装载机转向液压系统

2007级工程机械专业课程设计 2007级工程机械专业课程设计 ZL50型装载机转向液压系统设计 2011 年 1月 12 日 摘要 装载机是一种作用效率高，机动灵活,用途广泛的工程机械，作业工况复杂多变，负载变化频繁，变化范围大。本课程设计以ZL50型装载机转向液压系统为研究对象，对其进行设计与部分参数的计算。 1.绘制液压系统原理图。通过对装载机的工作机构的分析和理解，掌握装载机在作业时各个缸的动作绘制出基本液压系统图。并在系统原理图上考虑过载，安全等因素上对液压系统图进行完善。 2.根据机械设计手册对液压系统选定基本的初始参数。如系统工作压力以及载荷力的确定，并根据液压系统设计的步骤来计算选择液压泵.液压缸.液压阀.以及辅助元件。 3.通过公式对液压系统的压力和温度进行计算。看设计过程中是否缺失液压元件和能否正常工作。关键词：装载机， 液压系统原理图， 液压泵， 液压缸 目录 1.绪论.3 1.1装载机的发展史.3 1.2用途和分类.4 1.2.1装载机的用途.4 1.2.2装载机的分类.4 1.3 ZL50装载机的技术参数.6 1.4 设计任务和设计思路.7 1.4.1 设计任务.7 1.4.2 设计思路.7 2.液压系统的工况分析.8 2.1 压力循环图.8 2.2 流量循环图.8 2.3 功率循环图.8 3.转向液压系统.8 4.液压元件的选择.9 4.1液压泵的选择.11 4.2液压缸的选择.13 5.液压阀的选择.15 6.过滤器的选用.15 7.油箱的选用.16 8.管道尺寸的计算.16 9.计算散热功率.19 10.材料的选用.20 11.表面粗糙度.21 12.总结.22 参考文献.23 1. 绪论1.1装载机的发展简史 装载机开始制造在90多年前。最早期的装载机，是在马拉的农用拖拉机前部装上铲斗而成。自身带有动力的装载机，是在1920年初出现的，其铲斗安装在两根竖直立柱上，铲斗的举升和下落是用刚绳来操纵的。从1930年开始，装载机结构得到较大的改进。但是直到1939年，才出现了比较先进的轮胎式装载机，如由美国“霍克”公司制造0.255的Pay型装载机。这种装载机，系后轮驱动，前轮转向。由于其工作机构尺寸不大，平衡性和转向性能不能令人满意，“霍克公司主要把它作为捣堆机械使用，但也可用于装在松散或轻型的物料。在40年代，装载机得到了更大的发展。1941年，司机室从机器后部移到前部，从而增加了司机的视野；发动机移到机器后部，以增加装载机的稳定性：为了工作可靠和安全，而用柴油发动机代替了汽油发动机。在第二次世界大战末期，用装于两侧的动臂，代替了老式的两根垂直立柱。1944年开始用液压代替钢绳控制铲斗。1947年装载机发展成四轮驱动。这样，装载机的全部重量都用来产生牵引力，装载机插入力大大增加了。1950年出现第一台带有液力变矩器的轮胎式装载机。液力变矩器对装载机发展有决定性作用，它使装载机能够很平稳的插入料堆并且使工作速度增快，同时在插入运动时，发动机不会因为插入阻力增大而熄火。由于装载机结构上的改进，使生产能力大大提高，并且使装载机的应用越来越广泛，产品数量也随着增加。1960年出现了第一台铰接式装载机，这使装载机转向性能大大改善，并增加了它的机动性和纵向稳定性。由于液力变矩器和铰接转向装置等技术革新，使装载机得到迅速发展。在1960年以前，装载机的斗容一般不大，最大的斗容才3.8。但随着上述结构的改进，从60年代开始，斗容发展的越来越大。1965年出现了第一台斗容7.6的铰接式装载机。目前世界上大型的装载机斗容已达到24.5，装比重不大散碎物料(如煤）时，斗容可达30，发动机总功率已经达到1479.83KW。60年代出现的电动轮装载机，这是装载机设计上的一个新的突破，它进一步增加了装载机的使用范围。今后装载机的发展的趋势，是通过工作机构尺寸的增加和结构的改进，进一步增加生产能力。 随着上述结构上的改进和斗容的增加，使装载机适用范围越来越广泛，最初的装载机是不能铲掘物料的，但目前由于表明装载机铲掘能力的单位斗刃飞轮马力值比1939年增加了两倍多，因而越来越多的装载机亦能从事一般的单斗挖掘机所做的一些铲掘工作，使装载机从仅在建筑工程上使用，而逐渐发展到在露天矿使用。