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西 南 交 通 大 學(xué)
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
裝載機(jī)三維參數(shù)化造型設(shè)計(jì)
3D parametric design of Loader
年 級(jí): 2004級(jí)機(jī)械6班
學(xué) 號(hào): 20030889
姓 名: 王磊
專 業(yè): 機(jī)械電子工程
指導(dǎo)老師: 肖世德
2008年 6月 13日
西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第I頁(yè)
院 系 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械電子工程
年 級(jí) 2004級(jí)機(jī)械6班 姓 名 王磊
題 目 裝載機(jī)三維參數(shù)化造型設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師
評(píng) 語(yǔ)
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評(píng) 語(yǔ)
評(píng) 閱 人 (簽章)
成 績(jī)
答辯委員會(huì)主任 (簽章)
年 月 日
西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第III頁(yè)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
班 級(jí) 04機(jī)械6班 學(xué)生姓名 王磊 學(xué) 號(hào) 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(jī)三維參數(shù)化造型設(shè)計(jì)
1、本論文的目的、意義
裝載機(jī)作為一種重要的工程機(jī)械，在公路、鐵路等工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛，但是目前我國(guó)裝載機(jī)的技術(shù)和設(shè)計(jì)大部分都是沿用國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)計(jì)理念，因此進(jìn)行裝載機(jī)的設(shè)計(jì)研究具有深遠(yuǎn)的意義。良好的裝載機(jī)可以加快工程建設(shè)速度，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工程質(zhì)量，降低工程成本等，對(duì)其進(jìn)行哪怕是微小的改動(dòng)都有可能使裝載機(jī)的技術(shù)性能得到巨大的改善。故本文在對(duì)輪式裝載機(jī)有關(guān)部件進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上應(yīng)用SolidWorks2008對(duì)輪式裝載機(jī)進(jìn)行了3D設(shè)計(jì)。
2、學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù)
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(jī)的各部分零件建模工作；
4）進(jìn)行零件的組裝，完成裝載機(jī)實(shí)體建模工作；
5）制作三維工作動(dòng)畫(huà)狀態(tài)；
6）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū)；
7）畢業(yè)實(shí)習(xí)報(bào)告及專業(yè)文獻(xiàn)翻譯；
3、論文各部分內(nèi)容及時(shí)間分配：（共 12 周）
第一部分 實(shí)習(xí) (1周)
第二部分 收集資料，完成總體設(shè)計(jì) (3周)
第三部分 零件的繪制及組裝 (4周)
第四部分 三維動(dòng)態(tài)模擬 (2周)
第五部分 外文翻譯及說(shuō)明書(shū) (2周)
評(píng)閱及答辯 ( 周)
備 注
指導(dǎo)教師： 年 月 日
審 批 人： 年 月 日
西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第VII頁(yè)
摘 要
近年來(lái)，在國(guó)家宏觀調(diào)控政策的影響下，我國(guó)工程機(jī)械產(chǎn)業(yè)進(jìn)入加速增長(zhǎng)階段，呈現(xiàn)出前所未有的繁榮態(tài)勢(shì)。工程機(jī)械裝備已經(jīng)成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一。但是雖然我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)有了很好的基礎(chǔ)，但是相比起國(guó)際先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)計(jì)水平來(lái)說(shuō)還有相當(dāng)大的差距。裝載機(jī)是工程機(jī)械中的重要組成部分，目前我國(guó)自主開(kāi)發(fā)裝載機(jī)的能力還比較薄弱，很多關(guān)鍵技術(shù)還依賴于國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，因此加強(qiáng)對(duì)裝載機(jī)研究和設(shè)計(jì)探討有著深刻的意義。
本文首先綜述了國(guó)內(nèi)外裝載機(jī)技術(shù)研究的狀況，提出未來(lái)裝載機(jī)的外觀造型及制造將更加美觀和舒適。第二章主要對(duì)裝載機(jī)的用途、分類和主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了介紹，并以輪式裝載機(jī)為例介紹了裝載機(jī)的工作工況，此部分是論文的基礎(chǔ)。以輪式裝載機(jī)為研究對(duì)象，第三章對(duì)輪式裝載機(jī)工作裝置、液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和駕駛室這四個(gè)主體部分進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)，其中又以工作裝置為重點(diǎn)，對(duì)鏟斗、連桿系統(tǒng)做了詳細(xì)的分析，利用有關(guān)的公式來(lái)計(jì)算鏟斗斷面形狀和有關(guān)參數(shù)，并對(duì)連桿系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)構(gòu)分析，這部分是進(jìn)行設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。最后應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行了輪式裝載機(jī)的3D設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，其中對(duì)工作裝置各部件、輪胎等進(jìn)行了具體詳細(xì)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)出了裝載機(jī)的3D模型，對(duì)裝載機(jī)的設(shè)計(jì)工作有一定的借鑒意義。
