ZD220-3推土机液压系统设计.doc

1 绪论1.1 前言以液压技术应用为基础的推土机是工程机械领域中一种典型的土石方施工设备，液压推土机与传统的机械推土机一样，在国民经济与国家建设事业中，占据重要的地位。它广泛应用于铁道建筑工程、公路工程、机场建设、水利工程、房屋建筑、市政工程、港口建设、矿山工程、地下工程、军事工程等各种工程项目中，我国建国五十多年社会主义建设的实践充分说明，如果没有大量优质的推土机，是不可能高速高质完成国家的建设项目的。至于人烟稀少，工作面狭窄，工作条件恶劣，高寒沙漠地带，工程质量要求严格的工程项目，没有优质的推土机是绝对不可能完成任务的。推土机的覆盖面广，技术先进，直接关系国家的建设事业，有不少领域等待着人们去探讨与提高，是大有可为的。因此我们从国家建设事业出发，选择了履带式推土机液压系统的设计，是大有前景的。液压推土机作为工程机械的一个重要品种，对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，都起着很大的作用，因此，大力发展液压挖掘机，对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展具有重要意义。1.2 推土机简介推土机（bulldozer）是一种多用途的自行式土方工程建设机械，它能铲挖并移运土壤。在道路建设施工中，推土机可完成路基基底的处理，路侧取土横向填筑高度不大于1m的路堤，沿道路中心线向铲挖移运土壤的路基挖填工程，傍山取土修筑半堤半堑的路基。此外，推土机还可用于平整场地，堆集松散材料，清除作业地段内的障碍物等。推土机在建筑、筑路、采矿、油田、水电、港口、农林及国防各类工程中，都得到了十分广泛的应用。它担负着切削、推运、开挖、堆积、回填、平整、疏松、压实等多种繁重的土方作业，是各类施工中不可缺少的主要设备。图1.1 ZD220-3推土机实物图1.3 推土机的发展历程履带式推土机(track-type tractor）由美国人Benjamin Holt在1904年研制成功，它是在履带式拖拉机前面安装人力提升的推土装置而形成，当时的动力是蒸汽机，之后又先后研制成功由天然气动力驱动和汽油机驱动的履带式推土机，推土铲刀也由人力提升发展为钢丝绳提升。Benjamin Holt也是美国卡特彼勒（Caterpillar Inc.）公司的创始人之一，1925年Holt制造公司和C.LBest推土机公司合并，组成卡特彼勒推土机公司，成为世界首家推土设备制造者，并于1931年成功下线第一批采用柴油发动机的60推土机。随着技术的不断进步，目前推土机动力已经全部采用柴油机，推土铲刀和松土器全部由液压缸提升。推土机除履带式推土机外，还有轮胎式推土机，它的出现要比履带式推土机晚十年左右。由于履带式推土机具有较好的附着性能，能发挥更大的牵引力，因此在国内外，其产品的品种和数量远远超过轮胎式推土机。在国际上，卡特彼勒公司是世界上最大的工程机械制造公司，其生产的履带式推土机有大、中、小共9 个系列D3-D11，最大的D11RCD，柴油机飞轮功率达到634kw；日本的小松（komatsu）公司列第二位，1947 年才开始引进生产D50 履带推土机，现在履带式推土机有13 个系列，从D21-D575，最小的为D21，柴油机飞轮功率为29.5kw，最大的为D575A-3SD，柴油机飞轮功率达858kw，它也是当前世界上最大的推土机；另外一家独具特色的推土机制造企业是德国的利勃海尔集团（Liebheer），其推土机全部采用静液压驱动，该技术历经十几年的研究与发展，1972年推出样机，1974 年开始批量生产PR721-PR731 和PR741静液压驱动履带推土机，由于液压元件的限制，目前其最大功率仅为295Kw，型号为PR751矿用。 我国生产推土机，是新中国成立以后才开始的。最初是在农用拖拉机上加装推土装置。随着国民经济的发展，大型矿山、水利、电站和交通等部门对中大型履带式推土机的需求不断增加，我国中大型履带式推土机制造业虽有较大发展，但已不能满足国民经济发展的需要。为此，自1979年以来，我国先后从日本小松公司和美国卡特彼勒公司引进了履带式推土机生产技术、工艺规范、技术标准及材料体系，经过消化吸收和关键技术的攻关，形成了目前以,20世纪80-90年代小松技术产品为主导的格局。 从20世纪60年代至今，国内推土机行业的生产企业一直稳定在4家左右，原因是推土机产品的加工要求高、难度大，批量生产需要较大的投入，因此一般企业不敢轻易涉足。但是随着市场的发展，从“八五”开始，国内一些大中型企业根据自身实力，开始兼营推土机，如内蒙古第一机械厂、徐州装载机厂等，扩充了推土机行业队伍。与此同时，也有少数企业由于经营不善、不适应市场发展的需要开始走下坡路，有的已经退出本行业。目前国内推土机的生产企业主要有：山推工程机械股份有限公司、河北宣化工程机械股份有限公司、上海彭浦机器厂有限公司、天津建筑机械厂、陕西新黄工机械有限责任公司、一拖工程机械有限公司等。