装载机工作装置设计

装载机工作装置设计

任务书

1．课题意义及目标

装载机是一种用途十分广泛得工程机,它被广泛应用于建筑、公路、及国防

等工程中，对加快工程建设速度、减轻劳动强度、提高工程质量、降低工程成本

具有重要作用，所以装载机在国内外不论是品种或是在产量方面都得到迅速发展，成为工程机械得主要品种之一。而合理的工作装置结构更能起到事半功倍之

成效。

2．主要任务

根据给定的原始参数，采用设计装载机工作装置六连杆机构，并分析其运动

特性和动力特性。主要内容包括：连杆机构绞点位置的设计以及各构件的结构设计；主要构件的强度与刚度校核计算；连杆机构运动特性与动力特性的分析。原

始参数如下：

额定斗容： 2 m3 额定载重量： 36 KN 整机质量： 115 KN 轮距： 1950 mm

轴距： 2660 mm 轮胎规格： 16.00—24 最大卸载高度： 2800 mm 最小卸载距离： 1115 mm

3．主要参考资料

[1] 杨晋升. 铲土运输机械设计（M）. 北京：机械工业出版社. 1981. 5.

[2] 周复光. 铲土运输机械设计与计算（M）. 北京：水利水电出版社. 1988. 6.

审核人：年月日

装载机工作装置设计

摘要：装载机是现代工程建设中所用机械的一个主要机种，主要用途有装卸搬运成堆的散料、轻度的铲掘、清理工作面、牵引等。为了减少生产成本，必须采用高效的机械装卸设备。装载机工作装置的设计主要是对装载机铲斗、连杆机构、动臂的设计，而工作装置设计的合理性直接影响到了装载机的工作性能及其使用寿命，随着优化设计方法进一步发展，机器自动化和智能化不断提高。在对铲斗设计时要对铲斗的形状、容积进行分析。然后在对装载机的连杆机构设计中要计算出组件的尺寸，各点之间的位置关系和动臂的数据计算。最后对工作装置进行受力分析和强度计算，以确定该型号装载机实际载荷是否在设计载荷范围之内。关键词：装载机，工作装置，动力学分析

The design of Loader Working device

Abstract: The loader is a main type of machinery used in modern engineering construction with the main purpose of handling stacks of bulk materials, mild shovel, clean face and traction. In order to reduce the cost of production, efficient mechanical handling equipment must be adopted. Design of working device of loader is mainly on the design of loader bucket linkage arm, and the work will directly impact on device design to the performance of the loader and its service life, with the continuous method development of modern optimization design to constantly improve the machine automation and intelligence. In the design of bucket to shape and specific parameters, volum es of the bucket are analyzed. And then to calculate the size of componentsin the design of loader connecting rod mechanism, position relation between points and armdata calculation. Finally，the stress analysis and strength calculation of the working device is carried out to determine whether the actual load of wheel loader is within the scope of the design load.

Keywords: Loaders,Work equipment,Dynamics analysis

目录

1前言 (1)

2装载机工作装置的概述................................. 错误!未定义书签。

2.1装载机工作原理和结构组成........................... 错误!未定义书签。

2.1.1 工作装置的设计要求 (3)

2.1.2 结构形式的选择 (3)

2.1.3 工作装置结构分析 (4)

2.2 工作装置的作业性能指标 (4)

2.3 工作装置的基本结构参数 (5)

3 铲斗设计............................................. 错误!未定义书签。

3.1 铲斗作用及设计要求................................. 错误!未定义书签。

3.2 选择铲斗的结构形式................................. 错误!未定义书签。

3.3 确定铲斗基本参数 (7)

4 动臂设计 (11)

4.1 确定动臂的三铰接点 (11)

4.1.1 动臂与铲斗的铰接点B (11)

4.1.2 动臂与机架的铰接点A (12)

4.1.3 动臂与摇臂的铰接点E (13)

4.2 动臂长度的确定 (13)

5 连杆机构设计 (14)

5.1 连杆机构分析 (14)

5.2 确定构件尺寸及铰接点位置 (15)

6 计算位置及外载荷的确定 (17)

6.1 计算位置 (36)

6.2 外载荷的分析 (36)

6.3 外载荷的确定 (36)

7 工作装置的受力分析 (20)

7.1 铲斗受力分析 (21)

7.2 连杆受力分析 (22)

7.3 摇臂受力分析 (36)

7.4 动臂受力分析 (36)

8 工作装置的强度校核 (24)

8.1 动臂强度校核 (24)

8.2 连杆强度校核 (26)

8.3 摇臂强度校核 (27)

8.4 铰销强度校核 (28)

9 油缸作用力的确定 (31)

9.1 转斗油缸和动臂油缸主动力的确定 (31)

9.2 转斗油缸和动臂油缸被动力的确定 (33)

10 结论 (34)

