毕业设计（论文）- zl30装载机工作装置设计.doc

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1、毕业设计（论文） 题 目 zl30 装载机工作装置设计 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 工机 2 班 学 生 李云 指导教师 李玉玲 重庆交通大学 2011 年 1 目 录 前 言 I 摘 要III ABSTRACTIV 第一章 装载机的发展和应用1 1.1 装载机概述1 1.2 装载机的发展2 第二章 装载机总体参数的确定6 2.1 装载机阻力的确定6 2.1.1 插入阻力6 2.1.2 铲起阻力6 2.1.3 转斗阻力矩7 2.2 装载机的总体布置原则8 2.3 装载机各部件的布置9 2.4 装载机的总体构造和分类10 第三章 工作装置设计13 3.1 工作装置结构分析13 3.1

2、.1 装载机工作装置13 3.1.2 结构形式的选择14 3.2 铲斗设计16 3.2.1 铲斗结构形式的选择16 3.2.2 铲斗基本参数的确定18 3.3 工作机构连杆系统的尺寸参数设计21 3.3.1 工作装置结构设计22 3.3.2 动臂设计22 3.3.3 连杆机构设计24 3.4 工作装置强度计算27 3.4.1 确定工作装置的计算位置27 3.4.2 工作装置载荷分析28 3.4.3 典型工况分析29 3.4.5 工作装置受力分析30 2 3.4.6 工作装置强度校核34 第四章 工作装置液压系统设计38 4.1 液压系统设计要求38 4.2 油缸作用力的确定38 4.3 液压系

3、统设计计算39 4.4 液压系统原理分析40 4.5 工作装置的限位机构41 总 结43 致 谢44 主要参考文献45 2011 届机械设计专业毕业设计（论文） I 前 言 近年来，在我国宏观调控政策的影响下，我国工程机械产业进入了加速增长阶段， 呈现出前所未有的繁荣态势。工程机械装备已经成为我国国民经济发展的支柱产业之 一，在工程建设中发挥着重要的作用,其份额占据世界工程机械总量第七位。但同国 际先进的工程机械制造厂家相比差距还比较大，主要表现在产品的可靠性、使用寿命、 绿色工程设计、高新技术的创新应用以及管理模式上。相对而言，我国自主开发能力 还比较薄弱，有自主知识产权的产品技术较少，新产

4、品的关键技术大部分还依赖于引 进国外技术；另一方面对国外先进技术的消化、吸收、创新不足。其次，对市场反映 速度慢，产品更新周期较长。因此对提高轮式装载机的可靠性、稳定性、结构的简易 性和操作的方便性对提高工程施工效率具有深远而重大的意义。 通过对轮式装载机的工作装置进行优化设计，其科技成果在满足设计任务的同时， 应做到产品设计的数字化、智能化、模块化和注重绿色设计。按照设计要求进行加工 制造、使用保护、维修的同时，设计目标预期应达到： （1）具有较强的作业能力，铲斗插入料堆的阻力要小； （2）在料堆中铲掘的能力大、能耗小； （3）工作机构的各杆件受力状态良好，强度寿命合理； （4）结构和工作尺

5、寸适应生产条件需要，效率高； （5）结构简单紧凑，制造和维修容易，操作使用方便。 在经历了 5060 年的发展后，到 20 世纪 90 年代中末期国外轮式装载机技术已达 到相当高的水平。基于液压技术、微电子技术和信息技术的各种智能系统已广泛应用 于装载机的设计、计算操作控制、检测监控、生产经营和维修服务等各个方面，使国 外轮式转载机在原来的基础上更加“精致” ，其自动化程度也得以提高，从而进一步 提高了生产效率，改善了司机的作业环境，提高了作业舒适性，降低了噪声、振动和 排污量，保护了自然环境，最大限度地简化维修、降低作业成本，使其性能、安全性、 可靠性、使用寿命和操作性能都达到了很高的水平。

