以ZL10裝載機為底盤設計挖掘裝載機含3張CAD圖.zip
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以ZL10裝載機為底盤設計挖掘裝載機開題報告
１、課題論證
1.1課題研究的目的與意義
1.課題的目的：①分析目前挖掘裝載機優(yōu)越性和不足。②對挖掘裝載機進行整體設計
③對設計成果進行分析并找出有無更好的改進措施。
2.課題的意義：ZL10裝載機是我國裝載機系列中適合中小型工程施工的小型裝載機。該機采用了國內(nèi)先進的技術,性能可靠、造價低。以鏟、裝、運松散物料為主,并能與四噸以下載重汽車配合使用,是房屋建筑、道路修筑、環(huán)境衛(wèi)生、煤、砂、石料場、倉庫等部門理想的多用途小型工程機械。在ZL10裝載機的基礎上進行改裝，因其體積小，所以可以在狹小的空間進行作業(yè)，最大的限度的發(fā)揮其功用，被大量應用于道路施工現(xiàn)場及農(nóng)業(yè)領域。
1.2文獻綜述（相關課題國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀）
課題設計的作品所能達到的作用是同時擁有裝載機和挖掘機的功能，都是實現(xiàn)物料的裝車、搬運功能，早期對物料的裝運多是采用裝載機，但是在狹窄的礦道內(nèi)和連續(xù)上料作業(yè)中，裝載機不如挖掘式裝載機方便、高效。
1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀：目前，我國挖掘裝載機的生產(chǎn)企業(yè)廈門廈工，廣西玉柴重工，廣西柳工，上海龍工，徐州徐工等十多家企業(yè)。他們逐漸加大研發(fā)力度推出了許多新型產(chǎn)品。廈門廈工自1992年創(chuàng)出了KG833，KG765 , KG956等唯一應對惡劣環(huán)境作業(yè)的機械產(chǎn)品，連續(xù)7次跟隨“雪龍?zhí)枴鼻巴蠘O。2010年廣西柳工CLG325型迷你滑移裝載機，CLG365A型滑移轉(zhuǎn)向裝載機，CLG766型挖掘裝載機等小型工程機械，擁有自主產(chǎn)權，高性價比的柳工小型機產(chǎn)品將改變外資品牌一統(tǒng)天下的局面。2010年2月份，國家”863“計劃重點高新科技產(chǎn)品22t混合動力挖掘機樣機研制成功，該產(chǎn)品比傳統(tǒng)挖掘裝載機節(jié)能30%，作業(yè)效率提高25%以上，為其在尋找低碳經(jīng)濟商機又實現(xiàn)了一個巨大突破。
1.2.2國外研究現(xiàn)狀：國外在工程機械產(chǎn)品的投入和研發(fā)上領先于國內(nèi)產(chǎn)品。國外生產(chǎn)多功能工程機械的企業(yè)大約有100多家。而生產(chǎn)挖掘裝載機產(chǎn)品的主要廠家是JCB、約翰迪爾、菲亞特和小松等公司，隨著世界小型工程機械 的不斷發(fā)展，挖掘裝載機的技術性能也在進步，其主要發(fā)展趨勢為：產(chǎn)品繼續(xù)向體積小、功率大、輕 巧靈活及多功能的方向發(fā)展，著重進步機器的功率，改善發(fā)動機的性能，進步燃料的經(jīng)濟性和機器 使用的機動性等；挖掘裝載機工作裝置的不斷優(yōu)化，改善鏟斗向自卸卡車的車廂里裝卸物料時的運動軌跡，簡化鏟斗的裝載和卸載過程，擴大各種工作裝置的使用范圍；③改善駕駛室條件，增大駕駛 室的尺寸和玻璃窗面積，進步室內(nèi)的氣壓，以防灰塵侵進。進步隔盡噪聲的能力，改善控制系統(tǒng)和操縱桿的位置，使司機可以很方便地進進駕駛室。
①NEWHOLLAND公司生產(chǎn)的LB95B型、LB110B型和LB115B型的挖掘裝載機按用戶需求設計開發(fā)導向控制的挖掘裝載機，挖掘裝置能通過 導向操縱桿控制實現(xiàn)縱向和前后調(diào)整，擴大了作業(yè)視野，減輕操縱者疲憊，液壓系統(tǒng)控制采用了比例 電液控制系統(tǒng)，進步了作業(yè)率。
?CASE公司采用先進技術和現(xiàn)代設計方法研制的新一代R系列580和超R系列590挖掘裝載機， R系列均采用TIER2柴油機，功率為71kw/95Hp，超M系列695型具有四輪轉(zhuǎn)向，發(fā)動機功率為82kw/ 110Hp，所有型號的產(chǎn)品工作裝置都采用導向控制。凱斯向中國市場隆重先容全新的凱斯M2系列 挖掘裝載機。M2系列包括580M，580 Turbo，580 SuperM和590Super M四個型號，發(fā)動機功率從80馬力至100馬力，這四個型號全部采用全新的完全符合排放標準的凱斯新一代發(fā)動機。凱斯580M挖掘裝載機是理想的公路養(yǎng)護、管道維護、搶修施工 設備。輪胎式行走系統(tǒng)和40公里/小時的高行駛速度確保在工作場地間的靈活轉(zhuǎn)移。M系列挖掘裝載 機除了凱斯獨占的精準控制系統(tǒng)，全天候空調(diào)駕駛室，360°全方位視野，過中點式挖掘裝置等先進 特性外，它的多功能附件還可以為您提供一攬子的公路養(yǎng)護方案、管道搶修方案和管線搶修方案。最 新的凱斯M2系列是凱斯具創(chuàng)新、耐用和高效傳統(tǒng)的挖掘裝載機家族中最新的成員。全新的發(fā)動機， 提升裝載和挖掘性能，M2系列全部采用凱斯第三代發(fā)動機。符合標準的凱斯第三代發(fā)動機比以前更 加安靜。發(fā)動機排量的增加進步了低轉(zhuǎn)速時的扭矩，大大降低了油耗，同時減少挖掘和裝載時的工作循環(huán)時間。500小時機油更換周期意味著花費更少的操縱本錢、更少的維護保養(yǎng)時間，從而可以有 更多的時間用于生產(chǎn)。凱斯第三代發(fā)動機專門為在極端天氣下工作而設計工作，
1.3課題研究的內(nèi)容、總體方案及技術路線、進度安排等
1.3.1課題內(nèi)容：ZL10裝載機是我國裝載機系列中適合中小型工程施工的小型裝載機。該機采用了國內(nèi)先進的技術,性能可靠、造價低。以鏟、裝、運松散物料為主,并能與四噸以下載重汽車配合使用,是房屋建筑、道路修筑、環(huán)境衛(wèi)生、煤、砂、石料場、倉庫等部門理想的多用途小型工程機械。本次設計以ZL10裝載機為底盤設計挖掘裝載機 ，使之達到一機多用。
1.3.2總體方案：動臂，搖臂，鏟斗。
①裝載工作裝置動臂選用整體式彎動臂。直動式動臂的結構相對簡單，且輕巧、結構緊湊，方便制造，但是不能獲得較大的挖掘深度，不適用于通用的扒挖作業(yè)。彎動臂是直動臂的改良，彎動臂與直動臂相比，同長度的彎動臂可可獲得較大的挖掘深度，且結構比直動臂緊湊，在一般的挖掘結構的選用中，一般采用彎動臂，彎動臂是目前最廣泛應用的結構型式。
②裝載部分鏟斗采用反鏟。
③連桿和搖臂組成連桿機構，本設計采用反轉(zhuǎn)式連桿機構，這種連桿機構是由兩個四連桿機構所組成，但由于在運動中搖臂的轉(zhuǎn)向與鏟斗的轉(zhuǎn)向相反，故稱為反轉(zhuǎn)六連桿機構。反轉(zhuǎn)連桿機構的鏟起力特性使用于鏟裝地面上的物料，而不利于地面一下的挖掘。由于其結構簡單，特別是對輪式底盤布置容易，應用較廣。
1.3.3技術路線：
確定挖掘裝載機的大體結構和方案
根據(jù)給定參數(shù)，選型并計算
繪制總體圖，零件圖
編寫說明書
1.3.4進度安排：
第一周:對英文資料的翻譯閱讀.
