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[摘 要]轮式装载机的工作装置由铲斗、连杆（或托架）、摇臂、动臂、翻斗油缸、动臂油缸组成。工作装置是装载机作业的执行系统，装载机工作装置的结构和性能直接影响整机的工作尺寸、参数、动力与运动特性。本文主要分析工作装置的类型、参数及常见的工作故障。
[关键词]装载机 工作装置 连杆机构
中图分类号：TB114.3；TU607 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0254-01
1 背景
装载机工作装置主要由铲斗和支持铲斗进行装卸作业的连杆系统组成，依靠这套装置装载机可以进行散料装载、短途运输、平地修路等作业。装载机工作装置的连杆结构有多种类型，根据其结构、参数不同各有特点。作为装载机的重要组成部分，其工作装置易发生连杆弯曲等故障，影响设备正常使用。
2 工作装置连杆机构的类型
对装载机工作装置而言，尽管杆件数目越多越能实现复杂的运动，但同时铰接点的数目亦随之增加，结构越复杂，就越难在动臂上进行布置。因此，实际上装载机工作装置的连杆机构多为八杆以下机构。按组成工作装置连杆机构构件数不同，装载机工作装置可分为三杆、四杆、五杆、六杆和八杆机构；按输入与输出杆转向不同，又可分为正转和反转机构。正转机构是指输入与输出杆的转向相同；反转机构是指输入与输出杆的转向相反。连杆机构典型结构主要有下列几种。
2.1 正转四杆机构
四杆是连杆机构最简单的一种，容易实现铲斗举升平动，此机构前悬较小。缺点是油缸输出力较小，又因连杆系统倍力系数难以设计出较大值，所以翻斗油缸活塞行程大，油缸尺寸小。此外，在卸载时活塞杆易与斗底相碰，所以卸载角减小，而且铲斗不能实现自动放平，缺点较为明显。
2.2 正转五杆机构
在四杆结构活塞杆与铲斗之间增加一根短连杆，从而变成为正转五杆机构。当铲斗卸载时短连杆能相对活塞杆转动，避免了活塞杆与斗底相碰。但仍不能消除四杆结构的其他缺陷。
2.3 六杆机构
六杆机构工作装置是目前较为普及的一种结构形式。对于单自由度的六杆机构，只能由2个三铰构件和4个两铰构件组成。此机构与前置式油缸相比，前悬较大、传动比较大、活塞行程较短，动臂、翻斗油缸、摇臂和连杆可设计在同一平面内，简化了结构，改善了动臂和铰销的受力状态。缺点是翻斗油缸和车架的铰接点位置较高，影响司机视野；翻斗时油缸小腔进油，掘起力相对较小。
小松装载机工作装置主要采用反转六连杆，又叫“Z”形连杆结构，这种机构形式简单、尺寸紧凑。当铲斗铲掘物料时由于是反转机构，翻斗油缸大腔进油工作，可以获得较大的铲掘力。也就是说，铲起同样重量的物料，翻斗油缸的尺寸可以设计得较小。而且翻斗油缸后置，使司机有较好的视野。因此在各种规格的装载机上得到普遍应用，我国生产的ZL 系列轮式装载机工作装置多采用这种形式（图1、图2）。
2.4 正转八杆机构
此机构在翻斗油缸大腔进油时翻斗铲取，所以掘起力较大；各构件尺寸配置合理时，铲斗具有较好的举升平动性能；连杆系统传动比较大，铲斗能较大的卸载角和卸载速度，因此卸载干净、速度快。由于传动比大，还可适当减小连杆系统尺寸，因而司机视野得到改善。但易使连杆系统倍力系数减小，影响掘起力。正转八杆机构的缺点是机构复杂，不易实现铲斗自动放平。
2.5 TP连杆机构
TP连杆机构是沃尔沃公司推出的一种新型连杆机构。该机构具有平行连杆机构的全部优点和“Z”型连杆机构的良好挖掘性能。TP连杆机构以其独特的T连杆提供极佳的铲掘力。在动臂的整个举升过程中，铲斗具有良好的平移性和举升性。
