裝載機

裝載機是一種用鏟斗鏟運物料進行循環作業的土方機械。它主要用于裝載土方工程和不太硬的松散材料，也可用于軟土的表面剝離、地面平整和現場清理。大多數裝載機都配備了各種可更換的工作裝置，這些裝置可以轉換為叉車或起重設備。

裝載機通過安裝在前端的鏟斗支撐結構和連桿裝載和挖掘材料，并進行提升、運輸和卸載操作等。一般由動力系統、傳動系統、行走系統、工作裝置和機架組成。最早的裝載機是由美國人弗蘭克·g·霍夫于1922年發明的。它由拖拉機安裝工作裝置改裝而成，通過對行走機構（輪式和履帶式）、工作裝置和機電一體化的不斷工業改進，逐漸發展成為現代自動或半自動裝載機。

裝載機有多種形式，一般可根據發動機功率、傳動形式、行走系統、裝載方式等進行分類。例如，根據其裝載方式，它們可分為兩類:單斗式和多斗式；按行走方式分為履帶式和輪胎式（也叫輪式）。目前應用最廣泛的是具有非旋轉裝載鏟斗、鉸接式車架和液壓機械傳動裝置的單斗輪式行走裝載機。

裝載機因其用途廣泛、機動性好、生產率高、運營成本低等優點，被廣泛應用于建筑、礦山、水電、鐵路、公路和材料場等各個部門，已成為工程建設中土方施工的主要類型之一。

裝載機主要由動力系統、傳動系統、行走系統、工作裝置和車架組成。

電力系統

裝載機的動力系統一般是指柴油機系統，它是一種能量轉換機構，是一種能將氣缸內燃料燃燒產生的熱能轉化為機械能的動力裝置。柴油機由兩大機構和四大系統組成，即曲柄連桿機構、機體部件和配氣機構、供油系統、潤滑系統和冷卻系統。柴油機經過進氣、壓縮、做功、排氣四個連續沖程后完成一個工作循環，持續輸出動力。

傳輸系統

動力傳動系統是裝載機的核心部分，主要將發動機的動力傳遞給行走系統，保證裝載機足夠的牽引力和合適的行駛速度，以及不同工況下的速度轉換。一般是由分動箱、傳動軸、后驅動轉向橋、前驅動橋、減速器、制動器等部件組成的液力變矩器和變速箱。裝載機的動力傳遞路線為發動機、液力變矩器、變速器、傳動軸、前后驅動橋、輪邊減速器和車輪。

裝載機液力變矩器用于改善裝載機在工作扭矩變化較大時的動態性能，使其具有自動適應性和無級變速。液力變矩器為單級、兩相、四元件雙渦輪結構，由泵輪、一級渦輪、二級渦輪和導輪組成。泵輪通過彈性板與發動機飛輪連接。泵輪轉動時，帶動循環圈內的油使其具有一定的動能，油推動一級渦輪和二級渦輪，通過與之相連的一級渦輪輸出齒輪和二級渦輪輸出齒輪驅動變速器。

變速箱是裝載機的主要傳動部件，其作用是改變傳動比，滿足裝載機前進和后退的需要，并在發動機工作時使裝載機停止。變速箱分為兩部分，即變速傳動機構和變速控制機構。傳動機構包括輸入軸（驅動軸）、輸出軸（從動軸）、中間傳動軸、倒檔軸和各種傳動齒輪。通過不同齒輪副的嚙合，將主動軸的動力傳遞給加載的從動軸。操縱機構用于控制變速箱的傳動齒輪接合或分離、制動或分離，使裝載機獲得不同的行走速度和牽引力，并在必要時改變行走方向。

制動器用于直接在機械上產生制動力矩并降低其轉速。通常，摩擦副由旋轉元件和固定的非旋轉元件組成。制動系統通過制動元件的有機組合，將操縱力傳遞給制動器，產生制動力矩，實現制動。

驅動橋位于傳動系統的末端，傳動系統是傳動軸后面和輪胎前面的傳動機構。驅動橋的作用是將發動機扭矩從萬向傳動裝置傳遞到驅動輪，然后降低速度并增加扭矩，改變動力傳遞的方向，并允許左右驅動輪以不同的速度旋轉。驅動橋一般由主減速器、差速器、半軸和橋殼組成。具體來說，主減速器的作用是減速增扭，改變動力傳遞方向；差速器的作用是允許左右驅動輪以不同的速度旋轉；半軸的功能是將動力從差速器傳遞到驅動輪。

