全液压轮式装载机液压系统的设计直动式溢流阀的设计本科学位论文.doc

学 科 代 码：080301 学 号：071501010083 贵 州 师 范 大 学（本 科）毕 业 论 文 题 目：5全液压轮式装载机液压系统的设计 直动式溢流阀的设计 学 院： 机械与电气工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 0 7 级 机 制 班 学 号： 071501010083 姓 名： 王 雷 指导教师： 任 珍 刚( 副教授 ) 完成时间： 2011年 5月 10日 贵州师范大学毕业论文(设计) 5全液压轮式装载机液压系统的设计直动式溢流阀的设计摘要目前国内外的装载机广泛采用液压技术，可使整个装载机的技术经济指标得到提高。装载机主要用于装卸运作业。本设计的主要内容包括：工作装置液压系统、转向机构液压系统和行走机构液压系统的设计计算；标准液压元件的选择计算；液压系统的验算；非标件直动式溢流阀和动臂液压缸的设计计算。行走机构采用脚踏式操纵，先导控制的液控调速方式，使调速换向更为方便；工作装置采用先导控制，使系统操作更加简便；转向机构采用方向盘转向，运用人机学，使驾驶室的布置更为合理，便于操纵。整个系统安全可靠、结构紧凑和维修方便。关键词：装载机，液压系统，液压缸，直动式溢流阀 AbstractRecently, the loader uses the hydraulic technology widely to make the target of its technological economy improved. 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目录摘要IAbstractII前 言1第一章 全液压轮式装载机液压系统的工作原理21.1设计依据21.1.1全液压轮式装载机液压系统的主要特点21.1.2设计参数21.2全液压轮式装载机液压系统的工作原理31.2.1行走机构液压系统31.2.2工作装置液压系统61.2.3转向机构液压系统8第二章 液压系统主要参数的确定102.1行走机构液压系统若干问题102.1.1液压泵参数的确定102.1.2液压马达的参数112.2铰接式车架的计算载荷122.2.1两缸轴线至铰接点中心距离和行程确定122.2.2转向泵流量152.2.3最小转弯半径162.3工作装置液压系统172.3.1活塞直径和活塞杆直径的确定172.3.2液压缸流量的计算192.4原动机功率选择计算202.4.1运输工况功率202.4.2插入工况功率21第三章 液压元件的计算和选择233.1液压泵和液压马达的选择233.1.1液压泵的选择233.1.2液压马达的选择253.2控制元件的选择253.2.1行走机构液压系统控制元件的选择253.2.2工作装置液压系统控制元件的选择273.2.3转向机构液压系统控制元件的选择29第四章 液压系统性能验算314.1液压辅件314.1.1计算油箱体积314.1.2计算油管直径，选择管子314.2验算系统性能334.2.1验算系统的压力损失334.2.2温升验算36第五章 非标准液压元件的设计385.1动臂液压缸的设计385.1.1液压缸的设计计算385.1.2液压缸的作用能力、作用时间及储油量的计算385.1.3液压缸壁厚的计算405.1.4活塞杆的计算405.1.5液压缸零件的连接计算425.2直动式溢流阀的设计455.2.1设计要求455.2.2主要结构尺寸的初步确定455.2.3静态特性计算475.2.4弹簧的设计计算48第六章 结束语52参考文献53致谢54附录55 第 45 页 前 言一、研究或设计的目的和意义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工机械，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。