轮式装载机总体设计.doc

1前 言装载机属于铲土运输机械，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，它广泛应用于公路、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、机动性号、操作轻便等特点，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，减轻劳动程度，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。1.1轮式装载机国内外发展现状及趋势在经历了50-60年的发展后，20世纪90年代中末期国外轮式装载机技术已达到到相当高的水平。基于液压技术，微电子技术和信息技术的各种智能系统已广泛应用于装载机的设计，计算操作控制，检测监控，生产经营和维修服务等各个方面，使国外轮式装载机在原来的基础上更加精制，其自动化也得以提高，从而进一步提高了生产效率，改善了司机的作业环境，提高了作业舒适性，降低噪声，振动，排污量，保护了自然环境，最大限度的简化维修，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都达到了很高水平。产品形成系列，更新速度加快并朝大型化和小型化发展。如以卡特彼勒为代表的美国，以小松公司为代表的日本和装载机生产第三大集团西欧各厂家都加快推出多功能，全面兼顾动力性，机动性与灵活性的新产品。这些产品如美国克拉克公司生产的 675 型，功率达 1000kW，而日本东洋远搬株式会社生产的 310 型，斗容量仅为 0.11 立方米。此外，装载机还向高卸位，远距离作业方向发展，如JCB公司开发的伸缩臂装载机，小松公司也开发了能扩大作业范围的带伸出机构的装载机1。采用新结构，新技术，产品性能日趋完善。近年来开发的产品普遍采用了高性能 发动机和自动换档变速器，大流量负荷传感液压系统，前后防滑差速器，多片湿式盘式制动器，行走颠簸减震等先进技术，并综合液压，微电子和信息技术制造，并应用了很多智能系统。工作装置连杆机构推陈出新，各种自动功能更趋成熟，完善。我国轮式装载机起步较晚，其制造技术是陆续从美国、德国和日本等国家引进的。目前我国轮式装载机生产技术水平只相当于发达国家20世纪80年代的制造水平。虽然目前国内轮式装载机生产厂家群雄并立，并且有增无减，但国内的企业自主开发创新能力较弱，产品更新换代以适应市场需求的能力较差，不能及时适应市场的需求。在生产制造中，工艺装备水平和生产能力较低，造成关键零部件技术不过关，整机的可靠性，故障率，使用寿命，机电液一体化水平，外观质量，操作的灵活性和舒适性方面与先进国家产品相比差距较大。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，强化结构件的强度和刚度，以使整机可靠性得到提高。（3）优化系统结构，提高系统性能。（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。（5）提高安全性和舒适性。（6）降低噪声排放，强化环保指标。（7）广泛使用新材料、新工艺、新技术，特别是机电液一体化技术，提高产品寿命和可靠性。（8）最大限度的简化维修，尽量减少保养次数和维修时间，增大维修空间，普遍采用电子监视及监控技术，进一步改善故障诊断系统，提高排除问题的方法。现有的轮式装载机还有很大的的设计和改进空间，文献1-4重点对装载机的基本构造等进行了简要介绍。装载机是由许多总成和零部件组合起来的一个有机的整体, 整机技术性能的好坏是体现设计是否成功的主要标志。在现代建模技术发达的现代，基于proe和cad的装载机设计与动态模拟显示更好的使装载机性能，安全等方面大大加强，文献5-10对轮式装载机工作装置的现代设计理论与方法进行了系统、深入的专门研究，装载机工作装置优化设计的基础上, 对工作装置三维实体设计进行了探讨和研究,实现了装载机工作装置三维实体参数式交互设计, 建立了装载机工作装置三维实体设计系统。