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畢業(yè)設計 第73頁
1 緒論
1.1 裝載機概述
1.1.1 裝載機簡介
裝載機屬于鏟土運輸機械類，是一種通過安裝在前端一個完整的鏟斗支撐結構和連桿，隨機器向前運動進行裝載或挖掘，以及提升、運輸和卸載的自行式履帶或輪胎機械。它廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口和礦山等工程建設。裝載機具有作業(yè)速度快、效率高、機動性好、操作輕便等優(yōu)點，因此成為工程建設中土石方施工的主要機種之一，對于加快工程建設速度，減輕勞動強度，提高工程質量，降低工程成本都發(fā)揮著重要的作用，是現(xiàn)代機械化施工中不可缺少的裝備之一。
1.1.2 裝載機的主要技術性能參數(shù)
標志裝載機的主要技術性能參數(shù)有鏟斗容量、額定載重量、發(fā)動機額定功率、整機質量、最大行駛速度、最小轉彎半徑、最大牽引力、最大掘起力、最大卸載高度、卸載距離、工作裝置動作三項和等。
（1） 鏟斗容量
一般指鏟斗的額定容量，為鏟斗平裝容量與堆尖部分體積之和，用 m3 表示。
（2） 額定載重量
指在保證裝載機穩(wěn)定工作的前提下，鏟斗的最大載重量，單位為 kg 。
（3） 發(fā)動機額定功率
發(fā)動機額定功率又稱發(fā)動機標定功率或總功率，是表明裝載機作業(yè)能力的一項重要參數(shù)。發(fā)動機功率分為有效功率和總功率，有效功率是指在29°C 和746mmHg（1mmHg=133.322Pa）壓力情況下，在發(fā)動機飛輪上實有的功率（也稱飛輪功率）。國產(chǎn)裝載機上所標有的功率一般指總功率，即包括發(fā)動機有效功率和風扇、燃油泵、潤滑油泵、濾清器等輔助設備所消耗的功率。單位為 kw。
（4） 整機質量（工作質量）
指裝載機設備應有的工作裝置和隨機工具，加足燃油，潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)都加足液體，并且?guī)в幸?guī)定形式和尺寸的空載鏟斗和司機標定質量（75kg±3kg）時的主機質量。它關系到裝載機使用的經(jīng)濟性、可靠性和附著性能，單位為 kg 。
（5） 最大行駛速度
指鏟斗空載，裝載機行駛于堅硬的地面上，前進和后退各檔能達到最大速度，它影響裝載機的生產(chǎn)率和安排施工方案，單位為 km/h 。
（6） 最小轉彎半徑
指自輪胎中心或后輪外側或鏟斗外側所構成的弧線至回轉中心的距離，單位為 mm 。
（7） 最大牽引力
指裝載機驅動輪緣上所產(chǎn)生的推動車輪前進的作用力。裝載機的附著質量越大，則可能產(chǎn)生的最大牽引力越大，單位為 kN 。
（8） 最大掘起力
指鏟斗切削刃的底面水平并高于底部基準平面20mm 時，操縱提升液壓缸或轉斗液壓缸在鏟斗切削刃最前面一點向后100mm處產(chǎn)生的最大向上鉛垂力， 單位為 kN 。
（9） 最大卸載高度
指動壁處于最高位置，鏟斗傾角為45°時，從地面到斗刃最低點之間的垂直距離，單位為 mm 。
（10） 卸載距離
一般指在最大卸載高度時，從裝載機本體最前面一點（包括輪胎或車架）到斗刃之間的水平距離，單位為 mm 。
（11） 工作裝置動作三項和
指鏟斗提升、下降、卸載三項時間的總和，單位為 s 。
1.1.3 裝載機的用途
裝載機是一種用途十分廣泛的工程機械，可以用來鏟裝、搬運、卸載、平整散裝物料，也可以對巖石、硬土等進行輕度的鏟掘工作。此外，還可以進行刮平地面和牽引其他機械等作業(yè)。換裝相應的工作裝置，裝載機還可以進行推土、起重、裝卸木料或鋼管等作業(yè)。
1.1.4 裝載機的分類
裝載機一般按以下特點來分類：
（1） 按行走裝置不同分
按行走裝置不同可以分為輪胎式和履帶式兩種。由于國產(chǎn)履帶式裝載機多是在推土機基礎上形成及國內外使用和生產(chǎn)的絕大多數(shù)是輪胎式裝載機，又因為這兩類裝載機除了行走裝置不同外，其他系統(tǒng)和構造大體相似，所以本次設計也以裝載機為目標。輪胎式裝載機簡稱為裝載機，它由車架、工作裝置、動力裝置、行走裝置、傳動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等組成。
（2） 按使用場合不同分類
按使用場合不同可以分為露天用裝載機和井下用裝載機（鏟運機）。鏟運機機構簡單，國內外生產(chǎn)和使用的裝載機絕大多數(shù)是露天裝載機，井下用鏟運機是根據(jù)井下巷道的工作條件，對發(fā)動機的排污和噪音，整機高度和工作裝置以及駕駛操作系統(tǒng)的布置等提出特殊要求后，在露天使用的裝載機基礎上變形設計而成的。
（3） 按傳動形式不同分類
按傳動形式不同分類可以分為：機械傳動、液力機械傳動、液壓傳動和電傳動四種。
① 機械傳動
在國內僅用于斗容量為0.5m3 以下的裝載機，它一般直接采用汽車或拖拉機的傳動裝置，即離合器和變速器。具有成本低、傳動效率高、可拖動、維修方便等優(yōu)點。主要缺點是操縱復雜而且費力，離合器和變速箱壽命較低。
② 液力機械傳動
它是裝載機的主要傳動形式。這是因為液力機械傳動取消了機械傳動中的離合器而換用液力變矩器，取消了人力換擋變速箱而換用了動力換擋變速箱。這樣變矩器能吸收在作業(yè)時候傳給傳動系統(tǒng)的沖擊和震動，故能平穩(wěn)的插入料堆，并可以隨外界載荷變化自動調速，不會因超載而使發(fā)動機熄火，而且可以在不停車狀態(tài)下進行換擋，操作輕便，工作可靠性高。主要缺點是功率損失較大，傳動效率較低，成本較高，結構復雜維修不便。大中型裝載機都采用液力機械傳動。裝載機的液力變矩器有以下四種：
l 一級三元件液力變矩器
l 雙渦輪液力變矩器
l 變量雙泵輪液力變矩器
l 雙導輪液力變矩器
我國液力機械傳動裝載機的生產(chǎn)已經(jīng)形成一個系列，定型生產(chǎn)斗容量為0.5~3.5m3 的裝載機，其額定載重量為1~7t 。即ZL10型、ZL15型、ZL20型、ZL25型、ZL30型、ZL40型、ZL45型、ZL50型、ZL0型、ZL160型等10余種機型，20余個變型產(chǎn)品。
③ 液壓傳動