步行系統

行走系統是整機的支撐底座，承受旋轉平臺及其上各種機構和設備的重量，接受工作裝置在挖掘過程中產生的力并傳遞到地面，接受動力傳動系統的扭矩產生牽引力使機器行走。

幾乎所有輪式裝載機都采用四輪驅動，通常由車架、車橋和車輪等主要部件組成。輪式裝載機經常在較差的道路上工作，并以相對較高的速度行走，這需要車輪和輪胎滿足工況要求。為了使裝載機不產生大的縱向擺動并具有良好的工作穩定性，前后軸采用剛性懸架。車輪由輪輞、輪盤和輪轂組成，動力通過行星架傳遞給車輪和輪胎。輪胎不僅支撐車重和行駛，還起到緩沖作用。通常，裝載機輪胎由三部分組成:外胎、內胎和襯帶。

履帶式裝載機的行走系統由車架（包括履帶架、底座和橫梁）、履帶架、驅動輪、滾輪和履帶張緊機構組成，與履帶式拖拉機類似，即“轉輪加皮帶”的行走機構。目前，我國履帶式裝載機大多采用機械傳動系統。發動機通過主離合器將動力傳遞給變速箱，換擋后通過主傳動的一對螺旋錐齒輪減速，改變傳動方向，將動力傳遞給后輪軸傳動軸，驅動履帶前進或后退。履帶支重輪是履帶裝置中工作條件最惡劣的部件之一，需要可靠的密封和潤滑裝置。驅動輪纏繞在履帶上，使裝載機行走。驅動輪安裝在履帶架后部，一般采用齒圈式，齒數多為奇數，可提高使用壽命。履帶張緊機構由導向支架、導向叉、活塞和緩沖機構等組成。它安裝在導向輪后面的履帶架上，用于在行走和操作過程中跳躍時張緊裝載機。

工作裝置

裝載機的工作裝置直接用于鏟取物料，可分為斗式支架和斗式支架兩種。對于帶鏟斗支架的工作裝置，鏟斗安裝在支架上，鏟斗旋轉由支架上的鏟斗液壓缸控制。由于鏟斗支架重量較大，降低了鏟斗的裝載質量，因此無鏟斗支架工作裝置在裝載機中得到廣泛應用。無鏟斗支架工作裝置由動臂、搖臂、連桿和鏟斗組成的四連桿機構、鏟斗液壓缸和動臂液壓缸組成。

裝載機的工作方式一般為液壓工作，由主泵、轉向泵和輔助泵兩個液壓回路組成。輔助泵的液壓油通過流量控制閥分配到轉向或工作油路，主要用于控制動臂提升、鏟斗翻轉和轉盤旋轉等動作。鏟斗旋轉滑閥是一個三位六通閥，它有三個位置:鏟斗向上旋轉、鏟斗向下旋轉和鏟斗液壓缸鎖定。浮動臂可使裝載機在平地上堆放，工作裝置隨地面情況自由浮動；鏟巖石時，鏟斗刀片可以避開大塊巖石和鏟子。鏟斗旋轉滑閥和動臂滑閥按順序排列，這是一個順序回路。來自主泵的油首先進入鏟斗旋轉滑閥，向鏟斗液壓油缸供油。只有當鏟斗旋轉滑閥處于中間位置時，動臂滑閥才能與油路連接。

裝載機工作時，工作裝置應能保證鏟斗的提升、平移和自動調平性能。當旋轉鏟斗油缸鎖定而動臂油缸上升或下降時，連桿機構使鏟斗上下移動或接近平移，以防止鏟斗物料散落；當動臂處于任何位置時，鏟斗繞動臂鉸接點轉動進行卸料；卸載后，動臂下降，以便鏟斗自動調平。為了保證裝載機的準確動作，工作裝置配備了鏟斗前后限位裝置、起重臂自動限位裝置和鏟斗自動調平機構。

