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1、 . . . 履带式装载机的工作机构设计1 绪论1.1 装载机概述1.1.1 装载机简介 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。它广泛用于公路、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、机动性好、操作轻便等优点，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，减轻劳动强度，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。1.1.2 装载机的主要技术性能参数标志装载机的主要技术性能参数有铲斗容量、额定载重
2、量、发动机额定功率、整机质量、最大行驶速度、最小转弯半径、最大牵引力、最大掘起力、最大卸载高度、卸载距离、工作装置动作三项和等。铲斗容量：一般指铲斗的额定容量，为铲斗平装容量与堆尖部分体积之和，用 m3 表示。额定载重量：指在保证装载机稳定工作的前提下，铲斗的最大载重量，单位为 kg 。发动机额定功率：发动机额定功率又称发动机标定功率或总功率，是表明装载机作业能力的一项重要参数。发动机功率分为有效功率和总功率，有效功率是指在29C 和746mmHg（1mmHg=133.322Pa）压力情况下，在发动机飞轮上实有的功率（也称飞轮功率）。国产装载机上所标有的功率一般指总功率，即包括发动机有效功率和
3、风扇、燃油泵、润滑油泵、滤清器等辅助设备所消耗的功率。单位为 kw。整机质量（工作质量）：指装载机设备应有的工作装置和随机工具，加足燃油，润滑系统、液压系统和冷却系统都加足液体，并且带有规定形式和尺寸的空载铲斗和司机标定质量（75kg3kg）时的主机质量。它关系到装载机使用的经济性、可靠性和附着性能，单位为 kg 。最大行驶速度：指铲斗空载，装载机行驶于坚硬的地面上，前进和后退各档能达到最大速度，它影响装载机的生产率和安排施工方案，单位为 km/h 。最小转弯半径：指自轮胎中心或后轮外侧或铲斗外侧所构成的弧线至回转中心的距离，单位为 mm 。最大牵引力：指装载机驱动轮缘上所产生的推动车轮前进的
4、作用力。装载机的附着质量越大，则可能产生的最大牵引力越大，单位为 kN 。最大掘起力：指铲斗切削刃的底面水平并高于底部基准平面20mm 时，操纵提升液压缸或转斗液压缸在铲斗切削刃最前面一点向后100mm处产生的最大向上铅垂力，单位为 kN 。最大卸载高度：指动壁处于最高位置，铲斗倾角为45时，从地面到斗刃最低点之间的垂直距离，单位为 mm 。卸载距离：一般指在最大卸载高度时，从装载机本体最前面一点（包括轮胎或车架）到斗刃之间的水平距离，单位为 mm 。工作装置动作三项和：指铲斗提升、下降、卸载三项时间的总和，单位为 s 。1.1.3装载机的用途装载机是一种用途十分广泛的工程机械，可以用来铲装、
5、搬运、卸载、平整散装物料，也可以对岩石、硬土等进行轻度的铲掘工作。此外，还可以进行刮平地面和牵引其他机械等作业。换装相应的工作装置，装载机还可以进行推土、起重、装卸木料或钢管等作业。1.1.4 装载机的分类装载机一般按以下特点来分类：(1)按行走装置不同分按行走装置不同可以分为轮胎式和履带式两种。由于国产履带式装载机多是在推土机基础上形成及国外使用和生产的绝大多数是轮胎式装载机，又因为这两类装载机除了行走装置不同外，其他系统和构造大体相似，所以本次设计也以轮式装载机为目标。轮胎式装载机简称为轮式装载机，它由车架、工作装置、动力装置、行走装置、传动系统、转向系统、制动系统和液压系统等组成。(2)
