毕业设计（论文） zl30装载机工作装置设计

1、毕业设计（论文） 题 目 zl30 装载机工作装置设计 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 工机 2 班 学 生 李云 指导教师 李玉玲 重庆交通大学 2011 年 1 目 录 前 言 i 摘 要iii abstractiv 第一章 装载机的发展和应用1 1.1 装载机概述1 1.2 装载机的发展2 第二章 装载机总体参数的确定6 2.1 装载机阻力的确定6 2.1.1 插入阻力6 2.1.2 铲起阻力6 2.1.3 转斗阻力矩7 2.2 装载机的总体布置原则8 2.3 装载机各部件的布置9 2.4 装载机的总体构造和分类10 第三章 工作装置设计13 3.1 工作装置结构分析13 3.1

2、.1 装载机工作装置13 3.1.2 结构形式的选择14 3.2 铲斗设计16 3.2.1 铲斗结构形式的选择16 3.2.2 铲斗基本参数的确定18 3.3 工作机构连杆系统的尺寸参数设计21 3.3.1 工作装置结构设计22 3.3.2 动臂设计22 3.3.3 连杆机构设计24 3.4 工作装置强度计算27 3.4.1 确定工作装置的计算位置27 3.4.2 工作装置载荷分析28 3.4.3 典型工况分析29 3.4.5 工作装置受力分析30 2 3.4.6 工作装置强度校核34 第四章 工作装置液压系统设计38 4.1 液压系统设计要求38 4.2 油缸作用力的确定38 4.3 液压系

3、统设计计算39 4.4 液压系统原理分析40 4.5 工作装置的限位机构41 总 结43 致 谢44 主要参考文献45 2011 届机械设计专业毕业设计（论文） i 前 言 近年来，在我国宏观调控政策的影响下，我国工程机械产业进入了加速增长阶段， 呈现出前所未有的繁荣态势。工程机械装备已经成为我国国民经济发展的支柱产业之 一，在工程建设中发挥着重要的作用,其份额占据世界工程机械总量第七位。但同国 际先进的工程机械制造厂家相比差距还比较大，主要表现在产品的可靠性、使用寿命、 绿色工程设计、高新技术的创新应用以及管理模式上。相对而言，我国自主开发能力 还比较薄弱，有自主知识产权的产品技术较少，新产

4、品的关键技术大部分还依赖于引 进国外技术；另一方面对国外先进技术的消化、吸收、创新不足。其次，对市场反映 速度慢，产品更新周期较长。因此对提高轮式装载机的可靠性、稳定性、结构的简易 性和操作的方便性对提高工程施工效率具有深远而重大的意义。 通过对轮式装载机的工作装置进行优化设计，其科技成果在满足设计任务的同时， 应做到产品设计的数字化、智能化、模块化和注重绿色设计。按照设计要求进行加工 制造、使用保护、维修的同时，设计目标预期应达到： （1）具有较强的作业能力，铲斗插入料堆的阻力要小； （2）在料堆中铲掘的能力大、能耗小； （3）工作机构的各杆件受力状态良好，强度寿命合理； （4）结构和工作尺

5、寸适应生产条件需要，效率高； （5）结构简单紧凑，制造和维修容易，操作使用方便。 在经历了 5060 年的发展后，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广泛应用 于装载机的设计、计算操作控制、检测监控、生产经营和维修服务等各个方面，使国 外轮式转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 提高了生产效率，改善了司机的作业环境，提高了作业舒适性，降低了噪声、振动和 排污量，保护了自然环境，最大限度地简化维修、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。

6、我国轮式装载机行业起步较晚， 起制造技术是陆续从美国、德国和日本等国家引进的。国内的企业自主开发创新能力 较弱，产品更新换代以适应市场需求的能力较差，不能及时适应市场的需求。在生产 制造上，工艺装备水平和生产能力低，造成关键零部件技术不过关，整机的可靠性， 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 先进国家产品相比差距较大。 国外轮式装载机总的发展趋势是： 李云：zl30 装载机工作装置设计 ii （1）产品形成系列，更新速度加快并朝大型化和小型化发展； （2）采用新结构、新技术，产品性能日趋完善； （3）进一步普及应用液压技术，广泛应用微电子、信息技术； （

7、4）不断创新的结构设计； （5）更加重视安全性、舒适性和可靠性； （6）向节能与环保方向发展。 国内轮式装载机发展趋势： （1）大型和小型轮式装载机，在近几年的发展过程中，受到客观条件及市场总 需求量的限制。竞争最为激烈的中型装载机更新速度越来越快。 （2）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 结构件的强度及刚度，以使整机可靠性得到提高。 （3）优化系统结构，提高系统性能。如动力系统的减振、散热系统的结构优化、 工作装置的性能指标优化及各铰点的防尘、工业造型设计，逐步引进最新的传动系统 和液压系统技术，予以国产化、商业化，降低能耗，提高性能。 （4）利用电子技术及负

