ZL50G輪胎式裝載機液壓系統設計含開題及7張CAD圖

ZL50G輪胎式裝載機液壓系統設計含開題及7張CAD圖,zl50g,輪胎,裝載,液壓,系統,設計,開題,cad ZL50G輪胎式裝載機液壓系統設計 摘要 裝載機是一種作業(yè)效率高，用途廣泛的工程機械，它不僅對松散的堆積物料可進行裝、運、卸作業(yè)，還可以對巖石、硬土進行輕度鏟掘工作，并能用來清理、刮平場地及牽引作業(yè)。因此它被廣泛用于建筑、礦山、道路、水電和國防建設等國民經濟的各個部門。在裝載機作業(yè)過程中，升降動臂，轉動鏟斗，整機轉向和換向變速等動作一般都采用液壓傳動來實現，因此液壓系統性能的優(yōu)劣對裝載機的生產率、 經濟性和使用壽命有很大的影響，必須充分重視。工作裝置液壓系統是裝載機液壓系統的一部分，本設計針對裝載機工作裝置液壓系統的液壓缸進行了設計計算，并對液壓附件進行了選取，在此基礎上對液壓系統的安裝與維護作了簡單的分析。 關鍵詞：裝載機 工作裝置 液壓系統 Abstract Loader is a high efficiency and widely used engineering machinery; it not only can load, transport and dispose the accumulation of loose materials, but also can dig mildly with the rocks and hard soil. Besides, it can be used to clean-up, draw venues and does traction work. Therefore it is widely used in various departments of the national economy, such as construction, mining, roads, utilities, and the construction of National Defense, etc. When operating a loader, a series of actions including boom lifts, bucket rotating, turning of the whole machine and shift gears are achieved by hydraulic transmission, so whether the performance of the system is good affects productivity ability, economy ability and life span of the loader, we must pay full attention to it. Working device hydraulic system is a part of the whole system .This paper tells us the improved design of every part for the working device and makes a simple design for hydraulic attachments. Based on these the author also analyses installation and maintenance of the system Keywords: Loader; Working devices; Hydraulic System  目 錄 引言…………………………………………………………………… 1 1．概述…………………………………………………………………………….1 1.1輪胎式裝載機簡介………………………………………………………… 1 1.2ZL50裝載機介紹 ……………………………………………………………1 2.裝載機設計方法與要求…………………………………………………… 1 2.1裝載機的參數，技術要求………………………………………………….1 2.2裝載機的工況分析………………………………………………………… 1 3.液壓系統工作原理 ………………………………………………………… 2 4.液壓裝置設計………………………………………………………………… 2 4.1液壓系統的組成…………………………………………………………… 2 4.2各液壓回路設計…………………………………………………………… 3 4.3自動限位裝置……………………………………………………………… 4 4.4裝載機換擋原理…………………………………………………………… 4 4.5油液流動說明……………………………………………………………… 5 4.5.1鏟斗收起與前傾……………………………………………………… 5 4.5.2動臂升降……………………………………………………………… 6 5.