ZL50G轮胎式装载机液压系统设计-说明书

37 引言本文主要是对ZL50轮胎式装载机的液压系统进行设计说明，设计主要是为了使装载机更好的在工程中进行使用，本次设计主要是完成装载机铲斗，动臂以及转向系统的液压设计。1. 概述1.1 轮胎式装载机简介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式机械，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，同时也成为工程机械中发展最快、产销量及市场需求最大的机种之一。图1-1 ZL50型装载机1.2 ZL50装载机介绍图1-1是ZL50型轮式装载机的外观图，它的举重量为5吨。额定斗容通常为3个立方，额定载荷3000kgf，最大掘起力125-200kN，整机操作质量16000-17000。2. 装载机液压系统的设计方法与要求2.1 装载机的参数，技术要求液压系统的设计基本包括四个步骤：明确设计依据，进行工况分析；确定液压系统方案，拟定液压系统图；液压系统的计算和液压元件的选择；液压系统的验算和绘制工作图、编制技术文件。在设计过程中不一定要严格按照这些步骤进行，有时可以交替进行，甚至要反复多次。对某些关键性的参数和性能难以确定时，要先经过试验，才能把设计方案确定下来。由于装载机是在露天情况下工作，因而对系统有如下地要求：（1） 工作性能好。应保证具有较高的生产率和工作平稳性。（2）寿命长,可靠性高。（3）操纵性能好。（4）便于维修和保养对于ZL50装载机而言它需要满足举重量为5吨。2.2 装载机的工况分析装载机在工作过程中需要完成的动作为：铲斗插入物料，向后翻转铲斗，保持载荷，动臂提升物料到一定高度，将物料运输到卸荷地点，铲斗向前翻转，动臂下降，然后回到装料处，如此循环作业。3. 液压系统工作原理 工作装置的液压系统是用来控制铲斗的几个动作的。工作装置不工作时，来自油泵的液压油输入到工作分配阀的回油腔流回油箱。当需要铲斗挖掘或卸料时操纵铲斗操纵杆，后拉或前推，来自油泵的工作油经过分配阀进入铲斗油缸的后腔或前腔，来实现铲斗的上翻或下转。当需要动臂提升或下降时，操纵动臂操纵杆，后拉或前推，来自油泵的工作油经分配阀进人动臂油缸的下腔或上腔，使动臂和铲斗提升或下降。当外负荷超过系统提升或上翻能力时，或者动臂油缸活塞到达油缸端部，系统压力升高达到系统调定压力时，压力油顶开安全阀溢流卸载经分配阀流回油箱。转斗油缸前腔油压超过前腔溢流阀调定压力时，压力油顶开溢流阀卸载进人转斗油缸后腔经分配阀回油箱。当铲斗用于装卸散装物料而需要上下浮动时，操纵动臂操纵杆前推二档，来自油泵的工作油经分配阀可进人动臂油缸上下腔，同时与油箱接通，油缸上下腔工作油处于低压状态，铲斗在自重作用下处于自由浮动状态，铲斗贴着地面工作。需要满足这些要求就会有2个自由度，其一是装载机铲臂的动作，其一是铲斗的动作，所以需要2个电磁换向阀来满足动作要求。轮式装载机的车架采用前，后车铰接机构，因此其转向机构采用交接车架进行折腰转向。装载机铰接车架折腰转向过程是由转向液压缸工作回路来实现的，并要求具有稳定的转向速度（即要求进入转向液压缸的油液流量恒定）。转向液压缸的油液主要来自转向液压泵，在发动机额定转速（1600r/min）下转向液压泵的流量为77L/min当发动机受其他负荷影响而转速下降时，就会影响转向速度的稳定性。这时就需要从辅助液压泵通过流量换向阀补入转向泵所减少的流量，以保证转向油路的流量稳定。当流量换向阀在相应位置时，也可将辅助液压泵多余的或全部液压油共给工作装置油路，以加快动臂升降液压缸和铲斗液压缸的动作速度，缩短作业循环时间和提高生产效率。4. 液压装置设计4.1 液压系统的组成装载机工作装置动作包括动臂升降和铲斗翻转动作,所以液压系统应该包括以下东西：1.动力元件液压泵。一般均采用齿轮泵。2.执行元件转向液压缸，动臂液压缸以及铲斗液压缸。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。在该系统中应有流量控制阀，分配阀，安全阀，节流阀。