輕載物料輪式裝載機設計

區思榜，張斐朗，黃意業，孟顯利

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 前言

輪式裝載機[1]屬于鏟運機械類，是一種廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口、煤礦、礦山和糧食等各行各業的作業機械。輪式裝載機具有適應性強、機動性好、作業速度快、效率高、操作輕便等優點；對于提高作業效率，減輕勞動強度，降低工程成本，提高工程質量發揮著重要的作用，是現代機械化施工中不可缺少的裝備之一。

輪式裝載機除了在土方、礦山、建設、建筑、煤礦等重要領域大量應用外，還在一些細分市場上發揮著主導的作用，如糧食市場，在攤曬、收集、鏟裝、運輸和堆垛糧食等作業環節，都由裝載機完成。目前，糧食市場，幾乎是輕載物料裝載機的市場。立足于市場，導向源于終端客戶，要獲得客戶的青睞，必須為客戶提供超高卸高、超大斗容的產品裝載機，以滿足客戶的要求。針對糧食市場，在5 t機型上，需要設計出一款滿足此糧食工況的卸高4 200 mm、斗容6 m3的輕載物料裝載機。

1 糧食工況對輕載物料輪式裝載機工作裝置的特殊要求

1.1 工況分析

裝載機在鏟裝糧食工況下，主要面臨以下難題：

（1）卸高：運輸糧食的車輛主要以貨車、火車為主。貨車的擋板高度一般高于3 800 mm，而火車的擋板高度在4 200 mm左右。某加長臂裝載機的卸高約在3 500 mm，離需求高度相差700 mm，二者相差甚遠。如圖1所示，改裝后的加長臂還達不到貨車裝車高度要求。

圖1 加長臂裝載機鏟裝作業

（2）斗容：由于糧食為輕載物料，密度在0.65～0.75之間，某普通臂和加長臂的額定載荷為5 t，輕載物料因為懸臂十分長，為了裝載機能有足夠的穩定性和舒適性，避免整機過重，額定載荷降至4 t，斗容可在6 m3以內適宜，超大斗容比普通臂和加長臂裝載機的斗容（3 m3）大了100%，圖2為客戶改裝斗。

圖2 改裝斗

（3）高粉塵：在作業現場，漂浮著大量的顆粒分塵，重度的粉塵對工作裝置銷軸的潤滑造成嚴重的破壞。

1.2 設計分析

根據以上工況分析，對滿足此種工況的輕載物料裝載機工作裝置設計，需要注重以下幾點考慮：

（1）卸高4 200 mm，比某加長臂裝載機長足足高出700 mm，在前車架、動臂油缸及鏟斗油缸不變的情況下，對工作機構的優化和實現是一個挑戰；另外，工作裝置的重量預計增重250 kg。這二個難點將會嚴重影響整機的穩定性，導致整機的額定載荷直線下降；

（2）鏟斗斗容要求不小于6 m3，比3 m3標斗大了100%，重量預計增加600 kg左右，這也會影響到整機的穩定性，降低整機的額定載荷；

（3）高粉塵的工作環境給工作裝置設計也帶來了一定的困難，如何實現銷軸的潤滑。

經過分析，要實現輕載物料裝載機工作裝置的目標設計，必須解決以上3個關鍵問題：第一點，重點需要解決的是機構優化；第二點，著重解決整機穩定性；第三點需要解決銷軸如何潤滑。前二點的穩定性可以通過仿真軟件模擬，增加配重來彌補整機穩定性，而第三點可以用自潤滑軸套和集中潤滑相結合方案來解決。

2 輕載物料裝載機工作裝置設計

2.1 設計目標參數定義[2]

輕載物料裝載機定義參數如表1所列。

表1 裝載機定義參數表

2.2 滿足輕載物料裝載機工作裝置設計方案與實施

輕載物料裝載機在是現有某普通機型上衍生的產品，除了工作裝置、鏟斗不同之外，其它系統部件基本相同。因此，將以現有常規的裝載機為基礎，更換新的工作裝置，適當根據整機的穩定性來增加配重，實現輕載物料裝載機設計，必須解決以下問題。

