ZL50轮式装载机工作装置结构及其液压系统设计

1 ZL50ZL50 轮式装载机工作装置结构及其液压系统设计轮式装载机工作装置结构及其液压系统设计 摘 要 本次设计主要包括两个部分 装载机工作装置的设计 液压系统的设计 在本设 计中将液压系统的设计作为主要的内容进行设计 通常 按使用场合的不同 分成露天用装载机 和井下用装载机 按行走系统的不同 分成轮式装载机于履带式装载机 由于装载机的品种较多 不能各个介绍 本次毕业设计主要完成的是露天轮式装载机工作液压机构的设计 关键词 轮式装载机 工作装置结构 液压系统 The Design of ZL50 Wheel Loader Working device Structure and Hydraulic System Abstract This dissertation is composed of two procedures design of loading device and hydraulic system And in this design the hydraulic system design is the main content Actually in accordance with different operating occasions the loader could be divided into open air loaders and underground ones and with discriminated walking environment it could also separate into wheel loader and crawler ones and other varieties of the loader is not introduced due to the huge population The graduation project is completed the design of the hydraulic mechanism of open wheel loader 2 Key words Wheel loader Equipment structure of the Hydraulic system 1 前言 装载机是一种广泛用于公路 铁路 矿山 建筑 水电 港口等工程的土石方工 程机械 他的作业对象主要是各种土壤 砂石料 灰料及其他筑路用散状物料等 主 要完成铲 装 卸 运等作业 也可以对岩石 硬土进行轻度铲掘作业 如果换不同 的工作装置 还可以完成推土 起重 装卸其他物料的工作 在公路施工中主要用于 路基工程的填挖 沥青和水泥混凝土料场的集料 装料等作业 由于它具有作业速度 快 机动性好 操作轻便等优点 因而发展很快 成为土石方施工中的主要机械之一 国产装载机的型号一般用字母 Z 表示 第二个字母 L 代表轮式装载机 无 L 表示 履带式装载机 后面数字代表额定载重量 如 ZL50 代表额定载重量为 50KN 的轮胎 式装载机 但须指出 各生产厂家也有自己独特的类型和表示方法 2 装载机的发展状况 2 1 国内的装载机发展状况 我国的轮式装载机是从 60 年代中期才发展起来的 经过 40 年的发展 我国装载 机的结构和性能都有了较大提高 产品技术水平有了很大的提高 目前我国生产轮式 装载机的厂家有几十家 生产履带式和轮胎式两大系列的各种形式装载机 近年来 国内装载机的发展趋势可归结为如下几个方面 1 产品形成系列规格向 两头延伸 2 技术不断创新 产品性能日趋完善 3 向机电液一体化 电子化方向发 展 1 2 2 国外的装载机发展状况 目前 国外装载机生产厂家在其产品的设计过程中广泛采用了现代设计方法 并 高度应用了计算机技术和现代电子信息技术 传统的设计方法是以经验总结为基础 运用力学和数学而形成的经验 公式 图表 设计手册等作为设计依据 通过经验公 式 近似系数或类比等方法进行设计 现代设计方法是以电子计算机为手段 运用工 程设计的新理论新方法 使计算机结果达到最优化 使设计过程实现高效化和自动化 主要包括以下内容 计算机辅助设计 优化设计 可靠性设计 有限元分析 动态设 计 动态仿真 并行设计 模块化设计 机 电 液一体化设计 反求工程设计 绿 色设计 工业艺术造型设计 人机工程学设计 价值分析 机械系统设计等 应用现 代设计方法可以适应市场激烈的竞争 提高设计质量并大大缩短设计周期 提高企业 竞争力 3 3 装载机的主要技术性能参数与工作装置总体设计 3 1 工作装置总体设计 3 1 1 工作装置的总体结构 装载机工作装置是完成装卸作业并带液压缸的空间多杆机构 工作装置是组成装 载机的关键部件之一 