#ZL50装载机工作装置设计

目录

摘要┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈Ⅰ

A b s t a c t┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈Ⅱ第一章前言┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈1

1.1 选题来源及目的意义┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 1

1.2 国内外研究现状┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 1

1.3 本文的主要工作┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 3

第二章装载机工作装置设计概述┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈4

2.1装载机工作装置设计概述┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 4

2.2结构型式选择┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 4

2.3 本章小结┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 6

第三章铲斗的设计┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈7

3.1铲斗设计要求┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈7

3.2铲斗斗型的结构分析┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈7

3.2.1切削刃的形状┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 7

3.2.2铲斗的斗齿┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 8

3.2.3铲斗的侧刃┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 8

3.2.4斗体形状┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 8

3.3 铲斗基本参数的确定┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 8

3.4 斗容的计量┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 11

3.4.1几何斗容(平装斗容)┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈11

3.4.2额定斗容(堆装斗容)┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈12

3.5 本章小结┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 13

第四章工作装置的结构设计┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈14

4.1工作机构连杆系统的尺寸参数设计┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈14

4.2机构分析┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈14

4.3设计方法┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈15

4.4尺寸参数设计的图解法┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈15

4.4.1 确定坐标系┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 15

4.4.2 画铲斗图┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 15

4.4.3 确定动臂的长度┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 16

4.4.4 确定动臂和铲斗的铰接点B┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 17

4.4.5 确定动臂和机架的铰接点A┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 17

4.4.6确定动臂和摇臂的铰接点E┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 18

4.4.7 确定连杆和铲斗和摇臂的两个铰接点C、D┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 18

4.4.8 确定举升油缸和动臂和机架的铰接点H及M点┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 20

4.5确定动臂油缸的铰接位置及动臂油缸的行程┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈21

4.5.1动臂油缸的铰接位置┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈21

l 的确定┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈22

4.5.2动臂油缸行程

H

4.5.3 最大卸载高度和最小卸载距离┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈23

4.7 本章小结┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 23

第五章工作装置的强度计算┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈25

5.1计算位置┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈25

5.2外载荷的确定┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈25

5.3工作装置的受力分析┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈27

5.4工作装置的强度校核┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈29

5.4.1水平偏载┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈29

5.4.2垂直偏载┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈31

5.5 工作装置的强度校核┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 33

5.5.1 动臂┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 33

5.5.2 铰销┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 36

5.5.3 连杆┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 37

5.5.4 摇臂┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 38

5.6 本章小结┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 41

第六章装载机工作装置中油缸作用力的确定┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈42

6.1装载机油缸作用力分类┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈42

6.2转斗油缸的选择┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈43

6.3动臂油缸的选择┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈46

6.4转斗油缸和动臂油缸被动作用力的确定┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈47

6.5 本章小结┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 47

第七章工作装置的限位机构┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈48

7.1铲斗转角限位装置┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈48

7.2动臂升降的自动限位机构┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈49

7.3 本章小结┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 49

第八章工作装置的液压系统┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 50

8.1 液压系统概述┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 50

8.2 液压系统的工作原理┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 50

8.2.1 动臂液压缸工作回路┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 50

8.2.2 转斗液压缸工作回路┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 50

8.2.3 自动限位装置┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 50

8.2.4 转向液压缸工作回路┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 51

8.2.5 铲斗液压基本回路┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 51

8.3 液压元件及油路分析┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 51

8.3.1 液压系统的组成┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 51

8.3.2油路分析┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 52

8.4 本章小结┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 53

第九章全文总结┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 54

9.1 结论┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 54

9.2 不足和展望┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈ 54

参考文献┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈56 致谢┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈57

ZL50轮式装载机工作装置设计

摘要

轮式装载机是以轮胎式拖拉机为基础车，安装上铲斗作为工作装置的一种土方工程机械。装载机的工作装置由铲斗、连杆、摇臂、动臂、转斗油缸、举升油缸组成，装载机的工作装置的合理性直接影响装载机的生产效率、工作负荷、动力和运动特性等。

