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摘 要裝載機作為一種鏟土運輸機械，在實際工程中得到了廣泛的應用，成為現(xiàn)代機械化施工中不可缺少的裝備之一。通過查閱資料，比較各種裝載機的優(yōu)缺點，確定輪式整體動臂裝載機作為設計方案。在對輪式裝載機的用途、種類、主要性能參數(shù)等作了詳細分析的基礎上，進行了輪式裝載機的總體設計；工作裝置的結構、幾何參數(shù)設計；并具體設計了動臂、連桿、搖臂、鏟斗，對其作受力分析。設計過程中，詳細對比各種工作機構，最終選取反轉六桿工作機構形式，采用圖解法將其優(yōu)化設計完成。其特點是采用整體動臂形式。對整機作了穩(wěn)定性驗算。關鍵詞：輪式裝載機；工作裝置；整體動臂；連桿機構；鏟斗AbstractAs a scraper and a transporter，the loader is using widely in the engineering and becomes one of the absolutely necessarily equipments in the construction now．At the base of analyzing the advantages and disadvantages of every kind of loaders by referring to data，the thesis chooses the unitary arm wheel loader as the scheme of the design．It gives a detailed analysis to the wheel loader，which contains the use，kind and the main capability parameter of the wheel loader．On this condition，it plans the wheel loader as a whole comprehensively and ascertains the structure，geometrical parameter of the working device．Also，the thesis designs the arm，linkage and the bucket concretely and gives the force analysis of them．At the process of the design，by comparing with different kinds of working device，it chooses the overturn six-bar linkage as the scheme and designs it by the graphic method．It is characterized by the unitary arm．At the same time，it verifies the stability of the whole machine．Key words：wheel loader；working device；unitary arm；bar linkage；bucket目 錄第 1 章 概述 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．11.1 背景 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．11.2 發(fā)展趨勢 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．11.3 小結 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．3第 2 章 裝載機概論 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．42.1 裝載機的用途 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．42.2 裝載機的分類 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 42.3 裝載機的主要性能參數(shù) ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 62.4 輪式裝載機的基本組成． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 72.5 小結 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 8第 3 章 輪式裝載機總體設計 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 93.1 輪式裝載機基本參數(shù)的確定 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 93.2 輪式裝載機總體布置 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．