液壓裝置的相關計算……………………………………………………… 7 5.1液壓缸…………………………………………………………………… 7 5.1.1液壓缸內徑計算……………………………………………………… 7 5.1.2缸筒底部厚度的計算………………………………………………… 11 5.2活塞………………………………………………………………………… 14 5.3活塞桿……………………………………………………………………… 16 5.3.1活塞桿直徑計算……………………………………………………… 16 5.3.2 液壓缸推力和流量的計算…………………………………………… 16 5.3.3 活塞桿的結構設計…………………………………………………… 18 5.3.4 活塞桿的導向套、密封和防塵……………………………………… 20 5.4中隔圈……………………………………………………………………… 21 5.5緩沖裝置…………………………………………………………………… 21 5.6排氣裝置…………………………………………………………………… 22 5.7液壓缸選型………………………………………………………………… 23 5.8閥的選取…………………………………………………………………… 24 5.8.1單向閥………………………………………………………………… 24 5.8.2溢流閥………………………………………………………………… 24 5.8.3換向閥………………………………………………………………… 24 5.9液壓泵……………………………………………………………………… 24 5.9.1液壓泵的確定………………………………………………………… 24 5.9.2液壓泵流量的計算…………………………………………………… 26 5.9.3計算液壓泵的驅動功率……………………………………………… 26 5.10液壓管道及其連接……………………………………………………… 27 5.10.1硬管的選取………………………………………………………… 27 5.10.2軟管的選取………………………………………………………… 28 5.10.3管接頭的選取……………………………………………………… 28 5.10.4螺塞的選取………………………………………………………… 28 5.10.5郵箱的設計與計算……………………………………………………28 5.10.6過濾器的選取…………………………………………………………30 6．液壓元件的維護……………………………………………………………30 7.總結…………………………………………………………………………… 32 8．謝詞……………………………………………………………………………34 9.參考文獻………………………………………………………………………35 10．附錄…………………………………………………………………………36 引言 本文主要是對ZL50輪胎式裝載機的液壓系統進行設計說明，設計主要是為了使裝載機更好的在工程中進行使用，本次設計主要是完成裝載機鏟斗，動臂以及轉向系統的液壓設計。 1. 概述 1.1 輪胎式裝載機簡介 裝載機是一種廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口、礦山等建設工程的土石方施式機械，它主要用于鏟裝土壤、砂石、石灰、煤炭等散狀物料，也可對礦石、硬土等作輕度鏟挖作業(yè)。換裝不同的輔助工作裝置還可進行推土、起重和其他物料如木材的裝卸作業(yè)。在道路、特別是在高等級公路施工中，裝載機用于路基工程的填挖、瀝青混合料和水泥混凝土料場的集料與裝料等作業(yè)。此外還可進行推運土壤、刮平地面和牽引其他機械等作業(yè)。由于裝載機具有作業(yè)速度快、效率高、機動性好、操作輕便等優(yōu)點，因此它成為工程建設中土石方施工的主要機種之一，同時也成為工程機械中發(fā)展最快、產銷量及市場需求最大的機種之一。 圖1-1 ZL50型裝載機 1.2 ZL50裝載機介紹 圖1-1是ZL50型輪式裝載機的外觀圖，它的舉重量為5噸。額定斗容通常為3個立方，額定載荷3000kgf，最大掘起力125-200kN，整機操作質量16000-17000㎏。 2. 裝載機液壓系統的設計方法與要求 2.1 裝載機的參數，技術要求 液壓系統的設計基本包括四個步驟：①明確設計依據，進行工況分析；②確定液壓系統方案，擬定液壓系統圖；③液壓系統的計算和液壓元件的選擇；④液壓系統的驗算和繪制工作圖、編制技術文件。在設計過程中不一定要嚴格按照這些步驟進行，有時可以交替進行，甚至要反復多次。對某些關鍵性的參數和性能難以確定時，要先經過試驗，才能把設計方案確定下來。由于裝載機是在露天情況下工作，因而對系統有如下地要求： （1） 工作性能好。應保證具有較高的生產率和工作平穩(wěn)性。 （2）壽命長,可靠性高。 （3）操縱性能好。 （4）便于維修和保養(yǎng) 對于ZL50裝載機而言它需要滿足舉重量為5噸。 2.2 裝載機的工況分析 裝載機在工作過程中需要完成的動作為：鏟斗插入物料，向后翻轉鏟斗，保持載荷，動臂提升物料到一定高度，將物料運輸到卸荷地點，鏟斗向前翻轉，動臂下降，然后回到裝料處，如此循環(huán)作業(yè)。 3. 液壓系統工作原理 工作裝置的液壓系統是用來控制鏟斗的幾個動作的。工作裝置不工作時，來自油泵的液壓油輸入到工作分配閥的回油腔流回油箱。當需要鏟斗挖掘或卸料時操縱鏟斗操縱桿，后拉或前推，來自油泵的工作油經過分配閥進入鏟斗油缸的后腔或前腔，來實現鏟斗的上翻或下轉。當需要動臂提升或下降時，操縱動臂操縱桿，后拉或前推，來自油泵的工作油經分配閥進人動臂油缸的下腔或上腔，使動臂和鏟斗提升或下降。當外負荷超過系統提升或上翻能力時，或者動臂油缸活塞到達油缸端部，系統壓力升高達到系統調定壓力時，壓力油頂開安全閥溢流卸載經分配閥流回油箱。