用柴油機帶動液壓泵產(chǎn)生高壓油，并通過控制系統(tǒng)和油管帶動液壓馬達使車輪轉動。這種傳動方式省去了一系列的傳動零件，簡化了傳動系統(tǒng)，使整機質量減輕，并可以在一定范圍內實現(xiàn)無級調速，使傳動更加平穩(wěn)，但它的啟動性差，性能良好的液壓元件昂貴，壽命也較低，故在裝載機中的使用受到限制，目前只用在小型裝載機上。但隨著液壓技術的發(fā)展液壓元件質量不斷提高和成本不斷降低，液壓傳動將會越來越多的在中小型裝載機上使用。
④ 電傳動
由柴油機驅動交流發(fā)電機發(fā)電，以此來驅動裝在車輪上的直流電動機，然后通過輪邊減速帶動車輪轉動，這樣也省去了一系列傳動零件，可實現(xiàn)無級調速。這種傳動檢查方便，維修簡單，工作可靠。缺點是電機設備質量較大，費用高，目前只在大型裝載機上使用這種傳動方式。
此外，國內還有采用變矩離合器傳動的形式。這種傳動方式目前僅在國內生產(chǎn)的DC10型裝載機上采用，它的動力傳動系統(tǒng)是由變矩器、干式離合器和手動滑移齒變速器所組成。
（4） 按裝載方式不同分類
按裝載方式不同可以分為前卸式、后卸式、側卸式和回轉式。裝載機基本上都是前卸式。
（5） 按轉向方式不同分類
按轉向方式不同可以分為整體式和鉸接式。前者利用偏轉后輪或前輪轉向，或者同時偏轉前后輪，后者采用鉸接車架，利用前后車架之間的相對偏轉進行轉向。國產(chǎn)ZL系列裝載機大多數(shù)采用鉸接式結構。
圖1-1為現(xiàn)場中的裝載機。
圖1-1 ZL50 B型裝載機
1.2 裝載機應用技術發(fā)展
在經(jīng)歷了50~60年的發(fā)展后，到20世紀90年代中末期國外裝載機技術已達到相當高的水平。基于液壓技術、微電子技術和信息技術的各種智能系統(tǒng)已廣泛應用于裝載機的設計、計算操作控制、檢測監(jiān)控、生產(chǎn)經(jīng)營和維修服務等各個方面，使國外裝載機在原來的基礎之上更加“精致”，其自動化程度也得以提高，從而進一步提高了生產(chǎn)效率，改善了司機的作業(yè)環(huán)境，提高了作業(yè)舒適性，降低了噪音、振動和排污量，保護了自然環(huán)境，最大程度的簡化維修、降低作業(yè)成本，使其性能、安全性、可靠性、使用壽命和操作性能都達到了很高的水平。
1.2.1 國外裝載機發(fā)展現(xiàn)狀
（1） 產(chǎn)品形成系列，更新速度加快并朝大型化和小型化發(fā)展
產(chǎn)品的系列化、成套化、多品種化成為主流。為了適應市場需求，各廠商加快了產(chǎn)品的更新?lián)Q代，如以卡特彼勒為代表的美國，以小松公司為代表的日本和裝載機生產(chǎn)第三大集團西歐各廠家都加快推出多功能，全面兼顧動力性、機動性與靈活性的新產(chǎn)品，以滿足不同用途用戶的需求。此外，裝載機的大小規(guī)格向兩頭延伸，以適應大型露天煤礦或金屬礦和狹窄施工場所，如倉庫、貨棧、農(nóng)舍、地下等場所的裝載作業(yè)。這些產(chǎn)品如美國克拉克公司生產(chǎn)的675型，功率達1000 kW ， 而日本東洋遠般株式會社生產(chǎn)的310型，斗容量僅為0.11m3 ，功率為9.8kW。此外，裝載機還向高卸位、遠距離方向發(fā)展。如JCB公司開發(fā)了收縮臂式裝載機，小松公司開發(fā)了能擴大作業(yè)范圍帶伸縮機構的裝載機。
（2） 采用新結構、新技術，產(chǎn)品性能日趨完善
近年開發(fā)的產(chǎn)品普遍采用了高性能發(fā)動機和自動換擋變速器、大流量負荷傳感液壓系統(tǒng)、前后防滑差速器、多片濕式盤式制動器、行走顛簸減振先進技術，并綜合液壓、微電子和信息技術制造，并應用了很多智能系統(tǒng)。工作裝置連桿機構推陳出新，各種自動功能更趨于成熟、完善。
1） 發(fā)動機
為了解決高作業(yè)效率與低燃料消耗的矛盾，近年來開始采用發(fā)動機管理系統(tǒng)。發(fā)動機管理系統(tǒng)也稱自動控制系統(tǒng)、電腦控制系統(tǒng)等，是電子計算機在工程機械中的應用之一。它能及時的根據(jù)裝載機的工作負荷要求去調節(jié)發(fā)動機的輸出功率，使裝載機更有效的利用發(fā)動機的性能和動力。減少了動力損失，節(jié)約燃料，減少排氣量和噪音，同時可使發(fā)動機長期在額定點工作，增加發(fā)動機的使用壽命。
如卡特彼勒公司994D型裝載機采用的新一代Cat3516柴油發(fā)動機就安裝了有HEUI（電液控制的燃油噴射）裝置以及ADED（先進的柴油機管理）系統(tǒng)，可根據(jù)外載荷的大小有效地控制發(fā)動機的功率和轉速，從而降低燃油消耗和尾氣的排放，減少噪聲。馬拉松·勒圖爾勒公司的L系列大型裝載機則采用電腦控制的柴油機-電子驅動系統(tǒng)，4個驅動輪同時又充當制動器，其輸出功率可以反饋到交流電機和柴油機，使轉速提高，從而提高工作效率，使牽引效率高達77%（普通裝載機為60%左右），此電腦控制系統(tǒng)能監(jiān)控裝載機的整個作業(yè)過程，在最大車速范圍內使發(fā)動機的輸出功率最大化。
2） 傳動機構
以卡特彼勒公司為代表的裝載機采用液力機械傳動系統(tǒng)，其G系列裝載機采用電子自動換擋控制，可以自動選擇檔位傳動比，使換擋在變速箱最佳效率點進行。換擋離合器則采用電子壓力控制，行駛和換擋過程平穩(wěn)，提高了生產(chǎn)率，延長了元件的使用壽命。
小松公司W(wǎng)A系列中的小功率裝載機采用液壓機械傳動和新型集中結構驅動橋。它將主傳動、制動器和行星終傳動都集中在橋的中部，橋殼斷面變化連續(xù)、平緩、內應力分布合理，從根本上防止因傳動結構橋殼在輪邊支撐軸段應力集中發(fā)生斷裂。輪端采用浮動密封結構，安裝簡便，有自動補償功能，密封性好。
小松公司的全動力換擋變速器帶有自動換擋開關，提高鏟掘和裝載作業(yè)過程中的牽引力，可以保證全功率進行裝載作業(yè)。新型的可調離合器系統(tǒng)，能精確的控制行駛速度，驅動功率可以在20%~100%之間選擇。
凱斯C系列裝載機配有新型臂力換擋變速器、防滑差速器、多片濕式盤式制動器以及電子停車制動器。
迪爾H系列小功率裝載機為靜壓傳動，可以實現(xiàn)全程范圍內的無級變速。中型以上的裝載機采用由計算機控制動力換擋的單級單相液力機械傳動，在任何情況下可以實現(xiàn)平穩(wěn)換擋?？焖贀Q擋按鈕可以使司機在1~4擋或2~4擋之間自動切換，變速和換擋由一根操縱桿集中控制。HST漸移式踏板可在保持發(fā)動機轉速和液壓系統(tǒng)流量的同時無限降低行駛速度。行車制動器為液壓驅動自由調節(jié)雙盤式制動器。
