装载机铲斗运动机构设计毕业设计论文.docx

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装载机铲斗运动机构设计毕业设计论文河南理工大学毕业设计论文（说明书）装载机铲斗运动机构设计摘要装载机，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工机械，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。

本文以TZ08D型装载机为例,先介绍了TZ08D装载机工作装置结构，利用AUTOCAD2007对装载机工作装置进行初步设计，然后利用Pro／E软件进行装载机工作装置的三维实体设计，以真实地反映装载机的几何形状进而反映出各部件空间位置，有效地反映装载机真实结构，提供直观形象的实体图形，为进一步动态仿真和有限元分析做准备。

最后利用材料力学对工作装置进行校核。

关键词：

装载机，Pro/ENGINEER，虚拟装配ABSTRACTWheelloaderisonemachineextensivelyusedforhighway,railroad,construct,waterelectricity,port,mineralmountainetcandmainlyusedforaspadetopacksoil,freestone,lime,coal.etc.tospreadaformmaterial.Itcanalsomakealightdegreespadetodighomeworktothemineralstone,hardsoiletc.WiththeTZ08Dwheelloaderforaexample,thistextfirstlyintroduceitsstructureandgivepreliminarydesigningwiththehelpofAUTOCAD2007,thenaskingforhelpofPro/Esoftwaretocarryonloadingmachineworkdeviceof3Dentitydesignforreallyreflectingloadingmachineofseveraltheshapethenreflectstheirpositionofeachpartseffectivelyandintroduceitsinstructiontoresolveaproblemintime.Finally,usingthematerialmechanicstocheckworkdevice.Keywords:

Wheelloader，Pro/Engineer，virtualassembly目录装载机铲斗运动机构设计I摘要IABSTRACTI目录II第一章绪论11.1装载机简介11.1.1装载机的发展11.1.2装载机的发展趋势31.1.3装载机分类41.1.4装载的选用原则61.2本课题研究目的和意义7第二章装载机铲斗运动机构72.1装载机铲斗运动机构的结构形式和布置72.2装载机铲斗运动机构的工况及设计要求82.2.1装载机铲斗运动机构的工况82.2.2装载机铲斗运动机构设计要求92.3TZ08D装载机铲斗运动机构结构概况和设计参数92.4铲斗的设计112.4.1铲斗的结构和种类112.4.2铲斗回转半径的计算142.4.3铲斗截面各边尺寸计算152.4.4铲斗上下铰接点位置的确定152.5工作装置连杆机构的设计152.5.1连杆机构的分类152.5.2图解法设计连杆机构尺寸参数192.5.3工作装置连杆机构系统运动分析242.6液压油缸设计计算252.6.1液压缸主要尺寸的计算252.6.2液压缸性能参数的计算262.7铲斗静力学计算272.8连杆的强度校核302.9动臂的强度校核312.9.1计算载荷工况312.9.2建立动臂强度分析力学模型322.9.3动臂的校核计算33第三章装载机铲斗运动机构三维模型建立363.1标准件的建立363.2零件三维模型的建立363.3铲斗运动机构装配模型的建立39总结41致谢42参考文献4343第一章绪论1.1装载机简介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，同时也成为工程机械中发展最快、产销量及市场需求最大的机种之一。

1.1.1装载机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是徐工LW1200K。

图1-1徐工LW1200K2010年11月23日，在baumachina2010展会隆重举办之际，徐工科技震撼推出国内最大吨位装载机——LW1200K，并当场销售，在二十一世纪第二个十年到来之际，引领中国装载机产品技术发展进入新时代。

1.1.2装载机的发展趋势

（1）国外发展趋势：

1）注重提高机器的操纵性及舒适性，减轻司机的操作强度，提高劳动生产率2）小型机械向全液压化及多功能化方向发展3）广泛采用计算机控制技术4）重视环保及安全性5）外形设计更加美观，表面质量更趋完美

（2）国内轮式装载机发展趋势国产轮式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。

1）大型和小型轮式装载机，在近几年的发展过程中，受到客观条件及市场总需求量的限制。

竞争最为激烈的中型装载机更新速度将越来越快。

2）根据各生产厂家的实际情况，重新进行总体设计，优化各项性能指标，强化结构件的强度及刚度，使整机可靠性得到大步提高。

3）细化系统结构。

如动力系统的减振、散热系统的结构优化、工作装置的性能指标优化及各铰点的防尘、工业造型设计等。

4）利用电子技术及负荷传感技术来实现变速箱的自动换挡及液压变量系统的应用，提高效率、节约能源、降低装载机作业成本。

5）提高安全性、舒适性。

驾驶室逐步具备FOPS＆ROPS功能，驾驶室内环境将向汽车方向靠拢，方向盘、座椅、各操纵手柄都能调节，使操作者处于最佳位置工作。

6）降低噪声和排放，强化环保指标。

随着人们环保意识的增强，降低装载机噪声和排放的工作已迫在眉捷，现在许多大城市已经制定机动车的噪声和排放标准，工程建设机械若不符合排放标准，将要限制在该地区的销售。

