1 引言装载机是一种用途十分广泛的工程机械，它可以用来铲装、搬运、卸载、平整散装物料；也可以对岩石、硬石等进行轻度的铲掘工作[]1。

如果换装相应的工作装置，还可以进行推土、起重、装卸木料及钢管等作业。

因此，它被广泛地应用于建筑、公路、铁路、水电、港口、矿山及国防等工程中，对加快工程建设速度，减轻劳动强度，提高工程质量，降低工程成本具有重要作用，所以装载机在国内外无论是在品种上或是在产量方面都得到迅速发展，称为工程机械的主要品种之一。

装载机有单斗和多斗两种；如按使用场合来区分，则可分为露天和井下两种。

工程机械上常用的是单斗装载机。

单斗装载机的类型很多，有几种分类方法。

按发动机的功率可分为小型、中型、大型和特大型四种。

按装载方式可分为前卸式、回转式和后卸式。

按传动形式，轮式装载机可分为机械传动、液力机械传动、液压传动和电传动。

按其机架结构型式，轮胎式装载机又可分为铰接式装载机和整体式车架装载机。

工作装置是工程机械进行生产作业的装置，该装置直接影响到整机的生产率和经济性，因此合理的设计有着重大意义，尤其是土方工程机械，作业过程中动力装置的大部分能量消耗在挖掘土壤上[]2。

由于工作装置的重量和成本只占整个机械的很小部分，因此，要降低挖掘土壤的能量，提高效率，从研究工作装置人手，在通常情况下，仅耗用较少的材料和费用就能明显地提高机械的性能，而机械的结构无须作重大改变[]3。

本次设计的是ZL50装载机的铲斗。

在设计过程中参考了同类机型。

2 设计依据及主要技术指标发动机： 6135K-9，额定功率：144KW，额定转速：2200r/min；铲斗堆装斗3m，平装斗容:2.4m3；额定载重量:50KN；斗宽：2940mm（内侧宽2900mm）；容:3空车自重:15.8t；工作油泵:p=15Mpa,Q=320L/min；转向油泵：p=10Mpa,Q=75L/min；变速箱操纵与变矩器补油泵p=1.5Mpa Q=140L/min。

3 基本要求1．自己设计出铲斗；2．自定焊接工艺及热处理；3．校核斗齿强度；4．所有图纸用AUTOCAD2000绘制，说明书Word2000。

4 铲斗设计铲斗是工作装置的重要部件，工作条件恶劣，时常承受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[]4。

4.1 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；具有足够的强度，刚度和耐磨性；适应铲装不同种类和重度的物料，具备不同结构型式和斗容的铲斗。

4.2 铲斗结构型式的选择不同种类的铲掘物料，需要不同结构形式的铲斗，如图1所示。

通常铲斗由切削刃，斗底，侧壁及后斗壁组成。

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。

直线形切削刃（见图1（a））结构简单，具有良好的平地性能，适用于装载重度不超过16kN/m3，并且堆积比较松散的物料。

非直线形切削刃（装载机多用形）中间突出(见图(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。

但平地性能和装满系数均不如直线形切削刃铲斗。

装有斗齿的铲斗（（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，应此，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着一定的影响，试验证明，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要小，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。

本设计选用直线形带齿铲斗。

(a)直线形斗刃铲斗；(b)V形斗刃铲斗，(c)直线形带齿铲斗；（d）V形带齿铲斗图1 铲斗结构型式简图4.3 铲斗基本参数的确定铲斗的主要参数是铲斗的宽度和铲斗的回转半径。

1）铲斗的宽度：是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。

若小于前轮外侧宽度，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：是指铲斗和动臂铰销的中心与铲斗切削刃之间的距离。

由于铲斗的回转半径不仅影响掘起力的大小，而且与装载机的卸载高度和卸载距离等总体参数有关，所以铲斗的其他参数都是根据它来确定的。

下图2所示为铲斗基本参数简图。

铲斗的回转半径按下式计算：R= {}⎥⎦⎤⎢⎣⎡︒---+)1801(5.02cot sin )cos (5.0211γπγλγγλλλR k z g W Vs =()⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛︒︒-⨯-︒-︒︒⨯+⨯1805015.025cot 37.050sin 8cos 13.015.145.15.09.24.22π =1.20m图2 铲斗基本参数简图式中:R ———铲斗的回转半径,m ；s V ———铲斗平装几何容量,s V =2.4m 3；W ———铲斗内侧宽度，W=2.9m ；g λ———铲斗斗底长度系数，取g λ=1.45；z λ———后斗板长度系数, 取z λ=1.15 ；k λ———挡板高度系数，取k λ=0.13；R λ———斗底与后斗板直线间的圆弧半径系数,取R λ=0.37；1γ———挡板与后斗板之间的夹角,取1γ=︒8；γ———斗底与后斗板之间的夹角，取γ=︒50。

3）铲斗的断面形状参数：斗的圆弧半径r ，张开角γ，挡板高度k l 和底壁长z l 等四个参数。

圆弧半径r 大，物料进入铲斗的流动性好，物料装入斗内阻力减小，卸载快而干净；但圆弧半径r 过大，斗的开口太大，物料不易装满，且铲斗较高，不利驾驶员观察铲斗刀刃作业情况。

挡板高度k l 过小，易漏料；过大则增加铲斗外形，影响驾驶员视线。

后斗壁长z l ，则斗插入料堆深度大，斗易装满，但由于力臂的增大而使掘起力减小，插入阻力随斗插入料堆的深度而急剧增加，还影响卸载高度；后斗壁短，则掘起力大，并由于卸料时铲斗刃口降落的高度小，可以减少动臂举升高度，缩减作业时间。

