ZL50型装载机工作机构设计

ZL50型装载机工作机构设计摘 要装载机是一种应用广泛的工程机械。其工作装置的结构和性能直接影响工程机械整机的工作尺寸和性能参数，工作装置的合理性直接影响整机的工作效率、生产 负荷、动力与运动特性、不同工况下的作业效果、工作循环的时间、外形尺寸和发动机功率等。为了保证经济建设的高速发展，提高广大人民群众的物质文化需求，我国必将进行大规模的基础设施建设，如：铁路、公路等。其有广泛的空间，但由于装载机传统开发模式存在的开发周期长、过程繁杂、开发成本高、性能测试困难等问题，本文将仿真技术引入装载机开发领域，完成以下工作：1. 介绍了装载机的发展历史及前景，装载机的种类，介绍了仿真技术产生的背景、在国内的发展状况以及仿真技术的实际意义。2. 简述了Solidworks软件在工程设计中的应用，利用Solidworks构建装载机的三维实体模型，并对其进行装配，在Solidworks环境下进行了装配干涉检验。3. 对液压缸作出了合理的选择。4. 装载机工作装置包括铲斗，动臂，摇臂及它们相对应的油缸，连杆，并对它们进行设计计算。关键词：装载机；工作装置；液压缸；仿真技术；三维建模 31Design of working mechanism of ZL50 LoaderAbstractLoader is a kind of engineer machine that is widely applied in engineer project. Device structure and performance of work directly affects the work of construction machinery machine size and performance parameters, the reasonableness of the work machine direct impact on equipment efficiency, production capacity, power and motion characteristics, effects of different conditions of operation, duty cycle time, such as dimensions and engine power.In order to guarantee the high speed development of the economic development, enhances the broad massesmaterial culture demand, our country will certainly to carry on the large-scale infrastructure construction, for example: railroad, road.which has wildely space, Aim to the problems that exist in traditional research way of loader, for example the research cycle is long, the cost is long, the cost is high and the performance test is complex etc, this paper leads virtual prototype technology into research of loader. The following research works are completed:1. The development foreground, the category and loaders history is introduced, also the background of simulation technology come into being, developing status in local and the significance of virtual prototype technology is introduced.2. To brief introduce the Solidworks software which application in the field of engineering, the 3D modeling is used by Solidworks software, which is built and interferential test of assembly in Solidworks environment is completed.3. A rational choice for the hydraulic cylinders.4. Working mechanism of loader, including bucket