全液壓輪式裝載機液壓系統(tǒng)的設(shè)計——直動式溢流閥的設(shè)計【說明書+CAD】

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The loader is used to do loading and unloading operation. This design includes the following aspects: the calculation of the design of the hydraulic system of equipment, steering gear, and running gear; the calculation of the design of nonstandard direct-acting overflow valve and the moving armed hydraulic cylinder. The running gear uses pedal control and the method of piloted pilot-operated speed governing to make the speed governing and reversing gear done much easier. The equipment uses the indirect control to make system operation much easier. The steering gear uses the changing direction of steering wheel and ergonomics to make the arrangement of the cab more suitable and easier to control. The whole system is more safe and reliable, the structure of which is tighter knit, and it is convenient to maintain. Key words: loader, hydraulic system, hydraulic cylinder, direct-acting overflow valve I 前 言 一、研究或設(shè)計的目的和意義 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(shè)工程的土石方施工機械，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)。該課題結(jié)合機械設(shè)計專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容和我省工程機械的應(yīng)用及發(fā)展，對裝載機液壓系統(tǒng)作較深入的分析研究。根據(jù)設(shè)計依據(jù)及要求，完成裝載機液壓系統(tǒng)的設(shè)計——直動式溢流閥的設(shè)計，進一步掌握液壓系統(tǒng)的設(shè)計方法和步驟。通過畢業(yè)設(shè)計，使我們進一步鞏固、加深對所學(xué)的基礎(chǔ)理論、基本技能和專業(yè)知識的掌握，使之系統(tǒng)化、綜合化；使我們獲得了從事科研工作的初步訓(xùn)練，培養(yǎng)我們的獨立工作、獨立思考和綜合運用已學(xué)知識解決實際問題的能力，尤其注重培養(yǎng)我們獨立獲取新知識的能力；培養(yǎng)我們在設(shè)計方案、設(shè)計計算、工程繪圖、實驗方法、數(shù)據(jù)處理、文件表達(dá)、文獻查閱、計算機應(yīng)用、工具書使用等方面的基本工作實踐能力；使我們樹立具有符合國情和生產(chǎn)實際的正確設(shè)計思想和觀點，樹立嚴(yán)謹(jǐn)、負(fù)責(zé)、實事求是、刻苦鉆研、勇于探索、具有創(chuàng)新意識、善于與他人合作的工作作風(fēng)。 二、研究或設(shè)計的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 液壓技術(shù)式一門先進的技術(shù)，特別是計算機技術(shù)的發(fā)展再次將液壓、技術(shù)推向前進，發(fā)展成為包括傳動、控制、檢測在內(nèi)的一門完整的自動化技術(shù)。目前國內(nèi)外的裝載機都采用液壓技術(shù)，可使整個裝載機的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)得到提高，其發(fā)展趨勢是開發(fā)節(jié)能、高效、可靠、環(huán)保型產(chǎn)品，并研制無泄漏裝載機，微電子及機電液一體化技術(shù)將獲得越來越廣泛的應(yīng)用，安全性及舒適性是產(chǎn)品發(fā)展的重要目標(biāo)， 大型化與微型化仍是產(chǎn)品系列化的兩極方向，技術(shù)進步、人才培養(yǎng)和售后服務(wù)將成為企業(yè)生存的三大關(guān)鍵內(nèi)在因素，集團化、社會化與國際化是企業(yè)生存與發(fā)展的必由之路。 