摘 要
輪式裝載機(jī)是用于裝載散料為主的工程機(jī)械設(shè)備，由于輪式裝載機(jī)經(jīng)常工
作在各種復(fù)雜的工況下，這就要求輪式裝載機(jī)具有良好的適應(yīng)性和可靠性，尤其
是工作裝置的各種設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響裝載機(jī)的整機(jī)性能，因此對(duì)輪式裝載機(jī)的設(shè)
計(jì)提出了嚴(yán)格的要求。本課題對(duì)輪式裝載機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)進(jìn)行深入
的研究，以提高裝載機(jī)作業(yè)效率，對(duì)輪式裝載機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)具有特別重要的意義。
主要進(jìn)行了以下幾方面的研究：首次，對(duì)工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析,掌握工作裝
置的設(shè)計(jì)規(guī)律,為六連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化分析奠定了理論基礎(chǔ)。 其次，對(duì)裝載機(jī)工作裝
置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,確定典型工況的約束條件,并進(jìn)行載荷計(jì)算。
裝載機(jī)廣泛 應(yīng)用于房屋建筑、公路 建設(shè)、水利工程、國(guó)防建 設(shè)和工礦運(yùn)輸
等作業(yè)。作為一種通用工程機(jī)械，它對(duì)減輕繁重的體力勞動(dòng)，保證工程質(zhì)量，提
高勞動(dòng)生產(chǎn)率來(lái)說(shuō)起著不可替代的作用川。然而裝載機(jī)的使用主要集中在露天和
地下工程隧道上，對(duì)于煤礦井下尤其是小型煤礦這樣生產(chǎn)能力小、機(jī)械化程度低、
勞動(dòng)程度大、瓦斯含量高、工作環(huán)境狹窄的情況，裝載機(jī)的使用依然是一個(gè)不可
逾越的鴻溝。但是隨著防爆柴油牽引機(jī)車的研制成功和產(chǎn)業(yè)化，以及虛擬樣機(jī)技
術(shù)的日益成熟，使得小型裝載機(jī)的設(shè)計(jì)成為了可能。
關(guān)鍵詞：ZL30 裝載機(jī)動(dòng)臂；優(yōu)化設(shè)計(jì)；裝載機(jī)連桿；裝載機(jī)搖臂；裝載機(jī)
鏟斗
I
Abstract
The wheel loader is used to load bulk primarily project mechanical device.
Because the wheel loader day-to-day work undereachkindofcomplexoperating
mode, this requestwheelloaderhasthegoodcompatibilityandthereliability.
Eachkindofdesignvariableofworkingdeviceaffectstheloaderperformancedir
ectly. Therefore the strict request should be set to the wheel loader
design.Kinematics, dynamics, the simulation optimization as well as the
finite elementof working device are all researched. Then, the loader work
efficiency can beenhanced, and has the vital significance to the wheel
loadercompletemachinedesign.Accordingtotheabovedevelopments,following
several aspects to study:Firstly, we carry on the analysis to the working
device kinematics, graspingworking device design method, has laid the
rationale for six link motiongearoptimizationanalysis.Secondly,dynamics
analysis of the working device canbe carried on. And typical operating
mode constraint condition and computation of load can be researched. In
order to carry out th e finite element analysisof lift arm, a lot of bases
can be provided. At l ast, lift arm of ZL50 loaderis carried on the finite
element analysis and is also optimized.
Key words: ZL30loadm achine stirarm ;op timal de sign; lo adm achine
II
link pole; loadmachine shakear m; loadmac hineshovel.
目 錄
摘 要……………………………………………………………………I
ABSTRACT………………………………………………………………. II
目 錄……………………………………………………………………錯(cuò)
誤！未定義書(shū)簽。
第 1 章 前 言…………………………………………………………1
1.1 裝載機(jī)簡(jiǎn)介…………………………………………………………………1
1.2 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r………………………………………………………………2
1.3 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況………………………………………………………………4
第 2 章 方案選擇………………………………………………………5
2.1 裝載機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)……………………………………………………5
2.2 裝載機(jī)工作裝置簡(jiǎn)介………………………………………………………6
2.3 工作裝置連桿機(jī)構(gòu)類型……………………………………………………7
2.4 對(duì)工作裝置的設(shè)計(jì)要求……………………………………………………9
2.5 裝載機(jī)的典型作業(yè)工況……………………………………………………9
2.6 本課題的性能參數(shù)…………………………………………………………11
第 3 章 ZL30 裝載機(jī)工作裝置六桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)………………12
3.1 工作裝置六桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)變量的選擇……………………………12
3.2 工作裝置六桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)的定………………………………13
3.3 六桿機(jī)構(gòu)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件的確定……………………………13
III
第 4 章 工作裝置鏟斗設(shè)計(jì)……………………………………………17
4.1 鏟斗的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………17
4.2 斗齒的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………18
