选择装载机总成部件结构形式

装载机是由许多总成和零部件组合起来的一个有机的整体，这些总成和部件互相依赖又互相制约。因此，各总成部件结构形式的选择原则是：高原装载机的性能不仅取决于每个总成部件结构性能的好坏，而更重要的是取决于各总成性能的相互协调。各总成性能的协调如何，则又取决于总体参数及各总成部件性能参数之间的匹配情况及其布置的合理性。如果在设计过程中缺乏全局观点，而对总体参数及各总成部件性能的协调匹配考虑不周，或注意不够，即便所设计或选择的各部件结构都是先进的，性能是良好的，但组合在一起不一定能获得整机的良好性能。这是因为某些总成部件的优点可能被另一些总成所抵消或限制，使其得不到充分发挥。

（一）发动机的选择

大型工程机械多以柴油机为动力。柴油机在高原地区使用与在平原地区的情况不同，给柴油机在性能和使用方面带来一些影响。由于高原气压低、空气稀薄，装载机柴油机气缸充气量减少，燃烧状况恶化，后燃现象严重，导致排烟变黑，柴油机过热，功率、扭矩下降，油耗增加，柴油机动力性能和经济性能变差；由于冷却风扇有效流量减小，冷却水沸点降低，导致散热能力下降，热负荷进一步增加，造成燃烧室积炭严重，柴油机过早磨损，使用寿命大大缩短；高原上寒冷，昼夜温差大，且是在严重缺氧条件下的低温启动，低温启动性能要求更高。海拔每升高1 000 m，发动机功率将下降8%～10%。青藏高原的平均高度3 000 m，发动机功率将下降28%～30%。因此，对于通常设计用于1 000 m 以下的国产柴油机来说，如不采取适应性、针对性措施，就不能适用这种环境。

因此，对于高原型装载机，其柴油机选择应多考虑采用功率恢复型的增压技术（涡轮增压器），使其功率及经济指标、热负荷指标恢复到原机低海拔高度水平，同时考虑配置低温启动装置，加强对气压、气温、蓄电池、启动负荷对高原条件下低温启动性能的适应性。采用新型防冻液，不仅能防冻，还具有防沸、防结垢、防锈等作用。

我国发动机的额定功率分为4 种，15 分钟功率、1 小时功率、12 小时功率和持续功率。它们分别表示发动机允许连续运转的时间及相应运转时间的最大有效功率。这些功率由台架试验测定。一般 15 分钟功率比1 小时功率大20%，1 小时功率比12 小时功率大10%。按规定台架试验时应带其本身的附件，如风扇、空气滤清器、消声器及发电机等。如果不带这些附件，则应扣除这些附件所消耗的功率。

装载机由于作业环境粉尘多，吸气条件差，作业时进退频繁，速度较低，自身散热效果不好，因此所用柴油机采用1 小时功率。

目前装载机多用车用柴油机，而车用柴油机的额定功率是按 15 分钟功率标定，如果以车用功率作为发动机选型的需求功率，就会使装载机的柴油机负荷过重，气缸过早磨损，作业时冒黑烟，功率很快下降。因此，对车用柴油机，选择时应考虑大一规格，一般通过柴油机燃料调整特性，将其功率和转速降低20% 来配置。

（二）传动形式的选择

装载机的传动形式，一般有机械传动、液力机械传动、液压传动和电传动4 种。

机械传动：结构简单，加工制造容易，制造成本低，但传动系统扭振和冲击载荷较大，影响传动系统的使用寿命。目前，只有少数小型装载机使用。

液力机械传动：能吸收冲击载荷，提高装载机的使用寿命；自动适应外界阻力变化，改善了装载机的牵引性能，因此，大中型轮胎式装载机差不多都采用这种传动形式。

液压传动：结构简单，省去了复杂的传动系统，能实现无级调速，但起动性较差，速度慢、寿命较低。因此，只适于小型装载机上使用。

电传动：可以在较宽的范围内实现无级调速，发动机功率能得到较充分的利用，因此牵引性能好，速度快，省去了传统的传动系统中易损的零部件，检查方便，维修简单，工作可靠耐久。缺点是电机设备质量大，增加了装载机的自重，设备费用高，一般比同等斗容的液力机械传动式装载机高20% 左右，因此一般只在大型装载机上使用。美国一般推荐500 kW以上的装载机采用电传动。

（三）液力机械传动系部件形式的选择

1.液力变矩器的选型

对液力机械传动的装载机，如果液力变矩器选择正确，而且与发动机匹配合适，那么，发动机的功率就会得到充分利用，装载机的牵引性能就会得到改善，并能减少变速箱的挡数，简化变速箱的结构，减轻司机的劳动强度，提高装载机的生产率。但是，如果液力变矩器的选择不得当，或与发动机匹配不合适，则液力机械传动的优点就得不到发挥，甚至会适得其反。

