輪式裝載機工作裝置設計要求

① 裝載機工作裝置的有限元分析的難點在哪

1、 引言
裝載機是工程機械的主要機種之一，廣泛用於建築、礦山、水電、橋梁、鐵路、公路、港口、碼頭等國民經濟各部門。國外裝載機發展迅速，而我國裝載機在設計上存在很多問題，其中主要集中在可靠性、結構設計強度等方面[1,2]。由於採取「類比試湊」等設計方法在一定程度上存在盲目性，容易形成設計中的「人為」應力集中點，造成機構整體強度的削弱甚至破壞。按這種設計生產出的產品，外觀上看上去很強壯、剛性很好，但卻有內在的設計缺陷，使用過程中常因工作裝置結構強度等原因，產生開焊、甚至斷裂等破壞，致使工作裝置報廢，造成重大經濟損失。
本文將以SDZ20型裝載機為例，建立有限元模型，在典型工況下用MARC軟體進行靜態結構分析，獲得工作裝置整體的應力及變形分布。其結論對該種結構的優化設計有一定的指導意義。
2、 工作裝置結構受力破壞與力學特徵
2.1工作裝置的結構
工作裝置由鏟斗、動臂、橫梁、支撐、搖臂、拉桿等組成。各構件之間由鉸銷聯接，有相對轉動。為了增強搖臂、支撐的剛度，在搖臂及支撐之間有筋板連接，在計算時，可以將其視為一體。動臂上鉸點與裝載機前車架鉸接，中部鉸點與舉臂油缸鉸接；搖臂上鉸點與翻斗油缸鉸接。用MARC對其做有限元靜力分析中，認為工作裝置各鉸接處沒有相對轉動。動臂是工作裝置的主要受力部件，其截面形狀為矩形；又因其長、寬方向遠大於厚度方向，故可以用板殼元對動臂進行離散。橫梁截面為箱形，為焊接結構。搖臂和支撐也是焊接結構，其焊接板的截面均為矩形。考慮各構件的厚度遠小於其它兩個方向的厚度，可以認為均為板類零件。
2.2結構受力與破壞特徵
裝載機整體結構為對稱結構。分析裝載機插入、鏟起、舉升、卸載等的作業過程可知，裝載機載初鏟時，工作裝置受力最大。在整個工作過程中受到的外界載荷為不變載荷，主要是物料的重量以及機構自重。由於物料種類和作業的條件不同，裝載機工作時鏟斗切削刃並非均勻受載，一般可以簡化為兩種極端情況：（1）認為載荷沿切削刃均勻分布，並以作用在鏟斗切削刃中點的集中載荷來代替均布載荷，稱其為對稱受載情況；（2）非對稱受載情況，由於鏟斗偏鏟、料堆密集情況不均，使載荷偏於鏟斗一側，通常將其簡化為集中載荷作用在鏟斗最邊緣的斗齒上。這兩種處理方法都是偏於安全的。當結構受力超過其極限載荷，材料發生塑性變形直至開裂（焊接部位）或斷裂。
3、 有限元模型的建立及邊界條件
工作裝置作為裝載機的主要工作部件，強度和剛度必須有充分的保證。根據工作裝置的結構特徵，建立起與其對應的有限元模型。
3.1單元類型的選取有限元網格劃分
工作裝置的各板厚度均勻，且長寬相比較小的多。根據經典薄殼理論假設，厚度小於中面輪廓尺寸1/5的為薄板。因此可以採用空間板殼單元進行網格劃分。考慮四邊形單元比三角形單元具有更高的計算精度，而三角形單元比四邊形單元更利於擬合過渡，所以採用四邊形單元與三角形單元混合進行網格劃分。
有限元網格按照「均勻應力區粗劃、應力梯度大的區域細劃」的原則進行劃分。按照給定尺寸自動劃分後，對局部（如尖角和軸承孔等部位）進行細劃。有限元模型如圖2所示。
3.2邊界條件的施加
邊界條件包括兩方面：邊界載荷和邊界約束。取額定裝載量，按靜力等效的原則將力施加在鏟斗尖內移約100mm處中部。在初鏟轉斗時，可認為舉臂油缸和翻斗油缸都不動，動臂的兩個鉸銷部位和搖臂的鉸銷部位無相對移動。
3.2.1邊界載荷
額定裝載為2×104N。聯合鏟取的工況進行載入。根據以上假設，可以計算出鏟斗所受水平力Rx和垂直力Ry。
水平力（即插入阻力）的大小由裝載機的牽引力確定
Rx=Pkpmax=4000N 式中，Pkpmax為裝載機的牽引力。
垂直力（即鏟起阻力）大小受裝載機的縱向穩定條件的限制。
Ry=GL1/L=58800x1300/2615.8=26974N 式中，G——裝載機自重，為6000kg（58800N）。
L1——中心到前輪水平距離，為1300mm。
L——垂直力作用點到前輪水平距離，為2615.8mm 。
考慮到鏟斗的特殊性，對其變形及破壞不予考慮。根據聖維南原理，局部載荷不影響遠處應力場的分布，可以知道，在鏟斗尖部附近所施加的點載荷不會影響除去鏟斗外的工作裝置的應力分布。所以這種載入方式是可行的。
3.2.2邊界約束
根據假設，舉臂油缸和翻斗油缸不動。這樣，在油缸與工作裝置的鉸接處和動臂與前車架的鉸接處分別施加對應的邊界條件。
3.3材料性能參數的確定
SDZ20型裝載機工作裝置構件所用的材料為16Mn（包括動臂、搖臂、支撐、橫梁和各筋板、加強板）和Q235（拉桿），變形在彈性范圍內，對應各構件分別施加所需材料常數：
4、 結果分析
用MARC軟體對工作裝置進行有限元分析，得到整個工作裝置的整體應力應變場、變形場分布，圖3給出了工作裝置的局部等效應力分布。
由結果可知，該裝置的結構完全滿足了強度要求。各構件情況是：動臂的危險點在動臂下鉸點及動臂與舉臂油缸鉸接處附近，應力值已經分別達到142.5MPa和118.9MPa，偏載時應力值達到184.5 MPa和153.6 MPa，是正載時的1.29倍，且偏載的一側與橫梁焊接部分出現應力集中，其值已達到100 MPa；搖臂的危險點在搖臂與拉桿鉸接處，應力已達91.7 MPa；橫梁的危險點在橫梁與動臂的鉸接處，應力值已達65.2 MPa；拉桿的危險點在與搖臂鉸接處，應力值已達107.2 MPa。同時，在偏載時，動臂承載了由於偏載所產生的大部分扭矩，而其他構件在偏載時的應力集中相對減小。即使這樣，最大值仍遠小於屈服應力，設計是偏於安全的。