第 5 章 裝載機(jī)工作裝置連桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)………………………………19
5.1 確定動(dòng)臂長(zhǎng)度、形狀與車架的鉸接位置…………………………………19
5.2 動(dòng)臂形狀的選擇……………………………………………………………21
5.3 確定動(dòng)臂油缸鉸接位置……………………………………………………21
5.4 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)……………………………………………………………22
第 6 章 工作裝置的靜力學(xué)計(jì)算………………………………………27
6.1 外載荷的確定原則…………………………………………………………27
6.2 外載荷的計(jì)算………………………………………………………………27
結(jié) 論……………………………………………………………………30
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………….31
致 謝……………………………………………………………………32
附件 1……………………………………………………………………33
附件 2……………………………………………………………………44
IV
V
1.1 裝載機(jī)簡(jiǎn)介
第1章 前 言
裝載機(jī)是 一種作業(yè)效率高，用途廣泛的工程機(jī)械，它可以用來(lái)鏟裝、搬運(yùn)、卸載、
平整散裝物料,也可以對(duì)巖石、硬土等進(jìn)行輕度的鏟掘工作。 如果更換相應(yīng)的工
作裝置，還可以進(jìn)行推土、起重、裝卸木料和鋼管等作業(yè)。因此，裝載機(jī)被廣泛
應(yīng)用于建筑、公路、鐵路、水電、港口、礦山 及國(guó)防等工程中，對(duì)加快工途程建
設(shè)速度、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工程質(zhì)量、降低成本具有重要作用。在國(guó)內(nèi)外，無(wú)
論是種類上還是在產(chǎn)量方面裝載機(jī)都得到迅速發(fā)展，成為工程機(jī)械的重要機(jī)種之
一。如圖1.1 所示
圖1.1 ZL30C 裝載機(jī)
裝載機(jī)按行走裝置不同可分為輪胎式和履帶式兩種。輪胎式裝載機(jī)簡(jiǎn)稱輪式
裝載機(jī)，它由車架、工作裝置、動(dòng)力裝置、行走裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)、制
動(dòng)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等組成。
按使用場(chǎng)合不同可分為露天用裝載機(jī)和井下用裝載機(jī)（鏟運(yùn)機(jī)）。國(guó)內(nèi)外生
產(chǎn)和使用的裝載機(jī)絕大多數(shù)是露天輪式裝載機(jī)，井下用鏟運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是根據(jù)
井下巷道的工作條件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排污和消聲，整機(jī)高度和工作裝置以及駕駛操
作系統(tǒng)的布置等提出特殊要求后，在露天用裝載機(jī)基礎(chǔ)上變型設(shè)計(jì)而成的。
按傳動(dòng)形式不同可分為機(jī)械傳動(dòng)、液力機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)四種。
大中型裝載機(jī)都采用液力機(jī)械傳動(dòng)，輪式裝載機(jī)的液力變矩器有一級(jí)三元件液力
變矩器、雙渦輪液力變矩器、變量雙泵輪液力變矩器、雙導(dǎo)輪液力變矩器四種。
按裝載方式不同可分為前卸式、后卸式、側(cè)卸式和回旋式。輪式裝載機(jī)基本
1
上都是前卸式。
按轉(zhuǎn)向方式不同可分為整體式和鉸接式。前者利用偏轉(zhuǎn)后輪或前輪轉(zhuǎn)向，或
者同時(shí)偏轉(zhuǎn)前后輪轉(zhuǎn)向；后者采用鉸接車架，利用前后車架之間的相對(duì)偏轉(zhuǎn)進(jìn)行
轉(zhuǎn)向。國(guó)產(chǎn)ZL 系列輪式裝載機(jī)絕大多數(shù)采用鉸接式結(jié)構(gòu)。
輪式裝載機(jī)起源于美國(guó)，它從一種簡(jiǎn)單的裝料附屬設(shè)備發(fā)展成為高效能多用
途的建筑機(jī)械已有63 年歷史，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，技術(shù)不斷進(jìn)步，工作性能不斷
提高，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。特別是近十年來(lái)，輪式裝載機(jī)的技術(shù)發(fā)展更快，
以其機(jī)動(dòng)性為例，據(jù)1985 年報(bào)導(dǎo)，輪式裝載機(jī)行駛速度可達(dá)36km/h，而1987 年，
德國(guó)澤特麥伊(Zettelmeyer)公司SuperZI_601 輪式裝載機(jī)的行駛速度已經(jīng)提高
到60km/h。
由于輪式裝載機(jī)的技術(shù)不斷進(jìn)步、性能不斷提高、應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，使用
可靠性、機(jī)動(dòng)性和裝載堅(jiān)硬物料的適應(yīng)性得到人們的共識(shí)，已成為建筑工程、露
天礦山的主要裝載設(shè)備。目前開(kāi)發(fā)的了一些大型輪式裝載機(jī)，具有結(jié)構(gòu)先進(jìn)、性
能優(yōu)越。自動(dòng)化水平高的特點(diǎn)。21 世紀(jì)將會(huì)有效率更高、造價(jià)更低、維修更方
便、舒適性更好的自動(dòng)化、智能化輪式裝載機(jī)推向市場(chǎng)。
在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，輪式裝載機(jī)仍將是工程建設(shè)機(jī)械中最重要的機(jī)種之
一，國(guó)內(nèi)年需求量持續(xù)穩(wěn)定地保持在2 萬(wàn)臺(tái)左右，但國(guó)內(nèi)裝載機(jī)生產(chǎn)廠家在急劇
膨脹，競(jìng)爭(zhēng)更趨激烈，各生產(chǎn)廠家紛紛開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，來(lái)迎接市場(chǎng)的挑戰(zhàn)。
1.2 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r
由于輪式裝載機(jī)的技術(shù)不斷進(jìn)步、性能不斷提高、應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大, 使用
可靠性、機(jī)動(dòng)性和裝載堅(jiān)硬物料的適應(yīng)性得到人們的共識(shí), 已成為建筑工程、露
天礦山的主要裝載設(shè)備。目前國(guó)外開(kāi)發(fā)了一些大型輪式裝載機(jī), 具有結(jié)構(gòu)先進(jìn)、
性能優(yōu)越、自動(dòng)化水平高的特點(diǎn)。21 世紀(jì)將會(huì)有效率更高、造價(jià)更低、維修更
方便、舒適性更好的自動(dòng)化、智能化輪式裝載機(jī)推向市場(chǎng)。
目前國(guó)外工程機(jī)械發(fā)展總的趨勢(shì)是:發(fā)展快，水平高。如國(guó)外工程機(jī)械產(chǎn)品在集
成電路、微型計(jì)算機(jī)及電子監(jiān)控技術(shù)等方面都有廣泛的應(yīng)用 ,一些節(jié)能新技術(shù)得
到了推廣 ,可靠性、安全性、舒適性、環(huán)保性能得到了高度重視 ,并向大型化和
微型化方向發(fā)展。借鑒國(guó)外工程機(jī)械產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì) ,我國(guó)工程機(jī)械產(chǎn)品的發(fā)展
