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挖掘装载机工作装置结构设计论文

第一部分：

系统开发建议书·························．共5页

第二部分：

WZ45．40装载工作装置设计··············共40页

摘要：

第一章：

整机概述········································1

第一节：

绪论············································1

第二节：

国内外发展现状···································2

第三节：

挖掘装载机发展特点·······························5

第二章：

铲斗设计······································．7

第三章：

挖掘装载机工作装置结构设计·····················．10

一、确定动臂长度、形状与车架的铰接位置················11

二、连杆机构设计·······································．15

三、转斗油缸与摇臂的铰接点以及下拉杆与机架铰接点的确定”················································16

四、举升油缸与动臂和机架的铰接点·······················17

五、铲斗举升平动分析及最大卸载高度、最小卸载距离的确定·················································l8

第四章：

工作装置的受力分析···························．21

第五章：

工作装置的运动仿真····························32

第六章：

工艺分析·····································．33

第七章：

工作装置的限位机构·····························．35

第八章：

设计心得及实习体会····························．37

第九章：

附录···········································．38

第三部分：

翻译材料····································13页

系统开发建议书

1．产品用途及使用范围：

轮式装载机是一种用途广泛的施工机械，广泛应用于建筑公路铁路水电港口矿山及国防工程中，对加快工程建设速度减轻劳动强度提高工程质量降低工程成本都发挥这重要作用。

因此近几年来无论在国内还是国外装载机品种和产量都得到了迅猛发展。

已成为工程机械的主导产品之一。

在通用拖拉机前端加装载装置，后部加挖掘装置可改装变形成前装后挖拖拉机，亦称挖掘装载机，俗称“两头忙”。

挖掘装载机作为一种小型多功能工程和建筑机械，是挖掘、装载两用的工程机械。

广泛应用于农田水利建设、工业和民用建筑、市政建设及电力建设等，主要用于建筑工程、农田水利的基槽、基坑、管沟等小型土方工程的开挖以及城市建设和工厂企业的装载作业，是一种适应性较强的现场施工机械。

2．关于主要功能设置与系统组成的建议：

装载及工作装置是完成铲装运卸等作业并带液压缸的空间多杆机构工作装置是组成装载机的关键部位之一，其设计水平的高低直接影响到工作装置性能的好坏。

进而影响到整机的工作效率与经济性指标。

3．关于总体布局的建议与主要子系统概述：

装载机主要是装载散装物料并将物料卸入自卸卡车或将物料直接运往卸料地点但装载机也承担轻度铲掘工作推土和修整场地等。

为完成上述任务现代装载机的总体一般布置是将铲斗及工作装置安放在最前端。

但本机械兼顾挖掘和装载双重任务，从总体布局考虑，将发动机置与前端，在后端布置单斗挖掘工作装置。

这样就构成了前装载后挖掘的装载挖掘机。

发动机的输出端接液力变矩器变速器再通过万向节和传动轴与前后驱动桥相连。

驾驶员的作为布置在装载机中部，但一般将驾驶室的位置尽量向前布置这样可是前方视野开阔有利于作业的准确。

现代装载机日趋向火斗容量发展为使铲斗能够强有力的插入料堆就要求装载机有足够的牵引力因此除采用较大马力的发动机之外还需要增加车轮的附着重量，以便达到提高牵引力的目的，所以现代绝大多数装载机都采用四轮驱动，这样可以有效的利用车种使全车重量均为附着重量。

