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西 南 交 通 大 學
本科畢業(yè)設計（論文）
裝載機三維參數(shù)化造型設計
3D parametric design of Loader
年 級: 2004級機械6班
學 號: 20030889
姓 名: 王磊
專 業(yè): 機械電子工程
指導老師: 肖世德
2008年 6月 13日
西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第I頁
院 系 機械工程學院 專 業(yè) 機械電子工程
年 級 2004級機械6班 姓 名 王磊
題 目 裝載機三維參數(shù)化造型設計
指導教師
評 語
指導教師 (簽章)
評 閱 人
評 語
評 閱 人 (簽章)
成 績
答辯委員會主任 (簽章)
年 月 日
西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第III頁
畢業(yè)設計（論文）任務書
班 級 04機械6班 學生姓名 王磊 學 號 20030889
發(fā)題日期：2008年 3 月 10 日 完成日期：2008年 6 月 10 日
題 目 裝載機三維參數(shù)化造型設計
1、本論文的目的、意義
裝載機作為一種重要的工程機械，在公路、鐵路等工程建設中應用廣泛，但是目前我國裝載機的技術(shù)和設計大部分都是沿用國外先進的技術(shù)和設計理念，因此進行裝載機的設計研究具有深遠的意義。良好的裝載機可以加快工程建設速度，減輕勞動強度，提高工程質(zhì)量，降低工程成本等，對其進行哪怕是微小的改動都有可能使裝載機的技術(shù)性能得到巨大的改善。故本文在對輪式裝載機有關(guān)部件進行理論分析的基礎上應用SolidWorks2008對輪式裝載機進行了3D設計。
2、學生應完成的任務
1）背景資料研究及介紹；
2）熟悉solidworks軟件的使用
3）利用三維軟件完成裝載機的各部分零件建模工作；
4）進行零件的組裝，完成裝載機實體建模工作；
5）制作三維工作動畫狀態(tài)；
6）畢業(yè)設計（論文）說明書；
7）畢業(yè)實習報告及專業(yè)文獻翻譯；
3、論文各部分內(nèi)容及時間分配：（共 12 周）
第一部分 實習 (1周)
第二部分 收集資料，完成總體設計 (3周)
第三部分 零件的繪制及組裝 (4周)
第四部分 三維動態(tài)模擬 (2周)
第五部分 外文翻譯及說明書 (2周)
評閱及答辯 ( 周)
備 注
指導教師： 年 月 日
審 批 人： 年 月 日
西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第VII頁
摘 要
近年來，在國家宏觀調(diào)控政策的影響下，我國工程機械產(chǎn)業(yè)進入加速增長階段，呈現(xiàn)出前所未有的繁榮態(tài)勢。工程機械裝備已經(jīng)成為我國國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一。但是雖然我國工程機械行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)有了很好的基礎，但是相比起國際先進的技術(shù)和設計水平來說還有相當大的差距。裝載機是工程機械中的重要組成部分，目前我國自主開發(fā)裝載機的能力還比較薄弱，很多關(guān)鍵技術(shù)還依賴于國外先進技術(shù)，因此加強對裝載機研究和設計探討有著深刻的意義。
本文首先綜述了國內(nèi)外裝載機技術(shù)研究的狀況，提出未來裝載機的外觀造型及制造將更加美觀和舒適。第二章主要對裝載機的用途、分類和主要技術(shù)參數(shù)進行了介紹，并以輪式裝載機為例介紹了裝載機的工作工況，此部分是論文的基礎。以輪式裝載機為研究對象，第三章對輪式裝載機工作裝置、液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和駕駛室這四個主體部分進行了具體設計，其中又以工作裝置為重點，對鏟斗、連桿系統(tǒng)做了詳細的分析，利用有關(guān)的公式來計算鏟斗斷面形狀和有關(guān)參數(shù)，并對連桿系統(tǒng)進行了機構(gòu)分析，這部分是進行設計的理論基礎。最后應用SolidWorks軟件進行了輪式裝載機的3D設計實現(xiàn)，其中對工作裝置各部件、輪胎等進行了具體詳細的設計實現(xiàn)，設計出了裝載機的3D模型，對裝載機的設計工作有一定的借鑒意義。
關(guān)鍵詞：輪式裝載機 工作裝置 SolidWorks 3D設計
Abstract
In recent years, under the influence of China's macro adjustment and control policy, the construction machinery industry enters the stage of accelerated growth, showing a trend of unprecedented prosperity. Construction machinery and equipment has become one of the pillars for national economy development. Although there is a very good foundation of China's construction machinery industry's development, compared to the international advanced technology and design standards, there is still a large gap. The loader is the important component in the construction machinery. The ability that our country develops the loader independently is still weak at present, and many key technologies are still dependent on foreign advanced technology, so strengthen research and design of loader has a profound significance.
This paper reviews the technical research of domestic and international loader, and proposes that the appearance model of the loader in the future will become more esthetic and more comfortable. The second Chapter has mainly made an introduction to use, classification and the main technical parameters of the loader, and takes wheel loader as an example to the introduction of the working operating mode of the loader. This part is a foundation of this thesis. Regard wheel loader as the research object, the third chapter has designed the Working device、Hydraulic System、Running system and Cab specifically. This part also focus on the Working device, makes detailed analysis to the Bucket and bar linkage system. This is part of the theoretical basis for the design. Finally, this thesis uses SolidWorks software to the wheel loader 3 D design, specifically to the working device components、tire, etc. This thesis design a 3 D model of the loader, and it has certain reference meanings in the design work of the loader.
