【正文】 二 OO 九 屆 機(jī)械設(shè)計制造 及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 第 1 頁 第 1 章 概述 裝載機(jī)是一種用途非常廣泛的鏟土運(yùn)輸機(jī)械。它不僅用來對 松散的堆積物料進(jìn)行鏟、挖、裝、運(yùn)、卸等作業(yè)，還可以鏟裝爆破后的礦石，也可用來平裝場地，及對硬土進(jìn)行輕度挖掘。如果換上不同的工作裝置，還能完成棒狀物卸載、推土、除雪、鉆孔、起重、路面清掃、叉裝、破碎等作業(yè)、在缺乏牽引車輛的場合，裝載機(jī)還可用作牽引動力。因此它被廣泛應(yīng)用于建筑、礦山、公路、鐵路、水電、港口、國防、農(nóng)田等基本建設(shè)的工程中。 在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，裝載機(jī)對減輕勞動強(qiáng)度，加快工程建設(shè)速度，保證工程質(zhì)量，提高施工效率，都是不可缺少的裝備 。 裝載機(jī)的分類 （ 1） 按行走機(jī)構(gòu)可分為輪胎式和履帶式兩種。 輪式裝載機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是： 質(zhì)量輕，行走速度快，機(jī)動靈活，作業(yè)循環(huán)時間短 ，作業(yè)效率高，維修方便迅速，機(jī)器停工時間短，作業(yè)及維修費(fèi)用低，行走時不破壞路面。適用于工程量不大，作業(yè)地點(diǎn)較為分散，轉(zhuǎn)移頻繁的場合。 輪式裝載機(jī)的缺點(diǎn)是：輪胎接地比壓較大，通過性差；重心較高，穩(wěn)定性差；不適宜在松散土質(zhì)和坡道上作業(yè)，對場地和物料塊度要求較高。尤其是在礦山作業(yè)輪胎磨損很大。 履帶式裝載機(jī)的 優(yōu)點(diǎn) 是：履帶接地面積大，使得接地比壓小，通過性好；履帶式裝載機(jī)重心低，穩(wěn)定 性好；重量大，附著性能好，牽引力大，越野和爬坡性能好。 履帶式裝載機(jī)的缺點(diǎn)是： 速度慢，不夠靈活機(jī)動；制造成本高，維修不方便，機(jī)器停工時間長，施工及維修費(fèi)用高；行走時易破壞路面，轉(zhuǎn)移工作場地時間需用平板車拖運(yùn)。 目前應(yīng)用比較廣泛的是輪式裝載機(jī)。 （ 2） 按卸載方式 按裝載的方式不同可分為前卸式、側(cè)卸式、回轉(zhuǎn)式和后卸式。輪式裝載機(jī)基本上都是前卸式。 （ 3） 按傳動形式 按傳動形式不同可分為機(jī)械傳動、液力機(jī)械傳動、液壓傳動和電傳動四種。輪式裝載機(jī)的主要傳動形式是液力機(jī)械傳動。 （ 4） 按轉(zhuǎn)向方式 2 噸小型液壓裝載機(jī)工作裝置設(shè)計 第 2 頁 按轉(zhuǎn)向方式不同可 分為 鉸接轉(zhuǎn)向，后輪轉(zhuǎn)向，全輪轉(zhuǎn)向，前輪轉(zhuǎn)向，滑移轉(zhuǎn)向五種 。鉸接轉(zhuǎn)向建構(gòu)簡單，工藝性好，造價低，近年來在國內(nèi)外得到飛速發(fā)展。國產(chǎn) ZL 系列裝載機(jī)都是鉸接式的。 （ 5） 按使用場合 按使用場合不同可分為露天用裝載機(jī)和井下用裝載機(jī)。國內(nèi)外生產(chǎn)和使用的裝載機(jī)絕大多數(shù)是露天輪式裝載機(jī)。 （ 6） 其他種類的裝載機(jī) 挖掘裝載機(jī)：俗稱兩頭忙，該種機(jī)型不但具有裝載機(jī)鏟、運(yùn)、卸的功能，還具有挖掘機(jī)對深層硬土的挖掘能力。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)復(fù)雜造價高，目前國內(nèi)使用較少，但國外已經(jīng)廣泛應(yīng)用。 滑移轉(zhuǎn)向多功能裝載機(jī)：這種機(jī)型采用差速滑移轉(zhuǎn)向，體積小， 靈活?？煽焖贀Q轉(zhuǎn)各種工作裝置，便于操作，多見于小型全液壓驅(qū)動裝載機(jī)。