其设计水平的高低直接影响工作装置性能的好坏 进而影 装载机的工作装置按结构型式分为有铲斗托架和无铲斗托架两种 有铲斗托架的 工作装置 这种结构型式工作装置的优点是 托架 动臂 连杆及车架铰座可以构成 平行四边形连杆机构 这样在转斗油缸闭锁的情况下 提升动臂时 铲斗始终保持平 移 铲斗内物料不易洒落 但也存在缺点 如动臂的前端装有比较重的托架和转斗油 缸 使得装载机的载重量减小 无铲斗托架的工作装置 前端没有很重的托架 克服了有铲斗托架工作装置的缺 点 所以目前广泛应用 所以选择无铲斗托架的工作装置 3 1 2 工作装置连杆机构的结构形式与特点 由装载机工作装置的自由度分析可知 工作装置的连杆机构均为封闭运动链的单 自由度的平面低副运动机构 其杆件数目应为 4 6 8 10 等 对装载机工作 装置而言 尽管杆件数目越多越能实现复杂的运动 但同时铰接点的数目也随之增加 结构越复杂 就越难在动臂上进行布置 因此 实际上装载机工作装置的连杆机构多 为八杆以下机构 这样 按组成工作装置连杆机构构件数不同 装载机工作装置可分 为三杆 四杆 五杆 六杆和八杆机构 按输入与输出杆转向不同 又可分为正转和 反转机构 正转机构是指输入与输出杆的转向相同 反转机构是指输入与输出杆的转 向相反 2 六杆机构工作装置是目前装载机上使用最为普及的一种结构形式 对于单自由度 的六杆机构 只能有两个三铰构件和 4 个两铰构件组成 根据转斗油缸布置位置的不同 可以作为装载机工作装置的六杆机构 常见的有 以下几种结构形式 转斗缸前置式正转六杆机构 转斗缸后置式正转六杆机构 转斗 缸后置式正转六杆机构 转斗缸后置式反转六杆机构 转斗缸后置式反转六杆机构 3 1 3 工作装置总体设计 由设计任务书和设计要求 对于本次 ZL50 装载机的设计采取以下方案 在铲斗部分 采用无铲斗托架式结构 油缸的布置形式为立式布置形式 同时考 虑到实际工作中的运用情况 它的连杆机构采用的是反转六杆机构 主要参数 4 铲斗容量 3 0 3 m 额定载重量 5 t 4 工作装置主要结构设计 4 1 铲斗设计 铲斗是工作装置的重要部件 装载机工作时用它直接铲掘 装载 运输和倾卸物 料 铲斗直接与物料接触 是装 运 卸的工具 工作时 它被推压插入料堆铲取物 料 工作条件恶劣 要承受很大的冲击力和剧烈的磨损 因此铲斗设计质量对装载机 的作业能力有较大的影响 为了保证铲斗的设计质量 首先应当合理的确定铲斗的结 构及几何尺寸 以降低铲斗插入物料的阻力 其次要保证铲斗有足够的强度 刚度 耐磨性 使之具有合理的使用寿命 4 1 1 铲斗的结构形式 铲斗的形状和尺寸参数对插入阻力 铲取阻力 转斗阻力和生产率都有着很大的 影响 同一个铲斗有两种容积标志 一是物料装平时的容积 称为平装斗容 二是物 料装满堆高后的容积 称为堆装斗容 机器铭牌上标称的斗容通常为堆装的容积 铲 斗由斗底 侧壁 斗刃及后壁等部分组成 铲斗的斗刃还分为带齿和不带齿的两种 铲斗的断面形状一般为 U 形 用钢板焊接而成 1 斗体形状基本可以分成 浅底 和 深底 两种类型 在斗容量相同的情况 下 前者开口尺寸较大 斗底深度较小 即斗前壁较短 而后者正好相反 2 切削刃的形状根据装载物料不同 切削刃有直线型和非直线型 前者形式简 单 有利于铲平地面 但铲装阻力较大 后者又有 V 形和弧形等 由于这种刃中间突 出 铲斗插入料堆时可使插入力集中作用在斗刃的中间部分 所以插入阻力较小 容 易插入料堆 并有利于减少偏载插入 但铲斗装满系数要比前者小 矿用轮式装载机工作条件恶劣 偏非直线形切削刃 并以 V 形切削刃为佳 斗刃 材质是即耐磨又耐冲击的中锰合金钢材料 侧切削刃和加强角板都用高强度耐磨钢材 料制成 3 5 1 齿尖 2 齿坐 3 钢销 图 1 双段斗齿 Fig 1 Double section dipper teeth 3 斗齿可以有斗齿 也可以没有斗齿 此装载设计带了斗齿 斗齿结构分为整 体式和分体式两种 一般斗齿是用高锰钢制成的整体式 用螺栓固定在铲斗斗刃上 中小型装载机多采用这种形式 为便于斗齿磨损后更换和节约斗齿金属 也有使用双 段斗齿的 如图 1 所示 这种斗齿的齿尖与齿坐的配合面为锥面 两者配合情况良好 装配时 先置入有 弹性的金属橡皮 然后再从上边或从下边往方形销孔中打入钢销 3 即可 由于拆卸方 便 齿尖一边磨损后可以翻转再使用 从而延长使用寿命 大型装载机由于作业条件 差 斗齿磨损严重 故常采用这种分体式斗齿 一般中型装载机铲斗的斗齿间距为 250 300mm 左右 太大时由于切削刃将直接参 与插入工作 使阻力增大 太小时 齿间易于卡住石块 也将增大工作阻力 长而窄 的齿要比段而宽的齿插入阻力小 但太窄又容易损坏 