7）广泛利用新材料、新工艺、新技术，特别是机、电、液一体化技术，提高产品的寿命和可靠性。

8）最大限度地简化维修尽量减少保养次数和维修时间，增大维修空间，普遍采用电子监视及监控技术，进一步改善故障诊断系统，提供司机排除问题的方法。

1.1.3装载机分类总的来说，常用的单斗装载机，按行走装置，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）、行走装置的不同：

装载机分为轮胎式和履带式两种。

轮胎式装开机由动力装置、车架、行走装置、传动系统、转向系统、制动系统、液压系统和工作装置等组成，其结构简单图如图1-1所示。

轮胎式装载机采用柴油机为动力装置，液力变矩、动力换档变速箱、双桥驱动等组成的液力机械式传动系统（小型轮胎式装载机有的采用液压传动或机械传动），液压操纵，铰接式车架转向，反转杆机构的工作装置。

履带式装载机以专用底盘或工业拖拉机为基础车，装上工作装置并配装相就原操纵系统而构成，如图1-2所示。

履带式装载机的动力装置也是柴油机，机械式传动系统则采用液压助力湿式离合器或湿式双向液压操纵转向离合器和正转连杆机构的工作装置。

图1-1轮胎式装载机图1-2履带式装载机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

（2）、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。

（3）、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。

（4）、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。

（5）、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。

装载机的型号表示方法见表1-1。

表1-1装载机的型号表示方法组型代号代号含义主参数名称单位表示法装载机Z（装）履带式Z履带式装载机装载能力t轮胎式L（轮）ZL轮胎式装载机1.1.4装载的选用原则

（1）机型的选择：

主要依据作业场合和用途进行选择和确定。

一般在采石场和软基地进行作业，多选用履带式装载机；

（2）动力的选择：

一般多采用工程机械用柴油发动机，在特殊地域作业，如海拔高于3000m的地方，应采用特殊的高原型柴油发动机；（3）传动型式的选择：

一般选用液力—机械传动。

其中关键部位是变矩器形式的选择。

目前中国生产的装载机多选用双涡轮、单级两相液力度矩器。

（4）在选用装载机时，还要充分考虑装载机的制动性能，包括多个在制动、停车制动和紧急制动三种。

制动器有蹄式、钳盘式和湿式多片式三种。

制动器的驱动机构一般采用加力装置，其动力源有压缩空气，气顶油和液压式三种。

目前常用的是气顶油制动系统，一般采用双回路制动系统，以提高行驶的安全性。

1.2本课题研究目的和意义本课题以TZ08D装载机为实例，结合现代计算机技术，利用CAD软件进行基础设计，然后利用PRO/E软件建立装载机铲斗运动机构模型。

由于装载机本身是一个复杂的系统，外界载荷的作用复杂，加上人—车—环境的相互作用，给运动机构的分析研究带来了很大困难。

所以本课题也是在建立一个合理的装载机分析模型方面的一个探索。

作为正在进行毕业设计的本科生来说，研究次课题的意义主要有：

（1）掌握机械装备工程设计的一般方法及一般规律。

能够综合运用机械设计、机械制造等基础知识解决工程实际问题。

（2）掌握并灵活运用CAD设计、PROE三维设计等先进设计方法，使学生获得工程设计和科学研究的初步训练。

（3）培养学生综合运用理论知识去分析问题和解决实际问题；培养学生探求真理的创新精神和创造能力。

（4）通过此次课题研究将四年所学验证、融合，为毕业生步入工作岗位打下坚实基础。

第二章装载机铲斗运动机构2.1装载机铲斗运动机构的结构形式和布置铲斗运动机构是装载机的重要组成部分。

装载机的铲装、翻斗、提升以及卸料都是通过该机构的有关运动来实现。

在一般情况下，由铲斗、动臂、动臂后座、叉子挂接框以及转斗油缸和动臂油缸等组成。

铲斗是装载物料的容器，具有两个铰点，一个与动臂铰接，另一个通过叉子挂接框而与转斗油缸连接，操纵转斗油缸即可使铲斗翻转或卸料。

动臂与车架铰接，操纵动臂油缸即可举升或降落动臂和铲斗。

2.2装载机铲斗运动机构的工况及设计要求2.2.1装载机铲斗运动机构的工况铲斗运动机构的作业过程通常由以下5种典型工况组成，如下图所示，图2-1装载机工作装置典型作业工况I-地面插入工况II-下限收斗工况III-重载运输工况IV-上限举升工况V-上限卸料工况