除了常用的鏟斗外，裝載機還可以配備多種工作裝置，以實現多種工況。如巖斗、顎斗、抱木器、叉裝置、角梨、多齒鉗、V形梨、螺旋掃雪機、萬能推土機、吊鉤、伸縮緩沖器等工作裝置。

車架設計

車架是裝載機的支撐體，裝載機的所有部件都直接或間接加載在車架上。車架支撐著整個裝載機的大部分重量，它還承受著操作和行走過程中各部件系統的力和力矩，以及在不平坦的道路上工作時的沖擊載荷。框架必須具有足夠的強度和剛度。

輪式裝載機的車架分為整體式車架和鉸接式車架。整體框架由兩側的兩根縱梁和若干根橫梁通過焊接或鉚接而成。鉸接式車架是目前輪式裝載機廣泛使用的一種車架，它由前后兩部分鉸接而成。前車架通過轉向控制機構繞后車架轉動，完成轉向。

裝載機的裝卸作業由鏟斗的機械前進、后退、轉向、鏟裝和卸載動作組成的工作循環完成，即有兩種不同的運動:裝載機的動力傳遞和工作裝置的動作。

裝載機的動力傳遞主要由動力系統、傳動系統和行走系統完成。裝載機的動力從柴油機通過液力變矩器傳遞到變速箱，然后通過萬向聯軸器傳遞到變速箱，再通過變速箱動力分別傳遞到前后軸，從而驅動車輪行走。發動機通過給工作油一個力矩來迫使工作油高速流過泵葉輪葉片通道，并且當高速流動的工作油沖擊渦輪時，它給渦輪一個力矩。工作油流出渦輪后，會沖擊導向輪。

由于渦輪彎曲葉片的引導，流入導向輪的工作油使導向輪產生與渦輪扭矩相反的扭矩，該扭矩與泵輪的扭矩一起作用在渦輪上。當該扭矩大于阻力扭矩時，裝載機開始起動，渦輪轉速從零開始逐漸增加。當傳動比改變時，渦輪軸的轉速也增加或降低，扭矩比也增加或降低，因此變矩器可以自動無級地改變輸出軸上的扭矩。變矩器的動力輸出一般有兩個渦輪，即第一級渦輪和第二級渦輪。它通過渦輪輸出齒輪傳遞到第一級渦輪輸出軸和第二級渦輪輸出軸。

裝載機低速重載行駛時，二級渦輪轉速低，內環凸輪與外環齒輪處于楔入狀態，一級渦輪與二級渦輪共同工作，增加變矩器克服外部阻力的能力；裝載機高速輕載運行時，內環凸輪轉速高于外環齒輪轉速，外環齒輪處于空轉狀態。此時只有第二級渦輪輸出動力，第一級渦輪處于空轉狀態，沒有動力向外輸出。在傳動軸之后、輪胎之前，驅動橋將發動機扭矩從萬向聯軸器和變速箱傳遞到驅動輪，在減速和增加扭矩后，改變動力傳遞方向，使裝載機能夠行駛，并允許左右驅動輪以不同的速度旋轉，從而實現運動轉向。

當裝載機需要制動時，儲氣罐中的壓縮空氣踩下制動踏板后通過制動閥分別進入前后驅動橋，推動助力缸活塞和制動總泵活塞，使總泵中的制動油形成高壓，然后沿管路分別進入前后驅動橋的制動器，推動卡鉗活塞和摩擦片壓緊制動盤，從而實現制動。

裝載機的整個工作裝置鉸接在車架上，一般由鏟斗、動臂、搖臂、連桿和液壓控制系統組成。鏟斗通過連桿和搖臂鉸接到鏟斗油缸上，動臂鉸接到機架和動臂油缸上。鏟斗的翻轉和動臂的提升由液壓控制。當鏟斗油缸鎖定而動臂油缸上升或下降時，連桿機構使鏟斗上下移動或向其靠近，以避免鏟斗傾斜和物料散落；當動臂在任何位置，鏟斗繞動臂鉸接點轉動卸料時，鏟斗卸料；卸載后，當動臂下降時，鏟斗會自動調平。裝載機鏟取物料通常有兩種操作方法:一次性插入鏟取法和邊插入邊鏟斗鏟取法（又稱復合鏟取法）。