6、我国轮式装载机行业起步较晚， 起制造技术是陆续从美国、德国和日本等国家引进的。国内的企业自主开发创新能力 较弱，产品更新换代以适应市场需求的能力较差，不能及时适应市场的需求。在生产 制造上，工艺装备水平和生产能力低，造成关键零部件技术不过关，整机的可靠性， 故障率，使用寿命，机、电、液一体化水平外观质量，操作的灵活性和舒适性方面与 先进国家产品相比差距较大。 国外轮式装载机总的发展趋势是： 李云：ZL30 装载机工作装置设计 II （1）产品形成系列，更新速度加快并朝大型化和小型化发展； （2）采用新结构、新技术，产品性能日趋完善； （3）进一步普及应用液压技术，广泛应用微电子、信息技术； （

7、4）不断创新的结构设计； （5）更加重视安全性、舒适性和可靠性； （6）向节能与环保方向发展。 国内轮式装载机发展趋势： （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越来越快。 （2）各生产厂家根据实际情况，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，以使整机可靠性得到提高。 （3）优化系统结构，提高系统性能。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，逐步引进最新的传动系统 和液压系统技术，予以国产化、商业化，降低能耗，提高性能。 （4）利用电子技术及负

8、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。 （6）降低噪声和排放，强化环保指标。 （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，提供排除问题的方法。 此次的毕业设计论文主要是针对国产装载机 ZL30 的工作装置系统进行设计，包 括它的铲斗的选择包括：结构形式，具体参数，铲斗容量。然后进行的是其连杆机构 的设计包括动臂的一些数据计算以及连杆机构中一

9、些组件的尺寸，以及工作装置的强 度的计算，采用受力分析法进行计算分析，最后进行装载机工作装置液压系统的设计。 由于自身的能力和条件有限，我深知道这次毕业设计论文存在着很多问题，希望老师 能够给予一定的帮助。 2011 届机械设计专业毕业设计（论文） III 摘 要 装载机主要用来装卸成堆散料，也能进行轻度的铲掘工作。由于它适用于建筑、 矿山、铁道、公路、水电等国民经济各个部门，因此，在国内外，产量与品种的发展 都较快，是工程机械中的一个主要机种。 装载机根据不同的使用要求，发展形成了不同的结构类型。通常，按使用场合的 不同，分成露天用装载机和井下用装载机；按行走系统结构不同，分成轮式装载机与

10、履带式装载机；按卸料方式不同，分为前卸式（前端式） 、后卸式与回转式装载机。 此次的毕业设计论文先对装载机的发展概况及设计的指导思想、特点、任务进行 概述，然后确定方案，在技术设计部分罗列了 ZL30 装载机的主要技术性能和参数， 进行了牵引特性计算。主要是针对国产装载机 ZL30 的工作装置进行设计，包括它的 铲斗的选择包括：结构形式，具体参数，铲斗容量。然后进行的是其连杆机构的设计 包括动臂的一些数据计算以及连杆机构中一些组件的尺寸，以及工作装置的强度的计 算，采用受力分析法进行计算分析，最后进行装载机工作装置液压系统的设计。 关键词：装载机，工作装置，连杆,铲斗 李云：ZL30 装载机工

11、作装置设计 IV Abstract Loader piles is mainly used to handling bulk material, but also to carry out the work of digging shovel mild. Because it applies to construction, mining, railways, highways, water and electricity in all sectors of the national economy, therefore, at home and abroad, production and

12、rapid development of varieties, is a mechanical engineering major models. Loader according to different application requirements,development of the structure of different types. Usually, by the use of different occasions, into the open air and underground loader used loader used; by running a differ

13、ent system structure, divided into wheel loaders and crawler loaders; in different ways according to discharge into the former dump (front- end ), after the dump loaders and rotary. The design of the graduation thesis mainly deals with domestic Loader ZL30 devices work system design。At first,I intro

14、duce the developing trend of the loaders,and explained the main designing idea, designing characteristic and designing task.The second part is the whole designing prgram.In the technical designing part,the main technological parameters and technological features of the ZL30 loader are listed，then I