（1）装载机对变矩器的要求：

① 变矩器应能传递发动机输出的全部有效功率。

② 变矩器制动工况时的变矩系数K0应尽量大些，K0表示变矩器短时间克服超载的能力，但增大K0，将引起最高效率 ηmax时的传动比iηmax减小。因此，常用变矩器的变换性能B=K0ηmax来评价，B 值大的变矩器好。

③ 希望最高效率要高，高效范围宽，通常以η >75%的传动比幅度来衡量。

④ 从充分利用发动机功率角度来讲，不可透变矩器为最好，因为发动机始终在额定功率点工作。从克服超载能力和起动力矩来讲，以正透变矩器为最好。

（2）装载机常用变矩器的形式：根据上述对变矩器提出的要求，现在分析适用于装载机变矩器的形式。

液力变矩器按布置在泵轮和导轮之间的涡轮数，分为单级和多级，单级变矩器结构简单，效率高，工作可靠，但变矩系数K0比多级变矩器要小，一般在3 左右。

液力变矩器根据工作轮相互配合作用的数目，可分为单相、两相和三相变矩器。

通常，单极向心式涡轮的液力变矩器最适合装载机的工作要求。近年来国外装载机上采用的双涡轮变矩器较多，国产ZL 系列第二代5 t 装载机广泛采用了双涡轮液力变矩器，变矩系数大，高效区范围宽，适合装载机在铲掘时需要克服大的作业阻力，在运输工况时需要有较高行驶速度的特点。

（3）装载机对发动机与变矩器的不同匹配。发动机与液力变矩器共同工作匹配得是否正确，决定着装载机整机性能的好坏。正确的匹配应该是：发动机的功率应得到充分利用；能提供装载机作业时所需要的牵引力和速度；发动机工作比较稳定，油耗经济，装载机作业生产率高。

① 发动机的功率分配：在进行发动机与变矩器匹配时，首先要对发动机的功率分配有比较准确的了解。发动机用在装载机上时，除其附件外，还要带整机的辅助装置，如工作装置油泵、转向油泵、变速操纵及变矩器补偿冷却油泵和气泵等。在绘制发动机和变矩器共同工作输入特性曲线时，必须根据装载机的具体作业情况扣除带动这些辅助装置所消耗的发动机功率或扭矩。

发动机附件所消耗的功率NF可按发动机额定功率NeH的10% 计算，即

整机辅助装置所消耗的功率∑Nb和扭矩∑Mb，按下式计算，即

式中　pi——油泵的工作压力，MPa；

　　　QTi——油泵的理论流量，l/min；

　　　nb——油泵的转速，r/min；

　　　ηbMi——油泵的机械效率。

② 发动机与变矩器的不同匹配方案：发动机与变矩器的匹配，一般情况下有两种方案，即所谓全功率匹配和部分功率匹配。

全功率匹配：以满足装载机在作业时对插入力（牵引力）的要求为主，就是说此时变速操纵泵与变矩器共同工作，而转向油泵和工作装置油泵空转，变矩器与发动机输出的全部有效功率进行匹配。此时发动机传给变矩器的力矩Mez为

式中　Me——发动机的输出扭矩（N·m）；(www.xing528.com)

　　　——分别为工作装置油泵和转向油泵空转时消耗的扭矩（N·m）；

　　　Mc——变速操纵油泵消耗的扭矩（N·m）。

部分功率匹配：考虑工作装置油泵所需的功率，预先留出一定的备用功率，就是说这时工作装置油泵、变速器操纵油泵与变矩器共同工作，转向油泵空转，变矩器不是与发动机输出的全部有效功率进行匹配，而是与其部分功率进行匹配，此时发动机传给变矩器的扭矩为

式中　Mg——工作装置油泵工作时消耗的扭矩，一般占发动机功率的40%～60%，N·m。

从对以上两种匹配方案研究可知，对于小型装载机，为满足对插入力（牵引力）的要求，用全功率匹配为宜。对大中型装载机，因其储备功率较大，为提高其生产率，采用部分功率匹配较好。

上面只是对发动机与变矩器的匹配提出了一些初步的原则性的看法，要想使装载机生产率高，经济性能好，还必须使其工作装置的性能参数和牵引性参数能配合得很好，这就是说装载机的发动机、变矩器容量、行驶速度、斗容及工作装置油泵等因素之间也需协调适当。

2.变速箱的选型

选定了发动机和液力变矩器的类型之后，就可选择变速箱的形式，变速箱按操纵形式可分为人力换挡变速箱和动力换挡变速箱两大类。

（1）人力换挡变速箱：这种变速箱换挡是靠操纵杆件及拨叉来拨动齿轮使不同齿轮对啮合换挡，换挡时必须切断动力，并且有冲击，但其结构简单，制造容易，因此多用于小型机械传动装载机上。

（2）动力换挡变速箱：动力换挡变速箱用液压操纵多片离合器或制动器进行换挡，换挡时不需切断动力，并且冲击小，操纵省力，易于实现自动化操纵，液力机械传动中的变速箱都采用动力换挡。