轉斗油缸前腔油壓超過前腔溢流閥調定壓力時，壓力油頂開溢流閥卸載進人轉斗油缸后腔經分配閥回油箱。當鏟斗用于裝卸散裝物料而需要上下浮動時，操縱動臂操縱桿前推二檔，來自油泵的工作油經分配閥可進人動臂油缸上下腔，同時與油箱接通，油缸上下腔工作油處于低壓狀態(tài)，鏟斗在自重作用下處于自由浮動狀態(tài)，鏟斗貼著地面工作。需要滿足這些要求就會有2個自由度，其一是裝載機鏟臂的動作，其一是鏟斗的動作，所以需要2個電磁換向閥來滿足動作要求。 輪式裝載機的車架采用前，后車鉸接機構，因此其轉向機構采用交接車架進行折腰轉向。裝載機鉸接車架折腰轉向過程是由轉向液壓缸工作回路來實現的，并要求具有穩(wěn)定的轉向速度（即要求進入轉向液壓缸的油液流量恒定）。轉向液壓缸的油液主要來自轉向液壓泵，在發(fā)動機額定轉速（1600r/min）下轉向液壓泵的流量為77L/min當發(fā)動機受其他負荷影響而轉速下降時，就會影響轉向速度的穩(wěn)定性。這時就需要從輔助液壓泵通過流量換向閥補入轉向泵所減少的流量，以保證轉向油路的流量穩(wěn)定。當流量換向閥在相應位置時，也可將輔助液壓泵多余的或全部液壓油共給工作裝置油路，以加快動臂升降液壓缸和鏟斗液壓缸的動作速度，縮短作業(yè)循環(huán)時間和提高生產效率。 4. 液壓裝置設計 4.1 液壓系統的組成 裝載機工作裝置動作包括動臂升降和鏟斗翻轉動作,所以液壓系統應該包括以下東西： 1.動力元件——液壓泵。一般均采用齒輪泵。 2.執(zhí)行元件——轉向液壓缸，動臂液壓缸以及鏟斗液壓缸。 3.控制調節(jié)裝置——用來控制和調節(jié)系統各部分液體壓力、流量和方向。在該系統中應有流量控制閥，分配閥，安全閥，節(jié)流閥。 （1）方向控制閥——有轉向液壓缸的換向閥和動臂以及鏟斗液壓缸換向閥，用來控制轉向液壓缸和動臂液壓缸及鏟斗液壓缸的運動，通過控制換向閥的開度來控制液壓缸，使得在某一方向上動臂和鏟斗能停在某一位置。 動臂及鏟斗液壓缸換向閥是通過兩個換向閥來滿足同時控制動臂及鏟斗的動作，它可控制鏟斗前傾、后傾和固定在某一位置等三個動作也可同時控制動臂上升、下降、固定和浮動等四個動作。動臂浮動位置可使裝載機在平地堆積作業(yè)時，工作裝置 隨地面情況自由浮動，在鏟掘礦石作業(yè)時可使鏟斗刃避開大塊礦石進行鏟掘，提高作業(yè)效率。 （2） 溢流閥——控制系統壓力。當液壓系統壓力超過調定的工作壓力時，溢流閥打開，使油液流回油箱，保護系統不會因壓力過高而損壞，起到了安全作用。 （3）雙作用安全閥（緩沖補油閥）——它由過載閥和單向閥組成，并聯裝在鏟斗液壓缸的回油路上，作用有三個： A 當鏟斗液壓缸滑閥在中位時，鏟斗液壓缸前后腔均閉死，如鏟斗受到額外沖擊載荷，引起局部油路壓力劇升，將導致換向閥和液壓缸之間的元件、管路的破壞。設置過載閥即能緩沖該過載油壓保護液壓系統。 B 在動臂升降過程中，使鏟斗液壓缸自動進行泄油和補油。為了防止連桿機構超過極限位置，同時使鏟斗中的物料能卸干凈，在連桿機構中設有限位塊。限位塊的設置，使動臂在升降至某一位置時，可能會出現連桿機構的干涉現象。例如動臂提升至某一位置時，會迫使轉斗液壓缸的活塞桿向外拉出，造成鏟斗液壓缸前腔壓力劇升，可能損壞液壓缸油封和油管，由于有過載閥，可使困在液壓缸前腔中的油經過過載閥瀉出返回油路。前腔容積減少的同時，后腔容積增大，造成局部真空，雙作用安全閥中的單向閥隨即打開，向轉斗油缸后腔補油。 C 裝載機在卸載時，能實現鏟斗靠自重快速下翻，并順勢撞擊限位塊，使鏟斗可以完全卸料。當卸料時方向閥在右位，壓力油進入轉斗液壓缸前腔實現轉斗。當鏟斗重心越過斗下鉸點后，鏟斗在重力作用下加速翻轉，但其速度受到液壓泵供油速度的限制，由于雙作用安全閥中的單向閥及時向轉斗液壓缸前腔補油，使鏟斗能快速下翻，撞擊限位塊，實現撞斗卸料。 4. 輔助裝置——包括油箱，濾油器，油管，管接頭，電磁開關及儲氣罐等。 4.2 各液壓回路設計 綜合以上信息以及實際情況，液壓系統各個回路可以設計如下： (1)動臂液壓缸工作回路。 動臂液壓缸的進油路由工作液壓泵和輔助液壓泵供油。流量總和最大可達320升/分。分配閥采用傳并聯油路的多種閥，其中控制動臂的閥為四位閥。當四位閥處于圖示中位時，液壓缸鎖緊而液壓泵卸荷。此外，還能實現空斗迅速下降，甚至在發(fā)動機熄火的情況下也能將下鏟斗?；芈饭ぷ鲏毫τ煞峙溟y中的安全溢流閥調定為150公斤/厘米。 (2) 鏟斗液壓缸工作回路。 裝載機在鏟取物料時一般要求先鏟斗后提升動臂，所以鏟斗液壓缸與動臂液壓缸采用串并聯油路連接，并將控制鏟斗壓缸的三位閥放置在動臂液壓缸的四位閥之前，以保證鏟斗液壓缸能優(yōu)先動作。 在鏟斗液壓缸的小腔油路中尚設有雙作用安全閥。它的作用是在動臂升降過程中，鏟斗的連桿機構由于動作不相協調而受到某種程度的干涉，雙作用安全閥可起到緩沖補油作用。 (3) 轉向液壓缸工作回路 裝載機要求具有穩(wěn)定的轉向速度，也就是要求進入轉向液壓缸的油液流量恒定。轉向液壓缸的油液主要來自CB－46轉向泵，該泵由主機的柴油發(fā)動機拖出，在發(fā)動機額定轉速下，流量為77升/分。流量轉向閥的工作原理是：使轉向泵輸出的油液通過兩個節(jié)流孔，兩孔前后產生壓差P’=P1-P2和P”=P2-P3,總壓差P=P’+P”=P1-P3。液動分流閥左端控制油路接p1，右端接p2。設兩端油壓的作用面 積均為F，閥芯即處在油壓p1與p2的推力和彈簧力P彈之和相平衡的位置。