现将本机主要子系统概述如下：

（1）当动臂在最低位置时动臂与铲斗的铰接点应尽量靠近轮胎，当铲斗处丁上翻位置时使其与轮胎有一定间隙而确定动臂与铰接点的位置。

（2）连杆机构应能保证装满物料的铲斗无泄漏地从地面提升到最大卸载高度，选择连杆机构中的构件尺寸时应尽量使力的作用方向与铰接点的运动方向的夹角一压力角不应太大。

根据机构设计的经验对于铰接连杆机构压力角应小于60度。

（3）摇臂做成弯曲形状起夹角大小主要考虑到空间位置不受干涉而定，一般取30度左右，长短臂之比1。

5左石。

4．主要技术指标或重要技术参数：

（1）轮式装载机的最大行驶速度为30~40公里／小时。

（2）装载机动臂提升下降及铲斗前倾时间一般为：

动臂提升时间为6～9秒。

动臂下降时间为3～6秒。

铲斗前倾时间为1～2秒。

（3）一般装载机最小离地间隙不小于350毫米。

5．主要工作原理建议：

随着我国改革开放的不断深入，经济建设的不断加强，建筑、水利工程日益增多。

目前我国又在计划进行西部大开发，挖掘装载机作为工程机械的一种主要类型，挖掘与运移土石方的主要机械设备，它的需求量迅速增长，对它的质量以及性能也提出了更高的要求。

虽然，我国的工程机械行业，如装载机制造业等在不长的时间内有了较快的发展，但是由于我国的工业基础相对薄弱以及工作中的缺点等原因行业的发展尚存在一系列的问题有待解决。

其中一个严重问题是：

大部分产品性能较为落后。

解决了这一问题，才能满足未来我国国民经济建设迅猛发展的需要。

本次设计就是通过对挖掘装载机装载工作装置进行计算机辅助设计以及性能分析，来改善产品的性能·

工作装置的性能分析过去多采用作图分析和手工计算法，．工作量繁重，精度较低。

当分析工况较多时，问题更为突出。

为克服作图分析和手工计算法的缺点，本次设计采用计算机辅助分析。

性能分析即设计合理性分析。

本次设计前面所进行的工作装置CAD设计是通过看资料、样本，通过初步分析、计算而确定的初始方案。

接着应考察各工作液压缸作用力矩的均衡性，整机的稳定性，整机与地面的附着性、满足结构和布置的可能性等，以综合比较初选方案，从而确定机构参数（一般来说，从计算机辅助分析中发现不合理的现象都可究其原因，采取改进措施，使设计合理化。

对以拟的各种初步方案可通过计算机辅助分析作进一步取舍及修正，以便确定较合理的方案）。

同时，通过性能分析能够很清楚地了解到这个装载装置在各个位置或各种工况时的力和其它工作参数，有利于更有效地使用这种挖掘装载机和使这种挖掘装载机的工作效率得到最大限度地发挥。

现将装载机工作原理介绍如下：

装载机铲掘和装卸物料的作业是通过：

工作装置的运动实现的。

装载机的工作装置是由铲斗动臂摇臂连杆托架及液压系统等组成。

铲斗用以铲装物料动臂和动臂油缸的作用是提升铲斗并使之与车架相连；转斗油缸通过摇臂――连杆或托架使铲斗转动。

动臂的升降和铲斗的转动采用液压操纵。

由动臂，动臂油缸，铲斗，转斗油缸，摇臂一连杆或托架及车架相互铰接所构成的连杆机构在装载及工作时要保证：

当动臂处于某种作业位置不动时，在装斗油缸的作用下通过连杆机构使铲斗绕其铰接点转动；当转斗油缸闭锁使动臂在动臂油缸作用下提升或下降铲斗过程中连杆机构应能使铲斗在提升时保持平移或斗底平面与地面的夹角变化控制在很小的范围以免装满物料的铲斗由于铲斗倾斜而使物料洒落；而在动臂下降时又自动将铲斗放平以减轻驾驶员的劳动强度提高劳动生产率。

