液压升降台的设计.doc

南昌航空大学学士学位论文第一章 前 言升降台是现代冶金企业作业中必不可少的设备，它的主要作用就是为企业产品提供方便。升降台从上世纪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。1.1什么是升降台升降台是一种垂直运送人或物的起重机械。也指在工厂、自动仓库等物流系统中进行垂直输送的设备，升降台上往往还装有各种平面输送设备，作为不同高度输送线的连接装置。一般采用液压驱动，故称液压升降台。液压升降台由动力和主机两部分组成。动力部分主要由液压站及液压缸组成，主机由内外铰架板、工作台面和底座等部分组成。1.2升降台工作原理液压油由叶片泵形成一定的压力，经滤油器、隔爆型电磁换向阀、节流阀、液控单向阀、平衡阀进入液缸下端，使液缸的活塞向上运动，提升重物，液缸上端回油经隔爆型电磁换向阀回到油箱，其额定压力通过溢流阀进行调整，通过压力表观察压力表读数值。液缸的活塞向下运动（既重物下降）。液压油经防爆型电磁换向阀进入液缸上端，液缸下端回油经平衡阀、液控单向阀、节流阀、隔爆型电磁换向阀回到油箱。为使重物下降平稳，制动安全可靠，在回油路上设置平衡阀，平衡回路、保持压力，使下降速度不受重物而变化,由节流阀调节流量，控制升降速度。 为使制动安全可靠，防止意外，增加液控单向阀，即液压锁，保证在液压管线意外爆裂时能安全自锁。安装了超载声控报警器,用以区别超载或设备故障。电器控制系统通过防爆按钮SB1SB6来控制电机的转动，隔爆型电磁换向阀的换向，以保持载荷提升或下降，且通过“LOGO”程序调整时间延迟量，避免电机频繁起动而影响使用寿命。1.3升降台液压系统的优点：液压的优点与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点：1、液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。 2、重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快。3、操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：1）。 4、可自动实现过载保护。 5、一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长； 6、很容易实现直线运动7、很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。解放后，特别是改革开放以来，我国的升降台行业有了很大的发展，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，对于升降台企业来说，升降台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，甚至直接影响到企业的兴衰。升降台是设备行业的支柱设备之一，让我们生产出更多、更好、更受用户欢迎的产平，为企业服务。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冶金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） （2）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；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）设代入（3）式得。 （4）在（4）式中，升降平台的初始高度；液压缸初始长度。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；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： （5）在（5）式中，液压缸活塞平均相对运动速度；升降平台升降速度；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； （6）升降平台下降时（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）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，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：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。2.5.1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） 活塞推力与台面荷重的关系式为 （2） 式中，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。2.5.2两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：台面升降速度：点的运动速度：活塞运动速度：（）式中，依据虚位移原理有：（）由图分析可得：经变分后：代入式（），整理后得活塞推力：（）式（）和式（）的正确性可以用机械能守恒原理来证明，即将式（）与式（）进行比较，再各参数都相同的条件下，显然，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。比较可以看出，当起始角为最小值、时，活塞推力为最大值。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。初步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。为了弥补在速度方面的不足，以及减小举升及整体的体积，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。为了使升降台使用范围广泛，载荷更具有代表性，本设计首先建立了一个模型，它的有关参数是：钢坯自重30t, 宽1.28m,长2.6m。