该课题结合机械设计专业的教学内容和我省工程机械的应用及发展，对装载机液压系统作较深入的分析研究。根据设计依据及要求，完成装载机液压系统的设计直动式溢流阀的设计，进一步掌握液压系统的设计方法和步骤。通过毕业设计，使我们进一步巩固、加深对所学的基础理论、基本技能和专业知识的掌握，使之系统化、综合化；使我们获得了从事科研工作的初步训练，培养我们的独立工作、独立思考和综合运用已学知识解决实际问题的能力，尤其注重培养我们独立获取新知识的能力；培养我们在设计方案、设计计算、工程绘图、实验方法、数据处理、文件表达、文献查阅、计算机应用、工具书使用等方面的基本工作实践能力；使我们树立具有符合国情和生产实际的正确设计思想和观点，树立严谨、负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识、善于与他人合作的工作作风。二、研究或设计的国内外现状和发展趋势液压技术式一门先进的技术，特别是计算机技术的发展再次将液压、技术推向前进，发展成为包括传动、控制、检测在内的一门完整的自动化技术。目前国内外的装载机都采用液压技术，可使整个装载机的技术经济指标得到提高，其发展趋势是开发节能、高效、可靠、环保型产品，并研制无泄漏装载机，微电子及机电液一体化技术将获得越来越广泛的应用，安全性及舒适性是产品发展的重要目标， 大型化与微型化仍是产品系列化的两极方向，技术进步、人才培养和售后服务将成为企业生存的三大关键内在因素，集团化、社会化与国际化是企业生存与发展的必由之路。三、主要研究或设计内容，需要解决的关键问题和思路主要设计内容包括：设计5全液压轮式装载机液压系统、直动式溢流阀和动臂液压缸的设计、液压系统的设计计算、标准液压组件的选择计算、液压系统的验算、非标准件的设计计算等。需要解决的关键问题是液压系统无极调速回路及液压系统安全保护回路的设计。可以通过综合应用已学的理论知识解决设计中的问题。 第一章 全液压轮式装载机液压系统的工作原理1.1 设计依据1.1.1 全液压轮式装载机液压系统的主要特点1、设计用于露天作业的前端式装载机的液压系统，该装载机的工作装置、转向机构和行走机构均采用液压传动。2、行走机构能实现无级调速。3、工作装置、转向机构和行走机构，采用单独驱动。4、工作装置为反转连杆式。5、行走机构为轮胎式。6、采用柴油机为动力。7、安全可靠、机构紧凑、维修方便。1.1.2 设计参数1、额定斗容5。2、额定载重量10。3、轴距3.5。4、轮距2.8。5、机重24。6、工作装置（1）、工作压力1014；（2）、转斗缸最大推力22；铲斗卸载时间36；转斗时间25；转斗缸行程520；（3）、动臂缸最大推力20；动臂提升时间69；动臂下降时间36；动臂缸行程560。7、转向机构（1）、工作压力1014；（2）、最大转向阻力矩2100；（3）、最大转向角3040°；（4）、铰接两车架从最左到最右偏转角所需时间为36。8、行走机构（1）、工作压力1826；（2）、最大行走速度15；（3）、工作速度34；（4）、最大牵引力30；（5）、轮胎滚动半径680；（6）、最大爬坡能力30°。1.2 全液压轮式装载机液压系统的工作原理轮式装载机液压系统包括行走机构液压系统、工作装置液压系统和转向机构液压系统三个部分，见图1.1。1.2.1 行走机构液压系统行走机构液压系统按其作用分为：主回路、补油和热交换回路、调速和换向回路、主泵回零及制动回路、补油回路和压力保护回路。1、主油路由两个独立的闭式回路组成。如图1.2所示，斜轴式轴向柱塞变量泵5高压油口前轮内曲线径向柱塞马达9（后轮内曲线径向柱塞马达10）斜轴式轴向柱塞变量泵5低压油口。图1.2 主油路2、补油和热交换回路（1）、补油回路齿轮泵1分流阀21补油阀6斜轴式轴向柱塞变量泵5的低压侧。