ZL50装载机

ZL50 装载机液压系统设计

摘要

装载机是一种作业效率高、机动灵活、用途广泛的工程机械，作业工况复杂多变，负荷变化频繁、变化范围大。本论文以ZL50型装载机为研究对象，对其液压系统进行设计和部分参数的计算，并进行液压系统装置结构设计。

1.绘制液压系统原理图。通过对装载机的工作机构的分析和理解，掌握装载机在作业时各个缸的动作绘制出基本液压系统图。并在系统原理图上考虑过载，安全等因素上对液压系统图进行完善。

2.根据《机械设计手册》对液压系统选定基本的初始参数。如系统工作压力以及载荷力的确定。并根据液压系统设计的步骤来计算选择液压泵、液压缸、液压阀、以及液压辅助元件。

3.通过公式对液压系统的压力和温度进行计算。看设计过程中是否缺失液压元件和能否正常工作。

4.在对叠加阀认识理解的基础上设计一个叠加式溢流阀。包括叠加阀阀体、叠加阀阀座，并绘制机械图。

关键词：装载机，液压系统原理图，液压泵，液压缸

目录摘要

正文

1．绪论

1.1装载机发展简史

1.2用途和分类

1.3 ZL50装载机的技术参数

1.4 设计思路和任务

2. ZL50装载机的液压系统

2.1 ZL50装载机的工作机构

2.2 工作机构的液压系统

2.3 转向制动液压系统

3．液压元件的选择

3.1 液压泵的选择

3.2 液压缸的选择

3.3 液压阀的选择

3.4 液力辅助元件

4. 结论

参考文献

1．绪论

1.1装载机发展简史

装载机开始制造在90多年前。最早期的装载机，是在马拉的农用拖拉机前部装上铲斗而成。自身带有动力的装载机，是在1920年初出现的，其铲斗安装在两根竖直立柱上，铲斗的举升和下落是用钢绳来操纵的。

从1930年开始，装载机结构得到较大的改进。但是直到1939年，才出现了比较先进的轮胎式装载机，如由美国“霍克”公司制造的0.2553

m的Pay型装载机。这种装载机，系后轮驱动，前轮转向。由于其工作机构尺寸不大，平衡性和转向性能不能令人满意，“霍克公司主要把它作为捣堆机器使用，但也可用于装在松散或轻型的物料。

在40年代，装载机得到了更大的发展。1941年，司机室从机器后部移到前部，从而增加了司机的视野；发动机则移到机器后部，以增加装载机的稳定性；为了工作可靠和安全，而用柴油发动机代替了汽油发动机。在第二次世界大战末期，用装于两侧的动臂，代替了老式的两根垂直立柱。1944年开始用液压代替钢绳控制铲斗。1947年装载机发展成四轮驱动。这样，装载机的全部重量都用来产生牵引力，装载机插入力大大增加了。

1950年出现第一台带有液力变矩器的轮胎式装载机。液力变矩器对装载机发展有决定性作用，它使装载机能够很平稳的插入料堆并且使工作速度增快，同时在插入运动时，发动机不会因为插入阻力增大而熄火。由于装载机结构上的改进，使生产能力大大提高，并且使装载机的应用越来越广泛，产品数量也随着增加。

1960年出现了第一台铰接式装载机，这使装载机转向性能大大改善，并增加了它的机动性和纵向稳定性。由于液力变矩器和铰接转向装置等技术革新，使装载机得到迅速发展。在1960年以前，装载机的斗容一般不大，最大的斗

容才3.83

m。但随着上述结构的改进，从60年代开始，斗容发展的越来越大。1965年出现了第一台斗容7.63

m的铰接式装载机。目前世界上大型的装载机斗容已经达到24.53

m，装比重不大的散碎物料（如煤）时，斗容可达303m，发动机总功率已经达到1479.83KW。60年代出现的电动轮装载机，这是装载机设计上的一个新的突破，它进一步增加了装载机的使用范围。今后装载机的发展的趋势，是通过工作机构尺寸的增加和结构的改进，进一步增加生产能力。

