zl30轮式装载机总体及工作装置设计.doc

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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。

关键词：

装载机；工作装置；连杆；铲斗

Abstract

Loaderpilesismainlyusedtohandlingbulkmaterial,butalsotocarryouttheworkofdiggingshovelmild.Becauseitappliestoconstruction,mining,railways,highways,waterandelectricityinallsectorsofthenationaleconomy,therefore,athomeandabroad,productionandrapiddevelopmentofvarieties,isamechanicalengineeringmajormodels.

Loaderaccordingtodifferentapplicationrequirements,developmentofthestructureofdifferenttypes.Usually,bytheuseofdifferentoccasions,intotheopenairandundergroundloaderusedloaderused;byrunningadifferentsystemstructure,dividedintowheelloadersandcrawlerloaders;indifferentwaysaccordingtodischargeintotheformerdump（front-end）,afterthedumploadersandrotary.

ThedesignofthegraduationthesismainlydealswithdomesticLoaderZL30devicesworksystemdesign.Atfirst,Iintroducethedevelopingtrendoftheloaders,andexplainedthemaindesigningidea,designingcharacteristicanddesigningtask.Thesecondpartisthewholedesigningprgram.Inthetechnicaldesigningpart,themaintechnologicalparametersandtechnologicalfeaturesoftheZL30loaderarelisted，thenIdesignthechoiceofbucketinclude:

thestructureoftheformofspecificparameters,bucketcapacity.Andthenproceedtothedesignofthelinkagemechanismincludesanumberofboomandlinkagedataofsomecomponentsofthesize,aswellasthecalculationofthestrengthofdevices,theuseofforceanalysismethodcalculationandanalysis.

Keywords：

loader；workdevice；connectingrod；bucket

目录

前言 1

1装载机的发展和应用 3

1.1装载机的概述 3

1.2装载机的发展 5

1.2.1国外装载机的发展概况 5

1.2.2我国装载机的发展情况 5

1.2.3目前装载机的特点和发展趋势 6

2装载机总体设计 9

2.1装载机各总成部件结构形式选择 9

2.1.1液力机械传动系部件形式的选择 9

2.2装载机总体参数确定 10

2.2.1确定轴距和轮距 10

2.2.2插入阻力 11

2.2.3铲起阻力 12

2.2.4转斗阻力矩 12

2.2.5总阻力矩的计算 13

2.2.6装载机的使用重量 14

2.2.7确定发动机功率 14

2.3各部件的布置 16

2.3.1发动机和传动系的布置 16

2.3.2工作装置布置 16

2.3.3驾驶室的布置 17

3工作装置设计 19

3.1工作装置结构分析 19

3.1.1装载机工作装置概述 19

3.1.2工作装置结构类型的分析 20

3.2铲斗设计 22

3.2.1铲斗设计要求 23

3.2.2铲斗结构形式的选择 23

3.2.3铲斗基本参数的确定 25

3.3工作机构连杆系统的尺寸参数设计 29

3.3.1工作装置结构设计 29

3.3.2动臂设计 30

3.3.3连杆机构设计 33

3.4工作装置强度计算 36

3.4.1确定工作装置的计算位置 36

3.4.2工作装置载荷分析 37

3.4.3工作装置受力分析 38

3.4.4工作装置受力分析 39

3.4.5工作装置强度校核 43

结论 46

致谢 47

参考文献 48

附录A 49

附录B 53

前言

装载机是一种作业效率高且用途广泛的工程机械，可以对散状物料进行铲装、搬运、卸载及平整作业，还可以进行轻度的铲掘工作，若更换换装相应的工作装置，还可以可以进行推土、起重装卸木料及钢管等作业。

因此，它被广泛应用于建筑、铁路、公路、水电、港口、矿山、农田基本建设及国防等工程。

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作用，因此近几年来无论在国内还是在国外装载机品种和产量都得到迅速发展，成为工程机械的重要机种之一。

在近20年内，我国装载机从无到有，并形成了独立的系列，通过实践证明，从整机性能结构形式及主要参数如：

牵引性、动力性、机动性、稳定性、操纵性、及单位自重功率、单位斗容功率和单位载重量等综合技术指标来看，已接近或达到国外水平。

但由于各种原因，产品的质量与先进的工业国家相比还有一定的差距。

近期装载机在结构上没有重大的突破，但有不少的改进。

目前国内轮式装载机的发展趋势：

1）大型和小型轮式装载机，在近几年发展过程中，受到客观条件及市场需求量的限制。

竞争最为激烈的中型装载机更新速度越来越快。

2）各个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，强化结构件的限制级刚度，以及整机可靠性能得到提高。

