毕业设计（论文）-ZL50型装载机工作装置设计.doc

绪论一、设计目的 毕业设计是学生理论联系实际的重要课题，是学生综合运用，巩固基础理论，专业设计和专业知识的机会。通过毕业设计，能够检查学生对所学知识掌握的程度，能够提高学生解决实际问题的能力和独立工作的能力，并掌握机械设计的一般方法，步骤。所以毕业设计是学生获得知识的重要环节。 装载机属于铲土运输机械类，是一种通过安装在前端一个完整的铲斗支撑结构和连杆，随机械向前运动进行装载或挖掘，以及提升，运输和卸载的自行式履带或轮胎机械。它广泛应用于公路、铁路、建筑、水电、港口和矿山等工程建设。装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此成为工程建设中土石方施工的主要机种之一，对于加快工程建设速度，减轻劳动程度，提高工程质量，降低成本发挥着重要的作用，是现代机械化施工中不可缺少id装备之一。 因此，要求设计者在设计过程中必须端正态度，严格认真，尽可能多的参看有关书籍，资料，刻苦钻研，对比分析，取长补短，大胆创新，以便做出高质量、高水平的设计成果。二、设计步骤及方法 本次设计说明书分为四部分，是对整个设计过程的描述和总结。第一部分：设计概述；第二部分：装载机总体设计，它为变速箱设计提供条件参数；第三部分：变速箱设计，此部分为变速箱设计的重要部分；第四部分：参考文献。 这次设计主要采用传统的以人工计算为主的设计方法，类比国内外现有成熟机型，从中选优，以便能更好地设计要求，本次设计的重点为zl50行星变速箱设计，由于本人知识水平有限，设计中必定存在不少错误，请老师和同学指正。三、设计背景 在经历了5060年的发展，到20世纪90年代中末期国外轮式装载机技术已达到相当高的技术水平。基于液压技术、微电子技术和信息技术的各种智能系统已经广泛应用于装载机的设计、计算操作控制、生产经营和维修服务等各个方面，是国外轮式装载机在原来的基础上更加精致，其自动化程度也得以提高，从而进一步提高了生产率，改善了司机的工作环境，提高了作业舒适性，降低了噪声、震动，保护了环境，最大的简化维修、降低作业成本，使其性能、安全性、可靠性、使用寿命和操作性能都达到了很高的水平。 主要有以下几点现状：产产品形成系列，更新速度加快并朝大型化和小型化发展；采用新结构、新技术，产品性能日趋完善；发展多种工作装置，不断满足市场需求；易于维修保养，注重环保。 综合上述现状和未来市场需求，国外轮式装载机在其未来技术发展中将广泛应用微电子技术与信息技术，完善计算机辅助驾驶系统、信息管理系统及故障诊断系统；采用单一吸声材料、噪声抑制方法降低机器噪音；通过不断改进电喷装置u，进一步降低柴油发动机的尾气排放量；研制无污染、经济型、环保型的动力装置；提高液压元件、传感元件和控制元件的可靠性和灵敏性，提高整机机电信一体化水平；在控制系统方面，将广泛采用电子监控和自动报警系统、自动换挡变速装置；普遍安装gps定位于质量自动称量装置。 而我国轮式装载机起步较晚，其制造技术是陆续从德国、美国和日本等国家引进的。目前，我国国内轮式装载机生产厂家群雄并立，并且有增无减，但国内的企业自主开发创新能力较弱，工艺装备水平和生产能力低，机械的可靠性，故障率，使用寿命，机、电、液一体化水平，外观质量，操作的灵活性和舒适性方面与先进国家产品相差较大。目前我国轮式装载机正在从低水平、低质量、低价位满足功能型向高水品、高质量、中价位、经济实用过度，各主要厂家也不断进行技术投入，采用不同的技术路线，在关键部件及技术创新，摆脱目前产品设计雷同，无自己特色和优势的现状，正在从低水平的无序竞争的怪圈中脱颖而出，成为装载机行业的领先者。