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，要求升降台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。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，此布置方案需要四个液压缸，32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，但设计总承载要稍大些所以总载荷为295000N则平均每个升降台的承载量为。由于这样平均每个液压缸承受的台面载荷仅为73750N，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：主要用途用于重型设备的起升，便于维修，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30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180度小于360度的摆动小于180度的摆动齿轮泵结构简单，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。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23.6-39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23.6-40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。根据表23.6-41查询这里采用法兰联接。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，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。根据长度2.6m，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=）=，根据上述公式得=。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。根据活塞推力与台面荷重量关系式得出P=13.3W。若设的话，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。这时将代入公式得 ，当平台处于最低位置时，液压缸荷重P最大，P=859122.8N。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 ，导轨的摩擦力和由于速度变化而产生的惯性力。（1）工作载荷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30吨来计算，所以每个液压缸=P=859122.8N。（2）导轨摩擦载荷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。（3）惯性载荷，。速度变化量m/s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加速度初步选定速度变化量=0.16m/s，=1s，则=0.16，以上三种载荷之和称为液压缸的外载荷， 。起动加速时 ， 稳态运动时 ， 减速制动时 。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，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， 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27Mpa。各种机械常用的系统工作压力机械类型机 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磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力MPa0.80.23528810101820323.3.3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。活塞杆受压时活塞杆受拉时 式中无杆腔活塞有效工作面积 有杆腔活塞有效工作面积 液压缸工作腔压力 Pa液压缸回油腔压力 Pa，其值根据回路的具体情况而定，一般可以按照下表估算D活塞直径 md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在本设计中，液压缸不存在受拉的状态，所以只考虑其收压。一般液压缸在收压状态下工作时，其活塞面积为：用运此公式须事先确定与的关系，或是活塞杆径d与活塞直径D的关系，令杆径比=d/D，其比值可按下表选取。按工作压力选取d/D工作压力MPa5.05.07.07.0d/D0.50.530.620.70.7按速度比要求确定d/D（）1.251.331.460.1612d/D0.40.50.550.620.71注：速度比 ，为活塞两侧有效面积与之比。即如按工作压力应选取d/D=0.7，则相应的速度比=2，由于活塞不受拉力作用，所以活塞杆收缩时可以适当提高其速度， =2也是完全可以的。运用直径求法公式，可以求出d=146.2mm。液压缸的直径D和活塞杆径d的计算值要按国家标准规定的液压缸的有关标准进行圆整，如与标准液压缸参数相近，最好选用国产液压缸，免于自行设计加工。按照机械手册中工程液压缸的技术规格表37-7-7可以选择圆整后的参数：缸径200mm，活塞杆140mm,速度比=2，工作压力28Mpa。计算活塞杆的行程当平台处于最低位置时，此时活塞杆应处于完全收缩状态,液压缸的长度为最小值，=1320mm。平台的高度。再计算一下平台上升的最大高度，这里设上升至最大高度的，计算得出最大高度H=2.1m。此时活塞杆伸长至。当活塞杆处于完全收缩状态时，液压缸的长度就等于，选定液压缸长度为1320mm。