小型防爆装载机工作装置及操控机构设计

编号：（ ）字 号本科生毕业设计（论文）小型防爆装载机工作装置及操控机构设计潘亮 03101232机自07-10班题目： 姓名： 学号： 班级： 二一四年六月中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： 潘亮 学 号： 03101232 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械工程及自动化 设计题目： 小型防爆装载机工作装置及操控机构设计 专 题： 指导教师： 李宝林 职 称： 教授 二O一四 年 六 月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 机电工程学院 专业年级 机自10-10 学生姓名 潘亮 任务下达日期： 2014 年 3 月 10 日毕业设计日期： 2014 年 3 月 10 日至 2014 年 6 月 18日毕业设计题目：小型防爆装载机工作装置及操控机构设计毕业设计专题题目： 毕业设计主要内容和要求：设计内容1、 小型防爆装载机总体设计；2、 小型防爆装载机工作装置设计；3、 装载机的动力系统尾气防爆装置设计；4、 装载机的使用与维护。设计要求1. 设计小型灵活的井下防爆装载机，装载机以挖掘机为模型，采用履带行走机构，结合正铲铲斗，设计正铲结构工作装置；2. 装载机车身重量为6.6t，装载斗容为0.22m3车身高度不超过2.5m，最大挖掘半径小于4.5m，装载机工作臂最大举升高度不超过5m；3. 发动机采用经过防爆处理后的柴油机，功率为50KW，配置进排气防爆与尾气水洗处理，排气管采用外套水冷装置；4. 一篇3000字以上的论文翻译，绘制图纸（3.5张零号图纸）和一份说明书。院长签字： 指导教师签字： 中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要装载机是一种作业效率高、机动灵活、用途广泛的工程机械，然而装载机的使用主要集中在露天和地下工程隧道上，对于煤矿井下尤其是小型煤矿这样生产能力小、机械化程度低、劳动强度大、瓦斯含量高、工作环境狭窄的情况，使得对小型防爆装载机的设计成为了必要性。本文主要对装载机工作装置进行设计，装载机工作装置是装载机直接实现铲料、装料和卸料的机构。因此工作装置的合理性直接影响着装载机的生产效率、工作负荷、动力与运动特性、不同工况下的铲掘效果、组成生产循环时间（包括铲取、举升、卸料和铲斗返回到原位时间）、外形尺寸和发动机功率等等。本文主要分六部分，首先对国内外地下装载机行业的发展进行概述、目前地下装载机存在的问题、未来的发展趋势，以及对小型防爆装载机的构思；第二部分是对装载机的总体结构设计；第三部分是对装载机工作装置的主要部件进行运动分析；第四部分对装载机各部件进行参数化设计，确定各部件的基本设计参数；第五部分对工作装置进行了受力分析；第六部分对动力系统的防爆装置设计，以及装载机今后的维护。本文通过对装载机工作装置的优化设计，从而提高装载机的整体作业效率，为煤矿的开采起到积极的作用。关键字： 装载机； 工作装置； 运动特性； 防爆装置ABSTRACTLoader is a kind of high efficiency, flexible and versatile engineering machine.However, loader is mainly use in open-air and understructure tunnel. According to the small coal mine, especially the low product, low mechanized degree, high labor intensity, high gas content and narrow working condition, caused to the small explosion loaders design into necessity.Loaders working device is a mechanism of the realization of directly shoveling, loading and unloading for the loader. Therefore, the rationality of working device directly affects many aspects of the loader such as efficiency production, workload, kinematical effects in different working