自卸车的液压系统设计.docx
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自卸车的液压系统设计
课程设计
题目：
自卸车液压系统
学院：
机械工程学院
专业：
车辆工程
班级：
131班
姓名：
朱哲
学号：
130505127
指导老师：
段鸿杰
第一章绪论………………………………………3
1.1自卸车简介………………………….3
1.2自卸车的组成……………………….4
1.3自卸车整车质量利用系数…….…..4
第二章原理分析……………………………...5
2.1举升阶段………………………………5
2.2静止阶段……………………………...5
2.3下降阶段.........................6
2.4自卸车举升运动…………………….…7
第三章液压缸计算………………………………..7
3.1液压缸基本结构参数及相关标准……7
3.2计算液压缸内径………………………7
3.3活塞杆径的确定……………………..8
3.4缸的流量的计算……………………..8
3.5液压缸举升力和油压曲线…………..9
第四章液压泵计算………………………….…….9
4.1计算液压泵最大压力……………...9
4.2计算液压泵的流量……………………10
4.3液压泵功率计算……………………..10
第五章其它元件…………………………….….11
5.1油管计算………………………………11
5.2油箱计算……………………………..11
第六章回路……………………………………….12
6.1举升回路……………………………..12
6.2过滤器…………………………………13
6.3阀的参数………………………………13
6.4液压油选择…………………………..14
第七章自卸车效率计算………………………..14
参考文献…………………………………………….15
第一章绪论
1.1自卸车简介
自卸汽车是本车装有发动机驱动的液压举升机构，能将车厢举升和回位，或将车厢倾斜一定角度卸货，靠自重使车厢回位的专用汽车。
近年来，随着我国城市化建设、高速铁路建设、公路建设、道路运输业的发展以及装卸机械化的要求，自卸汽车得到了快速发展，市场对自卸汽车的需求也日益增加。
自卸汽车大多用于工矿企业和建筑工地的散料、砂土等装卸作业，经常在山地、陡坡、弯道、坑洼地等恶劣环境中进行连续高强度作业，由于其装卸机械化的优点，能缩短装卸时间，减轻劳动强度，提高运输效率，所以逐渐发展成为各行业用来降低运输成本，提高劳动生产率的主要运输工具。
然而由于自卸汽车重量大、行驶速度高，长时间高负荷作业，加之工作行驶环境恶劣，所以必须具有可靠、灵活的举升、转向和制动等性能，而其举升机构的作业稳定性和整车性能稳定性的优劣将严重影响整车的安全性能和生产效率。
自卸汽车普遍存在举升机构惯性很大和举升多级液压缸有效面积突变的状况，举升机构在工作状态时容易产生液压冲击等问题，如果举升机构各部件设计不当，工作时受力较大，则有可能产生举升失效，疲劳断裂等丧失工作能力的问题，出现较大事故，因此举升机构的稳定性会对整车的稳定性有一定影响。
另外，由于自卸汽车本身的结构因素决定了其整车的质心高度较一般载货车要高，其工作失稳的危险性也较一般载货车要高，例如自卸汽车车厢在卸货时的侧向刚度较弱，再加上运载货物的物理和化学性质、气候、道路、工作场地的影响，在行驶及卸载时很可能会出现横向侧翻现象，发生严重的事故。
除此之外，自卸汽车的整车结构设计参数的匹配对其举升机构以及整车的动力学性能有直接的影响。
例如自卸汽车的本身质心比较高，如果轴距设计的越长，汽车行驶时操纵越平稳，转向操纵越容易，但是举升机构的举升压力会增大，这样对举升机构部件的材料、设计、寿命等提出了挑战。
因此，分析自卸汽车的整体稳定性和举升机构的工作稳定性就显得非常重要。
随着计算机仿真技术的迅猛发展，其在汽车工业的产品开发、生产技术方法和手段等也随之得到了迅猛发展。
1.2自卸车的组成
自卸车液压系统的组成：
取力传动轴、齿轮泵、齿轮泵固定支架、进出油口、低压进油管、高压油管、气控换向阀、液压举升油缸、液压油箱、手控阀、限位阀、安全溢流阀、单向阀、气管、管接头和各种紧固件等。