1.4 国内外推土机研究及发展状态1.4.1 国外推土机的发展趋势目前，国外广泛生产的推土机是履带式推土机。为适应工程发展的需要，20世纪70年代以来，大型履带式推土机在品种和数量上都迅速发展。现在生产大型履带式推土机的厂商主要有美国卡特彼勒公司、日本小松公司、意大利Fiat-Allis公司等，其产品性能代表了当代大型履带式推土机的水平。近年来，国外推土机产品以电子信息技术为先导，在计算机故障诊断与监控、精确定位与作业、发动机电子控制和人机工程学等方面，进行了大量的研究应用，主要表现在以下几方面：GPS在推土机的应用在GPS定位和导向的指引下，在施工成形要求、确定和控制机械运动的方向和移动距离以及确定和控制作业装置的动作和运动轨迹时，可以不用人工操纵或简化人工操纵，实现推土机的自动化和无人驾驶。计算机故障诊断系统机载计算机可根据各种传感器的检测信号，结合专家知识库对机器的运行状态进行评估，预测可能出现的故障，在出现故障时发出故障信息或指导驾驶员查找和排除故障。关键信息显示管理系统采用网络通讯技术，在办公室的控制中心实时监控推土机的作业状态，据此向司机提供基于文字提示的精确的故障诊断信息。柴油发动机控制管理系统根据静压传动装置及推土机的工作状态，自动调节发动机输出功率与转速，以满足不同作业工况的需要，提高燃料的经济性。人机工程学的普遍应用国外工程机械特别注重驾驶员与操作界面的协调，讲求操作的舒适性。1.4.2 国内推土机的发展趋势推土机在我国的发展大致经力了萌芽期（19501961年）、专业形成期（19611978年）和产品系列形成期（1978年至今）等三个阶段。通过半个世纪的发展，特别是1978年以后，我国的推土机逐渐形成系列，通过引进国外的先进技术，提高了专业技术水平，使我国推土机的产量和品种都有了较大的增长，产品性能和技术水平达到了国际20世纪80年代末、90年代初的水平。目前全国生产推土机的厂家已有20多个，生产规格45300KW不等，年产量已有1万台以上。“十二五” 期间， 我国交通基础建设投资力度将进一步加大， 计划完成铁路建设投资12500亿元人民币，建设新线19800 km；新增公路里程400000km，其中高速公路30000 km。作为一种多用途的自行式土方工程建设机械，推土机将在陆续开展的交通基础设施建设中分得一杯羹。另外，宏观调控后部分地区产品需求的恢复性增长、新农村建设带动的农村基础设施建设投入的增加以及仍将在一定时期内维持高速增长的出口市场都将积极推动我国推土机市场的发展。今后我国推土机的发展主要考虑以下几点：1）提高推土机的工作可靠性和使用寿命。国产履带式推土机的可靠性和使用寿命与国际先进水平的产品相比还有比较大的差距。例如，美国卡特匹勒公司生产的履带式推土机的使用寿命为1000012000h，日本小松公司的为800010000h，而国产的仅为300012000h。随着国际先进技术标准的逐步采用、新结构、新材料、新工艺，应迅速提高国产推土机的可靠性和使用寿命。2）发展大功率多功能用推土机。目前推土铲的功率均在235KW以下，不能适用大型、特大型工程施工的需要，每年都需进口1000台左右的大型推土机。随着我国基本建设的加快、大中型工程的增多，发展大功率推土机势在必行。而且要积极研制开发多功能的工作装置，以提高推土机的利用率和作业效率。3）扩大生产规模、降低生产成本。国内推土机专业生产厂中以履带式推土机为主导产品的有11家。生产73KW以上厂家中年产量多为100200台。产量小，成本高，未形成规模经济。因此必须扩大生产规模，降低生产成本。4）发展机电液一体化。目前国产推土机的整体技术水平虽然有较大的提高，但由于近年来世界上技术发展很快，电子技术开始运用于推土机，实现了机电液一体化。例如，在发动机上采用了电子调速器，极限负荷控制系统和燃油喷射系统等，能够根据推土机作业情况，发动机工况，自动调整发动机性能，提高其适应性；推土铲采用自动控制的调平系统，提高了作业质量和生产效率。实现机电一体化是国产推土机发展方向之一。5）提高安全、舒适性，符合环境保护法。国产推土机要进一步满足用户要求和拓展国内外市场，必须按国际FOPS和ROPS标准，在推土机上安装防滚翻驾驶室并设置重要部件故障报警系统，以提高推土机的使用安全性。驾驶室内的空调设施，防震可调座椅的设置等要符合人机工程学的要求,提高驾驶员的工作舒适性,降低了噪音,减少了振动,噪声,震动,机械的涂饰等指标均要符合保护环境的要求。1.5 推土机的分类推土机可按用途、发动机功率、传动方式、行走方式、推土铲安装方式及操作方式等进行分类。用途可分为：普通型推土机和专用型推土机两类；普通型推土机。这种推土机通用性好，广泛应用于各类土方工程的施工作业，是目前施工作业中广为采用的推土机机种。专用型推土机。