轮式装载机总体设计

1前言

装载机属于铲土运输机械，是一种通过安装在前端一个完整的铲斗支撑结构和连杆，随机器向前运动进行装载或挖掘，以及提升，运输和卸载的自行式履带或轮胎机械，它广泛应用于公路、铁路、建筑、水电、港口和矿山等工程建设。装载机具有作业速度快、效率高、机动性号、操作轻便等特点，因此成为工程建设中土石方施工的主要机种之一，对于加快工程建设速度，减轻劳动程度，提高工程质量，降低工程成本都发挥着重要的作用，是现代机械化施工中不可缺少的装备之一。

1.1轮式装载机国内外发展现状及趋势

在经历了50-60年的发展后，20世纪90年代中末期国外轮式装载机技术已达到到相当高的水平。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，使国外轮式装载机在原来的基础上更加精制，其自动化也得以提高，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，降低噪声，振动，排污量，保护了自然环境，最大限度的简化维修，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水平。产品形成系列，更新速度加快并朝大型化和小型化发展。如以卡特彼勒为代表的美国，以小松公司为代表的日本和装载机生产第三大集团西欧各厂家都加快推出多功能，全面兼顾动力性，机动性与灵活性的新产品。这些产品如美国克拉克公司生产的 675 型，功率达 1000kW，而日本东洋远搬株式会社生产的 310 型，斗容量仅为 0.11 立方米。此外，装载机还向高卸位，远距离作业方向发展，如JCB公司开发的伸缩臂装载机，小松公司也开发了能扩大作业范围的带伸出机构的装载机[1]。采用新结构，新技术，产品性能日趋完善。近年来开发的产品普遍采用了高性能发动机和自动换档变速器，大流量负荷传感液压系统，前后防滑差速器，多片湿式盘式制动器，行走颠簸减震等先进技术，并综合液压，微电子和信息技术制造，并应用了很多智能系统。工作装置连杆机构推陈出新，各种自动功能更趋成熟，完善。

我国轮式装载机起步较晚，其制造技术是陆续从美国、德国和日本等国家引进的。目前我国轮式装载机生产技术水平只相当于发达国家20世纪80年代的制造水平。虽然目前国内轮式装载机生产厂家群雄并立，并且有增无减，但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。在生产制造中，工艺装备水平和生产能力较低，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。其发展体现出以下一些趋势：

（1）大型和小型轮式装载机，在近年的发展过程中，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将越来越快。

（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，强化结构件的强度和刚度，以使整机可靠性得到提高。

（3）优化系统结构，提高系统性能。

（4）利用电子技术及负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）提高安全性和舒适性。

（6）降低噪声排放，强化环保指标。

（7）广泛使用新材料、新工艺、新技术，特别是机电液一体化技术，提高产品寿命和可靠性。

（8）最大限度的简化维修，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，提高排除问题的方法。

现有的轮式装载机还有很大的的设计和改进空间，文献[1]-[4]重点对装载机的基本构造等进行了简要介绍。装载机是由许多总成和零部件组合起来的一个有机的整体, 整机技术性能的好坏是体现设计是否成功的主要标志]3[。在现代建模技术发达的现代，基于proe和cad的装载机设计与动态模拟显示更好的使装载机性能，安全等方面大大加强，文献[5]-[10]对轮式装载机工作装置的现代设计理论与方法进行了系统、深入的专门研究，装载机工作装置优化设计的基础上, 对工作装置三维实体设计进行了探讨和研究,实现了装载机工作装置三维实体参数式交互设计, 建立了装载机工作装置三维实体设计系统]5[。

1.2设计方法及步骤

本次设计说明书分为六部分，是对整个设计过程的描述和总结。第一部分：前言；第二部分：轮式装载机总体参数确定；第三部分：轮式装载机总体布置；第四部分：装载机稳定性设计；第五部分：轮式装载机工作装置设计；第六部分：液压系统设计。这次设计主要采用传统的以人工计算为主的设计方法，参照国内外现有成熟机型数据，从中选优，以便能更好的设计要求，本次设计的重点为总体设计，重点在总体参数计算，总体布置，和稳定性计算。由于本人水平有限，设计中必定存在不少错误，请同学和老师指正。

