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長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘要
輪式裝載機(jī)屬于鏟土運(yùn)輸機(jī)械類，是一種廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口和礦山等建設(shè)工程的土石方施工機(jī)械。具有作業(yè)速度快、效率高、機(jī)動(dòng)性好、操作輕便等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于加快工程建設(shè)速度，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工程質(zhì)量，降低工程成本都發(fā)揮著重要的作用，是現(xiàn)代機(jī)械化施工中不可缺少的裝備之一。
本次設(shè)計(jì)以模塊的方式論述了輪式裝載機(jī)的發(fā)展以及用途、分類和相關(guān)參數(shù)、總體構(gòu)造、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、工作裝置和液壓系統(tǒng)的組成。在用途和分類中對(duì)裝載機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率、傳動(dòng)形式、行走結(jié)構(gòu)、裝卸方式?做了簡(jiǎn)單的介紹。通過選用原則的敘述，使我們對(duì)裝載機(jī)使用性能有進(jìn)一步的了解。另外，簡(jiǎn)單列舉了國(guó)內(nèi)外輪式裝載機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀。眾所周知現(xiàn)在我國(guó)已成為全球矚目的裝載機(jī)生產(chǎn)大國(guó)，但我們還僅僅是制造“大”國(guó)，而不是制造“強(qiáng)”國(guó)。自主創(chuàng)新能力不足，缺少具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和較強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品是根本原因。開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，盡快縮短與國(guó)外大公司間的技術(shù)差距，提升產(chǎn)品的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，是擺在國(guó)內(nèi)裝載機(jī)企業(yè)面前一個(gè)十分迫切的問題。
關(guān)鍵詞：輪式裝載機(jī) 總體構(gòu)造 傳動(dòng)系統(tǒng) 制動(dòng)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 自動(dòng)換擋 只能控制
Abstract
Wheel loader shovel soil mechanical belongs to transportation, is a widely used for highway, railway, construction, water and electricity, ports and mining and other construction engineering conditions of construction machinery. Work with speed, high efficiency and convenient operation, good mobility etc, and to speed up the construction speed, reduce labor intensity, improving engineering quality, reduce the cost for the project is an important role, is the modern mechanical construction of one of the indispensable equipment.
The design for the module way discusses the development and application of the wheel loader, classification and related parameters, general structure, transmission system, braking system, steering system, work device and the composition of the hydraulic system. In the use of the loader and classification of engine power, transmission form, and walking, structure, loading and unloading way do briefly introduced. Through the selection principle of narrative that we use to loader have further understanding of performance. In addition, simple summarizes the current situation of the development of wheel loader. As is known to all now China's has become a global attention the loader production country, but we still only a manufacturing "big" countries, and not to make "strong" countries. The independent innovation ability is insufficient, with independent intellectual property rights and the lack of a stronger international competitiveness of the products was the reason. Development with independent intellectual property rights of the core technology, shorten and foreign big company as soon as possible the technology gap between, improve product international market competition ability, is in the domestic front loader enterprise a very urgent question.
Keyword: Weel Loaders； the overall structure； braking systems；transmission forms；transmissio
目錄
摘要 I
Abstract II
緒論 1
第一章：輪式裝載機(jī)的概況 2
1.1 國(guó)內(nèi)外本課題現(xiàn)狀及研究趨勢(shì) 2
1.2 輪式裝載機(jī)的發(fā)展特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)要求 3
1.2.1 輪式裝載機(jī)的分類 3
1.2.2 發(fā)展特點(diǎn) 4
1.2.3 選用原則 4
第二章：總體功能原理分析 5
2.1 主功能于系統(tǒng)組成 5
2.2 主要系統(tǒng)概述 5
2.3 總體功能參數(shù) 6
2.4 設(shè)計(jì)目標(biāo)與功能原理分析 6
2.4.1 功能原理圖 7
2.4.2 解決原理 7
2.4.3 方案確立 8
第三章：裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.1 輪式裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)概述 9
3.2 裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)分析 11
3.2.1 鏟斗的設(shè)計(jì) 11
3.2.2 動(dòng)臂的設(shè)計(jì)：鉸點(diǎn)的位置和動(dòng)臂長(zhǎng)度的確定 16
3.2.3 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 17
第四章：工作裝置的限位機(jī)構(gòu) 21
4.1． 鏟斗前后傾角限位機(jī)構(gòu) 21
4.2．動(dòng)臂升降自動(dòng)限位機(jī)構(gòu) 21
4.3 . 鏟斗自動(dòng)放平機(jī)構(gòu) 21
第五章：工作裝置的受力分析 23
