毕业设计zl系列轮式载重机

ZL系列轮式装载机

图纸jia个人资料的QQ

2013年6月

摘要

装载机是一种重要的土石方施工机械，普遍应用于铁路、公路、建筑、港口、水电、矿山等建设工程。它的主要作用是铲装石灰、砂石、碎屑、土壤、煤炭等散状物料，同时也可以对硬土、矿石等作一定程度的铲挖作业。装载机拥有操作轻便，效率高，机动性好，作业速度快等一系列优点，在加快工程建设的速度，降低工程的成本，提高工程的质量，减轻劳动的强度等诸多方面都起着非常重要的作用，因此成为现代机械化施工中非常重要的机械装备之一。

轮式装载机是由动力装置、传动系统、行走装置、液压系统、转向系统、制动系统和工作装置等诸多系统组成。由于工作装置的合理科学性直接影响着装载机的生产效率、动力特性、运动特性、发动机功率、各工况下的作业效果、工作负荷、工作循环时间、外形尺寸等诸多因素，因此，装载机工作装置设计的合理性和科学性对装载机的整体性能有至关重要的影响。

轮式装载机的工作装置主要由铲斗，动臂，摇臂，连杆，动臂油缸和转斗油缸组成。科学合理的设计并校核这些零部件，才能最终设计出结构和工作性能合理的装载机工作装置。

关键词：装载机，施工机械，工作装置，设计，校核

I

ABSTRACT

Loader is a kind of important earthwork construction machinery, widely used in railway, highway, building, port, hydropower, mining and other construction projects. Its main role is loading lime, sand and gravel, debris, soil, coal and other bulk materials, can also be a certain degree of shovel to the hard soil, ore digging. With convenient operation, loading machine with high efficiency, good mobility, fast operating speed and a series of advantages, to speed up the construction speed, reduce project cost, improve project quality, plays a very important role to reduce labor intensity and so on many aspects, therefore become one of mechanical equipment are very important in modern mechanized construction the.

The wheel loader is composed of a power device, a transmission system, a walking device, hydraulic system, steering system, braking system and working device and other system components. Due to the reasonable scientific working device of loader directly affects production efficiency, dynamic characteristics, motion characteristics, engine power, under the condition of operation effect, working load, cycle time, size and other factors, therefore, influence of loader working device. The rationality and the scientific nature of the overall performance of the loader are the crucial.

The digging resistance and digging force is an important performance index to measure the performance parameters of the excavator, essential to its analysis and calculation. The digging resistance is mainly related with the mining object and its size parameters, and the mining capacity of many conditions, analysis of risk is the key point of operation. In mining based on the force analysis, calculation and analysis can be carried out for each member of the hinge point, and analyzes the rationality of mechanism design.

KEY WORDS: Loading machine, Construction machinery, Equipment, Design, verification

II

第1章绪论 ··························· 1

1.1工程机械国内外现状及发展 ·················· 1 1.2装载机的简介 ························ 2

1.2.1装载机的用途 ····················· 2 1.2.2装载机的分类 ····················· 2 1.3国内轮式装载机发展现状及趋势 ················ 3

第2章轮式装载机原理 ···················· 6

2.1轮式装载机的总体结构 ···················· 6 2.2轮式装载机的工作原理 ···················· 6

第3章ZL系列轮式装载机的总体设计 ··········· 7

3.1总体设计的原则及主要内容 ·················· 7

3.1.1工程机械设计原则 ··················· 7 3.1.2工程机械总体设计的主要内容 ·············· 8 3.2ZL系列轮式装载机总体参数的确定 ··············· 8

3.2.1轮式装载机总体参数的确定 ··············· 8 3.2.2ZL轮式装载机的插入阻力与掘起阻力的确定 ········ 12 3.3ZL系列轮式装载机的总体布置 ················· 13

3.3.1总体布置的内容、原则和基准选择 ············ 13 3.3.2轮式装载机各部件布置的具体要求 ············ 14 3.3.3各运动部位校核要求 ·················· 16 3.3.4桥荷分配和重心位置的计算与调整 ············ 17 3.3.5轮式装载机稳定性计算 ················· 18

第4章ZL系列轮式装载机工作装置的设计 ········ 20

4.1轮式装载机工作装置的概述 ·················· 20

4.1.1轮式装载机简介 ···················· 20 4.1.2轮式装载机的工作过程 ················· 21 4.1.3轮式装载机工作装置的设计要求 ············· 21 4.2铲斗的设计 ························· 22

4.2.1铲斗的设计要求 ···················· 22 4.2.2铲斗形状、结构 ···················· 22 4.2.3铲斗主要几何尺寸的确定 ················ 24 4.3工作装置连杆机构设计 ···················· 28

4.3.1确定动臂长度、形状与车架的铰接位置 ·········· 29 4.3.2确定动臂举升油缸的铰接位置及举升油缸的行程 ······ 33

III

4.3.3其余各点的确定 ···················· 34

第5章工作装置强大设计与校核 ·············· 39

5.1 工作装置的外载荷计算 ··················· 39 5.2 工作装置的受力分析 ···················· 39

结论 ······························ 47

参考文献 ···························· 48 致谢 ······························ 49

IV

第1章绪论

1.1工程机械国内外现状及发展

工程机械属于机械工业的一个非常重要组成部分，它在现代化建设中提供先进的施工机具，在城市的建设、能源的开采、近海的开发、国防的建设、交通运输与农田水利等诸多方面，都发挥着很重要的作用。众所周知，工程机械的现代化肯定会推动现代化建设，提高建设工程施工质量，从而加快国民经济建设前进的步伐。

美国的生产总量居于全球第一，同时欧洲也是工程机械的一个主要生产地和消费区，生成总量全球第二。其中德国是欧洲工程机械的一个主要生产国，德国的混凝土机械、工程起重机、路面机等许多大型工程机械产品在国际市场上知名度很高。此外，在国际市场德国同时输出设计和制造技术，日本、中国等亚洲国家都曾经引进德国的很多重要的产品技术。

英国、意大利两国在工程机械方面的产值同样很高，也在全球工程机械行业占有重要的地位。

步入21世纪以来，在全球工程机械市场上，企业的兼并与重组的浪潮迭起。除中国的市场外，在全球排名前十位的工程机械巨头占据了百分之八十五的市场份额，同时全球范围内，工程机械行业的产业的集中度在加剧，整个工程机械行业表现出快速增长和加速增长的趋势。

中国的经济飞速发展和由此所带来的数量巨大的工程建设投入，使中国的工程机械市场已经成为跨国企业争夺市场的“兵家必争”之地。

中国的工程机械行业经过了五十多年发展，时至21世纪的今天，已经发展成门类齐全、规模宏大的机械行业的支柱产业。特别是经过改革开放，经济体制的改革不断深入，使得企业的机制和体制不断发生变化，从而涌现出了山河智能、中联重科、三一重工等一批中国工程机械行业在不同领域的知名企业。

时至今日，我国的工程机械行业已经发展成为能够生产十六个大类、一百五十多个系列和三千多个品种的工程机械产品，同时已经占据了国内百分之七十的市场份额。

在工程机械市场上，很长时间以来都是以欧美和日本等国家为代表的跨国企业的产品占据着市场竞争过程中的绝对优势地位。而我国工程机械行业的整个发展正是演绎了由非国有品牌独占市场到我国国有品牌逐渐崛起并且最终走出国门走向世界的行业巨变的过程。

