【正文】 克服被切削物料的阻力，并完成插入料堆，鏟取物料，提升并卸除物料等一系列工作的裝置。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(jì)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、電子自動(dòng)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(jì)、計(jì)算操作控制、檢測(cè)監(jiān)控 、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和維修服務(wù)等各個(gè)方面，使國(guó)外裝載機(jī)在原來(lái)的基礎(chǔ)上更加精制；其自動(dòng)化程度也得以提高，從而進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率；改善司機(jī)的作業(yè)環(huán)境，提高作業(yè)舒適性；降低噪聲、振動(dòng)和排污量，保護(hù)自然環(huán)境；最大限度地簡(jiǎn)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在很大的程度上得到提高。不斷提升產(chǎn)品技術(shù)含量、運(yùn)用新型結(jié)構(gòu)、最大限度地滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，體現(xiàn)了國(guó)外裝載機(jī)的設(shè)計(jì)思想。為適應(yīng)不斷加高的車(chē)廂，各個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)商相繼推出了中高卸、高卸、超高卸工作裝置，擴(kuò)大了工作裝置的工作范圍。 我國(guó)裝載機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)通過(guò)十幾年的發(fā)展，走出了一條自主發(fā)展之路，并逐漸發(fā)展壯大，牢牢控制了國(guó)內(nèi) 90%以上的市場(chǎng)份額。與工程機(jī)械其他機(jī)種相比，輪式裝載機(jī)的橋、箱、泵、閥及缸等零部件產(chǎn)品配套相對(duì)成熟，已經(jīng)形成了比較完整的配套體系 [3]。進(jìn)入 80 年代消化吸收美國(guó)Caterpillar、日本小松等先進(jìn)技術(shù)，逐步開(kāi)發(fā)成功了我國(guó)第二代裝載機(jī)產(chǎn)品。雖然國(guó)內(nèi)裝載機(jī)及相關(guān)技術(shù)研究工作起步較晚，但是發(fā)展速度很快，如多功能裝載機(jī)的銷(xiāo)售量已經(jīng)占據(jù)了世界裝載機(jī)市場(chǎng)的半壁江山，我國(guó)已成為世界多功能裝載機(jī)第一產(chǎn)銷(xiāo)大國(guó)。第三代產(chǎn)品的整機(jī)可靠性有很大的提高，各主要性能指標(biāo)基本上能與國(guó)際先進(jìn)水平接軌。第四代產(chǎn)品在第三代的基礎(chǔ)上也已出現(xiàn)，進(jìn)一步優(yōu)化了整機(jī)的性能及配置，電控箱、濕式制動(dòng)器等技術(shù)得到了應(yīng)用，并形成了各企業(yè)的專(zhuān)有技術(shù)及專(zhuān)利技術(shù)，使產(chǎn)品以嶄新的面目推向市場(chǎng)。 裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)的趨勢(shì) 裝載機(jī)工作裝置在設(shè)計(jì)上存在很多問(wèn)題，其中主要集中在可靠性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等方面。雖然現(xiàn)在市場(chǎng)上的裝載機(jī)已經(jīng)日趨成熟，但對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)仍有非常重要的意義，尤其是裝載機(jī)的工作機(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(kāi)闊。 Schaeff 公司于 2021年 3 月在 Intermat 展覽會(huì)上展出的高卸位式 SK L873 型輪式裝載機(jī)的可折疊式創(chuàng)新連桿機(jī)構(gòu)工作裝置，進(jìn)一步增加了輪式裝載機(jī)的工作裝置的種類(lèi) [6]。節(jié)能、環(huán)保動(dòng)力裝置的研發(fā)，將使得司機(jī)的工作環(huán)境舒適性能大大改善，并提高工作效率。 作為一種復(fù)雜的工程機(jī)械，輪式裝載機(jī)的零部件多，運(yùn)動(dòng)方式多，須從系統(tǒng)層面評(píng)價(jià)其性能的優(yōu)劣。