侯友坤 杨久虎
山东临工工程机械有限公司 276023
摘要：本文以某5吨级轮式装载机为例，先对轮式装载机的基本结构和作业工况作一简述，进而就轮式装载机工作装置受力作系统的分析，最后提出轮式装载机工作装置结构的改进方案。
关键词：轮式装载机；工作装置；结构优化
工作装置是轮式装载机的重要组成部分，可以负责整个装载机转运过程中的核心工作，会对轮式装载机的整体运行效率与质量产生较大的影响。就装载机的工作装置组成来看，主要由车架、连杆、动臂、铲斗、振臂、转斗液压缸和起升液压缸组成，装置中的任何一个部件存在质量问题均会对装载机的正常运行产生影响，甚至会降低装载机的使用寿命。因此，设计科学的轮式装载机工作装置尤为重要，对其优化设计方法进行深入的分析研究十分必要。
1.轮式装载机工作装置简述
5吨级轮式装载机是一种广泛应用较为广泛的轮式装载机，如图1是一辆某5吨级轮式装载机。作为轮式装载机的核心结构，工作装置的组成部分较多，主要的构件包括前车架、连杆、动臂、铲斗、振臂、转斗液压缸和起升液压缸组成，属于反转六连杆式。目前市面上的5吨级轮式装载机额定荷载为5t，铲斗容量可以达到3m3，最大牵引力可以达到165KN，最大掘起力可以达到170KN，卸载高度可以达到3090mm，无论是在矿石采取还是道路铺建中均可以发挥良好的作用，应用效果良好。
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轮式装载机通过工作装置可以顺利完成一系列的操作，包括物料铲掘、抬升、运输及卸载，作业过程中的工况主要包括五种，即插入工况、转斗工况、运输工况、举升工况和卸载工况。五种作业工况的工作原理介绍如下：
①插入工况：操作人员可以通过控制起升液压缸对动臂进行调整，确保动臂可以精准调整至铲料位置，而后再通过控制转斗液压缸确保斗齿可以接触到地面，最后装载机向前推进让铲斗可以深入堆料，完成插入作业[1]。
②转斗工况：待操作人员将铲斗深入堆料适当位置后，即可以通过操作转斗液压缸来促使铲斗发生翻转，确保物料可以进入到铲斗中，以铲斗翻转极限为转斗工况结束标准。
③运输工况：待铲斗盛满物料后，操作人员可以控制举升液压缸来抬升动臂，达到物料运输位置后停止，驶达卸载地点。
④举升工况：达到物料卸载位置后，操作人员即可以通过操纵举升液压缸来推动动臂，以此实现将动臂抬升到上限位置的目标，然后卸载物料。
⑤卸载工况：操作人员完成动臂举升操作后，需要控制转斗液压缸来倾倒物料，待物料完全倾倒完成后，即可以联合操纵举升液压缸和转斗液压缸，促使动臂和铲斗恢复至初始位置，方便开展下一个循环工作。
2.轮式装载机工作装置受力分析
轮式装载机在铲掘物料时通常会采用一次铲掘法，简单来说就是操作人员操纵轮式装载机向前推动铲斗获取物料，铲斗斗齿在达到一定深度后会停止向前推动，此时操作人员只需要操纵转斗液压缸来完成转斗，以此实现物料的获取[2]。与其他轮式装载机一样，5吨级轮式装载机的整体结构也较为复杂，更为重要的一点是，在一些复杂环境下开展施工作业会导致所受到的荷载存在较大的差异。外荷载主要包括物料重力和作业阻力，其中的物料重力由两方面因素决定，一方面是物料本身的特质决定，比如物料体积和颗粒大小，另一方面是铲斗深入物料的深度和构件外部尺寸因素。作业阻力的计算方式由轮式装载机的掘进方式所决定，对于轮式装载机来说，工作过程中可以在行走驱动力作用下最大限度克服阻力保证铲斗深入物料，以此来计算极限阻力，而后再通过工作装置可以产生较大的掘起力，用来克服铲掘阻力获取物料，以此来计算极限铲掘阻力[3]。因此，轮式装载机工作过程中的作业阻力包括插入阻力和铲掘阻力，通常情况下需要分开计算。