1.2设计方法及步骤本次设计说明书分为六部分，是对整个设计过程的描述和总结。第一部分：前言；第二部分：轮式装载机总体参数确定；第三部分：轮式装载机总体布置；第四部分：装载机稳定性设计；第五部分：轮式装载机工作装置设计；第六部分：液压系统设计。这次设计主要采用传统的以人工计算为主的设计方法，参照国内外现有成熟机型数据，从中选优，以便能更好的设计要求，本次设计的重点为总体设计，重点在总体参数计算，总体布置，和稳定性计算。由于本人水平有限，设计中必定存在不少错误，请同学和老师指正。2轮式装载机总体布置总体布置的合理与否，直接影响整车的使用性能与即使经济指标，是总体设计的主要任务之一。各部件在车上的布置基准的选择：选取前后车桥中心连线作为上下位置的基准；通过前桥轴线垂直地面的平面为前后位置的基准；邹游位置则以纵向对称轴线为基准2.1装载机总体布置原则1、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。2、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。3、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。2.2.发动机与传动系的布置发动机一般置于装载机后部，起着对前置铲斗中负荷的平衡作用，并增加装载机的稳定性。发动机是预选现成的，故主要尺寸均已知。根据载荷分配确定发动机相对后桥中心的前后位置，并参考同类型装载机的发动机布置来确定曲轴中心线相对车架上线的高度。发动机位置的布置要结合传动系各总成的结构和整机的使用要求全面考虑。发动机位置确定后，即可安排变矩器、变速器的位置然后确定传动轴数目。本设计采用变速箱独立布置，发动机与变矩器组成一体的方案。如图1-发动机 2-变矩器 3-变速箱图2.1发动机、变矩器、和变速箱的链接方式其特点是：1、各总成独立支撑，因而在某一部件发生故障时，可以在不影响其他部件的条件下拆卸，便于修理；2、发动机前后位置不受变速箱位置的影响，可向后移动，减少配重，有利于整车重量的合理分配；3、可根据不同机种配置不同的变矩器和变速箱，零部件通用性强，有利于组织专业化生产。2.3铰接点和传动万向节的布置铰接式装载机前后车架铰接点的位置对整机性能、运行阻力、转向阻力和稳定性均有显著影响。目前国外大多数装载机的铰接点均布置在轴距的中点，车辆行驶时，其前后轮的轨迹始终相同。其优点是：1、后轮始终沿着由前轮滚压过的车辙运行，减少了运行阻力，其车辙的转向半径最小，可通过狭窄，难走的地段。2、前桥内、外侧轮的转速和等于后桥内、外侧轮的转速和，当双轴驱动时，前后轴间无转速差，减少了轮胎的磨损。2.4工作装置布置工作装置布置在整车的前端，结合工作装置的设计要求确定动臂与车架铰点的位置。假如动臂长度不变，铰点布置向前，最大卸载距离大，但由铲斗中载荷作用的倾翻力矩增加，为减小此倾翻力矩而不减小载重量，一般将铰点向后布置，但最好不安排在驾驶室两侧或驾驶室之后，以免动臂举升时恰在驾驶员的两侧影响驾驶人员的安全性。动臂落在最低位置时铲斗位于前轮之前，不能与前轮干涉。动臂的最大举升与最低位置的夹角一般为90左右，此角度太大，特使最大卸载高度时的卸载距离急剧下降，同时动臂油缸与动臂铰点间的距离(力臂)也大大减小，使受力情况不利2.5驾驶室的布置为使驾驶员在作业时前方有良好视野，整体式车架驾驶室是布置在车架的前部。驾驶室布置在前车架后端。这种布置形式前方视野舱便于驾驶员铲挖作业，但后方视野较差。转向时驾驶员随前车架一起转动，铲斗始终在驾驶员的正前方，便于对准料堆和卸载卡车。由于驾驶它在全车的较前部，因此在铲挖时驾驶员受到的冲击较大，容易疲劳。