1 1

1.2装载机的简介

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，随机器向前运动进行装载和挖掘，以及提升，运输和卸载的自行式履带或轮胎机械。它是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械，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，减轻劳动强度，提高工程质量，降低工程成本都发挥着重要的作用，是现代机械化施工中不可缺少的装备之一。

1.2.1装载机的用途

装载机是一种用途十分广泛的工程机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，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。装载机的作业对象主要是:各种土壤，砂石料，灰料以及其他筑路用散装物料等。

1.2.2装载机的分类

常用的单斗装载机，按发动机功率，行走系结构，传动形式，装载方式的不同有着不同的分类。

1，按照发动机功率的不同有以下四种分类： A,功率小于74kw为小型装载机。 B,功率在74至147kw为中型装载机。 C,功率在147至515kw为大型装载机 D,功率大于515kw为特大型装载机

2，按照行走装置不同有俩种分类:轮胎式和履带式。

轮胎式装载机质量轻、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。

履带式装载机接地比压小，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。

3，按照传动形式不同有以下分类：

2

A,机械传动式。机械传动式在国内仅用于0.5m3以下的装载机，它一般直接采用汽车或拖拉机的传动装置，即离合器和变速器。

B,液力机械传动式。由于液力机械传动取消了机械传动中的离合器而换用液力变矩器，取消了人力换挡变速箱而换用了动力换档变速箱，使发动机在不停车的情况下换挡，操作轻便，工作可靠性高，因此液力机械传动式是轮式装载机的主要传动形式。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。

C,液压传动式。液压传动使用柴油机带动液压泵产生高压油，并通过控制系统和油管带动液压马达使车轮传动。它能够简化传动系统，使整机质量减轻，但由于启动性差，液压件价格昂贵，寿命也比较低。液压传动式可无级调速、操纵间便，但启动性较差，一般仅在小型装载机上采用。

D,电传动式。电传动是由柴油机驱动交流发电机，以此来驱动装在车轮上的直流电动机，然后通过轮边减速器带动车轮转动，这样可以实现无级调速。这种传动检查方便，维修简单，工作可靠。缺点是电机设备质量大，费用高，目前只在大型装载机上使用.

4，按照装载方式不同有以下分类：

A,前卸式。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。轮式装载机基本上都是前卸式。

B,后卸式。后卸式前端装、后端卸、作业效率高、作业的安全性欠好。 C,回转式。工作装置安装在可回转360°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。

5，按照转向方式不同有俩种分类：整体式和铰接式。国产ZL系列轮式装载机绝大多数采用铰接式

1.3国内轮式装载机发展现状及趋势

在经历了50-60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，使国外轮式装载机在原来的基础上更加精制，其自动化也得以提高，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，降低噪声，振动，排污量，保护了自然环境，最大限度的简化维修，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水平。

目前，国外轮式装载机产品形成系列，更新速度加快并朝大型化和小型化

3

发展，并且采用新结构，新技术，产品性能日趋完善。近年来，国外轮式装载机在其未来技术发展中将广泛采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、噪声抑制的方法消除或降低机器噪声；通过不断改进电喷装置，进一步降低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与灵敏性，提高整机的机-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、自动换档变速装置；普遍安装GPS定位与质量自动称量控制；开发机器人装载机等。

我国轮式装载机起步较晚，其制造技术是陆续从美国、德国和日本等国家引进的。目前，我国轮式装载机生产技术水平只相当于发达国家20世纪80年代的制造水平。当下，虽然国内生产轮式装载机的厂家比较多，但由于国内的企业自主开发创新能力较弱，产品更新换代并不能及时适应市场的需求。因此，在生产制造上出现了一系列的问题，比如工艺装备水平和生产能力低，造成关键零部件技术不过关。所以，就目前的状况，国内的产品在许多方面与先进国家产品相比差距较大。目前我国轮式装载机的发展有如下一些特点。

1，缺乏高科技含量，产品质量不稳定，档次低。 2，设备的灵活性、舒适性较差。 3，用途单一，产品规格中间大两头小。

近年来，随着建筑施工和资源开发规模的扩大，对工程机械需求量迅速增加，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。随着微电子技术向工程机械的渗透，现代工程机械日益向智能化和机电一体化方向发展。自20世纪以来，国外工程机械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。轮式装载机新技术发展特点具体表现在：

1.系列化、特大型化。 2.多用途、超小型化、微型化。 3.节能与环保。

4.计算机管理及故障诊断、远程监控系统及整机智能化。 5.优秀的设计和新结构的不断采用

尽管国产轮式装载机的技术水平与西方发达国家存在着很大的差距，但也应该考虑到历史和国情的原因。目前国产轮式装载机正在从低水平、低质量、低价位、满足功能型向高水平、高质量、中价位、经济实用型过渡。从仿制仿

4

造向自主开发过渡，各主要厂家也不断进行技术投入，采用不同的技术路线，在关键部件及系统上技术创新，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。其发展体现出以下一些趋势：

1，大型和小型轮式装载机，在近年的发展过程中，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将越来越快。

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，强化结构件的强度和刚度，以使整机可靠性得到提高。

3，优化系统结构，提高系统性能。

4，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，降低装载机作业成本。

5，提高安全性和舒适性。

6，降低噪声排放，强化环保指标。

7，广泛使用新材料、新工艺、新技术，特别是机电液一体化技术，提高产品寿命和可靠性。

8，最大限度的简化维修，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，提高排除问题的方法。

5

第2章轮式装载机原理

2.1轮式装载机的总体结构

轮式装载机是由动力装置、车架、行走装置、传动系统、转向系统、制动系统、液压系统和工作装置等组成。下图是轮式装载机结构简图。

1-铲斗；2-摇臂；3-动臂；4-转斗油缸；5-前车架；6-动臂油缸；7-驾驶室；8-变矩器；9-发动机；10-水箱；11-配重；12-后桥；13-后车架；14-变速器；15-前桥；16-连杆

图2-1轮式装载机结构简图

轮式装载机的动力是柴油机发动机，大多数采用液力变矩器，动力换档变速箱的液力机械传动形式（小型装载机有的采用液压传动或机械传动），液压操纵、铰接式车体转向、双桥驱动、宽基低压轮胎，工作装置多采用反转连杆机构。

2.2轮式装载机的工作原理

轮式装载机是以柴油发动机为动力源，以轮胎行走机构产生推力(或牵引力)，由工作装置来完成土石方工程的铲挖、装载、卸载及运输作业的一种工程施工机械。以常用的轮式装载机为例(见图3-1所示)，其工作过程是发动机9的动力经变矩器传给传给变速器14，再由变速箱14经过前后传动轴分别传给前后桥15、12以驱动车轮转动，使装载机工作装置接近并插入料堆。工作装置动臂的一端铰接在车架上，一端铰接着铲斗，利用转斗油缸4通过摇臂2和连杆16可使铲斗翻转，利用动臂油缸可使动臂绕上铰接点旋转，以举升、放下铲斗，完成装载作业。

6

第3章ZL系列轮式装载机的总体设计

3.1总体设计的原则及主要内容

轮式装载机设计包括总体设计、工作装置设计和底盘设计。

装载机总体设计要完成的工作是根据它的用途、作业情况、制造条件及设计任务书的要求合理地选择机型，确定性能参数、整机尺寸、各部件的结构形式等，进行总体布置，从而实现整机的各种性能指标。

