装载机工作装置设置

目录

摘要......................................................................................................................I ABSTRACT.............................................................................................................II 第一章绪论 (1)

1.1 装载机简介 (1)

1.2 设计内容 (1)

1.3 装载机发展概况 (2)

第二章装载机总体设计 (3)

2.1 装载机总体参数的确定 (3)

2.2 装载机的插入阻力与掘起阻力的确定 (4)

第三章装载机工作装设置计 (6)

3.1 工作装置的设计要求 (6)

3.1.1概述 (6)

3.1.2轮式装载机工作过程 (7)

3.1.3 轮式装载机工作装置设计要求 (7)

3.2 铲斗设计 (8)

3.2.1铲斗的结构形式 (8)

3.2.2铲斗的分类 (9)

3.2.3铲斗的设计要求 (9)

3.2.4铲斗设计 (9)

3.3 动臂设计 (14)

3.3.1对动臂的设计要求 (14)

3.3.2 动臂铰点位置的确定 (14)

3.3.3动臂长度D l的确定 (16)

3.3.4动臂结构和形状的确定 (17)

3.4 连杆机构的设计 (18)

3.4.1工作装置连杆机构的类型 (18)

3.4.2连杆机构的设计要求 (20)

3.4.3连杆机构尺寸参数设计及铰点位置确定 (21)

第四章工作装置受力分析及强度计算 (26)

4.1 确定计算位置及典型工况 (26)

4.1.1计算位置的确定 (26)

4.1.2典型工况选取和外载荷的计算 (26)

4.2 工作装置受力分析 (27)

4.2.1对称载荷工况 (27)

4.2.2偏载工况 (30)

4.3 工作装置强度校核 (31)

4.3.1动臂 (31)

4.3.2铰销强度的校核 (32)

第五章工作装置的建模及仿真分析 (34)

5.1 工作装置建模 (34)

5.1.1在Pro/E中建立铲斗 (34)

5.1.2启动ADAMS/View 程序 (35)

5.1.2检查和设置建模基本环境 (35)

5.1.3 Pro/E铲斗模型导入ADAMS (35)

5.1.4工作装置的几何建模 (36)

5.1.5 创建约束及施加运动和载荷 (38)

5.2初步仿真分析该模型的性能参数 (41)

5.2.1铲斗后倾角及卸载角的测量 (41)

5.2.2分析 (43)

第六章结论 (44)

参考文献 (45)

致谢 (46)

装载机是一种用途较广的铲运、施工机械。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，是现代机械化施工中不可缺少的装备之一。

ADAMS是一款虚拟样机技术软件，其强大的机械系统动态仿真技术大大简化了机械产品的设计过程,缩短了产品开发的周期和成本,明显提高了产品质量。应用ADAMS软件设计装载机，首先是虚拟样机模型的建模，然后是样机仿真，在本设计中，我们对工作装置设计计算和虚拟样机建模，使用ADAMS对其进行模拟仿真控制，而其工作装置用ProE进行了建模，可以根据设计者要求来进行调整，从而方便了设计者的不同需求。

关键词：装载机；工作装置；ADAMS；仿真

Loader is a broader use of scraper, construction 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, lower costs of the project has played an important role in the construction of a modern mechanized equipment indispensable one.

ADAMS as a virtual prototyping software, its powerful dynamic mechanical system simulation technology greatly simplifies the mechanical product design process and shorten the product The development cycle and cost, significantly improved product quality. ADAMS application software design loaders, is the first virtual prototype model of modeling, simulation and prototype is in the design, We design and calculation of the working device and the virtual prototype modeling, the use of its ADAMS simulation control, and their work devices ProE a standard model, designers can adjust to demand, thus facilitating the different needs of the designers.

