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平动式装载机设计说明书

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2012年6月

目 录

第1章 问题的提出...... ..........................4
1.1选题背景...................................4
1.2研究现状...................................4
第2章 设计技术要求和指标.........................6
第3章 机构选型设计...............................7
3.1 设计方案的提出...............................9
3.2设计方案的确定...............................9
第4章 机构尺度综合。。............................9
4.1 机构关键尺寸计算............................10
4.1.1铲斗..................................10
4.1.2动臂................................11
4.1.3连杆机构...........................12
4.2 机构关键尺寸优化.............................16
第5章 机构运动和动力分析........................17
5.1 机构运动分析..............................17
5.2机构动力分析.............................18
第6章 结论.....................................20
第7章 收获与体会................................21
第8章 致谢......................................21
参考文献......................................... 22
附录1........................................... 23
附录2........................................... 41
附录3........................................... 42

第1章 问题的提出
1.1 选题背景
自2008年全球爆发金融危机以来，我国不断加大了对国内基础设施建设的力度，煤炭工业、铁路客运专线（含高速铁路）建设、高速公路建设、城市化建设、新农村建设等都在更大规模地进行，这扩大了工程机械的市场需求量，尤其促进了我国装载机行业的发展。
装载机，作为一种广泛应用于公路、铁路、港口、码头、煤炭、矿山、水利、国防等工程和城市建设等场所的铲土运输机械，它具有作业速度快、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。
但随着科学技术在工程机械上的广泛应用，中国装载机工业在发展的同时，一些问题也日益显露出来，传统的装载机在很多应用方面已不能很好的满足工作要求，工程人员对装载机的工作要求也越来越高。
传统的装载机设计，一般着重要求其质量轻、速度快、机动灵活、效率高、操作轻便等，但并没有足够重视其工作范围及相关性能要求或相关方面未有技术保证。
因此，为满足现代工程设施建设的更高要求，我们迫切需要一种装载机产品，使其具有良好的工作范围及性能（即机身不动时，工作装置有足够的水平卸载距离及竖直卸载高度，有良好的铲斗倾倒角度及传动角使受力均匀），并力求结构简单、工作可靠、视野好，适合于各种作业场地，以此作为出发点，我们设计了平动式装载机。
1.2研究现状
中国是世界装载机产销大国，装载机行业一直由国人主导，占有非常可观的市场份额。通过近40年的发展，我国装载机从无到有，产品种类及产量均有较大幅度的提高，已经形成独立的系列产品和行业门类。我国生产的装载机以zl系列为主。
在我国工程机械行业市场中，装载机市场是一个发展最为成熟，也是一个发展最为与众不同的分支市场，其市场销量最大。我国装载机正在从低水平、低质量、低价位、满足功能型向高水平、高质量、中价位、经济实用型过渡。从仿制仿造向自主开发过渡，各主要厂家不断进行技术投入，采用不同的技术路线，在关键部件及系统上技术创新，摆脱目前产品设计雷同，无自己特色和优势的现状，从低水平的无序竞争的怪圈中脱颖而出，成为装载机行业的领先者。
常用的单斗装载机，按发动机功率，传动形式，行走系结构，装载方式的不同进行分类。
按发动机功率不同可分为：
① 功率小于74kw为小型装载机 ②功率在74～147kw为中型装载机
③功率在147～515kw为大型装载机 ④功率大于515kw为特大型装载机
按装卸方式不同可分为：
①前卸式：结构简单、工作可靠、视野好，适合于各种作业场地，应用较广；
②回转式：工作装置安装在可回转360O的转台上，侧面卸载不需要调头、作业效率高、但结构复杂、质量大、成本高、侧面稳性较差，适用于较侠小的场地。
③后卸式：前端装、后端卸、作业效率高、作业的安全性欠好。
现在着重从行走结构区分，我国装载机主要有两大类：
①轮胎式装载机：其特点是质量轻、速度快、机动灵活、效率高、不易损坏路面，但接地比压大、通过性差。它被广泛应用于公路、铁路、港口、码头、煤炭、矿山、水利、国防等工程和城市建设等场所。如下图所示：