8、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、降低装载机作业成本。 （5）提高安全性、舒适性。 （6）降低噪声和排放，强化环保指标。 （7）广泛利用新材料、新工艺、新技术，特别是机、电、液一体化技术，提高 产品的寿命和可靠性。 （8）最大限度地简化维修，尽量减少保养次数和维修时间，增大维修空间，普 遍采用电子监视及监控技术，进一步改善故障诊断系统，提供排除问题的方法。 此次的毕业设计论文主要是针对国产装载机 zl30 的工作装置系统进行设计，包 括它的铲斗的选择包括：结构形式，具体参数，铲斗容量。然后进行的是其连杆机构 的设计包括动臂的一些数据计算以及连杆机构中一

9、些组件的尺寸，以及工作装置的强 度的计算，采用受力分析法进行计算分析，最后进行装载机工作装置液压系统的设计。 由于自身的能力和条件有限，我深知道这次毕业设计论文存在着很多问题，希望老师 能够给予一定的帮助。 2011 届机械设计专业毕业设计（论文） iii 摘 要 装载机主要用来装卸成堆散料，也能进行轻度的铲掘工作。由于它适用于建筑、 矿山、铁道、公路、水电等国民经济各个部门，因此，在国内外，产量与品种的发展 都较快，是工程机械中的一个主要机种。 装载机根据不同的使用要求，发展形成了不同的结构类型。通常，按使用场合的 不同，分成露天用装载机和井下用装载机；按行走系统结构不同，分成轮式装载机与

10、履带式装载机；按卸料方式不同，分为前卸式（前端式） 、后卸式与回转式装载机。 此次的毕业设计论文先对装载机的发展概况及设计的指导思想、特点、任务进行 概述，然后确定方案，在技术设计部分罗列了 zl30 装载机的主要技术性能和参数， 进行了牵引特性计算。主要是针对国产装载机 zl30 的工作装置进行设计，包括它的 铲斗的选择包括：结构形式，具体参数，铲斗容量。然后进行的是其连杆机构的设计 包括动臂的一些数据计算以及连杆机构中一些组件的尺寸，以及工作装置的强度的计 算，采用受力分析法进行计算分析，最后进行装载机工作装置液压系统的设计。 关键词：装载机，工作装置，连杆,铲斗 李云：zl30 装载机工

11、作装置设计 iv abstract loader piles is mainly used to handling bulk material, but also to carry out the work of digging shovel mild. because it applies to construction, mining, railways, highways, water and electricity in all sectors of the national economy, therefore, at home and abroad, production and

12、rapid development of varieties, is a mechanical engineering major models. loader according to different application requirements,development of the structure of different types. usually, by the use of different occasions, into the open air and underground loader used loader used; by running a differ

13、ent system structure, divided into wheel loaders and crawler loaders; in different ways according to discharge into the former dump (front- end ), after the dump loaders and rotary. the design of the graduation thesis mainly deals with domestic loader zl30 devices work system design。at first,i intro

14、duce the developing trend of the loaders,and explained the main designing idea, designing characteristic and designing task.the second part is the whole designing prgram.in the technical designing part,the main technological parameters and technological features of the zl30 loader are listed，then i

15、design the choice of bucket include: the structure of the form of specific parameters, bucket capacity. and then proceed to the design of the linkage mechanism includes a number of boom and linkage data of some components of the size, as well as the calculation of the strength of devices, the use of

16、 force analysis method calculation and analysis, the end loader installation of hydraulic system design. keywords：loader，work device，connecting rod，bucket 2011 届机械设计专业毕业设计（论文） 1 第一章 装载机的发展和应用 1.1 装载机概述 装载机主要用来铲、装、卸、运土和石料一类散状物料，也可以对岩石、硬土进 行轻度铲掘作业。如果换不同的工作装置，还可以完成推土、起重、装卸其他物料的 工作。在公路施工中主要用于路基工程的填挖，沥青和

17、水泥混凝土料场的集料、装料 等作业。由于它具有作业速度快，机动性好，操作轻便等优点，因而发展很快，成为 土石方施工中的主要机械。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

18、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，

19、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 李云：zl30 装载机工作

20、装置设计 2 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。 地下矿的开采，包括开拓、采准、回