外荷载加载方式包括对称荷载与偏心荷载，其中的对称荷载是在铲斗深入物料时，铲斗斗齿与物料均匀接触后所产生的荷载力，即在底板中间施加集中荷载。偏心荷载是当铲斗在铲取物料时，如果物料存在颗粒不均匀或含有较大体积的块体，极易导致铲斗受载不均匀，此时所受到的荷载力是底板一侧施加集中荷载。总的来说，轮式装载机在工作过程中大致存在三种受力情况：①物料铲入过程中，转斗液压缸和起升液压缸会被同时锁死，此时铲斗斗齿受到插入阻力；②当操作人员操纵铲斗深入到物料的一定位置后，即会将起升液压缸锁死，通过操纵转斗液压缸来翻转铲斗，此时铲斗斗齿受到掘起阻力[4]；③当铲斗水平插入到物料的一定位置后，操作人员会操纵转斗液压缸促使铲斗翻转或操纵起升液压缸使动臂起升，此时铲斗斗齿上会受到插入阻力和掘起阻力。插入阻力的计算公式为Px=Fkmax－Ff，其中Ff=Gkf。其中的Fkmax表示轮式装载机的最大水平牵引力，单位为N；Ff表示轮式装载机空载时的滚动阻力，单位为N；G表示轮式装载机的自身重量，单位为N；K表示附着系数，取0.7；f表示阻力系数，取0.02。掘起阻力的的计算公式为Py=G，其中的G表示轮式装载机的自身质量，单位为N；L表示轮式装载机前轮和大地接触点到整机的重心距离，单位为mm；I表示轮式装载机前轮和大地接触点至Py作用点距离，单位为mm。
3.轮式装载机工作装置的结构改进要点与策略
就现代机械改进设计方式来说，主要包括三种，即构件结构形式改变、构件尺寸参数改变和材料重新配置，针对具体的优化目标需要选择不同的改进方式，以此确保可以最大限度减少材料的浪费，实现提升工作效率的目的。以某5吨级轮式装载机在偏载掘起工况下的工作状态下，动臂上绞孔、前车架绞孔及动臂支撑耳板的效力值均会超过材料的承受应力，因而要确保操作的顺利与安全，必须对动臂上绞孔、前车架绞孔及动臂支撑耳板三处进行结构强度加强。笔者认为可以采取两种进行此处改造，第一是通过改变原材料来满足强度需求，不过实践论证中发现虽然可以满足强度需求，但造成了材料的浪费，经济可行性不强；第二是对强度不足部位的所在板厚进行改变，可以在所在部位添加钢筋或者直接增加板厚，实践论证发现可以达到预期的优化目标，且简单实用，因而决定选用第二种方案。另外，鉴于动臂前端的倒角设计也存在一定的不合理，极易产生明显的应力集中，因而计划将动臂前端平直结构改为凸起圆弧结构。根据本次优化方案，具体实施时先在动臂上铰孔加设7mm的加强板，鉴于动臂支撑板周围等
效应力接近或已超过材料许用应力，所以整体增加5mm的支撑板厚，在前车侧板加设5mm的加强筋。验证后发现此种优化方案可以实现预期目标，动臂最大等效应力可以减少至355.87MPa，动臂支撑耳板和前臂前端拐角处的应力均消失，前车架的最大等效应力降低至234.65MPa。
4.结语
轮式装载机是一种广泛应用于工程建筑领域的机械化产品，尤其是在道路铺建、矿石采取和港口建设中的应用更加广泛，其具有易于操作及运行速度等显著优势。轮式装载机的工作装置较为复杂，实际操作时要注意各个功能的有效结合，若需要对其工作装置进行优化设计，则要秉承相关的设计原则，开展优化设计，以此来提升轮式装载机工作的稳定性和高效性。
参考文献
[1]杨蓉,林桂娟.轮式装载机工作装置仿真设计与强度分析[J].南方农机,2020,051(01):15-17.
[2]罗剑.轮式装载机工作装置液压系统的仿真分析[J].国外电子测量技术,2019,038(05):62-64.
[3]刘钊,程江琳,杨军.装载机动臂起降振动控制研究[J].中国工程机械学报,2019,017(04):345-349.
[4]黄炳雷,李瑶,庞利叶.矿用装载机工作装置有限元分析及轻量化设计[J].制造业自动化,2018,40(05):77-81.