②履带式装载机：其特点是接地比压小、通过性好、重心低、稳定性好、附着力强、牵引力大、比切入力大，但速度低、灵活性相对差、成本高、行走时易损坏路面。应用范围较轮胎式要窄一些。其图如下所示：
1．行走机构 2．发动机 3．动臂 4．铲斗 5．转斗油缸
6．动臂油缸 7．驾驶室 8．燃油箱
相比之下，以上二者各有优劣，但都不能很好地适应各种作业场地。为了更好地适应某些工程建设需要，我们可以从工作范围、受力均匀等方面进行设计，设计一种平动式装载机，它将满足一些较高的工作要求，在市场需求方面取得更好的竞争优势。

第2章 设计的技术要求及指标

装载机铲斗的工作范围参数如图所示，另有如下设计要求：
1.铲斗距地面最大高度不小于3.26m。
2.机身不动时，铲斗水平移动最大距离不小于1.24m。
3.铲斗在工作范围内运动到任何位置都能保持平动。
4.铲斗最大倾倒角度不小于110°。
5.采用液压驱动，各个传动角不得小于30°。
6.不得发生杆件干涉现象。不得涉及高副机构。受力合理。

第3章 机构选型设计
3.1设计方案的提出
装载机的铲掘和装卸作业是通过工作装置的运动来实现的。而装载机的工作装置由铲斗、动臂、摇臂、连杆及液压油缸组成。铲斗用以铲装物料，动臂和动臂油缸的作用是提升铲斗并为铲斗提供铰接支撑，翻斗油缸通过摇臂、连杆使铲斗装动。由铲斗、动臂、摇臂、连杆、动臂油缸、翻斗油缸及车架相互铰接所构成的连杆机构，在装载机工作时由油缸完成动臂的举升、下降和铲斗的内收、外放，从而完成工作。
装载机的工作装置结构形式通常分为有铲斗托架式和无铲斗托架式两种。有铲斗托架的工作装置，结构较简单，铲斗转动角较大，易倒干净物料，但由于动臂前端装有较重的托架，铲斗的装载量相对减少，故目前我们广泛采用无铲斗托架式工作装置。
因此，我们着重设计的是工作装置的连杆机构。
连杆机构的类型，按摇臂转向与铲斗转向是否相同，分为正传连杆机构和反转连杆机构，摇臂转向与铲斗转向相同时为正转连杆机构，相反时为反转连杆机构。按工作机构的构件数不同，可分为四杆式，五杆式，六杆式和八杆式等。
方案一：正转连杆机构

图 2.1.1转斗油缸后置式正转六杆机构简图
这种连杆机构，当机构运动时，铲斗转向与摇臂转向相同，故称正转连杆机构。由该图所示，该连杆机构的摇臂数目为一，是单摇臂连杆机构，且是由两个四杆机构组成的六杆机构。正转六杆连杆机构通常在履带式装载机的工作装置上采用，其优点是：铲起力特性有利于地下挖掘，只用一个摇臂使结构简单，特别是整个结构可以布置在动臂的后上方并铰接在车架上，斗内物料撒落时不易弄坏油缸，工作装置重心靠近车架，有利于提高铲斗的装载量。缺点是：组成工作装置的各构件不易布置在同一平面内，构件受力状态较差。
方案二：反转连杆机构

