ZL50轮胎式装载机液压系统设计.docx
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ZL50轮胎式装载机液压系统设计
机电工程系
液压与气压传动
课程设计
题目：
ZL50轮胎式装载机液压系统设计
专业：
机械设计制造及自动化
班级：
机制
姓名：
学号：
指导教师：
2010.6.1
一.液压传动课程设计任务书
（一）、主要任务与目标
任务：
ZL50铰接式轮胎装载机液压系统设计
转载机是用来装卸成堆散料作业的机械，装载机的举重量为5吨。
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,提升物料到一定高度,将物料运输到预定地点卸料。
如此循环作业。
装载机露天工作，对液压系统要求如下：
1.工作性能好。
2.寿命长,可靠性高。
3.操纵性能好。
4.便于维修和保养。
目标：
通过本题目的课程设计，使学生对所学的《液压与气压传动》课程知识有一个全面深刻的认识，熟悉液压系统设计的基本方法和过程；提高学生的动手能力和工程实践能力。
（二）、主要内容
（1）熟悉设计任务，明确设计及目标。
（2）根据设计要求和已学过的设计流程，拟定系统工作原理图。
（3）计算各元件的参数并验算。
（4）元件选型。
（5）编制文件，绘制速度、负载图谱。
（三）、工作量要求
完成规定的任务，总字数3000～4000字。
设计内容
设计说明及计算过程
备注
二：
装载机的简介
（一）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。
（二）液压传动系统的优缺点：
一．液压传动：
以液体为工作介质靠液体的压力能来传递动力的传动
二．工作原理特点：
①具有一定压力的液体传动；②传动过程经过两次能量转换；③传动必须在密闭容器内进行，而且容积要发生变化。
三．液压传动的优点1.功率体积比大2.可在实现无级调速3.容易实现自动化4.平稳，寿命长5.易于实现过载保护6.布置灵活
四．液压传动的缺点1．石油资源有限，可燃。
2．不能保证严格的传动比。
3．易对环境造成污染。
4．液压传动系统成本高5．要求有单独的能源，使用不方便。
6．故障不易检查排除。
（三）装载机液压系统的设计方法与要求
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：
设计内容
设计说明及计算过程
备注
（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
设计内容
设计说明及计算过程
备注
三：
液压传动系统工作原理图
设计内容
设计说明及计算过程
备注
四：
ZL-50液压传动系统工作原理
（一）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。
（二）转斗液压缸工作回路。
装载机在铲取物料时一般要求先转斗后提升动臂，所以转斗液压缸与动臂液压缸采用串并联油路连接，并将控制转斗压缸的三位阀放置在动臂液压缸的四位阀之前，以保证转斗液压缸能优先动作。
在转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，转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
（三）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。
（四）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CB－46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
设计内容
设计说明及计算过程
备注
五：
各元件参数计算
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p1p3+P弹/F时，分流阀被推至A工位，于是Q2＝0，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p1p3+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。
由于增加乐流量Q2，使p2上升，同时p1值也随之上升，直到p1p3+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。
（一）查阅资料整理得下表
表1.1
动作名称
外负载/N
速度/
铲斗快进
5000
6
铲斗工进
15500
0.5
铲斗快退
5000
6
铲斗停止
设计内容
设计说明及计算过程
备注
表1.2
动作名称
外负载/N
速度/
动臂快进
10000
16
动臂工进
49000
0.6
动臂快退
5000
8
动臂停止
表1.3
动作名称
外负载/N
速度/
转向缸快进
10000
16
转向缸工进
14500
0.3
转向缸快退
10000
16
转向缸停止
（二）铲斗液压分析计算
（1）铲斗的快进,工进,快退负载分别是：
F
=5000F
=15500F
=5000
由表1.1数值绘制负载图
设计内容
设计说明及计算过程
备注
由此可绘制出速度图
（2）确定执行元件主要参数
查阅课本表8-7和表8-8可知，装载机铲斗的最大负载约为15500N时液压系统宜取压力P1=3MPa。