走勢(shì)應(yīng)是:大力發(fā)展機(jī)電一體化產(chǎn)品 ,實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)工作狀態(tài)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制 ,
2
實(shí)現(xiàn)平地機(jī)的激光導(dǎo)平自動(dòng)控制 ,實(shí)現(xiàn)在有毒、有危險(xiǎn)環(huán)境下工程機(jī)械作業(yè)的遙
控;大力提高產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和技術(shù)水平;大力發(fā)展品種;大力加強(qiáng)新技術(shù)的
應(yīng)用 ,改善駕員的工作條件。其主要的發(fā)展趨勢(shì)有：
（1）系列化、特大型化
系列化是工程機(jī)械發(fā)展的重要趨勢(shì)。國(guó)外著名大公司逐步實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)品系列化進(jìn)程,
形成了從微型到特大型不同規(guī)格的產(chǎn)品。與此同時(shí),產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期明顯縮
短。所謂特大型工程機(jī)械,是指其裝備的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率超過(guò)7355kW ,主要用于
大型露天礦山或大型水電工程工地。產(chǎn)品特點(diǎn)是科技含量高,研制與生產(chǎn)周期較
長(zhǎng),投資大市場(chǎng)容量有限,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)主要集中少數(shù)幾家公司。
（2）多用途、微型化
為了全方位地滿足不同用戶的需求,國(guó)外工程機(jī)械在朝著系列化、特大型化
方向發(fā)展的同時(shí),已進(jìn)入多用途、微型化發(fā)展階段。推動(dòng)這一發(fā)展的因素首先源
于液壓技術(shù)的發(fā)展——通過(guò)對(duì)液壓系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì),使得工作裝置能夠完成多種
作業(yè)功能;其次,快速可更換聯(lián)接裝置的誕生——安裝在工作裝置上的液壓快速
可更換聯(lián)接器,能在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)完成各種附屬作業(yè)裝置的快速裝卸及液壓軟管的自
動(dòng)聯(lián)接,使得更換附屬作業(yè)裝置的工作在司機(jī)室通過(guò)操縱手柄即可快速完成。一
方面,工作機(jī)械通用性的提高,可使用戶在不增加投資的前提下充分發(fā)揮設(shè)備本
身的效能,能完成更多的工作;另一方面,為了盡可能地用機(jī)器作業(yè)替 代人力勞動(dòng),
提高生產(chǎn)效率,適應(yīng)城市狹窄施工場(chǎng)所以及在貨棧、碼頭、倉(cāng)庫(kù)、艙位、農(nóng)舍、
建筑物層內(nèi)和地下工程作業(yè)環(huán)境的使用要求,小型及微型工程機(jī)械有 了用武之地,
并得到了較快的發(fā)展。
（3）安全、舒適、可靠
駕駛室將逐步實(shí)施ROPS 和FOPS 設(shè)計(jì)方法,配裝冷暖空調(diào)。全密封及降噪處
理的”安全環(huán)保型”駕駛室,采用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)的司機(jī)座椅可全方位調(diào)節(jié),以及
功能集成的操縱手柄、全自動(dòng)換擋裝置及電子監(jiān)控與故障自診斷系統(tǒng),以改善司
機(jī)的工作環(huán)境,提高作業(yè)效率。
（4）節(jié)能與環(huán)保
為提高產(chǎn)品的節(jié)能效果和滿足日益苛刻的環(huán)保要求,國(guó)外工程機(jī)械公司主
要從降低發(fā)動(dòng)機(jī)排放、提高液壓系統(tǒng)效率和減振、降噪等方面入手。目前,卡特
3
彼勒公司生產(chǎn)功率為15～10 150kW 的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。其中6 缸、7. 2L 、自身質(zhì)
量588kg、功率為131～205kW 的3126B 型環(huán)保指標(biāo)最好,滿足EPA Tier Ⅱ和EU
Stage Ⅱ排放標(biāo)準(zhǔn)。
1.3 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況
裝載機(jī)工作裝置主要由鏟斗和支持鏟斗進(jìn)行裝載作業(yè)的連桿系統(tǒng)組成。工
作裝置是裝載機(jī)的執(zhí)行構(gòu)件，它是工作裝置的重要部件。鏟斗直接與物料接觸，
是裝、運(yùn)、卸的工具，工作時(shí)，它被推壓插入料堆鏟取物料，工作條件惡劣，要
承受很大的沖擊力和劇烈的磨損，因此，鏟斗的設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)裝載機(jī)的作業(yè)能力有
較大影響。為了保證鏟斗的設(shè)計(jì)質(zhì)量，首先應(yīng)當(dāng)合理的確定鏟斗的結(jié)構(gòu)及幾何形
狀，以降低鏟斗插入物料的阻力。其次要保證鏟斗具有足夠的強(qiáng)度，剛度，耐磨
性，使其具有合理的使用壽命。
鏟斗在上下極限位置的后傾角，運(yùn)輸位置后傾角，最大卸載高度后傾角及
工作過(guò)程中斗口與地面夾角應(yīng)同時(shí)考慮而且均應(yīng)追求完美：鏟斗在上下極限位置
的后傾角相差不能超過(guò)15 度；為保證在任何位置滿斗物料無(wú)散落，鏟斗在運(yùn)輸
位置的后傾角應(yīng)大于45 度，小于49 度，在最大卸載高度時(shí)應(yīng)盡量使斗口平面與
地面平行，此時(shí)其后傾角應(yīng)大于51 度，小于60 度。
隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速持續(xù)增長(zhǎng)，能源問(wèn)題日漸突出。“以煤炭為主體，電
力為中心”是我國(guó)能源工業(yè)發(fā)展的基本方針。2004 年以來(lái)的全國(guó)煤炭產(chǎn)量增長(zhǎng)，
絕大部分是依靠小煤礦的增長(zhǎng)而實(shí)現(xiàn)的，增長(zhǎng)比重接近 60%。由此可見(jiàn)小型
煤礦的產(chǎn)量在我國(guó)煤炭行業(yè)中的重要性。然而我國(guó)煤礦井下裝載除了具備綜采設(shè)
備的大型礦井采用采煤機(jī)裝載外，其它類型煤礦尤其是小型煤礦的裝載主要依靠
人工裝載，人工裝載勞動(dòng)強(qiáng)度很大，工作效率極低，作業(yè)安全性極差。這不但使
小型煤礦的安全問(wèn)題受到了質(zhì)疑，同時(shí)也嚴(yán)重地影響著作為我國(guó)主要能源之一的
煤炭生產(chǎn)產(chǎn)量。防爆柴油牽引機(jī)車的廣泛使用，為小型防爆裝載機(jī)的使用提供了
廣闊的前景。因此盡快開(kāi)發(fā)具有裝載效率高、作業(yè)機(jī)動(dòng)性大、靈活性高的小型載
機(jī)成為提高煤礦井下機(jī)械化作業(yè)的重要途徑。
4
第2章 方案選擇
2.1 裝載機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)
裝載機(jī)總體參數(shù)的選擇就是對(duì)裝載機(jī)主要性能提出總體的要求，作為整機(jī)和
總戍部件設(shè)計(jì)的依據(jù)。
裝載 機(jī)總體參數(shù)主要包括 ：發(fā)動(dòng)機(jī)功率、工作 裝置油泵功率，載重量 ，斗
容，裝載機(jī)自重，車速，牽引力，鏟起力，提臂和轉(zhuǎn)斗時(shí)間，軸距、輪距，鉸銷
位置(餃接式轉(zhuǎn)向)，重心位置或軸荷分配，最大卸載高度、卸載距離，最小轉(zhuǎn)向
半徑，輪胎尺寸，整機(jī)外形尺寸等。
