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1绪论

1.1课题研究的目的与意义

装载机属于铲土运输机械类，是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口和矿山等建设工程的土石方施工机械。

具有作业速度快、效率高、机动行好、操作轻便的优点，对于加快工程建设速度，减轻劳动强度，提高工程质量，降低工程成本都发挥着重要的作用，是现代机械化施工中不可缺少的装备之一。

在整个装载机结构之中液压系统是装载机的工作和转向的动力源，工作部分和转向部分的液压系统性能关系到整个系统的工作性能高低，液压系统的优化设计因此至关重要。

装载机有两种基本形式：

一种是整体是，多数具有推压机构，前脚驱动，后轮转向；

另一种是铰接式，普遍采用双桥驱动，八字油缸前后桥转向。

后一种是目前大、中型装载机的发展方向。

目前大部分轮式装载机的行走机构都采用液力机械传动，装载机的工作装置多数是在机架上的四连杆机构，它和转向机构同为液压传动。

所以装载机的整个液压系统，一般有工作装置，液压转向和动力换挡变速箱操纵三部分油路组成。

装载机主要用来对散装物料进行铲装、搬运、卸载及平整场地的、等作业，也可以进行轻度铲掘工作，其主要工作装置是动臂和铲斗。

它的基本动作是：

将铲斗插入物料，向后反转铲斗，保持载荷，提升物料到一定高度，将载荷运输到卸荷地点，倾卸，然后回到装料处，如此循环作业。

工作装置应能有效的完成物料的提升和铲斗的翻转，使动臂迅速提升，三项和时间尽量减小，达到较高的使用性能。

转载机的特点是灵活，作业周期短，这一特点决定它转向频繁。

同时，随着装载机日趋大型化，完全依靠人的体力转向是困难的，为改善作业的劳动强度，提高生产率，目前装载机都采用液压转向。

它具有质量轻，结构紧凑，对地面冲击起缓冲作用，动作迅速的优点。

由于转载机工作部分和转向部分的液压系统设计有如此重要的实际应用意义和研究意义，作为即将走上工作岗位的二十一世纪的大学生，特别是机械设计制造及其自动化专业的学生掌握装载机液压基本机构的设计是非常有意义的，也是非常有必要的，因此必须要真正在设计中加深对相关知识的掌握和运用，通过毕业设计来使自己得到提高。

1.2国内外轮式装载机现状及发展趋势

我国装载机始于1960年末，发展至今它经历了4个发展阶段，即60年代仿制摸索阶段；

70年代自力更生研制阶段；

80年代至90年代技术引进、合资合作发展阶段；

90年代后的新技术（信息化和智能化）发展阶段。

全国装载机产品从1976年的446台发展到1996年的18310台，二十年内增长41.1倍。

在全国机械产品中，成为重要代表产品，令世人瞩目。

初期我国刚开始生产装载机是机械履带式装载机Z1-4型4t（成都工程机械厂生产）和红星1立方米装载机（上海港口机械厂生产）及后期Z420、2t液压装载机（成都工程机械厂生产）和Z4353.5t型装载机（厦门工程机械厂、柳州工程机械厂生产），同时研制了我国的回转式装载机Z4H2型2t，180°

回转装载机（成都工程机械厂生产）。

它是首先在中国采用的全液压低压宽基工程轮胎，液力机械变速箱，180°

回转作业，整体刚性车架，带有差速锁装置的四轮驱动轿，为国内生产制造的首台全液压四轮驱动回转装载机。

同时天津工程机械厂也研制出全回转360°

刚性高压胎装载机。

60年代末期，天津市交通局还制成Z425型铰接式高压胎，液力传动装载机，这也是国内首次研制的铰接式装载机。

70年代中期，我国工程机械装载机行业吸取国外先进技术，研制出铰接式装载机ZL50（柳州工程机械厂生产），采用铰接式车架，低压宽基工程胎，液力机械传动，钳盘式制动，四轮转向，轮边减速驱动轿。

且有悬挂装置，具有良好的越野性。

油压由16MPa提到20MPa，动力换档变速箱，大大提高我国轮式装载机水平。

在此基础上，机械部组织天津工程机械研究所与柳工、厦工、成工、宜工、烟工等，本着我国ZL系列装载机合理品种满足最广泛需要的原则，将这种装载机的额定装载重量按R10优先数系排列，再把各总体参数和作用力的关系绘成图表，找到载重量与功率。