5.1 工作裝置的受力分析 23
5.1.1．確定計(jì)算位置 23
5.1.2．選取工作裝置受力最大的典型工況，確定外載荷。 23
5.1.3． 對(duì)工作裝置進(jìn)行受力分析。 24
5.2 工作裝置強(qiáng)度計(jì)算 26
5.3 工作裝置油缸作用力的確定 29
5.3.1．鏟起力的確定 30
5.3.2．轉(zhuǎn)斗油缸作用力的確定 30
5.3.3．動(dòng)臂油缸作用力的確定 31
5.3.4．轉(zhuǎn)斗油缸與動(dòng)臂油缸被動(dòng)作用力的確定 31
第六章：基于ARM單片機(jī)的裝載機(jī)障礙物監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32
6.1 引言 32
6.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 32
6.2.1 障礙物距離檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 33
6.2.2 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì) 34
6.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 34
6.4 調(diào)試及結(jié)果 37
6.5 結(jié)論 38
設(shè)計(jì)總結(jié) 39
參考文獻(xiàn) 40
致謝 41
緒論
輪式裝載機(jī)是一種用途較廣的工程機(jī)械，廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、碼頭、礦山等工程建設(shè)，對(duì)于加快工程施工速度，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度都起到至關(guān)重要的作用。由于輪式裝載機(jī)經(jīng)常工作在各種復(fù)雜的工況下，這就要求輪式裝載機(jī)具有良好的適應(yīng)性和可靠性，尤其是工作裝置的各種設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響裝載機(jī)的整機(jī)性能，因此對(duì)輪式裝載機(jī)的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格的要求。因此，我們有必要研究它，輪式裝載機(jī)的設(shè)計(jì)能使我綜合運(yùn)用機(jī)械制造的基本理論，綜合使用了再大學(xué)四年里所學(xué)的理論知識(shí)，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐中學(xué)到的技能知識(shí)，獨(dú)立的分析和解決問題，也是熟悉和運(yùn)用有關(guān)手冊(cè)，圖標(biāo)等技術(shù)資料及編寫技術(shù)文件的一次實(shí)踐機(jī)會(huì)，并且希望可以提高裝載機(jī)作業(yè)效率，對(duì)輪式裝載機(jī)的發(fā)展起到一個(gè)推進(jìn)的作用。
第一章：輪式裝載機(jī)的概況
1.1 國(guó)內(nèi)外本課題現(xiàn)狀及研究趨勢(shì)
我國(guó)輪式裝載機(jī)主要是20世紀(jì)70年代初期發(fā)展起來的，以ZL50型裝載機(jī)為主導(dǎo)產(chǎn)品，經(jīng)過多年的發(fā)展，質(zhì)量水平不斷提高，已經(jīng)形成獨(dú)立的產(chǎn)品系列和行業(yè)門類。與工程機(jī)械其他機(jī)種相比，輪式裝載機(jī)的橋、箱、泵、閥及缸等零部件產(chǎn)品配套相對(duì)成熟，已經(jīng)形成了比較完整的配套體系。主要生產(chǎn)企業(yè)有柳工、廈工、龍工、臨工、徐工、江蘇常林、成工和山工等。主要機(jī)型包括：1、3t以下裝載機(jī)：3t以下產(chǎn)品主要以ZL10、ZL15、ZL16為代表，還有一些利用拖拉機(jī)底盤改裝的小型裝載機(jī)，主要與日益增多的農(nóng)用運(yùn)輸車輛配套使用。主要零部件均采用一般性能及質(zhì)量的發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)橋、變速箱、液壓件。技術(shù)較先進(jìn)的靜液壓傳動(dòng)產(chǎn)品，液壓件國(guó)內(nèi)不易配套，產(chǎn)品成本居高不下，制約了該類產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的發(fā)展。2、ZL30裝載機(jī)：ZL30裝載機(jī)主要生產(chǎn)廠家有成工、常林、徐工、宜工、山工等。該產(chǎn)品零部件配置較零亂，生產(chǎn)廠家具有自制的橋箱，風(fēng)格各具特色，質(zhì)量及性能上相對(duì)穩(wěn)定，技術(shù)先進(jìn)性一般。徐工最近開發(fā)的ZL30F裝載機(jī)，采用電換擋變速箱，使3t級(jí)裝載機(jī)技術(shù)上有新的突破。3、ZL40/ZL50裝載機(jī)：ZL40/ZL50裝載機(jī)，主要裝載機(jī)生產(chǎn)廠家均擁有該產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品幾十年來沿續(xù)至今，全國(guó)幾乎使用同一套圖紙，有些技術(shù)力量薄弱的廠家，仍把其當(dāng)作主導(dǎo)產(chǎn)品推向市場(chǎng)。第二、三代產(chǎn)品主要是對(duì)工作裝置進(jìn)行優(yōu)化，改變外觀造型。如柳工ZL40B/ZL50C、徐工ZL40E/ZL50E。第四代產(chǎn)品是在第三代的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化整機(jī)的性能及配置，電控箱、濕式制動(dòng)器等新技術(shù)得到應(yīng)用，并形成了各企業(yè)的專有技術(shù)及專利技術(shù)，使產(chǎn)品以嶄新的面目推向市場(chǎng)。4、ZL60及6t以上裝載機(jī)：6t以及6t以上的裝載機(jī)，這是國(guó)內(nèi)潛在市場(chǎng)最大的產(chǎn)品，1998年以前大多數(shù)生產(chǎn)廠家均開發(fā)了ZL60裝載機(jī)，但由于受傳動(dòng)件的制約，ZL60裝載機(jī)沒能成功地推向市場(chǎng)。在’99北京國(guó)際工程機(jī)械博覽會(huì)上，各廠家推出了新的一代ZL60裝載機(jī)，多數(shù)廠家選擇柳州ZF合資生產(chǎn)的箱或橋，液壓元件也有新配置，發(fā)動(dòng)機(jī)可選用斯太爾或上柴6121（Cat3306），整機(jī)可靠性上得到很大提高，給國(guó)內(nèi)大噸位裝載機(jī)帶來發(fā)展機(jī)遇。
我國(guó)輪式裝載機(jī)面對(duì)的主要國(guó)外對(duì)手有：美國(guó)卡特彼勒公司、日本小松公司緊隨其后，西歐是裝載機(jī)生產(chǎn)的第三大集團(tuán)，它擁有意大利菲亞特、阿里斯、瑞典沃爾沃、德國(guó)利勃海爾、O＆K、蔡特曼、英國(guó)JCB等著名公司。目前這些工程建設(shè)機(jī)械廠商現(xiàn)已全面進(jìn)入了中國(guó)市場(chǎng)，主要對(duì)6噸級(jí)以上裝載機(jī)形成壟斷地位，在中小噸位裝載機(jī)對(duì)國(guó)內(nèi)不會(huì)造成很大威脅，但國(guó)外廠商正在研究中國(guó)市場(chǎng)的特點(diǎn)，開發(fā)出適合中國(guó)國(guó)情的新產(chǎn)品，進(jìn)一步擴(kuò)大其產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率。他們的輪式裝載機(jī)技術(shù)已達(dá)到相當(dāng)高的水平。信息技術(shù)的飛速發(fā)展又給裝載機(jī)技術(shù)的發(fā)展插上了奔騰的翅膀，基于微電子技術(shù)和信息技術(shù)的計(jì)算機(jī)治理系統(tǒng)、司機(jī)輔助操縱系統(tǒng)、柴油機(jī)電腦控制裝置、電子計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、電子自動(dòng)換擋變速控制系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于裝載機(jī)的設(shè)計(jì)、計(jì)算操縱控制、檢測(cè)監(jiān)控、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和維修服務(wù)等各個(gè)方面，使國(guó)外裝載機(jī)在原來的基礎(chǔ)上更加“精制”；其自動(dòng)化程度也得以進(jìn)步，從而進(jìn)一步進(jìn)步了生產(chǎn)效率；改善了司機(jī)的作業(yè)環(huán)境，進(jìn)步了作業(yè)舒適性；降低了噪聲、振動(dòng)和排污量，保護(hù)自然環(huán)境；最大限度地簡(jiǎn)化維修、降低作以本錢，使其性能、安全性、可靠性、使用壽命和操縱性能都更上了一層樓。