所以齿宽以每厘米长载荷不大 于 500 600kg 为宜 4 铲斗侧刃参与插入工作 为减小插入阻力 一般可将连接前后斗壁的侧壁 刃口设计成弧形 5 斗底的斗前壁与斗后壁用圆弧衔接 构成弧形斗底 为了使物料在斗中有 很好的流动性 斗底圆弧半径不宜太小 前后壁夹角不应小于物料与钢板的摩擦角的 2 倍 以免卡住大块物料 若取物料与钢板的摩擦因数 f 0 4 则摩擦角 22 所以张开角必须大于 44 综上所述 针对我的铲斗设计性质如下 斗体材料 低碳 耐磨 高强度钢板 斗刃形状 直线形斗刃 斗刃材料 耐磨又耐冲击的中锰合金钢材料 4 1 2 铲斗断面形状和基本参数确定 6 图 2 铲斗断面基本参数图 Fig 2 The basic parameter diagram Bucket section 1 铲斗的断面形状 铲斗的断面形状由铲斗圆弧半径 r 底壁长 l 后壁高 h 和张开角 四个参数确定 如图 2 所示 圆弧半径 r 越大 物料进入铲斗的流动性越好 有利于较少物料装入斗内的阻力 卸料快而干净 但 r 过大 斗的开口大 不易装满 且铲斗外形较高 影响驾驶员观 察铲斗斗刃的工作情况 后壁高 h 是指铲斗上缘至圆弧与后壁切点间的距离 底壁长 l 是指斗底壁的直线段长度 l 长则铲斗铲入料堆深度大 斗容易装满 但掘起力将由于力臂的增加而减小 由试验得知 插入阻力随铲入料堆的深度而急剧 增加 l 长同样会减小卸载高度 短则掘起力大 且由于卸料时铲斗刃口降落的高度 小 还可以减小动臂举升高度 缩短作业时间 但会减小斗容 对装载轻质物料为主 的铲斗 l 可选择大些 对于装载岩石的铲斗 应取小些 4 铲斗张开角 为铲斗后壁与底壁之间的夹角 一般取 45 到 52 之间 铲斗的宽度应大于装载机两个前轮外侧间的宽度 每侧要宽出 50 100mm 如铲斗 宽度小于两轮外侧间的宽度 则铲斗铲取物料后所行成的料堆阶梯会损伤到轮胎侧壁 并增加行驶时轮胎的阻力 通过以上的介绍 结合从现场采集来的大概参数 本次设计的具体参数初定如下 铲斗圆弧半径 r 350mm 底壁长 l 700mm 后壁高 h 400mm 张开角 48 2 铲斗基本参数的确定 在定下了以上的断面参数后 从现场的参考数据得 到 本设计铲斗的总宽度 B 为 2900mm 并且铲斗壁厚为 30mm 7 设计时 把铲斗的回转半径 R 即铲斗与动臂铰接点至切削刃间的距离 作为 基本参数 铲斗的其他参数作为 R 的函数 铲斗的回转半径 R 可按照下式计算 m 1 180 15 0 2 cotsincos5 0 2 10 rkzg s B V R 式中 铲斗平装斗容 2 5m3 s V 铲斗内侧宽度 2 840m 0 B 铲斗斗底长度系数 1 40 1 53 g g 后壁长度系数 1 1 1 2 z z 挡板高度系数 0 12 0 14 k k 圆弧半径系数 r R r r 张开角 为 45 52 挡板与后壁间的夹角 无挡板取 0 1 图 3 铲斗尺寸参考 Fig 3 Bucket size reference 图 3 中各参数含义如下 铲斗圆弧半径 mr 斗底长度 是指由铲斗切削刃至斗底延长线与斗后壁延长线交点的距 g L 离 m RRL gg 53 1 4 1 后壁长度 是指由后壁上缘至后壁延长线与斗底延长线交点的距离 m z L 8 RRL zz 2 1 1 1 挡板高度 m k L RRL kk 14 0 12 0 调整参数 根据调整后的各值与 R 之比分别计算 值 1 5 g z k r g 1 1 0 12 z k 然后代入式 1 即可确定铲斗的回转半径R 通过计算得出1140mm R 即可得出 1 5 1140 1710mm g L 1 1 1140 1254mm z L 0 12 1140 136 8mm k L 一般取铲斗侧壁切削刃相对斗底壁的倾角 50 60 铲斗与动臂铰接点距离 0 斗底壁的高度 0 06 0 12 R h 4 1 3 铲斗容量的计算 由于本次设计的铲斗容量是在设计任务书中体现出来的 并且铲斗的参数都是根 据铲斗容量而定下的 所以如下只介绍的是它的算法公式 平装容量 铲斗的平装容量按照式 2 计算 对于有防溢板的铲斗 m3 2 baSBVs 2 0 3 2 式中 有挡板的铲斗横截面面积 m2S 铲斗内侧宽度 m 0 B 挡板高度 ma 斗刃刃口与挡板最上部之间的距离 mb 对于无防溢板的铲斗 m3 0 BSVs 式中 不装挡板的铲斗横截面面积 m2 S 额定容量 铲斗的额定容量 见图 13 按照式 3 计算 对于有防溢板的铲斗 m3 3 68 2 0 2 ca bBb VV sr 式中 c 物料堆积高度 m 对于无防溢板的铲斗 m3 4 248 3 0 2 bBb VV sr 