21、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

22、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。 1.2 装载机的发展 1.国外装载机发展趋势 近年来，随着建筑施工和资源开发规模的扩大，对装载机需求量迅速增加，因而 对其可靠性、维修性、安全性和燃油经济性也提出了更高的要求。随着微电子技术向

23、工程机械的渗透，现代装载机械日益向智能化和机电一体化发展。自 20 世纪以来， 国外装载机进入了一个新的发展时期，在广泛应用新技术的同时，不断涌现出新结构 2011 届机械设计专业毕业设计（论文） 3 和新产品。继完成提高整机可靠性任务之后，技术发展的重点在于增加产品的电子信 息技术含量和智能化程度。努力完善产品的标准化、系列化和通用化，改善驾驶人员 的工作条件，向节能、环保方向发展。 (1)系列化、特大型化 系列化是工程机械发展的重要趋势。国外著名大公司逐步实现其产品系列化进程， 形成了从微型到特大型不同规格的产品，同时，产品更新换代的周期明显缩短。特大 型工程机械的特点科技含量高，研制与生

24、产周期较长，投资大，市场容量有限，市场 竞争主要集中在少数几家公司。 (2)多用途、超小型化、微型化 推动多用途、超小型化、微型化发展的因素首先源于液压技术的发展和快速可更 换连接装置的诞生，使得装载机能在作业现场完成各种附属作业装置的快速装卸及液 压软管的自动连接。一方面，工作机械通用性的提高，可以使用户在不增加投资的前 提下充分发挥设备本身的效能，能完成更多的工作；另一方面，为了尽可能地用机械 作业代替人力劳动，提高生产效率，适应城市狭窄施工场所以及在货栈、码头、仓库、 农舍、建筑物层内和地下工程作业环境的使用要求。 (3)节能与环保 为了提高产品的节能效果和满足日益苛刻的环保要求，国外工

25、程机械公司主要从 降低发动机排放、提高液压系统效率和减振、降噪等方面入手。近几年来国外装载机 的设计和制造进一步体现了以人为本的理念，要为司机提供一个更加舒适的环境，以 到达他们称之为全自动化型的境地。 (4)计算机管理及故障诊断、远程监控系统及整机智能化 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，不断研制出集液压、微电子及信息技术于一体的智能系统。并广泛应用 于工程机械的产品设计之中，进一步提高产品的性能和高科技含量。例如卡特彼勒公 司 90 年代开发的 f 系列和 g 系列装载机都安装有电子计算机监控系统，用以取代 e 系列装载机上安装的电子监控系

26、统。其司机台上装有条形液晶显示屏，微机监控系统 能同时监控发动机燃油液面高度、冷却水温、变速箱油温和液压油温等 11 种功能。 该监控系统还具有故障诊断能力，并可向司机提供三级报警. (5)优秀的设计和新结构的不断涌现 90 年代中末期，部分装载机上安装有转速变速集成控制系统，它取消了传统的方向盘 和变速操作杆，将转向和变速操纵集成在一个操作手柄上，并采用简单的触发方式控 制开关和换挡用的分装式加速按钮。利用肘节的自然动作左右搬动操纵手柄来实现转 李云：zl30 装载机工作装置设计 4 向，利用大拇指选择换挡按钮以实现前进与后退、加速与减速行驶，极大地简化了操 作。 2.我国装载机的发展前景

27、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

28、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 zl30 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

29、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

30、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， 2011 届机械设计专业毕业设计（论文） 5 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该积极行动起来， 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

31、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。 李云：zl30 装载机工作装置设计 6 第二章 装载机总体参数的确定 2.1 装载机阻力的确定 装载机在进行铲掘作业中的作业阻力主要是：铲斗插入料堆时的插入力；提升动 臂时的铲起力；翻起转斗时的转斗阻力矩。影响这些阻力的因素很多，例如铲掘的物 料种类、铲斗的形状，铲斗插入的深度等。而铲掘的物料种类又是多种多样的，可能 是土壤砂石，也可能是各种块度的矿石，因此在这些复杂因素影响下，难以准确的计 算出装载机铲掘时

32、的作业阻力，为确定这些阻力，则通过铲掘散状物料试验的办法得 出经验公式和多种系数进行计算，下面分别计算装载机在铲掘散状物料时的各种阻力。 2.1.1 插入阻力 插入阻力是装载机铲斗插入料堆时，料堆对铲斗的反作用力。插入阻力分别由以 下阻力组成：铲斗前切削刃口和斗壁两侧切削刃所受阻力；铲斗底和侧壁内表面与物 料的摩擦阻力；铲斗外表面与料堆之间的摩擦阻力等组成。其值可以按下式计算： 式 2.1 43 25 . 1 21 kkblkkp bpx 式中： 铲斗插入阻力； x p 物料的块度和松散程度的影响系数。对于松散程度较好的物料，块 1 k 度 0.3mm 时，=1.0；块度 0.4mm 时，=1