装载机根据摇臂一连杆数目及铰接位置的不同，可组成不同形式的连杆机构。

不同形式的连杆机构铲斗的铲起力随铲斗转角的变化关系，倾斜时的角速度大小及工作装置的运动特性也不同。

因此装载机工作装置形式的选择，既要考虑结构简单又要考虑结构性质与铲掘方式来确定。

　　正转连杆机构的工作装置当机构运动时铲斗与摇臂的转动方向相同其运动特点是发出最大铲起力时的铲斗转角是负的，有利于地面的挖掘，铲斗倾斜时的角速度大易于抖落砂石，但冲击较火。

正转连杆机构又分为正转单连杆和正转双连杆两种形式。

单连杆机构的连杆数目少结构简单，易于布置。

缺点是铲起力变化曲线陡峭；摇臂――连杆的传动比比较小，为提高传动比，需要加长摇臂――连杆的长度，给结构布置带来困难，并影响驾驶员的视野．双连杆机构的结构较复杂，转斗油缸也难

于布置在动臂下方．但摇臂。

连杆传动比大，因此摇臂――连杆尺寸可以减少，驾驶员的视野较好，铲起力变化曲线平缓，适于利用铲斗及动臂复合铲掘的作业。

缺点是提升动臂铲斗便后倾，易造成物料洒落。

　反转连杆机构的工作装置，当机构运动时铲斗与摇臂的转动方向相反。

其运动特点时发出最大铲其历史的铲斗转角是正的且铲起力变化曲线陡峭，因此提升铲斗时铲起力较大适于装载矿石，不利于地面挖掘；铲斗倾斜时角速度小，卸料平缓，但难于抖落砂石。

易于实现铲斗白动放平。

摇臂――连杆的传动比较小。

　反转连杆机构多采用单连杆，双连杆机构布置较困难。

反转连杆机构当铲斗位于运输位置时连杆与动臂轴线相交，因此难于布置在同一平面内。

但由于这种形式结构简单铲起力较大所以中小型装载机采用较多。

6．国内外同类产品的水平对比：

作为装载机多种作业化品种之一，挖掘装载机在我国起步较晚，但发展较快，已有十余家企业生产这种装载机。

尤其近年来，由于应用领域日渐扩火，挖掘装载机得到了不断发展。

此产品在国外应用广泛，1990年世界上挖掘装载机销售量达48000～50000台，可见挖掘装载机占有相当的市场份额。

我国已开发、试制或生产挖掘装载机的厂家及其型号有：

（1）北京建筑机械厂及福建机器厂开发出WZ2A、WZ2B，北京建筑机械厂1969年生产WZ2型挖掘装载机（又称DY4—55型），1980年改进设计，试制了WZ2A型挖掘装载机，1981年10月通过鉴定。

之后，在此基础上又推出了WZ2B型挖掘装载机，将WZ2A型又改进为现在生产的WZ．2C型挖掘装载机，反铲铲斗标准斗容量0．2m3。

（2）福州建筑机械厂WZ25型，反铲铲斗标准斗容量0．25m3，装载额定提升能力19．6kN，发动机功率44．1KW整机质量6580Kg，1985年通过部级鉴定。

（3）烟台工程机械厂ZLl5WJ型，反铲铲斗标准斗容量0．14m3，整机质量6400Kg，1988年通过省级鉴定。

该厂近年还开发出WZl6．15E型挖掘装载机，以zLl5装载机为基础，额定装载质量1500Kg，反铲额定斗容0．14m3，整机操作质量6250Kgo（4）柳州挖掘装载机厂（中外合资）的、WZ30．25型和WZ30．25A型，装载部分提升力、反铲标准斗容分别为25KN、1．0m3；WZ45．30型，装载部分提升力、反铲标准斗容分别为30KN、1．25m3。