馬拉松·勒圖爾勒公司的裝載機采用柴油機-發(fā)電機-電動輪傳動，比液力機械傳動系統(tǒng)簡單。在整個作業(yè)過程中柴油發(fā)動機以恒定轉速運轉，減少燃油消耗，延長發(fā)動機壽命。無變速箱、傳動軸等許多部件，提高了傳動效率，操作維修方便，低費用。獨立電動牽引馬達為固態(tài)控制，反應迅速，減少車輪打滑和輪胎過度磨損。設置了電動緩行器不用工作制動停機，裝料對位準確。整機重心低，行駛穩(wěn)定性好，可靠性高。
3） 液壓系統(tǒng)
為了滿足鏟掘能力和快速卸載兩方面的要求，裝載機工作裝置多采用多級液壓系統(tǒng)。例如小松公司的WA450型裝載機設有一只轉換泵，切入料堆裝載時切斷閥自動使該泵卸載，通向工作裝置的流量減少，使發(fā)動機功率更多的通過變矩器傳給車輪，增加牽引力。該動臂舉升時候，轉換閥接入，以提高舉升速度。
卡特彼勒公司的G系列裝載機采用高效大流量工作液壓系統(tǒng)，負荷傳感轉向液壓系統(tǒng)，使所需要的轉向功率減少了8%，提高了作業(yè)效率和燃油經(jīng)濟性。大缸徑轉向液壓缸使轉向更靈活。此外，公司可根據(jù)個人喜好，在命令控制轉向及電子-液壓工作裝置控制以及傳動轉向控制及先導式液壓工作裝置控制兩種方式中進行選擇。
小松公司的WA系列采用雙回路大流量液壓系統(tǒng)，增大挖掘力并降低工作循環(huán)時間，提高燃油效率。液壓驅動濕式多片制動器，可以避免氣制動時由于水和冷凝引起的凍結和銹蝕，提高系統(tǒng)靈敏度。變輸出液壓系統(tǒng)可以最大限度的利用發(fā)動機的功率，提高生產(chǎn)率。
4） 工作裝置
20世紀90年代中末期以來，裝載機的工作裝置已經(jīng)不再采用單一的Z形連桿機構，卡特彼勒公司在繼IT綜合多用機上開發(fā)出八桿平行舉升連桿機構之后，又在其992G、924G等裝載機上采用了單鑄鋼動臂的所謂Versa連桿機構，可承受極大的扭矩載荷，具有卓越的可靠性耐用性及和平行舉升機構類似的作業(yè)性能。工作裝置能以水平位置提升或降下放在托板上的物料，可以配用多種作業(yè)裝置，最大限度的減少司機由地面到最大高度對鏟斗傾角的調整，前面視野更加開闊。沃爾沃公司在L500-L220D等D系列裝載機上推出了該公司的專利產(chǎn)品 扭矩平行連桿機構（TP），在鏟斗的整個舉升循環(huán)中可以提高更大的傾翻力矩以及舉升能力，這保證裝載機不僅在配用鏟斗時，而且在配用叉、吊等其他工作裝置時都具有良好的作業(yè)能力。德國O&K公司為其小型裝載機設計有Lear連桿；Schaff公司于2000年3月在Intermat 展覽會上推出了具有可折疊式新型連桿機構的高卸位式SKL873型裝載機等，進一步增加了裝載機工作裝置的種類，提高了其作業(yè)的多用性和適應性。
圖1-2為現(xiàn)場裝載機的工作裝置。
圖1-2 工作裝置
5） 智能系統(tǒng)
當前，裝載機發(fā)展的一個重要特點是不斷研制出集液壓、微電子及信息技術于一體的智能系統(tǒng)，并廣泛運用于裝載機的產(chǎn)品設計之中，目前廣泛運用的有如下一些系統(tǒng)：
行駛平穩(wěn)性控制系統(tǒng)： 在動臂舉升液壓缸液壓回路中增加一個蓄能器，以衰減工作裝置在機器行駛過程中產(chǎn)生的振動，減少裝載機的顛簸。
附著力控制系統(tǒng)： 在每個車輛上安裝一個速度傳感器，自動將所需要的制動力施加到車輛上，并將扭矩傳給與之緊密相連的車輪上，便于裝載機直線行駛和轉向。
動力電子控制/管理系統(tǒng)： 根據(jù)傳動裝置和液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)，自動調節(jié)發(fā)動機輸出功率，以滿足不同作業(yè)情況的需要，提高燃料的經(jīng)濟性。
發(fā)動機自動控制系統(tǒng)： 當裝載機處于非作業(yè)工況時，自動降低發(fā)動機轉速，減少燃料消耗及發(fā)動機噪聲。
關鍵信息顯示/管理系統(tǒng)： 采用網(wǎng)絡通訊技術，在辦公室的控制中心實時監(jiān)控裝載機的作業(yè)狀態(tài)，據(jù)此向駕駛員提供基于文字提示的精確的故障診斷信息。
轉向變速集成控制系統(tǒng)： 取消傳統(tǒng)的轉向盤和變速桿，將轉向與變速操縱裝置集成在一個操縱手柄上，并采用簡單的觸發(fā)式方向控制開關和選擋用的分裝式加速按鈕。利用肘節(jié)的自然動作左右扳動操縱桿，實現(xiàn)轉向；利用大拇指選擇按鈕，實現(xiàn)前進與后退、加速與減速行駛。
銷軸潤滑系統(tǒng)： 能為工作裝置上的所有銷軸提供為期200h的潤滑服務，并使銷軸作業(yè)易于完成。
舒適驅動控制系統(tǒng)： 其目的是提高駕駛員的舒適性，幫助長時間進行作業(yè)的駕駛員減輕勞動，保持作業(yè)效率。
負載感應變速系統(tǒng)： 根據(jù)負載狀態(tài)，自動調節(jié)車速及發(fā)動機飛輪扭矩，實現(xiàn)高速、小扭矩或低速、大扭矩的動力輸出。
計算機故障診斷系統(tǒng)： 通過控制面板上的指示燈、聽覺與視覺相結合的報警信號，提醒駕駛員可能潛在的故障隱患。駕駛員只管全神貫注的工作而無需不斷查看儀表讀數(shù)。
負載自動穩(wěn)定器： 采用一對鋼模氮氣蓄能器，安裝在前車架中，與工作裝置液壓系統(tǒng)相連通。當作業(yè)或低速行駛時，系統(tǒng)自動斷開，當車速超過4.8km/h時，由電子速度開關控制的電磁閥自動開啟，蓄能器吸收工作裝置液壓系統(tǒng)的振動與沖擊載荷，提高了操作的穩(wěn)定性、安全性和舒適性。
燃油/空氣比例控制系統(tǒng)： 提高燃料的利用率，確保發(fā)動機排出的廢氣符合環(huán)境控制法的要求。
計算機監(jiān)控/管理系統(tǒng)： 連續(xù)監(jiān)控/管理裝載機數(shù)十項性能指標參數(shù)，在遇到突發(fā)或緊急情況時，很容易通過液晶儀表顯示、聽覺與視覺相結合的報警信號，提醒駕駛員注意。
裝載量稱量系統(tǒng)： 自動稱量并顯示鏟斗的凈裝載量，從而使司機心中有數(shù)，防止過載或欠載，減少無效跑車次數(shù)，節(jié)省作業(yè)時間，提高生產(chǎn)效率。并可以對質量累計計算，顯示儀表以彩色數(shù)碼顯示，清楚明了，校準簡便，測量誤差為±3%以內。