loaders, boom, arm and their corresponding cylinders, connecting rods, and their design calculations.Keywords: Loader, Working mechanism, hydraulic technology, Simulation technology, 3D modeling目 录摘要Abstract1 绪论 11.1 装载机的概述11.2装载机国内外现状及趋势21.2.1 我国装载机行业发展21.2.2 国外装载机发展状况41.3装载机设计主要内容52 装载机工作装置简介 62.1 装载机工作装置作业流程62.2 基本参数确定62.3 装载机工作装置设计要求62.4 铲斗设计62.5 动臂设计82.6 连杆机构设计92.7 转斗油缸和动臂油缸的主动力计算102.8 小结113 液压系统设计133.1 液压系统参数设计133.2 系统工作压力p的确定133.3 系统最大流量Q 133.4 ZL50液压系统的工作原理 133.5 液压油缸设计计算 163.5.1液压缸内径D和活塞杆直径d的确定 163.5.2 液压缸壁厚和外径计算 173.5.3 液压缸工作行程的确定 183.5.4 缸盖厚度的确定 183.5.5 最小导向长度的确定 193.5.6 缸体长度的确定 203.5.7 液压缸的结构设计 203.5.8 工作装置的限位机构 214 工作装置三维模型的建立 234.1 摇臂三维实体创建 234.2 动臂三维实体创建 234.3 连杆三维实体创建 244.4 摇臂液压缸三维实体创建 254.5 动臂液压缸三维实体创建 264.6 铲斗三维实体创建 264.7 工作装置三维实体组装 274.8 工作装置运动仿真 28结论 29参考文献致谢ZL50型装载机工作机构设计1 绪论1.1 装载机的概述 装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重和其他物料如木材的装卸作业。在道路、特别是在高等级公路施工中，装载机用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。此外还可进行推运土壤、刮平地面和牵引其他机械等作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。我国轮式装载机主要是20世纪70年代初期发展起来的，与工程机械其他机种相比，轮式装载机的桥、箱、泵、阀及缸等零部件产品配套相对成熟，已经形成了比较完整的配套体系。而且自90年代以来，国内外工程机械进入了一个新的发展时期，工程机械产品以信息技术为先导，在发动机燃料燃烧与电控、液压控制系统、自动操纵、可视化驾驶、精确定位与作业、故障诊断与监控、节能与环保等方面，进行了大量的研究，开发出许多新结构（或系统）和新产品，以ZL50型装载机为主导产品，经过多年的发展，质量水平不断提高，已经形成独立的产品系列和行业门类。近年来，国内外转载机的发展趋向于采用新结构新技术、向机电一体化、电子化方向发展。然而，我国装载机在设计上存在很多问题，其中主要集中在可靠性、结构设计强度等方面。而工作机构对于装载机来说又是重中之重，所以工作机构的设计好坏直接影响到装载机的使用寿命以及工作效率等。虽然现在市场上的装载机已经日趋成熟，但对其进行改进设计仍有非常重要的意义，尤其是装载机的工作机构。总的来说，其设计意义主要体现在以下几个方面：第一、随着我国经济的持续、健康、高速发展，对工程机械的需求将增长，这些需求对工程机械产品既提出了“量”又提出了“质”的巨大市场需求。中国装载机企业必须抓住新的发展形势，在产品研发上体现差异化战略和成本领先战略，继续加强行业以企业国家级技术中心和高校及科研院所为主体的科研开发体系建设加强品牌建设，提升品牌价值。第二、装载机工作机构是完成装卸作业并带液压缸的空间多杆机构,它是装载机的核心部件之一，其设计水平的高低直接影响到整机的工作性能、工作效率。而当前装载机的工作机构仍存在许多缺点，比如：厦工ZL50型第三代装载机的工作装置铲斗的自动放平和手动操作方面欠佳，不是很熟练的操作手很难掌握。另外，铲斗销子和固定销子的螺栓易松动和损坏，铲斗放平的标志不明显、不清楚，新手很难掌握。电瓶箱盖需要改进(因为每天都要检查电瓶极柱，电瓶线固定 情况等很不方便)；柳工ZL50C、ZL50E型装载机的大臂设计欠妥，提升大臂无力，动作缓慢且不灵活，造成作业效率低。此外，转向方面不够好，电瓶箱也需要改进，很不适用，而且整机设计笨重，车身过长、过高等。这些问题，势必会影响其工作效率和工作性能。所以，合理的设计工作装置的结构是非常重要的。第三、作为一个毕业设计，装载机的工作机构设计与本专业所学的机械原理、机械设计、理论力学、材料力学等课程紧密联系，是对平时所学的知识的综合运用，有助于专业能力的培养与提升。同时，通过对装载机工作机构的设计这个毕业设计，熟练Auto CAD绘图，对专业知识进行一次复习，熟悉设计过程，为毕业从事工作做一个热身，做好准备。