装载机设计说明书

1 / 33 第一章前言

1.1设计课题

我此次设计专题为装载机工作机构设计，要求该装载机装载能力大，机动性好安全可靠，生产率较高，其斗柄是曲线的，铲斗的提起和倾斜由油缸的动作来实现。

1.2装载机的发展历史

装载工作是整个地下采矿的重要环节，其工作量最繁重，费时最多，对采矿生产率影响极大。消耗于这一工序的劳动量占循环时间的30%-40%。

正因为如此，国外许多的国家十分重视装载机械的开发推广与使用。装载机开始制造是在90多年前。最早的装载机是在马拉的农用拖拉机前部装上铲斗而成.。自身带有动力的装载机，是在1920年初出现的，其铲斗安装在两根垂直立柱上，铲斗的举升和下落是用钢绳来操纵的。从1930年开始，装载机的机构得到较大的改进。1939年出现了比较先进的轮胎式装载，在40年代装载机得到了更大的发展。1944年，开始用液压代替钢绳控铲斗。1947年装载机发展成四轮驱动。1950年出现了第一台带有液力变矩器的轮胎式装载机，它使装载机能够很平稳地插入料堆并且使作增快，同时插入运动，发动机不会因插入阻力大而熄火。1960年出现了第一台铰接式装载机，这使装载机转向性能大大改善，增加了它的机动性能性和纵向稳定性。60年代的电动装载机。这是装载机设计的一个新的突破，它进一步增加了装载机的使用围。今后装载机的发展趋势是通过工作机构尺寸的增加和机构的改进进一步增加了生成力。

1.3装载机工作机构的特点

装载机工作机构由潺斗，铲臂，铲斗座，升降油缸（两个左右对称）侧卸油缸，拉斗油缸组成。装载机在工作过程中，铲斗是沿料堆底部插入料堆的，斗尖在料堆运动，轨迹如图1-1所示。

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图1-1

由于铲斗沿料堆底部插入料堆所以插入阻力大，阻力方向与机体的推进方向相反，从而使得装载机有足够的重量和牵引力来克服插力。以得到足够的插入深度，铲斗插入料堆后，在开始提升的瞬间，料堆对提升的阻力很大，以后就迅速的降低，故在提斗的过程中工作机构承受的负载很不均匀，尖峰负荷大。但它易于卸载，故效率高，在铲斗臂的左右对称的布置两个升降油缸，完成铲斗的提升过程，铲斗上安装一个侧卸油缸。用来卸下铲斗的物料，铲斗和铲斗座采用焊接的方法联结在一起，再用销轴与铲斗臂连接整个机构是四连机构完成装卸过程。

1.4装载机工作机构的用途

工作机构是装载机用以直接完成装载工作的机构，是装、运、卸一体的联合设备。由于铲斗即可作取料构件，又可作运料贮料和卸料物件，从而简化了整机结构使用灵便。

3 / 33 第二章装载机装载过程分析

2.1装载过程描述：

铲斗挖掘土壤的过程很类似金属切削过程（如图2-1，图2-2）。斗刃切入后物料对切入的阻力取

决于物料的性质和状态，以与斗刃的刃角γ。

图2-1

图2-2

斗刃切入后，在刃的物料被压缩，变形以致破坏原来结构，而改变堆存状况，这种改变取决于物料的性质和状态，斗刃的几何形状，切削角δ和切削厚度c，同时物料与斗底间的相对运动也产生摩擦阻力，其大小取决于物料与斗底的摩擦系数和斗刃的后角θ。此外，由于刃前形成小堆而后才能进入斗，这种物料间的摩擦阻力取决于物料的性质和状态，物料的摩擦系数和斗的运动轨迹。

铲斗插入矿堆后，矿堆变形A¹B¹CDE（见铲装过程图）包括三部分：第一滑移4 / 33 体A¹B¹FE。变形较明显；第二滑移体CDEF变形不够明显；压实区，在刃前ED，相当于斗刃的延长，压实区的大小与装载工作阻力的大小有密切关系。压实区的大小取决与矿石的物理机械性质，矿堆高度，铲斗插深度以与铲斗的形状和尺寸等因素。当斗刃插入矿堆时物料挤压，剪切产生变形阻力，物料与斗臂间的摩擦阻力以与物料摩擦阻力等等阻力的综合，便是装载阻力。

2.2装载机的装载阻力计算

装载机的装载阻力包括插入阻力和铲取阻力，其插入阻力计算式

Wen=Klen1.25B 千克

式中K-------与物料的性质块度，堆高和铲斗形状与关的系数

K=K1K2K3K4

K1-------物料块度与松散度系数

K2-------物料性质系数

K3-------堆高系数

K4-------铲斗斗形系数

Len------铲斗一次插入深度， 单位：厘米

B--------铲斗宽度， 单位：厘米

铲取阻力计算式：

Msp0=1.1Wen[0.4(X-1/3Len)+Y] 公斤·米

式中：

Wen---------插入阻力，单位：公斤

Len---------铲斗插入深度，单位：米

X，Y--------斗尖距铲斗回转中心的直角坐标系植，单位：米

铲取阻力矩Msp随着铲斗回转角a的增大而减小，其变化规律为双曲线（见下图）

Msp= Msp0（1-Can）

式中 n=/3Lga'MspM-M20aSPLg

C=n)a'(10MspMa'-Msp 5 / 33

图2-3

式中Ma¹-------铲斗离开岩堆时，由物料重力产生的阻力矩

根据查表得：

K1=1.3

K2=0.10

K3=1.10

K4=1.5

则K=K1K2K3K4

=1.3x0.10x1.10x1.5

=0.2145

取铲斗一次插入深度Len =83.5cm

所以插入阻力为Wen=Klen1.25B

=02145x82.51.25x2200x0.1

=0.2145x248.6x220

=11704.088(公斤)