本文参阅了大量的装载机设计的参考书，选择反转六连杆机构这种结构形式作为所设计的装载机的工作装置的结构。本文根据任务书中的要求，利用经验公式来计算确定铲斗的结构参数，装载机结构参数设计上，利用图解法确定动臂和铲斗、摇臂、机架，连杆和铲斗和摇臂等各个铰接点的位置，然后文中对铲斗的一种典型的受力方式进行了详细的分析，并对工作装置的各个部件的强度进行校核。最后文中对装载机的工作装置的限位机构进行了简要的介绍，最后利用AutoCAD对装载机工作装置的各零部件的结构参数进行详细的结构设计。

关键词：轮式装载机，工作装置，结构，设计

第一章前言

1.1 课题来源及目的意义

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撑结

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。ZL系列轮式装载机是一种高效率的工程机械，具有结构先进，性能可靠，机动性强，操纵方便等优点。广泛使用于矿山，建筑工地，道路修建，水利工程，港口，货场，电站以及其他工业部门，进行装载，推土，铲挖，起重，牵引等多种作业。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都发挥着重要作用，因此近几年来无论在国内还是国外装载机品种和产量都得到迅速发展，成为工程机械的主导产品之一。

作为一种复杂的工程机械，轮式装载机的零部件多，运动方式多，须从系统层面评价其性能的优劣。随着技术的发展，人们认识到即使传统的技术手段使得装载机中的每个零部件都是最优的，并不

能保证整个装载机工作装置的性能是最好的，即系统整机的优化不是所有部件优化的简单叠加。装载机的工作装置设计还存在许多有别于其它机械行业的特点，其中最重要的一点是它涉及的学科很多，包括机械运动学和动力学、流体传动、机电控制、热力学、人机工程学和美学等。

装载机的工作装置的合理性直接影响装载机的生产效率、工作负荷、动力和运动特性、不同工况下的作业效果、工作循环时间、外形尺寸和发动机功率等。

传统的装载机工作装置的设计, 是利用经验公式进行计算校核，从而确定工作装置的各零部件的重要的结构参数，并利用软件进行建模和仿真完成的。现代工程作业对要求装载机具有较高的工作效率和较好的动力性、经济性、安全性，而这些在很大的程度上取决于装载机的工作装置的结构性能，因此对装载机的工作装置进行结构的优化设计尤为重要[1]。

1.2 国内外研究现状

国内装载机起步较晚，按照其发展历程，大致分为以下三个阶段:仿制阶段、引进发展阶段、自主研发及创新阶段。随着企业技术投资的不断增加以及校企联合攻关研究的不断深入，国产装载机正从低水平、低质量、低价位向高水平、高质量、中价位过渡，从无序的同质化竞争向技术性差异化过渡，从仿制仿造向自主研发过渡。主要体现在以下几方面:各个生产厂家结合实际情况，重新进行总体设计，优化设计法、有限元分析法使用于整机或部件设计，优化了各项性能指标，强化了整机的强度和刚度，有效地降低了整机的操作重量，增加了整机的灵活性。

目前我国装载机的研究设计水平有了很大的发展和提高，取得许多成果，然而和国外同类产品相比，仍存在着有一定的差距。目前国内装载机工作装置大多采用反转六连杆机构，因它具有掘起力大、高位自动放平、结构简单等优点，具有广泛的适用性[2]。

国外轮式装载机技术在经历了五六十年的发展后，到20 世纪90 年代中末期已达到相当高的水平。信息技术的飞速发展又给装载机技术的发展插上了飞跃的翅膀，基于微电子技术和信息技术的计算机管理系统、司机辅助操作系统、柴油机电脑控制装置、电子计算机监控系统、电子自动换挡变速控制系统以及网络技术的智能系统已广泛使用于装载机的设计、计算操作控制、检测监控、生产经营和维修服务等各个方面，使国外装载机在原来的基础上更加精制；其自动化程度也得以提高，从而进

