典型工程机械介绍-装载机

第三章装载机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机构和连杆，随机械前进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式机械。第一节概述一、功用装载机主要用来铲、装、卸、运土与砂石类等散状物料，也可对岩石、硬土等进行轻度的铲掘作业能力。装载机被广泛应用于建筑、公路、铁路、水电、港口、矿山及国防等工程中进行土石方施工作业。装载机的作业对象：各种土壤、砂石料、灰料及其他筑路用散状物料。作业时，装载机在行走装置产生的牵引力作用下将铲斗插入料堆，再利用工作装置操纵机构将铲斗掘起而装满铲斗，然后运输到卸载地点卸载。在施工中装载机大多是配合运输车进行运输作业以充分发挥装载机的铲装功能；装载机也常用于集料场、沥青混凝土拌和站、稳定土拌和站进行上料作业。装载机比较容易更换圆木夹具、起重装置、升降叉等工作装置，因而可以完成其他类型的施工作业。二、分类：见书73页三、装载机发展概况国外装载机的主要生产厂家是美国卡特皮勒公司和日本小松制作所。美国克拉克公司以生产大型装载机为主，而约翰·迪尔公司则生产一系列的小型多功能装载机。我国从20世纪60年代初开始小批量试制生产单斗装载机，到现在已有近百个厂家，生产轮胎式装载机和少量履带式装载机。除单斗轮胎式装载机和履带式装载机外，我国近几年还开发有少量的多功能装载机，如装载挖掘机和伸缩臂装载机。近年来，国内外装载机的发展趋势可归结为如下几个方面：1、装载机的大型化与小型化为适应越来越多的大型工程建设发展的需要，装载机(特别是轮胎式装载机)开始向大功率、大斗容量的方向发展。在国内开发了ZL100型（斗容量5.4m3）和ZL72B型（斗容量6.1m3）的较大型装载机。在国外，美国的卡特皮勒公司开发了斗容量为17.2~30.4m3的大型装载机。同时，为适应市政建设、城市环境和小型工地施工的需要，小型装载机也得到了较大的发展，特别是全液压传动式小型装载机，在美国已占装载机总数的40％。例如日本东洋搬运株式会社生产的“310”型小型轮胎式装载机（斗容量仅为0.1m3），功率约为10kW。2、新结构、新技术的采用采用新结构、新技术，可以提高机器效率、操作性、安全性和舒适性。在装载机动力上，普遍采用废气涡轮增压式柴油机。传动系统上，采用双泵轮液力变矩器，使发动机功率和装载机的牵引力随作业工况能获得比较理想的匹配；有的装载机上采用了新型差速器，如扭矩比例式差速器、防滑差速器、限制滑动差速器。传动方式也有发展，出现了电动轮装载机。制动系统上，国外已使用封闭结构油冷湿式多片制动器、双泵双管路制动系统等以提高制动效能，减少维修保养工作量。驾驶室装有空调和隔音设备等。这些新结构、新技术使机械始终保持在最佳工作状态，改善了作业安全性、可靠性和操作人员舒适性，能充分发挥操作人员的最大效能，提高机器的综合性能。3、向机电液一体化、电子化方向发展随着电子技术、计算机技术的进步与不断发展，为保证机器的可靠性、安全性和节省能量，已将一些电子技术、智能技术用在装载机等一些工程机械上，以提高机器的各种性能和作业质量。4、追求快速、灵活、高效由于轮胎式装载机具有质量轻、速度快、机动灵活、效率高、维修方便等一系列优点，所以国内外轮胎式装载机发展较快，轮胎式装载机在品种规格、数量上都远比履带式装载机多。第二节装载机结构分析一、装载机的总体构造轮胎式装载机是由动力装置、车架、行走装置、传动系统、转向系统、制动系统、液压系统和工作装置等组成。轮胎式装载机多采用柴油机作为动力装置，大多采用液力变矩器，动力换挡变速箱的液力机械传动形式(小型装载机有的采用液压传动或机械传动)。液压操纵、铰接式车体转向、双桥驱动、宽基低压轮胎、工作装置多采用反转连杆机构等。履带式装载机是以专用底盘或工业拖拉机为基，装上工作装置并配装适当的操纵系统而构成的，动力仍采用柴油机，机械式传动采用液压助力湿式离合器和湿式双向液压操纵转向离合器和正转连杆工作装置。