该类推土机包括浮体推土机、水陆两用推土机、深水推土机、湿地推土机、爆破推土机、低噪音推土机、军用高速推土机等。他们均属于特殊条件下使用的专用推土机施工机械。 发动机的功率可分为：因为柴油机具有功率范围宽，输出扭矩大，燃料使用经济性好，故障少，工作可靠等优点，所以推土机均采用柴油机为动力装置。按柴油机的功率大小，推土机可分为小型推土机（140KW）、中型推土机（59103KW）和大型推土机（118235KW）、特大型推土机（功率235KW）等四类。按传动方式可分为：机械传动式推土机。它具有设计制造容易，工作可靠，传动效率高，维修方便等优点，但操作费力，对负荷的使用性差，使推土机的作业效率受到一定影响。目前只是小型推土机采用机械传动。液力机械传动方式推土机。采用液力变矩器与动力换挡器组合的液力机械传动，具有自动无级变速变矩，适应为负荷变化的能力，且可自动换挡，减少换挡次数，操纵轻巧灵活，使推土机作业效率高等优点。缺点是：液力变矩在工作过程中容易发热，降低了传递效率；同时传递装置结构复杂，制造精度高，提高了知道成本，维修较困难。目前大中型推土机采用这种传动方式较为普遍。全液压传动式推土机。它自带泵源，由液压马达直接驱动其行走。因为取消了主离合器，变速器，后桥等总成，所以结构简单，整机质量减轻，操纵轻便，并可原地转向。全液压传动式推土机制造成本较高，且耐用度和可靠性差，维修较困难。目前只在中等功率的推土机上采用全液压传动。电传动式推土机。它由柴油机带动发动机电动组，进而驱动其行走装置。电传动总体布置方便，操纵轻便，且能实现原地转向。行驶速度和牵引力可无级调节，对外界阻力有良好的适应性，作业效率高。但由于质量大，结构复杂，制造成本高，目前只在大功率推土机使用，且以轮胎式推土机为主。另一类电传动推土机是采用动力电网的电力，可称为电气传动，该推土机一般用于矿山开采和井下作业，因受电力和电缆的限制，它的使用范围受到很大制约。但此类推土机结构简单，工作可靠，不污染环境，作业效率高。 行走方式可分为：履带式推土机。起耐用性好，牵引力大，接地比压大，爬坡能力强，能适应恶劣的工作环境，故具有优越的作业能力，但机械质量大，制造成本高。轮胎式推土机。其行驶速度快，机动性好，转移迅速方便且不损坏路面，作业循环时间短，适合城市建设和道路维修工程中使用。制造成本底，维修方便。但它的附着性能差，在松软、潮湿的场地上施工时，生产效率底，甚至无法施工。若遇到坚硬，锐利的岩石，轮胎容易磨损，因此轮胎式推土机的使用受到一定限制。按铲刀方式可分为：固定式铲刀推土机。起推土铲在水平面内与推土机纵向轴线固定为直角，也称为直铲式推土机。一般来说，从铲刀的坚固性和经济性考虑，小型及经常重载作业的推土机都采用这种铲刀安装方式。回转式推土机。其推土铲在水平面能回转一定角度（也可成为直角）。它作业范围较广，可以直线行驶一侧排土，适宜平地作业，也宜于横坡铲土侧移。该推土机又称活动式铲刀推土机或角铲式推土机。目前绝大多数推土机用柴油机是由蓄电池电动机启动的，故柴油机操纵机构大为简化，其生产制造、技术使用及维修等日趋成熟。由于液压控制技术的迅速发展，使现代推土机工作装置的控制已实现液压化，它具有切土立强、平整质量好、生产效率高等优点，可满足工程建设对施工质量的要求。1.6 本设计主要内容推土机是以履带式拖拉机或轮胎式基础车为主机体配以推土工作装置和操纵机构组成的自行土石运输施工机械，是工程机械中用途广泛的一个机种。推土机的总体设计不仅包括各工作装置的选型与设计，还牵涉到各个装置之间的关联和技术参数的相匹配问题。本设计主要内容为ZD220-3推土机液压系统设计，通过对ZD220-3推土机液压传动系统、推铲理论提升与下降高度、松土器松土深度和提升高度、变速转向要求等各种工作状况进行分析确定各种参数，最终进行液压系统结构的设计。2 ZD220-3推土机液压系统方案设计2.1 ZD220-3推土机液压系统组成与功能分析 ZD220-3推土机液压系统可划分为变速转向液压系统和工作装置(机具)液压系统两部分，其中变速转向液压系统包括变速液压系统、转向液压系统，由变速器、转向器(转向先导阀)、控制阀以及液压缸组成，工作装置液压系统由各种控制阀和液压缸组成。推土机在行驶和作业中，需要利用变速转向系统制动，改变运行速度、行驶方向或保持直线行驶，因此变速转向液压系统要完成的工作任务就是改变推土机的速度，控制推土机的左转、右转或直行以及转向制动。变速转向系统的基本要求是操纵轻便灵活，工作稳定可靠，使用经济耐久。转向性能是保证推土机安全行驶，减轻驾驶人员的劳动强度，提高作业生产率的主要因素。由于推土机在作业中需要频繁地转向，转向系统是否轻便灵活，对生产效率影响很大，而采用液压系统驱动转向机构是实现这一要求的理想途径。操作人员只需用极小的操作力和一般的操作速度操纵控制元件，就可以实现快速转向。它使作业时操作的繁重程度大为改善，并进一步提高了生产率，同时也提高了行驶的安全性。