精品毕业论文物流液压升降台的设计

摘 要 随着汽车行业的发展，我国的汽车维修行业有了很大的发展，为之服务的汽车 维修设备行业已成为我国的新兴行业不断发展壮大。各种举升机设备如雨后春笋， 不断涌现，质量不断提高，销量逐年增加。本设计采用剪叉式液压升降台。 当今世界上的许多先进技术，如自动控制光电开关等，已广泛应用到各种安全 装置的设计领域，因而在设计制造举升机时，应结合产品的特点，积极采用先进可 靠实用的现代安全技术。以下文中仅列举多数举升机普遍采用的安全措施为了使用 维护方面的安全保证措施涉及的范围很广，包括举升机有使用前的准备工作，举升 汽车时应该注意的事项，承载时的稳定性，降下汽车时的注意事项，日常和定期维 修检查工作等 整机的液压系统图油路各自拟订好的控制回路及液压源组合而成。各回路相互 组合时去掉重复多余的元件，力求系统结构简单。注意各元件间的联锁关系，避免 误动作发生。要尽量减少能量损失环节，提高系统的工作效率。为了便于液压系统 的维护和监测，在系统中的主要路段要装设有必要的监测元件，如压力表，温度计 等。在设计中可以考虑在关键部位，附设备用件，以便意外事件发生时能迅速更换， 保证主机连续工作。各液压元件采用国产标准件，在图中按国家标准规定的液压元 件职能符号的常态位置绘制。对于自行设计的非标准元件可用结构原理图绘制 关键字：升降台；剪叉式 ；液压 Abstract With the development of automobile industry, the industry automobile of our country is kept in repair has had very big development , the uninterrupted growth keeping equipment industry in repair for the automobile that serves already becoming Xin Xing industry of our country has expanded. The various act rises machine equipment if bamboo shoots after a spring rain, ceaseless rise of mass springs up unceasingly, sell amounts increasing by year by year. Capital is designed adopt the dyadic scissors fork hydraulic pressure cage assembly. Many advanced technology of in the world in the nowadays, extensive use already arrives at the various safety device design field if the autocontrol 光 electricity switch waits, should adopt the pragmatic advanced reliable modern times safety technology combining with the product characteristic, actively when depending on the machine designing that the fabrication act rises as a result. The following lists major acts only in culture rising machine Key Words：Cage assembly；Scissors forks are dyadic；Hydraulic pressure 目 录 摘 要I ABSTRACT.II 目 录III 第一章 绪 论1 1.1 举升机的发展简史 1 1.2 汽车举升机的设计特点 2 1.3 汽车举升机的安全保证措施 3 1.3.1 设计制造方面的安全保证措施 3 1.3.2 使用维护方面的安全保证措施 4 第 2 章 剪叉式升降台的应用及其受力分析的讨论.5 2.1 剪叉式升降平台的三种结构形式 5 2.2 双铰接剪叉式升降平台机构的位置参数计算 6 2.3 双铰接剪叉式升降平台机构的动力参数计算 8 2.4 剪叉式升降平台机构设计时应注意的问题 9 2.5 针对性比较小实例： 9 2.6 双铰接剪叉式升降平台机构中两种液压缸布置方式的分析比较 .12 2.6.1 问题的提出：13 2.6.2 两种布置方式的分析和比较：14 2.6.3 实例计算15 第三章液压传动系统的设计计算.20 3.1 明确设计要求 制定基本方案：.20 3.2 制定液压系统的基本方案 .20 3.2.1 确定液压执行元件的形式20 3.2.2 确定液压缸的类型 .22 3.2.3 确定液压缸的安装方式 .22 3.2.4 缸盖联接的类型 .22 3.2.5 拟订液压执行元件运动控制回路22 