② 輪式裝載機的結構及工作原理

如圖所示為輪式裝載機總體結構示意圖，裝載機一般由車架、動力傳動系統、行走裝置、工作裝置、轉向制動裝置、液壓系統和操縱系統等組成。發動機1的動力經變矩器2傳給變速箱14，再由變速箱把動力經傳動軸13及16分別傳到前後橋10，以驅動車輪轉動。內燃機動力還經過分動箱驅動液壓泵3工作。工作裝置由動臂6、搖臂7、連桿8、鏟斗9、動臂液壓缸12和搖臂液壓缸5組成。動臂一端鉸接在車架上，另一端安裝了鏟斗，動臂的升降由動臂液壓缸來帶動，鏟斗的翻轉由轉斗液壓缸通過搖臂和連桿來實現。車架11由前後兩部分組成，中間用鉸銷4連接，依靠轉向液壓缸可以使前後車架繞鉸銷相對轉動，以實現轉向。從裝載機的總體結構圖可以看出，裝載機可分為：動力系統、機械繫統、液壓系統、控制系統。裝載機作為一個有機整體，其性能的優劣不僅與工作裝置機械零部件性能有關，還與液壓系統、控制系統性能有關。動力系統：裝載機原動力一般由柴油機提供，柴油機具有工作可靠、功率特性曲線硬、燃油經濟等特點，符合裝載機工作條件惡劣，負載多變的要求。機械繫統：主要包括行走裝置、轉向機構和工作裝置。液壓系統：該系統的功能是把發動機的機械能以燃油為介質，利用油泵轉變為液壓能，再傳送給油缸、油馬達等轉變為機械能。控制系統：控制系統是對發動機、液壓泵、多路換向閥和執行元件進行控制的系統。液壓控制驅動機構是在液壓控制系統中，將微小功率的電能或機械能轉換為強大功率的液壓能和機械能的裝置。它由液壓功率放大元件、液壓執行元件和負載組成，是液壓系統中進行靜態和動態分析的核心。