推土机工作装置(机具)液压系统控制着推土机铲斗和松土器的动作，要完成的工作任务就是铲举升、铲倾斜、铲浮动以及松土器举升等动作。在推土机工作过程中，工作装置的工作速度应该是可调的，而且工作速度稳定。铲斗是推土机的主要工作装置，在推土机工作过程中，通过推土机向前运动的推力进行铲土或碎石，然后对土或碎石等材料进行搬运。铲斗工作装置要完成的动作包括举升、保持、下降、浮动和倾斜。根据推土机的工作要求，中小型推土机，除了铲掘和推运不太硬的土质之外，还往往进行回填和向一侧推土，或者用推土铲的一角在地面开小沟，或者用来平整具有一定坡度的平面。因此推土铲要能够在水平面内回转、在垂直面内倾斜。而大型推土机的作业方式较少、应用范围较窄，主要要求它有强大的铲掘能力和推运能力，这样，装备有固定式立铲即能满足使用要求，但有时也要求推土铲能在垂直面内倾斜，以便利用铲尖作业或适应斜坡作业。大型推土机铲斗的升降高度有时高达2m以上，因此加快铲斗的下降速度对缩短推土机的作业循环时间、提高其生产率有着重要意义。为此，推土机大多在推土铲升降回路上是用铲斗快速下降阀，用以实现铲斗举升缸的差动连接，并降低铲斗举升缸的排油(有杆)腔回油阻力，使铲斗快速下降。中小型推土机发展早，使用时间长，由于其作业对象是中等坚实度的土质，仅用推土铲即可完成铲掘和推运任务，因此推土铲被公认是推土机的传统工作装置。随着经济建设规模的不断扩大，对推土机铲掘能力的要求不断提高，由于不能只用提高牵引力的办法来铲掘路石和硬度很大的土质，因此大、中型推土机配备了松土装置。先将坚硬土质用松土装置松散之后，再用推土铲进一步铲掘和推运，于是松土器成为大中型推土机不可缺少的工作装置。此外，用松土器可代替打眼放炮的施工方法，从而大大降低工程造价。松土装置大多置于推土机后部，与推土铲配合，用于破碎坚硬的土层或岩石层。松土器使用刀齿切削角可调的四杆机构，利用液压缸使之动作。中间用一个液压缸。起调整裂土刀升降的作用，上部用两个并联液压缸代替杆件以调节松土刀的切削角。此外，松土装置还有铰链式和带液压冲击锤式等。松土器工作装置要完成的动作包括举升、下降。 表2.1 ZD220-3 推土机相关参数工作装置及附件推土铲型式角铲/直倾铲宽度4365/3725 mm高度1055/1315 mm最大提升高度1292/1210 mm最大下降量536/538 mm最大倾斜量500/735 mm铲刀容量4.8/6.4 m松土器齿数3最大松土深度666 mm最大提升高度555 mm松土器重量2700 kg传动装置行走速度前进档0-3.6 km/h前进档0-6.5 km/h前进档0-11.2 km/h后退档0-4.3 km/h后退档0-7.7 km/h后退档0-13.2 km/h最大牵引力207kN尺寸型式角铲/直倾铲全长6060/5750 mm全宽4365/3725 mm全高（至排气管顶端）3395 mm全高（至驾驶室顶端）3354 mm发动机型号康明斯NT855-C280(第三代)型式增压水冷直列四冲程缸数-缸径行程6-139.7152.4 mm活塞排量14010 ml额定功率/额定传速162 kW/1800 r/min最大扭矩1078 N.m/1250 r/min燃油消耗率208 g/kW.h2.2 ZD220-3推土机变速转向液压系统设计变速转向液压系统设计作为推土机设计的重要组成部分，设计时必须满足工作循环时对速度和方向控制所提出的全部技术要求，且静动态性能好、效率高、结构简单、工作安全可靠、寿命长、经济性好、使用维护方便。2.2.1 ZD220-3推土机变速转向液压系统原理分析ZD220-3推土机变速转向系统采用液力机械传动方式、行星齿轮式动力换挡变速器、弹簧压紧油式分离常结合式转向离合器。 液力变矩器工作原理泵轮组件中的泵轮由螺栓和驱动壳连接，驱动齿轮由螺栓和驱动壳连接。驱动齿轮直接插入发动机飞轮齿圈内，故泵轮随发动机一起旋转。导轮由螺栓和导轮毂连接，导轮毂通过花键和导轮座连接，导轮座又通过螺栓和变矩器壳连接，故导轮和变矩器壳一起，是不旋转的。涡轮和涡轮毂用铆钉铆接在一起，再通过花键和涡轮输出轴连接，涡轮输出轴通过花键和联轴节连接，将动力传递给其后的传动系统。泵轮随发动机一起旋转，将动力输入，导轮不旋转，涡轮旋转，将动力输出，三者之间相互独立，轮间间隙约为2mm。 泵轮、涡轮、导轮自身由许多叶片组成，称之为叶栅，叶片由曲面构成，呈复杂的形状。变矩器在工作时，叶栅中是需要充满油液的，在泵轮高速旋转时，泵轮叶栅中的油液在离心力的作用下沿曲面向外流动，在叶栅出口处射向涡轮叶栅出口，然后沿涡轮叶栅曲面作向心流动，又从涡轮叶栅出口射向导轮叶栅进口，穿过导轮叶栅又流回泵轮。泵轮、涡轮、导轮叶栅组成的圆形空间，称之为循环圆。由于涡轮叶栅曲面形状的设计，决定了涡轮和泵轮在同一方向旋转。这样，变矩器叶栅循环圆中的油液，一方面在循环圆中旋转，一方面又随泵轮和涡轮旋转，从而形成了复杂的螺旋运动，在这种运动中，将能量从泵轮传递给涡轮。 