其发展体现出以下趋势：大型化和小型化装载机，在几年的发展过程中，受到客观条件及市场总需求量的限制；各生产厂家根据实际情况，重新进行总体设计，优化各项性能指标，强化结构的强度和刚度，以使整机可靠性得到提高；优化系统结构，提高系统性能；利用电子技术及负荷传感技术来实现变速箱的自动换挡及液压变量系统的应用，提高效率、节约能源、降低装载机的作业成本；提高安全性、舒适性；降低噪声和排放，强化环保指标。我想随着我国的科技力量的不断进步，我国的装载机发展将在不久的将来赶上甚至超过国际先进水平。第一章 设计任务及要求1.1 课题名称（包括主要技术参数）及要求zl50型装载机工作装置设计装载机工作装置斗容：3额定载重量：5t柴油机功率：150最大卸载高度：2900最小卸载距离：1000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。1.2 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. 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 装载机的分类常用的单斗装载机，按发动机功率，传动形式，行走系结构，装载方式的不同进行分类。 1、发动机功率： 功率小于74kw为小型装载机。 功率在74147kw为中型装载机 功率在147515kw为大型装载机 功率大于515kw为特大型装载机 2、传动形式： 液力机械传动，冲击振动小，传动件寿命长，操纵方便，车速与外载间可自动调节，一般在中大型装载机多采用； 液力传动：可无级调速、操纵间便，但启动性较差，一般仅在小型装载机上采用； 电力传动：无级调速、工作可靠、维修简单、费用较高，一般在大型装载机上采用。 3、 行走结构： 轮胎式：质量轻、速度快、机动灵活、效率高、不易损坏路面、接地比压大、通过性差、但被广泛应用； 履带式：接地比压小，通过性好、重心低、稳定性好、附着力强、牵引力大、比切入力大、速度低、灵活性相对差、成本高、行走时易损坏路面。 4、装卸方式： 前卸式：结构简单、工作可靠、视野好，适合于各种作业场地，应用较广； 回转式：工作装置安装在可回转360o的转台上，侧面卸载不需要调头、作业效率高、但结构复杂、质量大、成本高、侧面稳性较差，适用于较侠小的场地。 后卸式：前端装、后端卸、作业效率高、作业的安全性欠好。 2.3 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。 2.4 国外轮式装载机的发展现状 1） 新产品不断推出 近年来，轮式装载机以围绕提高效率、降低成本为核心，继续向大型化、微型化发展，不断推出新产品，加速更新换代。 卡特彼勒公司90年代初推出cat966f轮式装载机，时隔1年又推出cat980f轮式装载机，它增加了斗容和功率。改善了性能、提高了可靠性。不久又推出更大的cat994轮式装载机，根据物料体积质量不同而选配l8 30m3的铲斗，机重170t；装有涡轮增压后冷的cat3516型柴油发动机牵引力大、加速性能好；加长的工作动臂增加了卸载高度，能对载重量218t的大型自卸汽车装载。 马拉松勒图尔勒(marathon letourneau)公司1990年和1994年在li100的基础上分别推出li400和li800型轮式装载机。l998年9月在美国塔克癣(tucson)召开的longding 2000年会上，该公司宣布正在开发的斗容204m3的l1350型轮式装载机将于21世纪初投放市场，供载重量150200t自卸汽车装载。 德雷塞(dresser)公司90年代初推出4000型轮式装载机，斗容1030m3、机重1518t，采用模块结构的传动系统，大功率、敏感按钮控制的液压系统z型单摇臂工作装置。优化的整体结构和湿式盘式制动器，具有自动调节和自动密封性能。 目前，全世界约有400台(功率大于750kw)大型轮式装载机应用在露天矿山和建筑工程，与大型自卸汽车配套使用。