（5）山东临沂装载机厂的ZWlO型履带式挖掘装载机。

（6）洛阳拖拉机工程机械公司的DFII．904WZ。

（7）山东广饶液压机械厂的755Z／W。

（8）柳州工程机械厂开发出WZ25—20。

（9）山西机床厂也与意大利合作组装生产“两头忙”产品。

（10）徐州装载机厂开发研制出WZ25．16型挖掘装载机，发动机功率为50Kw，装载斗容量0．8m3，反铲斗容量0．25m3，装载装置最大掘起力≥25．6KN。

与国外水平比较，我国的工程机械行业还远远落后于发达国家，无论从产品质量还是年生产总量比较，我国都落后于发达国家。

7．应贯彻的标准和规范：

本机在设计和制造中应贯彻的规范和标准有：

1、现行国家标准（GB）。

2、国家有关部委标准。

3、国家工程机械标准。

8．设计和制造的标准化要求：

现行设计要求尽量提高零部件的标准化和通用化程度。

设计所用零部件应尽量采用标准件、通用件、外构件，从而减少设计和制造的：

工作量、缩短设计和制造周期，提高系统可维护程度，有利于降低成本和加快产品改进更新步伐。

9．关键技术攻关建议：

　本机采用八连杆机构，故结构复杂，须采用合理的布置方案才可行。

但八杆机构提高了该装置的灵敏度，更易于实现装载作业。

10．采用新原理、新结构、新材料、新工艺、新技术的建议：

　本机采用前装载后挖掘的双重作业系统大大加大了机器的应用范围，同时采用了新型液压系统，精简了结构，减小了整机尺寸。

11．为与外部系统协调所需的约束条件：

由于工程机械工作环境恶劣，故要求工作装置的安全系数较高，同时对轮胎的要求也较高。

为适应用户的多机种要求，本机采用前装载后挖掘的机构，合理的布置使本机应用范围人火拓宽。

12．关于用户的需求和本企业发展计划的介绍：

本机结构紧凑、便于维修、实现自动化可靠性高、使用方便经济。

目前，国内本产品年产300台左右，市场亟待开发。

13．关于成熟的技术结构工艺等继承的决定和建议：

与原来的技术资料相比继承了以前的铲斗形状、大小、空间布置，回转机构的外形等。

整机尺寸较以前稍有改进，增加了挖掘功能实现了一机多用。

14。

关于产品成本的要求：

本机成本大约100万人民币。

15。

开发周期与开发费用要求：

本机开发周期在6个月以内。

ABSTRACT

Awheelloadeisakindofmachinethatitisused

extent．aboveall，dig—loaderisSO．Thisdesignisrequiredbyscociety,　ThetypeofmachineisWZ45-40．

Theproductionrequiredofawheelloadershouldbeslightlygreaterthantheproductioncapabilityoftheothercriticalunitsintheearthormaterialmovingsystem．Forexample，ifahoppercanhandle300tonsperhourloadercapableofslightlymorethan300tonsshouldbeused．RequiredproductionshouldbecarefullycalculatedSOthepropermachineandbucketselectionsaremade．

Whenhaulingloosegranularmaterialonahardsmoothoperatingsurface．a0．45—0．55minutebasiccycletimeisconsideredreasonableforcaterpillararticulatedloaderswithacompetentoperator．thisincludesload，dump，fourreversalsofdirection，fullcycleofhydraulicsandminimumtravel．

Materialtype，pileheight，andotherfactorsmayimproveorreduceproduction．andshouldbeaddedtoorsubtractedfromthebasiccycletimewhenapplicable．Addthehaulandreturntimestotheestimatedbasiccycletimetoobtaintotalcycletime．