3）优化系统结构，提高系统性能。

如动力系统的减震、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，品牌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：

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以及连杆机构中的一些组件尺寸，以及工作装置的强度计算，并采用材料力学的相关知识对其受力分析和计算分析。

1装载机的发展和应用

1.1装载机的概述

装载机按发动机功率可分为特大型、大型、中型和小型四种。

小型装载机的功率小于74kw；中型装载机的功率为74~147kw；大型装载机的功率为147~515kw；特大型装载机的功率大于515kw。

装载机按行走装置的不同可分为履带式和轮胎式两种。

轮胎式装载机是以轮胎式专用地盘为基础，配置工作装置和操纵系统而构成。

轮胎式装载机具有速度快、重量轻、维护方便效率高、行走时不破坏路面、机动灵活等特点。

履带式装载机是以专用地盘或工业拖拉机为基础，装上工作装置及操作系统组成。

履带式装载机因履带接地面积大，使得接地比压小，通过性好；重量大，附着性能好；重心低，稳定性好等特点。

装载机按传动形式不同可分为机械传动式、液力机械传动式、液压传动式和电传动式四种。

目前，大中型装载机多采用液力机械式传动。

装载机按卸料方式不同可分为前卸式、回转式和后卸式。

前卸式装载机结构简单，工作安全可靠，驾驶员视野好，故应用广泛。

回转式装载机的工作装置可以相对底架转动一个角度，使得装载机在工作时可以与运输车辆成任意角度，装载机原地不动依靠回转卸料。

因此，回转式装载机可在狭小的场地工作，但其结构复杂，侧向稳定性不好。

后卸式装载机前端装料，向后卸料。

在作业时不需要调头，可直接向停在装载机后面的运输车辆卸料。

但卸料时铲斗必须越过驾驶室，不安全，故应用不广泛，一半用于井巷作业。

装载机的构造：

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，动臂一端铰接在机架上，另一端和铲斗铰接连接。

动臂的升降由动臂油缸带动，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，中间用前后车架铰接联接，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。

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和复合铲取两种方法。

a.一次铲取法：

铲斗一次插入料堆，一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。

b.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。

a.“I”形作业法：

运输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，会有较好的生产效率。

b.“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。

c.“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°，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。

国产装载机型号标记的第一个字母Z，代表装载机，Z后面的数字代表额定装载重量。

为了区别履带式和轮胎式装载机，轮胎式装载机型号标记要在字母Z和数字之间加字母L，如ZL30型装载机，代表额定载总量为3t的轮胎式装载机。

装载机的型号表示方法见表1-1。

表1-1装载机的型号表示方法

Table1-1representationforloader

组

型

代号

代号含义

名称

单位表示法

装载机Z

履带式

轮胎式L

Z

ZL

履带式装载机

轮胎式装载机

装载能力

t（吨）

1.2装载机的发展

1.2.1国外装载机的发展概况

装载机在20世纪初开始制造和使用，最早的装载机是以畜力作动力的。

到20世纪20年代才出现带有动力的装载机。

在30年代，装载机的结构发生了较大的改进，到30年代末出现了轮胎式装载机，40年代柴油机、液压技术开始在装载机上应用，并出现了四轮驱动的装载机，这样就大大增加了装载机的牵引力。

50年代，由于汽车技术的发展，促进了工程机械专用地盘的使用和发展，在此期间液力变矩器开始在装载机上使用，出现了液力机械传动形式。

这种传动形式使装载机的牵引性能得到了大大的改善，工作时能随着外界阻力的变化而自动调整速度，发动机不会因为外界阻力增大而熄火。

60年代初，出现了铰接式装载机，这是装载机结构上的一大革新，它使得装载机的转向性能大大改善，机动性大大提高。

再次期间又出现了电传动装载机，这又是装载机设计上一个新的发展。

装载机结构上的不断改进，使其生产率大大提高，从而是装载机的应用范围越来越广，这样就促进装载机的制造业的发展，不但产品数量不断增加，而且产品的质量也不断提高，新型号、新系列也不断涌现出来。

20世纪60年代以前，装载机的斗容一般不超过4m³。

从60年代末期开始，斗容发展越来越大。

目前世界上最大的轮胎式装载机是美国“克拉克”设备公司在加拿大的分公司生产的“密执安”675型装载机，其斗容量为18.4m³如果装载比重不大的散装物料（如煤）时，斗容可达27.5m³。

