装载机的液压系统设计

河南理工大学 毕业设计（论文）装载机的液压系统设计 学院：机械学院班级：机制本07-4班姓名：宗宽民学号：320704010430中文摘要：轮式装载机属于铲土运输机械类，为了满足铲掘能力和快速装卸等方面的要求，装载机广泛采用液压装置，以提高装载机的工作性能和劳动生产率。English Abstract：Wheel loaders are the shoveling transport machinery, in order to meet the capacity of backhoe excavation and rapid handling requirements, etc., hydraulic are widely used in loader in order to improve the performance of the work of loaders and labor productivity.目录1.绪论1.1前言1.1.1 装载机概述1.2 国内外装载机液压系统的研究现状1.2.1我国装载机液压系统的发展现状1.2.2国外装载机液压系统的发展现状1.2.3轮式装载机设计的发展趋势1.2.4设计任务和要求1.3课题的研究内容和主要工作1.4课题的理论意义和应用价值2 液压系统的设计2.1 概述2.1.1 液压系统2.1.2 装载机对液压元件性能的要求2.2 工作装置液压系统设计2.2.1 拟定液压原理图2.2.2 工作装置液压系统计算。2.3 装载机液压转向回路2.3.1 概述2.3.2 转向液压系统计算2.4 液压附件的选取2.5 液压传动系统的安装与维护2.5.1 各种液压元件的安装2.5.2 液压元件的维护2.6 本章小结结论参考文献致谢正文1绪论1.1概述 1.1.1 装载机概述 轮式装载机有两种基本形式：一种是整体式，多数具有推压机构，前桥驱动，后轮转向；另一种是铰接式的，普遍采用双桥驱动，八字油缸前后桥转向。后一种是目前大、中型装载机的发展方向。目前大部分轮式装载机的行走机构都采用液力机械传动，液压操纵的变速箱得到了越来越广泛的应用。但是液压传动地盘在中、小型装载机也有所采用，并逐渐表现出它的优越性。 图1.1 轮式装载机装载机的工作装置多数是装在机架上的四连杆机构，它和转向机构同为液压传动。所以装载机的整个液压系统，一般有工作装置、液压转向和动力换挡变速箱操纵三部分油路组成。如采用液压驱动行走机构的全液压装载机，则由四部分油路组成。 轮式装载机液压系统设计与其他液压传动系统一样，都是为了满足作业负载对液压执行机构所提出的各种性能要求（主要是力和运动方面的工作要求），必须设计相应的由各种液压元件组成的、能满足执行机构性能的液压系统。这个液压系统由液压执行部分、控制部分、能源部分和辅助部分组成，而各部分之间由各种油管连接。 1.液压系统的组成： 一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。叶片泵运动平稳、噪声小、容积效率高，但其工作压力低，吸油能力差，对液压油的污染比较敏感，仅用在小型装载机上。柱塞泵由于工作压力较高，转速高和容积效率较高，在结构上容易实现变量等优点，在大型装载机上得到应用。齿轮泵成本低、体积小、工作可靠、对液压油的污染不太敏感，广泛应用在各种类型的装载机上。随着科技水平的提高，齿轮泵向高压化发展，在国外其最高工作压力已达到2125Mpa,预计它的应用还将进一步扩大。执行元件（如液压缸和液压马达）的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载做往复直线运动或回转运动。装载机在工作时尘土大，油缸往复动作频繁，油缸活塞杆暴露在外面，并直接承受冲击，故对油缸的耐压、耐磨、耐热和密封都有较高的要求。另外还要求油缸的内、外泄露要少。外部泄露使工作装置动作迟缓，并且容易使尘土侵入；内部泄露则造成工作装置软弱无力、铲斗位置自动倾斜，特别是装载机满载运输时，由于动臂油缸内部泄露使动臂下落，造成铲斗中物料的撒落。控制元件（即各种液压阀）在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控制功能的不同，液压阀可以分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为溢流阀（安全阀）、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流节流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关控制阀、定值控制阀和比例控制阀。辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位油温表等。由于装载机本身的振动大，经常连续作业，液压系统油温比较高，尖峰压力大，所以对油管和接头提出耐热、耐压、耐振的要求。据国外资料介绍，装载机用油管需以1.5倍的工作压力作为尖峰压力做100万次脉冲试验，并且具有承受最高工作压力3倍以上的耐压强度才算合格。液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。2.