随着上述结构上的改进和斗容的增加，使装载机适用范围越来越广泛，最初的装载机是不能铲掘物料的，但目前由于表明装载机铲掘能力的单位斗刃飞轮马力值比1939年增加了两倍多，因而越来越多的装载机亦能从事一般的单斗挖掘机所做的一些铲掘工作，使装载机从仅在建筑工程上使用，而逐渐发展到在露天矿使用。但1960年以前，装载机一般仅用于清理工作面、捣堆等辅助作业。当出现了斗容3.0~4.53

m的轮胎式装载机以后，它就成为了露天矿的一种主要采矿设备。70年代以来，由于生产试制了功率294~934KW、斗容7.6~233

m的露天矿轮胎式装载机，所以它们在露天矿得到更广泛的使用。

装载机行走部分结构的发展，也是有一个演变过程的。最初的装载机一般是履带式的，后来改用轮胎，以增加其机动灵活性。但后来又由于轮胎损耗太大、寿命不长和成本高等原因，而被迫改用履带式装载机。近年来，由于轮胎耐磨问题逐步得到解决，使轮胎式装载机得到很大发展。目前，世界上轮胎式装载机的产量约占装载机的总产量的70%~80%。而功率200KW以上的装载机，全是轮胎式。在采矿界，履带式装载机的应用很受限制，而轮胎式装载机则得到普遍应用。

1.2用途和分类

1.2.1装载机的用途

装载机是一种用途十分广泛的工程机械，装载机可用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，并可自行完成短距离运土及对松散物料的收集清理和松软土层的轻度铲掘工作、平整地面或配合运输车辆作装土使用。换装不同的辅助工作装置还可进行铲土、推土、起重和其他物料(如木材)的装卸作业。

装载机广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程领域。在道路、特别是在高等级公路施工中，装载机用于路基工程的填挖，沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。此外，还可进行推运土壤、刮平地面和牵引其他机械等作业。由于装载机具有适应性强、作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此，它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一。

1.2.2装载机的分类

装载机按其行走装置不同可分为履带式装载机和轮胎式装载机两种。履带式装载机以专用底盘或工业拖拉机为基础车，装上工作装置并配装操纵系统而构成，如图1—1所示。履带式装载机行驶速度慢、装载效率低、转移不灵活且对场地有破坏作用，在土方工程中已基本被轮胎式装载机取代。

履带式装载机的动力装置是柴油机，机械式传动系统则采用液压助力湿式离合器或湿式双向液压操纵转向离合器和正转连杆机构的工作装置。

轮胎式装载机由动力装置、车架、行走装置、传动系统、转向系统、制动系统、液压系统和工作装置等组成，其结构简图如图1-2所示。轮胎式装载机行驶速度快、转移方便，可在城市道路上行驶，因此使用较为广泛。

1-行走机构；2-发动机；3-动臂；4-铲斗；

5-转斗油缸；6-动臂油缸；7-驾驶室；8-燃油箱

图1-1

1-铲斗；2-动臂；3-连杆；4-摇臂

5-转斗油缸；6-动臂油缸；7-车架

图1-2

1.3 ZL50装载机的技术参数

根据部标JB1603-75规定，露天装载机的产品型号用拼音字母“Z”来表示，轮胎式用“L”表示，其后的数字是额定载重量的“千牛（KN）”数，再后来的字母是A、B、C、D……是指变形改进设计的次序。例如衡阳机械厂的ZL50D型装载机，表示轮式装载机，在L后直接写额定的载重量的KN数。额定载重量为50KN，即5t，第四次改进变形设计。履带式装载机，在Z后直接些额定载重量的KN数。全液压传动加注“Y”。如“ZY”表示履带行走、全液压传动；“ZLY”表示轮式行走、全液压传动。

本文设计的装载机液压系统是ZL50装载机的，其为露天轮式装载机。其具体参数如表1-1所示：

表 1-1 ZL50装载机的技术参数

1.4 设计任务和设计思路

1.4.1设计任务

1.绘制系统原理图。通过对装载机的工作机构的分析和理解，掌握装载机在作业时各个缸的动作绘制出基本液压系统原理图。并在液压系统原理图上考虑过载，安全等因素上对液压系统原理图进一步完善。