關(guān)鍵詞：輪式裝載機(jī) 工作裝置 SolidWorks 3D設(shè)計(jì)
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(jī)發(fā)展綜述 1
1.2.1 國(guó)外裝載機(jī)技術(shù)發(fā)展概況 1
1.2.2 國(guó)外裝載機(jī)新技術(shù)現(xiàn)狀及展望 2
1.2.3 我國(guó)裝載機(jī)新技術(shù)現(xiàn)狀及展望 3
1.2.4 國(guó)內(nèi)輪式裝載機(jī)發(fā)展趨勢(shì) 4
1.3 論文研究的主要內(nèi)容 5
第2章 裝載機(jī)概述 6
2.1 裝載機(jī)簡(jiǎn)介 6
2.1.1 裝載機(jī)的用途 6
2.1.2 裝載機(jī)的分類 6
2.1.3 裝載機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù) 8
2.2 輪式裝載機(jī)簡(jiǎn)介 10
第3章 輪式裝載機(jī)主要部件設(shè)計(jì) 12
3.1 輪式裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì) 12
3.1.1 輪式裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)要求 13
3.1.2 鏟斗設(shè)計(jì) 14
3.1.3 連桿系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20
3.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì) 30
3.3.1 車(chē)架 31
3.3.2 車(chē)輪和輪胎 33
3.4 駕駛室設(shè)計(jì) 36
第4章 輪式裝載機(jī)3D造型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 39
4.1 SolidWorks簡(jiǎn)介 39
4.2 工作裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 40
4.2.1 鏟斗設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 40
4.2.2動(dòng)臂設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 42
4.2.3連桿設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 43
4.2.4搖臂設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 43
4.2.5 轉(zhuǎn)斗油缸設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 44
4.2.6 動(dòng)臂油缸設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 44
4.3 車(chē)體及其它部分設(shè)計(jì) 48
4.3.1 方向盤(pán)設(shè)計(jì) 48
4.3.2 輪胎設(shè)計(jì) 48
4.3.3 車(chē)體設(shè)計(jì) 49
4.4 渲染 54
4.5 動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì) 54
第5章 結(jié)論 56
致 謝 57
參考文獻(xiàn) 58
附錄1 60
附錄2 62
附錄3 74
西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第84頁(yè)
第1章 緒論
1.1 選題背景
裝載機(jī)是一種用途十分廣泛的工程機(jī)械，它主要用于對(duì)散狀物料進(jìn)行鏟裝運(yùn)輸﹑卸載及平整作業(yè)。如果將其工作裝置做相應(yīng)的變化，還可以進(jìn)行推土﹑起重﹑裝卸等作業(yè),廣泛應(yīng)用于建筑、公路、鐵路、水電、港口、礦山、林業(yè)、國(guó)防等工程中，對(duì)加快工程建設(shè)速度、減輕勞動(dòng)強(qiáng)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(lái)，無(wú)論在國(guó)內(nèi)還是在國(guó)外，裝載機(jī)的品種和產(chǎn)量部得到了迅猛發(fā)展，已成為工程機(jī)械主導(dǎo)產(chǎn)品之一。
起源于美國(guó)的輪式裝載機(jī)已從一種簡(jiǎn)單的裝料設(shè)備發(fā)展成為多用途的工程機(jī)械。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，它的技術(shù)不斷進(jìn)步，工作性能不斷提高，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。因此，它在對(duì)于減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，加快工程進(jìn)度，提高工作質(zhì)量等方面起到了舉足輕重的作用?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在今后的幾十年里，裝載機(jī)在國(guó)內(nèi)外仍然會(huì)得到快速的發(fā)展，它仍是工程機(jī)械大家族中的一位重要成員。
1.2 裝載機(jī)發(fā)展綜述
1.2.1 國(guó)外裝載機(jī)技術(shù)發(fā)展概況
裝載機(jī)，特別是輪式裝載機(jī)用途非常廣泛，幾乎遍及各地域的建設(shè)部門(mén)，自20世紀(jì)20年代問(wèn)世以來(lái)發(fā)展非常迅速，先后出現(xiàn)過(guò)四次根本性的技術(shù)進(jìn)步。第一次是20世紀(jì)30年代出現(xiàn)了四輪驅(qū)動(dòng)的輪胎裝載機(jī)，體現(xiàn)了裝載機(jī)的靈活機(jī)動(dòng)性；第二次是20世紀(jì)40年代出現(xiàn)了柴油機(jī)代替汽油機(jī)，液壓操作代替鋼絲繩的機(jī)械操縱，使裝載機(jī)可靠性及操縱性能大大改善；第三次是20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了有液力變矩器的液力機(jī)械傳動(dòng)代替機(jī)械傳動(dòng)，從根本上解決了鏟掘阻力大時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常熄火的問(wèn)題；第四次是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了鉸接式裝載機(jī)，使轉(zhuǎn)彎半徑大大縮小，體現(xiàn)了裝載機(jī)的靈活機(jī)動(dòng)性，同時(shí)穩(wěn)定性也大為提高[1]。至此，現(xiàn)代裝載機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，包括以柴油機(jī)為動(dòng)力、液力傳動(dòng)、動(dòng)力換擋、輪胎式四輪驅(qū)動(dòng)、鉸接式動(dòng)力轉(zhuǎn)向、作業(yè)裝置液壓操縱等已全部形成。