另外因驾驶室在前车架上，而发动机、变速箱等均在后车架上，所以操纵机构一般只能采用电、气压或液压操纵。目前国外有少数装载机驾驶室是这样布置的。2.6转向系的布置及分类装载机的轴荷大，转向频繁，转向角度大，一般均采用动力转向。铰接式装载机转向所需功率均比整体式车架偏转车轮转向方式大（所需油泵流量大，作用力也大），故转向油缸均独立布置。但转向器与控制阀则有组成一体或分置的方案，前者结构进错，避免了由于中间传动环节的间隙引起的不稳定；后者可选用现有的转向器，并可使阀的布置位置比较机动。液压缸一般均采用二只，对称分置于车身二侧，一侧液压缸的小腔与令一侧液压缸的大腔相连，使左右转向时力矩变化均匀。转向液压缸的布置应保证下列条件：1、在转向过程中，各个零件不受碰撞和干涉；2、管要短，转向时管路变位小；3、压缸的摆角尽量小，以减少转向力臂的变化。转向液压缸在品面内支点的布置位置对转向力矩和转向运动轨迹有一定影响。如转向液压缸在平面内成外“八”字形布置（如图3-2）在前后桥轴荷相等和铰点前后桥距离相同的条件下，则前桥因作用的转向力矩大(力臂大)必将先行偏转。图2.2 转向油缸布置位置的影响轮胎式装载机的转向系：有偏转前轮转向和铰接式转向两类，偏转车轮转向又分为偏转前轮、偏转后轮、偏转前后轮三种。本设计采用偏转前轮转向前轮转向半径大于后轮转向半径，这样当前轮能从障碍物的内侧通过时，后轮也一定能从障碍物内侧通过，驾驶员可以利用前轮估计后轮避开障碍物，有利于安全行驶。在整体车架的车辆上，多采用偏转前轮的转向系。但是对装载机来说，由于工作机构布置在前端，转向机构的布置，受到前部空间的限制；又因为装载机的前轮负荷大、转向阻力大、所以，转向机构不易布置在前轮上。只有沿用其它车辆的前轮转向的底盘时，才采用偏转前轮转向。故前轮与后轮轨迹相同，可以减小在劣路上的行驶阻力，并且前轮能通过的狭小地段，后轮也能顺利通过。整体式车架采用偏转车轮转向，装载机重载时前桥负荷比后桥大，所以多采用后轮转向。第二种方案比第一种结构复杂，尤其是要保证前转向轮与动臂不发生干涉，因而也给总体布置方而带来一定困难。在布置转向车轮时应保证它的周围有一定的空间，在任何转向角时车轮都不与周围的零部件相碰，尤其是在最大转向角时不能与车架相碰。转向梯形可布置在桥的前部或后部。2.7装载机的轴荷分配在初步布置各总成、部件在车上的位置后，必须进行前后桥轴荷的估算，以校验轴荷的分配是否合理。轴荷分配是否合理，直接影响装载机的很多实用性能，如牵引性，通过性和稳定性，另外还会影响零部件尺寸选择和强度计算。也只有知道了轴荷分配的数据，才能正确地选择轮胎规格。装载机在空载和满载时，前后桥的轴荷分配比例变化甚大，在铲掘作业时，甚至能使后轮抬起，前桥承受整机全部载荷，因而需要确定前后桥合理的轴荷分配比例，以最小的机重获得整机最好的使用性能。对轴荷分配的要求：1、证驱动桥上有足够的附着重量，以获得所需的牵引力。轴荷分配不合理。则轴荷过大者因零部件经常超负荷二损坏；轴荷过小者则轮胎易打滑，发挥不出牵引力。特别是对于单轴驱动的装载机更需保证足够的驱动轮压。2、证整机的稳定性。轴荷分配要兼顾到装载机在空载和满载时的纵向及横向稳定性。3、证转向轻便。对于采用后轮偏转转向的装载机，如空载时后桥轴荷过大，将使转向沉重；对于铰接式装载机轴荷分配将影响车辆转向的运动轨迹。4、每个轮胎的负载能力得到充分的应用，并使各轮胎的使用寿命大体接近。轮式装载机的前桥如果轴荷过大，则纵向稳定性大，轮胎超载过大会影响轮胎寿命。后桥轴荷过大，虽然有利于纵向稳定性，但往往增加了机重，并使横向稳定性下降。综合考虑上述要求，整体车架轮式装载机的轴荷分配大体是:空载时，前桥占整机重量3540%，后桥占整机重量6065%；满载时，前桥占整机重量6065%，后桥占整机重量3540%；2.8车架车架是安装总成、部件的基础。装载机车架可分为整体式车架和铰接式车架两类，本设计采用铰接式车架。