图2.1.2转斗油缸后置式反转六杆机构简图
这种连杆机构，当机构运动时，铲斗转向与摇臂转向相反，故称反转连杆机构。它也是由两个四杆机构组成的六杆机构。其优点是：铲起力特性适于铲装地面以上的物料，不利于地面以下的挖掘，升降动臂时基本保持铲斗平移，易于实现铲斗自动放平，因此物料撒落少，可提高装载机装卸的作业效率，只用一个摇臂使结构简单，特别是对轮式底盘布置容易，其结构十分紧凑，前悬小，驾驶员视野好。缺点是摇臂和连杆布置在铲斗与前桥之间的狭窄空间，各构件间易发生干涉。
3.2设计方案的确定
综合上述两种方案的比较，考虑到我们设计的工作范围及相关受力性能，由于反转连杆机构卸料时角速度小，卸料平稳，升降动臂时易保证铲斗平稳，且冲击较小，结构十分紧凑，驾驶员视野好，故我们采用方案二，即反转六杆连杆机构。最终我们设计的工作机构简图如下：

1、铲斗
2、转斗油缸
3、动臂升举油缸
4、连杆
5摇臂
6动臂
图2.2.1 反转工作机构简图

第4章 机构尺度综合
参考成工ZL30B型装载机的相关数据如下
·
发动机型号
ZL30B
额定转速（r/min）
2000
功率（kW）
81
额定载重量（t）
3.0
机重（t）
10
掘起力（kN）
90
最大牵引力（Kn）
78
额定斗容（m3）
1.5
最小转弯半径（mm）
5380
最高行驶车速（km/h）
30
总长度（mm）
6550
总宽度（mm）
2510

4.1机构关键尺寸计算
4.1.1铲斗

图4.1.1铲斗实体图 图4.1.2铲斗设计二维图
铲斗结构参数和容量计算
铲斗的主要参数是铲斗的宽度和铲斗的回转半径。
铲斗的回转半径是指铲斗和动臂铰销的中心与铲斗切削刃之间的距离。
铲斗的回转半径Ro按下式计算：
Ro =

式中： Ro ——铲斗的回转半径，m
Vs ——铲斗平装几何容量，
W ——铲斗内侧宽度，
g——铲斗斗底长度系数，取1.4~1.5，
z——后斗板长度系数，取1.1~1.2，
k——挡板高度系数，取0.12~0.14，
r——斗底与后斗板直线间的圆弧半径系数，取0.35~0.4
1——挡板与后斗板之间的夹角，取5~10º，
0——斗底与后斗板之间的夹角，取48~52º，
取Vs=1.5 m⒊，各参数取中间值，取铲斗内宽度W=2450mm，计算得到Ro=1000mm。

4.1.2动臂

动臂LD长度及铰接点确定
确定动臂铰点位置及长度的计算简图如下：

图4.1.3确定动臂铰点位置及长度的计算简图

动臂长度LD的计算公式如下：

根据要求自己推导如下
以最小水平距离Ls=1240mm代入，计算得动臂LD=2600mm，推算得铲斗距地面最大高度Lh=3518mm>3260mm满足要求。
取其他参数为：
前轮直径D=1000mm,
动臂与车架铰接点距地面垂直高度HA=2300mm,
动臂与车架铰接点到装载机前轮外轮廓水平距离LB=745mm,
铲斗水平放置时回转半径与水平方向的夹角取a =4.7°，
计算得回转角度Φ=88°。理论上均满足设计要求。

4.1.3连杆机构
连杆机构中构件尺寸及铰接点位置的确定
连杆机构设计简图如下所示

图4.1.4连杆机构设计简图
根据参考书给出特定参数计算公式，BC与铲斗回转半径Ro夹角
Ψ=100——125°,取120°.BC长a=（0.13-0.14）LD取为360mm.
EF=(0.22-0.24) LD取为600mm.ED=（0.27-0.30）LD取为750mm.
铰点E布置在动臂两铰点连线中部偏上s处，s=（0.11-0.18）LD，取为400mm.∠FED不大于30°，取为27°.
利用多位置作图法求各铰点位置及计算如下：

