侧卸式铲斗装载机总体设计和工作机构设计

前言

装载工作是整个地下采矿的重要环节，其工作量最繁重，费时最多，对采矿生产率影响极大。消耗于这一工序的劳动量占循环时间的30%-40%。

正因为如此，国外许多的国家十分重视装载机械的开发推广与使用。装载机开始制造是在90多年前。自身带有动力的装载机，是在1920年初出现的，其铲斗安装在两根垂直立柱上，铲斗的举升和下落是用钢绳来操纵的。从1930年开始，装载机的机构得到较大的改进。1939年出现了比较先进的轮胎式装载，在40年代装载机得到了更大的发展。1944年，开始用液压代替钢绳控铲斗。1947年装载机发展成四轮驱动。1950年出现了第一台带有液力变矩器的轮胎式装载机，它使装载机能够很平稳地插入料堆并且使作增快，同时插入运动，发动机不会因插入阻力大而熄火。1960年出现了第一台铰接式装载机，这使装载机转向性能大大改善，增加了它的机动性能性和纵向稳定性。60年代的电动装载机。这是装载机设计的一个新的突破，它进一步增加了装载机的使用范围。今后装载机的发展趋势是通过执行机构尺寸的增加和机构的改进进一步增加了生成力。

1 绪论

1.1 选题意义

随着我国经济的持续、健康、高速发展，对工程机械的需求将增长，这些需求对工程机械产品既提出了“量”又提出了“质”的巨大市场需求。我国“九五”期间土石方、路基路面、基础及建筑施工工作量预计比“八五”要大一倍以上，工程机械的总需求量亦将为“八五”期间的二倍，推土机、装载机、轮式起重机、叉车、路面机械、凿岩钻车及挖掘机械等7类主要工程机械“九五”末的年需求量可在11万台以上。而装载机被大量应用于各行各业，无论是公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山都有它的身影。国外先进的采掘机械设备将有更多的机会进入中国，中国的设备也会有更多的的机会走向世界。在这种情况下，我国从事地下采掘与工程的管理人员、技术人员和使用维修人员都急需了解这类设备，国内从事该类设备制造业的工程技术人员为了研制出能参与国际竞争的成套设备也要掌握相关的设计理论和方法；所以对该类机械设备的设计是具有重大意义的。

与其他的工程机械相比，侧卸式装载机的实用性很强。它主要用于煤巷、全岩巷中煤、岩及其它物料的装载。除完成装载作业以外，还可以充当支护时的工作平台。在井下作业时，主要是用完成工作面短距离运输、卧底、清帮和支护等。由于它插入力大、机动性好、全断面作业、安全性好。因而发展很快，成为井下施工的主要机械。综上所述，综合自己所学专业知识，对装载机执行机构进行设计。

1.2 侧卸式装载机国内发展现状

我国从1954年开始有了自己的装载机械制造业。几十年来已生产了多种类型的井下矿用装载机械，从而在减轻劳动强度，提高掘进与回采强度等方面取得了一定成绩，但至今装载作业仍然是井下开采中繁重而由费时的工序，装载设备仍然是钻装运成套设备中的薄弱环节，与国外先进水平相比，差距还相当大，应迅速改变这种状况。

国内井下矿用装载机主要有ZS—60型，ZCZ—26型，ZMZ—100/45型以及本次设计的ZCY—60(100)侧卸式装载机等。另外，由于近几年液压技术的发展，把液压技术应用到装载设备中具有良好的发展前景。

对于我国露天矿用装载机，由于大中型露天矿已基本实现现代化，装载机的发展也趋于完善。在小型矿中，QJ—5型前端式装载机和具有连续装载能力的蟹爪式装载机业已正式生产。积极开展大型、高效露天装载机械的研制和配套工作，尽快提高我国装载机装备水平，是保证采掘工业迅速发展的重要措施之一。也可使我国的矿业得到充分开采与利用。

1.3 侧卸式装载机国外发展现状

国外的平巷掘进机械化，主要是发展各种钻装运配套成龙的机械化作业线，并使局部自动化。在二十世纪中后期，内燃无轨设备的发展，使平巷掘进产生了革命性的变化。使机械化程度理论上可达100%，工效可提高十倍，人员大大减少。例如，日本小松制作所生产的D66S型静液压传动履带装载机，采用电子控制系统实现对机器转动、行走、转向、停止等各动作进行控制。国外生产这种钻装运配套成龙一体化的厂家主要有：美国的Wagner公司、Eimco公司、Cater Pillar公司；瑞典的Atlas-CFopco 公司和法国的Joy 公司等。

国外在露天矿用装载机械中的发展主要在机械式单斗挖掘机、半液压大型矿用挖掘机上。目前，由于电子计算机控制的无人工地的发展，露天矿的装载机械可以由脱离机体的中心指挥控制室或者遥控阀开进行控制和进行操作作业。