涡轮的负荷是推土机负荷决定的。推土机的负荷由铲刀传递给履带行走系统，再传给终传动、转向离合器、中央传动、变速器和联轴器总成，最终传递给变矩器涡轮。 涡轮负荷小时，其旋转速度就快；负荷大时，旋转速度就慢。当推土机因超载走不动时，涡轮的转速也下降为0，成为涡轮的制动状态。这时，因涡轮停止转动，由泵轮叶栅射来的油液，以最大的冲击穿过涡轮叶栅冲向导轮，在不转的导轮叶栅中转换成压力，该压力反压向涡轮，增大了涡轮的扭矩，该增加的扭矩和涡轮旋转方向一致，此时涡轮输出扭矩最大，为泵轮扭矩的2.54倍。涡轮随着负荷增大，转速逐渐降低，扭矩逐渐增加，这相当于一个无级变速器在逐渐降速增扭。这种无级变矩的性能与易操纵而挡位较少的行星齿轮式动力换挡变速器相配合，使推土机获得了优异的牵引性能。 液力变矩器是依靠液力工作的。油液在叶栅中流动时，由于冲击、摩擦，会消耗能量，使油发热，故液力变矩器的传动效率是较低的。目前，国内外最好的液力变矩器其最高效率为88%。当变矩器的涡轮因推土机超负荷而停止转动时，由泵轮传来的能量全部转化成热量而消耗掉，此时变矩器效率为0。要想提高变矩器的传动效率，就要掌握推土机的负荷，使涡轮有适当的转速、推土机有适当 的速度；即当推土机因负荷过大而走不动时，要及时减小负荷，提一下铲刀或由II挡换为I挡。 行星齿轮式动力换挡变速器工作原理ZD220-3推土机变速器采用行星齿轮式动力换挡变速器的结构，该变速器主要由四个行星排、四个固定式离合器和一个旋转闭锁离合器构成。控制机构采用液压系统控制。搬动操纵阀手柄，进入变速箱的液压油止动住其中两个离合器，使变速箱输出轴得到某一个转速及转向，止动不同的两个离合器，即得到不同的转向及转速，共有三个前进档和三个倒档。分别如下:表2.2 ZD220-3推土机档位分配图前进一挡NO.1和NO.5前进二挡NO.1和NO.4前进三挡NO.1和NO.3后退一挡NO.2和NO.5后退二挡NO.2和NO.4后退三挡NO.2和NO.3 转向离合器和转向制动器工作原理变速器的动力传入中央传动后，就从纵向传动变为横向传动，由横轴分别传给左、右两个转向离合器。 ZD220-3推土机的转向离合器是弹簧压紧、液压分离、常啮合、温式摩擦片结构型式。它包括外鼓、内鼓、压盘、外摩擦片、内齿处、活塞、螺栓、套筒与活塞连接成一个整体，大、小弹簧支撑在内鼓上，弹簧的安装负荷推动活塞向右移动，带动压板将摩擦片和齿片压紧在一起，实现接合传力。弹簧共8组，总安装负荷3.2T，有足够的压力压紧摩擦片以传递力矩。 当推土机需要转向（如拉动左转向拉杆）时，淮压油充入转向离合器活塞和轮毂之间的油腔，油压力推动活塞，带动压盘向左移动，摩擦片和齿片松开，不再传递力矩，推土机左侧失去动力，在右侧履带的推动下向左转向。转向结束时，松开拉杆，液压油在活塞推动下回流，转向离合器重新接合传力，推土机恢复直线行驶。 ZD220-3型推土机转向制动器是液压助力、浮动湿式制动带式。它包括安装在转向离合器外鼓上的制动带、助力活塞、连杆、浮动杆、连杆等零件。由于浮动机构的优越性能，不论离合器外鼓是正转还是反转，制动时都很平稳，不会产生制动冲击。2.2.2 ZD220-3推土机变速转向液压系统原理图的拟定通过对ZD220-3推土机变速转向液压系统原理的分析，可将该液压系统划分为两个独立的子液压系统：转向制动液压系统和变速液压系统。 转向制动液压系统原理图图2.1 转向制动液压系统原理图1粗滤器 2转向泵 3细滤器 4分流阀 5溢流阀 6、7转向阀 8、9转向离合器液压缸10安全阀 11油冷却器 12背压阀 13后桥箱 14同步伐 15、16安全阀 17、18制动阀19、20制动器液压缸 A、B、C、D、E、F油压测试点转向泵2与分动箱连接，将机械能转化为液压能，使油液自后桥箱13吸出并经粗滤器1和精滤器3过滤而进入分流阀4，由分流阀将液流流量按3：1的比例分配给转向阀和制动回路。转向阀的工作压力由顺序阀5来保证。顺序阀溢出的油进入变速回路后与变速回路的油合流，然后进入变矩器。在正常情况下，不操纵转向手柄时，由分流阀流至左或右转向阀的压力油被封闭在转向阀内，不向转向离合器供油，此时，转向离合器处于接合状态。在左、右转向阀上都有一小孔，通过此小孔不断向左、右转向离合器补充少量油液，使离合器工作腔内始终充满油液。一旦操纵转向阀，离合器就立即分离，提高了灵敏度。分别操纵阀6或7，可使左或右离合器分离，实现左或右转向；若同时操纵阀6、7，使左右离合器同时分离，则推土机停驶。制动回路的工作原理与转向回路相同，系统的压力顺序阀挑定。由在正常情况下，不操作制动手柄时，由分流阀流至左或右制动阀的压力油被封闭在制动阀内，不向制动液压缸供油，此时，制动液压缸不工作。当分别操作17或18制动阀时，使左或右制动液压缸进油，实现制动。 