轮式装载机工作装置设计

轮式装载机工作装置设计
学生：
指导老师：
(中国矿业大学成人教育学院，徐州 221000)
摘要：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或挖掘，以及提升、运输和卸载的自行式机械。

它广泛用于公路、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。

关键词：装载机；机械化；工作装置
The Design of the Wheel Loader Working Device
Student:
Tutor：Han
(Adult Education college of CUMT ,XuZhou 221000)
Abstract：Loader of soil belonging to the transport machinery，Through the installation of a front-end in a bucket full support structure and linkage, Random forward movement for loading or excavation, And the upgrading, transportation and unloading of self-propelled machinery. It widely used in highway, railway, construction, utilities, ports and mines, and other construction projects. Loader is operating speed, high efficiency, good mobility, the advantages of operating the Light, So as the construction of earth and stone in the construction of one of the main machine, speed up the construction speed and reduce labor intensity and improve quality, lower costs of the project has played an important role in the construction of a modern mechanized equipment indispensable one.
Keywords：Loader；Mechanization；Work-Equipment
1 绪论
1.1 轮式装载机概述
1.1.1 装载机简介
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。

1.1.2 装载机的主要技术性能参数
标志装载机的主要技术性能参数有铲斗容量、额定载重量、发动机额定功率、整机质量、最大行驶速度、最小转弯半径、最大牵引力、最大掘起力、最大卸载高度、卸载距离、工作装置动作三项和等。

(1)铲斗容量. 一般指铲斗的额定容量，为铲斗平装容量与堆尖部分体积之和，用m3 表示。

(2)额定载重量.指在保证装载机稳定工作的前提下，铲斗的最大载重量，单位为kg 。

(3)发动机额定功率.发动机额定功率又称发动机标定功率或总功率，是表明装载机作业能力的一项重要参数。

发动机功率分为有效功率和总功率，有效功率是指在29°C 和746mmHg（1mmHg=133.322Pa）压力情况下，在发动机飞轮上实有的功率（也称飞轮功率）。

国产装载机上所标有的功率一般指总功率，即包括发动机有效功率和风扇、燃油泵、润滑油泵、滤清器等辅助设备所消耗的功率。

单位为 kw。

(4)整机质量（工作质量）.指装载机设备应有的工作装置和随机工具，加足燃油，润滑系统、液压系统和冷却系统都加足液体，并且带有规定形式和尺寸的空载铲斗和司机标定质量（75kg±3kg）时的主机质量。

它关系到装载机使用的经济性、可靠性和附着性能，单位为 kg 。

(5)最大行驶速度.指铲斗空载，装载机行驶于坚硬的地面上，前进和后退各档能达到最大速度，它影响装载机的生产率和安排施工方案，单位为 km/h 。

(6)最小转弯半径.指自轮胎中心或后轮外侧或铲斗外侧所构成的弧线至回转中心的距离，单位为 mm 。

(7)最大牵引力.指装载机驱动轮缘上所产生的推动车轮前进的作用力。

装载机的附着质量越大，则可能产生的最大牵引力越大，单位为 kN 。

(8)最大掘起力指铲斗切削刃的底面水平并高于底部基准平面20mm 时，操纵提升液压缸或转斗液压缸在铲斗切削刃最前面一点向后100mm处产生的最大向上铅垂力, 单位为 kN 。

