1、轮式装载机 ZL10工作装置设计摘要：本文介绍了 ZL10 轮式装载机六连杆工作装置的设计方法，对六连杆机构进行了运动及动力学分析，绘出了六连杆机构运动简图。主要介绍了当前装载机的现实及其发展趋势。装载机具有加快工程建设速度、减轻劳动强度、提高工程质量、降低工程成本等作用，所以在工程方面应用十分广泛。装载机工作装置是完成装卸作业并带液压缸的空间多连杆机构，设计性能的高低直接影响工作装置性能的好坏。论文详细介绍了轮式装载机工作装置各组成部分（铲斗、动臂、摇臂、连杆及转斗油缸和动臂油缸等组成）的工作原理及设计情况，并进行另强度计算与校核外。本论文还附有工作装置组成零件的零件图及工作装置装配图、参考
2、文献等。关键词：装载机，工作装置，铲斗ZL10 轮式装载机工作装置设计第 2 页 共 43 页目录1.绪论 31.1 装载机用途和分类及发展状况 3 1.1.1 装载机的分类 3 1.1.2 装载机的发展情况 51.1.3 装载机的作业方式和生产率计算 61.2 装载机工作装置的结构形式与特点 81.2.1 工作装置的总体结构与布置 81.2.2 工作装置连杆机构的结构形式与特点 102. 工作装置的设计 13 2.1 概述 13 2.2 装载机工作装置的设计 142.2.1 工作装置选型 152.2.2 工作装置机构设计 162.2.3 工作装置强度计算 242.2.4 油缸作用力的确定 3
3、3华北科技学院毕业设计第 3 页 共 43 页3. 结论 384.参考文献 395.附录 40 6.致谢 41 1. 绪论1.1 装载机用途和分类及发展状况装载机是一种用途十分广泛的工程机械，他可以用铲装、搬运、卸载、平整散装物料；也可以对岩石、硬土等进行轻度的铲掘工作，如果换装相应的工作装置，还可以进行推土、起重、装卸木料及钢管，因此广泛应用于建筑、公路、铁路、水电、港口、矿业及国防等工程中，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的作用。近几年来，无论在国内还是在国外，装载机的品种和产量都得到了迅猛的发展，已经成为工程机械的主导产品之一。装载机问世于 20
4、世纪 20 年代，经历了 40 年代的四轮驱动阶段，50 年代的液力机械传动阶段，60 年代的铰接式机架阶段和 80 年代的机电液一体化新阶段。目前，装载机整机性能还是作业效能、安全性、可靠性及操作舒适性等方面都有了很大的提高。近年来，国外轮式装载机斗容向更大型化发展的趋势已停顿下来。随着小型工地，城市环境，市政建设和农村物料的搬运，小型装载机亦在大量发展，例如日本运搬株式会社 75 年生产的“310”型小型胎式装载机，其斗容量仅为 0.1m3，功率为 10kw，ZL10 轮式装载机工作装置设计第 4 页 共 43 页是世界上目前最小的装载机。特别是全液压传动的小型装载机，在美国已占装载机总台
5、数的 40%，是很有发展前途的机种。1.1.1装载机的分类装载机有单斗和多斗两种；如按使用场合来区分，则可分为露天和井下两种。单斗装载机的型式很多，通常按下列几种方法进行分类：1.按发动机的功率分类：装载机按发动机的功率可分为小型、中型、大型和特大型四种。小型：功率小于 74kw；中型：功率为 74147kw；大型：功率为 147515kw；特大型：功率大于 515kw。2.按传动形式分类：轮式装载机的传动形式共有四种，即：（1）机械传动 由柴油机通过离合器带动变速箱传动；再通过传动轴、主传动轮边减速装置以带动驱动轮转动，使装载机行走。同时柴油机通过分动箱带动油泵以操纵工作装置。这种传动方式结