裝載機(jī)的工作裝置設(shè)計(jì)還存在許多有別于其它機(jī)械行業(yè)的特點(diǎn)，其中最重要的一點(diǎn)是它涉及的學(xué)科很多，包括機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)、流體傳動(dòng)、機(jī)電控制、熱力學(xué)、人機(jī)工程學(xué)和美學(xué) 等 [7]?，F(xiàn)代工程作業(yè)對(duì)要求裝載機(jī)具有較高的工作效率和較好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性，而這些在很大的程度上取決于裝載機(jī)的工作裝置的結(jié)構(gòu)性能，因此對(duì)裝載機(jī)的工作裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要。裝載機(jī)的工作裝置由鏟斗，動(dòng)臂、搖臂、連桿及液壓系統(tǒng)等組成。動(dòng)臂的升降和鏟斗的轉(zhuǎn)動(dòng)采用液壓操作。連桿機(jī)構(gòu)能使鏟斗保持平移或使斗底平面與水平面夾角的變化控制在允許的范圍內(nèi)。 2．一定大小的卸荷角，即當(dāng)動(dòng)臂處于任何作業(yè)位置時(shí)，在轉(zhuǎn)斗油缸的作用下通過(guò)連桿 機(jī)構(gòu)使鏟斗繞其鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，并且卸荷角不小于 45度。 （ 2） 裝載工作對(duì)工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求 輪胎式裝載機(jī)是一種裝運(yùn)卸作業(yè)聯(lián)合一體的自行式機(jī)械，它的工作過(guò)程由5種工作狀態(tài)或工況組成： 1．工況 I—— 插入狀態(tài) 動(dòng)臂下放，鏟斗放置地面，斗尖觸地，鏟斗前壁對(duì)地面呈 35176。 2．工況 II—— 鏟裝狀態(tài) 工況 I以后，轉(zhuǎn)動(dòng)鏟斗，鏟取物料，待鏟斗口翻轉(zhuǎn)至近似水平為止。 4．工況 IV— 一卸載狀態(tài) 在卸載點(diǎn)，舉升動(dòng)臂使鏟斗至卸載位置；翻轉(zhuǎn)鏟斗，向運(yùn)輸車(chē)輛或固定料倉(cāng)卸載；卸畢，下放動(dòng)臂，使鏟斗恢復(fù)到運(yùn)輸狀態(tài)。在露天礦或工地，通常輪胎式裝載機(jī)是向載重汽車(chē)卸裁，出于裝載點(diǎn)和卸載點(diǎn)距離很近，卸載位置較高，所以一般稱(chēng)作“定點(diǎn)高位卸載”。 2．保證作業(yè)過(guò)程中任何構(gòu)件不與其它構(gòu)件干涉。對(duì)于選定的結(jié)構(gòu)形式，在滿(mǎn)足上述條件下可以有各種各樣的構(gòu)件尺寸及鉸接點(diǎn)位置。 （ 4） 裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)要求 根據(jù)裝 載機(jī)工作裝置主要運(yùn)動(dòng)和使用條件，其基本要求如下： 1．工作性能好。 2．壽命長(zhǎng)、可靠性高。因此，還應(yīng)考慮壓力成倍的增加和頻繁的急劇變化等。裝載機(jī)與機(jī)床不同，機(jī)床是自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)和用電磁閥間接的操縱，而裝載機(jī)是靠人的手直接操縱的。 4． 工作安全可靠。 裝載機(jī)工作裝置形式 選擇 裝載機(jī)的工作裝置的結(jié)構(gòu)形式分為有鏟斗托架和無(wú)鏟斗托架兩種。當(dāng)托架、動(dòng)臂、連桿及車(chē)架支座構(gòu)成的是平行四連桿機(jī)構(gòu)，則在轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖的情況下提升動(dòng)臂時(shí)，鏟斗始終保持平移，使得鏟斗內(nèi)物料不易灑落。 無(wú)托架的工作裝置，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，其鏟斗與動(dòng)臂的前端和連桿直接鉸接。按連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可以分為正轉(zhuǎn)連桿工作裝置和反轉(zhuǎn)連桿工作裝置。正轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)的搖臂與鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，而反轉(zhuǎn)連桿工作裝置的搖臂與鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。 反轉(zhuǎn)連桿工作裝置 的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是：最大掘起力是在鏟斗底略高于地面后翻轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)揮出來(lái)，而且最大鏟起力比正轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)大。 