93.3 小結 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．13第 4 章 輪式裝載機工作裝置設計 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．144.1 工作裝置的設計要求 I． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．144.2 鏟斗設計 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．164.3 連桿系統(tǒng)設計 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．204.4 小結 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．37第 5 章 整機穩(wěn)定性校核 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．385.1 用穩(wěn)定比來評價裝載機的穩(wěn)定性 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 385.2 小結 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．41結論 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．42參考文獻 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．43致謝 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．440第 1 章 概 述1.1 背景裝載機屬于鏟土運輸機械類，是一種通過安裝在前端一個完整的鏟斗支承結構和連桿，隨機器向前運動進行裝載或挖掘，以及提升、運輸和卸載的自行式履帶或輪胎機械。它廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口和礦山等工程建設。裝載機具有作業(yè)速度快、效率高、機動性好、操作輕便等優(yōu)點，因此成為工程建設中土石方施工的主要機種之一，對于加快工程建設速度，減輕勞動強度，提高工程質量，降低工程成本都發(fā)揮著重要的作用，是現(xiàn)代機械化施工中不可缺少的裝備之一。近幾年來，我國基建投資額和投資增幅大幅增加，使得我國裝載機行業(yè)出現(xiàn)了很大的發(fā)展。經過業(yè)內人員的不懈努力，在國際市場上充分顯示了強大的生命力。裝載機行業(yè)已經由初始發(fā)展階段逐漸走向成熟時期。一些主導產品的研發(fā)、設計和制造水平都有相當程度的提高某些產品質量也達到了用戶認可的水平。同時，由于其產品價格相對低廉，在國際市場上具有一定的競爭力。然而，總體而言，我國裝載機同國際先進的裝載機制造廠家相比差距還比較大，主要表現(xiàn)在產品的可靠性、使用壽命、綠色工程設計、高新技術的創(chuàng)新應用以及管理模式上。相對而言，我國自主開發(fā)能力還比較薄弱，有自主知識產權的產品技術較少，新產品的關鍵技術大部分還依賴于引進國外技術；另一方面對國外先進技術的消化、吸收、創(chuàng)新不足。1.2 發(fā)展趨勢1.2.1 國外發(fā)展趨勢 國外輪式裝載機在其未來技術發(fā)展中將廣泛應用微電子技術與信息技術，完善計算機輔助駕駛系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)及故障診斷系統(tǒng)；采用單一吸聲材料、噪課題來源：成都神鋼集團有限公司1聲抑制方法等消除或降低機器噪聲；通過不斷改進電噴裝置，進一步降低柴油發(fā)動機的尾氣排放量；研制無污染、經濟型、環(huán)保型的動力裝置；提高液壓元件、傳感元件和控制元件的可靠性與靈敏性，提高整機的機—電—信一體化水平；在控制系統(tǒng)方面，將廣泛應用電子監(jiān)控和自動報警系統(tǒng)、自動換擋變速裝置；普遍安裝 GPRS 定位與質量自動稱量裝置；開發(fā)“機器人式”裝載機等 [1]。1）系列化，特大型化系列化是工程機械發(fā)展的重要趨勢。國外著名大公司逐步實現(xiàn)其產品系列化進程，形成了從徽型到特大型不同規(guī)格的產品。與此同時，產品更新?lián)Q代的周期明顯縮短。2）多用途，微型化為了全方位地滿足不同用戶的要求，國外輪式裝載機在朝著系列化、特大型化方向發(fā)展的同時，已進入多用途、微型化發(fā)展階段。3）進一步普及應用液壓技術，廣泛應用微電子、信息技術液壓技術將得到進一步的發(fā)展和應用，并繼續(xù)朝著高速、高壓、大流量、大功率，靜、動態(tài)性好，質量輕。結構簡單。成本低和壽命長等更高水平發(fā)展。液壓技術將進一步與微電子、信息技術結合，實現(xiàn)機—電—信一體化，最大限度地提高功能利用率，提高裝載機的技術性能和科技含量。