变速液压系统原理图图2.2 ZD220-3推土机变速液压系统原理图1变速泵 2调压阀 3快回阀 4减压阀 5变速阀 6启动安全阀 7换向阀 8液力变矩器 9溢流阀 10背压阀来自变速泵的液压油经过滤器一路进人调压阀2，另一路进入快回阀3。当系统压力逐步升高到某一值时，来自快回阀3的控制油经调压阀2的遥控口推动该阀阀心向左移动。此时液压油经溢流阀9向液力变矩器8供油，完成变矩器8的蜗轮输出轴与变速箱输入轴之间的动力输出。当变速阀5在空挡位置时，系统压力油经减压阀4进入第五离合器液压缸，同时进人启动安全阀6，由于节流作用，缓慢推动该阀阀心移动，使阀口通道与主油路接通，这样当变速阀5换上挡时能迅速使压力油进入。如直接换上挡位置，刚启动安全阀6进油油路被截断，使机车不能行驶。当变速阀在一挡位置时，液压油经快回阀3进入减压阀4减压到125MPa，再经启动安全阀6、换向阀7，使变速箱的第五、第一离合器(或第二离合器)结合，机车得到前进或后退一挡的速度。；当变速阀5在二、三挡位置时，减压工作原理与上相同。系统压力油分别向第四、第一(或二)，第三、第一(或二)离合器供油，以得到不同的前进与后退的速度。根据上述分析，拟定ZD220-3推土机变速转向液压系统原理图如下：图2.3 ZD220-3推土机变速转向液压系统原理图1.12.13.14油滤清器 2变矩器回油泵 3变速泵 4转向泵 5溢流阀 6背压阀 7散热器8分动箱 9变矩器 10润滑油道 11润滑油 15调压阀 16快回阀 17减压阀 18速度阀19.27.28安全阀 20方向阀 21先导阀 22.26分配阀 23顺序阀 24右转向阀 25左转向阀2.3 ZD220-3推土机工作装置液压系统设计ZD220-3推土机工作装置包括铲斗和松土器，是推土机整机中的核心部分。工作装置的性能将直接影响着推土机的工作效率。ZD220-3推土机工作装置的动作分为推土板的垂直倾斜、升降以及松土器的升降运动。对于推土板的垂直倾斜运动，需用有控制推土板倾斜的液压油缸，因其只有倾斜运动，固液压油缸选为单活塞杆双作用液压油缸进行控制；而对于推土板的的升降运动，也可用单活塞双作用液压油缸进行控制。考虑到油缸的受力问题，可在两边个装一个液压油缸，使其受力均匀；同理，松土器的升降运动同样可采用单活塞双作用液压油缸进行控制，以满足要求。对于铲刀垂直倾斜油缸，当其工作时，即控制阀的中位时，油泵产生的压力油要直回油箱；而当其工作时，操纵控制阀，压力油又能改变方向从而使油缸活塞杆能产生不同的运动方向，即收缩及拉伸运动。要满足上述要求以及考虑到人体手感的舒适敏捷性，选控制阀三位六通手动换向阀进行控制。同理，松土器的分析也一样，控制阀也选用三位五通手动换向阀进行控制。不同之处在于当松土器松土碰到坚硬障碍物而不能松土时，如果这时没有一个卸油装置，则会使松土器油缸产生很大的压力，从而降低液压油缸的寿命甚至产生爆炸危险。因而还需在与松土器有杆面相连的油路上连接一过载阀进行保护。同时考虑到当松土器在很松的土壤上或者不平的路面上工作时，松土器油缸的活塞会在重力的作用下产生运动，从而使油缸有杆腔产生气泡，这对油缸是相当不利；因而需有一补油装置来防止上述情况产生。在这我们采用一单向阀直接装在油缸与油箱之间，从而避免上述情况。除此之外，由于松土器通常在环境恶劣的情况下工作，油缸内油压变化很大，从而产生很大的震动，这震动会影响到油的正常运行，固还需在油缸与油泵之间连接一单向阀来阻止干涉的产生。铲刀升降油缸是综合上述两种情况选择控制阀的。其不同在于铲刀有四个工作位：举升、保持、下降以及浮动。因此其需选用四位六通手动换向阀。单向阀的选择与松土器的选择一样。上述三种油缸还需满足他们产生的运动不能同时产生，否则就会产生干涉。下文将通过对工作装置各种工况的分析，总结出工作装置的各种工作要求，进而设计出整个工作装置的液压系统2.3.1 ZD220-3推土机工作装置液压系统原理分析ZD220-3推土机的工作装置主要包括铲斗和松土器，它们的作用及对系统的要求分析如下： 铲斗铲斗指推土机正前方的推土挡板，有直倾齿和角齿之分。铲斗的工作任务是包括通过推土机向前运动的推力进行铲土或碎石、对土或碎石等材料进行搬运以及利用推土铲的一角在地面开小沟或用来平整具有一定坡度的平面。通过推土铲斗作用的分析可知，铲斗的主要动作包括铲斗的升降、铲斗的倾斜以及铲斗的浮动，因此可分别设计两条液压回路和液压缸，通过回路控制液压缸的动作来实线铲斗的升降和铲斗的倾斜。 松土器松土器指推土机正后方齿形装置，使用刀齿切削角可调的四杆机构，利用外力驱动使之动作，主要的工作任务是碎石或松土。其主要动作包括松土器的上升和松土器的下降。因此可利用单条液压回路控制液压缸来实线其功能。通过上述分析，ZD220-3推土机工作装置液压系统可划分为三条相对独立的液压回路：松土器工作回路、铲斗升降工作回路、铲斗倾斜工作回路，利用回路控制液压缸的动作来实现系统所需的各项功能。