1.2.2我国装载机的发展情况

我国20世纪50年代末才开始生产以汽车底盘为基础，配以工作装置，构成前轮驱动后轮转向的小型装载机。

这种装载机由于其牵引力不大，所以只能用于装载松散的轻型物料。

60年代初，成立了专门管理工程机械科研和生产的部门，建立了科研机构，并且筹建了专门生产装载机的工厂。

与此同时，我国开始研制专用底盘的装载机，如天津工程机械研究所和厦门工程机械厂与1964年测绘并制成了额定载重量为为35KN的Z435装载机，1967年成都工程机械厂与天津工程机械研究所试制了Z4H2半回转式装载机；1965年天津工程机械厂与天津交通局设计试制了Z425铰接式装载机；1970年柳州工程机械厂和天津工程机械研究所设计试制了ZL50装载机。

该机采用双涡轮变矩器、动力换挡行星式变速箱、宽基底轮胎反转单连杆机构工作装置，交接转向。

并自行设计了“三合一”机构——即利用了单向离合器解决了装载机熄火后的拖起动、转向及下长坡时用柴油机排气制动等三个问题，使该机更适合北方低温、南方山多坡道长的情况。

ZL50装载机经多年实践考核证明性能良好、结构先进，因此装载机行业的研究所和工厂以该机型为基础，共同设计试制了ZL100，ZL40，ZL30，ZL20装载机，并在这个系列的基础上发展了DZL50和DZL40地下装载机等变形产品。

初步形成了我国独立地轮胎式交接装载机系列。

该系列产品的内部结构基本相同，其传动系采用柴油机——涡轮变矩器——动力换挡行星变速箱——带轮边减速的双驱动桥——低压轮胎；钳盘式制动器；铰接转向；工作装置为反转单连杆机构。

因此，提高装载机在低速作业时克服插入料堆阻力的能力，并使得发动机功率得到比较好充分的利用，有利于提高装载机的作业效率。

另外，装载机在轻载高速时，变矩器只用二级涡轮工作，而在重低速时，一、二级涡轮同时工作。

这样，变矩器本身在速度转换时，相当于两档速度，并随外负荷自动变化，因此，可以减少变速箱的档数，简化变速箱结构。

基于这种原因，动力换挡行星变速箱只有两个前进挡，一个后退档。

我国ZL系列装载机外形相似，零部件通用程度高。

如ZL50与ZL40，ZL30与ZL20装载机的通用件均达70%左右，给大批量专业化生产提供了有利条件。

上述系列中的各品种均以通过国家鉴定定型，进行批量生产。

为适应需要，斗容1m³以下和5m³以上的装载机也已经出现。

1.2.3目前装载机的特点和发展趋势

近期装载机在结构上没有重大突破，但有不少的改进。

由于一些大型工程需要以及装载机应用范围扩大，要求有大容量大功率的装载机来适应工程的需要和提高生产率，因此装载机向大型化方向发展。

同时由于城市道路环境维护等小工程增多，同时为了满足工厂车间内部和狭小场地物料装卸和搬运需要，节约劳动力，提高工效，装载机向小型化发展也较快，这方面日本更为突出。

另外，装载机的轮胎化，轮胎装载机车架的铰接化，近来逐渐由大中型装载机扩大到小型装载机。

1）动力：

目前装载机的动力仍然是柴油机，为了提高发动机单位自重功率和降低燃料消耗都广泛采用了增压器。

特大型装载机没有这么大的柴油机来适应其要求，“克拉克”公司在它的675型特大型装载机上，用两台柴油机兵连起来解决了这个问题。

两台发动机通过各自的液力变矩器在变速箱合流，这样，不仅解决的动力配套问题，而且提高了装载机工作的安全可靠性，一台柴油机出了故障，另一台还可以继续工作。

2）传动系统：

近年来全压传动小型轮胎式装载机发展非常迅速。

以美国为例全压传动的轮胎式装载机占全部轮胎式装载机的40%。

大中型轮胎式装载机大部分仍采用液力机械传动形式，只是近年来在一些传动元件上做了一些改进，采用了一些新技术。

如美国“卡特皮勒”公司把双泵轮液力变矩器用在988B型轮胎式装载机上。

双泵轮液力变矩器有内外两个泵轮，通过操作手柄可使这两个泵轮一个工作；或两个工作；或相对工作。

因而使得变矩器的吸收功率和输出功率可在一个相当大的范围内进行无级变化，使得发动机功率和装载机的牵引力能随作业工况的变化获得比较理想的匹配，使发动机功率被充分利用，改善了装载机的动力性能，从而提高其工作效率。