conditions, cycle time of production(i.e. the time taken in shoveling, lifting, unloading and returning by bucket),outline size and engine power, ect.This article is mainly divided five parts. The first part will carry on the outline, the problem Appearance in underground loader, the development of the underground loader in the future, as well as to the idea to the small explosion loader. The second part is the loaders gross structure design. The third part carries on the movement analysis to the loader work installment major component. The fourth part carries on the parameterization design to loader various parts and determines various parts basic design parameter. The fifth part has carried on the stress analysis to the work installment. The last part is the design of the explosion-proof device for the the power system, and the maintenance of the loader in the future.This article through the optimization design of loader work installment to raises loaders overall work efficiency, which is positive to the coal mine mining.Key words: loader; work installment; state of motion; explosion-proof device 目 录摘 要81 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2小型防爆装载机及其特点11.2.1小型装载机在地下采矿中的作用11.2.2 小型防爆装载机的特点21.2.3 小型防爆装载机的不足31.3小型防爆装载机国内外的发展状况与发展趋势31.3.1小型防爆装载机国内发展状况31.3.2小型防爆装载机国外发展状况与发展趋势51.4小型防爆装载机的设计构思92 总体方案设计92.1引言92.2工作装置的结构102.3工作装置的运动学分析112.4 动臂及斗杆的结构形式122.5 动臂油缸与斗杆油缸的布置122.6铲斗与斗架油缸的连接方式132.7铲斗的结构选择142.8 原始几何参数的确定153 工作装置运动学分析153.1 动臂运动分析153.2 斗杆的运动分析173.3铲斗的运动分析193.4 特殊工作位置计算：214 基本尺寸的确定244.1动臂、斗杆、铲斗及连杆机构的参数确定244.2斗形参数的确定264.3液压缸长度的校验275 工作装置受力分析295.1位置模型的建立295.2 力学模型的建立305.2.1力臂的计算分析305.2.2 挖掘阻力的分析315.3 装载机稳定性分析326 工作装置受力计算356.1 液压缸的确定356.1.1 液压缸的设计要求356.1.2 液压缸受力分析366.2 动臂、斗杆的校核426.2.1动臂的强度校核426.2.2 斗杆强度校核457 销轴衬套设计487.1 销轴的设计487.2 销轴用螺栓的设计497.3 衬套的设计498 防爆装置设计508.1 防爆动力装置设计508.2 排气净化系统设计508.2.1 排气净化系统的组成508.2.2 冷却净化箱的设计528.3 冷却及补水系统的设计558.3.1 冷却系统的设计558.3.2 补水系统的设计559 装载机的维护保养579.1 燃油的管理579.2 其它用油的管理579.3 润滑油脂管理579.4 滤芯的保养589.5 定期保养的内容58参考文献60翻译部分61英文原文61中文译文76致谢891 绪论1.1 课题研究的背景和意义 装载机是一种广泛应用于公路、铁路、港口、码头、煤炭、矿山、水利、国防等工程和城市建设等场所的铲土运输机械，其主要功能是对土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料进行铲装及短距离运输作业，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业，换装不同的辅助工作装置还可进行推土，起重和其他物料如木材的装卸作业。