总体尺寸参数（最大卸载高度时的卸载距离、轮距、最大卸载高度、轴距）掘起力、牵引力、机重等相互关系，用放大或缩小比例的方法，设计出装载机的各种参数。

同时各级机构均采用双涡轮液力变矩器，双行星排动力换档变速箱，带有轮边行星减速的驱动轿，钳盘式制动器，Z型连杆机构，铰接车架转向等一系列标准化，大大提高产品标准化水平，便于组织专业化生产，为提高维修和保养质量创造基础。

在ZL50和ZL40型之间，ZL20和ZL30之间，零部件通用化程度分别达70%以上。

经过8年时间的努力成功地研制出ZL系列20、30、40、50和ZL90轮式装载机。

同时，在此基础上发展了DZL40和DZL50井下轮式装载机，填补我国井下轮式装载机空白。

80年代我国装载机行业迎来了飞跃发展时期。

通过自行研制与引进国外技术相结合，研制了填补系列ZL10、15，以及小型ZL04、07、08和ZL16、60、70、80、100轮式装载机，同时推土机行业的厂家填补了我国履带装载机的空白。

如：

ZY65型（黄河工程机械厂）6t装载量；

ZY140型（宣化工程机械厂）4t装载量，履带装载机ZY40（天建）、802Z（洛拖）等。

与此同时挖掘装载机也在我国快速发展起来。

它是装载机多种作业化品种之一。

虽起步较晚，但发展较快，已有10余家企业生产此种前面装载、后面挖掘的装载机，加附加装置多达20余种功能。

80年代，我国轮式装载机行业主要是“一条龙”引进美国CAT公司工程机械专有技术。

装载机有CAT936E、966E、980S；

推土机有CATD6D、D7G；

木材集材机CAT518等产品。

同时引进配套液力变矩器、自动变速箱、“四轮一带”、柴油机、液压件等，使得我国装载机行业水平大大提高，缩小了与世界水平的差距。

我国还引进日本小松WA300-1、WA470-1（常林厂），日本川崎KLD85Z、KLD95ZⅡ（徐装厂），日本古河FL90（烟工厂），FL460（沈矿厂）等以及欧洲德国蔡特曼ZL401WLB（川路厂），波兰斯老瓦沃夫L34、L35（四工厂）和美国盖尔公司的SL460滑移小型装载机（徐工厂）。

自90年代以来，国外工程机械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，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。

1.3新技术与新结构

近几年，国外工程机械产品以信息技术为先导，在发动机燃料燃烧与电控、液压控制系统、自动操纵、可视化驾驶、精确定位与作业、故障诊断与监控、节能与环保等方面，进行了大量的研究，开发出许多新结构（或系统）和新产品，提高了工程机械的高科技含量，促进了工程机械的发展。