参考文献 (35)

致谢 (36)

1 前言

我国从60年代末开始使用装载机至今，期间主要经历三个阶段，由最初的仿真摸索阶段到后来的自力更生研发阶段再到近期的技术引进共同研发阶段。装载机的使用加快了我国的工业建设发展进程。在铁道、公路、矿山、桥梁、水电、建筑等各个部门的经济建设中，可以进行装卸搬运成堆的散料、轻度的铲掘、清理工作面、牵引等工作，在很大程度上提高了工作效率，节约了劳动力与经济成本。因此在现代化工程建设中，装载机已经成为了不可缺少的重要的机械设备，为各企业与国家创造了巨大的物质财物及经济利益。

在设计工作装置时主要有以下过程：根据参数要求明确设计任务、进行调查研究、制定好设计任务书，进行各个结构的方案设计和强度计算等阶段。工作装置的设计成功与否直接影响了装载机整体的功能好坏，能否满足设计时的使用要求以及是否具有高效的作业生产率是衡量设计成功与否的主要指标。通过对国内外的不同型号装载机进行分析，连杆机构的构件数目不同机构形式也会不同，由于结构形式中转动方向不同，连杆机构可分为正转与反转两种机构。在中国，生产出的第一代产品从60年代末延续至今，使用的图纸几乎一模一样，在近几年对装载机进行开发设计时主要就是对工作装置进行进一步设计，可见工作装置的设计是装载机设计时的主要部分。

通过查找相关资料，发现在以往的装载机结构设计中，大多数装载机工作装置使用的是反转六连杆机构，对反转六连杆机构的优缺点以及工作装置的工作原理也有了一定的了解，然后借助CAD软件进行各铰点的设计，以保证设计的精度要求。由于资料的缺少加上自身所学知识不足，在此过程中难免会有不合理的地方，希望能批评指正。

2 装载机工作装置的概述

2.1装载机工作原理和结构组成

装载机可进行装卸货物，是由动力装置提供动力；行走系统进行移动；传动装置、制动装置与转向装置操纵工作装置进行装卸搬运成堆的散料、轻度的铲掘、清理工作面、牵引等工作,该机械的工作装置主要作用是进行插入物料、举升铲斗、运输、卸载物料、铲斗放平。其工作装置结构如图2.1所示。

图2.1 装载机的工作装置结构

1) 铲斗；2) 连杆；3）摇臂；4）动臂；5）动臂油缸；6）转斗油缸；

工作装置（如图2.1）是由铲斗、动臂、连杆机构、摇臂及液压系统组成。整个装置都是围绕铲斗来进行工作的，铲斗主要用于对物料进行铲掘；动臂与动臂油缸作为连接铲斗与车架以及升降铲斗进行工作；转斗油缸是以摇臂等机构让铲斗围绕铰接点进行转动；液压系统可使动臂进行升降以及转动铲斗。

2.1.1工作装置的设计要求

工作装置安装在机器的前端，它的设计影响机器整体的性能。结合装载机在实际生产作业时的情况，要注意以下五点要求：

1) 结构要求简单紧凑，便于维修和更换零件，稳定性好；

2) 各个构件的受力状态良好，寿命长，尺寸大小适合工作环境需要；

3) 设计出的卸载高度与卸载距离都要在设计使用范围内；

4) 各构件之间不出现干涉现象，各处转动角不低于15度；

5）设计出的工作装置所占用的空间不会阻挡司机视线，不影响工作。2.1.2结构形式的选择

工作装置可以按照铲斗后是否有支架分托架式和无托架式两种结构形式，其工作装置结构简图如图2.2所示。

（a）（b）

图2.2 工作装置结构图

（a）托架式（b）无托架式

1)铲斗；2)托架；3)转斗油缸；4)动臂；5)连杆；6)动臂油缸；7)摇臂

有托架式的工作装置如图2.2（a）所示，我们可以发现该结构简单，动臂与连杆的前端跟铲斗的托架相连接，后端跟车架的支座相连接，托架的上端跟转斗油缸相连接，下端与活塞杆和铲斗相连接。在国产装载机中多种型号上都采用了托架式的结构形式。有托架的装载机容易更换铲斗与安装其它的附件，但由于托架与转斗油缸、铲斗都是直接铰接在一起，因此铲斗转动角变大，再加上动臂前端托架也有一定的重量，进而使该机械的载重量降低，工作效率降低。

无托架式的工作装置如图2.2（b）所示，动臂前端和铲斗相连接，后端和车

架相连接，动臂油缸和动臂及车架相连接，转斗油缸与车架和摇臂相连接，摇臂和动臂连接在一起，连杆两端分别与摇臂和铲斗相连接。

在实际情况中，我们需要考虑结构是否简单，并根据实际的工作环境及铲掘方式进行工作装置结构形式的选择。本文选择无托架式结构来设计。

2.1.3工作装置结构分析

反转六连杆工作机构（图2.1）是由BC、AB、FD、CD、GF以及机架六部分构成。该机构在铲斗插入物料掘起时，可以获得较大的掘起力，并且具有良好的平动性和卸料性，很好满足铲装、运输、卸载等作业要求，因此反转六连杆机构在装载机设计中得到广泛使用。