（2）、热交换回路前轮内曲线径向柱塞马达9或后轮内曲线径向柱塞马达10排出的部分热油梭阀 变速阀15（为图示位）背压阀26过滤器59油箱61。12调压阀11 前轮内曲线径向柱塞马达9或后轮内曲线径向柱塞马达10的壳体过滤器60油箱61。注意：调压阀22的开启压力调压阀11的开启压力，才能实现正常的热交换。（3）、调速和换向回路a、若脚踏先导阀17上位工作齿轮泵1分流阀21断流阀20（图示位）脚踏先导阀17上位液动阀25下端液动阀25阀芯上移，下位工作。先导泵3液动阀25下位变量液压缸24下腔变量液压缸24活塞杆伸出杠杆机构斜轴式轴向柱塞变量泵5的缸体摆角或斜轴式轴向柱塞变量泵5的流量或。若斜轴式轴向柱塞变量泵5的缸体摆角方向改变，则斜轴式轴向柱塞变量泵5排油方向改变前轮内曲线径向柱塞马达9或后轮内曲线径向柱塞马达10的转向改变实现装载机的前进或后退。 b、若脚踏先导阀18上位工作齿轮泵1分流阀21断流阀20脚踏先导阀18上位液动阀25上端液动阀25阀芯下移，上位工作。先导泵3液动阀25上位变量液压缸24上腔变量液压缸24活塞杆缩回杠杆机构斜轴式轴向柱塞变量泵5的缸体摆角或斜轴式轴向柱塞变量泵5的流量或。若斜轴式轴向柱塞变量泵5的缸体摆角方向改变，则斜轴式轴向柱塞变量泵5排油方向改变前轮内曲线径向柱塞马达9或后轮内曲线径向柱塞马达10的转向改变实现装载机的后退或前进。 高速档（变速阀15图示位）c、通过变速阀15，可得两档车速 低速档（变速阀15左位）（低压控制油作用） 当前轮内曲线径向柱塞马达9或后轮内曲线径向柱塞马达10为高速工况（即变速阀15为图示位） 连通阀16左移，即是图示位工作前后轮的油路连通； 当前轮内曲线径向柱塞马达9或后轮内曲线径向柱塞马达10为高速工况（即变速阀15为左位）连通阀16右移，左位工作前后轮油路不通。（4）、主泵回零及制动回路调速阀27由离心调速器控制，离心调速器与发动机是用带轮连接。离心调速器作用a、若外负载F，超过发动机，发动机转速 调速阀27左移，右位工作（为图示位）；b、液动阀25的控制油交替逆止阀19调速阀27油箱61；c、斜轴式轴向柱塞变量泵5摆角减小直到零位降低泵的输出功率，避免发动机因过载而熄火；图1.1 5立方全液压轮式装载机液压系统图停车时，断流阀20左位工作，则连通脚踏先导阀17和脚踏先导阀18随动阀25上下端控制油与油箱61相通随动阀25回到中位伺服变量机构斜轴式轴向柱塞变量泵5缸体摆角回零，为零前轮内曲线径向柱塞马达9和后轮内曲线径向柱塞马达10制动。（5）、补油回路制动及超速吸空时，低压油补油阀13前轮内曲线径向柱塞马达9和后轮内曲线径向柱塞马达10。（6）、压力保护回路a、主回路高压保护 系统的工作压力过载阀7过载阀7开启溢流。b、低压保护调压阀22控制补油压力。c、油马达背压保护前轮内曲线径向柱塞马达9和后轮内曲线径向柱塞马达10排出的部分热油调压阀14背压阀26过滤器60油箱61当系统长时间不工作时，按下换向阀8将斜轴式轴向柱塞变量泵5吸排油口相通前轮内曲线径向柱塞马达9和后轮内曲线径向柱塞马达10不转动装载机不动。1.2.2 工作装置液压系统1、转斗液压缸52活塞杆伸出（1）、先导油路将转斗先导阀37的手柄向左按下先导泵3单向阀29转斗先导阀37左上位转斗液压缸多路液动换向阀45左端转斗液压缸多路液动换向阀45左位工作。（2）、主油路进油路：工作泵2单向阀46转斗液压缸多路液动换向阀45左腔转斗液压缸52活塞腔转斗液压缸52活塞杆向外伸出。回油路：转斗液压缸52活塞杆腔油转斗液压缸多路液动换向阀45左腔过滤器55油箱61。2、转斗液压缸52活塞杆缩回（1）、先导油路将转斗先导阀37的手柄向右按下先导泵3单向阀29转斗先导阀37右上位转斗液压缸多路液动换向阀45右端转斗液压缸多路液动换向阀45右位工作。（2）、主油路进油路：工作泵2单向阀46转斗液压缸多路液动换向阀45右腔转斗液压缸52活塞杆腔转斗液压缸52活塞杆缩回。