33、.1；块度 0.5mm 时，=1.3。如果 1 k 1 k 1 k 松散程度较差，则上述各值增大 20%-40%；对于这里取=1.1； 1 k k 物料种类影响系数，散状物料种类为沙石，取系数为 0.12； 2 铲斗插入料堆深度(cm)；取 50cm； p l 铲斗宽度(cm)； b b 一料堆高度影响系数，料高度为 1.4m, =1.15。 3 k 3 k 43 25 . 1 21 kkblkkp bpx )(87845 5 . 115 . 1 2965012 . 0 1 . 1 25 . 1 n 2.1.2 铲起阻力 铲起阻力是指铲斗插入料堆一定深度后，用动臂油缸提升动臂时，料堆对铲斗的

34、反作用力。 铲斗插入料堆深度后，用动臂提升铲斗，铲起阻力由铲斗斗底插入料堆深度和 p l 2011 届机械设计专业毕业设计（论文） 7 铲斗宽度所决定的矩形面积上的物料所决定。 p l b b 铲起阻力同样受到物料的块度、松散性、容积比重、温度、湿度、物料之间及物 料与斗壁摩擦的影响。最大的铲起阻力发生在铲斗刚刚开始提升的时刻。随着动臂的 提升，铲起阻力逐渐减小。 铲斗开始提升时的铲起阻力可按下式确定： z p 式 2.2 z p kbl bp 2 . 2 铲斗插入料堆深度(m)； p l b 铲斗宽度(m)； b 铲斗开始提升时物料的剪切阻力(kn/m )。取值为 35kn/m ； k 33

35、 z p kbl bp 2 . 2 3596 . 2 50 . 0 2 . 2 （kn）114 2.1.3 转斗阻力矩 转斗阻力矩是当铲斗插入料堆一定深度后，用转斗油缸使铲斗向后翻转时，料堆 对铲斗的反作用力矩。若不计惯性力的影响，根据实验证明，转斗的静阻力距随着铲 斗翻转角的变化而改变，如图 3.1 所示在开始转斗时，所需克服的静阻力矩最大， 随着转斗转角的增大。静阻力矩逐渐减小。当铲斗前刃离开料堆时。静阻力矩为 m 。根据试验，最大静阻力矩 m 用下式计算 0c 式 2.3)() 3 1 (4 . 01 . 1mnylxpm pxc 式中： p 插入阻力； x 铲斗回转中心与斗刃的水平距离

36、（m） ；x y 铲斗回转中心与地面的垂直距离（m） ； 转斗时，铲斗除受到静阻力矩的作用外，还受到铲斗自重和铲斗中物料重力所引 起的阻力矩的作用，因此，开始转斗时的总阻力矩 m 为 式 2.4)()(mnlggmm prbe 式中： 铲斗自重（n） ； b g 装载机额定载重量（n） ； r g 铲斗重心到回转中心的水平距离（m） ；见图 3.3 b l 李云：zl30 装载机工作装置设计 8 图 2.1 图 2.2 2.2 装载机的总体布置原则 1.总体布置的内容 总体布置内容应包括以下几个方面： (1)确定各个部件在整机上的位置，并对外形尺寸提出要求； (2)确定各部件之间、部件与整机之

37、间的连接方式； (3)估算整机重量几重心位置，并对各部件的重量提出要求； (4)布置各个操纵机构、机棚、驾驶室等； (5)审核各运动件的运动空间，排除可能发生的运动干涉； (6)定出标准化、通用化和系列化的零、部件的名细表。 2.总体布置的原则 (1)保证整机的稳定性； (2)结构紧凑、并有较高的传动的效率； (3)便于操作和维修，工作安全可靠； (4)外形平整美观。 3.设计中应考虑的整机性能 (1)牵引性，是装载机在不同工作速度下所能发出的最大牵引力的性能。它影响 到机子的工作能力与工作效率。牵引性能的好风是用牵引功率和牵引效率来评价的。 它反映了装载机利用发动机功率进行工作的有效程度，是

