ZL15型轮式装载机设计

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前言

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；接行走系统结构不同，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。本书主要论述露天工程用的轮式装载机的设计。

装载机的设计，大致要经历：明确任务、调查研究、制订设计任务书，进行整车布置、确定整机的主要性能参数，进行各部件的方案设计与强度计算，技术设计和工艺设计，试验鉴定和修改定型等这样一些阶段。一台装载机的设计是否成功，首先是从能否满足使用要求，好造、好用、好修，具备较高的作业生产串和较低的使用成本来衡量的。这体现在设计工作中，就是应当使装载机具有较完善的技术经济性能与指标以及先进的部件结构方案。

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摘要

我所设计的ZL15装载机既保留了传统装载机的优点，而有具有新的性能和优点。

本次设计主要进行的工作装置的设计。装载机采掘和卸载货物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、连杆及液压系统等组成。铲斗以铲装物料；动臂和动臂油缸的作用是提升铲斗并使之与车架连接；转斗油缸通过摇臂，连杆使铲斗转动。动臂的升降和铲斗的转动采用液压操作。

先对装载机的发展概况几设计的指导思想、特点、任务进行概述，然后确定方案，在技术设计部分罗列了ZL15装载机的主要技术性能和参数，进行了牵引特性计算，工作装置设计。工作装置设计中有工作装置运动分析，对铲斗、动臂、连杆机构进行设计等几部分组成。

在工艺设计中叙述了工艺工程。应用程序计算了受力分析。总之，整个设计是有序地完成的。

在整个设计的过程中，在老师及其他老师的指导下顺利完成的，通过这次设计，我学到很多东西，在实践中把大学中所学的知识综合运用复习了一次，同时也学到很多新的东西，受益非浅。在此，本人表示衷心感谢！并真诚希望各位老师对我提出宝贵的意见。

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Abstract

This type of ZL15 loader that I have designed has the common virtues of the traditional loaders.And it has some new-improved virtues and function.

In my design progress,I put emphasis on the working-device.

The ZL15 loader also has some traditional virtues like the articulited wheel-type loader.The loader digging and unload the goods by the working-device.The working-device has many

Parts and it is connected to the machine.Some parts of the device’s turning by liquid press realize.

At first,I introduce the developing trend of the loaders,and explained the main designing idea, designing characteristic and designing task.The second part is the whole designing prgram.In the technical designing part,the main technological parameters and technological features of the ZL15 loader are listed.The following part is the calculation part of the tractive features and the designing of the working device.

The necessary computer progress is placed in the end of my designing progress,all the computer program was composed with C language .In a word,the whole designing progress is designed carefully and step by step.I wish my design could clearly explained my designing idea.

With the kind help of Mr.LiFeng and other teachers,I finished my design successfully.Through designing this type of ZL15 loader,I have attained a lot which was new to me.Here,I want to express my heartful gratitude to those teachers.At the same time ,the shortcomings in my design need to be poingted out by the teachers.thank you all.

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第一章设计任务书 (1)

第二章装载机的发展及应用

2.1 装载机在的介绍 (1)

2.2 装载机在地下开采中的应用 (2)

2.3 我国装载机的发展前景 (3)

第三章轮式装载机总体参数的确定 (4)

第四章装载机的总体布置

4.1 装载机的总体布置原则 (6)

4.2 装载机各部件的布置 (7)

4.3 装载机的总体构造和分类 (9)

第五章装载机工作装置的设计

5.1 工作装置结构分析 (10)

5.2 铲斗设计 (11)

5.3 工作机构连杆系统的尺寸参数设计 (15)

5.4 工作装置强度计算 (21)

5.5 装载机工作装置中油缸作用力的确定 (29)

5.6 工作装置的限位机构 (30)

总结 (31)

参考文献 (32)

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第一章设计任务及要求

一．课题名称（包括主要技术参数）及要求

ZL15型装载机工作装置设计

装载机工作装置斗容：0.93

额定载重量：1.5t

柴油机功率：50kw

整机重量：5.1t

最大卸载高度：2500m

最小卸载距离：850mm

要求：保证装载机工作的功能，满足工程机械的各项使用性能。二．课题内容几工作量

总体方案确定 2.

工作装置结构形式分析 3.