（1）地面插入工况I动臂下放至下限位置，铲斗插入地面，斗尖触地，开动装载机，铲斗借助机器的牵引力插入料堆。

此时，UG=UG4,U=Ui=-5°～0°（通常取其上限值）。

（2）下限收斗工况II完成工况I以后，转动铲斗，铲取物料，操作转斗缸实现收斗作业过程。

UG=UG4,U=U2=40°～45°（一般由用户确定）。

（3）重载运输工况III转斗缸闭锁，举升动臂，将工况II的铲斗升高到适当的运输位置（以斗底离地的高度小于最小允许距离为准），然后驱动装载机，载重驶向卸料点。

UG=UG7,U=U运输。

（4）上限举升工况IV保持转斗缸长度不便，操作举升缸，将动臂升至上限位置。

此时，UG=UG6,U=U上收（5）上限卸料工况V在上限收斗工况IV下，操作转斗缸翻转铲斗，向运输车辆或固定料仓卸料。

UG=UG6,U=U3=-45°。

卸载结束后，操作举升缸下放动臂，实现铲斗自动放平，再次进入地面插入工况，并进行下一循环作业过程。

2.2.2装载机铲斗运动机构设计要求各类装载机工作装置的设计都应满足如下基本要求:

（1）生产率高;

（2）插入和铲取能力大、能耗小；（3）结构和工作尺寸适应生产条件需要；（4）零部件受力状态良好，强度和寿命合理；（5）结构简单、紧凑，制造、维修容易，操作、使用方便；轮式装载机除满足上述5条基本要求外，还应由下列特点和要求：

（1）由于铲斗宽度和容积都较大，所以铲装阻力大，装满系数小。

因此，设计时必须合理选取铲斗的结构和尺寸，以减小工作阻力，达到装满、卸净，运输平稳。

（2）工作装置连杆机构能产生较大的插入和掘起力，功耗低，零部件受力状态良好。

（3）铲斗由工况II被举升到上限卸料位置的过程中，为避免物料散落，要求铲斗作“平移运动”。

绝对要求铲斗举升过程中的平动是很困难的，它将给设计工作带来诸多麻烦，并将急剧降低工作装置的其他性能。

从不易撒落这一目的出发，要求绝对平动并无必要，只要把铲斗举升时的倾角变化量限制在某一许可范围之内即可。

（4）保证必要的卸料角、卸料高度和卸料距离。

要求铲斗在工况II至上限位置之间都能干净地卸料。

为此，铲斗瞬时地卸料角均须大于或等于45°。

铲斗在上限位置卸料时，最大卸载高度和最小卸载距离，必须与配套的载货汽车车厢尺寸相适应。

（5）铲斗自动放平。

他对定点高度卸料很有意义，因为汽车就在装载机近旁，若卸料后，下放动臂的同时，装载机驶向装载点。

当到达装载点时，铲斗正好呈开始插入状态，即可开始新的装、运、卸工作循环。

如此，能省去两次操作。

既能提高装载工作效率，又可减轻司机的劳动强度。

（6）装载机工作装置属于连杆机构，设计时要个别注意防止各个工况出现构件相互干涉、“死点”、“自锁”或“机构撕裂”等现象。

（7）应尽量减小工作装置的前悬、长度和高度，以提高装载机的稳定性和司机的视野。

2.3TZ08D装载机铲斗运动机构结构概况和设计参数图2-2TZ08D装载机铲斗运动机构实体效果图如图所示，工作装置由铲斗、叉子挂接框、动臂、横梁、支撑杆、拉杆、动臂后座等组成。