6、构简单，制造容易，成本较低，使用维修也比较容易，但传动系统所受冲击和振动较大，功率不能充分利用，不适用于装载机，目前仅有少数小型装载机采用这种传动系统。（2）液力机械传动 与上述传动型式类似，只是取消了离合器而换用了变矩器，取消了普通人力换挡变速箱而换用了动力换挡变速箱。这样变矩器能吸收在作业时传给传动系统的冲击和振动，提高了传动零件的使用寿命，并可随外界载荷变化自动调节车速。而且可在不停车的情况下进行换挡，操作方便，减少了驾驶员的疲劳，大中型装载机目前都采用这种型式。（3）液压传动 用柴油机带动油泵产生高压油，并通过控制系统和油管带动油马达使车轮转动，省去了一系列的传动零件，可实现无级调速，
7、操作容易，但起动性差，液压元件不易获得，寿命也较低，故在装载机中的使用受到限制，目前只用在小型装载机上。（4）电传动 有柴油机驱动交流发电机发电，来驱动装在车轮上的直流电机，然后通过轮边减速带动车轮转动。这样也省去了一系列的传动零件，可实现无级调速，检查方便，维修简单，工作可靠。缺点是电机设备重量大，费用高，目前只在大型装载机上使用这种型式。华北科技学院毕业设计第 5 页 共 43 页3.按行走系结构分类：装载机按行走机构型式可分为轮胎式和履带式两种。（1）轮胎式装载机 轮胎式装载机是以轮胎式专用底盘为基础，配置工作装置及其操作系统等而成。轮式装载机按其车架结构型式又可分为：1）铰接式装载机
8、铰接式装载机的车架由前车架和后车架两部分组成，中间由垂直铰销连接起来，故称为铰接式装载机。铰接式装载机一般轴距较大，纵向稳定性较好，行车时纵向颠簸也小，司机不易疲劳，但转向和高速行驶时稳定性较差。铰接式装载机的优点比较突出，因此，该机种近年来在国内外得到了很快的发展，它不但应用于露天作业，甚至在井下的装载运输作业中也得到了应用。国产 ZL 系列装载机都是这种型式。2）整体式车架装载机 整体式车架装载机的车架是一个整体。其转向方式有后轮转向、全轮转向、前轮转向及差速转向四种。轮式装载机 具有重量轻、速度快、机动灵活、效率高、行走形不破坏路面、维修方便等优点；其缺点是轮胎接地比压大、通过性差、重心
9、较高、稳定性差，而且对工作场地和物料的块度都有一定的要求，尤其是在矿山工作时，轮胎磨损较快。总的来说，其优点还是比较突出的，因此近年来轮式装载机 的型式和生产规模都得到了很大发展。（2）履带式装载机 履带式装载机 是以专用底盘或工业拖拉机为基础，装上工作装置并配装适当的操纵系统而构成。履带接触面积大，使得接地比压小，通过性好；履带式装载机重心低，稳定性好；重量大，附着性能好，牵引力大，比切入力较相同载重量的轮式装载机 达 30%，可达800N/cm。而且履带行走装置对路面要求不太高。履带式装载机 的却缺点是：速度低，不够灵活机动，制造成本高，行走时易破坏路面，转移工作场地需用平板车拖运。因此，
10、履带式装载机 常用在工程量大、作业点集中、不经常移动、路面条件较差的场合。4.按装载方式分类：装载机按装载方式可分为前卸式（前端式） ，回转式和后卸式三种。（1）前卸式 装载机在其前端铲装和卸载。卸载时，装载机的工作装置需与运输车辆垂直，这种卸载方式调车费时，但因结构简单、工作可靠，司机操纵视野好，故应用最为广泛。ZL10 轮式装载机工作装置设计第 6 页 共 43 页（2）回转式 回转式装载机的工作装置安装在可回转 90360的转台上，铲斗在前端装料后，回转至侧面卸载，装载机不需要调车，作业效率高，适宜场地狭小的地区工作。（3）后卸式 装载机在前端装料，向后端卸料，作业时，装载机不需调车，可
11、直接向停在其后面的运输车辆卸载，可节约时间，作业效率高，但卸载上时，铲斗须穿过司机上空，很不安全，因此应用不广。1.1.2 装载机的发展情况我国装载机生产起步于 20 世纪 60 年代，目前有近百家生产厂家，年产量达 1.3万多台，规格型号 130 多个，载重量 0.310t。其中大型占 45.8%，小型机占 18.9%，超小型机占 35.3%，轮胎式占 99%。经过 40 多年的发展，国产装载机的结构和性能有了较大的提高，技术水平达到国际 20 世纪 80 年代末期水平，有的已接近国际先进水平。今后应重点解决多品种，大功率，多功能，机电一体化，可靠性，安全性和舒适性等问题。 据海关统计，20