1.2 輪式裝載機(jī)的發(fā)展特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)要求
1.2.1 輪式裝載機(jī)的分類
輪式裝載機(jī)可以按發(fā)動(dòng)機(jī)功率，傳動(dòng)形式，行走系結(jié)構(gòu)，裝載方式的不同進(jìn)行分類。
1）發(fā)動(dòng)機(jī)功率：
?、俟β市∮?4kw為小型裝載機(jī)。
?、诠β试?4～147kw為中型裝載機(jī)
?、酃β试?47～515kw為大型裝載機(jī)
?、芄β蚀笥?15kw為特大型裝載機(jī)
2）傳動(dòng)形式：
?、僖毫Α獧C(jī)械傳動(dòng)，沖擊振動(dòng)小，傳動(dòng)件壽命長(zhǎng)，操縱方便，車速與外載間可自動(dòng)調(diào)節(jié)，一般在中大型裝載機(jī)多采用；
?、谝毫鲃?dòng)：可無級(jí)調(diào)速、操縱間便，但啟動(dòng)性較差，一般僅在小型裝載機(jī)上采用；
?、垭娏鲃?dòng)：無級(jí)調(diào)速、工作可靠、維修簡(jiǎn)單、費(fèi)用較高，一般在大型裝載機(jī)上采用。
3）行走結(jié)構(gòu)：
?、佥喬ナ剑嘿|(zhì)量輕、速度快、機(jī)動(dòng)靈活、效率高、不易損壞路面、接地比壓大、通過性差、但被廣泛應(yīng)用；
?、诼膸剑航拥乇葔盒?，通過性好、重心低、穩(wěn)定性好、附著力強(qiáng)、牽引力大、比切入力大、速度低、靈活性相對(duì)差、成本高、行走時(shí)易損壞路面。
4）裝卸方式：
?、偾靶妒剑航Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、視野好，適合于各種作業(yè)場(chǎng)地，應(yīng)用較廣；
②回轉(zhuǎn)式：工作裝置安裝在可回轉(zhuǎn)360O的轉(zhuǎn)臺(tái)上，側(cè)面卸載不需要調(diào)頭、作業(yè)效率高、但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大、成本高、側(cè)面穩(wěn)性較差，適用于較俠小的場(chǎng)地。
③后卸式：前端裝、后端卸、作業(yè)效率高、作業(yè)的安全性欠好。
1.2.2 發(fā)展特點(diǎn)
我國(guó)輪式裝載機(jī)的發(fā)展概況可具體歸納為以下八點(diǎn)：
1）大型和小型輪式裝載機(jī),在近幾年的發(fā)展過程中,受到客觀條件及市場(chǎng)總需求量的限制。競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的中型裝載機(jī)更新速率將愈來愈快。
2）按照各生產(chǎn)廠家的現(xiàn)真實(shí)情況況,從頭進(jìn)行總體設(shè)計(jì),優(yōu)化各項(xiàng)性能指標(biāo),強(qiáng)化布局件的強(qiáng)度及剛度,使整機(jī)靠患上住性患上到大步提高。
3）細(xì)化體系布局。如動(dòng)力體系的減振、散熱體系的布局優(yōu)化、工作裝配的性能指標(biāo)優(yōu)化及各鉸點(diǎn)的防塵、工業(yè)造型設(shè)計(jì)等。
4）哄騙電子技能及負(fù)荷傳感技能來實(shí)現(xiàn)變速箱的自動(dòng)換擋及液壓變量體系的應(yīng)用,提高效率、節(jié)約能源、減低裝載機(jī)作業(yè)成本。
5）提高安全性、舒適性。駕駛室逐步具有FOPS&ROPS功能,駕駛室內(nèi)環(huán)境將向汽車方向靠攏,方向盤、椅子、各把持手柄都能調(diào)治,使操筆者處于最佳位置工作。
6）減低噪聲和排放,強(qiáng)化環(huán)保指標(biāo)。隨著許多人環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),減低裝載機(jī)噪聲和排放的工作已迫在眉捷,現(xiàn)在很多大都會(huì)已經(jīng)制定機(jī)動(dòng)車的噪聲和排放標(biāo)準(zhǔn),工程設(shè)置裝備擺設(shè)機(jī)械若不切合排放標(biāo)準(zhǔn),將要限制在該地區(qū)的銷售。
7）廣泛哄騙新材料、新工藝、新技能,出格是機(jī)、電、液一體化技能,提高產(chǎn)物的生存的年限和靠患上住性。
8）最大限度地簡(jiǎn)化維修只管即便減少保養(yǎng)次數(shù)和維修時(shí)間,增大維修空間,普遍接納電子監(jiān)視及監(jiān)控技能,進(jìn)一步改善故障診斷體系,提供司機(jī)排除需要?jiǎng)e人解答的題目的方法。
1.2.3 選用原則
1）機(jī)型的選擇：主要依據(jù)作業(yè)場(chǎng)合和用途進(jìn)行選擇和確定。一般在采石場(chǎng)和軟基地進(jìn)行作業(yè)，多選用履帶式裝載機(jī)；
2）動(dòng)力的選擇：一般多采用工程機(jī)械用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，在特殊地域作業(yè)，如海拔高于3000m的地方，應(yīng)采用特殊的高原型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；
3）傳動(dòng)型式的選擇：一般選用液力—機(jī)械傳動(dòng)。其中關(guān)鍵部件是變矩器形式的選擇。目前我國(guó)生產(chǎn)的裝載機(jī)多選用雙渦輪、單級(jí)兩相液力度矩器。
4）在選用裝載機(jī)時(shí)，還要充分考慮裝載機(jī)的制動(dòng)性能，包括多個(gè)在制動(dòng)、停車制動(dòng)和緊急制動(dòng)三種。制動(dòng)器有蹄式、鉗盤式和濕式多片式三種。制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般采用加力裝置，其動(dòng)力源有壓縮空氣，氣頂油和液壓式三種。目前常用的是氣頂油制動(dòng)系統(tǒng)，一般采用雙回路制動(dòng)系統(tǒng)，以提高行駛的安全性。
第二章：總體功能原理分析
2.1 主功能于系統(tǒng)組成
裝載機(jī)主要用來鏟、裝、卸、運(yùn)土和石料一類散狀物料，也可以對(duì)巖石、硬土進(jìn)行輕度鏟掘作業(yè)。如果換不同的工作裝置，還可以完成推土、起重、裝卸其他物料的工作。
輪胎式裝載機(jī)由動(dòng)力裝置、車架、行走裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和工作裝置等組成。
2.2 主要系統(tǒng)概述
1）傳動(dòng)系統(tǒng)：由變速器（也叫變矩器變速箱總成）、驅(qū)動(dòng)橋、傳動(dòng)軸等組成。通過不同的傳遞方式使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ餮b置各種不同形式的運(yùn)動(dòng)。如：車架的轉(zhuǎn)動(dòng)、裝載機(jī)動(dòng)臂的升降、鏟斗的收放等等。其中，主要的傳遞方式為液壓傳動(dòng)。
一、變速器：由液力變矩器及變速箱兩部分組成。
二、驅(qū)動(dòng)橋：由前橋及后橋兩部分組成。前橋直接固定在前車架上，后橋?yàn)閿[動(dòng)橋，通過副車架與后車架相連?，F(xiàn)代輪式裝載機(jī)基本上都采用鉸接式轉(zhuǎn)向，因此前后驅(qū)動(dòng)橋除主傳動(dòng)螺旋錐齒輪中的旋向不同外，其它件全部通用。
三、傳動(dòng)軸：由汽車的傳動(dòng)軸演變而來。由于輪式裝載機(jī)的力量大、扭矩大，應(yīng)該大大加強(qiáng)傳動(dòng)軸的承載能力。
2）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：其功用是操縱車輛的行駛方向，應(yīng)能根據(jù)需要保持車輛穩(wěn)定的直線行駛，并且根據(jù)要求靈活的改變形式方向。對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本要求是操縱輕便靈活，工作穩(wěn)定可靠，使用經(jīng)濟(jì)耐久。一般采用液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
3）制動(dòng)系統(tǒng)：由行車制動(dòng)以及停車制動(dòng)（駐車制動(dòng)）兩部分組成。行車制動(dòng)用于一般性的行駛中速度控制及停車，也叫腳制動(dòng)。起到降速和停車作用。而停車制動(dòng)主要用于停車后的制動(dòng)，或者在行駛制動(dòng)失效時(shí)的應(yīng)急制動(dòng)，以及在坡道上的較長(zhǎng)時(shí)間的停車制動(dòng)。要求制動(dòng)輕便可靠。