4 2 工作装置连杆系统设计 9 通过在第二章中的工作装置连杆机构的结构形式与特点的介绍 综合本次设计的 基本要求和设计任务 所选取的结构形式为反转六杆机构结构形式 4 2 1 机构分析 反转六杆工作机构由转斗机构和动臂举升机构两个部分组成 转斗机构由转斗油缸 CD 摇臂 CBE 连杆 FE 铲斗 GF 动臂 GBA 和机架 AD 六个 构件组成 当举升动臂时 若假定动臂为固定杆 则可把机架 AD 视为输入杆 把铲 斗 GF 看成输出杆 由于 AD 和 GF 转向相反 所以叫反转六杆机构 举升机构主要由动臂举升油缸 HM 和动臂 GBA 构成 当举升油缸闭锁时 启动转 斗油缸 铲斗将绕 G 点作定轴转动 当转斗油缸闭锁 举升油缸动作时 铲斗将作复 合运动 即一边随动臂对 A 点作牵连运动 同时又相对动臂绕 G 点作相对转动 5 其材料为低碳 耐磨 高强度钢 I 插入工况 II 铲装工况 III 最高位置工况 IV 高位卸载工况 V 低位卸载工况 图 4 反转六杆机构简图 Fig 4 Reverse six poles structure diagram 4 2 2 尺寸参数设计 因为图解法比较直观 易于掌握 故采用图解法设计 它通过在坐标图上确定铲 10 装工况 图 4 时工作装置的 9 个铰接点的位置来实现 1 动臂与铲斗 摇臂 机架的三个铰接点 G B A 的确定 1 确定坐标系如图 5 所示 先选取坐标系并确定尺寸比例 1 40 2 画铲斗图 把设计好的铲斗横截面外廓按比例在坐标系 xOy 中画出 斗尖对 准坐标原点 O 斗前壁与 x 轴呈 3 5 的前倾角 此为铲斗插入料堆时位置 即插 入工况 确定动臂与铲斗的铰接点 G 由于 G 点的 x 坐标值越小 转斗掘起力就越大 所以 G 点靠近 O 点是有利的 但 不能随意减小 而 G 点的 y 坐标值增大时 铲斗在料堆中的铲取面积增大 装的物料 多 但这样缩小了 G 点与连杆铲斗铰接点 F 的距离 使得掘起力下降 图 5 动臂上三铰接点设计 Fig 5 Moving arm hinged on three point design 综合考虑各种因素的影响 根据坐标图上插入工况的铲斗实际状况 在保证 G 点 y 轴坐标值 yG 250 350mm 和 x 轴坐标值 xG 尽可能小而且不与斗底干涉的前提下 在 指标图上人为的把 G 点初步定下来 初定 G 点坐标为 1130 260 确定动臂与机架的铰接点 A 11 以 G 点为圆心 使铲斗顺时针转动 至铲斗斗口与 x 轴平行为止 即铲 OO 装工况 把已选定的轮胎外廓画在指标图上 轮胎外廓直径约为 1600mm 作图时 应 使轮胎前缘与铲装工况时铲斗后壁的间隙尽量小些 目的是使机构紧凑 前悬小 但 一般不小于 50mm 轮胎中心 Z 的 y 坐标值应等于轮胎的工作半径 Rk 600mm 1 2 w w w kz b b Hd Ry 5 式中 Z 点的 y 坐标值 mm z y 轮辋直径 mm w d 轮胎宽度 mm w b 轮胎断面高度与宽度之比 普通轮胎取 1 宽面轮胎去 0 83 超 w b H 宽面轮胎取 0 64 轮胎变形系数 普通轮胎为 0 1 0 16 宽面轮胎取 0 05 0 1 根据给定的最大卸载高度 hx 最小卸载距离 lx 和和卸载角 即高位卸载工 x 况 以点为圆心 顺时针旋转铲斗 使铲斗口与 x 轴平行 即得到铲斗最高举 G 升位置图 连接并作其垂直平分线 因为 G 和点同在以 A 点为圆心 动臂长为半 G G G 径的圆弧上 所以 A 点必须在的垂直平分线上 G G A 点在平分线的位置应尽可能低一些 以提高整机工作的稳定性 减小机器高度 改善司机视野 一般 A 点取在前轮右上方 与前轴心水平距离为轴距的 1 3 1 2 处 最终定下 A 点的坐标为 3230 2110 A 点位置的变化 可借挪动点和轮胎中心 Z 点的位置来进行 G 连杆与铲斗和摇臂的两个铰接点 F E 的确定 因为 G B 两点已被确定 所以再确定 F 点和 E 点实际上是为了最终确定与铲斗 相连的四杆机构 GFEB 的尺寸 如图 18 所示 确定 F E 两点时 既要考虑对机构运动学的要求 如必须保证铲斗在各个工况 时的转角 又要注意动力学的要求 如铲斗在铲装物料时应能输出较大的掘起力 同 时 还要防止前述各种机构运动被破坏的现象 按双摇杆条件设计四杆机构 12 令 GF 杆为最短杆 BG 为最长杆 即有 GF BG FE BE 6 如图 3 10 所示 若令GF a FE b BE c BG d 并将式 5 不等号两边同时除 以d 整理后得到下式 即 1 d a d c d b K 7 上式各值可按式 7 选取 由 G 1130 