如图图2.3 铰接式车架它由前车架和后车架两部分组成，两者间用垂直铰销在D处相联，增加上下铰销的距离可改善铰销的受力状态，另外采用球铰结构可使受力情况得到好转，图示为上铰销的结构，它是铰接式装载机上采用的一种球铰形式。前车架在A处固定前桥，前车架上焊有悬挂工作装置的支架，前车架的上端是动臂铰点E下端是动臂油缸铰点F，因E、F两点距离较大，所以前车架在CC处以纵向中心销与副车架B相铰接，后桥固定在后车架B上。图2.4 上铰销装载机车架结构的设计，可参照同类装载机结构进行，E、F点的位置有工作专职设计所决定。车架的强度计算很复杂，一般采取对已有的样机进行强度试验，以确定是否足够，将强度不够处加强。这种方法设计的车架比较可靠。3轮式装载机总体参数确定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。装载机的作业阻力主要是插入阻力、掘起阻力和转斗阻力矩。3.1.1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，由实验得知，随着铲斗插入料堆深度的增加，经试验研究得到的下列公式可用来确定插入阻力： （3.1）-铲斗插入阻力（N）铲斗宽度(cm)铲斗插入料堆深度（cm）考虑物料块度大小、松散程度的系数；如松散程度较差，上述各值应增大2040%；对于小颗粒物料（如砾石等），=0.75；对于粉状物料（如砂等），=0.45-0.5-考虑物料种类的系数（见表2-2）（详见参考资料一70页）-考虑物料高度的系数（见表2-3）-考虑铲斗形状的系数；它综合考虑斗侧壁、斗底与地面倾角、前刃形式和斗齿的影响，一般在1.2-1.8之间，其中对于前刃不带齿的斗，取值较大3.1.2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和铲斗宽度所决定的矩形面积上的物科所决定。铲斗开始提升时的铲起阻力N可按下式确定： （3.2）铲斗开始提升物料时的剪切阻力（kN/m）铲斗插入科堆深度(m)；铲斗宽度(m)；剪切阻力需通过实验确定，如对于块度100-300mm的已松散岩石的平均剪切阻力可取为35（kN/m）3.1.3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；具有最大值以;而当铲斗继续回转时，的数值迅速减小，回转到值时，即铲斗底板前线开始离开料堆坡面，这时静阻力矩为。，仅由铲斗中物科重量决定。翻起铲斗的静阻力矩肥；随铲斗翻转角的变化，表示开始转斗时刻的静阻力矩，这时铲斗翻转角，表示铲斗离开科堆时静阻力矩，这时铲斗翻转角。根据实验，最大静阻力矩可用下式计算： （3.3）式中铲斗开始翻转时的插入阻力； l铲斗回转中心O点离斗刃的水平距离（m），如图3.1 h铲斗回转中心O点与地面的垂直距离（m），如图3.2 图3.1 转斗静阻力矩与铲斗转角之间关系 图3.2 转斗静阻力矩的确定在翻转铲斗时，除作用有物料的静阻力矩外，还作用有铲斗自重所引起的阻力矩，故开始翻转铲斗时的总阻力矩为： （3.4）式中 铲斗重心到回转中心的水平距离（m）如图3.23.2装载机总体参数确定1柴油机 2变矩器 3工作泵 4铰接销 5转斗油缸 6动臂 7拉杆 8铲斗 9车架 10驱动桥 11动臂油缸 12前传动轴 13转向油缸 14变速箱 15后传动轴 16配重图3.3 轮式装载机总体结构示意图已知参数：额定功率：29kw整机自重：3200kg额定载重量：1200kg斗容量：0.61、额定载重量Q一般常用它作为划分装载机等级的主要参数，因为它比较直观的反应了装载机的生产能力。装载机常与运输车辆配合作业，因而装载机额定载重量的选定应与相配套的运输车辆的载重量相适应。根据统计分析，推荐装载机以25斗装满一卡车比较合适，斗的装载量过大，卸载时物料对运输车辆的冲击较大，影响车辆寿命，并且物料也易撒落到车厢外面。