三、主要研究或設(shè)計內(nèi)容，需要解決的關(guān)鍵問題和思路 主要設(shè)計內(nèi)容包括：設(shè)計5全液壓輪式裝載機液壓系統(tǒng)、直動式溢流閥和動臂液壓缸的設(shè)計、液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算、標(biāo)準(zhǔn)液壓組件的選擇計算、液壓系統(tǒng)的驗算、非標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計計算等。需要解決的關(guān)鍵問題是液壓系統(tǒng)無極調(diào)速回路及液壓系統(tǒng)安全保護回路的設(shè)計?？梢酝ㄟ^綜合應(yīng)用已學(xué)的理論知識解決設(shè)計中的問題。 第一章 全液壓輪式裝載機液壓系統(tǒng)的工作原理 1.1 設(shè)計依據(jù) 1.1.1 全液壓輪式裝載機液壓系統(tǒng)的主要特點 1、設(shè)計用于露天作業(yè)的前端式裝載機的液壓系統(tǒng)，該裝載機的工作裝置、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和行走機構(gòu)均采用液壓傳動。 2、行走機構(gòu)能實現(xiàn)無級調(diào)速。 3、工作裝置、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和行走機構(gòu)，采用單獨驅(qū)動。 4、工作裝置為反轉(zhuǎn)連桿式。 5、行走機構(gòu)為輪胎式。 6、采用柴油機為動力。 7、安全可靠、機構(gòu)緊湊、維修方便。 1.1.2 設(shè)計參數(shù) 1、額定斗容5。 2、額定載重量10。 3、軸距3.5。 4、輪距2.8。 5、機重24。 6、工作裝置 （1）、工作壓力10—14； （2）、轉(zhuǎn)斗缸最大推力22；鏟斗卸載時間3—6；轉(zhuǎn)斗時間2—5；轉(zhuǎn)斗缸行程520； （3）、動臂缸最大推力20；動臂提升時間2—5；動臂下降時間3—6；動臂缸行程560。 7、轉(zhuǎn)向機構(gòu) （1）、工作壓力10—14； （2）、最大轉(zhuǎn)向阻力矩2100； （3）、最大轉(zhuǎn)向角30—40°； （4）、鉸接兩車架從最左到最右偏轉(zhuǎn)角所需時間為3—6。 8、行走機構(gòu) （1）、工作壓力18—26； （2）、最大行走速度15； （3）、工作速度3—4； （4）、最大牽引力30； （5）、輪胎滾動半徑680； （6）、最大爬坡能力30°。 1.2 全液壓輪式裝載機液壓系統(tǒng)的工作原理 輪式裝載機液壓系統(tǒng)包括行走機構(gòu)液壓系統(tǒng)、工作裝置液壓系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)液壓系統(tǒng)三個部分，見圖1.1。 1.2.1 行走機構(gòu)液壓系統(tǒng) 行走機構(gòu)液壓系統(tǒng)按其作用分為：主回路、補油和熱交換回路、調(diào)速和換向回路、主泵回零及制動回路、補油回路和壓力保護回路。 1、主油路 由兩個獨立的閉式回路組成。 如圖1.2所示，斜軸式軸向柱塞變量泵5高壓油口→前輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)9（后輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)10）→斜軸式軸向柱塞變量泵5低壓油口。 圖1.2 主油路 2、補油和熱交換回路 （1）、補油回路 齒輪泵1→分流閥21→補油閥6→斜軸式軸向柱塞變量泵5的低壓側(cè)。 （2）、熱交換回路 前輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)9或后輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)10排出的部分熱油→梭閥 變速閥15（為圖示位）→背壓閥26→過濾器59→油箱61。 12→調(diào)壓閥11→ 前輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)9或后輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)10的殼體→過濾器60→油箱61。 注意：調(diào)壓閥22的開啟壓力＞調(diào)壓閥11的開啟壓力，才能實現(xiàn)正常的熱交換。 （3）、調(diào)速和換向回路 a、若腳踏先導(dǎo)閥17上位工作 齒輪泵1→分流閥21→斷流閥20（圖示位）→腳踏先導(dǎo)閥17上位→液動閥25下端液動閥25閥芯上移，下位工作。 