液压系统的类型：从不同的角度出发，可把液压系统分成不同的形式。按油液的循环方式，液压系统可分为开式系统和闭式系统。开式系统是指液压泵从油箱吸油，油经各种控制阀后，驱动液压执行元件，回油再经过换向阀回油箱。这种系统结构较为简单，可以发挥油箱的散热、沉淀杂质作用，但因油液常与空气接触，使空气易于渗入系统导致机构运动不平稳等后果。开式系统油箱大，油泵自吸性能好。闭式系统中液压泵的进油管直接与执行元件的回油管相连，工作液体在系统的管路中进行封闭循环。其结构紧凑，与空气接触机会少，空气不易渗入系统，故传动较平稳。工作机构的变速和换向靠调节泵和马达的变量机构实现，避免了开式系统换向过程中所出现的液压冲击和能量损失。但闭式系统较开式系统复杂，因无油箱，油液的散热和过滤条件较差。为补偿系统中的泄漏，通常需要一个小流量的补油泵和油箱。由于单杆双作用油缸大小腔流量不等，在工作过程中会使功率利用下降，所以闭式系统中的执行元件一般为液压马达。按系统中液压泵的数目，可分为单泵系统和多泵系统。单泵系统由一个液压泵供油给动力转向和工作装置。该系统有一定的功率损失，仅适用与小型装载机上使用。多泵系统有两个或两个以上液压泵供油给动力转向和工作装置。大、中型装载机为了更合理地利用功率，缩短作业循环时间，提高生产率，目前多采用多泵系统。一般由工作装置液压泵、转向泵和辅助泵组成两个液压回路：工作装置液压回路和转向液压回路。而这两个回路是通过辅助泵联系起来的，它通过流量控制阀把油液分配给转向或工作油路。按所用液压泵形式的不同，可分为定量泵系统和变量泵系统。变量泵的优点是在调节范围之内，可以充分利用发动机的功率，但其结构和制造工艺复杂，成本高，可分为手动变量、伺服变量、压力补偿变量、恒压变量、液压变量等多种方式。按向执行元件供油方式的不同，可分为串联系统和并联系统。串联系统中，上一个执行元件的回油路即为下一个执行元件的进油，每通过一个执行元件压力就要降低一次。在串联系统中，当主泵向多路阀控制的各执行元件供油时只要液压泵的出口压力足够，便可以实现各执行元件的运动的复合。但由于执行机构的压力是叠加的，所以克服外载荷能力将随执行元件数量的增加而降低。并联系统中，当一台液压泵向一组执行元件供油时，进入各执行元件的流量只是液压泵输出流量的一部分。流量的分配随各件上外载荷的不同而变化，首先进入外载荷较小的执行元件，只有当各执行元件上外载荷相等时，才能实现同时动作。3.工作装置液压系统装载机主要用来对散装物料进行铲装、搬运、卸载及平整场地等作业，也可用来进行轻度铲掘工作，是使用十分广泛的一种工程机械。其主要工作装置是动臂与铲斗。轮式装载机的基本动作是：将铲斗插入物料，向后翻转铲斗，保持载荷，提升物料到一定的高度，将载荷运输到卸荷的地点，倾卸，然后再回到装料处，如此循环作业。装载机工作装置应能有效地完成物料的提升和铲斗的翻转。 4.装载机液压转向回路 装载机的特点是灵活、作业周期短，这一特点就决定了它转向频繁。同时，随着装载机日趋大型化，完全依靠人的体力转向是很困难的，甚至是无法实现的。为了改善作业时的劳动强度，提高生产率，目前轮式装载机基本上都采用液压转向。它具有质量轻，结构紧凑，对地面冲击起缓冲作用，动作迅速等优点。5.转向机构布置ZL50型装载机都是铰接式车架，利用八字油缸伸缩使前后车架曲折实现转向。图1-前车架；2-后车架；3-铰接中心；4-前桥；5-后桥；6-后桥摆动轴；7、8-左右转向油缸；9-随动阀；10-转向杆；11-转向垂臂；12-随动杆 转向液压系统图所示的转向机构，由转向盘到转向阀的连杆是安装在前车架，而转向阀则固定在后车架。当把转向盘向右旋转时，连杆沿箭头方向运动，拉出转向滑阀，压力油流入A腔、从B腔回油进入油箱，于是前、后车架以中心销为轴向右偏转，其结果转向阀体向阀芯被拉出的方向移动，当移动的距离和阀芯被拉出的距离相等时，则转向阀恢复中位。使阀体跟随阀芯始终要保持中位状态，前、后车架偏转至转向阀芯恢复中位时为止。此时车架转角为转向盘转动停止时的相应角度。6.转向油路分析转向液压系统可分为常流系统和常压系统。转向系统中供油量不变的称常流系统。常流系统中，如果液压泵输出的流量超过转向所需要的流量，则多余油经溢流阀返回油箱，这时有功率损失。当转向阀处于中位时，液压泵输出的油通过转向阀回油箱卸荷。常流系统的特点是结构简单，成本低，如果合理设计可使功率损失减小，并能获得良好的转向性能，是工程机械上广泛采用的一种形式。与常流系统对应的还有常压系统，即液压系统压力为恒定值，可用变量泵获得常压，但结构复杂，成本高。一般可采用定量泵-蓄能器系统获得常压，由于采用了蓄能器，价格比常流系统要高，蓄能器在整车布置上也困难，使用中还要隔一定时间充一次氮气，也比较麻烦。所以常压系统不如常流系统应用广泛。常流转向系统，不管转向条件如何变化，液压转向机构应具有稳定的动力特性和速度特性。转向液压缸行程与转向盘转角要成比例。另外还要保证转向速度恒定，为此要求供油量也应恒定。轮式装载机上液压转向系统多采用定量泵供油，而驱动液压泵的发动机转速在工作过程中变化很大（6001600r/min），因此液压泵的输出流量也随之变化。如果在发动机低转速时保证足够的供油量，则在高转速时将造成供油量过大。为解决这个矛盾，保证有较稳定的转向速度，在液压转向系统中可设置稳流阀。