2轮式装载机总体布置

总体布置的合理与否，直接影响整车的使用性能与即使经济指标，是总体设计的主要任务之一。

各部件在车上的布置基准的选择：选取前后车桥中心连线作为上下位置的基准；通过前桥轴线垂直地面的平面为前后位置的基准；邹游位置则以纵向对称轴线为基准

2.1装载机总体布置原则

1、总体布置内容应包括以下几个方面：

（1）确定各个部件在整机上的位置，并对外形尺寸提出要求；

（2）确定各部件之间、部件与整机之间的连接方式；

（3）估算整机重量几重心位置，并对各部件的重量提出要求；

（4）布置各个操纵机构、机棚、驾驶室等；

（5）审核各运动件的运动空间，排除可能发生的运动干涉；

（6）定出标准化、通用化和系列化的零、部件的名细表。

2、总体布置的原则

总体布置时要考虑以下几条原则：

（1）保证整机的稳定性；

（2）结构紧凑、并有较高的传动的效率；

（3）便于操作和维修，工作安全可靠；

（4）外形平整美观。

3、总体布置的基准选择

总体布置时，应注意以下几个基准选择：

（1）通过后桥中心线的水平面，为上、下位置的基准面；

（2）以通过后桥中心线的垂直面，为前、后位置的基准面；

（3）以整机的铅垂纵向对称面，为左右位置的基准面。

2.2.发动机与传动系的布置

发动机一般置于装载机后部，起着对前置铲斗中负荷的平衡作用，并增加装

载机的稳定性。发动机是预选现成的，故主要尺寸均已知。根据载荷分配确定发动机相对后桥中心的前后位置，并参考同类型装载机的发动机布置来确定曲轴中心线相对车架上线的高度。发动机位置的布置要结合传动系各总成的结构和整机的使用要求全面考虑。发动机位置确定后，即可安排变矩器、变速器的位置然后确定传动轴数目。

本设计采用变速箱独立布置，发动机与变矩器组成一体的方案。如图

1-发动机 2-变矩器 3-变速箱

图2.1发动机、变矩器、和变速箱的链接方式

其特点是：1、各总成独立支撑，因而在某一部件发生故障时，可以在不影响其他部件的条件下拆卸，便于修理；2、发动机前后位置不受变速箱位置的影响，可向后移动，减少配重，有利于整车重量的合理分配；3、可根据不同机种配置不同的变矩器和变速箱，零部件通用性强，有利于组织专业化生产。

2.3铰接点和传动万向节的布置

铰接式装载机前后车架铰接点的位置对整机性能、运行阻力、转向阻力和稳定性均有显著影响。

目前国外大多数装载机的铰接点均布置在轴距的中点，车辆行驶时，其前后轮的轨迹始终相同。其优点是：

1、后轮始终沿着由前轮滚压过的车辙运行，减少了运行阻力，其车辙的转向半径最小，可通过狭窄，难走的地段。

2、前桥内、外侧轮的转速和等于后桥内、外侧轮的转速和，当双轴驱动时，前后轴间无转速差，减少了轮胎的磨损。

2.4工作装置布置

工作装置布置在整车的前端，结合工作装置的设计要求确定动臂与车架铰点的位置。假如动臂长度不变，铰点布置向前，最大卸载距离大，但由铲斗中载荷作用的倾翻力矩增加，为减小此倾翻力矩而不减小载重量，一般将铰点向后布置，但最好不安排在驾驶室两侧或驾驶室之后，以免动臂举升时恰在驾驶员的两侧影响驾驶人员的安全性。动臂落在最低位置时铲斗位于前轮之前，不能与前轮干涉。动臂的最大举升与最低位置的夹角一般为90 左右，此角度太大，特使最大卸载高度时的卸载距离急剧下降，同时动臂油缸与动臂铰点间的距离(力臂)也大大减小，使受力情况不利