第二周:對畢業(yè)設計日程任務進行安排并編寫開題報告對自己做的課題有初步了解.
第三周:閱讀所收集的相關資料,對自己即將設計的挖掘裝載機有大概構思,并與導師 溝通,確定所設計的挖掘裝載工作裝置的大體結構與方向.
第四周:分析挖掘裝載機的工作位置，進行各工況分析。
第五周:對挖掘裝載機各個部件進行初步設計,并估算出整體尺寸.
第六周:對挖掘裝載機的結構進行總體設計.
第七周:繪制結構總圖.
第八周:根據(jù)之前的初步計算進行挖掘部分和裝載部分的設計計算。
第九周:繪制零件圖。
第十周:根據(jù)之前計算的結果,繪制工作裝置的工況圖。
第十一周: 對圖紙的明細表等進行完善。
第十二周:編寫設計計算說明書,完成畢業(yè)設計全部文件,準備答辯.
第十三周:畢業(yè)答辯
1.4注意存在的問題
（1） 因在ZL10裝載機基礎上進行改裝，所以要進行整機的穩(wěn)定性校核，以防止傾覆。
（2）挖掘部分工作時整車受水平方向的力，這是應考慮穩(wěn)定性。
1.5參考文獻
[1] 吉林工業(yè)大學工程機械教研室，輪式裝載機設計，北京：中國建筑工業(yè)出版社，1982
[2] 吳慶明.何小新，工程機械設計，武漢：武漢大學出版社，2006
[3] 唐經(jīng)世，工程機械底盤學，成都：西南交通大學出版社，1999
[5] 成大先.機械設計手冊.化學工業(yè)出版社.2008
2、答辯組論證結論
（1）方案可行，技術路線清晰 □ （2）方案可行，技術路線基本清晰 □
（3）方案基本可行，技術路線不很清晰 □ （4）方案和技術路線不很清晰 □
（5）方案和技術路線不清晰 □
3、指導教師意見： 教研室主任意見：
指導教師（簽名）： 教研室主任（簽名）：
年 月 日 年 月 日
注：(1) 開題報告是用文字體現(xiàn)的設計（論文）總構想，篇幅不必過大，但要把計劃設計的課題、如何設計、理論依據(jù)和研究現(xiàn)狀等主要問題說清楚；
(2) 字數(shù)不少于3000字，參考文獻不少于6篇，印刷字符在10萬印刷符以上。
摘 要
挖掘裝載機具有特殊的結構，前方為裝載機構，后方為挖掘機構。在施工場地內(nèi)，只要轉(zhuǎn)動一下座椅，就可以改變工作端。挖掘裝載機多數(shù)用于城市和農(nóng)村的道路建設、鋪設電纜、電力建設工程、開山取石和各種小型建筑隊所從事的建筑施工工程。挖掘裝載機屬于小型多功能工程機械的一種，一般在大工程完成后的小工程中使用。它可配多種工作機構和輔具，進行挖掘、鏟裝、路面破碎、平整場地、開挖溝渠、鋪設管道等多種作業(yè)。此次設計以ZL10裝載機為基礎，將裝載機構放在車尾，從頭設計。另外，在車頭加了一個挖掘機構。使其既擁有裝載能力，還具有挖掘功能，實現(xiàn)了一機兩用的目的。在設計過程中，我一直本著經(jīng)濟性好、適應性強、構造簡略的根本準則。為了使零件的功用盡可能的好，我借鑒了浙江福威重工制造有限公司和柳工生產(chǎn)的CLG766型挖掘裝載機。此次設計的內(nèi)容有以下幾個要點：
1、整機方案的確定和參數(shù)的選用；
2、工作機構的設計，其中包括鏟斗、動臂、搖臂、連桿設計和動臂油缸、搖臂油缸的選取等；
3、工作機構有關零件的強度校核；
4、總體穩(wěn)定性校核；
關鍵詞：工程機械;挖掘裝載機;鏟斗;
Abstract
The excavating loader has a special structure, the front is the loading mechanism, the rear is the excavation mechanism. In the construction site, the job can be changed by turning the seat. Most of the excavating loader for urban and rural road construction, laying cable, electric power construction project, first take Shi Yihe all sorts of all sorts of small builders are engaged in construction engineering. The excavating loader is a kind of small, multi-functional engineering machine, which is usually used in small projects after big projects. It can be equipped with various kinds of work and accessories, which can be excavated, shovelled, broken surface, flat ground, excavated ditches and laid pipes, etc. The design is based on the ZL10 loader, which will be placed on the rear of the car and designed from scratch. In addition, a mining body is added to the engine. It also possesses the ability to load, and also has the mining function, realizing the purpose of a machine. In the course of design, I have always been in the basic principle of good economy, strong adaptability and simple construction. In order to make the function of the parts as good as possible, I borrowed from zhejiang fuwei heavy industry manufacturing co., LTD., and the CLG766 type mining loader produced by liugong. Here are some of the highlights of the design:
The determination and selection of the whole machine plan;
The design of the work organization, including the bucket, movable arm, rocker arm, connecting rod design and movable arm oil cylinder, and the selection of swing arm oil cylinder, etc.
The strength of the relevant parts of the working body;