到二十世紀(jì)七八十年代，美、日等各主要制造企業(yè)在裝載機(jī)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(guó)卡特彼勒公司等，其裝載機(jī)的可靠性在這個(gè)時(shí)期已完全過(guò)關(guān)，一般情況下3年以內(nèi)基本上沒(méi)有什么故障。裝載機(jī)開(kāi)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(jī)出現(xiàn)了可變能容的變矩器等新技術(shù)，其鏟斗容量達(dá)16 m3以上，同時(shí)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(jì)90年代到現(xiàn)在，以美國(guó)卡特彼勒、日本小松為代表的世界最
先進(jìn)的裝載機(jī)，廣泛應(yīng)用機(jī)電一體化及微電子技術(shù)，操縱實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)或半自動(dòng)化，節(jié)能降耗，舒適高效，外觀造型及外形制造達(dá)到了完美的程度，可以跟轎車(chē)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(dòng)機(jī)型也得到了廣泛發(fā)展[3]。
1.2.2 國(guó)外裝載機(jī)新技術(shù)現(xiàn)狀及展望
1．電子技術(shù)在裝載機(jī)上的應(yīng)用
目前國(guó)外裝載機(jī)新技術(shù)發(fā)展的一個(gè)顯著特點(diǎn)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(yīng)用，比如柴油機(jī)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(duì)裝載機(jī)主要操縱控制系統(tǒng)如傳動(dòng)、轉(zhuǎn)向、作業(yè)操縱等進(jìn)行集成電子控制的裝載機(jī)集成控制系統(tǒng)。目前世界上已出現(xiàn)了裝載機(jī)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(jī)聯(lián)合作業(yè)的工作效率。在裝載機(jī)上還可安裝先進(jìn)的衛(wèi)星通訊與控制裝置，對(duì)裝載機(jī)進(jìn)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(wú)人駕駛的遙控裝載機(jī)。
2．靜液壓技術(shù)在裝載機(jī)上的應(yīng)用
國(guó)外裝載機(jī)最新技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是靜液壓驅(qū)動(dòng)得到越來(lái)越普遍的應(yīng)用,其傳動(dòng)效率比液力機(jī)械驅(qū)動(dòng)高出十幾個(gè)百分點(diǎn)。近年來(lái)世界上各主要裝載機(jī)制造企業(yè)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率在70kW以下的小型裝載機(jī)基本上都采用了靜液壓驅(qū)動(dòng)。采用了靜液壓驅(qū)動(dòng)后泵與馬達(dá)基本上都是變量的,且泵的出油方向可變,不但傳動(dòng)效率高,而且還可非常方便地實(shí)現(xiàn)電液變速操縱的電子控制,與動(dòng)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(dá)到最佳的高效節(jié)能效果,同時(shí)還可采用液壓制動(dòng)。靜液壓制動(dòng)理論上是無(wú)磨損的,因而減少了制動(dòng)系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng),提高了制動(dòng)的可靠性。
采用靜液壓傳動(dòng)后整機(jī)布置也發(fā)生了變化,驅(qū)動(dòng)馬達(dá)通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的傳動(dòng)箱固定在后橋上,傳動(dòng)箱另一端用傳動(dòng)軸與前橋相連,發(fā)動(dòng)機(jī)橫置。圖1-1為卡特彼勒公司的906小型靜液壓傳動(dòng)裝載機(jī),由于發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)動(dòng)靈活性及作業(yè)效率[4][25]。
圖1-1[4] CAT906靜液壓傳動(dòng)裝載機(jī)
3．新系統(tǒng)、新結(jié)構(gòu)
近年來(lái)，世界上一些主要裝載機(jī)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(jī)工程學(xué)精心設(shè)計(jì)制造，使駕駛室視野開(kāi)闊，舒適性達(dá)到了較完美的程度[4]。駕駛室連同發(fā)動(dòng)機(jī)罩等整個(gè)外觀都按美學(xué)精心設(shè)計(jì)制造，令人賞心悅目。同時(shí)，后罩設(shè)計(jì)成大傾角、整體式、可翻轉(zhuǎn)，既美觀又極其方便維護(hù)保養(yǎng)，且后視野良好。傳動(dòng)系統(tǒng)方面，變速器普遍采用了電液換擋，極方便地實(shí)現(xiàn)電子控制。普遍采用了帶內(nèi)藏濕式多片式制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)橋，加上全液壓制動(dòng)系統(tǒng)，大大改善并提高了制動(dòng)性能，減少了制動(dòng)系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)，且大大延長(zhǎng)了制動(dòng)器的使用壽命。同時(shí)驅(qū)動(dòng)橋可由用戶選擇配帶防滑差速器，提高惡劣條件下的通過(guò)性及作業(yè)性能[24]。
國(guó)外先進(jìn)的裝載機(jī)基本上都采用了負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，中大型為流量放大負(fù)荷傳感型。這種先進(jìn)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使整機(jī)獲得最佳動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性，在同樣作業(yè)效率下比不帶負(fù)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(guó)裝載機(jī)新技術(shù)現(xiàn)狀及展望
目前，國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)廠家沒(méi)有自己的拳頭產(chǎn)品，沒(méi)有自身的關(guān)鍵技術(shù)及強(qiáng)有力的技術(shù)創(chuàng)新隊(duì)伍，主導(dǎo)產(chǎn)品擋次低，企業(yè)負(fù)擔(dān)重，生產(chǎn)成本高。具體如下
1．3t以下裝載機(jī)
3t以下產(chǎn)品主要以ZL10、ZL15、ZL16為代表，還有一些利用拖拉機(jī)改裝的裝載機(jī)，主要與日益增多的農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)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(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)橋、變速箱、液壓件。技術(shù)較先進(jìn)的靜液壓傳動(dòng)產(chǎn)品，液壓件國(guó)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(guó)內(nèi)的發(fā)展。