工作情况介绍：二、传动系统下图为轮式装载机的传动示意图。发动机动力直接传输给双涡轮变矩器泵轮，由泵轮经一级齿轮传动驱动转向油泵、变速操纵油泵和工作装置操纵系统油泵；变矩器两涡轮通过超越离合器将动力传给行星变速箱输入轴，由变速箱输出的动力再经一级齿轮减速后由前后传动轴分别传给前后驱动桥，动力由驱动桥经中央传动变换90度方向，再经差速器、半轴，最后经行星式轮边减速后传给驱动轮。下图为履带式装载机传动简图。机械式传动系统，变速箱为拨动齿轮换挡式最终传动采用了行星减速装置。1、变矩器此装载机采用双涡轮液力变矩器，可随载荷变化自动改变变矩工况，扩大了变矩器的高效区。除具有一般三元件液力变矩器的变矩特性外，还相当于一个两挡自动变速箱，提高了装载机对载荷的自适应性。双涡轮变矩器的特性曲线如下图所示。轻载工况下，只有二级涡轮传递扭矩，因此传力小，此时变矩器工作在曲线“2”区段；随着外载荷的增加，涡轮将减速，当二级齿轮的转速低于一级齿轮的转速时，一级涡轮和二级涡轮共同传递扭矩，使得变矩系数增大，此时变矩器工作在特性曲线的“1”区段。从曲线可看出，双涡轮液力变矩器的变矩系数大，并且高效范围宽，使得装载机在铲装作业时具有低速大牵引力，而在运输工况时具有较高车速；另外，由于变矩器具有两相，其变矩系数的曲线由两段不同的曲线组成，因此能随外负荷的变化自动变速。变矩器本身相当于两挡变速，这样可减少变速箱的挡位数，大大简化了变速箱的结构和操纵。2、变速箱变速箱由箱体、超越离合器、行星变速机构、摩擦片离合器、油缸活塞、变速泵、变速操纵阀，滤油器以及轴和齿轮等主要零部件组成。这是一个行星式变速箱，构成两个前进挡和一个倒退挡。装载机的行驶换向和切断传动系动力均由该变速箱实现。由于双涡轮变矩器的自动变挡功能，变速箱得以简化而仍能满足牵引工况和行驶工况大范围变速的要求。下图为日本川崎KSS80装载机上采用的定轴式动力换挡变速箱。该变速箱为组合式，由换向机构和四个变速机构串联而成，共有四个前进挡和四个后退挡。3、驱动桥三、转向系统轮式装载机大多采用铰接式结构，其转向系统有液压助力转向和全液压转向两种。下图为全液压转向，系统由先导油路和主油路组成，最高压力分别为2.5MPa和12MPa。通过全液压转向器及流量放大阀，使先导油路的流量变化与主油路进入转向液压缸的流量变化成一定比例关系，以低压小流量来控制高压大流量，使转向操纵轻便灵活，系统功率得到充分利用。柳工ZL50型装载机转向系统厦工ZL50型装载机转向系统四、制动系统第三节工作装置装载机工作装置布置在装载机的前端，通过连杆机构铰接在装载机的前机架上。作业装置为可拆式，可根据作业需要进行换装，用以适应不同的作业对象。装载机的工作装置由铲斗、动臂、摇臂、连杆、动臂油缸、转斗油缸及其液压控制系统所组成。一、类型装载机的工作装置按照运动机构杆件的数量可分为六杆机构和八杆机构；按照机构运动时摇臂与铲斗转向的配合可分为正转机构和反转机构，摇臂与铲斗转向相同则称为正转机构，反之称为反转机构。常用的组合形式有正转六杆机构、正转八杆机构和反转六杆机构，见下图：在装载机进行作业时，工作装置应能保证：1）当转斗油缸闭锁，动臂举升或降落时，连杆机构能保证使铲斗上下平动或接近平动，以免铲斗倾斜而洒落物料。2）当动臂处在任何位置时铲斗绕动臂铰点转动进行卸料时，其卸料角不小于45度；3）在卸料后，当动臂下降时，又能使铲斗自动放平。六杆机构结构简单，但连杆传动比较小，在大型装载机上要保证连杆传动效率，应使连杆机构尺寸很大；八杆机构结构较复杂，但连杆传动比较大，较适合大中型装载机。正转装载机构在工作时杆件运动干涉少，动臂可做成直线型，加工简单；反转装载机构为了避免运动中杆件的干涉，动臂常做成“Z”形，并且，只能采用一个转斗油缸布置在框架中间。正转六杆机构在动臂提升过程中，铲斗收斗角(后倾角)变化很大，易洒料；而反转六杆机构和正转八杆机构铲斗后倾角随动臂升降变化较小，工作时不易洒料。