2.5驾驶室的布置

为使驾驶员在作业时前方有良好视野，整体式车架驾驶室是布置在车架的前部。

驾驶室布置在前车架后端。这种布置形式前方视野舱便于驾驶员铲挖作业，但后方视野较差。转向时驾驶员随前车架一起转动，铲斗始终在驾驶员的正前方，便于对准料堆和卸载卡车。由于驾驶它在全车的较前部，因此在铲挖时驾驶员受到的冲击较大，容易疲劳。另外因驾驶室在前车架上，而发动机、变速箱等均在后车架上，所以操纵机构一般只能采用电、气压或液压操纵。目前国外有少数装载机驾驶室是这样布置的。

2.6转向系的布置及分类

装载机的轴荷大，转向频繁，转向角度大，一般均采用动力转向。

铰接式装载机转向所需功率均比整体式车架偏转车轮转向方式大（所需油泵流量大，作用力也大），故转向油缸均独立布置。但转向器与控制阀则有组成一体或分置的方案，前者结构进错，避免了由于中间传动环节的间隙引起的不稳定；后者可选用现有的转向器，并可使阀的布置位置比较机动。

液压缸一般均采用二只，对称分置于车身二侧，一侧液压缸的小腔与令一侧液压缸的大腔相连，使左右转向时力矩变化均匀。转向液压缸的布置应保证下列条件：

1、在转向过程中，各个零件不受碰撞和干涉；

2、管要短，转向时管路变位小；

3、压缸的摆角尽量小，以减少转向力臂的变化。

转向液压缸在品面内支点的布置位置对转向力矩和转向运动轨迹有一定影响。如转向液压缸在平面内成外“八”字形布置（如图3-2）在前后桥轴荷相等和铰点前后桥距离相同的条件下，则前桥因作用的转向力矩大(力臂大)必将先行偏转。

图2.2 转向油缸布置位置的影响

轮胎式装载机的转向系：有偏转前轮转向和铰接式转向两类，偏转车轮转向又分为偏转前轮、偏转后轮、偏转前后轮三种。

本设计采用偏转前轮转向前轮转向半径大于后轮转向半径，这样当前轮能从障碍物的内侧通过时，后轮也一定能从障碍物内侧通过，驾驶员可以利用前轮估计后轮避开障碍物，有利于安全行驶。

在整体车架的车辆上，多采用偏转前轮的转向系。但是对装载机来说，由于工作机构布置在前端，转向机构的布置，受到前部空间的限制；又因为装载机的前轮负荷大、转向阻力大、所以，转向机构不易布置在前轮上。只有沿用其它车辆的前轮转向的底盘时，才采用偏转前轮转向。

故前轮与后轮轨迹相同，可以减小在劣路上的行驶阻力，并且前轮能通过的狭小地段，后轮也能顺利通过。

整体式车架采用偏转车轮转向，装载机重载时前桥负荷比后桥大，所以多采用后轮转向。第二种方案比第一种结构复杂，尤其是要保证前转向轮与动臂不发生干涉，因而也给总体布置方而带来一定困难。

在布置转向车轮时应保证它的周围有一定的空间，在任何转向角时车轮都不与周围的零部件相碰，尤其是在最大转向角时不能与车架相碰。转向梯形可布置在桥的前部或后部。

2.7装载机的轴荷分配

在初步布置各总成、部件在车上的位置后，必须进行前后桥轴荷的估算，

以校验轴荷的分配是否合理。

轴荷分配是否合理，直接影响装载机的很多实用性能，如牵引性，通过性和稳定性，另外还会影响零部件尺寸选择和强度计算。也只有知道了轴荷分配的数据，才能正确地选择轮胎规格。