3.2.6 液压源系统22 3.3 确定液压系统的主要参数 .23 3.3.1 载荷的组成与计算：23 3.3.2 初选系统压力25 3.3.3 计算液压缸的主要结构尺寸26 3.3.4 确定液压泵的参数28 3.3.5 管道尺寸的确定30 3.3.6 油箱容量的确定31 3.4 液压缸主要零件结构、材料及技术要求 .31 3.4.1 缸体31 3.4.2 活塞32 3.4.3 活塞杆33 3.4.4 活塞杆的导向、密封和防尘33 3.4.5 液压缸的排气装置34 3.4.6 液压缸安装联接部分的型式及尺寸35 3.4.7 绘制液压系统原理图35 第四章 台板与叉杆的设计计算39 4.1 确定叉杆的结构材料及尺寸 .39 4.2 横轴的选取 .43 结 论.44 致 谢.45 参考文献.46 第一章 绪 论 汽车举升机是现代汽车维修作业中必不可少的设备，它的主要作用就是为发动 机、底盘、变速器等养护和维修提供方便。举升机的从上世纪 20 年代开始使用，发 展至今经历了许多的变化改进，种类也比较多，一般有柱式、剪式，其驱动方式有 链条传动，液压传动，气压传动等。本章就从举升机的产生、发展以及制造工艺等 方面进行简单的介绍。 1.1 举升机的发展简史 汽车举升机在世界上已经有了 70 年历史。1925 年在美国生产的第一台汽车举 升机，它是一种由气动控制的单柱举升机，由于当时采用的气压较低，因而缸体较 大；同时采用皮革进行密封，因而压缩空气驱动时的弹跳严重且又不稳定。直到 10 年以后，即 1935 年这种单柱举升机才在美国以外的其它地方开始采用。 1966 年，一家德国公司生产出第一台双柱举升机，这是举升机设计上的又一突 破性进展，但是直到 1977 这种举升机才在德国以外的其它国家出现。现在双柱举升 机在市场上以占据牢固的地位，其销量还在持续增长。它和四柱举升机相比，既有 优点，也有缺点，以下将作一简要说明。 我们所见到的绝大多数举升机均采用固定安装方式。在举升前汽车必须驶上举 升机。在移动式举升机方面也有几项成功设计，如剪式举升机、菱架式举升机等。 但这类举升机仍存在两个主要问题，接近汽车下部较难；在车间移动举升机时难逾 越地面上的障碍物。当然，可移动性是这类举升机的突出优点。现在固定安装的单 柱、双柱、四柱举升机已在维修现场广泛采用，而移动式举升机却相对要少得多。 最初设计单柱举升机外，车辆较大，其底盘也能明显辨认，因而汽车检修区远 远大于举升器件。而今绝大多数汽车均为“紧凑型”或“半紧凑型” ，导致汽车检修 区域接近主要举升机器件而不便操作。但在南美洲却属例外，那里仍然采用较大的 车辆，这可能是单柱举升机在该地区的市场上仍然受到欢迎的重要原因。单柱举升 机有两大优点：当其下降后，不致成维修车间的障碍物；汽车可在举升机上转动。 但美国却受到了责难，主要是举升机的旋转会带来撞击操作人员的危险。单柱举升 机的主要缺点是：第一，它需要在车间的地面挖掘一个相当大的坑穴后才能安装； 其次，它只能为使用提供车轮支撑方式；第三，使用时难于接近汽车下部的一些重 要检修区域。举升用的油缸潜藏在地下也给维修带来两大问题：第一是检修这些零 部件颇为困难；其次是由于油缸所处的环境条件差，容易生锈，特别是地下水位较 高时更是如此。 双柱举升机（包括液压式或机械式） ，均具有以下优点：第一，检修汽车下部具 有很高的可接近性（几乎达到 100%） ；其次，采用车轮自由型的方式支撑汽车，因 而拆卸车轮时不需要其它辅助性的举升措施；第三，结构紧凑，占地面小。双柱举 升机的缺点是：第一为确保安全，安置举升机时要求非常严格，否则在举升过程中 容易摇晃或颠覆；第二，由于举升机常采用车轮自由型的方式支撑汽车，如需采取 车轮支撑型的方式维修汽车则甚感不便，如检查悬挂系统、检查转向机构间隙或进 行车轮定位检验等；第三，由于举升臂和立柱承受悬臂或载荷所产生的巨大应力， 其承力件易于磨损，因而双柱举升机的安全工作寿命一般要比四柱举升机低。 四柱举升机有四根立柱、两根横梁、用于支撑汽车的两个台板。举升前，汽车 很容易正确无误地驶上四柱举升机的台板。由于台板内侧设备有凸缘，当汽车驶上 台板时也不致坠入其间的空隙中。车轮支撑型四柱举升机的优点是：第一，举升机 装载汽车时勿需较高的技术，操作也很简便；第二，承载时非常稳定；第三，支撑 载荷受力简单，应力较低，从而延长了设备的使用寿命；第四，由于具有较高的使 用价值，从经济上来看也是合算的；第五，易于维修；第六，在车间现场进行安装 也较方便，只要地面平坦，其混凝土厚度能够固牢立柱的地脚螺栓即可。四柱举升 机的缺点是：和双柱举升机相比，战地面积教大，对汽车检修区域可接近性较差。 解放后，特别是改革开放以来，我国的汽车维修行业有了很大的发展，为之服 务的汽车维修设备行业已成为我国的新兴行业不断发展壮大。各种举升机设备如雨 后春笋，不断涌现，质量不断提高，销量逐年增加。 有人说，对于汽车维修企业来说，汽车举升机可能是除厂房而外的最重要的投 资，因为它具有至关重要和不可替代的作用，甚至直接影响到汽车维修业务的兴衰。 汽车举升机是汽车维修设备行业的支柱设备之一，让我们生产出更多、更好、更受 用户欢迎的汽车举升机，为汽车维修企业服务。 