装载机是由许多部件组合起来的一个有机整体，其整机性能不仅取决于每个部件的品质，而且主要取决于各部件之间的相互协调，这种相互协调是通过总体设计实现的。所以装载机总体设计对它的整机性能起决定性作用。而各总成性能的协调如何，则又取决于总体参数及各总成部件的匹配情况及其布置的合理性。如果在设计过程中缺乏全局观点，而对总体参数及各总成部件的匹配考虑不周或者注意不够，即便所设计的各部件结构是先进的，性能是良好的，但组合在一起不一定能获得整机的良好性能。因此，正确的选择和确定总体参数能使设计部分获得良好的匹配关系。

3.1.1工程机械设计原则

在设计新机械或对现有机械进行改造设计时，设计人员应遵循如下基本原则：

1，满足使用要求，通过总体设计、各总成部件的选型与设计，以及其合理的组合、匹配和布置，保证在使用条件下能够有效地实现所预期的主要功能，对铲土运输机械而言，应满足牵引性能、动力性能、机动性、稳定性和制动性能等要求。

2，满足经济性要求，在设计、制造上要求成本低，生产周期短；在使用上，要求生产率高、效率高、适用范围大、燃料和辅助材料消耗少、适用方便、维护费用低廉等。

提高设计及制造经济性的主要措施有：

A，尽量选用“标准化、通用化、系列化”的零部件，以简化设计、保证质量、降低成本。

B，采用能够降低成本、提高质量、 性能的“新产品、新技术、新结构、新材料”。

C，采用先进的生产和装配工艺，尽可能地简化传动链、简化结构、减少零

7

部件种类和数量。

D，所设计的零部件应 减少材料消耗、简化工艺和降低技术要求，且制造容易，装配简单，互换性好，以便降低制造工时，降低制造机器及所需要的工艺装配费用。

3.1.2工程机械总体设计的主要内容

尽管工程机械的种类繁多，结构和性能差异很大，但其总体设计通常包括以下的主要内容：

1，根据设计技术任务书，选择机型及各总成的结构形式，确定总体布置方案。

2，初步确定整机主要的性能参数和基本参数。一般包括:生产率、机器的使用质量、发动机功率、最大牵引力、机器的最大与最小速度、档位数、轮距和轴距（或履带长度、宽度和比压力）、外形尺寸、工作装置的特征尺寸、工作装置的各种操纵速度和各种操纵方式的操纵力等。 3，确定各总成主要参数间相互联系的关系及机器的重心位置。 4，计算作业阻力，进行机器在各工况下的受力分析，得到各零部件的设计载荷等相关数据。 5，进行整机的稳定性计算。

6，进行生产率及其他技术经济指标的初步计算。 7，必要时，还应进行换装工作装置的初步设计。 8，绘制整机的尺寸链及整机的草图。 9，辅助系统（如机罩、附件等）设计。

3.2ZL系列轮式装载机总体参数的确定

3.2.1轮式装载机总体参数的确定

轮式装载机总体参数是指它的主要性能参数和基本尺寸参数。性能参数包括装载机操作质量、额定载重量、铲斗容量、发动机功率、最大插入力、掘起力、最大卸载高度和卸载距离等。基本尺寸参数包括轴距、轮距尺寸、外形尺寸等。

1，装载机自重力

装载机的自重力通常指由装载机本身的制造装配质量以及发动机的冷却水、燃料油、润滑油、液压系统油、随车必备工具、驾驶员体重等因素引起的重力。 装载机靠行走将铲斗插入料堆，铲斗插入料堆的能力取决于装载机的牵

8

引力，牵引力受装载机附着力的限制，故装载机的自重力应能使其驱动系统产生足够的附着力，以满足铲斗插入料堆的需求。在插入料堆时，牵引力主要用来克服插入阻力和运行阻力，即：

Fd?Fin?mgu（3-1）

式中：Fd是装载机行走牵引力，单位N； Fin是铲斗插入阻力，单位N； m是装载机整机质量，单位kg； u是滚动阻力系数。

Fd?mg? （3-2）

式中：υ是滚动阻力系数。

装载机牵引力受地面附着条件限制，所以牵引力的最大值应不大于附着力，由于装载机多为四轮驱动，因此由上俩个式子求得装载机自重力G为：

G?mg?Fin/(??u) （3-3）

2，装载机额定载重量

装载机额定载重量是在保证装载机必要的稳定性能的前提下，它的最大载重能力。

3，装载机铲斗容量

装载机铲斗容量分两种：一种称为额定容量，是指铲斗四周均以1/2坡度堆积物料时，由物料坡面与铲斗内廓所形成的容积；另一种称为平装容量，指铲斗的平装容积。通常所说的铲斗容量是指其额定容量。

平装容量Vs与额定容量Vr有如下关系,即：

Vr?1.2Vs （3-4）

额定容量Vr与额定载重量M有如下关系：

Vr?M/? （3-5）

式中：ρ是撞在物料密度。 4，发动机功率

轮式装载机的发动机功率按毕业设计要求自行选取合适的数据。 5，最大插入力

最大插入力是装载机插入料堆时在铲斗斗刃上产生的作用力，其值取决于牵引力，牵引力越大，插入力也越大。在平地匀速运动下不考虑空气阻力时，插入力大小等于牵引力减去滚动阻力。

Fin?(Pmax??)/Vin?uG （3-6）

式中：Fin是最大插入力，单位是N；

9

Pmax是发动机最大有效功率，单位是W； γ是传动系统效率；

Vin是插入速度，单位是m/s。

对于铲装时停止运动，用推压油缸使铲斗插入料堆的装载机，插入力取决于推压油缸的推力，但最大不超过装载机与地面的静摩擦力。

铲斗插入料堆时，单位长度斗刃上所产生的最大作用力，叫做单位斗刃插入力，也称比切力。比切力是表示装载机铲斗插入料堆能力的指标，比切力越大，铲斗插入料堆的能力越强.

6，挖掘力

装载机掘起力是指在下述几个条件下，铲斗绕着某一规定铰接点回转时，作用在铲斗切削刃后面100mm处的最大垂直向上的力(对于非直线型斗刃的铲斗，指其斗刃最前面一点后100mm处的位置)。

1，装载机停在坚实的水平地面上； 2，装载机具有标准的使用质量；

3，铲斗斗刃底部平行于地面，且与地平面距离的上下误差不超过25mm。 装载机掘起力标志着装载机铲斗绕规定点回转时动臂举升或铲斗翻转的能力。如果在举升或转斗过程中，引起装载机后轮离开地面，则垂直作用在铲斗上使装载机后轮离开地面的力就是装载机的掘起力。

掘起力是由转斗或动臂油缸提供的，根据装载机的稳定性计算，初步计算时，根据额定载重量，挖掘力Fz可按下式近似确定：

Fz?(1.8~2.3)Mg （3-7）

计算得：转斗或提升动臂时，单位长度斗刃上产生的最大掘起力叫做单位斗刃掘起力。

7，最大卸载高度和铲斗最大举升高度

最大卸载高度是指动臂在最大举升高度、铲斗斗底与水平面成45°角卸载时，其斗刃最低点距离地面的高度，露天装载机的卸载高度可以根据配用车辆车厢高度确定，即：

hmax?h??h （3-8）

式中：h是配用车辆车厢高度，单位是mm；

Δh是考虑到作业时斗刃与车厢侧板间保留必要的间隙，取Δh为

300至500mm。

铲斗在最大举升高度是指铲斗举升到最高位置卸载时，铲斗后壁挡板顶部运动轨迹最高点到地面的距离。

8，铲斗最大卸载高度时的卸载距离

10

铲斗最大卸载高度时的卸载距离，是指铲斗在最大卸载高度时，铲斗斗刃到装载机本体最前面一点(包括轮胎和车架)之间的水平距离。这个距离小于铲斗处于非最高位置卸载时的卸载距离，所以称为最小卸载距离。要保证