當轉向泵流量Q1正常，p達到規(guī)定值而p1 p3+P彈/F時，液動分流閥被推至A工位，于是Q2＝0，輔助泵排油全部輸入工作裝油路。當發(fā)動機轉速降低，使Q1減小到p1 p3+P彈/F時，分流閥便逐漸被推向B工位，于是輔助泵開始向轉向油路輸油。由于增加了流量Q2，使p2上升，同時p1值也隨之上升，直到p1 p3+P彈/F時，分流閥便停留在新的平衡位置。 裝載機轉向機構要求轉向靈敏，因此隨動閥采取負封閉的換向過渡形式，這樣還防止突然換向時系統壓力瞬時升高。同時還加了一個鎖緊滑閥來防止轉向液壓缸竄動。鎖緊閥的作用是在轉載機直線行駛時防止液壓缸竄動和降低關閉油路的速度，減少液壓沖擊，避免油路系統損壞。另一個作用是當轉向泵和輔助泵管路發(fā)生破損或油泵出現故障時，鎖緊滑能自動回到關閉油路位置，從而保證機器不擺頭。 4.3 自動限位裝置 在工作裝置和分流閥上裝有自動復位裝置，以實現工作中鏟斗自動放平，動臂提升自動限位動作。在動臂后鉸點和轉斗液壓缸處裝有自動復位行程開關，當行程開關脫開觸點，電磁閥斷電而復位，關閉進氣通道，閥體內的壓縮空氣從放氣孔排出。 4.4 裝載機換擋原理 蓄能器端部的活塞裝在活塞缸內，右端頂在彈簧上，大小彈簧右端分別頂在主壓力閥和殼體的凸臺上?；钊蠖伺c端部的螺塞間形成油室，并通過油道與換向閥的連通油道相通。在這段油道上裝有單向閥和節(jié)流孔。換擋時油路的液壓流入換擋離合器的油缸，從而使油路中油壓降低，蓄能器油室的油室經單向閥補充油液，使制動器或離合器迅速結合。同時由于油室的油流出，在主壓力閥控制油道的作用下，閥桿左移使系統的油壓下降，當主、從動盤貼緊時，油缸停止移動，油壓上升，一部分油液經節(jié)流孔流向油室，油室的壓力逐漸升高，推動活塞右移，壓縮彈簧，主壓力閥的閥桿右移，這樣系統的油壓便逐漸升高，使主、從動部件結合平穩(wěn)，實現平穩(wěn)可換擋。單向閥的作用在于及時向換擋制動器或離合器的油缸補油，使換擋迅速。同時在補油后，使主壓力閥的閥桿左移，降低換擋開始時系統的壓力。節(jié)流孔的作用在于換擋后使系統的壓力逐漸地上升，從而換擋制動器或離合器的主、從動摩擦片逐漸壓緊，使換擋柔和無沖擊。 圖4-1液壓原理圖 4.5 油液流動說明 右側：油液由A泵提供右邊第一個換向閥。當位于左位時，油液會送到鏟斗缸上腔，使活塞向下運動;當位于右位時，油液會送到鏟斗下腔，時活塞向上運動；當位于中位時，油液進過第一閥，進入到第二個換向閥中，同時鎖死鏟斗缸的運動，保證鏟斗不會亂動。當位于左位時，油液會送到動臂缸上腔，使活塞向下運動;當位于右位時，油液會送到動臂下腔，時活塞向上運動；當位于中位時，油液將會直接流回油缸。 左側：油液由C泵提供到左邊經過鎖緊閥進入到轉向缸。 油路分析如下： 4.5.1鏟斗收起與前傾 鏟斗的收起與前傾由鏟斗液壓缸工作回路實現. 當操縱手動換向閥3使其左位工作時，鏟斗液壓缸活塞桿縮回，并通過搖臂斗桿帶動鏟斗翻轉收起進行鏟裝.其油路為： 進油路：液壓泵2（液壓泵1）→手動換向閥3左位→鏟斗液壓缸有桿腔。 回油路：鏟斗液壓缸無桿腔→手動換向發(fā)3左位→精過濾器6→油箱。 當操縱手動換向閥3使其右位工作時,鏟斗液壓缸活塞桿伸出，并通過搖臂斗桿帶動鏟斗前傾進行卸載。其油路為: 進油路:液壓泵2(液壓泵1）→手動換向閥3右位→鏟斗液壓缸無桿腔。 回油路：鏟斗液壓缸有桿腔→手動換向閥3右位→精過濾器6→油箱。 當鏟斗在收起與前傾的過程中，若轉向液壓泵17輸出流量正常，則流量轉換閥18中的流量分配閥工作在左位，使輔助液壓泵1與主液壓泵2形成并聯供油（動臂升降回路也是如此）。 當操縱手動換向閥3使其處于中位時，鏟斗液壓缸進，出油口被封閉，依靠換向閥的鎖緊作用，鏟斗在某一位置處于停留狀態(tài)。 在鏟斗液壓缸的無桿腔油路中還沒有雙作用安全閥10。在動臂升降的過程中，鏟斗的連桿機構由于動作不相協調而受到某中程度的干涉，即在提升動臂時鏟斗液壓缸的活塞桿有被拉出的趨勢，而在動臂下降時活塞桿又被強制壓回。而這時手動換向閥3處于中位，鏟斗液壓缸的油路不通，因此，這種情況回造成鏟斗液壓缸回路出現過載或產生真空。為了防止這種情況的發(fā)生，系統中設置了雙作用安全閥10，它可以起到緩沖和補油的作用。當鏟斗液壓缸有桿腔受到干涉而使壓力超過雙作用安全閥10的調定壓力時，該閥回被打開，使多余的液壓油流回油箱，液壓缸得到緩沖。當真空時，可由單向閥從油箱補油。鏟斗液壓缸的無桿腔也應該設置雙作用安全閥，使液壓缸兩腔的緩沖和補油過程彼此協調的更為合理。 4.5.2動臂升降 動臂的升降由動臂升降液壓缸工作回路實現。當操縱手動換向閥11使其工作在右位時，動臂升降液壓缸的活塞桿伸出，推動動臂上升，完成動臂提升動作。其油路為： 進油路：液壓泵2（液壓泵1）→手動換向閥3中位→手動換向閥11右位→動臂升降液壓缸無桿腔。 回油路：動臂升降有桿腔→手動換向閥11→精過濾器6→油箱。當動臂提升到轉運位置時，操縱手動換向閥11使其工作在中位，此時動臂升降液壓缸的進出油路被封閉，依靠換向閥的緊鎖作用使動臂固定以便運轉。 當鏟斗前傾卸載后，操縱手動換向閥11使其工作在左位時，動臂升降液壓缸的活塞桿縮回，帶動動臂下降。其油路為： 進油路：液壓泵2（液壓泵1）→手動換向閥3中位→手動換向閥11左位→動臂升降液壓缸有桿腔。 回油路：動臂升降無桿腔→手動換向閥11中→精過濾器6→油箱。 當操縱手動換向閥11使其工作在左位時，動臂升降液壓缸處于浮動狀態(tài)，以便于在堅硬的地面上鏟取物料或進行鏟推作業(yè)。