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1、第1章 轮式装载机概述装载机是一种广泛用于公路、铁路、矿山、建筑、水电、港口等工程的土石方工程机械，他的作业对象主要是各种土壤、砂石料、灰料及其他筑路用散状物料等，主要完成铲、装、卸、运等作业，也可以对岩石、硬土进行轻度铲掘作业。如果换不同的工作装置，还可以完成推土、起重、装卸其他物料的工作。在公路施工中主要用于路基工程的填挖，沥青和水泥混凝土料场的集料、装料等作业。由于它具有作业速度快，机动性好，操作轻便等优点，因而发展很快，成为土石方施工中的主要机械之一。装载机一般可按以下特点来分类。按行走装置的不同可分为轮胎式和履带式；按机架结构形式的不同可分为整体式和铰接式；按使用场所的不同分为露天用
2、装载机和井下用装载机。按发动机功率分为；小型（74kw）、中型（74-147kw）、大型（147-515kw）、特大型（515kw）。按传动形式分为；机械传动、液力机械传动、液压传动、电传动。按行走结构分为；轮胎式装载机；（1）铰接式。（2）整体式车架装载机。和履带式装载机。按装载方式分为；前卸式、回转式和后卸式。国产装载机的型号一般用字母Z表示，第二个字母L代表轮式装载机，无L表示履带式装载机，后面数字代表额定载重量。如ZL50，代表额定载重量为50KN的轮胎式装载机。但须指出，各生产厂家也有自己独特的类型和表示方法。1.2 装载机的主要技术性能和参数装载机的主要参数有发动机额定功率、额定载
3、重量、机重；最大崛起力、卸载高度和铲斗的收斗角和卸载角度、工作装置动作三项和等。（1） 铲斗容量一般铲斗的额定容量，为铲斗平装容量与堆尖部分体积之和，用“”来表示。（2） 额定载重量指在保证装载机稳定工作前提下，铲斗的最大载重量，单位为“kg”。（3） 发动机额定功率发动机机额定功率又称为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29摄氏度和746mmHg（1mmHg=133.322Pa）压力情况下，在发动力飞轮上实有功率（亦称飞轮功率）。国产装载机上所标的功率一般为总功率，即包括发动机有效功率和风扇、燃油泵、润化油泵、滤清器等辅
4、助设备所消耗的功率。单位为“KW”。（4） 整机质量（工作质量） 指装载机装备应有的工作装置和随机工具，加足够燃油、润滑油、液压系统和冷却系统亦加足够液体，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”。（5） 最大行驶速度 指铲斗空载，装载机行驶于坚硬的水平面上，前进和后退各挡能达到最大速度，它影响装载机的生产和安装施工方案，单位为“km/h”。（6） 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”（7） 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作用力。装载机的附着
5、质量越大，则可能产生的最大牵引力越大，单位为“KN”。（8） 最大崛起力12977 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”。（9） 最大卸载高度 指动臂处于最高位置，铲斗卸载角为45度时，从地面到切削刃最低点之间的垂直距离，单位为“mm”。（10） 卸载距离 一般指在最大卸载高度时从装载机机体最前面一点到斗刃之间的水平距离，单位为“mm”。（11） 工作装置三项和指铲斗提升、下降、卸载、三项时间的总和，单位为“s”。1.3 轮式装载机应用技术发展装载机自20世纪20年代问世以来，一