要合 理選擇上述參數(shù)，就 必須熟悉與所設(shè)計(jì)裝 載機(jī)同類型的各種裝載 機(jī)的
結(jié)構(gòu)、性能和主要參數(shù)，并要掌握一定的使用和維修知識(shí)，再根據(jù)所設(shè)計(jì)裝載機(jī)
的主要用途、作業(yè)和生產(chǎn)要求，從整機(jī)性能出發(fā)合理選擇上述參數(shù)。
設(shè)計(jì)要求：在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面必須滿足鏟斗舉升平動(dòng)，自動(dòng)放平，最大卸載高度，
最小卸載距離和各個(gè)位置的卸載角等要求；在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面，主要是在滿足挖掘力，
舉升力和生產(chǎn)率的要求前提下，使轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸的所需輸出力及功率盡量
減小。
在設(shè)計(jì)反轉(zhuǎn)六連桿工作機(jī)構(gòu)時(shí)，要注意的是，一定要保證機(jī)構(gòu)在各種工況的
各個(gè)位置都能正常工作，不得出現(xiàn)“死點(diǎn)”、“自鎖”和“機(jī)構(gòu)撕裂”等機(jī)構(gòu)運(yùn)
動(dòng)被破壞的現(xiàn)象。
比較法就是參考國(guó)內(nèi)外已有的同類型機(jī)種的參數(shù)尺寸，結(jié)合我們要設(shè)計(jì)機(jī)型
的具體要求，參照確定其參數(shù)尺寸。應(yīng)當(dāng)指出，比較法并不是簡(jiǎn)單地照抄和不加
分析地采用，而是應(yīng)選用國(guó)內(nèi)外已有的先進(jìn)機(jī)型，并通過(guò)實(shí)踐證明它的性能是好
的或較好的；從國(guó)內(nèi)的制造：[藝、使用和工作條件，以及材質(zhì)等實(shí)際情況出發(fā)；
吸收已有的成功經(jīng)驗(yàn)，貫徹“洋為中用”的原則，取其精華，去其糟粕。
以額定載重量Q為基本參數(shù)的計(jì)算式
發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪馬力 Nf = 28.614Q + 63.62
裝載機(jī)自重（噸）W = 4.057q + 1.97
最大卸載高度（米）Hmax = 0.315Q + 2.37
最小轉(zhuǎn)向半徑 （按機(jī)器最外側(cè)計(jì)算）（米）
Rmin = 0.226Q + 6.33
5
裝載機(jī)全長(zhǎng)Lt （米）Lt = 0.502Q + 4.53
裝載機(jī)寬度Bn （米）Bn = 0.218Q + 1.73
裝載機(jī)高度（按駕駛室高度）（米）
Hh = 0.128Q + 2.96
按上式計(jì)算，誤差在3%——10%左右。
（1）最大卸載高度 指動(dòng)臂在最大舉升高度，鏟斗斗底與水平面成45 度角
卸載時(shí)，其斗刃最低點(diǎn)距離地面的高度。
（2）鏟斗最大舉升高度 指鏟斗舉升到最高位置卸載時(shí)，鏟斗后壁擋板頂部
運(yùn)動(dòng)軌跡最高點(diǎn)到地面的距離。
（3）卸載角 鏟斗被舉到最大高度卸載時(shí)，鏟斗地板與水平面間的夾角α。
設(shè)計(jì)時(shí)要保證鏟斗在任何舉升高度都能凈卸載物料，就要保證在任何舉升高度都
能滿足α≧45°。
（4）后傾角 裝載機(jī)處于運(yùn)輸工況時(shí)，鏟斗底板與水平面間的夾角β。后傾
角過(guò)小，但不影響鏟斗的裝滿程度，而且使鏟斗舉升初期物料向前散落；后傾角
過(guò)大，使鏟斗舉升后期物料向后散落。一般取β=40°～45°，鏟斗舉升過(guò)程中
允許后傾角在15 度內(nèi)變動(dòng)。
2.2 裝載機(jī)工作裝置簡(jiǎn)介
裝載機(jī)工作裝置主要由鏟斗和支持鏟斗進(jìn)行裝載作業(yè)的連桿系統(tǒng)組成。工作
裝置是裝載機(jī)的執(zhí)行構(gòu)件，它是工作裝置的重要部件。鏟斗直接與物料接觸，是
裝、運(yùn)、卸的工具，工作時(shí)，它被推壓插入料堆鏟取物料，工作條件惡劣，要承
受很大的沖擊力和劇烈的磨損，因此，鏟斗的設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)裝載機(jī)的作業(yè)能力有較
大影響。為了保證鏟斗的設(shè)計(jì)質(zhì)量，首先應(yīng)當(dāng)合理的確定鏟斗的結(jié)構(gòu)及幾何形狀，
以降低鏟斗插入物料的阻力。其次要保證鏟斗具有足夠的強(qiáng)度，剛度，耐磨性，
使其具有合理的使用壽命。
鏟斗在上下極限位置的后傾角，運(yùn)輸位置后傾角，最大卸載高度后傾角及工
作過(guò)程中斗口與地面夾角應(yīng)同時(shí)考慮而且均應(yīng)追求完美：鏟斗在上下極限位置的
后傾角相差不能超過(guò)15 度；為保證在任何位置滿斗物料無(wú)散落，鏟斗在運(yùn)輸位
置的后傾角應(yīng)大于45 度，小于49 度，在最大卸載高度時(shí)應(yīng)盡量使斗口平面與地
面平行，此時(shí)其后傾角應(yīng)大于51 度，小于60 度。
6
工作裝置的鉸點(diǎn)分布是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，因?yàn)榻M成工作裝置的各構(gòu)件位
置相互影響，可變性很大，只有綜合考慮各種因素，對(duì)工作裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)
力學(xué)的分析，通過(guò)各種方案的反復(fù)比較，才能得出更為理想的鉸點(diǎn)布置方案，而
技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)則是分析計(jì)算中的一個(gè)重要方面。由于前車架、動(dòng)臂和搖臂在加工
過(guò)程中都有大型組焊工裝和鏜銑工裝以保證其加工精度，因此優(yōu)化只集中在鏟斗
和翻斗液壓缸上，由于鏟斗上部與搖臂外形的空間非常緊張，因此鏟斗的夾角必
須減少以讓出空間。
2.3 工作裝置連桿機(jī)構(gòu)的類型
綜合國(guó)內(nèi)、外輪式裝載機(jī)的工作裝置的形式，主要有7 種
（1）轉(zhuǎn)斗油缸后置式反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu) 這種機(jī)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)：a.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，所以可獲得較大的崛起力；
b.恰當(dāng)?shù)倪x擇各構(gòu)件尺寸，不僅能得到良好的鏟斗平動(dòng)性能，而且可以實(shí)現(xiàn)鏟斗
的自動(dòng)放平；
c.機(jī)構(gòu)十分緊湊，前懸小，司機(jī)視野好。唯一的缺點(diǎn)就是搖臂和連桿布置在鏟斗
與前橋之間的狹窄空間，容易發(fā)生構(gòu)件互相干涉。如圖2.1 所示。
圖2.1 反轉(zhuǎn)六連桿工作裝置
（2）轉(zhuǎn)斗油缸前置式正轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu) 此機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)斗油缸與鏟斗和搖臂直接連接，
該工作機(jī)構(gòu)由兩個(gè)平行四桿機(jī)構(gòu)組成，它可使鏟斗具有很好的平動(dòng)性能。這種機(jī)
構(gòu)的主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)斗時(shí)油缸小腔進(jìn)油，崛起力相對(duì)較??；連桿系統(tǒng)傳動(dòng)比小，使
7
得轉(zhuǎn)動(dòng)油缸活塞行程大，油缸加長(zhǎng)，卸載速度不如八連桿；由于轉(zhuǎn)斗油缸前置，
使得工作機(jī)構(gòu)前懸增大，影響整機(jī)穩(wěn)定性和行駛的平穩(wěn)性；也不能實(shí)現(xiàn)鏟斗的自
動(dòng)放平。