（1）方向控制阀有转向液压缸的换向阀和动臂以及铲斗液压缸换向阀，用来控制转向液压缸和动臂液压缸及铲斗液压缸的运动，通过控制换向阀的开度来控制液压缸，使得在某一方向上动臂和铲斗能停在某一位置。动臂及铲斗液压缸换向阀是通过两个换向阀来满足同时控制动臂及铲斗的动作，它可控制铲斗前倾、后倾和固定在某一位置等三个动作也可同时控制动臂上升、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，使油液流回油箱，保护系统不会因压力过高而损坏，起到了安全作用。（3）双作用安全阀（缓冲补油阀）它由过载阀和单向阀组成，并联装在铲斗液压缸的回油路上，作用有三个：A 当铲斗液压缸滑阀在中位时，铲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保护液压系统。B 在动臂升降过程中，使铲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，造成铲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，双作用安全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，使铲斗可以完全卸料。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，由于双作用安全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，管接头，电磁开关及储气罐等。4.2 各液压回路设计综合以上信息以及实际情况，液压系统各个回路可以设计如下：(1)动臂液压缸工作回路。动臂液压缸的进油路由工作液压泵和辅助液压泵供油。流量总和最大可达320升/分。分配阀采用传并联油路的多种阀，其中控制动臂的阀为四位阀。当四位阀处于图示中位时，液压缸锁紧而液压泵卸荷。此外，还能实现空斗迅速下降，甚至在发动机熄火的情况下也能将下铲斗。回路工作压力由分配阀中的安全溢流阀调定为150公斤/厘米。(2) 铲斗液压缸工作回路。 装载机在铲取物料时一般要求先铲斗后提升动臂，所以铲斗液压缸与动臂液压缸采用串并联油路连接，并将控制铲斗压缸的三位阀放置在动臂液压缸的四位阀之前，以保证铲斗液压缸能优先动作。 在铲斗液压缸的小腔油路中尚设有双作用安全阀。它的作用是在动臂升降过程中，铲斗的连杆机构由于动作不相协调而受到某种程度的干涉，双作用安全阀可起到缓冲补油作用。(3) 转向液压缸工作回路 装载机要求具有稳定的转向速度，也就是要求进入转向液压缸的油液流量恒定。转向液压缸的油液主要来自CB46转向泵，该泵由主机的柴油发动机拖出，在发动机额定转速下，流量为77升/分。流量转向阀的工作原理是：使转向泵输出的油液通过两个节流孔，两孔前后产生压差P=P1-P2和P”=P2-P3,总压差P=P+P”=P1-P3。液动分流阀左端控制油路接p1，右端接p2。设两端油压的作用面 积均为F，阀芯即处在油压p1与p2的推力和弹簧力P弹之和相平衡的位置。当转向泵流量Q1正常，p达到规定值而p1 p3+P弹/F时，液动分流阀被推至A工位，于是Q20，辅助泵排油全部输入工作装油路。当发动机转速降低，使Q1减小到p1 p3+P弹/F时，分流阀便逐渐被推向B工位，于是辅助泵开始向转向油路输油。由于增加了流量Q2，使p2上升，同时p1值也随之上升，直到p1 p3+P弹/F时，分流阀便停留在新的平衡位置。 装载机转向机构要求转向灵敏，因此随动阀采取负封闭的换向过渡形式，这样还防止突然换向时系统压力瞬时升高。同时还加了一个锁紧滑阀来防止转向液压缸窜动。锁紧阀的作用是在转载机直线行驶时防止液压缸窜动和降低关闭油路的速度，减少液压冲击，避免油路系统损坏。另一个作用是当转向泵和辅助泵管路发生破损或油泵出现故障时，锁紧滑能自动回到关闭油路位置，从而保证机器不摆头。4.3 自动限位装置 在工作装置和分流阀上装有自动复位装置，以实现工作中铲斗自动放平，动臂提升自动限位动作。在动臂后铰点和转斗液压缸处装有自动复位行程开关，当行程开关脱开触点，电磁阀断电而复位，关闭进气通道，阀体内的压缩空气从放气孔排出。