4）不斷創(chuàng)新的結構設計5）更加注重安全性、舒適性和可靠性翻滾保護和落物保護結構駕駛室、消聲、減振、防油污以及 GPS，閉路監(jiān)視系統(tǒng)，超聲波后障礙探測等將得到進一步的發(fā)展和應用。6）向節(jié)能和環(huán)保方向發(fā)展一些節(jié)能環(huán)保的新技術和新方法的研究推廣應用，將得到經濟效益。1.2.2 國內發(fā)展趨勢盡管國產輪式裝載機的技術發(fā)展水平與西方發(fā)達國家存在很大的差距，但亦正在從低水平、低質量、低價位、滿足功能型向高水平、高質量、中價位、經濟實用型過渡，從仿制仿造向自主開發(fā)過渡。其發(fā)展體現(xiàn)出以下一些趨勢。1）大型和小型輪式裝載機，受到客觀條件及市場總需求量的限制。競爭最為激烈的中型裝載機更新速度將越來越快。2）優(yōu)化系統(tǒng)結構，提高系統(tǒng)性能。如動力系統(tǒng)的減振、散熱系統(tǒng)的結構優(yōu)化、工作裝置的性能指標優(yōu)化及各鉸點的防塵、工業(yè)造型設計，逐步引進最新的傳動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)技術，予以國產化、商業(yè)化，降低能耗，提高性能。3）利用電子技術及負荷傳感技術來實現(xiàn)變速箱的自動換擋及液壓變量系統(tǒng)的應用提高效率、節(jié)約能源、降低裝載機的作業(yè)成本。4）提高安全性，舒適性。駕駛室內環(huán)境將向汽車方向靠攏，轉向盤、座椅、2各操縱手柄都能調節(jié)，使操作者處于最佳位置工作。5）降低噪聲和排放，強化環(huán)保指標。6）廣泛利用新材料、新工藝、新技術，特別是機、電、液一體化技術，提高產品的壽命和可靠性。7）最大限度地簡化維修，盡量減少保養(yǎng)次數(shù)和維修時間，增大維修空間，普遍采用電子監(jiān)視及監(jiān)控技術，進一步改善故障診斷系統(tǒng)，提供排除問題的方法。1.4 小結裝載機是一種鏟土運輸機械，它在工程實際中得到了非常廣泛的應用。隨著我國基建投資額和投資增幅大幅增加，我國裝載機行業(yè)出現(xiàn)了很大的發(fā)展。此時，成都神鋼集團有限公司提出了本次課題。本章主要介紹了現(xiàn)在國內裝載機發(fā)展的狀況，并著重介紹了國內外裝載機的發(fā)展趨勢。3第 2 章 裝載機概論2.1 裝載機的用途裝載機是一種用途十分廣泛的工程機械，可以用來鏟裝、搬運、卸載、平整散裝物料，也可對巖石、硬土等進行輕度的鏟掘工作。此外，還可進行刮平地面和牽引其他機械等作業(yè)。換裝相應的工作裝置，裝載機還可以進行推土、起重、裝卸木料等作業(yè)。2.2 裝載機的分類裝載機一般按以下特點來分類。（1）按行走裝置不同分類按行走裝置不同可分為輪胎式和履帶式兩種。圖 2-1 履帶式裝載機上圖是一種履帶式裝載機。這種裝載機堅固耐用、與地面附著力大、接地比壓力小、越障礙物能力強、容易維護保養(yǎng)，但其質量大、運動慣性大、結構復雜、磨損嚴重、維修量大、運行速度受限制，而且不能起吸收振動和緩和沖擊的作用。下圖是一種輪式裝載機。這種機型采用雙臂支承鏟斗，鏟斗工作平穩(wěn)性好，受力狀況也較好，但兩臂之間有一定尺寸，這導致結構尺寸擴大，可能與輪胎等發(fā)生干涉，結構不好布置。4圖 2-2 輪胎式裝載機 1圖 2-3 輪胎式裝載機 2這也是一種輪胎式裝載機。這種機型采用單臂支承鏟斗，鏟斗工作平穩(wěn)性及受力狀況均不如雙臂支承，但此型式結構緊湊，結構易與布置。（2）按使用場合不同分類按使用場合不同分為露天用裝載機和井下用裝載機。（3）按傳動形式不同分類按傳動形式不同可分為機械傳動、液力機械傳動、液壓傳動和電傳動四種。（4）按裝載方式不同分類按裝載方式不同可分為前卸式、后卸式、側卸式和回轉式。輪式裝載機基本上都是采用前卸式。（5）按轉向方式不同分類按轉向方式不同可分為整體式和鉸接式。整體式利用偏轉后輪或前輪轉向，或者同時偏轉前后輪，鉸接式采用鉸接車架，利用前后車架之間的相對偏轉進行5轉向。2.3 裝載機的主要性能參數(shù)標志裝載機的主要技術性能參數(shù)有鏟斗容量、額定載重量、發(fā)動機額定功率、整機質量、最大行駛速度、最小轉彎半徑、最大牽引力、最大掘起力、最大卸載高度、卸載距離、工作裝置動作三項和等。（1）鏟斗容量一般指鏟斗的額定容量，為鏟斗平裝容量和堆尖部分體積之和，用“ ”來3m表示。（2）額定載重量指在保證裝載機穩(wěn)定工作的前提下，鏟斗的最大載重量，單位為“㎏” 。（3）發(fā)動機額定功率發(fā)動機額定功率是表明裝載機作業(yè)能力的一項重要參數(shù)。發(fā)動機功率分有效功率與總功率，有效功率是指在 29℃和 746㎜Hg 壓力情況下，在發(fā)動機飛輪上實有的功率?？偣β拾òl(fā)動機有效功率和風扇、燃油泵、潤滑油泵、濾清器等輔助設備所消耗的功率。單位為“KW” 。（4）整機質量指裝載機裝備應有的工作裝置和隨機工具，加足燃油，潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)亦加足液體，并且?guī)в幸?guī)定形式和尺寸的空載鏟斗和司機標定質量時的主機質量。它關系到裝載機使用的經濟性、可靠性和附著性能，單位為“㎏” 。