12、02 年我国工程机械产品进口额为 20.40 亿美元，出口额为7.43 亿美元，贸易逆差 12.97 亿美元。国外装载机的发展可归纳为以下几个方面：1.大型化与小型化 为适应越来越多的大型工程建设的需要，装载机继续向大功率、大斗容的方向发展，如美国卡特匹勒公司开发了斗容量为 17.530.4m 3的大型装载机。2.采用新技术、新结构 在装载机动力上普遍采用了废气涡轮增压柴油机。在传动系统上，采用双泵轮液力变矩器，使发动机功率和装载机牵引力随作业工况获得比较理想的匹配；有的装载机（例如日本神户制钢所的 LK1500 型装载机）在发动机和变矩器之间安装了一个“奥米伽”离合器，使离合器的传递扭矩可在
13、 0%100%范围内变化；也有的装载机上采用了新型差速器，如扭矩比例式差速器、防滑差速器、限制滑动差速器；在变速箱上采用了涡轮变速器（如美国克拉克 475c 装载机） 。3.向机电一体化、电子化方向发展 进入 80 年代以来，国外以将一些电子技术、智能技术应用到装载机等工程机械上，以提高机械的各种性能和作业质量。如日本已将 HST 计算机控制用在履带装载机上，开发了 HST 电子液压控制系统。4.轮胎化 轮胎式装载机因具有质量轻、速度快、机动灵活、效率高、维修方便等一系列优点而在国外发展较快。在品种规格、数量上轮胎式装载机都远比履带式装华北科技学院毕业设计第 7 页 共 43 页载机多。例如日
14、本在 1985 年共生产了装载机 22000 余台，其中轮胎式装载机 20000 台，而履带式装载机只有 2000 多台。1.1.3 装载机的作业方式和生产率计算1.装载机的作业方式装载机用作装载设备，向汽车或自卸汽车进行装载工作时，其技术经济指标，在很大程度上与作业方式有关，其广泛使用的作业方式有以下几种。（1） “V”形作业法 自卸汽车与工作面布置成 5055角度，而装载机的工作过程则根据本身结构和型式而有所不同。（2） “I”形作业法 自卸汽车平行于工作面适时地作往复前进和后退；而装载机则穿梭般地垂直于工作面作前进和后退，所以也称之为穿梭作业法。（3） “L”形作业法 自卸卡车垂直于工作
15、面，装载机铲装物料以后，倒退并调转90；然后向前驶向自卸卡车卸载，空载的装载机后退并调转 90，然后向前驶向料堆，进行下次铲装。（4） “T”形作业法 自卸汽车平行于工作面，但距离工作面较远，装载机铲装物料以后，倒退并调转 90；然后再向相反方向调转 90驶向自卸汽车卸料。2.装载机的生产率计算装载机的生产率是指其在特定的条件下每小时所能装卸或装运物料的重量。装载机的生产率除取决于装载机本身的技术性能（如斗容大小、牵引力、铲取力、作业速度等）外，还与物料种类、作业方式、作业场地、运输距离、路面条件以及司机的操纵熟练程度有密切关系。大致可分为向卡车装载和本身装运两种情况。（1）装载生产率 只在作
16、业场地进行装卸，不担负远距离运输任务。这时装载机的生产率按下式确式中 Q生产率（kN/h） ；VH额定斗容量（m 3） ；r物料重度（kN/m 3）Kl装载机时间利用系数，取 Kl=0.750.85；TKrVQmH1360ZL10 轮式装载机工作装置设计第 8 页 共 43 页Km铲斗装满系数，他取决于被装物料的种类和状态、块度；铲斗的形状，装载机的结构和司机的熟练程度；T装载机一个作业循环时间（s） ，取决于作业方式和装载物料的种类极其状态，他包括装载、卸载、往返、改变方向等所需全部时间。“I”形作业法：T=10+d+1.6x“V”形作业法：T=11+d+1.6x“L”形作业法：T=12+d