Keywords: Loader; Work-Equipment; ADAMS; Simulation

第一章绪论

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承结构和连杆，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。近年来，装载机的品种和产量在国内外都得到了迅猛的发展。此次的设计任务就是装载机的重要组成部分——工作装置。

图1-1 轮式装载机结构示意图

1—柴油发动机；2—液力变矩器；3—变速箱；4—前、后桥；5—车架铰链；

6—动臂提升油缸；7—转斗油缸；8—铲斗；9—驾驶室；11—滤清器

1.2 设计内容

ZL_50轮式装载机工作装置建模及仿真；工作装置选型设计；工作装置模型的建立；工作装置仿真分析是本次设计的主要内容。这次设计应用到虚拟样机技术软件ADAMS、PRO/E软件的建模。

设计时利用ADAMS、PRO/E等软件对轮式装载机工作装置进行设计和分析，可以快捷、高效、精确地解决许多设计上的难题，使设计的工作量减少，设计工作得到简化，设计效

率和设计水平明显提高，装载机工作装置综合性能得到改善。

1.3 装载机发展概况

尽管国产轮式装载机的技术发展水平与西方发达国家存在着很大的差距，但也应该考虑到历史和国情的原因。目前国产轮式装载机亦正在从低水平、低质量、低价位、满足功能型向高水平、高质量、中价位、经济实用型过渡。从仿制仿造向自主开发过渡，各主要厂家也不断进行技术投入，采用不同的技术路线，在关键部件及系统上技术创新，摆脱目前产品设计雷同，无自己特色和优势的现状，正在从低水平的无序竞争的怪圈中脱颖而出，成为装载机行业的领先者。其发展体现出以下一些趋势。

①大型和小型轮式装载机，在近几年的发展过程中，受到客观条件及市场总需求量的限制。竞争最为激烈的中型装载机更新速度将越来越快。

②各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，强化结构件的强度及刚度，以使铭机可靠性得到提高。

③优化系统结构，提高系统性能。如动力系统的减振、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。

第二章装载机总体设计

轮式装载机设计包括总体设计、工作装置设计和底盘设计。

装载机总体设计要完成的工作是根据它的用途、作业情况、制造条件及设计任务书的要求合理地选择机型，确定性能参数、整机尺寸、各部件的结构形式等，进行总体布置，从而实现整机的各种性能指标。

装载机是由许多部件组合起来的一个有机整体，其整机性能不仅取决于每个部件的品质，而且主要取决于各部件之间的相互协调，这种相互协调是通过总体设计实现的，所以装载机总体设计对它的铭机性能起决定性作用。而各总成性能的协调如何，则又取决于总体参数及各总成部件的匹配情况及其布置的合理性，如果在设计过程中缺乏全局观点，而对总体参数及各总成部件的匹配考虑不周，或者注意不够，即便所设计的各部件结构是先进的，性能是良好的，但组合在一起不一定能获得整机的良好性能。因此，正确的选择和确定总体参数，能使设计部分获得良好的匹配关系。

2.1 装载机总体参数的确定

本次设计主要内容在于用现代先进的CAD/CAE等方面的软件，对工作装置进行建模及仿真分析。但在对工作装置进行设计之前，我们必须先确定整体结构及整车的性能参数，由整车的要求来确定工作装置各构件的参数。整车的主要技术参数是根据主要用途，作业条件等实际情况合理选择的。类比现在国内外广泛应用的ZL系装载机，整车主要技术参数见(表2-1)。

由于这次设计最初技术参数是通过统计类比方法选取的，所以对与今后参数的确定则要求结合类比与计算方法来确定。

(表2-1)最初设计参数

序号基本参数名称单位LG952L ZL50C-Ⅱ设计ZL50

1额定斗容量m3 2.73 2.7

2额定载重量t555

3最大卸载高度mm3197≧29103180

4对应卸载距离mm1214≧13501274

5轮距mm225022402250

6轴距mm276022452450

7功率kw162162162

2.2 装载机的插入阻力与掘起阻力的确定

装载机的工作阻力是多种阻力的合力。由于物料性质和工作机构工作方式的不同，工作阻力有不同的计算方法，一般工作阻力通常分别按插人阻力和掘起阻力进行计算。

(1) 插入阻力

插入阻力就是铲斗插人料堆时，料堆对铲斗的反作用力（图2-1）所示。插人阻力由铲斗前切削刃和两侧斗壁的切削刃的阻力，铲斗底和侧壁内表面与物料的摩擦阻力，铲斗底外表面和物料的摩擦阻力组成。这些阻力与物料的种类、料堆高度、铲斗插人料堆的深度、铲斗的结构形状等有关。计算上述阻力比较困难，一般按以下经验公式来确定总插人阻力。