2．ZL30裝載機(jī)
ZL30裝載機(jī)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(fēng)格各具特色，質(zhì)量及性能上相對(duì)穩(wěn)定，技術(shù)先進(jìn)性一般。徐工最近開(kāi)發(fā)的ZL30F裝載機(jī)，采用電控?fù)Q擋變速箱，使3t級(jí)裝載機(jī)技術(shù)有了新的突破。
3．ZL40/ZL50裝載機(jī)
主要裝載機(jī)生產(chǎn)廠家均擁有該產(chǎn)品。第一代產(chǎn)品十年來(lái)延續(xù)至今，全國(guó)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(dāng)作主導(dǎo)產(chǎn)品推向市場(chǎng)。第二、三代產(chǎn)品主要是對(duì)工作裝置進(jìn)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(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化整機(jī)的性能及配置，電控箱、濕式制動(dòng)器等新技術(shù)得到應(yīng)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(chǎng)。
4．ZL60及6t以上裝載機(jī)
6t以及6t以上的裝載機(jī)，這是國(guó)內(nèi)潛在市場(chǎng)最大的產(chǎn)品，1998年以前大多數(shù)生產(chǎn)廠家均開(kāi)發(fā)了ZL60裝載機(jī)，但由于受傳動(dòng)件的制約，ZL60裝載機(jī)沒(méi)能成功的推向市場(chǎng)。在1999年北京國(guó)際工程機(jī)械博覽會(huì)上，各廠家推出了新一代ZL60裝載機(jī)，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(dòng)機(jī)可選用斯太爾或上柴6121（Cat3306），整機(jī)可靠性得到很大提高，給國(guó)內(nèi)大噸位裝載機(jī)帶來(lái)發(fā)展機(jī)遇[5][27]。
1.2.4 國(guó)內(nèi)輪式裝載機(jī)發(fā)展趨勢(shì)
國(guó)產(chǎn)輪式裝載機(jī)正在從低水平、低質(zhì)量、低價(jià)位、滿足功能型向高水平、高質(zhì)量、中價(jià)位、經(jīng)濟(jì)實(shí)用型過(guò)渡。從仿制仿造向自主開(kāi)發(fā)過(guò)渡，各主要生產(chǎn)廠家不斷進(jìn)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(shè)計(jì)雷同、無(wú)自己特色和優(yōu)勢(shì)的現(xiàn)狀，從低水平的無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)的怪圈中脫穎而出，成為裝載機(jī)行業(yè)的領(lǐng)先者[4]。
1．大型和小型輪式裝載機(jī)，在近幾年的發(fā)展過(guò)程中，受到客觀條件及市場(chǎng)總需求的限制。競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的中型裝載機(jī)更新速度將越來(lái)越快。
2．根據(jù)各生產(chǎn)廠家的實(shí)際情況，重新進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，優(yōu)化各項(xiàng)性能指標(biāo)，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度及剛度，使整機(jī)可靠性得到大步提高。
3．細(xì)化系統(tǒng)機(jī)構(gòu)。如動(dòng)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(biāo)優(yōu)化及各鉸點(diǎn)的防塵、工業(yè)造型設(shè)計(jì)等。
4．利用電子技術(shù)及負(fù)荷傳感器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)變速箱的自動(dòng)換擋及液壓變量系統(tǒng)的應(yīng)用，提高效率、節(jié)約能源、降低裝載機(jī)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(chē)方向靠攏，方向盤(pán)、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(qiáng)化環(huán)保指標(biāo)。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，降低裝載機(jī)的噪聲和排放的工作已經(jīng)迫在眉睫，工廠建設(shè)機(jī)械若不符合排放標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)、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(jiǎn)化維修，盡量減少保養(yǎng)次數(shù)和維修時(shí)間，增大維修空間，普遍采用電子監(jiān)視及監(jiān)控技術(shù)，進(jìn)一步改善故障診斷系統(tǒng)，提供司機(jī)排除問(wèn)方法。
總之，我國(guó)裝載機(jī)將進(jìn)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(jìn)技術(shù)的同時(shí)應(yīng)花大力氣迅速、徹底地解決可靠性問(wèn)題，這樣才能在加入WTO后與國(guó)外大公司先進(jìn)產(chǎn)品進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，才能使我國(guó)裝載機(jī)大批量進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。
1.3 論文研究的主要內(nèi)容
隨著我國(guó)加入WTO組織和西部大開(kāi)發(fā)的進(jìn)程，及水電、港口、公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目的增多，國(guó)外先進(jìn)工程機(jī)械先后涌入中國(guó)市場(chǎng)，我國(guó)工程機(jī)械設(shè)施同時(shí)面臨著前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。方便的裝載機(jī)械能夠?yàn)槠髽I(yè)、工廠、工程節(jié)省大量的人力物力，裝載機(jī)的優(yōu)良設(shè)計(jì)和不斷改進(jìn)成為裝載機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外裝載機(jī)技術(shù)狀況，提出本文研究的目的和意義。
第2章：簡(jiǎn)單介紹了裝載機(jī)的功能、分類和主要技術(shù)參數(shù)，并簡(jiǎn)紹了輪式裝載機(jī)的工作工況。