在道路,特别是在高等级公路施工中,装载机用于路基工程的填挖，沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业，此外还可进行推运土壤，刮平地面和牵引其他机械等作业，由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。1装载机是用途广泛的工程机械设备，装载机的工作装置则是装载机的重要组成之一。对装载机的工作装置进行详细的分析能够提升国内工程机械的设计、制造水平，增加国内工程机械厂的竞争力，促进我国装备制造业的整体实力的提高，对国民经济的发展也具有重要意义。装载机是促进矿山生产向现代化、机械化转变的新机械，将成为矿山工程机械的主要产品之一。而目前，某些煤炭开采装载类机械的设计安全系数选取未最优化，而导致其成本不够合理，使得这些机械的使用和普及受到限制。随着科学技术突飞猛进的发展，实现矿山的机械化开采是提高煤矿工作效率以及安全生产的重要组成部分，因此对于矿山井下作业的开采装载机进行合理的设计研究是很有利于未来煤矿自动化开采，使企业发展和谐化，达到效率与安全生产同步发展。也由于在保证提高工作开采效率和煤矿安全生产的前提下，对煤炭地下开采装载类机械进行“减肥”大有必要，轻型化、小型化和绿色环保的煤炭地下开采装载类机械呼之欲出，目前我国在底下开采设备的设计和制造水平与国外相比还有一定的差距。鉴于此，提出了小型防爆装载机工作装置及操控机构设计理论研究课题。1.2小型防爆装载机及其特点1.2.1小型装载机在地下采矿中的作用地下矿的开采，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地下矿体接通，建成完整的运输、通风、排水的井巷工程系统。 采准是掘进形成采区区域内的一些巷道及为了回采工作的需要而开拓的自由空间。回采就是做完采准后，在采矿工作而进行落矿、装运和进行相应的管理作业。装载工作是整个地下采矿的重要环节。其工作量最繁重，费时间最多，对采矿生产效率影响最大。据统计，在掘进工作循环中，消耗于这一工序上的劳动量占循环时间的30%-40%。在井下回采出矿中，装载作业也同样占很大比重。正因为如此，国外许多国家十分重视装载机械的开发、推广和使用。据报道，西方世界约85%以上的矿山采用了地下装载机，俄罗斯1993年开采了1800万t有色金属矿，用地下装载机出矿占57%以上，可见地下装载机在国外的矿山采矿中所起的作用。我国从20世纪70年代中期开始使用地下装载机以来，已有50多个矿山使用了地下装载机出矿。目前拥有各种地下装载机1000台以上，并以每年10%的速度增加。但是由于装载机作业工作环境十分恶劣，任务繁重，机器的有效利用率还很低，加之历史原因，我国绝大部分矿山还是用装岩机。电耙出矿。生产效率不高，所以如何有效地提高现有装载机的生产能力，缩短装载机作业时间，延长地下装载机的是用寿命，如何提高我国地下装载机的设计制造水平，努力提高地下装载机的设计制造质量、研制井推广更新的、更先进的、高效率的地下装载机，无疑对加快采掘速度，提高采矿效率，降低采矿成本，改善劳动条件将起到十分重要的作用。 可以说，无论国外或国内，地下装载机已成为地下矿强化开采的重要设备。1.2.2 小型防爆装载机的特点 地下装载机不同于露天装载机。它是专门为地下作业而设计的一种矮车身，进行装、运、卸联合作业的设备。 它既可以用于采场出矿、出渣。又可以向低位的溜井卸矿，也能向较高的运输车或矿车卸矿，还可以用颤抖运送辅助材料、机械设备、修路、铺路。铁路、公路的隧道工程也可以使用，用途十分广泛。 地下装载机又叫地下铲运机。它与其他的地下装载设备比较起来具有很多优点：（1） 生产能力大，效率高。根据许多资料介绍，2的地下装载机的生产率比同等条件下的电耙或高出12倍，而且出矿成本也有所下降。对矿井建设方面，采用无轨设备开采地下矿，能加快矿山的开拓速度，它是加速矿山建设的一个重要途径。（2） 机动灵活，活动范围很广。以柴油为动力的地下装载机，摆脱了轨道、风管或电缆的束缚，使机器提高了机动性。地下装载机由于采用铰接车架，转弯半径小，它适合于狭小的矿山巷道和场地的作业条件。又由于牵引力大，可爬很陡的坡，因此适合下井作业条件。