4.4 装载机换挡原理 蓄能器端部的活塞装在活塞缸内，右端顶在弹簧上，大小弹簧右端分别顶在主压力阀和壳体的凸台上。活塞左端与端部的螺塞间形成油室，并通过油道与换向阀的连通油道相通。在这段油道上装有单向阀和节流孔。换挡时油路的液压流入换挡离合器的油缸，从而使油路中油压降低，蓄能器油室的油室经单向阀补充油液，使制动器或离合器迅速结合。同时由于油室的油流出，在主压力阀控制油道的作用下，阀杆左移使系统的油压下降，当主、从动盘贴紧时，油缸停止移动，油压上升，一部分油液经节流孔流向油室，油室的压力逐渐升高，推动活塞右移，压缩弹簧，主压力阀的阀杆右移，这样系统的油压便逐渐升高，使主、从动部件结合平稳，实现平稳可换挡。单向阀的作用在于及时向换挡制动器或离合器的油缸补油，使换挡迅速。同时在补油后，使主压力阀的阀杆左移，降低换挡开始时系统的压力。节流孔的作用在于换挡后使系统的压力逐渐地上升，从而换挡制动器或离合器的主、从动摩擦片逐渐压紧，使换挡柔和无冲击。图4-1液压原理图4.5 油液流动说明右侧：油液由A泵提供右边第一个换向阀。当位于左位时，油液会送到铲斗缸上腔，使活塞向下运动;当位于右位时，油液会送到铲斗下腔，时活塞向上运动；当位于中位时，油液进过第一阀，进入到第二个换向阀中，同时锁死铲斗缸的运动，保证铲斗不会乱动。当位于左位时，油液会送到动臂缸上腔，使活塞向下运动;当位于右位时，油液会送到动臂下腔，时活塞向上运动；当位于中位时，油液将会直接流回油缸。左侧：油液由C泵提供到左边经过锁紧阀进入到转向缸。油路分析如下：4.5.1铲斗收起与前倾铲斗的收起与前倾由铲斗液压缸工作回路实现. 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，铲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。4.5.2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。5. 液压装置的相关计算5.1 液压缸ZL50装载机的载重量是5000kg，即5吨，也就是说铲斗中装载的质量为5000kg，液压缸是采用的两个柱塞缸，所以两个柱塞缸可以平均分摊载重质量，即一个柱塞缸的负载是2500kg，可以认为是100KN。下面就可以通过公式来计算柱塞缸的相关参数了。转向液压缸的设计与铲斗和动臂液压缸有所不同，我们以ZLM50E-3轮胎式装载机为例进行相关设计，首先ZLM50E-3轮胎式装载机的总重量为16300KG，即16.3吨，出去装载机本身重量外，还要考虑装载机的满载的情况下的总重量，那么即意味着多出5吨的重量要考虑，所以综上所诉，需要考虑的总重量即为21.3吨，为了保证转向能顺利完成所以，则需要考虑的重量定为25吨，但对于它来说，其用途并不是用来提升重物的，只要可以克服摩擦阻力就可以了，下面我们来计算一下其摩擦阻力：G=25000*10=250000N滚动摩擦系数我们可以取一个比较平均的值，所以我们取0.1F=G*0.1=25000N对于轮胎与地面接触的面积我们可以取大致的值M=0.5*0.01=0.005m2由此我们可以知道所需的压力大概为：P=FM=250000.005=5000000Pa=5MPa轮胎滚动摩擦系数表5-1路面滚动摩擦系数Cr新 磨损混凝土0.0100.020沥青0.0120.022碎石0.0150.037压实地0.0350.090农田0.1000.350粘土0.0350.180沙0.0600.150沙丘0.1600.300雪0.0250.040故根据上面已经计算过的铲斗液压缸以及动臂液压缸的步骤，同理我们也可以用来进行对转向液压缸的相关计算。5.1.1液压缸内径计算根据机械设计手册 如表表5-2 液压缸的公称压力设备类型压力范围压力等级说明机床、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、注塑机船用机械、搬运机械、工程机械721中压一般系统油压机、冶金机械、挖掘机、重型机械231.5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、减轻重量装载机是属于工程机械，所以其压力范围在7-21MPa，我们取20MPa来进行相关计算，而对于转向系统来说，所以我们选取10MPa进行计算。