此時動臂能隨地面狀態(tài)自由浮動，提高作業(yè)技能。另外，還能實現空斗迅速下降，并且在發(fā)動機熄火的情況下亦能降下鏟斗。 裝載機動臂要求具有較快的升降速度和良好的低速微調性能。動臂升降液壓缸由主液壓泵2和輔助液壓泵1并聯供油，流量總和可達320L/min。動臂升降時的速度可以通過控制手動換向閥11的閥口開口大小來進行調節(jié)，并通過加速踏板的配合，已達到低速微調的目的。 5. 液壓裝置的相關計算 5.1 液壓缸 ZL50裝載機的載重量是5000kg，即5噸，也就是說鏟斗中裝載的質量為5000kg，液壓缸是采用的兩個柱塞缸，所以兩個柱塞缸可以平均分攤載重質量，即一個柱塞缸的負載是2500kg，可以認為是100KN。下面就可以通過公式來計算柱塞缸的相關參數了。轉向液壓缸的設計與鏟斗和動臂液壓缸有所不同，我們以ZLM50E-3輪胎式裝載機為例進行相關設計，首先ZLM50E-3輪胎式裝載機的總重量為16300KG，即16.3噸，出去裝載機本身重量外，還要考慮裝載機的滿載的情況下的總重量，那么即意味著多出5噸的重量要考慮，所以綜上所訴，需要考慮的總重量即為21.3噸，為了保證轉向能順利完成所以，則需要考慮的重量定為25噸，但對于它來說，其用途并不是用來提升重物的，只要可以克服摩擦阻力就可以了，下面我們來計算一下其摩擦阻力： G=25000*10=250000N 滾動摩擦系數我們可以取一個比較平均的值，所以我們取0.1 F=G*0.1=25000N 對于輪胎與地面接觸的面積我們可以取大致的值 M=0.5*0.01=0.005m2 由此我們可以知道所需的壓力大概為： P=F\M=25000\0.005=5000000Pa=5MPa 輪胎滾動摩擦系數表5-1 路面 滾動摩擦系數Cr 新 磨損 混凝土 0.010 0.020 瀝青 0.012 0.022 碎石 0.015 0.037 壓實地 0.035 0.090 農田 0.100 0.350 粘土 0.035 0.180 沙 0.060 0.150 沙丘 0.160 0.300 雪 0.025 0.040 故根據上面已經計算過的鏟斗液壓缸以及動臂液壓缸的步驟，同理我們也可以用來進行對轉向液壓缸的相關計算。 5.1.1液壓缸內徑計算 根據《機械設計手冊》 如表 表5-2 液壓缸的公稱壓力 設備類型 壓力范圍／ 壓力等級 說明 機床、壓鑄機、汽車 ＜7 低壓 低噪聲、高可靠性系統 農用機械、工礦車輛、注塑機船用機械、搬運機械、工程機械 7～21 中壓 一般系統 油壓機、冶金機械、挖掘機、重型機械 2～31.5 高壓 空間有限、響應速度高、大功率下低成本 金剛石壓機、耐壓實驗機、飛機、液壓機具 ＞31.5 超高壓 追求大作用力、減輕重量 裝載機是屬于工程機械，所以其壓力范圍在7-21MPa，我們取20MPa來進行相關計算，而對于轉向系統來說，所以我們選取10MPa進行計算。對于液壓缸的機械效率，由于桿與缸之間有摩擦所以存在效率丟失，所以就要考慮機械效率的問題，通常是取ηcm=0.9-0.97，考慮最高要求設計所以取0.9來保證液壓缸丟失的效率不行影響機械。 圖5-1缸 速比主要是確定活塞桿的直徑是否需要緩沖裝置，速比系數不宜過大或過小，以免產生背壓。 表5-3 液壓缸的速比系數 公稱壓力 ≤10 12.5～20 ＞20 1.33 1.46、2 2 為了方便，我所以們取速比1.46進行計算。對于安全系數來說通常鏟斗的取1.5，動臂的取1.6，轉向系統取1.5 所以我們可以根據公式 F=πD2pηcm/4來計算鏟斗液壓缸柱塞的直徑D 由此可知道鏟斗液壓缸直徑最少為124.5mm。 動臂液壓缸要負載鏟斗以及鏟斗上重物，所以其載重就要求比鏟斗的高，即高出鏟斗重量。我們取鏟斗為500kg來進行計算。 由此可以知道動臂液壓缸直徑最少為157.4mm。 轉向液壓缸要負載，車重，動臂，鏟斗以及鏟斗上重物，所以其載重就要求比動臂的還要高。我們取阻力25000N來進行計算。 根據《機械設計手冊》液壓缸的內徑系列（如表），考慮過載問題，所以動臂液壓缸取D=180mm,轉斗液壓缸取D=200mm，轉向液壓缸取D=63mm。 液壓缸的內徑系列表5-4 液壓缸內徑系列（GB/T2348-1993）/mm 8、10、12、16、20、25、32、40、50、63、80、 （90）、100、（110）、125、（140）、160、（180）、200、 (220)、250、(280)、320、(360)、400、(450)、500 在確定了D后就應該確定液壓缸的壁厚和外徑，對于中，搞壓缸一般用無縫鋼管作為筒，大多屬于薄壁筒，即時，其最薄處的壁厚用材料力學薄壁圓筒公式計算，根據液壓手冊壁厚（m）按照下公式計算： —液壓缸的最高工作壓力（）； —缸筒材料的許用壓力（），=； —材料的抗拉強度極限（）； —安全系數。 與載荷情況有關，按安全系數推薦表取出相應數值，《液壓設計手冊》。 表5-5 液壓缸安全系數 材料種類 靜載荷 交變載荷 沖擊載荷 不對稱 對稱 鋼, 鑄鐵 3 5 8 12 缸筒材料常用20、35和45鋼的無縫鋼管，本次設計選用45鋼并做調質處理。它的許用應力根據《機械設計手冊》取為610MPa， =360MPa，對于安全系數來說就應該取n=5。 所以可以高扭矩以上數據來對系統所要承受的最大工作壓力進行計算,計算如下： 系統最高工作壓力： 鏟斗液壓缸： 動臂液壓缸： 轉向液壓缸： 液壓缸筒壁厚為： 式中： —缸筒外徑公差余量（m）； —腐蝕余量（m）。 