图 2-1

(N) [1] (2.1)25..143218.9C g X L B K K K K P 式中 —铲斗插入阻力（N ）；

X P 8最大掘起力KN ≧

150≧150≧1509

满斗举升时间s 66510

空斗下降时间s 44511

转斗卸载时间s 22212

轮胎规格——23.5-2523.5-2523.5-2513外形尺寸（长×宽×高）mm ×mm ×mm

7597×3024

×33097620×2990×32607598×3024×3290

—被铲掘物料的块度及松散程度影响系数；对于小块物料(碎石和沙砾)

1K 75

.01=K —物料种类影响系数；同理取2K 1

.02=K —料堆高度影响系数；其值取中间值3K 8

.03=K —铲斗形状系数，一般在1.1～1.8之间，对于前刃不带齿的斗，取较大值,

4K 4K 本机是带齿的斗且较大，则取 5

.14=K —铲斗插入料堆深度(cm)，在一次铲掘法时，取等于0.7～0.8斗底长度，在配

C L 合铲掘法时，取等于0.25～0.35斗底的长度，取cm

536.1763.03.0=?==g c L L —铲斗宽度 (cm)。cm

g B 4.302=g B 则有=53cm ，=302.4cm ，=0.75，=0.8，=1.0，=1.5

C L g B 1K 2K 3K 4K 把以上各参数代入公式（2.1）得

N

P X 28.381414.302535.18.01.075.08.925.1=??????=(2) 掘起阻力

掘起阻力就是指铲斗插人料堆一定深度后，举升动臂时物料对铲斗的反作用力（图2-1）所示。掘起阻力同样与物料的种类、块度、松散程度、密度、物料之间及物料与铲斗之间的摩擦阻力有关。最大掘起阻力发生在铲斗开始提升时，并假定作用在铲斗斗刃上，随着动臂的提升，掘起阻力逐渐减小。铲斗开始提升时的掘起阻力由公式（2.2）计算：

[1] (2.2)t g C Z K B L P ???=2.2式中

—掘起阻力(N)；Z P

—铲斗插入料堆的深度(m)；m C L 53.0=C L

—铲斗宽度(m)；m g B 024.3=g B

—开始提升时物料的剪切应力.对于块度是0.1-0.3m 的已松散的岩石，取t K t

K =35000Pa

则有 N P z 510234.135000024.353.02.2?=???=

第三章装载机工作装置设计

3.1 工作装置的设计要求

3.1.1概述

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的系统组成，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途运输作业，还可以进行平地修路等作业。把铲斗更换成专门的装置，还可以进行其他装载作业。

装载机工作装置的结构和性能直接影响整机的工作尺寸和性能参数，因此，工作装置的合理性直接影响装载机的生产效率、工作负荷、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。轮式装载机工作装置有多种形式，根据杆数和运动特征可分为正杆四转、正转五杆、正转六杆、反转六杆、正转八杆等类型。下面以常见的反转六杆式工作机构有二种形式如图（图3-1），