（3）轉(zhuǎn)斗油缸后置式正轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu) 此種機(jī)構(gòu)與上述機(jī)構(gòu)相比，前懸大、傳動(dòng)比
較大、活塞行程較小。其最大的缺點(diǎn)就是轉(zhuǎn)斗油缸與車架的鉸接點(diǎn)位置較高，影
響司機(jī)視野；轉(zhuǎn)斗時(shí)油缸小腔進(jìn)油，掘起力較小。為了增大掘起力，需要增大掘
起力，需要提高液壓系統(tǒng)壓力或加大轉(zhuǎn)斗油缸直徑，這樣質(zhì)量會(huì)增大。
（4）正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu) 此機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)斗油缸大腔進(jìn)油時(shí)轉(zhuǎn)斗鏟取，所以崛起力較大；
各構(gòu)件尺寸配置合理時(shí)，鏟斗具有較好的舉升平動(dòng)性能；連桿系統(tǒng)傳動(dòng)比較大，
鏟斗能獲得較大的卸載角和卸載速度，因此卸載干凈、速度快；由于傳動(dòng)比大，
還可適當(dāng)減小連桿系統(tǒng)尺寸，因而司機(jī)視野得到改善，但是一定要適當(dāng)，否則易
使連桿系統(tǒng)倍力系數(shù)減小，影響崛起力發(fā)揮。但是此機(jī)構(gòu)的主要缺點(diǎn)就是機(jī)構(gòu)復(fù)
雜，不易實(shí)現(xiàn)鏟斗自動(dòng)放平。如圖2.2 (a)(b)
所示。
圖 2-2 a 八桿工作裝置
圖2.2 b 八桿工作裝置
（5）正轉(zhuǎn)四連桿 這是多種連桿機(jī)構(gòu)中較為簡(jiǎn)單的一種，但是它的主要缺點(diǎn)就是
8
轉(zhuǎn)斗的油缸小腔進(jìn)油，油缸輸出力較小；又因連桿系統(tǒng)倍力系數(shù)難以設(shè)計(jì)出較大
值，所以轉(zhuǎn)斗油缸活塞行程較大，油缸尺寸較??；此外，在卸載時(shí)活塞桿易于斗
底相撞，所以卸載角減小。為避免碰撞，需要把斗底制造成凹形，因而既減小了
斗容，又增加了制造困難，而且鏟斗也不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放平。經(jīng)過(guò)綜合分析，選擇
反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)。
2.4 對(duì)工作裝置的設(shè)計(jì)要求
根據(jù)裝載機(jī)的使用狀況 ，一般地對(duì)其工作裝置的設(shè)計(jì)要求主要包括以下幾個(gè)方
面:
（1） 鏟運(yùn)功能 鏟斗運(yùn)動(dòng)軌跡符合作業(yè)要求并正常完成鏟掘、裝卸功能。
（2） 平移性 動(dòng)臂提升過(guò)程中，鏟斗保持平移運(yùn)動(dòng)，以免斗中物料撒落。
（3） 掘起力 希望鏟掘力大，且鏟掘時(shí)掘起力變化規(guī)律符合工作要求。
（4）干涉性 工作機(jī)構(gòu)各構(gòu)件之間不允許發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉。
（5） 傳動(dòng)角 傳動(dòng)角符合某限制范圍，以保證工作裝置的傳力性能良好。
（6） 機(jī)構(gòu)效率 機(jī)構(gòu)傳動(dòng)省力，作業(yè)時(shí)消耗功率要盡量小。
（7） 自動(dòng)放平 從最高卸料位置到最低鏟掘位置時(shí)，鏟斗能自動(dòng)呈插入料堆狀
態(tài)。
（8） 卸載性 滿足卸載高度和卸載距離要求，保證動(dòng)臂在任何位置都能卸凈鏟
斗中的物料。
（9） 總體布置要求 工作裝置的極限工作空間、最大卸料高度及最大卸料距離
等應(yīng)滿足整機(jī)性能要求__
（10） 輔助要求 在滿足作業(yè)要求的前提下，工作結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自重輕、受力合理、
強(qiáng)度高;應(yīng)保證駕駛員具有良好的工作條件，確保工作安全、視野良好、操作簡(jiǎn)
單和維修方便。
2.5 裝載機(jī)的典型作業(yè)工況
（1）鏟掘工況Ⅰ 動(dòng)臂下放至下限位置，鏟斗水平放置地面，斗尖觸地，開(kāi)動(dòng)裝
載機(jī)，鏟斗借助牽引力插入料堆，鏟斗水平插入料堆足夠深度后，裝載機(jī)停止運(yùn)
動(dòng)，向后轉(zhuǎn)斗或提升動(dòng)臂，以裝滿物料。如圖2.3 所示。
9
圖2.3 鏟掘工況
（2）運(yùn)輸工況Ⅱ 完成工況Ⅰ之后，轉(zhuǎn)動(dòng)鏟斗，鏟取物料，操作轉(zhuǎn)斗缸實(shí)現(xiàn)收斗，
然后轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖，舉升動(dòng)臂，將鏟斗舉高到適當(dāng)?shù)倪\(yùn)輸位置，然后驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)，
載重駛向卸料點(diǎn)。如圖2.4 所示。
圖2.4 運(yùn)輸工況
（3）最高位置工況Ⅲ 保持轉(zhuǎn)斗缸長(zhǎng)度不變，操作舉升缸，將動(dòng)臂升至上限位置。
如圖2.5 所示。
圖2.5最高位置工況
（4）高位卸載工況Ⅳ 在上限舉升工況Ⅲ下，操作轉(zhuǎn)斗缸翻轉(zhuǎn)鏟斗，向運(yùn)輸車輛
或固定料倉(cāng)卸料。卸料結(jié)束后，操作舉升缸下放動(dòng)臂，實(shí)現(xiàn)鏟斗自動(dòng)放平，再次
進(jìn)入鏟裝工況，進(jìn)行下一工作循環(huán)過(guò)程。如圖2.6 所示。
10
2.6 本課題的性能參數(shù)
額定斗容量 1.8 m3
額定載荷 3000kg
最大掘起力 108kN
最大牽引力 95kN
整機(jī)質(zhì)量 10600kg
最大卸載高度 2946mm
舉升全高 4050mm
圖2.6 高位卸載工況
卸載距離(最大卸載高度時(shí)) 1056mm
軸距 2500mm
輪距 1750mm
最小離地間隙 390mm
最小轉(zhuǎn)彎半徑 5300mm
鏟斗高位自動(dòng)放平性能 有
工作裝置提升、前傾、下降三項(xiàng)和 <12s
整機(jī)外形尺寸 長(zhǎng)*寬*高mm 7260*2960*3220
11
第 3 章 ZL30 裝 載機(jī)工作裝置六桿機(jī)構(gòu)的優(yōu) 化設(shè)計(jì)
目前，國(guó)內(nèi)在進(jìn)行裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)時(shí)，一般都采用較為傳統(tǒng)的“類比試
湊法”，“經(jīng)驗(yàn)法”等這些方法存在許多嚴(yán)重的缺點(diǎn)，最主要是由于試湊過(guò)程盲
目性很大。致使設(shè)計(jì)效率很低效果很差，難于求得理想方案。
為了顯著的提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，就必須采用優(yōu)化理論借助電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行
工作裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為此，很多單位在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)下可對(duì)裝載機(jī)
的優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)生了濃厚的興趣，并做了大量的研究工作，取得了一定的成績(jī)，然
而，令人遺憾的是，無(wú)論從理論上還是實(shí)踐上都尚未有一種統(tǒng)一的，完善的和行
之有效的工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。綜合已有的研究成果，我們可以發(fā)現(xiàn)：優(yōu)
化設(shè)計(jì)模型的建立及優(yōu)化方法的選擇都不盡相同。由于工作裝置的設(shè)計(jì)需要滿足
諸多方面性能的要求，使得優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件具有復(fù)雜性和多樣性。