第3章：對(duì)輪式裝載機(jī)的工作裝置、液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和駕駛室這四個(gè)主要部件進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。
第4章：應(yīng)用SolidWorks 2008軟件對(duì)裝載機(jī)進(jìn)行了3D設(shè)計(jì)。
第5章：對(duì)結(jié)論的總結(jié)和未來(lái)的工作展望。
第2章 裝載機(jī)概述
2.1 裝載機(jī)簡(jiǎn)介
工程機(jī)械是工程施工所用的機(jī)械設(shè)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(shè)機(jī)械。工程機(jī)械大致可分為:挖掘機(jī)械，鏟土運(yùn)輸機(jī)械，工程起重機(jī)械，機(jī)動(dòng)工業(yè)車(chē)輛，壓實(shí)機(jī)械，路面機(jī)械，樁工機(jī)械，混凝土機(jī)械，鋼筋加工機(jī)械，軍用工程機(jī)械，鑿巖機(jī)械與氣動(dòng)工具等類型[6]。隨著工程項(xiàng)目逐漸向高難度、高空間、大規(guī)模、快進(jìn)度等方面發(fā)展，越來(lái)越多的工程施工離不開(kāi)工程機(jī)械的參與。裝載機(jī)是工程機(jī)械中的一大種類，主要用于土石方施工，屬于鏟土運(yùn)輸類機(jī)械。
2.1.1 裝載機(jī)的用途
裝載機(jī)是通過(guò)安裝在前端一個(gè)完整的鏟斗支承結(jié)構(gòu)和連桿，隨機(jī)器向前運(yùn)動(dòng)進(jìn)行裝載或挖掘，以及提升、運(yùn)輸和卸載的自行式履帶或輪胎機(jī)械[7]。
裝載機(jī)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(duì)礦石、硬土等作輕度鏟挖作業(yè)。在道路，特別是在高等級(jí)公路施工中，裝載機(jī)用于路基工程的填挖、瀝青混合料和水泥混凝土料場(chǎng)的集料與裝料等作業(yè)。換裝不同的輔助工作裝置還可進(jìn)行推土、起重以及其他物料如木材的裝卸作業(yè)等。裝載機(jī)的作業(yè)對(duì)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(jī)的用途廣，以及具有作業(yè)速度快、效率高、機(jī)動(dòng)性好、操作輕便等優(yōu)點(diǎn)，因此它成為工程建設(shè)中土石方施工的主要機(jī)種之一，對(duì)于減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，加快工程建設(shè)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(jī)械化施工中不可缺少的裝備之一[8]。
2.1.2 裝載機(jī)的分類
裝載機(jī)一般按一下特點(diǎn)來(lái)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(guó)產(chǎn)履帶式裝載機(jī)多是在推土機(jī)基礎(chǔ)上形成及國(guó)外使用和生產(chǎn)的絕大多數(shù)是輪胎式裝載機(jī)，又因?yàn)檫@兩類裝載機(jī)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(jī)為主。
2．按使用場(chǎng)合不同分類
按使用場(chǎng)合不同分為露天用裝載機(jī)和井下用裝載機(jī)（鏟運(yùn)機(jī)）。鏟運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)和使用的裝載機(jī)絕大多數(shù)是露天的輪式裝載機(jī)，井下用鏟運(yùn)機(jī)是根據(jù)井下巷道的工作條件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排污和消聲，整機(jī)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(jī)基礎(chǔ)上變型設(shè)計(jì)而成的。
3．按傳動(dòng)形式不同分類
按傳動(dòng)形式不同可以分為機(jī)械傳動(dòng)、液力機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)四種。
(1)機(jī)械傳動(dòng) 在國(guó)內(nèi)僅用于斗容量為0.5m3以下的裝載機(jī)，它一般直接采用汽車(chē)或拖拉機(jī)的傳動(dòng)裝置，即離合器和變速器。具有低成本、傳動(dòng)效率高、可拖動(dòng)、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是操縱復(fù)雜且費(fèi)力，離合器和變速箱壽命較低。
(2)液力機(jī)械傳動(dòng) 它是輪式裝載機(jī)的主要傳動(dòng)形式。這是因?yàn)橐毫C(jī)械傳動(dòng)取消了機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)力換擋變速箱。這樣變矩器能吸收在作業(yè)時(shí)傳給傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊和震動(dòng)，故能平穩(wěn)地插入料堆，并可隨外界載荷變化自動(dòng)調(diào)速，不會(huì)因?yàn)槌d而使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，而且可在不停車(chē)情況下進(jìn)行換擋，操縱輕便，工作可靠性高。主要缺點(diǎn)是功率損失較大，傳動(dòng)效率較低，成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修不便。大中型裝載機(jī)都采用液力機(jī)械傳動(dòng)。輪式裝載機(jī)的液力變矩器有一下四種：
a.一級(jí)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(dǎo)輪液力變矩器。
我國(guó)液力機(jī)械傳動(dòng)輪式裝載機(jī)的生產(chǎn)已形成一個(gè)系列，定型生產(chǎn)斗容量為0.5～3.5m3的裝載機(jī)，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(jī)型，20余個(gè)變型產(chǎn)品。
(3)液壓傳動(dòng) 用柴油機(jī)帶動(dòng)液壓泵產(chǎn)生高壓油，并通過(guò)控制系統(tǒng)和油管帶動(dòng)液壓馬達(dá)使車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。這種傳動(dòng)方式省去了一系列的零件，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)系統(tǒng)，使整機(jī)質(zhì)量減輕，并可在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，使傳動(dòng)更加平穩(wěn)，但他的啟動(dòng)性差，性能良好的液壓元件昂貴，壽命也較低，故在裝載機(jī)中的使用受到限制，目前只用在小型裝載機(jī)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(dòng)將會(huì)越來(lái)越多地在中小型裝載機(jī)上使用。