一步提高生产效率；改善司机的作业环境，提高作业舒适性；降低噪声、振动和排污量，保护自然环境；最大限度地简化维修、降低作业成本，使其性能、安全性、可靠性、使用寿命和操作性能在很大的程度上得到提高。根据现代工程作业的，应开发性能优良的装载机，如斗容量大、大功率发动机、掘起力大、侧翻载荷大、牵引力大、废气排放少的环保型装载机，应开发机、电、液一体化技术、电子计算机技术、检测技术等高端的装载机，应开发作业可靠性好、安全性高、舒适性好的产品，一机多用的产品。

不断提升产品技术含量、运用新型结构、最大限度地满足市场需求，体现了国外装载机的设计思想。根据物料密度的不同，设计了不同结构和不同容量的铲斗，再配以强度、耐磨性、插入性优化组合的不同斗齿，满足了不同的作业工况。为适应不断加高的车厢，各个生产厂商相继推出了中高卸、高卸、超高卸工作装置，扩大了工作装置的工作范围。通过对液压系统的合理设计，从六连杆机构到特殊八连杆机构所配置的快换装置，实现了作业现场的快速装卸及液压软管的自动连接，相关工作在司机室通过操纵手柄即可快速完成，提高了作业的多用性和适应性。结构设计上，工作装置除Z型连杆机构外，还推出了平行八杆机构、沃尔沃公司的TP连杆机构以及卡特彼勒公司的Versa连杆机构，增加了工作装置的种类。安全、舒适、环保、节能体现了以人为本的设计理念。配备了防滚翻、防落物并经降噪处理的全封闭防紫外线驾驶室，按人机工程学原理设计的全方位悬浮式可调司机座椅，工作装置的乘坐舒适控制系统，提高了车辆在凸凹路面的行驶性和驾驶舒适性，减少了司机的疲劳。低转速发动机的使用、混合动力的成功研发、不断改进的电喷装置以及新型降噪材料和降噪装置的使用，进一步降低了发动机的尾气排放量及机外辐射噪声。

综上所述，未来装载机的发展趋势是以人为本的设计理念，广泛使用微电子技术和信息技术，对控制系统的集成化和模块化，进一步简化操作和提升整机性能;节能、环保动力装置的研发，将使得司机的工作环境舒适性能大大改善，并提高工作效率[2]。

1.3 本文的主要研究内容

本课题是根据ZL50轮式装载机的经验参数和经验公式进行的总体方案的设计。为提高装载机整体性能和工作效率，对轮式装载机的工作装置的结构形式，结构优化，强度校核进行了深入的分析。本文的主要研究内容为：

（1）根据任务书中的结构参数和设计要求，利用经验公式确定铲斗的形状和结构尺寸参数；

（2）确定动臂长度、形状和车架的铰接位置；确定动臂油缸的铰接位置及动臂油缸的行程；

（3）确定工作机构连杆系统尺寸参数，连杆机构设计应满足任务书中规定的使用性能和技术经济指标，如最大卸载高度，最小卸载距离及在任何位置都能卸净物料，保证作业时和其他构件无运动干涉，保证驾驶员有良好的劳动条件。