对于液压缸的机械效率，由于杆与缸之间有摩擦所以存在效率丢失，所以就要考虑机械效率的问题，通常是取cm=0.9-0.97，考虑最高要求设计所以取0.9来保证液压缸丢失的效率不行影响机械。图5-1缸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5-3 液压缸的速比系数公称压力1012.520201.331.46、22为了方便，我所以们取速比1.46进行计算。对于安全系数来说通常铲斗的取1.5，动臂的取1.6，转向系统取1.5 所以我们可以根据公式 F=Dpcm/4来计算铲斗液压缸柱塞的直径D由此可知道铲斗液压缸直径最少为124.5mm。动臂液压缸要负载铲斗以及铲斗上重物，所以其载重就要求比铲斗的高，即高出铲斗重量。我们取铲斗为500kg来进行计算。由此可以知道动臂液压缸直径最少为157.4mm。转向液压缸要负载，车重，动臂，铲斗以及铲斗上重物，所以其载重就要求比动臂的还要高。我们取阻力25000N来进行计算。根据机械设计手册液压缸的内径系列（如表），考虑过载问题，所以动臂液压缸取D=180mm,转斗液压缸取D=200mm，转向液压缸取D=63mm。液压缸的内径系列表5-4液压缸内径系列（GB/T2348-1993）/mm8、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在确定了D后就应该确定液压缸的壁厚和外径，对于中，搞压缸一般用无缝钢管作为筒，大多属于薄壁筒，即时，其最薄处的壁厚用材料力学薄壁圆筒公式计算，根据液压手册壁厚（m）按照下公式计算： 液压缸的最高工作压力（）； 缸筒材料的许用压力（），=； 材料的抗拉强度极限（）； 安全系数。与载荷情况有关，按安全系数推荐表取出相应数值，液压设计手册。表5-5 液压缸安全系数材料种类静载荷交变载荷冲击载荷不对称对称钢, 铸铁35812缸筒材料常用20、35和45钢的无缝钢管，本次设计选用45钢并做调质处理。它的许用应力根据机械设计手册取为610MPa， =360MPa，对于安全系数来说就应该取n=5。所以可以高扭矩以上数据来对系统所要承受的最大工作压力进行计算,计算如下：系统最高工作压力：铲斗液压缸：动臂液压缸：转向液压缸：液压缸筒壁厚为：式中： 缸筒外径公差余量（m）；腐蚀余量（m）。通过查机械设计手册我们可以得知液压和气压缸内径无缝钢管通常都是取动臂油缸和转斗油缸壁厚均为。根据计算得知动臂液压缸的最高工作压力所需要的壁厚要比20mm大一些，而取不会过多的影响安全性能，所以就取。而转向液压缸考虑其可以稳定，则要至少取。通过计算出液压缸的壁厚以后我们就可以计算液压缸的外径，用公式故铲斗液压缸外径为动臂液压缸外径为转向液压缸外径为液压缸相关参数到这里就计算完了，下面开始进行验算：铲斗液压缸：动臂液压缸：转向液压缸：由此可知液压缸以计算的相关参数是合格的，不会造成问题。缸筒制造加工要求：（1）缸筒内径采用H7或H8配合，表面粗糙度一般为0.16-0.32，都需要进行研磨。（2）热处理，调质，硬度HB241285；（3）筒内径的圆度，锥度，圆柱度不大于内径公差之半；（4）缸筒直线度公差在500mm的长度上不大于0.03mm；（5）缸筒端面的垂直度在直径100mm上不大于0.04mm； 孔的轴线对缸径D的偏移不大于0.03mm； 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。5.1.2缸筒底部厚度的计算(1)与缸筒的连接型式为了方便以及成本，可以采用焊接连接，这种连接形式结构简单，尺寸小，重量轻，暴露在外的零件少，外表光洁，能承受一定的冲击负载和恶劣的外界环境条件，所以在装载机上广泛应用。其结构如下图所示。图5-2 缸筒与缸头的连接形式(2)厚度的计算(据机械设计手册)其底部为平面，所以其厚度可以按照四周嵌住的圆盘强度进行近似的计算： 式中： 筒底厚（m）；筒内最高工作压力（）；筒底材料许用应力（）；计算厚度外直径。