3.1 工作裝置六桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)變量的選擇
3-1 反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)工作裝置分析模型
如圖 3-1 所示，選取工作裝置處于地面鏟掘位置時(shí)的作業(yè)工況作為工作裝置優(yōu)化
設(shè)計(jì)的標(biāo)定工況。當(dāng)組成工作裝置的各構(gòu)件長(zhǎng)度及其相互間的位置確定之后，工
12
作裝置的結(jié)構(gòu)形式就可以確定。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，要得到一個(gè)確定的工作裝置方案
至少需要十個(gè)設(shè)計(jì)變量，即 R2,R4,R5,R6,R8,UG1,UG2,UD1,UD3,UA1。因此，可
選擇上述變量作為工作裝置反轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，即
X1 = 【R2,R4,R5,R6,R8,UG1,UG2,UD1,UD3,UA1】T
= 【x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,x9,x10】T
3.2 工作裝置六桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)的確定
對(duì)確定型號(hào)的裝載機(jī)來(lái)說(shuō)，因其最大崛起力受到整機(jī)參數(shù)的限制。因此，在
工作裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，如果一味的追求崛起力最大，有很大的盲目性；而且，
在功率一定的情況下，工作裝置的崛起力與崛起速度存在著一種反比關(guān)系，這將
導(dǎo)致崛起效率的降低。而在追求高效率的今天，只以崛起力最大作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的
目標(biāo)函數(shù)顯然是不合適的，并且在實(shí)際工作過(guò)程中，裝載機(jī)是很少在最大崛起力
狀態(tài)下工作。通常，在滿足一定的崛起力條件下提高鏟斗的崛起速度，可以優(yōu)化
出更加完善的工作裝置。因此，對(duì)工作裝置的連桿機(jī)構(gòu)而言，其優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)
函數(shù)確定為在追求工作裝置連桿機(jī)構(gòu)傳力比最大的同時(shí)，使轉(zhuǎn)斗缸的行程達(dá)到最
短。即在考慮到工作裝置特性的基礎(chǔ)上，為提高其動(dòng)力與經(jīng)濟(jì)性，取下列目標(biāo)函
數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)：
F(X1) = ω1μf1( X1)+ω2(XR74(X1)-CC) （3-2）
式中 ω1，ω2-對(duì)應(yīng)分目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)因子，它的取值可體現(xiàn)各分目標(biāo)函數(shù)的重
要程度，ω1+ω2=1；
μf1(X1)-連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比；
XR74(X1)-最不易卸料位置時(shí)，轉(zhuǎn)斗缸的卸料長(zhǎng)度。
3.3 工作裝置六桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件的確定
1.邊界約束 根據(jù)整 機(jī)尺寸及工作裝 置布置的可能性 要求，設(shè)計(jì)中應(yīng)給 出各
設(shè)計(jì)變量允許變化的空間范圍。這些限制設(shè)計(jì)變量的取值范圍，稱為邊界約束。
邊界約束的選取帶有一定的經(jīng)驗(yàn)性，一般應(yīng)考慮以下因素：
1）選取邊界約束時(shí)，應(yīng)在充分了解設(shè)計(jì)變量與性能之間的關(guān)系的基礎(chǔ)上，
綜合考慮性能約束，目標(biāo)函數(shù)的性質(zhì)，不要使二者過(guò)于矛盾，以便使優(yōu)化計(jì)算少
走彎路，提高計(jì)算效率。
2）考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的可能性，以獲得真正可行的設(shè)計(jì)方案。
13
3）考慮整機(jī)總體參數(shù)的要求 ，以獲得與總體參數(shù)相匹配的邊界約束。
4）考慮上機(jī)時(shí)間的要求，一般來(lái)說(shuō)，邊界約束所取的范圍 越大，與最優(yōu)解
的離散程度越高，則計(jì)算時(shí)所需的機(jī)時(shí)越多；反之機(jī)時(shí)越少。
5）分析同類機(jī)型工作裝置現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)尺寸，估計(jì)最優(yōu)解可 能出現(xiàn)的近似解
范圍，使邊界約束的中心盡量靠近最優(yōu)解。
在充分考慮了上述因素后，對(duì)于連桿機(jī)構(gòu)，設(shè)置了十個(gè)設(shè)計(jì)變量的上限和下
限，共二十個(gè)邊界約束條件，即
Xmin≤Xi≤Xmax i=1,2,3,4,…,10 (3-3)
式中 Xmin，Xmax-分別為連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)變量 Xi 的上，下限。
在具體計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)變量上，下限的取值，一方面，可參考同噸位的現(xiàn)有裝
載機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行選擇；兩一方面，可采用優(yōu)選設(shè)計(jì)法進(jìn)行確定。
2.性能 約束 性能 約束是指 某些性 能或 設(shè)計(jì)要求 所退到 出來(lái)的 一些約 束條
件。它的建立保證了工作裝置的作業(yè)性能。性能約束一般包括以下組成部分：
（1）平移性約束 所謂平移性，是指在動(dòng)臂舉升過(guò)程中的鏟斗收斗角的變化
特性。一般以動(dòng)臂下限，運(yùn)輸位置和上限位置時(shí)鏟斗的收斗角來(lái)度量。為保證鏟
斗裝滿物料，根據(jù)鏟斗位置時(shí)鏟斗的收斗角應(yīng)大于 46°；上限位置 時(shí)鏟斗的收
斗角應(yīng)小于 62°。同時(shí)，必須保證任意位置收斗角之差不大于 15°。
需指出，滿足上述條件并不一定能保證裝滿物料的顫抖在舉升過(guò)程中物料部
撒落。這是因?yàn)樵趧?dòng)臂舉升過(guò)程中，鏟斗最大收斗角位置一般不與上限位置重合。
因此，為了確保鏟斗的平移性，必須設(shè)立鏟斗最大收都叫機(jī)器位置的約束。
若假設(shè)運(yùn)輸位置和上限位置時(shí)鏟斗的收斗角分別為 UA5 和 UA6，則由公式
U = f63（UG,R7,X1）
可得：UA5 = f63 （UG7,YR7,X1） （3-4）
UA6 = f63 （UG6,YR7,X1） （3-5）
所以，可建立如下約束條件，即
UA5-U7≥0 ( 3-6 )
U5+UA5-UA6≥0 ( 3-7 )
UA6-UA5≥0 ( 3-8 )
U10-UA6≥0 ( 3-9 )
14
U9-(UA7-UA6) ≥0 (3-10)
式中 U5-上限位置收斗角與運(yùn)輸位置收斗角之差值，即 U5=UA6-UA5,一般
取 U5≤20°；
U7-運(yùn)輸位置收斗角的限定值，取 U7≥46°；
U9-最大收斗角與上限 位置收斗角之差的上限值，即 UA7-UA6≤U9，亦稱
收斗角回?cái)[限定值，一般取 U9≤5°；
U10-上限位置收斗角限定值，即 UA6≤U10，取 U10≤62°；
UA7-最大收斗角，由一維優(yōu)化法求得
（2）靠檔塊約束 所謂靠檔塊，是指動(dòng)臂從下限位置到運(yùn)輸位置過(guò)程中，鏟
斗始終靠在動(dòng)臂的檔塊上。這樣可帶來(lái)如下好處：