回路框架图如下：图2.4 ZD220-3推土机工作装置液压系统框架图2.3.2 ZD220-3推土机工作装置液压系统原理图的拟定通过上文对工作装置工况的分析，结合工作装置液压系统框架图，初步拟定工作装置液压系统原理图如下:图2.5 ZD220-3推土机工作装置液压系统原理图1-推土铲提升缸； 2-推土铲倾斜缸； 3-快回阀； 4-工作泵； 5-转向泵； 6-滤网； 7-滤油器； 8-粗滤器； 9-过载阀； 10、11-补油阀； 12-松土器阀； 13-铲刀倾斜阀； 14-铲刀提升阀； 15、16-补油阀； 17-安全阀； 18-滤油器； 19-松土器伺服阀； 20-倾斜缸伺服阀； 21-推土铲伺服阀； 23-松土器油缸24、26-进口单向阀； 25-进口单向流量阀； 27-后桥箱； 28-工作油箱； 29-粗滤器液压系统工作原理如上图所示,执行元件包括铲斗升降液压缸1、铲斗倾斜油缸2和松土器油缸8。为了提高铲斗的下降速度,缩短其作业时间,在铲斗升降回路上装有快降阀3,用以降低铲斗升降液压缸的排油腔的回油阻力。铲斗在快速下降过程中, 回油背压增大,快降阀3在液控压差的作用下将自动开启,有杆腔的回油即通过快降阀3直接向铲刀升降油缸2进油腔补充供油, 从而加快了铲斗的下降速度。多路换向阀12、13、14分别控制松土器油缸、铲斗倾斜油缸、铲斗升降油缸的动作,它们为整体式三联滑阀,属于串联连接, 这样工作装置既可单独动作,又可实现复合动作。三联阀分别由 3个回转伺服阀 19、20、21控制,它们不受液压油直接作用,而是通过连杆机构推动阀芯移动, 连杆由伺服液压缸带动。阀 12是三位五通换向阀, 阀 13是三位六通换向阀，阀 14是四位六通换向阀,它能使铲刀根据作业情况具有上升、固定、下降、浮动 4个位置。浮动位置是使铲刀液压缸两腔与进油路、回油路均相通,铲刀自由支地, 随地形高低而浮动。这对仿形推土和铲刀例行平整地面作业是很需要的。溢流阀 17用来限制油泵 4的出口最大压力, 以防液压系统过载, 当油压超压时,溢流阀 17打开,压力油自动卸载回油箱。一般选择溢流阀的开启压力为系统压力的110 %左右。当铲刀或松土器下降时, 在铲刀和松土齿自重作用下,下降速度加快, 可能引起供油不足形成油缸进油腔局部真空, 发生气蚀现象。此时,由于进油腔压力下降,在压力差作用下,补油阀 10、11打开,从油箱补油至油缸进油腔,使油缸动作平稳。当松土齿于固定位置作业时,由于突然的过载,油缸一腔油压突然骤增, 造成油缸过载。装设了过载阀 9后,当达到过载阀 9开启压力时, 过载阀 9打开, 油液卸载,从而避免液压元件的意外损坏。过载阀的开启压力一般大于系统压力 15 % 25 %。溢流阀和滤油器并联,当油中杂质堵塞滤油器时,回油压力增高,溢流阀被打开, 油液直接通过溢流阀流回油箱。粗滤油器和精滤油器都是为了保持油液的清洁,滤去杂质使液压系统正常作业。一般粗滤油器安置在油泵吸油管上,以减小吸油阻力。精滤油器安置在回油管上,使滤油器不受高压作用。液压油箱 6起储油、散热作用。油箱容积主要考虑到油液的散热,一般取为 2 4倍液压泵额定流量。2.4 ZD220-3推土机整机液压系统原理图经上文分析，初定ZD220-3推土机液压系统原理图如图2.6所示。图2.6 ZD220-3推土机液压系统图1、12、14油滤清器 2变矩器回油泵 3变速泵 4转向泵 5工作泵 6背压阀 7散热器 8分动箱 9变矩器 10润滑油道 11润滑油 13、40溢流阀 15调压阀 16快回阀 17减压阀 18速度阀 19安全阀 20、21方向阀 22、26分配阀 23顺序阀 24右转向阀25左转向阀 27、28安全阀 29制动油缸 30推土铲提升油缸 31快回阀 32推土铲倾斜油缸 33过载阀 34补油阀 35松土器阀 36铲刀倾斜阀 37铲刀提升阀 38补油阀 39安全阀 41松土器伺服阀 42倾斜缸伺服阀 43铲刀伺服阀 44松土油缸45进口单向阀 46进口单向流量阀3 ZD220-3推土机铲刀系统受力分析与计算本设计中顶推架与推土铲刀的连接方式采用直铲式连接。推土机在工作的过程中铲斗主要受切削阻力、铲刀前积土的推移阻力、铲刀刀刃与土壤摩擦阻力、土壤沿铲刀上升的摩擦阻力等力的作用。3.1 切削阻力的计算（N）式中：B为铲刀宽度；为切削比阻力、w l; ，单位 ；为切削深度；由铲土运输机械表3-1取，查产品数据可知B=372.5 cm ， ，。