采用一次插鏟法時，裝載機以全驅動力將鏟斗插入料堆中，然后通過液壓系統將鏟斗向上翻，然后裝載機倒車并卸載到車上。采用復合鏟法時，采用多次插提鏟斗的復合動作完成鏟運作業。

裝載機的主要技術規格有:鏟斗容量、負載能力、發動機功率、機器自重、最大行走速度、最小轉彎半徑、最大牽引力、最大鏟動力和主要工作尺寸。

鏟斗容量：鏟斗容量是指裝載機配備的鏟斗的最大幾何容積，通常用“m3”表示。履帶式裝載機的鏟斗容量一般為1.0~1.72m3，輪式裝載機為0.3~18.0m3

載重量：在保證裝載機穩定作業的前提下，不行走時鏟裝與行走時鏟裝的最大承載能力不同，前者約為后者的2.0~2.5倍。履帶式裝載機的載重量一般為2.0~3.5t，輪式裝載機的載重量為0.5~20.0t。

發動機功率：標志裝載機工作能力的一個重要參數分為有效功率和總功率。有效功率是指在29℃的溫度和746毫米汞柱的壓力下發動機飛輪上的實際功率（即飛輪馬力）。總功率是裝載機的額定功率。履帶式裝載機的發動機功率一般為63~240kW，輪式裝載機的發動機功率為70~1000kW。

機器重量：裝載機自重不僅是設計新機器的重要參數，也是關系到使用經濟性的重要指標。自重的減輕主要受材料性能、制造水平、零部件可靠性和附加重量的限制。履帶式裝載機的整機重量一般為7.0 ~ 20.0噸，輪式裝載機的整機重量為3.0 ~ 173.0噸。

最大步行速度：包括前進和后退檔位在內的最大速度是影響裝載機技術生產率、安排施工計劃和裝運路線必須考慮的指標。履帶式裝載機的最大行走速度一般為2.0～12.0公里/小時，輪式裝載機的最大行走速度為16.0～46.0公里/小時..

最小轉彎半徑：指從后輪外側到鏟斗外側形成的圓弧到旋轉中心的距離。這是根據現場情況安排成套施工設備聯合作業或單機往返裝運時必須參考的指標。履帶式裝載機的最小轉彎半徑一般為0.8 ~ 1.45米，輪式裝載機的最小轉彎半徑一般為0.8 ~ 1.9米..

最大牽引力：指裝載機驅動輪輪緣上產生的推動車輪前進的力。裝載機的附加重量越大，可以獲得的最大牽引力就越大。履帶式裝載機最大牽引力為8.1~12.0t，輪式裝載機最大牽引力為1.3~45.0t。

最大鏟力：它是鏟斗繞固定鉸接點旋轉時作用在鏟斗齒尖上的法向力，最大鏟力是裝載機動臂提升和鏟斗翻轉的能力。

主要尺寸：包括卸載高度（當裝載機將材料卸載到運輸車輛上且鏟斗傾斜角度為45°時鏟斗尖端離地面高度）和卸載半徑（當鏟斗傾斜角度為45°時鏟斗尖端與機體輪廓之間的最短距離）。

裝載機有多種類型，可根據用途、發動機功率、鏟斗卸載方式、傳動方式、發動機類型以及卸載時動臂是否轉動進行分類。根據行走機構的不同，裝載機分為輪式裝載機和履帶式裝載機。除行走系統外，輪式裝載機和履帶式裝載機的主要系統結構基本相同，這是裝載機分類方法的最大區別。

著陸裝置

按行走機構可分為輪式（輪胎式）和履帶式兩種，輪式裝載機又可分為鉸接式車架和后輪轉向的剛性車架。輪式裝載機具有重量輕、行走速度快、機動性好、作業周期短、工作效率高的特點。輪式裝載機可以在不破壞路面的情況下自行轉移施工現場，可以在較短的運輸距離內用作運輸設備。在工作量小、工作點分散、轉移頻繁的工況下，輪式裝載機的生產效率遠高于履帶式裝載機，是應用最廣泛的裝載機類型。