L?b/2??b （3-9）

式中：L是最小卸载距离，单位是mm； b是配用车辆车厢宽度，单位是mm；

Δb是装载机本体前缘与运输车辆间应保留的距离，单位是mm。 9，铲斗的卸载角与后倾角

铲斗被举升到最大高度卸载时，铲斗底板与水平面间的夹角为卸载角。为了保证铲斗在任何举升高度都能卸净物料，这就要保证在任何举升高度时卸载角都不小于45度。

装载机处于运输工况时，铲斗底板与水平面间的夹角为后倾角。后倾角过小,不但影响铲斗的装满程度，而且使铲斗举升初期物料向前撒落；后倾角太大，使铲斗举升后期向后撒落，易造成设备事故。 因此取后倾角在46度 。

10，最小离地间隙

装载机最小离地间隙是通过性的一个指标，它表示装载机无碰撞的越过石块、树桩等障碍的能力。最小离地间隙根据经验选取，一般在450mm。

11，轴距和轮距

装载机轴距是指前后桥中心线的距离。轴距的大小影响装载机的纵向稳定性、转弯半径和整机质量。

轮距是指两侧轮胎中线的距离，轮距的大小影响装载机的横向稳定性及转弯半径和单位长度斗刃上的插入能力。

根据以上各个参数的原理公式及一些基本参数的选取，最终本次设计题目ZL系列轮式装载机的参数选定为：

1，装载机自重力G：170000N； 2，装载机额定载重量M：5000kg； 3，装载机铲斗平装容量Vs：2.5立方米； 4，装载机铲斗额定容量Vr：3立方米； 5，发动机功率：162000W； 6，最大插入力Fin：127500N； 7，挖掘力Fz；10000N； 8，最大卸载高度：3100mm； 9，对应卸载距离：1150mm；

11

10，卸载角：55度； 11，后倾角：46度； 12，最小离地间隙：440mm； 13，轴距：3200mm； 14，轮距：2200mm； 15，牵引力Fd：180000N； 16，满斗举升时间：5ｓ； 17，空斗下降时间：5ｓ； 18，转斗卸载时间：2ｓ。

3.2.2ZL轮式装载机的插入阻力与掘起阻力的确定

装载机的工作阻力是多种阻力的合力。由于物料性质和工作机构工作方式的不同，工作阻力有不同的计算方法，一般工作阻力通常分别按插人阻力和掘起阻力进行计算。

1，插入阻力

插入阻力就是铲斗插人料堆时，料堆对铲斗的反作用力。插入阻力由铲斗前切削刃和两侧斗壁的切削刃的阻力，铲斗底和侧壁内表面与物料的摩擦阻力，铲斗底外表面和物料的摩擦阻力组成。这些阻力与物料的种类、料堆高度、铲斗插人料堆的深度、铲斗的结构形状等有关。计算上述阻力比较困难，一般按以下经验公式来确定总插人阻力：

图3-1插入阻力和掘起阻力计算图示

12

Fx?9.8K1K2K3K4BL1.25 （3-10）

式中：Fx是铲斗插入阻力，单位是N；

K1是被铲掘物料的块度及松散程度影响系数，对于小块物料(碎石和

沙砾)，K1取0.75；

K2是物料种类影响系数，K2取0.1； K3是料堆高度影响系数，K3取中间值0.8；

K4铲斗形状系数，一般在1.1至1.8之间，对于前刃不带齿的斗取

较大值,本机是带齿的斗且较大，则取 1.5；

B是铲斗宽度；

L是铲斗插入料堆深度，在一次铲掘法时，取等于0.7至0.8斗底

长度；在配合铲掘法时，取等于0.25至0.35斗底的长度。

2，掘起阻力

掘起阻力就是指铲斗插人料堆一定深度后，举升动臂时物料对铲斗的反作用。掘起阻力同样与物料的种类、块度、松散程度、密度、物料之间及物料与铲斗之间的摩擦阻力有关。最大掘起阻力发生在铲斗开始提升时，并假定作用在铲斗斗刃上，随着动臂的提升，掘起阻力逐渐减小。掘起阻力由下式计算：

Ft?2.2LBKt （3-11）

式中：Ft是铲斗掘起阻力；

Kt是开始提升时物料的剪切应力.对于块度是0.1至0.3m的已松散的岩石，Kt取35000Pa。

3.3ZL系列轮式装载机的总体布置

3.3.1总体布置的内容、原则和基准选择

1，总体布置的内容

轮式装载机总体布置的内容包括以下几个方面： A，确定各部件在整机上的位置及占据的空间。 B，确定各部件之间，各部件与整机之间的连接方式。 C，估计整机自重力及重心位置，并对各部件质量提出要求。 D，布置各操纵机构，机器覆盖件，驾驶室等。 E，审查各运动件的运动空间，排除可能发生的干涉。 F，定出标准化，通用化，系列化的零部件明细表。 2，总体布置的原则

轮式装载机在总体布置时要考虑以下原则:

13

A，保证整机的稳定性。

B，结构紧凑，并有较高的传动销率。 C，便于操作维修，工作安全可靠。 D，外形美观，协调。 3，总体布置的基准选择

轮式装载机在总体布置时应该准确选择三个方向的布置基准： A，以通过后桥中心线的水平面为上下位置的基准。 B，以通过后桥中心线的垂直面为前后位置的基准。 C，以两侧车轮的对称面为左右位置的基准

3.3.2轮式装载机各部件布置的具体要求

进行总体布置设计，布置各零部件在车上的位置时，首先要确定基准，对轮式装载机一般可以选车架上缘面或前、后桥中心线作为上、下位置的坐标基准，通过前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。坐标确定以后，即可以把初选的轴距、轮距和轮胎绘在草图上。各个零部件布置在车上的平面位置应尽量对称于车辆的纵向对称轴线，以利于整车的横向稳定和左、右轮胎的负载均匀

1，车架连接和传动轴的的布置

本次我所设计的是ZL系列轮式装载机，ZL系列轮式装载机一般采用的是铰接式装载机模型。

铰接式转载机前、后车架铰销的布置通常有两种方式：

A，铰销布置在前、后桥轴线的中间。转向时前、后轮转向半径相同，便于通过狭小地段。由于前、后轮轮迹始终相同，减小了在松软地面上的行驶阻力和转向阻力距。

B，铰销布置在离前桥1/3～1/2.5的轴距处。转向时，前轮转向半径大于后轮转向半径。由于前后轮转向半径不同，引起附加的功率损失，增加轮胎的磨损。转向时其纵向和横向稳定性都下降，但铲斗原地摆动角度大，便于原地对准料堆，司机不易疲劳。此外，铰销位置偏前，便于传动系的布置。

经过比较，铰接销布置在轴距的1/2处，选择第一种铰接方式。 连接前后车架的铰接销有上下两个，车架的外部宽度受轮距限制，内部宽度要求考虑安装发动机和转向油缸的位置，车架高度是根据结构的强度要求和支撑件尺寸要求而定。