(9)最大卸载高度. 指动壁处于最高位置，铲斗倾角为45°时，从地面到斗刃最低点之间的垂直距离，单位为 mm 。

(10)卸载距离.一般指在最大卸载高度时，从装载机本体最前面一点（包括轮胎或车架）到斗刃之间的水平距离，单位为 mm 。

(11)工作装置动作三项和.指铲斗提升、下降、卸载三项时间的总和，单位为 s 。

1.1.3 装载机的用途
装载机是一种用途十分广泛的工程机械，可以用来铲装、搬运、卸载、平整散装物料，也可以对岩石、硬土等进行轻度的铲掘工作。

此外，还可以进行刮平地面和牵引其他机械等作业。

换装相应的工作装置，装载机还可以进行推土、起重、装卸木料或钢管等作业。

2 装载机工作装置总体设计
2.1 工作装置的总体结构与布置
装载机工作装置是完成装卸作业并带液压缸的空间多杆机构。

工作装置是组成装载机的关键部件之一，其设计水平的高低直接影响工作装置性能的好坏，进而影响整机的工作效率与经济性指标。

装载机工作装置分为有铲斗托架和无铲斗托架两种基本结构形式，如下图1。

它由运动相互独立的两部分组成连杆机构和动臂举升机构，主要由铲斗、动臂、连杆、上下摇臂、转斗油缸、动臂举升油缸、托架、液压系统等组成。

带铲斗托架的工作装置，其动臂及连杆的下铰接点与铲斗托架铰接，上铰接点与前车架支座铰接；转斗油缸铰接在托架上部，活塞杆及托架下部与铲斗铰接。

由托架、动臂、连杆及前车架构成一个平行四边形连杆机构，使得转斗缸闭锁时，动臂在举升过程中，铲斗始终保持平动。

无铲斗托架的工作装置，其动臂下铰接点与铲斗铰接，上铰接点与前车架支座铰接；转斗缸一端与前车架铰接，另一端与上摇臂铰接；连杆一端与摇臂铰接，另一端与铲斗铰接；摇臂铰接在动臂上。

动臂举升缸一般采用立式（又称竖式）或卧式（又称横式）布置形式，常见有两种连接方式：一种是油缸顶端与前车架铰接（图2）；另一种是油缸中部通过销轴与前
车架铰接（图3）。

铲斗是装载物料的容器，通常具有两个铰接点，一个与动臂下铰接点铰接，另一个与连杆铰接。

操纵转斗缸实现铲斗的装载或卸料；操纵举升油缸实现动臂和铲斗升降运动。

图1 有铲斗托架式
Fig1 A bucket bracket type
带铲斗托架的工作装置，其动臂及连杆的下铰接点与铲斗托架铰接，上铰接点与前车架支座铰接；转斗油缸铰接在托架上部，活塞杆及托架下部与铲斗铰接。

由托架、动臂、连杆及前车架构成一个平行四边形连杆机构，使得转斗缸闭锁时，动臂在举升过程中，铲斗始终保持平动。

无铲斗托架的工作装置，其动臂下铰接点与铲斗铰接，上铰接点与前车架支座铰接；转斗缸一端与前车架铰接，另一端与上摇臂铰接；连杆一端与摇臂铰接，另一端与铲斗铰接；摇臂铰接在动臂上。

动臂举升缸一般采用立式（又称竖式）或卧式（又称横式）布置形式，常见有两种连接方式：一种是油缸顶端与前车架铰接（图2）；另一种是油缸中部通过销轴与前车架铰接（图3）。

铲斗是装载物料的容器，通常具有两个铰接点，一个与动臂下铰接点铰接，另一个与连杆铰接。

操纵转斗缸实现铲斗的装载或卸料；操纵举升油缸实现动臂和铲斗升降运动。

图2 立式布置形式图3 卧式布置形式
Fig2 Vertical layout form Fig3 Horizontal layout form
2.2 工作装置连杆机构的结构形式与特点
由装载机工作装置的自由度分析可知，工作装置的连杆机构均为封闭运动链的单自由度的平面低副运动机构，其杆件数目应为4、6、8、10、……等。

对装载机工作装置而言，尽管杆件数目越多越能实现复杂的运动，但同时铰接点的数目也随之增加，结构越复杂，就越难在动臂上进行布置。

因此，实际上装载机工作装置的连杆机构多为八杆以下机构。

这样，按组成工作装置连杆机构构件数不同，装载机工作装置可分为三杆、四杆、五杆、六杆和八杆机构；按输入与输出杆转向不同，又可分为正转和反转机构。

正转机构是指输入与输出杆的转向相同；反转机构是指输入与输出杆的转向相反。

综合国内外装载机工作装置可知，其连杆机构典型结构主要有下列几种。

(1) 正转八杆机构机构在转斗缸大腔进油时转斗铲取，所以铲取力较大；各构件设计合理时，铲斗能获得较好的举升平动性能；连杆机构的传动比较大，铲斗能获得较大的卸载角和卸载速度，因此卸载干净，速度快；因传动比大，还可以适当减小连杆机构的尺寸，因而可以改善司机的视野。

机构结构较复杂，铲斗自动放平性较差。

组成一个自由度的平面八杆机构共有16种基本结构形式。

由于连杆机构要布置在动臂上，所以有可能作为装载机工作装置的仅有两种方案：其一，是由2个四铰构件和6个两铰构件组成（图5a）；其二，是由1个四铰构件、2个三铰构件和5个两铰构件组成（图5b~f）。

可见，八杆机构的结构形式很多，需进行选择使用。

目前，装载机工作装置八杆机构有以下两种结构形式：
由图4b组成的工作装置如图5a、b所示。

由图4e组成的工作装置如图5c所示。

图4 八杆机构的构成方案
Fig4 Eight pole institution construction program
图5 八杆机构工作装置的结构形式
Fig5 Ght pole institutions work device structure form
(2) 六杆机构六杆机构工作装置是目前装载机上使用最为普及的一种结构形式。