1.2装载机国内外现状及趋势1.2.1我国装载机行业发展我国现代轮式装载机起始于20世纪60年代中期的Z435型。该机为整体机架、后桥转向。经过几年的努力，在吸收当时世界最先进的轮式装载机技术的基础上，开发成功了功率为162KW的铲接式轮式装载机，定型为Z450（即后来的ZL50），并于1971年12月18日正式通过专家鉴定。就这样诞生了我国第一台铰接式轮式装载机，从而开创了我国装载机行业形成与发展的历史。Z450型装载机具有液力机械传动、动力换挡、双桥驱动、液压操纵、铰接式动力转向、气推油加力制动等现代轮式装载机的基本结构，为当时世界先进水平。也基本上代表了我国第一代轮式装载的基本结构。该机在总体性能方面具有动力性好，插入力有掘起力大、机动灵活、操纵轻便、作业效率高等一系列优点。1978年，天工所根据机械部的要求，制订出以柳工Z450为基型的我国轮式装载机系列标准。制订标准时，保留用Z代表装载机，用L取代“4”代表轮式，改Z450为ZL50，就这样制订出了以柳工ZL50型为基型的我国ZL轮式装载机系列标准，这是我国装载机发展鸣上的重大转折点。该标准制订出来后按当时的行业分工，柳工、厦工制造ZL40以上的大中型轮式装载机，成工、宜工制造ZL30以下的中小型轮式装载机，逐步形成了柳工、厦工、成工和宜工当时的装载机四大骨干企业。到70年代末、80年代初我国装载机制造企业已增加至20多家，初步形成了我国装载机行业。到目前为止，我国轮式装载机已经发展到了第三代，但最基本的结构仍然是由Z450（ZL50）演变而来。第二代变化不很大，第三代变化稍大一些。2001年我国装载机全行业总销售量已突破3万台，居世界装载机市场的前列。因此，目前我国已经成了世界上装载机产销大国。我国轮式装载机主要是20世纪70年代初期发展起来的,以ZL50型 装载机为主导产品,经过多年的发展,质量水平不断提高,已经形成独立的产品系列和行业门类。与工程机械其他机种相比,轮式装载机的桥、箱、泵、阀及缸等零部件产品配套相对成熟,已经形成了比较完整的配套体系。由于装载机应用范围广,因而整个市场受国家宏观调控影响较小,据中国工程机械工业协会统计,2004 年全国装载机销量为89,892台,同比增长31.4%,但销售利润率却出现了负增长,由2003年的 5.66%降到4.32%。通过对2005年前三季度的产量分析,预计2005年产量约9万台左右,行业的利润率也将进一步降低到4%以下。全国装载机生产企业最多时达到130多家,其中专业生产企业有30多家,主要生产企业有柳工、厦工、龙工、临工、徐工、江苏常林、成工和山工等,这些厂家凭借长期生产装载机的经验、较强的实力和较好的售后服务赢得了较高的市场占有率。其中柳工和厦工2004年销量分别为14903台和14217台,两家合计约占到国内市场总销售量的32.4%；产量上万台的企业还有龙工、临工和徐工3家。除以上生产企业外,成工、山工、常林3家的产量也均在5000台以上。这表明我国装载机行业的产能已达到很高的水平。我国装载机行业的自主品牌通过十几年的发展,在跨国公司强势品牌的重重包围之下,摸爬滚打,走出了一条自主发展的道路,并逐渐发展壮大,牢牢控制了国内90%以上的市场份额。国内装载机市场的营业额近年来一直约占我国整个工程机械行业总营业额的半壁江山,其行业地位十分重要。同时国产装载机产品以其出色的性价比优势,已经开始在国际市场上崭露头脚,呈现出较好的发展势头。福建以厦工为龙头企业,以厦门、泉州、晋江和三明等地为基地,形成了福建龙岩工程机械(集团)有限公司、中国龙工控股有限公司、福建福清隆兴工程机械制造有限公司、福建晋江工程机械厂、厦工新宇机械有限公司、厦门市装载机有限公司和泉州市建德集团公司等多家装载机生产企业。山东以山东临沂工程机械有限公司为代表,形成了山东山工机械有限公司、山东蒙凌工程机械有限公司、山东德工机械有限公司和烟台工程机械有限公司等生产企业,此外,还有近年来新涌现出的山东福田重工股份有限公司和山东省泰安龙泰机械有限公司等。江苏以徐工集团为代表,形成了常林股份有限公司和南京南华山特机械有限公司等生产企业。广西形成了以广西柳工机械股份有限公司为代表的装载机生产企业。其他还有厦工、成工、徐工等企业也采用了这种发展模式提升其生产能力和技术水平。第一种方式是原有企业通过适度技改来扩大产能,近年因该行业属充分竞争型市场,国家未进行过专项支持,各企业基本上都是靠自我积累进行产能提升。第二种方式是大的装载机生产企业以低成本为目标,在国内市场需求较为集中的地区组建新企业,以期扩大其生产能力和市场占有率,如龙工在上海松江、柳工在江苏镇江、晋工在福建晋江等地相继建立生产基地,通过扩大产能占领当地市 场并辐射周边市场。第三种方式是上规模的配套件企业进入装载机行业,如玉柴2004年成立玉柴工程机械有限责任公司,正式进入装载机行业。