摘 要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，是現代機械化施工中不可缺少的裝備之一。這次設計采用先進的現代設計方法，對這種輪式裝載機工作裝置進行了總體設計到零部件設計。主要包括輪式裝載機工作裝置的關鍵零部件，如鏟斗、連桿機構以及轉斗油缸、舉升油缸等，并對重要零件進行了剛度、強度分析。應用 CATIA 軟件對輪式裝載機工作裝置整體進行設計，并用它對本次設計進行立體展示表達。關鍵詞： 裝載機； 機械化； 工作裝置ABSTRACTLoader of soil belonging to the transport machinery，Through the installation of a front-end in a bucket full support structure and linkage, Random forward movement for loading or excavation, And the upgrading, transportation and unloading of self-propelled machinery. It widely used in highway, railway, construction, utilities, ports and mines, and other construction projects. Loader is operating speed, high efficiency, good mobility, the advantages of operating the Light, So as the construction of earth and stone in the construction of one of the main machine, speed up the construction speed and reduce labor intensity and improve quality, lower costs of the project has played an important role in the construction of a modern mechanized equipment indispensable one.The design of the modern use of advanced design methods, wheel loaders working on such a device design to design components. Wheel Loader work includes installation of critical components, such as the bucket, linkage and the fuel tank to the bucket, lifting the oil tanks, and carry out important parts of the stiffness, strength analysis. Application of CATIA software installed on the wheel loader work for the overall design and its use of this design three-dimensional display of expression.Keywords：Loader； Mechanization；Work-Equipment目 錄1 緒論 .11.1 輪式裝載機概述 11.1.1 裝載機簡介 .11.1.2 裝載機的主要技術性能參數 .11.1.3 裝載機的用途 .21.1.4 裝載機的分類 .31.2 輪式裝載機應用技術發(fā)展 51.2.1 國外輪式裝載機發(fā)展現狀 .61.2.2 國外輪式裝載機發(fā)展趨勢 .121.2.3 國內輪式裝載機發(fā)展現狀 .131.2.4 國內輪式裝載機發(fā)展趨勢 .141.3 本章小結 152 裝載機工作裝置總體設計 .162.1 工作裝置的總體結構與布置 162.2 工作裝置連桿機構的結構形式與特點 182.3 工作裝置自由度的計算 242.4 工作裝置總體設計 263 ZL50 裝載機工作裝置設計 273.1 工作裝置的設計要求 273.1.1 工作裝置工作性能 .273.1.2 對工作裝置的要求 .273.2 鏟斗設計 273.2.1 鏟斗的結構形式 .283.2.2 鏟斗的分類 .303.2.3 鏟斗斷面形狀和基本參數確定 .313.2.4 鏟斗容量的計算 .343.3 工作裝置連桿系統(tǒng)設計 353.3.1 機構分析 .353.3.2 尺寸參數設計 .373.3.3 連桿系統(tǒng)運動分析 .463.4 工作裝置靜力學分析及強度校核 503.4.1 靜力學分析 .503.4.2 強度校核 .553.5 液壓缸設計 583.5.1 液壓缸的類型和結構 .583.5.2 液壓缸基本參數設計 .594 CATIA 軟件的應用 .624.1 CATIA 軟件的介紹 624.2 CATIA 軟件的應用 644.2.1 零件設計 .644.2.2 產品設計 .67結論 .69參考文獻 .70附錄 .71翻譯部分 .72英文原文： .72中文譯文： .82致謝 .881 緒論1.1 輪式裝載機概述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標志裝載機的主要技術性能參數有鏟斗容量、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。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的絕大多數是輪胎式裝載機，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，所以本次設計也以輪式裝載機為目標。輪胎式裝載機簡稱為輪式裝載機，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，國內外生產和使用的裝載機絕大多數是露天輪式裝載機，井下用鏟運機是根據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 液力機械傳動它是輪式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。輪式裝載機的液力變矩器有以下四種：? 一級三元件液力變矩器? 雙渦輪液力變矩器? 變量雙泵輪液力變矩器? 雙導輪液力變矩器我國液力機械傳動輪式裝載機的生產已經形成一個系列，定型生產斗容量為 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 余個變型產品。③ 液壓傳動 用柴油機帶動液壓泵產生高壓油，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輪式變速器所組成。（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。輪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 ZL 系列輪式裝載機大多數采用鉸接式結構。圖 1-1 為現場中的裝載機。圖 1-1 ZL50 B 型裝載機1.2 輪式裝載機應用技術發(fā)展在經歷了 50~60 年的發(fā)展后，到 20 世紀 90 年代中末期國外輪式裝載機技術已達到相當高的水平?；谝簤杭夹g、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、生產經營和維修服務等各個方面，使國外輪式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 國外輪式裝載機發(fā)展現狀（1） 產品形成系列，更新速度加快并朝大型化和小型化發(fā)展產品的系列化、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、農舍、地下等場所的裝載作業(yè)。