通過查機械設計手冊我們可以得知液壓和氣壓缸內徑無縫鋼管通常都是取動臂油缸和轉斗油缸壁厚均為。根據計算得知動臂液壓缸的最高工作壓力所需要的壁厚要比20mm大一些，而取不會過多的影響安全性能，所以就取。而轉向液壓缸考慮其可以穩(wěn)定，則要至少取。 通過計算出液壓缸的壁厚以后我們就可以計算液壓缸的外徑，用公式 故鏟斗液壓缸外徑為 動臂液壓缸外徑為 轉向液壓缸外徑為 液壓缸相關參數到這里就計算完了，下面開始進行驗算： 鏟斗液壓缸： 動臂液壓缸： 轉向液壓缸： 由此可知液壓缸以計算的相關參數是合格的，不會造成問題。 缸筒制造加工要求： （1）缸筒內徑采用H7或H8配合，表面粗糙度一般為0.16-0.32，都需要進行研磨。 （2）熱處理，調質，硬度HB≥241～285； （3）筒內徑的圓度，錐度，圓柱度不大于內徑公差之半； （4）缸筒直線度公差在500mm的長度上不大于0.03mm； （5）缸筒端面的垂直度在直徑100mm上不大于0.04mm； 孔—的軸線對缸徑D的偏移不大于0.03mm； 孔—的軸線對缸徑D的垂直度在100mm長度上不大于0.01mm； 軸頸—對缸徑D的垂直度在100mm長度上不大于0.1mm。 5.1.2缸筒底部厚度的計算 (1)與缸筒的連接型式 為了方便以及成本，可以采用焊接連接，這種連接形式結構簡單，尺寸小，重量輕，暴露在外的零件少，外表光潔，能承受一定的沖擊負載和惡劣的外界環(huán)境條件，所以在裝載機上廣泛應用。其結構如下圖所示。 圖5-2 缸筒與缸頭的連接形式 (2)厚度的計算(據《機械設計手冊》) 其底部為平面，所以其厚度可以按照四周嵌住的圓盤強度進行近似的計算： 式中： —筒底厚（m）； —筒內最高工作壓力（）； —筒底材料許用應力（）； —計算厚度外直徑。 動臂油缸： =44.35mm 鏟斗油缸： =38.65mm 轉向油缸： (3) 強度驗算 缸筒和缸蓋為焊接連接時，焊縫應力按下式計算： （3-6） 式中： —缸內最大推力（N）； —缸筒外徑； —焊縫底徑； —焊接效率，取=0.7； —焊條材料抗拉強度； —安全系數，取。 已知： 鏟斗油缸：F=40078.87 動臂油缸：F=49480.08 鏟斗油缸： 動臂油缸： 由鋼結構查的角焊縫的許用應力 故焊縫安全。 5.2 活塞 由于活塞在液體壓力的作用下沿缸筒往復滑動，因此，它與缸筒的配合應適當，既不能過緊，也不能間隙過大。配合過緊，不僅使最低啟動液壓增大，降低機械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的滑動配合表面；間隙過大，會引起液壓缸內部泄漏，降低容積效率，使液壓缸達不到要求的設計性能。所以根據以上可以知道活塞和缸之間應該采用過度配合。 液壓力的大小與活塞的有效工作面積有關，活塞直徑應與缸筒內徑一致。所以，設計活塞時，主要任務就是確定活塞的結構型式。 活塞結構形式 根據密封裝置型式來選用活塞結構型式（密封裝置則按工作條件選定）。通常分為整體式活塞和組合式活塞兩類。組合式活塞結構多樣，主要受密封型式決定，選所以用組合式活塞比整體式活塞更好。組合式活塞大多數可以多次拆裝，密封件使用壽命長。隨著耐磨的導向環(huán)大量使用，多數密封圈與導向環(huán)聯合使用，大大降低了活塞加工成本，同時在液壓設備出現問題時，可以方便更換，同時也可以節(jié)省材料降低了維修的成本。根據《機械設計手冊》，選用車氏C形滑環(huán)密封（如圖）。氟橡膠材料制作的滑環(huán)及O形圈組合，結構簡單，摩擦阻力小，密封性能好，多次拆卸可以重復使用，這樣就方便了液壓系統的拆卸級維護修理。密封裝置尺寸和公差參照GB15242.1—1994。 1 活塞 2 密封裝置 3 導向套 4 活塞桿 圖5-3 車式滑環(huán)密封組合式活塞 活塞材料 有導向環(huán)活塞用優(yōu)質碳素鋼20、35、45號，有的在外徑套尼龍（PA）或聚四氟乙烯PTFE+玻璃纖維和聚三氟氯乙烯材料制成的支承環(huán)。裝配式活塞外環(huán)可用于錫青銅。選取45號鋼。 活塞行程 根據工作的需要，結合《液壓元件手冊》GB2349-80缸活塞行程系列（如表3-5 3-6 3-7），液壓缸、氣缸活塞行程依優(yōu)先次序按表3-5，表3-6，表3-7選用。 選擇動臂油缸活塞的行程L=850mm；鏟斗油缸活塞的行L=530mm；對于轉向系統，行程并不需要太多，故轉向油缸的活塞行程取L=100mm 表5-6 缸活塞行程系列（mm） 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1500 2000 2500 3200 4000 表5-7 缸活塞行程系列（mm） 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3630 表5-8 缸活塞行程系列（mm） 240 260 300 340 380 420 480 530 600 650 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3400 3800 5.3 活塞桿 5.3.1活塞桿直徑計算 1. 依據《機械設計手冊》活塞桿的直徑計算公式： 鏟斗油缸： 動臂油缸： 轉向油缸： 式中: —缸筒內徑； —速比系數。 