第四种方式是在配套件比较充足,技术来源比较方便的地区新出现了较多的装载机民营企业,比如山东的青州涌现出56家年产200台左右的装载机民营企业,此外还有最近几年才发展起来的山东泰安地区的龙泰、云宇等后起之秀；最后是一部分原装载机制造企业转行或已破产关闭后,通过改制重组,又以新的面貌重新进入装载机行业,如吉林四平华银破产后,被民 营企业买下,成立了重新制造装载机的吉林恒业公司等。此外,国际著名工程机械跨国集团公司对中国装载机市场窥探已久,一些国外大企业加快了进入中国装载机行业的步伐,如日本神钢与成工集团整体组成的成都神钢工程机械(集团)有限公司,并从2003年起两年内达到由神钢控股。最 典型的是世界工程机械排头兵美国卡特彼勒,凭借其雄厚的经济实力, 以收购中国装载机制造企业的方式入驻中国装载机行业,2006年卡特彼勒将拥有所收购企业的全部股份。目前,我国装载机行业37家主要装载机企业总产能已达14万台以上,其余几十家企业平均每家200300台左右,加上后进入者如福田重工等, 初步算,2006年国内装载机总生产能力将超过20万台,市场需求约为9万10万台,预计约有50%的能力闲置、产能严重过剩,市场竞争将更加激烈。低水平价格战的竞争形式仍然存在,降价成为争夺市场的主要手段。一方面由于主机制造企业的增加,特别是竞争实力很强的大企业加盟；另一方面由于新增加的产能基本上都是低水平的重复,并没有技术上新的突破。这些更加剧了竞争的残酷性。由于盈利水平较低,整个行业效益下滑比较明显,这在很大程度上制约了我国整个装载机行业向高水平、高技术方向发展,行业潜伏着生存与发 展的危机。近几年,国内装载机生产企业除厦工、柳工、龙工、临工和徐工等实力较强的企业其利润率保持在一定的水平外,其他中小型装载机生产企业大多处于微利或亏损状态。国外企业将进一步加大入主我国装载机行业的力度。国际著名的大企业集团纷纷进入中国工程机械行业,以美国凯雷入主徐工集团、卡特彼勒入主山工为起点,掀起了工程机械行业新一轮的并购热潮。近期卡特彼勒又与国内装载机龙头企业如厦工、柳工等骨干生产企业进行了密切的接触,这些跨国企业主要以其雄厚 的资金和技术实力逐步打开国 内装载机市场。 可以预见十一五头几年,我国工程机械行业的发展以装载机企业为代表,竞争结构将发生变化,对我国国产装载机行业的格局将产生重大的影响。1.2.2国外装载机发展状况轮式装载机以围绕提高效率、降低成本为核心,继续向大型化、微型化发展,不断推出新产品,加速更新换代。微电子技术的突破性进展为轮式装载机自动控制、状态监测及视线范围内遥控技术的发展创造了条件。柴油发动机自动控制喷油系统、变速箱自动控制换档、性能参数和状态监测均取得重大进展,在视线内遥控作业已进入实用阶段,从而改善了性能,提高可靠性,缩短停机时间,增加生产能力,降低燃油消耗,取得了更大的经济效益。卡特彼勒公司:卡特彼勒公司90年代初推出Cat966F轮式装载机,时隔1年又推出Cat980F轮式装载机,它增加了斗容和功率,改善了性能、提高了可靠性。不久又推出更大的Cat994开轮式装载机,根据物料体积质量不同而选配18-30m的铲斗,机重170t；装有涡轮增压后冷的Cat3516型柴油发动机牵引力大、加速性能好；加长的工作动臂增加了卸载高度,能对载重量218t的大型自卸汽车装载。卡特彼勒公司推出组合式八杆机构,这种机构替代综合多用机上的八杆平行举升机构和传统的型连杆机构,可承受极大的扭矩载荷和具有卓越的可靠性（耐用性）,驾驶室前端视野开阔。从地面到整个举升高 度范围内具有平行移动的特点。它将快速连接器和塔架式机构设计成整体式工作装置,通过快速更换不同的辅助机构完成装卸、堆垛、扫雪、平地、清扫路面、推土、吊装、搬运和地表钻孔等作业,实现一机多能,减少用户设备投资。卡特彼勒公司为代表的轮式装载机采用液力机械传动系统,其自动动力换档变速箱自动选择 档位传动比,使换档在变速箱最佳效率点进行。该公司最近推出的STIC（转向变速集成）系统,将转向和换档功能集成于一操纵手柄上,使操纵更加省力、轻便,换档更加平稳,可大幅度提高生产率。卡特彼勒轮式装载机转向液压系统用负荷传感式溢流间,使液压泵在负载压力下溢流,降低系统压力,提高了液压元件寿命。工作装置液压系统采用举升限位装置和下放自动定位装置,避免了机械限位时液压缸行程终了产生高压和冲击；装设的蓄能器能吸收冲击载荷,并对整机的纵向摇摆起阻尼作用；液压缸导向套处有三重密封,防止泄漏和防尘。卡特彼勒KLD994D型装载机采用了Cat3516B型柴油发动机,装有HEUI型电控喷油系统,根据外载荷有效控制功率和转速,发动机喷油泵随调速器动作,精确地对燃油进行调节、加压和供油,降低初始喷油速率,减少NOX和HC,噪声小,燃油效率高。新型轮式装载机司机室的设计充分考虑了人的生理需求,对仪表位置排列、操作手柄和踏板、司机座椅、能见度、防噪和隔振、温度调节等均符合人机工程学,使司机在舒适、轻松、安全环境下操作,提高工作效率。如卡特彼勒轮式装载机的司机室设有微机监控装置和可调悬挂式座椅,先导液压阀操纵铲斗控制手柄 及流量放大转向系统等,使操作轻便、灵活,采用防滚翻保护结构（ROPS）和落体撞击保护结构（FOPS）符合ISO标准要求。