1.2 汽车举升机的设计特点 （1）举升机台板降到下位时，与地面应尽可能在同一平面上，为达到此目的， 虽然可在地面上挖掘凹坑，但需增加投资费用，也破坏了车间地面的平整性。为此， 在保证强度和刚度的前提下，应尽可能降低举升机台板和横梁的高度；这样，既便 于汽车驶上举升机，又使驶上台板的斜面长度尽可能短，节约车间的占地。在条件 许可时，举升机台板（或横梁）应选择专用型钢或用钢板拆弯成形。 （2）正确选择传动方式。采用机械传动（螺母、螺杆）或液压传动（油缸） ， 均 用电动机驱动。机械传动的成本较高，耗能较多，但安全性较好。经验证明： 机械传动的能耗为液压传动所需能耗的两倍（在举升载荷、举升时间均相同的条件 下） 。机械式举升机的螺母、螺栓磨损较快，而液压式举升机的维修量却相对要小些。 虽然液压式举升机的技术难度较大，但多数零部件（液压泵、液压缸、阀门、密封 元件等）均可外购或外协，当然一定要选用优资产品。 （3）丝绳的选择。为了减少滑轮直径从而缩小寄生机立柱的断面尺寸，应该选 用高柔度的钢丝绳。钢丝绳应有较高的安全系数，一般应达 8。为此，应增加钢丝 绳钢丝的数目。如英国某公司 3t 系列的举升机所采用的钢丝绳的直径为 9mm，两根 并列，每根 37 股，每股 6 根钢丝。滑轮通常用钢材制成，而该公司采用玻璃纤维与 尼龙混合制成（50%的玻璃纤维、50%的尼龙） 。这样，不仅价格便宜，还能减轻钢 丝绳的磨损，延长其使用寿命。 1.3 汽车举升机的安全保证措施 今天全世界都对在危险作业环境下工作的人们的安全寄予极大的关注。汽车举 升机具有潜在的危险，因为人们要在其下面工作；当其升降时如不小心，也会碰伤 手足。近年来不少国家还制定了专门性法规，以防止或至少使安全事故的可能性降 低到最低限度。 汽车举升机的安全保证措施主要从两方面着手：一方面从设计制造方面采取措 施，好提高汽车举升机的安全技术特性；另一方面则应在使用维修过程中遵循严格 的操作规程，保证汽车举升机能在良好的技术状态下正确地运行。现分别说明与后。 1.3.1 设计制造方面的安全保证措施 当今世界上的许多先进技术，如自动控制光电开关等，已广泛应用到各种安 全装置的设计领域，因而在设计制造举升机时，应结合产品的特点，积极采用先进 可靠实用的现代安全技术。以下仅列举多数举升机普遍采用的安全措施。 （1）举升机应能经受超负荷试验(包括举升和支撑)，一般应为最大举升能力的 125%此时举升机的构件不得有任何永久性的变形和损坏。 （2）所有的操作控制机构均采用“双重保险”，以防误操作，即举升机运行前必 需操作两个控制机构(或按钮开关)后才能驱动。 （3）所有的控制电路均采用失效保护，即任何单个元件失效，也不会使举升机 坠或上升所造成非常危险的局面。 （4）所有的举升机器件均应有第二支撑系统。原有的提升系统失效时，它能自 动进行有效的支撑。 （5）所有的柔性提升手段，如钢丝绳，链条等，均应有足够的安全系数，并在 制造厂设置的保护罩内传动。 （6）所有的运动零件均应有防护装置，以免撞击操作人员的任何部位，特别是 手，足，衣服等。 （7）所有举升机的设计均应把举升重物滑移的可能性降低到最低限度。 1.3.2 使用维护方面的安全保证措施 使用维护方面的安全保证措施涉及的范围很广，包括举升机有使用前的准备工 作，举升汽车时应该注意的事项，承载时的稳定性，降下汽车时的注意事项，日常 和定期维修检查工作等。虽然汽车举升机已有 70 年的历史，其设计原理并无多大改 变;但如果忽视安全要求，超载使用，疏忽大意，仍然会造成严重事故，甚至发生人 身伤亡。因此安全问题一定要引起使用单位和操作人员的高度重视。首先，应选购 那些安全性能良好的汽车举升机，另外，还应认真学习和理解说明书中的各项安全 注意事项并认真贯切执行。这里仅就使用维护举升机时普遍应当注意的事项说明于 后。 （1）使用中的举升机每天都应进行检查。发现有效故障或零部件损坏时，不得 再使用。维修时应采用该举升机的制造厂所提供的配件，不得随意代替或自制。 （2）举升机不得超载使用。每台举升机的额定载荷均注明在设备的铭牌上。特 别要注意防止偏载，即整机虽未超载而某一举升臂确已超过允许的额定载荷。故欲 举升那些前后轴载荷严重分配不均的汽车时应特别注意，能满足要求的才能装载使 用。 （3）安置汽车和使用举升机均应由经过培训并经考核合格的人员操作。 （4）举升汽车时，车内不得有人。举升机升降和使用时，顾客和无关人员应远 离举升机。 （5）举升机区域内不得有任何障碍物，如油脂、废物、瓦砾等。 （6）当汽车驶上举升机前，应清除通道，不得驶过或撞击举升臂，连接器，车 轴支撑器等，以防损坏举升机或汽车。 （7）在举升机上承载汽车时应仔细操作。将举升机的支撑器安置到汽车制造厂 推荐的举升机逞力接触点。只有当支撑器与汽车上的承力点接触严密后才能将举升 机升起;对其接触的严密性进行认真检查后，才能将汽车举升到需要的工作高度。 （8）要注意某些汽车上的零部件由于移动或安装位置的不同会引起重心的急剧 变化，从而导致举升汽车时的不稳定。 （9）举升机降下前，应将汽车下面的工具箱，台架及其它设备全部移开。