摘要：

轮式装载机是一种用途广泛的施工机械，挖掘装载机更是近几年新型的一种工程机械。

本次毕业设计正是应社会需求而设计的一种型号的机型，型号为WZ45-40。

轮式装载机所达到的装载量应当比别的装载机器所达到的铲装量稍微大一些。

例如，如果一个机器可以一小时运载300吨物体，则如果用的装载机的装载能力应当稍大于300吨。

当铲斗在制造时所需的装载量应当被精确计算出来。

当在一个硬的操作表面拖运松的颗粒状材料时，对一个装载机来说，0．44-0．55分钟的基本循环周期是合情合理的。

这个过程包括装载、收斗、举升、翻斗、下降等过程。

物质类型、堆积高度和别的因素也许可以提高或减少装载量，并且应当在应用时从基本循环周期被增加或减少。

铲装的材料类型、材料的堆积高度以及别的外在因素也许可以增加或减少基本循环时间。

并且在实际的生产过程中也应这样计算。

通过估计增加或减少的装载拖运物和返回时间可以获得总共的循环时间。

第二部分：

挖掘装载机工作装置设计

第一章：

整机概述

§1．1绪论

轮式装载机是一种用途广泛的施工机械，广泛应用于建筑公路铁路水电港口矿山及国防工程中，对加快工程建设速度、减轻劳动强度、提高工程质量、降低工程成本都发挥这重要作用。

因此近几年来无论在国内还是国外装载机品种和产量都得到了迅猛发展，已成为工程机械的主导产品之一。

为适应装载机多功能作业要求，轮式装载机已向一机功能方向发展。

这主要靠主机加装适合多种作业的组合式工作装置完成。

80年代国外装载机和液压挖掘机除了不断完善装、挖功能外，正向一机多能方向发展。

许多公司竞相生产各式各样的辅助机构。

这种机型使用范围很广，其产品受到用户的普遍关注。

在通用拖拉机前端加装载装置，后部加挖掘装置可改装变形成前装后挖拖拉机，亦称挖掘装载机，俗称“两头忙”。

挖掘装载机作为一种小型多功能工程和建筑机械，是挖掘、装载两用的工程机械。

广泛应用于农田水利建设、工业和民用建筑、市政建设及电力建设等，主要用于建筑工程、农田水利的基槽、基坑、管沟等小型土方工程的开挖以及城市建设和工厂企业的装载作业，是一种适应性较强的现场施工机械。

随着我国改革开放的不断深入，经济建设的不断加强，建筑、水利工程日益增多。

目前我国又在计划进行西部大开发，挖掘装载机作为工程机械的一种主要类型，挖掘与运移土石方的主要机械设备，它的需求量迅速增长，对它的质量以及性能也提出了更高的要求。

虽然，我国的工程机械行业，如装载机制造业等在不长的时间内有了较快的发展，但是由于我国的工业基础相对薄弱以及工作中的缺点等原因行业的发展尚存在一系列的问题有待解决。

其中一个严重问题是：

大部分产品性能较为落后。

解决了这一问题，才能满足未来我国国民经济建设迅猛发展的需要。

本次设计就是通过对挖掘装载机装载工作装置进行计算机辅助设计以及性能分析，来改善产品的性能，

工作装置的性能分析过去多采用作图分析和手工计算法，工作量繁重，精度较低。

当分析工况较多时，问题更为突出。

为克服作图分析和手工计算法的缺点，本次设计采用计算机辅助分析。

性能分析即设计合理性分析。

本次设计前面所进行的工作装置CAD设计是通过看资料、样本，通过初步分析、计算而确定的初始方案。

接着应考察各工作液压缸作用力矩的均衡性，整机的稳

定性，整机与地面的附着性、满足结构和布置的可能性等，以综合比较初选方案，从而确定机构参数（一般来说，从计算机辅助分析中发现不合理的现象都可究其原因，采取改进措施，使设计合理化。

对以拟的各种初步方案可通过计算机辅助分析作进一步取舍及修正，以便确定较合理的方案）。

同时，通过性能分析能够很清楚地了解到这个装载装置在各个位置或各种工况时的力和其它工作参数，有利于更有效地使用这种挖掘装载机和使这种挖掘装载机的工作效率得到最大限度地发挥。

考虑到挖掘装载机--机两用，可基本代替一台挖掘机和一台装载机能实现的功能，更具有机动灵活性、不仅为国家和社会节约了资源、而且大大地降低了成本、经济效益无疑也能得到显著提高。