（5）最大行駛速度指鏟斗空載，裝載機行駛于堅硬的水平面上，前進和后退各擋能達到的最大速度，它影響裝載機的生產率和安排施工方案，單位為“㎞/h” 。(6)最小轉彎半徑指自輪胎中心或后輪外側或鏟斗外側所構成的弧線至回轉中心的距離，單位為“㎜” 。（7）最大牽引力指裝載機驅動輪緣上所產生的推動車輪前進的作用力。裝載機的附著質量越大，則可能產生的最大牽引力越大，單位為“kN” 。(8)最大掘起力裝載機掘起力是指在下述條件下，鏟斗繞著某一規(guī)定鉸接點回轉時，作用在鏟斗切削刃后面 100㎜處的最大垂直向上的力 [1]。① 裝載機停在堅實的水平面上；6② 裝載機具有標準的使用質量；③ 鏟斗斗刃底部平行于地面，且與地平面距離的上下誤差不超過 25㎜。裝載機掘起力標志著裝載機鏟斗繞規(guī)定鉸點回轉時動臂舉升或鏟斗翻轉的能力。如果在舉升或轉斗過程中，引起裝載機后輪離開地面，則垂直作用在鏟斗上使裝載機后輪離開地面的力就是裝載機的掘起力。最大掘起力是指鏟斗切削刃的底面水平并高于底部基準平面 20㎜時，操縱提升液壓缸或轉斗液壓缸在鏟斗切削刃最前面一點向后 100㎜處產生的最大向上鉛垂力，單位為“kN” 。(9)最大卸載高度指動臂處于最高位置，鏟斗卸載角為 45°時，從地面到斗刃最低點之間的垂直距離，單位為“㎜” 。圖 2-4 裝載機平面圖（10）卸載距離一般指在最大卸載高度時，從裝載機本體最前面一點到斗刃之間的水平距離，單位為“㎜” 。考慮到輪式裝載機運用范圍廣，本次設計目標是輪式裝載機。以后各章節(jié)討論的均是輪式裝載機，且是整體動臂鉸接輪式裝載機。2.4 輪式裝載機的基本組成7裝載機由動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及工作裝置組成。下圖所示為一前端式輪式裝載機的基本組成，它的底盤采用的是由柴油機驅動的液力機械傳動系統(tǒng)，鉸接轉向。工作裝置連桿系統(tǒng)是反轉六連桿式，采用液壓操縱。圖 2-5 前端式輪式裝載機的基本組成1-鏟斗；2-動臂；3-轉斗油缸；4-鉸接裝置；5-駕駛室；6-防護罩；7-發(fā)動機；8-后車架；9-車輪；10-前車架；11-舉升油缸；12-搖臂；13-連桿2.5 小結本章主要對裝載機作了一個全面而又簡單的介紹。主要包括輪式裝載機的用途、分類、基本組成。著重介紹了裝載機的主要性能參數(shù)，為鏟斗容量、額定載重量、發(fā)動機額定功率、整機質量、最大行駛速度、最小轉彎半徑、最大牽引力、最大掘起力、最大卸載高度、卸載距離等。8第 3 章 輪式裝載機總體設計裝載機設計主要包括總體設計、工作裝置設計、工作裝置結構分析及整機穩(wěn)定性驗算等，本章主要討論裝載機的總體設計。裝載機是由許多主要部件組合起來的一個有機整體，其整機性能不僅取決于每個部件的品質，而且主要取決于各部件之間的相互協(xié)調，這種相互協(xié)調是通過總體設計實現(xiàn)的，所以裝載機的總體設計對它的整機性能起決定性作用。3.1 輪式裝載機基本參數(shù)的確定輪式裝載機總體參數(shù)是指它的主要性能參數(shù)和基本尺寸參數(shù)，性能參數(shù)已在第 2 章中予以介紹。而基本尺寸參數(shù)包括軸距、輪距、輪胎尺寸、外形尺寸等。作為畢業(yè)設計，裝載機的參數(shù)已由老師給出，現(xiàn)列出如下：1）斗容量 4 ；3m2）額定載重量 80kN；3）發(fā)動機功率 200kW；4）最大掘起力 210kN；5）最大卸載高度 3500mm；6）動臂提升時間 6.5s；7）三項和時間 12s；8）最大轉向角 35°；9）最小轉彎半徑 6800mm；10）行駛速度：前進第 4 擋 36km/h；后退第 3 擋 20km/h；11）后橋擺動角 10°；12）外形尺寸 8500×3200×3450mm13）整機質量 18500kg。3.2 輪式裝載機總體布置裝載機的總體布置應從保證其主要性能出發(fā)，在總體設計和各總成部件設計的密切配合下，根據(jù)使用要求和橋荷分配來協(xié)調各總成的性能 ，并確定和控制9它們的位置、尺寸和重量?？傮w布置不僅應使裝載機具有良好的使用性能，而且必須保證操作輕便、拆裝容易和維修方便 [5]。3.2.1 總體布置內容裝載機總體布置的內容應包括以下幾個方面。1）確定各部件在整機上的位置及占據(jù)的空間；2）確定各部件之間、各部件與整機之間的連接方式；3）估算整機自重力及重心位置，并對各部件質量提出要求；4）布置各操縱機構、機器覆蓋件、駕駛室等；5）審查各運動件的運動空間，排除可能發(fā)生的干涉；6）定出標準化、通用化、系列化的零部件明細表；圖 3-1 裝載機總體布置3.2.2 總體布置的原則總體布置時要考慮以下原則：1）保證整機的穩(wěn)定性；2）結構緊湊，并有較高的傳動效率；3）便于操作維修，工作完全可靠；4）外形美觀、協(xié)調。3.2.3 總體布置的基準選擇總體布置時應正確選擇三個方向的布置基準。1）以通過后橋中心線的水平面為上下位置的基準；102）以通過后橋中心線的垂直面為前后位置的基準；3）以兩側車輪的對稱面為左右位置的基準。3.2.4 具體布置1）車架連接和傳動軸的布置① 鉸接車架鉸銷中心布置在前后橋軸線中間偏前位置 。如圖 3-2 所示，采用這種布置方式，裝載機轉彎時，前輪轉彎半徑大于后輪轉彎半徑，作業(yè)阻力增大，作業(yè)效率低，操作性能不好 [6]。