但1960年以前，装载机一般仅用于清理工作面、捣堆等辅助作业。当出现了斗容3.04.5的轮胎式装载机以后，它就成了露天矿的一种主要采矿设备。70年代以来，由于生产试制了功率294934KW、斗容7.623的露天矿轮胎式装载机，所以它们在露天矿得到更广泛的使用。 装载机行走部分结构的发展，也是有一个演变过程。最初的装载机一般是履带式的，后来改用轮胎，以增加其机动灵活性。但后来又由于轮胎损耗太大、寿命不长和成本高等原因，而被迫改用履带式装载机。近年来，由于轮胎耐磨问题逐步得到解决，使轮胎式装载机得到很大的发展。目前，世界上轮胎式装载机的产量约占装载机的总产量的70%80%.而功率200KW以上的的装载机，全是轮胎式。在采矿界，履带式装载机的应用很受限制，而轮胎式装载机则得到普遍应用。 1.2 用途和分类1.2.1装载机的用途 装载机是一种用途十分广泛的工程机械，装载机可用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散装物料，并可自行完成短距离运土及对松散物料的收集清理和松软土层的轻度铲掘作业、平整地面或配合运输车辆作装土使用。换装不同的辅助辅助工作装置还可以进行铲土、推土、起重和其他物料的装卸作业。装载机广泛应用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建筑工程领域。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。由于装载机具有适应性强、作业速度快、效率高、机动性好、操纵轻便等优点，因此，它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。 装载机按其行走装置不同可分为履带式装载机和轮胎式装载机两种。履带式装载机以专用底盘或工业拖拉机为基础车，装上工作装置并配装操纵系统而构成，如图1-1所示。履带式装载机行驶速度慢、装载效率低、转移不灵活且对场地也有破坏作用，在土方工程中已基本被轮胎式装载机取代。 履带式装载机的动力装置是柴油机，机械式传动系统则采用液压助力湿式离合器或湿式双向液压操纵转向离合器和正转连杆机构的工作装置。 轮胎式装载机由动力装置、车架、行走装置、传动系统、转向系数、制动系统、液压系统和工作装置等组成，其结构简图如图1-2所示。轮胎式装载机行驶速度快、转移方便，可在城市道路上行驶，因此使用较为广泛。1.2.2装载机的分类 1. 3 ZL50 装载机的技术参数。 根据部标JB1603-75规定，露天装载机的产品型号用拼音字母“Z”来表示，轮胎式用“L”表示，其后的数字是额定载重量的“千牛（KN）”数，再后来的字母是A、B、C、D.是指变形改进设计的次序。例如衡阳机械厂的ZL50D型装载机，表示轮式装载机，在L后直接写额定的载重量的KN数。额定载重量为50KN，即5t，第四次改进变形设计。履带式装载机，在Z后直接些额定载重量的KN数。全液压传动加注“Y”。如“ZY”表示履带式行走、全液压传动；“ZLY”表示轮式行走、全液压传动。 本文设计的装载机液压系统是ZL50装载机，其为露天轮式装载机。其具体参数如表1-1所示： 表明装载机性能的技术参数主要有：发动机功率、载重量、牵引力、插入力、铲掘力、铲斗卸载高度、铲斗在卸载的倾斜角、铲斗仰后角等。下面主要介绍发动机功率等重要技术参数。 （1）发动机功率。分为发动机有效功率和发动机总功率。发动机有效功率是在29摄氏度及99.4Kpa压力下，除去供给风扇、交流发电机、压缩机、空气滤清器等辅助设备和燃烧泵、润滑油泵等发动机标准附件外，在发动机飞轮上的实有功率，一般也称飞轮马力。发动机的总功率系发动机有效功率，加上各种辅助设备所需功率而成。也称之为车辆总功率或装载机总功率。（2）载重量。表示在保证装载机所需稳定性时，它的最大载重力。装载机在不行走铲掘时的载重量与装载机行走来进行铲掘时的载重量是不同的，前者一般是后者的22.5倍。装载机的额定载重量又称为操作载荷。