它的作用是保证齿轮泵工作过程中供给转向系统的流量能保持一定，即转向系统获得的流量不因发动机的转速或道路阻力的变化而变化。转向系统首先要求具有稳定的转向速度，也就是进入转向油缸的压力油必须流量稳定。ZL50型轮式装载机转向油缸的压力油主要来自CB-46转向齿轮油泵。定量油泵只有在发动机一定转速下才能获得最理想的转向速度。但在实际上做不到这一点，发动机总是在怠速到最高转速间经常变化。所以，为了得到转向流量不随发动机转速变化而变化的方法有两个。一个是采用流量大的转向油泵，使发动机在怠速时，也能供应转向所需的流量，以获得稳定的转向速度，而改善转向性能。但是，这样能量损耗太大，发动机转速增高时多余压力油通过流量控制阀流回油箱，而构成主要的功率损失，造成系统发热。所以这种方式在中、小型装载机中采用较多。另一个是组合油路，这种组合油路中将常规的工作装置油泵分成两个油泵，保持两个油泵输出的流量总和，仍能在发动机高转速下满足工作装置的要求。如ZL50型装载机原来工作装置一个油泵供油量为320L/min。所谓组合油路，就是通过辅助油泵和流量控制阀将工作油路和转向油路联系起来。从辅助油泵输出的流量根据发动机的转速由流量控制阀自动控制流向转向回路或工作回路。低速时辅助油泵的全部输出流量流入转向油路，与转向液压泵合在一起供应转向所需流量，工作主泵单独供应工作油路；中速时同时供给转向油路和工作油路；高速时全部供给工作油路，工作主泵和辅助油泵合在一起供给工作装置。 为了设计适合装载机工况的液压系统，有必要了解一下装载机的适用条件。装载机的适用条件如下。a) 轮式装载机是在露天环境下进行工作的，对于不同的地带和季节，气温变化是非常大的。所以液压系统中冷却和加热就成为不可忽视的问题。b) 负载繁重，并且负载的范围也很大。由于装载机冲击力的作业多，液压系统可能承载过大的负载。如果在设计中不考虑过载的话，就可能使系统由于压力冲击而损坏。c) 在工地上空气中含灰尘量极大，对液压系统有较高的密封要求，否则降低液压元件的使用寿命。根据装载机工作装置主要运动和使用条件，其基本要求如下。工作性能好。应保证工作装置具有较高的生产率，在运动过程中平稳，尽量减少冲击。寿命长、可靠性高。应特别注意防止油液污染问题，以及保证液压元件和辅助装置在高温或低温条件下工作的可靠性和提高使用寿命。此外，还应考虑压力成倍的增加和频繁的急剧变化等。 操作性能好。装载机与机床不同，机床是自动运转和用电磁阀间接地进行操纵装载机是靠人的手来直接操纵的。所以必须具有良好的操作性能。 工作安全可靠。 易于安装、维修和保养。7.液压系统形式：液压系统的形式，是根据设计对象的用途、工作条件和性能要求来确定的。例如，工作负载的性质和大小；执行机构的数目、运动形式及其运动的速度、精度和平稳性的要求；各执行机构之间的同步、随动、连锁和顺序动作等关系。此外，还需考虑工作安全可靠方面的措施等。从前面对装载机液压系统分析中可以看到，装载机一般多采用开式多泵定量系统。全液压装载机行走机构采用闭式变量系统。开式系统结构简单，散热充分。大中型装载机为改善转向性能，充分利用液压能和提高生产率，使转向油路与工作装置油路组合。由于装载机调速范围要求不太宽，使用换向阀节流调速可满足工作需求，故多采用定量泵，加以目前采用组合油路的多泵系统进一步扩大了调速范围。由于装载机动作少，也不要求复合运动，所以多采用顺序油路或互锁油路，以保证具有较大的举起力和掘起力。初拟系统方案时，应注意以下几点。 系统应力求简单可靠。系统越复杂，产生故障的机会越多，系统本身消耗的功率也就越大。 要注意防止回路间的相互干扰。尤其在单泵多油缸系统中，要考虑某一回路工作时，压力和流量对其他回路会有什么影响，并采取措施防止干扰。 要考虑提高系统工作效率，防止过热。效率低的液压系统，不但浪费动力，而且无效的功将使系统发热，油温升高。油温一般限制在70以下，油温过高会使系统容积效率降低，油液变质。应尽量采取效率高、发热少的回路。系统压力：装载机液压系统的压力是液压系统的一个最基本的参数，它决定了装载机使用中的经济性和可靠性，是选择和设计液压元件的主要依据之一。系统压力选择的合理与否将直接影响到液压传动装置的工作性能好坏、体积和质量的大小。目前，液压系统所采用的工作压力逐渐提高，高压化已成为液压传动发展的趋势。高压液压系统的优缺点，见表9-1（轮式装载机）。 表9-1（轮式装载机）优点1）泵、阀、马达、油箱等元件体积小、质量轻2）整机结构紧凑，易于布置和维护管理3）流量减少，可相对减少管路和热损耗4）节约钢材、降低成本缺点1）机器的耐久性和可靠性降低2）油封和软管质量要求更高3）元件的制造和装配精度要求严格4）对工作油污染的敏感性增加5）噪声较大 从表9-1中可以看到，液压系统的工作压力并非越高越好。当工作压力超过40MPa, 机重不是继续下降，相反将逐渐增加。装载机的工作压力一般多在20MPa左右。如果压力的数值增加在一定的界限内，由于油缸、油管等元件的尺寸和自重力减小的程度将大于由于壁厚增加而带来的重力增加。因此，整个装置的总重量仍然是减轻的。如果压力的数值超过了一定的界限，则油缸、油管等尺寸减小的重量将弥补不了壁厚增加的重量，其重量随压力增高，反而增大（其大小与元件所用材料的强度有关）。总之，过高的工作压力，并非是经济的，这是由于高压将要求采用较好的材料、提高制造和装配精度，同时，高压油泵寿命较低，从而提高了装置的成本。