260 B 1680 1565 点的坐标得到 d 1415mm dc da K 8 0 4 0 5 0 3 0 995 0 950 0 8 由式 7 选取K 0 950 得到 a 0 3d 425 c 0 58d 830 代入 6 得到 b 948 图 6 连杆 摇臂 转斗油缸尺寸设计 Fig 6 Connecting rod rocker and turn fights oil cylinder size design 确定 E 和 F 点位置 这两点位置的确定要综合考虑如下四点要求 E 点不可与前桥相碰 并有足够 13 的最小离地高度 插入工况时 使 EF 杆尽量与 GF 杆垂直 这样可获得较大的传动 角和倍力系数 铲装工况时 EF 杆与 GF 杆的夹角必须小于 170 即传动角不能 小于 10 以免机构运动时发生自锁 高位卸载工况时 EF 杆与 GF 杆的传动角也 必须大于 10 如图 19 所示 铲斗插入工况 以 B 点为圆心 以 BE c 为半径画弧 人为的初选 E 点 使其落在 B 点右下方的弧线上 再分别以 E 点和 G 点为圆心 以 FE b 和 GF a 分别为半径画弧 得到交点 即为 F 图 7 连杆端部铰接点设计 Fig 7 Connecting rod ends hinged point design 如图所示的得到了 E 和 F 点的位置 由于各种工况的情况不定 所以在这就不具 体说明此时情况的坐标值 动臂举升油缸与动臂和车架铰接点 H 点及 M 点的确定 动臂举升油缸的布置应本着举臂时工作力矩大 油缸稳定性好 构件互不干扰 整机稳定性好等原则来确定 综合考虑这些因素 所以动臂举升油缸都布置在前桥与 前后车架的铰接点之间的狭窄空间里 4 3 工作装置静力学分析及强度校核 4 3 1 静力学分析 1 外载荷确定原则 装载机在铲斗插入料堆 铲斗要克服切削物料的阻力 物料与铲斗间的摩擦力和物料自身的重力 这些力构成了装载机工作装置的作业阻力 为了分析问题方便 假设它们作用在铲斗齿尖的刃口上 并形成两个集中力 水平插 入阻力和垂直掘起阻力 装载机实际作业时简化为两种极端受载情况 一是对称载荷 载荷沿切削刃均匀 分布 二是偏心载荷 由于铲斗偏铲或物料的不均匀性而导致物料对铲斗的载荷产生 14 不均匀分布 使载荷偏于铲斗一侧 形成偏心载荷 装载机在铲掘作业过程中 通常有以下三种受力工况 1 铲斗水平插入料堆 工作装置油缸闭锁 此时可认为铲斗斗刃只受水平插入 阻力的作用 2 铲斗水平插入料堆 翻转铲斗或举升动臂铲取物料时 认为铲斗斗齿只受垂 直掘起阻力的作用 3 铲斗边插入边收斗或边插入边举臂进行铲掘时 认为铲斗斗齿受水平插入阻 力与垂直掘起阻力的同时作用 如果将对称载荷和偏载情况分别与上述三种典型受力工况相组合 就可得到铲斗 六种典型的受力作用工况 1 水平对称工况 2 直对称工况 3 水平垂直对称同时作用工 况 4 水平偏载工况 5 垂直偏载工况 6 水平垂直偏载同时作用工况 2 外载荷计算 装载机的工作阻力是多种阻力的合力 由于物料性质和工作 机构工作方式的不同 工作阻力有不同的计算方法 一般工作阻力通常分别按插入阻 力 掘起阻力和转斗阻力矩进行计算 1 插入阻力 插入阻力就是铲斗插入料堆时 料堆对铲斗的反作用力计算上述阻力比较困难 一般按照下面经验公式来确定 N 25 1 4321 8 9BLKKKKFx 9 式中 K1 物料块度与松散程度系数 K2 物料性质系数 K3 料堆高度系数 K4 铲斗形状系数 一般在 1 1 1 8 之间 取 1 3 B 铲斗宽度 290cm L 铲斗的一次插入深度 40cm 得到 F 9 8 1 0 0 045 1 10 1 3 290 401 25 18397 N 2 掘起阻力 掘起阻力就是指铲斗插入料堆一定深度后 举升动臂时物料对铲斗的反作用力 掘起阻力主要是剪切阻力 铲斗开始举升时物料的剪切力按下式计算 15 N cz KBLF2 2 10 式中 K 开始举升铲斗时物料的剪切应力 它通过试验测定 对于块度为 0 1 0 3m 的松散花岗岩 剪切应力的平均值取K 35000Pa B 铲斗宽度 m Lc 铲斗插入料堆的深度 m 得到 F 2 2 35000 2 9 0 4 89320 N 3 转斗阻力矩 当铲斗插入料堆一定深度后 用转斗油缸使铲斗向后翻转时 料堆对铲斗的反作 用力矩称为转斗阻力矩 开始铲取时 a 0 的静阻力矩为 0a M yLxFM xa 4 1 4 01 1 0 11 式中 Fx 开始转斗时的插入阻力 18397N x 铲斗回转中心与斗刃的水平距离 1 13m y 铲斗回转中心与地面的垂直距离 0 26m L 铲斗的插入深度 0 4m 得到 yLxFM xa 4 