每个车架绕铰接销的相对转角为35°左右。

14

传动轴布置在装载机的纵向对称平面内，且保证水平布置使中间传动轴的中点与车架的铰接销中心线重合。

2，发动机和传动系统的布置

装载机各零部件的布置一般从发动机开始。发动机一般均匀布置在整机后部，以起配重的作用，其上、下位置应尽量放低，使重心降低，有利于整机的稳定性。但发动机受副车架和驱动桥桥壳位置的限制，且需保证足够的离地间隙和传动系的布置。发动机的位置确定后可以布置液力变矩器、变速器及传动轴。

发动机、变矩器和变速器的连接通常有以下几种方式：

A，发动机、变矩器和变速器三者组合成一体。其优点是：轴向尺寸短，便于轴距较小的装载机的总体布置；三部件可以组装成一个总成一次安装，使总装工序简化；可以减少部件间的油路管道，增加可靠性。但是，这种布置方式箱体加工同心度要求较高，当其中有一部件损坏时，需整体吊出车体，修理时，由于各部件箱体刚性连接，发动机的振动会其他部件的正常工作。

B，发动机与变矩器用传动轴连接，变矩器与变速器连接成一体。 C，发动机与变矩器连接成一体，变矩器与变速器用传动轴连接。 后两种方案的特点是拆卸及维修方便，发动机前、后位置不受变速器位置影响，可以向后移动，减少配重，有利于整车重量的合理分配。另外，可以根据不同机种配置不同的变矩器与变速器，零部件通用性强。经过比较，选择第二种布置方式。

发动机按纵向布置在装载机的后部，以保证整机的稳定性。发动机相对后桥的前后距离，可根据桥荷分配力进行调整。

3，摆动桥的布置

为了保证装载机在凹凸不平的路面上行驶时，其左右轮都与地面接触，而不悬空，采用了摆动桥结构。

4，工作装置的布置

工作装置一般布置在整机前端，结合卸载高度、卸载距离的要求以及工作装置连杆机构的设计确定动臂与车架的铰点位置。在满足动臂在最高位置时的卸载要求和动臂在最低位置时铲斗不受干涉的前提下，动臂支点越向后布置，动臂举升时的外伸距离越小，稳定性越好，动臂所需转角也小，便于机构设计和提臂液压缸的布置。在满足卸载要求的条件下，若动臂与车架的铰点位置提高，则可以减少铲斗刀刃离前轴的距离，增加掘起力。反之，斗刃离前轴距离增加，掘起力减小。在确定动臂与车架的铰点位置时，还要考虑工作装置不妨碍司机视线和确保司机的作业安全。 动臂油缸与车架的铰接是油缸的下端与车

15

架铰接，这种结构简单，易布置。动臂油缸与车架的铰接位置应使油缸下端有足够的离地高度，以满足装载机离地间隙的要求

5，驾驶室的布置

在铰接式车架上，驾驶室布置一般有以下三种方案：

A，驾驶室布置在前车架的后部。驾驶员视野好，并与铲斗的相对视角保持不变，铲斗的对准性容易控制，但驾驶员受到工作机构传来的冲击较大，容易疲劳。

B，驾驶室布置在后车架的前部。驾驶员的视野不好，驾驶员与铲斗的相对视角有变化，铲斗的准确性不易控制，但驾驶员受工作机构传来的冲击小，不易疲劳。

C，驾驶室布置在后车架的前悬壁处。这种布置的形式，综合了前两种布置形式的有点，并克服其缺点。但转向时铲斗准确性差，由于铲取作业和卸载作业一般不在转向时进行，因此影响不大。

经过比较，选择驾驶室的布置采用第三种布置方式。 6，转向系的布置

ZL系列轮式装载机的轴荷大，转向频繁，转向角度大，要采用动力转向。铰接式装载机转向油缸采用两个，对称布置在铰销两侧，油缸体和活塞杆分别铰接在前，后车架上，一侧油缸的小腔与另一侧油缸的大腔相通，使左右转向时，力矩变化均匀。前后车架绕其铰销的相对转角取36o，超过该值，则横向稳定性能不好，且传动轴易发生干涉，给其它零部件造成影响。保证了在转向过程中，各零部件不得发生干涉，油管位置变化尽量小，油缸的摆角要尽量小，从而减少转向力臂变化。

3.3.3各运动部位校核要求

ZL系列轮式装载机总体布置完成后，全面考虑各部件相对运动，要防止干涉，其中主要包括：

1，工作装置运动时，其内部各点，工作装置与前车架、桥是否干涉。 2，前后车架转向时，前车架与驾驶室，前护泥板与后护泥板、前车架与后护泥板、前护泥板与后车架上的扶梯是否干涉，固定杆前支座（在前车架上）与固定杆后支座（在后车架上）是否干涉。

3，后桥桥壳摆动到最大角度时，桥壳与发动机底壳是否干涉；摆起的轮胎是否影响机罩的侧门的开启；摆起的轮胎是否与驾驶室群边干涉；摆起的轮胎是否与后护泥瓦干涉。

4，考虑各泵的拆装空间。

16

5，考虑各操作手柄的操纵运动形成是否与其它部件干涉等等。

3.3.4桥荷分配和重心位置的计算与调整

当桥荷力分配确定为具体值后，才能进行使用性能分析。装载机在作业过程中，作用在铲斗上的外载荷力变化范围很大，使作用在前后桥上的桥荷力大小也发生了变化。

为了满足装载机的通过性、牵引性和稳定性的要求，前、后桥的载荷力必须在这个变化中合理分配。对于我所设计的轮式装载机,按照国家推荐桥荷力分配如下：

空载时，前桥桥荷力占装载机自重力的40%～45%，后桥桥荷力占装载机自重力的60%～55%。

满载时，前桥桥荷力占装载机自重力的75%～80%，后桥桥荷力占装载机自重力的25%～20%。

空载时，静止的装载机受力如图4-2所示，由力的平衡条件可求得桥荷力

为

F1?G(1?L1/L) （3-12）

F2?G?L1/L （3-13）

式中：G是整机的自重力；

L1是重心到前桥的水平距离； L是轴距；

F1，F2是前后桥的桥荷。 因此，前后桥的桥荷之比是：

K?F1/F2 （3-14）

式中：L=3250mm，L1=1911mm，得K=0.7。

根据推荐一般使K在0.67到0.82之间，即满足前、后桥桥荷力分配。

17

图3-2轮式装载机稳定性计算图

重载时，桥荷力为：

?F1?G(1?L1/L)?Mg(1?l/L) （3-15）

?F2?G?L1/L?Mg?l/L （3-16） 式中：M是装载机额定载重量，M=5000kg。

l是动臂最大外伸时，载荷中心离前轴的距离。 因此，计算得：Kˊ=3.3。

根据推荐一般使Kˊ在3到4之间，即满足前、后桥桥荷力分配。 综上所述，桥荷力分配满足要求。

3.3.5轮式装载机稳定性计算

装载机的稳定性是指装载机在行驶过程中，不发生倾翻和侧滑的的能力。通常用稳定比和稳定度来评价装载机的稳定性。作用在装载机上的外力，对装载机可能产生两种力矩：一种是使装载机产生倾翻趋势的力矩，称为倾翻力矩M1；另一种是使装载机趋于稳定的力矩，称为稳定力矩M2。稳定力矩和倾翻力矩之比，称为稳定比，即稳定比λ为：