1.3自卸车的整车质量利用系数
自卸汽车的质量利用系数η是指装载质量me与整车整备质量m0之比.该系数是一项评价汽车设计、制造水平的综合性指标。
，η越大就表明其设计、制造水平较高。
图1部分自卸车的整车质量利用系数
第二章原理分析
自卸车液压举升装置是由液压油泵、进油管、液压油缸、回油管、液压油箱、导管构成。
液压油泵上装有举升阀，在举升阀上连接有杠杆，杠杆的另一端连接气缸，通过气缸的升降经杠杆传动，控制举升阀运动，使液压油缸升降。
2.1举升阶段
换向阀3处于举升位置，油泵将压力油通过单向阀7进入油缸下腔，推动活塞上升进而推动车厢上升。
图2举升原理图
1-液压缸，2-节流阀，3-手动换向阀，4-油箱， 5-溢流阀，6-液压泵，7-单向阀，8-过滤器
2.2静止阶段
换向阀处于中停位置，油泵输出的油液在换向阀内部卸荷，无压力，油缸内油液无压力，不能举升油缸，同时油缸内油液已封闭，所以自卸车处于中停，车厢静止状态。
图3静止阶段
1-液压缸，2-节流阀，3-手动换向阀，4-油箱， 5-溢流阀，6-液压泵，7-单向阀，8-过滤器
2.3下降阶段
换向阀处于下降位置，油缸下腔油路与油箱相通，车厢在自重下，活塞下移。
油缸下腔油液经节流阀2留回油箱，安装节流阀可调节下降速度
图4下降阶段
1-液压缸，2-节流阀，3-手动换向阀，4-油箱， 5-溢流阀，6-液压泵，7-单向阀，8-过滤器
2.4自卸车举升运动
图5自卸车机构运动模型
第三章液压缸计算
3.1液压缸基本结构参数及相关标准
液压缸结构设计参数有：
液压缸的液压力p、液压缸的额定压力Pn、液压缸的内径（活塞外径）D，缸筒外径D1、活塞杆直径d。
3.2计算液压缸内径
对于推力负载的液压缸，可根据下式计算缸筒内径
D=√4F/πPηt
ηt=ηa•ηb•ηc
式中D----缸筒内径，m;
F推力负载，N;
P供液压力，Pa;
ηt———液压缸总效率；
ηa—---机械效率（初算时可取ηa=0.9-0.95）;
ηb——密封效率（活塞密封为弹性材料可取ηb=1）;
ηc—— 回油效率（排油直接回油箱可取ηc=1）。
将ηa=0.95，ηb=1，ηc=1代入式中得ηt=0.95
D≥ √4F/πPη
设车厢最大负载为3000kg,F=mg=3000*9.8=29.4KN
自卸汽车属于小型工程机械，选取液压缸的公称压力P=16MPa。
将F=29.4KN,P=16MPa，ηt=0.95带入得
D≥ 157mm
表1液压缸内径系列GB/T2348-1993/mm
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
110
125
140
160
（180）
200
（220）
250
280
320
360
400
450
500
注释括号尺寸为非优选系列
所以选取D=160mm
根据额定工作压力P和压缸内径D=160mm选择外径D1=180mm
缸壁厚度=（D1-D）/2=10mm
3.3活塞杆径的确定
表2液压缸活塞杆（杆径）系列（GB/T2348-1993）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
60
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
D=160mm，选取活塞杆直径为110mm
3.4缸的流量的计算
q＝Av
式中A—液压缸有效作用面积（m2）；
v——活寨与缸体的相对速度（m/s）。
取v=0.5m/s
计算得出q=23/L
3.5液压缸举升力和油压曲线
图6液压缸举升力曲线
图7液压缸油压特性曲线
第四章自卸车举升机构
4.1举升机构
举升机构的动力转动装置一般从变速器总成的顶部或侧面安装取力器输出动力，取力器直接带动油泵或通过传动轴带动油泵，从而产生液压驱动力。
举升机构分为两大类：
直推式和连杆组合式。
（1）直推式
直推式举升机构利用液压油缸直接举升车厢倾卸。
这种机构一般是将油缸装载在车厢的中部下方，结构布置简便，举升效率高，系统耐冲击性较好。