履帶式裝載機具有重心低、穩定性好、接地比壓低、在松軟地面附著力和通過性能好等特點，特別適合在地面濕軟、工作量集中、無需頻繁轉移和地形復雜的地區作業。然而，當運輸距離超過30m時，使用成本明顯增加，履帶式裝載機在轉移時需要平板拖車進行托運。

按目的劃分

裝載機按用途分為露天裝載機和地下裝載機，露天裝載機用于露天作業；地下裝載機用于地下作業。絕大多數露天輪式裝載機都是在中國境外生產和使用的。地下裝載機是在露天裝載機的基礎上發展起來的，專門用于地下采礦和隧道挖掘。它們具有較短的機身、橫向駕駛室和廢氣凈化裝置，其他基本結構與露天裝載機基本相同。

發動機功率：根據發動機功率，裝載機分為小型、中型、大型和特大型四種類型，小型裝載機功率小于73.55kW。中型裝載機功率為73.55 ~ 147.10kW；大型裝載機功率為147.10 ~ 514.85kW；特大型裝載機的功率大于514.85千瓦

鏟斗卸載模式：根據鏟斗的卸料方式，可分為前卸、回轉卸、后卸和側卸四種類型。前卸式裝載機因其結構簡單、工作可靠、操控性好而廣泛用于前端鏟運和卸載。旋轉裝載機安裝在可旋轉90° ~ 360°的轉盤上，鏟斗前端可旋轉卸料，無需分流。后卸式裝載機在前端裝載，在后端卸載。側卸式裝載機不僅具有前卸式裝載機的所有功能，還可以側卸物料，多用于隧道或特殊場地施工。

傳輸形式：按傳動形式可分為機械傳動、全液壓傳動、液壓-機械傳動和電氣傳動四種類型。

機械傳動系統由發動機、主離合器、變速箱、分動箱、輪邊減速器、前橋、萬向軸、手制動器和后輪軸等組成。它具有運行可靠、結構簡單、傳動效率高的特點。成本低且易于維修。但難以適應裝載機大負荷變化的要求，發動機容易過載熄火，發動機功率利用率低。

液壓傳動系統由液壓動力元件、液壓執行元件、液壓控制元件和其他液壓輔助元件組成。其特點是結構緊湊，零件少，傳動準確穩定，可同時實現幾個動作，操作省力，整機布置方便等。然而，全液壓變速器的速度范圍不能滿足裝載機的速度要求。

液壓-機械變速箱是用液力變矩器代替主離合器以滿足裝載機作業特殊要求的傳動系統。其特點是能適應裝載機負荷的急劇變化，減少變速箱的擋位數和換擋次數以及傳動系統的沖擊負荷，并能防止發動機失速。然而，液力變矩器的效率較低，降低了生產效率并消耗了大量燃料。

電驅動裝置由電機、液力變矩器、上傳動軸、變速箱、前橋、前傳動軸、中間傳動軸、后傳動軸和后輪軸組成。其特點是可靠性高、維護工作量少、占用空間小。但是成本高，生產時間長，操作復雜。

發動機型號：按發動機類型可分為柴油機（內燃型）、汽油機和電動輪三種。卸載時動臂是否旋轉？卸載時壓臂是否旋轉可分為三種類型:不旋轉、半旋轉（90°旋轉）和全旋轉（360°旋轉）。

液壓機械無級傳動技術：液壓機械無級變速器（HVT）可以實現裝載機的無級變速，易于自動控制，傳動效率高，負載適應性好。液壓機械無級變速器主要由液壓回路、機械回路和分流機構三部分組成。常見的分流合流機構有行星輪系和定軸輪系。動力在分流機構中分為機械路徑和液壓路徑，然后在合流機構中匯合。機械路徑通過齒輪和軸傳遞大部分動力，而液壓路徑僅傳遞一小部分動力。液壓回路可以通過變量泵和變量馬達實現一定范圍內的無級變速，液壓油也可以承受負載變化帶來的沖擊。

電子技術：裝載機關鍵技術發展的一個顯著特點是從最初的電子監控逐步發展到系統的電子控制。例如，柴油機的電子噴射（EUI）燃燒系統、具有變速控制的計算機集成控制系統等。目前已發展成為裝載機綜合控制系統，它利用超小規模集成電路和微處理器核心對裝載機的傳動、轉向和操作控制等主要控制系統進行綜合電子控制。例如，卡特彼勒的G代裝載機可以實現轉向、變速和操作控制的微機集成控制，并可以根據指令操作轉向，用拇指自動操作搖臂開關，使用電液技術用指尖操作工作裝置的操縱桿。