國外已經(jīng)廣泛應(yīng)用，因造價高技術(shù)含量高，國內(nèi)很少使用。 伸縮臂裝載機(jī)及高卸載裝載機(jī)：伸縮臂裝載機(jī)能較大地提高卸載高度和卸載距離，但工作結(jié)構(gòu)裝置復(fù)雜，除特殊場合很少用到。高卸載裝載機(jī)對工作裝置作了一定改進(jìn)，增加的兩個油缸和一些機(jī)構(gòu)件，成本增加不多，但卸載高度提高不少，在車站、碼頭散料的裝卸場合有部分應(yīng)用。 目前裝載機(jī)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 及核心技術(shù) 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 （ 1） 大型和小型輪式裝載機(jī)，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(jī)更新速度越來越快。 （ 2） 各生產(chǎn)廠家根據(jù)實(shí)際情況，重新進(jìn)行總體設(shè)計，優(yōu)化各項(xiàng)性能指標(biāo)，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度及剛度，以使整機(jī)可靠性得到提高。 （ 3） 優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)性能。如動力系統(tǒng)的減振、散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工作裝置的性能指標(biāo)優(yōu)化及各鉸點(diǎn)的防塵、工業(yè)造型設(shè)計，逐步引進(jìn)最新的傳動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)技術(shù)，予以國產(chǎn)化、商業(yè)化，降低能耗，提高性能。 （ 4） 利用電子技術(shù)及負(fù)荷傳感技術(shù)來實(shí)現(xiàn)變速箱的自動換擋及液壓變量系統(tǒng)的應(yīng)用，提高效率、節(jié)約能源、降低裝載機(jī)作業(yè)成本。 （ 5） 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(rèn)證，達(dá)到國際市場的基本要求，獲得進(jìn)入國際市場的許可證。駕駛室內(nèi)環(huán)境將向汽車方向二 OO 九 屆 機(jī)械設(shè)計制造 及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 靠攏，轉(zhuǎn)向盤、坐椅、各操作手柄都能調(diào)節(jié)，使操作者處于最佳位置工作。 （ 6） 降低噪聲和排放，強(qiáng)化環(huán)保指標(biāo)。隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，許多大城市已經(jīng)制定機(jī)動車的噪聲和排放標(biāo)準(zhǔn)，工程建設(shè)機(jī)械若不符合排放標(biāo)準(zhǔn)，將要限制在該地區(qū)銷售。 （ 7） 廣泛利用新材料、新工藝、新技術(shù)，特別是機(jī)、電、液一體化技術(shù)，提高產(chǎn)品的壽命和可靠性。 （ 8） 最大限度地簡化維修，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(shù)，進(jìn)一步改善故障診斷系統(tǒng)，提供排除問題的方法。 綜合當(dāng)前市場需求和科技應(yīng)用的最新前沿以及裝載機(jī)技術(shù)發(fā)展的最新趨勢，裝載機(jī)的設(shè)計發(fā)展體現(xiàn)出以下趨勢 ： 1． 產(chǎn)品設(shè)計數(shù)字化 ； 2． 產(chǎn)品設(shè)計智能化 ； 3． 應(yīng)用并行設(shè)計工程 ； 4． 采用模塊化設(shè)計 ； 5． 