对于单自由度的六杆机构，只能有两个三铰构件和4个两铰构件组成，其传递方案如图6所示。

其中，图b 所示方案目前在装载机上尚未采用；图a 所示方案形成的工作装置，是以三铰构件1为动臂、构件2为铲斗、构件4为摇臂、构件6为机架。

图6 六杆机构的构成方案
F ig6 The composition of six poles structure scheme
根据转斗油缸布置位置的不同，可以作为装载机工作装置的六杆机构，常见的有以下几种结构形式：
(1）转斗缸前置式正转六杆机构（图7a）以图6的构件3为转斗缸，其优点是转斗缸直接与摇臂相连接，易于设计成两个平行的四连杆机构，铲斗平移性较好；同
八杆机构相比，结构简单，司机视野较好。

缺点是转斗时油缸小腔进油，铲掘力相对较小；连杆机构传力比小，使得转斗缸活塞行程较大，转斗缸加长，卸载程度不如八杆机构；由于转斗缸前置，使得工作装置的整体重心外移，增大了工作装置的前悬量，影响整机的稳定性和行驶时的平稳性；铲斗不易实现自动放平。

(2）转斗缸后置式正转六杆机构（图7b）以图7a 的构件5为转斗缸，并布置在动臂的上方。

与转斗缸前置式相比，机构前悬较小，传动比较大，活塞行程较短；有可能将动臂、转斗缸、摇臂和连杆机构的中心线设计在同一平面内，从而简化了结构，改善了动臂和铰销的受力状态。

缺点是：转斗缸与车架的铰接点位置较高，影响了司机的视野，其他同前置式。

(3）转斗缸后置式正转六杆机构（图7c）仍以构件5为转斗缸，但将其布置在动臂下方。

在铲掘收斗作业时，以油缸大腔工作，故能产生较大的掘起力。

但组成工作装置的各构件不易布置在同一平面内，构件受力状态较差。

图7 六杆机构工作装置的结构形式
Fig7 Six members and institutions structure form working device
(4）转斗缸后置式反转六杆机构（图7d）以图6a 的构件5为转斗缸，将其布置在动臂上面，转斗缸小腔作用时进行铲掘。

这种机构又称为“Z”形连杆机构（Z-bar Linkage）。

该机构具有以下优点：一是，铲斗插入时转斗缸大腔进油，并且连杆机构的传力比可以设计成较大值，故可获得较大的掘起力；二是，合理设计连杆机构各构件的尺寸，不仅可以得到良好的铲斗平移性能，而且可以实现铲斗的自动放平；三是，结构十分紧凑，前悬小，司机视野好。

缺点是摇臂和连杆布置在铲斗和前桥之间的狭窄部位，各构件间易于发生干涉。

(5）转斗缸后置式反转六杆机构（图7e）以图6a 的构件3为转斗缸，布置在靠近铲斗处，铲掘时靠小腔作用。

现在这种机构很少用。

3、正转四杆机构该机构结构最为简单，易于设计成铲斗举升平动；前悬较小。

缺点是铲掘转斗时油缸小腔作用，输出力较小；连杆机构的传力比难以设计成较大值，所以铲掘力相对较小；转斗缸行程较大，油缸结构较长；铲斗卸载时，活塞杆易与铲斗底部相碰，减小了卸载角；机构不易实现铲斗自动放平。

4、 正转五杆机构 该机构是在正转四杆机构的基础上，在活塞杆和铲斗之间增加一根短连杆演变而成的，从而克服了正转四杆机构卸载时活塞杆易与斗底相碰的不足。

当铲斗端平时，短连杆与活塞杆靠油缸拉力和铲斗重力拉成一直线，合为一杆；而当铲斗卸料时，短连杆能相对活塞杆转动，从而避免了活塞杆与斗底相碰。

5、 动臂可伸缩式三杆机构 该机构的最大优点是动臂借助油缸可以进行伸缩。

其铲斗插入工况是依靠动臂伸出来实现的，从而解决了靠机器行走时插入造成轮胎严重磨损的问题；卸载时可伸出动臂，以获得较大的卸载高度和卸载距离；运输工况时，可缩回动臂，减小前悬，提高车架行驶时的稳定性。