在发展大型轮式装载机的同时，微型轮式装载机以机动灵活、效率高、多功能和价格低廉赢得市场，发展甚快。如：日本古河公司生产的fl30-1型轮式装载机斗容034m3、机重23t；小松公司的wa30-1型斗容034rn3、柴油机功率20kw；丰田织机公司的斗容017m3、机重1t等这些微型装载机适用于建筑工地和地下矿山挖沟、平地、堆料等。 2） 新结构不断涌现 21 工作机构 卡特技勒公司推出组合式八杆机构。从地面到整个举升高度范围内具有平行移动的特点。它将快速连接器和塔架式机构设计成整体式工作装置，通过快速更换不同的辅助机构完成装卸、堆垛、扫雪、平地、清扫路面、推土、吊装、搬运和地表钻孔等作业，实现一机多能，减少用户设备投资。 德雷塞公司开发z型单臂工作机构并与高压液压系统相结台，为铲斗提供更大的掘起力；缩短装载工作循环，增加铲斗装满系数，大幅度提高劳动生产率。由于铰点少、杆件少，便于维修保养，降低维修费用。 22 传动机构 以卡特彼勒公司为代表的轮式装载机采用液力机械传动系统，其自动动力换档变速箱自动选择档位传动比，使换档在变速箱最佳效率点进行。该公司最近推出的stic(转向变速集成)系统，将转向和换档功能集成于一操纵手柄上，使操纵更加省力、轻便，换档更加平稳，可大幅度提高生产率。 以日本小松公司wa系列中小功率(小于125kw)为代表的轮式装载机采用新型集中式结构的驱动桥。它将主传动制动器和行星轮式终传动都集中在桥的中部，桥壳断面变化连续、平缓，内应力分布台理，从根本上防止因传统结构桥壳在轮边支承轴段应力集中断裂。轮端采用浮动密封结构，安装简便，有自动补偿功能，密封性能良好。该结构设计合理、基本零件少、工艺性好、性能好、可靠性高。 马拉松勒图尔勒公司的轮式装载机采用柴油机一发电机一电动轮传动，比液力机械传动系统简单。在整个作业中柴油发动机以恒定转速运转，减少燃油消耗，延长发动机寿命；无变速箱、传动轴等许多部件，提高了传动效率，操作维修方便，费用低；独立电动牵引马达为固态控制，反应迅速，减少车轮打滑和轮胎过渡磨损；设置了电动缓行器，不用工作制动停机，装料对位准确；整机重心低，行驶稳定性好，可靠性高。 23 液压系统 德雷塞公司轮式装载机液压系统用传感器接受柴油机转速信号，当转速下降时柱塞式变量泵便自动增加转向系统流量，以保持恒定的转向速度，在最大挖掘工况时可减少流量，减慢液压元件动作，以保持液压系统的动力平衡，减少液压系统热损耗，节省功率。卡特彼勒轮式装载机转向液压系统用负荷传感式溢流阀，使液压泵在负载决定压力下溢流，降低系统压力，提高了液压元件寿命。工作装置液压系统采用举升限位装置和下放自动定位装置，避免了机械限位时液压缸行程终了产生高压和冲击；装设的蓄能器能吸收冲击载荷，并对整机的纵向摇摆起阻尼作用；液压缸导向套处有三重密封，防止泄漏和肪尘。 24 司机室 新型轮式装载机司机室的设计充分考虑了人的生理需求，对仪表位置排列、操作手柄和踏板、司机座椅、能见度、防噪和隔振、温度调节等均符台人机工程学，使司机在舒适、轻松、安全环境下操作，提高工作效率。如卡特彼勒轮式装载机的司机室设有微机监控装置和可调悬挂式座椅，先导液压阀操纵铲斗控制手柄及流量放大转向系统等，使操作轻便、灵活，采用防滚翻保护结构(rops)和落体撞击保护结构(fops)符台iso标准要求。 3）自动化水平不断提高 微电子技术的突破性进展为轮式装载机自动控制、状态监测及视线范围内遥控技术的发展创造了条件。柴油发动机自动控制喷油系统、变速箱自动控制换档、性能参数和状态监测均取得重大进展，在视线内遥控作业已进入实用阶段，从而改善了性能，提高了可靠性，缩短了停机时间，增加了生产能力，降低了燃油消耗，取得了更大的经济效益。 31 柴油发动机自动控制喷油系统 卡特彼勒cat994d型装载机采用了cat3516b型柴油发动机，装有heui型电控喷油系统，根据外载荷有效控制功率和转速，发动机喷油泵随调速器动作，精确地对燃油进行调节、加压和供油，降低初始喷油速率，减少no 和hc，噪声小，燃油效率高。 