key words：Wheel Loader Working Device SolidWorks 3D Design
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 選題背景 1
1.2 裝載機發(fā)展綜述 1
1.2.1 國外裝載機技術(shù)發(fā)展概況 1
1.2.2 國外裝載機新技術(shù)現(xiàn)狀及展望 2
1.2.3 我國裝載機新技術(shù)現(xiàn)狀及展望 3
1.2.4 國內(nèi)輪式裝載機發(fā)展趨勢 4
1.3 論文研究的主要內(nèi)容 5
第2章 裝載機概述 6
2.1 裝載機簡介 6
2.1.1 裝載機的用途 6
2.1.2 裝載機的分類 6
2.1.3 裝載機的主要技術(shù)性能參數(shù) 8
2.2 輪式裝載機簡介 10
第3章 輪式裝載機主要部件設計 12
3.1 輪式裝載機工作裝置的設計 12
3.1.1 輪式裝載機工作裝置設計要求 13
3.1.2 鏟斗設計 14
3.1.3 連桿系統(tǒng)設計 20
3.2 液壓系統(tǒng)設計 27
3.2.1 液壓系統(tǒng)的組成 27
3.2.2 液壓系統(tǒng)的類型 28
3.2.3 工作裝置液壓系統(tǒng) 29
3.2.4 轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng) 30
3.3 行走系統(tǒng)設計 30
3.3.1 車架 31
3.3.2 車輪和輪胎 33
3.4 駕駛室設計 36
第4章 輪式裝載機3D造型設計實現(xiàn) 39
4.1 SolidWorks簡介 39
4.2 工作裝置設計實現(xiàn) 40
4.2.1 鏟斗設計實現(xiàn) 40
4.2.2動臂設計實現(xiàn) 42
4.2.3連桿設計實現(xiàn) 43
4.2.4搖臂設計實現(xiàn) 43
4.2.5 轉(zhuǎn)斗油缸設計實現(xiàn) 44
4.2.6 動臂油缸設計實現(xiàn) 44
4.3 車體及其它部分設計 48
4.3.1 方向盤設計 48
4.3.2 輪胎設計 48
4.3.3 車體設計 49
4.4 渲染 54
4.5 動畫設計 54
第5章 結(jié)論 56
致 謝 57
參考文獻 58
附錄1 60
附錄2 62
附錄3 74
西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第84頁
第1章 緒論
1.1 選題背景
裝載機是一種用途十分廣泛的工程機械，它主要用于對散狀物料進行鏟裝運輸﹑卸載及平整作業(yè)。如果將其工作裝置做相應的變化，還可以進行推土﹑起重﹑裝卸等作業(yè),廣泛應用于建筑、公路、鐵路、水電、港口、礦山、林業(yè)、國防等工程中，對加快工程建設速度、減輕勞動強度、提高工程質(zhì)量、降低工程成本都發(fā)揮著重要的作用。近幾年來，無論在國內(nèi)還是在國外，裝載機的品種和產(chǎn)量部得到了迅猛發(fā)展，已成為工程機械主導產(chǎn)品之一。
起源于美國的輪式裝載機已從一種簡單的裝料設備發(fā)展成為多用途的工程機械。半個多世紀以來，它的技術(shù)不斷進步，工作性能不斷提高，應用范圍也越來越廣泛。因此，它在對于減輕人類勞動強度，加快工程進度，提高工作質(zhì)量等方面起到了舉足輕重的作用?？梢灶A見，在今后的幾十年里，裝載機在國內(nèi)外仍然會得到快速的發(fā)展，它仍是工程機械大家族中的一位重要成員。
1.2 裝載機發(fā)展綜述
1.2.1 國外裝載機技術(shù)發(fā)展概況
裝載機，特別是輪式裝載機用途非常廣泛，幾乎遍及各地域的建設部門，自20世紀20年代問世以來發(fā)展非常迅速，先后出現(xiàn)過四次根本性的技術(shù)進步。第一次是20世紀30年代出現(xiàn)了四輪驅(qū)動的輪胎裝載機，體現(xiàn)了裝載機的靈活機動性；第二次是20世紀40年代出現(xiàn)了柴油機代替汽油機，液壓操作代替鋼絲繩的機械操縱，使裝載機可靠性及操縱性能大大改善；第三次是20世紀50年代出現(xiàn)了有液力變矩器的液力機械傳動代替機械傳動，從根本上解決了鏟掘阻力大時發(fā)動機經(jīng)常熄火的問題；第四次是20世紀60年代出現(xiàn)了鉸接式裝載機，使轉(zhuǎn)彎半徑大大縮小，體現(xiàn)了裝載機的靈活機動性，同時穩(wěn)定性也大為提高[1]。至此，現(xiàn)代裝載機的基本結(jié)構(gòu)，包括以柴油機為動力、液力傳動、動力換擋、輪胎式四輪驅(qū)動、鉸接式動力轉(zhuǎn)向、作業(yè)裝置液壓操縱等已全部形成。
到二十世紀七八十年代，美、日等各主要制造企業(yè)在裝載機的可靠性、舒適性、安全性、降低能耗及提高作業(yè)效率等方面作了大量工作。特別是美國卡特彼勒公司等，其裝載機的可靠性在這個時期已完全過關(guān)，一般情況下3年以內(nèi)基本上沒有什么故障。裝載機開始向高技術(shù)、大型化方向發(fā)展，出現(xiàn)了一些新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)，如卡特彼勒988B、992C，克拉克公司475B、675等大型輪式裝載機出現(xiàn)了可變能容的變矩器等新技術(shù)，其鏟斗容量達16 m3以上，同時出現(xiàn)了代替普通儀表的電子監(jiān)控器等新技術(shù)[2][26]。