斗的容量过小，则装车时间过长，使运输车利用率下降，运输成本提高。在确定额定载重量时，应与装载机系列标准相一致Q=1.2t=11.76（kN）2、额定斗容量 它长与额定载重量一起作为主要参数，装载机的额定载重量确定后，可按下式计算斗容量= （3.5）式中：额定载重量 物料的容量（kN/）由上式可得=11.76/0.6=19.6 （kN/）3、装载机的操作重量装载机作业时要发挥大的插入力，必须要求机器有足够的自重，增加附着重量能改善机械的附着性能，但机器自重增加，将会导致装载机运行阻力变大，动力性能变差，材料和燃料消耗增加，轮胎寿命缩短，以及造价提高。对于一般土壤，如附着重量过大，当其比压超过某一极限而破坏土壤结构时，甚至使附着性能反而变差，因此在保证一定附着牵引力的前提下尽量使机器的自重降低。具有同样作业能力和寿命的机器，其自重越小，往往说明其总体布置、材料利用和部件设计的合理性，一般可用单位自重功率（）或单位斗容量（）来反映，它是机械技术性能的重要比较指标之一。装载机是在行进中插入料堆的，如不计惯性力影响，装载机在水平地面欲克服插入阻力所需要的牵引力为： （3.6）牵引力的最大值受地面附着条件限制，可以列出下式 （3.7）式中：附着力。附着系数(见文献1表1-1和1-2)滚动阻力。=ff滚动阻力系数（见文献1表1-1、1-2）将式2带入1，即可求得装载机为克服最大插入阻力所必须之附着重量= （3.8）带入数据得=3200100.5=16（KN ）对于全轮驱动装载机，附着重量即为装载机自重4、牵引力当装载机沿着平坦地面匀速前进时，铲斗插入料堆的作用力即是装载机的牵引力。牵引力大，说明装载机插入料堆的能力强。爬坡和加速性能好，因而可以说短作业循环的时间，增加生产效率。但是牵引力受附着条件的限制，如果设计所选择的牵引力过大，则机器在作业中因附着力的限制，即发挥不出来所需的牵引力，反而使轮胎由于经常处于划转状态而加速磨损，无益的消耗功率，因而牵引力的选取应与装载机的附着条件相适应，并且使之与行走机构的额定滑转率一致，以或得较好的经济效果。设计应使装载机在水平地面以第一档工作速度工作时，发动机与变矩器最佳工况的匹配点所相应的牵引力等于额定滑转率,即：= （3.9）由底盘设计可知= （3.10）根据统计轮式装载机=0.45-0.55之间，在这里去0.5代入数据得=3200×10×0.5=16 (KN)5、掘起力它是作用在铲斗刀刃上的垂直力，其最大值由整机稳定性所限制。在初步确定装载机自重和轴荷分配的基础上，如已知在铲掘位置时，铲斗刀刃离前轮接地点之距离，则根据整机平衡，即可求得最大掘起力的值。装载机的作业时依靠牵引力和掘起力的协同配合，特别是用作挖掘和矿场的剥离工作时，作业阻力甚大，多采用复合铲掘法，以降低作业阻力，这就需要有足够的掘起力与之配合，因而，铲起力常作为装载机的重要性能参数。掘起力由转斗液压缸和提臂液压缸的作用力产生，一般要求掘起力大于二倍的额定载重量。在本设计中采用比切入力300，比掘起力2006、发动机功率装载机作业时，发动机净功率消耗于两部分，即牵引力功率和驱动液压泵功率牵引力功率是由发动机经传动系驱动装载机行驶的功率。可按下式计算：= （3.11）式中：额定轮缘切线牵引力（N）=,值按2-10式计算，滚动阻力其值为Gfcos 装载机插入料堆的理论作业速度，轮式取3km/h 传动系总效率，液力机械传动：取=0.75带入数据得：=16+3200×10×0.06=161920 N由此可得=kw7、档位和车速本设计轮式装载机各档速度取值如下：前进档速度取3km/ 对于液力机械传动，它是相应于变矩器最高效率工况时的理论作业速度。超过以上速度驾驶员来不及操纵，反而延长铲斗装满时间，增加驾驶员疲劳，降低生产效率。前进档速度取10km/h。