工作装置运动分析 4.

工作装置性能分析 5.

图纸设计 6.

电算程序 7. 译文（机械设计类）

第二章装载机的应用与发展状况

2.1 轮式装载机的介绍

金属矿山的开采可划分为露天开采和地下开采两大类。我国露天矿采以矿石的比

重约占70％，但从事地下开采的人员比露天开采的人员多。这是因为地下开采的条件复杂，使用的设备种类繁多，在产量相同的条件下，对地下矿投资的人力和物力远大于露天矿的缘故。

保护自然环境和合理地利用矿藏资源，是发展社会主义经济的必要条件。随着浅埋矿床的耗尽而愈来愈向深部开采，或当露天升采的深度很大而使地表遭受大面积的破坏时，就必须采用地下开采。可以预料今后地下开采仍将逐渐增加。

不论是露天矿开采还是地下矿开采，对矿体较硬的金属矿山，都是经凿岩爆破将

崩落松散矿石或岩石，经装运作业运至下步工序的作业地点。装载作业是矿山整个生产过程小既繁重又费时的作业。所以努力提高装载机械的作业能力，对实现矿山生产的高效率低消耗想着重要的作用。

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

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强，操纵方便等优点。广泛应用于矿山，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。

为适应装载机多功能作业的要求，轮式装载机已经向一机功能方向发展。这主要靠主机控制适合多种作业的组合工作装置完成。80年代国外装载机和液压挖掘机除了不断完善装，挖功能外，正向一机多能方向发展。许多公司竞相生产各式各样的辅助机构。这种机型使用范围很广，其产品受到用户的普遍关注。

在通用拖拉机前端加装载装置，后部加挖掘装置可改装变形成前装后挖拖拉机，亦称挖掘装载机，俗称“两头忙”。

工作装置的性能分析过去多采用作图分析和手工计算法，工作量繁重，精度较低。当分析工矿较多时问题更为突出，为克服手工画图的误差。本次设计前面所进行的工作装置CAD设计是通过看资料、实物，通过初步分析、计算而确定的方案。其次要考虑各个工作液压缸作用力的均衡性，整机的稳定性，整机与地面的附着性、满足结构和布置的可能性，以综合比较初选方案，从而确定机构参数（一般来说，从计算机辅助分析中发现不合理的现象可究其原因，采取改进措施，是设计合理化。对已经拟订的各种方案可通过计算机辅助分析作进一步的取舍和修改，以便确定较合理的方案）。同时，通过性能分析能够很清楚的了解到这个装载机装置在各个位置或各种工况时的里和其它参数，有利于更有效地使用挖掘装载机和使这种装载机工作效率得到最大限度的发挥。

2.2装载机在地下开采中的应用

地下矿的开采，包括开拓、采准、回采三个步骤。开拓是矿山的基建工程，它是用井巷把地表与山地下矿体接通，并建成完整的运输、通风、排水的并巷工程，包括竖井、斜井、盲井、井底车场，如水泵房、变电室、机修站、火药库等，还有石门、阶段运输巷道、溜井等。

采准是指掘进形成采区外形的一些巷道及为了回采工作面的碎岩和爆破而需要的自由空间。前者如采区的运输巷道、通风和人行天井，以及电耙巷道等，如切割槽、拉底空间、放矿漏斗等。

回采就是做完采准后，在采区工作面进行的落矿、装运和管理作业。回采中的矿石装运作业是矿山生产的重要环节。

装载作业就是把开拓、采准、回采的矿石或岩石装入运输工具或卸入溜井。开拓、采准和回采三者在使用装运机械方面对比起来，采准工程的特点是：它的装运作业工作量，是在阶段水平以上或矿房内部及矿床上下盘中进行的。一般地说，这些巷道断面尺寸小、长度短，分布在阶段水平以上不同的高度上，要求机械设备轻便灵活，便

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于调入和调出及迁移到不同高度上。在断面只寸很小的空间内工作，由于设备的调入迁移和使用都比较困难，致使采准工作的机械化程度低、工作效率低、成本高。因此采准工作量的多少，便成为衡量采矿方法好坏的重要指标之一。