15、design the choice of bucket include: the structure of the form of specific parameters, bucket capacity. And then proceed to the design of the linkage mechanism includes a number of boom and linkage data of some components of the size, as well as the calculation of the strength of devices, the use of

16、 force analysis method calculation and analysis, the end loader installation of hydraulic system design. KEYWORDS：loader，work device，connecting rod，bucket 2011 届机械设计专业毕业设计（论文） 1 第一章 装载机的发展和应用 1.1 装载机概述 装载机主要用来铲、装、卸、运土和石料一类散状物料，也可以对岩石、硬土进 行轻度铲掘作业。如果换不同的工作装置，还可以完成推土、起重、装卸其他物料的 工作。在公路施工中主要用于路基工程的填挖，沥青和

17、水泥混凝土料场的集料、装料 等作业。由于它具有作业速度快，机动性好，操作轻便等优点，因而发展很快，成为 土石方施工中的主要机械。金属矿山的开采可划分为露天开采和地下开采两大类。我 国露天矿采以矿石的比重约占 70，但从事地下开采的人员比露天开采的人员多。这 是因为地下开采的条件复杂，使用的设备种类繁多，在产量相同的条件下，对地下矿 投资的人力和物力远大于露天矿的缘故。 保护自然环境和合理地利用矿藏资源，是发展社会主义经济的必要条件。随着浅 埋矿床的耗尽而愈来愈向深部开采，或当露天升采的深度很大而使地表遭受大面积的 破坏时，就必须采用地下开采。可以预料今后地下开采仍将逐渐增加。 不论是露天矿开采

18、还是地下矿开采，对矿体较硬的金属矿山，都是经凿岩爆破将 崩落松散矿石或岩石，经装运作业运至下步工序的作业地点。装载作业是矿山整个生 产过程小既繁重又费时的作业。所以努力提高装载机械的作业能力，对实现矿山生产 的高效率低消耗想着重要的作用。 ZL 系列轮式装载机是一种高效率的工程机械，具有结构先进，性能可靠，机动性 强，操纵方便等优点。广泛应用于矿山，建筑工地，道路修建，水利工程，港口，货 场，电站以及其他工业部门，进行装载，推土，铲挖，起重，牵引等多种作业。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着重要作用，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迅速发展，

19、成为工程机械的主导 产品之一。 为适应装载机多功能作业的要求，轮式装载机已经向一机功能方向发展。这主要 靠主机控制适合多种作业的组合工作装置完成。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” 。 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。 当分析工矿较多时问题更为突出，为克服手工画图的误差。本次设计前面所进行的工 李云：ZL30 装载机工作

20、装置设计 2 作装置 CAD 设计是通过看资料、实物，通过初步分析、计算而确定的方案。其次要考 虑各个工作液压缸作用力的均衡性，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，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可究其原因，采取改进措施，是设计合理化。对已经拟订 的各种方案可通过计算机辅助分析作进一步的取舍和修改，以便确定较合理的方案） 。 同时，通过性能分析能够很清楚的了解到这个装载机装置在各个位置或各种工况时的 里和其它参数，有利于更有效地使用挖掘装载机和使这种装载机工作效率得到最大限 度的发挥。 地下矿的开采，包括开拓、采准、回

21、采三个步骤。开拓是矿山的基建工程，它是 用井巷把地表与山地下矿体接通，并建成完整的运输、通风、排水的并巷工程，包括 竖井、斜井、盲井、井底车场，如水泵房、变电室、机修站、火药库等，还有石门、 阶段运输巷道、溜井等。 采准是指掘进形成采区外形的一些巷道及为了回采工作面的碎岩和爆破而需要的 自由空间。前者如采区的运输巷道、通风和人行天井，以及电耙巷道等，如切割槽、 拉底空间、放矿漏斗等。 回采就是做完采准后，在采区工作面进行的落矿、装运和管理作业。回采中的 矿石装运作业是矿山生产的重要环节。 装载作业就是把开拓、采准、回采的矿石或岩石装入运输工具或卸入溜井。开拓、 采准和回采三者在使用装运机械方面