4）工作裝置：裝載機(jī)的鏟掘和裝卸物料作業(yè)是通過其工作裝置的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。裝載機(jī)工作裝置由鏟斗、動(dòng)臂、連桿、搖臂和轉(zhuǎn)斗油缸及動(dòng)臂油缸等組成。整個(gè)工作裝置鉸接在車架上。鏟斗通過連桿和搖臂與轉(zhuǎn)斗油缸鉸接，用以裝卸物料。動(dòng)臂與車架、動(dòng)臂油缸鉸接，用以升降鏟斗。鏟斗的翻轉(zhuǎn)和動(dòng)臂的升降均采用液壓操縱。
2.3 總體功能參數(shù)
表2-1
序號(hào)
要求參數(shù)名稱
參數(shù)值
備注
1
額定裝載重量
1.5T
2
鏟斗容量
0.9m3
3
行駛速度
8~22km／h
4
掘起力
48KN
5
最大牽引力
40KN
6
最大爬坡能力
30°
7
最小轉(zhuǎn)彎半徑
4220mm
4364mm
后輪
鏟斗
8
最大轉(zhuǎn)向角度
35°
9
最大卸載高度
2500mm
2.4 設(shè)計(jì)目標(biāo)與功能原理分析
由于原理方案設(shè)計(jì)是輪式裝載機(jī)設(shè)計(jì)的第一步,是對(duì)產(chǎn)品成敗、好壞起決定性的作用的工作,所以必須慎重。
一臺(tái)輪式裝載機(jī)的設(shè)計(jì)是否成功，首先是從能否滿足使用要求，好造、好用、好修，具備較高的作業(yè)生產(chǎn)率和較低的使用成本來衡量的。因此在總體布置時(shí)要考慮以下幾條原則：1．保證整機(jī)的穩(wěn)定性；2．結(jié)構(gòu)緊湊、并有較高的傳動(dòng)的效率；3．便于操作和維修，工作安全可靠；4．外形平整美觀。并且我們應(yīng)該考慮輪式裝載機(jī)的牽引性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、作業(yè)性等整機(jī)性能，他么是決定輪式裝載機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。
2.4.1 功能原理圖
輪式裝載機(jī)（控制、運(yùn)動(dòng)）
能量的傳遞
能量的轉(zhuǎn)換
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
制動(dòng)系統(tǒng)
停車
降速
工作裝置
挖掘
裝卸物料
車架
行走裝置
動(dòng)力裝置
傳動(dòng)系統(tǒng)
圖2-1
2.4.2 解決原理
表2-2
序號(hào)
方案
功能
1
2
3
1
轉(zhuǎn)向
全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
流量放大液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
負(fù)荷傳感液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
2
傳動(dòng)系統(tǒng)
液壓傳動(dòng)
嚙合傳動(dòng)
摩擦傳動(dòng)
3
行走
輪胎
履帶
4
工作裝置
連桿機(jī)構(gòu)
凸輪機(jī)構(gòu)
非遠(yuǎn)齒輪機(jī)構(gòu)
5
制動(dòng)
前盤式制動(dòng)器
驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)置濕式摩擦片式制動(dòng)器
2.4.3 方案確立
由以上原理可以擬定出以下方案：
A: 1.1——2.1——3.1——4.1——5.1
B: 1.1——2.2——3.1——4.2——5.2
C: 1.2——2.3——3.1——4.2——5.2
D: 1.2——2.2——3.1——4.3——5.1
E: 1.3——2.1——3.1——4.3——5.1
一、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是操縱方便，不用復(fù)雜的連桿機(jī)構(gòu)，但是功率損失較大。流量放大液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)節(jié)能效果較明顯但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。負(fù)荷傳感液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠保證供油充足但是轉(zhuǎn)向時(shí)有輕微的滯后感。綜合靈敏性，經(jīng)濟(jì)型，好修的原則，選用全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。
二、傳動(dòng)系統(tǒng)：由于輪式裝載機(jī)的作業(yè)循環(huán)由駛進(jìn)料堆、鏟取、后退、轉(zhuǎn)向、駛進(jìn)卸料目標(biāo)和卸料等一系列往復(fù)移動(dòng)、往復(fù)擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作構(gòu)成，因此 選用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。
三、行走：因輪胎式其重量輕、速度快、機(jī)動(dòng)靈活性及工效高，因此選用輪胎式。
四、工作裝置：由于輪式裝載機(jī)需要承受重載荷，且工作環(huán)境惡劣，因此采用連桿機(jī)構(gòu)。當(dāng)轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖、動(dòng)臂油缸舉升或降落時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)使鏟斗上下平動(dòng)或接近平動(dòng)，以免鏟斗傾斜而撒落物料。
?五、制動(dòng)：由于技術(shù)限制，采用前盤式制動(dòng)器
有以上分析可知，方案A最可行，因此選擇方案A。
第三章：裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 輪式裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)概述
裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下要求：
1．鏟斗的運(yùn)動(dòng)軌跡符合作業(yè)要求，即要滿足鏟掘、裝載的要求。希望鏟掘力大，斗易于裝滿料，并要求動(dòng)臂在提升過程中，鏟斗應(yīng)保持接近平移的運(yùn)動(dòng)，以免斗中物料撒落。
2．要滿足卸載高度和距離的要求，并保證動(dòng)臂在任何位置都能卸凈鏟斗中的物料。
3．在滿足作業(yè)要求的前提下，工作裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自重輕，受力合理，強(qiáng)度高。
4．應(yīng)保證駕駛員具有良好的工作條件，確保工作安全，視野良好，操作簡(jiǎn)單和維修方便。
5．鏟斗能自動(dòng)放平，即鏟斗從最高卸載位置直接自動(dòng)回到插入工況狀態(tài)，以便于提高工作效率。
裝載機(jī)的工作過程包括：插入工況、鏟裝工況、重載運(yùn)輸工況、舉升工況、卸載工況、空載運(yùn)輸工況。
裝載機(jī)的工作裝置由鏟斗、動(dòng)臂、搖臂、連桿、及轉(zhuǎn)斗油缸和動(dòng)臂油缸等組成（如圖3—1）。鏟斗與動(dòng)臂及通過連桿與轉(zhuǎn)斗油缸鉸接，用以裝卸物料；動(dòng)臂與車架及與動(dòng)臂油缸鉸接，用以升降鏟斗。鏟斗的翻轉(zhuǎn)和動(dòng)臂的升降采用液壓操先分析一下裝載機(jī)作業(yè)時(shí)工作裝置連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
提升動(dòng)臂過程中，由于動(dòng)臂與車架的夾角α改變，而引起鏟斗相對(duì)于動(dòng)臂的夾角β也發(fā)生變化，就是鏟斗相對(duì)動(dòng)臂產(chǎn)生了轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，提升動(dòng)臂時(shí)，鏟斗在空間的實(shí)際運(yùn)動(dòng)是兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的合成的，即由跟隨動(dòng)臂一起運(yùn)動(dòng)的牽引運(yùn)動(dòng)和相對(duì)動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的相對(duì)
運(yùn)動(dòng)合成。從而保證鏟斗為平動(dòng)，保證
了條件1。 圖3-1 裝載機(jī)工作裝置（無托架式）
1-鏟斗 2-連桿 3-動(dòng)臂 4-搖臂 5-轉(zhuǎn)斗油缸 6-動(dòng)臂油缸
設(shè)定： △α為動(dòng)臂相對(duì)車架轉(zhuǎn)角；
△γ為鏟斗實(shí)際轉(zhuǎn)角；
△β為轉(zhuǎn)斗油缸、搖臂和連桿使鏟斗相對(duì)動(dòng)臂轉(zhuǎn)角
△γ = △α+△β （3—1）
顯然，鏟斗的轉(zhuǎn)向與動(dòng)臂一致時(shí)，△β為正值，鏟斗傾角變化增大，反之，△β為負(fù)，鏟斗的傾角變化小，若鏟斗與動(dòng)臂的轉(zhuǎn)向相反，并且△α=-△β時(shí)，則鏟斗傾角無變化即△γ=0，即鏟斗平動(dòng)，達(dá)到預(yù)期效果。