2.3 我国装载机的发展前景

随着我国国民经济建设的调整发展，大型轮式装载机的需求量会有大幅度上升，特别是西部大开发，许多大型工程建设等，大型轮式装载机大有用武之地。另外，世界上生产大型轮式装载机的国家、企业也不多，出口前景也非常好，苦于我们还拿不出产品。

1999年，我国全行业ZL60型共销28台，ZL80型及ZL100型一台也未销售。因此，我国大型轮式装载机可以说是基本上未推向市场。影响推出市场的主要原因是，除开发水平较低外，主要是配套件跟不上。大型轮式装载机的配套件国内基本上没有，有少量的也是水平低，可靠性差，不太适用，进口配套件价格又太贵。因此大型轮式装载机的国内市场基本上被国外大公司所占领。我国装载机行业，特别是主要装载机制造企业，应抓住我国加入WTO 后进口件价格降低的机遇，进口一部分重要的关键部件，同时为尽量降低成本，加大力度开发一些目前已经有能力开发的零部件，如传动系统中的驱动桥、液压件中的缸、阀等，经过精心设计，开发出具有中国特色的大型轮式装载机。只要我们的产品能占领国内市场，也一定能打进国际市场。

国产挖掘装载机及小型多功能装载机数量很少，在我国ZL20型以下属小型装载机，据1999 年全行业主要企业统计,共销售小型装载机有1546 台，能占全行业的8.2％。

国外小型装载机及小型多功能装载机，包括挖掘装载机在内，市场份额已相当大。美国的山猫牌小型多功能装载机年销量在5万台左右，还有美国的凯斯、约翰迪尔、卡特彼勒、英国的JCB公司等的挖掘装载机及小型多功能装载机年销量都在万台上。可见世界市场上挖掘装载机及小型多功能装载机市场是多么大，而中国目前这类产品基本上还没有。这类产品特别适用于市政建设、中小城镇建设、乡间非等级公路建设、一般公路的维护保养、港口码头作业，还有改造环境、植树造林等。特别是西部大开发，这类产品将有广阔的潜在市场。这类产品的开发，今后肯定是以静液压件传动为主，目前世界上小型装载机、小型多功能装载机基本上都是静液压传动。我国要能真正把这类产品发展起来，必须有自己的创新。装载机行业的广大企业，特别是有能力的大企业，应加大创新力度，去争我国小型装载机、小型多功能装载机、挖掘装载机等这一巨大的潜在市场。

我国西部3000米以上高海拔地区及沙漠地区占了很大的面积，在实施西部大开发中，高原及沙漠型特殊用途装载机需要量较大，国内目前基本上还没有这类产品，而国外大公司在这方面已经有成熟的产品。因此，我国加入WTO后，这个巨大的潜在市场很可能被国外大公司所占领。我国的装载机行业从现在起应积极行动起来，与有关科研院所及有关发动机等配套件企业联合起来，尽快开发出具有中国特色的高

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原、沙漠型特殊用途装载机，去抢占我国西部这一潜在大市场。

中型轮式装载机是国内最成熟而产量又大大过剩的产品。这种产品只要“入世”后实行国际采购，提高质量、水平、可靠性，那么大批进入国际市场的机遇就在眼前。

第三章轮式装载机总体参数的确定

3.1 装载机铲掘时的作业阻力

装载机在进行铲掘作业中的作业阻力主要是：铲斗插入料堆时的插入力；提升动臂时的铲起力；翻起转斗时的转斗阻力矩。影响这些阻力的因素很多，例如铲掘的物料种类、铲斗的形状，铲斗插入的深度等。而铲掘的物料种类又是多种多样的，可能是土壤砂石，也可能是各种块度的矿石，因此在这些复杂因素影响下，难以准确的计算出装载机铲掘时的作业阻力，为确定这些阻力，则通过铲掘散状物料试验的办法得出经验公式和多种系数进行计算，下面分别计算装载机在铲掘散状物料时的各种阻力。

一、插入阻力

插入阻力是装载机铲斗插入料堆时，料堆对铲斗的反作用力。插入阻力分别由以下阻力组成：铲斗前切削刃口和两侧壁切削刃口的阻力；铲斗底和侧壁内表面与物料的摩擦阻力；铲斗外表面与物料接触时的摩擦阻力。这些阻力与物料的类型、料堆的高度、铲今插入料堆的深度、铲斗的结构等因素有关。由实验得知，随着铲斗插入料堆深度的增加，插入力随指数稍大于1的抛物线而增长，推荐用下面的经验公式11算：

