1、#*ZL50 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 SystemAbstract: This d
2、issertation 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
3、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.#*Key words: Wheel loader; Equi
4、pment structure of the; Hydraulic system1 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，
5、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 。12.2 国外的装
6、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
7、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
8、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、
9、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，
10、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： 3.0 3m额定载重量： 5 t4 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
11、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
12、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
13、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 250300mm 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
14、荷不大于 500600kg 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#*图 2 铲斗断面基本参数图Fig 2 The basic p
15、arameter 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
16、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 50100mm。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
17、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） 1805.2cotsinco5.01 rkzgBVR式中 铲斗平装斗容，2.5m 3sV铲斗内侧宽度，2.840m0铲斗斗底长度系数， =1.401.53gg后壁长度系数， =1.11.2z z挡板高度系数， =0.120.14k k圆弧半径系数，r Rr张开角，为 4552挡板与后壁间的夹角（无挡板取 0）1
18、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gL离，mRg53.14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，mz#*RLz2.1挡板高度，mkk)4.0.(调整参数，根据调整后的各值与 R 之比分别计算 、 、 、 值， =1.5，gzkrg=1.1， =0.12zk然后代入式（1） ，即可确定铲斗的回转半径 R，通过计算得出 1140mmR即可得出 =1.51140=1710mmgL=1.11140=1254mmz=0.121140=136
19、.8mmk一般取铲斗侧壁切削刃相对斗底壁的倾角 =5060。铲斗与动臂铰接点距离0斗底壁的高度 =（0.060.12）R。h4.1.3 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（m 3） (2)baSBVs20式中 有挡板的铲斗横截面面积，m 2S铲斗内侧宽度，m0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（m 3） 0BSVs式中 不装挡板的铲斗横截面面积，m 2 S额定容量，铲斗的额定容量（见图 13）按照式（
20、3）计算。对于有防溢板的铲斗（m 3） （3）)(68202cabBVsr 式中 c 物料堆积高度，m对于无防溢板的铲斗（m 3） （4）24830bsr4.2 工作装置连杆系统设计#*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
21、 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 diagram4.2.2 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#*装
22、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 35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=250350mm 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