我国在“九五”期间在工程机械行业投资13万亿元人民币，比“八五”完成投资大2倍，而且建筑业已逐步成为国民经济的支柱产业，这将刺激工程机械迈入新的经济增长期。

今后十五年，国家将集中必要的力量，在水利、能源、交通、通信和重要原材料工业方面，建设一批大型工程。

由于今后从事笨重施工体力劳动的人员日渐减少，机械化施工程度逐年提高，以往靠人海战术及小型机械装备的施工方式，将逐步被采用大批较先进的中大型工程机械的施工方式所替代。

工程机械产品在今后5年、10年以至更长的时间，将具有更广阔的市场。

挖掘装载机作为工程机械新型品种，市场开发具有很大潜力。

通过本课题的研究，可以使其作业性能得到充分发挥，产品的成本大大降低，在国内外的市场竞争中处于有利地位，无疑经济效益将显著提高

§1．2国内外本课题现状及发展趋势

作为装载机多种作业化品种之一，挖掘装载机在我国起步较晚，但发展较快，已有十余家企业生产这种装载机。

尤其近年来，由于应用领域日渐扩大，挖掘装载机得到了不断发展。

此产品在国外应用广泛，1990年世界上挖掘装载机销售量达48000～50000台，可见挖掘装载机占有相当的市场份额。

1．挖掘装载机的型式

根据GBl0186．88《挖掘装载机术语》，挖掘装载机（backhoe：

loader）的型式定义为：

一种机体前部装有装载装置，机体后部装有反铲挖掘装置的自行式机械。

作为反铲挖掘使用时，是通过铲斗向机械方向运动进行地平面以下的挖掘。

铲斗在提升、回转和卸料时，机体固定不动。

作为装载机使用时，通过机体向前运动，装载斗进行装载或挖掘，并可提升、运料和卸料。

2．国内外基本情况

美国生产挖掘装载机的公司主要有：

凯斯（case）、约翰迪尔（JhonDeere）、卡特彼勒（caterpillar）、福特公司拖拉机分部（Fordtractoroperation）等。

综合四家公司的挖掘装载机，共有二十余种型号。

（1）凯斯公司自称其Burlington的工厂为“BackhoeCapitaloftheWorld”（世界挖掘装载机的首都），该厂1995年获得IS09001质量认证，其挖掘装载机产量一直雄居世界第一位，自1957年至今己生产挖掘装载机近50万台。

先后推出了480E、580F、680K、680t{、．580[）、580K、．580L等各种型号的挖掘装载机；又于1999年将其整个挖掘装载机系列产品进行了升级，提高了发动机能力，新的SuperL挖掘装载机采用新型动力换档变速器，有自动换档和自动四轮制动功能。

（2）约翰迪尔公司70年代开始生产挖掘装载机，1982年以后每年推出一种，目前共有7种型号。

发动机功率46～78kW，整机质量5900～9900Kg。

（3）卡特彼勒公司1985年推出了416型，采用了CAD技术，把用户的需要和建议进行修改设计。

1986年开发出426型，国内定货2000台。

1987年推出了428和436型。

1989年又推出了438型。

之后，又推出了446型。

反铲斗容范围0．07～0．4．8m3，装载额定提升能力23．3～38．5kN，发动机功率46～70．8kW，整机质量6156～8781．Kg；卡特彼勒新的C系列挖掘装载机加大了动臂液压缸直径和发动机功率，使举升能力比前任系列提高了209／0，挖掘和装载作业装置的负荷传感液压系统采用变量泵，提高了作业性能，所有的挖掘装载机都配备了RideControl

系统，提高了驾驶舒适性，Cat-416C型还具有平行举升功能，通过快换接头，不需离开驾驶室，可在30秒内换装各种工作装置。

英国生产挖掘装载机的公司主要有：

班福德（J．BC）、麦塞．福

格森（Massey-Ferguson）、亚