但是裝載機(jī)很少采用平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)。因此不能使鏟斗在提升過程中保持平移。所以要通過合理的選擇連桿之間長(zhǎng)度的比例關(guān)系，使得在動(dòng)臂提升時(shí)，鏟斗產(chǎn)生一個(gè)與動(dòng)臂舉升轉(zhuǎn)向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)，以使鏟斗傾角變化控制在較小的范圍內(nèi)（△γ≤15o）。 圖3-2 各種結(jié)構(gòu)掘起力變化圖
裝載機(jī)工作裝置按結(jié)構(gòu)可分為有托架和無托架兩種。前者因?yàn)椴捎昧私Y(jié)構(gòu)正好構(gòu)成平行四邊形結(jié)構(gòu)所以能很好的滿足動(dòng)臂提升過程中鏟斗的平行移動(dòng)的要求。但是由于在動(dòng)臂的前端裝有較重的托架和轉(zhuǎn)斗油缸，使得裝載機(jī)的載重量減少，所以很少采用。
后者又可分為6桿和8桿機(jī)構(gòu)，大都采用6桿機(jī)構(gòu)，因?yàn)檠b置要求能用最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)達(dá)到要求的效果。按連桿運(yùn)動(dòng)可分為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)連桿工作裝置。正反是針對(duì)主動(dòng)構(gòu)件搖臂和被動(dòng)構(gòu)件鏟斗的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的異同而言的，相同則為正，反之為反轉(zhuǎn)。
正轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是：最大掘起力是在鏟斗底面略低于底面時(shí)，即鏟斗轉(zhuǎn)角為負(fù)值時(shí)，適用于挖掘地面，鏟斗傾卸時(shí)前傾角速度大，易于抖落物料，但沖擊力較大。提起鏟斗的掘起力比反轉(zhuǎn)連桿的小。
正轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)又可分為單連桿和雙連桿兩種。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于布置，轉(zhuǎn)斗油缸可以布置在動(dòng)臂下方，活塞桿不易受損傷；鏟斗在低位置時(shí)，后傾角可比雙連桿取的大些，裝載機(jī)滿載運(yùn)輸時(shí)，物料撒落少；提升動(dòng)臂時(shí)鏟斗后傾角變化小。缺點(diǎn)是連桿的傳動(dòng)比較雙連桿小，從而造成掘起力曲線變化較陡（如圖3-2曲線1）。若提高傳動(dòng)比，必須增長(zhǎng)動(dòng)臂，帶來很多不便。后者連桿傳動(dòng)比大；掘起力曲線平緩（如圖3-2曲線2），動(dòng)臂提升后鏟挖力變化??；連桿的尺寸可縮小，改善了駕駛員的視野；鏟斗切削刃面平貼地面時(shí)，提升動(dòng)臂鏟斗自然后傾，使鏟裝的物料不會(huì)倒出，進(jìn)行地面上挖掘工作可縮短循環(huán)時(shí)間，適于利用鏟斗及動(dòng)臂配合作業(yè)；鏟裝物料時(shí)鏟斗后傾角速度大，可抖動(dòng)鏟斗中物料向后移動(dòng)，易于裝滿鏟斗。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)斗油缸較難布置在動(dòng)臂的下邊；如果要使動(dòng)臂在最大舉升高度時(shí)鏟斗后傾角不致過大，就需使鏟斗在低位置時(shí)后傾角小些，這樣當(dāng)裝載機(jī)滿載運(yùn)輸時(shí)鏟斗中物料容易撒落。
由于總體布置和動(dòng)臂結(jié)構(gòu)形狀的不同，正轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)中轉(zhuǎn)斗油缸可以布置在不同的位置，最常見的是轉(zhuǎn)斗油缸布置在動(dòng)臂上方或布置在動(dòng)臂的下方。在上方時(shí)，布置方便，提升動(dòng)臂時(shí)，由于轉(zhuǎn)斗油缸的軸線不會(huì)和動(dòng)臂油缸的軸線相交，所以可將動(dòng)臂、連桿、搖臂及轉(zhuǎn)斗軸缸的中心線布置在同一平面內(nèi)，工作裝置的受力情況較好。其缺點(diǎn)是鏟斗鏟掘物料時(shí)轉(zhuǎn)斗油缸的小腔工作，因而造成液壓系統(tǒng)壓力較高或使轉(zhuǎn)斗油缸的缸徑和重量增大，履帶式多采用這種形式布置。轉(zhuǎn)斗油缸布置在動(dòng)臂的下方，鏟裝物料時(shí)轉(zhuǎn)斗油缸大腔工作，推力大，但動(dòng)臂、搖臂、連桿及轉(zhuǎn)斗油缸的中心線不能布置在同一平面內(nèi)，工作裝置受力不好，一般小型裝載機(jī)有時(shí)采用這種形式。
反轉(zhuǎn)連桿工作裝置的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是：最大掘起力是在鏟斗底略高于地面后翻時(shí)發(fā)揮出來，而且最大鏟掘力比正轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)大。反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)掘起力曲線變化較陡峭（如圖3-2中曲線3），在鏟裝物料轉(zhuǎn)斗的掘起力大，易于進(jìn)行掘起工作，適用于鏟裝地面上的巖石，但不利于地面以下的挖掘；提升鏟斗時(shí)，鏟斗后傾角變化小，所以鏟斗在低位置時(shí)后傾角可大些，裝載機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)物料撒落少，這種連桿機(jī)構(gòu)適用于一次鏟掘作業(yè)法，不適于進(jìn)行往上筢料的工作，鏟斗卸載時(shí)前傾最后階段速度降低，卸載平穩(wěn)沖擊力小，但難于抖落砂土；連桿數(shù)目少，傳動(dòng)比小，為了增大搖臂的傳動(dòng)比，須增大尺寸，這不僅使卸載時(shí)連桿易碰到自卸卡車貨槽側(cè)壁而且還造成駕駛員視野不好；鏟斗在最高卸載位置卸載后，下降動(dòng)臂鏟斗易于自動(dòng)放平。反轉(zhuǎn)雙連桿機(jī)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于布置，所以目前很少采用。
綜上所述，各種結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，由于我的設(shè)計(jì)是ZL15型裝載機(jī)的工作裝置綜合考率結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單適用與性價(jià)比等因素，我采用了反轉(zhuǎn)單連桿機(jī)構(gòu)工作裝置。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；掘起力大；運(yùn)輸狀態(tài)鏟斗后傾角大，不易撒落物料；鏟斗能自動(dòng)放平等優(yōu)點(diǎn)，它在國(guó)產(chǎn)裝載機(jī)上應(yīng)用很廣。美國(guó)“卡特皮勒”公司也將正轉(zhuǎn)雙連桿工作裝置的988型裝載機(jī)變型為單連桿工作裝置的988B型。
3.2 裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)分析
3.2.1 鏟斗的設(shè)計(jì)
1）鏟斗選擇概述
鏟斗設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求：
1． 插入掘起阻力小，作業(yè)效率高；
2． 鏟斗工作條件惡劣，時(shí)常承受很大的沖擊載荷及劇烈的磨削，要求鏟斗具有足夠的強(qiáng)度和耐磨性；
3． 根據(jù)所鏟裝的物料種類及重量的不同，設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)形式及不同斗容的鏟斗。
一般鏟斗由切削刃、斗底、側(cè)臂及后斗臂組成。
標(biāo)準(zhǔn)鏟斗是一個(gè)焊接結(jié)構(gòu)件如圖3-3。由耐磨錳鋼鋼板彎曲成
圖3-3 鏟斗
1- 斗齒 2-主刀板 3、5、8-加強(qiáng)板 4-斗壁 6-側(cè)刀板 7-側(cè)板 9-擋板 10-角鋼 11-上支撐板 12-連接板 13-下支撐板 14-銷軸 15-限位塊
弧形的斗壁與在其兩側(cè)放置并焊在一起的側(cè)板組成了具有一定裝載容量的鏟斗基本部分——斗體。鏟斗的切削邊和側(cè)壁上焊接有主刀板2和側(cè)刀板6，在主刀板上還裝有錳鋼楔形斗齒1加強(qiáng)主刀板壽命，斗齒與主刀板之間用螺釘連接，以便于更換。為了加強(qiáng)斗體的剛度，在其后上部沿長(zhǎng)度方向焊有角鋼10，在其下