各构件之间由销轴联接，有相对转动。

在计算时，可以将其视为一体。

对其做有限元静力分析中，认为工作装置各铰接处没有相对转动。

动臂是工作装置的主要受力部件，其截面形状为矩形；又因其长、宽方向远大于厚度方向，故可以用板壳元对动臂进行离散。

横梁也为矩形管。

后座和叉子挂接框是焊接结构，其焊接板的截面均为矩形。

考虑各构件的厚度远小于其它两个方向的厚度，可以认为均为板类零件。

图2-3TZ08D装载机外形图TZ08D装载机设计参数依照山东双佳弄装科技有限公司产品参数为准，具体如下：

表2-1TZ08D装载机参数型号TZ08D配套拖拉机FT604/704A最高位置铲斗销高度（mm）3100C最大卸载高度（mm）2300D卸载距离（mm）1140E卸料角度（°）45F铲斗到前轮中心距离（mm）2320G掘起角（°）34H挖掘深度（mm）140斗宽（mm）1652斗容（m3）0.432.4铲斗的设计铲斗是装载机铲装物料的重要工具，是一个焊接件。

2.4.1铲斗的结构和种类

（1）轮式装载机的铲斗断面形状一般为“U”形，用钢板焊接而成，常见的铲斗结构如图2-4所示。

图2-4常见的铲斗结构铲斗由斗底、侧壁、斗刃及后壁等部分组成。

如图2-5所示。

图2-5轮式装载机铲斗结构1）斗体的形状铲斗的斗体基本可分成“浅底”和“深底”两种类型。

在斗容量相同情况下，前者开口尺寸较大，斗底深度较小，即斗前壁较短，而后者则正好相反。

浅底铲斗插入料堆的深度小，相应的插入阻力也小，容易装满，但运输行驶时容易撒料；由于前悬增大，影响车辆行驶平稳性。

而深底铲斗则恰恰相反。

根据设计要求，此装载机工作装置主要进行定点或短距离装载，所以选用浅底铲斗。

斗体采用低碳、耐磨、高强度钢板焊接制成。

2）切削刃的形状根据装载物料的不同，切削刃有直线型[见图2-4（a）]和非直线型[见图2-4（b）、2-4（d）]。

前者形式简单，有利于铲平地面，但铲装阻力大。

后者有V形和弧形等，插入阻力较小，容易插入物料，并有利于减少偏载插入，但铲装系数小。

根据设计任务书要求，此工作装置需进行铲平工作，且工作条件相对良好，所以选用直线型切削刃。

斗刃材质采用既耐磨又耐冲击的中锰合金钢材料．侧削刃和加强角板都用高强度耐磨钢材料制成。

3）斗齿铲斗斗刃上可以有斗齿．也可以没有斗齿，若斗刃上装有斗齿时，斗齿将先于切削刃插人料堆，由于它比压大（单位长度插入力大），所以比不带齿的切削刃易于插入料堆，插人阻力能减小20%左右，特别是对料堆比较密实、大块较多的情况，效果尤为显著。

斗齿结构分整体式和分体式两种，此铲斗的斗齿工作条件相对良好，磨损较轻，所以采用用高锰钢制成的整体式，直接焊接固定在铲斗斗刃上。

斗齿的形状和间距对切削阻力是有影响的。

一般中型装载机铲斗的斗齿间距为250至300毫米之间。

4）铲斗侧刃因为侧刃参与插入工作，为减小插入阻力，侧壁前刃应与应与斗前壁成锐角，弧线或折线侧刃铲斗的插入阻力比直线侧刃要小。

为了不使斗容减小太多，将侧壁刃口设计成折线。

5）斗底斗前壁与与斗后壁用圆弧连接，构成弧形斗底。

为了使物料在斗中有很好的流动性，斗底圆弧半径不宜太小，前后壁夹角（铲斗开口角或张开角）不应小于物料与钢板的摩擦角的2倍，以免卡住大块物料。

（2）铲斗的种类铲斗按卸载方式一般可分为整体前卸式、侧卸式、推卸式和底卸式等数种。

1）整体前卸式铲斗它的突出优点就是结构简单，工作可靠，有效装载容积大，，但需要较大的卸载角才能将物料卸净。

2）侧卸式铲斗侧卸式铲斗如整体式一样，可以往机器前方卸料。

当如果需要往机器一侧卸料时，可以拔去一个侧销，通过转斗油缸动作来卸料。

这种铲斗因为没有侧板，插入阻力小，装载效率高，特别是在装载机用于填沟或在狭窄场地往侧旁的运输设备进行装载作业时，其优点就更加显著了。

3）推卸式铲斗推卸式铲斗可以用来弥补整体式铲斗卸载高度的不足，在装载机其他尺寸参数相同的时候，能够显著地提高卸载高度和增加卸载距离。

同整体前卸式铲斗相比，推卸式铲斗的结构复杂一些，且需另用动力推卸。

4）底卸式铲斗底卸式铲斗是用动力打开斗底卸载，同推卸式铲斗一样可以提高卸载高