装载机柔性动臂机构柔性化设计

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欢迎访问e展厅 展厅 2 装载机展厅 装载机, 轮式装载机, 履带装载机, 滑移式装载机, 小型装载机, ... 装载机以其高效、灵活的性能，在工程施工中发挥了巨大的作用。特别是在大型水利工程、矿山、煤矿以及各种土建工程中使用率越来越高。但同时我们也应当注意到，在各类工程机械中，装载机不但故障率高，且使用寿命较短。这种现状不仅给广大用户造成了巨大的经济损失，同时也使企业的维修成本居高不下。 笔者通过对市场、用户所反馈信息的深入分析，以及对工程机械结构原理和工作特性的调研，发现造成上述现象的原因主要有两个方面。一是由于环境、工况恶劣以及用户保养和操作不当引起的，而另一方面，是传统技术在形成之初就存在着一些缺陷，这些技术上的缺陷才是造成上述现象的根本原因。只是由于这些缺陷一直被装载机强大的功效所掩盖，未能引起的足够重视。 随着我国加入ＷＴＯ以及国家西部大开发战略的全面实施。我国工程机械行业一方面将要面临的是更加严峻的挑战，而另一方面也面临着空前的发展机遇。因此，进一步加大技术创新的力度，形成自己的核心技术，从根本上去解决、克服这些制约行业发展的技术性问题，积极拓展和延伸装载机的使用功能，使产品技术水平处于领先地位，不仅是企业今后参与国际竞争的基础和保障。也是今后企业技术开发的方向之一。 １.现有技术的背景 通过对装载机的应用技术的了解，我们可以发现，无论是国内的ＺＬ系列，还是日本的川崎、美国的卡特彼勒等国际知名企业，其装载机的整体结构基本相同，工作装置的基本结构和工作原理也基本类似。 由近几年来国内外装载机技术的发展趋势来看，一是向大型化发展，二是内部配置开始向机电液一体的智能化发展。而工作装置在结构上没有新的突破，只是由原来的曲臂双摇杆发展为国际上较为流行的平直动臂、单摇臂“Ｚ”形连杆机构，这是因为“Ｚ”形反转连杆所固有的运动特性和动力特性；卸载平稳、掘起力大。如徐工和柳工最新开发的“Ｇ”型装载机就是采用了这项技术。但现有工作装置的连杆机构，无论是正转机构还是反转机构，均是由两组连杆机构串联而成，因此工作装置在结构设计上，基本上还是沿袭了传统的设计思路。 ２.传统技术存在的缺陷 传统技术存在的缺陷主要是通过工作特性表现出来的，通过对装载机作业过程的分析，就可以清楚地发现这些技术上的缺陷以及这种缺陷对整机造成的影响。 装载机在作业过程中，尤其是铲掘砂石、矿石等比重较大物体时，往往需要利用发动机提供强大的动力，反复对物料进行冲击，才能克服作业阻力，使铲斗完全切入料堆。我们可以把这种工作特性和其它工程机械作一个对比，如挖掘机、起重机、钗车等，这类机械在克服作业阻力时主要依赖液压系统，而装载机的铲掘动力则完全依赖发动机的输出功率。这种工作特性对整机的结构性能以及可靠性、稳定性带来的负面影响主要表现在以下几个方面。 （１）装载机在作业时的反复冲击，使机身受到了强大的反作用力，对整机的结构强度带来了很大的负作用。常见的负作用主要表现在焊缝开裂、结构件变形等等。 （２）这种工作特性使发动机长时间处于高负荷运转，对发动机的工作寿命和稳定性影响很大。 （３）对装载机传动系统以及系统中传动件的疲劳强度带来了很大的负面影响。 （４）装载机的轮胎在作业时要传递动力，在铲掘过程中遇到的阻力越大，越容易出现打滑现象，这种现象不利于轮胎的工作寿命。 装载机作业过程中表现出来的这些缺陷，主要是由工作装置的结构特性造成的。这一点可以从传统工作装置的结构原理图看清，如图１所示，动臂（图１－１）在作业过程中对掘进力的大小没有任何帮助，只是在作业中起支撑作用的钢体。 ３.柔性动臂机构的原理及结构特征 柔性动臂机构柔性设计方案是通过对市场和用户的调查分析，发现问题、明确目标，有针对性的进行结构创新。并遵循了机械运动方案的基本原则。 柔性动臂机构的原理以及结构特征： ３.