ZL50轮式装载机工作装置结构及其液压系统设计

1ZL50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TheDesignofZL50WheelLoaderWorkingdeviceStructureandHydraulicSystemAbstract:Thisdissertationiscomposedoftwoprocedures:designofloadingdeviceandhydraulicsystem.Andinthisdesign,thehydraulicsystemdesignisthemaincontent.Actually,inaccordancewithdifferentoperatingoccasions,theloadercouldbedividedintoopen-airloadersandundergroundones;andwithdiscriminatedwalkingenvironment,itcouldalsoseparateintowheelloaderandcrawlerones;andothervarietiesoftheloaderisnotintroducedduetothehugepopulation.Thegraduationprojectiscompletedthedesignofthehydraulicmechanismofopenwheelloader.2Keywords:Wheelloader;Equipmentstructureofthe;Hydraulicsystem1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装载机的主要技术性能参数与工作装置总体设计33.1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：铲斗容量：3.03m4额定载重量：5t4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[。1—齿尖2—齿坐3—钢销5图1双段斗齿Fig1Doublesectiondipperteeth(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φ≈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Fig2Thebasicparameterdiagram.Bucketsection（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γ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γ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γ：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。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7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。18015.02cotsincos5.0210rkzgsBVR（m）（1）式中sV铲斗平装斗容，2.5m30B铲斗内侧宽度，2.840mg铲斗斗底长度系数，g=1.40~1.53z后壁长度系数，z=1.1~1.2k挡板高度系数，k=0.12~0.14r圆弧半径系数，Rrr张开角，为45°~52°1挡板与后壁间的夹角（无挡板取0）图3铲斗尺寸参考Fig3Bucketsizereference图3中各参数含义如下：r铲斗圆弧半径，mgL斗底长度