面板控制系統(tǒng)： 采用聲、光、電及數(shù)字顯示的控制面板，實現(xiàn)裝載儀器與儀表的報警與監(jiān)控。
液壓泵電子管理系統(tǒng)： 自動控制液壓泵的運行狀態(tài)。
自動運輸控制系統(tǒng)： 降低機器在凹凸不平的路面上的振動，提高駕駛舒適性和作業(yè)效率。JCB公司456BZX型上（18t）安裝此系統(tǒng)，最高車速達38km/h。
先進的轉向系統(tǒng)： 采用代替?zhèn)鹘y(tǒng)的轉向盤和控制手柄，此系統(tǒng)在WA1200型上已安裝。
柴油發(fā)動機先進管理系統(tǒng)： 裝備有用于燃油噴射控制及維護發(fā)動機最佳性能的電子控制模塊，其亦可與監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊，當發(fā)生故障時提醒司機注意。Cat3516B型發(fā)動機裝有此模塊。
視距內遙控作業(yè)： 可在危險地帶如急陡的邊坡處實現(xiàn)安裝作業(yè)。如美國Sierrita礦的Cat992C型裝載機設了Black Box Automation 公司開發(fā)的視距內無線電遠距離遙控系統(tǒng)。
6） 駕駛室
近幾年來國外裝載機的設計和制造進一步體現(xiàn)了以人為本的理念，要為司機提供一個更加舒適的環(huán)境，以達到他們稱之為全自動化型的境地。大中型裝載機駕駛室普遍采用翻車保護裝置結構（ROPS）和落物保護裝置結構（FOPS），室內安裝空調裝置，采用防塵、減震和隔離材料。按人機工程學設計的司機座椅可以全方位調節(jié)，以及功能集成的操縱手柄，全自動換擋裝置及電子監(jiān)控與故障自診斷等各種智能系統(tǒng)，司機臺上安裝AM/FM立體聲盒式磁帶收錄機，有的還裝有網(wǎng)絡電話等，這些都極大的改善了司機工作環(huán)境，提高了工作效率與作業(yè)舒適性。
如卡特彼勒公司裝載機的即使是設有微機監(jiān)控裝置和可調懸掛式座椅，先導液壓閥操縱鏟斗控制手柄及流量放大轉向系統(tǒng)等，使操作輕便、靈活，采用防翻車保護裝置和落物保護裝置結構符合ISO標準要求。
小松公司的WA系列駕駛室采用硅橡膠黏性阻尼安裝，以吸收振動和噪聲。室內布置簡潔，可適應不同體型的司機。還設有電控加熱器、除霜器和空調，側窗和后窗提供了無障礙的全景視野，部分機型駕駛室后窗還設有電提升裝置。電控行駛控制系統(tǒng)（ECSS），能將縱向和垂直方向的低頻振動降低40%~50%，減小司機疲勞程度。
（3） 發(fā)展多種工作裝置，不斷滿足市場需求
所有廠家的產(chǎn)品都強調一機多用，配用快換裝置及多種附件，可以換裝幾種到幾十種甚至上百種不同的作業(yè)裝置，如VME集團生產(chǎn)的VolvoBM裝載機可更換多達100余種的工作裝置，如各種用途的鏟斗、裝卸叉、吊具、清掃裝置、集草叉、除雪鏟、路面銑刨器具、壓實器具、破碎器具、地表鉆等，以便進行裝載、鏟平、搬運、挖掘、清理等作業(yè)。各種工作裝置的更換非常簡便，司機在駕駛室內只需1~2min就可以輕而易舉的完成。
（4） 易于維修、保養(yǎng)，注重環(huán)保
所以產(chǎn)品都充分考慮到可維護、維修性，各關鍵零部件和維護點都預留了足夠的通路，保養(yǎng)點集中并可以在地面上進行，普遍采用了自動集中潤滑。大量機罩都采用可展開結構，可整體翻轉，有些機型的駕駛室還可以整體傾翻。許多產(chǎn)品發(fā)動機風扇采用液壓驅動。大部分產(chǎn)品設有微機操作信息中心供維修查詢。各個廠家也都十分注意產(chǎn)品的環(huán)保，主要從降噪降污和節(jié)約能源入手。普遍采用了降噪、將污染、滿足現(xiàn)有排放法的清潔型發(fā)動機，同時對機器主要噪聲源都采取了各種防護措施。
1.2.2 國外裝載機發(fā)展趨勢
綜合上述現(xiàn)狀和未來市場需求，國外裝載機在其未來的技術發(fā)展中將廣泛應用微電子技術與信息技術，完善計算機輔助駕駛系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)及故障診斷系統(tǒng)；采用單一吸聲材料、噪聲抑制方法等消除或降低機器噪聲；通過不斷改進電噴裝置，進一步降低柴油發(fā)動機的尾氣排放量；研制無污染、經(jīng)濟型、環(huán)保型的動力裝置；提高液壓元件、傳感元件和控制元件的可靠性與靈敏性，提高整機的機-電-信一體化水平；在控制系統(tǒng)方面，將廣泛采用電子監(jiān)控和自動報警系統(tǒng)、自動換擋變速裝置；普遍安裝GPS定位與質量自動稱量裝置；開發(fā)“機器人式”裝載機等。
（1） 系列化，特大型化
系列化是工程機械發(fā)展的重要趨勢。國外著名大公司逐步實現(xiàn)其產(chǎn)品系列化進程，形成了從微型到特大型不同規(guī)格的產(chǎn)品。與此同時，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期明顯縮短。
（2） 多用途，微型化
為了全方位的滿足不同用戶的需求，國外裝載機在朝著系列化、特大型化方向發(fā)展的同時，已進入多用途、微型化發(fā)展階段。推動這一發(fā)展的因素首先源于液壓技術的發(fā)展，通過對液壓系統(tǒng)的合理設計，使得工作裝置能夠完成多種作業(yè)功能；其次，快速可更換連接裝置的誕生，安裝在工作裝置上的液壓快速可更換連接器，能在作業(yè)現(xiàn)場完成各種附屬裝置的快速裝卸及液壓軟管的自動連接，使得更換附屬作業(yè)裝置的工作在司機室通過操縱手柄即可快速完成。一方面，工作機械通用性的提高，可使用戶在不斷增加投資的前提下充分發(fā)揮設備本身的效能，完成更多的工作；另一方面，為了盡可能地用機器作業(yè)代替人力勞動，提高生產(chǎn)效率，適應城市狹窄施工場所以及特殊作業(yè)環(huán)境的使用要求，小型及微型裝載機有了用武之地，并得到了較快的發(fā)展。為占領這一市場，各生產(chǎn)廠商都推出了多用途、小型和微型裝載機。
（3） 進一步普及應用液壓技術，廣泛應用微電子、信息技術
液壓技術將得到進一步的發(fā)展和應用，并繼續(xù)朝著高速、高壓、大流量、大功率、動靜態(tài)性好、質量輕、結構簡單、成本低和壽命長等更高水平發(fā)展。液壓技術將進一步與微電子、信息技術相結合，實現(xiàn)機-電-信一體化，最大限度的提高功能利用率，提高裝載機的技術性能和科技含量。