运输档由于装载机车架一般均非弹性悬挂，车速不益过高，最高车速小于40km/h倒档为缩短作业循环时间，一般要求作业时的回程速度比前进速度高25-40%，故后退档选取12km/h8、铲斗提升和下降时间的确定减少铲斗升降和转斗时间，可以缩短作业循环时间，提高生产率。为了使得装载机在装满料后行驶之载重车的时间内，铲斗能提升到所需卸载的高度，以缩短作业时间，铲斗提升时间应小于或等于装载机作业时的平均工作路程所需的行走时间，它受到作业油泵容量的限制，一般取69秒。铲斗下降时间受动臂下降停止冲击和液压缸上腔产生真空的限制，一般取46s9、轴距和轮距轴距和轮距的大小直接影响装载机很多实用性能，是总体设计中的重要参数，一般是参考同类型的机器初选，并通过绘制总体布置草图加以确定。（1） 轴距它的改变会影响以下几方面的整车性能A. 影响前后桥的轴荷分配，当各总成相对前轴的位置不变时，轴距的改变会使前后轴上的载荷发生变化。B. 影响装载机的纵向稳定性。轴距增大，有利于提高整车的纵向稳定性。C. 影响最小转弯半径。轴距增大，最小转弯半径增加。D. 影响装载机的自重。轴距增加，车架、传动轴等零件相应加长，装载机自重必然增加。此外，轴距的改变，还会影响车架受力和整机的通过性。（2） 轮距现代装载机前后轮胎大多采用同一规格，其轮距也相同。轮距增加，可以提高整机横向稳定性，但最小转弯半径将增加，影响机动性。除采用滑移转向方式的装载机外，设计中应尽可能减少轮距，它往往受动力传动系结构布置所限制。10、最小离地间隙它是指机器最低点离地面距离，标志装载机无碰撞的越过石块、树根等障碍物的能力，轮式装载机其最低点事变速箱或动臂油缸下支点，要求离地面间隙大于350mm。11、最大卸载高度和相应的卸载距离根据装载机的结构形式和与它相配合的运输车辆来确定。为了保证装于运输车辆中的物料在运输过程中不至于掉落，要求物料在车箱中堆高的自然倾角为30°；为了使铲斗能把物料均匀的卸载车箱里，要求铲斗卸料时其斗刃离车箱壁不小于13B,如下图：图3.4 最大卸载高度根据上述要求，所需最大卸载高度可由下式求得=2500 （3.12）式中: 运输车辆车箱侧壁离地面高度（mm） B车箱宽度（mm）。必需的卸载距离由下式计算S=1/3B+b式中：b根据安全作业，卸载时装载机前端与运输车辆之间所保持的必要距离。取b200-400mm12、装载机中心位置的确定用实验的方法测出中心位置，首先测出装载机的轴距L和它的使用重量W，在测出前桥负荷，然后将后轮举起一个小的高度，再测定前桥负荷，此时前轮的支反力的合力用表示。则装载机的中心位置可又下式表示： （3.13）装载机在不同的工作位置时重心位置也不相同，因此，应跟实验测得以上数据，本设计在水平地面时候代入数据得=1500 =12004轮式装载机的稳定性装载机的稳定性是指装载机在作业中和运行中抗倾翻的性能，它是确保机器安全及正常工作的重要衡量指标。装载机应有合适的稳定性，若稳定性差，将限制机器的作业速度和工作范围。影响总也生产率，危机人员安全，严重时还可造成翻车事故。但机器的稳定性过分好，则会增加机器的自重，并使机器常在超负荷的条件下工作，易使零部件过早损坏。装载机的稳定性，分为纵向稳定性和横向稳定性。通常用如下指标来衡量机器的稳定性：4.1稳定性系数装载机在作业中受有两种力矩的作用，一类是使机器发生倾翻的力矩，如装载机的物料重量、惯力性、坡度等产生力矩；一类是使装载机保持稳定的力矩，如机器自重所产生的力矩。如果作用在装载机上的倾翻力矩大于稳定力矩，则机器就会丧失稳定性发生倾翻。装载机稳定程度可用稳定力矩和倾翻力矩的比值表示，该比值即成为稳定性系数： （4.1）要使装载机不发生倾翻的必要条件是>1。图2-42表示即为轮式装载机满载、动臂最大外伸，机器停在水平位置时候的工况，则： （4.2）式中：铲斗中物料的重量（额定载重量） L动臂最大外伸时载荷中心离前轴的距离； C装载机的使用重量； 装载机的重心离前轴的距离。为确保机器的稳定，考虑作业时候的动载荷影响和地面的凹凸不平，按照规定，上述工况的值应大于或等于2.