所以确定液压系统工作压力，要结合液压系统的工作条件、机械情况和工艺水平来综合考虑。油泵种类： 在装载机液压系统中，多采用齿轮油泵。齿轮油泵过去曾被认为是低压、低性能泵。后来经过结构上的改进和加工工艺上的提高，从而进入高性能油泵的行列。现在使用压力已达到20MPa 左右，并正在向30MPa发展。装载机广泛使用齿轮泵的原因如下。 装载机系统压力级，为目前齿轮泵所能胜任，又因装载机系统一般多为定量系统，同时又是多泵系统，采用齿轮泵比较合适。齿轮泵具有体积小、质量轻、操作简单、价格低等优点。既能满足机械要求，又能降低机械成本。 采用齿轮泵易于布置，特别是对于大型装载机，油泵多达78个，如果采用其他种类的油泵，在总体布置上非常困难。齿轮泵可用双联或多联，使机械结构紧凑。 齿轮泵比较经得起恶劣的环境、较差的工作条件、较大的负载变化、较大的冲击和振动等。 齿轮泵对液压油污染的敏感性较小，这点对装载机来说是非常重要的。装载机工作环境中灰尘很大，对油液污染是很严重的，由于它敏感性小，就不太容易损坏，这是它的最大优点。 由于齿轮泵结构简单，维护保养容易。随着齿轮泵的大批生产，成本就比较便宜，损坏时更换一个即可。配管问题： 为了降低液压振动，装载机液压系统配管的直径不宜过大。油液在管道中的流速，一般按5.4m/s考虑。回转机构的惯性大，管径应减小，以降低振动频率，一般定为8m/s。尽可能将各元件集成一体，既简化管路减少发热，又可提高机构刚性，减少自然振动频率，改善控制特性。 1.2 国内外装载机液压系统的研究现状1.2.1我国装载机液压系统的发展现状 我国轮式装载机行业起步较晚，其制造技术是陆续从美国、德国和日本等引进的。目前，我国轮式装载机生产技术水平只相当于国家20世纪80年代的生产制造水平。虽然目前国内轮式装载机生产厂家群雄并立，并且有增无减，但国内的企业自主开发创新能力较弱，产品更新换代以适应市场需求的能力较差，不能及时适应市场的需求。在生产制造上，工艺装备水平和生产能力低，造成关键零部件技术不过关，整机的可靠性，故障率，使用寿命，机、电、液一体化水平，外观质量，操作的灵活性和舒适性方面与先进国家产品相比差距较大。目前我国轮式装载机的发展有如下一些特点：（1）缺乏高科技含量，产品质量不稳定，档次低（2）设备的灵活性、舒适性较差（3）用途单一，产品规格中间大两头小 1.2.2国外装载机液压系统的发展现状 在经历了50-60年的发展后，到20世纪90年代中末期国外轮式装载机技术已经达到相当高的水平。基于液压技术、微电子技术和信息技术的各种智能系统已广泛应用与装载机的设计、计算操作控制、检测监控、生产经营和维修服务等各个方面，使国外轮式装载机在原来的基础上更加“精制”，其自动化程度也得以提高，从而进一步提高了生产效率，改善了司机的作业环境，提高了作业舒适性，降低了噪声、振动和排污量，保护了自然环境，最大限度地简化维修、降低作业成本，使其性能、安全性、可靠性、使用寿命和操作性能都达到了很高的水平。1.2.3轮式装载机设计的发展趋势 装载机现代设计和开发是面向市场和用户的，是设计、制造、销售全过程中的决定性环节，是技术创新最主要的部分，设计开发过程始于市场需求分析的综合，研究竞争对手的发展战略，形成设计开发的目标，并综合考虑法律、生态环境、人文习惯及技术约束条件进行的设计开发。 综合当前市场需求和科技应用的最新前沿以及装载机技术发展的最新趋势，装载机的设计发展体现出以下趋势。（1） 产品设计数字化 现代设计的一个重要特色就是计算机的使用，目前，CAD/CAE技术已经成为企业技术进步的标志，随着计算机技术的飞速发展，存储能力的不断增强，工程软件水平的日益提高，数据库的完备和网络技术的出现，使企业可以以较小的投入，较短的周期开发出高质量、高性价比的产品，使企业可以对市场需求迅速作出反应，提高企业的生存能力和竞争力。随着CAD/CAE技术深入而广泛的应用，设计过程中产生的大量数据、混乱的数据流以及多重管理使得产品的数据近乎处于一种失控状态，改善这种状况的唯一出路就是实施产品数据管理（PDM）,并进行企业管理重组。实施PDM，企业可以创建、管理和控制整个产品生命周期的信息，从设计到投产，经授权的产品开发人员可以方便地访问设计和制造数据，从而控制从设计、审核、修改直至发布产品的全过程。 （2） 产品设计智能化 由于设计过程中除了计算、绘图、分析以外，还有许多工作需要发挥人的创造性，综合运用多种学科的专门知识和丰富的实践经验才能解决。计算机的进一步发展而产生的人工智能技术，如专家系统和人工神经网络技术在这方面得到了广泛应用。 设计专家系统就是把设计领域中的知识收集起来，建立一个专家知识库，采用一定的推理方法和规则，完成设计要求。专家系统可以把某一领域内诸多专家所具有的专门知识和经验积累在一起，形成一个全面性的专家，利用集体智慧来解决处理问题，尤其是模糊机械分析设计方法学的提出和在专家系统中的应用使得设计水平跃上了一个新的台阶。人工神经网络是一种模仿人类神经系统的数学模型，由于采用并行连接结构和并行处理机制，使得网络具有很强的容错性以及学习、自组织、自适应能力，因此得到了广泛的应用。神经网络在设计中的应用还处于开始阶段，在设计中，利用专家系统和神经网络的长处，将专家系统和神经网络结合起来，组成神经网络专家设计系统，以此来提高设计者的决策判断能力，加快设计速度，减少设计失误，这已成为发展方向。