先導(dǎo)泵3→液動閥25下位→變量液壓缸24下腔→變量液壓缸24活塞桿伸出→杠桿機構(gòu)→斜軸式軸向柱塞變量泵5的缸體擺角↑或↓→斜軸式軸向柱塞變量泵5的流量↑或↓。 若斜軸式軸向柱塞變量泵5的缸體擺角方向改變，則斜軸式軸向柱塞變量泵5排油方向改變→前輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)9或后輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)10的轉(zhuǎn)向改變實現(xiàn)裝載機的前進或后退。 b、若腳踏先導(dǎo)閥18上位工作 齒輪泵1→分流閥21→斷流閥20→腳踏先導(dǎo)閥18上位→液動閥25上端液動閥25閥芯下移，上位工作。 先導(dǎo)泵3→液動閥25上位→變量液壓缸24上腔→變量液壓缸24活塞桿縮回→杠桿機構(gòu)→斜軸式軸向柱塞變量泵5的缸體擺角↓或↑→斜軸式軸向柱塞變量泵5的流量↓或↑。 若斜軸式軸向柱塞變量泵5的缸體擺角方向改變，則斜軸式軸向柱塞變量泵5排油方向改變→前輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)9或后輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)10的轉(zhuǎn)向改變實現(xiàn)裝載機的后退或前進。 高速檔（變速閥15圖示位） c、通過變速閥15，可得兩檔車速 低速檔（變速閥15左位） （低壓控制油作用） 當(dāng)前輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)9或后輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)10為高速工況（即變速閥15為圖示位） 連通閥16左移，即是圖示位工作前后輪的油路連通； 當(dāng)前輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)9或后輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)10為高速工況（即變速閥15為左位）→連通閥16右移，左位工作前后輪油路不通。 （4）、主泵回零及制動回路 調(diào)速閥27由離心調(diào)速器控制，離心調(diào)速器與發(fā)動機是用帶輪連接。 離心調(diào)速器作用 a、若外負(fù)載F↑，超過發(fā)動機，發(fā)動機轉(zhuǎn)速↓ 調(diào)速閥27左移，右位工作（為圖示位）； b、液動閥25的控制油→交替逆止閥19→調(diào)速閥27→油箱61； c、斜軸式軸向柱塞變量泵5擺角減小直到零位→降低泵的輸出功率，避免發(fā)動機因過載而熄火； 圖1.1 5立方全液壓輪式裝載機液壓系統(tǒng)圖 停車時，斷流閥20左位工作，則連通腳踏先導(dǎo)閥17和腳踏先導(dǎo)閥18→隨動閥25上下端控制油與油箱61相通→隨動閥25回到中位→伺服變量機構(gòu)→斜軸式軸向柱塞變量泵5缸體擺角回零，為零→前輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)9和后輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)10制動。 （5）、補油回路 制動及超速吸空時，低壓油→補油閥13→前輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)9和后輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)10。 （6）、壓力保護回路 a、主回路高壓保護 系統(tǒng)的工作壓力＞過載閥7過載閥7開啟溢流。 b、低壓保護 調(diào)壓閥22控制補油壓力。 c、油馬達(dá)背壓保護 前輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)9和后輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)10排出的部分熱油→調(diào)壓閥14→背壓閥26→過濾器60→油箱61 當(dāng)系統(tǒng)長時間不工作時，按下?lián)Q向閥8→將斜軸式軸向柱塞變量泵5吸排油口相通→前輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)9和后輪內(nèi)曲線徑向柱塞馬達(dá)10不轉(zhuǎn)動裝載機不動。 1.2.2 工作裝置液壓系統(tǒng) 1、轉(zhuǎn)斗液壓缸52活塞桿伸出 （1）、先導(dǎo)油路 將轉(zhuǎn)斗先導(dǎo)閥37的手柄向左按下 先導(dǎo)泵3→單向閥29→轉(zhuǎn)斗先導(dǎo)閥37左上位→轉(zhuǎn)斗液壓缸多路液動換向閥45左端轉(zhuǎn)斗液壓缸多路液動換向閥45左位工作。 （2）、主油路 進油路：工作泵2→單向閥46→轉(zhuǎn)斗液壓缸多路液動換向閥45左腔→轉(zhuǎn)斗液壓缸52活塞腔轉(zhuǎn)斗液壓缸52活塞桿向外伸出。 回油路：轉(zhuǎn)斗液壓缸52活塞桿腔油→轉(zhuǎn)斗液壓缸多路液動換向閥45左腔→過濾器55→油箱61。 2、轉(zhuǎn)斗液壓缸52活塞桿縮回 （1）、先導(dǎo)油路 將轉(zhuǎn)斗先導(dǎo)閥37的手柄向右按下 先導(dǎo)泵3→單向閥29→轉(zhuǎn)斗先導(dǎo)閥37右上位→轉(zhuǎn)斗液壓缸多路液動換向閥45右端轉(zhuǎn)斗液壓缸多路液動換向閥45右位工作。 （2）、主油路 進油路：工作泵2→單向閥46→轉(zhuǎn)斗液壓缸多路液動換向閥45右腔→轉(zhuǎn)斗液壓缸52活塞桿腔轉(zhuǎn)斗液壓缸52活塞桿縮回。 回油路：轉(zhuǎn)斗液壓缸52活塞腔油→轉(zhuǎn)斗液壓缸多路液動換向閥45右腔→過濾器55→油箱61。 3、轉(zhuǎn)斗液壓缸52補油和過載保護 補油：轉(zhuǎn)斗液壓缸52活塞腔或活塞桿腔吸空時，通過補油閥48補油。 過載保護：轉(zhuǎn)斗液壓缸52活塞腔或活塞桿腔過載時，通過過載閥49開啟溢流。 4、動臂液壓缸53舉升 （1）、先導(dǎo)油路 將動臂舉升先導(dǎo)閥38的手柄向右按下 先導(dǎo)泵3→單向閥29→動臂舉升先導(dǎo)閥38右上位→動臂舉升多路液動換向閥42左端動臂舉升多路液動換向閥42左位工作。 （2）、主油路 進油路：工作泵2→節(jié)流閥44→單向閥43→動臂舉升多路液動換向閥42左腔→動臂液壓缸53活塞腔動臂液壓缸53舉升。 回油路：動臂液壓缸53活塞桿腔油→動臂舉升多路液壓換向閥42左腔→過濾器55→油箱61. 5、動臂液壓缸53下降 （1）、先導(dǎo)油路 將動臂舉升先導(dǎo)閥38的手柄向左按下，按到左中位 先導(dǎo)泵3→單向閥29→動臂舉升先導(dǎo)閥38左中位→動臂舉升多路液動換向閥42右端動臂舉升多路液動換向閥42右位工作。 （2）、主回路 進油路：工作泵2→節(jié)流閥44→單向閥43→動臂舉升多路液動換向閥42右腔→動臂液壓缸53活塞桿腔動臂液壓缸53下降。 回油路：動臂液壓缸53活塞腔油→動臂舉升多路液動換向閥42右腔→過濾器55→油箱61。 6、動臂液壓缸53浮動 將動臂舉升先導(dǎo)閥38的手柄向左按下，按到左上位 先導(dǎo)泵3→單向閥29→動臂舉升先導(dǎo)閥38左上位→液控單向閥51液壓單向閥51的液壓油逆向流動→動臂液壓缸53的活塞桿腔和活塞腔與油箱61相通，進出油都可以。 7、動臂液壓缸53補油和過載保護 補油：動臂液壓缸53活塞腔或活塞桿腔吸空時，通過液控單向閥51補油。 過載保護：動臂液壓缸53活塞腔或活塞桿腔過載時，通過過載閥50開啟溢流。 8、其他元件的作用 調(diào)壓閥36的作用是調(diào)節(jié)減壓閥式先導(dǎo)操縱閥的操縱油的壓力。 背壓閥39是使液動換向閥51具有背壓。 當(dāng)發(fā)動機突然熄火時，動臂液壓缸53活塞腔的油通過單向閥41和節(jié)流閥40向動臂舉升先導(dǎo)閥38和轉(zhuǎn)斗先導(dǎo)閥37緊急供應(yīng)操縱油。 9、工作泵（主泵）2過載保護 當(dāng)轉(zhuǎn)斗液壓缸52和動臂液壓缸53不工作時，工作泵2→油箱61； 當(dāng)轉(zhuǎn)斗液壓缸52或動臂液壓缸53工作時，系統(tǒng)過載，工作泵2→安全閥47→油箱61。 1.2.3 轉(zhuǎn)向機構(gòu)液壓系統(tǒng) 1、直線行駛 方向盤不轉(zhuǎn)→全液壓轉(zhuǎn)向器31處于中位（圖示位）→液動主控制閥32處于中位（圖示位）→轉(zhuǎn)向液壓缸54沒有液壓油通過裝載機直線行駛。 轉(zhuǎn)向泵4→定差溢流閥33→油箱61。 2、右轉(zhuǎn)彎 （1）、先導(dǎo)油路 順時針轉(zhuǎn)動方向盤→螺桿軸向上移→全液壓轉(zhuǎn)向器31上移全液壓轉(zhuǎn)向器31下位工作。 先導(dǎo)泵3→全液壓轉(zhuǎn)向器31下腔→計量馬達(dá)進口→計量馬達(dá)出口→液動主控制閥32左端（液壓主控制閥左位工作）→液動主控制閥32中的先導(dǎo)閥口→液動主控制閥32的右端→全液壓轉(zhuǎn)向器31下位→過濾器55→油箱61。 （2）、主油路 進油路：轉(zhuǎn)向泵4→液動主控制閥32左腔→轉(zhuǎn)向液壓缸54A活塞腔和B活塞桿腔裝載機向右轉(zhuǎn)彎。 回油路：轉(zhuǎn)向液壓缸54A活塞桿腔和B活塞腔油→液動主控制閥32左腔→過濾器55→油箱61。 3、左轉(zhuǎn)彎 （1）先導(dǎo)油路 逆時針轉(zhuǎn)動方向盤→螺桿軸向下移→全液壓轉(zhuǎn)向器31下移全液壓轉(zhuǎn)向器31上位工作。 先導(dǎo)泵3→全液壓轉(zhuǎn)向器31上腔→計量馬達(dá)進口→計量馬達(dá)出口→液動主控制閥32右端（液壓主控制閥右位工作）→液動主控制閥32中的先導(dǎo)閥口→液動主控制閥32的左端→全液壓轉(zhuǎn)向器31上位→過濾器55→油箱61。 （2）主油路 進油路：轉(zhuǎn)向泵4→液動主控制閥32右腔→轉(zhuǎn)向液壓缸54B活塞腔和A活塞桿腔裝載機向左轉(zhuǎn)彎。 回油路：轉(zhuǎn)向液壓缸54B活塞桿腔和A活塞腔油→液動主控制閥32右腔→過濾器55→油箱61。 4、其他液壓元件的作用 液控主控制換向閥32、定差溢流閥33、安全閥34和梭閥35組成流量放大閥。 梭閥35把液動主控制閥32的出口壓力引至定差溢流閥33的彈簧腔，液動主控制閥32的進口壓力作用定差溢流閥33的另一腔，使得液動主控制閥32進出口壓力差基本恒定，轉(zhuǎn)向液壓缸54的運動速度進取決于液動主控制閥32的閥口面積。 5、過載保護 當(dāng)先導(dǎo)泵工作時過載，先導(dǎo)泵3→直動式溢流閥28→過濾器56→油箱61；當(dāng)工作裝置和轉(zhuǎn)向機構(gòu)不工作時，先導(dǎo)泵3→換向閥8（右位工作）→過濾器56→油箱61。 轉(zhuǎn)向液壓缸54的高壓油→梭閥35→安全閥34→過濾器55→油箱61。 第二章 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定 2.1 行走機構(gòu)液壓系統(tǒng)若干問題 1、由設(shè)計要求知： 最大行走速度=15 =（1-） （2-1） 式中： ——滑轉(zhuǎn)率，=0.03～0.05 ，取=0.04。 則： 理論行駛速度 = = =15.625 2、理論行駛速度 =2=0.377 （2-2） 式中： ——驅(qū)動輪的滾動半徑（），=0.680； ——驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速（）。 則： = = =60.982 3、最大行駛速度發(fā)生在運輸工況：最大牽引力產(chǎn)生在裝載機以作業(yè)速度插入料堆時。 4、進行牽引力和扭矩計算時應(yīng)考慮驅(qū)動輪的數(shù)目。 2.1.1 液壓泵參數(shù)的確定 = （2-3） 式中： ——液壓泵的排量（）； ——液壓泵吸排油口壓力差（）， 由設(shè)計要求知其工作壓力為18～26，取=25，其背壓為0.5，則=25-0.5=24.5=24.5； ——液壓泵的轉(zhuǎn)速（）， 取=1000==104.667； ——最大行駛速度（）， =15 ==4.167； ——液壓泵與液壓馬達(dá)的總效率，取=0.8； ——行走時的最大牽引力（）， =+= + ； ——滾動阻力()； ——爬坡阻力()，一般小坡度可取=0.3； ——滾動阻力系數(shù)，取f=0.03； ——裝載機重量()，G=240000。 則 ==39600 注：由于系統(tǒng)是四輪驅(qū)動，采用的2個泵，所以計算時要除以2。 ——液壓馬達(dá)的變速范圍， 定量馬達(dá)=1，若采用變量泵系統(tǒng)，馬達(dá)的變速范圍=1。 則： = = =8.044 液壓泵的理論流量： = =8.044 =505.163 液壓泵的功率： = = =210.485 2.1.2 液壓馬達(dá)的參數(shù) 液壓馬達(dá)的排量： （2-4） 式中： ——液壓馬達(dá)的最大轉(zhuǎn)速（）， ===6.135； ——液壓馬達(dá)的機械效率，取=0.92； ——液壓馬達(dá)的進出口壓力差（）， =25-1=24=24； ——最大牽引力（）， 采用的是4馬達(dá)驅(qū)動，則：==19800。 則： = =6.098 其液壓馬達(dá)的理論流量： = =224.211 液壓馬達(dá)的扭矩： = =198000.680 =13464 =6.208 2.2.1 液壓缸流量的計算 活塞桿外伸速度： = （2-18） 活塞桿縮回速度： （2-19） 式中： ——缸的容積效率；取=0.85 1、動臂液壓缸： 提升時間2～5，下降時間3～6，行程=560 ===70 =14 ===112 =11.2 即 = =1564.458 = =589.581 2、 鏟斗液壓缸： 鏟斗卸載時間3～6，轉(zhuǎn)斗時間2～5，行程=520 ===104=10.4 ===130 =13 即 = =1500.735 = =903.440 2.3 原動機功率選擇計算 2.3.1 運輸工況功率 （） （2-20） 式中： ——產(chǎn)生最大速度時的驅(qū)動力（）， =； ——額定牽引力（）， =； ——機械的附著重量（）， 四輪驅(qū)動為機重，=240000； ——額定附著系數(shù)，=0.45～0.55，取=0.5。 ——滾動阻力， =； ——機重（），=240000； ——滾動阻力系數(shù)，取=0.03。 = =2400000.5+2400000.03 =127200 ——傳動系統(tǒng)的總效率，取=0.8； ——為轉(zhuǎn)向泵（空載）、工作泵（空載）消耗功率總和。 = =12.240 = =43.229 =+ =12.240+43.229 =55.469 則 =+55.469 =718.022 ≈718 2.3.2 插入工況功率 （2-21） 式中： ——裝載機插入時的原動機功率（）； ——最大插入阻力（）， 最大牽引力=+=198004=79200 ——裝載機自重（），=240000； ——滾動阻力系數(shù)，=0.1； ——道路坡度，上坡為正，下坡為負(fù)，=10‰； ——裝載機的插入速度，=0.8～1.1； ——考慮其他阻力系數(shù)，=1.20～1.25，取=1.225； ——泵到馬達(dá)的總效率，取=0.8。 則 = =79200 =52800 = =80850 =80.85 第三章 非標(biāo)準(zhǔn)液壓元件的設(shè)計 3.1 動臂液壓缸的設(shè)計 如圖3.1所示，為動臂液壓缸。當(dāng)左端進油時活塞桿伸出，動臂舉升；當(dāng)右端進油時，動臂下降；當(dāng)兩端都與油箱連通時，動臂浮動。 圖3.1 動臂液壓缸 3.1.1 液壓缸的設(shè)計計算 1、查表選用雙作用單活塞桿液壓缸，選用尾部耳環(huán)式安裝方式； 2、由于動臂液壓缸采用2個，所以==100000； 3、系統(tǒng)的工作壓力為10～14，取系統(tǒng)的工作壓力為12，往復(fù)速比===2.21，則取=2，即缸徑=100，活塞桿直徑=80； 4、動臂液壓缸的行程為560，速度為：提升時，=7 下降時，=11.2 流量為：提升時，=782.229 下降時，=589.581 查表得出供油口的直徑：=16。 3.1.2 液壓缸的作用能力、作用時間及儲油量的計算 1、如圖3.2，當(dāng)向有桿腔供油時，活塞桿向內(nèi)收進時的拉力為： 圖3.2 雙作用液壓缸 （5-1） 式中：——活塞桿直徑（）； ——缸內(nèi)徑（）； ——工作壓力（）； ——液壓缸機械效率，一般取=0.95。 = =51009.3 2、液壓缸的作用時間（油從活塞腔供入時的情況）： （5-2） 式中：——缸內(nèi)徑（）； ——行程（）； ——流量（）。 = =6.8 6＜＜9 ；符合條件。 3、液壓缸的儲油量： = （5-3） = =5319.16 3.1.3 液壓缸壁厚的計算 ≥ （5-4） 式中：——試驗壓力（）， 額定壓力≤16， ＞16，； ——缸內(nèi)徑（）； ——缸體材料許用拉應(yīng)力（）， 采用無縫鋼管，=（100～110），取=105。 則 ≥ = =0.00943 取=0.01=10，==0.091＜=0.1，為薄壁鋼筒。 3.1.4 活塞桿的計算 1、按強度條件驗算活塞桿直徑： 查表得：=930＞10=80； 當(dāng)＞10時的受壓柱塞或活塞桿需作壓桿穩(wěn)定性驗算（即是縱向彎曲極限力計算）。 2、縱向彎曲極限力計算 液壓缸受縱向力以后，產(chǎn)生軸線彎曲，當(dāng)縱向力達(dá)到極限力以后，缸產(chǎn)生縱向彎曲，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。該極限力與缸的安裝方式，活塞桿直徑及行程有關(guān)。 細(xì)長＞時： （5-5） 細(xì)長≤時: （5-6） 式中： ——活塞桿的計算長度（）， 查表得：取兩端鉸接，=930； ——活塞桿橫截面積回轉(zhuǎn)半徑（）， ===20； ——活塞桿橫截面積轉(zhuǎn)動慣量（）， ===2009600； ——活塞桿橫截面積（）， ===5024； ——柔性系數(shù)，對鋼取=85； ——端蓋安裝形式系數(shù)， 查表得：=1； ——材料彈性模數(shù)（）， 對鋼=206； ——材料強度實驗值（）， 對鋼≈490； ——系數(shù)，對鋼取。 ==46.5，==85， ≤， 即有： = =1718566.093 3、縱向彎曲強度驗算： ≥ （5-7） 式中：——安全系數(shù)，一般取=2～4，取=3； ——活塞桿推力（）， ===113982。 =1139823=341946 =1718566.093＞=341946， 符合條件。 3.1.5 液壓缸零件的連接計算 1、缸體和缸底的焊縫強度計算 缸體與缸底用電焊連接時焊縫應(yīng)力： ≤ （5-8） 式中：——活塞桿推力（）， ===113982； ——焊接效率，可取=0.7； ——焊條材料的抗拉強度（）， 其材料和缸體的抗拉強度差不多，取=105。 由圖3.3知：==110+210=130 ==110+10=120 圖3.3 缸體與缸底焊接 即有： = =82.971 =82.971＜=105 符合條件。 2、缸體與缸蓋用法蘭連接的螺栓計算 許用應(yīng)力： （5-9） 式中：——螺栓或拉桿的數(shù)量， 查表得：=12； ——螺栓螺紋部分危險剖面計算面積（）， 查表得：==78.5； ——螺紋預(yù)緊系數(shù)，可取=1.35～1.6，取=1.4； ——液壓缸最大推力， ===113982； 即有： = =169.4 3、活塞與活塞桿半環(huán)連接的計算 活塞桿的拉力： （5-10） 式中：——活塞桿直徑（）； ——缸內(nèi)徑（）； ——工作壓力（）。 