從20世紀90年代到現(xiàn)在，以美國卡特彼勒、日本小松為代表的世界最
先進的裝載機，廣泛應用機電一體化及微電子技術(shù)，操縱實現(xiàn)了自動或半自動化，節(jié)能降耗，舒適高效，外觀造型及外形制造達到了完美的程度，可以跟轎車媲美。產(chǎn)品的規(guī)格向大型化及微型化兩頭延伸，多用途及全液壓驅(qū)動機型也得到了廣泛發(fā)展[3]。
1.2.2 國外裝載機新技術(shù)現(xiàn)狀及展望
1．電子技術(shù)在裝載機上的應用
目前國外裝載機新技術(shù)發(fā)展的一個顯著特點是從最初的電子監(jiān)控逐步發(fā)展到系統(tǒng)的電子控制，并已得到較為廣泛的應用，比如柴油機的電子噴射燃燒系統(tǒng)、變速操縱的電腦集成控制系統(tǒng)等[4]。到目前已經(jīng)發(fā)展到了利用體積很小的大規(guī)模集成電路、微處理器為核心，對裝載機主要操縱控制系統(tǒng)如傳動、轉(zhuǎn)向、作業(yè)操縱等進行集成電子控制的裝載機集成控制系統(tǒng)。目前世界上已出現(xiàn)了裝載機衛(wèi)星定位（GPS）電子控制系統(tǒng)，使作業(yè)裝置定位快速、穩(wěn)定、精確，極大地提高了多機聯(lián)合作業(yè)的工作效率。在裝載機上還可安裝先進的衛(wèi)星通訊與控制裝置，對裝載機進行全方位的信息管理。此外在地下礦井惡劣的施工條件下已出現(xiàn)了無人駕駛的遙控裝載機。
2．靜液壓技術(shù)在裝載機上的應用
國外裝載機最新技術(shù)發(fā)展的另一個顯著特點是靜液壓驅(qū)動得到越來越普遍的應用,其傳動效率比液力機械驅(qū)動高出十幾個百分點。近年來世界上各主要裝載機制造企業(yè)的發(fā)動機功率在70kW以下的小型裝載機基本上都采用了靜液壓驅(qū)動。采用了靜液壓驅(qū)動后泵與馬達基本上都是變量的,且泵的出油方向可變,不但傳動效率高,而且還可非常方便地實現(xiàn)電液變速操縱的電子控制,與動力分配很好地配合,保證在各種速度下得到盡可能大的牽引力,達到最佳的高效節(jié)能效果,同時還可采用液壓制動。靜液壓制動理論上是無磨損的,因而減少了制動系統(tǒng)的維護保養(yǎng),提高了制動的可靠性。
采用靜液壓傳動后整機布置也發(fā)生了變化,驅(qū)動馬達通過一個簡單的傳動箱固定在后橋上,傳動箱另一端用傳動軸與前橋相連,發(fā)動機橫置。圖1-1為卡特彼勒公司的906小型靜液壓傳動裝載機,由于發(fā)動機橫置、后懸非常短且為大斜角,駕駛員的后視野非常好,提高了機動靈活性及作業(yè)效率[4][25]。
圖1-1[4] CAT906靜液壓傳動裝載機
3．新系統(tǒng)、新結(jié)構(gòu)
近年來，世界上一些主要裝載機制造企業(yè)如卡特彼勒、小松、瑞典沃爾沃都出現(xiàn)了一些新結(jié)構(gòu)，駕駛室內(nèi)的乘座、操縱等都完全按人機工程學精心設計制造，使駕駛室視野開闊，舒適性達到了較完美的程度[4]。駕駛室連同發(fā)動機罩等整個外觀都按美學精心設計制造，令人賞心悅目。同時，后罩設計成大傾角、整體式、可翻轉(zhuǎn)，既美觀又極其方便維護保養(yǎng)，且后視野良好。傳動系統(tǒng)方面，變速器普遍采用了電液換擋，極方便地實現(xiàn)電子控制。普遍采用了帶內(nèi)藏濕式多片式制動器的驅(qū)動橋，加上全液壓制動系統(tǒng)，大大改善并提高了制動性能，減少了制動系統(tǒng)的維護保養(yǎng)，且大大延長了制動器的使用壽命。同時驅(qū)動橋可由用戶選擇配帶防滑差速器，提高惡劣條件下的通過性及作業(yè)性能[24]。
國外先進的裝載機基本上都采用了負荷傳感轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，中大型為流量放大負荷傳感型。這種先進的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使整機獲得最佳動力性及燃油經(jīng)濟性，在同樣作業(yè)效率下比不帶負荷傳感器的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)減少燃料消耗8%以上。
1.2.3 我國裝載機新技術(shù)現(xiàn)狀及展望
目前，國內(nèi)各生產(chǎn)廠家沒有自己的拳頭產(chǎn)品，沒有自身的關(guān)鍵技術(shù)及強有力的技術(shù)創(chuàng)新隊伍，主導產(chǎn)品擋次低，企業(yè)負擔重，生產(chǎn)成本高。具體如下
1．3t以下裝載機
3t以下產(chǎn)品主要以ZL10、ZL15、ZL16為代表，還有一些利用拖拉機改裝的裝載機，主要與日益增多的農(nóng)用運輸車輛配套使用。主要零部件均采用一般性能及質(zhì)量的發(fā)動機、驅(qū)動橋、變速箱、液壓件。技術(shù)較先進的靜液壓傳動產(chǎn)品，液壓件國內(nèi)不易配套，產(chǎn)品成本居高不下，制約了該類產(chǎn)品在國內(nèi)的發(fā)展。
2．ZL30裝載機
ZL30裝載機主要生產(chǎn)廠家有成工、常林、徐工、宜工、山工等。該產(chǎn)品零部件配置較零亂，生產(chǎn)廠家具有自制的橋箱，風格各具特色，質(zhì)量及性能上相對穩(wěn)定，技術(shù)先進性一般。徐工最近開發(fā)的ZL30F裝載機，采用電控換擋變速箱，使3t級裝載機技術(shù)有了新的突破。