The overall stability check;
Keywords: engineering machinery; Excavating the loader; Bucket;
目 錄
1. 緒論 1
1.1 挖掘裝載機簡介 1
1.2 設計的內(nèi)容和要求 2
2. 總體方案確定和總體參數(shù)的選擇 2
2.1 對工作裝置的基本要求 2
2.1.1 概述 2
2.1.2 對工作機構的要求 2
2.1.3 工作機構的設計原則 3
3. 挖掘工作機構結構尺寸的確定 3
3.1 鏟斗參數(shù)的選擇 3
3.2 動臂和斗桿尺寸的確定 4
3.3 總體方案的確定 5
3.3.1 挖掘工作機構采用反鏟方案，挖掘工作機構設計 5
3.3.2 挖掘支腿方案 5
3.3.3 回轉(zhuǎn)機構設計 6
3.3.4 整體設計 6
4. 裝載部分工作機構設計 6
4.1 工作機構的結構類型和性能分析 6
4.1.1 概述 6
4.1.2 工作裝置的結構和類型 7
4.2 連桿機構的性能分析及類型選擇 11
4.3 工作裝置機構設計 13
4.3.1 概述 13
4.3.2 鏟斗設計 13
4.3.3 動臂設計 16
4.34 連桿結構設計 19
5. 工作裝置強度計算 21
5.1 工況分析 21
5.2 工作裝置受力分析 22
5.2.2 正轉(zhuǎn)六連桿的受力分析 23
5.2.3 強度計算及確定斷面尺寸、材料 27
5.2.4 搖臂強度計算 29
6． 油缸作用力的確定 30
6.1 轉(zhuǎn)斗油缸作用力的確定： 30
6.2 動臂油缸作用力的確定： 30
7. 定性校核 31
7.1 概述 31
7.2 評價穩(wěn)定性能的指標 31
總 結 34
參考文獻 35
致 謝 36
1. 緒論
1.1 挖掘裝載機簡介
挖掘裝載機俗稱“兩頭忙”。因為它具有獨特的構造，前端是裝載機構，后端為挖掘機構。在工地內(nèi)，您只需要轉(zhuǎn)動一下座椅，即可實現(xiàn)從裝載機到挖掘機操作手角色的轉(zhuǎn)變。挖掘裝載機多數(shù)用于城市和農(nóng)村的道路建設、鋪設電纜、電力建設工程、開山取石以和各種小型建筑隊所從事的各種建筑施工工程?！皟深^忙”屬于小型多功能工程機械的一種，一般在大工程完成后的小工程中使用。它可配多種工作機構和輔具，進行挖掘、鏟裝、路面破碎、平整場地、開挖溝渠、鋪設管道等多種作業(yè)。隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，工業(yè)與民用建筑、交通運輸、水利工程、農(nóng)田改造、礦山采掘等機械化設施中，越來越需要提高生產(chǎn)率，加快建設速度和降低成本。
挖掘裝載機這一工程機械能夠滿足這些需要。其以裝載機為基礎，在前端加裝挖掘工作機構，使其既具有運輸裝載性能.還具有挖掘性能的用途多、效率高的工程機械。1960年，很多國家相繼開始了研發(fā)挖掘裝載機的熱潮，直到今天仍然沒有終止。根據(jù)調(diào)查，21世紀初全球每年可產(chǎn)銷挖掘裝載機超過五萬臺，第二年整整多出兩萬余臺，并且以這樣的增長率持續(xù)增長。我們能夠看出挖掘裝載機在全球的影響力。據(jù)不完全統(tǒng)計，除中國意外生產(chǎn)挖掘裝載機的廠家就有超過10家。而且其中不包含批量生產(chǎn)的廠家。最近幾年，伴隨著我國經(jīng)濟的疾速發(fā)展，挖掘裝載機市場也逐步升溫，被行業(yè)內(nèi)人士一致看好。根據(jù)現(xiàn)有情況分析，我國目前正處于交通水利、能源開發(fā)等很多方面的建設后期，然而前些年以建設完成的交通設施也面臨著日益增多的保養(yǎng)階段，并且城市建設不再是大規(guī)模的拆遷建設，而是走上精益求精的道路。道路的質(zhì)量和保養(yǎng)越來越被人們重視，提出的要求也日益提高。僅僅靠著雙手還不能完成這些勞動。很多大的工程項目一個接著一個的結束標志著我國的基礎建設日益成熟。根據(jù)對我國市場的研究，大的工程建設將會日趨減少，反而一些小的項目建設會越來越多，所以小型機械的數(shù)量會達到供不應求的地步。從另一個角度可以看出有些機械能夠完成的依靠我們的雙手是很困難而且有一定的危險性。但是這種小型工程機械不但可以減輕人的勞動強度，而且可以進入到空間狹小大型機械不能夠進入的地方進行施工，有極大的靈活性。
截止到去年，年產(chǎn)量大約在500臺左右，可以看出，國內(nèi)的小型工程機械從啟蒙發(fā)展至今還落后于西方國家。
此次設計的主要內(nèi)容是ZL10挖掘裝載機，把挖掘機構安裝在ZL10平臺之上，合理的完善后車架和減輕重量即可。挖掘工作機構應用的部件成本相對低廉。雖然價格在同類機型中要明顯低一些，但是其使用壽命也并不高。在車頭安裝挖掘機構勢必會影響整機的操縱性，在有一定坡度的路況下具有自身障礙性。但是挖掘機構可以用時安裝，不需要時拆下，從總體功能上，運動能力上看還是比較不錯的，所以，挖掘裝載機雖然有一些小小的不足，但是優(yōu)越性也很明顯，發(fā)展前景未來可以預見，對此持積極態(tài)度。
1.2 設計的內(nèi)容和要求
（1）設計題目為《以ZL10裝載機為底盤設計挖掘裝載機》。其主要內(nèi)容為，
以ZL10裝載機為平臺，把裝載機構移到車尾，再在車頭加裝一挖掘工作機構，真正實現(xiàn)一機兩用。設計的重點部分是裝載工作機構的幾何參數(shù)的確定液壓系統(tǒng)的確定、工作機構的強度校核、整機穩(wěn)定性的校核等。
（2） 此次設計應持有認真嚴謹?shù)膶W習態(tài)度，刻苦鉆研，盡最大努力完成好本次設計。
（3）ZL10裝載機的主要參數(shù)：
功率：40.5KW
機重：4500㎏（不含挖掘部分）
裝載部分： 挖掘部分：
斗容：0.5m3 斗容：0.1m3
載重量：1000㎏ 最大挖掘半徑：4500㎜
最大卸載高度：2250㎜ 最大挖掘深度：4000㎜
卸載距離：1000㎜ 最大卸載高度：3500㎜
2. 總體方案確定和總體參數(shù)的選擇
2.1 對工作裝置的基本要求
2.1.1 概述
工程機械整機的工作尺寸和性能參數(shù)被工作裝置的結構和性能參數(shù)決定，同樣，整機的生產(chǎn)效率、工作負荷、動力與運動特性、不同工況下的作業(yè)效果、工作循環(huán)的時間、外行尺寸和發(fā)動機功率等又被工作機構的合理性直接影響。
2.1.2 對工作機構的要求
工作機構在設計時應滿足以下要求：
（1）角度要求：在滿足卸載高度和卸載距離的情況下，鏟斗在各個位置滿足角度要求。
（2）運動要求：在工作循環(huán)中速度與加速度變化合理；油缸活塞行程為最佳值；工作機構運動平穩(wěn)、不發(fā)生干涉現(xiàn)象、無自鎖情況；動臂從最低位置到最大卸載高度的舉升過程中保證鏟斗中物料不撒落；在卸料后動臂下放至鏟掘位置，鏟斗能自動放平。
（3）結構要求：盡可能應用最少的零件達到設計要求，令其結構簡略緊湊。
（4）動力性要求：連桿機構具有較高的力傳遞效率，插入力，掘起力，舉升力滿足工作要求。
2.1.3 工作機構的設計原則