对铲装轻质物料为主的铲斗，后斗壁长度可以选用大些；对铲装岩石料的铲斗，应取小些。

斗底的长度是指由铲斗切削刃到后斗底与后斗板交点的距离：g l =g λR =1.45⨯1.20=1.74m后斗板长度是指由后斗板上缘到与斗底交点的距离：z l =R z λ =1.15⨯1.20=1.38m挡板高度R l k k λ== 0.13⨯1.20=0.156m铲斗圆弧半径r=R R λ=0.37⨯1.20=0.444m铲斗动臂铰销距斗底的高度 b h =0.09R ⨯=0.09⨯1.20=0.108m铲斗侧板切削刃相对于斗底的倾角0a =55°在选择时1γ，要使得侧板切削刃与挡板的夹角为90°，切削刃的削间角︒304.4 铲斗容量的计算铲斗基本参数确定后，就可以根据铲斗的几何尺寸来确定斗容量。

如图3所示。

有挡板铲斗铲斗容量按下式计算：铲斗平装容量：s V =d e AW 232- 堆尖部分体积：()c e d W d V T +-=226181 铲斗额定容量： T S R V V V +=式中:A ———标定面以下的铲斗内部横截面面积,2m ；W ———铲斗内侧宽度,m ；d ———铲斗中部切削刃口与后斗板上缘之间的距离, m ；e ———挡板高度,m ；c ———物料堆积高度,m 。

7654321S S S S S S S A ++++++=图3 有挡板铲斗故3222363.2491.1156.0329.2823.032823.0m d e AW V m A S =⨯⨯-⨯=-== ()()332222946.2583.0363.2583.0444.0156.0491.1619.2491.1816181m V V V m c e d W d V T s H T =+=+==+⨯⨯-⨯⨯=+-= 所设计铲斗的容量与标准容量相差不大，故合适。

以下为S 的计算式()()222222222048.0599.21sin 507.0217035.0364.18sin 507.0444.0216098.0852.84sin 444.0215066.0045.36sin 444.0507.0214047.0139.19sin 507.0571.0213235.0412.02634.0507.02294.0412.02634.0491.1571.01m S m S m S m S m S m S m S =︒⨯⨯==︒⨯⨯⨯==︒⨯⨯==︒⨯⨯⨯==︒⨯⨯⨯==⨯+==⨯-+= 5 铲斗的强度计算装载机的作业条件是复杂多变的，即使在同样的作业条件下，由于工作位置及作业工况的不同，铲斗的受力也不一样。

因此铲斗的强度计算包括：1.确定受力最大的计算位置；2.选取受力最大的典型工况；3.对铲斗进行受力分析；4.对铲斗上的销轴和斗齿进行强度校核。

5.1 确定铲斗的计算位置通过分析装载机铲斗插入铲斗料堆、铲掘、运输、提升和卸载等作业过程，可知装载机在地面上铲掘物料时，工作装置的受力分析，可取装载机在水平地面上（铲斗斗底与地面的夹角为︒3到︒5）铲掘时作为计算位置（图4），并假设外载荷作用在铲斗的切削刃上。

5.2 选取铲斗受力最大的典型工况，确定外载荷由于作业条件和作业对象的不同，装载机在实际作业时不可能使铲斗切削刃均匀受载，但为计算方便可简化为两种极端情况：1. 认为载荷是沿着切削刃均匀分布，并已作用在切削刃中部的集中载荷来来替其均匀载荷，称为对称受载。

2. 由于铲斗偏载或物料密实程度不匀，使载荷偏于铲斗一侧，称为偏载。

形为偏载情况时，可认为简化后的集中载荷作用在铲斗一侧的第一斗齿上。

装载机在铲掘过程工作装置受力最大有以下三种情况：a.装载机向前运动，铲斗水平插入料堆，工作装置油缸闭锁，此时认为物料对铲斗的阻力水平作用在切削刃上；b.铲斗水平插入料堆足够深度后，向后翻转铲斗或提升动臂，此时认为铲斗切削刃只受垂直力的作用；c.装载机匀速前进，铲斗插入料堆一定深度时，边插入边转斗或边插入边提升动臂，此时认为铲斗的切削刃上同时受水平阻力和垂直阻力。

综上分析，可得出工作装置受力最大的六种工况（如图5所示）其中以工况f下的各构件受力大。

图4 工作装置强度计算位置5.3 铲斗的受力分析工作装置实际上是一个空间超静定系统，受力情况复杂，精确计算比较繁琐，为了方便计算，作以下假设：1）铲斗及其支承横梁不影响动臂的受力与变形；2）动臂轴线与摇臂、连杆轴线处于同一平面内。

通过以上假设，将工作装置这样一个空间超静定结构，简化成了一个简单的平面力系。

对于对称受力工况，由于动臂是一个对称结构，两动臂受力大小相同，所以可以取工作装置的一侧进行受力分析，并取外载荷的一半进行计算，即z zb za xxb xa F F F F F F 5.05.0====(a)水平对称工况；(b)垂直对称工况；(c)水平和垂直同时作用对称工况；(d)水平偏载工况；(e)垂直偏载工况；(f)水平核垂直同时偏载工况图5 工作装置典型工况图对于偏载工况，近似的用简支梁的方法，求出分配在左,右动臂平面内的等效力a F 和b F （图6）。