（3） 大大改善了司机的作业条件。四级室都是按照人机工程学原理设计的。使司机操作更舒适更安全。特别是大量的电子技术、计算机技术在地下装载机中得到广泛使用，自动化程度愈来愈高，大大减轻了司机的疲劳，改善了作业环境，从而大大提高了生产率。21.2.3 小型防爆装载机的不足 尽管地下装载机比较灵活，但是仍然存在以下不足。（1） 由于工作环境的恶劣以及工作强度的强大，加上长时间的工作，使得轮胎磨损相对正常工况下严重。（2） 在地下作业的装载机的动力装置为柴油机，在工作后会产生废气，加之用于煤矿，更需要对废气的净化和防爆做好近一步的解决。（3） 在工况恶劣的环境下，地下装载机的故障率会有所增高，也就导致了维修费用的加大，因此有必要进一步的提高地下装载机的稳定性。（4） 数字化、机械化、高效化对工人与管理人员的素质要求较高。1.3小型防爆装载机国内外的发展状况与发展趋势1.3.1小型防爆装载机国内发展状况如果说从1958年美国Wagner公司开发的NS-1型橡胶轮铰接前端氏铲运机算起，地下装载机的发展有了近53年的历史了。我国从20世纪70年代开始使用地下装载机。当时在浙江象山和山东黄岛地下油库的施工中使用瑞典LM-164型地下装载机。1976年长沙矿山研究院、天津工程机械研究所与柳工工程机械厂在ZL50型露天装载机的基础上改进设计出我国第一台地下矿用装载机DZL50型地下装载机。20世纪70年代末，北京矿冶研究总院与太原矿山机器厂在吸收法国样机TLF-4先进技术的基础上，设计出国产化WJ-1.5全液压内燃地下装载机。同一时期，马鞍山矿山研究院与锦州矿山机械厂联合研制出当时国内最大的WJ-4型内燃地下装载机。1980年厦门工程机械厂在ZL-40型露天装载机的基础上生产了斗容为20立方米的DZL-40型内燃地下装载机。20世纪80年代初，河北铜矿进行了用波兰LK-1型内燃地下装载机底盘，改装电动铲运机的试验；南昌矿山机械研究所与南昌通用机械厂等合作，在吸收国外先进技术的基础上研制出国产化WJD-0.75型电动地下装载机。1984年通过部级鉴定。1984年南昌矿山机械研究所与江西拖拉机厂合作研制了全国产化得WJ-2型内燃地下装载机，并小批量生产。1985年衡阳有色冶金机械总厂从美国EIMCO公司引进全套技术，合作生产了斗容为1.72的内燃与电动922型地下装载机；嘉兴冶金机械厂从美国Wagner公司引进生产技术，合作制造了ST-D、EST-5C与HAST-0.5型地下装载机。1987年该厂与长沙矿山研究院在消化G.H.H LF-4.1地下装载机的基础上研制成功CY-35B型2的内燃地下装载机。1987年北京矿冶研究总院与江西拖拉机厂共同研制了WJ-1型内燃地下装载机。1987-1988年南昌矿山机械研究所与南昌通用机械厂进一步合作研制成功WJ-0.75、WJ-2型内燃地下装载机、WJD-2电动装载机，两单位与美国合作生产了WJD-0.4型微型电动地下装载机。与此同时，长沙矿山研究院与南昌通用机械厂联合研制WJ-1.5内燃地下装载机与WJD-1.5电动地下装载机。1990年太原矿山机械厂生产WJ-2.7型内燃地下装载机。1991-1992年衡阳有色冶金机械总厂分别与美国EIMCO公司、Wagner公司合作并与金川有色公司合作制造了10台928型我国最大的内燃地下装载机；与安庆铜矿合作制造了2台ST-5C内燃地下装载机；1993年与广东凡口铅锌矿合作制造了6台ST-3.5内燃地下装载机。1993年长沙矿山研究院与吉林冶金机械厂合作生产了JYD-3.8型2电动地下装载机。1995年南昌通用机械厂试制了一台WJD-3型电动地下装载机。1996年衡阳冶金机械总厂与金川有色公司、长沙矿山研究院合作自行设计成功3台我国最大的6CY-6型内燃地下装载机。同时，衡阳有色冶金机械总厂与山东鲁中冶金矿山公司合作制造成功CYE-1.5电动地下装载机。1997年衡阳有色冶金机械总厂设计制作成功CY-2地下装载机。1998年，衡阳有色冶金机械总厂与长沙矿山研究院、广西高峰锡矿责任有限公司合作制造我国最先进的CY-4型地下内燃装载机。目前衡阳有色冶金机械总厂已成为我国品种最全、且已基本系列化的地下装载机制造厂家。在1995-1997年，金川有色公司同北京科技大学合作生产了JCCY-2、JCCY-6、JCCY-4内燃地下装载机及JCDCY-4型电动地下装载机。除此之外，20世纪80年代中期，中条山有色金属公司试制了一台架线式地下装载机。长沙矿山研究院分别和凡口铅锌矿、广西大厂矿务局共同试制了YK-1型和YK-5型遥控地下装载机。经过26年的发展,不断有新的企业加人制造地下铲运机的行业。但也有不少企业因为各种原因退出这个行业。最多时全国共有14个企业制造地下铲运机。