（4） 不斷創(chuàng)新的結構設計
目前，裝載機的工作裝置已不再采用單一的Z形連桿機構，許多公司不斷設計出新穎獨特的連桿機構工作裝置，這將進一步增加裝載機工作裝置的種類。
（5） 更加重視安全性、舒適性和可靠性
裝載機的安全性、舒適性和可靠性技術將得到更廣泛的重視。翻滾保護和落物保護結構駕駛室、消聲、減震、防油污以及全球定位系統(tǒng)（GPS），閉路監(jiān)視系統(tǒng)，超聲波后障礙探測系統(tǒng)，微機監(jiān)控和自動報警系統(tǒng)，不解體檢測和簡化維修等各種新技術與裝置將得到進一步的發(fā)展和更廣泛的應用。
（6） 向節(jié)能與環(huán)保方向發(fā)展
一些節(jié)能環(huán)保的新技術和新方法，如代用燃料、節(jié)能裝置、降噪裝置將得到更深入的試驗研究并推廣應用，進一步降低能耗，提高作業(yè)經(jīng)濟效益。
1.2.3 國內裝載機發(fā)展現(xiàn)狀
我國裝載機行業(yè)起步較晚，其制造技術是陸續(xù)從美國、德國和日本等國家引進的。目前，我國裝載機的生產(chǎn)技術水平只相當于發(fā)達國家20世紀80年代的生產(chǎn)制造水平。雖然目前國內裝載機的生產(chǎn)廠家群雄并立，并且有增無減，但國內的企業(yè)自主開發(fā)創(chuàng)新能力較弱，產(chǎn)品更新?lián)Q代以適應市場需求的能力差，不能及時適應市場的需求。在生產(chǎn)制造上，工藝裝備水平和生產(chǎn)能力低，造成關鍵零部件技術不過關，整機的可靠性，故障率，使用壽命，機、電、液一體化水平，外觀質量，操縱靈活性和舒適性方面與先進國家產(chǎn)品相比差距較大。目前，我國裝載機的發(fā)展有如下一些特點：
（1） 缺乏高科技含量，產(chǎn)品質量不穩(wěn)定，檔次低
我國生產(chǎn)的裝載機的技術水平普遍較低，高科技附加值少，產(chǎn)品檔次低，屬于中等偏下水平。產(chǎn)品質量不穩(wěn)定，國產(chǎn)裝載機大故障的部位主要集中在傳動系統(tǒng)，小毛病主要出現(xiàn)在液壓系統(tǒng)。
（2） 設備的靈活性、舒適性較差
靈活性是反映裝載機工作效率的一個重要指標。由于設計或制造等原因，各個部件不能自如運作，工作起來笨拙不堪，現(xiàn)場講是出工不出力、出力不出活?，F(xiàn)場作業(yè)，其環(huán)境千差萬別，特別是洞室、狹窄惡劣地段工作更需要靈活性，在這方面國外的大噸位設備也遠比國內小噸位設備靈活的多。
設備的舒適性是指駕駛員在操作設備作業(yè)時所感受到的舒適程度，也包括環(huán)保方面的排放標準和噪聲大小等。國產(chǎn)產(chǎn)品駕駛室的噪聲控制、密封問題都沒有得到很好的解決。一些廠家試圖在駕駛室里安裝收錄機等音響系統(tǒng)，其實在沒解決設備噪聲之前，這些都是徒勞的；同理，在沒有解決駕駛室密封問題之前，一切空調等通風換氣裝置都是沒有任何意義的。
（3） 用途單一，產(chǎn)品規(guī)格中間大兩頭小
我國生產(chǎn)的裝載機所配有的附屬作業(yè)裝置有限，造成裝載機使用功能少、用途單一。盡管已能產(chǎn)生出0.4~10t 的裝載機產(chǎn)品，但產(chǎn)量主要集中在1~5t 范圍內，無力生產(chǎn)微型級、大型級產(chǎn)品，造成了產(chǎn)品結構中間大、兩頭小的格局。
1.2.4 國內裝載機發(fā)展趨勢
盡管國內裝載機的技術發(fā)展水平與西方發(fā)達國家存在著很大的差距，但也應該考慮到歷史和國情的原因。目前國產(chǎn)裝載機也正在從低水平、低質量、低價位、滿足功能型向高水平、高質量、中價位、經(jīng)濟實用型過渡。從仿制仿造向自主開發(fā)過渡，各個主要廠家也不斷進行技術投入，采用不同的技術路線，在關鍵部件及系統(tǒng)上技術創(chuàng)新，擺脫目前產(chǎn)品設計雷同，無自己特色和優(yōu)勢的現(xiàn)狀，正在從低水平的無序競爭的怪圈中脫穎出來，成為裝載機行業(yè)的領先者。其發(fā)展體現(xiàn)出以下一些趨勢：
⑴ 大型和小型裝載機，在近幾年的發(fā)展過程中，受到客觀條件及市場總需求量的限制，競爭最為激烈的中型裝載機更新速度將越來越快。
⑵ 各生產(chǎn)廠家根據(jù)實際情況，重新進行總體設計，優(yōu)化各項性能指標，強化結構件的強度及剛度，以使整機可靠性得到提高。
⑶ 優(yōu)化系統(tǒng)結構，提高系統(tǒng)性能。如動力系統(tǒng)的減震系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)的結構優(yōu)化、工作裝置的性能指標優(yōu)化及各鉸接點的防塵、工業(yè)造型設計，逐步引進最新的傳動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)技術，予以國產(chǎn)化、商業(yè)化，降低能耗，提高性能。
⑷ 利用電子技術及負荷傳感技術來實現(xiàn)變速箱的自動換擋及液壓變量系統(tǒng)的應用，提高效率、節(jié)約能源、降低裝載機作業(yè)成本。
⑸ 提高安全性、舒適性。駕駛室逐步具備FOPS和ROPS功能，通過國際安全要求的認證，達到國際市場的基本要求，獲得進入國際市場的許可證。駕駛室內環(huán)境將向汽車方向靠攏，轉向盤、座椅、各操縱手柄都能調節(jié)，使操作者處于最佳位置工作。
⑹ 降低噪聲和排放，強化環(huán)保指標。隨著人們環(huán)保意識的增強，許多大城市已制定機動車的噪聲和排放標準，工程建設機械若不符合排放標準，將要限制在此地區(qū)銷售。
⑺ 廣泛利用新材料、新工藝、新技術，特別是機、電、液一體化技術，提高產(chǎn)品的壽命和可靠性。
⑻ 最大限度的簡化維修，盡量減少保養(yǎng)次數(shù)和維修時間，增大維修空間，普遍采用電子監(jiān)視及監(jiān)控技術，進一步改善故障診斷系統(tǒng)，提供排除問題的方法。
1.3 本章小結
