线型与曲线型两种。前者结构简单，腹板变形小，重量轻，而且动臂的受力情况好。后者可使工作装置布置更为合理。动臂的断面尺寸由强度分析决定，为减轻工作装置重量，通常按等强度梁设计动臂断面尺寸。动臂断面的结构形式有单板式、双板式和箱体式三种。大型装载机的动臂多采用双板式或箱体式结构。因为这种动臂形式能较好的改善动臂的受力情况，消除了单板式动臂因摇臂支撑力作用使动臂承受附加扭矩的影响。此工作装置是ZL45-40型装载机的工作装置，固采用双板式曲线型结构，其具体参数见上述所示。5.4 工作装置强度计算一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5度时的铲取位置作为计算位置，且假定外载荷作用在铲斗的切削刃上。二外载荷的确定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。综合上述分析，可以得到以下六种工作装置的典型结构和工矿：1水平力的作用工况水平力（即插入力阻力）的大小由装载机的牵引力决定，起水平力的最大值为： =5964(N) 式中：装载机空载时的最大牵引力插入力2垂直力的作用工况垂直力（即铲取阻力）的大小受装载机的纵向稳定条件限制，其最大值为： 0(N)式中：装载机空载是的自重；装载机重心到前轮与地面接触点的距离；垂直力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此时垂直力由上式给出，水平力取发动机扣除工作油泵功率后，装载机所能发出的牵引力。4偏载的作用工况。5受垂直力偏载的作用工况，垂直力大小与工况II相同。6受水平偏载与垂直偏载同时作用的工况，水平力与垂直力的大小与工况相同。三工作装置受力分析在确定了计算位置及外载荷的大小后，可进行工作装置的受力分析。（1）在对称受载的工况下，由于工作装置是个对称结构，固两动臂受的载荷相等。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；则一侧进行分析，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)(N)（2）在偏载的工况中，近似地用求简支梁支反力的方法，求出分配于左右动臂平面内的等效力与：