卡特彼勒开发的电子监控 （EMS）系统对轮式装载机主要系统出现故障或潜在问题提出警告和显示,有三种不同的警告级别和信号,每种信号表明系统的状态和司机应采取的适当措施。日本小松公司与日本川崎重工公司:日本小松公司WA系列中小功率（小于125kw）为代表的轮式装载机采用新型集中式结构的驱动桥。它将主传动、制动器和 行星轮式终传动都集中在桥的中部,桥壳断面变化连续、平缓,内应力分布合理,从根本上防止因传统结构桥壳在轮边支承轴段应力集中断裂。轮端采用浮动密封结构,安装简便,有自动补偿功能,密封性能良好。该结构设计合理、基本零件少、工艺性好,性能好、可靠性高。日本川崎重工公司的KLD97Z III型轮式装 载机采用自动控制换档的变速箱,可按装载机运转工况动选择最佳档位,用微机控制离合器,从而简化操作、提高作业效率、减少冲击,实现平稳换档,电子控制 装置、传感器等使用可靠,一旦控制系统发生故障,可用手动换档,不影响工作。1.3装载机设计主要内容（1）国内外相关资料、文献、专利的调研； （2）根据主机的用途、性能要求完成工作装置连杆机构方案分析、比较及选择； （3）满足工作要求的参数设计； （4）建立工作装置各杆件的三维实体模型，实现工作装置的虚拟装置、运动学分析、干涉检验等，最后完成自动生成图纸；（5）总结设计研究结果，撰写毕业设计文件。第二章 装载机工作装置简介2.1装载机工作装置作业流程装载机作业过程大致为：工作装置油缸闭锁，将铲斗插入料堆，操纵铲斗向后翻转到最大后倾角停止。操纵动臂油缸使动臂提升到运输位置并保持将物料运输到卸载地点。提升动臂到卸载位置操纵转斗油缸使铲斗前倾到最大卸载角卸载，然后再回到装载场地，进行下一次循环。装运 卸 返回分析工况是系统设计的依据，理想的情况是进行工况分析时能绘出装载机一个工作循环重总负荷和功率变化的分析图表。但是由于工作多变，绘制这样的图表往往很困难，所以一般只能分析工作循环过程中的最大负荷点或最大功率点，以这些点上的峰值作为系统设计的依据。装载机一个作业循环各个装置的动作是：铲掘、提升、保持、倾卸。2.2基本参数确定动臂提升时间：5s动臂下降时间：3s铲斗前倾时间：1s 最大卸载高度：2920mm斗容量：2.7m2.3装载机工作装置设计要求装载机的铲掘和装卸物料作业是通过其工作装置的运动来实现的。装载机工作装置由铲斗1、动臂2、连杆3、摇臂4和转斗油缸5、动臂油缸6等组成。整个工作 装置铰接在车架7上。铲斗通过连杆和摇臂与转斗油缸铰接，用以装卸物料。动臂与车架、动臂油缸铰接，用以升降铲斗。铲斗的翻转和动臂的升降采用液压操纵。装载机作业时工作装置应能保证：当转斗油缸闭锁、动臂油缸举升或降落时，连杆机构使铲斗上下平动或接近平动，以免铲斗倾斜而撒落物料；当动臂处于任何 位置、铲斗绕动臂铰点转动进行卸料时，铲斗倾斜角不小于45，卸料后动臂下降时又能使铲斗自动放平。综合国内外装载机工作装置的结构型式，主要有七种类型，即按连杆机构的构件数不同，分为三杆式、四杆式、五杆式、六杆式和八杆式等；按输入和输出杆的 转向是否相同又分为正转和反转连杆机构等。土方工程用装载机铲斗结构，其斗体常用低碳、耐磨、高强度钢板焊接制成，切削刃采用耐磨的中锰合金钢材料，侧切削刃和加强角板都用高强度耐磨钢材料制 成。铲斗切削刀的形状分为四种。齿形的选择应考虑插入阻力、耐磨性和易于更换等因素。齿形分尖齿和钝齿，轮胎式装载机多采用尖形齿，而履带式装开机多采用 钝形齿。斗齿数目视斗宽而定，斗齿距一般为150-300mm。斗齿结构分整体式和分体式两种，中小型装载机多采用整体式，而大型装载机由于作业条件差、 斗齿磨损严重，常采用分体式。分体式斗齿分为基本齿2和齿尖1两部分，磨损后只需要更换齿尖。2.4铲斗设计铲斗是工作装置的重要组成部件，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。1 铲斗设计要求 铲斗设计要求满足：1）插入和掘起阻力小，作业效率高；2）具有足够的强度、刚度和耐磨性；3）适应铲装不同种类和重量的物料，备有不同结构形式和斗容的铲斗。2 铲斗结构形式的选择通常铲斗由切削刃、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，通常分为直线形和非直线形（V形或弧线形）两种。直线形切削刃结构简单，具有良好的平地性能，适用于装重度不超过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V形）中间突出，在铲斗插入料堆，且对中性好，但平地性能和装满系数均不如直线形切削刃铲斗。装有斗齿的铲斗在铲斗插入力分布在几个斗齿上，使每个斗齿形成很大的比压，因此，具有良好的铲斗和掘起性能，适用于装载堆积物料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。3.铲斗基本参数的确定1）.铲斗的宽度B=3m；2）.铲斗回转半径R0：指铲斗与动臂铰接点至切削刃之间的距离。