1.3.1计算机辅助铲土运输技术与GPS定位（全球定位系统）

卡特彼勒将其雄伟计划命名为采矿铲土运输技术系统（METS）。

METS包括多种多样的技术产品，如无线电数据通信、机器监测、诊断、工作与业务管理软件和机器控制等装置。

由以下三部分组成：

1）计算机辅助铲土运输系统（CAES）。

包括机载计算、cm级GPS微波定位和高速无线电通信三项技术。

在运行中，机载系统通过无线电接收整个无线网络中的铲土运输数据、工程数据或现场规划数据。

这些数据都显示在驾驶室内的一个屏幕上，司机在驾驶室内能直观地了解机器的作业位置，并准确地判断需要挖掘、回填或装载的土方量。

2）关键信息管理系统（VIMS）。

VIMS监测机器中极其关键的性能与作业参数，并且通过无线电将数据从该机器传送到业主办公室。

可立即分析数据以便估量机器的当前状态，或加以收集和整理，以便显示机器的作业趋势。

3）CAESoffice软件。

这种软件与来自装有CAES的机器的数据相结合，产生一个集成的现时作业模型，使业主能在接近实时条件下对现场或远处监控各种作业。

1.3.2装载机新技术与新结构

为了提高装载机的作业生产率，自90年代以来，各生产厂商在广泛采用新技术、新结构的同时，经过不懈地努力，相继研制出许多超强功能的系统。

现列举如下：

1）行驶平稳性控制系统——在动臂举升油缸液压回路中增加一个蓄能器，以衰减工作装置在机器行驶过程中产生的振动，减少装载机的颠簸。

2）附着力控制系统——在每个车轮上安装一个速度传感器，自动将所需的制动力施加到车轮上，并将扭矩传给与之紧密相连的车轮，便于装载机直线行驶及转向。

3）动力电子控制／管理系统——根据传动装置及液压系统的工作状态，自动调节发动机输出功率，以满足不同作业工况的需要，提高燃料的经济性。

4）发动机自动控制系统——当装载机处于非作业工况时，自动降低发动机转速，减少燃料消耗及发动机噪音。

5）关键信息显示／管理系统——采用网络通讯技术，在办公室的控制中心实时监控装载机的作业状态，据此向司机提供基于文字提示的精确的故障诊断信息。

6）转向变速集成控制系统——取消传统的方向盘和变速杆，将转向与变速操纵装置集成为一个操纵手柄，并采用简单的触发式方向控制开发和选挡用的分装式加速按钮。

利用肘节的自然动作左右扳动操纵杆，实现转向；

利用大拇指选择按钮，实现前进与后退、加速与减速行驶。

7）销轴润滑系统——能为工作装置上的所有销轴提供为期200h的润滑服务，并使销轴的润滑作业易于完成。

8）舒适驱动控制系统——其目的是提高司机的舒适性，帮助长时间进行作业的司机减轻劳累，保持作业效率。

9）负载感应变速系统——根据负载状态，自动调节车速及发动机飞轮扭矩，实现高速、小扭矩或低速、大扭矩的动力输出。

10）计算机故障诊断系统——通过控制面板上的指示灯、听觉与视觉相结合的报警信号，提醒司机可能潜在的故障隐患。

这样，司机只管全神贯注地工作而无需不断查看仪表读数。

11）负载自动稳定器——采用一对钢膜氮气蓄能器，安装在前车架中，与工作装置液压系统联通。

当作业或低速行驶时，系统自动断开；

当车速超过4.8km／h时，由电子速度开关控制的电磁阀自动开启，蓄能器吸收工作装置液压系统的振动与冲击载荷，提高了操作的稳定性、安全性和舒适性。

12）自动运输控制系统——降低机器在凹凸不平路面上的振动，提高驾驶舒适性和作业效率。

JCB公司456BZX（18t）安装此系统，最高车速达38km／h。

13）燃油／空气比例控制系统——提高燃料的利用率，确保发动机排出的废气符合环境控制法规要求。

14）计算机监控／管理系统——连续监控／管理装载机数十项性能指标参数，在遇到突发或紧急情况时，很容易通过液晶仪表显示、听觉与视觉相结合报警信号，提醒驾驶人员注意。

15）装载量称量系统——自动称量并显示铲斗的净装载量，测量误差小于3％。

16）面板控制系统——采用声、光、电及数字显示的控制面板，实现装载机仪器与仪表的报警与监控。

17）油泵电子管理系统——自动监控油泵的运行状态。

18）柴油发动机先进管理系统——燃油喷射控制及维护发动机最佳性能的电子控制模块，亦可与监测系统进行通信，当发生故障时提醒司机注意。

Cat3516B型发动机装备有此模块。

19）先进的转向系统——替代传统的方向盘和控制手柄，安装在WA1200型上。

。

1.4发展趋势

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；

采用单一吸声材料、噪声抑制方法等消除或降低机器噪音；

通过不断改进电喷装置，进一步降低柴油发动机的尾气排放量；

研制无污染、经济型、环保型的动力装置；

提高液压元件、传感元件和控制元件的可靠性与灵敏性，提高整机的机—电—信一体化水平；

在控制系统方面，将广泛采用电子监控和自动报警系统、自动换挡变速装置；

用于物料精确挖（铲）、装、载、运作业的工程机械将安装GPS定位与重量自动称量装置；

开发特种用途的“机器人式”工程机械等。

1.4.1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。

与此同时，产品更新换代的周期明显缩短。

所谓特大型工程机械，是指其装备的发动机额定功率超过1000HP，主要用于大型露天矿山或大型水电工程工地。

产品特点是科技含量高，研制与生产周期较长，投资大市场容量有限，市场竞争主要集中少数几家公司。

以装载机为例，目前仅有马拉松·

勒图尔勒、卡特彼勒和小松—德雷塞这三家公司能够生产特大型装载机。

1.4.2多用途、微型化

为了全方位地满足不同用户的需求，国外工程机械在朝着系列化、特大型化方向发展的同时，已进入多用途、微型化发展阶段。

推动这一发展的因素首先源于液压技术的发展——通过对液压系统的合理设计，使得工作装置能够完成多种作业功能；

其次，快速可更换联接装置的诞生——安装在工作装置上的液压快速可更换联接器，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联接，使得更换附属作业装置的工作在司机室通过操纵手柄即可快速完成。