3．ZL40/ZL50裝載機
主要裝載機生產(chǎn)廠家均擁有該產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品十年來延續(xù)至今，全國幾乎使用同一套圖紙，有些技術(shù)力量薄弱的廠家，仍把其當作主導產(chǎn)品推向市場。第二、三代產(chǎn)品主要是對工作裝置進行優(yōu)化，改變外觀造型。如柳工ZL40B/ZL50C、徐工ZL40E/ZL50E。第四代產(chǎn)品是在第三代的基礎上，進一步優(yōu)化整機的性能及配置，電控箱、濕式制動器等新技術(shù)得到應用，并形成了各企業(yè)的專有技術(shù)及專利技術(shù)，使產(chǎn)品以嶄新的面貌推向市場。
4．ZL60及6t以上裝載機
6t以及6t以上的裝載機，這是國內(nèi)潛在市場最大的產(chǎn)品，1998年以前大多數(shù)生產(chǎn)廠家均開發(fā)了ZL60裝載機，但由于受傳動件的制約，ZL60裝載機沒能成功的推向市場。在1999年北京國際工程機械博覽會上，各廠家推出了新一代ZL60裝載機，多數(shù)廠家選擇柳州ZF合資生產(chǎn)的箱或橋，液壓元件也有新配置，發(fā)動機可選用斯太爾或上柴6121（Cat3306），整機可靠性得到很大提高，給國內(nèi)大噸位裝載機帶來發(fā)展機遇[5][27]。
1.2.4 國內(nèi)輪式裝載機發(fā)展趨勢
國產(chǎn)輪式裝載機正在從低水平、低質(zhì)量、低價位、滿足功能型向高水平、高質(zhì)量、中價位、經(jīng)濟實用型過渡。從仿制仿造向自主開發(fā)過渡，各主要生產(chǎn)廠家不斷進行技術(shù)投入，采用不同的技術(shù)路線，在關(guān)鍵部件及系統(tǒng)上技術(shù)創(chuàng)新，擺脫了產(chǎn)品設計雷同、無自己特色和優(yōu)勢的現(xiàn)狀，從低水平的無序競爭的怪圈中脫穎而出，成為裝載機行業(yè)的領先者[4]。
1．大型和小型輪式裝載機，在近幾年的發(fā)展過程中，受到客觀條件及市場總需求的限制。競爭最為激烈的中型裝載機更新速度將越來越快。
2．根據(jù)各生產(chǎn)廠家的實際情況，重新進行總體設計，優(yōu)化各項性能指標，強化結(jié)構(gòu)件的強度及剛度，使整機可靠性得到大步提高。
3．細化系統(tǒng)機構(gòu)。如動力系統(tǒng)的減振、散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工作裝置的性能指標優(yōu)化及各鉸點的防塵、工業(yè)造型設計等。
4．利用電子技術(shù)及負荷傳感器技術(shù)來實現(xiàn)變速箱的自動換擋及液壓變量系統(tǒng)的應用，提高效率、節(jié)約能源、降低裝載機的作業(yè)成本。
5．提高安全性、舒適性。駕駛室逐步具備FOPS&ROPS功能，駕駛室內(nèi)環(huán)境將向汽車方向靠攏，方向盤、座椅、各操縱手柄都能調(diào)節(jié)，使操作者處于最佳位置操作。
6．降低噪聲和排放，強化環(huán)保指標。隨著人們環(huán)保意識的增強，降低裝載機的噪聲和排放的工作已經(jīng)迫在眉睫，工廠建設機械若不符合排放標準，將要被限制在該地區(qū)銷售。
7．廣泛利用新材料、新工藝、新技術(shù)，特別是機、電、液一體化技術(shù)，提高產(chǎn)品的壽命和可靠性。
8．最大限度地簡化維修，盡量減少保養(yǎng)次數(shù)和維修時間，增大維修空間，普遍采用電子監(jiān)視及監(jiān)控技術(shù)，進一步改善故障診斷系統(tǒng)，提供司機排除問方法。
總之，我國裝載機將進一步向微電子技術(shù)方向發(fā)展，外觀造型及制造將更加美觀，但在技術(shù)質(zhì)量上即可靠性方面還未得到根本解決。因此各制造企業(yè)在采用、發(fā)展先進技術(shù)的同時應花大力氣迅速、徹底地解決可靠性問題，這樣才能在加入WTO后與國外大公司先進產(chǎn)品進行競爭，才能使我國裝載機大批量進入國際市場。
1.3 論文研究的主要內(nèi)容
隨著我國加入WTO組織和西部大開發(fā)的進程，及水電、港口、公路等基礎設施建設項目的增多，國外先進工程機械先后涌入中國市場，我國工程機械設施同時面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。方便的裝載機械能夠為企業(yè)、工廠、工程節(jié)省大量的人力物力，裝載機的優(yōu)良設計和不斷改進成為裝載機機械設計研究人員和工廠所關(guān)注的課題。
本文主要研究的內(nèi)容有：
第1章：綜述國內(nèi)外裝載機技術(shù)狀況，提出本文研究的目的和意義。
第2章：簡單介紹了裝載機的功能、分類和主要技術(shù)參數(shù)，并簡紹了輪式裝載機的工作工況。
第3章：對輪式裝載機的工作裝置、液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和駕駛室這四個主要部件進行分析和設計。
第4章：應用SolidWorks 2008軟件對裝載機進行了3D設計。
第5章：對結(jié)論的總結(jié)和未來的工作展望。