装载机在空载和满载时，前后桥的轴荷分配比例变化甚大，在铲掘作业时，甚至能使后轮抬起，前桥承受整机全部载荷，因而需要确定前后桥合理的轴荷分配比例，以最小的机重获得整机最好的使用性能。

对轴荷分配的要求：

1、证驱动桥上有足够的附着重量，以获得所需的牵引力。轴荷分配不合理。则轴荷过大者因零部件经常超负荷二损坏；轴荷过小者则轮胎易打滑，发挥不出牵引力。特别是对于单轴驱动的装载机更需保证足够的驱动轮压。

2、证整机的稳定性。轴荷分配要兼顾到装载机在空载和满载时的纵向及横向稳定性。

3、证转向轻便。对于采用后轮偏转转向的装载机，如空载时后桥轴荷过大，将使转向沉重；对于铰接式装载机轴荷分配将影响车辆转向的运动轨迹。

4、每个轮胎的负载能力得到充分的应用，并使各轮胎的使用寿命大体接近。

轮式装载机的前桥如果轴荷过大，则纵向稳定性大，轮胎超载过大会影响轮胎寿命。后桥轴荷过大，虽然有利于纵向稳定性，但往往增加了机重，并使横向稳定性下降。

综合考虑上述要求，整体车架轮式装载机的轴荷分配大体是:

空载时，前桥占整机重量35～40%，后桥占整机重量60～65%；

满载时，前桥占整机重量60～65%，后桥占整机重量35～40%；

2.8车架

车架是安装总成、部件的基础。装载机车架可分为整体式车架和铰接式车架两类，本设计采用铰接式车架。如图

图2.3 铰接式车架

它由前车架和后车架两部分组成，两者间用垂直铰销在D处相联，增加上下铰销的距离可改善铰销的受力状态，另外采用球铰结构可使受力情况得到好转，图示为上铰销的结构，它是铰接式装载机上采用的一种球铰形式。前车架在A处固定前桥，前车架上焊有悬挂工作装置的支架，前车架的上端是动臂铰点E下端是动臂油缸铰点F，因E、F两点距离较大，所以前车架在CC处以纵向中心销与副车架B相铰接，后桥固定在后车架B上。

图2.4 上铰销

装载机车架结构的设计，可参照同类装载机结构进行，E、F点的位置有工作专职设计所决定。

车架的强度计算很复杂，一般采取对已有的样机进行强度试验，以确定是否足够，将强度不够处加强。这种方法设计的车架比较可靠。

3轮式装载机总体参数确定

3.1装载机铲掘时的作业阻力

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]1[。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]1[。

装载机的作业阻力主要是插入阻力、掘起阻力和转斗阻力矩。

3.1.1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，由实验得知，随着铲斗插入料堆深度的增加，经试验研究得到的下列公式可用来确定插入阻力：

435.31a

21p K BK L K K Z T （3.1）

T P --铲斗插入阻力（N ） K B ——铲斗宽度(cm)

za L ——铲斗插入料堆深度（cm ）

1K ——考虑物料块度大小、松散程度的系数；

如松散程度较差，上述各值应增大20—40%；

对于小颗粒物料（如砾石等），1K =0.75；

对于粉状物料（如砂等），1K =0.45-0.5

2K --考虑物料种类的系数（见表2-2）（详见参考资料一70页）

3K --考虑物料高度的系数（见表2-3）

4K --考虑铲斗形状的系数；它综合考虑斗侧壁、斗底与地面倾角、前刃形式和斗齿的影响，一般在1.2-1.8之间，其中对于前刃不带齿的斗，4K 取值较大

3.1.2铲起阻力

铲起阻力是指铲斗插入料堆一定深度后，用动臂油缸提升动臂时，科堆对铲斗的反作用力。铲斗插入科堆c L 深度后，用动臂提升铲斗，铲起阻力由铲斗斗底插入科堆深度c L 和铲斗宽度K B 所决定的矩形面积上的物科所决定。

