轮式装载机的工作装置设计及动态仿真

第1章ZL50轮式装载机的工作装置设计

1.1 ZL50轮式装载机的工作装置设计要求

1.1.1 概述

装载机工作装置主要由铲斗和支持铲斗进行装在作业的连杆系统组成，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转四杆、正转五杆、正转六杆、反转六杆、正转八杆等。

本次设计研究的是反转六连杆机构，这种机构形式简单、尺寸紧凑。当铲斗铲掘物料时由于是反转机构，转斗油缸大腔进油工作，可以获得较大的铲掘力。也就是说，铲起同样重量的物料，转斗油缸的尺寸可以设计得较小。而且转斗油缸后置，使司机有较好的视野。反转六连杆机构尤其多用于中小型装载机工作装置,我国生产的ZL系列轮式装载机工作装置多采用这种形式。

图1-1 反转六连杆机构

轮式装载机的工作装置由铲斗、连杆（或托架）、摇臂、动臂、转斗油缸、动臂油缸组成。这个机构实质是两个四杆机构。

图1-2 轮式装载机的工作装置

1.1.2 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插入工况动臂下放，铲斗放置于地面，斗尖触地，斗底板与地面呈3°~5°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，操作举升油缸，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。

1.1.3 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。

1.基本要求

所设计的装载机应具有较强的作业能力，铲斗插入料堆的阻力要小，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，装载系数小。因此设计铲斗宽度为2990㎜，铲斗容量为3m³，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”。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，设计时一般控制在10°以内为好。

(3)保证必要的卸载角、卸载高度和卸载距离。轮式装载机要求铲斗在从运输工况至最高位置之间的任一高度都能卸载干净，为此，铲斗各瞬时的卸载

α(铲斗斗底对地面的前倾角 )均需不小于45°。根据设计任务书中的规定，铲斗在最高位置卸载时，最大卸载高度为3050㎜，卸载距离为1200㎜。

(4)铲斗能自动放平。铲斗在最高位置卸载后，闭锁转斗油缸，下放动臂，铲斗能自动变成插入工矿(开始插入状态)的功能成为“铲斗自动放平”。

(5)轮式装载机的工作机构属于连杆机构，设计中要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°；在综合满足工作性能的前提下，尽可能增大机构的倍力系数。

(6)应尽量减少工作机构的前悬(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。

1.2铲斗的结构设计和尺寸设计

1.2.1 铲斗的设计要求

铲斗是装载机工作装置的执行构件。铲斗直接与物料接触，是装、运、卸的工具，工作时，它被推压插入料堆铲取物料，工作条件恶劣，是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。

为了保证铲斗的设计质量，首先应当合理地确定铲斗的结构及几何形状，以降低铲斗插入物料的阻力。其次要保证铲斗具有足够的强度、刚度、耐磨性，使其具有合理的寿命。、

1.2.2 铲斗的基本结构形式

轮式装载机的铲斗断面形状一般为“U”形，用钢板焊接而成，常见的铲斗结构如图1-3所示。

(a)直线形斗刃铲斗 (b)V形斗刃铲斗 (c)直线形带齿铲斗 (d)弧形带齿铲斗

图1-3 常见的铲斗结构

铲斗由斗底、侧壁、斗刃及后壁等部分组成。如图1-4所示。

图1-4 轮式装载机铲斗结构

(1)斗体的形状

铲斗的斗体基本可分成“浅底”和“深底”两种类型。在斗容量相同情况下，前者开口尺寸较大，斗底深度较小，即斗前壁较短，而后者则正好相反。

浅底铲斗插入料堆的深度小，相应的插入阻力也小，容易装满，但运输行驶时容易撒料；由于前悬增大，影响车辆行驶平稳性。而深底铲斗则恰恰相反。根据设计要求，此装载机工作装置主要进行定点或短距离装载，所以选用浅底铲斗。斗体采用低碳、耐磨、高强度钢板焊接制成。

(2)切削刃的形状

根据装载物料的不同，切削刃有直线型[见图1-3(a)]和非直线型[见图

1-3(b)、

1-3(d)]。前者形式简单，有利于铲平地面，但铲装阻力大。后者有V形和弧形等，插入阻力较小，容易插入物料，并有利于减少偏载插入，但铲装系数小。

根据设计任务书要求，此工作装置需进行铲平工作，且工作条件相对良好，所以选用直线型切削刃。斗刃材质采用既耐磨又耐冲击的中锰合金钢材料．侧削刃和加强角板都用高强度耐磨钢材料制成。

(3)斗齿

铲斗斗刃上可以有斗齿．也可以没有斗齿，若斗刃上装有斗齿时，斗齿将先于切削刃插人料堆，由于它比压大(单位长度插入力大)，所以比带齿的切削刃易于插入料堆，插人阻力能减小20%左右，特别是对料堆比较密实、大块较多的情况，效果尤为显著。

斗齿结构分整体式和分体式两种，此铲斗的斗齿工作条件相对良好，磨损较轻，所以采用用高锰钢制成的整体式，直接焊接固定在铲斗斗刃上。

斗齿的形状和间距对切削阻力是有影响的。一般中型装载机铲斗的斗齿间距为250至300毫米之间。

(4)铲斗侧刃

因为侧刃参与插入工作，为减小插入阻力，侧壁前刃应与应与斗前壁成锐角，弧线或折线侧刃铲斗的插入阻力比直线侧刃要小。为了不使斗容减小太多，将侧壁刃口设计成折线。

(5)斗底

斗前壁与与斗后壁用圆弧连接，构成弧形斗底。为了使物料在斗中有很好的流动性，斗底圆弧半径不宜太小，前后壁夹角(铲斗开口角或张开角)不应小于物料与钢板的摩擦角的2倍，以免卡住大块物料。

1.2.3 铲斗的分类

铲斗按卸载方式一般可分为整体前卸式、侧卸式、推卸式和底卸式等数种。

(1)整体前卸式铲斗

图1-5所示的就是整体前卸式。它的突出优点就是结构简单，工作可靠，有效

装载容积大，，但需要较大的卸载角才能将物料卸净。