2 ZCY60侧卸装载机执行机构运动分析

2.1 侧卸装载机特点

侧卸式装载机(图2-1):这种装载机是正面铲取岩石，在设备前方侧转卸载，行走方式多为履带式。它与铲斗后卸式比较，铲斗插入力大、斗容大、提升距离短，履带行走机动性好，装载宽度受限制小，铲斗还可兼做活动平台，用于安装锚杆或挑顶等。与机械化快速施工联系。全断面装载，不留死角，是全液压钻眼台车的最佳配套设备，机械化程度高。极大地减轻了掘进工种的劳动强度，实现了文明生产，施工安全也有保障。

侧卸装载机是上述几条机械化作业线的重要组成部分，由实际情况可知，在整个岩巷掘进过程中，装载是耗时最多的工序，一般要占整个循环作业时间的30%，有时多达50%。因此，装载机质量的好坏往往成为岩巷快速掘进的关键。侧卸装载机高可靠性、高装载效率，无污染的特点，亦吸引了其他地下工程用户如水电、隧道、地铁的物料装载。

图2-1侧卸装载机机构总图

Fig 2-1 Sides dump mucker mechanism general diagram

2.2 装载机执行机构及其设计方法

执行机构(又称工作装置)是装载机进行各种作业的执行部件，其性能直接影响装载机能力的发挥，所以对装载机执行机构的精确分析和设计就显得尤为重要。装载机执行机构的设计最早采用的方法是图解设计法，它将工作装置的连杆机构看成是由斗杆机构和缸杆机构两部分组成。其关键是确定摇臂在动臂上的铰点位置和油缸在机架上的位置。这种方法得出的设计方案只是一种可行方案，但是并不是最优的方案。在这个基础上，经过几次分析和改进还可以继续提高其性能。但是这种方案比较繁琐，要想同时满足多个约束的

要求比较困难。因此这种方式基本属于一种“类比试凑法”。

解析法是根据平移性、卸料性、动力性的要求作出连杆机构的近似特性曲线，并根据近似特性曲线确定一组杆件方程组。然后再根据已知数据和杆件方程组计算出其它杆件的长度。最后作出连杆机构的实际特性曲线，根据实际特性曲线和近似特性曲线之间的差值作出一些修正。解析法设计连杆机构较作图法来说省去了反复试凑作图的过程。特别是根据连杆机构的特性曲线，用杆件方程组设计出合乎预定性的方案，减少了设计过程的盲目性，从而利于提高设计的质量和效率。

优化设计方法是20世纪70年代中期才发展起来的一种设计方法。它以数学规划为理论基础，以电子计算机为工具，来寻求机械设计的最优参数，这是机械设计领域的一场革命。它用理论设计代替经验设计，以精确设计代替近似设计，以动态设计代替静态设计。在装载机执行机构的设计中，由于设计变量比较多，是复杂的多目标函数，以往的计算工具和计算方法己经不能满足优化设计的需要，而计算机的快速发展和新的计算方法的研究保证了设计的快速和可靠。

2.3 装载机执行机构类型

目前国内外生产的地上装载机工作装置主要有两种:六杆机构(图2-2)、八杆机构(图2-3)。六杆机构工作装置传力比大，可充分发挥装载机的铲掘能力，广泛应用于矿山堆场的铲装作业。组成八杆机构工作装置的机构杆件多，可以实现复杂运动，所以常常作为多功能装载机的工作装置。

图2-2 装载机六杆执行机构

Fig 2-2 The six pole working mechanism of mucker

图2-3装载机八杆执行机构

Fig 2-3 The eight pole working mechanism of mucker

地下矿上的铲装作业中，由于空间有限，执行机构的设计就较为简单，广泛采用四种装置，正转四杆机构，正转五杆机构，正转六杆机构，Z型反转六杆机构，如图2-4所示:

正传四杆机构正转五杆机构

正转六杆机构 Z型反转六杆机构

图2-4地下装载机常用工作装置

Fig 2-4 Underground mucker working device

2.4 侧卸装载机铲斗的运动过程分析

侧卸装载机的铲斗工作时，铲斗的运动是由动臂油缸，侧卸油缸和机体的行走部共同控制的。在一个工作循环中铲斗要完成的动作有：将铲斗放平由机体的行走部将铲斗推入料堆。边推进边翻转铲斗使物料充满铲斗。当铲斗装满物料后，将铲斗转正并举臂到适当

的位置作好运送的准备由机体的行走部将物料运送到卸载点。将铲斗对准卸载口进行翻斗卸载。将铲斗正位并下降动臂准备返回。返回到卸载点将铲斗放平到插入位置进行下一个工作循环。

为了使操作方便和提高劳动生产率，铲斗臂上对称地布置两个油缸，铲斗上安装有一个油缸使的得整个动作协调。图2-5为侧卸装载机。

图2-5 侧卸装载机

Fig 2-5 Sides dump mucker mechanism

2.4.1 铲斗结构设计

铲斗是用来切削，收集，运输，卸出物料的部件。它设计的合理与否直接影响到装载机的生产率，能量消耗及工作的可靠性。

铲斗的结构设计，一般应满足下列条件，在斗体尽可能轻的条件下，保证铲斗有足够的强度和刚度；铲斗的结构形状应保证铲斗插入物料堆时阻力最小；耐摩擦对易损斗齿更换方便等。