目前主要只剩下各有特色的衡阳有色冶金机械总厂力达铲运机有限公司，南昌通用机械有限公司，金川集团机械制造有限公司，北京安期生技术有限公司等四家公司。主要的产品有电动地下铲运机（有斗容0.4、0.75、1、1.5、2、4 五种规格），柴油地下铲运机（有斗容为1、1.5、2、3、4、6 六种规格）。目前有一个值得注意的动向是有许多矿山开始制造地下铲运机。 总之，我国地下铲运机通过近几十年的发展，从无到有，从小到大，从单一品种到多品种，从仿造到独立开发，已基本上完成了地下铲运机系列化，为我国矿山发展做出了贡献。 但我们不能不看到，我国的地下铲运机仍处于发展阶段，其质量、数量、品种还远远满足不了我国矿山的发展，每年还必须从国外进口大量的各种型号的地下铲运机。这种现象还需要经过我们若干年的努力，才能逐步改变这种被动的局面。21.3.2小型防爆装载机国外发展状况与发展趋势在进入21世纪时，国外地下装载机制造厂呈现出与10年前完全不同的景象。他们为了适应市场和用户的需求，各厂家不断调整自己的产品结构，形成了新的产品系列。为了激烈的市场竞争，他们不断采用新技术，推出新产品；由于采用新结构、新技术，从而加速了地下装载机的发展与生产能力的提高。近两年，各地下装载机的订货在不断增加，同时各用户也对地下装载机提出了更高的要求，地下装载机各制造厂家也不断地对自己的产品结构进行调整和完善，形成了新的产品系列。目前国外的地下装载机的发展方向已经从传统中脱离出来，根据国外最新研制的地下装载机特点,当前国外地下装载机制造公司及其各自产品类型。从安全、舒适、节能、环保、多样、可靠、高效等方面出发，将个指标纳入其中，成为今后地下装载机的发展方向。一、安全、舒适现代地下装载机的安全和操作舒适性包括三个方面:安全法规和标准、人机工程学、自动化。（1）安全法规和标准随着采矿由露天向地下发展,由地下浅层向深层发展,采矿作业条件愈来愈恶劣,采矿技术与设备复杂程度也不断提高,设备研制与使用过程中风险也随之增加,采矿设备安全性问题愈来愈受到世界各国政府和行业的重视。纷纷制定了大量详细严格的相关法规、标准。例如,美国MSHA(美国矿山安全健康局),OSHA(美国职业安全与健康局),EPA(美国环境保护局),N IOSH(美国职业安全与健康协会)制定了地下无轨采矿设备安全、健康与环保方面的法规与标准。如ROPS、FOPS、噪声、振动、发动机废气排放、空气质量、制动、遥控、电气、人机工程学等方面的安全法规和标准。地下无轨采矿设备使用者和厂商都必须遵守这些法规与标准。同时还要经过相关的权威机构认证,才能生产、销售与使用。正因为如此,地下装载机和操作人员的安全就有了法律保证。我国机械、采矿、卫生部门也制定了大量相关安全法规与标准。在1997年,由南昌矿山机械研究所起草的JB851721997“地下装载机安全要求”正式执行。全国矿山机械标准化技术委员会决定在2008年制订“地下装载机安全要求”国家标准。 （2）人机工程学由于地下采矿条件的十分恶劣,意外事故经常发生,对司机的安全、健康和设备的影响很大。根据国外统计表明,人机工程学因素是造成地下无轨采矿车辆(包括地下装载机)意外事故发生的重要原因,它不仅严重影响了地下装载机的生产效率,更重要是危害了车辆和司机的健康和安全,严重的导致车毁人亡。正因为如此,人机工程学已愈来愈受到人们的重视。专门用于地下无轨采矿车辆的“地下无轨采矿车辆人机工程学”因此而产生。许多国家还专门制订了这方面的标准。所有新型号地下装载机都采用地下无轨采矿车辆人机工程学原理设计,部分老型号的地下装载机也按无轨采矿车辆人机工程学原理进行改造。无轨采矿设备车辆人机工程学已在地下装载机的设计、制造和使用中起到愈来愈大的作用。所谓无轨采矿车辆人机工程学是指“人(驾驶员)车(地下无轨采矿车辆)环境(作业区)系统为对象,以改善驾驶员的劳动条件和舒适、高效、安全为目标的一门科学”。无轨采矿车辆人机工程学一般包括下面14个方面的内容:矿山人体测量学和生物力学;司机的视线;司机工作室设计;司机的保护;司机室的入口与出口;控制器的位置与设计;显示器的位置与设计;标签与使用说明;司机座椅设计;环境(温度、湿度、噪声、振动、通风、有害气体浓度);灯光;警告系统;维护保养,培训。目前采用人机工程学已成为地下无轨车辆安全法规和标准一个重要内容,也成为地下装载机发展的一种趋势,因此也使得地下装载机变得愈来愈安全,司机工作愈来愈舒适。（3）自动化地下采矿条件远比露天恶劣,特别随着采矿深度的增加、地热、岩石压力也随之增加,对人与设备的危害也愈来愈大,为了保证人员与设备的安全,地下装载机自动化程度也在不断提高。目前地下装载机自动化已发展到第四代。第一代地下装载机是人工操作,由于人在机器上操作,存在着能见度与安全问题。