通過以上對裝載機整體的的敘述， 能明顯的認識到其工作裝置在整個裝載機中占據(jù)著重要的作用，其各個系統(tǒng)的目的在于使工作裝置能夠得到最優(yōu)化的工作狀態(tài)，提高裝載機在工程中的應用效率，因此，本次設計在于設計出使用范圍廣，通用性強的一種裝載機的工作裝置。
2 裝載機工作裝置總體設計
2.1 工作裝置的總體結構與布置
裝載機工作裝置是完成裝卸作業(yè)并帶液壓缸的空間多桿機構。工作裝置是組成裝載機的關鍵部件之一，其設計水平的高低直接影響工作裝置性能的好壞，進而影響整機的工作效率與經(jīng)濟性指標。
裝載機工作裝置分為有鏟斗托架和無鏟斗托架兩種基本結構形式，如下圖2-1、2-2所示。它由運動相互獨立的兩部分組成 連桿機構和動臂舉升機構，主要由鏟斗、動臂、連桿、上下?lián)u臂、轉斗油缸、動臂舉升油缸、托架、液壓系統(tǒng)等組成。
圖2-1 有鏟斗托架式
圖2-2 無鏟斗托架式
1—鏟斗 2—動臂 3—連桿 4—下?lián)u臂 5—上搖臂 6—轉斗缸 7—動臂舉升油缸 8—前車架 9—鏟斗托架
帶鏟斗托架的工作裝置，其動臂及連桿的下鉸接點與鏟斗托架鉸接，上鉸接點與前車架支座鉸接；轉斗油缸鉸接在托架上部，活塞桿及托架下部與鏟斗鉸接。由托架、動臂、連桿及前車架構成一個平行四邊形連桿機構，使得轉斗缸閉鎖時，動臂在舉升過程中，鏟斗始終保持平動。無鏟斗托架的工作裝置，其動臂下鉸接點與鏟斗鉸接，上鉸接點與前車架支座鉸接；轉斗缸一端與前車架鉸接，另一端與上搖臂鉸接；連桿一端與搖臂鉸接，另一端與鏟斗鉸接；搖臂鉸接在動臂上。
動臂舉升缸一般采用立式（又稱豎式）或臥式（又稱橫式）布置形式，常見有兩種連接方式：一種是油缸頂端與前車架鉸接（圖2-3）；另一種是油缸中部通過銷軸與前車架鉸接（圖2-4）。鏟斗是裝載物料的容器，通常具有兩個鉸接點，一個與動臂下鉸接點鉸接，另一個與連桿鉸接。操縱轉斗缸實現(xiàn)鏟斗的裝載或卸料；操縱舉升油缸實現(xiàn)動臂和鏟斗升降運動。
圖2-3 立式布置形式 圖2-4 臥式布置形式
2.2 工作裝置連桿機構的結構形式與特點
由裝載機工作裝置的自由度分析可知，工作裝置的連桿機構均為封閉運動鏈的單自由度的平面低副運動機構，其桿件數(shù)目應為4、6、8、10、……等。對裝載機工作裝置而言，盡管桿件數(shù)目越多越能實現(xiàn)復雜的運動，但同時鉸接點的數(shù)目也隨之增加，結構越復雜，就越難在動臂上進行布置。因此，實際上裝載機工作裝置的連桿機構多為八桿以下機構。這樣，按組成工作裝置連桿機構構件數(shù)不同，裝載機工作裝置可分為三桿、四桿、五桿、六桿和八桿機構；按輸入與輸出桿轉向不同，又可分為正轉和反轉機構。正轉機構是指輸入與輸出桿的轉向相同；反轉機構是指輸入與輸出桿的轉向相反。綜合國內外裝載機工作裝置可知，其連桿機構典型結構主要有下列幾種。
1、 正轉八桿機構 機構在轉斗缸大腔進油時轉斗鏟取，所以鏟取力較大；各構件設計合理時，鏟斗能獲得較好的舉升平動性能；連桿機構的傳動比較大，鏟斗能獲得較大的卸載角和卸載速度，因此卸載干凈，速度快；因傳動比大，還可以適當減小連桿機構的尺寸，因而可以改善司機的視野。機構結構較復雜，鏟斗自動放平性較差。
組成一個自由度的平面八桿機構共有16種基本結構形式。由于連桿機構要布置在動臂上，所以有可能作為裝載機工作裝置的僅有兩種方案：其一，是由2個四鉸構件和6個兩鉸構件組成（圖2-5a）；其二，是由1個四鉸構件、2個三鉸構件和5個兩鉸構件組成（圖2-5b~f）?？梢?，八桿機構的結構形式很多，需進行選擇使用。目前，裝載機工作裝置八桿機構有以下兩種結構形式：
1） 由圖2-5b組成的工作裝置如圖2-6a、b所示。
2） 由圖2-5e組成的工作裝置如圖2-6c所示。
圖2-5 八桿機構的構成方案
圖2-6 八桿機構工作裝置的結構形式
2、 六桿機構 六桿機構工作裝置是目前裝載機上使用最為普及的一種結構形式。對于單自由度的六桿機構，只能有兩個三鉸構件和4個兩鉸構件組成，其傳遞方案如圖2-7所示。其中，圖b 所示方案目前在裝載機上尚未采用；圖a 所示方案形成的工作裝置，是以三鉸構件1為動臂、構件2為鏟斗、構件4為搖臂、構件6為機架。
圖2-7 六桿機構的構成方案
根據(jù)轉斗油缸布置位置的不同，可以作為裝載機工作裝置的六桿機構，常見的有以下幾種結構形式：
1） 轉斗缸前置式正轉六桿機構（圖2-8a） 以圖2-7的構件3為轉斗缸，其優(yōu)點是轉斗缸直接與搖臂相連接，易于設計成兩個平行的四連桿機構，鏟斗平移性較好；同八桿機構相比，結構簡單，司機視野較好。缺點是轉斗時油缸小腔進油，鏟掘力相對較?。贿B桿機構傳力比小，使得轉斗缸活塞行程較大，轉斗缸加長，卸載程度不如八桿機構；由于轉斗缸前置，使得工作裝置的整體重心外移，增大了工作裝置的前懸量，影響整機的穩(wěn)定性和行駛時的平穩(wěn)性；鏟斗不易實現(xiàn)自動放平。
圖2-8 六桿機構工作裝置的結構形式
2） 轉斗缸后置式正轉六桿機構（圖2-8b） 以圖2-7a 的構件5為轉斗缸，并布置在動臂的上方。與轉斗缸前置式相比，機構前懸較小，傳動比較大，活塞行程較短；有可能將動臂、轉斗缸、搖臂和連桿機構的中心線設計在同一平面內，從而簡化了結構，改善了動臂和鉸銷的受力狀態(tài)。缺點是：轉斗缸與車架的鉸接點位置較高，影響了司機的視野，其他同前置式。
3） 轉斗缸后置式正轉六桿機構（圖2-8c） 仍以構件5為轉斗缸，但將其布置在動臂下方。在鏟掘收斗作業(yè)時，以油缸大腔工作，故能產(chǎn)生較大的掘起力。但組成工作裝置的各構件不易布置在同一平面內，構件受力狀態(tài)較差。
4） 轉斗缸后置式反轉六桿機構（圖2-8d） 以圖2-7a 的構件5為轉斗缸，將其布置在動臂上面，轉斗缸小腔作用時進行鏟掘。這種機構又稱為“Z”形連桿機構（Z-bar Linkage）。該機構具有以下優(yōu)點：一是，鏟斗插入時轉斗缸大腔進油，并且連桿機構的傳力比可以設計成較大值，故可獲得較大的掘起力；二是，合理設計連桿機構各構件的尺寸，不僅可以得到良好的鏟斗平移性能，而且可以實現(xiàn)鏟斗的自動放平；三是，結構十分緊湊，前懸小，司機視野好。缺點是搖臂和連桿布置在鏟斗和前橋之間的狹窄部位，各構件間易于發(fā)生干涉。
5） 轉斗缸后置式反轉六桿機構（圖2-8e） 以圖2-7a 的構件3為轉斗缸，布置在靠近鏟斗處，鏟掘時靠小腔作用。現(xiàn)在這種機構很少用。
3、正轉四桿機構（圖2-9a） 該機構結構最為簡單，易于設計成鏟斗舉升平動；前懸較小。缺點是鏟掘轉斗時油缸小腔作用，輸出力較?。贿B桿機構的傳力比難以設計成較大值，所以鏟掘力相對較??；轉斗缸行程較大，油缸結構較長；鏟斗卸載時，活塞桿易與鏟斗底部相碰，減小了卸載角；機構不易實現(xiàn)鏟斗自動放平。