（4）工作装置的强度计算，包括动臂，摇臂、连杆、铰销等强度校核，通过结构强度校核，最终确定这些零部件的尺寸。

（5）确定转斗油缸和动臂油缸的主动力，并确定转斗油缸和动臂油缸的被动力。

（6）设计铲斗前后倾角限位装置，动臂升降自动限位机构以及铲斗自动平放机构。

（7）对装载机工作装置的液压系统的工作原理和结构作简要地介绍。

第二章装载机工作装置的结构形式

2.1 装载机工作装置结构概述

装载机铲掘和装卸物料的作业是通过工作装置的运动实现的。装载机的工作装置由铲斗、动臂、摇臂——连杆(或托架)及液压系统等组成(图2.1)。

图2.1 装载机工作装置

（a）有铲斗托架式（b）无铲斗托架式

1—铲斗2—托架3—转斗油缸4—连杆5—动臂

6—动臂油缸7—摇臂

铲斗用以铲装物料；动臂和动臂油缸的作用是提升铲斗并使之和车架连接；转斗油缸通过摇臂—连杆(或托架)使铲斗转动。动臂的升降和铲斗的转动采用液压操纵。

由动臂、动臂油缸、铲斗、转斗油缸、摇臂——连杆(或托架)及车架相互铰接所构成的连杆机构，在装载机工作时要保证：当动臂处于某种作业位置不动时，在转斗油缸作用下，通过连杆机构使铲斗绕其铰接点转动；当转斗油缸闭锁时，动臂在动臂油缸作用下提升或下降铲斗过程中，连杆机构应能使铲斗在提升时保持平移或斗底平面和地面的夹角变化控制在很小的范围，以免装满物料的铲斗由于铲斗倾斜而使物料撒落；而在动臂下降时，又自动将铲斗放平，以减轻驾驶员的劳动强度，提高劳动生产率[3]。

2.2 结构型式选择

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第九章全文总结9.1 结论

本次对ZL50轮式装载机工作装置的设计中，铲斗，工作装置各部分的铰接位置以及强度校核是设计的重点，这些部分的设计工作主要包括以下步骤：

（1）根据任务书中给出的装载机的结构和性能参数，参考同类机型的铲斗形状，通过计算校核，确定铲斗的回转半径、斗底长度、后斗底长度等结构参数，最后通过计算确定铲斗的几何斗容和额定斗容，和任务书中给定的斗容进行比较可知铲斗的参数设计符合要求。

（2）在工作装置的结构选择上，本文参照了多种装载机工作装置的结构形式，选择反转六杆工作机构，运用图解法确定动臂长度、形状及和车架的铰接位置，然后确定动臂油缸的铰接位置及动臂油缸的行程，在此基础上对连杆机构（由动臂、铲斗、转斗油缸、摇臂等组成）进行设计。

（3）本文首先分析了装载机在工作时铲斗的六种典型的受力方式，然后选取其中受力最大的一

种情况，对这种情况进行详细的分析，通过计算校核，确定动臂、连杆、摇臂和铰销的基本结构参数。

（4）根据上述的结构设计和强度校核，得到装载机工作装置各部分的重要结构参数，根据这些参数，运用AutoCAD绘制装载机的工作装置图和各部分的零件图和装配图。

（5）对装载机的工作装置的限位机构和液压系统工作原理和结构进行简要的分析。

本次设计从ZL50轮式装载机的工作装置的基本结构和对已有的经验公式的分析入手，通过合理的机构的运动特性和受力分析，完成了装载机工作装置各部分的铰接位置和结构参数的设计，并利用AutoCAD软件对工作装置进行了详细的结构设计，从而完成了对装载机的工作装置的设计。

9.2 不足和展望

本文虽然已经完成了一些内容，但相对于装载机整机复杂的程度，上述工作尚有一些不足和需要完善的地方，有必要从以下几方面作进一步的工作:

（1）在对工作装置的各铰接部分进行设计时，仅仅参考同类机型的数据，并运用图解法来确定各铰接点的位置，而没有利用相关的运动学仿真软件（如ADAMS，simulink等）进行详细的分析，可能会导致工作装置的总体参数设计会有一些不合理之处。

（2）在对工作装置进行强度校核时，仅考虑了铲斗的六种基本典型工况，并对其中的一种工况进行了详细的分析，而铲斗在实际工作中，受到的力十分复杂，因此文中的对铲斗的受力分析只能在一定程度上反映了铲斗的真实受力，有一定的参考价值。

（3）在对工作装置各部分进行强度校核时，本文中只采用了大量的经验公式，如果在此基础上运用有限元分析软件ANSYS进行分析，结果会更有说服力。