按照现在通用的美国汽车工程师学会（SAE)标准，装载机的额定载重量，应满足下列条件的情况下，不超过重载铲斗在铲斗最大卸荷距离时，其铲斗的载荷中心所产生的翻转载荷的50%（轮式装载机）或（履带式装载机）。条件：1）装载机装备了一定规格的铲斗；2）装载机最大行走速度不超过6.4km/h；3）装载机在硬的、光滑的、水平地面上工作。（3）牵引力。牵引力是装载机驱动轮轮缘上，由装载机行走机构所产生的驱动车轮前进的作用力。它的最大值被装载机的粘着重量（粘着重量指驱动车轮所承受的那部分及其的重量，当四轮驱动时即为装载机自重）所限制。装载机的粘着重力越大，则可能达到的最大牵引力也越大。（4）插入力。插入力是装载机铲掘物料时，在铲斗斗刃（斗尖）上产生的插入料堆的作用力。对于用装载机行走来进行插入的装载机，其插入力取决于牵引力，牵引力越大，其插入力也越大。（5）铲取力。铲取力是指在一定的条件下，当铲斗绕着某个规定的铰接点回转时，作用在距铲斗斗刃刃部（斗尖）一定距离处的垂直向上的力。它决定了铲斗绕着这个规定的铰接点回转时的动臂举升（当铲斗绕着动臂与支架的铰接点回转时）或铲斗翻转（当铲斗绕着铲斗与动臂的铰接点回转时）能力。（6） 铲斗卸载高度。铲斗卸载高度是表示装载机把物料卸载到运输工具上时，在铲斗倾斜角为45度时，铲斗斗尖离地的高度。（7） 卸载距离。卸载距离是表示装载机卸载时，当铲斗倾斜角为45度时，斗尖与装载机前面外廓部分之间的距离。 1.4设计任务和设计思路 1.4.1设计任务 1.绘制液压系统原理图。通过对装载机的工作机构的分析和理解，掌握装载机在作业时各个缸的动作绘制出基本液压系统图。并在系统原理图上考虑过载，安全等因素上对液压系统图进行完善。 2.根据机械设计手册对液压系统选定基本的初始参数。如系统工作压力以及载荷力的确定，并根据液压系统设计的步骤来计算选择液压泵.液压缸.液压阀.以及辅助元件。 3.通过公式对液压系统的压力和温度进行计算。看设计过程中是否缺失液压元件和能否正常工作。 1.4.2 设计思路 1.明确液压系统的设计要求，进行工况分析。 2.确定液压系统的主要参数。 3.拟定液压系统原理图。 4.计算和选择液压元件。 5.液压系统的性能验算。 6.绘制A3图纸大小的工作图。 2.液压系统的工况分析。 液压系统的工况分析就是分析设备在工作过程中，其执行元件的负荷和运动之间的变化规律。 2.1压力循环图 2.2流量循环图 2.3功率循环图 3.转向液压系统 转向液压系统是一个双作用叶片泵供油的全液压控制的集中冷却的恒压式液压系统。它装有蓄能器，从而使转向系统的压力波动大大减小，并且在发动机或泵损坏的情况下，可为转向系统提供贮备的动力，这种压力补偿的其他优点是：节省能量，泵消耗的能量较小，而系统壳利用的能量较大，减小了维修的工作量，进一步确保了安全。 转向液压油路是由转向泵.单向阀.蓄能器.节流阀.压力表.转向控制阀.过载缓冲阀.转向油缸.全液压转向器等组成。 当装载机需要转向时，转向泵来油进入全液压转向器的进油口，转向器配有FKA型阀块，该阀块由单向阀.溢流阀和双向缓冲阀组成。当方向盘没有转动时，即处于中间位置，油泵来油经阀芯腔流回油箱。当动力转向时，油泵的来油经随动阀进入摆线针轮啮合副，推动转子跟随方向盘转动，视方向盘转向.转角的大小，定向.定量的将油压入转向油缸的左腔或右腔，推动导向轮实行动力转向，油缸的另一腔的油则经随动阀流回油箱。 4.液压元件的选择 表4-1 按载荷选择工作压力 表4-2 各种机械常用的系统工作压力由表4-1和表4-2可知，ZL50装载机液压系统的工作压力在2032Mpa。初选工作压力为30MPa。带入计算时用P=32MPa，以保证系统压力足够和安全性。ZL50装载机液压系统的转向系统的工作压力取为21MPa，带入计算时用P=20MPa。 表4-3 液压泵的总功率 表4-4 液压泵的选择 表4-5 液压缸缸筒内径尺寸系列 （mm） 表4-6 液压缸活塞杆外径尺寸系列 （mm）4. 1液压泵的选择 确定泵的最大工作压力。 （4.1） 根据表4-1和4-2，初选转向油路工作压力为20MPa左右。 =（20+0.5）MPa =20.5MPa 确定液压泵的流量。 （4.2） 取=0.2L/s，取泄漏系数K=1.2； =0.2*1.2L/s =0.24L/s =15L/min 确定液压泵的驱动功率。 （4.3） 根据表4-3，转向泵为双作用叶片泵。选取=0.6。 选择液压泵的规格。 根据上面所求的 和P值以及表4-4，查阅新编实用液压技术手册得： 转向泵选用PFE31016型双作用叶片泵。 其参数如下： 排量16.5ml/r 额定压力21MPa 输出流量16L/min 驱动功率 10KW 转速范围 800-2800r/min 油口尺寸 in 出口尺寸 in 4.2液压缸的选择 转向缸的有效工作面积 （4.4）由ZL50装载机的技术参数额定载重量为5t。根据估算取转向油缸的推力F=70KN，=0.9。 =0.00389 =40转向油缸的内径计算 （4.5） =0.0668m 取安全系数K=1.2； D=0.0668*1.2m =0.0801m =80mm 根据表3-5对D取整：D=80mm 转向缸壁厚的计算 （4.6）转向缸的材料是45号钢，其材料的许用应力=120MPa =6.7mm 取安全系数K=1.2； t=6.7*1.2mm =8mm 转向缸活塞杆的计算 1）活塞杆直径的计算 d= 0.71D =0.71*80mm =56.8mm 根据表4-6对d取整：d=56mm 2)活塞杆强度计算 (4.7) =27mm d=56mm27mm 故d=56mm可行。 转向缸导向套计算 1）最小导向长度H的确定 （4.8） 由转斗缸缸体长度的确定可得：L=1.0m 取H=90mm。 2）导向套滑动面的长度确定 在缸体内径大于80mm时取 3)活塞宽度的确定 转向缸缸体长度的确定 考虑到ZL50装载机的外形结构，在满足液压系统缸体长度的要求下：取转向缸缸体长度L=1.0m 5.液压阀的选择 根据液压系统原理图（见图纸）提供的情况，审查图中各个液压控制阀在各种工况下达到的最高工作压力和最大流量，并依次选择液压控制阀的额定压力和额定流量。一般情况下，液压阀的实际压力应与公称 压力值接近，但对于压力阀和溢流阀，允许的最大流量可超过公称流量的10%；对于换向阀允许通过的流量还要受阀的功率特性限制。有的电液换向阀有时会出现高压下换向停留时间稍长不能复位的现象，因此，用于可能性要求较高的系统时，其压力以降额使用为宜。选择液压阀主要根据阀得工作压力和通过阀的流量。故选用：三位四通换向阀1个，规格4WMM10E，单向阀1个,规格S25A3，溢流阀2个，规格DBD25K/315。 6.过滤器的选用过滤器是目前液压系统应用最广泛的油液净化方法。过滤器的基本作用是使系统的液体保持清洁，以延长液压及润滑件的寿命和保证系统工作稳定。液压系统故障的75%左右是由介质的污染造成的，因此过滤器对液压系统来说是必不可少的重要辅助元件。理想的情况是过滤器全部滤除污染颗粒，但实际上因污染有各种来源，滤除全部污物是不可能的。因此根据系统不同的使用要求，对油液中的污物颗粒的尺寸和数量加以限制。查阅机械设计手册得：转向泵吸油滤清器的型号选用WU-40x180，其技术规格如下： 过滤精度 180mm 压力损失 0.01MPa 流量 40L/min 通径20mm 联结方式： 螺纹联结转向泵的回油滤清器的型号选用YLH100x40两个,其技术规格如下： 过滤精度40um 原始压力损失0.01MPa 公称流量250L/min 通径32mm 公称压力1.6MPa 允许最大压力损失值0.35MPa 旁通阀开启压力0.37MPa 发信号器发信号压力0.35MPa 发信号器功率DC:24V/48W 联结方式：螺纹联结 7.油箱的选用 油箱在液压系统中的主要功用是储存油液、散发热量、沉淀污物及分离水分等，此外，有时它还可以作为液压元件和阀块的安装台。 油箱容量的经验公式： 式中 液压泵每分钟排除压力油的容积 （） 经验系数 见表7-1： 表7-1 经验系数由表7-1取 =9 因此 表7-2 油箱容积 JB/T79381999 (L） 根据表7-2，油箱选取 V=160L 8.管道尺寸的计算液压系统用油管来传递油管工作介质。管路是液压系统中液压元件之间传递工作介质的各种油管的总称。