根据公式（31） 式中： 斗的几何容量，； 铲斗内壁宽度，mm； 铲斗斗底长度系数，取=1.41.5； 后斗壁长度系数，取=1.11.2； 挡板高度系数，取=0.120.14； 斗底和后斗壁直线间的圆弧半径的系数，取=0.350.40； 挡板和后斗壁之间的夹角，取= 斗底和斗壁之间的夹角，取=代入数据：=2850mm ，=1.5，=2.7，=1.2，=0.14，=，=，=0.40得，=1092mm3）.铲斗断面形状参数：斗的圆弧半径、张开角、挡板高度和后斗壁长等四个参数。以上参数都可以看做铲斗回转半径的函数，分别按公式计算（32）代入数据： =1.5， =1.2，=0.14，=0.4得铲斗上的动臂铰销距斗底之间的高度取为，铲斗的侧壁切削刃相对于斗底的倾角，在选择时，使侧壁切削刃与挡板的夹角为，切削刃的削尖角。取=0.11092=109.2mm4）.斗容的计算铲斗的基本参数确定后，根据铲斗的几何尺寸，就可以核算铲斗的容量。几何容量公式：（33）式中：铲斗斗容，： 铲斗内壁宽度，mm。 b斗刃口与挡板最上部之间的的距离，mm。 a挡板高度，mm。可以得，=2.7m2.5动臂设计1. 动臂铰点高度动臂与车架铰点的高度通常取=（1.52.5）（mm）已知=1092mm公式得=1.8=1965(mm) 动臂回转角通常取 取2. 动臂长度 铰点位置确定以后，根据以下公式可以求出动臂的长度 公式： （34） 式中： 铲斗最小卸载距离，mm ; 铲斗回转半径与斗底夹角； 铲斗最大卸载高度时最大卸载角，通常取； 动臂与车架铰点到转载机前面外廓水平距离，mm； 最大卸载高度，mm； 动臂与车架连接铰点的高度，mm。 代入数据得，=2770mm3. 动臂的形状与结构 动臂的形状一般可以分为直线形和曲线形两种。曲线形动臂，一般反转式连杆工作装置采用较多，这种结构形式的动臂可以使工作装置的分布更为合理。 动臂的断面结构形式有单板、双板和箱形三种。单板动臂结构简单、工艺性好、但强度和刚度较小，小型装载机采用较多。 由上诉原因动臂的形状结构为：曲线单板形。2.6连杆机构设计 连杆机构是由铲斗、动臂、连杆、转斗油缸等组成。1.连杆机构的设计要求1）平移性好；2）卸料性好；3）动力性好；4）作业时与其他构件无运动干涉，保证驾驶员工作方便、视野开阔。2. 连杆尺寸及铰点位置反转连杆机构的设计内容包括：确定连杆CD的长度b、摇臂DF的长臂长度c和短臂长度e、铲斗上两铰点BC之间的距离a、铰点E和铰点C的位置，转斗油缸与车架的铰点G的位置及转斗油缸的行程等。根据经验公式； （35）可以得出：a=360mm c=748mm e=610mm m=305mm =1330mm CD长度初取b=900mm根据上面的数据可以得出； 转斗油缸的行程为；220mm；动臂油缸的行程为：900mm。2.7转斗油缸和动臂油缸的主动力计算 1. 转斗油缸的主动力公式：（36）P-油缸主动力，N；-铲斗重力，N；-连杆机构摩擦损失系数，=1.25；N-转斗油缸数，这里取1。代入数据：=1100mm =900mm =360mm =748mm =610mm =145 =6000 =1.25得，=2712. 动臂油缸主动力公式：（37）-动臂的重力，N；-考虑连杆机构摩擦损失的系数，=1.25-未考虑连杆机构摩擦损失的转斗油缸被动力，N；代入数据：=145 =2890mm =6000 = 2340mm =1000 =1200mm =271 =600mm =1.25得，=2072.8小结1.铲斗基本参数的确定1）.铲斗的宽度B=3m；2）.铲斗回转半径Ro：=1092mm3).铲斗断面形状参数：斗的圆弧半径、张开角、挡板高度和后斗壁长等四个参数。 铲斗上的动臂铰销距斗底之间的高度取为取=0.11092=109.2mm4）几何容量：可以得=2.72 动臂基本参数的确定1)动臂铰点高度：=1.8=1965 mm 动臂回转角通常取 取 2）动臂长度：=2770mm 3）动臂的形状与结构：曲线单板形。 3 连杆机构基本参数的确定 连杆机构是由铲斗、动臂、连杆、转斗油缸等组成。 m-动臂铰点与摇臂支撑点之间的距离，mm； c-摇臂长端铰点间的距离，mm； -摇臂支撑点与动臂铰点间的距离，mm。可以得出：a=360mm c=748mm e=610mm m=305mm =1330mm连杆长度初取b=900mm根据上面的数据可以得出； 转斗油缸的行程为；220mm；动臂油缸的行程为：900mm。4.转斗油缸和动臂油缸的主动力参数的确定1）.转斗油缸的主动力：=271；2）.动臂油缸主动力：=207第三章 液压系统设计3.1液压系统参数设计 液压系统的主要参数是压力、流量。3.2系统工作压力的确定液压系统的压力可以按主机类型选择，如下表：表31 按主机类型选择液压系统工作压力设备类型机床农业机械、小型工程机械工程机械、重型机械船用系统磨床插床车床拉床工作压力/（MPa）1.26.32410101616321425根据表41我们可以选取液压系统的工作压力，所以选取较高的系统工作压力：=20MPa3.3系统最大流量公式：Q=V*A（31）式中 Q液压系统流量；第 I 条 液压缸的有效作用面积；V工作介质流动速度。 