第2章 裝載機概述
2.1 裝載機簡介
工程機械是工程施工所用的機械設備的統(tǒng)稱，廣泛用于建筑工程、道路交通、礦山等行業(yè)，因此也稱為建設機械。工程機械大致可分為:挖掘機械，鏟土運輸機械，工程起重機械，機動工業(yè)車輛，壓實機械，路面機械，樁工機械，混凝土機械，鋼筋加工機械，軍用工程機械，鑿巖機械與氣動工具等類型[6]。隨著工程項目逐漸向高難度、高空間、大規(guī)模、快進度等方面發(fā)展，越來越多的工程施工離不開工程機械的參與。裝載機是工程機械中的一大種類，主要用于土石方施工，屬于鏟土運輸類機械。
2.1.1 裝載機的用途
裝載機是通過安裝在前端一個完整的鏟斗支承結(jié)構(gòu)和連桿，隨機器向前運動進行裝載或挖掘，以及提升、運輸和卸載的自行式履帶或輪胎機械[7]。
裝載機的用途很多，適用面廣，主要用于鏟裝土壤、砂石、石灰、煤炭等散狀物料，也可對礦石、硬土等作輕度鏟挖作業(yè)。在道路，特別是在高等級公路施工中，裝載機用于路基工程的填挖、瀝青混合料和水泥混凝土料場的集料與裝料等作業(yè)。換裝不同的輔助工作裝置還可進行推土、起重以及其他物料如木材的裝卸作業(yè)等。裝載機的作業(yè)對象主要是：各種土壤、砂石料、灰料以及其他筑路用散料物料等。正是由于裝載機的用途廣，以及具有作業(yè)速度快、效率高、機動性好、操作輕便等優(yōu)點，因此它成為工程建設中土石方施工的主要機種之一，對于減輕勞動強度，加快工程建設速度，提高工程質(zhì)量，降低工程成本都發(fā)揮著重要的作用，是現(xiàn)代機械化施工中不可缺少的裝備之一[8]。
2.1.2 裝載機的分類
裝載機一般按一下特點來分類：
1．按行走裝置不同分類
按行走裝置不同可以分為輪胎式和履帶式兩種。由于國產(chǎn)履帶式裝載機多是在推土機基礎上形成及國外使用和生產(chǎn)的絕大多數(shù)是輪胎式裝載機，又因為這兩類裝載機除行走裝置不同外，其他系統(tǒng)和構(gòu)造大體相似，所以本論文以講述輪胎式裝載機為主。
2．按使用場合不同分類
按使用場合不同分為露天用裝載機和井下用裝載機（鏟運機）。鏟運機結(jié)構(gòu)簡單。國內(nèi)外生產(chǎn)和使用的裝載機絕大多數(shù)是露天的輪式裝載機，井下用鏟運機是根據(jù)井下巷道的工作條件，對發(fā)動機的排污和消聲，整機高度和工作裝置以及駕駛操作系統(tǒng)的布置等提出特殊要求后，在露天用裝載機基礎上變型設計而成的。
3．按傳動形式不同分類
按傳動形式不同可以分為機械傳動、液力機械傳動、液壓傳動和電傳動四種。
(1)機械傳動 在國內(nèi)僅用于斗容量為0.5m3以下的裝載機，它一般直接采用汽車或拖拉機的傳動裝置，即離合器和變速器。具有低成本、傳動效率高、可拖動、維修方便等優(yōu)點。主要缺點是操縱復雜且費力，離合器和變速箱壽命較低。
(2)液力機械傳動 它是輪式裝載機的主要傳動形式。這是因為液力機械傳動取消了機械傳動中的離合器而換用液力變矩器，取消了人力換擋變速箱而換用了動力換擋變速箱。這樣變矩器能吸收在作業(yè)時傳給傳動系統(tǒng)的沖擊和震動，故能平穩(wěn)地插入料堆，并可隨外界載荷變化自動調(diào)速，不會因為超載而使發(fā)動機熄火，而且可在不停車情況下進行換擋，操縱輕便，工作可靠性高。主要缺點是功率損失較大，傳動效率較低，成本較高，結(jié)構(gòu)復雜，維修不便。大中型裝載機都采用液力機械傳動。輪式裝載機的液力變矩器有一下四種：
a.一級三元件液力變矩器；
b.雙渦輪液力變矩器；
c.變量雙泵輪液力變矩器；
d.雙導輪液力變矩器。
我國液力機械傳動輪式裝載機的生產(chǎn)已形成一個系列，定型生產(chǎn)斗容量為0.5～3.5m3的裝載機，其額定載重量為1～7t。即ZL10型、ZL15型、ZL29型、ZL25型、ZL30型、ZL40型、ZL45型、ZL50型、ZL70型、ZL1600型、等10余種機型，20余個變型產(chǎn)品。
(3)液壓傳動 用柴油機帶動液壓泵產(chǎn)生高壓油，并通過控制系統(tǒng)和油管帶動液壓馬達使車輪轉(zhuǎn)動。這種傳動方式省去了一系列的零件，簡化了傳動系統(tǒng)，使整機質(zhì)量減輕，并可在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，使傳動更加平穩(wěn)，但他的啟動性差，性能良好的液壓元件昂貴，壽命也較低，故在裝載機中的使用受到限制，目前只用在小型裝載機上。但隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓元件質(zhì)量不斷提高和成本不斷降低，液壓傳動將會越來越多地在中小型裝載機上使用。
(4)電傳動 由柴油機驅(qū)動交流發(fā)電機發(fā)電，以此來驅(qū)動裝在車輪上的直流電動機，然后通過輪邊減速帶動車輪轉(zhuǎn)動，這樣也省去了一系列傳動零件，可實現(xiàn)無級調(diào)速。這種傳動檢查方便，維修簡單，工作可靠。缺點是電機設備質(zhì)量大，費用高，目前只在大型裝載機上使用這種傳動形式。
此外，國內(nèi)還有采用變矩離合器傳動的形式。這種形式目前只在DC10型裝載機上采用，它的動力傳動系統(tǒng)是由變矩器、干式離合器和手動滑移齒輪式變速器所組成。
4．按裝載方式不同分類