（1） 主要工作尺寸能滿足應用要求，在設計反鏟部分時要考慮與同類機型相比的優(yōu)越性，還應考慮國家標準規(guī)定。
（2） 整機挖掘力的大小和其分布情況應滿足使用要求，并具有一定的先進性。
（3）充分利用功率，理論工作循環(huán)時間盡可能短。
（4）為了使工作狀態(tài)受力均勻，要準確確定鉸點位置以及截面尺寸形狀等，同時盡量減小重量，但要保證強度，剛度的情況下。
（5）作業(yè)條件復雜，使用情況多變時，應考慮工作機構的通用性，采用變鉸點結構或
配套構件時要注意分清主次。在滿足使用要求的前提下力求替換構件種類少、結構簡單、換裝
方便。
（6）運輸和停放時工作機構應有合理的姿態(tài)，使運輸尺寸小，行使穩(wěn)定性好，保證安全可靠，并盡可能減少液壓缸載荷。
（7）液壓缸的設計應考慮三化，采用系列參數(shù)盡可能減少液壓缸零件種類和易損件的種類。
（8）合理布置零件分布，使易損件便于拆下修理或更換。
3. 挖掘工作機構結構尺寸的確定
工作裝置的結構尺寸主要包括鏟斗、斗桿和動臂的尺寸以及各鉸點的位置。
3.1 鏟斗參數(shù)的選擇
當鏟斗容量一定時，切削轉(zhuǎn)角、切削半徑和切削寬度之間存在著一定的關系，即具有尺寸和的鏟斗轉(zhuǎn)過角度所切下的土壤剛好裝滿鏟斗。于是斗容量按下式計算：
式中:——鏟斗充滿系數(shù)；
——土壤疏松系數(shù)。
根據(jù)經(jīng)驗，一般取
式中:——鏟斗容量，；
——鏟斗平均寬度，。
由任務書要求可知q=0.1,這里取b=0.6m。
考慮到鏟斗切削入土和出土的余量，一般取，同時考慮到再轉(zhuǎn)都速度一定時轉(zhuǎn)都角度太大會增大挖掘力，降低生產(chǎn)率，一般取，這里取。在確定鏟斗寬度和轉(zhuǎn)斗角度以后，可得到鏟斗轉(zhuǎn)斗切削半徑
（m）
式中: ——鏟斗寬度，m；
——鏟斗轉(zhuǎn)斗角度的一半
——土壤疏松系數(shù)；
——鏟斗充滿系數(shù)，這里取。
將數(shù)據(jù)代入得到
鏟斗上兩個鉸點之間的距離,一般取特性參數(shù),
所以，這里取，一般取,這里取。
3.2 動臂和斗桿尺寸的確定
動臂與斗桿的長度比為,當時稱為長動臂短斗桿方案，當時屬于短動臂長斗桿布置方案，對于沒有特殊要求的挖掘機，一般取中間比例方案，即取特性參數(shù)。
，這里取。
因最大挖掘半徑為4500mm,所以近似取,算得
，取;
, 取;
,取;
3.3 總體方案的確定
3.3.1 挖掘工作機構采用反鏟方案，挖掘工作機構設計
（1）因直動臂轉(zhuǎn)角大，結構簡略，質(zhì)量輕，因此選用整體式直動臂，動臂液壓缸采用上置、后仰式，鉸點位于回轉(zhuǎn)中心之前，且雙油缸分置動臂兩側(cè)。
（2）斗桿和液壓缸的布置，頭桿也采用整體式，箱形截面，斗桿油缸一個，鉸點布置在動臂中部。
（3）該機構鏟斗得工作對象為松散得物料，故工作機構采用反鏟機構，鏟斗側(cè)臂為平直形，斗齒可換式。
（4）查表得農(nóng)業(yè)機械，小型工程機械液壓系統(tǒng)公稱壓力選為16MPa。
頁壓缸的全伸全縮長度之比為：
動臂液壓缸 λ1=1.6～1.7
斗桿液壓缸 λ2=1.6～1.7
轉(zhuǎn)斗液壓缸 λ3=1.5～1.7
3.3.2 挖掘支腿方案
輪式挖掘機作業(yè)時因為存在挖掘力和反力的作用，使輪胎、車軸等受力很大，不僅影響機械強度而且輪胎的變形也會使工作不穩(wěn)定。在某些挖掘位置，水平作用力足夠大導致挖掘機向前移動。為了使挖掘機穩(wěn)定工作，使輪軸減載，在車架兩側(cè)安裝液壓支腿，車架剛性的支在地面上，并且支腿寬度不允許超過輪胎距，利于機械行走。
液壓支腿的結構形式有多種，因為ZL10底盤限制了支腿形式，所以本機采用縱向伸縮的雙液壓缸支腿，其操縱方便、動作迅速，在液壓回路中采用閉鎖機構防止受力后液壓缸縮回，由于挖掘機工作環(huán)境惡劣，因此要采用箱形結構將液壓缸封閉起來，防止灰塵進入。
3.3.3 回轉(zhuǎn)機構設計
此機構采用雙轉(zhuǎn)向油缸梯形拉桿機構，為回轉(zhuǎn)角度180°的半回轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)動方式結構簡單，成本低廉，且效率較高。為了便于觀察挖掘機的作業(yè)情況，操作臺可升降，回轉(zhuǎn)機構與支腿為螺栓連接，便于拆卸。
3.3.4 整體設計
挖掘裝載機作為一個整體，其性能的好壞既和部件性能有關，也與各部件協(xié)調(diào)好壞有關，此次設計是在裝載機的基礎上進行改進，需要了解裝載機的整體結構、性能，并且各方案的選擇和確定應適合于裝載機的結構特點。
4. 裝載部分工作機構設計
4.1 工作機構的結構類型和性能分析
4.1.1 概述
工作機構作為裝載機組成的一個分支，裝載機的運動能夠?qū)崿F(xiàn)鏟斗的裝載，舉升，卸料的一系列動作。通常情況下，裝載機的工作機構由動臂油缸鏟斗、動臂、搖臂、連桿和轉(zhuǎn)斗油缸等構成。鏟斗一般有兩個鉸接點，包括與動臂鉸接，另一個通過連接連桿、搖臂與轉(zhuǎn)斗油缸連接，操作轉(zhuǎn)斗油缸就可以令鏟斗進行動作。動臂與車架鉸接，操作動臂油缸就能夠令鏟斗實現(xiàn)舉升或降落動作。
裝載工作機構工作時要實現(xiàn)以下動作：控制轉(zhuǎn)斗的油缸閉鎖時，改變動臂油缸的伸縮距離來實現(xiàn)鏟斗的升降，連桿應令鏟斗在運動過程中平穩(wěn)移動，必須注意擺動角的變化以防止?jié)M載物料的鏟斗因為不是平行移動而使物料掉落；另外當動臂處于任何工作位置上時，操作轉(zhuǎn)斗油缸令鏟斗圍繞動臂鉸點轉(zhuǎn)動來卸載物料，令它的卸料角度大于等于45°，來保證卸料無殘留；在最大卸載高度完成卸料時，鏟斗下落時應能夠自然放平，減小駕駛員的工作強度，提高效率。
動臂升高過程中因為動臂和車架存在角度的改變，使其為α。α的變化同時也令動臂于鏟斗之間的相對角度發(fā)生變化，設為β。所以，動臂升高過程中，鏟斗的實際角度變化是以上兩個角
度變化的合成。
如果動臂相對于車架轉(zhuǎn)過的角度為△α，動臂相對于鏟斗轉(zhuǎn)過的角度為△β，可以得出鏟斗相對車架際轉(zhuǎn)過的角度△γ為：
△λ=△α+△β
可以看出，假設鏟斗升高時，維持平移的工作狀態(tài)，△α與△β應是方向相反，絕對值相等。即△α=-△β不然，鏟斗傾角發(fā)生變化。
經(jīng)過查閱工程機械設計發(fā)現(xiàn)裝載機常利用類似平行四邊形的結構。雖然這樣不能令鏟斗在升高過程中，維持絕對的平移，但是可以通過適當改變鉸接點的位置使其前后擺動不超過15°的要求。假如使控制鏟斗轉(zhuǎn)動的斗桿液壓缸的行程設計合理就能夠讓其在任何位置都可以卸下物料。
4.1.2 工作裝置的結構和類型
根據(jù)托架類型可以將工作裝置分成兩類。即有無托架，有托架類型的是在鏟斗下方有液壓油缸控制鏟斗的轉(zhuǎn)動，無托架式則相反。
（1） 有鏟斗托架的工作裝置如圖4-1所示。
圖4-1托架式