部及側(cè)面焊有加強(qiáng)板3和5，為了防止顫抖舉升到高處時(shí)物料撒落，在角鋼之上沿長(zhǎng)度方向焊有一檔板9，該板用加強(qiáng)板8來加強(qiáng)其剛度。鏟斗背面焊有上支撐板11和下支撐板13，為了加強(qiáng)剛度，兩支板間用連接板焊成一體。在上下支撐板上，分別開有連桿2和動(dòng)臂3相鉸接的銷孔。為了防止工作裝置連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象，在鏟斗背面還焊有上、下兩限位塊以限制鏟斗上、下轉(zhuǎn)動(dòng)位置。
鏟斗的切削刃形狀不同可分為直線型和非直線型（V型或弧型）。
直線型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有良好的平地性能，適用欲裝載重度低于1.6t，正好適合于ZL15型。V型鏟斗對(duì)中性好，平地和裝滿系數(shù)不如直線型。
又可分為有斗齒的鏟斗和無齒鏟斗，有齒容易插入并可延長(zhǎng)鏟斗使用壽命。所以采用有斗齒且斗齒可換型。
鏟斗的側(cè)刃弧線型比直線型小，但弧線型側(cè)刃容易從兩側(cè)泄漏物料，不利于鏟斗的裝滿，適于鏟裝巖石。因此，本設(shè)計(jì)選用直線型側(cè)刃。由于側(cè)刃參與插入工作，為減小插入阻力，側(cè)壁前刃應(yīng)與斗前壁成銳角，為了不使斗容減少太多，可將前后斗壁的側(cè)壁刃口設(shè)計(jì)成弧形。
從整個(gè)斗體形狀看，又分為“淺底”和“深底”兩種類型。斗容相同情況下，前者鏟斗開口尺寸較大，斗底深度較小，即前斗壁較短，后者切好相反。淺底鏟斗插入料堆的深度小，相應(yīng)得插入阻力也小，容易裝滿，但運(yùn)輸行駛時(shí)容易撒料；由于前懸增大，影響車輛行駛平穩(wěn)性。而深度鏟斗恰相反。一句話：地點(diǎn)裝載用淺底，運(yùn)輸距離較大采用深底較為合適。綜合考慮個(gè)人的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)該選用深底鏟斗較為合適。
斗前壁與斗后壁用圓弧銜接，構(gòu)成弧形斗底。為了使物料在斗中有良好多的流動(dòng)性，斗底圓弧半徑不宜太小，前后壁夾角不應(yīng)小于物料與鋼板的摩擦角的2倍，以免卡住大塊物料。若取物料與鋼板的摩擦系數(shù)為f=0.4，則摩擦角φ≈22o，所以張開角必須大于44o。由于一般裝載機(jī)主要用于鏟裝土方工程，所以斗底半徑大些，斗底長(zhǎng)度短些，可以改善泥土在斗內(nèi)的流動(dòng)性，減少物料在斗內(nèi)的運(yùn)動(dòng)阻力。
2） 鏟斗基本參數(shù)的確定：鏟斗的寬度和鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑
鏟斗的寬度B要大于裝載機(jī)每邊輪胎外側(cè)寬度50～100mm，否則，鏟裝物料或分層鏟取土?xí)r，所形成的階梯地面不僅會(huì)損傷輪胎的側(cè)面，而且還會(huì)引起輪胎打滑影響牽引力的發(fā)揮。鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R是指鏟斗與動(dòng)臂轉(zhuǎn)鉸的中心B與切削刃之間的距離。
斗寬B可以由下式計(jì)算：
B=L+bw+2(50～100) （3—2）
式中： L——總體設(shè)計(jì)時(shí)確定的輪距；
bw——輪胎寬度。
計(jì)算可得B=1950mm。
鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R由下式計(jì)算：
（3—3）
鏟斗的橫截面積S為：
（3—4）
式中： V——額定斗容量，由額定載重量和所鏟裝物料重量計(jì)算（m3）;
B——鏟斗凈寬（m）；
——鏟斗斗底長(zhǎng)度系數(shù)，取=Lg/R=1.5；
Lg——斗底長(zhǎng)度，是指由鏟斗切削刃至斗底與后斗壁延長(zhǎng)
線交點(diǎn)的距離
——后斗壁長(zhǎng)度系數(shù)，取=Lz/R=1.2；
Lz——后斗壁長(zhǎng)度，是指由后斗壁上緣至斗壁與斗底延長(zhǎng)線
相交點(diǎn)的距離；
——擋板高度系數(shù)，取= Lk/R=0.12～0.14,取0.12；
——擋板高度；
λr—斗底和后斗壁直線間的圓弧半徑系數(shù)，取λr=r/R=0.35;
——擋板與后斗壁之間的夾角， =5o～10o取8o；
——斗底和后斗壁之間的夾角， =48o～52o，取50o；
由3—3式可見，已知V、B，只要選定等系數(shù)值和、值，即可求得新鏟斗的基本參數(shù)R。為此，實(shí)測(cè)所選樣機(jī)的下列數(shù)據(jù)R、、Lg、Lr，r,和、值并分別計(jì)算值，根據(jù)各項(xiàng)系數(shù)值，即可求得新鏟斗的其他參數(shù)值。鏟斗側(cè)板切削刃，相對(duì)于斗底的傾角αo=50o～60o。
值得選擇應(yīng)使側(cè)壁切削刃與擋板的夾角為90o。
經(jīng)計(jì)算得：R=785mm；Lk=102mm;
Lz=1020mm；r=305mm;Lg =1120mm；
3) 鏟斗斗容的實(shí)際計(jì)算值
圖3-4 鏟斗基本參數(shù)計(jì)算圖
斗前壁長(zhǎng)LB為斗口點(diǎn)至斗底圓弧起點(diǎn)B的長(zhǎng)度。由于鏟斗采用了深底形式，所以有：
LB=（620～665）* （3—5）
式中 V——額定斗容（m3）。
為了充分發(fā)揮裝載機(jī)的插入能力，LB不應(yīng)小于鏟斗可能的最大插入深度。
選擇了深斗底側(cè)壁傾β=40o～60o。
圖3-5 鏟斗幾何尺寸圖
由于鏟斗選擇了有擋板型，因此其平裝斗容VP可由下式計(jì)算：
（3—6）
鏟斗截面積由（3—4）式計(jì)算，也可以用簡(jiǎn)化計(jì)算法，
求得S=4.62×105mm2。
式中：——系考慮由于在擋板高度內(nèi)，斗兩側(cè)無擋板所引起物料容積的減少；
a——擋板垂直刮平線的高度；
b——鏟斗刀刃與擋板最上部之間的距離；
其有擋板的隊(duì)裝斗容V可由下式計(jì)算：
（3—7）
——物料按2﹕1的坡度角堆裝的體積，考慮了由于擋板高度范圍內(nèi)無側(cè)面當(dāng)班所引起的堆裝斗容的減少；
C——物料堆積高度。圖3-6 鏟斗橫斷面 圖3-7 鏟斗橫斷面計(jì)算圖
物料堆積高度可由作圖法來確定。即由堆料定點(diǎn)作直線垂直于刮平線（刀刃與擋板高度連線）,與刀刃和擋板下緣之連線DH相交，此交點(diǎn)與堆料尖端之距離即為物料堆積高度C。
經(jīng)計(jì)算可得鏟斗額定斗容約為0.91m3；幾何斗容為0.782 m3。
此外，需要確定斗鉸點(diǎn)位置：
動(dòng)臂與斗的鉸點(diǎn)即下鉸點(diǎn)的位置應(yīng)盡量使鏟斗在挖掘位置時(shí)布置在靠近切削刃與地面。下鉸點(diǎn)靠近鏟斗切削刃，轉(zhuǎn)斗時(shí)力臂小，有力于增加作用在刀刃上的鏟起力。下鉸點(diǎn)靠近地面，可減少在作業(yè)時(shí)，由插入阻力所引起的附加力矩，此力矩將影響掘起力值。對(duì)裝載輕質(zhì)物料的鏟斗，下鉸點(diǎn)可以高些，以增加回轉(zhuǎn)半徑R，增加轉(zhuǎn)斗時(shí)斗刃所掃過的堆料面積，從而提高鏟斗物料的裝滿程度。鏟斗與動(dòng)臂相鉸接的點(diǎn)距斗底的高度 h=0.06～0.12R=58mm～116mm。
鏟斗上鉸點(diǎn)與下鉸點(diǎn)的距離（斗鉸連線）不宜過大，否則將增加斗連桿機(jī)構(gòu)尺寸，使結(jié)構(gòu)布置困難。下鉸點(diǎn)的位置可以在設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)中確定。
3.2.2 動(dòng)臂的設(shè)計(jì)：鉸點(diǎn)的位置和動(dòng)臂長(zhǎng)度的確定
1．動(dòng)臂鉸點(diǎn)位置的確定：動(dòng)臂鉸點(diǎn)的位置時(shí)通過作圖來確定的；動(dòng)臂下鉸點(diǎn)的最高位置Bi，確定了最大卸載高度Hsmax，最大卸載高度時(shí)的卸載距離（最小卸載距離）lsmin及最高位置時(shí)的卸載角β。α‘為斗底與鏟斗回轉(zhuǎn)半徑的夾角，動(dòng)臂下鉸點(diǎn)當(dāng)鏟斗在地面挖掘時(shí)的位置B1，再考慮斗底與地平面夾角δ=3o～5o時(shí)及鏟斗
裝滿料后傾不與輪胎相碰的情況下，盡量靠近輪胎，以減少整機(jī)的尺寸。動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)A應(yīng)在Bi B1連線的垂直平分線上，當(dāng)最大卸載高度和最小卸載距離一定時(shí)，它的前后位置影響動(dòng)臂的長(zhǎng)度lD、動(dòng)臂的回轉(zhuǎn)角φ及動(dòng)臂最大伸出時(shí)的穩(wěn)定性。lA大,動(dòng)臂增長(zhǎng)，動(dòng)臂回轉(zhuǎn)角φ減小，傾翻力矩小，提高了 圖3-8 確定動(dòng)臂位置及長(zhǎng)度計(jì)算
裝載機(jī)在鏟斗最大伸出時(shí)的穩(wěn)定性，因此，在總體布置允許的情況下希望lA大些。動(dòng)臂與車架鉸點(diǎn)的高度通常?。?