回油路：转斗液压缸52活塞腔油转斗液压缸多路液动换向阀45右腔过滤器55油箱61。3、转斗液压缸52补油和过载保护补油：转斗液压缸52活塞腔或活塞杆腔吸空时，通过补油阀48补油。过载保护：转斗液压缸52活塞腔或活塞杆腔过载时，通过过载阀49开启溢流。4、动臂液压缸53举升（1）、先导油路将动臂举升先导阀38的手柄向右按下先导泵3单向阀29动臂举升先导阀38右上位动臂举升多路液动换向阀42左端动臂举升多路液动换向阀42左位工作。（2）、主油路进油路：工作泵2节流阀44单向阀43动臂举升多路液动换向阀42左腔动臂液压缸53活塞腔动臂液压缸53举升。回油路：动臂液压缸53活塞杆腔油动臂举升多路液压换向阀42左腔过滤器55油箱61.5、动臂液压缸53下降（1）、先导油路将动臂举升先导阀38的手柄向左按下，按到左中位先导泵3单向阀29动臂举升先导阀38左中位动臂举升多路液动换向阀42右端动臂举升多路液动换向阀42右位工作。（2）、主回路进油路：工作泵2节流阀44单向阀43动臂举升多路液动换向阀42右腔动臂液压缸53活塞杆腔动臂液压缸53下降。回油路：动臂液压缸53活塞腔油动臂举升多路液动换向阀42右腔过滤器55油箱61。6、动臂液压缸53浮动将动臂举升先导阀38的手柄向左按下，按到左上位先导泵3单向阀29动臂举升先导阀38左上位液控单向阀51液压单向阀51的液压油逆向流动动臂液压缸53的活塞杆腔和活塞腔与油箱61相通，进出油都可以。7、动臂液压缸53补油和过载保护补油：动臂液压缸53活塞腔或活塞杆腔吸空时，通过液控单向阀51补油。过载保护：动臂液压缸53活塞腔或活塞杆腔过载时，通过过载阀50开启溢流。8、其他元件的作用调压阀36的作用是调节减压阀式先导操纵阀的操纵油的压力。背压阀39是使液动换向阀51具有背压。当发动机突然熄火时，动臂液压缸53活塞腔的油通过单向阀41和节流阀40向动臂举升先导阀38和转斗先导阀37紧急供应操纵油。9、工作泵（主泵）2过载保护当转斗液压缸52和动臂液压缸53不工作时，工作泵2油箱61；当转斗液压缸52或动臂液压缸53工作时，系统过载，工作泵2安全阀47油箱61。1.2.3 转向机构液压系统1、直线行驶方向盘不转全液压转向器31处于中位（图示位）液动主控制阀32处于中位（图示位）转向液压缸54没有液压油通过装载机直线行驶。转向泵4定差溢流阀33油箱61。2、右转弯（1）、先导油路顺时针转动方向盘螺杆轴向上移全液压转向器31上移全液压转向器31下位工作。先导泵3全液压转向器31下腔计量马达进口计量马达出口液动主控制阀32左端（液压主控制阀左位工作）液动主控制阀32中的先导阀口液动主控制阀32的右端全液压转向器31下位过滤器55油箱61。（2）、主油路进油路：转向泵4液动主控制阀32左腔转向液压缸54A活塞腔和B活塞杆腔装载机向右转弯。回油路：转向液压缸54A活塞杆腔和B活塞腔油液动主控制阀32左腔过滤器55油箱61。3、左转弯（1）先导油路逆时针转动方向盘螺杆轴向下移全液压转向器31下移全液压转向器31上位工作。先导泵3全液压转向器31上腔计量马达进口计量马达出口液动主控制阀32右端（液压主控制阀右位工作）液动主控制阀32中的先导阀口液动主控制阀32的左端全液压转向器31上位过滤器55油箱61。（2）主油路进油路：转向泵4液动主控制阀32右腔转向液压缸54B活塞腔和A活塞杆腔装载机向左转弯。回油路：转向液压缸54B活塞杆腔和A活塞腔油液动主控制阀32右腔过滤器55油箱61。4、其他液压元件的作用液控主控制换向阀32、定差溢流阀33、安全阀34和梭阀35组成流量放大阀。梭阀35把液动主控制阀32的出口压力引至定差溢流阀33的弹簧腔，液动主控制阀32的进口压力作用定差溢流阀33的另一腔，使得液动主控制阀32进出口压力差基本恒定，转向液压缸54的运动速度进取决于液动主控制阀32的阀口面积。