*-圖 3-2 車架與傳動軸布置圖 1[6]111.前驅動橋 2.前傳動軸 3.中間支承 4.前后車架鉸銷 5.中間傳動軸 6.變速器 7.變矩器 8.發(fā)動機 9.后傳動軸 10.副車架支承架 11.后驅動橋圖 3-3 車架與傳動軸布置圖 2[6]② 鉸接銷布置在前后橋軸線的中心。如圖 3-3 所示，采用這種布置方式，裝載機轉彎時，前后輪軌跡相同，這不僅在松軟地面上可以減小轉向阻力矩和行駛阻力，而且前輪能通過狹小的場地，后輪也能順利通過，司機操作性能好，但是這種布置方式就整個傳動系統(tǒng)來說，排列比較困難 [6]。就使用性能來說，原則上應該選用第二種方案，但是第二種方案難于布置，傳動系統(tǒng)較復雜，本次畢業(yè)設計將選用第一種方案，即鉸接車架鉸銷中心布置在前后橋軸線中間偏前位置。另外，前后車架上下鉸銷中心連線必須通過傳動軸的中點，否則會導致傳動軸不等速轉動，給機件帶來沖擊和振動，而造成傳動軸的損壞。連接前后車架的上下兩鉸接銷之間的距離也應盡可能大些，以改善軸的受力。但位于下邊的那個鉸接銷的位置不應過低，以保證裝載機最小離地間隙。傳動軸一般布置在裝載機的縱向對稱平面內，并盡可能成水平布置，使中間傳動軸的中點和車架的鉸接銷中心線重合，這樣才能保證轉向時，萬向節(jié)作等速轉動。這些在設計中都應該考慮。2）工作裝置的布置工作裝置布置在裝載機的前部，工作裝置各構件的布置主要是確定動臂的長度和各鉸接點的位置。動臂和車架連接的鉸接點的位置，應考慮不影響駕駛員的視線。鉸接點前后位置選取時應注意，若鉸接點位置前移，卸載的距離增大，穩(wěn)定性降低。因此，在不影響卸載距離的條件下，盡可能向后布置。3）駕駛室的布置此次設計的裝載機采用鉸接式，其駕駛室的布置有三種方案。① 駕駛室布置在前車架的后部。駕駛員視野較好，并與鏟斗的相對視角保12持不變，鏟斗的對準性容易控制，但駕駛員受到工作機構傳來的沖擊較大，容易疲勞。②駕駛室布置在后車架的后部。駕駛員的視野不好，駕駛員與鏟斗的相對視角有變化，鏟斗的對準性不易控制，但駕駛員受工作機構傳來的沖擊較小，不易疲勞。③駕駛室布置在后車架上的前懸臂處。這種布置的形式， 綜合了前兩種布置形式的優(yōu)點，并克服其缺點。但轉向時鏟斗的對準性差?？紤]司機操作的舒適及作業(yè)的準確性，本次設計的裝載機采用第三種方案。4）擺動橋的布置為了保證裝載機在凹凸不平的路面上行駛時，其左右車輪都能與地面接觸，而不懸空，常采用擺動橋結構。① 后橋擺動 在后橋上裝置擺動橋，形成后橋擺動。② 前橋擺動 在前橋上裝置擺動橋，形成前橋擺動。由于此次設計的裝載機駕駛室布置在后車駕上，所以采用后橋擺動。此種方式駕駛員隨車架一起擺動，容易掌握鏟斗的對準性。3.3 小結一臺機器的總體性能不僅取決于各部件的性能，更取決于各部件之間的相互協(xié)調，這是通過總體設計來實現(xiàn)的。本章主要完成裝載機的總體設計。首先給定了裝載機的基本參數(shù)，然后著重敘述了裝載機的總體布置。包括布置的原則，布置基準的選擇，及具體布置。13第 4 章 輪式裝載機工作裝置設計4.1 工作裝置的設計要求4.1.1 概述裝載機工作裝置主要由鏟斗和支持鏟斗進行裝載作業(yè)的連桿系統(tǒng)組成，依靠這套裝置裝載機可以對汽車、火車等進行散料裝載作業(yè)，也可以對散料進行短途運輸作業(yè)，還可以進行平地修路等作業(yè)。裝載機工作裝置的結構和性能直接影響整機的工作尺寸和性能參數(shù)，因此，工作裝置的合理性直接影響裝載機的生產效率、工作負荷、動力與運動特性、不同工況下的作業(yè)效果、工作循環(huán)的時間、外形尺寸和發(fā)動機功率等。輪式裝載機工作裝置有多種形式，根據(jù)桿數(shù)和運動特征可分為正轉四桿、正轉五桿、正轉六桿、反轉六桿、正轉八桿等類型。如圖 4-1 所示，輪式裝載機工作裝置由鏟斗、連桿、搖臂、動臂、轉斗油缸、舉升油缸組成。這個機構實質是兩個四桿機構。 1- 搖臂2- 動臂3- 鏟斗4- 連桿圖 4-1 裝載機工作裝置組成144.1.2 輪式裝載機工作過程輪式裝載機是一種鏟、裝、運、卸一體化的自行式設備，它的工作過程由六種工況組成。1）插入工況 動臂下放，鏟斗放置于地面，斗尖觸地，斗底板與地面呈3°～5°傾角，開動裝載機，鏟斗借助機器的牽引力力插入料堆。2）鏟裝工況 鏟斗插入料堆后，轉動鏟斗鏟取物料，待鏟斗口翻至近似水平為止。3）重載運輸工況 鏟斗鏟裝滿物料后舉升動臂，將鏟斗舉升至運輸位置（即鏟斗斗底與地面高度不小于機器的最小離地高度） ，然后驅動機器駛向卸載點。4）舉升工況 保持轉斗缸長度不變，操縱舉升缸，將動臂舉升至上限位置，準備卸載。5）卸載工況 在卸載點，在舉升工況下操縱轉斗油缸使鏟斗翻轉，向運輸車輛中卸載，鏟斗物料卸凈后下放動臂，使鏟斗恢復至運輸位置。6）空載運輸工況 卸載結束后，裝載機由卸載點空載返回裝載點。4.1.3 輪式裝載機工作裝置設計要求根據(jù)輪式裝載機的作業(yè)特點，其工作裝置的設計應滿足以下幾點要求。（1）基本要求所設計的裝載機應具有較強的工作能力，鏟斗插入料堆的阻力要小，在料堆中鏟掘的能力大，能耗低。工作機構的各桿件受力狀態(tài)良好，強度壽命合理。結構和工作尺寸適應生產條件需要，效率高。結構簡單緊湊，制造及維修容易，操縱使用方便。