22、对比起来，采准工程的特点是：它的装运作业工 作量，是在阶段水平以上或矿房内部及矿床上下盘中进行的。一般地说，这些巷道断 面尺寸小、长度短，分布在阶段水平以上不同的高度上，要求机械设备轻便灵活，便 于调入和调出及迁移到不同高度上。在断面只寸很小的空间内工作，由于设备的调入 迁移和使用都比较困难，致使采准工作的机械化程度低、工作效率低、成本高。因此 采准工作量的多少，便成为衡量采矿方法好坏的重要指标之一。 1.2 装载机的发展 1.国外装载机发展趋势 近年来，随着建筑施工和资源开发规模的扩大，对装载机需求量迅速增加，因而 对其可靠性、维修性、安全性和燃油经济性也提出了更高的要求。随着微电子技术向

23、工程机械的渗透，现代装载机械日益向智能化和机电一体化发展。自 20 世纪以来， 国外装载机进入了一个新的发展时期，在广泛应用新技术的同时，不断涌现出新结构 2011 届机械设计专业毕业设计（论文） 3 和新产品。继完成提高整机可靠性任务之后，技术发展的重点在于增加产品的电子信 息技术含量和智能化程度。努力完善产品的标准化、系列化和通用化，改善驾驶人员 的工作条件，向节能、环保方向发展。 (1)系列化、特大型化 系列化是工程机械发展的重要趋势。国外著名大公司逐步实现其产品系列化进程， 形成了从微型到特大型不同规格的产品，同时，产品更新换代的周期明显缩短。特大 型工程机械的特点科技含量高，研制与生

24、产周期较长，投资大，市场容量有限，市场 竞争主要集中在少数几家公司。 (2)多用途、超小型化、微型化 推动多用途、超小型化、微型化发展的因素首先源于液压技术的发展和快速可更 换连接装置的诞生，使得装载机能在作业现场完成各种附属作业装置的快速装卸及液 压软管的自动连接。一方面，工作机械通用性的提高，可以使用户在不增加投资的前 提下充分发挥设备本身的效能，能完成更多的工作；另一方面，为了尽可能地用机械 作业代替人力劳动，提高生产效率，适应城市狭窄施工场所以及在货栈、码头、仓库、 农舍、建筑物层内和地下工程作业环境的使用要求。 (3)节能与环保 为了提高产品的节能效果和满足日益苛刻的环保要求，国外工

25、程机械公司主要从 降低发动机排放、提高液压系统效率和减振、降噪等方面入手。近几年来国外装载机 的设计和制造进一步体现了以人为本的理念，要为司机提供一个更加舒适的环境，以 到达他们称之为全自动化型的境地。 (4)计算机管理及故障诊断、远程监控系统及整机智能化 广泛应用微电子技术与信息技术，完善计算机辅助驾驶系统、信息管理系统及故 障诊断系统，不断研制出集液压、微电子及信息技术于一体的智能系统。并广泛应用 于工程机械的产品设计之中，进一步提高产品的性能和高科技含量。例如卡特彼勒公 司 90 年代开发的 F 系列和 G 系列装载机都安装有电子计算机监控系统，用以取代 E 系列装载机上安装的电子监控系

26、统。其司机台上装有条形液晶显示屏，微机监控系统 能同时监控发动机燃油液面高度、冷却水温、变速箱油温和液压油温等 11 种功能。 该监控系统还具有故障诊断能力，并可向司机提供三级报警. (5)优秀的设计和新结构的不断涌现 90 年代中末期，部分装载机上安装有转速变速集成控制系统，它取消了传统的方向盘 和变速操作杆，将转向和变速操纵集成在一个操作手柄上，并采用简单的触发方式控 制开关和换挡用的分装式加速按钮。利用肘节的自然动作左右搬动操纵手柄来实现转 李云：ZL30 装载机工作装置设计 4 向，利用大拇指选择换挡按钮以实现前进与后退、加速与减速行驶，极大地简化了操 作。 2.我国装载机的发展前景