（3） 应用并行设计工程 并行设计工程是指集成地、并行地处理产品设计、分析、制造及其相关过程的系统方法。并行设计改变了传统的串行工作方法，使得在设计阶段就可能有制造和销售人员的介入和彼此信息的交互。并行工程可以在产品开发初期考虑到产品全生命周期，最大限度地满足用户的需求。并行工程强调系统集成，不仅注重企业的内部的技术和信息集成，也重视与企业外部供应商、销售代理和最终用户之间的信息交换和集成。（4） 采用模块化设计 采用搭积木、模块化的设计技术将有利于进行多品种、多规格的产品开发，使得在零部件通用性高的基础上能够组合出不同性能、规格、层次以及具有价格竞争力的产品。模块化的设计过程不仅要求具有可选择比较的零部件库，而且还应有各种性能匹配计算优化的工程软件库。这种模块化的设计具有方案选择、性能优劣的评价系统，也能进行成本估算。这对工程机械的多品种、多层次开发具有广阔的前景。 （5）注重绿色设计 目前，人类的生活环境日趋恶化，环保问题已经迫在眉睫。工程机械作为一种重要的生产资料，得到了广泛的应用，同时它也像其他产品一样，在生产和使用过程中，对环境造成不同程度的影响，因而人们提出进入新世纪的工程机械应是绿色的，也就是环保型的机械。此外，当今世界经济发展趋于区域化、一体化，贸易技术壁垒(TBT)将逐渐取代非配额、许可证等贸易壁垒。20世纪90年代以来，发达国家不断提高进口产品的环保标准，形成了以环保为目的的绿色壁垒，与此同时，发达国家和地区如欧洲、美国等也逐渐建立起了自己的环保标准，这一切都指出“绿色工程机械”将是新世纪发展的要求，“绿色工程机械”不仅指其在使用过程中对环境的污染更小，还应是从制造、使用、保养、维修到报废回收的整个生命周期内对环境的破坏是最小的，这就要求在设计产品时要考虑产品在其全生命周期内的环保要求。如在工程机械的生产阶段就要考虑生产的原材料时可回收、易分解、能再生且对环境无害的材料。在其制造阶段，要考虑选用加工时不易对环境造成污染的材料和加工方法，如选用新的表面处理和热处理工艺，选用污染小的涂镀材料。在其工作阶段要选用排放和噪声较小的发动机，如电喷柴油机。选装一些能自动加注润滑脂的设备，减少润滑脂溢出造成环境的污染。在其维修阶段，要考虑坏件的回收与修复使用。到了工程机械的报废阶段，从回收利用角度出发，要考虑设计容易解体的机械部件。1.2.4设计任务和要求（1）研究的主要内容:设计液压回路，对各液压元件进行选型以及合理布置各元件的位置。确定后车架的总体尺寸，合理布置各部件的位置，对铰接点进行受力分析，校核铰接点的强度。（2）指导思想：根据装载机的基本动作及动作特点，参考已有资料，选择合适的液压元件，模块化确定整个回路。结合本组其他人的设计，确定后车架上所有的部件，参照ZL50型装载机进行合理布置，确定总体尺寸。（3）技术性能要求：主要技术参数ZL50C轮式装载机液压系统主要技术参数：1)额定斗容 3立方米 ； 2)额定载荷 5000kg； 3)最大掘起力 250kN； 4)整机操作质量 16800kg； 5)最大卸载高度 3140mm； 6) 卸载距离(最大卸高时) 1315mm； 7)轴距 2760mm； 8)轮距 2250mm ； 9) 最小离地间隙 405mm； 10) 转向角 正负35度； 11)外形尺寸 1、长 7310mm 2、宽 铲斗外侧 2850mm 轮胎外侧 2845mm 3、高 3240mm 12) 工作提升所需时间 提升 6.5s 卸料 3s1.3课题的研究内容和主要工作随着目前建筑施工和矿产资源开发规模的不断扩大，对工程机械需求量迅速增加，同时，我国工程机械产业进入了加速增长阶段，轮式装载机，特别是针对某些专业的大中型装载机的应用越来越普及。为了适应发展需求，本次任务提出设计ZL50型轮式装载机。本次设计的ZL50型轮式装载机在行驶和作业时具有一定的稳定性，同时，加快作业速度以提高其作业效率。后车架铰接处应具有足够的强度，以确保作业安全。液压系统应稳定，高效。1.4课题的理论意义和应用价值 装载机作为我国工程机械的主力机种之一，被广泛应用于各种各样的施工作业中。装载机产品的核心技术就是液压系统设计，由于装载机的工作条件恶劣，要求实现的动作复杂，于是它对液压系统的设计提出了很高的要求，其液压系统也是工程机械液压系统中较为复杂的。因此，对装载机液压系统的分析设计对推动我国装载机发展具有十分重要的意义。 2 液压系统的设计2.1 概述2.1.1 液压系统本次设计主要是为ZL50轮式装载机的工作装置和转向系统设计液压系统，实现装载机的基本动作：将铲斗插入物料，向后翻转铲斗，保持载荷，提升物料到一定高度，将载荷运输到卸料地点，倾卸，然后再回到装料处，如此循环。装载机的作业对象大部分是土石方，冲击载荷大，负载繁重；又多是露天作业，尘土大，气温、湿度变化大，作业条件恶劣；循环作业，往复动作频繁，每年实际工作时间比其他机种多，往往超过3000小时。因而装载机液压系统应满足下述要求：（1）工作性能好，能合理利用功率，保证装载机具有较高的生产率。作业过程平稳、有力、准确，各动作相互协调；系统效率高，应力求减少系统发热量，保证系统正常工作温度不超过70.（2）可靠性高、寿命长。装载机作业载荷变化大，伴随冲击和振动，因而要求系统有比较完善的安全装置，并能经受较大的冲击。要特别注意防尘和密封。