反轉(zhuǎn)單連桿的工作裝置，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、掘起力大 、運(yùn)輸狀態(tài)鏟斗后傾角大、不易撒落物料、鏟斗能自動(dòng)放平等優(yōu)點(diǎn)，因此，在近代裝載機(jī)上得到了廣泛的采用。至于反轉(zhuǎn)雙連桿機(jī)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難于布置，所以目前裝載機(jī)上較少采用。結(jié)構(gòu)如圖 所示。性能參數(shù)包括裝額定裝載量、額定斗容、發(fā)動(dòng)機(jī)功率、最大插入阻力、最大卸載高度和卸載距離等。 (1) 額 定裝載量 額定裝載量是指裝載機(jī)本身具有標(biāo)準(zhǔn)備重量 ,在硬而光滑的水平面上 ,以不超過(guò)每小時(shí) 的速度運(yùn)行 ,但仍具有必要的穩(wěn)定性時(shí)所能運(yùn)載的重量 . 輪式裝載機(jī)的額定裝載量不應(yīng)超過(guò)其靜態(tài)傾翻載荷的 50%,或是提升能力的100% ,取其中的較小值。當(dāng)額定載重量確定后，額定斗容為額定載重量與鏟裝物料的容重之比。故發(fā)動(dòng)機(jī)功率應(yīng)為 P= + = （ 4） 最大插入阻力 插入阻力是裝載機(jī)鏟斗插入料堆時(shí)，料堆對(duì)鏟斗的反作用力。其值可以按下式計(jì)算： KKBlKKP bpx ? 式中： 1K —— 物料的塊度和松散程度的影響系數(shù)。 故 Px=87845N （ 5） 最大卸載高度和卸載距離 最大裝載高度是動(dòng)臂在最大舉升高度時(shí)鏟斗的卸載高度，該高度與配合作業(yè)的車(chē)輛有關(guān)，可按下式計(jì)算 =H+=3360mm 卸載距離表示在最大卸載高度時(shí)鏟斗斗尖與裝載機(jī)前外廓的水平距離，該參數(shù)可按下式計(jì)算 S=+=1200mm （ 6） 基本尺寸參數(shù) 運(yùn)輸車(chē)貨箱高度 H=3000mm 貨箱寬度 B=1800mm 輪輞直徑 D=25lin=635mm 輪胎寬度 b=590mm 輪距取為 L=2250mm 本章小結(jié) 本章主要分析了裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)要求 ,參照了多種裝載機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)形式，選擇反轉(zhuǎn)六桿工作機(jī)構(gòu)， 并采用以額定載重量為基本參數(shù)的統(tǒng)計(jì)方程確定了裝載機(jī)工作裝置的主要參數(shù)。 3 裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 鏟斗設(shè)計(jì) 鏟斗結(jié)構(gòu)形式的選擇 鏟斗是 直接 用來(lái)切削、收集、運(yùn)輸和卸出物料，裝載機(jī)工作時(shí)的插入能力及鏟掘能力是通過(guò)鏟斗直接發(fā)揮出來(lái)的，鏟斗的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸直接影響裝載機(jī)的作業(yè)效率和工作可靠性，所以減少切削阻力和提高作業(yè)效率是鏟斗設(shè)計(jì)的主要要求。 不同種類(lèi)的鏟掘物料需用不同結(jié)構(gòu)形式的鏟斗 ,本設(shè)計(jì)選擇裝有斗齒的直線(xiàn)型鏟斗 ,如圖 所示。 圖 直線(xiàn)形帶齒鏟斗 鏟斗基本參數(shù)的確定 （ 1） 鏟斗寬度 鏟斗寬度是鏟斗的主要基本參數(shù)。取 3000mm (2) 鏟斗回傳半徑 R0 指鏟斗與動(dòng)臂鉸接點(diǎn)至切削刃之間的距離是鏟斗的基本參數(shù)。 這是因?yàn)樗苯佑绊戠P斗前壁的長(zhǎng)度，前壁長(zhǎng)度的鏟斗要求插入深度大，插入力大，卸載時(shí)所占的高度空間大，而且直接影響鏟斗鏟取力和斗容的大小。 斗底圓弧半徑取為 r=495mm 斗底長(zhǎng)度：是指鏟斗切削刃到斗底后斗壁交線(xiàn)之間的距離，可用下式計(jì)算： ggLR?? ? ? ~2121mm 取 2121mm 式 后斗壁長(zhǎng)度 zl ：是指切削刃至斗底圓弧與底壁相切點(diǎn)間的距離， zl 長(zhǎng)，則斗插入料堆深度大，斗易于裝滿(mǎn)，但由于力臂的增大 而使掘起力減小，插入阻力隨鏟斗插入料堆的深度而急劇增加， zl 長(zhǎng)還影響卸載高度； zl 短，則掘起力大，并由于卸料時(shí)鏟斗刃口降落的高度小，可以減小動(dòng)臂舉升高度，縮短作業(yè)時(shí)間。zl 應(yīng)取小些。 kl 過(guò)小，易漏料； kl 過(guò)大則增加鏟斗外形。 Lk=R ?? k=~ 取 170mm 式 （ 5） 斗容的計(jì)算 鏟斗的斗容量可以根據(jù)鏟斗的幾何尺寸確定。計(jì)算得 3(m3 ) 物料堆積高度 c 可由作圖法確定，即由料堆頂點(diǎn)作直線(xiàn)垂直于刮平線(xiàn)（刀刃與擋板高度連線(xiàn)），如下圖所示。