综上可知，反转六杆工作机构优点较多，能比较理想的满足铲、装、卸作业要求，TP连杆机构具有平行连杆机构的全部优点和“Z”型连杆机构的良好挖掘性能，都在各种规格的装载机上得到普遍应用。
4工作装置主要参数要求
工作装置主要参数基本要求大致分为动力性和运动性两类，机构设计运动性和动力性是一对矛盾，因此工作装置主要参数设计时，既要获得良好的动力性，又要兼顾运动性，同时还要考虑到机构参数对结构设计和制造工艺的影响，通常做机构优化时把动力性作为目标函数，而将运动性作为约束条件。
4.1 动力性
掘起力是动力性的最重要指标，通常所说的掘起力主要指翻斗油缸产生的掘起力，掘起力=倍力系数×翻斗油缸力，提高翻斗油缸力可通过加大缸径和提高压力来获得，加大缸径会降低动作速度，提高压力会增加功率占用。因此提高倍力系数是机构优化的主要目标。
4.2 运动性
动臂举升过程中，铲斗后翻角的变化尽量小，以保持物料不洒落，通常设计要求是后翻角的变化≤15°，实际上单纯的追求平移性是不科学的，对z型机构来说，过分追求平移性，必然要以牺牲动力性作为代价，那就是舍本逐末。连杆系统在整个运动过程中不得出现“死点”；工作装置各构件之间不允许发生“干涉”。保证必要的卸载角、卸载高度和卸载距离。轮式装载机要求铲斗从铲掘工况至最高位置之间的任意高度都能卸载干净，为此，不同举升高度时的铲斗卸载角均需≥45°。
5 装载机工作装置常见的故障
装载机工作装置常见的故障有连杆弯曲（连杆轴销断裂）和翻斗油缸活塞杆断裂（焊接轴销端、活塞端）。
通常来说，连杆在工作过程中是受拉力的，只会出现被拉长或铰接孔失圆的现象，不会出现弯曲现象。因此连杆在设计中我们只考虑其能承受的最大拉力，不考虑其它力，因而连杆成为工作装置中最薄弱的部件。实际工作中，如果工作装置设计不合理或操作不当，将使连杆和油缸承受比拉力还大的其它力。
第一种工况：工作装置在处于最高位置以下的任意位置卸料后，如果操作司机接下来的动作不是下降动臂或收斗，而是直接提升动臂，这时，连杆受的力就不是拉力，而是压力。提升动臂之后，由于卸载限位块与动臂接触，铲斗与动臂的相对夹角不能再减小，这时连杆受到铲斗的推力，该推力通过摇臂作用到翻斗油缸上，将活塞杆往外拉，而此时的翻斗油缸前后腔都处于封死状态，必须通过翻斗油缸的前腔泄油、后腔补油才能使工作装置继续向上运动，如果连杆产生的最大推力不能使翻斗油缸活塞杆向外拔出，最后只能使连杆弯曲。因此，这种情况下连杆所受的最大压力是由翻斗缸前腔泄荷阀的压力决定的。
第二种工况：当工作装置在卸料作业时，用户往往为了卸料干净，操纵翻斗油缸，用铲斗限位块与动臂进行猛烈碰撞，这时摇臂会对连杆产生一个冲击压力，如果不考虑运动慣性力的大小，连杆所受压力的大小也是由翻斗缸前腔泄荷阀的压力决定的，与第一种情况相似，所不同的是这种工况翻斗缸是主动的，而第一种情况翻斗缸是被动的。
以上是连杆弯曲的两种典型工况，我们可以找出连杆受压力最大的一种工况，对连杆进行稳定性验算。对于第二种工况，可以在动臂座梁处焊接一个限位块，可以防止翻斗缸将太多的冲击压力传递到连杆上。对于第一种工况，让发动机处于怠速状况下提升动臂，如果动臂不能被提升起来或感觉到发动机转速明显下降甚至熄火，这时是翻斗油缸前腔泄荷阀压力太高，应该用压力表测试并调整到规定值。
6 总结
当工作装置在卸料作业时，操作司机受操作水平，责任意识，货物种类的影响，尤其是高黏性货物难以卸载干净时，司机操纵翻斗油缸，用铲斗限位块与动臂进行猛烈碰撞，这时摇臂会对连杆和油缸产生一个冲击力，油缸工作本是柔性力，经过长时间的冲击，油缸难免会受到损伤。这就要求操作司机提高操作水平，加强责任意识，爱护设备。
参考文献
[1] 最新装载机设计生产新工艺新技术的维护保养及质量检验标准使用手册[D].北京：中国机械工业出版社.