32 变速箱自动控制换档 日本川崎重工公司的kld97z型轮式装载机采用自动控制换档的变速箱，可按装载机运转工况自动选择最佳档位，用微机控制离台器，从而简化操作、提高作业效率、减少冲击，实现平稳换档；电子控制装置、传感器等使用可靠，一旦控制系统发生故障，可用手动换档，不影响工作。 33 设备状态监测 卡特彼勒开发的电子监控(ems)系统对轮式装载机主要系统出现故障或潜在问题提出警告和显示，有三种不同的警告级别和信号，每种信号表明系统的状态和司机应采取的适当措施。 34 机载电子称重系统 目前，许多大型轮式装载机都装设机载电子称重系统，能清楚地显示出需再装的物料量，从而使心中有数，以防止过载或欠载，减少无效跑车次数，节省作业时间，提高生产效率。并可对质量累计计算显示仪表以彩色数码显示，清楚明了，校准简便，误差为3以内。 2.4 国内轮式装载机的发展现状 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 基本参数确定以额定载重量q=5t为基本参数的计算式：发动机飞轮功率： ne=28.614q+63.62=155(kw)装载机自重（吨）： w=4.057q-1.97=18.3(t)最小转向半径： r=0.226q+6.33=7.46(m)装载机全长： l=0.502q+4.53=7.04(m)装载机宽度： b=0.218q+1.73=2.82(m)装载机高度： h=0.218q+2.69=3.78(m)最小离地间隙一般小于350mm，上翻角取49，卸载角取50 3.2 装载机的附着重量及牵引力 装载机作业时要发挥大的插入力，必须要求机器有足够的自重，增加附着重量能够改善机械的附着性能，但机器的自重增加，将会导致装载机运行阻力的增加，动力性能变差，材料和燃料消耗增加，轮胎寿命缩短，以及造价提高。对于一般土壤，如附着重量增加，当其比压超过某极限而破坏土壤结构时 甚至是附着性能反而变坏。因此在设计时应在保证一定替丁附着牵引力的前提下尽量使机器的自重降低。具有同样作业能力和寿命的机器，其自重越小，往往说明其总体布置、材料利用和部件设计的合理性，一般用单位自重功率或单位斗容来反映，它是机器技术性能的重要比较指标之一。 对于全轮驱动的装载机附着重量即为机器自重则 牵引力 而 取 （3.1）则 3.3 发动机功率 装载机作业时，发动机净功率消耗于两部分，即f牵引功率和驱动液压泵功率牵引功率式中： 额定轮缘切线牵引力 装载机插入料堆的理论作业速度，对于轮式的取3km/h 传动系数总效率，对于液力机械传动：取其中： f=0.06 参考文献【1】表1-1则： 则： 因此油泵功率：3.4 档位和车速 轮式装载机的速度变化范围大，要适应在工地作业的要求，又要满足运输转移的要求。为了能使功率利用好、燃料经济性好，需要有合适的档位。 由于zl50装载机属于中小型装载机，同时参考同类型机器。初步确定其档位数及各档理论行驶速度如下： 前进档 前进档 倒退r档 3.5 轴距和轮距的确定 轴距和轮距的大小直接影响到装载机的很多使用性能，是总体设计的重要参数。因为它不但影响轮式装载机的整体布置，而且直接影响装载机的转向半径及其通过性能，所以选择其参数是十分重要的。 （1）轴距它的改变会影响到以下几方面的整车性能： 影响前后的载荷分配，当总成相对前轴的前后位置不变时，轴距的改变会使前后轴上的载荷发生变化；影响装载机的纵向稳定性。轴距增大，有利于提高整车的纵向稳定性。还可以减少装载机在行驶中的前后颠簸，提高行驶平稳性，减少司机的疲劳；轴距增大，最小转弯半径增大；影响装载机的自重。轴距增大使装载机的自重增大。参考同类型机器，初步确定轴距为3300mm。 （2）轮距它的改变会影响到以下几方面的整车性能： 轮距的增加，课提高整机的横向稳定型，但最小转弯半径将会增加，影响机动性。轮距的大小受铲斗宽度和交通运输的限制。在设计中应尽可能减少轮距，它往往受动力传动系结构布置限制。参考同类型机器初步拟定轮距为2200mm。第四章 装载机总体设计 装载机的总体设计是根据其主要用途，作业条件及生产情况，合理地选择机型、各总成结构形式、性能参数及整体尺寸等并行合理布置。由于任务书已对部分结构进行规定，再通过对现有机型类比、分析，zl50装载机总体设计确定如下：4.1 确定机型及总成部件结构形式4.1.1 行走装置的选择 从作业条件与对象，作业效率与成本，以及驾驶员的工作条件等因素出发，行走装置选择轮胎式装载机与履带式装载机相比有如下优点： a）自重轻，行走速度快，机动性好，作业循环时间短，作业效率高，运输及修理费用低。 b）轮胎式装载机在碎石硬路面作业时因轮胎有缓冲作用对机器冲击振动较小，可延长机器寿命，减轻家事员疲劳等。4.1.2 传动形式的选择此次装载机传动系的设计采用液力机械传动系，因为它与机械传动系相比具有以下优点： a）在保持一定插入力的同时举升动臂或转动铲斗以减少铲掘阻力，缩短作业循环时间。 b）可随外载荷的变化而自动调整车速，因而可减少变速箱换挡，简化变速机构与操作。 c）液力机械传动配有动力换挡变速箱，其可在不停车情况下换挡，操作轻便、动力换挡时间短、生产率高。 d）变矩器的可透性小，当运行阻力变化时发动机的转速变化小。4.1.3 变矩器形式的选择由于装载机作业时牵引力和车速的变化范围大，并且变化急剧、频繁，工作条件苛苦，因此要求所选用的变矩器因具有较大的变换系数b。考虑到装载机工作条件和工作特点以及变矩器的结构简单、可靠和便于制造，因此选用内功率分流二级涡轮变矩器。 1.第一涡轮轴 2.第二涡轮轴 3.泵轮 4.第一涡轮 5.导轮 6.第二涡轮 图4-1 变矩器传动简图4.1.4 变速箱形式的选择 根据设计要求和现代装载机的工况，选择行星动换挡变速箱。它与定轴式变速箱相比有如下优点： 零件加工精度高、传动效率高、受力分散、齿轮模数小、齿轮、轴承工作条件好。重量轻、结构紧凑，采用制动器不产生离心力，无需旋转密封、作用可靠。4.1.5 转向方式的选择 由于在重量的要求，选取铰链转向方式，它与其他几种转向方式相比有如下优点： a）车轮无需相对车身偏转，可采用大尺寸宽基面低压轮胎以发挥更大的牵引力。 b)转向半径小，机动性好，有利于提高生产率。 c)容易保持前后桥上合理分配，保持较好的稳定性，减少驾驶员的疲劳强度。 d)通过性好，前后桥零件基本通用，结构简单，简化制造工艺成本低。4.1.6 制动系的选择 一个完整的制动系应包括三部分：行车制动器、停车制动器和紧急制动器。装载机是循环作业并连续工作的机器，它制动频繁、制动强度较高、作业条件恶劣，经常与水泥路面打交道，因而对制动器的要求除了考虑制动效能、效率外还有如下要求： 1）在附有泥、水等恶劣的使用条件下，应保证有比较稳定的制动性能。 2）为适应频繁制动和确保下坡连续制动的安全，制动器散热要快。 3）寿命要长，便于调整和维修。 由于钳盘式制动器与蹄式制动器相比有如下优点： a）制动性能稳定，有较好的沾水复原性，即不会因沾水有泥水而导致之动力矩急剧下降。制动器圆盘外露于空间，有自动清除泥水的功能，容易干燥。 b）耐热衰减性好，不会因摩擦生热是摩擦系数减少而导致之动力矩的明显下降。散热条件好，保证了频繁制动时的可靠性。 c）制动器无增力作用，制动力矩的增长平稳。 d）维修方便，摩擦片磨损后可自动调整间隙。更换摩擦片方便，不需要拆卸轮胎轮边减速装置，可减少机器停工时间。 故采用钳盘式制动器。4.1.7 轮胎的选择 因为装载机多在松软、潮湿或干硬的地面上工作。为了降低比压，增加轮胎支撑面积，改善附着性能和缓冲性能。故采用低压宽基轮胎。 