這些產品如美國克拉克公司生產的 675 型，功率達 1000 kW ， 而日本東洋遠般株式會社生產的 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，產品性能日趨完善近年開發(fā)的產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輪式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)，提高了生產率，延長了元件的使用壽命。小松公司 WA 系列中的小功率輪式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、制動器和行星輪式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平穩(wěn)換擋。快速換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·勒圖爾勒公司的輪式裝載機采用柴油機-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?？ㄌ乇死展镜?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)效率和燃油經濟性。大缸徑轉向液壓缸使轉向更靈活。此外，公司可根據個人喜好，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 等輪式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 型輪式裝載機等，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 為現場裝載機的工作裝置。圖 1-2 工作裝置5） 智能系統(tǒng)當前，輪式裝載機發(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)，并廣泛運用于輪式裝載機的產品設計之中，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，實現轉向；利用大拇指選擇按鈕，實現前進與后退、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)： 根據負載狀態(tài)，自動調節(jié)車速及發(fā)動機飛輪扭矩，實現高速、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。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/管理裝載機數十項性能指標參數，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，防止過載或欠載，減少無效跑車次數，節(jié)省作業(yè)時間，提高生產效率。并可以對質量累計計算，顯示儀表以彩色數碼顯示，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、電及數字顯示的控制面板，實現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安裝作業(yè)。如美國 Sierrita 礦的 Cat992C 型輪式裝載機設了 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。如卡特彼勒公司輪式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 集團生產的VolvoBM 輪式裝載機可更換多達 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。許多產品發(fā)動機風扇采用液壓驅動。大部分產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 國外輪式裝載機發(fā)展趨勢綜合上述現狀和未來市場需求，國外輪式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其產品系列化進程，形成了從微型到特大型不同規(guī)格的產品。與此同時，產品更新?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，國外輪式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，各生產廠商都推出了多用途、小型和微型輪式裝載機。（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，這將進一步增加輪式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)經濟效益。1.2.3 國內輪式裝載機發(fā)展現狀我國輪式裝載機行業(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，我國輪式裝載機的生產技術水平只相當于發(fā)達國家20 世紀 80 年代的生產制造水平。雖然目前國內輪式裝載機的生產廠家群雄并立，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。在生產制造上，工藝裝備水平和生產能力低，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品相比差距較大。目前，我國輪式裝載機的發(fā)展有如下一些特點：（1） 缺乏高科技含量，產品質量不穩(wěn)定，檔次低我國生產的輪式裝載機的技術水平普遍較低，高科技附加值少，產品檔次低，屬于中等偏下水平。產品質量不穩(wěn)定，國產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，現場講是出工不出力、出力不出活?，F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。國產產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，產品規(guī)格中間大兩頭小我國生產的輪式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。盡管已能產生出 0.4~10t 的裝載機產品，但產量主要集中在 1~5t 范圍內，無力生產微型級、大型級產品，造成了產品結構中間大、兩頭小的格局。1.2.4 國內輪式裝載機發(fā)展趨勢盡管國內輪式裝載機的技術發(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。目前國產輪式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，擺脫目前產品設計雷同，無自己特色和優(yōu)勢的現狀，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)展體現出以下一些趨勢： ⑴ 大型和小型輪式裝載機，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 各生產廠家根據實際情況，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輪式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。操縱轉斗缸實現鏟斗的裝載或卸料；操縱舉升油缸實現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，其桿件數目應為4、6、8、10、……等。對裝載機工作裝置而言，盡管桿件數目越多越能實現復雜的運動，但同時鉸接點的數目也隨之增加，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??；連桿機構傳力比小，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??；連桿機構的傳力比難以設計成較大值，所以鏟掘力相對較小；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