這是最簡單的四連桿機構，由四個兩鉸機構（機架、動臂、連桿和托架）組成/動臂連桿的后端與車架鉸接，前端與鏟斗托架鉸接；托架上部鉸接轉(zhuǎn)斗油缸體，活塞桿及托架的下部與鏟斗鉸接。這種四連桿機構能使鏟斗在動臂提升過成中，當轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖時，保持平移或接近平移，而且結構簡單，易于更換其他工作裝置。其鏟斗裝在托架上，由安裝在托架上的轉(zhuǎn)斗油缸獨立控制，轉(zhuǎn)角較大。但因動臂前端裝設自重較大的托架和轉(zhuǎn)斗油缸，從而減少了載重量，并且影響了司機的視線，故僅應用在小型裝載機上。國產(chǎn)Z-435裝載機的工作裝置屬于這種形式。
（2） 無鏟斗托架的工作裝置如圖4-2所示。
圖4-2無托架式
這種工作裝置前面沒有笨重的托架，動臂后端與車架鉸接，前端直接與鏟斗鉸接，轉(zhuǎn)斗油缸鉸接在車架上，活塞桿通過搖臂、連桿控制鏟斗的翻轉(zhuǎn)，為了兼顧平移性與卸料性等方面的要求，通常將連桿機構設計成適當?shù)姆瞧叫兴倪B桿機構。這種形式的連桿機構種類很多，按組成連桿的數(shù)目可分為六連桿、八連桿兩種類型。下面分別介紹一下兩種類型的結構。
首先介紹六連桿。六連桿由兩個三鉸構件和四個兩鉸構件組成，其運動簡圖如圖4-3所示。構件1為動臂，構件2為鏟斗，構件4為搖臂，構件6為機架。又因為在這種機構中只有一個三鉸構件作為搖臂，所以又稱次機構為單臂搖桿機構。這種連桿結構按運動狀態(tài)可分為正轉(zhuǎn)連桿機構和反轉(zhuǎn)連桿機構兩類。
圖4-3六連桿運動簡圖
圖4-4為正轉(zhuǎn)六連桿機構，構造各不相同，因此分別有各自的特點。這種連桿機構是由兩個四連桿機構所組成的，但由于在運動中搖臂的轉(zhuǎn)向與鏟斗的轉(zhuǎn)向相同，故稱為正轉(zhuǎn)六連桿機構。正轉(zhuǎn)連桿機構的鏟起力特性對地下挖掘有利，結構簡單，特別是整個機構可以布置在動臂上方，對履帶底盤較好布置，應用也較廣。
在圖4-4a件5為轉(zhuǎn)斗油缸，布置在動臂下面，在鏟掘作業(yè)轉(zhuǎn)斗時，是以油缸大腔動作，故能產(chǎn)生較大的鏟起力。但動臂、搖臂、連桿及轉(zhuǎn)斗油缸的中心線不易布置在同一平面內(nèi)，工作工作裝置受力不好，一般小型裝載機有時采用這種形式。
在圖4-4b構件3為轉(zhuǎn)斗油缸，其小腔作用時實現(xiàn)鏟掘。油缸及活塞靠近鏟斗，容易被裝載的物料所損傷，且工作裝置整個重心外移，影響裝載的重量，其優(yōu)點是動臂、連桿、搖臂及轉(zhuǎn)斗油缸有可能布置同一平面內(nèi)，工作裝置受力較好，履帶式裝載機常采用這種布置方式。
在圖4-4c構件轉(zhuǎn)斗油缸布置在動臂上方，鏟掘時靠小腔動作，結構布置簡單方便。
下面介紹反轉(zhuǎn)六連桿機構，如圖4-5示。
這種連桿機構是由兩個四連桿機構所組成，但由于在運動中搖臂的轉(zhuǎn)向與鏟斗的轉(zhuǎn)向相反，故稱為反轉(zhuǎn)六連桿機構。反轉(zhuǎn)連桿機構的鏟起力特性使用于鏟裝地面上的物料，而不利于地面以下的挖掘。由于其結構簡單，特別是對輪式底盤布置容易，應用較廣。
圖4-4正轉(zhuǎn)六連桿機構
圖4-5反轉(zhuǎn)六連桿機構
圖4-5a中轉(zhuǎn)斗油缸鉸接固定在車架上，鏟掘時靠大腔動作，大中型裝載機常采用這種布置方式。
圖4-5b中轉(zhuǎn)斗油缸布置靠近鏟斗，鏟掘時靠小腔作用。這種機構現(xiàn)在已經(jīng)在裝載機中很少采用。
八連桿機構其結構形式多種多樣，又因為在八連桿這種結構形式中，有兩個搖臂，所以又稱雙搖臂連桿機構。最常見的有圖4-6中的三種形式。
圖4-6a為正轉(zhuǎn)八連桿機構，在產(chǎn)掘時靠大腔動作，鏟起力大，并且工作裝置重心靠近
機身，有利于提高整機的穩(wěn)定性，但因受結構限制，布置會有困難。
圖4-6b為正轉(zhuǎn)八連桿機構，在鏟掘時靠小腔動作，但結構簡單，布置方便。
圖4-6c為反轉(zhuǎn)八連桿機構，是由兩個反轉(zhuǎn)四連桿和一個正轉(zhuǎn)四連桿組成。
無論是上述的六連桿機構還是八連桿機構都不需要框架，因此與四連桿相比，可以改善操作者的視線，增加載重量，同時由于鏟斗周圍沒有油缸和油管，裝載過程中撒落下來的物料不會造成安全事故，比較的安全，但該連桿機構不是平行四邊形連桿機構，因此在提升動臂時，不能保證完全的平移，鏟斗將略向后傾。
圖4-6八連桿機構
4.2 連桿機構的性能分析及類型選擇
各種連桿機構的運動特點、鏟起力大小、變化規(guī)律都不禁相同。各類連桿機構的鏟起力隨鏟斗與地面傾角變化。在選型上，可根據(jù)作業(yè)對象和作業(yè)方式，并考慮到機構簡單、合理而且能滿足工作要求等因素進行選擇。
第一，正轉(zhuǎn)六連桿機構：
（1）最大鏟起力是當γ＜0時，即在鏟斗進行地面挖掘作業(yè)時最為有利。
（2）當轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖，而提升動臂時，鏟斗收斗角增加很快，適宜于依靠動臂的配合，進行鏟取物料（即挖掘機采掘法）。
（3）由于鏟斗收斗角隨動臂提升而增加很快，如使動臂在最大提升位置時的鏟斗后傾角合適，則必須造成動臂在下部運輸位置時收斗角不夠大，造成運輸時容易撒料。
（4）在轉(zhuǎn)斗卸料時，角速度較大雖然易于抖落斗中的物料，但卻容易引起運輸車輛的卸料沖擊，影響駕駛員安全和車輛的壽命。
（5）在作業(yè)過程中，各桿件干涉少，動臂的幾何形狀可做成直線，這樣既可節(jié)省工時同樣可以節(jié)省物料，各桿件可以布置在同一平面內(nèi)，桿件受力好。
正轉(zhuǎn)六連桿機構鉸點少，機構簡單鏟起力隨γ角變化，曲線陡峭，因而在鏟挖位置轉(zhuǎn)斗時，鏟起力將急劇減少；其連桿傳動比也較小。而用在大型裝載機上，為了提高連桿傳動效率，需加大連桿尺寸，這將給結構布置帶來困難，且影響司機視線，這種連桿機構比較適用于建筑工地上，建筑材料的裝載和沙土材料的鏟掘作業(yè)，但不適合堅實物料的鏟掘作業(yè)和搬運工作。
第二，正轉(zhuǎn)八連桿：
正轉(zhuǎn)八連桿的鏟起力曲線變化比較平緩，動臂提升后，鏟掘力變化小鏟斗收斗角變化也小，因此鏟斗在最下面的運輸位置時，物料不會散落，鏟斗轉(zhuǎn)斗卸料時速度也較大，所以比較容易卸料。
正轉(zhuǎn)八連桿與正轉(zhuǎn)六連桿相比，其鉸點較多，磨損后松動也很大，維修起來比較費時，但是其傳動比大，用在大型裝載機上，可減小連桿尺寸，改善司機視野。
第三，反轉(zhuǎn)六連桿
反轉(zhuǎn)六連桿由于連桿在布置上的原因，在鏟掘位置上時轉(zhuǎn)動角大（連桿與從動桿之間的夾角），轉(zhuǎn)斗油缸又是大腔動作，因此能產(chǎn)生較大的鏟起力。
（1）其最大鏟起力是γ＞0時，因此在鏟掘位置轉(zhuǎn)斗時，其鏟起力是隨γ角的增大而逐漸增加，以后也略有增加。
（2）卸載時，轉(zhuǎn)斗角速度小，易于控制卸料速度，減小卸料沖擊。從圖上可以看出，在卸載后期，卸載速度有所下降。
（3）動臂在升降時，收斗角變化角不大，因而在不影響動臂最高位置時卸料角度的情況下，可增加運輸位置時的后傾角，這樣可提高裝滿程度，并且減少運輸時撒料情況。