图4.1.5 确定连杆CD的最短长度

图4.1.6 D点轨迹确定

图4.1.7 F点轨迹确定

图4.1.8 G点确定
B点运动方程如下：

求得G点坐标在A点左上方（280，150）处。

图4.1.9 油缸最短安装长度确定
最终得到油缸最大安装长度为Hmax =980mm,
油缸最小安装长度为Hmin =830mm.
从而得到转斗油缸的行程为Lz =Hmax –Hmin =150mm.
4.2机构关键尺寸优化

图4.2.1工作装置执行机构简图
由于铲斗及动臂的参数根据相关参考书的计算公式计算得到的值与我们设计的相关要求有所偏差，进行比较后，我们对相关参数做了少许改动，最终得到的较理想的各参数如下：
其理论上都满足各项设计要求。

第五章 机构运动和动力分析

5.1运动学分析

动臂草图
以A点为原点，连杆ABE与竖直面夹角为31.5º
机构点B的位置方程：

机构点B的速度方程：

机构点B的加速度方程：

B点位移
5.2动力学分析
杆AEIB受力：

图杆AEB受力简图

CD杆受力：

我们主要校核工作装置连杆机构的传动角
如下图我们设计的实际工作装置执行机构图

图 实际工作装置执行机构图
针对四杆机构CDEF
最小传动角： 式 4.1.1
解得：；故，该机构不存在死点，但与设计要求有一定差距，不过相差不大，基本满足设计要求。

第6章 设计总结
平动式装载机有正转与反转两种连杆机构。正转是指连杆机构主动构件与从动构件转向相同，反转是指连杆机构主动构件与从动构件转向相反。正转铲斗有利于地面挖掘，铲斗卸料时角速度较大，易于抖落物料，但冲击较大。反转结构较为简单，且能满足主要设计要求，卸料时角速度小，卸料平稳，升降动臂时易保证铲斗平稳。
在进行方案选定的时候，经过再三考虑，反复比较，考虑到设计的工作范围及相关受力性能，由于反转连杆机构卸料时角速度小，卸料平稳，升降动臂时易保证铲斗平稳，且冲击较小，结构十分紧凑，驾驶员视野好，所以采用了反转机构，选取方案三。

第7章 收获与体会
通过这次综合设计训练，使自己对产品设计过程有了深刻的了解，增强了的创新能力，更给了我们一种创造的激情和兴趣，总是希望不断的改进，追求完美。 这次综合训练，也增强了我们的动手能力，进一步学会将理论运用于实际。在产品设计过程中我学习到了很多东西，通过与辅导老师和周围同学的交流，让自己感受到了人际交往的重要性，只有和其他人的不断交流中才能发现自己在设计过程的不足，从而使设计方案更加完善。另外在产品设计过程中对一些软件进行了熟悉和了解，建模过程中的Proe软件和在设计方案和画机构受力简图时的CAD软件，在书写各报告时用到的office软件，使自己对这些软件有了更熟练的应用。由于水平关系，这份报告并不完善，里面还有很多东西需要补充和改进，我们会在以后的生活过程中继续学习和接受广大师生们的意见和建议。

第8章 致谢
(略）

参考文献

[1] 谢进,万朝燕,杜立杰.机械原理（第二版）[M]. 北京：高等教育出版社，2010.
[2] 邱宣怀，郭可谦，吴宗泽等.机械设计基础（第四版） [M].北京:高等教育出版社,1996.3.
[3] 垄晖.材料力学.第四版.成都：西南交大出版社，2009.；
[4] 陈秀宁,施高义.机械设计课程设计（第二版）[M].杭州：浙江大学出版社，2004.
[5] 陆凤仪.机械原理课程设计 [M].北京:机械工业出版社,2005.
[6] 胡仁喜,闫彩霞,彭卫平．Pro／Engineer Wildfire 2．0中文版机械设计高级应用实例[M]．北京：机械工业出版社，2005.
[7] 华大年 华志宏. 连杆机构设计与应用创新[M]. 北京：机械工业出版社，2008