??M2/M1 （3-17）

当λ大于1时，装载机稳定；当λ小于1时，装载机倾翻；当λ等于1时，装载机处于将要倾翻而未倾翻的临界状态。

在一般情况下，装载机存在多种可能发生倾翻的工况，在此，对轮式装载机满载、动臂最大外伸，机器停在水平位置时的工况的受力进行分析，如图4-2

18

所示。

??(GL1)/(gQl) （3-18）

式中：Q为铲斗中物料的重量，单位是kg；

l动臂最大外伸时，载荷中心离前轴的距离，单位是mm； G装载机自重力，单位是N； L是装载机的重心离前轴的距离。

其中，Q=5000kg，L1=1911mm，G=170000N，l=1680mm。 计算得：λ=3.87>1 ，因此稳定性满足要求。

19

第4章ZL系列轮式装载机工作装置的设计

4.1轮式装载机工作装置的概述

4.1.1轮式装载机简介

装载机工作装置主要由铲斗和支持铲斗进行装载作业的连杆系统组成，依靠这套装置装载机可以对汽车，火车进行散料装载作业，也可以对散料进行短途运输作业，还可以进行平地修路等作业。把铲斗更换成专门的装置，还可以进行其他装载作业。

装载机工作装置的结构和性能直接影响整机的工作尺寸和参数，因此，工作装置的合理性直接影响装载机的生产效率、工作负荷、动力与运动特性，不同工况下的作业效果、工作循环时间、外形尺寸和发动机功率等。

1- 转斗油缸；2-摇臂；3-动臂；4-铲斗；5-斗齿；6-动臂油缸

图4-1 ZL系列轮式装载机结构图

轮式装载机工作装置有多种形式，根据杆数和运动特征可分为正转四杆、正转五杆、正转六杆、反转六杆、正转八杆等。本次设计研究的是反转六连杆

20

机构，如图5-1所示。轮式装载机工作装置由铲斗、连杆、摇臂、动臂、转斗油缸、举升油缸组成。这个机构实质是两个四杆机构。

这种机构形式简单、尺寸紧凑。当铲斗铲掘物料时由于是反转机构，转斗油缸大腔进油工作，可以获得较大的铲掘力。也就是说，铲起同样重量的物料，转斗油缸的尺寸可以设计得较小。而且转斗油缸后置，使司机有较好的视野。反转六连杆机构尤其多用于中小型装载机工作装置,我国生产的ZL系列轮式装载机工作装置多采用这种形式。

4.1.2轮式装载机的工作过程

轮式装载机是一种铲、装、运、卸一体化的自行式设备，它的工作过程由六种工况组成，如下：

1，插入工况 动臂下放，铲斗放置于地面，斗尖触地，斗底板与地面呈3到5度倾角，开动装载机，铲斗借助机器的牵引力插入料堆。

2，铲装工况 铲斗插入料堆后，转动铲斗铲取物料，待铲斗口翻至近似水平为止。

3，重载运输工况 铲斗铲装满物料后举升动臂，将铲斗举升至运输位置，即铲斗斗底离地高度不小于机器的最小允许离地间隙，然后驱动机器驶向卸载点。

4，举升工况 保持转斗油缸长度不变，操作动臂油缸，将动臂升至上限位置，准备卸载。

5，卸载工况 在卸载点，在举升工况下操作转斗油缸翻转铲斗，向溜井仓或运输车辆中卸载，铲斗物料卸净后下放动臂，使铲斗恢复至运输位置。

6，空载运输工况 卸载结束后，装载机再由卸载点空载返回装载点。

4.1.3轮式装载机工作装置的设计要求

根据轮式装载机的作业特点，其工作装置的设计应满足以下要求： 1，基本要求

所设计的装载机应具有较强的作业能力，铲斗插人料堆的阻力要小，在料堆中铲掘的能力大、能耗小。工作机构的各杆件受力状态良好，强度寿命合理。结构和工作尺寸适应生产条件需要，效率高。结构简单紧凑，制造及维修容易，操作使用方便。

2，特殊要求

A，由于铲斗宽度和容积都较大，所以铲装阻力大，装满系数小。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

21

平稳。

B，铲斗由运输工况被举升到最高卸载位置的过程中，为避免铲斗中物料撒出，要求铲斗作“平移运动”。严格要求铲斗举升平动是很困难的。从不易撒料这一目的出发，绝对平动并无必要，只要把铲斗举升时的倾角变化限制在一定许可范围之内即可。

C，铲斗能自动放平。铲斗在最高位置卸载后，闭锁转斗油缸，下放动臂铲斗能自动变成插人工况，开始插人状态的功能称为“铲斗自动放平”。它对定点高位卸载很有意义。

D，轮式装载机的工作机构属于连杆机构，设计中要特别注意防止各个工况出现构件相互干扰、“死点”、“自锁”和“机构撕裂”等现象，各处传动角不得小于 10°。

E，应尽量减小工作机构的前悬，即工作机构重心至整机重心的距离，长度和高度，以提高装载机在各种工况下的稳定性和司机的视野。

4.2铲斗的设计

4.2.1铲斗的设计要求

铲斗是装载机工作装置的执行构件。铲斗直接与物料接触，是装、运、卸的工具，工作时，它被推压插入料堆铲取物料，工作条件恶劣，是承受很大的冲击力和剧烈的磨损，因此铲斗的设计质量对装载机的作业能力有较大影响。

为了保证铲斗的设计质量，首先应当合理地确定铲斗的结构及几何形状，以降低铲斗插入物料的阻力。其次要保证铲斗具有足够的强度、刚度、耐磨性，使其具有合理的寿命。

4.2.2铲斗形状、结构

1，铲斗形状及结构设计

轮式装载机的铲斗断面形状一般为“U”，用钢板焊接而成。铲斗由斗底、侧壁、斗刃及后壁等部分组成。

A，斗体形状

从整个斗体形状来看，斗体基本可分为“浅底”和“深底”两种类型。 在斗容相同情况下，前者铲斗开口尺寸较大，斗底深度较小，即斗前臂较短，而后者则刚好相反。

浅底铲斗插入料堆的深度小，相应的插入阻力也小，容易装满，适宜定点铲装。而深底铲斗恰恰相反。本设计选用浅底铲斗。斗体采用低碳、耐磨、高

22

强度钢板焊接制成。

B，切削刃形状

根据装载物料的不同，切削刃有直线型和非直线型俩种。前者形式简单，有利于铲平地面，但铲装阻力大。后者有V形和弧形等，由于这种刃中间突出，铲斗插入料堆时可使插入力集中作用在斗刃的中间部分，所以插入阻力较小，容易插入料堆，并有利于减少偏载插入，但铲装系数小。

本设计选用V型切削刃。 斗刃材质采用既耐磨又耐冲击的中锰合金钢材料。侧削刃和加强角板都用高强度耐磨钢材料制成。

C，斗齿

铲斗斗刃上可以有斗齿．也可以没有斗齿，若斗刃上装有斗齿时，斗齿将先于切削刃插人料堆，由于它比压大(单位长度插入力大)，所以比不带齿的切削刃易于插入料堆，插人阻力能减小20%左右，特别是对料堆比较密实、大块较多的情况，效果尤为显著。