管接头用于油管与油管或油管与液压元件之间的连接。为保证液压系统工作可靠，油管及管接头应由足够的强度，良好的密封性，气压力损失要小，拆装要方便。管道内径的计算 (8.1) 式中 通过管道内径的流量 （）； 管道允许流量 （） 见表8-1 表8-1 允许流量推荐值 转向泵输出流量是16L/min；根据表8-1取液压泵吸油管道的流速为0.85m/s，液压系统压油管道的流速为4m/s，液压系统回油管道的流速为2m/s。转向泵吸油管道内径： =0.020m转向泵工作液压管道内径： =0.009m转向泵液压回油管道内径： =0.013m 表8-2 硬管内径系列 （mm） 根据表8-2，得：转向泵吸油管道内径 d=0.020 m 转向泵工作液压管道内径 d=0.010m 转向泵液压回油管道内径 d=0.016m管道壁厚的计算 (8.2) 式中 管道内的工作压力 管道内径; 管道材料的许用应力；对于钢管 （ 抗拉强度；安全系数；当P7MPa 时，=8；当P17.5MPa时，=6；当P17.5MPa 时，=4 ） 转向泵的工作压力为21MPa，管道材一般选用无缝钢管15钢和20钢。本系统选取20钢钢管作为系统所需的管道材料。查工程材料成形与应用得：20钢的材料抗拉强度=490MPa。 =122.5 转向泵吸油管道壁厚 转向泵工作液压管道壁厚 转向泵回油管道壁厚 管道内径及壁厚见表8-3： 表8-3 主要管路及壁厚 9.计算散热功率液压系统的散热渠道主要是油箱表面，管路表面也可以散热，但是散失的热量相对油箱小得多，可以忽略不计。按(8.3)求得油箱各边之积： =1.45取a=1.5m，b、h分别为1m。 求油箱的散热面积为： (8.4) 油箱的散热功率为: (8.5) 式中 油箱的散热系数，查表9-1取值，=； 油温与环境温度之差，取=35； 表9-1 油箱散热系数 10.材料的选用 根据材料的性能和用途，阀座选用灰铸铁HT250，其抗拉强度，足够承受液压系统的工作压力。而且材料的切削加工性能良好，便于加工，有利于成本节约。材料的减磨减震性好，所以无论从经济性还是从材料的适用性能HT250都是阀座的首选。由于阀体上的钻孔比阀座上还要多，不仅要固定在阀座上，而且还要在上面固定溢流阀。所以材料的抗拉强度比阀座要求还要高一些。但是从加工材料的表面形状尺寸和钻孔等工艺性来看，阀体的材料选用灰铸铁HT300.其优点和HT250一样，而且抗拉强度。 11.表面粗糙度 表面粗糙度的取值依据：由查机械设计手册可知，为防止泄漏，表面粗糙度最大允许值为0.8，故将孔的表面粗糙度确定为0.8；溢流阀阀体和阀座压合配作的平面之间的表面粗糙度取3.2；其他表面的粗糙度值为6.3. 12.总结通过这次设计ZL50装载机转向液压系统,并查阅了多种资料，让自己对转向液压系统方便有了更深一步的了解。转向液压系统的设计包含了各方面的知识，涉及到液压泵、液压缸、管道等方面的计算，以及阀的选取。装载机转向液压系统是装载机的转向机构的控制系统，主要功能是实现装载机工作过程和行驶过程中的转向.一方面能保证操纵力小、转向灵活、动作准确，另一方面也能保证转向系统的工作效率。 参考文献1 张岚、弓海霞.实用液压技术手册. 北京：人民邮电出版社，20082 机械设计手册编委会.机械设计手册液压传动与控制.北京：机械工业出版社3 周士昌.液压系统设计图集.北京：机械工业出版社，20034 何正忠.装载机.北京：冶金工业出版社，19995 明仁雄、万会雄.液压与气动传动.北京：国防工业出版社，20036 姜佩东.液压与气动技术.北京：高等教育出版社，20007 王毓敏.工程材料成型与应用.重庆：重庆文学出版社，20058 王晓莉.机械制图.北京：科学出版社，20069 陈于萍、高晓康.互换性与测量技术.北京：高等教育出版社，200510 巩云鹏、田万禄.机械设计课程.北京：科学出版社11 机械设计手册编委会.机械设计手册.北京：机械工业出版社，200712 杨黎明、杨志勤.机械设计简明手册.北京：国防工业出版社，200813 张家骅.公差原则浅谈和应用实例.北京：宇航出版社，199123