工作装置设计：铲斗形状对黏性物料卸净性的影响

（一）铲斗的设计

铲斗是工作装置的重要部件，工作条件恶劣，时常受到很大的冲击载荷及剧烈的磨削，其结构形状及尺寸参数对插入阻力、掘起阻力和生产率有着很大的影响。

1.铲斗设计要求

铲斗设计要求满足：插入及掘起阻力小，作业效率高；具备足够的强度、刚度和耐磨性适应铲装不同种类和重度的物料，备有不同结构形式和斗容的铲斗。

2.铲斗结构形式的选择

不同种类的铲掘物料，需用不同结构形式的铲斗，如图10.13 所示。通常铲斗由切削刃、斗底、侧壁及斗壁组成。铲斗切削刃的形状根据所铲装物料的不同而异，通常分为直线形和非直线形（V 形或弧形）两种。

图10.13　铲斗结构形式

非直线形切削刃（装载机多用V 形）中间突出［见图10.13（b）］，在铲斗插入料堆时，切削刃的中部能形成很大的比切力，容易插入料堆，且对中性较好。但平地性和装满系数均不如直线形切削刃铲斗。

装有斗齿的铲斗［见图10.13（c）、（d）］在铲斗插入物料时，插入力分布在几个斗齿上，使每个斗齿形成很大的比压，因此，具有良好的铲入和掘起性能，适用于铲装堆积密实的物料及块度较大的岩石。斗齿可以延长切削刃的使用寿命，同时磨损后也易于快速更换。斗齿的形状对插入力有一定的影响，实验证明，非对称、窄而长的斗齿比对称的、短而宽的斗齿切削阻力要小。

弧线或折线形铲斗侧刃的插入阻力比直线形侧刃小，但具有弧线或折线形侧刃铲斗的侧壁较浅，物料易从两侧撒落，影响铲斗的装满。这种形状的铲斗较适宜铲装岩石。

铲斗的形状对铲装阻力和黏性物料卸净性有较大的影响。对于主要用于铲装土方的装载机，希望斗底圆弧半径 R1 大些，斗底长度短些。如图10.14（a）所示，以改善泥土在斗内的流动性，减少物料在斗内的运动阻力。而对于主要用于铲装流动性较差的岩石装载机，希望采用圆弧半径较小的铲斗，如图10.14（b）所示，这种铲斗贯入性好，可以减小铲斗插入料堆的阻力，同时也可以改善司机的视野。但过深的铲斗台引起斗底太长，造成掘起力变小。

图10.14 铲斗形状

3.铲斗参数的确定

（1）铲斗宽度B：铲斗的主要基本参数。铲斗宽度应大于装载机前轮外侧宽度，每圈突出 50～100 mm。若B 小于前轮外侧宽度，则铲斗铲取物料后所形成的料堆阶梯，会损伤轮胎侧壁，并增加行驶阻力。

（2）铲斗回转半径 R0 ：指铲斗与动臂铰接点至切削刃之间的距离，是铲斗的最基本参数之一，铲斗的其他断面形状参数可以视为该参数的函数。根据几何图形（见图 10.15）计算可以得到铲斗横截面积为

而铲斗的几何容积为 Vg，可以求得铲斗的回转半径 R0：

式中　Vg——（平装）斗的几何容量，由总体设计给定，m3；

　　　B0——铲斗内壁宽度，为铲斗宽度扣除两侧壁厚β ，即 B0=δ−2β，mm；

　　　λg——铲斗长度系数，取1.4～1.5；

　　　λz——后斗壁长度系数，取1.1～1.2；

　　　λk——挡板高度参数，取0.12～0.14；

　　　λr——斗底和后斗壁直线间的圆弧半径系数，取0.35～0.4；

　　　γ1——挡板与后斗壁之间的夹角，取5°～10°；

　　　γ0——斗底和后斗壁之间的夹角，取48°～52°。

图10.15　铲斗基本参数简图

4.斗容的计算

铲斗的基本参数确定后，根据铲斗的几何尺寸，如图10.16 所示，可以计算铲斗的容量。

图10.16　斗容计算图

（1）几何斗容（平装斗容）Vg。

无挡板铲斗几何为

式中　A0——铲斗截面面积，m2；

　　　B0——铲斗内壁宽度，m。

有挡板铲斗的几何斗容为

式中　a——挡板垂直刮平线的高度，可以近似取为挡板高度，m；

　　　b——铲斗刀刃与挡板最上部之间的距离，m。

（2）额定斗容（堆装斗容）Vh。

无挡板铲斗的额定斗容为

式中　b——铲斗刀刃与斗背最上部之间的距离，m；

　　　——物料按2∶1 的坡角堆装的体积。

有挡板铲斗的额定斗容为

式中　c——物料堆积高度，m。

物料堆积高度可以由作图法确定，即由料堆作直线垂直于刮平线 CD（刀刃与挡板高度连线），与刀刃和挡板下缘之连线相交，该交点与料堆尖端之距离为物料堆积高度。(www.xing528.com)