附录1
1.建模过程
铲斗主要构件建模过程
铲斗的主体结构主要通过草绘、拉伸、切除材料及镜像等操作得到，其具体建模过程如下所示：
（1）进入PRO/E“零件设计模式”；

图5.2.1进入PRO/E“零件设计模式”

（2）应用草绘模块创建设定尺寸的铲斗外形；

图5.2.2 草绘模块创建设定尺寸的铲斗外形
（3）通过 拉伸 创建铲斗实体；
（4）选择主菜单中的抽壳命令，选择要删除的面，指定抽壳厚度，点击确定即可；
如下图一步步成型

摇臂

动臂

动臂拉圆柱

轮胎（1）

轮胎2

轮胎3

销钉

摇臂油缸活塞轴

摇臂油缸外套

动臂油缸活塞轴

动臂油缸外套

连杆

车身
1. 配合过程

配合1

配合2

配合3

配合4

配合5

配合6

配合7

配合8

附录2
结构简图如图：

附录3
文献综述
1. 装载机定义
装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施式机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重和其他物料如木材的装卸作业。在道路、特别是在高等级公路施工中，装载机用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。此外还可进行推运土壤、刮平地面和牵引其他机械等作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。
2. 用途
装载机主要用来铲、装、卸、运土和石料一类散状物料，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。
3. 背景意义
工程机械在城市建设、交通运输、农田水利、能源开发和国防建设施工中，起着十分重要的作用。近年来，在国家宏观调控政策的影响下，我国工程机械产业进入了加速增长阶段，呈现出前所未有的繁荣态势。
装载机是工程机械中发展最快、产销量及市场需求最大的机种之一。我国作为世界装载机产销大国，装载机行业一直由国人主导，占有非常可观的市场份额。我国基础建设投资的持续高速增长，扩大了工程机械的市场需求量，促进了我国装载机行业的发展。又加上市场竞争的影响，我国装载机市场表现出持续而快速的增长步伐。
装载机主要用来铲、装、卸、运土和石料一类散状物料，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。
随着国家基础设施的大力建设及科学技术在工程机械上的广泛应用，近代工程施工对装载机的工作范围、性能的要求不断提高，新型的、现代化的设备不断涌现，近几年, 装载机主要生产企业都在努力采用各种方式扩大生产能力, 如利用企业退城进园或退市进郊的有利机会, 多方筹集资金, 以实现产品全面升级和技术改造。
因此，针对现代工程建设的市场需求，从装载机的工作范围、性能方面考虑，根据相关技术要求，我们应该加速对平动式装载机的研究，促进其发展。
4. 分类
常用的单斗装载机，按发动机功率，传动形式，行走系结构，装载方式的不同进行分类。
　　（1）发动机功率：
　　①功率小于74kw为小型装载机。
　　②功率在74～147kw为中型装载机
　　③功率在147～515kw为大型装载机
　　④功率大于515kw为特大型装载机
　　（2）传动形式：
　　①液力—机械传动，冲击振动小，传动件寿命长，操纵方便，车速与外载间可自动调节，一般在中大型装载机多采用；
　　②液力传动：可无级调速、操纵间便，但启动性较差，一般仅在小型装载机上采用；
　　③电力传动：无级调速、工作可靠、维修简单、费用较高，一般在大型装载机上采用。
　　（3）行走结构：
　　①轮胎式：质量轻、速度快、机动灵活、效率高、不易损坏路面、接地比压大、通过性差、但被广泛应用；
　　②履带式：接地比压小，通过性好、重心低、稳定性好、附着力强、牵引力大、比切入力大、速度低、灵活性相对差、成本高、行走时易损坏路面。
　　（4）装卸方式：
　　①前卸式：结构简单、工作可靠、视野好，适合于各种作业场地，应用较广；