动臂油缸： =44.35mm 铲斗油缸： =38.65mm转向油缸：(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： （3-6） 式中： 缸内最大推力（N）；缸筒外径；焊缝底径；焊接效率，取=0.7；焊条材料抗拉强度；安全系数，取。已知： 铲斗油缸：F=40078.87 动臂油缸：F=49480.08 铲斗油缸： 动臂油缸： 由钢结构查的角焊缝的许用应力 故焊缝安全。5.2 活塞由于活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动液压增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的滑动配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄漏，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。所以根据以上可以知道活塞和缸之间应该采用过度配合。液压力的大小与活塞的有效工作面积有关，活塞直径应与缸筒内径一致。所以，设计活塞时，主要任务就是确定活塞的结构型式。活塞结构形式根据密封装置型式来选用活塞结构型式（密封装置则按工作条件选定）。通常分为整体式活塞和组合式活塞两类。组合式活塞结构多样，主要受密封型式决定，选所以用组合式活塞比整体式活塞更好。组合式活塞大多数可以多次拆装，密封件使用寿命长。随着耐磨的导向环大量使用，多数密封圈与导向环联合使用，大大降低了活塞加工成本，同时在液压设备出现问题时，可以方便更换，同时也可以节省材料降低了维修的成本。根据机械设计手册，选用车氏C形滑环密封（如图）。氟橡胶材料制作的滑环及O形圈组合，结构简单，摩擦阻力小，密封性能好，多次拆卸可以重复使用，这样就方便了液压系统的拆卸级维护修理。密封装置尺寸和公差参照GB15242.11994。1 活塞 2 密封装置 3 导向套 4 活塞杆图5-3 车式滑环密封组合式活塞活塞材料有导向环活塞用优质碳素钢20、35、45号，有的在外径套尼龙（PA）或聚四氟乙烯PTFE+玻璃纤维和聚三氟氯乙烯材料制成的支承环。装配式活塞外环可用于锡青铜。选取45号钢。活塞行程根据工作的需要，结合液压元件手册GB2349-80缸活塞行程系列（如表3-5 3-6 3-7），液压缸、气缸活塞行程依优先次序按表3-5，表3-6，表3-7选用。选择动臂油缸活塞的行程L=850mm；铲斗油缸活塞的行L=530mm；对于转向系统，行程并不需要太多，故转向油缸的活塞行程取L=100mm表5-6 缸活塞行程系列（mm）2550801001251602002503204005006308001000125015002000250032004000表5-7 缸活塞行程系列（mm）406390110140180220280360450550700900110014001800220028003630表5-8 缸活塞行程系列（mm）2402603003403804204805306006507508509501050120013001500170019002100240026003000340038005.3 活塞杆5.3.1活塞杆直径计算1. 依据机械设计手册活塞杆的直径计算公式： 铲斗油缸： 动臂油缸： 转向油缸：式中: 缸筒内径； 速比系数。表5-9 活塞杆直径系列4，5，6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，36，40，45，50，56，63，70，80，90，100，110，125，140，160，180，200，220，250，280，320，360参照机械设计手册活塞杆的直径系列（如表3-8），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，转向油缸活塞杆的直径为32mm。