17、+1.6x“T”形作业法：T=13+d+1.6x上式中 d考虑物料装载难易程度的量；普通成堆的砂：d=0；碎石（20mm 以下） 、砂、小沙砾：d=2；碎石（50mm 以下） 、天然状态的小沙砾、粘土；d=4。x距离（m）在初步计算时可取 T=20s。（2）装运生产率 除了要在作业场地进行铲装作业外，还要担负转运至其他场地进行卸载的任务，其生产率可按下式计算式中 Q生产率（m 3） ；Tb一个装运作业循环的总时间（s） ；他约等于装载作业所需要的基本时间与运输时间之和，即Tb = T+Tr式中 T r运输时间（s） ；他取决于车速和运输距离。可按下式计算式中 S 装载机运输距离（m） ；Vm装
18、载机满载平均行驶速度（km/h） ，他与运输距离，路面状况有关；V0装载机空载平均行驶速度（km/h） 。1.2 装载机工作装置的结构形式与特点hmHTKV16006.3.VSr华北科技学院毕业设计第 9 页 共 43 页1.2.1工作装置的总体结构与布置装载机工作装置是完成装卸作业并带液压缸的空间多连杆机构。工作装置是组成装载机的关键部件之一，其设计水平的高低直接影响工作装置性能的好坏，进而影响整机的工作效率与经济性指标。装载机工作装置的机构型式分为有铲斗托架和无铲斗托架两种，如图 1-1 所示。(a) 托架式 （b）无托架式1-铲斗；2-动臂；3-连杆；4-下摇臂；5-上摇臂；6-转斗缸；
19、7-动臂举升缸；8-前车架；9-铲斗托架图 1-1 装载机工作装置结构组成它由相互独立的两部分构成连杆机构和动臂举升机构，主要由铲斗、动臂、连杆、上下摇臂、转斗油缸（以下简称转斗缸） 、动臂举升油缸（以下简称动臂举升缸或举升缸） 、托架、液压系统等组成。有铲斗托架的工作装置（图 1-1a） ，其动臂和连杆的下铰接点与铲斗托架铰接；动臂和连杆的上铰接点与前车架支座铰接；托架上部铰接转斗油缸体，其活塞杆及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，铲斗始终保持平移，斗内物料不会撒落。无铲斗托架的工作装置（图 1-1b） ，其动臂的下铰接点和
20、铲斗铰接，动臂的上铰接点和前车架支座铰接，动臂油缸两端分别和动臂及车架底部支座铰接，转斗油缸一端和车架铰接，另一端和上摇臂铰接，摇臂则铰接在动臂上，连杆一端和摇臂铰接，另一端和铲斗铰接。动臂举升缸一般采用立式（又称竖式）或卧式（又称横式）布置形式，常见有两种连接方式：一种是油缸顶端与前车架铰接（图 1-2a） ；另一种是油缸中部通过销轴与前车架铰接（图 1-2b） 。铲斗是装载物料的容器，通常具有两个铰接点，一个与动臂下铰接点铰接，另一个与连杆铰接。操纵转斗的装载或卸料；操纵举升缸实现动臂和铲斗升降运动。ZL10 轮式装载机工作装置设计第 10 页 共 43 页(a)立式 (b)卧式图 1-2
21、 工作装置布置形式1.2.2工作装置连杆机构的结构形式与特点由装载机工作装置的自由度分析可知，工作装置的连杆机构均为封闭运动链的饿单自由度的平面低副运动机构，其杆件数目应为 4，6，8，10，等。对装载机工作装置而言，尽管杆件数目越多越能实现复杂的运动，但同时铰点的数目亦随子之增加，结构越复杂，就越难在动臂上进行布置。因此，实际上装载机工作装置的连杆机构多为八杆以下机构。这样，按组成工作装置连杆构件数不同，装载机工作装置可分为三杆、四杆、五杆、六杆和八杆机构；按输入与输出杆转向不同，又可分为正转和反转机构。正转机构是指输入和输出杆的转向相同；反转机构是指输入和输出杆的转向相反。综合国内外装载机