[2] 沃尔沃装载机产品概述.
[关键词]装载机 工作装置 连杆机构
中图分类号：TB114.3；TU607 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0254-01
1 背景
装载机工作装置主要由铲斗和支持铲斗进行装卸作业的连杆系统组成，依靠这套装置装载机可以进行散料装载、短途运输、平地修路等作业。装载机工作装置的连杆结构有多种类型，根据其结构、参数不同各有特点。作为装载机的重要组成部分，其工作装置易发生连杆弯曲等故障，影响设备正常使用。
2 工作装置连杆机构的类型
对装载机工作装置而言，尽管杆件数目越多越能实现复杂的运动，但同时铰接点的数目亦随之增加，结构越复杂，就越难在动臂上进行布置。因此，实际上装载机工作装置的连杆机构多为八杆以下机构。按组成工作装置连杆机构构件数不同，装载机工作装置可分为三杆、四杆、五杆、六杆和八杆机构；按输入与输出杆转向不同，又可分为正转和反转机构。正转机构是指输入与输出杆的转向相同；反转机构是指输入与输出杆的转向相反。连杆机构典型结构主要有下列几种。
2.1 正转四杆机构
四杆是连杆机构最简单的一种，容易实现铲斗举升平动，此机构前悬较小。缺点是油缸输出力较小，又因连杆系统倍力系数难以设计出较大值，所以翻斗油缸活塞行程大，油缸尺寸小。此外，在卸载时活塞杆易与斗底相碰，所以卸载角减小，而且铲斗不能实现自动放平，缺点较为明显。
2.2 正转五杆机构
在四杆结构活塞杆与铲斗之间增加一根短连杆，从而变成为正转五杆机构。当铲斗卸载时短连杆能相对活塞杆转动，避免了活塞杆与斗底相碰。但仍不能消除四杆结构的其他缺陷。
2.3 六杆机构
六杆机构工作装置是目前较为普及的一种结构形式。对于单自由度的六杆机构，只能由2个三铰构件和4个两铰构件组成。此机构与前置式油缸相比，前悬较大、传动比较大、活塞行程较短，动臂、翻斗油缸、摇臂和连杆可设计在同一平面内，简化了结构，改善了动臂和铰销的受力状态。缺点是翻斗油缸和车架的铰接点位置较高，影响司机视野；翻斗时油缸小腔进油，掘起力相对较小。
小松装载机工作装置主要采用反转六连杆，又叫“Z”形连杆结构，这种机构形式简单、尺寸紧凑。当铲斗铲掘物料时由于是反转机构，翻斗油缸大腔进油工作，可以获得较大的铲掘力。也就是说，铲起同样重量的物料，翻斗油缸的尺寸可以设计得较小。而且翻斗油缸后置，使司机有较好的视野。因此在各种规格的装载机上得到普遍应用，我国生产的ZL 系列轮式装载机工作装置多采用这种形式（图1、图2）。
2.4 正转八杆机构
此机构在翻斗油缸大腔进油时翻斗铲取，所以掘起力较大；各构件尺寸配置合理时，铲斗具有较好的举升平动性能；连杆系统传动比较大，铲斗能较大的卸载角和卸载速度，因此卸载干净、速度快。由于传动比大，还可适当减小连杆系统尺寸，因而司机视野得到改善。但易使连杆系统倍力系数减小，影响掘起力。正转八杆机构的缺点是机构复杂，不易实现铲斗自动放平。
2.5 TP连杆机构
TP连杆机构是沃尔沃公司推出的一种新型连杆机构。该机构具有平行连杆机构的全部优点和“Z”型连杆机构的良好挖掘性能。TP连杆机构以其独特的T连杆提供极佳的铲掘力。在动臂的整个举升过程中，铲斗具有良好的平移性和举升性。
综上可知，反转六杆工作机构优点较多，能比较理想的满足铲、装、卸作业要求，TP连杆机构具有平行连杆机构的全部优点和“Z”型连杆机构的良好挖掘性能，都在各种规格的装载机上得到普遍应用。
4工作装置主要参数要求