液压缸可选用单活塞式的并在快进时左差动连接，这种情况下液压缸无杆腔的工作面积A1应为有杆腔工作面积A2的两倍，既
=A1/A2=2，而活塞杆直径d与缸筒直径D成d=0.707D的关系。
按表8-3取P2=3MPa。
有公式计算液压缸面积：
A2=
=
=53.81
A1=
107.6
D=
=0.117m
d=0.707D=0.082m
设计内容
设计说明及计算过程
备注
将这些直径按GB/T2348-2001圆整成就近标准值得：
D=0.11md=0.082m
由此求得液压缸两腔的实际有效面积为
A1=
107.4
A2=
54.16
经验算，活塞杆的强度和稳定性均符合要求。
（3）根据上述D和d的值，可以液压缸工作阶段中的压力，流量和功率，如下表：
工况
负载
回油腔压力
进油腔压力
输入流量
输入功率
快进
5000
3
0.978
0.5324
0.5206
工进
15500
3
1.5
0.089
0.1335
快退
5000
3
0.961
0.5416
0.5204
绘制工况图，如下图：
设计内容
设计说明及计算过程
备注
（4）铲斗液压基本回路：
装载机在铲取物料时一般要求先转斗后提升动臂，所以转斗液压缸与动臂液压缸采用串并联油路连接，并将控制转斗压缸的三位阀放置在动臂液压缸的四位阀之前，以保证转斗液压缸能优先动作。
在转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，转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
（三）动臂液压分析计算
（1）铲斗的快进,工进,快退负载分别是：
F
=10000F
=49000F
=5000
由表1.2数值绘制负载图
设计内容
设计说明及计算过程
备注
由此可绘制出速度图，如下图
（2）确定执行元件主要参数
查阅课本表8-7和表8-8可知，装载机动臂的最大负载约为49000N时液压系统宜取压力P1=5MPa。
液压缸可选用单活塞式的并在快进时左差动连接，这种情况下液压缸无杆腔的工作面积A1应为有杆腔工作面积A2的两倍，既
=A1/A2=2，而活塞杆直径d与缸筒直径D成d=0.707D的关系。
按表8-3取P2=3MPa。
有公式计算液压缸面积：
A2=
=
=72.91
设计内容
设计说明及计算过程
备注
A1=
145.8
D=
=0.431m
d=0.707D=0.304m
将这些直径按GB/T2348-2001圆整成就近标准值得：
D=0.43md=0.30m
由此求得液压缸两腔的实际有效面积为
A1=
0.145
A2=
0.074
经验算，活塞杆的强度和稳定性均符合要求。
（3）根据上述D和d的值，可以液压缸工作阶段中的压力，流量和功率，如下表：
工况
负载
回油腔压力
进油腔压力
输入流量
输入功率
快进
10000
3
0.14
1.136
0.15
工进
49000
3
0.35
0.087
0.0304
快退
5000
3
0.07
0.592
0.04
绘制工况图，如下图：
设计内容
设计说明及计算过程
备注
（4）动臂液压基本回路：
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。
（四）转向液压缸液压分析计算
（1）转向液压缸的快进,工进,快退负载分别是：
F
=10000F
=14500F
=10000
由表1.3数值绘制负载图
由此可绘制出速度图，如下图
设计内容
设计说明及计算过程
备注
（2）确定执行元件主要参数
查阅课本表8-7和表8-8可知，装载机动臂的最大负载约为14500N时液压系统宜取压力P1=3MPa。
液压缸可选用单活塞式的并在快进时左差动连接，这种情况下液压缸无杆腔的工作面积A1应为有杆腔工作面积A2的两倍，既
=A1/A2=2，而活塞杆直径d与缸筒直径D成d=0.707D的关系。
按表8-3取P2=3MPa。
有公式计算液压缸面积：
A2=
=
=50.34
A1=
100.68
D=
=0.114m
d=0.707D=0.08m
设计内容
设计说明及计算过程
备注
（4）转向缸液压基本回路：
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CB－46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p1p3+P弹/F时，分流阀被推至A工位，于是Q2＝0，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p1p3+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。
由于增加乐流量Q2，使p2上升，同时p1值也随之上升，直到p1p3+P弹/F时，分流阀便停留在新的平衡位置。
设计内容
设计说明及计算过程
备注
（五）选择液压元件及油路分析：
（1）装载机工作装置液压系统。
它由一下部分组成：
1 转斗液压缸；2 动臂液压缸；3 动臂液压缸换向阀；4 转斗液压缸换向阀；5 单向阀；6 液压泵；7 滤油器；8 溢流阀；9 缓冲补油阀；10 油箱
方向控制阀——设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的和动臂液压缸的运动方向，使铲斗和动臂能停在某一位置，并可以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，工作装置能随地面情况自由浮动。