5.3.2 液压缸推力和流量的计算 （1）液压缸推力的计算依据液压设计手册的计算公式：当液压缸的无杆腔进油时，作用在活塞杆上的理论推力 ； （3-8）当液压缸的有杆腔进油时，作用在活塞杆上的理论推力 ； （3-9）式中: 工作压力（； 活塞直径（液压缸内径）（）； 活塞杆直径（）； 液压缸的机械效率；取；铲斗油缸： 动臂油缸： 转向油缸： （2）液压缸的效率，据机械设计手册 （3-10）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: （3）液压缸的流量 式中： 活塞的有效作用面积；活塞的运动速度，取；油缸的容积效率，取。有杆腔的面积： 无杆腔的面积： 铲斗油缸： 动臂油缸： 转向油缸：5.3.3 活塞杆的结构设计(1)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，查液压设计手册可得知结构如下：图5-4 活塞杆外端连接形式杆外端：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。其结构如图5-4所示。 (2)活塞杆的材料及技术要求，根据机械设计手册相关参数可以得知：材料：选取45钢；技术要求: 淬火，淬火深度0.51mm，调制后表面镀铬0.020.03mm； 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=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。5.3.4 活塞杆的导向套、密封和防尘活塞杆导向套装在液压缸的有杆侧端盖内，用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封。外侧装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时把杂质、灰尘和水分带到密封装置处，损坏密封装置。1 非金属材料导向环 2 组合式密封 3 防尘圈图5-5 端盖式加导向环导向套（1）结构：非金属材料制造的导向环，价格便宜，更换方便，摩擦阻力小，低速启动不爬行，多应用于工程机械且行程较长的液压缸中。据机械设计手册（如图5-5）。（2）材料：聚四氟乙烯(PTFE+玻璃纤维)（3）导向套尺寸配置：据机械设计手册导向套的主要尺寸是支承长度，通常按活塞杆直径、导向套的型式，导向套材料的承压能力，、可能遇到的最大侧向负载等因素来考虑。通常可以采用两段式，每段宽度一般约为,两端中间距离取（如图5-6）。图5-6活塞杆导向套尺寸配置5.4 中隔圈 在中隔圈的选取上可以考虑使用有缓冲液压缸的类型。如图图5-75.5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。据机械设计手册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或按一定的规律变化，能达到满意的缓冲要求，但只能适应一定的工作载荷和运动情况，其结构复杂，成本高，但对于装载机而言，它可以和好的满足要求，故选择它，其结构图如图5-8。图5-8 缓冲装置结构图5.6 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，会造成液压缸和整个液压系统在工作中的颤振和爬行，影响液压缸的正常工作。为了避免这种现象的发生，除了防止空气进入液压系统外，必须在液压缸上安装排气阀。因为液压缸是液压系统的最后执行元件，会直接反映出残留空气的危害。排气阀的位置要合理，水平安装的液压缸，其位置应设置在缸体两腔端部的上方；垂直安装的液压缸，应设在端盖的上方，均应与压力腔相通，以便安装后调试前排出液压缸内的空气。由于空气比油轻，总是向上浮动，不会让空气又积存的残留死角。本次设计选用的是整体式排气阀，这种排气阀阀体和阀针合为一体，用螺纹与缸筒或缸盖连接，靠头部的锥面起密封作用。排气时，拧松螺纹，缸内空气从锥面间隙中挤出，并经过斜孔排除缸外，其简单方便，但螺纹与锥面密封处同心度要求高，否则拧紧排气阀后不能密封，会造成泄漏，阀的材料用35号或45号碳素钢，锥部热处理硬度38-44HRC。排气阀如图：图5-9排气阀 带缓冲装置的液压缸需装有单向阀与缓冲装置成组使用。