但在进行倾卸作业时，液压油缸工作行程长，横向刚度较差，因此经常采用单作用多级仲缩式套筒油缸来提高举升角度。
按举升油缸的级数不同，直推式举升机构可分为单级式与多级式；按油缸与车厢连接点的位置不同，可分为前置式与后置式两种按照油缸数目不同可分为单缸式与双缸式。
前置式一般采用单缸，后置式采用单缸或者并列双缸。
在相同举升载荷条件下，前置式需要的举升力较小，举升时车厢横向刚度大，但油缸活塞工作行程长。
后置双缸直推式举升机构具有油缸行程小、举升效率高、易于加工的特点，并且机构紧凑，举升稳定性好，因此应用范围较广。
其缺点是举升时横向刚度较差。
前置式
后置式
（2）连杆组合式
连杆组合式举升机构也称腹式液压举升机构，其主要构件一般由三角臂、副车架和车厢构成的连杆机构与油缸组成，安装于车厢中部下方。
此类举升机构油缸活塞的工作行程短、举升刚度好。
可采用结构简单、密封性好、易于加工的单缸，通过机构放大系统来实现车厢的倾卸。
因而广泛应用于现代中、轻型自卸汽车。
常用的连杆组合式举升机构的布置形式主要有油缸前推式（T式）和汕缸后推式（D式），T式又称马勒取机构，其特点是举升力小，油应特性好。
D式又称加伍德机构,其特点楚转轴反力小，举升系数大。
4.2举升参数确定
车厢最大举升角是指当货物升至设计极限位置时，货箱底部与车架平面的夹角。
它取决于常运货物静态安息角的大小。
因此取得车厢最大举升角的依据是经常拉运货物的静态安息角，即设计的车厢最大举升角必须大于货物的静态安息角，以保证车厢内的货物能完全倾卸。
设计时，自卸汽车车厢最大举升角可在50°至60°之间选取，重型颠簸形车厢自卸车最大举升角可在65°至70°之间选取。
选取的最大举升角为55°。
举升时间是指满载时举升机构从开始举升至达到举升角度所需时间，降落时间是指空载时货厢从最大举升角度降落至车架的时间
时间太长将影响举升效率和工作时间，太短又势必增大液压系统负荷而造成举升机构的磨损。
基于上述考虑，一般设计举升时间要求为15-25s，而降落时间要求为8-15s。
选取自卸车的举升时间为22s。
第四章液压泵计算
自卸汽车上常用的液压油泵分为齿轮泵和柱塞泵两类。
齿轮泵在相同体积下比柱塞泵流量大，但油压低，常用在中、轻型自卸汽车上。
柱塞泵由于油压高（油压范围16〜35MPa），且在最低转速下仍能产生全油压，故可缩短举升时间，常用在重型自卸汽车上。
4.1计算液压泵最大压力
液压泵的最大工作压力必须大于等于液压执行元件最大工作压力及进油路总压力损失这两者之和。
表3
系统结构情况
总压力损失
一般节流调速及管路间单的系统
0_2〜0_5
进油路有调速阀及管路复杂的系统
0.5〜1.5
pP≥p1＋∑Δp
式中p1——液压缸或液压马达最大工作压力；
∑Δp——从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。
∑Δp的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：
取∑Δp=0.5MPa。
p1=24MPa所以， pP=24.5MPa。
4.2计算液压泵的流量
液压泵的流量必须等于或超过几个同时工作的液压执行元件总流量的最大值以及回路中泄漏量这两者之和。
q≥K（∑qmax）
式中 K——系统泄漏系数，一般取K＝1.1～1.3；液压缸最大流量为23L/min。
所以泵的流量q=26L/min
4.3液压泵功率计算
p=paq/η
式中：
pa液压系统最大工作压力
q液压泵流量；
η液压泵总效率
表4部分泵的效率
液压泵类型
齿轮泵
螺杆泵
叶片泵
柱塞泵
总效率
0.6〜0.7
0.65〜0.80
0.60〜0.75
0.80〜0.85
Pa=24.5MPa,q=26L/minη=0.6
P=17.7KW
第五章其它元件
5.1油管计算
管道内径计算
式中 q——通过管道内的流量（m3/s）；
v—管内允许流速（m/s）
q=23L/min，v=3m/s
计算得出d=32.9mm
选取d=33mm
管道壁厚δ的计算
式中p——管道内最高工作压力（Pa）；
d——管道内径（m）；
[σ]——管道材料的许用应力（Pa），[σ]＝σb/n