（4）便于實現(xiàn)鏟斗自動放平，提高工作效率。
綜上所述，反轉(zhuǎn)六連桿機構優(yōu)點較多進幾年得到廣泛應用，特別適合堅實物料（礦石、原石）的采掘和搬運。我國ZL系列裝載機大都采用反轉(zhuǎn)六連桿機構形式。美國卡特皮肋992型輪式裝載機正因為反轉(zhuǎn)機構的諸多優(yōu)點于1978年由正轉(zhuǎn)八連桿改為反轉(zhuǎn)六連桿形式，但是這種連桿機構搖臂下部在裝車時易于與車輛側(cè)板相碰，要加以注意，而且上面已經(jīng)提到反轉(zhuǎn)裝置適合于輪式裝載機。履帶式裝載機的發(fā)動機常為前置式，這樣對于反轉(zhuǎn)六連桿機構在布置上有一定的困難，因此較少采用。
盡管反轉(zhuǎn)六連桿優(yōu)點很多，但因為考慮到ZL10后面有一個很大的發(fā)動機，我們?nèi)匀徊荒懿捎?。這次設計是要把轉(zhuǎn)載部分移到ZL10的后面，這樣的話反轉(zhuǎn)六連桿跟本布置不了。綜合考慮其它幾種連桿機構的優(yōu)缺點以及ZL10的作業(yè)環(huán)境，本次設計仍然采用正轉(zhuǎn)六連桿機構。
4.3 工作裝置機構設計
4.3.1 概述
工作裝置結構設計的內(nèi)容包括：
（1）鏟斗的結構分析、比較和形式的確定；
（2）根據(jù)鏟斗要求的內(nèi)容確定鏟斗幾何形狀及幾何參數(shù)；
（3）根據(jù)卸載高度和距離的要求，以及裝載機本身的實際條件，確定動臂的形狀、長度和車架的鉸點位置。
4.3.2 鏟斗設計
鏟斗是直接用來鏟裝收集物料的工具。它的斗型與結構是否合理直接影響裝載機作業(yè)時的插入能力和生產(chǎn)效率。在設計工作裝置連桿機構之前，首先要確定鏟斗的幾何形狀和尺寸，而鏟斗的幾何尺寸，則與鏟斗的斗容有關。
在一般情況下，根據(jù)裝載物料的容重，鏟斗常做成三種類型：正常斗容的鏟斗用來裝載容重為14～16KN/m3的物料（如沙、碎石、松散泥土等）；增加斗容的鏟斗，斗容一般為正常斗容的1.4～1.6倍，用來鏟掘容重為10KN/m3的物料（煤、煤渣）；減小斗容的鏟斗斗容為正常斗容的0.6～0.8倍，用來裝載容重大于20KN/m3的的物料（如鐵礦石、巖石等）。用于土方工程的裝載機，因為作業(yè)對象較廣，因此多用正常斗容上的通用鏟斗，以適應裝載不同物料的需要。也是出于這種考慮本設計采用正常的鏟斗。
由于鏟斗的工作條件惡劣，經(jīng)常要承受很大的沖擊載荷和強烈的磨削，因此在設計鏟斗時要考慮有足夠的強度、剛度和耐磨性，并要求鏟斗在插入料堆時阻力要小，從而提高作業(yè)效率。
（1）鏟斗的構造
鏟斗斗體通常用低碳、耐摩的高強度鋼板焊接而成。鏟斗主要由：1切削刃、2側(cè)壁切削刃、3斗低、4后斗壁、5擋板、6角板、7耐摩板、8護板或支腳組成。切削刃的形狀大致可分為直刀刃、V型刀刃、直齒帶頭齒和V型刃帶頭齒幾種。ZL10一般用來鏟裝輕質(zhì)或松散的物料，插入阻力不是很大，而且為了使結構簡單并容易制造，本設計采用直型斗刃鏟斗。
（2）鏟斗的幾何斷面形狀和基本參數(shù)的確定
鏟斗地幾何斷面形狀由斗的圓弧半徑R、張開角γ0，后壁高度h、低壁長l和鏟斗寬度B五個參數(shù)確定。除次之外，鏟斗的寬度應大于前輪外緣寬度，每側(cè)大出50～100㎜,從而保護輪胎不受損傷，低臂相對于地面應有一定的傾角，以減少摩擦阻力并保護低壁。鏟斗幾何尺寸的確定：
設計鏟斗，應根據(jù)已確定的斗容的大小，參考同類型鏟斗形狀，從而確定本次設計的鏟斗形狀。在選擇各種參數(shù)時一般以鏟斗回轉(zhuǎn)半徑 Ro（指鏟斗與動臂連接鉸點至切削刃口的距離）作為基本參數(shù)。鏟斗橫截面積
S=R02｛［0.5λg(λg+λkcosγ1)sinγ0］λb2［ctg-0.5∏(1-)］｝
而鏟斗的幾何斗容
Vs = S × B0
則
圖 4-7 鏟斗斷面基本參數(shù)
式中
Vs — 平裝(幾何)斗λg容量.單位為m3 ,由設計任務書給定；
S — 圖 4-7所示斷面，單位為㎡；
B0 — 鏟斗內(nèi)凈寬度，單位為 m；
λg — 鏟斗斗低長度系數(shù)，λg =lg/RO≈1.4～1.5；
l g — 長度，是指鏟斗切削刃至斗低與后斗壁延長線交點的距離，單位為 m；
λz— 后斗壁長度系數(shù)，λz=lz/R0，取λZ=1.1～1.2；
l z— 后斗壁長度，是指由后斗壁上緣至斗低與后斗壁延長線交點的距離，單位為 m；
λK— 擋板高度系數(shù),λK=lk/R0,取λK=0.12～0.14；
l k — 擋板高度，單位為 m；
λb— 圓弧半徑系數(shù)，λb=R1=R0；取λb=0.35～0.4；
R1 — 鏟斗圓弧半徑，單位為 m；
γ0 —斗低與后斗壁間 5 的夾角，又稱斗張開角，取γO=48 o～52 o
γ1— 擋板與后斗壁間的夾角，取r1=5 o～10 o
由以上公式可知，已知Vs 、B0 ，只要選定γ0、γ1的值，并選定其他λ的值，則R0 即可算出，而其他參數(shù)也可確定，從而可以畫出鏟斗內(nèi)壁橫斷面的形狀。
鏟斗與動臂鉸銷距離斗低的高度h b
H b=（0.06～0.12）R0
鏟斗側(cè)壁切削刃相對于斗低的傾角α0
α0=50 o～60 o
擋板與后臂間的夾角γ1還要能使擋板與側(cè)切削刃上午夾角為 90o，切削刃是削尖角
δ0=30 o～40
已知V h =0.5 3 m ，且V h / V S≈1.2，故V S=0.417 m3
已知輪距為 1380㎜（實際測量值），估計輪寬為 300㎜，還有鏟斗每側(cè)應大出 50～100㎜，本次設計取 50㎜，并且參考同類樣機取得鏟斗壁厚為 13㎜，故
B0 = 1380+300+2×50-13×2=1754㎜
取各參數(shù)如下：
λg=1.4 λz=1.2
λk=0.12 λb=0.4
γ0=48 o γ1=10 o
α0=52 o
把各數(shù)值代入公式得
R 0=0.685
故
l g =1.4 R0 =0.959m l z =1.2 R0 =0.822m
l k =0.12 R0 =0.0822m R1 =0.4 R0 =0.274m
h b =0.12 R0 =0.0822m
4.3.3 動臂設計
（1）動臂鉸點位置的確定
動臂鉸點位置的確定，應在總體參數(shù)已確定后，以及鏟斗主要尺寸確定后進行。動臂與鏟斗連接點也稱下鉸點，其下限位置應保證鏟斗正常工作位置和下挖掘位置還有鏟斗在運輸位置時，仍與輪胎保持有一定間隙為準，本次設計是以與車后部有一定間隙為準，而且下鉸點與地面應有 250～300㎜的離地間隙。其上限位置應保證鏟斗有最大卸載高度、卸載角度及最小卸載距離。其具體位置可用作圖方法來確定，根據(jù)鏟斗形狀、幾何尺寸及鏟斗與地面應保持的角度α可以確定下鉸點 B的下限位置 h B，然后將鏟斗轉(zhuǎn)置運輸位置并留出一定間隙，繪出輪胎位置，再根據(jù)卸載高度 H max 、最小卸載l s min和卸載角度β要求，可以確定下鉸點上限位置。動臂與機架的連結點 A應在B1 Bi連線的垂直平分線上。當其他要求不變時，A點的前后位置將影響動臂的長度LD、動臂的回轉(zhuǎn)角度?、動臂伸出最大距離以及鏟斗在升起時擺動的角度。A 點與前輪中心的距離為 LA（在本設計中則是 A 點與后輪中心的距離），LA增大則動臂增長而轉(zhuǎn)角將會減小，且動臂伸出距離減小，提高了裝載機在鏟斗最大伸出時的穩(wěn)定性。因此，在總體布置允許的條件下，LA可以適當?shù)脑龃?，但也會增加駕駛室在布置上的困難，一般動臂轉(zhuǎn)動的角度?常在 80o～90o 之間。動臂的橫向布置，則應根據(jù)輪距、動臂本身的結構、轉(zhuǎn)斗油缸的尺寸以及司機的視線要求來求得，但動臂與輪胎之間必須留有一定的間隙（100㎜左右）以保證裝載機能夠自如的工作。圖 4-8。