（二）动臂设计

1.动臂铰点高度

动臂铰点的位置是通过作图来确定的。如图10.17 所示，若确定了动臂下铰点（动臂与铲斗的铰接点）的最高位量 Bi ，则最大卸载高度Hmax，最大卸载高度时卸载距离（最小卸载距离）lmin及最高位置时的卸载角β 可以确定。在图 10.17 中，α′为斗底与铲斗回转半径的夹角，动臂下铰点位于铲斗在地面铲掘时的位置 B1 ，在考虑斗底与地平面夹角δ=3°~5°时及铲斗装满物料后倾不与轮胎相碰的情况下，尽量靠近轮胎，以减小装载机的整机尺寸。动臂的上铰点A 应在 BiB1 连线的垂直平分线上。当最大卸载高度和最小卸载距离一定时，上铰点的前后位置影响动臀的长度 lD、动臂的回转角ϕ、动臂最大伸出时的稳定性。lA大，动臂增长，动臂回转角减小，倾翻力矩小，提高了装载机在铲斗最长伸出时的稳定性，因此，在总体布置允许的情况下希望lA 大些。动臂与车架铰点的高度通常取：

图10.17　确定斗臂铰接点位置及长度计算图

式中　R0——铲斗回转半径。

动臂与车架铰接点的左右位置，根据装载机的轮距、动臂、转斗油缸的尺寸布置和视线等确定。动臂回转角通常取ϕ=80°~90°。

2.动臂长度

动臂铰接点位置确定后，按照图4.17 利用几何关系计算动臂的长度 lD

式中　lmin——铲斗最小卸载距离，mm；

　　　α′——铲斗回转半径与斗底的夹角；

　　　β——铲斗最大卸载高度时最大卸载角，通常取β > 45°，在总体设计时确定；

　　　lB——动臂与车架铰接点到装载机前面外廓水平距离，mm；

　　　Hmax——最大卸载高度，mm，总体设计时确定。

求出动臂长度后，根据其铰点的位置和铲斗的结构参数进行校核，看是否满足总体尺寸的要求以及动臂在最低位置铲斗最大后倾时是否与前轮（或履带式装载机散热器罩）相干涉。若不满足，可以向前移动A 点的位置，或增加动臂的长度。

3.动臂的形状与结构

动臂形状一般可以分为直线形和曲线形两种，如图 10.18 所示。直线形动臂结构简单，制造容易，并且受力情况较好，通常正转式连杆工作装置采用较多；曲线形动臂，一般反转式连杆工作装置采用较多，该种形式可以使工作装置布置更为合理。

图10.18　动臂的结构形式图

（三）连杆机构设计

连杆机构是由铲斗、动臂、连杆、摇臂和转斗油缸等组成，该机构的设计是个较复杂的问题。对给定结构形式的连杆机构，在满足使用要求的情况下，各构件可以设计成各种尺寸及不同铰接点位置，构件尺寸及铰接点的位量可变性较大。所以设计出的连杆机构，并不都具有高的技术经济指标。要想获取连杆机构的最佳尺寸及构件最合理的铰接位置，需要结合总体布置、构件的运动学及动力学分析，并综合考虑各种因素进行方案比较，选择较理想的方案。若运用优化设计理论，借助电子计算机，得出更为理想的优化方案。

目前连杆机构的设计有计算-作图法、图解法和计算机辅助设计等方法，结合统计数据和同类型装载机的工作装置类比，最后确定连杆机构的尺寸和铰接点位置。如图10.19 所示，以反转式单连杆机构为例，介绍计算-作图法。

1.连杆机构的设计要求

（1）平移性好，动臂从最低到最高卸载高度的举升过程中，铲斗后倾角α 的变化尽量小，尽量接近平移运动，保证满载铲斗内的物料不洒落，一般相对于地面的转角不大于 15°，铲斗在地面时的后倾角取 α1=45°左右（见图 10.20），在运输位置取α′> 45°，在最大卸载高度一般取47°～61°。

图10.19　反转式单连杆机构

图10.20　铲斗提升示意图

（2）卸料性好，在动臂举升高度范围内的任意位置，铲斗的卸载角 βk > 45°，确保卸净物料。

（3）动力性好，在设计构件尺寸时，为保证连杆机构具有较高的力传递效率，斗杆机构要满足铲掘位置传动角接近 90°，使有效分力大，以便有较大的掘起力；运输位置传动角小170°。这个角太大会使铲斗收不紧，导致运输途中物料洒落。斗摇臂应尽量短，否则，为了获得一定的掘起力，势必使摇缸臂较长，连杆机构尺寸增大，翻斗油缸行程较长，造成卸料时间过长。