1 4 01 1 0 1 1 18397 0 4 1 13 0 25 0 4 0 26 13599 N m 掘起阻力矩随铲斗回转角a的增大而减小 当铲斗回转a角后 其转斗阻力 a M 矩为 a M 1 0 n aa caMM 12 式中 3 lg 2lg 0 0 a M MM n a aa 0 0 1 a aa n M MM a c 16 铲斗离开料堆时的翻转角度 a 铲斗离开料堆时 由物料重力产生的阻力矩 N m a M 转斗阻力矩计算 铲斗在料堆中转斗时 除了要克服料堆的静阻力矩之外 还要 克服铲斗自重和铲斗中物料所产生的阻力矩 因此 开始转斗的阻力矩为 BCHaz LGGMM 0 13 式中 转斗阻力矩 N m z M 开始转斗静阻力矩 13599 N m 0a M 轮式装载机额定载重量重力 49000 N H G 铲斗自重力 13470N c G 铲斗中心至回转中心 B 的水平距离 0 5m B L 得到 BCHaz LGGMM 0 13599 49000 13470 0 5 44834 N m 图 8 作用在转斗连杆上力的确定 Fig 8 Turn on role in determination of connecting force of fight 作用在转斗连杆上的力 铲斗充分插入料堆后开始转斗时 作用在铲斗与铲斗 c F 连杆铰销上的力 c F N c z c L M F 14 式中 铲斗回转中心至的作用线的垂直距离 0 430m c L c F 17 得到 44834 0 43 c z c L M F N 4 3 2 强度校核 摇臂的强度校核 在对称载荷作用下 摇臂可看作是支承在动臂 B 点变截面 曲梁 由式 24 可得 Fc N 取单边侧板为研究对象 得到 N 5 52132 2 1 c F F 15 由 得到 0M 2112 llFF 16 代入数据得到600 830 5 52132 2 F 72116 N 弯矩 43269 N m 11 lFM 17 在对称水平载荷作用下 由内力得出内力图 图 9 图 9 对称载荷引起的摇臂内力图 Fig 9 Load symmetry in caused to the rocker 18 然后对危险断面强度校核 对于危险断面 1 1 在此断面上作用有弯曲应力和正 应力 以其合成应力所表示的强度条件为 A M 18 bdRA 2 19 由式 3 39 得到 045 0 1 012 0 2 A 0 0063 m2 得到 20 000 000 Pa 6868095 0063 0 43269 强度通过 5 液压系统的设计和计算 5 1 初选系统的工作压力 压力的选择要根据载荷的大小和设备类型而定 还要考虑执行元件的装配空间 经济条件及元件供应情况等的限制 具体选择可考虑表 1 和表 2 由工作要求 和系统压力要求可初步确定 用到的主要液压元件有 液压泵 液 压缸 油箱 表 1 按载荷选择工作压力 Table 3 1 press load selection work pressure 载荷 KN 50 工作压力 MPa 应进行稳定性校核 mmL1915 d10 若受力 F1完全在轴上 按下式计算 1 1 1 E E ab MPaMPaE 2 97 1 4 4 0 049 64 d Id 4 m 46 10987 11mI 28 6 1 22 10 K B E I F K L KNKNFK285 692 1 KK FFn KNKNF 5 461 1 符合条件 其中 活塞杆弯曲失稳临界压缩力 k FN 安全系数 通常去 1 5 2 k n 液压缸安装及导向系数 取K2 1 K 实际弹性模数 1 E 材料组织缺陷系数 钢材一般取a12 1 a 活塞杆截面不均匀系数 一般取b13 1 b 材料的弹性模数 钢材EMPaGPaE210 活塞杆横截面惯性矩 I 4 m 活塞杆材料屈服极限 S MPa 5 3 6 卡环连接的计算 卡环材料为 45 钢 卡环的强度按如下公式计算 MPa s 550 卡环的切应力 L pD 4 1 MPa 4 18 式中 油缸工作压力 pMPa m 卡卡卡卡卡卡卡 1 D 卡环厚度 Lm 卡环连接轴径为 mmD90 1 mmL30 故卡环强度条件满足 5 3 7 塞杆的导向套 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 导向套的典型结构型式有轴套式和端盖式两种 根据实际工况 采用端盖式导向套 导向套的材料 35 钢 导向套内孔与活塞杆外 圆的配合采用 H8 h7 导向套外圆与内孔的同轴度公差定为 0 02mm 圆度和圆柱度公 差不大于直径公差的 1 2 导向套滑动面的长度 在缸筒大于 80mm 时 