4、 正轉五桿機構（圖2-9b） 該機構是在正轉四桿機構的基礎上，在活塞桿和鏟斗之間增加一根短連桿演變而成的，從而克服了正轉四桿機構卸載時活塞桿易與斗底相碰的不足。當鏟斗端平時，短連桿與活塞桿靠油缸拉力和鏟斗重力拉成一直線，合為一桿；而當鏟斗卸料時，短連桿能相對活塞桿轉動，從而避免了活塞桿與斗底相碰。
5、 動臂可伸縮式三桿機構（圖2-9c） 該機構的最大優(yōu)點是動臂借助油缸可以進行伸縮。其鏟斗插入工況是依靠動臂伸出來實現(xiàn)的，從而解決了靠機器行走時插入造成輪胎嚴重磨損的問題；卸載時可伸出動臂，以獲得較大的卸載高度和卸載距離；運輸工況時，可縮回動臂，減小前懸，提高車架行駛時的穩(wěn)定性。缺點是不能實現(xiàn)鏟斗放平和鏟斗自動放平，結構比較復雜。
圖2-9 工作裝置結構形式
a）正轉四桿機構 b）正轉五桿機構 c）動臂可伸縮式三桿機構
2.3 工作裝置自由度的計算
由于組成裝載機工作裝置的各構件是通過銷軸連接的，各個銷軸互相平行；加上，其結構又是縱向對稱。因此，在進行裝載機工作裝置的運動學分析時，可將其簡化為帶液壓缸的平面低副多桿機構，不計各桿件的自重，并假設各鉸接點的摩擦力為零。
圖2-10所示，為典型的反轉六桿機構和正轉八桿機構工作裝置的桿系結構簡圖。圖中，UG為動臂位置角；即動臂上、下鉸接點的連線與垂直線的夾角，以繞動臂上鉸接點逆時針方向為正，反之為負；U為鏟斗位置角，即鏟斗斗底與水平線正向的夾角為正，反之為負。
圖2-10 工作裝置平面桿系結構簡圖
a）反轉六桿機構 b）正轉八桿機構
對于反轉六桿機構的工作裝置（圖2-10a），它由舉升機構GHI、油缸四連桿機構DEFG和鏟斗四連桿機構ABCD等組成。其中，活動桿件數(shù)n=8，低副數(shù)11，高副數(shù)0。這樣，由平面機構自由度的計算公式可得，反轉六桿機構工作裝置的自由度
2
當轉斗缸閉鎖時，動臂在舉升缸的作用下舉升或下降鏟斗，此時該工作裝置的自由度為1，舉升缸為原動件；當舉升缸閉鎖，動臂處于某一特定作業(yè)位置不動時，在轉斗缸的作用下，通過一平面六桿機構使鏟斗繞其鉸點轉動，此時該工作裝置的自由度也是為1，轉斗缸為原動件。
對于正轉八桿機構的工作裝置（圖2-10b），它由舉升機構IMN、油缸四連桿機構IFHJ、鏟斗四連桿機構ABCD和中間四連桿機構DEGF等組成。同樣可得，正轉八桿機構工作裝置的自由度F=2。
2.4 工作裝置總體設計
由設計任務書和設計要求，對于本次ZL50裝載機的設計采取以下方案：
在鏟斗部分，采用無鏟斗托架式結構；油缸的布置形式為立式布置形式。同時考慮到實際工作中的運用情況，它的連桿機構采用的是反轉六桿機構。
主要參數(shù)：
鏟斗容量： 3.0 m3
額定載重量： 5 t
發(fā)動機額定功率： 154 kw
整機質量： 16.3 t
以上是為總體的參數(shù)，鏟斗的取值主要通過到現(xiàn)場測量和老師傅的經(jīng)驗得到；在連桿系統(tǒng)各個鉸接點的確定時，采用的是圖解法，確定其坐標的位置；液壓系統(tǒng)中的轉斗油缸和舉升油缸主要是通過行程和鉸接點的確定從液壓件中選取的；然而在本次的設計中，主要采用CATIA 軟件進行的設計，具體的設計如第三章所述。
3 ZL50 裝載機工作裝置設計
3.1 工作裝置的設計要求
3.1.1 工作裝置工作性能
工作裝置的結構和性能直接影響工程機械整機的工作尺寸和性能參數(shù)，工作裝置的合理性直接影響整機的工作效率、生產(chǎn)負荷、動力與運動特性、不同工況下的作業(yè)效果、工作循環(huán)的時間、外形尺寸和發(fā)動機功率等。不同類型工程機械的工作裝置的組成是不同的。
裝載機的工作過程包括：插入工況、鏟裝工況、重載運輸工況、舉升工況、卸載工況、空載運輸工況。裝載機的工作裝置主要由鏟斗、動臂、連桿、搖臂、轉斗油缸和舉升油缸組成。裝載機工作裝置主要由鏟斗和支持鏟斗進行裝載作業(yè)的連桿系統(tǒng)組成，依靠這套裝置裝載機可以對汽車、火車進行散料裝載作業(yè)，也可以對散料進行短距離運輸作業(yè)，還可以進行平地修路等作業(yè)。把鏟斗更換成專門的裝置，還可以進行其他的裝載作業(yè)。
3.1.2 對工作裝置的要求
工作裝置在設計時應滿足以下要求
（1） 角度要求：滿足工作循環(huán)中對鏟斗各個工作位置的角度要求，達到所要求的卸載高度與卸載距離。
（2） 運動要求：在工作循環(huán)中速度與加速度變化合理，油缸活塞行程為最佳，工作裝置運動平穩(wěn)、無干涉、無死點、無自鎖，動臂從最低位置到最大卸載高度的舉升過程中，保證鏟斗中的物料無撒落，在卸載后，動臂下放至鏟掘位置，鏟斗能自動放平。
（3） 結構要求：結構要求簡單緊湊，承載元件數(shù)量（包括油缸）盡量少，前懸小。
（4） 動力性要求：連桿機構具有較高的力傳遞效率，以保證工作裝置產(chǎn)生較大的插入力、掘起力和舉升力。
3.2 鏟斗設計
鏟斗是工作裝置的重要部件，裝載機工作時用它直接鏟掘、裝載、運輸和傾卸物料。鏟斗直接與物料接觸，是裝、運、卸的工具，工作時，它被推壓插入料堆鏟取物料，工作條件惡劣，要承受很大的沖擊力和劇烈的磨損，因此鏟斗設計質量對裝載機的作業(yè)能力有較大的影響。為了保證鏟斗的設計質量，首先應當合理的確定鏟斗的結構及幾何尺寸，以降低鏟斗插入物料的阻力。其次要保證鏟斗有足夠的強度、剛度、耐磨性，使之具有合理的使用壽命。
3.2.1 鏟斗的結構形式
鏟斗的形狀和尺寸參數(shù)對插入阻力、鏟取阻力、轉斗阻力和生產(chǎn)率都有著很大的影響。同一個鏟斗有兩種容積標志：一是物料裝平時的容積，稱為平裝斗容；二是物料裝滿堆高后的容積，稱為堆裝斗容。機器銘牌上標稱的斗容通常為堆裝的容積。鏟斗由斗底、側壁、斗刃及后壁等部分組成。鏟斗的斗刃還分為帶齒和不帶齒的兩種。鏟斗的斷面形狀一般為“U”形，用鋼板焊接而成。
（1）斗體形狀
從整個斗體形狀看來，鏟斗基本可以分成“淺底”和“深底”兩種類型。在斗容量相同的情況下，前者開口尺寸較大，斗底深度較小，即斗前壁較短，而后者正好相反。
淺底鏟斗插入料堆的深度較小，相應的插入阻力也較小，容易裝滿，但運輸行駛時容易撒落物料；由于前懸增大，影響車輛行駛平穩(wěn)性。而深底鏟斗則恰恰相反。相比之下，定點裝載使用淺底鏟斗，而運輸距離較大則采用深底鏟斗較為合適。