污物杂质侵入系统将阻塞油路，并造成系统元件的早期破坏。要防止系统中出现“空穴”，否则将造成执行元件的爬行现象，并易于引起活塞杆油封烧损。（3）操作性能好，操作动作简单、轻便。装载机每一动作循环机构动作很多，都需要司机操纵，如所需操纵力过大，操纵行程过长，将使司机易于疲劳而影响生产率。（4）系统要简单可靠，易于安装，维修和保养。ZL50轮是装载机斗容量为3，整个液压系统由3个齿轮泵驱动。两个并联的CB-G型齿轮泵，一个CB-46型齿轮泵（三泵以6135Q型柴油机为动力驱动）。工作主泵、辅助供油泵和转向液压泵组成两个液压回路工作装置回路和转向系统回路。这两个回路通过辅助泵联系起来。以下分别就工作装置和转向系统进行设计选型。2.1.2 装载机对液压元件性能的要求（1）液压泵叶片泵运动平稳、噪音小，容积效率高，但其工作压力低，吸油能力差，对液压油的污染比较敏感，仅用在小型装载机上。柱塞泵由于工作压力较高，转速高和容积效率高，在结构上容易实现变量等优点，在大型装载机上得到应用。齿轮泵成本低、体积小、工作可靠、对液压油污染不太敏感，广泛采用在各种类型上的装载机。装载机用液压泵除了要满足防空穴、耐压、高效等要求外，特别对低速稳定性有特殊要求，这是由于装载机作业时的转速变化范围较大，尤其是在低速时往往要求高压，因而要求液压泵在最低工作速度、最高使用压力和最高工作油温下，必须保证正常工作，以免发生容积效率过低和轴承烧损的现象。（2）液压缸 装载机在作业时尘土大，液压缸往复运动频繁，油缸活塞杆暴露在外面，并直接承受冲击，故对液压缸的耐压、耐磨、耐热和密封都有较高要求。另外要求液压缸的内、外泄漏要少。外部泄漏使工作装置运动迟缓，并且容易使尘土侵入，内部泄漏则造成工作装置软弱无力、铲斗位置自动倾斜，特别是装载机在满载运输时，由于动臂液压缸内部泄漏使动臂下落，造成铲斗中物料的撒落。（3）方向控制阀在中小型装载机上方向控制阀大多采用手动式直接操纵。在大型装载机上，由于液压系统压力高、流量大，所需操纵力甚大，多采用先导控制式。采用先导控制可改善系统调速性能，易于把先导阀布置在驾驶员操纵方便的地方，而换向阀则布置在任意适当的地方以减少管路。提高系统效率。换向阀必须具有防空穴性能和防止工作装置产生点头现象。当铲斗前倾及动臂下降时，由于重力作用液压缸一腔回油量很大，如液压泵对液压缸另一腔供油量不足，液压缸中将出现“真空”，它既影响工作装置的作业速度和作业力的发挥，使铲掘作业不能正常进行，同时由于存在空穴作用引起绝热压缩，造成液压缸的活塞杆密封烧损，因而要求换向阀具有充分的放真空性能。换向阀一般均采用负封闭，以防换向过程中阀前油压瞬时过高，但在换向过程的某一短时间内将出现进、回油口与工作油口相同的浮动状态。当操纵动臂换向阀以提升动臂时，由于动臂液压缸下腔原有油压较大，该腔的压力油会通过进油腔与回油口流回油箱，造成动臂提升前的点头现象。为此在进油道上应设单向阀，它还能防止油泵发生故障时油液倒流回泵。此外换向 阀应具有微调性能，以实现工作装置的微动。（4）油管和接头由于装载机本身的振动大，经常连续作业，液压系统油温比较高，尖峰压力大，所以对油管和接头提出耐压、耐热、耐震的要求。2.2 工作装置液压系统设计2.2.1 拟定液压原理图装载机工作装置动作包括动臂升降和铲斗翻转动作。由于液压泵在同一时间内只能按先后次序向一个机构供油，各机构和进油通路按前后次序排列，前面的转斗操纵阀动作，就把后面的动臂操纵阀进油通路切断。只有前面的阀处于中位时，才能扳动后面的阀使之动作。两者构成单动顺序回路。（如图2.1所示）1.动力元件液压泵。一般均采用齿轮泵。2.执行元件一个转斗液压缸和两个动臂液压缸。3.控制调节装置用来控制和调节系统各部分液体压力、流量和方向。在该系统中设有方向控制阀、过载阀和溢流阀。图2.1 装载机工作装置液压原理图（1）方向控制阀有动臂液压缸换向阀和转斗液压缸换向阀，用来控制转斗液压缸和动臂液压缸的运动方向，使动臂和铲斗能停在某一位置，并可通过控制换向阀的开度来获得液压缸的不同速度。 转斗液压缸换向阀是三位六通滑阀，它可控制铲斗前倾、后倾和固定在某一位置等三个动作；动臂液压缸换向阀是四位六通滑阀，它可控制动臂上升、下降、固定和浮动等四个动作。动臂浮动位置可使装载机在平地堆积作业时，工作装置随地面情况自由浮动，在铲掘矿石作业时可使铲斗刃避开大块矿石进行铲掘，提高作业效率。（2）溢流阀控制系统压力。当液压系统压力超过调定的工作压力时，溢流阀打开，油液流回邮箱，保护系统不受损坏。（3）缓冲补油阀（双作用阀）它由过载阀和单向阀组成，并联装在转斗液压缸的回油路上，作用有三个：A 当转斗液压缸滑阀在中位时，转斗液压缸前后腔均闭死，如铲斗受到额外冲击载荷，引起局部油路压力剧升，将导致换向阀和液压缸之间的元件、管路的破坏。设置过载阀即能缓冲该过载油压。B 在动臂升降过程中，使转斗液压缸自动进行泄油和补油。为了防止连杆机构超过极限位置，同时使铲斗中的物料能卸干净，在连杆机构中设有限位块。限位块的设置，使动臂在升降至某一位置时，可能会出现连杆机构的干涉现象。例如动臂提升至某一位置时，会迫使转斗液压缸的活塞杆向外拉出，造成转斗液压缸前腔压力剧升，可能损坏液压缸油封和油管，由于有过载阀，可使困在液压缸前腔中的油经过过载阀泻出返回油路。