A A 5 O0 1Dm 29 取 mA120 5 3 8 油口 油口包括油口孔和油口连接螺纹 液压缸的进 出油口可布置在端盖或缸筒上 油口结构如图 4 查表 4 得 表 5 油口的结构 Table 5 oil the structure of the mouth 缸内 径 D EC EE min 法 兰 规 格 EE 0 1 5 EA 0 25 ED 矩 形 法 兰 EE 0 1 5 EA 0 25 EB 0 25 63 80 M27 2 16151529 7 M81 25 131317 538 1 100 125 M33 2 20202035 5 M81 25 191922 246 7 160 200 M42 2 25252543 8 M101 5 252526 252 4 液压缸油口连接螺纹定为 M42 2 5 3 9 密封件 防尘圈 根据液压缸类型和尺寸 选取活塞密封件为 Yx 型密封圈 活塞杆密封件 0 型密封 圈 防尘圈选用 A 型防尘圈 5 3 10 转斗油缸与机架铰接处销轴的校核 根据设计和作图所得 N 为举升油缸的作用力 经计算得 1 1 216038 2 d PF b F N mm mm 所以mm mm 则 b F90L 1 30L 2 37 5L 50d MPa 12 571 W PL W 销轴材料为 40Cr MPa 许用应力 一般取 取 800 S S n 1 2 2n 1 2n 则 MPa 615 故 该销轴满足强度要求 5 4 泵的选用 泵的基本参数是压力 流量 转速 效率 泵的流量应稍大于液压马达和液压缸 流量之和 考虑到油路中的各种流量损失 一般留有 15 的裕度 装载机所采用压力 范围一般为 10 至 16 MPa 油泵的流量应保证实现油缸的最大运动速度 装载机作业 时选取转斗油缸和举升油缸的大者 并考虑到系统损漏量 确定油泵额定流量 在液 30 压缸设计部分中 已知举升油缸的流量最大 为 236L min 故选用 CBG125 型齿轮泵 CBG125 型齿轮泵的主要技术参数为 排量 125 ML r 额定压力 16 MPa 最高压力 20 MPa 额定转速 2000 r min 最高转速 2500 r min 容积效率 91 总效率 85 驱动功率 73 4 KW 重量 39 5 kg 5 5 油箱的设计 任何液压系统都不可少的部分 用以储存液压传动的工作介质 邮箱中的液压油 经液压泵增压后供应给液压系统 在液压系统中完成工作后的油液又返回油箱 油箱容量的计算 油箱除具备储存必须的油量外 还应有液压回路中的有全部回 到油箱时不溢出的预备空间 即油箱油面高度最高不超过油箱的 80 最低使进口滤 油器不吸入空气根据系统的压力概略如下 低压系统 V 2 4 Q 中压系统 V 4 5 Q 高压系统 V 5 7 Q 工程机械 行走机械 V 1 2 2 Q Q 为液压泵的流量 已知泵的排量为 250L min 所以油箱工作容量为 300L 5 6 过滤器的选用 选择过滤器的依据是 过滤精度 通油能力 工作压力 允许压降 过滤器 的类型等 过滤器的类型是指它在系统中的安装位置不同 有吸油过滤器 压力 油过滤器 回油过滤器 通气过滤器等 选过滤器时 通油能力通常为实际通过流量的 1 5 2 倍以上 系统总流量 min 236LQ 选过滤器的通油能力为min 3505 1236Lq 本设计选用吸油过滤器和回油过滤器的型号如下所述 吸油过滤网式过滤器 技术规格 WU 400 180F WU 400 180F 型吸油过滤器主要参数 过滤精度为 31 180 m 压力损失为 0 01MPa 流量 400L min 通径 65mm 联接形式 螺纹 联接 回油过滤器为纸质过滤器技术规格 ZU A400 10S 压力为 16MPa 流量为 400 L min 过滤精度 这里我们选过滤精度为 10 m 带发信号装置 通径为 168mm 流量为 400 L min 压力为 16 Mpa 压降为 0 12MPa 5 7 管道及管接头的选择 1 泵站及流量较大的管路可以使用硬管 硬管内径可按下式计算 mm v Q d 7 3863 4 管道内径 mm d 通过管道的最大流量 L min Q 管道内液流允许流速 m s 通常 5m s VV 则 mmd36 管子壁厚的计算 管子壁厚可用公式得到 mm pd 28 5 10602 401016 2 6 6 20 取整 5 5mm 式中 工作压力p 管子内径d 许用应力 2 管接头的选择 在选择管接头的原则是 必须使它具有足够的通流能力和较小的 压力损失 同时做到装卸方便 联结牢固 密封可靠 外形紧凑 软管接头处选用快 换接头 根据机械手册查表 20 8 57 选用公称流量 63L min 