38、最重要的一个性能指标。 (2)动力性，是反映装载机在行驶中，以不同档位工作时，所具有的加速性能， 以及所能达到的最大行驶速度和爬坡能力的一个性能。动力性能的好讯用动力因数来 评价。 (3)经济性，是反映装载机在工作中燃树消耗是否经济合理的性能。它有两个指 2011 届机械设计专业毕业设计（论文） 9 标：是依牵引马力小时消耗的燃油克数，这个指标可以用来比较不同装载机的经济性 的好坏，另一个是作业中装卸每吨物料消耗的燃料这个指标可以用来核算作业的生产 成本。由于后者包含着使用中各种因素的影响，因此不能用作评价不同装载机经济性 能好坏的指标。 (4)稳定性，是装载机在坡道上行驶时不失去稳定和不倾翻

39、的性能。它关系到装 载机机在坡道行驶的安全性，因此，是一个很重要的性能指标。装载机的稳定性用稳 定度这一指标的大小来表示。 (5)机动性，是装载机能否在狭窄场地转向和通过的性能因此，可以用外侧轮胎 和铲斗的转向半径来标志。机动性的好坏，影响到装载机的适用程度。 (6)作业性，是反映装载机整机使用好坏的性能，通常以功率到生产率的高低为 评价指标，它与整机所具有的切削力、掘起力、铲斗容量和容积效率，以及工作装置 杠杆系统的工作速度等有关。 2.3 装载机各部件的布置 1.发动机和传动系的布置 发动机一般置于装载机后部，起着对前置铲斗中负荷的平衡作用，并增加装载机 的稳定性。发动机是预选现成的，故主

40、要尺寸均已知。根据载荷分配确定发动机相对 后桥中心的前后位置，并参考同类型装载机的发动机布置来确定曲轴中心线相对车架 上线的高度。发动机位置的布置要结合传动系各总成的结构和整机的使用要求全面考 虑。发动机位置确定后，即可安排变矩器、变速器的位置然后确定传动轴数目。 2.工作装置布置 工作装置布置在整车的前端，结合工作装置的设计要求确定动臂与车架铰点的位 置。假如动臂长度不变，铰点布置向前，最大卸载距离大，但由铲斗中载荷作用的倾 翻力矩增加，为减小此倾翻力矩而不减小载重量，一般将铰点向后布置，但最好不安 排在驾驶室两侧或驾驶室之后，以免动臂举升时恰在驾驶员的两侧影响驾驶人员的安 全性。动臂落在最

41、低位置时铲斗位于前轮之前，不能与前轮干涉。动臂的最大举升与 最低位置的夹角一般为 90 左右，此角度太大，特使最大卸载高度时的卸载距离急剧 下降，同时动臂油缸与动臂铰点间的距离(力臂)也大大减小，使受力情况不利。 3.转向系的布置及分类 轮胎式装载机的转向系：有偏转前轮转向和铰接式转向两类，偏转车轮转向又分 为偏转前轮、偏转后轮、偏转前后轮三种。 李云：zl30 装载机工作装置设计 10 (1)偏转前轮转向 前轮转向半径大于后轮转向半径，这样当前轮能从障碍物的内侧通过时，后轮也 一定能从障碍物内侧通过，驾驶员可以利用前轮估计后轮避开障碍物，有利于安全行 驶。 在整体车架的车辆上，多采用偏转前轮

42、的转向系。但是对装载机来说，由于工作 机构布置在前端，转向机构的布置，受到前部空间的限制；又因为装载机的前轮负荷 大、转向阻力大、所以，转向机构不易布置在前轮上。只有沿用其它车辆的前轮转向 的底盘时，才采用偏转前轮转向。 (2)偏转后轮转向 后轮的转向半径大于前轮的转向半径，当前轮从障碍物的内侧通过后，后轮不一 定就能从障碍物的内侧通过，这就不利于安全行驶。在一般车轮上，不采用偏转后轮 的转向，但是在整体车架的装载机上，多采用偏转后轮的转向。这是因为装载机的油 轮负荷大，并且前端空间位置又难以布置转向，所以，多采用偏转后轮转向。 采用偏转后轮转向时，要求驾驶员要有熟练的操作技术。 (3)偏转肋

43、、后轮转向 一般采用前、后轮偏转角度相等的结构。全轮转向的转弯半径小，机动性好；前、 后车轮的转向半径相同，后轮行驶在前轮的轮辙上，减小了后轮的行驶阻力。但是， 由于驱动轮又是转向轮，造成结构复杂。 (4)铰接式车架采用铰接转向 铰接转向的铰销位置有以下三种情况: 1)铰销位于前后轴线的中间，转弯时，前后轮轨迹重合。 2)铰销位置在前后轴中间偏前，前轮转弯半径大于后轮转弯半径。 3)铰销位置在前后轴中间偏后，前轮转弯半径小于后轮转弯半径。 一般多采用第一种布置方案，故前轮与后轮轨迹相同，可以减小在劣路上的行驶 阻力，并且前轮能通过的狭小地段，后轮也能顺利通过。 整体式车架采用偏转车轮转向，装载