同时，轮胎不打滑也提高了轮胎的寿命。

3）制动系统：

最近一个时期，为了保证作业和行驶安全可靠，装载机的制动系统一般有三部分组成即：

双管路脚制动系统，停车制动和紧急制动。

制动器多采用盘式的。

最近“卡特皮勒”988B轮胎式装载机上采用了油冷式式多片制动器。

这种制动器由于产生制动力的面积大和强制循环油冷却，因此制动效果较好且使用寿命长，并且磨损后能自动补偿间隙。

4）工作装置：

由于近年来装载机适用范围扩大到矿山，除一般的装载作业外还要进行一定的铲掘作业，因此近年来盛行反转式单摇臂连杆机构（国外称之为“Z”型连杆机构）。

“卡特皮勒”公司最近把其988型轮胎式装载机改为988B型，其中就把原来的正转双摇臂改为反转单摇臂连杆机构。

美国、联邦德国和英国有些公司研制出一种强制卸载铲斗，它的后斗臂是一个活动的推板，当铲斗底部处于水平位置或略有不大的倾斜度时，使推板向前移动强行把退出卸载。

这种强制卸载铲斗的主要优点有：

能将粘性较大的物料从铲斗中全部卸净，增加了卸载距离和卸载高度；降低了卸载时物料降落高度，从而降低了对运输车辆的冲击强度。

美国“克拉克”公司为了使475B装载机提高工作效率和适应矿山作业的需要，对它的铲斗进行了一些改进。

改进后的铲斗矮而深铲斗高度比改进前低224cm,而斗容比改进前大了7%这种铲斗贯入性好，可减少铲斗插入料堆的阻力，同时由于铲斗低矮，改善了司机的视野。

另外，475B装载机还装有一种自动润滑系统。

这种自动润滑系统按需要自动对各点润滑，代替人工润滑。

它既不会润滑过度也不会润滑不足或遗漏，所以可以延长机器使用寿命，同时可提高作业效率，减少了每天保养的时间。

5）液压系统：

由于液压技术不断的发展，液压系统向高压高速方向发展，进来装载机的液压系统的压力有的高达30MPa，一般压力为15MPa~20MPa。

近阶段，装载机的液压系统中采用了一些新装置，是装载机在作业过程中发动机的功率能被充分利用。

例如，美国凯斯380型和福特A62、A64、A65型装载机液压系统中都装有一种液压自动控制阀，这种发可以使阀不进行铲装时，其全部功率可用于牵引。

同样当需要牵引时，其最大功率全部用来铲装。

又如西德弗里斯公司的F1300C和1400C型轮胎式装载机，拆用一种新的控制装置，这种装置可自动调整装卸过程中的速度和动力。

6）操纵系统：

装载机的操纵系统向简单化发展，越来越多的装载机用一根操纵杆便能操纵前进、后退和换挡；用一根操纵杆控制动臂的的提升下降和铲斗的前后倾。

换挡时变速杆必须先回空挡位置然后再另行挂档，否则挂不上档；发动机熄火，变速操纵杆则自动回到空挡位置等。

7）低公害安全保护装置：

噪声和振动以及发动机废气净化已成为国外研究的重要的课题，并取得了一些的成果。

装载机的发展趋势，总的来说是向系列化、特大型化；多用途、微型化、超小型化；节能与环保；计算机管理及故障诊断、远程监控系统以及整机智能化等方面发展。

2装载机总体设计

2.1装载机各总成部件结构形式选择

由前文介绍，对于大中型轮胎式装载机选择业力机械传动系统，它能更好的吸收冲击载荷，提高装载机的寿命；并且能自动适应外界阻力的变化，可以改善装载机的牵引性能。

2.1.1液力机械传动系部件形式的选择

（1）液力变矩器

对于液力机械传动的装载机，如果液力变矩器选择的合适，而且与发动机匹配的合适，那么，发动机的功率会被充分利用，装载机的牵引性能就会得到改善，减少变速箱的档数，简化变速箱的结构，减轻司机的劳动强度，提高装载机的效率。

所以综合有关资料，选择双涡轮变矩器，它的变矩系数大，并且高效范围宽适合装载机在铲装作业时，具有低速大牵引力，而在运输工况时，具有较高的车速。

（2）变速箱

选定了发动机和液力变矩器的类型之后，就可以选择变速箱的形式。

变速箱按操纵型式分为人力换挡变速箱和动力换挡变速箱两大类。

综合考虑，本次设计选择动力换挡变速箱中行星动力换挡变速箱，这种形式的变速箱因其负荷分配在几个行星齿轮上，齿轮零件受力小并且受力平衡。

因此结构紧凑，刚度大，齿轮使用寿命长。

为了满足装载机低速作业要求和减小主传动从动齿轮、差速器和半轴所传递的扭矩，在轮式装载机上目前采用单级主传动和行星轮边减速装置。

但是，为了增大轮边减速的速比，ZL30装载机轮边减速采用了双级齿轮传动。

（3）制动系

目前装载机完善的制动系包括三个部分：

双管路行车制动系统，停车