（4）作业时与其他构件无运动干涉，保证驾驶员工作方便、视野宽阔。

2.连杆尺寸及铰接点位置

反转连杆机构（见图10.21）的设计内容包括：确定连杆CD 的长度b、摇臂DF 的长臂长度c 和短臂长度e、铲斗上两铰接点BC 的距离a、铰接点E 和铰接点C 的位置，转斗油缸与车架的铰接点G 的位置及转斗油缸的行程等。

动臂的长度 lD是连杆机构的关键参数，该参数不仅影响着连杆机构的运动与受力，而且与连杆的尺寸和铰接点的位置有关，因此连杆机构的其他构件的尺寸参数依据该参数确定。

（1）摇臂DF 的长度与铰接点位置。

连杆与铲斗铰点 C 的位置与连杆的受力和转斗油缸的行程有关，选算时主要考虑当铲斗处于地面铲掘位量时，转斗油缸作用在连杆上的有效分力较大，以发挥较大的掘起力。通常 δC与铲斗回转半径 R0 之间的夹角ψ=100°~125°，BC 长a=（0.13~0.14）lD。

摇臂DF 和连杆CD 要传动较大的插入和转斗阻力，设计时除了考虑运动关系外，还应该考虑它们的强度和刚度。摇臂DF 的形状和长短臂的比例关系 c /e 及铰接点E 的位置，是由连杆机构受力情况及它们的空间布置的方便和可能性来确定，同时转斗油缸的行程及连杆CD 的长度不宜过大。摇臂可以做成直线形或弯曲形。弯曲形摇臂的夹角一般不大于30°，否则构件受力不均。铰接点E 的位置，布置在动臂两铰接点连线AB 的中部偏上m 处。

设计时初定 le=（0.48~0.5）lp ；m=（0.11~0.12）lp ；e=（0.22~0.24）lp ；c=（0.27~0.29）lp。

（2）确定连杆长度及转斗油缸在车架上的铰接点。

上述构件尺寸确定后，可以利用下述作图方法确定连杆CD 的长度b，转斗油缸在车架上的铰接点G 及其行程，如图10.21 所示。

由已选定的连杆机构尺寸参数，绘出动臂和铲斗在地面时铲斗后倾 45° 的位置及摇臂和动臂的铰点E。将动臂由最低到最高位置时的转角ϕ 分成若干等份，提升动臂到不同的角度，并保持后倾铲斗的平移性，依次给出 BC 的相应位 B1 C1 ，B2C2，BiCi ，并使得它们相互平行。然后绘出铲斗在最大卸载高度时的卸载位置，取卸载角β=40° ~50°，得 BiCi。假设铲斗在最大卸载高度时摇臂 DF 和连杆 CD 处在极端位置，即铰接点 C、D、E 位于一条直线上，则CD 的最小长度。再根据已选定的连杆 CD、摇臂 DF，绘出其相应的位置 C1D1 及，由此得出该位置摇臂与转斗油缸的铰点F。

保持后倾铲斗的平移性（即保持α 为45° 不变），绘制出铲斗在提升中的各位置及其相应的机构位置，得出相应的摇臂与转斗油缸铰点位置 Fi。连接 Fi 各点得一条曲线，作该曲线的外包弧N，则圆弧N 的圆心G 为所求转斗油缸在车架上的铰点，半径GFi 即为转斗油缸的最大安装长度 Rmax。

图10.21　确定连杆机构的图解法

同理，做出铲斗在不同卸载位置时的连杆机构位置，得出摇臂与转斗油缸铰接点，连各点得一曲线，做出曲线的内包圆弧N′，如图 10.21 所示，则圆弧半径GF 'i为转斗油缸的最小安装长度 Rmin。于是转斗油缸的行程 lx可按下式确定

当在转斗油缸闭锁情况下举升动臂，铲斗在任何位量时的后倾角都比铲斗在地面时后倾角大，在动臂举升范围内后倾角通常允许相差 15°。铲斗卸载角通常随着卸载高度的降低而略有减小，若铲斗的卸角小于45°，可以通过减小BC 或 le的长度，来满足对卸载角的要求。

当动臂举升到最大卸载位置卸载后，动臂下降到地面时要求铲斗能自动放平，只有凑成连杆机构铲斗由最高卸载位置到地面过程中，铲斗绕B 点的上翻角等于ϕ+β即可。