要降 下举升机前，还必须松开锁紧装置。 注意:如欲在汽车下面进行维修作业时，应将举升机提升到足够的高度，以便锁 紧装置啮合。 第 2 章 剪叉式升降台的应用及其受力分析的讨论 2.1 剪叉式升降平台的三种结构形式 本讨论的目的通过分析气液动类的剪叉式升降平台机构特点，论述了设计时应 注意的问题及其应用范围。气液动剪叉式升降平台具有制造容易、价格低廉、坚实 耐用、便于维修保养等特点。在民航、交通运输、冶金、汽车制造等行业逐渐得到 广泛应用。本设计中主要侧重于小型家用液压式的升降平台。在设计气液动剪叉式 升降平台的过程中，一般我们会考虑如下三种设计方案，如简图 2-1 所示： 图 2-1 结构简图 图中表示气液动剪叉式升降平台的三种结构形式。长度相等的两根支撑杆 AB 和 MN 铰接于二杆的中点 E，两杆的 M、A 端分别铰接于平板和机架上，两杆的 B、N 端分别与两滚轮铰接，并可在上平板和机架上的导向槽内滚动。图中的三种 结构形式的不同之处在于驱动件液压缸的安装位置不同。 图 a 中的驱动液压缸的下不固定在机架上，上部的活塞杆以球头与上平板球窝 接触。液压缸通过活塞杆使上平板铅直升降。 图 b 中的卧式液压缸活塞杆与支撑杆 MN 铰接于 N 处。液压缸驱动活塞杆控制 平台铅直升降。 图 c 中的液压缸缸体尾部与机架铰接于 G 处，活塞杆头部与支撑杆 AB 铰接于 F 处。液压缸驱动活塞杆可控制平台铅直升降。 按照液压缸的安装形式，称图 a 的形式为直立固定剪叉式结构，图 b 的形式为 水平固定剪叉式，图 c 的形式为双铰接剪叉式结构。 直立固定剪叉式结构，液压缸的行程等于平台的升降行程，整体结构尺寸庞大， 且球铰链加工负载，在实际种应用较少。 水平固定剪叉式机构，通过分析计算可知，平台的升降行程大于液压缸的行程， 在应用过程中可以实现快速控制升降的目的，但不足之处是活塞杆受到横向力的作 用，影响密封件的使用寿命。而且活塞杆所承受的载荷力要比实际平台上的载荷力 要大的多。所以实际也很少采用。 双铰接剪叉式结构避免了上述缺点。结构比较合理，平台的升降行程可以达到 液压缸行程的二倍以上。因此，在工程实际中逐渐得到广泛的应用。本设计就重点 对双铰接剪叉式结构形式加以分析、论述。 2.2 双铰接剪叉式升降平台机构的位置参数计算 由图 2-2 可知 图 2-2 位置参数示意图 （1） 21/2 sin(1 cos) , CLCL H ll （2） 222 () cos; 2 TCl TC 上式中： H任意位置时升降平台的高度； C任意位置时铰接点 F 到液压铰接点 G 的距离； L支撑杆的长度； 支撑杆固定铰支点 A 到铰接点 F 的距离；l T机架长度（A 到 G 点的距离） ； 活塞杆与水平线的夹角。 以下相同。 将（2）式代入（1）式，并整理得 。 （3） 222 2 1/2 () 2 HLTCl l ClTC 设代入（3）式得 00 /,/,C CH H 。 （4） 222 1/2 00 00 () ()2 2 HTClL l ClT C 在（4）式中， 升降平台的初始高度； 0 H 液压缸初始长度。 0 C 双铰接剪叉式升降平台机构的运动参数计算： 图 2-3 运动参数示意图 图中，是 F 点的绝对速度；是 B 点绝对速度；是 AB 支撑杆的速度； F V B V 1 是液压缸活塞平均相对速度；是升降平台升降速度。由图 3 可知： 1 V 2 V 1 11 1 1 1 2 , sin()sin(), , sin() cos cos, sin() F F B B Vl VVl V L VL l V L VV l （5） 2 1 cos sin() VL Vl 。 在（5）式中， 液压缸活塞平均相对运动速度； 1 V 升降平台升降速度； 2 V 支撑杆与水平线的夹角。 以下相同。 2.3 双铰接剪叉式升降平台机构的动力参数计算 图 2-4 动力参数示意图 图中，P 是由液压缸作用于活塞杆上的推力，Q 是升降平台所承受的重力载荷。 通过分析机构受力情况并进行计算（过程省略）得出： 升降平台上升时 coscossincostan tan()() sin()222cossincos QLfLbfbb Pbfb lf ； （6） 升降平台下降时 coscossincostan tan()() sin()222cossincos QLfLbfbb Pbfb lf （6） 、 （7）式中， P液压缸作用于活塞杆的推力； Q升降平台所承受的重力载荷； f滚动摩擦系数； b载荷 Q 的作用线到上平板左铰支点 M 的水平距离。 由于滚动轮与导向槽之间为滚动摩擦，摩擦系数很小（f=0.01）,为简化计算， 或忽略不计，由（6） 、 （7）式简化为： 。 （8） cos sin() PL Ql 2.4 剪叉式升降平台机构设计时应注意的问题 由式（5）和（8）可知：当、增大时，值随之减小；当、减小时， 21 /VV P/Q 值随之增大。在确定整体结构值随之减小；当、减小时，P/Q 值随之增大， 在液压缸行程不变的情况下，升降平台升降行程会减小；反之，则会使液压缸行程 受力增大。