③ 裝載機的工作裝置有哪些部分

�0�2�0�2�0�2 裝載機是一種作業效率很高的鏟裝機械，它不僅能對鬆散物料進行裝、運、卸作業，還能對爆破後的礦石以及土壤作輕度的鏟掘丁作。如果交換相應的工作裝置後，還可以完成挖土、推土、起重及裝卸等丁作。因此，裝載機被廣泛應用於建築工程施工中。裝載機主要由工作裝置、行走裝置、發動機、傳動系統、轉向制動系統、液J系統、操作系統和輔助系統組成。 �0�2�0�2�0�2 裝載機的工作裝置主要由動臂、搖臂、鏟斗、連桿等部件組成。動臂和動臂油缸鉸接在前車架上，動臂油缸的伸或縮使丁作裝置舉升或下降，從而使鏟斗舉起或放下。轉斗油缸的伸或縮使搖臂前或後擺動，再通過連桿控制鏟斗的上翻收斗或下翻卸料，由於作業的要求，在裝載機的工作裝置設計中，應保證鏟斗的舉昇平移和下降放平，這是裝載機工作裝置的一個重要特性。這樣就可減少操作程序，提高生產率。

④ 開鏟車怎樣控制好鏟斗

在設計工作裝置時，為了防止裝載機在運輸物料時撒料，通過調整翻斗缸與前車架連接的較點位置，使工作裝置從地面收斗位置到規定運輸位置的高點這一段園弧運動。

鏟斗的收斗限位塊始終是緊緊靠在動臂上的，這樣可以保護工作裝置兔受沖擊，防止物料微落，而且可以簡化駕駛員的操作，不用地面收斗後，到運位置時，再操作一下收斗動作。

這常說的靠擋塊功能通過運動軌跡

仔細分析發現，具有該功能的工作裝置如果沒有收斗限位塊的限制，工作裝置從地面收斗位置到規定運位置的高點這一段園運動中，鏟斗與動臂的相對夾角是逐新減小的。

在實際工作中，由於收斗限位塊的限制，鏟斗迫使拉桿去拉動臂，將翻斗缸缸活塞桿壓回去。翻斗缸活塞桿被壓回去是通過斗缸缸前腔補油進油，後腔泄荷閥回油實現的。

一般來說，後腔泄荷閥的開啟壓力是工作液壓系統的系統壓力的1.25倍。所以，工作裝置從地面收斗位置到規定運輸位置的高點這一段運動中，有可能有一點拉桿所收的拉力、搖臂所受的灣矩比地面起工況所受的相應力還大。

⑤ 輪式裝載機工作原理

裝載機是一種廣泛應用於公路、鐵路、港口、碼頭、煤炭、礦山、水利、國防等工程和城市建設等場所的鏟土運輸機械。它對於減輕勞動強度，加快工程建設速度，提高工程質量起著重要的作用。那麼裝載機的工作原理是什麼?發展前景如何呢?下面yjbys對其結構及工作原理做簡單介紹。

結構及工作原理：

上圖為輪式裝載機總體結構示意圖，裝載機一般由車架、動力傳動系統、行走裝置、工作裝置、轉向制動裝置、液壓系統和操縱系統等組成。發動機1的動力經變矩器2傳給變速箱14，再由變速箱把動力經傳動軸13及16分別傳到前後橋10，以驅動車輪轉動。內燃機動力還經過分動箱驅動液壓泵3工作。工作裝置由動臂6、搖臂7、連桿8、鏟斗9、動臂液壓缸12和搖臂液壓缸5組成。動臂一端鉸接在車架上，另一端安裝了鏟斗，動臂的升降由動臂液壓缸來帶動，鏟斗的翻轉由轉斗液壓缸通過搖臂和連桿來實現。車架11由前後兩部分組成，中間用鉸銷4連接，依靠轉向液壓缸可以使前後車架繞鉸銷相對轉動，以實現轉向。