参考同类型机器，此次设计选用的轮胎规格为23.525轮胎，其半径为762mm。4.2 装载机的总体布置 总体布置的合理与否，直接影响整车的使用性能与经济指标，使总体设计的主要任务之一。 各部件在车上布置基准的选择：选取前后车桥中心连线作为上下位置的基准；通过前后桥轴线垂直地面的平面为前后位置的基准；左右位置则以纵向对称轴线为基准。4.2.1 发动机与传动系的布置 选择发动机、变矩器和变速箱三者为一体的方案。其优点是：轴向尺寸短，便于轴距短的机器总体布置；三部件可组装成一个总体一次安装，使总装工序简化，可减少部件间的邮路管道，增加可靠性。 装载机发动机和变矩器布置简图如下： 1变速箱 2变矩器 3发动机装 图4-2 发动机、变矩器及变速箱的连接方式4.2.2 铰接点和传动万向节的布置 选取铰接点布置在轴距的中点。车辆行驶前后轮的轨迹始终相同。一次可得到以下优点：后轮始终沿着前轮压过的车辙运动，减少运动阻力，其车辙的转向半径最小，可通过狭小难走的路段；前桥内外侧轮的转速和等于后桥内外侧轮的转速和，当双轴驱动时，前后轴间转速差，减少了轮胎的磨损。4.2.3 摆动桥的布置 将装载机的后桥作为摆动桥。此类布置可使装载机作业时驾驶员随前车架一起摆动，因而易于体会铲斗刃口与水平面的倾角，可以正确的进行水平铲掘工作。4.2.4 工作装置的布置 工作装置布置在整机前端，在满足动臂在最高位置时的卸载要求和动臂在最低位置铲斗不干涉的前提下动臂支点尽量向后布置，这样可以提高整机稳定性，便于机构设计和提臂液压缸的布置。同时，在考虑工作装置不妨碍司机视线和确保司机的作业安全前提下，尽量使动臂和车架铰点位置提高。4.2.5 驾驶室的布置 驾驶室的布置应使操作用的传动机构简单，操作省力、方便，以保证驾驶员具有良好的视野和舒适、安全的工作环境。 在驾驶好似位置相对前后距离一定的条件下，铰接式装载机的驾驶室的布置主要有以下两种方案：一、驾驶室布置在前车架后端；二、驾驶室布置在后车架前端。 结合以上两种方案的优缺点，初步拟定驾驶室布置在后车架的前端。此布置形式可使前后视野良好，驾驶员能直接了解装载机的折腰程度，增加安全感，降低疲劳强度，同时构造简单，有利于加工制作，提高工作效率。4.2.6 转向系的布置 由于铰接装载机转向所需功率比车架偏转车轮转向方式大，故转向油缸独立布置。同时，为了使结构紧凑避免由于中间传动环节的间隙所引起的不稳定，将转向器与控制阀组成一体。将转向液压缸布置在前车架上，两个转向液压缸在平面内称“八”字形布置。4.2.7 装载机的轴荷分配 装载机的轴荷分配是否合理，直接影响装载机很多使用性能。如牵引性、通过性和稳定性等。另外，还会影响零部件尺寸选择和强度计算。 由于铰接式装载机的轴距不整体式车架的轴距长，在保证同样稳定性前提下轴距增加即可减少后桥轴荷，这样即可减少配重，降低车重，而且提高整机稳定性。因此初步确定轴荷分配为： 空载时前桥轴荷占整机重45%-50% 满载时前桥轴荷占整机重65%-75%第五章 装载机工作装置及连杆机构的设计5.1 铲斗的设计铲斗是铲装物料的工具，它的斗型与结构是否合理，直接影响装载机的生产率。参考同类型机器以及根据机器的作业要求和斗容的大小，选择直型带齿铲斗。这种斗具有交大的插入能力，提高了作业效率，适宜铲装轻质或松散的小粒物料并可利用刀刃做刮平，清理工作。5.1.1铲斗设计要求：1）铲斗是直接用来切削、收集、运输和卸出物料，装载机工作时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结构设计的主要要求。2）铲斗是在恶劣的条件下工作的，承受很大的冲击载荷和剧烈的磨削，所以要求铲斗具有足够的强度和刚度，同时要耐磨。3）根据装载物的容重，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（）5.1.2铲斗斗型的结构分析1） 切削刃的形状铲斗切削刃的形状根据铲掘物料的种类不同而不同，一般分为直线型和非直线型两种（图5-1）。