27、随着我国国民经济建设的调整发展，大型轮式装载机的需求量会有大幅度上升， 特别是西部大 开发，许多大型工程建设等，大型轮式装载机大有用武之地。另外， 世界上生产大型轮式装载 机的国家、企业也不多，出口前景也非常好，苦于我们还 拿不出产品。 1999 年，我国全行业 ZL60 型共销 28 台，ZL80 型及 ZL100 型一台也未销售。因此， 我国大型 轮式装载机可以说是基本上未推向市场。影响推出市场的主要原因是，除 开发水平较低外，主 要是配套件跟不上。大型 轮式装载机的配套件国内基本上没有， 有少量的也是水平低，可靠 性差，不太适用，进口配套件价格又太贵。因此大型轮 式装载机的国内市场基本上

28、被国外大公 司所占领。我国装载机行业，特别是主要装 载机制造企业，应抓住我国加入 WTO 后进口件价格 降低的机遇，进口一部分重要的 关键部件，同时为尽量降低成本，加大力度开发一些目前已经有能力开发的零部件， 如传动系统中的驱动桥、液压件中的缸、阀等，经过精心设计，开发出 具有中国特 色的大型轮式装载机。只要我们的产品能占领国内市场，也一定能打进国际市场。 国产挖掘装载机及小型多功能装载机数量很少，在我国 ZL30 型以下属小型装载 机，据 1999 年全行业主要企业统计,共销售小型装载机有 1546 台，能占全行业的 8.2。 国外小型装载机及小型多功能装载机，包括挖掘装载机在内，市场份额已

29、相当大。 美国的 山猫牌小型多功能装载机年销量在 5 万台左右，还有美国的凯斯、约翰迪尔、 卡特彼勒、英国 的 JCB 公司等的挖掘装载机及小型多功能装载机年销量都在万台上。 可见世界市场上挖掘装载 机及小型多功能装载机市场是多么大，而中国目前这类产 品基本上还没有。这类产品特别适用 于市政建设、中小城镇建设、乡间非等级公路 建设、一般公路的维护保养、港口码头作业，还 有改造环境、植树造林等。特别是 西部大开发，这类产品将有广阔的潜在市场。这类产品的开发，今后肯定是以静液压 件传动为主，目前世界上小型装载机、小型多功能装载机基本上都是 静液压传动。 我国要能真正把这类产品发展起来，必须有自己的

30、创新。装载机行业的广大企 业， 特别是有能力的大企业，应加大创新力度，去争我国小型装载机、小型多功能装载机、 挖掘装载机等这一巨大的潜在市场。 我国西部 3000 米以上高海拔地区及沙漠地区占了很大的面积，在实施西部大开 发中，高原 及沙漠型特殊用途装载机需要量较大，国内目前基本上还没有这类产品， 2011 届机械设计专业毕业设计（论文） 5 而国外大公司在这方 面已经有成熟的产品。因此，我国加入 WTO 后，这个巨大的潜 在市场很可能被国外大公司所占领。我国的装载机行业从现在起应该积极行动起来， 与有关科研院所及有关发动机等配套件企业联合起来，尽快开发出具有中国特色的高 原、沙漠型特殊用途装

31、载机，去抢占我国西部这一潜在大市场。 中型轮式装载机是国内最成熟而产量又大大过剩的产品。这种产品只要“入世” 后实行国际采购，提高质量、水平、可靠性，那么大批进入国际市场的机遇就在眼前。 李云：ZL30 装载机工作装置设计 6 第二章 装载机总体参数的确定 2.1 装载机阻力的确定 装载机在进行铲掘作业中的作业阻力主要是：铲斗插入料堆时的插入力；提升动 臂时的铲起力；翻起转斗时的转斗阻力矩。影响这些阻力的因素很多，例如铲掘的物 料种类、铲斗的形状，铲斗插入的深度等。而铲掘的物料种类又是多种多样的，可能 是土壤砂石，也可能是各种块度的矿石，因此在这些复杂因素影响下，难以准确的计 算出装载机铲掘时