一方面，工作机械通用性的提高，可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，为了尽可能地用机器作业替代人力劳动，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、舱位、农舍、建筑物层内和地下工程作业环境的使用要求，小型及微型工程机械有了用武之地，并得到了较快的发展。

为占领这一市场，各生产厂商都相继推出了多用途、小型和微型工程机械。

如卡特彼勒公司生产的IT系列综合多用机、克拉克公司生产的“山猫”等。

1.4.3电子化与信息化互动

以微电子、Internet为重要标志的信息时代，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，进一步提高了产品的性能及高科技含量。

LeTourneau集成网络控制系统便是一例。

通过显示在机载计算机屏幕的出错信息，提示司机出错原因，并采用三级报警灯光信号（蓝、淡黄、红）表示发动机、液压系统、电气和电子系统的各种状态。

目前，该系统已安装在L1350型矿用装载机上。

1.4.4不断创新的结构设计

以装载机为例，工作装置已不再采用单一的“Z型”连杆机构，继出现了八杆平行结构和TP连杆机构之后，卡特彼勒公司于1996年首次在矿用大型装载机上采用了单动臂铸钢结构的特殊工作装置，即所谓的“VersaLink机构”。

这种机构替代综合多用机上的八杆平行举升机构和传统的“Z型”连杆机构，可承受极大的扭矩载荷和具有卓越的可靠性（耐用性），驾驶室前端视野开阔。

O＆K公司研制的创新LEAR连杆机构，专为小型装载机而设计。

Schaeff公司于2000年3月在Intermat展览会上展出的高卸位式SKL873型轮式装载机的可折叠式创新连杆机构工作装置，进一步增加了轮式装载机的工作装置的种类。

1.4.5安全、舒适、可靠

驾驶室将逐步实施ROPS和FOPS设计方法，配装冷暖空调。

全密封及降噪处理的“安全环保型”驾驶室，采用人机工程学设计的司机座椅可全方位调节，以及功能集成的操纵手柄、全自动换挡装置及电子监控与故障自诊断系统，以改善司机的工作环境，提高作业效率。

大型工程机械安装有闭路监视系统以及超声波后障碍探测系统，为司机安全作业提供音频和视频信号。

微机监控和自动报警的集中润滑系统，大大简化了机器的维修程序，缩短了维修时间。

如卡特彼勒公司的F系列装载机日常维修时间只需3.45min。

目前，大型工程机械的使用寿命达2.05万小时，最高可达2.5万小时。

1.4..6节能与环保

随着工程机械品种和数量的不断增加，大量工程机械所消耗的资源、排放的污染物对环境产生了难以估计的负荷。

为保护人类十分宝贵且有限的地球资源，实现全球可持续发展，提高操作人员的安全性及工作舒适性，努力达到人、机和环境的亲和，很有必要按照汽车行业的环保标准来设计工程机械产品。

尽管目前工程机械尚未归并入限制排放的机动车行列，但随着国内外各大中城市对城市环境保护的日益重视，对机动车辆尾气排放用烟度、噪声等指标的限制愈来愈严格；

特别是随着装载机等数量大的工程机械产品在市政建设中的使用量不断加大以及人们日益增强的环保意识，可以预见开发研制环保节能型产品是今后工程机械发展的趋势。

为提高产品的节能效果和满足日益苛刻的环保要求，国外工程机械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。

目前，卡特彼勒公司生产功率为15～10150kM的柴油发动机。

其中6缸、7．2升、自重588kg、功率为131～205kW的3126B型环保指标最好，满足EPATierⅡ和EUStageⅡ排放标准。

卡特彼勒3516B型发动机装有电子喷射装置及ADEM模块，可提高22％的喷射压力，便于燃油完全、高效燃烧，燃烧效率可提高5％，NoX下降40％，扭矩增加35％。

个别厂家生产的工程机械产品，机外品噪声已降至72dB（A）。