根据工作机构总图确定X,Y的值

X-------铲斗回转中心O点离斗刃的水平距离

Y--------铲斗回转中心O与地面的垂直距离

得X=1.15m

Y=0.3m

带入有关数据计算铲取力，有

Msp0=1.1Wen[0.4(X-1/3Len)+Y]

=1.1x11704.1x[0.4x(1.15-1/3x0.825)+0.3]

=8368.43(公斤•米)

6 / 33 第三章 装载机工作机构的设计

3.1工作机构对铲斗运动的要求

铲斗机工作时，铲斗的运动是由动臂油缸，恻卸油缸和机体的行走部共同控制的。在一个工作循环中铲斗要完成的动作有：

1）将铲斗放平由机体的行走部将铲斗推入料堆。

2）边推进边翻转铲斗使铲斗使物料充满铲斗。

3）当铲斗装满物料后，将铲斗转正并举臂到适当的位置作好运送的准备。

4）由机体的行走部将物料运送到卸载点。

5）将铲斗对准卸载口进行翻斗卸载。

6）将铲斗正位并下降动臂准备返回。

7）返回到卸载点

8）将铲斗放平到插入位置进行下一个工作循环。

为了使操作方便和提高劳动生产率，铲斗臂上对称地布置两个油缸铲斗上安装有一个油缸使的得整个动作协调。

3.2铲斗的机构设计

铲斗是用来切削，收集，运输，卸出物料的不见。它设计的合理与否直接影响到装载机的身产率，能量消耗与工作的可靠性。

铲斗的结构设计，一般应满足下列条件，在斗体尽可能轻的条件下，保证铲斗有足够的强度和刚度；铲斗的结构形状应保证铲斗插入物料堆时阻力最小；耐摩擦对易损斗齿更换方便等。

为减小铲斗插入物料堆的阻力，尽量避免无效容积与顺利卸载的要求，铲斗形状通常是前臂高与后臂，前臂上部作为圆弧状，并装有一组齿，铲斗下部较上部略宽，四角呈圆弧状以方便卸载，避免大块堵塞，后臂与斗底的夹角要成钝角，即可避免可效容积又可使斗底铰点抬高，方便开斗。

铲斗前臂直接切入物料，要求材质耐磨，强度高，一般用锰钢（ZG35Mn）铸造，并在其切削部位焊有硬质合金。

铲斗后臂与斗体相连接，并支承整个斗体，故后臂多用碳钢铸造并铸有加强的筋条。

斗体的两侧板连接前后臂，使之成一方箱，因其磨损受力较前后臂小，故小型铲斗用焊件式铸造，而大型铸斗两侧臂采用前后臂延长两侧，再用塞柱焊接在一起。

斗的后臂固定着斗与斗柄，拉杆的铰与提升滑轮的铰座等。 7 / 33 斗齿它可减小挖掘阻力。斗齿的形状应根据物料的物理，机械性质正确选择斗齿的最大厚度是铲斗加强厚度的2.2-2.3倍。斗齿是磨损严重的易损件。故通常用耐磨材料铸造。

铲斗按其结构可分铆结构，铸造，焊接，铸-焊联合合金钢板铠装。

铆结构铲斗的优点是制造容易，接个便宜。求点是强度差（铆钉易松动），主要用于小型挖掘机上。

铸造铲斗：整体铸造的铲斗，强度较铆结构的高，但其自重较大，适用于小型挖掘机上。

焊接铲斗：前臂和侧臂是钢板焊接，而后臂通常是铸造。其特点是自重较小。对单斗挖掘机，在动力不变的条件下，用焊接铲斗代替铸造铲斗，铲斗容积平均可增大1/3（即3米3增大4米3；6米3增大8米3；9米3增大12米3），这是提高挖掘机生产率的途径之一。但一般钢板焊接的铲斗，仅用于轻型挖掘机。

铸-焊联合制造，外面包以合金钢板的铲斗，适用与大型铲斗（如斗容﹥12米3）。

根据设计要求，本设计采用焊接铲斗。

3.3斗容的计算和尺寸确定

3.3.1斗容的计算

1) 几何斗容：按美国汽车工程师学会（SAE）标准前端式装载几何斗容EK（单位为m3）由下式确定斗背上挡板的铲斗斗容为：

EK=SBBH-2/3h2b

式中 : S-------------铲斗横断面面积， m2

BBH---------铲斗的臂宽，m;

h-----------挡板高度，m;

b------------斗刃刃口与挡板最部之间的距离， m；

2）额定斗容：按SAE标准，对于斗背上装有挡板的铲斗

ES=EK+b2BBH/8- b2(h+c)/6

式中C-----物料“堆积”高度，m其确定方法如下图，由斗刃刃口和挡板最下部之间作一连线，再由料堆尖端M点作直线MN与CD垂直，将MN垂线向下延长，与斗刃刃口和挡板最下部之间的连线相交，此点与料堆尖端之间的距离，使表示物料堆积高度C。