表5-9 活塞桿直徑系列 4，5，6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，45，50，56，63，70，80，90，100，110，125，140，160，180，200，220，250，280，320，360 參照《機械設計手冊》活塞桿的直徑系列（如表3-8），取動臂油缸活塞桿的直徑為90mm，轉斗油缸活塞桿的直徑為110mm，轉向油缸活塞桿的直徑為32mm。 5.3.2 液壓缸推力和流量的計算 （1）液壓缸推力的計算 依據《液壓設計手冊》的計算公式： 當液壓缸的無桿腔進油時，作用在活塞桿上的理論推力 ； （3-8） 當液壓缸的有桿腔進油時，作用在活塞桿上的理論推力 ； （3-9） 式中: —工作壓力（； —活塞直徑（液壓缸內徑）（）； —活塞桿直徑（）； —液壓缸的機械效率；取； 鏟斗油缸： 動臂油缸： 轉向油缸： （2）液壓缸的效率，據《機械設計手冊》 （3-10） 式中： —液壓缸的機械效率，取=0.9； —液壓缸的容積效率，采用密封圈，取=1.0 則液壓缸的效率: （3）液壓缸的流量 式中： —活塞的有效作用面積； —活塞的運動速度，取； —油缸的容積效率，取。 有桿腔的面積： 無桿腔的面積： 鏟斗油缸： 動臂油缸： 轉向油缸： 5.3.3 活塞桿的結構設計 (1)活塞桿的結構形式的選取 活塞桿必須有足夠的強度和硬度，以便承受拉力、彎曲應力、振動和沖擊載荷的作用。同時還要注意它對活塞有效面積的影響，保證液壓缸達到所要求的作用力和速度，活塞桿具有一定的耐磨性，具有較高的尺寸精度和表面光潔度。 桿內端：由于工作壓力較高，以防機械振動較大，采用卡環(huán)結構形式，查《液壓設計手冊》可得知結構如下： 圖5-4 活塞桿外端連接形式 桿外端：為了避免活塞在工作時產生偏心承載力，適應液壓缸的工作安裝要求，提高其工作效率，應根據載荷情況選取適當的桿頭連接形式。液壓缸在工作時軸線擺動，本次設計采用鉸銷式連接。其結構如圖5-4所示。 (2)活塞桿的材料及技術要求，根據《機械設計手冊》相關參數可以得知： 材料：選取45鋼； 技術要求: ① 淬火，淬火深度0.5～1mm，調制后表面鍍鉻0.02～0.03mm； ② 活塞桿在導向套中滑動，采用H8/H7配合，太緊摩擦大，太松容易引起卡滯現象； ③ 活塞桿的圓柱度公差不大于直徑公差之半； ④ 安裝活塞的軸肩端面與活塞桿軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，以保證安裝不產生偏斜； ⑤ 安裝活塞的軸頸與外圓的同軸度公差不大于0.01mm； ⑥ 活塞桿的外圓粗糙度=0.1～0.3，太光表面形不成油膜，不利于潤滑； ⑦ 活塞桿表面進行鍍鉻處理，并進行拋光或磨削處理加工； ⑧ 活塞桿內端的卡鍵和緩沖裝置也要保證與軸線同心。 5.3.4 活塞桿的導向套、密封和防塵 活塞桿導向套裝在液壓缸的有桿側端蓋內，用以對活塞桿進行導向，內裝有密封裝置以保證缸筒有桿腔的密封。外側裝有防塵圈，以防止活塞桿在后退時把雜質、灰塵和水分帶到密封裝置處，損壞密封裝置。 1 非金屬材料導向環(huán) 2 組合式密封 3 防塵圈 圖5-5 端蓋式加導向環(huán)導向套 （1）結構：非金屬材料制造的導向環(huán)，價格便宜，更換方便，摩擦阻力小，低速啟動不爬行，多應用于工程機械且行程較長的液壓缸中。據《機械設計手冊》（如圖5-5）。 （2）材料：聚四氟乙烯(PTFE+玻璃纖維) （3）導向套尺寸配置：據《機械設計手冊》 導向套的主要尺寸是支承長度，通常按活塞桿直徑、導向套的型式，導向套材料的承壓能力，、可能遇到的最大側向負載等因素來考慮。通?？梢圆捎脙啥问剑慷螌挾纫话慵s為,兩端中間距離?。ㄈ鐖D5-6）。 圖5-6活塞桿導向套尺寸配置 5.4 中隔圈 在中隔圈的選取上可以考慮使用有緩沖液壓缸的類型。如圖 圖5-7 5.5緩沖裝置 液壓缸的活塞桿有一定的質量，在液壓力的驅動下具有很大的動量。在它們的行程的中端，當桿頭進入液壓缸的端蓋和缸底部分時，會引起機械碰撞，產生很大的噪音。緩沖裝置可以減小噪音，防止和減少液壓活塞及活塞桿的運動部件在運動時對缸底和端蓋的沖擊，在它們的終端實現速度的遞減，直到為零。 據《機械設計手冊》本次設計采用變節(jié)流型緩沖裝置。這種裝置在緩沖過程中，通流面積隨著緩沖過程的變化而變化，緩沖腔內的緩沖壓力保持均或按一定的規(guī)律變化，能達到滿意的緩沖要求，但只能適應一定的工作載荷和運動情況，其結構復雜，成本高，但對于裝載機而言，它可以和好的滿足要求，故選擇它，其結構圖如圖5-8。 圖5-8 緩沖裝置結構圖 5.6 排氣裝置 排氣閥安裝在液壓缸端部的最高位置上。如果排氣閥設置不當或者沒有設置，壓力油進入液壓缸后，缸內會存有空氣。由于空氣具有壓縮性和滯后擴張性，會造成液壓缸和整個液壓系統在工作中的顫振和爬行，影響液壓缸的正常工作。為了避免這種現象的發(fā)生，除了防止空氣進入液壓系統外，必須在液壓缸上安裝排氣閥。因為液壓缸是液壓系統的最后執(zhí)行元件，會直接反映出殘留空氣的危害。 排氣閥的位置要合理，水平安裝的液壓缸，其位置應設置在缸體兩腔端部的上方；垂直安裝的液壓缸，應設在端蓋的上方，均應與壓力腔相通，以便安裝后調試前排出液壓缸內的空氣。由于空氣比油輕，總是向上浮動，不會讓空氣又積存的殘留死角。 本次設計選用的是整體式排氣閥，這種排氣閥閥體和閥針合為一體，用螺紋與缸筒或缸蓋連接，靠頭部的錐面起密封作用。