功能： 其主要功能是對鬆散物料進行鏟裝及短距離運輸作業。它是工程機械中發展最快、產銷量及市場需求最大的機種之一。我們平時看到最多的是輪式裝載機，與它相對的是履帶式的裝載機。與履帶式的相比它具有機動性能好，不破壞路面，操作方便等優點。所以輪式裝載機得到廣泛的應用。本文的研究對象均為輪式裝載機。

從裝載機的總體結構圖可以看出，裝載機可分為：動力系統、機械繫統、液壓系統、控制系統。裝載機作為一個有機整體，其性能的優劣不僅與工作裝置機械零部件性能有關，還與液壓系統、控制系統性能有關。動力系統：裝載機原動力一般由柴油機提供，柴油機具有工作可靠、功率特性曲線硬、燃油經濟等特點，符合裝載機工作條件惡劣，負載多變的要求。機械繫統：主要包括行走裝置、轉向機構和工作裝置。液壓系統：該系統的功能是把發動機的機械能以燃油為介質，利用油泵轉變為液壓能，再傳送給油缸、油馬達等轉變為機械能。控制系統：控制系統是對發動機、液壓泵、多路換向閥和執行元件進行控制的系統。液壓控制驅動機構是在液壓控制系統中，將微小功率的電能或機械能轉換為強大功率的液壓能和機械能的裝置。它由液壓功率放大元件、液壓執行元件和負載組成，是液壓系統中進行靜態和動態分析的核心。

裝載機國內外發展狀況和存在的難題：

目前，國外多功能物流裝備及其相關技術正日益的完善，並朝著系列化、大型化、微型化、多用途等方向發展。國際知名廠商(如山貓，凱斯，卡特彼勒、小松、利渤海爾、沃爾沃等)一則廣泛應用微電子技術與信息技術，完善計算機輔助駕駛系統、信息管理系統，如應用電子監控和自動報警系統，用於物料精確裝、載、運作業的GPS定位與重量自動稱量裝置;二則採用特殊降噪材料、雜訊抑制方法等，消除或降低裝載機工作時的機器雜訊;三則通過不斷改善電噴裝置，進一步降低柴油發動機的尾氣排放量，研究無污染、經濟型、環保型的動力裝置;四則優化工作裝置的結構設計，如由單一的“Z”型連桿機構演變出八桿平行機構、TP連桿機構和“ERASLINK”機構(單動臂鑄鋼結構)，以及O&K公司專為小型多功能裝載機而設計的LEAR連桿機構等，為了提高裝載機的作業生產率，相繼研製出許多功能超強的系統，例如：動力電子控制/管理系統，自動調節發動機輸出功率;發動機自動控制系統，當裝載機處於非作業工況是，自動降低發動機轉速，減少燃料消耗及發動機噪音;關鍵信息顯示系統等。

我國裝載機行業的'主導產品，基本上都是以柳工70年代初開發的ZL50為基礎發展起來的，屬國際60年代技術水平。進入80年代消化吸收美國Caterpillar、日本小松等先進技術，逐步開發成功了我國第二代裝載機產品。我國的第二代產品與國際先進產品相比，在機電一體化、操縱舒適度、作業效率等方面有較大差距，差距最大的是產品可靠性，國產多功能裝載機整機可靠性差(平均無故障工作時間不足400小時)，缺乏核心技術、主要關鍵部件都依賴進口、產品單一，產品檔次低。雖然國內裝載機及相關技術研究工作起步較晚，但是發展速度很快，如多功能裝載機的銷售量已經占據了世界裝載機市場的半壁江山，我國已成為世界多功能裝載機第一產銷大國。

目前我國裝載機行業已經出現了第三代產品。第三代產品的整機可靠性有很大的提高，各主要性能指標基本上能與國際先進水平接軌。但是在可靠性、舒適度、作業效率及製造水平等發面和國外先進水平還有相當差距。第四代產品在第三代的基礎上也已出現，進一步優化了整機的性能及配置，電控箱、濕式制動器等技術得到了應用，並形成了各企業的專有技術及專利技術，使產品以嶄新的面目推向市場。這些都將是進一步促進我國裝載機行業的技術進步。