（1）工作裝置優化（配6 m3活動刀板斗）

在其他零部件不變的前提下，卸高要求越高，工作裝置越難以優化，工作裝置所要求達到的參數值越難以實現，要所有特別關注的參數值像某普通機型一樣苛刻嚴格是達不到的。在既不影響整機的性能參數，又不影響工作裝置機構的參數要求，適當降低苛刻要求的程度，以達到整體目標。借用先進的工作裝置優化軟件，運用二維三維仿真軟件，可以優化出合理的工作裝置參數，把卸高由3 500 mm增至4 200 mm，同時可滿足整機的動臂掘起力80 kN，鏟斗掘起力110 kN，提升能力65 kN等要求。

（2）控制工作裝置及鏟斗重量

由于工作裝置的各個部件都比加長臂的長了一大截，特別是動臂，前懸增加了700 mm，這時需要嚴格控制好工作裝置和鏟斗的重量。在工作裝置及鏟斗強度和剛度都滿足的條件下，合理地降低重量，有利于整機的穩定性和提升能力，不至于后期不斷加配重來彌補這缺口。不斷增加配重，整機顯得笨重，一來會導致整機靈活性差，消耗過多的動力能源，二來會降低工作效率，三來造成昂貴的成本。通過放樣計算，工作裝置重量由1 750 kg增至2 000 kg，鏟斗總成由1 500 kg增至2 000 kg，共增加750 kg。

（3）整機穩定性及整機重量計算

整機穩定性計算示意圖3所示。

圖3 整機穩定性計算示意圖

（a）整機穩定性計算：

公式一：nj*Nj=L3*Gh，

公式二：nj*Nj=L6j*F2j

輸入加長臂整機參數計算，Nj=11.3 kN，F2j=52.3 kN

（b）輸入輕載物料對應參數：F2c=F2j=52.3 kN

由于工作裝置和鏟斗總成預計增重750 kg，相當于在加長臂整前懸基礎上，增加了額外前懸力矩：

公式三：M1=Nz*nc

公式四：K*（nc*Nc+M1）=L6c*F2c

Nc=83.6 kN

設計目標：Nc>95 kN，

與設計目標值95 kN還相差11.4 kN，

需要增加配重重量Np=11.4*nc/L6c=650 kg

輕載物料整機重量估算：17 100+750+650=18 500 kg

各變量含義：

Gh：空載后橋負荷

L3：空載后橋力臂

Nj、Nc：整機傾翻載荷

nj、nc：整機傾翻載荷力臂

M1：額外前懸力矩

F2c、F2j：整機尾端載荷

L6j：整機尾端載荷力臂

K：傾翻安全系數

Nz：增加傾翻載荷

Np：增加配重載荷

（4）工作裝置校核[3]

工作裝置最大變化是動臂和搖臂，所要，主要校核是工作裝置中的動臂和搖臂，通過用仿真軟件計算及實測，結果如表2所列。

表2 工作裝置校核表

根據上述數據，安全系數都在1.5以上，動臂和搖臂都滿足強度要求。

3 輕載物料裝載機整機測試

3.1 整機調試

輕載物料裝載機樣機下地后，經專業人員調試，裝載機跑車正常，最高時速38 km/h，與常規機型速度一樣；整機舉升能力正常，輕松舉起4 t砝碼，下降時整機穩定性良好，輕載物料輪式裝載機如圖4所示。

圖4 輕載物料裝載機

3.2 整機基本性能測試[2]

整機基本性能測試結果如表3所列。

表3 整機性能測試結果

測試數據表明，輕載物料裝載機的各項指標達到設計要求，滿足糧食市場需求。

4 結束語

目前，輕載物料系列裝載機輕市場驗證，各方面性能達到用戶要求，滿足市場。輕載物料裝載機的穩定性比常規裝載機差，只適合鏟裝輕載的松散物料。為了得到更好的穩定性，需要做一些改進。一是盡量減少前懸部分的重量，二是通過液壓系統控制，盡量降低工作裝置下降速度；三是可適量增加附加配重。