活塞做正向运动，在启动时，进入液压缸的压力油流经单向阀推动活塞运动，解决了活塞不会因推力不足而产生启动缓慢或困难的现象。反之，活塞做反向运动，当活塞进入缓冲区时，单向阀封闭，缓冲腔内油液经缓冲调节阀（节流阀或环形缝隙）使缓冲压力上升或扫减速制动达到缓冲的要求。图5-10节流孔5.7 液压缸选型根据以上计算结果，结合机械设计手册选择液压缸型号：铲斗油缸：油缸内径为180mm，活塞杆径为90mm，行程为530mm，压力为20MPa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。动臂油缸 ：油缸内径为200mm，活塞杆径为110mm，行程为900mm，压力为20MPa，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。转向油缸：油缸内径为63mm，活塞杆直接为32mm，行程为100mm，压力为10MPa，选择等级代号为H，液压表安装选用耳轴，代号为3，缓冲型式为杆头端带缓冲，油口连接型式为内螺纹，采用双作用单活塞杆液压缸。5.8 阀的选取5.8.1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，保护动作能正确完成。5.8.2溢流阀可以保证液压系统的恒定，并保证系统的安全。根据机械设计手册选择DT-02-H直动式溢流阀，调压范围为721MPa，重量1.5Kg。5.8.3换向阀控制铲斗油缸及动臂油缸要使用2个电磁换向阀，把他们组合起来要完成可控制铲斗前倾、后倾和固定在某一位置等三个动作以及可控制动臂上升、下降、固定和浮动等四个动作。所以电磁换向阀应选取2个三位六通电磁换向阀，这样组合起来可以保证铲斗和动臂的同时控制，同时可以至少完成九种不同的姿态。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路上，其作用由三个：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。在动臂升降过程中，使转斗液压缸自动进行泄油和补油。装载机连杆机构上设有限位块，当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。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，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饺点后，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，由于缓冲补油阎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。为了提高装载机的作业效率，该系统采用双泵合流、分流、转向优先的卸荷系统。当转向时，转向泵向工作系统提供多余的油液。不转向时，转向泵的全部油液经合流单向阀进入工作装置系统。当工作装置系统压力达到卸荷阀调定的压力，转向泵提供给工作装置的油液经卸荷阀流回油箱，从而使液力机械传动系统提供更大的铲入力。合理的利用了发动机的功率，提高了整机的作业效率。5.9 液压泵液压泵的选择是需要根据流量，压力等参数进行选择的，在不同的工况下的需求也是不一样的，对于液压泵来说要考虑的主要参数是：压力，流量，转速，以及效率。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，正常工作的压力是液压泵的工作压力的80%；液压泵的流量必须大于系统工作的最大流量，这样才能提高液压泵的使用寿命，同时液压泵的最高压力与最高转速不宜同时使用，这也是保证液压泵寿命的一种措施。5.9.1液压泵的确定由液压缸所取压力我们可以知道，液压泵所需的额定压力为20MPa，故此，通过查机械设计手册我们就可以选取出所需的液压泵。通过机械设计手册我们得知CBGj3125齿轮泵可以满足额定压力的要求，CBGj3125齿轮泵相关参数如下：A泵：理论排量为，额定压力为，最高压力为，额定转速为，容积效率，总效率。