缺点是不能实现铲斗放平和铲斗自动放平，结构比较复杂。

2.3 工作装置自由度的计算
由于组成装载机工作装置的各构件是通过销轴连接的，各个销轴互相平行；加上，其结构又是纵向对称。

因此，在进行装载机工作装置的运动学分析时，可将其简化为带液压缸的平面低副多杆机构，不计各杆件的自重，并假设各铰接点的摩擦力为零。

图9所示，为典型的反转六杆机构和正转八杆机构工作装置的杆系结构简图。

图中，UG 为动臂位置角；即动臂上、下铰接点的连线与垂直线的夹角，以绕动臂上铰接点逆时针方向为正，反之为负；U 为铲斗位置角，即铲斗斗底与水平线正向的夹角为正，反之为负。

对于反转六杆机构的工作装置（图9a ），它由举升机构GHI 、油缸四连杆机构DEFG 和铲斗四连杆机构ABCD 等组成。

其中，活动杆件数n=8，低副数=l P 11，高副数=h P 0。

这样，由平面机构自由度的计算公式可得，反转六杆机构工作装置的自由度=--=h l P P n F 23 2
当转斗缸闭锁时，动臂在举升缸的作用下举升或下降铲斗，此时该工作装置的自由度为1，举升缸为原动件；当举升缸闭锁，动臂处于某一特定作业位置不动时，在转斗缸的作用下，通过一平面六杆机构使铲斗绕其铰点转动，此时该工作装置的自由度也是为1，转斗缸为原动件。

对于正转八杆机构的工作装置（图9b ），它由举升机构IMN 、油缸四连杆机构IFHJ 、铲斗四连杆机构ABCD 和中间四连杆机构DEGF 等组成。

同样可得，正转八杆机构工
作装置的自由度F=2。

2.4 工作装置总体设计
由设计任务书和设计要求，对于本次ZL50装载机的设计采取以下方案：
在铲斗部分，采用无铲斗托架式结构；油缸的布置形式为立式布置形式。

同时考虑到实际工作中的运用情况，它的连杆机构采用的是反转六杆机构。

主要参数：
铲斗容量： 3.0 m3
额定载重量： 5 t
发动机额定功率： 154 kw
整机质量： 16.3 t
3 ZL50 装载机工作装置设计
3.1 工作装置的设计要求
3.1.1 工作装置工作性能
工作装置的结构和性能直接影响工程机械整机的工作尺寸和性能参数，工作装置的合理性直接影响整机的工作效率、生产负荷、动力与运动特性、不同工况下的作业效果、工作循环的时间、外形尺寸和发动机功率等。

不同类型工程机械的工作装置的组成是不同的。

装载机的工作过程包括：插入工况、铲装工况、重载运输工况、举升工况、卸载工况、空载运输工况。

装载机的工作装置主要由铲斗、动臂、连杆、摇臂、转斗油缸和举升油缸组成。

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距离运输作业，还可以进行平地修路等作业。

把铲斗更换成专门的装置，还可以进行其他的装载作业。

3.1.2 对工作装置的要求
工作装置在设计时应满足以下要求：
（1）角度要求：满足工作循环中对铲斗各个工作位置的角度要求，达到所要求的卸载高度与卸载距离。

（2）运动要求：在工作循环中速度与加速度变化合理，油缸活塞行程为最佳，工作装置运动平稳、无干涉、无死点、无自锁，动臂从最低位置到最大卸载高度的举升过程中，保证铲斗中的物料无撒落，在卸载后，动臂下放至铲掘位置，铲斗能自动
放平。

（3）结构要求：结构要求简单紧凑，承载元件数量（包括油缸）尽量少，前悬小。

（4）动力性要求：连杆机构具有较高的力传递效率，以保证工作装置产生较大的插入力、掘起力和举升力。

3.2 铲斗设计
铲斗是工作装置的重要部件，装载机工作时用它直接铲掘、装载、运输和倾卸物料。

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，要承受很大的冲击力和剧烈的磨损，因此铲斗设计质量对装载机的作业能力有较大的影响。