第二代所谓视距操作,即人离开机器,站在作业危险区之外,在视距范围以内通过无线遥控装置,操作地下装载机装载、运输与卸料。包括无线电遥控和视频遥控。第二代地下装载机同样存在着安全、效率和能见度问题。第三代地下装载机可远距离操作,即操作者于远离作业区的控制室内,控制地下装载机的装载、运输与卸料循环。如果操作者不专心,稍一疏忽,同样也会发生意外事故。第四代整个作业过程全部实现自动化。例如CAT公司的M I2NEGEM系统和TAMROCK公司的AUTOM INE系统就是一例。当前自动化的内容包括:通信;定位;导航;设备改造;机载计算机硬件、软件;电子技术;采矿技术;组织管理;传感技术;系统集成。当前地下装载机自动化技术正向着可视化、集成化、智能化、网络化方向发展。下一步的发展就是智能机器。智能系统可以模仿、延伸和扩大人类智能系统,可实现某些机器思维。二、节能与环保由于传统的能源资源逐渐匮乏(世界原油可采年限为43a,天然气为62a,煤炭为200a)燃烧效率很低,约为30%,而且不可再生。因此节能增效是世界各国的任务。传统能源给环境造成污染,特别对地下矿山封闭空间空气质量造成的污染,对人类的健康和生命造成危害。因此节能与环保一直是地下装载机发展的方向。人们也一直采取各种措施减少发动机排放对环境的污染,研究新的能源办法。为了减少发动机排放对环境污染和对人类健康和生命造成的危险,对发动机排放要求愈来愈严格,如上所述,最新开发的ST-1030和TORO 6地下装载机等发动机的排放已达到EPA Tire3和EURU4排放标准。（1）燃料电池地下装载机燃料电池是一种新的能源,其开发已有100多年历史,但真正用在地下装载机上却是上世纪90年代末才开始。最早是美国WAGNER公司在ST28地下装载机上试验。21世纪初美国CAT等公司在R1300型地下装载机上试验。目前加拿大M TI公司在自己生产的地下装载机上试验用燃料电池,这种试验有逐渐扩大趋势。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂的化学能转化为电能的发电装置。当不断向燃料电池供给燃料和氧化剂时,它可以连续发电。燃料电池无污染,噪声低,效率高,仅管燃料电池地下装载机正在试验中,但可以预料它具有强大的生命力和发展前景。4（2）生物柴油生物柴油是传动柴油的代用品,是可再生的清洁新能源。在国外已用于地下装载机并取得了很好效果。生物柴油以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木颗实,工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油为原料制成的液体燃料,是优质石油柴油的代用品。生物柴油是典型的“绿色能源”,大力发展生物柴油对经济的可持续发展、推进能源替代、减轻环境压力、控制大气污染具有重要的战略意义。与常规柴油比较,生物柴油是有无可比拟性能:有良好的环保性能,有害气体排放低；具有较好的低温发动机启动性能；具有较好的润滑性能,使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低,使用寿命长；具有较好的安全性能,闪点高,不属危险品；具有良好的燃料性能,十六烷值高；具有可再生性能,作为可再生能源,与石油储量不同；无须改动柴油机,可直接添加使用；生物柴油以一定比例与石化柴油调合使用,可降低油耗,提高动力性能,并降低尾气污染。柴油作为一种重要的石油炼制品,在各国燃料结构中,有较高的份额,已成为重要的动力燃料。随着世界范围内车辆柴油化趋势加快,未来柴油的需求量会愈来愈大。而石油资源日益枯竭和人们环保意识的提高,大大促进了世界各国加快柴油替代燃料的开发步伐,尤其进入了21世纪,生物柴油以其优越性能受到各国的重视。5（3）混合柴油电动地下装载机和HYDR IVE地下装载机混合柴油电动地下装载机和HYDrive地下装载机,是当今世界上最先进最节能最环保的地下装载机之一。仅管还处在试验之中,但从初步试验来看,节能与环保的效果相当明显,已引起了世界同行的重视和密切关注。（4）绿色柴油机技术目前地下装载机广泛采用的动力仍是柴油机。为了达到愈来愈严格的排放标准和节能,广泛采用绿色柴油机技术。所谓绿色柴油机技术是柴油理化成分能达到要求、排放物低于国家标准、废发动机易解体、便于循环利用。该技术是柴油机技术的突破,一般包括三部分。(1)燃油品质。低硫(含S小于35010-6)超低硫(含S小于5010-6)与无硫技术。我国地下装载机普遍采用轻柴油,含硫0.2%。(2)柴油机机内处理技术。高压燃烧喷射技术、进气涡轮增压技术、进气中冷技术、废气再循环技术、电子燃油喷射技术、燃烧室改进技术。(3)后处理技术。氧化催化净化器(DOC)、颗粒物过滤器(DPF)及再生技术、氧化催化净化器和颗粒物过滤器组合净化器。