22、工作装置可知，其连杆机构典型结构主要有以下几种。1 六杆机构 六杆机构工作装置是目前装载机上使用最普及的一种结构型式。根据转斗缸布置位置的不同，可作为装载机工作装置的六杆机构，常见的有以下几种结构型式：（1）斗缸前置式正转六杆机构（图 1-3a）其优点是转斗缸直接与摇臂相连接，易于设计成两个平行的四连杆机构，铲斗平移性较好；同八连杆机构比，结构简单，司机视野较好。缺点是：转斗时油缸小腔进油，铲掘力相对较小；连杆机构传动比小，华北科技学院毕业设计第 11 页 共 43 页使得转斗缸活塞行程较大，转斗缸加长，卸载程度不如八杆机构；由于转斗缸前置，使得工作装置的整体重心外移，增大了工作装置的前悬量，
23、影响整机的稳定性和行驶时的平稳性；铲斗不易实现自动放平。图 1-3 六杆机构工作装置的结构形式2）转斗后置式正转六杆机构（图 1-3b） 与转斗缸前置式相比，机构前悬较小，传动比较大，活塞行程较短；有可能将动臂、转斗缸、摇臂和连杆机构的中心线设计在同一平面内，从而简化了机构，改善了动臂和铰销的受力状态。缺点是：转斗缸与车架的铰接点位置较高，影响了司机的视野，其它同前置式。3） 转斗缸后置式正转六杆机构（图 1-3c） 在铲掘收斗作业时，以油缸大腔工作，故能产生较大的掘起力。但工作装置的各构件不宜布置在同一平面内，构件受力较差。4）转斗缸后置式正转六杆机构（图 1-3d） 转斗缸布置在动臂上面，
24、转斗缸小腔作用时进行铲掘。这种机构又称为“Z”形连杆机构。该机构具有以下优点：一是，铲斗插入时转斗缸大腔进油，并且连杆机构的传动比可以设计成较大值，故可获得较大的掘起力；二是，合理设计连杆各构件的尺寸，不仅可以得到良好的铲斗平移性能，而且可以实现铲斗的自动放平；三是，结构十分紧凑，前悬小，司机视野好。缺点是摇臂和连杆布置在铲斗和前桥之间的狭窄部位，各构件间易于发生干涉。5）转斗缸后置式反转六杆机构（图 1-3e）转斗缸布置在靠近铲斗处，铲掘时靠小腔作用。这种机构现已少用。ZL10 轮式装载机工作装置设计第 12 页 共 43 页2 正转八杆机构 机构在转斗缸大腔进油时转斗铲取，所以铲取力较大；
25、各构件设计合理时，铲斗能获得较好的举升平动性能；连杆机构的传动比较大，铲斗能获得较大的卸载角和卸载速度，因此卸载干净，速度快；因传动比大，还可适当减小连杆机构的尺寸，因而可改善司机视野。机构结构较复杂，铲斗自动放平性较差。图 1-4 八杆机构工作装置的结构形式各类装载机工作装置的设计都应满足如下基本要求：1）生产率高；2）插入和铲取能力大、能耗小；3）结构和工作尺寸适应生产条件需要；4）零部件受力状态良好，强度和寿命合理；5）结构简单、紧凑，制造、维修容易，操作、使用方便。轮式装载机，除满足上述 5 条基本要求外，还应有下列特点和要求：1）由于铲斗宽度和容积都较大，所以铲装阻力大，装满系数小。
26、因此，设计时必须合理选取铲斗的结构和尺寸，以减小工作阻力，达到装满、卸净，运输平稳。2）工作装置连杆机构能产生较大的插入和掘起力，功耗低，零部件受力状态力良好。华北科技学院毕业设计第 13 页 共 43 页地面插入工况 下限收斗工况 重载运输工况上限举升工况 上限卸料工况图 1-5 装载机工作装置典型作业工况2）铲斗由工况被举升到上卸料位置的过程中，为避免物料撒出，要求铲斗作“平移运动” 。并将急剧降低工作装置的其它性能。从不易撒料这一目的出发，要求绝对平动，并无必要，只要把铲斗举升时的倾角变化量限制在某一许可范围之内即可，因为铲斗堆装时，物料堆角的坡度为 12 左右，即倾角为 27 左右，而
27、松散物料的自然安息角平均在 40 左右。所以举升过程中，铲斗倾角不大于 40-27=13 时便可减少撒料。设计时一般控制在 10 以内为好。4）保证必要的卸载角、卸载高度和卸载距离。要求铲斗在工况至上限位置之间都能干净地卸料。为此，铲斗瞬时的卸载距离（斗尖至前轮胎外廓最前沿的水平距离） ，必须与配套的载货汽车车厢尺寸相适应，或遵照设计任务书规定。5) 铲斗能自动放平。它对定点高位卸料很有意义，因为汽车就在装载机近旁，若卸料后，下放动臂的同时，装载机驶向装载点。当到达装载点时，铲斗正好呈开始插ZL10 轮式装载机工作装置设计第 14 页 共 43 页入状态，即可开始新的装、运、卸工作循环。如此，