排氣時，擰松螺紋，缸內空氣從錐面間隙中擠出，并經過斜孔排除缸外，其簡單方便，但螺紋與錐面密封處同心度要求高，否則擰緊排氣閥后不能密封，會造成泄漏，閥的材料用35號或45號碳素鋼，錐部熱處理硬度38-44HRC。排氣閥如圖： 圖5-9排氣閥 帶緩沖裝置的液壓缸需裝有單向閥與緩沖裝置成組使用。活塞做正向運動，在啟動時，進入液壓缸的壓力油流經單向閥推動活塞運動，解決了活塞不會因推力不足而產生啟動緩慢或困難的現象。反之，活塞做反向運動，當活塞進入緩沖區(qū)時，單向閥封閉，緩沖腔內油液經緩沖調節(jié)閥（節(jié)流閥或環(huán)形縫隙）使緩沖壓力上升或掃減速制動達到緩沖的要求。 圖5-10節(jié)流孔 5.7 液壓缸選型 根據以上計算結果，結合《機械設計手冊》選擇液壓缸型號： 鏟斗油缸：油缸內徑為180mm，活塞桿徑為90mm，行程為530mm，壓力為20MPa選擇等級代號為H，液壓表安裝選用耳軸，代號為3，活塞桿端連接方式為桿端外螺紋，代號為1，緩沖型式為桿頭端帶緩沖（3），油口連接型式為內螺紋（1），采用雙作用單活塞桿液壓缸。 動臂油缸 ：油缸內徑為200mm，活塞桿徑為110mm，行程為900mm，壓力為20MPa，選擇等級代號為H，液壓表安裝選用耳軸，代號為3，活塞桿端連接方式為桿端外螺紋，代號為1，緩沖型式為桿頭端帶緩沖（3），油口連接型式為內螺紋（1），采用雙作用單活塞桿液壓缸。 轉向油缸：油缸內徑為63mm，活塞桿直接為32mm，行程為100mm，壓力為10MPa，選擇等級代號為H，液壓表安裝選用耳軸，代號為3，緩沖型式為桿頭端帶緩沖，油口連接型式為內螺紋，采用雙作用單活塞桿液壓缸。 5.8 閥的選取 5.8.1單向閥 參考《機械設計手冊》選用C型單向閥。C型單向閥在所設定的開啟壓力下使用，控制流量流動，完全阻止反向流動，保護動作能正確完成。 5.8.2溢流閥 可以保證液壓系統的恒定，并保證系統的安全。根據《機械設計手冊》選擇DT-02-H直動式溢流閥，調壓范圍為7～21MPa，重量1.5Kg。 5.8.3換向閥 控制鏟斗油缸及動臂油缸要使用2個電磁換向閥，把他們組合起來要完成可控制鏟斗前傾、后傾和固定在某一位置等三個動作以及可控制動臂上升、下降、固定和浮動等四個動作。所以電磁換向閥應選取2個三位六通電磁換向閥，這樣組合起來可以保證鏟斗和動臂的同時控制，同時可以至少完成九種不同的姿態(tài)。 緩沖補油閥(雙作用閥) 它由過載閥和單向閥組成，并聯裝在轉斗液壓缸的回路上，其作用由三個：當轉斗液壓缸滑閥在中位時，轉斗液壓缸前后腔均閉死，如鏟斗受到額外沖擊載荷，引起局部油路壓力劇升，將導致換向閥和液壓缸之間的元件、管路的破壞。設置過載閥即能緩沖該過載油壓。在動臂升降過程中，使轉斗液壓缸自動進行泄油和補油。裝載機連桿機構上設有限位塊，當動臂在升降至某一位置時，可能會出現連桿機構的干涉現象。裝載機在卸載時，能實現鏟斗靠自重快速下翻。并順勢撞擊限位塊，使斗內剩料卸凈。當卸料時，壓力油進入轉斗液壓缸前腔實現轉斗。當鏟斗重心越過斗下餃點后，鏟斗在重力作用下加速翻轉。但其速度受到液壓泵供油速度的限制，由于緩沖補油閻中的單向閥及時向轉斗液壓缸前腔補油，使鏟斗能快速下翻，撞擊限位塊，實現撞斗卸料。為了提高裝載機的作業(yè)效率，該系統采用雙泵合流、分流、轉向優(yōu)先的卸荷系統。當轉向時，轉向泵向工作系統提供多余的油液。不轉向時，轉向泵的全部油液經合流單向閥進入工作裝置系統。當工作裝置系統壓力達到卸荷閥調定的壓力，轉向泵提供給工作裝置的油液經卸荷閥流回油箱，從而使液力機械傳動系統提供更大的鏟入力。合理的利用了發(fā)動機的功率，提高了整機的作業(yè)效率。 5.9 液壓泵 液壓泵的選擇是需要根據流量，壓力等參數進行選擇的，在不同的工況下的需求也是不一樣的，對于液壓泵來說要考慮的主要參數是：壓力，流量，轉速，以及效率。為了保證系統的正常運轉和使用壽命，一般在固定設備系統中，正常工作的壓力是液壓泵的工作壓力的80%；液壓泵的流量必須大于系統工作的最大流量，這樣才能提高液壓泵的使用壽命，同時液壓泵的最高壓力與最高轉速不宜同時使用，這也是保證液壓泵壽命的一種措施。 5.9.1液壓泵的確定 由液壓缸所取壓力我們可以知道，液壓泵所需的額定壓力為20MPa，故此，通過查《機械設計手冊》我們就可以選取出所需的液壓泵。通過《機械設計手冊》我們得知CBGj3125齒輪泵可以滿足額定壓力的要求，CBGj3125齒輪泵相關參數如下： A泵： 理論排量為， 額定壓力為， 最高壓力為， 額定轉速為， 容積效率， 總效率。 由液壓缸所取壓力我們可以知道，液壓泵所需的額定壓力為10MPa，故此，通過查《機械設計手冊》我們就可以選取出所需的液壓泵。通過《機械設計手冊》我們得知CB-46齒輪泵可以滿足額定壓力的要求的 ，CB-46齒輪泵 相關參數如下： C泵 理論排量為48.1mL/r 額定壓力為10 MPa 最高壓力為12.5 MPa 額定轉速為1450 r/min 最高轉速1650 r/min 容積效率90% 對于B泵來說這個是一個輔助泵，為了保證A、C泵在某些情況下不能滿足需求時來提供相應的流量，壓力。由于轉向液壓缸的有野主要來自自轉向液壓泵，當發(fā)動機受其他負荷影響而轉速下降時，就會影響轉向速度的穩(wěn)定性。這時就需要從輔助液壓泵通過流量換向閥補入轉向泵所減少的流量，以保證轉向油路的流量穩(wěn)定。當流量換向閥在相應位置時，也可以將輔助液壓泵多余的或全部的液壓油供給給工作裝置油路，以加快動臂液壓缸和鏟斗液壓缸的動作速度，縮短作業(yè)循環(huán)