4325.1

21K K B L K K P K G c

式中： P c ——铲斗插入阻力(公斤)；

K 1——取决于被铲掘物科的块度和松散程度的影响系数,取块度小于400毫米时，K 1=1.1；

K 2——物科种类(容积比重)的影响系数，散状物料种类为沙石，系数为0.12；

L 。——铲斗插入料堆深度(厘米)；取50cm;

K B ——铲斗宽度(厘米)；

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3K —一散状物料料堆高度影响系数，料高度为1.4m, 3K =1.15。

4325.1

21K K B L K K P K G c =

59645

.115.11975012.01.125.1=?????=

二、铲起阻力

铲起阻力是指铲斗插入料堆一定深度后，用动臂油缸提升动臂时，科堆对铲斗的反作用力。

铲斗插入科堆c L 深度后，用动臂提升铲斗，铲起阻力由铲斗斗底插入科堆深度c L 和铲斗宽度K B 所决定的矩形面积上的物科所决定。

铲起阻力同样受到物科的块度、松散性、容积比重、温度、湿度、物料之间及物料与斗壁摩擦之间的影响。最大的铲起力发生在铲斗刚刚开始提升的时刻．随着动臂的提升，铲起阻力逐渐减小。

铲斗开始提升时的铲起阻力c P 可按下式确定：

c P ＝γK B L K c 2.2

l c ——铲斗插入科堆深度(米)；

B K ——铲斗宽度(米)；

γK ——铲斗开始提升时物科的剪切阻力(公斤／米3)。

γK B L P K c c 2.2=

3500970.150.02.2???=

7585=(公斤)

三、转斗阻力矩

转斗阻力矩是当铲斗插入科氓一定深度后，用转斗油缸使铲斗向上翻起时，料堆对铲斗的反作用力矩。当用翻转铲斗来铲掘物科比如不考虑铲斗翻转的角加速度，在铲斗翻起最开始时刻静阻力矩'c M ；具有最大值以c M 。表元而当铲斗继续回转时，'c M 的数值迅速减小，回转到0α值时，即铲斗底板前线开始离开料堆坡面，这时静阻

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6 力矩为c M 。，仅由铲斗中物科重量决定。翻起铲斗的静阻力矩肥；随铲斗翻转角α的变化，0M 表示开始转斗时刻的静阻力矩，这时铲斗翻转角0=α，0M 表示铲斗离开科堆时静阻力矩，这时铲斗翻转角0αα=。

第四章装载机的总体布置

4.1 装载机的总体布置原则

一．总体布置的内容

总体布置内容应包括以下几个方面：

1．确定各个部件在整机上的位置，并对外形尺寸提出要求；

2．确定各部件之间、部件与整机之间的连接方式；

3．估算整机重量几重心位置，并对各部件的重量提出要求；

4．布置各个操纵机构、机棚、驾驶室等；

5．审核各运动件的运动空间，排除可能发生的运动干涉；

6．定出标准化、通用化和系列化的零、部件的名细表。

二．总体布置的原则

总体布置时要考虑以下几条原则：

1．保证整机的稳定性；

2．结构紧凑、并有较高的传动的效率；

3．便于操作和维修，工作安全可靠；

4．外形平整美观。

三．总体布置的基准选择

总体布置时，应注意以下几个基准选择：

1．通过后桥中心线的水平面，为上、下位置的基准面；

2．以通过后桥中心线的垂直面，为前、后位置的基准面；

3．以整机的铅垂纵向对称面，为左右位置的基准面。

四、设计中应考虑的整机性能

1)牵引性，是装载机在不同工作速度下所能发出的最大牵引力的性能。它影响到机子的工作能力与工作效率。牵引性能的好风是用牵引功率和牵引效率来评价的。它反映了装载机利用发动机功率进行工作的有效程度，是最重要的一个性能指标。

2)动力性，是反映装载机在行驶中，以不同档位工作时，所具有的加速性能，以及所能达到的最大行驶速度和爬坡能力的一个性能。动力性能的好讯用动力因数来评价。