(4)電傳動(dòng) 由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)發(fā)電，以此來(lái)驅(qū)動(dòng)裝在車(chē)輪上的直流電動(dòng)機(jī)，然后通過(guò)輪邊減速帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣也省去了一系列傳動(dòng)零件，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。這種傳動(dòng)檢查方便，維修簡(jiǎn)單，工作可靠。缺點(diǎn)是電機(jī)設(shè)備質(zhì)量大，費(fèi)用高，目前只在大型裝載機(jī)上使用這種傳動(dòng)形式。
此外，國(guó)內(nèi)還有采用變矩離合器傳動(dòng)的形式。這種形式目前只在DC10型裝載機(jī)上采用，它的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是由變矩器、干式離合器和手動(dòng)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(jī)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?zhǔn)健Ｇ罢呃闷D(zhuǎn)后輪或前輪轉(zhuǎn)向，或者同時(shí)偏轉(zhuǎn)前后輪，后者采用鉸接車(chē)架，利用前后車(chē)架之間的相對(duì)偏差進(jìn)行轉(zhuǎn)向。國(guó)產(chǎn)ZL系列輪式裝載機(jī)絕大多數(shù)采用鉸接式結(jié)構(gòu)。
2.1.3 裝載機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù)
裝載機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù)有鏟斗容量、額定載重量、發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率、整機(jī)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(dòng)作三項(xiàng)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(lái)表示。
2．額定載重量
指在保證裝載機(jī)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(dòng)機(jī)額定功率
發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率又稱發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率或總功率，是表明裝載機(jī)作業(yè)能力的一項(xiàng)重要參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)飛輪上實(shí)有的功率（也稱飛輪功率）。國(guó)產(chǎn)裝載機(jī)上所標(biāo)的功率一般指總功率，即包括發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率和風(fēng)扇、燃油泵、潤(rùn)滑油泵、濾清器等輔助設(shè)備所消耗的功率。單位為“KW”。
4．整機(jī)質(zhì)量（工作質(zhì)量）
指裝載機(jī)裝備應(yīng)有的工作裝置和隨機(jī)工具，加足燃油、潤(rùn)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(jī)標(biāo)定質(zhì)量（75Kg±3Kg）時(shí)的主機(jī)質(zhì)量。它關(guān)系到裝載機(jī)使用的經(jīng)濟(jì)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(jī)行駛于堅(jiān)硬的水平面上，前進(jìn)和后退各檔能達(dá)到的最大速度，它影響裝載機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)輪緣上所產(chǎn)生的推動(dòng)車(chē)輪前進(jìn)的作用力。裝載機(jī)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(zhǔn)面20mm時(shí)，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(diǎn)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(dòng)臂處于最該位置，鏟斗裝卸角為45o時(shí)，從地面到斗刃最低點(diǎn)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(shí)，從裝載機(jī)本體最前面一點(diǎn)（包括輪胎和車(chē)架）到斗刃之間的水平距離，單位為“mm”。
11．工作裝置三項(xiàng)和
指鏟斗提升、下降、卸載三項(xiàng)時(shí)間的總和，單位為“s” [8] [23]。
圖2.1為CXX955-G輪式裝載機(jī)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(xiàng)目
單位
參數(shù)
項(xiàng)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(jī)操作重量
t
≤16.5
Ⅱ檔
km/h
0-35
??? 長(zhǎng)×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(dòng)機(jī)型號(hào)
D6114ZGB
??? 卸載距離
mm
≤1580
額定功率/額定轉(zhuǎn)速
kw/r/min
160/2200
??? 動(dòng)臂提升時(shí)間
s
≤7
車(chē)橋
加強(qiáng)橋
??? 三項(xiàng)和時(shí)間
s
≤13
圖2.1 CXX955-G輪式裝載機(jī)外形
2.2 輪式裝載機(jī)簡(jiǎn)介
輪胎式裝載機(jī)簡(jiǎn)稱為輪式裝載機(jī)，根據(jù)使用場(chǎng)合分為兩類，即在露天裝載作業(yè)時(shí)使用的前端輪式裝載機(jī)和主要用于地下礦物開(kāi)采作業(yè)的井下鏟運(yùn)機(jī)。一般由車(chē)架、工作裝置、動(dòng)力裝置、行走裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)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(jī)的基本組成：
圖2.2 輪式裝載機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
輪式裝載機(jī)是一種鏟、裝、運(yùn)、卸一體化的自行式設(shè)備，它的工作過(guò)程由六種工況組成：
1．插入工況
動(dòng)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(kāi)動(dòng)裝載機(jī)，鏟斗借助機(jī)器的牽引力插入料堆。
2．鏟裝工況
鏟斗插入料堆后，轉(zhuǎn)動(dòng)鏟斗鏟取物料，待鏟斗口翻至近似水平為止。