（2）特殊要求①由于鏟斗寬度和容積都較大，所以鏟裝阻力大，因此，設計鏟斗時要合理選取鏟斗的結構和尺寸，以減小工作阻力，達到裝滿卸凈、運輸平穩(wěn)。②鏟斗由運輸工況舉升至最高卸載位置時，為防止物料撒出，鏟斗要求作平移運動。③保證必要的卸載角、卸載高度和卸載距離。輪式裝載機要求鏟斗從運輸工況至最高位置之間的任一高度都能卸載干凈，為此，鏟斗各瞬時的卸載角 α 均需不小于 45°。鏟斗在最高位置卸載時，最大卸載高度 （鏟斗尖離地高度）maxh和卸載距離 L，必須與配套的載重汽車車廂尺寸相適應，或遵照設計任務書規(guī)定。④鏟斗能自動放平。鏟斗在最高位置卸載后，閉鎖轉斗油缸，下放動臂，鏟斗能自動變成插入工況的功能稱為“鏟斗自動放平” 。它對定點高位卸載很有意15義。因為汽車就在裝載機旁，若卸載后，與下放動臂同時，裝載機駛向裝載點，當達到裝載點時，鏟斗正好呈開始插入狀態(tài)，即可以開始新的裝、運、卸工作循環(huán)。如此，能省去兩次操作（鏟斗由卸載工況→運輸工況→插入工況） ，既提高了裝載機工作效率，又減輕了司機的勞動強度。⑤輪式裝載機工作機構屬于連桿機構，設計中要特別注意防止各個工況出現(xiàn)構件相互干擾、 “死點” 、 “自鎖”和“機構撕裂”等現(xiàn)象；各處傳動角不得小于10°；在滿足綜合工作性能的前提下，盡可能增大機構的倍力系數(shù)。⑥應盡量減小工作機構的前懸、長度和高度，以提高裝載機在各種工況下的穩(wěn)定性和司機視野。4.2 鏟斗設計工作裝置是裝載機的執(zhí)行機構之一，鏟斗是這個執(zhí)行機構的執(zhí)行構件，它是工作裝置的重要部件。鏟斗直接與物料接觸,是裝、運、卸的工具，工作時，它被推壓插入料堆鏟取物料，工作條件惡劣，要承受很大的沖擊力和劇烈的磨損，因此鏟斗的設計質量對裝載機的作業(yè)能力有較大影響。為了保證鏟斗的設計質量，首先應當合理地確定鏟斗的結構及幾何形狀，以降低鏟斗插入物料的阻力。其次要保證鏟斗有足夠的強度、剛度、耐磨性，使其具有合理的使用壽命。如圖 4-2 所示為一鏟斗，其主要由斗底、側壁、 斗刃及后壁等部分組成。 圖 4-2 鏟斗結構4.2.1 鏟斗斷面形狀和基本參數(shù)確定 (1)鏟斗的斷面形狀鏟斗斷面形狀由鏟斗圓弧半徑 r、底壁長 l、后壁高 h 和張開角 γ 四個參數(shù)確定，如圖 4-3 所示。圓弧半徑越大,物料進入鏟斗的流動性越好,有利于減少物料裝入斗內的阻力,卸料快而干凈。但 r 過大，斗的開口大，不易裝滿，且鏟斗外形較高，影響司機觀察鏟斗斗刃的工作情況。 圖 4-3 鏟斗斷面基本參數(shù)16底壁長 是指斗底壁的直線段長度。l長則鏟斗鏟入料堆深度大，斗易裝滿，但掘起力將由于力臂的增加而減小。而l且插入阻力隨鏟入料堆的深度而急劇增加。 長亦會減小卸載高度。 短則掘起力l l大，且由于卸料時鏟斗刃口降落的高度小，還可減小動臂舉升高度，縮短作業(yè)時間，但這會減小斗容。鏟斗張開角 γ 為鏟斗后壁與底壁間的夾角，一般取45°～ 52°。適當減小張開角并使斗底壁對地面有一定斜度，可減小插入料堆時的阻力，提高鏟斗的裝滿程度。（2）鏟斗基本參數(shù)的確定如圖 4-4 所示，R 是鏟斗的回轉半徑，它的大小不僅直接影響鏟斗底壁的長度，而且 還直接影響轉斗時掘起力及斗 圖 4-4 鏟斗尺寸參考 容的大小，所以它是一個與整機總體有關的參數(shù)。鏟斗的回轉半徑 R 可按下式計算 [8]。（m ） ?????????? ???????????????? 1805.2cotsinco5.01 ??????rkzgBVR（4-1）式中 Vs—— 鏟斗平裝容量， m3； B0 —— 鏟斗內側寬度，m；—— 鏟斗斗底長度系數(shù)， 1.40～1.53；g??g?—— 后壁長度系數(shù)， 1.1～1.2；z z—— 擋板高度系數(shù)， = 0.12～0.14；k k—— 圓弧半徑系數(shù)， ～0.4；r?35.0?Rr?γ—— 張開角，為 45°～ 52°；17—— 擋板與后壁間的夾角。1?圖 4-4 中各參數(shù)含義如下。r—— 鏟斗圓弧半徑，m；—— 斗底長度，是指由鏟斗切削刃至斗底延長線與斗后壁延長線交點gL的距離，m，（1.4～1.53）R （4-2）?Lg?——后壁長度，是指由后壁上緣至后壁延長線與斗底延長線交點的距離，zLm， （1.1～1.2）R （4-3）z根據(jù)以上各式及給定數(shù)據(jù) 可計算出各參數(shù)如下。34mVr?m3 （4-4 ）.21.?rsV取 B0=3200-50×2=3100； λg=1.5 ； λz=1.1 ； ； λ r 13.0?k?=0.36 ；γ=48° ； 10°，則可算得?1?R=1.407 ； =2.11 ； =1.548 ； h=0.140 ； ； (m)gLz 5.r（3）斗齒鏟斗斗刃上可以有斗齒，也可以沒有斗齒。若斗刃上裝有斗齒時，斗齒將先于切削刃插入料堆，由于它比壓大（即單位長度插入力大） ，所以比不帶齒的切削刃易于插入料堆，插入阻力能減小 20%左右，特別是對料堆比較密實、大塊較多的情況，效果尤為顯著，因此一般裝載機的鏟斗均帶有斗齒。圖 4-5 斗齒18斗齒結構分為整體式和分體式兩種，一般斗齒是用高錳鋼制成的整體式，用螺栓固定在鏟斗斗刃上，如圖 4-5 所示。斗齒的形狀和間距對切削阻力是有影響的。