对铰接式装载机则应保证在最大折腰角时满足上述条件。带入数据C=3.2t Q=1.2t =1500 =2000代入数据得>2所以装载机的稳定性得以确保4.2稳定度装载机的倾翻是因为作用在机器上的合力超过支承面发生的。如图2-43所示，G为作用在装载机上的合力作用点，A为前轮接地点，连接GA，过G点作地面垂线GE得<AGE=。如果合力（包括自重、惯性力等）的作用线在支承界限A以内，即作用角小于，则机器必绕A点前发生倾翻；如果机器的合力作用线恰好通过GA线，则机器处于临界稳定状态，即称为稳定角，亦可用坡度（%）来表示 （4.3）称为稳定度，它是稳定力臂与中心高度得比值。分为纵向稳定度和横向稳定度：纵向稳定度：=1.25横向稳定度：=5轮式装载机工作装置设计5.1 工作装置结构分析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。由动臂、动臂油缸、铲斗、转斗油缸、摇臂、连杆及车架相互铰链而成的机构，在装载机工作时需要保证：当动臂处于某种作业位置不动时，在转斗油缸的的作用下，通过连杆机构使铲斗绕其铰接点转动；当转斗油缸闭锁时，动臂在动臂油缸的作用下提升或下降铲斗过程中，连杆机构应该能使铲斗在提升过程中保持平动或与地面的夹角变化控制在很小的范围，以免装满料的铲斗由于铲斗倾斜而使物料洒落；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，提高生产效率。装载机的工作装置的结构形式分为有铲斗托架和无铲斗托架两种。有铲斗托架的工作装置其动臂和连杆的后端与车架的支座铰链，动臂和连杆的前端与铲斗托架铰链，托架上部铰油缸，其活塞杆几托架下部与铲斗铰接。当托架、动臂、连杆及车架支座构成的是平行四连杆机构，则在动臂提升、转斗油缸闭锁时，铲斗始终保持平动，斗内物料不会洒落。无铲斗托架的工作装置，结构比较简单，同时，由于转斗油缸及铲斗都是直接铰接在托架上，所以铲斗的转动角较大。但是，动臂前端的较重的托架减少了铲斗的载重量。根据摇臂、连杆数目及铰接位置的不同，可组成不同形式的连杆机构，铲斗的铲起力P随铲斗转角a的变化关系，倾斜时的角速度大小以及工作装置的运动特性也不同。因此，装载机工作装置的结构形式的选择，既要考虑结构简单，也要考虑作业性质和挖掘方式来确定。本设计采用无铲斗托架结构。1-铲斗；2-托架；3-铲斗液压缸；4-连杆；5-动臂；6-动臂液压缸；7-摇臂图5.1(a)有铲斗托架式；（b）无铲斗托架式5.2铲斗设计(1)铲斗结构形式的选择铲斗是直接用来切削、收集、运输和卸出物料，装载机工作时的插入能力及铲掘能力是通过铲斗直接发挥出来的，铲斗的结构形状及尺寸直接影响装载机的作业效率和工作可靠性，所以减少切削阻力和提高作业效率是铲斗设计的主要要求。铲斗是在恶劣的环境下工作承受很大的冲击载荷和剧烈的磨损，所以要求铲斗具有足够的强度和刚度，同时要耐磨。根据装载物料的容重，铲斗做成三种类型：正常斗容的铲斗用来装载容重1.41.6吨/米的物料（如砂、碎石、松散泥土等），增加斗容的铲斗，斗容一般为正常斗容的10.8，用来装载斗容重大于2吨/米的物料（如铁矿石、岩石等）。用于土方工程机械的装载机，因作业对象较广，因此多采用正常斗容的通用铲斗，一般适应铲装不同物料的需要。铲斗切削刃的形状根据铲掘物料的种类不同而不同，一般分为直线型或非直线型两种。直线型切削刃简单并利于地面刮平作业，但切削阻力较大。非直线型切削刃有V型和弧型等，装载机用的较多是V型斗刃。这种切削刃由于中间突出，在插入料堆时，插入力可以集中作用在斗刃中间部分，易于插入料堆；同时减少“偏载切入”有一定的效果。但铲斗的装满系数要小于直线型斗刃的铲斗。装有斗齿的铲斗，在装载机作业时，插入力有斗齿分担，形成较大的比压，利于插入密实的料堆疏松物料，便于铲斗的插入，斗齿磨损后容易更换。因此，对主要用于铲装岩石或密实物料的装载机，其铲斗均装有斗齿。