5、过载保护当先导泵工作时过载，先导泵3直动式溢流阀28过滤器56油箱61；当工作装置和转向机构不工作时，先导泵3换向阀8（右位工作）过滤器56油箱61。转向液压缸54的高压油梭阀35安全阀34过滤器55油箱61。 第二章 液压系统主要参数的确定2.1 行走机构液压系统若干问题1、由设计要求知：最大行走速度=15 =（1-） （2-1）式中： 滑转率，=0.030.05 ，取=0.04。则： 理论行驶速度=15.6252、理论行驶速度 =2=0.377 （2-2）式中： 驱动轮的滚动半径（），=0.680；驱动轮转速（）。则： =60.9823、最大行驶速度发生在运输工况：最大牵引力产生在装载机以作业速度插入料堆时。4、进行牵引力和扭矩计算时应考虑驱动轮的数目。2.1.1 液压泵参数的确定 = （2-3）式中： 液压泵的排量（）；液压泵吸排油口压力差（），由设计要求知其工作压力为1826，取=25，其背压为0.5，则=25-0.5=24.5=24.5；液压泵的转速（），取=1000=104.667；最大行驶速度（），=15 =4.167； 液压泵与液压马达的总效率，取=0.8； 行走时的最大牵引力（），=+= + ； 滚动阻力()； 爬坡阻力()，一般小坡度可取=0.3； 滚动阻力系数，取f=0.03； 装载机重量()，G=240000。 则 =39600注：由于系统是四轮驱动，采用的2个泵，所以计算时要除以2。液压马达的变速范围，定量马达=1，若采用变量泵系统，马达的变速范围=1。则： =8.044液压泵的理论流量：=8.044=505.163液压泵的功率：=210.4852.1.2 液压马达的参数液压马达的排量： （2-4）式中： 液压马达的最大转速（），=6.135；液压马达的机械效率，取=0.92；液压马达的进出口压力差（），=25-1=24=24；最大牵引力（），采用的是4马达驱动，则：=19800。则： =6.098其液压马达的理论流量：= =224.211液压马达的扭矩：=198000.680=134642.2 铰接式车架的计算载荷2.2.1 两缸轴线至铰接点中心距离和行程确定1、若取铰接点为中心，则回转力矩为： = （） （2-5）式中： 油液压力（）； 、为油缸无活塞杆端和活塞杆端面积（）； 、为两缸轴线在铰接点中心的距离（）； 转向角（°）。 （2-6） （2-7）转向力矩应与转向主力矩相平衡，最大阻力矩发生在四轮驱动原地转向且转向角最大时。2、行程： （2-8） （2-9） （2-10） （2-11）如图2.1：取R=160，S=1200，h=460，则=69.027=1285.146由设计要求知：最大转向角=3040，取=40图2.1 铰接式车架示意图 =1317609.749=1147.872 = =1811272.299=1345.835则行程：=1345.835-1147.872=197.963查表得，取=200又由设计要求知：最大转向力矩为2100，即=21000工作压力为1014，取P=12=12； 转向角，取。 =100.241 =85.500由=得出：=21000又知：，；初选时，由于P=12MP7 MP，查表得=0.7，=0.51即有 400.964+342=7400.964+3420.51=7575.384=7=0.012165788=12165.788 =124.490查表得：=125 =1250.7=87.5，查表得=80检验：由=125=12265.625 又由=80=7241.625 则：=22184.129 21000 ，符合条件即转向液压缸：=125，=80，行程=200。2.2.2 转向泵流量 = （2-12）式中： 缸的作用面积（），双缸时，=，为缸内径，为活塞杆外径，初选时可取=0.7； =12265.625+7241.625=19507.25 =195.0725 活塞全行程（），=20； 两车架从最左到最右偏转所需的时间（），由设计要求知其所需的时间为36，取S=4.5； 缸的容积效率，取=0.85。