6、按使用场合不同分类按使用场合不同可以分为露天用装载机和井下用装载机（铲运机）。铲运机机构简单，国外生产和使用的装载机绝大多数是露天轮式装载机，井下用铲运机是根据井下巷道的工作条件，对发动机的排污和噪音，整机高度和工作装置以及驾驶操作系统的布置等提出特殊要求后，在露天使用的装载机基础上变形设计而成的。(3)按传动形式不同分类按传动形式不同分类可以分为：机械传动、液力机械传动、液压传动和电传动四种。(4)按装载方式不同分类按装载方式不同可以分为前卸式、后卸式、侧卸式和回转式。轮式装载机基本上都是前卸式。(5)按转向方式不同分类 (6)按转向方式不同可以分为整体式和铰接式。前者利用偏转后轮或前轮转向
7、，或者同时偏转前后轮，后者采用铰接车架，利用前后车架之间的相对偏转进行转向。国产ZL系列轮式装载机大多数采用铰接式结构。图1-1为现场中的装载机。 图1-1 ZL50 B型装载机1.2 装载机技术的发展在经历了5060年的发展后，到20世纪90年代中末期国外轮式装载机技术已达到相当高的水平。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之上更加“精致”，其自动化程度也得以提高，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，降低了噪音、振动和排污量，保护了自然环境，最
8、大程度的简化维修、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的水平。1.2.1 国外装载机发展现状(1)产品形成系列，更新速度加快并朝大型化和小型化发展产品的系列化、成套化、多品种化成为主流。为了适应市场需求，各厂商加快了产品的更新换代，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，以满足不同用途用户的需求。此外，装载机的大小规格向两头延伸，以适应大型露天煤矿或金属矿和狭窄施工场所，如仓库、货栈、农舍、地下等场所的装载作业。这些产品如美国克拉克公司生产的675型，功率达100
9、0 kW ， 而日本东洋远般株式会社生产的310型，斗容量仅为0.11m3 ，功率为9.8kW。此外，装载机还向高卸位、远距离方向发展。如JCB公司开发了收缩臂式装载机，小松公司开发了能扩大作业围带伸缩机构的装载机。(2)采用新结构、新技术，产品性能日趋完善近年开发的产品普遍采用了高性能发动机和自动换挡变速器、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、行走颠簸减振先进技术，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出新，各种自动功能更趋于成熟、完善。()发动机节能化为了解决高作业效率与低燃料消耗的矛盾，近年来开始采用发动机管理系统。发动机管理系
10、统也称自动控制系统、电脑控制系统等，是电子计算机在工程机械中的应用之一。它能及时的根据装载机的工作负荷要求去调节发动机的输出功率，使装载机更有效的利用发动机的性能和动力。减少了动力损失，节约燃料，减少排气量和噪音，同时可使发动机长期在额定点工作，增加发动机的使用寿命。如卡特彼勒公司994D型装载机采用的新一代Cat3516柴油发动机就安装了有HEUI（电液控制的燃油喷射）装置以及ADED（先进的柴油机管理）系统，可根据外载荷的大小有效地控制发动机的功率和转速，从而降低燃油消耗和尾气的排放，减少噪声。马拉松勒图尔勒公司的L系列大型装载机则采用电脑控制的柴油机-电子驱动系统，4个驱动轮同时又充当制
11、动器，其输出功率可以反馈到交流电机和柴油机，使转速提高，从而提高工作效率，使牵引效率高达77%（普通装载机为60%左右），此电脑控制系统能监控装载机的整个作业过程，在最大车速围使发动机的输出功率最大化。()传动机构平稳化以卡特彼勒公司为代表的轮式装载机采用液力机械传动系统，其G系列装载机采用电子自动换挡控制，可以自动选择档位传动比，使换挡在变速箱最佳效率点进行。换挡离合器则采用电子压力控制，行驶和换挡过程平稳，提高了生产率，延长了元件的使用寿命。小松公司WA系列中的小功率轮式装载机采用液压机械传动和新型集中结构驱动桥。它将主传动、制动器和行星轮式终传动都集中在桥的中部，桥壳断面变化连续、平缓、