一般中型裝載機鏟斗的斗齒間距為 250~300㎜ 左右，太大時由于切削刃將直接參與插入工作，使阻力增大，太小時，齒間易卡住石塊，也將增大工作阻力。長而窄的齒要比短而寬的齒插入阻力要小，但太窄又容易損壞，以齒寬以每厘米長載荷不大于 500~600Kg 為宜。4.2.2 鏟斗容量計算（1）計算平裝容量圖 4-6 鏟斗容量計算（4-0SBVs?5）式中， —— 鏟斗橫截面積， ；S2m—— 鏟斗內側寬度；0B下面計算橫截面面積。可用簡化法將鏟斗橫截面分成若干簡單圖形，如圖 4-6 所示，找出圓弧段圓心及兩個切點，將鏟斗橫截面分為 4 部分，分別計算如下：（4-2221 513.067.036mrS???? ????6）19（4-22195.075.1mS???7）（4-23 6.3.8）（4-2470.2.8.1mS???9）∴ 4321S??208.1273.096155.0?而 ，則mB3 30456mSBVs??（2） 計算額定容量 r一般取 （4-sr2.110）則 347.456.3mVr ???滿足使用要求。4.3 連桿系統(tǒng)設計4.3.1 連桿機構的類型目前，連桿機構主要有以下幾種類型。（1）正轉八桿機構這種機構在轉斗油缸大腔進油時轉斗鏟取，所以掘起力較大；各構件尺寸配置合理時，鏟斗具有較好的舉升平動性能；連桿系統(tǒng)傳動比大，鏟斗能獲得較大的卸載角和卸載速度，因此卸載干凈、速度快。其缺點是機構復雜，不易實現(xiàn)鏟斗自動放平。（2）轉斗油缸后置式正轉六桿機構這種機構與上述前置式油缸相比，前懸較大，傳動比較大、活塞行程較短；有可能將動臂、轉斗油缸、搖臂和連桿設計在同一平面內，從而簡化了結構，改善了動臂和鉸銷的受力狀態(tài)。缺點是轉斗油缸與車架的鉸接點位置較高，影響司20機視野；轉斗時油缸小腔進油，掘起力相對較小。為了增大掘起力，需提高液壓系統(tǒng)壓力或加大轉斗油缸直徑，這樣質量就會增大。（3）轉斗油缸后置式反轉六桿機構如圖（a）所示，這種機構有如下優(yōu)點：a 轉斗油缸大腔進油時轉斗，并且連桿系統(tǒng)的倍力系數(shù)能設計成較大值，所以可獲得較大的掘起力；b 恰當?shù)剡x擇各尺寸，不僅能得到良好的鏟斗平動性能，而且可以實現(xiàn)鏟斗的自動放平；c 結構十分緊湊，前懸小，司機視野好。缺點是搖臂和連桿布置在鏟斗和前橋之間的狹窄空間，容易發(fā)生構件相互干涉。（4）正轉四桿機構如圖（b）所示。這種機構容易保證四桿機構實現(xiàn)鏟斗舉升平動，且前懸較小。缺點是轉斗的油缸小腔進油，油缸尺寸??；此外，在卸載時活塞桿易與斗底相碰，所以卸載角較小。為避免碰撞，需把斗底制造成凹形，因而既減小了斗容，又增加了制造困難，而且鏟斗也不能實現(xiàn)自動放平。（a）轉斗油缸后置式反轉六桿機 （b）正轉四桿機構（c）轉斗油缸前置式正轉六桿機構 （d）正轉五桿機構21圖 4-7 輪式裝載機工作裝置機構類型（5）轉斗油缸前置式正轉六桿機構如圖（c）所示，此機構的轉斗油缸與鏟斗和搖臂直接相連，該工作機構由兩個平行四桿機構組成，它可使鏟斗具有很好的平動性能。它比八桿機構簡單，司機視野較好。這種機構的缺點是轉斗時油缸小腔進油，掘起力相對較?。贿B桿系統(tǒng)傳動比小，使得轉斗油缸活塞行程大，油缸加長，卸載速度不如八桿機構；由于轉斗油缸前置，使工作機構前懸增大，影響整機穩(wěn)定性和行駛的平穩(wěn)性；也不能實現(xiàn)鏟斗的自動放平。（6）正轉五桿機構如圖（d）所示。為克服正轉四桿機構卸載時活塞易與斗底相碰的缺點，在活塞桿與鏟斗之間增加一根短連桿，從而使正轉四桿機構變成為正轉五桿機構。當鏟斗翻轉鏟取物料時，短連桿與活塞桿在油缸拉力和鏟斗重力作用下成一直線，如同一桿；當鏟斗卸載時，短連桿相對活塞桿轉動，避免了活塞桿與斗底相碰。此機構的其它缺點仍如正轉四桿機構。綜上分析可知，反轉六桿工作機構優(yōu)點較多，能比較理想地滿足鏟、裝、卸作業(yè)要求。所以它在露天裝載機和地下鏟運機上都得到廣泛的應用。本次設計的裝載機也采用反轉六桿工作機構。4.3.2 工作裝置連桿機構設計輪式裝載機工作裝置連桿機構的設計任務是確定各連桿的尺寸和相互間的位置關系，以滿足設計任務中所規(guī)定的使用性能及技術經濟指標。由于連桿尺寸以及銷軸位置的相互影響，連桿機構可變性很大，同時又要受結構的限制，可變參數(shù)甚多，因而無法單純采用理論計算的方法來確定，大多采用圖解法并配合統(tǒng)計或類比法加以確定。4.3.2.1 機 構分析反轉六桿機構簡圖如圖 4-8 所示。22圖 4-8 反轉六桿機構簡圖它由轉斗機構和動臂舉升機構兩個部分組成。轉斗機構由轉斗油缸 CD、搖臂 CBE、連桿 FE、鏟斗 GF、動臂 GBA 和機架 AD 六個構件組成。舉升機構主要由動臂舉升油缸 HM 和動臂 GBA 組成。若把油缸分解成兩個活動構件和一個移動副，則反轉六桿工作機構的活動構件數(shù) n=8，運動低副數(shù) PL=11，應用計算機構自由度公式 F=3n-2PL-PH,可得其自由度為 2。因為兩個油缸均為運動件，所以整個機構有確定的運動。當舉升油缸閉鎖時，啟動轉斗油缸，鏟斗將繞 G 點作定軸轉動；當轉斗油缸閉鎖，舉升油缸動作時，鏟斗將作復合運動，即一邊隨動臂對 A 點作牽連運動，同時又相對動臂繞 G 點作相對轉動。這在機構運動分析時必須注意。