轮式装载机的工作装置广泛采用正转八杆和反转六杆机构。瑞典VOLVO公司的BM系列装载机采用正转八杆机构，美国卡特皮勒公司的轮式装载机有正转八杆和反转Z形六杆两种形式。我国ZL系列轮式装载机的工作装置则普遍采用反转Z形六杆机构。二、装载机工作装置的构造下图为国产ZL系列装载机工作装置。由铲斗、动臂、摇臂、连杆、动臂油缸、转斗油缸及其液压控制系统所组成。图中，两条动臂下端铰接于机架，上端铰接于铲斗，为铲斗提供支承；在动臂下侧，焊有动臂举升油缸活塞杆铰接支座，油缸活塞杆铰接在支座内的销轴上。销轴和铰接支座承受举升油缸的升举推力，由安装于机架上的两个动臂油缸同步操纵升降。Z形反转六杆机构为了避免机构干涉，只有一个摇臂安装在连接两条动臂的横梁上，处于对称中心位置。摇臂的一端铰接转斗油缸的活塞杆，另一端与连杆铰接，连杆另一端提供铲斗第三个支点。机构锁定时，可使铲斗在空间定位，而机构运动时，转斗油缸活塞的运动可通过摇臂和连杆的传递，使铲斗以动臂铰销为转轴转动而实现铲装和卸料作业。正转机构的工作装置不存在机构干涉问题，一般在左右动臂所在的平面内布置连杆、摇臂和转斗油缸。左右动臂以横梁连接在一起以增加机构刚度。下图为VOLVOBM系列装载机采用的正转八杆机构工作装置，其转斗油缸装在后连杆的位置上。1、铲斗：装载机的铲斗主要由斗底、后斗壁、侧板、斗齿、上下支承板、主刀板和侧刀板等组成。其中，后斗壁和斗底为斗体，呈圆弧形弯板状，圆弧形铲斗有利于物料贯入流动。专用于铲装岩石的铲斗斗体内还焊有弧形加强筋。斗体两侧与侧板焊接成斗。斗底前缘焊有主刀板，侧板上缘焊有侧刀板。主刀板和侧刀板均采用高强度耐磨材料制成。常用装载机铲斗主刀板形状有直刃形、V形、直刃带齿形和V形刀刃带齿形四种，如下图所示。1）斗体形式：从整个斗体形状看，铲斗可分为浅底和深底两种，在斗容量相同时，浅底开口尺寸大，斗底深度较小，即斗前壁较短，而深底则相反。浅底铲斗插入物料的深度小，相应的插入阻力小，容易装满，但运输行驶时容易撒料，而深底铲斗则相反，因此若定点装载使用浅底铲斗，而运输距离较大时采用深底铲斗。2）切削刃的分类：切削刃有直线形和非直线形，直线形切削刃有利于铲平地面，但铲装阻力大，非直线形切削刃有V形和弧线形等，这种刃中间突出，铲斗插入料堆时可使力集中在斗刃的中间部分，插入力较小，易插入料堆，并有利于减少偏载插入，但铲斗的装满系数较小。3）斗齿铲斗斗刃上可以有斗齿，也可以没有斗齿，若有斗齿，工作时斗齿将先于切削刃插入料堆，由于比压大，因此比不带齿的切削刃易于插入料堆，插入阻力能减少20%，特别是料堆比较密实，大块较多的情况，故一般矿用轮式装载机的铲斗均带斗齿。一般斗齿用高锰钢制成，用螺栓固定在铲斗斗刃上。铲斗斗齿用螺栓坚固在主刀板上，斗齿磨损后可以更换。齿形有尖齿(长而窄)和钝齿(短而宽)两种。尖齿较易插入物料中，但耐磨性较差。轮式装载机通常采用长而窄的尖形斗齿。钝齿较耐磨，但插入阻力大些。履带式装载机附着牵引力较大，可选用宽而短的钝形斗齿，用以提高斗齿的使用寿命。斗齿在主刀板上的分布间隔一般为150~350mm。太大时由于切削刃直接参与插入工作，使阻力增大，太小时齿间易卡住石块，也将增加阻力。铲斗的分类：1）整体前卸式：2）侧卸式：3）推卸式铲斗：4）底卸式铲斗：2、动臂装载机工作装置的动臂有两条，分别支承铲斗的两端用来安装和支承铲斗，并通过举升油缸实现铲斗升降。动臂有曲线形(z形)和直线形两种。曲线形动臂常用于反转式连杆机构。直线形动臂的结构和形状简单，容易制造，生产成本低，受力状况好，通常用于正转式工作装置机构。动臂的断面结构形式有单板、双板、工字形和箱形四种。单板式动臂结构简单，工艺性好，制造成本低，但扭转刚度较差。中小型装载机多采用单板式动臂，而大中型装载机则多采用双板形或箱形断面结构的动臂，用以加强和提高抗扭刚度。动臂举升油缸的布置有以下两种方式：立式布置和卧式布置，最近生产的装载机多用卧式布置形式。3、限位机构：为使装载机在作业过程中操纵简便