1）當(dāng)運(yùn)輸過(guò)程中鏟斗與障礙物相撞時(shí)，強(qiáng)烈的撞擊力可直接傳給動(dòng)臂，可
以保護(hù)工作裝置的其他薄弱構(gòu)件不遭破壞。
2）由于在物料的運(yùn)輸過(guò)程中鏟斗靠緊檔塊，從而避免因運(yùn)輸中出現(xiàn)鏟斗“點(diǎn)
頭”現(xiàn)象而物料撒落。
3）司機(jī)操作時(shí)，運(yùn)輸位置不一定是設(shè)計(jì)的運(yùn)輸位置，常常是在其附近的位
置；由于鏟斗處處靠檔塊，就可以保證實(shí)際運(yùn)輸位置的斗缸長(zhǎng)度，從而保證了連
桿機(jī)構(gòu)理論上的平移性。
4）可以避 免某些工 作裝置在 運(yùn)輸位置 下落動(dòng)臂 時(shí)出現(xiàn)的 機(jī)構(gòu)嚴(yán)重干 涉現(xiàn)
象。
15
2 2 2
(YR +R ) +R5 - R6
UGg =UG1 -arccos( ) （3-11）
圖 3-2 所示 鏟斗靠擋塊約束
由圖 3-2 可以很直觀的看出：工作裝置在下限收斗位置，如果 F 點(diǎn)處于 G,E
兩點(diǎn)的線之上，那么動(dòng)臂在舉升過(guò)程中， 當(dāng) G,F,,E 三點(diǎn)處于一條直線上時(shí)，由
于 UD 角達(dá)到其最大值，而使得 UA 角變?yōu)樽钚?。而后，隨著動(dòng)臂的不斷舉升，
UA 又逐漸增大。這樣一來(lái)，如果位置 G,F,E 三點(diǎn)重合于一條直線的位置設(shè)計(jì)在
運(yùn)輸位置附近，那么就使得動(dòng)臂從下限位置到運(yùn)輸位置的舉升過(guò)程中，鏟斗緊緊
的靠在動(dòng)臂的檔塊上，即使 AB 桿緊靠在 AD 桿上。
令
2 R5 ( R6 +YR7 )
UG8 =UG7 +UG2 （3-12）
這樣，可建立靠擋塊約束，即
U 4 -UG1 -UG9 30 （3-13）
而動(dòng)臂從下限位置至運(yùn)輸位置的舉升過(guò)程中，鏟斗相對(duì)動(dòng)臂的轉(zhuǎn)角 UA4 為
UA4 = UA5 + UG4-UG7-U2 (3-14)
所謂靠擋塊約束也是相對(duì)的。為避免靠擋塊約束帶來(lái)的 干涉現(xiàn)象，必須建
立相應(yīng)的不干涉性約束，即
UA4≥0 （3-15）
U 4 -UA4 30 （3-16）
其中，U4 為滿足靠擋塊性能時(shí)，運(yùn)輸位置斗背相對(duì)動(dòng)臂干涉角的限定值。
U4 應(yīng)取充分小，一般取 U4≤3。這樣，可使得下限位置至運(yùn)輸位置的舉升過(guò)程
中，鏟斗相對(duì)動(dòng)臂的轉(zhuǎn)角充分小。由于整個(gè)工作裝置各構(gòu)件裝配過(guò)程中存在著很
多間隙。這些間隙的消除足以抵消 U4 微小干涉量，而它帶來(lái)的好處卻很大。
式（3-16）的建立還帶來(lái)了其他好處，即 U4 的取值可改變運(yùn)輸位置收斗角
及整個(gè)舉升過(guò)程收斗角的變化規(guī)律，使得優(yōu)化方案的平移性更適合于設(shè)計(jì)方案。
16
4.1 鏟斗的設(shè)計(jì)
第4章 裝 載機(jī) 鏟斗的設(shè)計(jì)
（1）鏟斗的截面形狀
圖4.1 鏟斗截面
鏟斗的斷面形狀由鏟斗圓弧半徑r，底壁長(zhǎng)l，后壁高h(yuǎn) 和張開(kāi)角γ四個(gè)參數(shù)確定。
如圖4.1 所示。鏟斗的寬度應(yīng)大于裝載機(jī)兩前輪外側(cè)間的寬度，每側(cè)腰寬出
50-100mm，選定80mm。如鏟斗寬度小于兩輪外側(cè)間的寬度，則鏟斗鏟取物料后所
形成的物料堆階梯會(huì)損傷輪胎側(cè)壁，并增加行駛時(shí)輪胎的阻力。
（2）鏟斗基本參數(shù)的確定
設(shè)計(jì)時(shí)，把鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑R 作為基本參數(shù)，鏟斗的其他參數(shù)則作為R 的函數(shù)。
式中， Vs ——鏟斗平裝容量，單位：立方米，取Vs=1.8
B0 ——鏟斗內(nèi)側(cè)寬度，單位：米，B0=2.96
（4-1）
λg ——鏟斗斗底長(zhǎng)度系數(shù)，λg =1.40-1.53，取λg =1.46
17
λz ——后壁長(zhǎng)度系數(shù)，λz =1.1-1.2，取λz =1.15
λk——擋板高度系數(shù)，λk =0.12-0.14，取λk =0.13
λr ——圓弧半徑系數(shù) λr =0.35-0.4，取rλ =0.38
γ ——張開(kāi)角，為45 度-52 度，取48 度
γ1——擋板與后壁間的夾角 取30 度
根據(jù)公式3-1公式得 R = 0.95 m
斗底長(zhǎng)度L g =λg R=1.46X0.95=1.39m
后壁長(zhǎng)度L z =λz R=1.15X0.95=1.10m
擋板高度L k =λk R=0.13X0.95=0.12m
圓弧半徑r=λr R=0.38X0.95=0.36m
4.2 斗齒的設(shè)計(jì)
鏟斗 斗刃上可以由斗齒，也可以沒(méi)有斗齒。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。所以選擇帶斗齒的鏟斗。
斗齒結(jié)構(gòu)分整體式和分體式兩種。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。
斗齒的形狀和間距對(duì)切削阻力是有影響的。一般中型裝載機(jī)鏟斗的斗齒間距
為250~500mm 左右。太大時(shí)由于切削刃將直接參與插入工作，使阻力增大；太小
時(shí)，齒間易卡住石塊，也將增大工作阻力。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500~600kg 為宜。所以
選擇齒間距為370mm，斗齒寬度為93mm，斗齒長(zhǎng)度為400mm。
18
第 5 章 裝載機(jī)工作 裝置連桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.1確定動(dòng)臂長(zhǎng)度、形狀與車架的鉸接位置
1．動(dòng)臂與車架鉸接點(diǎn)位置的確定采用比較法設(shè)動(dòng)胃與車架的鉸接點(diǎn)位置 A，
如圖 5-1 所示。兩動(dòng)臂鉸接點(diǎn) A 在橫向平面內(nèi)的距離 bA 可根據(jù)裝載機(jī)的輪距、
并考慮動(dòng)臂油缸的外形尺寸確定。
動(dòng)臂鉸接點(diǎn) A 在縱向平面內(nèi)的位置可由 A 點(diǎn)到前輪中心的距離 LA 及斗的上
下兩個(gè)極限位置來(lái)確定。當(dāng)動(dòng)臂長(zhǎng)度一定時(shí)，LA 的大小影響裝載機(jī)的卸裁距離。
在滿足卸載距離的情況下，從調(diào)整對(duì)整機(jī)的作用力矩出發(fā)，·以及不 使工作裝置
前面過(guò)于突出， 一般希望 21 大一些，使 A 點(diǎn)水平位置盡量靠近裝載機(jī)的重心。
這對(duì)于采用托架式四連桿機(jī)構(gòu)的工作裝置及整體式車架的裝載機(jī)比較容易實(shí)現(xiàn)。
但對(duì)于反轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)的工作裝置以及鉸接式車架的裝載機(jī)，A 點(diǎn)布置太后給駕駛
室的布置帶來(lái)困難。設(shè)計(jì)時(shí)可參考同類樣機(jī)選取，并在總體布置時(shí)確定。
圖 5-1 各鉸接點(diǎn)的位置
如圖5-2所示，當(dāng)動(dòng)臂在最低 位置時(shí)，動(dòng)臂與鏟斗的鉸接點(diǎn)Bl應(yīng)盡量靠近輪
胎， 當(dāng)鏟斗處于上翻位置時(shí)使其與輪胎有一定的間隙，而確定Bl點(diǎn)的位置。 當(dāng)
動(dòng)臂在最高舉升位置時(shí)，動(dòng)臂與鏟斗的鉸接點(diǎn)B 2可由最大卸載高度Hmax及此
時(shí)的卸載距離3來(lái)確定
19
2 2 2
圖 5-2 動(dòng)臂計(jì)算簡(jiǎn)圖
（a）動(dòng)臂結(jié)構(gòu)布置示意圖 （b）動(dòng)臂布置幾何圖解