靜液壓技術：裝載機的一項關鍵技術是靜液壓傳動技術，其傳動效率比液壓-機械傳動高十幾個百分點。采用靜液壓驅動后，無論是泵還是馬達基本都是可變的，泵的出油方向可以改變，不僅傳動效率高，而且可以輕松實現電液變速控制和動力分配的電子控制，并確保各種速度下的最大牽引力以達到最佳的高效節能效果，還可以采用液壓制動。靜液壓制動理論上是無磨損的，因此減少了制動系統的維護并提高了制動的可靠性。

冷卻系統散熱技術：隨著國際裝載機向大型化、大功率方向發展，裝載機的載荷和傳動功率大大增加，各系統散熱需求增加。工程機械對散熱器的要求越來越高，強化傳熱已成為現代裝載機散熱器研究的關鍵技術。強化沸騰傳熱技術和磁場動態傳熱技術是裝載機冷卻系統的關鍵技術。

裝載機是建筑施工中不可缺少的土方機械。裝載機可用于鏟、挖、裝載、運輸和卸載散裝材料，也可用于平整場地。更換不同的工作裝置后，它還可以完成棒材裝卸、重物起吊和集裝箱搬運。在沒有牽引車輛的情況下，裝載機也可以作為牽引動力。因此，裝載機廣泛應用于建筑、水電、鐵路、港口、國防、農田基本建設和露天礦工程。它是基本建設中實現機械化施工不可缺少的設備。

機電一體化：裝載機的工作場地和特點具有危險性，發展機電一體化裝載機可以提高裝載機的安全性和可靠性，達到節能的目的。開發機電一體化技術可以生產遙控地下裝載機，這是一種典型的機電一體化產品，可以應用于VCR采礦新方法。通過使用遙控地下裝載機開采礦石，可以回收15%~20%的無礦柱開采殘留礦石。日本小松制作所開發的靜液壓履帶式裝載機采用電子控制系統，實現機器啟動、行走、轉向、制動等動作的自動控制。

裝載機

大規模：未來裝載機的一個重要發展方向是大型化，特別是挖掘設備越來越大，但輪胎尺寸阻礙了大型輪式裝載機的升級。美國卡特彼勒公司生產的大型輪式裝載機最大輪胎直徑為1.45米，鏟斗高度為7.6米，在L-1400裝載機上使用。這種設備用于煤礦、銅礦、金礦和鐵礦。日本小松株式會社生產的大型輪式裝載機型號為WA900，重約89t，最大功率610kW，鏟斗高度5.2m

節能與環保：雖然裝載機被廣泛使用，但制造和使用裝載機所消耗的資源、廢氣和噪音也對環境產生負面影響。使用可再生材料和資源，低環境負荷材料，使用酚醛橡膠、樹脂、石棉和鉛等有害物質較少的材料，選擇低油耗、低排放、低噪聲和長使用壽命的低污染和節能發動機，使用吸聲材料等噪聲抑制方法消除或降低機器噪聲，甚至按照汽車工業的環保標準設計環保和節能的裝載機產品將是未來的發展趨勢。

多功能：在復雜多變的施工環境中，如市政建設、中小城鎮建設、農村非等級公路建設與養護、電纜敷設、開山采石等。，需要一機多用的裝載機，可以完成裝卸、堆垛、抓取、推土、整平、吊裝和搬運等工作。因此，未來裝載機將不僅僅完成單一的裝載功能，還將根據不同工況快速更換裝載、挖掘、鉆頭、滑叉、推土機和撒布機等工作裝置以完成更多工作，以滿足作業量小、作業類型復雜、工作裝置更換頻繁的特殊需求。例如，在卡特彼勒公司開發的帶液壓快換接頭的裝載機中，駕駛員在作業現場通過操縱手柄即可完成鏟叉、抓斗、鏟雪車、道路清掃機構、破碎和液壓軟管自動連接等各種輔助機構的快速裝卸更換，提高了機器的通用性。