由液压缸所取压力我们可以知道，液压泵所需的额定压力为10MPa，故此，通过查机械设计手册我们就可以选取出所需的液压泵。通过机械设计手册我们得知CB-46齿轮泵可以满足额定压力的要求的 ，CB-46齿轮泵 相关参数如下：C泵理论排量为48.1mL/r额定压力为10MPa最高压力为12.5 MPa额定转速为1450 r/min最高转速1650 r/min容积效率90%对于B泵来说这个是一个辅助泵，为了保证A、C泵在某些情况下不能满足需求时来提供相应的流量，压力。由于转向液压缸的有野主要来自自转向液压泵，当发动机受其他负荷影响而转速下降时，就会影响转向速度的稳定性。这时就需要从辅助液压泵通过流量换向阀补入转向泵所减少的流量，以保证转向油路的流量稳定。当流量换向阀在相应位置时，也可以将辅助液压泵多余的或全部的液压油供给给工作装置油路，以加快动臂液压缸和铲斗液压缸的动作速度，缩短作业循环时间和提高生产效率。根据相应资料，我们可以得知辅助泵可以采用CBG1040齿轮泵。B泵理论排量为40mL/r额定压力为12.5MPa最高压力为 16MPa额定转速为2000r/min最高转速3000r/min容积效率91%总效率82%5.9.2液压泵流量的计算A泵： C泵： B泵： 式中：K考虑液流渗透的系数，一般取K=1.11.3,计算中取K=1.25.9.3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：A泵： C泵： B泵： 5.10 液压管道及其连接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和油管与液压元件之间的连接，为了保证液压元件之间工作的可靠性，管路及管接头应具有足够的强度，良好的密封性，其压力损失也要小，拆卸方便。5.10.1硬管的选取油管的内径取决于管路的种类及管内的流速。油管的内径由下面的公式确定： （3-14）式中： 流经管路的流量；油管内的允许流速。吸油管：，一般取；回油管：；压力油管： 当时，取 ,当时，取 ，当时，取。对吸油管有：取 。对回油管有：取。5.10.2软管的选取软管是用于连接两个相对运动部件之间的管路。分为高压、低压两种。高压软管是以钢丝绳编织或钢丝缠绕为骨架的橡胶软管，用于压力较低的回油路或气动管路中。钢丝编织胶管由内胶层、钢丝编织层、中间胶层和外胶层组成，钢丝编织层有1-3层，钢丝缠绕层只有2层、3层或6层，层数愈多，管径越小，耐压力愈高。钢丝缠绕橡胶软管还具有管体较柔软，脉冲性能较好等优点。内径按照机械设计手册320-641表20-8-3的公式计算： （3-15）式中: 软管的通流截面面积（）；管内流通（）；管内流速。通常软管允许流速为小于,取。所以，取软管的内径。5.10.3管接头的选取管接头采用焊接式管接头，焊接式管接头主要由接头体、螺母和接管组成，在接头体和接管之间用O型密封圈密封。当接头体拧入机体时，采用金属垫圈或组合实现端面密封。接管和管路系统中的缸管接头用焊接连接，管接头和机体的连接主要采用普通细牙螺纹，根据机械设计手册选用焊接式管接头。5.10.4螺塞的选取螺塞主要用于堵塞工艺孔和油箱放油孔，以及缸筒需要堵死的地方。选用六角螺塞（JB/ZQ4450-1997）其主要参数见机械设计手册液压附件的选取5.10.5邮箱的设计与计算油箱在系统中的功能，主要是出油和散热，也起沉淀污物的作用。根据系统的具体条件，合理选用油箱的容积、型式和附件，以使油箱充分发挥作用。油箱有开式和闭式两种，开式油箱应用广泛，箱内液面与大气相通，为防止油液被污染，在油箱顶部设置空气滤清器，并兼作注油口用。闭式油箱一般指箱内液面不直接与大气相通，而将通气孔与具有一定压力的惰性气体相接。油箱的形状一般采用矩形、而容量大于的油箱采用圆筒形结构比较合理，设备质量轻，油箱内部压力大。过滤器设置：油箱的进油口一般都设置系统所要求的过滤精度的回油过滤器，以保持返回油箱的油液具有允许的污染等级。油箱的排油口及泵的吸油口为了防止意外落入油箱中的污染物，也可以设置吸油网式过滤器。设置油箱主要的油口时，油箱的排油口和回油口之间的距离应