用于插入阻力较小的松散物料或粘性物料，其铲斗可以不装斗齿。（a）直型斗刃铲斗（b）V型斗刃铲斗(c)直型带齿铲斗（d）V型带齿铲斗图5.2 铲斗结构形式斗齿的形状对切削阻力的影响：对称齿型的切削阻力比不对称的大；长而狭窄的齿比宽而短的切削阻力小。弧线型侧刃的插入阻力比直线型侧刃小，但弧线型侧刃容易从两侧泄漏物料，不利于铲斗的装满适宜于铲装岩石。对主要用于土方工程的装载机，在设计铲斗时要考虑斗体内的流动性，减少物料在斗体的移动或滚动阻力，同时要有利于在铲装粘性物料是有良好的倒空性。铲斗底板的弧度(圆弧半径，见图)越大，铲掘时泥土的流动性越好，但对于流动性差的岩石等，则应将底边加长而弧度减小，使铲斗容积加大，比较容易铲取。但是当底边过长，则铲斗的铲起力变小，且铲斗插入料堆的插入阻力与刃口的插入深度成比例的急剧增加，如图所示。相反，如底边短，不但铲斗的铲起力大，而且卸载时，斗刃口的降落高度小，也易于将物料卸净。因此，铲斗转铰销的位置以近于刃口处为好。本设计采用之行带齿铲斗，基本构造如图：1-斗齿 2-主刃板 3-加强板 4-斗壁 5-加强板 6-侧刀板 7-侧板 8-加强板 9-档板 10-角钢 11-上支承板 12-连接板 13-下支承板 14-销轴 15-限位挡块图5.3 铲斗构造5.3铲斗容积 铲斗基本参数的确定：铲斗宽度应大于装载机轮胎宽度，每侧为mm，以便保护轮胎侧壁，减少行使阻力。在确定铲斗各部分尺寸时，一般把铲斗的回转半径R作为基本参数。着是因为它直接影响铲斗前壁的长度，前壁长度的铲斗要求插入深度大，插入力大，卸载时所占的高度空间大，而且直接影响铲斗铲取力和斗容的大小。 （5.1）式中 ： 几何4容量(图318小所示阴影断面)，由设计任务书给定(米)B。铲斗内侧宽度(m)；铲斗斗底长度系数，通常1.4-1.5，图5.4 铲斗斗型计算后斗壁长度系数，通常1.1-1.2，挡板高度系数，通常0.12-0.14；斗底和后斗壁直线间的圆弧半径系数，通常0.35-0.40；挡板与后斗壁问的夹角，通常rl5-10；斗底和后斗壁间的夹角，通常r。48-52， (有推荐55-65)代入数据得=836-1008mm选取=850斗底长度Lg是指由铲斗切削刃到斗底与后斗壁交点的距离：=1190-1275 （5.2）后斗壁长度是指后斗壁上缘到与底相交点的距离： =935-1020 （5.3）挡板高度：=102-119 （5.4）铲斗圆弧半径： =297.5-340 （5.5）铲斗与动臂铰销距斗底的高度： =51-102 （5.6）铲斗侧壁切削刃相对于斗底的倾角。在选择时，挡板的夹角为90。5.4动臂铰点位置和动臂长度的确定动臂长度决定于动臂与机架的铰点位置和动臂与铲斗的铰点（简称动臂下铰点）的位置。动臂下铰点在动臂举升最高时的位置由所需的最大卸载高度和相应的卸载距离S确定。动臂下铰点在动臂下落时的位置则应尽量靠近轮胎，以减少对倾覆的力臂，缩短整机总长，但应保证铲斗上翻时，斗与轮胎有一定间隙。动臂的上下铰点位置确定后，就可以用计算或作图法确定动臂长度。5.5连杆机构类型的选择转斗油缸后置式反转六杆机构这种机构有两大优点：（1）转斗油缸大腔进油时转斗，并且连杆系统的倍力系数能设计成较大值。所以可以获得相当大的铲取力；（2）恰当地选择各构件尺寸，不仅能得到良好的铲斗平动性能，而且可以实现铲斗自动放平。这是其它6种工作机构所望尘莫及的。 此外，结构十分紧凑、前悬小，司机视野好也是此种机构的突出优点。缺点足摇臂和连杆布置在铲斗与前桥之间的狭窄部位，容易发生构件相互干扰。5.6工作装置结构设计根据装载机的用途、作业条件及技术经济指标等拟订的设计任务书的要求，选定了工作装置结构形式以后，可开始进行工作装置的结构设计。1-铲斗 2-托架 3-转斗油缸 4-连杆 5-动臂 6-动臂油缸 7-摇臂图5.5 工作装置结构5.7动臂强度的校核根据计算工况及受力分析，即可