　　②回转式：工作装置安装在可回转360O的转台上，侧面卸载不需要调头、作业效率高、但结构复杂、质量大、成本高、侧面稳性较差，适用于较侠小的场地。
③后卸式：前端装、后端卸、作业效率高、作业的安全性欠好。
5. 中国装载机行业的发展
我国现代轮式装载机起始于20世纪60年代中期的Z435型。该机为整体机架、后桥转向。经过几年的努力，在吸收当时世界最先进的轮式装载机技术的基础上，开发成功了功率为162KW的铲接式轮式装载机，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。就这样诞生了我国第一台铰接式轮式装载机，从而开创了我国装载机行业形成与发展的历史。Z450型装载机具有液力机械传动、动力换挡、双桥驱动、液压操纵、铰接式动力转向、气推油加力制动等现代轮式装载机的基本结构，为当时世界先进水平。也基本上代表了我国第一代轮式装载的基本结构。该机在总体性能方面具有动力性好，插入力有掘起力大、机动灵活、操纵轻便、作业效率高等一系列优点。
　　1978年，天工所根据机械部的要求，制订出以柳工Z450为基型的我国轮式装载机系列标准。制订标准时，保留用Z代表装载机，用L取代“4”代表轮式，改Z450为ZL50，就这样制订出了以柳工ZL50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鸣上的重大转折点。该标准制订出来后按当时的行业分工，柳工、厦工制造ZL40以上的大中型轮式装载机，成工、宜工制造ZL30以下的中小型轮式装载机，逐步形成了柳工、厦工、成工和宜工当时的装载机四大骨干企业。
　　到70年代末、80年代初我国装载机制造企业已增加至20多家，初步形成了我国装载机行业。到目前为止，我国轮式装载机已经发展到了第三代，但最基本的结构仍然是由Z450(ZL50)演变而来。第二代变化不很大，第三代变化稍大一些。2001年我国装载机全行业总销售量已突破3万台，居世界装载机市场的前列。因此，目前我国已经成了世界上装载机产销大国。
　　2006年中国装载机行业全行业总销售量为129,793台，比2005年的112,527台，增长了15.3%，净增了17266台，其净增量超过了中国装载机行业“八五”以前任何一年的总销售量，可以说2006年中国装载机行业又是一个红红火火的丰收年。
　　2007年1-11月，装载机26家主要企业累计销量为143794 台，同比（109397 台）增加34397 台，增幅为31.4％；累计出口为8606 台，占累计销量的6.0％，同比（3234 台）增加5372 台，增幅达166.1％。2008年，我国装载机行业增速不减，1-7月，全国装载机累计销量为12.0449万台，同比增幅达30.5%。
　　中国装载机工业在发展的同时，一些问题也日益显露出来。特别是行业进入门槛极低，价格恶性竞争导致企业盈利能力低下，营销理念缺失，市场难以拓展，产品质量及可靠性差，此外，产品及组织结构老化以及服务升级增加的成本难以消化等因素严重等制约了行业的进一步发展和品质的提高。
　　因此，中国装载机企业必须抓住新的发展形势，在产品研发上体现差异化战略和成本领先战略，继续加强行业以企业国家级技术中心和高校及科研院所为主体的科研开发体系建设，打造价值链营销，加强品牌建设，提升品牌价值，只有这样才能在新形势下立于不败之地。
　　中国最大轮式装载机柳工899III在广西柳州成功下地2008年9月16日，中国最大的轮式装载机--柳工CLG899III轮式装载机在广西柳州成功下地。广西柳州市委书记陈刚、柳州市市长郑俊康等领导参加了 仪式。该机由广西柳工集团研发团队独立研发完成，该产品重量约48吨，斗容量6 .4立方米，397千瓦（约525马力），最大装载量可达到11--12吨，排放符合欧美三 阶段非公路车辆排放法规，具有较强的进口产品替代能力，标志着柳工产品自产创新能力又上了一个新台阶。

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