图3-1反转六连杆机构

下面以常见的反转六杆式工作机构（图3-1）a图为例，叙述其组成。

如图3-2所示，轮式装载机工作装置由铲斗、连杆、摇臂、动臂、转斗油缸、举升油缸组成。这个机构实质是两个四杆机构。

图3-2装载机工作装置组成

1-铲斗；2-连杆；3-摇臂；4-动臂

3.1.2轮式装载机工作过程

轮式装载机是一种铲、装、运、卸一体化的自行式设备，它的工作过程由六种工况组成。

①插入工况动臂下方，铲斗放置于地面，斗尖触地，斗底板与地面呈3o～5o倾角，开动装载机，铲斗借助机器的牵引力插入料堆。

②铲装工况铲斗插入料堆后，转动铲斗铲取物料，待铲斗口翻至近似水平为止。

③重载运输工况铲斗铲装满物料后举升动臂，将铲斗举升至运输位置（即铲斗斗底离地高度不小于机器的最小允许离地间隙），然后驱动机器驶向卸载点。

④举升工况保持转斗缸长度不变，操作举升缸，将动臂升至上限位置，准备卸载。

⑤卸载工况在卸载点，在举升工况下操作转斗缸翻转铲斗，向溜井仓或运输车辆中卸载，铲斗物料卸净后下放动臂，使铲斗恢复至运输位置。

⑥空载运输工况卸载结束后，装载机再由卸载点空载返回装载点。

3.1.3 轮式装载机工作装置设计要求

根据轮式装载机的作业特点，其工作装置的设计应满足以下要求。

(l) 基本要求

所设计的装载机应具有较强的作业能力，铲斗插人料堆的阻力要小，在料堆中铲掘的

能力大、能耗小。工作机构的各杆件受力状态良好，强度寿命合理。结构和工作尺寸适应

生产条件需要，效率高。结构简单紧凑，制造及维修容易，操作使用方便。

(2) 特殊要求

①由于铲斗宽度和容积都较大，所以铲装阻力大，装满系数小，因此，设计时必须合

理选取铲斗的结构和尺寸，以减小工作阻力，达到装满卸净、运输平稳。

②铲斗由运输工况被举升到最高卸载位置的过程中，为避免铲斗中物料撒出，要求铲

斗作“平移运动”。严格要求铲斗举升平动是很困难的。从不易撒料这一目的出发，绝对

平动并无必要，只要把铲斗举升时的倾角变化限制在一定许可范围之内即可。

④铲斗能自动放平。铲斗在最高位置卸载后厂闭锁转斗油缸，下放动臂，铲斗能自动

变成插人工况（开始插人状态）的功能称为“铲斗自动放平”．它对定点高位卸载很有意

义。

⑤轮式装载机的工作机构属于连杆机构，设计中要特别注意防止各个工况出现构件相

互干扰、“死点”、“自锁”和“机构撕裂”等现象；各处传动角不得小于 10°。

⑥应尽量减小工作机构的前悬（即工作机构重心至整机重心的距离）、长度和高度，

以提高装载机在各种工况下的稳定性和司机的视野。

3.2 铲斗设计

工作装置是装载机的执行机构之一，铲斗是这个执行机构的执行构件，它是工作装置

的重要部件。铲斗直接与物料接触，是装、运、卸的工具，工作时，它被推压插人料堆铲

取物料，工作条件恶劣，要承受很大的冲击力和剧烈的磨损，因此铲斗的设计质量对装载

机的作业能力有较大影响。所以铲斗的设计就是根据装载机的主要用途和作业条件，从而

减少插入阻力，掘起阻力及提高生产率，合理的确定铲斗的几何形状和尺寸。

3.2.1铲斗的结构形式

铲斗通常用低碳，耐磨，高强度钢板焊接而成。由切削刃、侧壁切削刃、斗底、斗后壁、挡板、角板、耐磨板、护板或支角组成。

由于铲斗是直接与物料接触，特别是铲装坚硬的砂等物料，斗前缘与斗壁磨损较快，因此，斗前缘采用耐磨的高锰钢等优质材料，或者是堆焊硬质合金。

此设计采用堆焊TDP-1(35)型合金，硬度HR(要求在35以上），侧切削刃和加强角板

都采用高强度耐磨板料制成，耐，磨板和支角亦都用耐磨材料制成，可以更换，用以增加