2.2工作装置的作业性能指标

对工作装置设计时，主要注意以下几点：

（1）卸载性

在转动缸的作用下，无论动臂处于何种位置，铲斗的卸载角都应该大于45度，工作装置的卸载性主要与转斗缸的最小结构长度及行程有关。

（2）动力性

在铲斗进行铲掘工作时，为了能使机器有足够的铲起力，应当在有限空间内合理设计各个构件的尺寸大小来提高机器的动力性能。

（3）平移性

平移性就是当转斗油缸处于闭锁状态，动臂在动臂油缸作用下进行提升或下降铲斗过程中，连杆机构使铲斗在提升时保持平移或处于很小的变化范围之内。

（4）自动放平性

铲斗在进行完物料的卸载后，在动臂下降到下限位置时，能够自行放平，以便于下一次的铲掘工作，减轻了驾驶员劳动强度，大大提高了工作效率。

（5）工作范围

主要由最大卸载高度的卸载距离、最大卸载高度以及最大卸载距离来进行表示。所达数值要在工作范围要求以内。

2.3工作装置的基本结构参数

任务书中已经给定了以下基本参数，依照这些数据开始下一设计部分。

额定斗容：3

2m

额定载重量：KN

36

整机质量：KN

115

轮距：mm

1950

轴距：mm

2660

轮胎规格：24

16—

—

.

00

最大卸载高度：mm

2800

最小卸载距离：mm

1115

在结构设计的过程中，主要要进行以下内容：

1）对铲斗构造进行分析，利用所给的基本参数，选定好尺寸形状，计算出斗容。

2）计算出动臂的尺寸大小、选定好形状及其与油缸之间连接点，进行强度校核。

3）计算出连杆机构中组成构件的长度及相互连接位置，对其进行强度校核。

在设计过程中，由于各个构件结构比较紧凑，构件数较多，容易发生干涉。因此要结合多种因素，并对其进行动力性分析，使其能够满足实际工作要求，整体性能优越。在实际过程中要参考各类资料，借助样机结构来完成此次结构设计。

3 铲斗设计

3.1铲斗作用及设计要求

铲斗位于机器最前端，装载机中的其他装置都是围绕铲斗来进行工作的，铲斗可直接进行铲掘、运输、卸料、切削等功能，整个装载机的插入能力和铲起力都是由铲斗发挥出来的，机械整体的工作性能和效率会受到铲斗的结构形式的影响，因此在在铲斗设计中最主要的要求是最大程度上减小切削阻力和提高工作效率。

3.2选择铲斗的结构形式

铲斗通常是由斗刃、侧壁、后壁、斗底等构成的，在此次结构形式设计中主要是对铲斗切削刃形状、铲斗斗齿、铲斗侧刃以及斗体形状莱进行分析。

（1）铲斗切削刃形状

由于装载机铲掘的物料有所不同，铲斗的切削刃形状也不相同，可以分为直线型（图3.1a）和非直线型，直线型切削刃的结构比较简单，能够很好地进行地面的清理平整工作，但是它的切削阻力比较大，装载重度也有所限制。比较来说，非直线型的切削刃阻力要比直线型的要小，非直线型切削刃主要有弧形和v型(图3.1b)等几种，结合实际工作环境，使用v型的要比弧形的多。主要是因为它的中间部分突出，整个装载机的插入力都集中在切削刃的尖端，这样能更容易插入物料堆中，对中性好，方向不易拐偏，但是它的平地性能与装满系数比直线型切削刃差。

(a) (b)

图3.1铲斗结构简图

（a)直线型切削刃；（b)V型切削刃

（2）铲斗斗齿

铲斗的前端装上斗齿后，斗齿最先与物料进行接触，可使铲斗更轻易地插入堆积紧密的物料中，斗齿也可以在磨损后进行更换，所以在进行铲掘堆积紧密物料或撬起大块物料时，铲斗都会安装有斗齿，而斗齿的形状对于切削阻力也会造成影响。

（3）铲斗侧刃

在铲斗进行工作时，侧刃也会参与，一般会采用弧线或折线状侧刃以减少插入阻力，适用于铲装岩石。但是有弧线或折线的侧壁比较浅，在进行铲掘工作时，物料容易从铲斗两侧撒出，从而影响了铲斗的装满，一般会将侧刃的连接口设计成弧形来加大铲斗的装满度。

（4）斗底形状

斗的前后壁之间要用圆弧相连接，并且弧度不要太小，是为了在进行铲装物料时，斗体有更好的流动性，减小了物料在斗体内的移动阻力。

3.3 确定铲斗基本参数

（1）确定铲斗内壁宽度B

从给定的基本参数中可知轮胎的规格选为：16.00—24，可知轮胎断面宽度

B w 为406.4mm。由轮胎的轮距B

L

为1950mm,侧刃厚度h定为15mm.代入公式（3.1）

求出铲斗内壁宽度B

。

mm h

B

B

B W

L

4. 2426

15

2

100

4.