V=S/t转斗油缸的行程S为220mm，定铲斗前倾时间为1s。铲斗油缸的速度V=0.22m/s同理可的动臂油缸：行程900mm，提升时间：5s，下降时间：3s。转斗油缸的速度为0.180.3m/s系统最大流量=250ml/min3.4 ZL50液压系统的工作原理ZL50型l轮式装载机，该装载机可实现工作装置（铲斗)的铲装，提升，保持，倾卸和转向机构的转向等动作。液压传动系统如图：工作装置系统包括动臂升降液压缸工作回路和转斗液压缸工作回路，两者构成串并联回路。当转斗液压缸换向阀3离开中位，即切断了通往动臂升降液压缸换向 阀11的油路。欲使动臂升降液压缸动作必须使转斗液压缸换向阀3回到中位。因此，动臂与铲斗不能进行复合动作，所以各液压缸的推力较大，这是转载机广泛采用的液压系统形式。根据装载机作业要求，液压传动系统应该完成下述工作循环：铲斗翻转升起（铲装）动臂提升锁紧（转运)铲斗前倾(卸载)动臂下降.1. 铲斗收起与前倾铲斗的收起与前倾由转斗液压缸工作回路实现.当操纵手动换向阀3使其右位工作时,铲斗液压缸活塞杆伸出，并通过摇臂斗杆带动 铲斗翻转收起进行铲装.其油路为:进油路:液压泵2(液压泵1）手动换向阀3右位铲斗液压缸无杆腔。回油路：铲斗液压缸 有杆腔手动换向阀3右位精过滤器6油箱。当操纵手动换向阀3使其左位工作时，铲斗液压缸活塞杆缩回，并通过摇臂斗杆带动铲斗前倾进行 卸载。其油路为：进油路：液压泵2（液压泵1）手动换向阀3左位铲斗液压缸有杆腔。回油路：铲斗液压缸无杆腔手动换向 发3左位精过滤器6油箱。当铲斗在收起与前倾的过程中，若转向液压泵17输出流量正常，则流量转换阀18中的流量分配阀工作在左位，使 辅助液压泵1与主液压泵2形成并联供油（动臂升降回路也是如此）。当操纵手动换向阀3使其处于中位时，铲斗液压缸进，出油口被封闭，依靠换 向阀的锁紧作用，铲斗在某一位置处于停留状态。在铲斗液压缸的无杆腔油路中还没有双作用安全阀10。在动臂升降的过程中，铲斗的连杆机构由 于动作不相协调而受到某中程度的干涉，即在提升动臂时铲斗液压缸的活塞杆有被拉出的趋势，而在动臂下降时活塞杆又被强制压回。而这时手动换向阀3处于中 位，转斗液压缸的油路不通，因此，这种情况回造成铲斗液压缸回路出现过载或产生真空。为了防止这种情况的发生，系统中设置了双作用安全阀10，它可以起到 缓冲和补油的作用。当铲斗液压缸有杆腔受到干涉而使压力超过双作用安全阀10的调定压力时，该阀回被打开，使多余的液压油流回油箱，液压缸得到缓冲。当真 空时，可由单向阀从油箱补油。铲斗液压缸的无杆腔也应该设置双作用安全阀，使液压缸两腔的缓冲和补油过程彼此协调的更为合理。2.动臂升降动臂的升降由动臂升降液压缸工作回路实现。当操纵手动换向阀11使其工作在右位时，动臂升降液压缸的活塞杆伸出，推动动臂上升，完成动臂提升动作。其油路 为：进油路：液压泵2（液压泵1）手动换向阀3中位手动换向阀11右位动臂升降液压缸无杆腔。回油路：动臂升降有杆腔 手动换向阀11精过滤器6油箱。当动臂提升到转运位置时，操纵手动换向阀11使其工作在中位，此时动臂升降液压缸的进出油路被封闭，依靠换向阀的紧 锁作用使动臂固定以便运转。当铲斗前倾卸载后，操纵手动换向阀11使其工作在左位时，动臂升降液压缸的活塞杆缩回，带动动臂下降。其油路 为：进油路：液压泵2（液压泵1）手动换向阀3中位手动换向阀11左位动臂升降液压缸有杆腔。回油路：动臂升降无杆腔 手动换向阀11中精过滤器6油箱。当操纵手动换向阀11使其工作在左位时，动臂升降液压缸处于浮动状态，以便于在坚硬的地面上铲取物 料或进行铲推作业。此时动臂能随地面状态自由浮动，提高作业技能。另外，还能实现空斗迅速下降，并且在发动机熄火的情况下亦能降下铲斗。装载机动臂要求具有较快的升降速度和良好的低速微调性能。动臂升降液压缸由主液压泵2和辅助液压泵1并联供油，流量总和可达320L/min。动臂升降时的 速度可以通过控制手动换向阀11的阀口开口大小来进行调节，并通过加速踏板的配合，已达到低速微调的目的。3.5液压油缸设计计算3.5.1液压缸内径D和活塞杆直径d的确定分析工况时，初步得到的数据如下：表3-2 液压缸基本参数阻力值（kN）最小长度（m）最大长度（m）行程（m）动臂油缸1021.262.080.9铲斗油缸830.901.490.221.动臂液压缸查表选取1.60，背压力2 MPa。公式：（32）式中 D液压缸内径背压力系统压力，MPa求得：代入数据：=207，=20 MPa ，=0.9，=2 MPa，=0.7得，125 mm=88mm2.铲斗液压缸查表选取0.7，背压力2 MPa。由公式（32）求得，代入数据： =271 ，=20 MPa ，=0.9， =2 MPa， =0.7得，145（mm）=100（mm）3.5.2液压缸壁厚和外径计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄弱处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分为簿壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径与其壁厚的比值10的圆筒称为簿壁圆筒。