σb——管道材料的抗拉强度（Pa）；
n——安全系数，对钢管来说，p＜7MPa时，取n=8；p＜17.5MPa，取n＝6；p＞17.5MPa时，取n＝4。
已知d=33mm,p=25MPa,n=4采用20钢，其抗拉强度为390MPa
管道壁厚δ=4mm
5.2油箱计算
油箱的选择
油箱的作用是储油，散发油的热量，沉淀油中杂质，逸出油中的气体。
其形式有开式和闭式两种：
开式油箱油液液面与大气相通；闭式油箱油液液面与大气隔绝。
开式油箱应用较多。
油箱应有足够的容积以满足散热，同时其容积应保证系统中油液全部流回油箱时不渗出，油液液面不应超过油箱高度的80%。
油箱容量计算油箱的有效容量V可近似用液压泵单位时间内排出油液的体积确定。
V=kΣQ
式中 K——系数，低压系统取2～4，中、高压系统取5～7；
ΣQ——同一油箱供油的各液压泵流量总和。
低压系统中取K=3，V=78L/min
第六章回路
6.1举升回路
图8自卸车举升回路
1、滤油器，2、液压泵，3、6、8、溢流阀，4、换向阀，5、7、10、单向阀，9、举升缸，11、油箱
回路由油箱，液压泵，溢流阀，换向阀，单向阀，举升缸和油箱所组成。
其工作原理如下：
在液压泵2作用下，液压油经滤油器1过滤后，经液压泵2增压，再通过单向阀lO进入换向阀4和举升缸9,在换向阀4控制下实现举升缸的举升或下降动作。
溢流阀3的作用是控制系统的最高压力。
溢流阀8作用是控制货箱下降时举升缸的回油压力。
由于其溢流压力设置较低,所以即使未移开保护撑杆就操作货箱下降,举升缸也不会产生过大拉力,从而有效避免了货箱或保护杆出现损坏、变形现象。
溢流阀6作用是在举升缸无杆腔压力瞬间增高时,吸收无杆腔回油的液压冲击。
当举升缸无杆腔回油出现瞬时压力增高时,单向阀5将回油截止,溢流阀溢6流卸压。
而在正常操作时,溢流阀6则不起作用。
6.2过滤器
过滤器的作用是过滤掉油液中的杂质，净化油液，使其污染程度控制在允许的范围内，保证液压系统能够正常工作。
过滤器的主要性能指标有：
过滤精度、允许压力降、纳垢容置、过滤能力、工作压力。
液压系统中广泛采用的是纸芯式过滤器。
过滤精度为5-30um。
纸芯式过滤器过滤性能可靠，但纸芯式强度较低，且堵塞后不能清洗，必须更换滤芯。
将过滤器安装在液压泵吸油口。
位于液压泵吸油口的过滤器用来避一些颗粒杂质进入液压泵，起到保护泵的作用。
最大流量为21L/min，最大工作压力为5MPa。
6.3阀的参数
表5阀的参数
序号
元件名称
最大流量（L/min）
最大工作压力MPa
1
溢流阀3
23
16.5
2
溢流阀8
15
5
3
溢流阀6
25
18
4
三位四通手动换向阀
20
20
5
过滤器
21
5（额定压力）
6
单向阀
18-1500
31.5
自卸车液压系统组成及其工作过程
液压系统的组成
一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。
动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。
液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。
执行元件（如液压缸和液压马达）的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。
控制元件（即各种液压阀）在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。
根据控制功能的不同，液压阀可分为村力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。
压力控制阀又分为溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。
根据控制方式不同，液压阀可分为幵关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。
辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位油温计等。