28、能省去两次操作（铲斗由工况工况工况） 。即能提高装载工作效率，又可减轻司机的劳动强度。6）装载机工作装置属于连杆机构，设计时要特别注意防止各个工况出现构件相互干涉、 “死点” 、 “自锁”或“机构撕裂”等现象。各机构的传动角不得小于 15 。在满足综合工作性能的前提下，应尽可能增大机构的传动比。7）应尽量减小工作装置的前悬（即工作装置重心至整机重心的距离） 、长度和高度，以提高装载机的稳定性和司机的视野。装载机工作装置优化设计必须保证上述设计要求。即使牺牲目标函数无法达到的最优状态，也不能破坏设计要求。2.工作装置的设计2.1 概述工作装置是工程机械进行生产作业的装置，该装置直接影响到整机的生
29、产率和经济性，因此合理的设计有着重大意义，尤其是土方工程机械，作业过程中动力装置的大部分能量消耗在挖掘土壤上。由于工作装置的重量和成本只占整个机械的很小部分，因此，要降低挖掘土壤的能耗，提高效率，从研究工作装置入手，在通常情况下，仅耗用较少的材料和费用就能明显地提高机械性能，而机械的结构无须做重大改变。工程施工对工程机械的工作装置提出的高效、多能，能适应各种作业条件的要求，促使工作装置在结构型式和材料选用上不断提高改进，许多工作装置的操纵已采用液压伺服系统或自动控制，使机械的操纵力大大减小，生产效率和发动机的功率利用显著提高，取得了良好的效果。卡特彼勒 G 系列平移工作装置将工作装置快速连接器
30、和架式机构设计成整体，改善了机器稳定性和挖掘功能并设有可调液压、缓冲减震的动臂自动提升、下降安全限位装置。德雷塞公司开发 Z 型单臂工作机构与高液压系统相结合，为铲斗提供更大掘起力，缩短装载机循环，增加铲斗装满系数，大幅度提高劳动生产率，由于绞点少，杆件少，便于维修保养，降低维修费用。2.2 装载机工作装置的设计装载机 ZL10 的总体参数：最大卸载高度(m) 2.470华北科技学院毕业设计第 15 页 共 43 页最小卸载距离(mm) 895轮胎型号 16.00-24发动机功率/额定转速(kw/r/min) 31.5/2000整机质量(kg) 39591 挡速度(km/h) 0-9轮距(mm
31、) 1370装载机的铲掘和装卸物料作业是通过工作装置运动实现的。装载机的工作装置由铲斗、动臂、摇臂、连杆（或托架）及转斗油缸和动臂油缸等组成。铲斗与动臂通过连杆或托架与转斗油缸连接，用以装卸物料；动臂、车架与动臂油缸铰接，用以升降铲斗；铲斗的翻转和动臂的升降采用液压操纵。设计时要求由铲斗、摇臂、连杆（或托架） 、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下提升时，连杆机构所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撒落物料。（2）一定大小的卸
32、载角，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点转动，并且卸载角不小于 45。 。（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。装载机工作装置的设计内容主要包括：根据作业对象和工作条件确定工作装置的结构类型；完成铲斗、动臂及连杆机构的结构设计，并进行强度计算与校核。设计说明书 结果2.2.1 工作装置选型装载机工作装置的机构型式分为有铲斗托架和无铲斗托架两种。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，同时为简化工作装置机构，所以采用无托架式，如图 2-1 所示。ZL10 轮式装载机工作装