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，装载机用得较多的是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；同时对减少“偏载切入”有一定的效果。但铲斗的装满系数要求小于直线型斗刃的铲斗。 （a） （b）图5-1 铲斗结构简图（a）直线型切削刃；（b）v型切削刃2）铲斗的斗齿装有斗齿的铲斗，在装载机作业时，插入力由斗齿分担，形成较大的比压，利于插入密实的料堆疏松物料或掘起大的块状物料，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有影响：对称齿形的切削阻力比不对称齿形的大；长而狭窄的齿比宽而短的齿的切削阻力要小。3）铲斗的侧刃 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，适于铲装岩石。4）斗型形状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，减少物料在斗内移动或滚动阻力，同时要有利于在铲装粘性物料时有良好的倒空性。 图5-2 特殊铲斗铲斗底板的弧度（圆弧半径r，见图5-2）越大，铲掘时泥土的流动性越好但对流动性差的岩石等，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，底边过长，则铲斗的铲起力变小，且铲斗料堆的插入阻力与刃口的插入深度成比例的急剧增加，（图5-3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，铲斗转铰销的位置已近于刃口处为好，在极端时也有将转铰销布置 （a） （b） 图5-3 铲斗插入阻力与插入深度的关系 （a）插入角度；（b）插入阻力与深度的关系在铲斗内部，如图5-4所示。 图5-4 铲斗铰点布置在铲斗内部的示意图 1.铲刃 2.平视板 3.斗壁 4.侧刃 5.挡板图5-5 铲斗外侧宽度示意图5.1.3.铲斗形状的设计1）铲斗的铲刃工作状态时铲刃与地面夹角为“”，铲刃的宽度一般比铲斗外侧宽度宽2040mm，这样有利于保护铲斗两侧板， 铲刃角度左右，刃口角； 铲刃厚度一般比斗壁厚1015mm，材料选高强度耐磨板，如瑞典har-dox500。2）铲斗斗壁 铲斗斗壁与铲刃的角度这样可以减少斗壁的磨损，同时减小插入阻力；铲斗的回转半径是指铲斗的转铰中心与切削刃之间的距离（图5-6），由于铲斗的回转半径不仅影响铲起力和插入阻力的大小，而且与卸载高度和卸载距离等整机总体参数有关。因此铲斗的其他参数依据它来决定，铲斗的回转半径可按下计算： 图5-6 铲斗基本参数简图：几何斗容，由设计任务书给定；：铲斗内壁宽度；：铲斗底长度系数，通常取；：后斗壁长度系数，通常取；：挡板高度系数，通常取；：挡板和后斗壁间的夹角，通常；:斗底和后斗壁间的夹角，通常；：斗底与后斗壁直线间的园弧半径系数，通常；斗底长度是指由铲斗切削刃到斗底与后斗壁交点的距离： 后斗壁长度是指由后斗壁上缘到斗底相交点的距离： 挡板高度： 铲斗园弧半径: 铲斗与动臂铰销距斗底的高度： 铲斗侧壁切削刃相对于斗底的倾角。在选择时，应保证侧壁切削刃与挡板的夹角为。斗壁r确定以后,我们可以确定它的几何形状；小斗容的铲斗形状设计比较简单,我们可用“二直线夹一弧夹完成”（图a）；但大斗容（）铲斗要求强度及刚性高，多采用直线加过渡园弧来完成（图b)。3）铲斗侧刃及侧壁的设计侧刃的插入角，插入深度l1=(0.450.5)l,其材料一般与铲刃相同。