液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有咅种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。
液压油就是利用液体压力能的液压系统使用的液压介质，在液压系统中起着能量传递、抗磨、系统润滑、防腐、防锈、冷却等作用。
液压油在液压系统中很重要。
液压油应满足的要求：
一是黏温性能好，二是具有良好的润滑性，三是具有良好的化学稳定性。
按液压系统和油泵工作压力选用液压油，压力<8 MPa用L-HH、L-HL，压力8~16 MPa用L-HL、L-HM、L-HV，压力>16 MPa用L-HM、L-HV液压油。
液压系统最大工作压力P=25MPa，所以选用L-HM或者L-HV液压油。
自卸车液压系统组成：
取力传动轴、齿轮泵、齿轮泵固定支架、进出油口、低压进油管、髙压油管、气控换向阀、液压举升油缸、液压油箱、手控阀、限位阀、安全溢流阀、单向阀、气管、管接头和各种紧固件等。
项目
齿轮泵（外啮合）
叶片泵
斜轴式柱塞泵
斜盘式柱塞泵
排量（cm3/r）
1-500
平衡式1-350
不平衡式10-230
100-1000
4-500
最高压力（MPa）
1-25
平衡式3.5-40
不平衡式3.5-14
21-40
21-40
最高转速（r/min）
900-4000
平衡式1200-3000
不平衡式1200-1800
750-3600
750-3600
最高效率（%）
70-85
平衡式70-90
不平衡式60-70
88-95
85-92
对污染敏感性
不易受污染影响，随着齿轮的磨损，效率有所降低
对污染较敏感，叶片磨损时，效率降低到很小
对污染最敏感，配流盘受损伤时效率降低
对污染的斜轴式高，配流盘滑靴磨损时效率降低
吸油性能
转速为1800r/min时，允许吸入真空度为-26664.4-54328.8Pa（-20-40cmHg）
转速为1800r/min时，允许吸入真空度为-13332.2~-26664.4Pa（-10-20cmHg）
转速为1800r/min时，允许吸入真空度为-3.9997-0Pa（-3-0cmHg）
同轴斜式柱塞泵
噪声（dB）
额定转速300r/min时，噪声83dB
额定转速1450-2400r/min时，噪声76dB
额定转速1450-2400r/min时，噪声87dB
额定转速1450-2400r/min时，噪声77dB
对过滤精度要求
30-50μm
20-30μm
15-25μm
15-25μm
易出故障的部位
内部摩擦副；支承轴套端面、齿轮及轴颈磨损，引起橡胶密封损坏、泵体内孔及两侧板磨损
配油盘三角槽极易堵塞，污染物侵入摩擦副，发生异常磨损或卡殆，应注意油液清洁和吸油通畅，易出现突发性故障
连杆组件磨损，连杆球头从驱动轴球窝中脱出，功率调节弹簧失效，两对摩擦副磨损
所有变量泵的变量机构，三对摩擦副磨损
工作过程
发动机通过变速器、取力装置驱动液压泵，高压油经分配阀、油管进入举升液压缸，推动活塞杆使车厢倾翻。
后向倾翻较普遍，通过操纵系统控制活塞杆运动，可使车厢停止在任何需要的倾斜位置上。
车厢利用自身重力和液压控制复位。
第七章自卸车效率计算
自卸汽车是利用本车发动机驱动的液压举升机构将车厢倾斜一定角度。
然后货物依靠自重自行卸下的汽车。
目前,通常用举升力系数K来评价举升机构的工作效率:
K=mg/F
式中:
F—液压缸有效推力
m—举升质量
已知m=3000kg，
F=P*A=P*πd²/4
式中F——作用在活塞上的液压力（推力），N;
p一一—进液腔压力Pa;
A——活塞面积m2
d—活塞直径m，
p=16MPa，d=110mm，F=152053N
K=19.73%
参考文献
[1]齐晓杰汽车液压、液力与气压传动化学工业出版社2014.5
[2]李松晶液压经典实例设计化学工业出版社2012.8
[3]王守城液压系统PLC控制实例精解中国电力出版社2011.7
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