因此设计时应综合考虑升降行程与液压缸受力两个因素。在满足升降行 程及整体结构尺寸的前提下，选取较高的、初始值。而且在整个机构中 AB 支 撑杆是主要受力杆件，承受有最大的弯矩，所以应重点对其进行强度校核。 液压缸可采用单作用缸也可以采用双作用缸，不过要看具体情况。一般我们都 采用单作用柱塞缸，因为采用这样的缸比较经济，而且总体泄漏量少，密封件寿命 长。采用单作用柱塞缸时考虑到在空载荷时，上平板的自重应能克服液压缸活塞与 缸体间的密封阻力。否则，会导致升降平台降不下来。 2.5 针对性比较小实例： 如某自动生产线上， 需设计一种升降平台，要求升降平台最大升降行程应大于 620mm，升降平台面最低高度应小于 300mm，最大承重载荷 0050kg 根据实际使用要求，我们选取了单作用柱塞缸式液压缸。液压缸初始长度 =595mm；最大行程=320mm。升降太机构尺寸：升降台面最低高度 0 C max S =281mm;机架长度 T=1 200;支撑杆长度 L=1 230.5mm. 0 H 按照上述尺寸，结合以上公式分别对双铰接剪叉式和水平固定剪叉式两种结构 形式进行了计算。计算结果见表 1、表 2 和统计图（其中滚动摩擦忽略不计） 。水平 固定剪叉式结构公式如下： 22 1/2 () ; 2 tancos HLTS Plfb QL 。 其中，S液压缸的实际行程，T机架长度（A 点到 G 点的距离） 。 从计算结果可以看出：在整体结构尺寸相同、液压缸行程相同的前提下，作用 在液压缸活塞杆上的最大推力,水平固定剪叉式结构大于双铰接剪叉式结构；升 m ax P 降台最大行程，双铰接剪叉式结构大于水平固定剪叉式结构。hm ax 由于采用了双铰接剪叉式结构液压升降平台，在设备安装时避免了挖地坑，不 仅节省了费用，还给以后了设备维护和检修带来方便。 综上所述，气液动双铰接剪叉式结构液压升降平台整体尺寸较小，结构简单、 紧凑，节省投资；可获得缸体二倍以上的升降形成；非常适合于空间尺寸小、升降 行程大的场合，是一种值得推荐使用的升降机构。 图 2-5 两种结构计算结果对比 2.6 双铰接剪叉式升降平台机构中两种液压缸布置方式的分析比较 刚刚我们已经简单的分析并讨论了双铰接剪叉式液压升降平台机构与其他两种 机构的区别以及在实际应用中所存在的利和弊，但是在考虑各方面条件如单作用柱 塞式液压缸、双铰连接、双支撑杆、相同的升降平台等都不改变的基础之上，能否 将设计进行进一步的优化呢？ 为证明这一点，我们可以从该机构的布置方式考虑，将结构略改动一下。 从直观的角度分析考虑，如下图： 杆1 杆2 图 2-6 液压缸工作示意图 我们可以从图上看出，液压缸的尾部是连接在右侧支撑杆活动的区域的，液压 缸的头部是连接在杆 1 的右端（偏向杆 1 的活动铰连接） 。因此，我们针对实际升降 台剪叉机构中液压缸常用的布置方式存在的问题，提出了另一种相对布置方式，将 液压缸布置在与之相对称的左侧，即与剪叉机构的固定支点在同一侧，来进一步分 析讨论。利用瞬时速度中心法和虚位移原理，推导出这两种布置方式液压缸活塞运 动速度与台面升降速度的关系式及活塞推力与台面荷重的关系式，并对两种布置方 式进行了分析比较，指出了它们各自的优缺点以及适用场合。根据升降台剪叉机构 的工程实例做了几何、运动和动力参数的对比计算和液压缸结构参数的合理选择。 2.6.1 问题的提出： 液压缸驱动的剪叉机构再各种升降台中广泛应用，因安装的空间不同，其折合 后的高度也必然就不同，所以液压缸在剪叉机构内的布置要受到折合后高度的约束。 根据文献甘肃大学学报的有关液压缸驱动剪叉机构的运动学及动力学分析一章， 得知在这种布置方式的情况下，如图： 图 2-7 液压缸布置在左侧 液压缸活塞运动速度与台面升降速度的关系式为 （1） 22 2cos2sin() 2 cos y alal vv l 活塞推力与台面荷重的关系式为 （2） 2 cos sin()sin() l PW al 式中， 111 sin,tan tan,sin (sin2 ) 2 hlaa llad 。 以上两式的推导基于工程中常用的液压缸布置方式，即液压缸下支点与剪叉机 构的固定支点在同一侧，如上图。这种布置方式的优点是液压缸的有效行程比较短， 这在台面升程范围比较大的场合较为适用。存在的问题是在剪叉机构折合后的高度 h 较小的情况下（即角较小） ，所需液压缸的推力将大大增加。在液压缸最高工作 压力限定的情况下，这将使得所用的液压缸的直径增大，以致在折合后的剪叉机构 中难以布置；或采用两个直径较小的液压缸取代一个大直径的液压缸，不过这将增 加一对液压缸的支座，同时带来机械加工、液压缸安装以及液压系统的复杂性，加 大了整个装置的成本。 2.6.2 两种布置方式的分析和比较： 为了解决以上提出的问题，可考虑将液压缸反向布置（即采用第一种设计方案） ， 计算一下该方案的有关参数再将两者作以比较。 如图： 图 2-8 液压缸布置在右侧 这里仍用瞬时速度中心法来求解活塞运动速度。