溢流阀——控制系统压力。
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：
①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。
②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。
③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，
设计内容
设计说明及计算过程
备注
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。
（2）油路分析如下：
①、铲斗收起与前倾
铲斗的收起与前倾由转斗液压缸工作回路实现.当操纵手动换向阀使其右位工作时,铲斗液压缸活塞杆伸出，并通过摇臂斗杆带动铲斗翻转收起进行铲装.其油路为:
进油路:
液压泵→手动换向阀右位→铲斗液压缸无杆腔。
回油路：
铲斗液压缸有杆腔→手动换向阀右位→精过滤器→油箱。
当操纵手动换向阀使其左位工作时，铲斗液压缸活塞杆缩回，并通过摇臂斗杆带动铲斗前倾进行卸载。
其油路为：
进油路：
液压泵→手动换向阀左位→铲斗液压缸有杆腔。
回油路：
铲斗液压缸无杆腔→手动换向发左位→精过滤器→油箱。
当铲斗在收起与前倾的过程中，若转向液压泵输出流量正常，则流量转换阀中的流量分配阀工作在左位，使辅助液压泵与主液压泵形成并联供油（动臂升降回路也是如此）。
当操纵手动换向阀使其处于中位时，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。
设计内容
设计说明及计算过程
备注
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→手动换向阀中位→手动换向阀右位→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→精过滤器→油箱。
当动臂提升到转运位置时，操纵手动换向阀使其工作在中位，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→手动换向阀中位→手动换向阀左位→动臂升降液压缸有杆腔。
回油路：
动臂升降无杆腔→手动换向阀中→精过滤器→油箱。
③折腰转向
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。
设计内容
设计说明及计算过程
备注
六、设计小结
七、参考文献
此次液压课程设计的过程中，要进行各种负载的分析、计算。
通过分析得出的数据绘制负载图、速度图、液压缸工况图。
在绘图的过程中用到了CAD制图，在CAD无法解决绘图问题上还用到了word绘图，而且也用到了windows自带的绘图板，用这几种办法使得我的绘图更加方便。
通过此次液压设计，是我对课本内的知识有了更好的了解，在设计过程中出现了一些问题，但是经过了同学们之间的帮助相互努力，这些方面的问题也得到了很好的解决。
此次课程设计对我是一个考验，使我在设计过程中证明了自己，相信以后会做得更好。
参考文献如下：
《液压传动与控制实用技术》主编：
刘忠
《机械设计手册》编者:
机械设计手册编委会
《液压与气压传动》游有鹏北京科学出版社
《机械设计师手册》吴宗泽主编机械工业出版社
《液压与气压传动》王积伟、黄谊等主编机械工业出社
设计内容
设计说明及计算过程
备注
八、心得体会
作为一名机械设计制造及自动化大三的学生，我觉得能做这样的课程设计是十分有意义。
我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去面对现实中的各种机械设计？
如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？
我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。
在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅了很多次设计书和指导书。
为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅机械设计书是十分必要的，同时也是必不可少的.作为一名专业学生掌握一门或几门制图软件同样是必不可少的，虽然本次课程设计没有要求用autoCAD制图，但我却在整个设计过程中都用到了它,而且还用到了word文档里的制图。
通过课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致．课程设计过程中，许多计算有时不免令我感到有些心烦意乱：
有几次因为不小心我计算出错，只能毫不情意地重来．此次设计中我非常感谢同学对我的帮助，想到今后自己应当承担的社会责任，想到世界上因为某些细小失误而出现的令世人无比震惊的事故，我不禁时刻提示自己，一定要养成一种高度负责的态度，认真对待事情的良好习惯。
此次设计，由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。
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