32、的作业阻力，为确定这些阻力，则通过铲掘散状物料试验的办法得 出经验公式和多种系数进行计算，下面分别计算装载机在铲掘散状物料时的各种阻力。 2.1.1 插入阻力 插入阻力是装载机铲斗插入料堆时，料堆对铲斗的反作用力。插入阻力分别由以 下阻力组成：铲斗前切削刃口和斗壁两侧切削刃所受阻力；铲斗底和侧壁内表面与物 料的摩擦阻力；铲斗外表面与料堆之间的摩擦阻力等组成。其值可以按下式计算： 式 2.1 43 25 . 1 21 KKBlKKP bpx 式中： 铲斗插入阻力； x P 物料的块度和松散程度的影响系数。对于松散程度较好的物料，块 1 K 度10t。t 0 . 26 . 0 3.装载机的作业方式

33、 装载机是循环作业式的工程机械。它的一个作业循环由驶进料堆、铲取、后退、 转向、驶进卸料目标和卸料等动作构成。其中，对物料的铲取方法和作业时运输车辆 的配置方案，将影响生产率的高低。 (1)铲取方法：装载机对物料的铲取方法有一次铲取法和复合铲取法两种。 1)一次铲取法：铲斗一次插入料堆，一次收斗而装满铲斗的铲取方法。作业时装 载机从正前方驶进料堆，边进边放下铲斗，在料堆前 1m 处使铲斗落到地面，处于浮 动位置，斗刃能触及料堆时，加大油门缓缓插入料堆，然后铲斗上翻，提升动臂到运 输位置再倒退驶出。该法是最简单常用方法，比较适用于阻力比较小的松散料堆。 2)复合铲取法：装载机前进插入料堆的同时，

34、铲斗与提臂相配合铲取物料的方法。 这样铲取切削阻力小，容易装满铲斗，适合铲装切削阻力较大的物料。 2.作业配置方案：装载机与运输车辆的作业配置方案，主要取决于现场的条件、 运输车与装载机的数量和类型。广泛使用的有“I 形” 、 “V 形” 、 “L 形”作业方法。 1)“I”形作业法：运输车平行与工作面并往复地前进和后退，所以也称之为穿 梭作业法。 这种作业方式可减少装载机改变方向的次数，如果装载机与运输车配合的好，会 有较好的生产率。 2)“V”形作业法：运输车与工作面成 60 度的角度，装载机装满铲斗后，在倒车 驶离工作面的过程中，并调转驶向料堆，进入下一次的作业循环。 这种作业方式可以得

35、到较短的工作循环时间，故应用十分广泛。 3)“L”形作业法：运输车垂直于工作面，装载机铲装物料后，倒退并翻转 90 度， 然后向前驶向料堆进行下次铲装。 这种作业方式在运距较短时，一个司机可轮换在两辆运输车上工作，以减少人力。 这种作业方式适用宽广的作业场合。 2011 届机械设计专业毕业设计（论文） 13 第三章 工作装置设计 3.1 工作装置结构分析 3.1.1 装载机工作装置 装载机采掘和卸载货物的作业是通过工作装置的运动实现的。装载机的工作装置 由铲斗，动臂、摇臂、连杆及液压系统等组成。铲斗以铲装物料；动臂和动臂油缸的 作用是提升铲斗并使之与车架连接；转斗油缸通过摇臂，连杆使铲斗转动。动臂的升 降和铲斗的转动采用液压操作。 1.设计时要求由铲斗、摇臂、连杆、转斗油缸、动臂、动臂油缸及车架互相铰接 所构成的连杆机构，应保证在装载机作业时能满足： 1)铲斗的平移能力，即当转斗油缸闭锁，动臂在动臂油缸的作用力下提升时。连 杆机构能使铲斗保持平移或使斗底平面与水平面夹角的变化控制在允许的范围内。以 免装满物料的铲斗由于倾斜