圖 4-8 確定動臂鉸點位置及長度計算圖
（2）動臂長度LD的確定
動臂鉸點位置確定之后，按一定比例作圖即可直接求得。如圖 4-9，除此之外，也可以計算法算出動臂長度L D
L D=√［l s min –R0COS(α＇+β)+l B］2+［HS max-HA+R0sin(α＇+β) ］2
式中
Ls min— 鏟斗最小卸載距離，單位為 m；
R0 — 鏟斗回轉(zhuǎn)半徑，單位為 m；
α＇— 鏟斗回轉(zhuǎn)半徑與斗低夾角，單位為(o)；
β — 鏟斗最大卸載高度時的最大卸載角，單位為(o)；
L B — 動臂與車架連接鉸點到裝載機前面外廓部分（輪胎）的水平距離，單位為 m；
HS max— 最大卸載高度，單位為 m；
HA — 動臂與車架鉸點的高度，單位為 m；
L D — 動臂長度，單位為 m。
值得注意的是本次設計不能直接套用公式，因為式中的卸載距離是斗刃與輪胎前緣的水平距離，其余個數(shù)據(jù)也都是以輪胎中心來算的。本次設計的卸載距離是斗刃與車尾部分的水平距離，所以必須把輪胎中心線假象的移到車尾外廓的處才能代入公式計算。量得個數(shù)據(jù)如下:
Ls min =（1000-540） R0 =685㎜
α＇=6.89 o β=46o
圖 4-9 確定動臂長度計算公式
HS max =2250㎜ HA =1310㎜
LB =1440㎜
把個數(shù)據(jù)代入公式得
LD =2090㎜
（3）臂的結構和形狀
動臂的形狀按其縱向中心線形狀可分為直線形和曲線形兩種。如圖 4-10 所示。
a b
a 曲線形 b 直線形
圖 4-10動臂的結構形式
直線行動臂結構簡單，制造容易，而且受力情況好，通常正轉(zhuǎn)式連桿工作裝置多采用這種形式；曲線型動臂一般常用于反轉(zhuǎn)式連桿工作裝置，這種形式的動臂可使反轉(zhuǎn)式連桿工作裝置布置更為合理。
圖 4-11 動臂的斷面機構
動臂的斷面機構形式有單板、雙板和箱形，如圖 4-11。許多裝載機采用單板，這種動臂機構簡單，工藝性好，但抵抗受扭的剛性較差；大中型裝載機多采用雙板形或箱形斷面結構的動臂，可以改善單板動臂受扭剛度不好的影響。為了減少動臂的重量，動臂的斷面尺寸按等強度設計。本設計采用的是曲線形單板動臂，這樣不但結構簡單容易制造，而且經(jīng)濟性好。
4.34 連桿結構設計
連桿結構設計的主要內(nèi)容是確定各個鉸點的適當位置和連桿的有關尺寸，至于在設計連桿機構中，所應滿足的各種要求上和注意事項可參閱課本相關內(nèi)容。進行步驟，先選定搖臂的形狀和尺寸，然后卻定鉸點 E 和 C 的位置，最后確定轉(zhuǎn)斗油缸與車架相連的鉸點 G 的位置和油缸的尺寸和形成行程。
動臂的長度LD是連桿機構的主要參數(shù)，搖臂將固定在動臂上，搖臂的長度、連桿的長度、油缸的長度都與動臂長度有關。因此連桿機構的其他構件尺寸和鉸點位置，都將參照動臂的長度確定。
連桿與鏟斗鉸點 C 的位置，影響著連桿和油缸的受力和行程，選擇時主要考慮當鏟斗處于地面鏟掘位置情況下，連桿 CD 作用在鏟斗上的轉(zhuǎn)動力矩較大，以發(fā)揮最大的掘起力。很明顯，ED 和 CD 兩者之間的夾角越大，CB 兩點間的距離越大，CB 和 CD 中間夾角越接近于直角，則轉(zhuǎn)動力矩越大，但實際上受結構的限制，這幾點是相互矛盾的，而且相互關系的變化還將影轉(zhuǎn)動的角速度。通常 BC 與鏟斗回轉(zhuǎn)半徑之間的夾角?在 85o～100o 之間,CB≈（0.13～0.14）LD，式中 LD為動臂回轉(zhuǎn)半徑。本設計中 CB=0.14 LD，即 CB=292.6㎜。
搖臂與動臂的鉸點 E 位置的選定影響較大，常布置動臂 AB 兩鉸點的連線 AB 的中部且偏向 A 點，并向上方偏移一端距離 m 即 E 處。設計時初步可取 le=（0.45～0.5）LD,m=（0.11～0.18） LD。 E 點向下移則在卸載時，連桿可能與鏟斗后臂發(fā)生干涉，E點再向上移，則將影響整個連桿機構的空間布置。
搖臂的形狀與夾角：搖臂的形狀常做成彎形的，其兩臂中間夾角θ常在 30o 以下，搖臂的長度尺寸可選為（0.29～0.32）LD，兩臂 長度之比可選取為 1.5,θ角的大小影響連桿的有效移動，
θ角過小，雖然連桿 CD 開始移動時速度較大，但逐漸減慢，而實際上總移動速度降低了，且總的行程也縮短了。搖臂的長短，則直接影響鏟斗能否轉(zhuǎn)到預期的卸載位置、油缸的行程和推力，因此都應全面考慮后選定。至于連桿板的長度可直接在圖上測量決定。值得一提的是，在卸載位置，連桿與搖臂的長度（長臂）和應大于這時E 點和 C點之間的直線距離在極限位置時的轉(zhuǎn)動角不得小于 10o，否則將會個工作上帶來困難。
轉(zhuǎn)斗油缸和車架鉸點 G上午確定，在上述各鉸點位置、各構件尺寸也都確定之后，即可用下述做圖法來確定鉸點 G的位置，油缸總長和必需的行程大小。
已知動臂下鉸點上下極限位置及動臂長度，即已鉸點 A 和動臂中心線為基礎，繪出鏟斗在地面鏟裝完畢后并后傾 45o 時的位置，再依次找出 E 點和搖臂相對動臂中心線的相對位置，連接 C 點和 D 點，此即 CD 連桿的長度；再將動臂提升至最高位置（卸載位置），并將所轉(zhuǎn)動的角度分成若干等分，以鏟斗最低位置為起點，依次將動臂提升至各個位置，并保持鏟斗平移，也就是在各個位置的C1B1 、C2B2，……，都是平行的，再依次連接各個位置的F I 點將成為一條曲線，找出曲線圓弧的外包絡圓的中心 G，G 點即轉(zhuǎn)斗油缸與車架的鉸點。包絡圓的半徑R max 即轉(zhuǎn)斗油缸的最大安裝尺寸。再將各位置的鏟斗轉(zhuǎn)至卸載位置，依次連接各鉸點的各個位置又得一條曲線圓弧通過 G 點作此圓弧的包絡圓，此包絡圓的半徑R min 即油缸的最小安裝尺寸。
轉(zhuǎn)斗油缸活塞的最小行程l s可安下式確定-
L s = R max － R min
而且應能滿足利用轉(zhuǎn)斗油缸使鏟斗前傾進行切土下挖的工作要求。
這種方法所選定的鉸點 G和油缸的尺寸是比較合理的，但也是近似的。在油缸閉鎖鏟斗開放的情況下，在由鏟取位置提升動臂的過程中，內(nèi)斗的后傾角可能會比在地面的后傾角大，只要
變化小于 15o都是允許的，如果超過此值，則需要稍稍移動 G 點的位置加以修正。鏟斗的傾角應大于45o，小于此值可適當移動 C 點或 E點位置即可改正。
為了得到更理想的結果，各個連桿尺寸及鉸點位置初步確定之后，可再采用優(yōu)化方法找出最佳幾何尺寸，這對提高裝載機的功效更為有利。