44、机重载时前桥负荷比后桥大，所以多采用后 轮转向。第二种方案比第一种结构复杂，尤其是要保证前转向轮与动臂不发生干涉， 因而也给总体布置方而带来一定困难。 在布置转向车轮时应保证它的周围有一定的空间，在任何转向角时车轮都不与周 围的零部件相碰，尤其是在最大转向角时不能与车架相碰。转向梯形可布置在桥的前 部或后部。 4.驾驶室的布置 2011 届机械设计专业毕业设计（论文） 11 为使驾驶员在作业时前方有良好视野，整体式车架驾驶室是布置在车架的前部。 驾驶室布置在前车架后端。这种布置形式前方视野舱便于驾驶员铲挖作业，但后 方视野较差。转向时驾驶员随前车架一起转动，铲斗始终在驾驶员的正前方，便于对 准

45、料堆和卸载卡车。由于驾驶它在全车的较前部，因此在铲挖时驾驶员受到的冲击较 大，容易疲劳。另外因驾驶室在前车架上，而发动机、变速箱等均在后车架上，所以 操纵机构一般只能采用电、气压或液压操纵。目前国外有少数装载机驾驶室是这样布 置的。 2.4 装载机的总体构造和分类 1.装载机的总体构造 装载机一般有发动机，车架，动力传动系统，行走系统，工作装置，液压系统和 操作系统等组成，发动机的液力变矩器把动力传给变速箱，然后经前传动轴和后传动 轴分别传给前后驱动桥，以驱动车轮转动，工作装置是由动臂，铲斗，连杆机构，动 臂油缸和转斗油缸等组成，动臂一端铰链在机架上，另一端和铲斗铰链连接。动臂的 升降由动臂油

46、缸带动，铲斗翻转则由转斗油缸通过连杆机构来实现，车架由前后两部 分组成，中间用前后车架铰链联接，依靠转向油缸可使前后车架绕铰销相对地转动， 以实现转向。 2.装载机的分类 (1)按行走装置分：有轮胎式和履带式两种。 轮胎式装载机是以轮胎式专用底盘为基础车，配置工作装置及操作系统组成。其 重量轻，速度快，机动灵活性及效率高，因而他的品种与产量都发展快。 履带式装载机是以专用底盘或工业履带式拖拉机为基础，装上工作装置及操作系 统完成。其接地比压小，通用性好；重心低，稳定性好；重量大，附着性能好。因此， 在轮式装载机不适宜的场合更显优越性。 (2)卸料方式分：有前卸式，回转式，后卸式 前卸式装载机的

47、工作装置不回转，装料与卸料都是整机走动进行，作业过程中调 车费时，但因结构简单，工作可靠，视野良好，因此应用最广泛。 回转式装载机的动臂安装在转台上，铲斗在前端装料后，回转至侧面卸掉，装载 时不需要调车，作业效率高，适宜于厂区工作。但结构复杂，回转卸载时偏心载荷较 大，整机侧向稳定性不好。 后卸载装载机是在前端装料，卸载时铲斗越过驾驶室向后端卸料，作业时不需要 李云：zl30 装载机工作装置设计 12 调车，可直接向后停在起后面的运输车辆卸载，作业效率高。但卸载时铲斗越过驾驶 室不安全，只用于矿井下狭窄的场地。 (3)联接方式分为：整体式、铰接式 整体式装载机的车架是一个整体，利用偏转后轮同时

48、偏转进行转向。 铰接式装载机的车架有前后两部分组成，中间用垂直铰销联接，它通过连接前后 车架的油缸推动前后车架绕垂直铰链相对转动折腰转向。由于前后车架折腰度大（大 约 3540 度） ，所以转弯半径小，可在半径比较小的场地作业。 (4)铲斗的额定量分：小型10t。t 0 . 26 . 0 3.装载机的作业方式 装载机是循环作业式的工程机械。它的一个作业循环由驶进料堆、铲取、后退、 转向、驶进卸料目标和卸料等动作构成。其中，对物料的铲取方法和作业时运输车辆 的配置方案，将影响生产率的高低。 (1)铲取方法：装载机对物料的铲取方法有一次铲取法和复合铲取法两种。 1)一次铲取法：铲斗一次插入料堆，一