铲斗开始提升时的铲起阻力N 可按下式确定：

?τcos 2.2za K B L N = （3.2）

τK ——铲斗开始提升物料时的剪切阻力（kN/m 2）

za L ——铲斗插入科堆深度(m)；

B ——铲斗宽度(m)；

剪切阻力需通过实验确定，如对于块度100-300mm 的已松散岩石的平均剪切阻力τK 可取为35（kN/m 2）

3.1.3转斗阻力矩

转斗阻力矩是当铲斗插入科氓一定深度后，用转斗油缸使铲斗向上翻起时，料堆对铲斗的反作用力矩。当用翻转铲斗来铲掘物科比如不考虑铲斗翻转的角加速度，在铲斗翻起最开始时刻静阻力矩'c M ；具有最大值以c M ;而当铲斗继续回转时，'c M 的数值迅速减小，回转到0α值时，即铲斗底板前线开始离开料堆坡面，这时静阻力矩为c M 。，仅由铲斗中物科重量决定。翻起铲斗的静阻力

矩肥；随铲斗翻转角α的变化，0M 表示开始转斗时刻的静阻力矩，这时铲斗翻转角0=α，0M 表示铲斗离开科堆时静阻力矩，这时铲斗翻转角0αα=。

根据实验，最大静阻力矩可用下式计算：

m N h L P M za T C ???

????+??? ??=31-l .40.11 （3.3） 式中T P —铲斗开始翻转时的插入阻力；

l —铲斗回转中心O 点离斗刃的水平距离（m ），如图3.1

h —铲斗回转中心O 点与地面的垂直距离（m ），如图3.2

图3.1 转斗静阻力矩与铲斗转角之间关系 图3.2 转斗静阻力矩的确定

在翻转铲斗时，除作用有物料的静阻力矩外，还作用有铲斗自重所引起的阻力矩，故开始翻转铲斗时的总阻力矩为：

a a l ?+=G M M C （3.4）

式中 a l —铲斗重心到回转中心的水平距离（m ）如图3.2

3.2装载机总体参数确定

1—柴油机2—变矩器3—工作泵4—铰接销5—转斗油缸6—动臂7—拉杆8—铲斗9—车架10—驱动桥11—动臂油缸12—前传动轴13—转向油缸14—变速箱15—后传动轴16—配重

图3.3 轮式装载机总体结构示意图

已知参数：

额定功率：29kw

整机自重：3200kg

额定载重量：1200kg

斗容量：0.63

m

1、额定载重量Q

一般常用它作为划分装载机等级的主要参数，因为它比较直观的反应了装载机的生产能力。

装载机常与运输车辆配合作业，因而装载机额定载重量的选定应与相配套的运输车辆的载重量相适应。根据统计分析，推荐装载机以2—5斗装满一卡车比较合适，斗的装载量过大，卸载时物料对运输车辆的冲击较大，影响车辆寿命，并且物料也易撒落到车厢外面。斗的容量过小，则装车时间过长，使运输车利用率下降，运输成本提高。在确定额定载重量时，应与装载机系列标准相一致

Q=1.2t=11.76（kN ）

2、额定斗容量

它长与额定载重量一起作为主要参数，装载机的额定载重量确定后，可按下式计算斗容量H V

H V =）（3m γ

Q （3.5） 式中：Q —额定载重量

γ—物料的容量（kN/3m ）

由上式可得γ=11.76/0.6=19.6 （kN/3m ）

3、装载机的操作重量

装载机作业时要发挥大的插入力，必须要求机器有足够的自重，增加附着重量能改善机械的附着性能，但机器自重增加，将会导致装载机运行阻力变大，动力性能变差，材料和燃料消耗增加，轮胎寿命缩短，以及造价提高。对于一般土壤，如附着重量过大，当其比压超过某一极限而破坏土壤结构时，甚至使附着性能反而变差，因此在保证一定附着牵引力的前提下尽量使机器的自重降低。具有同样作业能力和寿命的机器，其自重越小，往往说明其总体布置、材料利用和部件设计的合理性，一般可用单位自重功率（t /KW ）或单位斗容量（3/t m ）来反映，它是机械技术性能的重要比较指标之一。