33、置设计第 16 页 共 43 页设计说明书 结果1铲斗；2转斗油缸；3动臂；4连杆；5动臂油缸；6摇臂图 2-1 装载机的工作装置简图无托架的工作装置如图 2-1 所示，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。连杆机构数目多，机构的铰点就多，机构愈复杂，为简化机构采用六连杆。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。正转连杆机构的主动构件（摇臂）与被动构件（铲斗）转动方向相同，而反连杆工作装置的主动构件与被动构件的转动方向则相反。正转单连杆机构连杆数目少，结构简单，易于布置，转斗缸可以布置在动臂下方，活塞杆不宜受损伤；提升动臂时铲斗后倾角变
34、化小。反转单连杆机构工作装置由于机构简单、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 系列装载机的工作装置都采用反转单连杆工作装置，如图 2-2 所示。华北科技学院毕业设计第 17 页 共 43 页设计说明书 结果图 2-2 反转单连杆工作装置简图2.2.2 工作装置机构设计工作装置结构设计的内容包括：分析与选择铲斗的结构型式；确定铲斗的结构参数；计算铲斗的实际容量；确定动臂的长度、形状及与车架的铰接位置；设计连杆机构。1.铲斗设计铲斗是工作装置的重要部件，工作条件恶劣时常承受很大的冲击载荷几剧烈的磨削，其结构形状及尺寸
35、参数对插入阻力、掘起阻力和生产率有着很大的影响。（1）铲斗设计要求铲斗设计要求满足：插入及掘起阻力小，作业效率高；具有足够的强度、刚度和耐磨性；适应铲装不同种类和重度的物料，备有不同机构型式和斗容的铲斗。（2）铲斗机构型式的选择通常铲斗由切削刃、斗底、侧壁和后斗壁组成。装有斗齿的铲斗在铲斗插入物料时，插入力分布在几个斗齿上，使每个斗齿形成很大的比压，因此，具有良好的铲入和掘起性能。斗齿可以延长切削刃的使用寿命，同时磨损后也易于快速更换。斗齿的形状对插入力有着一定的影响，实验证明，非对称、窄而长的斗齿比对称的、短而宽的斗齿切削阻力要小。因此选用直线型带齿铲斗。（3）铲斗基本参数的确定=2105m
36、mB=1500mmb=445mmwZL10 轮式装载机工作装置设计第 18 页 共 43 页设计说明书 结果1）铲斗宽度 ：铲斗宽度是铲斗的主要基本参数。铲斗宽度B应大于装载机前轮外侧宽度，若 小于前轮外侧宽度，则铲斗铲取物料后所形成的料堆阶梯，会损伤轮胎侧壁，并增加行驶阻力。（mm） （2-1）abw2式中： 轮胎中心距，mm；轮胎宽，mm；w铲斗每侧突出轮胎的宽度，mm。a2）铲斗回转半径 ：指铲斗与动臂铰接点至切削刃之间的距oR离，是铲斗的最基本参数之一，铲斗的其他断面形状参数可以视为该参数的函数。根据几何图形（见图 2-3）计算可以得铲斗横截面积为 okzgoRAsinc5.012（m
37、m） （2-80/5.0)/t(or2） 而铲斗几何容积为 ，可以求得铲斗回转半径为ogBAV 1805.2cotsinc5.0109 orkzgo gBVR （mm） （2-3）式中： （平装）斗的几何容量，m 3；gV铲斗内壁宽度，为铲斗宽度扣除两侧壁厚 ，即oB （mm） （2-4）2铲斗斗底长度系数；g后斗壁长度系数；z=80mmamm2oA=665mmoR=0.5m3gV=2095mmoB=5mm=1.4g=1.2z=0.12k=0.36r=18=o4华北科技学院毕业设计第 19 页 共 43 页设计说明书 结果挡板高度参数；k斗底和后斗壁直线间的圆弧半径系数；r挡板与后斗壁之间的夹