若斗刃上裝有斗齒，斗齒將先于切削刃插入料堆，由于它比壓大（即單位長(zhǎng)度插入力大），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(duì)料堆比較密實(shí)，大塊較多的情況，效果尤為明顯。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。一般中型裝載機(jī)鏟斗的斗齒間距為 250~500mm 左右。長(zhǎng)而窄的齒要比短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(zhǎng)載荷不大于 500600kg 為宜。 工作機(jī)構(gòu)連桿系統(tǒng)的尺寸參數(shù)設(shè)計(jì) 工作裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)斗油缸后置式反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu) 這機(jī)構(gòu)有兩大優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 轉(zhuǎn)斗油缸大腔進(jìn)油時(shí)轉(zhuǎn)斗，并且連桿系統(tǒng)的倍力系數(shù)能設(shè)計(jì)成較大值。 此外，結(jié)構(gòu)十分緊湊、前懸小，司機(jī)視野好也是此種機(jī)構(gòu)的突出優(yōu)點(diǎn)。 工作機(jī)構(gòu)的基本給構(gòu)如圖所示。 圖 裝載機(jī)工作裝置圖 動(dòng)臂設(shè)計(jì) （ 1）動(dòng)臂 與鏟斗的鉸接點(diǎn) G的確定 把已設(shè)計(jì)好的鏟斗橫截面外輪廓圖畫(huà)在 x0y 坐標(biāo)里，斗尖對(duì)準(zhǔn)坐標(biāo)原點(diǎn) 0，斗前壁與 x軸呈 4176。 由于 G 點(diǎn)的 x 坐標(biāo)值越小，轉(zhuǎn)斗掘起力就越大，所以 G 點(diǎn)靠近 0 點(diǎn)是有利的，但它受斗底和最小離地高度的限制，不能隨意減小；而 G 點(diǎn)的 y 坐標(biāo)值增大時(shí)，鏟斗在料堆中的鏟取面積增大，裝的物料多，但這樣縮小了 G 點(diǎn)與連桿鏟斗鉸接點(diǎn) F 的距離，使掘起力下降。 （ 2） 動(dòng)臂與車(chē)架鉸接點(diǎn) A 的確定 1．以 G 點(diǎn)為圓心，使鏟斗順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，至鏟斗斗口與 x 軸平行為止，即工況 II。作圖時(shí)，應(yīng)使輪胎前 緣與工況 II 時(shí)鏟斗后壁的間隙盡量小些，目的使機(jī)構(gòu)緊湊、前懸小。由參考文獻(xiàn)得： yz =Rk = ? ?12dw H bwbw ??????????????? = ? ?635 1 5 9 0 1 0 .1 32 ? ? ? ? = 取為 830mm 式 3．更具給定的最大卸載高度 Hmax、最小卸載距離 Lmin 和卸載角 ? x，畫(huà)出鏟斗在最高位置卸載時(shí)的位置圖，即工況 IV，如圖 所示。 5． 兩動(dòng)臂鉸接點(diǎn) A 在橫向平面內(nèi)的距離 bA,根據(jù)裝載機(jī)的輪距并考慮動(dòng)臂油缸的外形尺寸取為 1200mm。 顯然在 A應(yīng)在GG 兩點(diǎn)連線(xiàn)的中垂線(xiàn) mm 上，再根據(jù) la 大小作垂線(xiàn) nn，直線(xiàn) mm 與 nn 交點(diǎn)即為所求的 A點(diǎn)。如圖 示， AG 為動(dòng)臂長(zhǎng)度，當(dāng)動(dòng)臂提升到最大卸載高度時(shí)，利用所示的幾何關(guān)系，從三角形 AGI 可求出動(dòng)臂長(zhǎng)度 Lag，由參考文獻(xiàn)得： Lag= 2 2 2 2 ( sin c o s )a b c c b a??? ? ? ? 式 式中 a=La+R+S=660+885+1100=2645mm。 c2=hg2+lg2=2202+13562=1887136mm； ? =55176。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，腹板變形小，重量輕，而且動(dòng)臂的受力情況較好，后者可使工作裝置的結(jié)構(gòu)布置更為合理。大型裝載機(jī)的動(dòng)臂多采用雙板或用箱形結(jié)構(gòu)。 本設(shè)計(jì)選用曲線(xiàn)型雙板結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 動(dòng)臂的結(jié)構(gòu)形式 動(dòng)臂舉升油缸的設(shè)計(jì) 動(dòng)臂油缸的鉸接位置 確定動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂及車(chē)架的鉸接點(diǎn) H、