顯然，在縱向平面內(nèi)A點(diǎn)應(yīng)在B1B2兩點(diǎn)連線的中垂線mm上，再根據(jù)lA之大小
作垂線nn，直線mm與nn之交點(diǎn)即為所求的A點(diǎn)。
2.動(dòng)臂長(zhǎng)度的確定
在5-2中，AB為動(dòng)臂長(zhǎng)度，Bn為動(dòng)臂與鏟斗鉸接點(diǎn)至斗尖的連線。當(dāng)動(dòng)臂提
升到最大卸載高度Hmax,使鏟斗處于最小卸載距離S時(shí)，利用所示的幾何關(guān)系，從
三角形AB’I可求出動(dòng)臂長(zhǎng)度lAB
lAB = a +b +c +2c(b sin g-a cos g) （5-1）
式中 a = lA+R+S;
B = Hmax – HA
c*c=HB*HB + LB*Lb
r = a’1 + a’’
hA-動(dòng)臂與車架鉸接點(diǎn)A的高度；
lA-交接點(diǎn)A到前輪中心的水平距離；
R-前輪半徑；
S-鏟斗的最小卸載距離；
Hmax ——鏟斗最大卸載高度
Hb lb為鏟斗的結(jié)構(gòu)參數(shù)，由鏟斗設(shè)計(jì)決定。
根據(jù)3——1的公式求出動(dòng)臂長(zhǎng)度Lab = 1983mm
20
按式(5—1)求出 動(dòng)臂長(zhǎng)度后， 可根據(jù)上述參數(shù)， 按比例用作 圖法進(jìn)行如
下校核：是否滿足總體尺寸的要求；是否能保證鏟斗位于運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)不與前輪相
碰。如不能滿足，可調(diào)整鉸接點(diǎn) A 的位置，重新計(jì)算或者在總體尺寸允許的情
況下增加動(dòng)臂長(zhǎng)度。
5.2 動(dòng)臂形狀的選擇
動(dòng)臂 按其縱向中線形狀可 分為直線型與曲線型 兩種(圖 5-3 )。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。
圖 5-3 動(dòng)臂形狀
動(dòng)臂 的斷面尺寸由強(qiáng)度分 析確定，為減輕工作 裝置重量，通常多按等 強(qiáng)度
梁設(shè)計(jì)動(dòng)臂斷面尺寸。
動(dòng)臂 斷面的結(jié)構(gòu)形式有單 板，雙板和箱形三種 。大型裝載機(jī)的動(dòng)臂多 采用
雙板或用箱形結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@種動(dòng)臂形式能較好地改善動(dòng)臂的受力情況，消除了單
板動(dòng)臂因搖臂支承力作用使動(dòng)臂承受附加扭矩的影響。
5.3 確定動(dòng)臂油缸鉸接位置
確定動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂及車架的鉸接點(diǎn) H、M 的位置(圖 5-4)，通常參考同類
樣機(jī)，同時(shí)考慮動(dòng)臂油缸的提升力臂與行程的大小選定。H 點(diǎn)一般選在約為動(dòng)臂
長(zhǎng)度的三分之一處，且在 動(dòng)臂兩鉸接點(diǎn)的連線之 上，以便留出餃座位置 (對(duì)曲線
型動(dòng)臂而言)。動(dòng)臂油缸與車架有兩種連接方式：油缸下端與車架鉸接(圖 5-4) 油
缸中部或上端與車架鉸接(圖 5-4b)。 后者在動(dòng)臂提升過(guò)程中，由于油缸下端的
擺動(dòng)，可以使動(dòng)臂油缸的提升力臂變化較小，效率較高。但不論那種連接方式，
都要使動(dòng)臂油缸的下端到地面的距離 Fz7n 滿足裝載機(jī)離地間隙的要求。此外，
在采用動(dòng)臂油缸下端擺動(dòng)的連接方式時(shí)，要注意油缸下端在擺動(dòng)過(guò)程中不與機(jī)體
21
發(fā)生干涉。
圖 5 – 4 動(dòng)臂油缸的鉸接位置
（a）油缸下端與車架鉸接 （b）油缸中部或上端與車架鉸接
5.4 連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
1．設(shè)計(jì)要求
從完成鏟掘、裝卸這一基本作業(yè)要求出發(fā)，連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求是：
1)當(dāng)單獨(dú)操縱動(dòng)臂油缸提升鏟斗時(shí)，由動(dòng)臂、鏟斗、搖臂——連桿及轉(zhuǎn)斗
油缸(圖 5—1)等所組成 的連桿機(jī)構(gòu)，應(yīng)能保證裝滿物料的鏟斗無(wú)泄漏地從地面提
升到最大卸載高度，如圖 5—9 所示，亦即要求鉸接點(diǎn) B 與 C 的連線 BC 在提升
過(guò)程中平行移動(dòng)。
平行 四連桿機(jī)構(gòu)可以準(zhǔn)確 地滿足這一要求，但 由于受結(jié)構(gòu)布置的限制 及同
時(shí)要滿足其它方面的要求等原因，多數(shù)裝載機(jī)的工作裝置都采用非平行四連桿機(jī)
構(gòu)，因此在動(dòng)臂提升過(guò)程中，鏟斗或多或少要向后翻轉(zhuǎn)一些，動(dòng)臂在上、下極端
位置時(shí)鏟斗的后傾角一般允許相差 15°，所以只能近似地滿足這一要求。
鏟斗的后傾角“(圖 5-5 )應(yīng)大于 45°，以保證滿斗物料無(wú)撒落。通常在地面
運(yùn)輸位置時(shí)取“＝45°~ 49°，在最大卸載高度時(shí)，應(yīng)使斗口平面與地面平行，
通常取 α‘＝51°一 60°
2)要 保證在動(dòng)臂 提升高度范圍 內(nèi)的任意位 置都可以卸凈 物料，即要 求轉(zhuǎn)斗
油缸有足滿的行程，在任意位置時(shí)都能使鏟斗的前傾角 αl＞45°(圖 5-6 )。
22
圖 5-5 滿斗物料提升示意 圖 5-6 鏟斗的前傾角
此外，在設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)時(shí)，除了從上述運(yùn)動(dòng)方面考慮外，還應(yīng)使連桿機(jī)構(gòu)有
效地傳遞作用力。為此，在選擇連桿機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件尺寸時(shí)，應(yīng)盡量使力的作用方
向與鉸接點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向的夾角——壓力角犀不應(yīng)太大。根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于
鉸接連桿機(jī)構(gòu)，海值應(yīng)小于 60。。否則壓力角太大，工作時(shí)的有效分力太小，且
使鉸銷軸承受較大的擠壓力。
由于機(jī) 構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，壓 力角是變化的，所 以有效分力也是變化 的。設(shè)計(jì)
時(shí)應(yīng)盡量保 證在鏟掘 阻力最大 時(shí)所產(chǎn)生的 有效分力 也最大， 以發(fā)揮較大 的鏟起
力。因此，不同形式的連桿機(jī)構(gòu)，其鏟起力的變化曲線也不同。
2．連桿機(jī)構(gòu)中的構(gòu)件尺寸及鉸接點(diǎn)位置的確定
如圖 5-7 所示，對(duì)于反轉(zhuǎn)連桿式的工作裝置，其連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是確
定：搖臂與連桿的尺寸及餃接點(diǎn) G 和 C 的位置；轉(zhuǎn)斗油缸與車架的鉸接點(diǎn) D 的
位置及轉(zhuǎn)斗油缸的行程等。搖臂和連桿要傳遞較大的轉(zhuǎn)斗油缸作用力，所以設(shè)計(jì)
時(shí)要同時(shí)從運(yùn)動(dòng)與受力兩方面考慮。通常都是參考同類樣機(jī)按比例選取，然后從
運(yùn)動(dòng)與受力兩方面進(jìn)行校核并修改，使之滿足工作裝置的作業(yè)要求。
搖臂的形狀(夾角 6)、長(zhǎng)短臂的比例(FG／EG)及鉸接點(diǎn) G 的位置(圖 5-7 )
的確定，主要是考慮連桿機(jī)構(gòu)的空間布置，避免相互之間的干涉，同時(shí)連桿長(zhǎng)度
與轉(zhuǎn)斗油缸行程也不要過(guò)大。