杆上点、点的瞬时转 动中心为 F 点，D 点、A 点的速度为： 2 () D A vl vla 台面升降速度： cos2cos yD vvl 点的运动速度： () 2 cos y A la v v l 活塞运动速度： （） ()sin() cos 2 cos A la vv l 式中， 11 ()sin sin,tan 2()cos hla lLla 依据虚位移原理有： （） ()0 0 ixiixiixi xpypW FxFyFz PxPyWy 由图分析可得： cos ,sin ()cos ,()sin,2 sin xy ppw PPPP xlaylayl 经变分后： ()sin ()cos 2 cos p p w xla yla yl 代入式（） ，整理后得活塞推力： （） 2 cos ()sin() l PW la 式（）和式（）的正确性可以用机械能守恒原理来证明，即 y vPv W 将式（）与式（）进行比较，再各参数都相同的条件下，显, , , , y l aW v 然，液压缸布置再右侧时的推力较液压缸布置在左侧时小；而式（）与式（） 比较，则液压缸布置在右侧时的活塞速度较液压缸布置在左侧时高。可见，活塞推 力的减小是以活塞速度的提高为代价换来的。 液压缸布置在剪叉机构的右侧，使得液压缸的活塞推力减小，这就可以选用直 径较小的液压缸，有利于液压缸在剪叉机构中的布置；带来的问题是液压缸的有效 行程较长，如果台面升程范围不大，液压缸行程的增加也是有限的。 2.6.3 实例计算 根据以上分析结果，结合实例进行对比计算，实例结构简图如图所示，其中左 右两侧分别为两种布置情况。 图 2-9 剪叉机构实例结构简图 剪叉机构的结构尺寸： h=4001 200mm, =2 000mm,=535mm, =770mm,=3210mm.两种布置方式主laef 要参数计算结果见下表： 参 数液压缸布置在左侧液压缸布置在右侧 杆 FD 倾角 1 sin 2 h l 1 sin 2 h l 液压缸倾角 1 ()sin tan ()cos la lae 1 ()sin tan ()cos la fla 起始角/( ) 0 5.7395.739 起始角/( ) 0 20.23620.236 起始活塞速度 0 v 0.185 y v0.279 y v 起始活塞推力 0 P 5.42W3.58W 终止角/( ) max 17.45817.458 终止角/( ) max 50.47322.262 活塞有效行程 L/mm 253365 从统计表中的数值比较可以看出，液压缸在剪叉机构中的布置方式对其运动参 数和动力参数有着较明显的差异。当起始角为最小值、时，活塞推力为最大值 0 0 。在台面荷重 W 相同的情况下，液压缸布置在右侧时的推力明显小于液压缸布置 0 P 在左侧时的情况，两者的比值为 0.66，而活塞的有效行程 L 则是液压缸布置在右侧 时较长，比在左侧时增加了 112mm。如果载荷量不是很大的话（即载荷量 W1.5kN） ，这时可以考虑采用左侧的布置方案，因为这样可以缩短液压缸的伸长长 度。如果伸长度过大的话，不仅在材料上会有所浪费，而且在长期承受载荷的同时 也会相应的增大液压缸及活塞部分的弯曲应力。综合以上考虑，可以初步设想采用 液压缸布置在左侧的方案。而在该方案中活塞起始的速度小于液压缸布置在右侧时 的速度，两者比值=0.66。为了弥补在速度方面的不足，以及减小举升及整体/vv 左右 的体积，可以考虑采用双级支撑杆共同举升平台以达到提升速度的目的。如图所示： 图 2-10 机构各项参数 其转换过程如图 2-11 所示,将两根支撑杆的右侧部分折合到左侧，产生四根相对 比较短的支撑杆，即可达到目的。 图 2-11 参数转化过程 那么首先我们就要计算一下这样的设计方案所采用的液压缸的各项参数，然后 再根据已求得的各项参数来具体确定一下此方案是否合理。 下面按照本设计的基本要求，进一步选择合适的布置方案。为了使举升机使用 范围广泛，载荷更具有代表性，本设计首先建立了一个轿车模型，它的有关参数是： 车自重 1.5t, 宽 1.42m,高 1.4m,轴距 2.4m。在载荷方面没有超出允许的范围内，是可 以采用该方案的。为了工作安全起见，要求举升机在各高度上工作时都应自锁，完 工后可原速或缓速下降，在空载时也可实现快速下降，这在下面的液压系统回路分 析中会探讨到。 为了便于维修人员在升降台底部维修，不仅要在升降高度方面要加以合理化， 还要留有维修人员站立维修的位置。为此，可以选择采用双升降台同步举升并采用 共同底板的方式以满足要求，此布置方案需要两个液压缸，16 根支撑杆举升。为了 增强其安全可靠性，可以设其总承载量为，则平均每个21000 9 819600Wt.N 总 升降台的承载量为。由于这样平均每个液压缸承受的台面载荷仅29800WW /N 总 为 9800N，所以采用左侧布置液压缸是完全可以的。 第三章液压传动系统的设计计算 3.1 明确设计要求 制定基本方案： 设计之前先确定设计产品的基本情况，再根据设计要求制定基本方案。以下列 出了本设计剪式液压升降台的一些基本要求： 1) 主机的概况：主要用途用于家用小型重型设备的起升，便于维修，占地面积 小，适用于室外，总体布局简洁； 2) 主要完成起升与下降重物的动作，速度较缓，液压冲击小； 3) 最大载荷量定为 2 吨，采用单液压缸控制联接组合叉杆机构进行升降动作。 