即有： = =53694 活塞桿危險斷面處的合成應(yīng)力（考慮近似等于活塞桿退刀槽處的拉應(yīng)力）： （5-11） 式中：——活塞桿拉力（）； ——活塞桿危險斷面處的直徑（）， 查表得：=49； ——系數(shù)，可取=1.4； ——許用應(yīng)力（）， 活塞桿采用調(diào)質(zhì)強度HB=240～270的40鋼，=400。 即有： = =39.883 ＜ 符合條件。 4、活塞桿與活塞肩部壓應(yīng)力驗算 （5-12） 式中： ——活塞桿直徑（），=0.08； ——活塞上的鉆孔直徑（）， ——作用于活塞上的工作壓力()； ——活塞上鉆孔的倒角尺寸()， ==0.804； ——許用壓應(yīng)力()， 活塞材料采用耐磨鑄鐵（A3），則=160。 = =63.435 ＜ 符合條件。 3.2 直動式溢流閥的設(shè)計 如圖3.4所示為滑閥型直動式溢流閥，壓力油從進油口進入閥后，經(jīng)過阻尼孔作用在閥芯底下，閥芯的底面上受到油壓的作用形成一個向上的液壓力。當(dāng)液壓力小于彈簧力時，閥芯在調(diào)壓彈簧的預(yù)壓縮力作用下處于最下端，由底端螺塞限位，閥處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)液壓力等于或大于調(diào)壓彈簧力時，閥芯向上運動，上移封油長度S后閥口開啟，進口壓力油經(jīng)閥口流回油箱，此時閥芯處于受力平衡狀態(tài)。 圖3.4 直動式溢流閥 3.2.1 設(shè)計要求 1、額定壓力=2.5； 2、額定流量為先導(dǎo)泵的出口流量，其=72.5。 3.2.2 主要結(jié)構(gòu)尺寸的初步確定 1、進出油口直徑： 按額定流量和允許流速來確定，則： = （5-13） 式中： ——額定流量()； ——允許流速()，一般取=6。 即 ==0.0160 取 =16 2、閥芯的直徑： 按經(jīng)驗取 ～0.92） =（0.5～0.82）16 =8～13.12 取 =13 3、閥芯活塞直徑： 按經(jīng)驗取 =（1.6～2.3） =（1.6～2.3）13 =20.8～29.9 取 =30 對閥的靜態(tài)特性影響很大，按上式選取時，對額定流量小的閥選較大的值。 4、節(jié)流孔直徑、長度： 按經(jīng)驗取 =0.08～0.2 =（7～19） 取 =0.2=2 =25 節(jié)流孔的尺寸和對溢流閥性能有重要影響。如果節(jié)流孔太大或太短，則節(jié)流作用不夠，將使閥的啟閉特性變差，而且工作中會出現(xiàn)較大的壓力振擺；反之，如果節(jié)流孔太小或太長，則閥的動作會不穩(wěn)定，壓力超調(diào)量也會加大。 5、閥芯溢流孔直徑和 和可根據(jù)結(jié)構(gòu)確定，但不要太小，以免產(chǎn)生的壓差過大，不利于閥的開啟。 6、閥體沉割直徑、沉割寬度 按經(jīng)驗取 =+（0.1～1.5） =30+（1～15） =31～45 取 =40 按結(jié)構(gòu)確定，應(yīng)保證進出油口直徑的要求。 7、調(diào)壓桿的有效長度 應(yīng)保證閥芯的位移要求，即 ≥ 式中：——閥的最大開度，其大小見靜態(tài)特性計算。 8、直動式溢流閥的其他尺寸按結(jié)構(gòu)要求定。 3.2.3 靜態(tài)特性計算 靜態(tài)特性計算主要內(nèi)容是根據(jù)要求的定壓精度和卸荷壓力確定彈簧及閥口 開度等主要參數(shù)。 1、額定開度計算 （5-14） 式中： ——額定壓力（）； ——閥芯直徑（）； ——油液密度； ——閥口流量系數(shù)，=0.78。 即有 = =0.000509 2、按開啟比率確定彈簧的預(yù)壓縮量 溢流閥的開啟比率： （5-15） 故彈簧的預(yù)壓縮量： （5-16） 式中： ——閥口處液流的射出角（°）， =69°； ——一般在計算中可取=0.9～0.95。 即有 = =-0.0375 3、確定彈簧的剛度 因 （5-17） 故 = =8181.008 應(yīng)該注意，這里的預(yù)壓縮量是指閥口剛關(guān)閉時的數(shù)值，故包括了滑閥的封油產(chǎn)度。 4、按要求的卸荷壓力值，計算滑閥的最大開口量 （5-18） 式中： ——卸荷壓力（），通常取=（0.15～0.35），取=0.2。 即有 = =0.0018 3.2.4 彈簧的設(shè)計計算 1、選擇材料和許用切應(yīng)力 根據(jù)彈簧的工作條件，屬Ⅲ類載荷彈簧，選用碳素彈簧鋼絲。初步假定鋼絲的直徑=2.5，中徑=16，查表得其抗拉強度=1710。查表得其許用切應(yīng)力=0.5=0.51710=855。查表得其切變模量=79。 2、彈簧鋼絲直徑 由彈簧直徑和彈簧中經(jīng)計算其旋繞比 ==6.4 查得其曲度系數(shù)=1.23。 計算材料的直徑 ≥ （5-19） 式中： ——彈簧的工作載荷（）， ==306.788； ——許用切應(yīng)力（）； ——曲度系數(shù)，=1.23； ——旋繞比，=6.4。 