（3—8）
式中 ： R──鏟斗回轉(zhuǎn)半徑
動(dòng)臂與車架角點(diǎn)的左右位置，根據(jù)裝載機(jī)的輪距，動(dòng)臂和轉(zhuǎn)斗油缸的尺寸布置和視線等確定。動(dòng)臂回轉(zhuǎn)角通常取φ=80o～90o。
2．動(dòng)臂長(zhǎng)度lD的確定：動(dòng)臂鉸點(diǎn)位置確定以后，可以按圖3—8利用幾何關(guān)系求出動(dòng)臂的長(zhǎng)度lD：
（3—9）
式中：lsmin——鏟斗最小卸載距離（m）；
R——鏟斗回轉(zhuǎn)半徑 ；
αˊ——鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑與斗底夾角；
β——鏟斗最大卸載高度時(shí)的最大卸載角；
lB ——?jiǎng)颖叟c車架鉸點(diǎn)到裝載機(jī)前面輪廓部分的水平距離,由測(cè)量可得 lB=950mm；
Hsmax ——最大卸載高度
HA ——?jiǎng)颖叟c車架鉸點(diǎn)的高度
經(jīng)過把已知帶入3—9式計(jì)算可得出動(dòng)臂長(zhǎng)度 lD=2089mm。所以初步選定動(dòng)臂長(zhǎng)度為此值，若不符合以后的設(shè)計(jì)要求，則要加長(zhǎng)動(dòng)臂。
求出動(dòng)臂長(zhǎng)度后，根據(jù)其鉸點(diǎn)的位置和鏟斗的結(jié)構(gòu)參數(shù)，按比例做圖進(jìn)行校核，看是否滿足總體尺寸的要求；根據(jù)輪胎的型號(hào)16/70-20，查得輪胎的斷面寬度為410mm；外徑為1075mm。lB取的是950mm，則輪胎前邊緣距動(dòng)臂與車架鉸點(diǎn)，即動(dòng)臂上鉸點(diǎn)的水平距離為1050+1075/2=1587.5mm，很明顯，動(dòng)臂尺寸符合此要求，不用加長(zhǎng)動(dòng)臂。針對(duì)滿足動(dòng)臂在最低位置鏟斗最大后傾角時(shí)是否與前輪相碰的要求，根據(jù)圖3—8的幾何關(guān)系計(jì)算得動(dòng)臂的最小長(zhǎng)度為2386mm,動(dòng)臂太長(zhǎng)了會(huì)使結(jié)構(gòu)不太合理，因此應(yīng)當(dāng)把動(dòng)臂的上鉸點(diǎn)前移，綜合考慮多種參數(shù)的配合關(guān)系，最后選定動(dòng)臂的長(zhǎng)度為2157mm。（注：此時(shí)確定的是動(dòng)臂的長(zhǎng)度即動(dòng)臂兩鉸點(diǎn)距離）
3．動(dòng)臂的形狀與結(jié)構(gòu)：動(dòng)臂的形狀有直線型和曲線形兩種，直線形結(jié)構(gòu)結(jié)單，制造容易，并且受力情況好，通常正傳式連桿工作裝置采用。由于本設(shè)計(jì)采用了反轉(zhuǎn)連桿工 圖3-9 動(dòng)臂形狀
作裝置，所以應(yīng)采用曲線形動(dòng)臂，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以使結(jié)構(gòu)布置合理。動(dòng)臂的斷面結(jié)構(gòu)型式分單板、雙板和箱形三種。單板動(dòng)臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性好、但其強(qiáng)度和剛度低，小型機(jī)可以采用。大中型裝載機(jī)對(duì)動(dòng)臂的強(qiáng)度和剛度要求都高，因此多采用后兩種形式。確定動(dòng)臂的形狀如圖3—9。
3.2.3 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
我們的連桿設(shè)計(jì)為反轉(zhuǎn)單連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采用連桿機(jī)構(gòu)的圖解綜合設(shè)計(jì)方法。
從保證連桿機(jī)構(gòu)的完成鏟掘、運(yùn)輸及卸載作業(yè)要求出發(fā)，對(duì)連桿的設(shè)計(jì)須滿足下列要求：
1．動(dòng)臂從最低到最大卸載高度的提升過程中，保證滿載鏟斗中的物料不撒落，鏟斗后傾角α的變化盡量?。ㄐ∮?5o），鏟斗在地面時(shí)后傾角取α1=42o～46o；在最大卸載高度時(shí)通常取αˊ=47o～61o；
2．在動(dòng)臂提升高度范圍熱內(nèi)的任意位置，鏟斗的卸載角β≥45°，以保證鏟斗能卸凈物料；
3．作業(yè)時(shí)與其他結(jié)構(gòu)無干涉運(yùn)動(dòng)；
4．使駕駛員工作方便、安全及視野寬闊；
5．為保證連桿機(jī)構(gòu)具有較高的力傳遞效率，在設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)的尺寸時(shí)，盡可能使主動(dòng)桿件與被動(dòng)桿件所構(gòu)成的傳動(dòng)角，在不超過90o盡量大些。以減少較軸承受的擠壓力并使有效分力變大。
連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中，由于傳動(dòng)角是變化的，所以有效分力也隨之變化。在設(shè)計(jì)中選擇連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)件尺寸時(shí)，要盡可能使得在挖掘阻力最大時(shí)，力的傳遞效率最高，使鏟斗能發(fā)揮其最大挖掘力。
1） 連桿尺寸及鉸點(diǎn)位置的確定：
反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)應(yīng)有：搖臂、連桿尺寸的確定，鉸點(diǎn)的位置，轉(zhuǎn)斗油缸與車架的鉸點(diǎn)位置及轉(zhuǎn)斗油缸的行程等。
動(dòng)臂的長(zhǎng)度是連桿機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)，他不僅影響著連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和受力，而且與連桿的尺寸及鉸點(diǎn)位置相關(guān)。因此須根據(jù)先前計(jì)算的動(dòng)臂的長(zhǎng)度進(jìn)行連桿的設(shè)計(jì)計(jì)算。
連桿與鏟斗鉸點(diǎn)的位置影響連桿的受力和轉(zhuǎn)斗油缸的行程，選擇時(shí)主要考慮當(dāng)鏟斗處于地面鏟掘位置情況下，轉(zhuǎn)斗油缸作用在連桿的有效分力較大，以發(fā)揮較大的掘起力。通常BC與鏟斗回轉(zhuǎn)半徑之間的夾角ψ=100o～125o；a=（0.13～0.14）lD。
搖臂和連桿CD要傳動(dòng)較大的插入和轉(zhuǎn)斗阻力，因此在設(shè)計(jì)時(shí)不僅考慮運(yùn)動(dòng)關(guān)系，而且還應(yīng)考慮它們的強(qiáng)度和剛度。搖臂的形狀及長(zhǎng)短的比例關(guān)系及鉸點(diǎn)的位置確定，要考慮連桿受力情況及它們?cè)诳臻g布置得方便和可能性，同時(shí)轉(zhuǎn)斗油缸的行程及連桿的長(zhǎng)度也不要過大。搖臂也有直的和彎曲的。彎曲搖臂的夾角不大于30o，否則受力不良。搖臂與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)布
圖3-10 確定連桿機(jī)構(gòu)的圖解法簡(jiǎn)圖
置在動(dòng)臂兩鉸點(diǎn)連線的中部le偏上m處。設(shè)計(jì)時(shí)初步取le=(0.45～0.50) lD；m=(0.11～0.18) lD；e=（0.22～0.24）lD；c=(0.29～0.32) lD。φ取100o，由于鏟斗各項(xiàng)參數(shù)以得，所以可初選BC=610mm，a=427, le=1000,m=325,e=500,c=647,動(dòng)臂長(zhǎng)OB取2157mm。
完成上述尺寸選擇后，用下述作圖方法來確定連桿的長(zhǎng)度b、轉(zhuǎn)斗油缸與車架鉸接點(diǎn)的位置G及行程。作圖原理如圖3—10。