終上所述，我們可取各參數(shù)如下：
?=90o le=0.5 LD =0.5×2090=1045㎜
m=0.12 LD =0.12×k090=250.8㎜
搖臂的長度
LYB =2LBC =2×0.14×2090=585.2㎜
根據(jù)給出的參數(shù)即可作出上圖。
由圖中可直接量取連桿長 LCD =1285㎜
油缸最大安裝尺寸 R max =1220㎜
油缸最小安裝尺寸 R min =1010㎜
最小行程 l s = R max－R min =1220-1010=210㎜
5. 工作裝置強度計算
5.1 工況分析
進行工作裝置的強度設計，首先要分析裝載機的工作情況，裝載機的作業(yè)環(huán)境是多變的，其作業(yè)工況也是多種多樣的，因此必須選定經(jīng)常使用的受力最不利的作業(yè)位置和典型工況來進行工作裝置的強度計算，這樣技能滿足使用條件，又不浪費材料，比較經(jīng)濟。本機在設計之初考慮到十種工況。考慮到各種工況是正常工作經(jīng)常出現(xiàn)的還是偶爾出現(xiàn)的，還是在極其特殊的情況下才能遇到的，然后選取經(jīng)常出現(xiàn)的工況作為設計依據(jù)，其他工況作為校核工況，對通用的裝載機械，并具有足夠大的柴油機的情況下建議選取水平插入打滑時和垂直滿載提升后輪胎起時（最大掘起力）作為設計依據(jù)。
根據(jù)上述，選取第二工況作為典型工況。
5.2 工作裝置受力分析
5.2.1 阻力分析：（圖5-1）
（1）插入阻力
插入阻力就是鏟斗水平插入料堆時，料堆對鏟斗的反作用力。插入阻力由鏟斗前切削刃和斗壁兩側(cè)切削刃所受阻力；鏟斗底和側(cè)壁內(nèi)表面與物料的摩擦阻力；鏟斗外表面與料堆的摩擦力等組成。這些阻力與物料種類、料堆高度，鏟斗插入料堆深度以及鏟斗形狀，結構等有關。插入阻力的經(jīng)驗公式為：
P x=10k1?k2?k3?k4?la1.25?Bg
式中
P x — 鏟斗插入阻力（N）
k1 — 被鏟掘物料的塊度及松散程度的影響系數(shù)?？紤]到本機械的工作對象為小塊物料（碎石和沙礫），則取k1 =0.75
k2 — 物料種類影響系數(shù)：同理取k2=0.1
k3 — 堆料高度影響系數(shù)：取其中間值k3 =0.8
圖 5-1 鏟斗受力分析
k4 — 鏟斗形狀參數(shù)，其值一般在 1.1～1.8之間，對于不帶齒的斗，取較大值。本機械由于鏟斗較小，且不帶斗齒，取k4=1.6
la — 鏟斗插入料堆深度，單位為㎝，在一次鏟掘法時，取等于 0.7～0.8 斗底長度，在配合鏟掘法時，取等于 0.25～0.35 斗底的長度，取l a =0.28lg0 =0.28×95.9=26.9㎝
B g — 鏟斗寬度（㎝）B g =178㎝
把以上各參數(shù)代入公式得P x =10×0.75×0.1×0.8×1.6×26.91.25×178=10468N
（2）鏟起阻力
鏟起阻力是指鏟斗插入料堆一定深度后，提升動臂時，料堆對鏟斗的反作用力。鏟起阻力同樣也由物料的種類、塊度、松散程度等，以及物料與斗壁之間的摩擦有關。最大鏟起阻力發(fā)生在鏟斗開始提升時，并假定作用在鏟斗斗刃上，隨著動臂的提升，產(chǎn)起阻力逐漸減小。
鏟斗開始提升時的鏟起阻力（即最大鏟起阻力）由下式計算：
PZ = 2.2?la?B g ? k t
式中
PZ—鏟起阻力（N）
K t —開始提升時物料的剪切應力。取k t =35000Pa
L a —0.269m
B g =1.78m
把數(shù)據(jù)代入公式中可算得:
PZ =36869N
5.2.2 正轉(zhuǎn)六連桿的受力分析
（1）根據(jù)圖 5-2所示，可把鏟斗作為一個分離體，以 B 為支點
則 MB =0
則有 ?Px?hb+?Px?l2=Pc?l1
其中：h b=0.685×sin（6.89°+4°）=0.129m
l1=0.19
l2=（0.685-0.1）× cos（6.89°+4°）=0.574m
把數(shù)據(jù)代入公式可得：
pc×0.19=×10468×0.129+×36869×0.574
pc=59245（N）
以C為支點，則Mc=0，即
Pb?l3?=?P x (l2-a) + ?Px?l4
其中：
a=0.035m l3=0.256m l4=0.395m
把各數(shù)據(jù)代入公式中得:
Pb×0.256=×3686×（0.5747－0.035）+10468×0.395×
P b=45297 (N)
（2）搖臂受力分析
根據(jù)圖 5-2，取 CD、DE、FG三構件 E 為支點，則有∑ME=0
PD?l1=Pf?l2
PD=PC
在圖上可直接測得：
l1=0.365m
l2=0.285m
把數(shù)據(jù)代入公式得：
0.365 ?PD= Pf?0.285
PD=PC=59245
則
Pf=75875（N）
除次之外，搖臂還受到動臂的力作用，方向未知，于是設為PEX、P EZ。根據(jù)力平衡即可求出PEX、P EZ 。
圖 5-2 正轉(zhuǎn)六連桿機構受力分析簡圖
根據(jù)圖 5.2可知
∑x =0 － Pd ?cos57°+Pf?cos14.5°+PEX =0
∑y=0 － PD?sin57°+Pf?sin14.5°+P EZ =0
解得
PEX=-41191N
P EZ=-30689N
（3）動臂受力分析
根據(jù)圖 5-3所示，把所有力 A 點取矩得∑MA=0
PEX′× ×sin35°+P E′Z × ×cos35°+(-PHX ?sin35°)( -100) = 0
已知：
PEX′=41191N P EZ′=30689N
LD σ =2090N
把數(shù)據(jù)代入公式解得：
PHX =94016N
圖 5-3 動臂受力分析簡圖
根據(jù)動臂所受的力平衡可知:
∑x =0 PB′cos35°-PHX + PEX′+PAX= 0
∑Z = 0 PB′sin35°- P EZ′+PAZ =0
解得
PAX=15720N
PAZ =4708N
則
PA= √157202+47082 =16410N
（4）分析各鉸銷受力
A點鉸銷受力
PA =16410N
B點鉸銷受力
PB = 45297N
C點鉸銷受力
PC = 59245N
D點鉸銷受力
PD = 59245N
E點鉸銷受力
PE = 51366N
F點鉸銷受力
PF = 75875N
G點鉸銷受力
PG = 75875N
H點鉸銷受力
PH = 94016N
I點鉸銷受力
PI = 94016N
5.2.3 強度計算及確定斷面尺寸、材料
（1）強度計算及確定斷面尺寸、材料
動臂可看作是支撐在車架 A點和動臂油缸上鉸點 H 的雙支點懸臂變截面梁。
內(nèi)力分析：（如圖 5-4）
如圖 5-4 動臂受力分析
0～1 段：
N1= - PB cos（35°-20°）=-43753(N)
Q1= - PB sin（35°-20°）=11724(N)
M0=0
M1左= PB sin（35°-
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