注重綠色設(shè)計 。 國外研究現(xiàn)狀及核心技術(shù)思考 （ 1）國外裝載機(jī)發(fā)展的主要趨勢 【 4， 2325】 以人為本的設(shè)計思想得到充分體現(xiàn) ,普遍采用了操縱力極小的電液比例控制技術(shù)、集中潤滑技術(shù)等。在大噸位的裝載機(jī)（如卡特９８８Ｇ ）上還安裝了電視監(jiān)控系統(tǒng)。司機(jī)室設(shè)計更加人性化及豪華轎車化 ,空調(diào)及音響設(shè)備一應(yīng)俱全 ,懸浮式座椅上下前后左右隨意調(diào)節(jié) ,以滿足操作者不同體態(tài)的要求 ,讓人感到操作這些設(shè)備簡直是一種享受。 如ＪＣＢ公司４１１型裝載機(jī)的駕駛室設(shè)計更為吸引人 ,室內(nèi)具備了多項(xiàng)實(shí)用特性 ,如電子監(jiān)控系統(tǒng)（ＥＭＳ）配有液晶顯示板（ＬＣＤ） ,新的伺服控制桿可對前進(jìn)和倒退。 美國 卡特彼勒公司９０年代初推出Ｃａｔ９６６Ｆ輪式裝載機(jī) ,時隔１年又推出Ｃａｔ９８０Ｆ輪式裝載機(jī) ,它增加了斗容和功率 , 改善了性能、提高了可靠性。不久又推出更大的Ｃａｔ９９４開輪 式裝載機(jī) ,根據(jù)物料體積質(zhì)量不同而選配１８ ３０ｍ的鏟斗 ,機(jī)重１７０ｔ；裝有渦輪增壓后冷的Ｃａｔ３５１６型柴油發(fā)動機(jī)牽引力大、加速性能好；加長的工作動臂增加了卸載高度 ,能對載重量２１８ｔ的大型自卸汽車裝載?？ㄌ乇死展就瞥鼋M合式八桿機(jī)構(gòu) ,這種機(jī)構(gòu)替代綜合多用機(jī)上的八桿平行舉升機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)的 Ｚ型 連桿機(jī)構(gòu) ,可承受極大的扭矩載荷和具有卓越的可靠性（耐用性） ,駕駛室前端視野開闊。從地面到整個舉升高度范圍內(nèi)具有平行移動的特點(diǎn)。它將快速連接器和塔架式機(jī)構(gòu)設(shè)計成整體式工作裝置 ,通過快速更換不同的輔助機(jī)構(gòu)完成裝卸、堆垛、掃 雪、平地、清掃路面、推土、吊裝、搬運(yùn)和2 噸小型液壓裝載機(jī)工作裝置設(shè)計 第 4 頁 地表鉆孔等作業(yè) ,實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能 ,減少用戶設(shè)備投資。卡特彼勒公司為代表的輪式裝載機(jī)采用液力機(jī)械傳動系統(tǒng) ,其自動動力換檔變速箱自動選擇檔位傳動比 ,使換檔在變速箱最佳效率點(diǎn)進(jìn)行。該公司最近推出的ＳＴＩＣ（轉(zhuǎn)向變速集成）系統(tǒng) ,將轉(zhuǎn)向和換檔功能集成于一操縱手柄上 ,使操縱更加省力、輕便 ,換檔更加平穩(wěn) ,可大幅度提高生產(chǎn)率。 日本小松公司與日本川崎重工公司 :日本小松公司ＷＡ系列中小功率（小于１２５ｋｗ）為代表的輪式裝載機(jī)采用新型集中式結(jié)構(gòu)的驅(qū)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(nèi)應(yīng)力分布合理 ,從根本上防止因傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)橋殼在輪邊支承軸段應(yīng)力集中斷裂。輪端采用浮動密封結(jié)構(gòu) ,安裝簡便 ,有自動補(bǔ)償功能 ,密封性能良好。該結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、基本零件少、工藝性好 ,性能好、可靠性高。日本川崎重工公司的ＫＬＤ９７ＺＩＩＩ型輪式裝載機(jī)采用自動控制換檔的變速箱 ,可按裝載機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況ｅ動選擇最佳檔位 ,用微機(jī)控制離合器 ,從而簡化操作、提高作業(yè)效率、減少沖擊 ,實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)換檔 ,電子控制裝置、傳感器等使用可靠 ,一旦控制系統(tǒng)發(fā)生故障 ,可用手動換檔 ,不影響工作。 （ 2）國外的一些核心技術(shù) 在經(jīng)歷了五六十年的發(fā)展后，到 20 世紀(jì) 90 年代中末期國外輪式裝載機(jī)技術(shù)已達(dá)到相當(dāng)高的水平。信息技術(shù)的飛速發(fā)展又給裝載機(jī)技術(shù)的發(fā)展插上了飛躍的翅膀，基于微電子技術(shù)和信息技術(shù)的計算機(jī)管理系統(tǒng)、司機(jī)輔助操作系統(tǒng)、柴油機(jī)電腦控制裝置、電子計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、電子自動換擋變速控制系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于裝載機(jī)的設(shè)計、計算操作控制、檢測監(jiān)控、生產(chǎn)經(jīng)營和維修服務(wù)等各個方面，使國外裝載機(jī)在原來的基礎(chǔ)上更加 “精制 ”；其自動化程度也得以提高，從而進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率；改善了司機(jī)的作業(yè)環(huán)境，提高了作業(yè)舒適性；降低了噪聲、 振動和排污量，保護(hù)自然環(huán)境；最大限度地簡化維修、降低作以成本，使其性能、安全性、可靠性、使用壽命和操作性能都更上了一層樓。 . ① 計算機(jī)控制的發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng) 發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)亦稱自動控制系統(tǒng)、電腦控制系統(tǒng)等，是電子計算機(jī)在工程機(jī)械中的應(yīng)用之一。它能及時地根據(jù)裝載機(jī)的工作負(fù)荷要求調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的輸出功率，使裝載機(jī)更有效地利用發(fā)動機(jī)的動力，減少動力損失，節(jié)約燃料，減少廢氣排量和噪聲；同時可使發(fā)動機(jī)長期在額定點(diǎn)工作，增加發(fā)動機(jī)的使用壽命。 例如，卡特被勒公司 994D 裝載機(jī)采用的新一 代 Cat3516 柴油發(fā)動機(jī)就安裝有 HEUI（電液控制的燃油噴射）裝置以及 ADEM（先進(jìn)的柴油機(jī)管理）系統(tǒng)，可根據(jù)外載荷的大小有效地控制發(fā)動機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速，從而降低燃油消耗及尾氣排放，減少噪聲。馬拉松雷圖爾諾公司的 L 系列大型裝載機(jī)則采用電腦控制的柴油機(jī)一電子驅(qū)動系統(tǒng)， 4 個驅(qū)動輪同時又充當(dāng)制動器，其輸出功率可反饋到交流電機(jī)和柴油機(jī)，使轉(zhuǎn)速增加，從而提高工作總效率，使?fàn)恳矢哌_(dá) 77％（普通裝載機(jī)為 60％左右），此電腦控制系統(tǒng)能監(jiān)控裝載機(jī)的整個作業(yè)過程，二 OO 九 屆 機(jī)械設(shè)計制造 及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 在最大車速范圍內(nèi)極大化發(fā)動機(jī)的輸出功率。 ② 計算機(jī)管理及故障診斷、監(jiān)控系統(tǒng) 計算機(jī)管理和監(jiān)控是 90 年代國外裝載機(jī)發(fā)展的一個重要標(biāo)志。