为减小铲斗插入物料堆的阻力，尽量避免无效容积及顺利卸载的要求，铲斗形状通常是前臂高与后臂，前臂上部作为圆弧状，并装有一组齿，铲斗下部较上部略宽，四角呈圆弧状以方便卸载，避免大块堵塞，后臂与斗底的夹角要成钝角，即可避免可效容积又可使斗底铰点抬高，方便开斗。

铲斗前臂直接切入物料，要求材质耐磨，强度高，一般用锰钢（ZG35Mn）铸造，并在其切削部位焊有硬质合金。

铲斗后臂与斗体相连接，并支承整个斗体，故后臂多用碳钢铸造并铸有加强的筋条。

斗体的两侧板连接前后臂，使之成一方箱，因其磨损受力较前后臂小，故小型铲斗用焊件式铸造，而大型铸斗两侧臂采用前后臂延长两侧，再用塞柱焊接在一起。

斗的后臂固定着斗与斗柄，拉杆的铰及提升滑轮的铰座等。

斗齿它可减小挖掘阻力。斗齿的形状应根据物料的物理，机械性质正确选择斗齿的最大厚度是铲斗加强厚度的2.2-2.3倍。斗齿是磨损严重的易损件。故通常用耐磨材料铸造。

铲斗按其结构可分铸造，铆结构，焊接，铸-焊联合合金钢板铠装。

铸造铲斗：整体铸造的铲斗，强度较铆结构的高，但其自重较大，适用于小型挖掘机上。

铆结构铲斗的优点是制造容易，价格便宜。缺点是强度差（铆钉易松动），主要用于小型挖掘机上。

焊接铲斗：前臂和侧臂是钢板焊接，而后臂通常是铸造。其特点是自重较小。对单斗挖掘机，在动力不变的条件下，用焊接铲斗代替铸造铲斗，铲斗容积平均可增大1/3（即

3.3m 增大到

4.3m ；6.3m 增大到8.3m ；9.3m 增大到12.3m ），这是提高挖掘机生产率的途径之一。但一般钢板焊接的铲斗，仅用于轻型挖掘机。

铸-焊联合制造，外面包以合金钢板的铲斗，适用与大型铲斗（如斗容﹥12.3m ）。 根据设计要求，本设计采用焊接铲斗。

2.4.2 铲斗关键尺寸的计算和确定

（1）几何斗容： 按美国汽车工程师学会（SAE ）标准前端式装载几何斗容EK （单位为3m ）由下式确定斗背上挡板的铲斗斗容为：

22/3K

BH E SB h b =- 式中， S —铲斗横断面面积，2m

BBH —铲斗的内臂宽，m;

h —挡板高度，m;

b —斗刃刃口与挡板最部之间的距离，m ；

（2）额定斗容： 按SAE 标准，对于斗背上装有挡板的铲斗

22/8()/6S K BH E E b B b h c =+-+ 式中C-----物料“堆积”高度，m 其确定方法如下图，由斗刃刃口和挡板最下部之间作一连线，再由料堆尖端M 点作直线MN 与CD 垂直，将MN 垂线向下延长，与

斗刃刃口和挡板最下部之间的连线相交，此点与料堆尖端之间的距离，使表示物料堆积高度C。

铲斗横断面积如图2-5：

图2-6 铲斗横断面积简化计算图

Fig 2-6 simplified nomogram

1-挡板 2-斗刃 3-铲斗横断面积

将已知的横断面分成若干块，方法如下：

找出铲斗底部的内圆弧部分的中心G点，通过G点作BE线与CD线平行，然后找出铲斗横断面面内从圆弧过渡到直线的过渡点A、F再分别连A、G和F、G这样就把铲斗的横断面分成四块。

按设计要求铲斗的额定斗容为1立方米。

预估各部分尺寸如下：

铲斗长1350mm 内壁宽b=1100mm

R=300mm GK=320mm

BE=500mm AB=130mm

h=160 mm EF=100mm

∠AGF=135。

扇形面积 AGFA=ЛR2x135/360=3.14x30x30/360

cm)

=1060(2

cm)

三角形面积 ABGA=0.5AbxR=0.5x13x30=195(2

三角形面积GEFC=0.5EfxR=0.5x10x30=150(2

cm)

梯形面积 BCDEB=0.5x（BE+CD）x GK=0.5x(50+120)x32=2720(2

cm) 求总面积：

S=1060+195+150+2720+4125=4125（2

cm）

几何斗容：

2

2/3() K BH

E SB h b

=-

=4125x180-2/3(16x16x120) =742500-20480

=722020(3

cm)

=0.722(3

m)

额定斗容：

22

/8()/6 S K BH

E E b B b h c

=+-+

=0722x106=120x120x180/8-120x120/6(16+31) =0.9496(3

m)

符合设计额定斗容1立方米的设计要求。