即有 = =61199.216 61.22.2.3 最小转弯半径若O为前车架的铰接中心，为轴距，为轮距，为前后轮的转动中心，铰接点O距前桥为，距后桥为。当转向角为时，前外转弯半径： = （2-13） = =+ （2-14） 后外轮转弯半径： = （2-15）= = =+ （2-16）当铰接点在中点，即=时：=+当=时，=，前后轮转弯半径相等，得整体转弯半径的最小值。当转向角为最大，得到最小转弯半径。如图2.2，由设计要求知： =3.5 ，=2.8 , =3040,取=40 。 则有： =+=6.2082.3 工作装置液压系统动臂液压缸或转斗液压缸若采用2个时，则 （2-17） 式中： 机械效率，取=0.94;图2.2 计算铰接式装载机转向半径示意图2.3.1 活塞直径和活塞杆直径的确定1、动臂液压缸：采用2个，则=100000 由设计要求知：工作压力为1014，取=12=1210 背压=1=110由于7， 取=0.7 即有： =则： =0.1086=108.6查表得：=110；=80。验算： =102937.05100000，符合条件则动臂液压缸活塞直径：=110=11 活塞杆直径： =80=82、转斗液压缸：采用2个，则=110000由设计要求知：工作压力为1014，取=12=1210 背压=1=110由于7，取=0.7 即有 = 则： =0.114=114表3.9 转向机构液压系统控制元件型号和参数编号名称选择依据型号通径/工作压力/流量/备注压力/流量/30补油阀2.58S8A5831.518开启压力0.531全液压转向器2.58BZZ5-E8016排量80，转速100，最大连续背压1.6，最大转向扭矩534安全阀1261DBD-H10P102012035梭阀12VSK120质量0.01354转向液压缸1261HSGF-125/80E-481-2520液动主控制阀32的最大压力，最大流量，自行设计；定差溢流阀33的最大压力，最大流量，自行设计。 第四章 液压系统性能验算4.1 液压辅件4.1.1 计算油箱体积行走机构液压系统为闭式系统，且所需的流量是整个系统中最大的，行走机构液压系统、工作装置液压系统和转向机构液压系统是单独动作，其油箱的容积只要满足行走机构液压系统的流量即可，即为行走液压系统的1.5倍，则：=1.5505.16321520查表选用AB40-33-/2000BS33St型不带支持脚的矩形油箱，其长宽高abc为：2.20.861.25，油面高度为： =0.80338油面高与油箱高之比：=0.6434.1.2 计算油管直径，选择管子 系统上一般管道的通径按所连接元件的通经选取，现只计算泵-马达、泵-缸的管子的直径，取管内许用流速为=5。1、行走机构液压系统管子的内径为： （4-1）=4.61=49.90 查表选用：508.5，材料：20钢；供货状态：冷加工/软（R）；=451；安全系数=4。验算管子的壁厚： （4-2）=5.543 壁厚的选取大于验算值。2、转向机构液压系统管子的内径为： （4-3）=4.61=16.50 查表选用：202.5，材料：20钢；供货状态：冷加工/软（R）；=451；安全系数=6。验算管子的壁厚： （4-4）=1.60 壁厚的选取大于验算值。3、工作装置液压系统管子的内径为： （4-5）=4.61=32.60 查表选用：404.5，材料：20钢；供货状态：冷加工/软（R）；=451；安全系数=6。验算管子的壁厚： （4-6）=3.19 壁厚的选取大于验算值。4.2 验算系统性能4.2.1 验算系统的压力损失 工作介质为L-HM32矿物油型液压油，工作温度下的粘度=30，密度=900。1、行走机构液压系统：管子内径=0.05，长=9，通过流量=505.163。管内流速： （4-7）=4.29 雷诺数： （4-8）