根據(jù)已選定的工作裝置連桿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)，畫出動(dòng)臂和鏟斗在地面時(shí)鏟斗后傾45o的位置及搖臂和動(dòng)臂的鉸點(diǎn)E；將動(dòng)臂有最低到最高位置時(shí)的轉(zhuǎn)角φ分成若干等分，提升動(dòng)臂到不同的角度，并保持鏟斗的平動(dòng)特性，依次畫出BC相應(yīng)得位置：B1C1、B2C2………B i C i，并使它們平行；然后畫出鏟斗在在最大卸載高度時(shí)的卸載位置（卸載角β=45o～50o），得B i Ciˊ。假設(shè)鏟斗在最大卸載高度卸載時(shí)搖臂和連桿CD處在極限位置，即鉸點(diǎn)C、D、E共線，則連桿的最小長(zhǎng)度b=C i E iˊ-c 。根據(jù)搖臂的結(jié)構(gòu)尺寸和鏟斗在任意位置能卸盡物料這一條件，做出鏟斗在不同卸載位置時(shí)所對(duì)應(yīng)的搖臂與轉(zhuǎn)斗油缸活塞桿鉸接位置F iˊ，連接 各點(diǎn)得一曲線，過F iˊ點(diǎn)作此曲線的內(nèi)包圓弧Nˊ，則圓弧Nˊ的圓心G即為所求鏟斗油缸與車架的鉸點(diǎn)，圓弧Nˊ的半徑G F iˊ即為轉(zhuǎn)斗油缸的最
小安裝尺寸Rmin 。
根據(jù)提升動(dòng)臂過程中鏟斗保持平移的特性畫出對(duì)應(yīng)的搖臂與轉(zhuǎn)斗油缸的鉸點(diǎn)的位置F i，連接F i得一曲線，以鉸點(diǎn)G為圓心，過F i點(diǎn)作此曲線的外包圓弧N，圓弧N的半徑GF I即為轉(zhuǎn)斗油缸的最大安裝距離Rmax。轉(zhuǎn)斗油缸的行程lx可由下式計(jì)算：
（3—10）
當(dāng)連桿機(jī)構(gòu)的的尺寸和鉸點(diǎn)位置確定后，根據(jù)上述作圖法所確定的轉(zhuǎn)斗油缸與車架的鉸點(diǎn)G及轉(zhuǎn)斗油缸的行程lx，一般當(dāng)轉(zhuǎn)斗油缸的閉鎖情況下提升動(dòng)臂的過程中，鏟斗在任何位置時(shí)的后傾角都比鏟斗在地面時(shí)的后傾角大，在動(dòng)臂提升范圍內(nèi)后傾角通常允許相差15o。鏟斗卸載角通常隨著卸載高度的降低而有所減少，若鏟斗的卸載角小于45o時(shí)，可減少BC或lx的長(zhǎng)度來滿足對(duì)卸載角的要求。
要實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂提升到最大卸載位置卸載后，動(dòng)臂下放到地面時(shí)鏟斗即自動(dòng)放平，只要湊成連桿機(jī)構(gòu)使鏟斗由最高卸載位置到地面過程中，上翻角ω=β+φ即可。經(jīng)過作圖法與考慮其他各項(xiàng)因素的綜合影響，計(jì)算出初步的能夠滿足設(shè)計(jì)工裝置要求的連桿尺寸及兩油缸的行程的最小安裝距離。
根據(jù)圖解法，并綜合考慮干涉的影響經(jīng)多次畫圖驗(yàn)證獲得下組合理方案：
BC=610mm，a=427mm， c=750，
m=503mm，e=380mm，le=1179mm，
b=780mm，
轉(zhuǎn)斗油缸最大行程及最小行程為1395mm和1026mm；
提升油缸最大行程及最小行程為1790mm和1007mm；
經(jīng)以上公式計(jì)算得轉(zhuǎn)斗油缸行程為369mm，提升油缸行程為783mm，經(jīng)作圖與計(jì)算的結(jié)果可以定出轉(zhuǎn)斗油缸的安裝距離為1228mm，提升動(dòng)臂油缸的安裝距離即最小行程處為1007mm。
設(shè)計(jì)工作裝置連桿機(jī)構(gòu)還可以用分解圖解法來設(shè)計(jì)。如把反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)分成若干個(gè)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
其實(shí)，連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一門很深的學(xué)問，因?yàn)榻M成連桿的各構(gòu)件的位置和尺寸的可變性較大，設(shè)計(jì)連桿過程中，若要獲得理想的方案，需要結(jié)合總體布局，全面考慮各種因素，多方案的對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析比較，做大量的重復(fù)工作來得到最合理的鉸接點(diǎn)位置。我門所采用的作圖法是非常傳統(tǒng)的方法，此外，還有采用數(shù)學(xué)建模等多種計(jì)算機(jī)編程輔助設(shè)計(jì)。對(duì)于設(shè)計(jì)好的連桿尺寸，還需要進(jìn)一步的優(yōu)化，使工作裝置能夠更好的滿足要求的前提下更加精確，簡(jiǎn)單緊湊。其實(shí)完整的連桿設(shè)計(jì)應(yīng)該包括設(shè)計(jì)和優(yōu)化的內(nèi)容，由于時(shí)間的倉(cāng)促與個(gè)人水平有限，不能把連桿的設(shè)計(jì)作的更加理想化，因?yàn)檫B桿設(shè)計(jì)可以單列出作為一門重要的研究項(xiàng)目。
2） 連桿機(jī)構(gòu)的干涉問題
在建立裝載機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性約束時(shí)，必須分析工作裝置在作業(yè)過程中，連桿機(jī)構(gòu)可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)干涉友“死點(diǎn)”位置。這是機(jī)構(gòu)成立的必要條件。裝載機(jī)工作裝置干涉問題比較復(fù)雜，但可歸納為三大類：第一類是連桿機(jī)構(gòu)本身的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性，如工作裝置在作業(yè)運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)的極限位置而引起機(jī)構(gòu)構(gòu)件間的干涉問題；第二類是連桿機(jī)構(gòu)與工作裝置其它構(gòu)件間的干涉問題，如搖臂與橫梁、前車架等之間的干涉；第三類是動(dòng)臂舉升缸與轉(zhuǎn)斗缸間的干涉問題。干涉問題是裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)中很棘手的。這里主要研究第一類。
為了防止鏟斗卸載時(shí)連桿機(jī)構(gòu)超過極限位置，并使其產(chǎn)生一定的撞擊，以使鏟斗中的物料卸凈，常裝設(shè)鏟斗前傾限位擋塊，一般設(shè)在鏟斗與動(dòng)臂橫梁之間及搖臂與動(dòng)臂之間。鏟斗前傾限位擋塊的裝設(shè)給連桿機(jī)構(gòu)帶來了干涉問題，如當(dāng)鏟斗在較低位置卸載后提升動(dòng)臂時(shí)，由于動(dòng)臂與搖臂相碰，使得它們不能相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而且迫使鏟斗油缸活塞向外拉，此時(shí)動(dòng)臂油缸的作用力臂比轉(zhuǎn)斗油缸的作用力臂大得多，所以轉(zhuǎn)斗油缸的作用力P比動(dòng)臂的作用力P大得多，而動(dòng)臂油缸又是大腔作用，轉(zhuǎn)斗油缸則是小腔作用；因此轉(zhuǎn)斗的油缸中的作用力可能比系統(tǒng)壓力高的多，這樣會(huì)造成轉(zhuǎn)斗油缸油封損壞或引起軟管破裂。為了克服這種現(xiàn)象，在液壓系統(tǒng)中轉(zhuǎn)斗油缸的小腔設(shè)有限壓閥，當(dāng)小腔受力較大時(shí)，限壓閥打開油泄出，活塞桿伸長(zhǎng)，使構(gòu)件能夠運(yùn)動(dòng)。
此外，連桿的設(shè)計(jì)還有相似設(shè)計(jì)方法，此方法原理是把工作裝置六桿機(jī)構(gòu)分成兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，具體是分為鏟斗四連桿和鏟斗油缸四連桿機(jī)構(gòu)，正如原來所述得分解方法。相似設(shè)計(jì)可以根據(jù)已有的連桿設(shè)計(jì)很容易的相似設(shè)計(jì)出新的連桿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)。在這里沒有應(yīng)用到所以不在詳細(xì)介紹。
第四章：工作裝置的限位機(jī)構(gòu)
采用限位機(jī)構(gòu)能使操作簡(jiǎn)便，減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率及防止連桿機(jī)構(gòu)越過極限位置而造成死機(jī)。
4.1． 鏟斗前后傾角限位機(jī)構(gòu)
一般應(yīng)在鏟斗在最低位置時(shí)的后傾角（需要在鏟斗后壁安裝上限位塊）及在最大卸載高度時(shí)的卸載角（需要在鏟斗后壁安裝下限位塊）。鏟斗轉(zhuǎn)角限位裝置通常采用簡(jiǎn)單的擋塊結(jié)構(gòu)，把