即有 ≥ = =2.46 根據(jù)GB135，取=2.5,與原假設(shè)吻合。 3、彈簧有效圈數(shù) 圈 （5-20） 式中： ——切變模量（）； ——彈簧中徑（）； ——旋繞比，=6.4； ——彈簧剛度（）。 則 = =11.51圈 取有效圈數(shù)=11.5圈，取支承圈=2.5圈，則總?cè)?shù) =11.5+2.5 =14圈 彈簧的幾何參數(shù)總結(jié)在表5.1： 表3.1 彈簧的幾何尺寸 名稱 代號 單位 計算方法或公式及其結(jié)果 材料直徑 2.5 彈簧中徑 16 彈簧內(nèi)徑 =16-2.5=13.5 彈簧外徑 =16+2.5=18.5 有效圈數(shù) 11.5 壓縮彈簧的 支承圈數(shù) 2.5 總?cè)?shù) =11.5+2.5=14 節(jié)距 =（0.28～0.5）=4.48～8，取=6 間距 =6-2.5=3.5 自有高度 =611.5+22.5=74 壓縮彈簧高徑比 ==4.625 螺旋角 （°） ==6.81 彈簧材料的展開長度 4、壓縮彈簧穩(wěn)定性驗算 高徑比較大的壓縮彈簧，軸向載荷達(dá)到一定值就會產(chǎn)生側(cè)向彎曲而失去穩(wěn)定性。為保證穩(wěn)定性，高徑比3.7＜=4.625＜5.3，采用兩端固定。 5、彈簧工作圖，如圖3.5： 圖3.5 彈簧工作圖 第四章 結(jié)束語 裝載機是一種作業(yè)效率高，機動靈活，用途廣泛的工程機械，主要用于裝卸運作業(yè)和地面平整工作。本設(shè)計完成了5全液壓輪式裝載機液壓系統(tǒng)的設(shè)計——直動式溢流閥的設(shè)計，主要內(nèi)容包括：液壓系統(tǒng)圖的擬定，元件的計算和選擇，系統(tǒng)的壓力損失計算和溫升計算，非標(biāo)件直動式溢流閥和動臂液壓缸的設(shè)計計算。 首先，行走機構(gòu)液壓系統(tǒng)采用腳踏式操縱、先導(dǎo)控制的液控調(diào)速方式，使調(diào)速換向更為簡便。系統(tǒng)設(shè)有補油和熱交換回路、主泵回零及制動回路、補油回路和壓力保護回路，很好的增加了元件的耐用性。系統(tǒng)采用前后輪驅(qū)動，空載行走時，采用前輪驅(qū)動：載重行走時，采用前后輪驅(qū)動，這樣作業(yè)效率增加，且節(jié)約燃料。由于液壓行走系統(tǒng)壓力損失和溫升很大，所以目前的裝載機的行走系統(tǒng)很少采用液壓，參考的東西比較少，所以在元件的選擇上，具有一定的盲目性。 工作裝置液壓系統(tǒng)采用先導(dǎo)控制，使得整個工作裝置操作起來更加簡便。系統(tǒng)設(shè)有過載保護和吸空補油回路，很好的保護了系統(tǒng)中的各元件。動臂液壓缸的控制部分設(shè)有浮動位，簡化了駕駛員的操作。 轉(zhuǎn)向機構(gòu)液壓系統(tǒng)采用方向盤轉(zhuǎn)向，運用人機學(xué)，使駕駛室的布置更為合理，便于操縱。當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)狀況，駕駛員可以抱緊方向盤，更好的保證自己的安全。系統(tǒng)中采用流量放大器，使裝載機轉(zhuǎn)向更加靈活、準(zhǔn)確。 整個系統(tǒng)安全可靠、結(jié)構(gòu)緊湊和維修方便。 參考文獻 [1] 液壓傳動與氣壓傳動[M]。華中科技大學(xué)出版社。2008 楊曙東 何存興主編 [2] 現(xiàn)代工程圖學(xué)[M].湖南科學(xué)技術(shù)出版社。2000 周良德 楊世平 邱愛紅等主編 [3] 機械設(shè)計（第八版）[M].高等教育出版社北京.2002 紀(jì)名剛等主編 [4] 機械原理（第七版）[M].西北工業(yè)大學(xué)機械原理及機械零件教研室.2006 [5] 工程機械液壓系統(tǒng)設(shè)計計算（M）．北京：機械工業(yè)出版社，1985． [6] 液壓元件與系統(tǒng)（M）．北京：機械工業(yè)出版社，2005李壯云等編 [7] 行走機械液壓傳動．（M）．北京：人民交通出版社，2003姚懷新編 [8] 現(xiàn)代工程機械液壓系統(tǒng)分析（M）．北京：人民交通出版社，1998顏榮慶編 [9] 孔慶華 劉傳紹.極限測量與測試技術(shù)基礎(chǔ)[M].上海：同濟大學(xué)出版社.2002 [10] 實用液壓技術(shù)（M）．北京：機械工業(yè)出版社，1999張磊編 [11]理論力學(xué)（M）.西北工業(yè)大學(xué)出版社 2004 尹冠生 附錄 名稱 序號 圖紙張數(shù) 圖幅 圖號 5全液壓輪式裝載機液壓系統(tǒng) 1 1 A0 01-00-00-00 動臂液壓缸 2 1 A1 01-01-00-00 缸頭 3 1 A3 01-01-01-00 缸筒 4 1 A4 01-01-01-01 直動式溢流閥 5 1 A1 01-02-00-00 閥芯 6 1 A4 01-02-01-00 閥體 7 1 A2 01-02-02-00 32