49、次收斗而装满铲斗的铲取方法。作业时装 载机从正前方驶进料堆，边进边放下铲斗，在料堆前 1m 处使铲斗落到地面，处于浮 动位置，斗刃能触及料堆时，加大油门缓缓插入料堆，然后铲斗上翻，提升动臂到运 输位置再倒退驶出。该法是最简单常用方法，比较适用于阻力比较小的松散料堆。 2)复合铲取法：装载机前进插入料堆的同时，铲斗与提臂相配合铲取物料的方法。 这样铲取切削阻力小，容易装满铲斗，适合铲装切削阻力较大的物料。 2.作业配置方案：装载机与运输车辆的作业配置方案，主要取决于现场的条件、 运输车与装载机的数量和类型。广泛使用的有“i 形” 、 “v 形” 、 “l 形”作业方法。 1)“i”形作业法：运输

50、车平行与工作面并往复地前进和后退，所以也称之为穿 梭作业法。 这种作业方式可减少装载机改变方向的次数，如果装载机与运输车配合的好，会 有较好的生产率。 2)“v”形作业法：运输车与工作面成 60 度的角度，装载机装满铲斗后，在倒车 驶离工作面的过程中，并调转驶向料堆，进入下一次的作业循环。 这种作业方式可以得到较短的工作循环时间，故应用十分广泛。 3)“l”形作业法：运输车垂直于工作面，装载机铲装物料后，倒退并翻转 90 度， 然后向前驶向料堆进行下次铲装。 这种作业方式在运距较短时，一个司机可轮换在两辆运输车上工作，以减少人力。 这种作业方式适用宽广的作业场合。 2011 届机械设计专业毕业

51、设计（论文） 13 第三章 工作装置设计 3.1 工作装置结构分析 3.1.1 装载机工作装置 装载机采掘和卸载货物的作业是通过工作装置的运动实现的。装载机的工作装置 由铲斗，动臂、摇臂、连杆及液压系统等组成。铲斗以铲装物料；动臂和动臂油缸的 作用是提升铲斗并使之与车架连接；转斗油缸通过摇臂，连杆使铲斗转动。动臂的升 降和铲斗的转动采用液压操作。 1.设计时要求由铲斗、摇臂、连杆、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力下提升时。连 杆机构能使铲斗保持平移或使斗底平面与水平面夹角的变化控

52、制在允许的范围内。以 免装满物料的铲斗由于倾斜而洒落物料。 2)一定大小的卸荷角，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接点转动，并且卸荷角不小于 45 度。 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。 2.装载工作对工作机构设计的要求 轮胎式装载机是一种装运卸作业联合一体的自行式机械，它的工作过程由 5 种工 作状态或工况组成： 1)工况 i插入状态 动臂下放，铲斗放置地面，斗尖触地，铲斗前壁对地面呈 3-5前倾角；开动装 李云：zl30 装载机工作装置设计 14 载机铲斗借助机器的牵引力插入料堆。 2)工

53、况 ii铲装状态 工况 i 以后，转动铲斗，铲取物料，待铲斗口翻转至近似水平为止。 3)工况 iii重载运输状态 举升动臂，待工况 ii 之铲斗升高到适合位置(以斗底离地的高度不小于最小允许 距离为准)，然后驱动装载机，载重驶向卸载点。 4)工况 iv一卸载状态 在卸载点，举升动臂使铲斗至卸载位置；翻转铲斗，向运输车辆或固定料仓卸载； 卸毕，下放动臂，使铲斗恢复到运输状态。 5)工况 v空载运输状态 卸载结束后，装载机由卸载点空载返回装载点。在露天矿或工地，通常轮胎式装 载机是向载重汽车卸裁，出于装载点和卸载点距离很近，卸载位置较高，所以一般称 作“定点高位卸载” 。 3.工作装置的结构设计应

54、满足以下要求： 1)保证满足设计任务书中所规定的使用性能及技术经济指标的要求，如最大卸载 高度、最大卸载距离，在任何位置都能卸净物料并考虑可换工作装置。 2)保证作业过程中任何构件不与其它构件干涉。 工作装置的结构设计是一个比较复杂的问题，因为组成工作装置的各个构件尺寸 几位置的相互影响，可变性很大。对于选定的结构形式，在满足上述条件下可以有各 种各样的构件尺寸及铰接点位置。通过多种方案的比较，选出最佳构件的尺寸及铰接 点位置，使所设计的工作装置不仅满足使用要求，而且具有较高的技术经济指标。 3.1.2 结构形式的选择 装载机的工作装置的结构形式分为有铲斗托架和无铲斗托架两种。 有铲斗托架的工