3．重載運(yùn)輸工況
鏟斗鏟滿物料后舉升動(dòng)臂，將鏟斗舉升至運(yùn)輸位置，然后驅(qū)動(dòng)機(jī)器駛向裝卸點(diǎn)。
4．舉升工況
保持轉(zhuǎn)斗缸長(zhǎng)度不變，操作舉升缸，將動(dòng)臂升至上限位置，準(zhǔn)備卸載。
5．卸載工況
在裝卸點(diǎn)，在舉升工況下操作轉(zhuǎn)斗缸翻轉(zhuǎn)鏟斗，向溜井倉(cāng)或運(yùn)輸車(chē)輛中裝卸，鏟斗物流裝卸后下放動(dòng)臂，使鏟斗恢復(fù)至運(yùn)輸位置。
6．空載運(yùn)輸工況
卸載結(jié)束后，裝載機(jī)再由裝卸點(diǎn)空載返回裝載點(diǎn)。
第3章 輪式裝載機(jī)主要部件設(shè)計(jì)
3.1 輪式裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)
輪式裝載機(jī)的工作裝置主要由鏟斗和支持鏟斗進(jìn)行裝載作業(yè)的連桿系統(tǒng)組成，依靠這套裝置裝載機(jī)可以對(duì)汽車(chē)、火車(chē)進(jìn)行散料裝載作業(yè)，也可以對(duì)散料進(jìn)行短途運(yùn)輸作業(yè)，還可以進(jìn)行平地修路作業(yè)。把鏟斗更換成專門(mén)的裝置，還可以進(jìn)行其他裝載作業(yè)。裝載機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)和性能直接影響整機(jī)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(jī)的生產(chǎn)效率、工作負(fù)荷、動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)特性、不同工況下的作業(yè)效果、工作循環(huán)的時(shí)間、外形尺寸和發(fā)動(dòng)機(jī)功率等。
輪式裝載機(jī)工作裝置由多種形式，根據(jù)桿數(shù)和運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)的組成[8]。
1—鏟斗； 2—連桿；3—搖臂； 4—?jiǎng)颖?
圖3.1 裝載機(jī)工作裝置組成
一般來(lái)說(shuō)裝載機(jī)的工作裝置由鏟斗、動(dòng)臂、連桿、搖臂和轉(zhuǎn)斗油缸、動(dòng)臂油缸等組成。工作裝置鉸接在車(chē)架上，鏟斗通過(guò)連桿、搖臂與轉(zhuǎn)斗液壓缸鉸接，用以裝卸物料。動(dòng)臂與車(chē)架以及動(dòng)臂液壓缸鉸接，用以升降鏟斗。鏟斗的翻轉(zhuǎn)和動(dòng)臂的升降采用液壓操縱。裝載機(jī)工作裝置的循環(huán)作業(yè)過(guò)程如圖3.2所示[10]:地面鏟掘工況一地面收斗工況一運(yùn)輸工況一動(dòng)臂舉升過(guò)程一上限收斗工況一上限卸料工況一動(dòng)臂下降一鏟斗自動(dòng)放平至地面鏟掘工況，并為下一循環(huán)作業(yè)過(guò)程準(zhǔn)備。
圖3.2 裝載機(jī)工作裝置作業(yè)過(guò)程
3.1.1 輪式裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)要求
根據(jù)輪式裝載機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)，其工作裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿則以下要求。
1．基本要求
所設(shè)計(jì)的裝載機(jī)應(yīng)具有較強(qiáng)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(jī)構(gòu)的各桿受力狀態(tài)良好，強(qiáng)度壽命合理。結(jié)構(gòu)和工作尺寸適應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選取鏟斗的結(jié)構(gòu)和尺寸，以減小工作阻力，達(dá)到裝滿卸凈、運(yùn)輸平穩(wěn)。
（2）鏟斗由運(yùn)輸工況升到最高裝卸位置的過(guò)程中，為避免鏟斗中物流撒出，要求鏟斗做“平移”運(yùn)動(dòng)。嚴(yán)格要求鏟斗舉升平移是很難的，它給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)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(duì)平動(dòng)并無(wú)必要，主要把鏟斗舉升時(shí)的傾角變化限制在一定許可范圍之內(nèi)即可。因?yàn)殓P斗堆裝時(shí)，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(guò)程中，鏟斗口的傾角不大于40o-27o=13o時(shí)便可減少撒料，。設(shè)計(jì)時(shí)，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(jī)要求鏟斗在從運(yùn)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(shí)的卸載角α（鏟斗斗底對(duì)地面的前傾角）均需不小于45o.鏟斗在最高位置卸載時(shí)，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(chē)廂尺寸相適應(yīng)，或遵照設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)規(guī)定。
（4）鏟斗能自動(dòng)放平。鏟斗在最高位置卸載后，閉鎖轉(zhuǎn)斗油缸，下放動(dòng)臂，鏟斗能自動(dòng)變成插入工況（開(kāi)始插入狀態(tài)）的功能稱為“鏟斗自動(dòng)放平”。它對(duì)定點(diǎn)高度卸載很有意義。因?yàn)槠?chē)就在裝載機(jī)旁邊，若卸載后，與下放動(dòng)臂同時(shí)，裝載機(jī)駛向裝載點(diǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)裝載點(diǎn)的時(shí)，鏟斗剛好呈開(kāi)始插入狀態(tài)，即可開(kāi)始新的裝、運(yùn)、卸工作循環(huán)。如此，能省去兩次操作（鏟斗由卸載工況-運(yùn)輸工程-插入工況），既提高了裝載工作效率，又減輕了司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度。
（5）輪式裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)屬于連桿機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)中要特變注意防止各個(gè)工況出現(xiàn)構(gòu)件相互干擾、“死點(diǎn)”、“自鎖”和“機(jī)構(gòu)撕裂”等現(xiàn)象；各處傳動(dòng)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(jī)構(gòu)的倍力系數(shù)。
（6）應(yīng)盡量減小工作機(jī)構(gòu)的前懸（即工作機(jī)構(gòu)重心至整機(jī)重心的距離）、長(zhǎng)度和高度，以提高裝載機(jī)在各種工況下的穩(wěn)定性和司機(jī)的視野。
3．在作業(yè)過(guò)程中，輪式裝載機(jī)的工作裝置應(yīng)能保證以下幾點(diǎn)：