装载机是在行进中插入料堆的，如不计惯性力影响，装载机在水平地面欲克服插入阻力T P 所需要的牵引力为：

T P P =kp （3.6）

牵引力kp P 的最大值受地面附着条件限制，可以列出下式

?P P ≤kp （3.7）

式中：?P —附着力。?P ??G =

?—附着系数(见文献[1]表1-1和1-2)

f P —滚动阻力。f P =?G f

f —滚动阻力系数（见文献[1]表1-1、1-2）

将式2带入1，即可求得装载机为克服最大插入阻力所必须之附着重量?G

?G =?m ax T P （3.8）

带入数据得max T P =?G ??=3200?10?0.5=16（KN ）

对于全轮驱动装载机，附着重量即为装载机自重

4、牵引力

当装载机沿着平坦地面匀速前进时，铲斗插入料堆的作用力即是装载机的牵引力。

牵引力大，说明装载机插入料堆的能力强。爬坡和加速性能好，因而可以说短作业循环的时间，增加生产效率。但是牵引力受附着条件的限制，如果设计所选择的牵引力过大，则机器在作业中因附着力的限制，即发挥不出来所需的牵引力，反而使轮胎由于经常处于划转状态而加速磨损，无益的消耗功率，因而牵引力的选取应与装载机的附着条件相适应，并且使之与行走机构的额定滑转率一致，以或得较好的经济效果。

设计应使装载机在水平地面以第一档工作速度工作时，发动机与变矩器最佳工况的匹配点所相应的牵引力ηKP P 等于额定滑转率H P ,即：

ηKP P =H P （3.9）

由底盘设计可知

H P =H G ?? （3.10）

根据统计轮式装载机H ?=0.45-0.55之间，在这里去0.5

代入数据得H P =H G ??=3200×10×0.5=16 (KN )

5、掘起力

它是作用在铲斗刀刃上的垂直力，其最大值由整机稳定性所限制。在初步确定装载机自重和轴荷分配的基础上，如已知在铲掘位置时，铲斗刀刃离前轮

接地点之距离，则根据整机平衡，即可求得最大掘起力的值。

装载机的作业时依靠牵引力和掘起力的协同配合，特别是用作挖掘和矿场的剥离工作时，作业阻力甚大，多采用复合铲掘法，以降低作业阻力，这就需要有足够的掘起力与之配合，因而，铲起力常作为装载机的重要性能参数。

掘起力由转斗液压缸和提臂液压缸的作用力产生，一般要求掘起力大于二倍的额定载重量。

在本设计中采用比切入力300，比掘起力200

6、发动机功率

装载机作业时，发动机净功率消耗于两部分，即牵引力功率1N 和驱动液压泵功率2N

牵引力功率是由发动机经传动系驱动装载机行驶的功率。可按下式计算：

1N =η

?3600T K P （3.11） 式中：K P —额定轮缘切线牵引力（N ）K P =F H P P +,H P 值按2-10式计算，

F P —滚动阻力其值为Gfcos α

T ?—装载机插入料堆的理论作业速度，轮式取3km/h

η—传动系总效率，液力机械传动：取η=0.75

带入数据得：

K P =16+3200×10×0.06=161920 N

由此可得1N =1805

.7036003161920=??kw 7、档位和车速

本设计轮式装载机各档速度取值如下：

前进Ι档速度取3km/ 对于液力机械传动，它是相应于变矩器最高效率工况时的理论作业速度。超过以上速度驾驶员来不及操纵，反而延长铲斗装满时间，增加驾驶员疲劳，降低生产效率。

前进Ⅱ档速度取10km/h 。