按裝載方式不同分為前卸式、后卸式、側(cè)卸式和回轉(zhuǎn)式。輪式轉(zhuǎn)載機基本上都是前卸式。
5．按轉(zhuǎn)向方式不同分類
按轉(zhuǎn)向方式不同可分為整體式和鉸鏈式。前者利用偏轉(zhuǎn)后輪或前輪轉(zhuǎn)向，或者同時偏轉(zhuǎn)前后輪，后者采用鉸接車架，利用前后車架之間的相對偏差進行轉(zhuǎn)向。國產(chǎn)ZL系列輪式裝載機絕大多數(shù)采用鉸接式結(jié)構(gòu)。
2.1.3 裝載機的主要技術(shù)性能參數(shù)
裝載機的主要技術(shù)性能參數(shù)有鏟斗容量、額定載重量、發(fā)動機額定功率、整機質(zhì)量、最大行駛速度、最小轉(zhuǎn)彎半徑、最大牽引力、最大掘起力、最大卸載高度、卸載距離、工作裝置動作三項和等。
1．鏟斗容量
一般指鏟斗的額定容量，為鏟斗平裝容量與堆尖部分體積之和，用“m3”來表示。
2．額定載重量
指在保證裝載機穩(wěn)定工作的前提下，鏟斗的最大載重量，單位為“kg”。
3．發(fā)動機額定功率
發(fā)動機額定功率又稱發(fā)動機標定功率或總功率，是表明裝載機作業(yè)能力的一項重要參數(shù)。發(fā)動機功率分為有效功率與總功率，有效功率是指在和746mmHg壓力情況下，在發(fā)動機飛輪上實有的功率（也稱飛輪功率）。國產(chǎn)裝載機上所標的功率一般指總功率，即包括發(fā)動機有效功率和風扇、燃油泵、潤滑油泵、濾清器等輔助設備所消耗的功率。單位為“KW”。
4．整機質(zhì)量（工作質(zhì)量）
指裝載機裝備應有的工作裝置和隨機工具，加足燃油、潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)都加足液體，并且?guī)в幸?guī)定形式和尺寸的空載鏟斗和司機標定質(zhì)量（75Kg±3Kg）時的主機質(zhì)量。它關(guān)系到裝載機使用的經(jīng)濟性、可靠性和附著性能，單位為“Kg”。
5．最大行駛速度
指鏟斗空載，裝載機行駛于堅硬的水平面上，前進和后退各檔能達到的最大速度，它影響裝載機的生產(chǎn)率和安排施工方案，單位為“”。
6．最小轉(zhuǎn)彎半徑
指自輪胎中心或后輪外側(cè)或鏟斗外側(cè)所構(gòu)成的弧線至回轉(zhuǎn)中心的距離，單位為“mm”。
7．最大牽引力
指裝載機驅(qū)動輪緣上所產(chǎn)生的推動車輪前進的作用力。裝載機的附著質(zhì)量越大，則可能產(chǎn)生的最大牽引力就越大，單位為“kN”。
8．最大掘起力
指鏟斗切削刃的底面水平并高于底部基準面20mm時，操縱提升液壓缸或轉(zhuǎn)斗液壓缸在鏟斗切削刃最前面一點向后100mm處產(chǎn)生的最大向上鉛垂力。單位為“kN”。
9．最大裝卸高度
指動臂處于最該位置，鏟斗裝卸角為45o時，從地面到斗刃最低點之間的垂直距離，單位為“mm”。
10．卸載距離
一般指在最大卸載高度時，從裝載機本體最前面一點（包括輪胎和車架）到斗刃之間的水平距離，單位為“mm”。
11．工作裝置三項和
指鏟斗提升、下降、卸載三項時間的總和，單位為“s” [8] [23]。
圖2.1為CXX955-G輪式裝載機外形，表2.1為其主要技術(shù)參數(shù)[9]。
表2.1 CXX955-G主要技術(shù)參數(shù)
項目
單位
參數(shù)
項目
單位
參數(shù)
??? 鏟斗容量
m3
≥3.8
行走速度
??? 額定載荷
t
4±5%
Ⅰ檔
km/h
0-11
??? 整機操作重量
t
≤16.5
Ⅱ檔
km/h
0-35
??? 長×寬×高
mm
7980×2990×3344
倒檔
km/h
0-15
??? 軸距
mm
2810
最大爬坡能力
28
??? 輪距
mm
2240
輪胎規(guī)格
23.5-25
??? 卸載高度
mm
≤3400
發(fā)動機型號
D6114ZGB
??? 卸載距離
mm
≤1580
額定功率/額定轉(zhuǎn)速
kw/r/min
160/2200
??? 動臂提升時間
s
≤7
車橋
加強橋
??? 三項和時間
s
≤13
圖2.1 CXX955-G輪式裝載機外形
2.2 輪式裝載機簡介
輪胎式裝載機簡稱為輪式裝載機，根據(jù)使用場合分為兩類，即在露天裝載作業(yè)時使用的前端輪式裝載機和主要用于地下礦物開采作業(yè)的井下鏟運機。一般由車架、工作裝置、動力裝置、行走裝置、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等組成。如圖2.2所示為前端式輪式裝載機的基本組成：
圖2.2 輪式裝載機結(jié)構(gòu)示意圖
輪式裝載機是一種鏟、裝、運、卸一體化的自行式設備，它的工作過程由六種工況組成：
1．插入工況
動臂下放，鏟斗放置于地面，斗尖觸地，斗底板與地面呈3o~5o傾角，開動裝載機，鏟斗借助機器的牽引力插入料堆。
2．鏟裝工況
鏟斗插入料堆后，轉(zhuǎn)動鏟斗鏟取物料，待鏟斗口翻至近似水平為止。
3．重載運輸工況
鏟斗鏟滿物料后舉升動臂，將鏟斗舉升至運輸位置，然后驅(qū)動機器駛向裝卸點。
4．舉升工況
保持轉(zhuǎn)斗缸長度不變，操作舉升缸，將動臂升至上限位置，準備卸載。
5．卸載工況
在裝卸點，在舉升工況下操作轉(zhuǎn)斗缸翻轉(zhuǎn)鏟斗，向溜井倉或運輸車輛中裝卸，鏟斗物流裝卸后下放動臂，使鏟斗恢復至運輸位置。
6．空載運輸工況
卸載結(jié)束后，裝載機再由裝卸點空載返回裝載點。