6、直处于不断发展之中。传动系从机械式传动到液力机械传动、全液压传动和电传动，目前广泛采用液力机械传动。20世纪40年代开始出现全轮驱动的装载机，60年代中开始出现铰接式转向装载机。这些结构形式已为大、中型装载机普遍采用。随着电子技术的发展，到80年代，装载机进入了机电液一体化得新发展阶段。现代装载机在整机性能、作业能力、可靠性以及操作舒适性等方面都有了很大的提高。经过30年的发展，我国装载机的结构和性能都有了较大提高，产品技术水平普遍达到国际20世纪70年代末期水平，有的产品已达到国际20世纪80年代初期或接近当今国际水平。近年来，国内外装载机的发展趋势可归结为如下几个方面。1. 产品形成系列，
7、规格向两头延伸。产品开发形成系列，并在发展大型轮胎式装载机的同时向小型化发展，产品系列化成套化、多种化成为主流。大小规格向两头延伸并向高卸位、远距离作业方向发展。2. 技术不断创新，产品性能日趋完善。采用新结构、新技术，以改进和完善整机性能，提高机器的自动化和智能化水平，作业更为精确、快捷，并降低能耗。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、防滑差速器、多片湿式盘式制动器、行走颠簸减震等技术，工作装置连杆机构推陈出新，各种自动功能更趋成熟、完善。3. 向机电液一体化、电子化方向发展。随着电子技术、计算机技术的进步与不断发展，为保证机器的可靠性、安全性和节能，进入20
8、世纪80年代以来，已将一些电子技术、智能技术用在装载机等一些工程机械上，以提高机器的各种性能和作业质量。4. 装载机的轮胎化。由于轮胎式装载机具有重量轻，速度快，机动灵活，效率高，维修方便等一系列优点，所以发展较快，其品种规格、数量远比履带式装载机多。1.4 轮式装载机现代设计方法简介1.4.1 装载机设计方法的发展现状20 世纪70年代以来，随着现代科学技术的迅猛发展，尤其是微电子、新材料、集成技术的发展，使传统的工程机械产品功能、结构发生了重大变化，机、电、液一体化、模块化、智能化已成为工程机械产品的发展趋势。新技术的应用和发展，尤其是计算机技术的发展和广泛应用深刻影响着工程和机械的设计开
9、发过程。工程机械的设计水品对产品的先进性和竞争力起着决定性的影响，并决定了70%-80%的制造成本和销售服务成本，而工程设计的费用往往只占最终产品成本的一小部分，因而产品设计是决定产品性能、质量、水品和经济效益的重要环节。目前，国外装载机生产厂家在其产品的设计过程中广泛采用了现代设计方法，并高度应用了计算机技术和现代电子信息技术。传统的设计方法是以经验总结为基础，运用力学和数学而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。现代设计方法是以电子计算机为手段，运用工程设计的新理论新方法，使计算机结果达到最优化，使设计过程实现高效化和自动化，主要包括以
10、下内容：计算机辅助设计，优化设计。可靠性设计，有限元分析，动态设计，动态仿真，并行设计，模块化设计，机、电、液一体化设计，反求工程设计，绿色设计，工业艺术造型设计，人机工程学设计，价值分析，机械系统设计等。应用现代设计方法可以适应市场激烈的竞争，提高设计质量并大大缩短设计周期，提高企业竞争力。 我国的工程机械行业起步较晚，我国现代轮式装载机起始于20世纪60年代中期的Z435型。经过几年努力，在吸收当时世界最先进的轮式装载机技术基础上，成功开发了功率为162KW的交接式轮式装载机，定型为Z450（即后来的ZL50），并于1971年12月18日正式通过专家鉴定。这样诞生了我国第一台铰接式轮式装载
11、机。1978年，天津工程和机械研究所根据原机械部要求，制定出以柳工Z450型为基型的我国轮式装载机系列标准，就这样制定出了以柳工Z450型为基型的我国ZL轮式装载机系列标准，这是我国装载机发展史上的重大转折点，到70年代末、80年代初我国装载机制造企业已增加至20家，初步形成了我国装载机行业。到目前为止，我国轮式装载机已发展到了第三代，但最基本的结构任然是Z450（ZL50）型演变而来。第二代变化不是很大，第三代变化稍大一些。目前我国已经成为世界上装载机的产销大国，但是我国轮式装载机的设计德整体水平还处于经验设计时期，近十年的工程机械技术发展，大部分都是通过技术引进实现的，许多厂家的设计工作人