406

1950

2

)2.0

1.0(

=

?

-

+

+

=

?

-

-

+

+

=

（3.1)

式中：

B w ——轮胎断面宽度(mm) B

w

=406.4mm；

B L ——轮胎的轮距(mm) B

L

=1950mm；

h——侧刃厚度(mm) h=40mm。

（2）确定铲斗回转半径R

铲斗的回转半径

R会影响铲斗的铲掘能力，铲斗回转半径可以通过其它基本参数进行计算，代入平装斗容计算公式(3.2)：

????

??????????? ??---+= 18015.02cot sin )cos (5.02.10020100γπγλγγλλλb k z g H

B V R （3.2）

式中： H V ——几何斗容量 (3m ) 32m V H =；

0B ——铲斗内侧宽度(mm) mm B 4.24260=；

g λ——斗底长度系数 5.1~4.1=g λ,取g λ=1.42；

z λ一—后斗壁长度系数 2.1~1.1=z λ,取z λ=1.12；

k λ——挡板高度系数 14.0~12.0=k λ,取k λ=0.12；

b λ——斗底与后斗壁之间连接部分的弧度半径系数，40.0~35.0=b λ,取b λ=0.36；

1γ——挡板与后斗壁的角度大小，一般??=10~51γ，取?=81γ；

所以代入上式得：mm R 4.12080=， 圆整后取mm R 12080=。

（3）相关参数计算

图3.2 铲斗尺寸参考

接下来可用0R 来计算铲斗的其它相关参数，参照图3.2。

斗底长度g l ：

1715.36mm 1208×42.10===R l g g λ （3.3）

后斗壁长度Z l ：

mm R l z z 96.1352120812.10=?==λ （3.4）

挡板高度k l ：

mm R l k k 96.1441208×12.00===λ （3.5）

斗圆弧半径r ：

mm R r b 434.881208×36.00===λ （3.6）

连接点B 离斗底之间高度:

mm R R h 8.12010.0)12.0~06.0(00=≡= （3.7）

铲斗的侧刃与斗底之间夹角，选?=550α。

（4）计算斗容

①铲斗平装的几何斗容

图3.3 横截面积计算

依上图可知，该斗型横截面积S 主要有五部分组成。

S=S 1+S 2+S 3+S 4+S 5

式中：

S 1——扇形AGF 面积；

S 2——直角三角形GFN 面积；

S 3——直角三角形GAC 面积；

S 4——三角形CGN 面积；

S 5——直角三角形CND 面积；

得出：

0.854

)]}180γ-π(15.02λ[cot λ]γsin )γcos λλ(λ5.0{[00

0b 01k z g 2

0=--+=R S

（3.8） 对于装有挡板的铲斗：

b a SB V p 2032

-= (3.9)

式中：

S ——铲斗横断面面积（m 2）；

0B ——铲斗内壁宽度(m)；

a ——挡板高度(m),可求出a 为0.153m ；

b ——铲斗刃口距挡板顶部高度(m),可求出b 为1.355m 。 得出：

076.2=P V m 2

5%3.66%100%×076

.22076.2<=-=η 所以，设计合理。

②额定斗容

额定斗容可按公式(3.10)确定(图3.4)：

()()3

2

22

02089.24.0153.06

355.184564.2355.1076.26

8m c a b B b V V p H =+?-?+=+-+= (3.10) 式中：

c ——物料堆积高度(米)。

物料堆积高度c 可通过作图法来确定，额定容量铲斗的横截面积，挡板高度为a,铲斗开口为b,斗尖至铲斗侧壁为物料堆积高度c 。

图3.4 装载机斗容计算图

铲斗斗容的误差率：

5%4.3%100%×089

.22089.2%100''<=-=?-=H H H V V V δ (3.11) 所以铲斗的设计合理。

4 动臂设计

在设计动臂的过程中，一般都应用图解法，是因为图解法更加直观，便于读者理解，采用图解法是在确定最小卸载距离、最大卸载高度及其卸载角等参数后进行的过程，它首先是通过在坐标系xOy上确定工况Ⅱ(如图4.1)时工作机构的各铰接点的位置从而进行图解。

4.1确定动臂的三铰接点

4.1.1动臂与铲斗的铰接点B

图4.1铰接点确定图