最大起升高度略大于一人高度； 4) 运动平稳性好； 5) 人工控制操作，按钮启动控制升降； 6) 工作环境要求：不宜在多沙石地面、木板砖板地面等非牢固地面进行操作， 不宜在有坡度或有坑洼的地面进行操作，不宜在过度寒冷的室外进行操作； 7) 性能可靠，成本低廉，便于移动，无其他附属功能及特殊功能； 3.2 制定液压系统的基本方案 3.2.1 确定液压执行元件的形式 液压执行元件大体分为液压缸或液压泵。前者实现直线运动，后者完成回转运 动，二者的特点及适用场合见下表。 名 称特 点适 用 场 合 双活塞杆液压缸双向对称双作用往复运动 单活塞杆液压缸有效工作面积大、 双向不对称 往返不对称的直线 运动，差动连接可实现 快进，A1=2A2 往返速度 相等 柱塞缸结构简单单向工作，靠重力 或其他外力返回 摆动缸单叶片式转角小于 360 度 双叶片式转角小于 小于 360 度的摆动 小于 180 度的摆动 180 度 齿轮泵结构简单，价格便 宜 高转速低扭矩的回 转运动 叶片泵体积小，转动惯量 小 高转速低扭矩动作 灵敏的回转运动 摆线齿轮泵体积小，输出扭矩 大 低速，小功率，大 扭矩的回转运动 轴向柱塞泵运动平稳、扭矩大、 转速范围宽 大扭矩的回转运动 径向柱塞泵转速低，结构复杂， 输出大扭矩 低速大扭矩的回转 运动 注：A1无杆腔的活塞面积 A2有无杆腔的活塞面积 对于本设计实现单纯并且简单直线及回转运动的机构，可以采用齿轮式液压泵 及双活塞杆液压缸，这样不仅简化液压系统降低设备成本，而且能改善运动机构的 性能和液压执行元件的载荷状况。 常用的扩程机构有如下二种形式： 链轮 链条 柱塞缸 （a）(b) 图 3-1 扩程机构 它们同时也可以实现增速，常用于电梯的升降、高低位升降台等液压设备。还 有一种运动转换机构，小角度的回转运动用液压缸来实现，其运动比较平稳，长行 程的直线运动可以用液压马达来完成。本设计要完成的剪叉式液压升降台综合了扩 程、回转这两种工作形式。 3.2.2 确定液压缸的类型 工程液压缸主要用于工程机械、重型机械、起重运输机械及矿山机械的液压系 统。根据主机的运动要求，按表 37-7-5 选择液压缸的类型为：直线运动单活塞杆双 作用缓冲式液压缸。其特点：活塞双向运动产生推、拉力。活塞行程终了时减速制 动，减速值不变。 3.2.3 确定液压缸的安装方式 工程液压缸均为双作用单活塞式液压缸，安装方式多采用耳环型。由于本设计 中液压缸在作用过程中是一端固定，一端在垂直面上自由摆动的形式，因此根据表 37-7-6 选择液压缸的安装方式为：尾部耳环联接。 3.2.4 缸盖联接的类型 按缸盖与缸体的联接方式，可分为外螺纹联接式、内卡键联接式及法兰联接式 三种。这里采用法兰联接。型号说明：P37-180 3.2.5 拟订液压执行元件运动控制回路 液压执行元件确定之后，其运动方向和运动速度的控制是拟订液压回路的核心 问题。方向控制用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统， 大多数通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。对于高压大流量的液压系统，现 多采用插装阀于先导控制阀的组合来实现。本设计剪叉式液压升降台其特点：起升 压力大，运行缓慢、平稳，能人工控制起升至某一固定高度时并保持该高度自锁。 3.2.6 液压源系统 液压系统的工作介质完全由液压源提供，液压源的核心是液压泵。在无其他辅 助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经过溢流阀回油 箱，溢流阀同时起到开展并稳定油源压力的作用。容积调速系统多数是用变量泵供 油，用安全阀限定系统的最高压力。 为节省能源并提高效率，液压泵的供油量要尽量于系统所需流量相匹配。对在 工作循环各阶段中系统所需油量相差较大的情况下，则采用多泵供油或变量泵供油。 对于本设计，由于工作周期短，循环次数少，供油量可以适当减少以节省能源，采 用单泵供油即可，不需蓄能器储存能量。 对于油液的净化：油液的净化装置在液压源中是必不可少的。一般泵的入口要 装有粗滤油器，进入系统的油液根据被保护元件的要求，通过相应的精滤油器再次 过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁过滤或其他形式滤油器。 根据液压设备所处环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。 3.3 确定液压系统的主要参数 液压系统的主要参数是压力和流量，它们是设计液压系统，选择液压元件的主 要依据。压力决定于外载荷。流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。 3.3.1 载荷的组成与计算： 首先，需要确定液压缸处于最大工作压力时的位置，通过上述的讨论，得知当 液压缸与地面夹角为最小值时，也即支撑杆与地面夹角为最小值时，液压缸处 于最大的工作压力状态下。