动力换挡变速箱按其结构又可分为定轴常啮合齿轮变速箱和行星齿轮变速箱两种。动力换挡行星变速箱，因其负荷分配在几个行星排的齿轮上，齿轮等零件受力小，并且受力平衡。因此，结构紧凑，刚度大，齿轮使用寿命长。目前国内装载机大多选用动力换挡变速箱。

3.驱动桥的选型

对于轮式装载机，为了充分利用其附着重量，以提供比较大的牵引力，通常都采用全桥驱动，而且由于装载机的作业速度比较低，所以驱动桥的减速比都比较大。一般采用单级主传动和行星轮边减速装置。行星轮边减速装置，可以用较小的结构尺寸得到较大的传动比，同时可将整个轮边减速装置放在轮毂内，便于整机布置。轮边减速装置的减速比在结构尺寸允许的情况下，应尽量取得大些，一般为12～38。这样可使主传动齿轮、差速器及半轴的尺寸减小，结构紧凑，增大离地间隙，提高装载机的通过性。为了增大轮边减速的速比，有些装载机轮边减速装置采用了双级行星轮边减速传动。

（四）制动系的选型

制动系是装载机的一个重要组成部分，它不仅关系到行车作业的安全性，而且，良好可靠的制动系，可以使装载机具有较高的平均行驶速度，提高其运输效率。

目前装载机完善的制动系，通常包括以下3 个部分：双管路行车制动系统，停车制动和紧急制动。每个部分主要由制动器和制动驱动机构两大部分组成。

1.行车制动系

行车制动器大多是装在装载机轮毂内的轮边减速装置上，用踏板操纵。行车制动器有蹄式、钳盘式和湿式多片式3 种结构形式。

装载机行车制动装置广泛采用钳盘式制动器及气顶油制动驱动机构，具有制动平稳、安全可靠、结构简单、维修方便等优点。目前也有一些装载机开始采用湿式多片制动器，这种制动器采用循环油冷却，散热好；由于是多片，产生制动力的面积大，制动效果好；密封的多片结构，磨损小，使用寿命长。因此近年来在装载机上已开始应用。

中大型的装载机行车制动器的驱动机构都采用加力装置。加力装置有压缩空气、液压和气推油3 种结构方案。由于气推油制动操纵省力，工作可靠，能获得较大的制动力，所以在中型和大型装载机上得到了广泛的应用。

2.停车制动系

停车制动系是供装载机停车或在坡道上停歇制动用的。停车制动器多为带式和蹄式结构，一般装在变速箱外的传动轴上。停车制动驱动机构都是手操纵机械传动，用以保证停车的可靠性。

3.紧急制动系

紧急制动系是用来供遇到特殊情况紧急制动或当行车制动发生故障时用的。它具有独立的驱动机构，通常装在变速箱外的传动轴上，但并不是所有装载机上都设有紧急制动系统。

轮式车辆制动系的性能及轮式车辆的行驶安全标准，通常以制动时行车制动系能使车辆达到的减速度和制动距离标志。对于载重量小于 45 kN 的装载机制动时最大减速度不小于5 m/s2，或制动距离不大于9.5 m；对于额定载重量大于45 kN 的装载机制动时最大减速度不小于4.2 m/s2，或制动距离不大于11 m。

（五）转向系的选型

车辆的转向性能是整机性能的重要方面。目前大多数装载机采用全液压铰接转向。其特点是结构紧凑、质量轻、体积小、灵敏度高、无冲击等。铰接式机架使工作装置的方向始终与前车架保持一致，有利于迅速对准作业面，减少循环时间，提高生产率和机动性，但整机抗倾翻的稳定性降低。

（六）轮胎的选型

装载机为满足其作业条件，所选轮胎要满足一定的载荷及速度要求，具有良好的牵引性、耐久性、通过性及缓冲性等。装载机多采用宽基低压充气轮胎，既提高了装载机的通过性，又改善了其附着性能和行驶稳定性能。装载机常用牵引型花纹和岩石型花纹等越野花纹轮胎。牵引型花纹适用于松软地面条件，产生较大的牵引力；岩石型花纹提高了轮胎的抗切割能力，使轮胎有较好的耐磨性，适用于坚硬地面作业。

装载机轮胎的选择，要考虑作业条件及使用场合，除能满足必要的承载能力外，还要具有良好的牵引性、通过性、缓冲性和耐磨性。

轮胎按其充气压力可分为标准、低压和超低压轮胎 3 种，其压力范围相应为 0.5～0.7 MPa、0.15～0.45 MPa 和小于0.05 MPa。

目前装载机广泛采用低压宽基轮胎。低压宽基轮胎接地面积大，接地比压小，因此在比较松软的路面上行驶下陷量小，滚动阻力小，通过性好，在不平的路面行驶时减震和缓冲性能好，从而改善了驾驶性能及行驶稳定性。

（七）工作装置的选型

由于反转单连杆机构结构简单，卸载平稳，便于布置，被装载机广泛采用。参见工作装置设计部分。