（1）當(dāng)動(dòng)臂出于某種作業(yè)位置不動(dòng)時(shí)，在轉(zhuǎn)斗油缸作用下，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)使鏟斗繞其鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。
（2）當(dāng)轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖，動(dòng)臂在動(dòng)臂油缸作用下提升或下降鏟斗過(guò)程中，連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)能使鏟斗在提升時(shí)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(dòng)臂下降時(shí)，能自動(dòng)將鏟斗放平，以減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率[10] [19]。
3.1.2 鏟斗設(shè)計(jì)
工作裝置使裝載機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，鏟斗是這個(gè)執(zhí)行機(jī)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(yùn)、卸的工具。工作時(shí)，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(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)裝載機(jī)的作業(yè)能力有較大影響。為了保證鏟斗的設(shè)計(jì)質(zhì)量，首先應(yīng)當(dāng)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(qiáng)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(jiàn)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(jiàn)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(jī)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(gè)斗體形狀來(lái)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(kāi)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(yīng)的插入阻力也小，容易裝滿，但運(yùn)輸行駛時(shí)容易撒料；由于前懸增大，影響車(chē)輛行駛平穩(wěn)性。而深底鏟斗恰恰相反。相比之下，定點(diǎn)裝載使用淺底鏟斗，而運(yùn)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(qiáng)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(jiǎn)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(shí)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(jī)工作條件惡劣，任務(wù)繁重，插入和掘起阻力都很大，偏載工況對(duì)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度影響嚴(yán)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(qiáng)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(méi)有斗齒。若斗刃上裝有斗齒時(shí)，斗齒將先于切削刃插入料堆，由于它比壓大（即單位長(zhǎng)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(duì)料堆比較密實(shí)、大塊較大的情況，效果尤為顯著，因此一般礦用輪式裝載機(jī)的鏟斗均帶斗齒。
斗齒機(jī)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(jī)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(jī)由于作業(yè)條件差，斗齒磨損嚴(yán)重，故常采用雙段斗齒。
斗齒的形狀和間距對(duì)切削阻力是有影響的。一般中型裝載機(jī)鏟斗的斗齒間距為250~300mm左右，太大時(shí)由于切削刃將直接參與插入工作，使阻力增大，太小時(shí)，齒間易卡住石塊，也將增大工作阻力。長(zhǎng)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(zhǎng)載荷不大于500~600kg為宜。
圖3.5為工程機(jī)械市場(chǎng)中使用的幾種斗齒。
圖3.5 市場(chǎng)中常見(jiàn)的幾種斗齒
4．鏟斗側(cè)刃
因?yàn)閭?cè)刃參與插入工作，為減小插入阻力，側(cè)壁前刃應(yīng)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(shè)計(jì)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(dòng)性，斗底圓弧半徑不宜太小，前后壁夾角（鏟斗開(kāi)口角或張開(kāi)角）不應(yīng)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(kāi)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(shí)，要在轉(zhuǎn)斗油缸作用下繞與動(dòng)臂相連的銷軸向前翻轉(zhuǎn)一個(gè)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—?jiǎng)颖郏?
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(diǎn)式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)都使用這種鏟斗。
2．側(cè)卸式鏟斗
側(cè)卸式鏟斗經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)斗油缸和兩個(gè)銷軸與托架鉸接成一個(gè)整體，也可以往機(jī)器前方卸料。當(dāng)如果需要往機(jī)器一側(cè)卸料時(shí)，可以拔去一個(gè)側(cè)銷，通過(guò)轉(zhuǎn)斗油缸動(dòng)作來(lái)卸料。這種鏟斗沒(méi)有側(cè)板，插入阻力小，裝載效率高，特別是在裝載
機(jī)用于填溝或在狹窄地往側(cè)旁的運(yùn)輸設(shè)
備進(jìn)行裝載作業(yè)時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)更加顯著。
3．推卸式鏟斗
推卸式鏟斗結(jié)構(gòu)可以彌補(bǔ)整體前卸式鏟斗卸載高度的不足，在裝載機(jī)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(dòng)部分；