斗齿结构分整体式和分体式两种，如果斗齿工作条件相对良好，磨损较轻，则采用高锰钢制成的整体式，直接焊接固定在铲斗斗刃上。

斗齿的形状和间距对切削阻力是有影响的。一般中型装载机铲斗的斗齿间距为250至300毫米之间。

D，铲斗侧刃

因为侧刃参与插入工作，为减小插入阻力，侧壁前刃应与前壁成锐角，弧线或折线侧刃铲斗的插入阻力比直线侧刃要小。为了不使斗容减小太多，将侧壁刃口设计成折线。

E，斗底

斗前壁与斗后壁用圆弧连接，构成弧形斗底。为了使物料在斗中有很好的流动性，斗底圆弧半径不宜太小，前后壁夹角(铲斗开口角或张开角)不应小于物料与钢板的摩擦角的2倍，以免卡住大块物料。

2，铲斗的分类

铲斗按卸载方式一般可分为整体前卸式、侧卸式、推卸式和底卸式等数种 A，整体前卸式铲斗

它的突出优点就是结构简单，工作可靠，有效装载容积大，但需要较大的卸载角才能将物料卸净。

B，侧卸式铲斗

侧卸式铲斗如整体式一样，可以往机器前方卸料。当如果需要往机器一侧卸料时，可以拔去一个侧销，通过转斗油缸动作来卸料。

这种铲斗因为没有侧板，插入阻力小，装载效率高，特别是在装载机用于

23

填沟或在狭窄场地往侧旁的运输设备进行装载作业时，其优点就更加显著了。

C，推卸式铲斗

推卸式铲斗可以用来弥补整体式铲斗卸载高度的不足，在装载机其他尺寸参数相同的时候，能够显著地提高卸载高度和增加卸载距离。

同整体前卸式铲斗相比，推卸式铲斗的结构复杂一些，且需另用动力推卸。D，底卸式铲斗

底卸式铲斗是用动力打开斗底卸载，同推卸式铲斗一样可以提高卸载高度，但结构也比较复杂。

综上所得，本次设计的装载机工作装置要求结构简单，并且考虑到产品成本与经济实用性。因此，我采用了整体前卸式铲斗。

4.2.3铲斗主要几何尺寸的确定

1，铲斗基本参数的分析

铲斗的断面形状由铲斗圆弧半径r、底壁长l、后壁高h和张开角γ四个参数确定。如图5-2所示。

图4-2铲斗断面参数分析

圆弧半径r越大，物料进入铲斗的流动性越好，有利于减少物料进入斗内的阻力，卸料时干净而且快捷。但r过大，斗的开口较大时，不易转满，而且铲斗外形较高，将影响驾驶员观察铲斗斗刃的工作情况。

后壁h是指铲斗上缘至圆弧与后壁切点间的距离。

24

底壁长l是指斗底壁的直线段长度。l长则铲斗铲入料堆深度大，斗易装满．但掘起力将由于力臂的增加而减小，插入的阻力也将随铲斗铲入料堆的深度而急剧增加。l长亦会减小卸载高度。l短则掘起力大，且由于卸料时铲斗刃口降落的高度小，还可减小动臂举升高度，缩短作业时间，但这会减小斗容。

铲斗张开角γ为铲斗后壁与底壁间的夹角，一般取45°～52°。适当减小张开角并使斗底壁对地面有一定斜度，可减小插入料堆时的阻力，提高铲斗的装满程度。

铲斗的宽度应大于装载机两前轮外侧间的宽度，每侧要宽出50～l00mm。如铲斗宽度小于两轮外侧间的宽度，则铲斗铲取物料后所形成的料堆阶梯会损伤轮胎侧壁，并增加行驶时轮胎的阻力。

2，铲斗基本参数的确定

设计时，把铲斗的回转半径R(即铲斗与动臂铰接点至切削刃之间的距离)作为基本参数，铲斗的其他参数则作为R的函数。

R是铲斗的回转半径，它的大小不仅直接影响铲斗底壁的长度，而且还直接影响转斗时掘起力及斗容的大小，所以它是一个与整机总体有关的参数。铲斗的回转半径尺寸可按下方程计算。

图4-3铲斗尺寸参考图

Vr/R2?1.2B0?0.5?1??2??3cos?1?sin???21??/180???4?cot?0.5???0.5??（4-1）

25

式中：Vr是铲斗的额定容量，单位是m3；

B0是铲斗的内侧宽度，单位是m；

λ1铲斗的斗底长度系数，λ1=1.40～1.53； λ2后壁的长度系数，λ2=1.1～1.2； λ3挡板的高度系数，λ3=0.12～0.14； λ4圆弧的半径系数，λ4=0.35～0.4； γ张开角,为45°～52°；

γ1是挡板与后壁间的夹角，选择γ1时应使侧壁切削刃与挡板的夹

角为90°。

在设计当中，铲斗的额定容量Vr=3m3。

铲斗的内侧宽度 B0 如下计算：

B0=b+bw+(0.1～0.2)-2a (4-2)

式中：b是装载机轮距，单位是m；

bw是轮胎宽度，单位是m；

a是铲斗侧壁切削刃厚度，单位是m。 取b=2200mm，bw=600mm，a=25mm。 得B0=2900mm

取λ1=1.48，λ2=1.14，λ3=0.13，λ4=0.37，γ=50度，γ1=13

度。

得R=1219mm

3，铲斗截面各边尺寸的计算 斗底长度Lg：

Lg?R?1 （4-3）

斗后壁长度Lz：

Lz?R?2 （4-4）

挡板高度Lk：

Lk?R?3 （4-5）

斗底圆弧半径r：

r?R?4 （4-6）

得：Lg=1804mm，Lz=1390mm，Lk=159mm，r=451mm。 4，斗容的验算 铲斗的额定容量Vr：

Vr?SB0?2a2b/3?b2B0/8??a?c?b2/6 （4-7）

式中：S是铲斗平装容量横截面，单位是平方米；

26

a是挡板高度，单位是m； b是铲斗开口长，单位是m； c是堆积高度，单位是m。 A，铲斗截面积S的计算

铲斗平装容量横截面积S由5块基本几何图形组成。如图5-4所示。

图4-4铲斗截面积计算图

铲斗横计算式如下面积：

S?S1?S2?S3?S4?S5 （4-8）

式中：S1是扇形AGF的面积，单位是平方米； S2是直角三角形△GFN，单位是平方米； S3是直角三角形△GAC，单位是平方米； S4是三角形△CGN，单位是平方米；

S5是直角三角形△CND，单位是平方米。

经计算得： S1=0.231平方米，S2=0.096平方米，S3=0.189平方米，S4=0.239平方米，S5=0.111平方米

可知，S=0.865平方米。 B，铲斗开口长b的计算

b2?DN2?CN2（4-9）

由此得b=1410mm。 C，铲斗堆积高度c的计算

27

图5-5是额定容量铲斗的横截面积，其中挡板DN高为a，CD是铲斗开口长b，IH是斗尖至铲斗侧壁的高度c。根据美国汽车工程师手册规定IH垂直于CD，且IK=CK/2=b/4.按照通常的设计要求，挡板DN应垂直于斗侧壁CN，所以△CKH∽△CND。

KN=DN*CK/CN （4-10） c=IK+KH （4-11）

得c=433mm。

图4-5铲斗斗容校核图

把以上相关数据带到式5-7中，得额定斗容Vr=3.0092立方米。经计算，满足要求。

4.3工作装置连杆机构设计

综合国内、外轮式装载机的工作装置的形式，主要有七种类型的连杆机构。按工作机构的构件数不同，可分为三杆、四杆、五杆、六杆和八杆连杆机构。按输入杆和输出杆的转向是否相同又分为正传和反转连杆机构。