2.根据《机械设计手册》对液压系统选定基本的初始参数。如系统工作压力以及载荷力的确定。并根据液压系统设计的步骤来计算液压泵、液压缸、液

压阀、以及液压辅助元件的选择。

3.通过公式对液压系统的压力和温度进行计算。看设计过程中是否缺失液压元件和能否正常工作。

4.在对叠加阀认识理解的基础上设计一个叠加溢流阀。绘制叠加阀阀体、叠加阀阀座机械零件图以及叠加阀机械装配图。

1.4.2设计思路

1.明确液压系统的设计要求，进行工况分析。

2.确定液压系统的主要参数。

3.拟定液压系统原理图。

4.计算和选择液压元件。

5.液压系统的性能验算。

6.绘制正式工作图

2．ZL50装载机的液压系统

2.1 ZL50装载机的工作机构

2.1.1 ZL50装载机的工作机构介绍

装载机工作机构如图1-1所示。该机构的优点是：铰接转向；四轮驱动：整机重心及前后桥荷分配、设计合理；具有杰出的牵引性能和装载挖掘稳定性；铲装及挖掘力大、转弯半径小；机动灵活，便于在狭窄场地作业；空载高速行驶稳定，厂地转移省时高效。

在图1-1中，铲斗通过连杆和摇臂与转斗油缸铰接，用以装卸物料：动臂与车架、动臂油缸铰接，用以升降铲斗；铲斗的翻转和动臂的升降均采用液压操纵。在装载机作业时，工作装置应能保证：当转斗油缸闭锁、动臂油缸举升或降落时，连杆机构使铲斗上下平动或接近平动，以免铲斗倾斜而撒落物料；当动臂处于任何位置，铲斗绕动臂铰点转动进行卸料时，铲斗倾斜角不小于45°，卸料后动臂下降时又能使铲斗自动放平。

2.2工作机构的液压系统

ZL50装载机工作机构系统原理，它是由先导控制阀和主操纵阀、转斗油缸、动臂油缸、举升油缸（2个）、油箱、主油泵（柱塞泵）等组成。

主油泵安装在变矩器的外壳上，由变矩器带动，油泵的出油口通过油管与主操纵阀的进油口相连。主操纵阀上有五根高压油管：一根是主油泵的供油管，四根工作油管，包括两根到动臂油缸的油管，两根到转斗油缸的油管。主操纵阀的回油管路与液压回油滤清器相连。主操纵阀的动作是由先导压力油控制的。先导控制阀是由四条控制油管连接到主操纵阀，其中两根用于大臂举升的控制，两根用于铲斗的翻转控制。

其工作原理是主油泵从油箱吸取液压油，并将液压油输送到主操纵阀。所有主操纵阀的回油通过回油滤清器进入到油箱。在主操纵阀的举升和转斗油路中还装有油缸过载安全阀；油路中还有其他两个单向阀，它的作用是在发动机熄火停转时，防止液压油倒流。

2.3转向制动液压系统

转向和制动液压系统是一个双作用叶片泵供油的全液压控制的集中冷却的恒压式液压系统。它装有蓄能器，从而使制动和转向系统的压力波动大大减小，并且在发动机或泵损坏的情况下，可为制动和转向系统提供贮备的动力，这种压力补偿的其他优点是：节省能量，泵消耗的能量较小，而系统壳利用的能量较大，减小了维修的工作量，进一步确保了安全。

2.3.1转向液压油路

转向液压油路是由转向和制动泵、单向阀、蓄能器、节流阀、压力表、转向控制阀、过载缓冲阀、转向油缸、全液压转向器等组成。

当装载机需要转向时，转向和制动泵来油进入全液压转向器的进油口，转向器配有FKA型阀块，该阀块由单向阀、溢流阀和双向缓冲阀组成。当方向盘没有转动时，即处于中间位置，油泵来油经阀芯腔流回油箱。当动力转向时，油泵的来油经随动阀进入摆线针轮啮合副，推动转子跟随方向盘转动，视方向

盘转向、转角的大小，定向、定量的将油压入转向油缸的左腔或右腔，推动导向轮实行动力转向，油缸的另一腔的油则经随动阀流回油箱。

2.3．2制动油路

制动油路分为手制动油路和脚制动油路。

（1）手制动油路

手制动油路由手制动阀、蓄能器、单向阀等组成。

其工作原理是转向和制动泵由变矩器驱动，每当发动机一运转，这个泵就开始工作。泵将油输到蓄能器，当蓄能器的压力到达一定程度时，这个泵会自动停止运转，蓄能器仍由单向阀继续保持差压力。

在正常情况下，由转向和制动泵来的压力油进入手制动蓄能器，而蓄能器的压力使手制动器松闸，手制动是通过用手推下操作室中的手制动手柄来实现的。当手制动器施闸时，转向蓄能器的压力消失，油液将通过单向阀、节流阀和手制动阀返回油箱。手制动系统中的低压油，是与报警灯的压力开关的常闭触头相连接的。