除了上述共同的技术之外,各柴油机制造厂还有自己的专利技术,如CAT公司2003年开发,在2006年采用的ACERT2先进的燃烧排放减少技术;DETRO IT公司著名的DDEC(底特律柴油机电子控制系统)从1985年开发第一代电子控制系统到2004年开发第五代电子控制系统,2006年又开发出第六代电子控制系统。该系统适用于底特律新型过滤器即DOC(柴油机氧化催化净化器)和DPF(柴油机颗粒过滤器组合在一起的复合型过滤器,该过滤器是为达到2007年新的排放标准而设计的。当过滤器工作一段时间后,不可燃烧的灰尘积在DPF上,该系统的传感器就会警告DDEC,提醒用户,过滤器需要清理或换新的过滤器。综上所述,地下装载机发动机排放对环境的影响及节约能源基本方法主要从两方面入手:一是源头,二是后处理。除了上述发动机的节能与环保技术外,地下装载机还发展了其他节能技术,如液压系统中采用负荷传感技术,液压合流技术等。三、多样化多样化是当今地下装载机发展的另一个重要特点。由于地下装载机利用率很低,一般低于60%,为了充分发挥地下装载机的潜力,提高其经济效益,地下装载机制造厂商纷纷推出一机多用的地下装载机,即把地下装载机的工作机构通过快换机构临时换成其他用途的工作机构。扩大地下装载机的功能。例如,为了修路,可换成液压破碎机,就地取材,破碎废石,修理路面；为了平整路面可换成压滚机,作压路机和平地机用；为了搬运物料,又换成铲叉成叉车；换上起重臂就作起重机用；为了在爆破后清除岩石表面松动的石头(浮石),以防其后的工序中崩落,伤害人身与设备,把地下装载机工作机构换成支臂机构和液压破碎锤就成了撬毛车等。除了生产标准高度的地下装载机外,还大力发展低矮型(机高小于1.5m)地下装载机。原来生产低矮型地下装载机的只有加拿大EJC公司,现在发展到几乎每个公司都生产。原来只有小型地下装载机有低矮型,现在大、中型地下装载机也有低矮型。而且还开发出超低矮型(机高1m左右)。这种发展趋势主要是适应薄矿层开采之故。原来地下装载机只采用德国道依茨、卡特发动机,后来增加康明斯和底特律发动机,现在又有了奔驰发动机。地下装载机的动力选择范围扩大了,选择余地更多了。原来地下装载机传动系统主要采用液力机械传动、静液压传动。现在又开发出全液压传动,原来传动部件主要采用德纳公司、卡特公司产品,现在又可采用KESSER公司驱动桥的JOHN DEERE公司变速箱。现地下装载机无论是功能、零部件还是控制并不局限于某一种，而是呈现多样化,这就是当代地下装载机发展的另一个重要特点。四、可靠现代地下装载机发展还有一个重要特点是可靠。地下装载机可靠与否与很多因素有关,如设计、制造试验、使用。其中采用世界上顶级的零部件是保证地下装载机可靠的重要措施之一。如发动机采用道依茨、卡特、底特律、康明斯公司的;传动件采用德纳公司、卡特公司的;轮胎采用普林司通公司、米其林公司的;液压元件采用力士乐公司等。由于零部件可靠,从而保证了整机的可靠性。五、 高效随着科学技术的发展和人们对环保的重视,地下装载机愈来愈安全,愈来愈可靠,自动化程度愈来愈高,操作舒适性也愈来愈好,最终生产量大幅度提高。如图1-1所示：图1-1摘自德国RWTH2Aachen大学Future development in underground m ining一文。该文介绍了地下采矿方法、设备(包括LHD)的过去、现在、近期和远期的发展。图20表示每人每年产矿量随着时代的变迁和生产方式的变化而大幅度的提高,这也说明了高效是地下采矿技术和装备的(包括LHD)发展的方向与目的。5 图1-1生产量与生产方式之间的关系1.4小型防爆装载机的设计构思本处我们以煤矿井下作业为装载机的工作环境，鉴于工况，对于地下装载机有以下几个要求小、灵活、机动。鉴于此，提出了小型防爆装载机的设计构思，小型防爆装载机，借助于挖掘机的履带行走机构及车身部分，通过对工作机构的改进设计，使得装载机能更好的满足生产的需求，提高工作效率。（1） 车身及行走机构设计。小型防爆装载机以挖掘机的行走机构及车身 部分为基础，由于履带行走机构具有牵引力大、接地比压低、爬坡能力强、转弯半径小等优点，再加上通过车身的旋转，可以减少装载机的卸斗时间，从而大大提高了装载机的工作效率。（2） 工作装置设计。通过对工作机构的铲斗、大臂、摇杆、连杆的设计，使装载机在满足工作的要求的同时，进一步的发挥它的机动灵活性。在对铲斗的设计中，采用了侧翻的机构设计，可以很好的节省了作业的空间，达到了更小的小型化设计。（3） 在对于装载机工作中产生的废气及防爆处理。小型防爆装载机的动力系统采用防爆柴油机，配置进气防爆、尾气防爆与尾气水洗、排气管采用外套水冷装载。