为了保证铲斗的设计质量，首先应当合理的确定铲斗的结构及几何尺寸，以降低铲斗插入物料的阻力。

其次要保证铲斗有足够的强度、刚度、耐磨性，使之具有合理的使用寿命。

3.2.1 铲斗的结构形式
铲斗的形状和尺寸参数对插入阻力、铲取阻力、转斗阻力和生产率都有着很大的影响。

同一个铲斗有两种容积标志：一是物料装平时的容积，称为平装斗容；二是物料装满堆高后的容积，称为堆装斗容。

机器铭牌上标称的斗容通常为堆装的容积。

铲斗由斗底、侧壁、斗刃及后壁等部分组成。

铲斗的斗刃还分为带齿和不带齿的两种。

铲斗的断面形状一般为“U”形，用钢板焊接而成。

（1）斗体形状:从整个斗体形状看来，铲斗基本可以分成“浅底”和“深底”两种类型。

在斗容量相同的情况下，前者开口尺寸较大，斗底深度较小，即斗前壁较短，而后者正好相反。

浅底铲斗插入料堆的深度较小，相应的插入阻力也较小，容易装满，但运输行驶时容易撒落物料；由于前悬增大，影响车辆行驶平稳性。

而深底铲斗则恰恰相反。

相比之下，定点装载使用浅底铲斗，而运输距离较大则采用深底铲斗较为合适。

斗体常用低碳、耐磨、高强度钢板焊接制成。

（2）切削刃的形状:根据装载物料不同，切削刃有直线型和非直线型。

前者形式简单，有利于铲平地面，但铲装阻力较大。

后者又有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，但铲斗装满系数要比前者小。

矿用轮式装载机工作条件恶劣，任务繁重，插入和掘起阻力都很大，偏载工况对工作机构的强度影响严重，所以多选用非直线形切削刃，并以V形切削刃为佳。

斗
刃材质是即耐磨又耐冲击的中锰合金钢材料，侧切削刃和加强角板都用高强度耐磨钢材料制成。

（3）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入料堆，由于它比压大，所以比不带齿的切削刃易于插入料堆，插入阻力能减小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，因此矿用装载机一般都是带斗齿。

斗齿结构分为整体式和分体式两种，一般斗齿是用高锰钢制成的整体式，用螺栓固定在铲斗斗刃上，中小型装载机多采用这种形式。

为便于斗齿磨损后更换和节约斗齿金属，也有使用双段斗齿的，如图10所示。

1—齿尖； 2—齿坐； 3—钢销
图10 双段斗齿
Fig10 Double section dipper teeth
这种斗齿的齿尖与齿坐的配合面为锥面，两者配合情况良好。

装配时，先置入有弹性的金属橡皮，然后再从上边或从下边往方形销孔中打入钢销3即可。

由于拆卸方便，齿尖一边磨损后可以翻转再使用，从而延长使用寿命。

大型装载机由于作业条件差、斗齿磨损严重，故常采用这种分体式斗齿。

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250~300mm左右，太大时由于切削刃将直接参与插入工作，使阻力增大，太小时，齿间易于卡住石块，也将增大工作阻力。

长而窄的齿要比段而宽的齿插入阻力小，但太窄又容易损坏，所以齿宽以每厘米长载荷不大于500~600kg为宜。

（4）铲斗侧刃:因为侧刃参与插入工作，为减小插入阻力，侧壁前刃应与斗前壁成锐角，弧线或折线侧刃铲斗的插入阻力比直线形侧刃要小，但具有弧线或折线形侧刃铲斗的侧壁较浅，物料易于从两侧撒落，影响铲斗的装满。

为了不使斗容减小太多，一般可将连接前后斗壁的侧壁刃口设计成弧形。

（5）斗前壁与斗后壁用圆弧衔接，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，前后壁夹角不应小于物料与钢板的摩擦角的2倍，以免卡住大块物料。

若取物料与钢板的摩擦因数f =0.4，则摩擦角φ≈22°，所以张开角
必须大于44°。

综上所述，针对我的铲斗设计性质如下：
斗体材料：低碳、耐磨、高强度钢板
斗刃形状：直线形斗刃
斗刃材料：耐磨又耐冲击的中锰合金钢材料
3.2.2 铲斗的分类
铲斗按照卸载方式一般可以分为整体前卸式、侧卸式、推卸式和底卸式等数种。

整体前卸式铲斗
整体前卸式铲斗的突出优点是结构简单，工作可靠，有效装载容积大，但需要有较大的卸载角才能将物料卸净。

通常情况下，绝大多数前端式这装载机都是用这种铲斗。

侧卸式铲斗
这种铲斗没有侧板，插入阻力小，装载效率高，特别是在装载机用于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。

推卸式铲斗
它可以弥补整体前卸式铲斗卸载高度不足，在装载机其他尺寸参数相同的情况下，能够显著提高卸载高度和增加卸载距离；特别适用于卸出小颗粒粘性物料。

与整体前卸式铲斗相比，推卸式铲斗的结构复杂一些，且需要用动力推卸，但具有以上的一些优点，在地下作业时多被采用。

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

以为考虑到成本和产品的实用性，以及在工作中遇到的情况，本次的设计所采用的是整体前卸式的铲斗卸载方式。

3.2.3 铲斗断面形状和基本参数确定
图11 铲斗断面基本参数图。