前腔容积减少的同时，后腔容积增大，造成局部真空，缓冲补油阀中的单向阀随即打开，向转斗油缸后腔补油。C 装载机在卸载时，能实现铲斗靠自重快速下翻，并顺势撞击限位块，使斗内剩料卸净。当卸料时方向阀在右位，压力油进入转斗液压缸前腔实现转斗。当铲斗重心越过斗下铰点后，铲斗在重力作用下加速翻转，但其速度受到液压泵供油速度的限制，由于缓冲补油阀中的单向阀及时向转斗液压缸前腔补油，使铲斗能快速下翻，撞击限位块，实现撞斗卸料。4. 辅助装置包括油箱、滤油器、油管及管接头。2.2.2 工作装置液压系统计算。1.液压缸选取1) 内径计算（1）根据机械设计手册第四卷1730及机械设计手册第四卷液压缸的公称压力（如表2.1），选取工作压力为17.5MPa。（2）根据机械设计手册第四卷17260液压缸的机械效率由活塞及活塞杆密封处的摩擦阻力所造成，在额定压力下通常取=0.90.95，本次设计取=0.9.（3）根据机械设计手册17259，（如表2.2）速比主要是确定活塞杆的直径是否需要缓冲装置，速比系数不宜过大或过小，以免产生背压。表2.1 液压缸的公称压力设备类型压力范围MPa压力等级说明机床、压铸机、汽车7低压低噪声、高可靠性系统农用机械、工矿车辆、注塑机721中压一般系统船用机械、搬运机械、工程机械油压机、冶金机械、挖掘机、重型机械2131.5高压空间有限、响应速度高、大功率下低成本金刚石压机、耐压实验机、飞机、液压机具31.5超高压追求大作用力、减轻重量表2.2 液压缸的速比系数公称压力1012.520201.331.46、22取速比系数为1.46.（4）根据同组同学所做的确定动臂工作阻力F=144KN，转斗工作阻力为F=215KN。根据机械设计手册第一卷1113，对于动臂液压缸取安全系数为1.6。对于转斗液压缸取安全系数为1.5。根据液压设计手册75页，公式33计算动臂液压缸内径： （2-1）带入以上数据得动臂液压缸mm转斗液压缸mm根据机械设计手册第四卷液压缸的内径系列（如表2.3），动臂液压缸取D=180mm,转斗液压缸取D=200mm。表2.3 液压缸内径液压缸内径系列（GB/T2348-1993）/mm8、10、12、16、20、222、25、32、40、50、63、80、（90）、100、（110）、125、（140）、160、（180）、200、(220)、250、(280)、320、(360)、400、(450)、5002) 壁厚和外径的确定（1）根据液压设计手册76页，公式34，一般按照薄壁筒计算，壁厚（m）按照下公式计算： （2-2）P液压缸的最高工作压力（MPa）；缸筒材料的许用压力（MPa），=；材料的抗拉强度极限（MPa）；n 安全系数，n与载荷情况有关，按安全系数推荐表取，液压设计手册76页，（如表2.4）表2.4 安全系数材料种类交变载荷静载荷冲击载荷不对称对称钢58312铸铁6101015按照上表的推荐值，取n=5。缸筒材料常用20、35和45钢的无缝钢管，本次设计选用45钢。调质处理。它的许用应力根据机械设计手册第四卷17-264取为610MPa， =360MPa。系统的最高工作压力：当额定压力160MPa时，最高压力=1.25 当额定压力 160MPa时，最高压力=1.5 将上面的数据代入公式得：动臂油缸：转斗油缸：缸筒壁厚： （2-3）式中：缸筒外径公差余量（m）；腐蚀余量（m）经过圆整及参考机械设计手册第一卷3161液压和气动缸内径无缝钢管取动臂油缸和转斗油缸壁厚均为则液压缸的外径：动臂油缸：转斗油缸：（2）液压缸壁厚的验算：动臂油缸： （2-4）转斗油缸：故壁厚合格。3） 缸筒底部厚度的计算（1）与缸筒的连接型式采用焊接连接，这种连接形式结构简单，尺寸小，重量轻，使用广泛。其结构如下图所示。图2.2 缸筒与缸头的连接形式（2）厚度的计算其底部为平面，其厚度可以按照四周嵌住的圆盘强度进行近似计算：筒底厚（m）；P筒内最高工作压力（MPa）；筒底材料许用应力（MPa）；计算厚度外直径；由前面的参数可知， 动臂油缸： （2-5）转斗油缸： （3）强度验算缸筒和缸盖为焊接连接时，焊缝应力按下式计算： （2-6） 式中：F缸内最大推力（N）；由前面可知动臂油缸F=40078.87,转斗油缸F=49480.08缸筒外径；焊缝底径；焊接效率，取=0.7；焊条材料抗拉强度；n安全系数；取n=5动臂油缸：转斗油缸：由钢结构查的角焊缝的许用应力故焊缝安全。（4）缸筒制造加工要求（a）缸筒内径采用H7或H8配合，表面粗糙度一般为0.160.32，都需要进行研磨。（b）热处理；调质，硬度HB241285；（c）筒内径的圆度，锥度，圆柱度不大于内径公差之半；（d）缸筒直线度公差在500mm的长度上不大于0.03mm；（e）缸筒端面的垂直度在直径100mm上不大于0.04；孔的轴线对缸径D的偏移不大于0.03；孔的轴线对缸径D的垂直度在100mm长度上不大于0.01mm；轴颈对缸径D的垂直度在100mm长度上不大于0.1mm；4） 活塞杆的计算（1）依据机械设计手册第四卷17272活塞杆的直径计算公式：动臂油缸： （2-7）转斗油缸：式中:D缸筒内径；速比系数参照机械设计手册第四卷17257活塞杆的直径系列（如表2.5），取动臂油缸活塞杆的直径为90mm，转斗油缸活塞杆的直径为110mm。