软管内径为 36mm 工 作压力为 16MPa 的 A 型快换接头 钢管管道接头采用螺纹联结接 螺纹尺寸是 M22 1 5 5 8 连轴器的选用计算 在选用标准联轴器或已有推荐的系列尺寸的联轴器型号时 一般都是以联轴器所 需传递的计算转矩小于所选联轴器的许用转矩或标准联轴器的公称转矩为原 C T T n T 则 由于不考虑其性能 通常 73 2 95509550350 5 2000 p TNm n 32 21 式中 理论转矩 C TNm 分别为驱动功率 kW 和转速 r min Pn C T tZW KKTKKNm 2 5291151 1 198 根据泵输入轴直径 由手册查得 选得的联轴器为 LM6 梅花联轴器 5 9 液压油的选用 液压系统中的工作油液具有双重作用 一是作为传递能量的介质 二是作为润滑 剂润滑运动零件的工作表面 因此油液的性能会直接影响液压传动的性能 如工作的 可靠性 灵敏性 工况的稳定性 系统的效率及零件的寿命等 本系统选用 L HV 型液压油 6 结论 在这次毕业设计中 我有很多收获 首先把我几年来所学的知识做了一次系统的 复习 更深一步了解了所学的知识 培养了我综合运用所学知识 独立分析问题和解 决问题的能力 也使我学会怎样更好的利用图书馆 网络查找资料和运用资料 还使 我学会如何与同学共同讨论问题 这对我以后的工作有很大的帮助 今后我会在工作中 不断的学习 努力的提高自己的水平 经过本次设计 我切实体会到作为一个优秀的设 计人员的艰辛 在设计过程中 我经常遇到各种各样的问题 有的是由于知识方面的 不足而导致的 有的是由于设计经验方面的不足而导致的 这些问题有时使得我束手 无措 不过在指导老师帮助和自己的努力下 终于使得我顺利完成了设计 虽然我的设计存在很多不足的地方 总的来说 我希望通过这次毕业设计对自己 未来将从事的工作进行一次适应性的训练 从中锻炼自己分析问题 解决问题的能力 为将来工作打下良好的基础 参考文献 1 张洪编 现代施工工程机械 M 北京 机械工业出版社 2008 40 50 2 杨占敏编 轮式装载机 M 北京 北京化学工业出版社 2006 36 42 3 周松林编 装载机工作装置优化设计 J 工程机械 2004 50 61 4 5 4 赵新庄编 公路施工机械 M 北京 北京人民交通出版社 2002 15 20 5 何正忠编 装载机 M 北京 北京冶金工业出版社 1999 60 70 6 甘永立编 几何量公差与检测 M 北京 上海科学技术出版社 2005 33 7 孙恒编 机械原理 J 高等教育出版社 2005 3 4 8 高秀华编 工程机械结构与维护检修技术 J 化学工业出版社 2004 5 6 9 朱学敏编 土方工程机械 J 机械工业出版社 2003 3 5 10 杨晋生编 铲土运输机械设计 M 北京 北京机械工业出版社 1981 11 张利平编 液压传动系统及设计 J 化工工业出版社 2005 4 6 12 张祖立编 机械设计 J 中国农业出版社 2004 5 6 13 刘忠编 工程机械液压传动原理故障诊断与排除 J 机械工业出版社 2005 6 5 14 于硕编 装载机工作装置机构分析 M 北京 工程机械 2001 15 刘延俊编 液压与气压传动 J 机械工业出版社 2004 4 5 16 成大先编 机械设计手册 液压传动 J 化工工业出版社 2004 5 4 17 Frank M White Fluid Mechanics Fourth Edition ISBN 0 07 7 Printer Von Hoffmann PressInc 1999 18 Antony Barber Pneumatic Handbook 7th Edition The Trade Technical Press Limited 1989 19 陈育仪编 工程机械优化设计 M 北京 北京中国铁道出版社 1987 20 王国彪编 装载机工作装置优化设计 M 北京 北京机械工业出版社 1996 附录 附录 1 装载机工作装置图 A0 1 附录 2 液压缸装配图 A1 1 附录 3 工作装置摇臂图 A1 1 附录 4 工作装置铲斗图 A1 1 34 附录 5 工作装置连杆图 A3 1 附录 6 液压活塞图 A4 1 附录 7 液压系统图 A1 1 25 吨水平定向钻机推进机构设计 250t 单梁桥式起重机小车运行机构设计 450t 门式起重机金属结构设计 JS750 混凝土搅拌机结构设计 PLC 控制的翻转机械手的设计 PLC 控制的移置机械手的设计 S11 M 10010 0 4 型变压器的设计及制造工艺 SYYZ792 铜连铸连轧机 轧机部分 液压系统设计 X5040 升降台铣床数控改造 横向 ZL50