38、角；1斗底和后斗壁之间的夹角。o3）铲斗的断面形状参数：斗的圆弧半径 、张开角 、挡板oro高度 和底壁长 ，如图 2-3 所示。klzl图 2-3 铲斗基本参数图圆弧半径 ：圆弧半径 大，物料进入铲斗的流动性好，物料oror装入斗内阻力减小，卸料快且干净；但 过大，斗的开口过大，物or料不易装满，且铲斗较高，不利于驾驶员观察铲斗刀刃作业情况。挡板高度 ：指斗上缘至斗底圆弧与后壁相切点间的距离。kl过小，易漏料； 过大则增加铲斗外形，影响驾驶员视线。kl后斗壁长度 ：指切削刃至斗底圆弧与底壁相切点间的距离，zl长，则斗插入料堆深度大，斗易于装满，但由于力臂的增大而使zl掘起力减小，插入阻力随斗
39、插入料堆的深度而急剧增加， 长还影zl=931mmgl=789mmzZL10 轮式装载机工作装置设计第 20 页 共 43 页设计说明书 结果响卸载高度； 短，则掘起力大，并由于卸料时铲斗刃口降落的高zl度小，可以减少动臂举升高度，缩短作业时间。斗底长度 ：指由铲斗切削刃到斗底后斗壁交线之间的距离。gl以上参数都可以看作铲斗回转半径的函数，分别按下式计算（2-)()(mRrllorkozg5）铲斗上的动力臂铰销距斗底之间的高度取为 =0.08 ，铲斗bhoR侧壁切削刃相对与斗底的倾角 =5060。o（4）斗容的计算根据铲斗几何尺寸，如图 2-4 所示，核算铲斗容量。1）几何斗容（平装斗容） g
40、V= （m 3） gVbaBAo2930（2-6）式中： 挡板垂直刮平线的高度，近似取为挡板高度，amm；铲斗刀刃与挡板最上部之间的距离，mm。b而 可由下式求得（mm） （2-ozgkzglll cs227）2）额定斗容（堆积斗容） hV有挡板铲斗（见图 2-4）的额定斗容为=80mmkl=239mmor=53mmbh=54o=0.5m3gV=80mma=685mmb=0.6m3hV=211mmc华北科技学院毕业设计第 21 页 共 43 页设计说明书 结果（m 3） cabBVogh6810229（2-8）式中： 物料堆积高度，mm； 为物料按c cabBo682221 的坡度角堆装的体积
41、，其中 ，mm。ac（a）铲斗横断面 （b）铲斗横断面积计算图图 2-4 额定斗容计算图2.动臂设计（1）臂铰点高度动臂与车架铰点的高度通常取 （mm） oARH5.21（2-9）（mm） （2-sinsimax1osi RHB10）动臂的上铰点 A 应在 BiB1 连线的垂直平分线上（mm） （2-sin21oiAR11）（2）动臂长度按图 2-5 所示利用几何关系求出动臂的长度 lD。2max2sin sinco oAsBD RHlRl=2200mmDl=895mmminsl=5=47=1200mmBl=2470mmmaxsHZL10 轮式装载机工作装置设计第 22 页 共 43 页设计说
42、明书 结果（mm） （2-12）式中： 铲斗最小卸载距离，mm；minsl铲斗回转半径与斗底的夹角，；铲斗最大卸载高度时最大卸载角；动臂与车架铰点到装载机前面外廓水平距离，Blmm；最大卸载高度，mm。maxsH图 2-5 确定动臂铰点位置及长度计算图求出动臂长度，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，满足总体尺寸的要求以及动臂在最底位置铲斗最大后倾时不与前轮相碰。（3）动臂的形状与结构为使工作装置的布置更为合理，选用曲线形的结构形式。3.连杆机构设计华北科技学院毕业设计第 23 页 共 43 页设计说明书 结果连杆机构是由铲斗、动臂、连杆、摇臂和转斗油缸等组成。（1）连杆机构的设计要求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 的变化量尽量小，尽量接近平移运动，保证满载铲斗中的物料不撒落。2）卸料性好，在动臂举升高度范围内的任意位置，铲斗的卸载角 45，以保证能卸净物料。3）动力性好，保证连杆机构具有较高的力传递效率。4）作业时与其他构件无运动干涉，保证驾驶员工作