計算機(jī)管理監(jiān)控系統(tǒng)能連續(xù)管理 /監(jiān)控裝載機(jī)的數(shù)十項(xiàng)參數(shù)，具有故障診斷和報警功能，能記錄、處理裝載機(jī)作業(yè)的各種信息，并能用液晶顯示器顯示部件的工作狀態(tài)，尤其在遇到突發(fā)或緊急情況時很容易顯示，并以聽覺與視覺相結(jié)合的報警信號提醒司機(jī)注意，有的還能提示故障排除的方法和程序 。 例如，卡特彼勒公司 90 年代開發(fā)的 F 系列和 G 系列裝載機(jī)都安裝有電子計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（ CMS），用以取代 E 系列裝載機(jī)上安裝的電子監(jiān)控系統(tǒng)（ EMS）。 其司機(jī)臺上裝有條形液晶顯示屏，微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能同時監(jiān)控發(fā)動機(jī)燃油液面高度、冷卻水溫、變速箱油溫和液壓油溫等 11 種功能。該監(jiān)控系統(tǒng)還具有故障診斷能力，并可向司機(jī)提 供三級報警。 1998 年推出的 Cat 950G計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)還配備有 Cat指導(dǎo)診斷系統(tǒng)和以維修工具為基礎(chǔ)的 Cat軟件包，使維修人員坐在汽車?yán)镉霉P記本電腦就能迅速而容易地診斷和排除故障。 Cat992G 在監(jiān)控裝載機(jī)各功能狀況并作出診斷的同時還能把這些信息數(shù)據(jù)作為履歷記錄下來，無線傳送到辦公室用計算機(jī)進(jìn)行分析，從而將電氣、機(jī)械故障防患于未然。 Cat994D 安 裝有關(guān)鍵信息管理系統(tǒng)（ VIMS），可密切監(jiān)視機(jī)器的健康狀態(tài)并診斷故障。 沃爾沃（ Volvo）公司的 L 系列裝載機(jī)上也安裝有 Matris 軟件包，用以監(jiān)控和分析裝載機(jī)的工作狀態(tài)；其小型裝載機(jī)上配有電子伺服控制及信息系統(tǒng)（ ESIS），由液晶顯示屏和鍵盤組成，用來顯示和記錄各種信息，其自動診斷功能記錄機(jī)器故障并儲存所有相關(guān)信息，通過編碼可以防盜。 凱斯（ Case）公司 21B、 C 系列裝載機(jī)也采用計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，其微處理器安裝在司機(jī)座椅的右側(cè)，也具有故障診斷和工作狀態(tài)液晶顯示功能。 阿特拉斯（ Atilas）公司于 1999 年推出的 5 6 70 和 80 型裝載機(jī)配有一個 ADS 系統(tǒng)，可為司機(jī)提供故障類型、原因等重要技術(shù)信息，并提示需要進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)的時機(jī) 。 ③ 電子自動換擋變速控制系統(tǒng) 90 年代中末期，國外大多數(shù)裝載機(jī)上都安裝有類似卡特彼勒公司的電子自動換擋變速控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中有一個微處理器（ CPU），能把從發(fā)動機(jī)油門、變矩器、變速箱收集的各種數(shù)據(jù)加以處理，然后產(chǎn)生一種電信號，使變速箱在適當(dāng)?shù)臅r候自動換擋，可進(jìn)一步減少停車時間，縮短作業(yè)循環(huán)，降低燃油消耗率達(dá) 15％，提高作業(yè)效率和作業(yè)經(jīng) 濟(jì)性。同時能減少因行駛方向改變或因發(fā)動機(jī)處于高轉(zhuǎn)速時換擋所造成的換擋沖擊，減輕司機(jī)的工作疲勞。 沃爾沃公司裝載機(jī)駕駛室內(nèi)裝有一臺微型計算機(jī)，其中裝有換擋程序。計算機(jī)接受和處理從發(fā)動機(jī)傳感器及車輛轉(zhuǎn)速傳感器傳來的信息，并與變速箱殼體上的換擋電磁間接通，可使裝載機(jī)在最佳時刻自動換擋 。 2 噸小型液壓裝載機(jī)工作裝置設(shè)計 第 6 頁 裝