第3章 輪式裝載機主要部件設計
3.1 輪式裝載機工作裝置的設計
輪式裝載機的工作裝置主要由鏟斗和支持鏟斗進行裝載作業(yè)的連桿系統(tǒng)組成，依靠這套裝置裝載機可以對汽車、火車進行散料裝載作業(yè)，也可以對散料進行短途運輸作業(yè)，還可以進行平地修路作業(yè)。把鏟斗更換成專門的裝置，還可以進行其他裝載作業(yè)。裝載機工作裝置的結(jié)構(gòu)和性能直接影響整機的工作尺寸和性能系數(shù)，因此，工作裝置的合理性直接影響裝載機的生產(chǎn)效率、工作負荷、動力與運動特性、不同工況下的作業(yè)效果、工作循環(huán)的時間、外形尺寸和發(fā)動機功率等。
輪式裝載機工作裝置由多種形式，根據(jù)桿數(shù)和運動特征可分為正轉(zhuǎn)四桿、正轉(zhuǎn)五桿、正轉(zhuǎn)六桿、反轉(zhuǎn)六桿、正轉(zhuǎn)八桿等類型。
下圖3.1表示反轉(zhuǎn)六桿工作機構(gòu)的組成[8]。
1—鏟斗； 2—連桿；3—搖臂； 4—動臂
圖3.1 裝載機工作裝置組成
一般來說裝載機的工作裝置由鏟斗、動臂、連桿、搖臂和轉(zhuǎn)斗油缸、動臂油缸等組成。工作裝置鉸接在車架上，鏟斗通過連桿、搖臂與轉(zhuǎn)斗液壓缸鉸接，用以裝卸物料。動臂與車架以及動臂液壓缸鉸接，用以升降鏟斗。鏟斗的翻轉(zhuǎn)和動臂的升降采用液壓操縱。裝載機工作裝置的循環(huán)作業(yè)過程如圖3.2所示[10]:地面鏟掘工況一地面收斗工況一運輸工況一動臂舉升過程一上限收斗工況一上限卸料工況一動臂下降一鏟斗自動放平至地面鏟掘工況，并為下一循環(huán)作業(yè)過程準備。
圖3.2 裝載機工作裝置作業(yè)過程
3.1.1 輪式裝載機工作裝置設計要求
根據(jù)輪式裝載機的作業(yè)特點，其工作裝置的設計應該滿則以下要求。
1．基本要求
所設計的裝載機應具有較強的作業(yè)能力，鏟斗插入料堆的阻力要小，在料堆中的鏟掘的能力大，能耗小。工作機構(gòu)的各桿受力狀態(tài)良好，強度壽命合理。結(jié)構(gòu)和工作尺寸適應生產(chǎn)條件需要，效率高。結(jié)構(gòu)緊湊，制造以及維修容易，操作使用方便。
2．特殊要求
（1）由于鏟斗寬度和容積都比較大，所以鏟裝阻力大，裝滿系數(shù)小，因此，設計時應合理選取鏟斗的結(jié)構(gòu)和尺寸，以減小工作阻力，達到裝滿卸凈、運輸平穩(wěn)。
（2）鏟斗由運輸工況升到最高裝卸位置的過程中，為避免鏟斗中物流撒出，要求鏟斗做“平移”運動。嚴格要求鏟斗舉升平移是很難的，它給設計工作帶來很多麻煩，并將急劇降低工作裝置的其他性能。從不易撒料這一目的出發(fā)，絕對平動并無必要，主要把鏟斗舉升時的傾角變化限制在一定許可范圍之內(nèi)即可。因為鏟斗堆裝時，物流堆角為1:2左右，即傾角為27o左右，而松散物料的自然安息角平均在40o左右，所以舉升過程中，鏟斗口的傾角不大于40o-27o=13o時便可減少撒料，。設計時，一般控制在10o以內(nèi)為好。
（3）保證必要的卸載角、卸載高度和卸載距離。輪式裝載機要求鏟斗在從運輸工況至最高位置之間的任一高度都能卸載干凈，為此，鏟斗各瞬時的卸載角α（鏟斗斗底對地面的前傾角）均需不小于45o.鏟斗在最高位置卸載時，最大卸載高度（鏟斗尖離地高度）和卸載距離L，必須與配套的載重起初車廂尺寸相適應，或遵照設計任務書規(guī)定。
（4）鏟斗能自動放平。鏟斗在最高位置卸載后，閉鎖轉(zhuǎn)斗油缸，下放動臂，鏟斗能自動變成插入工況（開始插入狀態(tài)）的功能稱為“鏟斗自動放平”。它對定點高度卸載很有意義。因為汽車就在裝載機旁邊，若卸載后，與下放動臂同時，裝載機駛向裝載點，當?shù)竭_裝載點的時，鏟斗剛好呈開始插入狀態(tài)，即可開始新的裝、運、卸工作循環(huán)。如此，能省去兩次操作（鏟斗由卸載工況-運輸工程-插入工況），既提高了裝載工作效率，又減輕了司機的勞動強度。
（5）輪式裝載機的工作機構(gòu)屬于連桿機構(gòu)，設計中要特變注意防止各個工況出現(xiàn)構(gòu)件相互干擾、“死點”、“自鎖”和“機構(gòu)撕裂”等現(xiàn)象；各處傳動角不得小于10o；在滿足綜合工作性能的前提下，盡可能增大機構(gòu)的倍力系數(shù)。
（6）應盡量減小工作機構(gòu)的前懸（即工作機構(gòu)重心至整機重心的距離）、長度和高度，以提高裝載機在各種工況下的穩(wěn)定性和司機的視野。
3．在作業(yè)過程中，輪式裝載機的工作裝置應能保證以下幾點：
（1）當動臂出于某種作業(yè)位置不動時，在轉(zhuǎn)斗油缸作用下，通過連桿機構(gòu)使鏟斗繞其鉸接點轉(zhuǎn)動。
（2）當轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖，動臂在動臂油缸作用下提升或下降鏟斗過程中，連桿機構(gòu)應能使鏟斗在提升時保持平移，或斗底平面與地面的夾角變化控制在很小的范圍，以免裝滿物料的鏟斗由于傾斜而使物料撒落。
（3）在動臂下降時，能自動將鏟斗放平，以減輕駕駛員的勞動強度，提高生產(chǎn)率[10] [19]。
3.1.2 鏟斗設計