12、应力分布合理，从根本上防止因传动结构桥壳在轮边支撑轴段应力集中发生断裂。轮端采用浮动密封结构，安装简便，有自动补偿功能，密封性好。小松公司的全动力换挡变速器带有自动换挡开关，提高铲掘和装载作业过程中的牵引力，可以保证全功率进行装载作业。新型的可调离合器系统，能精确的控制行驶速度，驱动功率可以在20%100%之间选择。凯斯C系列装载机配有新型臂力换挡变速器、防滑差速器、多片湿式盘式制动器以及电子停车制动器。迪尔H系列小功率装载机为静压传动，可以实现全程围的无级变速。中型以上的装载机采用由计算机控制动力换挡的单级单相液力机械传动，在任何情况下可以实现平稳换挡。快速换挡按钮可以使司机在1 4挡或2
13、4挡之间自动切换，变速和换挡由一根操纵杆集中控制。HST渐移式踏板可在保持发动机转速和液压系统流量的同时无限降低行驶速度。行车制动器为液压驱动自由调节双盘式制动器。马拉松勒图尔勒公司的轮式装载机采用柴油机-发电机-电动轮传动，比液力机械传动系统简单。在整个作业过程中柴油发动机以恒定转速运转，减少燃油消耗，延长发动机寿命。无变速箱、传动轴等许多部件，提高了传动效率，操作维修方便，低费用。独立电动牵引马达为固态控制，反应迅速，减少车轮打滑和轮胎过度磨损。设置了电动缓行器不用工作制动停机，装料对位准确。整机重心低，行驶稳定性好，可靠性高。()液压系统多级化为了满足铲掘能力和快速卸载两方面的要求，装载
14、机工作装置多采用多级液压系统。例如小松公司的WA450型装载机设有一只转换泵，切入料堆装载时切断阀自动使该泵卸载，通向工作装置的流量减少，使发动机功率更多的通过变矩器传给车轮，增加牵引力。该动臂举升时候，转换阀接入，以提高举升速度。卡特彼勒公司的G系列装载机采用高效大流量工作液压系统，负荷传感转向液压系统，使所需要的转向功率减少了8%，提高了作业效率和燃油经济性。大缸径转向液压缸使转向更灵活。此外，公司可根据个人喜好，在命令控制转向及电子-液压工作装置控制以及传动转向控制及先导式液压工作装置控制两种方式中进行选择。小松公司的WA系列采用双回路大流量液压系统，增大挖掘力并降低工作循环时间，提高燃
15、油效率。液压驱动湿式多片制动器，可以避免气制动时由于水和冷凝引起的冻结和锈蚀，提高系统灵敏度。变输出液压系统可以最大限度的利用发动机的功率，提高生产率。()工作装置多样化20世纪90年代中末期以来，装载机的工作装置已经不再采用单一的Z形连杆机构，卡特彼勒公司在继IT综合多用机上开发出八杆平行举升连杆机构之后，又在其992G、924G等轮式装载机上采用了单铸钢动臂的所谓Versa连杆机构，可承受极大的扭矩载荷，具有卓越的可靠性耐用性及和平行举升机构类似的作业性能。工作装置能以水平位置提升或降下放在托板上的物料，可以配用多种作业装置，最大限度的减少司机由地面到最大高度对铲斗倾角的调整，前面视野更加开阔。沃尔沃公司在L500-L220D等D系列装载机上推出了该公司的专利产品-扭矩平行连杆机构（TP），在铲斗的整个举升循环中可以提高更大的倾翻力矩以及举升能力，这保证装载机不仅在配用铲斗时，而且在配用叉、吊等其他工作装置时都具有良好的作业能力。德国O&K公司为其小型装载机设计有Lear连杆；Schaff公司于2000年3月在Intermat 展览会上推出了具有可折叠式新型连杆机构的高卸位式SKL873型轮式装载机等，进一步增加了装载机工作装置的种类，提高了其作业的多用性和适应性。图1-2为现场装载机的工作装置。 图1-2 工作装置()操控系统智能化当前，装载机发展的一个重要特