4)其它部份的设计a斗壁我们都加焊锰钢板，以防斗壁过快磨损；b斗壁与侧壁内侧焊缝都加焊保护板以保护其焊缝，避免焊缝磨损过快而斯裂；c铲运机的视线比较差，驾驶员一般看不清铲斗的工作情况，我们可以在铲斗上方加焊平视板作为参照物；d很多井下矿山泥水较多， 铲斗底板需钻两漏水孔。5.1.4 斗容的最后确定根据以上设计的铲斗几何尺寸， 可以计算斗容。（一）几何斗容（平装斗容）铲斗的平装几何斗容可按下式计算（1） 装有挡板的铲斗：() a:铲斗横断面面积()，图5-6中阴影部分面积。 :铲斗内壁宽度() h：挡板高度() b:斗刃刃口与挡板最上部之间的距离（2）不装有挡板的铲斗()(二)额定斗容(堆装斗容)额定斗容是设计书确定的斗容,一般以斗内壁堆装物料坡度为1:2；此时额定斗容可按下式确定（图5-7）a 装有挡板的铲斗: () c：物料堆积高度()物料堆积高度c可由作图法确定（图5-7）：根据料堆角度可得料堆尖端点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。 图5-7 装载机斗容计算图 b 不装有挡板的铲斗: () ：斗刃刃口与斗壁上部之间的距离() 在实际计算中，铲斗横断面面积a可采用下述简化计算方法确定（5-8）；将已知的横断面分成若干块简单几何图形，方法是找出铲斗底部内圆弧部分的中心g点，通过g点作be线与cd线平行，然后找出铲斗横断面内从圆弧过度到直线的过渡点i、f,再分别连接i、g和f、g，即将铲斗横断面分成如下四块面积：扇形面积igfi；三角形面积ibgi,fgef和梯形bcdeb。根据各部分尺寸，求出上述四块面积之和即得铲斗横断面积a。 图5-8 铲斗横断面积简化计算图 如果计算出的额定斗容与设计要求的斗容误较大（10%以上），需要重新设计修正，然而再计算额定斗容，直到达到要求止。 实践证明：这样设计的矿用铲斗插入阻力小，一般情况下一次插入便可装满铲斗， 大大缩短工作时间，提高生产效率。5.2 连杆机构类型的选择 按组成连杆机构的件数可分为四连杆、六连杆和八连杆。 六连杆、八连杆不需要有框架，故与四连杆相比，可改善视线，增加载重量，同时由于在铲斗周围没有液压缸和油路，装载过程中掉下来的物料不会造成事故，比较安全，但该机构不是平行连杆机构，在动臂上升过程中，铲斗将会向后略倾斜。 按连杆机构运动状态分正连杆机构和反连杆机构。 为了保持斗在动臂转动过程中作平移运动的要求，装载机工作装置连杆机构要求斗的转动应与动臂相反，则在以动臂为固定件连杆机构中，即即要求机架与铲斗的转向应相同。 从整机布置特点，作业对象和作业方式，以及考虑到结构简单、合理，维修等因素出发。选择反六连杆机构。这种机构在机器工作时提高铲斗的装满程度，减少了运输时的撒料现象，并且易于控制卸料速度，减少了卸料冲击。同时，由于此机构铲点较小，使机构简化，减少了维修时间。第六章 动力换挡行星变速箱的设计 动力换挡行星变速箱预订轴式变速箱相比由于具有结构紧凑、载荷容量大、传动效率高、齿间符合小、结构刚度好、输入输出同心以及实现动力与自动换挡等优点，所以在工程、矿山、起重等作业机械上，获得了广泛的应用。 故此次设计选用二自由度具有内外啮合的齿圈式行星机构。 行星式液力机械动力换挡变速箱的最大特点是，装载机只需要两个前进挡和一个后退档，就能实现装载、行驶、后退的全部变速功能，使装载机有极强的自动适应外界阻力的调节功能。当装载机在正常需要较高的前进和后退的速度时，超越离合器自动分离，让二级涡轮独立工作，就是由二级涡轮输出的动力通过二级输出齿轮、中间输入轴将动力传入各个档位，使装载机能实现变速行驶，从而实现物料迅速进行转移。当装载机在铲装作业过程中外界阻力突然增大，例如遇到铲装大物料时，超越离合器在双涡轮变矩器的配合下工作下，自动降低转速、增大转矩，使车轮产生足够的动力进行正常的铲装工作。而当铲装阻力相当大时，超越离合器的结构特点就会更加充分显示出来，此时的超越离