工作裝置使裝載機的執(zhí)行機構(gòu)之一，鏟斗是這個執(zhí)行機構(gòu)的執(zhí)行構(gòu)件，它是工作裝置的重要部件。鏟斗直接與物料接觸，是裝、運、卸的工具。工作時，它被推壓插入物料堆鏟取物料，工作條件惡劣，要承受很大的沖擊力和劇烈的磨損，因此鏟斗的設計質(zhì)量對裝載機的作業(yè)能力有較大影響。為了保證鏟斗的設計質(zhì)量，首先應當合理確定鏟斗的結(jié)構(gòu)和幾何形狀，以降低鏟斗插入物料的阻力。其次要保證鏟斗具有足夠的強度、剛度、耐磨性，使其具有合理的使用壽命[8]。
3.1.2.1 鏟斗的結(jié)構(gòu)形式
輪式裝置的鏟斗斷面形狀一般為“U”形，用鋼板焊接而成。常見鏟斗結(jié)構(gòu)如圖3.3所示[8]：
a)直線形斗刃鏟斗
b)V形斗刃鏟斗
c)直線形帶齒鏟斗
d)弧形帶齒鏟斗
圖3.3 常見鏟斗結(jié)構(gòu)
1—防溢板；2—連接耳；3—斗后臂；4—斗前臂；5—斗側(cè)臂
6—切削刀；7—斗齒； 8—斗側(cè)刃
圖3.4 輪式裝載機鏟斗結(jié)構(gòu)
鏟斗由斗底、側(cè)壁、斗齒及后壁等部分組成，如圖3.4所示
1．斗體形狀
從整個斗體形狀來看，鏟斗基本可分成“淺底”和“深底”兩種類型。在斗容量相同情況下，前者開口尺寸較大，斗底深度較小，即斗前壁較短，而后者剛好相反。
淺底鏟斗插入料堆的深度小，相應的插入阻力也小，容易裝滿，但運輸行駛時容易撒料；由于前懸增大，影響車輛行駛平穩(wěn)性。而深底鏟斗恰恰相反。相比之下，定點裝載使用淺底鏟斗，而運輸距離較大者采用深底鏟斗較為合適。斗體常用低碳、耐磨、高強度鋼板焊接制成。
2．切削刃的形狀
根據(jù)裝載物料不同，切削刃有直線形和非直線形兩種。前者形式簡單，有利于鏟平地面，但鏟裝阻力較大。后者有有V形和弧形等，由于這種刃中間突出，鏟斗插入料堆時可使插入力集中作用在斗刃的中間部分。所以插入阻力較小，容易插入料堆并有利于減少偏載插入，但鏟斗裝滿系數(shù)比前者小。
礦用輪式裝載機工作條件惡劣，任務繁重，插入和掘起阻力都很大，偏載工況對機構(gòu)的強度影響嚴重，所以多選用非直線形切削刀，并以V形切削刀為佳。斗刃材料是既耐磨又耐沖擊的中猛合金剛材料，側(cè)切削刃加強角板都用高度耐磨鋼材料制成。
3．斗齒
鏟斗斗刃上可以有斗齒，也可以沒有斗齒。若斗刃上裝有斗齒時，斗齒將先于切削刃插入料堆，由于它比壓大（即單位長度插入力大），所以比不帶齒的切削刃易于插入料堆，插入阻力能減小20%左右，特別是對料堆比較密實、大塊較大的情況，效果尤為顯著，因此一般礦用輪式裝載機的鏟斗均帶斗齒。
斗齒機構(gòu)分整體式和分體式兩種，一般斗齒是用高錳鋼制成的整體式，用螺栓固定在鏟斗斗刃上，中小型裝載機多采用這種形式。為便于斗齒磨損后更換和節(jié)約斗齒金屬，也有使用雙段斗齒。大型裝載機由于作業(yè)條件差，斗齒磨損嚴重，故常采用雙段斗齒。
斗齒的形狀和間距對切削阻力是有影響的。一般中型裝載機鏟斗的斗齒間距為250~300mm左右，太大時由于切削刃將直接參與插入工作，使阻力增大，太小時，齒間易卡住石塊，也將增大工作阻力。長而窄的齒比短而寬的齒插入阻力小，但太窄又容易損壞，所以齒寬以每厘米長載荷不大于500~600kg為宜。
圖3.5為工程機械市場中使用的幾種斗齒。
圖3.5 市場中常見的幾種斗齒
4．鏟斗側(cè)刃
因為側(cè)刃參與插入工作，為減小插入阻力，側(cè)壁前刃應與斗前壁成銳角，弧線或折線側(cè)刃鏟斗的插入阻力比直線形側(cè)刃要小，但具有弧線或折線形側(cè)刃鏟斗的側(cè)壁較淺，物料易從兩側(cè)撒落，影響鏟斗的裝滿。為了不是斗容減小太多，一般可將連接前后斗壁的側(cè)壁刃口設計成弧形。
5．斗底
斗前壁與斗后壁用圓弧銜接，構(gòu)成弧形斗底。為了使物料在斗中有很好的流動性，斗底圓弧半徑不宜太小，前后壁夾角（鏟斗開口角或張開角）不應小于物料與鋼板的摩擦角的2倍，以免卡住大塊物料。若取物料與鋼板的摩擦因數(shù)，則摩擦角，所以張開角必須大于44o 。
3.1.2.2 鏟斗的分類
鏟斗按裝卸方式一般分為整體前卸式、側(cè)卸式、推卸式和底卸式等數(shù)種。
1．整體前卸式鏟斗
在使用整體前卸式鏟斗卸料時，要在轉(zhuǎn)斗油缸作用下繞與動臂相連的銷軸向前翻轉(zhuǎn)一個角度，使斗底板與水平面間的夾角α大于物料的自然堆角。圖3.6表示了它的卸載工況。
1—舉升油缸；2—鏟斗；
3—轉(zhuǎn)斗油缸；4—動臂；
圖3.6 整體前卸式鏟斗卸載工況
整體前卸式鏟斗的突出優(yōu)點式結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，有效裝載容積大，但需要有較大的卸載角才能將物
料卸凈。通常情況下，絕大多數(shù)前
端式裝載機都使用這種鏟斗。
2．側(cè)卸式鏟斗
側(cè)卸式鏟斗經(jīng)過轉(zhuǎn)斗油缸和兩個銷軸與托架鉸接成一個整體，也可以往機器前方卸料。當如果需要往機器一側(cè)卸料時，可以拔去一個側(cè)銷，通過轉(zhuǎn)斗油缸動作來卸料。這種鏟斗沒有側(cè)板，插入阻力小，裝載效率高，特別是在裝載
機用于填溝或在狹窄地往側(cè)旁的運輸設
備進行裝載作業(yè)時，其優(yōu)點更加顯著。
3．推卸式鏟斗
推卸式鏟斗結(jié)構(gòu)可以彌補整體前卸式鏟斗卸載高度的不足，在裝載機其他尺寸參數(shù)相同情況下，能夠顯著地提高卸載高度和增加卸載距離?？捎脠D3.7表示
1—斗底板；2，3—推板；4—鏟斗油缸；
5—滾子；6—推板后筋板
圖3.7 推卸式鏟斗
1,4,7—鉸銷；2—固定部分；3—活動部分；