12、就是以技术模仿，降低零部件的成本（提高国产化率）为主。现代技术设计还不足，难以与世界先进水平的企业在国际上进行竞争，导致这种现状的原因除了历史的原因之外，还存在着企业认识不足，缺乏将科技成果转化为现实生产力的有效地、健全的机制。1.4.2 装载机设计的发展趋势装载机现代设计和开发是面向市场和用户的，是设计、制造、销售全过程的决定性环节，是技术创新最主要的部分，设计开发过程始于市场需求分析的综合，研究竞争对手的发展战略，形成设计开发的目标，并综合考虑法律、生态环境、人文习惯及技术约束条件进行的设计开发。综合当前市场需求和科技应用的最新前沿以及装载机技术发展的新趋势，装载机的设计发展体现以下趋势。
13、（1） 产品设计数字化。 现代设计的一个重要特色就是计算机的使用，目前，CAD/CAE技术已经成为企业技术进步的标志，随着计算机技术的飞速发展，存储能力的不断增强，工程软件水平的日益提高，数据库的完备和网络技术出现，使企业可以较少的投入，较短的周期开发出高质量、高性价比的产品，使企业可以对市场需求迅速作出反应，提高企业的生存能力和竞争力。随着CAD/CAE技术深入而广泛的应用，设计过程中产生的大量数据、混乱的数据流以及多重管理（PDM）并进行企业管理重组。实施PDM，企业可以创建、管理和控制整个产品周期的信息，从设计到投产，经授权的产平开发人员可以方便地访问设计和制造数据，从而控制从设计到投产
14、、审核、修改直至发布产品的全过程。（2） 产品设计智能化。由于设计过程中除了计算、绘图、分析以外，还有许多工作需要发挥人的创造性，综合运用多种学科的专门知识和丰富的实践经验才能解决。计算机的进一步发展而产生的人工智能技术，如专家系统和人工神经网络技术在这方面得到了广泛应用。设计专家系统就是把设计领域中的知识收集起来，建立一个专家知识库，采用一定的推理方法和规则，完成设计要求。专家系统可以把某一领域内诸多专家所具备的专门知识和经验积累在一起，形成一个全面性的专家，利用集体智慧来解决处理问题，尤其是模糊机械分析设计方法学的提出和在专家系统中应用使得设计水平跃上了一个新的台阶。人工神经网络是一种模仿
15、人类神经系统的数学模型，由于采用并行连接结构和并行处理机制，使得网络具有很强的容错性以及自学、自组织、自适应能力，因此得到了广泛的应用。神经网络在设计中的应用还处于开始阶段，在设计中，利用专家系统和神经网络的长处，将专家系统和神经网络结合起来，组成神经网络专家设计系统，以此来提高设计者的决策判断能力，加快设计速度，减少设计失误，这已成为发展方向。（3） 应用并行设计工程。 并行设计工程是指集成地、并行地处理产品设计、分析、制造及其相关过程的系统方法。并行设计改变了传统的串行方法，使得在设计阶段就可能有制造和销售人员的介入和彼此信息的交换。并行工程可以在产品开发初期考虑到产品全生命周期，在大限度地满足用户的需求。并行工程强调系统集成，不仅注重企业内部的技术信息集成，也重视与企业外部供应商、销售代理和最终用户之间的信息交换和集成。（4） 采用模块化设计。 采用搭积木、模块化的设计技术将有利于进行多品种、多规格的产品开发，使得在零部件通用性高的基础上能够组合出不同性能、规格、层次以及具有价格竞争力的产品。模块的设计过程不仅要求具有可选择比较的零部件库，而且还应具有各种性能匹配计算优化的工程软件库。这种模块化得设计具有方案选择，性能优劣的评价系统，也能进行成本估算。这对工程机械的多品种、多层次开发具有广阔的前景。 第2章 主要构件的结构设计和参数确定2.1铲斗设计2.1.1 铲斗