4.3.2.2 設計要求若將整個反轉六桿工作機構放置在直角坐標系中，只要設法確定出某一典型工況時的 9 個鉸接點 G、F、E、B、C、-D、A、H 和 M 的坐標值，則即可求得工作裝置連桿機構中各構件的尺寸參數(shù)值。所確定的各鉸接點的坐標值，必須滿足對工作機構設計提出的各種要求。在運動學方面，必須滿足鏟斗舉升平動、自動放平、最大卸載高度、最小卸載距離和各個位置的卸載角等要求；在動力學方面，主要是在滿足挖掘力、舉升力和生產率的要求前提下，使轉斗油缸和舉升油缸的所需輸出力及功率盡量減小。在設計反轉六桿機構時，要注意的是，一定要保證機構在各種工況的各個位置都能正常工作，不得出現(xiàn)“死點” 、 “自鎖”和“機構撕裂”等機構運動被破壞的現(xiàn)象。4.3.2.3 圖解法確定尺寸參數(shù)圖解法是在初步確定了最大卸載高度、最小卸載距離、卸載角、輪胎尺寸和鏟斗幾何尺寸等整機主要性能參數(shù)后進行的。（1）動臂與鏟斗、搖臂、機架的三個鉸接點 G、 B、A 的確定1）確定坐標系23如圖 4-9 所示，先選定坐標系。2）畫鏟斗圖將已設計好的鏟斗橫截面外廓圖按比例畫在坐標系中，斗尖對準坐標原點O，斗前壁與 x 軸呈 3°～5°前傾角。此為鏟斗插入料堆時位置，即工況 Ⅰ。3）確定動臂與鏟斗的鉸接點 G由于 G 點的 x 坐標值越小，轉斗掘起力就越大，所以 G 點靠近 O 點陣字庫有利的，但它受斗底和最小離地高度的限制，不能隨意減?。欢?G 點的 y 坐標值增大時，鏟斗在料堆中的鏟取面積增大，裝的物料多，但這樣縮小了 G 點與連桿鏟斗鉸接點 F 的距離，使掘起力下降。綜合考慮各種因素的影響，把 G 點初步確定下來，如圖所示。4）確定動臂與機架的鉸接點 A① 以 G 點為圓心，使鏟斗順時針轉動，至鏟斗口與 x 軸平行為止，即工況Ⅱ。②把已選定好的輪胎外廓畫在坐標圖上。作圖時，應使輪胎前緣與工況Ⅱ時鏟斗后壁的間隙盡量小些，目的使機構緊湊、前懸??；輪胎中心的 y 坐標值應等于輪胎的工作半徑 。kR（4-??????????????????12wwkbHdy11）式中 ——輪胎中心 Z 的 y 坐標值，㎜；zy——輪輞直徑， ㎜；wd——輪胎寬度，㎜；bH/ ——輪胎斷面高度與寬度之比；wλ——輪胎變形系數(shù)。③ 根據(jù)給定的最大卸載高度 h、最小卸載距離 l 和卸載角 α，畫出鏟斗在最高位置卸載時的位置圖，即工況Ⅳ，此時 G 點為 ，如圖 4-9 所示。'24圖 4-9 動臂鉸接點設計圖④以 為圓心，順時針旋轉鏟斗，使鏟斗口與 x 軸平行，即得到鏟斗最高舉'G升位置圖，即工況Ⅲ。⑤連接 并作其垂直平分線。因為 G 和 點同在以 A 點為圓心，動臂 AG' '長為半徑的圓弧上，所以 A 點必在 的垂直平分線上。'A 點在垂直平分線上的位置應盡可能低一些，以提高整機工作的穩(wěn)定性，減小機器高度，改善司機視野。5）確定動臂與搖臂的鉸接點 BB 點的位置是一個十分關鍵的參數(shù)。它對連桿機構的傳動比、倍力系數(shù)、連桿機構的布置以及轉斗油缸的長度等都有很大影響。一般取 B 點在 AG 連線的上方，過 A 點水平線下方，并在 AG 的垂直平分線左側盡量靠近工況Ⅱ時的鏟斗處。相對前輪胎，B 點在其外廓的左上方。（2）連桿與鏟斗和搖臂的兩個鉸接點 F、E 的確定因為 G、B 兩點已被確定，所以再確定 F 點和 E 點實際上是為了最終確定與鏟斗相連的四桿機構 GFEB 的尺寸。確定 F、E 兩點時，既要考慮對機構運動學的要求，如必須保證鏟斗在各工25況時的轉角，又要注意動力學的要求，如鏟斗在鏟裝物料時應能輸出較大的掘起力，同時，還要防止各種機構運動被破壞的現(xiàn)象。1）按雙搖桿條件設計四桿機構令 GF 桿為最短桿，BG 桿為最長桿，即必有GF+BG〈 FE+BE （4-12）若令 GF=a, FE=b, BE=c, BG=d,并將式(4-12)兩邊除以 d，整理可得下式，（4-1????acdbk13）初步設計時，式(4-13)各值可按下式(4-14) 選取，（4-?????dcak)8.0~4(53914）而 BG 已確定，即 BG=d=1247，而可取k=0.99a=0.5d=0.5×1247=624c=0.6d=0.6×1247=748則 107486219.0???????cakdb2)確定 E 和 F 點位置這兩點位置的確定要綜合考慮如下四點要求：①E 點不可與前橋相碰，并有足夠的最小離地高度；②工況Ⅰ（插入工況）時，使 EF 桿盡量與 GF 桿垂直，這樣可獲得較大的傳動角和倍力系數(shù)；③工況Ⅱ（鏟裝工況）時，EF 桿與 GF 桿的夾角必須小于 170°，即傳動角不能小于 10°，以免機構運動時發(fā)生自鎖；④工況Ⅳ（高位卸載工況）時，EF 桿與 GF 桿的傳動角也必須大于 10°[9]。具體采用圖解法。分別以 B 點和 G 點為圓心，以 c 和 分別為半徑畫弧，其交點為 E；2ba?再分別以 G 點和 E 點為圓心，a 和 b 為半徑畫弧，則其交點為 F。若上述所得 E點和 F 點不滿足要求，可調整 a、b、c 長度，重新作圖，直至滿意為止。為了防止機構出現(xiàn)“死點” 、 “自鎖”或“撕裂”現(xiàn)象，設計時應滿足以下不等式。工況Ⅱ時： GF+FE＞GE （4-15）工況Ⅳ時： FE+BE＞FB （4-