裝載機的發展趨勢：

微電子技術與信息技術將得到廣泛應用，進一步完善計算機輔助駕駛系統、信息管理系統及故障診斷系統;採用單一吸聲材料、雜訊抑制方法等消除或降低機器雜訊;通過不斷改進電噴裝置，進一步降低柴油發動機的尾氣排放量。除了上述這些外，還有：多功能鏟斗、鬆土器、液村錘、掃雪器等多種工作裝置，體積小、功率大、輕巧靈活、燃油經濟性更好，增大駕駛室尺寸和玻璃窗面積，提高室內的氣壓以防塵，改善控制系統和操縱桿的位置，提高操作環境的舒適性，降低操作者的勞動強度以及美化外觀造型等。特別的由於我國挖掘裝載機起步晚，不論是產品品種、性能參數還是使用可靠性、售後服務等都和國外存在著相當大的差距。因此，它的發展趨勢是引進國外的先進技術開發出高質量、多功能、多品種、多規格的系列產品以提高產品的市場競爭力;加強基礎元件、部件的生產和質量，尤其是提高液壓元件的質量，以達到滿足產品可靠性要求的前提下降低產品成本;提高產品售後服務質量。

參考文獻：

王國彪 《國外輪式裝載機技術的發展現狀》

宋占偉，聞邦椿 《裝載機電子控制技術的發展及應用》

朱長亮 《我國輪式裝載機產品的發展》

王國彪，王岩松，馬鑄 《輪式裝載機的現狀與技術發展》

⑥ 關於ZL40裝載機的鏟斗的參數計算

輪式裝載機工作裝置設計中，要對其各個部件的強度進行計算，方法很多，算出的結果也很精確，但如果外載荷選擇不當，計算將是沒有用的。本文對輪式裝載機工作裝置計算工況，計算載荷進行討論，提出外載荷的求解方法。

1 計算位置和計算工況的確定
裝載機工作裝置強度計算中，應選擇工作裝置受力最大的位置為計算位置。分析裝載機鏟掘、運輸，提升及卸載等作業過程，以裝載機在水平面上鏟掘物料時，工作裝置受力最大。因此對工作裝置強度計算應取裝載機在水平面上作業，鏟鬥鬥底與地面水平時為計算位置。
裝載機工作裝置計算工況，文獻〔1〕、〔2〕中介紹了六種工況：①對稱水平受力工況；②對稱垂直受力後輪離地工況；③對稱水平與垂直同時作用後輪離地工況；④水平受力偏載工況；⑤垂直受力偏載後輪離地工況；⑥水平偏載與垂直偏載後輪離地工況。對於④、⑤、⑥三種工況，由於偏載程度至今尚未研究清楚，若取極限位置進行強度計算，動臂板高應力區都達到了材料的屈服極限，這與實際測量數據出入較大，看來極限偏載工況的假設不盡合理，我們只討論①、②、③種工況。根據對ZL30裝載機工作裝置進行強度分析，①、②種工況的應力大大小於第③種工況的應力，所以我們選工況③為計算工況。工況③是受垂直載荷和水平載荷作用後輪離地工況，由於目前載機設計中，轉斗掘起力遠遠大於動臂掘起力，我們認為第③種工況是轉斗缸掘起使後輪離地，當裝載機繼續鏟裝時，鏟斗與動臂下鉸點沒有著地，動臂是個懸梁。我們取此工況為工作裝置中動臂的計算工況，並把此工況作為工況A。另一種鏟掘工況是鏟斗與動臂的下鉸點離地高度很小，在轉斗作業時有可能接地成為一個支點，致使裝載機的縱向穩定性增加，這種情況轉斗缸力達到最大值，鏟斗、拉桿、搖臂受力最大，我們把此工況作為B工況，為鏟斗、拉桿、搖臂、銷軸的計算工況。