根据轴距 2.4m，将支撑杆的长度选定 2.1m/根。当液压 缸下降至最低高度时（设此时支撑杆与地面夹角=）=，根据上述公式a 0 a 0 a5 得=。 1 tan tan la la 0 9.9 图 3-2 机构各参数 现在值还是一个未知量，但值的大小必须在之内，初步设定。aa/2l/4al 根据活塞推力与台面荷重量关系式得出 P=13.3W。若 2 cos sin()sin() l PW al 设的话，就得出 P=11.6W。通过二者比较，时，活塞的最大推力 P 要/3al/3al 小于时。即在值不变的条件下，与 P 是成反比的。但考虑到活塞杆与支/4ala 撑杆的铰接点 A 又不能太靠近两支撑杆的铰接点 B，否则将会在两处铰接点产生很 大的应力集中，以致降低疲劳强度。因此，应选比较合适。这时将代/3al/3al 入公式得 ， 6cos sin()3sin() PW tan2tan 当平台处于最低位置时，液压缸荷重 P 最大， 0 5 P=11.6W=11.6 9800=113680N。下面就根据载荷量来选取合适的液压缸。 图 3-3 液压缸 本图表示一个以液压缸为执行元件的液压系统计算简图。各有关参数标注于图 上，其中是作用在活塞杆上的外部载荷， 是活塞与缸壁以及活塞杆与导向套 w F m F 之间的密封阻力。作用在活塞杆是的外部载荷包括工作载荷 ，导轨的摩擦力 g F 和由于速度变化而产生的惯性力。 f F a F （1）工作载荷 g F 常见的工作载荷有作用于活塞杆上轴线的重力、切削力、挤压力等，这些作用 力的方向与活塞的运动方向相同为负，相反为正。在实际工作过程中，由于载荷量 较大，活塞自身的重力可以忽略不计，切削力与挤压力共同组成的外力即为工作载 荷，在图 3 中，=P。由于本设计按最大载荷量定为 2 吨来计算，所以每个液 g F g F 压缸=P=113680N。 g F （2）导轨摩擦载荷 f F 对于直动型安装的液压缸一般都附有活塞导轨以固定其运动方向，导轨摩擦相 对于总载荷可以忽略不计，因此=0。 f F （3）惯性载荷 a F ，。 a Fma v a t 速度变化量 m/sv 起动或制动时间，s。一般机械=0.10.5s，对轻度载荷低速运动部件取t 小值，对重载荷高速部件取大值。行走机械一般取=0.51.5s 加速度a 2 /m s 初步选定速度变化量=0.16m/s，=0.6s，则=0.27，vt v a t 0.16 0.6 2 /m s 2 /2 0.27270 a FmatN 以上三种载荷之和称为液压缸的外载荷， w F 。1136800270113950 wgfa FFFFN 起动加速时 ， 稳态运动时 ， 减速制动时 wgfa FFFF wgf FFF 。 wgfa FFFF 工作载荷并非每阶段都存在，如该阶段没有工作，则=0。但在计算和校核 g F g F 时，应按照最大值取。 除了外载荷外，作用于活塞上的载荷 F 还包括液压缸密封处的摩擦阻力， w F m F 由于各种液压缸的密封材质和密封形式不同，密封阻力难以精确计算，一般估算为 式中液压缸的机械效率，一般取 0.900.95，这里取 0.95，(1) mm FP m 113590 119568 0.95 w m F FN 3.3.2 初选系统压力 液压缸的选择要遵循系统压力的大小，要根据载荷的大小和设备类型而定。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是很经济；反之，压力选的太高，对泵、缸、阀等元 件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。一般来说，对于固 定尺寸不太受限的设备，压力可选低一些，行走机械重载设备压力要选的高一些。 按下表初步选取 15Mpa。 各种机械常用的系统工作压力 机 床 机械类型 磨床 组合 机床 龙门 刨床 拉床 农业机械小型工 程机械建筑机械 液压机大中型 挖掘机重型机 械 工作压力 MPa 0.80.2352881010182032 3.3.3 计算液压缸的主要结构尺寸 液压缸的相关参数和结构尺寸 液压缸有关的设计参数见图所示： 图 3-4 液压缸设计参数 图 a 为液压缸活塞杆工作在受压状态，图 b 表示活塞杆受拉状态。 活塞杆受压时 1122 w m F Fp Ap A 活塞杆受拉时 式中 1221 w m F Fp Ap A 无杆腔活塞有效工作面积 2 1 4 AD 2 m 有杆腔活塞有效工作面积 22 2 () 4 ADd 2 m 液压缸工作腔压力 Pa 1 p 液压缸回油腔压力 Pa，其值根据回路的具体情况而定，一般可以按照 2 p 下表估算 D活塞直径 m d活塞杆直径 m 执行元件背压力表 系 统 类 型背 压 力 MPa 简单系统或轻载节流调速 系统 0.20.5 回油带调速阀的系统0.40.6 回油路设置有背压阀的系 统 0.51.5 用补油泵的闭式回路0.81.5 回油路较复杂的工程机械1.23 回油路较短，可直接回油 路 可忽略不计 在这里我们取背压力值