代入上式得：（KN）3.2 铲刀前积土的推移阻力计算推移阻力由下式计算：式中：为铲刀前积土重（N）； 为土壤与土壤间的摩擦系数，取=0.8；铲刀前积土重可按下式计算：C为推土板铲斗容量；为土壤的容重，查工程机械，一般取：=18KN/m；从而的出：=115.2（KN）则铲刀钱积土的推移阻力为：（KN）3.3 铲刀刀刃与土壤摩擦阻力计算图3.1 铲刀刃与土壤的摩擦阻力铲刀刃与土壤摩擦阻力等于土壤对铲刃的垂直反力与摩擦系数之积，即：式中：为土壤对铲刀的垂直反力，图3.1所示； 为土壤与钢铁的摩擦系数； 为考虑刀刃磨损后，刀刃压入土壤的比阻力； F为考虑磨损后铲刀刃与地面接触面积cm； X 为考虑磨损后铲刀刃与地面接触长度（见图3.1），近似计算，取X=1 cm，=60，=0.75；铲刀刃与土壤摩擦阻力为：（KN）3.4 土壤沿铲刀上升摩擦阻力的水平分力计算图3.2 土壤在铲刀上的摩擦阻力结合图3.2，土壤沿铲刀上升的摩擦阻力的水平分力可按下式计算： 式中：为铲刀的切削角，查产品数据取；为铲刀前积土重；为土壤与钢铁的摩擦系数；代入数据有：（KN）3.5 铲斗提升液压缸推力的确定推土机在水平地面进行强制切土时，油缸所具备的推力由工作装置平衡条件求出，如图3.1所示。 图3.3 推土板强制切土时计算参考产品数据初选推土机工作机构的各个尺寸，如下： =2.5m； l=3m； l=2.35m； m=0.48m； G=1500kg；=45为所求油缸的推力。 其中：G为工作装置重量；R为土壤反力；R为水平反力； R=UR 式中：为土壤承载能力系数，中等条件土壤取=5060（N/cm）。在这取中间值，取=55（N/ cm）；B为推土板宽度或刀片长度（cm）；X为考虑磨损后刀片沿土壤摩擦的宽度，如图3.4所示，X=0.71.0（cm）。取X=1.0（cm）；为刀片与土壤的摩擦系数，考虑到土壤表面不平和切不平处土时刀片前棱工作的可能性，取=1。 图3.4 刀刃与地面接触情况 整理上式则油缸的推力： 代入数据求得： St=6.54（KN）3.6 铲斗提升液压缸拉力的确定推土机切削终了，推土机由切削位置变为运输位置，工作装置提升时，起升力既油缸拉力，由图3.3可求出： 图3.5 推土板起升受力计算 参考产品数据初选工作机构的各个尺寸如下：l=2.9m；式中：为被抬起土壤的重量，其值为；C为推土板铲斗容量；为土壤的容重，由工程机械查的，一般取： =18KN/m；从而的出：（KN） 作用于工作装置上土壤水平分力之和，即推土机的牵引力查询产品参数可知P1 =207KN；整理上式则油缸所具备的拉力： 代入数据得：4 ZD220-3推土机铲刀系统的设计与计算4.1 液压缸设计与计算4.1.1 液压缸设计原则液压缸的设计是整个液压系统设计的重要内容之一，由于液压缸是液压传动的执行元件，它和工作机构有直接的联系，对于不同的工作机构，液压缸具有不同的用途和工作要求，因此在设计液压缸之前，应做好充分的调查研究，收集必要的原始资料和设计依据，包括机械用途、性能和工作条件；工作机构的型式、结构特点、负载情况、行程大小和动作要求；液压缸所选定的工作压力和流量；同类型机械液压缸的技术资料和使用情况以及有关国家标准和技术规范等。不同的液压缸有不同的设计内容和要求，一般在设计液压缸的结构时应注意下列几个问题：在保证满足设计要求的前提下，尽量使液压缸的结构简单紧凑，尺寸小，尽量采用标准形式和标准件，使设计、制造容易，装配、调整、维护方便。应尽量使活塞杆在受拉力的情况下工作，以免产生纵向弯曲。为此，在双出杆活塞式液压缸中，活塞杆与支架连接处的螺栓固紧螺母应安装在支架外侧。对单出杆活塞式油缸来讲，应尽量使活塞杆在受拉状态下承受最大荷载。在确定液压缸的固定形式时，必须考虑缸体受热后的伸长问题。为此，缸体只应在一端用定位销固定，而让另一端能自由伸缩。双出杆液压缸的活塞杆与支架之间不能采用刚性联结。当液压缸很长时，应防止活塞杆由于自重而产生过大的下垂而使局部磨损加剧。应尽量避免用软管连接。液压操纵的推土机,推土板的动作靠双作用液压油缸来完成，因此油缸力必须综合考虑推土板强制切土和从土中拔出推土板两种工作状态。推土板升降油缸的力取决于推土机的工作状态和推土机的整机稳定性。4.1.2 液压缸参数计算与设计由表3.1、表3.2、表3.3，初选ZD220-3推土机液压系统在最大负载207KN时选取推铲提升液压缸的工作压力1310，液压缸选用单杆式。由于液压缸回油路上必须具有背压力存在，以防止推土机卸土后突然前冲，由表3.3取0.810。表4.1 按负载选择执行元件工作压力负载/KN50工作压力p/MPa57表4.2 按主机类型选择执行元件工作压力主机类型机床农业机械小型工程机械工程机械辅助机构液压机中、大挖掘机重型机械起重运输机构磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力p/Mpa235881010162032表4.3 执行元件背压力系统类型背压力/Mpa简单系统或轻载节流调速系统0.20.5回油路带调速阀的系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路较复杂的工程机械1.23回油路较短，且直接回油箱可忽略不计如图3.5为液压缸为执行元件的计算简图，其中是作用在活塞杆上的外载荷。除此之外，活塞还受摩擦载荷及惯性载荷。但由于活塞质量和速度并不是很大，相比外载荷更是微不足道，因此可以忽略不