斗體常用低碳、耐磨、高強度鋼板焊接制成。
（2）切削刃的形狀
根據(jù)裝載物料不同，切削刃有直線型和非直線型。前者形式簡單，有利于鏟平地面，但鏟裝阻力較大。后者又有V形和弧形等，由于這種刃中間突出，鏟斗插入料堆時可使插入力集中作用在斗刃的中間部分，所以插入阻力較小，容易插入料堆，并有利于減少偏載插入，但鏟斗裝滿系數(shù)要比前者小。
礦用裝載機工作條件惡劣，任務繁重，插入和掘起阻力都很大，偏載工況對工作機構的強度影響嚴重，所以多選用非直線形切削刃，并以V形切削刃為佳。斗刃材質是即耐磨又耐沖擊的中錳合金鋼材料，側切削刃和加強角板都用高強度耐磨鋼材料制成。
（3）斗齒
鏟斗斗刃上可以有斗齒，也可以沒有斗齒。若斗刃上裝有斗齒時，斗齒將先于切削刃插入料堆，由于它比壓大，所以比不帶齒的切削刃易于插入料堆，插入阻力能減小20%左右，特別是對料堆比較密實、大塊較多的情況，效果尤為顯著，因此礦用裝載機一般都是帶斗齒。
斗齒結構分為整體式和分體式兩種，一般斗齒是用高錳鋼制成的整體式，用螺栓固定在鏟斗斗刃上，中小型裝載機多采用這種形式。為便于斗齒磨損后更換和節(jié)約斗齒金屬，也有使用雙段斗齒的，如圖3-1所示。
圖3-1 雙段斗齒
1—齒尖； 2—齒坐； 3—鋼銷
這種斗齒的齒尖與齒坐的配合面為錐面，兩者配合情況良好。裝配時，先置入有彈性的金屬橡皮，然后再從上邊或從下邊往方形銷孔中打入鋼銷3即可。由于拆卸方便，齒尖一邊磨損后可以翻轉再使用，從而延長使用壽命。大型裝載機由于作業(yè)條件差、斗齒磨損嚴重，故常采用這種分體式斗齒。
斗齒的形狀和間距對切削阻力是有影響的。一般中型裝載機鏟斗的斗齒間距為250~300mm左右，太大時由于切削刃將直接參與插入工作，使阻力增大，太小時，齒間易于卡住石塊，也將增大工作阻力。長而窄的齒要比段而寬的齒插入阻力小，但太窄又容易損壞，所以齒寬以每厘米長載荷不大于500~600kg為宜。
（4）鏟斗側刃
因為側刃參與插入工作，為減小插入阻力，側壁前刃應與斗前壁成銳角，弧線或折線側刃鏟斗的插入阻力比直線形側刃要小，但具有弧線或折線形側刃鏟斗的側壁較淺，物料易于從兩側撒落，影響鏟斗的裝滿。為了不使斗容減小太多，一般可將連接前后斗壁的側壁刃口設計成弧形。
（5）斗底
斗前壁與斗后壁用圓弧銜接，構成弧形斗底。為了使物料在斗中有很好的流動性，斗底圓弧半徑不宜太小，前后壁夾角不應小于物料與鋼板的摩擦角的2倍，以免卡住大塊物料。若取物料與鋼板的摩擦因數(shù)f =0.4，則摩擦角φ≈22°，所以張開角必須大于44°。
綜上所述，針對我的鏟斗設計性質如下：
斗體材料：低碳、耐磨、高強度鋼板
斗刃形狀：直線形斗刃
斗刃材料：耐磨又耐沖擊的中錳合金鋼材料
3.2.2 鏟斗的分類
鏟斗按照卸載方式一般可以分為整體前卸式、側卸式、推卸式和底卸式等數(shù)種。
（1） 整體前卸式鏟斗
整體前卸式鏟斗的突出優(yōu)點是結構簡單，工作可靠，有效裝載容積大，但需要有較大的卸載角才能將物料卸凈。通常情況下，絕大多數(shù)前端式這裝載機都是用這種鏟斗。
（2） 側卸式鏟斗
這種鏟斗沒有側板，插入阻力小，裝載效率高，特別是在裝載機用于填溝或在狹窄場地往側旁的運輸設備進行裝載作業(yè)時，其優(yōu)點就更加顯著了。
（3） 推卸式鏟斗
它可以彌補整體前卸式鏟斗卸載高度不足，在裝載機其他尺寸參數(shù)相同的情況下，能夠顯著提高卸載高度和增加卸載距離；特別適用于卸出小顆粒粘性物料。與整體前卸式鏟斗相比，推卸式鏟斗的結構復雜一些，且需要用動力推卸，但具有以上的一些優(yōu)點，在地下作業(yè)時多被采用。
（4） 底卸式鏟斗
底卸式鏟斗是用動力打開斗底卸載的，同推卸式鏟斗一樣可以提高卸載高度，但結構也是比較復雜。
以為考慮到成本和產(chǎn)品的實用性，以及在工作中遇到的情況，本次的設計所采用的是整體前卸式的鏟斗卸載方式。
3.2.3 鏟斗斷面形狀和基本參數(shù)確定
（1）鏟斗的斷面形狀
鏟斗的斷面形狀由鏟斗圓弧半徑r、底壁長l、后壁高h和張開角γ四個參數(shù)確定，如圖3-2所示。
圖3-2 鏟斗斷面基本參數(shù)圖
圓弧半徑r越大，物料進入鏟斗的流動性越好，有利于較少物料裝入斗內的阻力，卸料快而干凈。但r過大，斗的開口大，不易裝滿，且鏟斗外形較高，影響駕駛員觀察鏟斗斗刃的工作情況。
后壁高h是指鏟斗上緣至圓弧與后壁切點間的距離。
底壁長l是指斗底壁的直線段長度。l長則鏟斗鏟入料堆深度大，斗容易裝滿，但掘起力將由于力臂的增加而減小。由試驗得知，插入阻力隨鏟入料堆的深度而急劇增加。l長同樣會減小卸載高度，短則掘起力大，且由于卸料時鏟斗刃口降落的高度小，還可以減小動臂舉升高度，縮短作業(yè)時間，但會減小斗容。對裝載輕質物料為主的鏟斗，l可選擇大些，對于裝載巖石的鏟斗，應取小些。
鏟斗張開角γ 為鏟斗后壁與底壁之間的夾角，一般取45°到52°之間。適當減小張開角并使斗底壁對地面有一定斜度，可減小插入料堆時的阻力，提高鏟斗的裝滿程度。
鏟斗的寬度應大于裝載機兩個前輪外側間的寬度，每側要寬出50~100mm。如鏟斗寬度小于兩輪外側間的寬度，則鏟斗鏟取物料后所行成的料堆階梯會損傷到輪胎側壁，并增加行駛時輪胎的阻力。
通過以上的介紹，結合從現(xiàn)場采集來的大概參數(shù)，本次設計的具體參數(shù)初定如下：
鏟斗圓弧半徑r： 350mm
底壁長l： 700mm
后壁高h： 400mm
張開角γ： 48°
（2）鏟斗基本參數(shù)的確定
在定下了以上的斷面參數(shù)后，從現(xiàn)場的參考數(shù)據(jù)得到，本設計鏟斗的總寬度B為2900mm，并且鏟斗壁厚為30mm。
設計時，把鏟斗的回轉半徑R （即鏟斗與動臂鉸接點至切削刃間的距離），如圖3-3所示，作為基本參數(shù)，鏟斗的其他參數(shù)作為R的函數(shù)。它的大小不僅直接影響鏟斗底壁的長度，而且還直接影響轉斗時掘起力及斗容的大小，所以它是一個與整機總體有關的參數(shù)。鏟斗的回轉半徑R可按照式（3-1）計算。
圖3-3 鏟斗尺寸參考
（m） （3-1）
式中 鏟斗平裝斗容，2.5m3
鏟斗內側寬度，2.840m
鏟斗斗底長度系數(shù)，=1.40~1.53
后壁長度系數(shù)，=1.1~1.2
擋板高度系數(shù)，=0.12~0.14
圓弧半徑系數(shù)，
張開角，為45°~52°
擋板與后壁間的夾角（無擋板取0）
圖3-3中各參數(shù)含義如下：
鏟斗圓弧