２　工作循环：如图２所示，作业时铲斗首先位于初始位置（距车架最近处）。副动臂油缸前伸，同时主动臂油缸收缩，使铲斗沿水平方向运动。铲斗完全插入料堆后，摇臂油缸前伸，通过摇臂、连杆的作用，带动铲斗向上翻转，完成铲掘。 完成铲掘后，主动臂油缸升举，副动臂油缸收缩，使铲斗向初始位置靠近（避免力臂过长造成的前沉）。接近初始位置后，主、副动臂同时升举。待铲斗升至最高极限位置后，摇臂油缸收缩，通过摇臂、连杆带动铲斗向下翻转，完成装卸。 完成装卸后，摇臂油缸前伸，带动铲斗回转，主、副动臂同时收缩，使铲斗回到初始位置，完成一个工作循环。 该设计方案与传统技术相比，最大的区别在于，动臂由主副两个部分构成，并增设了一对副动臂油缸，摇臂油缸不与机架相连，而是与主动臂相连接。铲掘作业过程中不完全依赖发动机提供动力。而是由发动机提供初始的动力，然后依靠各油缸工作，推动铲斗插入物料堆。 ４.柔性动臂机构的优点 柔性动臂机构进一步优化了工作装置的性能，工作特性类似于挖掘机，能使铲斗按一定的轨迹实现各种复合运动。作业效率和铲掘过程中克服阻力的能力有了很大的提高。结构件的受力更加合理，各铰接点受到的冲击力也得到了很大的缓解。不仅有利于提高装载机的稳定性和可靠性，而且使装载机的工作特性发生了很大的变化。柔性动臂机构对装载机整体结构以及性能带来的影响，主要表现在以下几个方面。 （１）工作特性的变化改善了整机在作业过程中的冲击受力强度和受力频率，可大大提高整机结构的可靠性。 （２）传动系统以及传动系统中传动件的受力状况也得到了很大的缓解，对传动件的工作寿命有很大的保护作用。 （３）发动机不再长时间的高负荷运转，大大地改善了工作状况，有利于延长发动机的工作寿命。 （４）有效地避免了装载机铲掘重物时轮胎打滑的现象，对延长轮胎的工作寿命起到了一定的保护作用。 （５）能进一步延伸装载机的使用功能，拓宽了使用范围，使装载机能实现挖、铲、扒和各种空中作业。 （６）提高了卸载距和卸载高，能适应各种大型载重车辆的装卸作业。 （７）降低了发动机工作负荷，减少了能耗，符合当今的环保要求。 ５.功能延伸 这种新型工作装置不仅改变了装载机原有的工作特性，同时使装载机在功能上较以往有了进一步的拓宽。使装载机在功能、适用性、机动性等各方面的竞争力都有了根本的提高。 （１）采用柔性动臂机构能使装载机实现铲掘功能，特别适用于松软土质的表层铲掘。 （２）采用柔性动臂机构能使铲斗在空中水平或垂直运动，也可使铲斗按一定的角度运动，能实现远距离装卸，使装载机能胜任各种复杂的大型工程施工。 （３）可以充分利用副动臂与主动臂之间的相对传动，实现扒、挖、铲以及一些空中作业动作，在某些方面与挖掘机的功能相似。 （４）与传统工作装置相比，柔性动臂机构更加灵活，工作范围也更大。该工作装置不仅适用于轮式装载机、履带式装载机，同时也可以用于推土机等其它工程机械变形产品的开发设计。 （５）通过配置作业装置实现一机多用，适用于铁路、码头、货仓等场合，使用范围更加广阔。 ６.在结构上应注意的一些问题 （１）主、副动臂完全伸展后，力臂加长。应注意调整整机的底盘结构以及配重。 （２）由于增设了一对副动臂油缸，前车架的结构以及铰点的分布有了根本的变化。 （３）动臂的结构设计尽可能采用复式结构，以利于提高结构强度。 （４）动臂的结构较以往更复杂。在行驶和作业中对驾驶员视线有一定的影响，在整机结构设计中应引起足够的重视。 装载机的工作装置在结构设计上应参照其它工程机械的优点，通过结构上的创新全面提高整机的综合性能。柔性动臂机构的设计思路就是想通过结构的创新改变原有的工作特性。其目标：一是要进一步改进铲掘动力。二是大大提高装载机工作过程中的稳定性和可靠性。三是要进一步拓宽功能和使用范围。进而全面提升装载机的竞争能力。作为一种新的设计思路，柔性动臂机构的应用还有待于实践的检验。 (end)

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