2 总体方案设计2.1引言 小型防爆装载机是从单斗液压正铲挖掘机演化而来，单斗液压正铲挖掘机是一种采用液压传动并以铲斗进行挖掘作业的机械。它是在机械传动单斗挖掘机的基础上发展而来的，是目前挖掘机械中重要机种之一。它的作业过程是以铲斗的切削刃（通常装有斗齿）切削物料并将其装入斗内，斗装满后提升、回转至卸料位置进行卸载，卸空后铲斗再转回并下降到挖掘面进行下一次挖掘循环。当挖掘机挖完一段作业面后，机械移位，以便继续工作。 正铲装置（尤其是专用正铲）由于土质较硬，工作面较大，挖掘方向和整机稳定性等因素限制，一般均采用斗杆液压缸工作进行挖掘，动臂液压缸有时也进行配合挖掘。铲斗液压缸主要用以调节切削角、切削厚度.清除障碍以及挖掘结束时为装满铲斗而进行的装载动作。正铲主要用于装车工况，应满足一定的卸载高度要求；此外在许多工程中还常常要求能清理和平整作业场地，希望铲斗能沿着水平面运动，这些要求在正产液压挖掘机上都比较容易的得到满足。因此在露天采矿、水利建设等工程中液压正铲挖掘机都得到了越来越广泛的应用。2.2工作装置的结构 正铲装置由动臂1,斗杆2,铲斗3,以及动臂油缸4,斗杆油缸5，铲斗油缸6和连杆机构7等组成。其中动臂和动臂油缸,斗杆和斗杆油缸，铲斗和铲斗油缸分别组成动臂机构,斗杆机构,和铲斗机构。如图2.1所示。1动臂；2斗杆；3铲斗；4动臂油缸；5斗杆油缸； 6铲斗油缸；7连杆;8曲柄图2-1 正铲液压挖掘机工作装置和反铲动臂相比，正铲动臂较短并且是单节的。动臂趾部铰支在转台上，动臂油缸(大型一般为双杠)的活塞杆端与动臂中部铰接。动臂在转台上的铰点和动臂油缸在转台上的铰点不在同一水平面上，动臂铰高于油缸铰并且靠后(靠近回转中心，但一般仍在中心的前方)，这样的铰点布置能保证动臂具有一定的上倾角和下倾角，以满足挖掘和卸载的需要，同时也保证了动臂油缸具有必要的作力臂。斗杆的一端与动臂头部铰接，斗杆油缸的缸体支承在动臂上，活塞杆端则与斗杆中部铰接。由于正铲以斗杆挖掘为主，因此这样的结构布置适合正铲的工作，油缸大腔进油可以获得较大的挖掘力。正铲斗铰接在斗杆的端部，铲斗油缸的缸体端支承在斗杆中部，正铲的转斗不是主要挖掘方式，但它必须满足破碎、装斗、调整切削角、卸载等的需要。9 在实际装载作业中，由于土质情况、装载面条件以及装载机液压系统的不同，正铲装置三种液压缸在装载循环中的动作配合可以是多样的、随机的。上述过程仅为一般的理想过程。挖掘机工作装置的大臂与斗杆是变截面的箱梁结构，铲斗是由厚度很薄的钢板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉压载荷的杆。挖掘机的工作装置经简化后实质是一组平面连杆机构，即工作装置的几何位置由动臂油缸长度L1、斗杆油缸长度L2、铲斗油缸长度L3决定，当L1、L2、L3为某一确定的值时，工作装置的位置也就能够确定。62.3工作装置的运动学分析正铲液压挖掘机工作装置机构简图如图 2.2 所示，该装置是一个平面连杆机构，主要由动臂 AB、动臂缸 FD、斗杆 BG、斗杆缸 CH、铲斗 GJ、铲斗缸 EI以及连杆机构等七个运动部件组成。该机构具有两个构造特点：一是动臂机构能够实现浮动；二是铲斗缸铰接在动臂上，在某一瞬时位置，四边形 BGIE 为一个近似平行四边形。当操纵斗杆缸时，首先因动臂缸浮动而使斗齿尖始终与地面接触；其次因铲斗缸铰接在动臂上具有牵连作用，使铲斗在绕斗杆与动臂铰点 B 转动的同时又绕铰点G 作反方向转动，所以在机构设计合理的前提下，仅操纵斗杆缸就能实现水平铲装作业。否则还需操纵动臂缸和铲斗缸才能实现这一作业工况。11图 2-2 小型防爆装载机机构简图2.4 动臂及斗杆的结构形式整体式动臂其优点是结构简单，质量轻而刚度大。整体式动臂分为直动臂和变动臂两种，在一般条件下，正铲的动臂采用整体式直动臂。其中直动臂结构具有简单、质量轻、制造方便等优点。斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机采用整体式斗杆。在本设计中由于不需要调节斗杆的长度，故也采用整体式斗杆。2.5 动臂油缸与斗杆油缸的布置1、动臂油缸的布置动臂油缸装在动臂的前下方，动臂的下支承点（即动臂与转台的铰点）设在转台回转中心之前并稍高于转台平面10，这样的布置有利于控制动臂的升降。油缸活塞杆端部与动臂的铰点设在动臂箱体的侧面，并且布置中，动臂油缸在动臂的两侧各装一只，这样的双动臂在结构上起到加强筋的作用，以弥补前面的不足。如图2-3所示：1-动臂； 2-动臂油缸图2-3 动臂油缸铰接示意图2、斗杆油缸的布置7 斗杆油缸的布置是多种多样的,可以取粗短的油缸（S大,l小）,也可以取细长的油缸（S小,l大）。从生产率来看,只要Sl值一定,无论是粗短油缸还是细长油缸,完成一个总挖掘行程所需要的液压油总容积都是一样的,因此完成一个