工作装置主要参数基本要求大致分为动力性和运动性两类，机构设计运动性和动力性是一对矛盾，因此工作装置主要参数设计时，既要获得良好的动力性，又要兼顾运动性，同时还要考虑到机构参数对结构设计和制造工艺的影响，通常做机构优化时把动力性作为目标函数，而将运动性作为约束条件。
4.1 动力性
掘起力是动力性的最重要指标，通常所说的掘起力主要指翻斗油缸产生的掘起力，掘起力=倍力系数×翻斗油缸力，提高翻斗油缸力可通过加大缸径和提高压力来获得，加大缸径会降低动作速度，提高压力会增加功率占用。因此提高倍力系数是机构优化的主要目标。
4.2 运动性
动臂举升过程中，铲斗后翻角的变化尽量小，以保持物料不洒落，通常设计要求是后翻角的变化≤15°，实际上单纯的追求平移性是不科学的，对z型机构来说，过分追求平移性，必然要以牺牲动力性作为代价，那就是舍本逐末。连杆系统在整个运动过程中不得出现“死点”；工作装置各构件之间不允许发生“干涉”。保证必要的卸载角、卸载高度和卸载距离。轮式装载机要求铲斗从铲掘工况至最高位置之间的任意高度都能卸载干净，为此，不同举升高度时的铲斗卸载角均需≥45°。
5 装载机工作装置常见的故障
装载机工作装置常见的故障有连杆弯曲（连杆轴销断裂）和翻斗油缸活塞杆断裂（焊接轴销端、活塞端）。
通常来说，连杆在工作过程中是受拉力的，只会出现被拉长或铰接孔失圆的现象，不会出现弯曲现象。因此连杆在设计中我们只考虑其能承受的最大拉力，不考虑其它力，因而连杆成为工作装置中最薄弱的部件。实际工作中，如果工作装置设计不合理或操作不当，将使连杆和油缸承受比拉力还大的其它力。
第一种工况：工作装置在处于最高位置以下的任意位置卸料后，如果操作司机接下来的动作不是下降动臂或收斗，而是直接提升动臂，这时，连杆受的力就不是拉力，而是压力。提升动臂之后，由于卸载限位块与动臂接触，铲斗与动臂的相对夹角不能再减小，这时连杆受到铲斗的推力，该推力通过摇臂作用到翻斗油缸上，将活塞杆往外拉，而此时的翻斗油缸前后腔都处于封死状态，必须通过翻斗油缸的前腔泄油、后腔补油才能使工作装置继续向上运动，如果连杆产生的最大推力不能使翻斗油缸活塞杆向外拔出，最后只能使连杆弯曲。因此，这种情况下连杆所受的最大压力是由翻斗缸前腔泄荷阀的压力决定的。
第二种工况：当工作装置在卸料作业时，用户往往为了卸料干净，操纵翻斗油缸，用铲斗限位块与动臂进行猛烈碰撞，这时摇臂会对连杆产生一个冲击压力，如果不考虑运动慣性力的大小，连杆所受压力的大小也是由翻斗缸前腔泄荷阀的压力决定的，与第一种情况相似，所不同的是这种工况翻斗缸是主动的，而第一种情况翻斗缸是被动的。
以上是连杆弯曲的两种典型工况，我们可以找出连杆受压力最大的一种工况，对连杆进行稳定性验算。对于第二种工况，可以在动臂座梁处焊接一个限位块，可以防止翻斗缸将太多的冲击压力传递到连杆上。对于第一种工况，让发动机处于怠速状况下提升动臂，如果动臂不能被提升起来或感觉到发动机转速明显下降甚至熄火，这时是翻斗油缸前腔泄荷阀压力太高，应该用压力表测试并调整到规定值。
6 总结
当工作装置在卸料作业时，操作司机受操作水平，责任意识，货物种类的影响，尤其是高黏性货物难以卸载干净时，司机操纵翻斗油缸，用铲斗限位块与动臂进行猛烈碰撞，这时摇臂会对连杆和油缸产生一个冲击力，油缸工作本是柔性力，经过长时间的冲击，油缸难免会受到损伤。这就要求操作司机提高操作水平，加强责任意识，爱护设备。
参考文献
[1] 最新装载机设计生产新工艺新技术的维护保养及质量检验标准使用手册[D].北京：中国机械工业出版社.
[2] 沃尔沃装载机产品概述.