本次设计，工作装置选取反转六杆工作机构。反转六杆工作机构简图如图4-6所示。它由转斗机构和动臂举升机构两个部分组成。

转斗机构由转斗油缸CD、摇臂CBE、连杆FE、铲斗GF、动臂GBA和机架AD六个构件组成。实际上它是由两个反转四杆机构---GFEB和BCDA所串联而成。当举升动臂时，若假定动臂为固定杆，则可把机架AD视为输入杆，把铲斗GF看成输出杆，由于AD和GF转向相反，所以把此机构称为反转六杆机构。

28

举升机构主要由动臂举升油缸HM和动臂GBA构成。 若把油缸分解成两个活动构件和一个移动副，则反转六杆工作机构的活动构件数n=8，运动低副数PL=11，应用计算机构自由度公式F=3n-2PL,可得其自由度为2。因为两个油缸均为运动部件，所以整个机构由确定的运动。 当举升油缸闭锁时，启动转斗油缸，铲斗将绕G点做定轴转动；当转斗油缸闭锁，举升油缸运动时，铲斗将作复合运动，即一边随动臂对A点作牵连运动，同时又相对动臂绕G点作相对转动。

I-插入工况；II-铲装工况；III-最高位置工况；IV-最高卸载工况；V-低位卸载工况

图4-6反转六杆机构结构简图

4.3.1确定动臂长度、形状与车架的铰接位置

29

1，确定动臂与铲斗的铰接点G

把已经设计好的铲斗横截面外轮廓图画在x0y直角坐标里，斗尖对准坐标原点0，斗前壁与x轴呈4°。此为铲斗插入料推时位置，即为工况Ⅰ。

由于G点的x坐标值越小，转斗掘起力就越大，所以G点靠近o点是有利的，但它受斗底和最小离地高度的限制，不能随意减小；而G点的y坐标值增大时，铲斗在料堆中的铲取面积增大，装的物料多，但这样缩小了G点与连杆铲斗铰接点F的距离，使掘起力下降。此外，在铲斗的设计中，已经确定铲斗的回转半斤R为1219mm。

综合考虑各种因素的影响，根据坐标图上工况I时的铲斗实际状况，取G点的坐标为（1200，215）。

图4-7动臂结构布置示意图

2，确定动臂与车架铰接点A

①，以G点为圆心，使铲斗顺时针转动，至铲斗斗口与x轴平行为止，即工况II。

②，把已选定的轮胎外廓图画在坐标图上。作图时，应使轮胎前缘与工况II时铲斗后壁的间隙尽量小些，目的使机构紧凑、前悬小。取为425mm；轮胎中心QZ的y坐标值应等于轮胎的工作半径。

30

R?0.5d?(1??)b(H/b) （4-12）

式中；d是轮胎直径，单位是mm；

b是轮胎宽度，单位是mm； H/b是轮胎断面高度与宽度之比； λ是轮胎变形系数。

查文献得， d=635mm，b=590mm，H/b=1，λ=0.12。 取为838mm。

③根据已确定的最大卸载高度Hmax、最小卸载距离Lmin和卸载角，画出铲斗在最高位置卸载时的位置图，即工况IV，如图4-7所示。

④以工况IV时的G点为圆心，顺时针旋转铲斗，使铲斗口与x轴平行，即得到铲斗最高举升位置图。即工况III。

⑤A点到前轮中心的距离la取为630mm。显然在A应在GG两点连线的中垂线mm上，再根据la大小作垂线nn，直线mm与nn交点即为所求的A点。

A点在垂直平分线的位置应尽量低些，一般取在前轮右上方，与前轴心水平距离为轴距的1/3～1/2处。

3，动臂长度的确定

根据给定的最大卸载高度Hmax及最大卸载高度时的卸载距离S可以按图4-8计算动臂的长度。如图4-8示，AG为动臂长度，当动臂提升到最大卸载高度时，利用所示的几何关系，可求出动臂长度Lag。

LAI?la?R?S?rcos? （4-13） LGI?Hmax?ha?rsin? （4-14）

动臂长度Lag

2Lag2?L2AI?LGI （4-15）

式中：r为铲斗的回转半径，r=1219mm。θ是卸载角。 求得动臂长为2909mm。 A点的坐标为（3535，1950）。

31

图4-8动臂长度确定图

4，动臂形状的确定

动臂按其纵向中线形状可分为直线型与曲线型两种。前者结构简单，腹板变形小，重量轻，而且动臂的受力情况较好，后者可使工作装置的结构布置更为合理。

动臂断面的结构形式有单板，双板和箱形三种。大型装载机的动臂多采用双板或用箱形结构。因为这种动臂形式能较好的改善动臂的受力情况，消除了单板动臂因摇臂支撑力作用使动臂承受附加扭矩的影响。

本设计选用曲线型双板结构如图4-9所示。

32

图4-9动臂的结构形式

4.3.2确定动臂举升油缸的铰接位置及举升油缸的行程

1，动臂油缸的铰接位置

确定动臂油缸与动臂及车架的铰接点H、M的位置，通常参考同类样机，同时考虑动臂油缸的提升力臂与行程的大小选定。H点一般选在约为动臂长度的三分之一处，且在动臂两铰接点的连线之上，以便留出铰接位置。

动臂油缸与车架有两种连接方式：油缸下端与车架铰接；油缸中部或上部与车架铰接。本设计选油缸下端与车架铰接，且油缸的下端到地面的距离取为515mm，避免发生干涉。因此M点的坐标为（2604，1616）。

33

图4-10动臂油缸的交接位置

2，动臂油缸油缸行程的确定

在选定动臂油缸铰接点的位置后，便可用与求动臂长度的方法求出其油缸行程。

工况一时，G点的坐标是（1200，215），此时H点的坐标是（2757，1372）。 工况二时，G点的坐标是（1574，4099），此时H点的坐标是（2881，2666）.

L?Lmax?Lmin （4-16）

式中：Lmmax是动臂油缸的最大安装距离；

Lmmin是动臂油缸的最小安装距离。 求得，动臂油缸的行程是2000mm。

4.3.3其余各点的确定

1，动臂与摇臂的铰接点B的确定

34

根据经验分析，一般取B点在AG连线的上方，过A点的水平线的下方，并在AG 的垂直平分线左侧尽量靠近工况II时的铲斗处。相对前轮胎，B点在其外部的左上部。如图4-11所示.即工况Ⅰ时，B点的坐标为（1859，1348）。

图4-11 B点的确定

2，连杆与铲斗和摇臂的两个铰接点F、E的确定

因为G、B两点已被确定，所以在确定F点和E点实际上是为了最终确定与铲斗相连的四杆机构GFEB的尺寸。

这两点位置的确定要综合考虑如下四点要求：

①，E点不可与前桥相碰，并且有足 够的最小离地高度。

②，插入工况时，使EF杆尽量与GF杆垂直，这样可获得较大的传动比角和倍力系数。

③，铲装工况时，EF与GF杆的夹角必须小于170°，即传动角不能小于10，以免机构运动时发生自锁。

④，高位卸载工况时， EF杆与GF杆的传动角也必须大于10°。

按双摇杆条件设计四杆机构，令GF杆为最短杆，BG杆为最长杆，即必有 GF+BG>EF+BE，如图4-12所示。

35

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/of2g.html