2 外載荷的確定
外載荷的確定在強度計算中是非常重要的。對於工況A中垂直載荷的計算方法，我們的觀點與文獻〔1〕、〔2〕、〔3〕一致，即按靜態傾翻載荷確定垂直力。對水平力計算，文獻〔1〕、〔2〕沒有給出具體計算方法，文獻〔3〕中沒有考慮系統油壓的影響。目前有兩種方法，一是不考慮系統壓力對水平力的影響，取裝載機最大插入力，此時力偏大；一是扣除系統最高壓力時，發動機傳到驅動輪上牽引力，此時力偏小。我認為水平力的計算，應扣除在這種工況下實際工作壓力時發動機傳到驅動輪上的牽引力。對於工況B中的載荷計算方法目前還沒有資料報道。
2.1 載荷作用點的確定
鏟斗承受的水平載荷Rx水平作用在斗刃的中間。根據GB10400-89掘起力定義，垂直載荷Rz作用在距斗刃100mm的中間，見圖1。

圖1 外載荷作用點

2.2 工況A載荷的確定
2.2.1 垂直載荷Rz的計算
由圖1知

式中：Gs——裝載機整機重量；
LA——裝載機重心到前輪中心距離；
LB——R2作用點到前輪中心距離。
2.2.2 水平載荷Rx的計算
2.2.2.1 連桿機構的幾何關系
(1)斗四桿機構見圖2，經過推導有以下關系式

圖2 斗四桿機構

（1）
（2）
（3）
α4＝α2－α3 （4）
α5＝180°－α1－α2 （5）
（6）
α7＝α6－α5 （7）
L4＝R0.sinα4 （8）
L5＝LO1.sinα3 （9）

(2)斗油缸四桿機構見圖3，經推導有以下關系式

圖3 斗油缸四桿機構

（10）
（11）
（12）
α12＝α10－α11 （13）
L6＝R5.sinα12 （14）

2.2.2.2 水平載荷Rx的計算見圖4

圖4 工作裝置機構簡圖

（15）

式中：PT——轉斗缸推力；
L1，L2，L3——結構參數；
L4，L5，L6——通過(1)～(4)式求得。

(工作裝置是單轉斗缸) (16)
(工作裝置是雙轉斗缸) (17)

式中：p——工作壓力；
D——轉斗缸直徑。
式(15)中有兩個未知數PT，RX，但我們可以通過總體計算，導出RX和工作壓力的關系式：
MB＝F1(p) (18)
RX＝F2(MB) (19)
即 RX＝F（p） （20）

式中：MB——工作泵消耗的扭矩(圖5)。

圖5 工作泵消耗扭矩

可以通過逐次求出RX的精確值。首先將RX＝0代入(15)式求出PT，通過(16)，(17)式求出p，再由(20)式求出RX。然後再把RX值代入(15)式重復上述計算，這樣經過多次計算，當兩次RX值接近時，認為此時RX值為精確值，我們用此法對ZL30裝載機工作裝置外載荷進行計算，RX＝65559N，而不考慮油壓時RX＝92567N，按系統最大壓力時RX＝48211N，顯然這幾種計算方法相差較大，最大與最小的值相差一倍多，所以我們認為按我們以上介紹的方法計算是確切的。
2.3 工況B載荷的確定見圖6

圖6 垂直載荷計算簡圖

工況B載荷RZ的確定，應按以動臂下鉸點處為支承點，後輪離地時計算得出的RZ和按轉斗缸最大工作壓力時計算得到的RZ中取其中較小值。
由穩定性確定的載荷RZ：

(21)

由轉斗缸最大工作壓力確定的載荷RZ：

(22)

式中：D——轉斗缸直徑(如是雙缸再乘以2)；
p——轉斗缸最大工作壓力。

3 結論
(1)裝載機工作裝置靜強度計算的載荷工況：對於動臂取水平載荷和垂直載荷同時作用後輪離地工況，鏟斗、搖臂、拉桿、銷軸取以動臂前端為支承點掘起工況。
(2)動臂計算工況中，水平力RX的計算應考慮在此工況下工作壓力對水平力的影響。
(3)提出的水平力RX的計算方法，通過對ZL30，ZL40裝載機工作裝置設計中的強度計算實際應用，認為是可行