55、作装置其动臂和连杆的后端与车架的支座铰链，动臂和连杆的前 端与铲斗托架铰链，托架上部铰接转斗油缸，其活塞杆几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，则在转斗油缸闭锁的情况下提 升动臂时，铲斗始终保持平移，使得铲斗内物料不易洒落。但是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，所以目前用得较少。 无托架的工作装置，结构比较简单，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，连杆构件数目多，机构的铰接点就多， 结构越复杂，因此超过八连杆的机构在装载机上一般不采用。按连杆机构运动可以分 为正转连杆工作装置

56、和反转连杆工作装置。如图 3.1 就是反转连杆工作装置。正转连 2011 届机械设计专业毕业设计（论文） 15 杆机构的摇臂与铲斗转动方向相同，而反转连杆工作装置的摇臂与铲斗转动方向相反。 正转连杆机构工作装置的运动特点是：最大掘起力是在铲斗底面略低于地面时， 即铲斗转角为负值时（见图 3.2 曲线 1、2） ，适宜于挖掘地面，铲斗卸荷时前倾角 速度大，易于抖落物料，但冲击较大。正转连杆机构可以分为：单连杆和双连杆。 1.正转单连杆工作装置 正转单连杆机构连杆数目少，结构简单，易于布置，转斗油缸可以布置在动臂的 下方，活塞杆不易受损伤；提升动臂时铲斗后倾角变化小。其缺点是连杆的传动比较 双连杆

57、小，从而造成掘起力曲线变化较陡（见图 3.2 曲线 1） 。若要提高连杆的传动比， 需要加大摇臂的长度，这样给布置带来困难，并造成驾驶员视野不良。 2.正转双连杆工作装置 双连杆机构连杆数目多，连杆传动比大，掘起力曲线变化平缓（见图 3.2 曲线 2） ， 动臂提升后铲挖力变化小，连杆的尺寸可缩小，扩大了驾驶员的视野。铲斗切削刃面 平贴地面时，提升动臂铲斗自然后倾，使铲装物料不会倒出，进行地面上挖掘工作可 以缩短循环时间，适于利用铲斗和动臂配合作业。其缺点是结构较复杂，转斗油缸较 难布置在动臂下边。如果要使动臂在最大举升高度时铲斗后倾角不致过大，就需使铲 斗在低位置时后倾角小些，但是这样装载机

58、满载运输时，铲斗中的物料又容易撒落。 3.反转连杆工作装置 反转连杆工作装置的运动特点是：最大掘起力是在铲斗底略高于地面后翻转时发 挥出来，而且最大铲起力比正转连杆机构大。反转连杆机构掘起力曲线变化较陡峭 （见图 3.2 曲线 3） ，在铲装物料转斗时掘起力大，易于进行掘起作业，适用于一次铲 掘法铲装，但是不适于进行往上耙料的作业，铲斗卸载时前倾最后阶段速度降低，卸 载平稳、冲击小，但难于抖落砂土；由于连杆数目少，传动比小，为了增大摇臂传动 比，需增大尺寸，这不仅使卸载时连杆易碰自卸卡车货槽侧壁，而且还造成驾驶员视 野不好；铲斗在最高卸载位置卸载后，下降动臂铲斗易于自动放平。 反转单连杆的工作

59、装置，由于结构简单、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 系列转载机的工作装置都是采用反转单连杆型式。至于反转双连杆机构，由于 结构复杂，难于布置，所以目前装载机上较少采用。 李云：zl30 装载机工作装置设计 16 图 3.1 反转连杆工作装置 图 3.2 工作特性图 3.2 铲斗设计 3.2.1 铲斗结构形式的选择 铲斗是直接用来切削、收集、运输和卸出物料，装载机工作时的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

60、铲斗设计的主要要求。铲斗是在恶劣 的环境下工作承受很大的冲击载荷和剧烈的磨损，所以要求铲斗具有足够的强度和刚 度，同时要耐磨。 根据装载物料的容重，铲斗做成三种类型：正常斗容的铲斗用来装载容重 1.4-1.6 吨/米 的物料（如砂、碎石、松散泥土等） ，增加斗容的铲斗，斗容一般为正常斗容 3 的 1.41.6 倍，用来采掘容重 1.0 吨/米 左右的物料（如煤、渣等） ；减少斗容的铲 3 斗，斗容为正常的 0.60.8，用来装载斗容重大于 2 吨/米 的物料（如铁矿石、岩 3 石等） 。用于土方工程机械的装载机，因作业对象较广，因此多采用正常斗容的通用 2011 届机械设计专业毕业设计（论文）