其公式为：（52）式中 液压缸壁厚（mm）； 液压缸内径（mm）； 实验压力，一般取最大工作压力的（1.251.5）倍（MPa）； 缸筒材料的许用应力。无缝钢管：100110 MPa。当时，应按材料力学中的厚壁圆筒公式进行壁厚的计算。式中符号意义同前。液压缸外径为1.动臂液压缸在本设计中取1.25，100MPa 。16（mm），取20（mm）。由于，所以17（mm）。所以取20（mm）是合适的。 所以液压缸外径为：（mm），取180（mm）。2.铲斗液压缸在本设计中取1.25，100MPa 。18（mm），取20（mm）。由于，所以20（mm）所以取20（mm）是合适的。 因此液压缸外径为：（mm），取200（mm）。3.5.3液压缸工作行程的确定由工况分析和液压设计手册取值如下：表3-3液压缸的工作行程动臂液压缸行程（mm）铲斗液压缸行程（mm）9002203.5.4缸盖厚度的确定一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度按强度要求可用下面两式进行近似计算。无孔时 有空时 式中 缸盖有效厚度（mm）； 缸盖止口内径（mm）； 缸盖孔的直径（mm）。1.动臂液压缸无孔端：27（mm）有孔端：39（mm）在无孔端取27（mm），由于缓冲装置将厚度增加10（mm），所以最终取47（mm）；有孔端取59（mm）。2.铲斗液压缸无孔端：32（mm）有孔端：38(mm)在无孔端取32（mm），由于缓冲装置将厚度增加10（mm），所以最终取52（mm）；有孔端取58（mm）。3.5.5最小导向长度的确定 当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离称为最小导向长度。对一般的液压缸，最小长度应满足以下要求 （34）式中 液压缸的最大行程； 液压缸的内径。活塞的宽度 一般取（0.61.0）；缸盖滑动支承面的长度，根据液压缸内径而定：当时，取；当时，取。其中，为活塞杆直径。1.动臂液压缸108（mm）0.98880（mm） (mm)，取 (mm)2.铲斗液压缸84（mm）0.910090（mm）0.610060 (mm)由于在前端盖上加有密封圈顶块，具有隔套的作用，因此不用单独设计隔块。3.5.6缸体长度的确定液压缸缸体长度等于活塞的行程与活塞宽度之和。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的2030倍。表3-4 缸体长度项目动臂液压缸铲斗液压缸缸体长度（mm）11008503.5.7液压缸的结构设计液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括：缸体与缸盖的连接结构、活塞杆与活塞的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、缓冲装置、排气装置、及液压缸的安装连接结构等。1.缸体与缸盖的连接形式 缸体与缸盖的连接有很多具体形式，由于转载机工作装置的具体形式并参考国内外一般的设计形式，确定在前端盖采用内螺纹连接，在后端盖采用焊接（T2焊条）的方式。2.活塞杆与活塞的连接结构 活塞杆与活塞的连接采用螺纹连接形式。3.活塞杆导向部分的结构 活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式导向，也可以做成与端盖分开的导向套结构。由于后者导向套磨损后便于更换，而装载机液压缸动作频繁，所以才用后者。4.活塞及活塞杆处密封圈的选用 活塞及活塞杆处密封圈的选用，应根据密封的部位、使用的压力、温度、运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈。5.液压缸的缓冲装置 液压缸带动工作部件运动时，因运动的质量较大，运动速度较大，则在到达行程终点时，会产生液压冲击，甚至使活塞与缸筒端盖之间产生机械碰撞。为防止这种现象产生，在行程末端设置缓冲装置。常用的缓冲装置有三种：环状间隙式节流缓冲装置、三角槽式节流缓冲装置、可调节流缓冲装置。结合装载机液压缸的特性，设计采用环状间隙式节流缓冲装置。6.液压缸排气装置 由于装载机液压缸比较小运动速度不是很高，所以不需要设置排气装置。7.液压缸的安装连接结构 液压缸的安装连接结构包括液压缸的安装结构、液压缸进出油口的连接等。 1）.液压缸的安装形式 由于装载机工作装置的性质，已经决定了必须才用双耳环安装。 2）.液压缸进出油口形式及大小的确定 将进出油口安装缸体上，采用螺孔连接，由于系统压力比较高，三个液压缸的尺寸相差不多，结合到批量生产时成本的因素，所有油口的内螺纹都采用M302。3.5.8工作装置的限位机构为了使装载机在作业过程中，操纵简便，动作准确，提高生产率，防止连杆机构超越极限位置，并减轻驾驶员的劳动