（2）脚制动油路

脚制动油路是由两个单向阀（装在单向阀阀体里），为前后制动器所配备的两个蓄能器、两个压力表、双作用液压脚制动踏板控制阀，安装在桥上的两组油冷却制动器组成。

在正常情况下，脚制动阀的踏板没有被踏下时，从脚制动蓄能器的液压油通过油路进入到两个调压阀上。，这两个调压阀安装在双作用脚制动阀的阀体里。当脚制动踏板踩下时，双作用脚制动阀的油压上升，并作用在前后制动阀上，从而产生制动力；松开踏板时，脚制动阀与制动管路中的油液返回到回油滤清器，进入油箱，制动泵的压力下降，使脚制动器松闸。

3液压元件的选择

3.1液压泵的选择

3.1.1初选系统的工作压力

压力的选择根据载荷的大小和设备的性能而定。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。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸。对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济；反之，压力选的太高，对液压泵、液压缸、液压阀等元件的材质、密封、制造精度也要求的很高，必然要提高设备的成本。具体选择参考表3—1和表3-2。

表3-1 按载荷选择工作压力

表3-2 各种机械常用的系统工作压力

由表3-1和表3-2可知，ZL50装载机液压系统的工作压力在20~32MPa。初选工作压力为30MPa。带入计算时用P=32MPa，以保证系统压力足够和安全

性。ZL50装载机液压系统的转向和制动系统得工作压力取为21MPa ，带入计算时用P=20MPa 。

3.1.2工作泵的选择 ①确定泵的最大工作压力

∑?+≥P P p P 1 （式3-1）

式中 ∑

?P

——泵出口到执行元件入口之间所有沿程压力损失和局部压力损

失之和。粗算时可按经验选取：简单管路系统其取（2~5）*510Pa ；复杂管路系统取值（5~15）*510Pa ；

1p ——液压执行元件最大工作压力；

P p =（32+0.5）MPa

=32.5MPa

②确定液压泵的流量

多液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为

)(∑≥MAX P Q K Q （式3-2）

式中

k

——系统泄露系数，一般取K=1.1~1.3；

∑MAX Q ——同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量，可从（Q-t ）

图上查得。对于在工作过程中用节流调速的系统，还须加上溢流阀的最小溢流量。一般取0.5*34

10

m -/s ；

从工况如可以看出，系统最大流量发生在举升时，即动臂油缸动作。 取∑MAX Q =1.3L/s ，取泄露系数K=1.2；

P Q =1.3*1.2L/s

=1.56L/s =93.6L/min

③确定液压泵的驱动功率

在工作循环中，如果液压泵的压力和流量比较恒定，即（P-t ）、（Q-t ）

图变化比较平缓，则

P

P

P Q P P η=

（式3-3）

式中

p p ——液压泵的最大工作压力（Pa ）；

p Q ——液压泵的流量（3

m /s ）；

p η——液压泵的总功率，参考表3-3选择；

表3-3 液压泵的总功率

根据表3-3，工作泵为柱塞泵。选取p η=0.8。

8

.0101056.1326

3???=-P KW

=62.4KW

④选择液压泵的规格

根据上面所求的

p p 、p Q 和P 值，按系统中拟定的液压泵形式，从产品

样本或手册中选择相应的液压泵。为了使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般比最大工作压力大。

表3-4 液压泵的选择

根据上表，工作泵选取柱塞泵。 查阅《新编实用液压设计手册》得： 工作泵选用63MYCY14-1B 型柱塞泵。

其参数如下：

排量63ml/r 额定压力31.5MPa 转速1500r/min 容积率≥92% 驱动功率59.2KW 重量60kg 3.1.3转向和制动泵的选择 ①确定泵的最大工作压力