表2.5 活塞杆直径系列2022252832364045505663708090100110（2）液压缸推力和流量的计算（a）液压缸推力的计算依据液压设计手册79页的计算公式：当液压缸的无杆腔进油时，作用在活塞杆上的理论推力； （2-8）当液压缸的有杆腔进油时，作用在活塞杆上的理论推力； （2-9）式中: P工作压力（；D活塞直径（液压缸内径）（m）；d活塞杆直径（m）；液压缸的机械效率；取=0.9；将以上数据代入公式得：动臂油缸：转斗油缸：（b）液压缸的效率 （2-10）式中：液压缸的机械效率，取=0.9；液压缸的容积效率，采用密封圈，取=1.0则液压缸的效率 （c）液压缸的流量 （2-11）式中：活塞的有效作用面积，有杆腔的面积，无杆腔的面积；活塞的运动速度，取=1.5mm/min；油缸的容积效率，取=1代入数据得：动臂油缸：转斗油缸：（3）活塞杆的结构设计(a)活塞杆的结构形式的选取活塞杆必须有足够的强度和硬度，以便承受拉力、弯曲应力、振动和冲击载荷的作用。同时还要注意它对活塞有效面积的影响，保证液压缸达到所要求的作用力和速度，活塞杆具有一定的耐磨性，具有较高的尺寸精度和表面光洁度。杆内端：由于工作压力较高，以防机械振动较大，采用卡环结构形式，查液压设计手册第87页表3-10可得结构如下：图2.3 活塞杆与活塞的连接形式杆外端：为了避免活塞在工作时产生偏心承载力，适应液压缸的工作安装要求，提高其工作效率，应根据载荷情况选取适当的杆头连接形式。液压缸在工作时轴线摆动，本次设计采用铰销式连接。其结构如下图所示：图2.4 活塞杆外端连接形式(b)活塞杆的材料及技术要求材料：选取45钢；技术要求: 淬火，淬火深度0.51mm，表面镀铬2030mm； 活塞杆在导向套中滑动，采用H8/H7配合，太紧摩擦大，太松容易引起卡滞现象； 活塞杆的圆柱度公差不大于直径公差之半； 安装活塞的轴肩端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，以保证安装不产生偏斜。安装活塞的轴颈与外圆的同轴度公差不大于0.01mm；活塞杆的外圆粗糙度R=0.10.3，太光表面形不成油膜，不利于润滑； 活塞杆表面进行镀铬处理，并进行抛光或磨削处理加工；活塞杆内端的卡键和缓冲装置也要保证与轴线同心；5） 液压缸行程的确定根据工作的需要，选择动臂油缸活塞的行程L=900mm；转斗油缸活塞的行L=508mm。6）缓冲装置液压缸的活塞杆有一定的质量，在液压力的驱动下具有很大的动量。在它们的行程的中端，当杆头进入液压缸的端盖和缸底部分时，会引起机械碰撞，产生很大的噪音。缓冲装置可以减小噪音，防止和减少液压活塞及活塞杆的运动部件在运动时对缸底和端盖的冲击，在它们的终端实现速度的递减，直到为零。本次设计采用变节流型缓冲装置。这种装置在缓冲过程中，通流面积随着缓冲过程的变化而变化，缓冲腔内的缓冲压力保持均与，能达到满意的缓冲要求，其结构图如下：图2.5 缓冲装置结构图7）排气装置排气阀安装在液压缸端部的最高位置上。如果排气阀设置不当或者没有设置，压力油进入液压缸后，缸内会存有空气。由于空气具有压缩性和滞后扩张性，为了避免这种现象，必须在液压缸上安装排气阀。排气阀的位置要安装合理，水平安装的液压缸，其位置应设置在缸体两端部的上方；垂直安装的液压缸，应设在端盖上方，均与压力腔相通，以便安装后调试前排出液压缸内的空气。8）选型根据以上计算结果，结合机械设计手册第四卷17-286选择液压缸型号：动臂油缸：油缸内径为180mm，活塞杆径为90mm，行程为900mm，压力为17.5MPa选择等级代号为H，液压表安装选用耳轴，代号为3，活塞杆端连接方式为杆端外螺纹，代号为1，缓冲型式为杆头端带缓冲（3），油口连接型式为内螺纹（1），采用双作用单活塞杆液压缸。型号表示为：HSG.K-180/90.H-3131-900。转斗油缸 ：油缸内径为200mm，活塞杆径为110mm，行程为508mm，压力为17.5MPa，选择等级代号为H，液压表安装选用耳轴，代号为3，活塞杆端连接方式为杆端外螺纹，代号为1，缓冲型式为杆头端带缓冲（3），油口连接型式为内螺纹（1），采用双作用单活塞杆液压缸。型号表示为：HSG.K-200/110.H-3131-508。2. 选取液压泵主要根据系统的工况来选择液压泵。泵的主要参数有压力、流量、转速、效率。为了保证系统的正常运转和使用寿命，一般在固定设备系统中，正常工作的压力是泵的工作压力的80%；泵的流量要大于系统工作的最大流量，为了提高泵的使用寿命，泵的最高压力与最高转速不宜同时使用。（1）泵的主要参数根据设计任务书所给，工作装置液压泵选用CB-Gj3125齿轮泵。查机械设计手册及网上资料，它的主要参数有：理论排量为125ml/min，额定压力为20MPa，最高压力为205MPa，额定转速为2200r/m，容积效率92%，总效率83%。（2）计算液压泵的流量=0.0055（/s）（212）式中 K考虑液流渗透的系数，一般取K=1.11.3,计算中取K=1.2（3）计算液压泵的驱动功率确定了液压泵工作压力和流量之后，就可计算液压泵驱动功率：=20*1000*330/（60000*0.83）=132.5kW （2-13）3. 阀的选取（1）单向阀 参考机械设计手册选用C型单向阀。C型单向阀在所设定的开启压力下使用，控制流量流动，完全阻止反向流动。 （2）溢流阀可以保证液压系统的恒定，并保证