∑?+≥P P p P 1

根据表3-1和表3-2，初选转向制动油路的工作压力为20MPa 左右。

P p =（20+0.5）MPa

=20.5MPa

②确定液压泵的流量

)(∑≥MAX P Q K Q

取∑MAX Q =0.2L/s ，取泄露系数K=1.2；

P Q =0.2*1.2L/s

=2.4L/s =15L/min

③确定液压泵的驱动功率

P

P

P Q P P η=

根据表3-3，转向和制动泵为双作用叶片泵。选取p η=0.6。

6

.0101025.0206

3???=-P KW

=8.3KW

④选择液压泵的规格

根据上面所求的p p 、p Q 和P 值以及表3-4，查阅《新编实用液压技术手册》得：

转向和制动泵选用PFE-31016型双作用叶片泵。

其参数如下：

排量16.5ml/r 额定压力21MPa 输出流量16L/min 驱动功率10KW

转速范围800~2800r/min 油口尺寸4

11in

出口尺寸4

3in

3.2液压缸的选择

缸筒是液压缸的主体零件，它与端盖、缸底、油口等零件构成密封的容腔，

用以容纳压力油，同时它还是活塞的运动轨道。设计液压缸缸筒时，应该正确确定各部件的尺寸，保证液压缸有足够的输出力、运动速度和有效行程。同时还必须具有一定的强度，能足以承受液压力、负载力和干扰等冲击力。另外，缸筒的内表面应具有合适的配合精度、表面粗糙度和几何精度，以保证液压缸的密封性、运动平稳性和耐用性。

3.2.1动臂缸的计算

计算液压缸的内径和活塞缸的直径均与设备的类型有关。例如机床类，对于动力较大的机床（拉床、刨床和组合机床等）一定要满足牵引力的要求，计算时以力为主；对于轻载高速的机床（磨床、珩磨床和研磨床等）一定要满足速度的要求，计算时以速度为主。ZL50装载机的液压系统所需的液压缸都与牵引力有关，故计算时均以力为主。 ①动臂缸的有效工作面积

P

F

A cm η=

（式3-4）

式中 A ——液压缸的有效工作面积；

cm η——液压缸的机械效率，一般在0.9~0.95之间；

p

——液压缸的工作压力；

由ZL50装载机的技术参数最大牵引力为160KN 。根据估算取动臂油缸的推力F=170KN ，cm η=0.9。

26

3

10

329.010170m A ???= =0.00592m

=59c 2

m

②动臂油缸内径的计算

根据液压缸的载荷力和系统工作压力计算。

P

F

D 2

1057.3-?= （式3-5） 式中 D ——液压缸内径（m ）； F ——液压缸的推力（KN ）；

p ——选定的系统工作压力（MPa ）；

m D 32

170

1057.32

-?= =0.0820m 取安全系数k=1.2

m D 2.1820.0?=

=0.0987m =98.7mm

表3-5 液压缸的缸筒内径尺寸系列 (mm)

注：括号数值为非优先选用者。

根据表3-5对D 取整：D=100mm 。

③动臂缸壁厚的计算

]

[2σpD

t =

（式3-6）

式中 t ——缸筒壁厚（m ）

][σ——许用应力（MPa ）；n

b σσ=][，b σ为材料抗拉强度n 为

安全系数，一般n =5；

P ——缸筒试验压力（MPa ）；

由于缸体材料一般为45钢，查《工程材料成形与应用》得：45钢的材料 抗拉强度b σ=600MPa 。

n

b

σσ=

][ (式3-7)

MPa 5

600

=

=120MPa

mm t 120

2100

32??=

=13.3mm

取安全系数k=1.2；

mm t 2.13.13?= =16mm ④动臂缸活塞杆的计算 1）活塞杆直径的计算

表3-6 按工作压力选取d/D

表3-7 按速比要求确定d/D

注： 1v ——无杆腔进油时活塞运动速度； 2v ——有杆腔进油时活塞运动速度。

采取差动连接时，2

2

2

21/)(/d d D v v -=。如果要求往返速度相同时，应取D d 71.0=。

D d 71.0= （式3-8）

=0.71*100mm =71mm

表3-8 液压缸的活塞杆外径尺寸系列 (mm)

根据表3-8对d 取整：d=70mm 2）活塞杆强度计算

m m F

d π

σπ120101704]

[43

??=

≥

（式3-9）

=42mm

d=70mm>42mm

故d=70mm 可行。 ⑤动臂缸导向套计算

1）最小导向长度H 的确定

当活塞杆全部伸出时，从活塞支撑点到导向套滑动面中点的距离为最小导向长度。如果导向长度过短，将使液压缸因间隙引起的初始挠度增大，影响液压缸的工作性能和稳定性。一般液压缸，最小导向长度应满足下式要求：

2

20D

L H +

≥

（式3-10） 式中 L ——最大工作行程； D ——缸筒内径；

由3.2.1⑥动臂缸缸体长度得确定可得：L=1.2m ；