计算其行程： 。,查表37-7-9可以查得液压缸长度不得小于，实际长度满足要求。3.3.4确定液压泵的参数确定液压泵的最大工作压力 Pa，式中液压缸最大工作压力，根据可以求出从液压泵出口到液压缸入口之间的总的管路损失。初算可按经验数据选取：管路简单、流速不大的取0.20.5Mpa；管路复杂，进油口有调速阀的，取0.51.5 Mpa。这里取0.8Mpa。即确定液压泵的流量 K系统泄漏系数，一般取1.11.3，这里取1.2液压缸的最大流量，对于在工作中用节流调速的系统，还需加上溢流阀的最小溢流量，一般取在前面已经初步选定台面速度变化量=0.08m/s， 我们就设定台面起升的最大速度，则活塞的运动速度应用公式，（这是在台面刚刚起升状态时，）所以确定液压泵的驱动功率在工作中，如果液压泵的压力和流量比较恒定，则，其中液压泵的总效率，参考下表选择=0.7液压泵类型齿轮泵螺杆泵叶片泵柱塞泵总效率0.60.70.650.800.600.750.800.85则，据此可选择合适的电机型号。选择液压泵的规格 根据以上求得的和值，按系统中拟订的液压泵的形式，从手册中选择相应的液压泵产品。为使液压泵油一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大2560%。查找手册选择P257-H40型齿轮泵，其参数如下表型号排量压 力转 速输入功率重量额定mpa最高mpa额定最高P257-H404031.531.52400240064.8kw17.6kg3.3.5管道尺寸的确定在液压、气压传动及润滑的管道中常用的管子有钢管、铜管、胶管等，钢管能承受较高的压力，价廉，但安装时的弯曲半径不能太小，多用在装配位置比较方便的地方。这里我们采用钢管连接。管道内径计算 m式中 Q通过管道内的流量v管道内允许流速 ，取值见下表：允许流速推荐值油液流经的管道推荐流速 m/s液压泵吸油管道0.51.5，一般取1以下液压系统压油管道36，压力高，管道粘度小取大值液压系统回油管道1.52.6取=0.8m/s，=5m/s, =2m/s.分别应用上述公式得=50.4mm,=20.2mm,=31.9mm。根据内径按标准系列选取相应的管子。按表37-9-1经过圆整后分别选取=50mm，=20mm, =31mm。对应管子壁厚。3.3.6油箱容量的确定在确定油箱尺寸时，一方面要满足系统供油的要求，还要保证执行元件全部排油时，油箱不能溢出，以及系统最大可能充满油时，油箱的油位不低于最低限度。初设计时，按经验公式 选取。式中液压泵每分钟排出压力油的容积 经验系数,按下表取 =7：系统类型行走机械低压系统中压系统锻压系统冶金机械12245761210则。3.4液压缸主要零件结构、材料及技术要求3.4.1缸体1. 缸体端部联接模式采用简单的焊接形式，其特点：结构简单，尺寸小，重量轻，使用广泛。缸体焊接后可能变形，且内径不易加工。所以在加工时应小心注意。主要用于柱塞式液压缸。2. 缸体的材料（45号钢）液压缸缸体的常用材料为20、35、45号无缝钢管。因20号钢的机械性能略低，且不能调质，应用较少。当缸筒与缸底、缸头、管接头或耳轴等件需要焊接时，则应采用焊接性能比较号的35号钢，粗加工后调质。一般情况下，均采用45号钢，并应调质到241285HB。缸体毛坯可采用锻刚，铸铁或铸铁件。铸刚可采用ZG35B等材料，铸铁可采用HT200HT350之间的几个牌号或球墨铸铁。特殊情况可采用铝合金等材料。3. 缸体的技术要求缸体内径采用H8、9配合。表面粗糙度：当活塞采用橡胶密封圈时，Ra为0.10.4，当活塞用活塞环密封时，Ra为0.20.4。且均需衍磨。缸体内径D的圆度公差值可按9、10或11级精度选取，圆柱度公差值应按8级精度选取。缸体端面T的垂直度公差可按7级精度选取。当缸体与缸头采用螺纹联接时，螺纹应取为6级精度的公制螺纹。当缸体带有耳环或销轴时，孔径或轴径的中心线对缸体内孔轴线的垂直公差值应按9级精度选取。为了防止腐蚀和提高寿命，缸体内表面应镀以厚度为3040的铬层，镀后进行衍磨或抛光。3.4.2活塞1. 活塞与活塞杆的联接型式见下表联接方式备注说明整体联接用于工作压力较大而活塞直径又较小的情况螺纹联接常用的联接方式半环联接用于工作压力、机械振动较大的情况下这里采用螺纹联接。2. 活塞与缸体的密封结构，随工作压力、环境温度、介质等条件的不同而不同。常用的密封结构见下表密封形式备注说明间隙密封用于低压系统中的液压缸活塞的密封活塞环密封适用于温度变化范围大，要求摩擦力小、寿命长的活塞密封1O型密封圈密封密封性能好，摩擦系数小；安装空间小，广泛用于固定密封和运动密封Y型密封圈密封用在20MPa下、往复运动速度较高的液压缸密封结合本设计所需要求，采用O型密封圈密封比较合适。3. 活塞的材料液压缸常用的活塞材料为耐磨铸铁、灰铸铁（HT300、HT350）、钢及铝合金等，这里采用45号钢。4. 活塞的技术要求活塞外径D对内孔的径向跳动公差值，按7、8级精度选取。端面T对内孔轴线的垂直度公差值，应按7级精度选取。外径D的圆柱度公差值，按9、10或11级精度选取。画图3.4.3活塞杆1. 端部结构活塞杆的端部结构分为外螺纹、内螺纹、单耳环、双耳环、球头、柱销等多种形式。根据本设计的结构，为了便于拆卸维护，可选用内螺纹结构外接单耳环。2. 端部尺寸如图，为内螺纹联接简图。查表23.6-75，按照本设计要求，选用直径螺距-螺纹长=。3. 活塞杆结构活塞杆有实心和空心两种，如下图。实心活塞杆的材料为35、45号钢；空心活塞杆材料为35、45号无缝钢管。本设计采用实心活塞杆，选用45号钢。4. 活塞杆的技术要求活塞杆的热处理：粗加工后调质到硬度为229285HB，必要时，再经过高频淬火，硬度达HRC4555。在这里只需调质到230HB即可。活塞杆 和 的圆度公差值，按911级精度选取。这里取10级精度。活塞杆 的圆柱度公差值，应按8级精度选取。活塞杆 对 的径向跳动公差值，应为0.01mm。端面T的垂直度公差值，则应按7级精度选取。活塞杆上的螺纹，一般应按6级精度加工（如载荷较小，机械振动也较小时，允许按7级或8级精度制造）。活塞杆上工作表面的粗糙度为Ra0.63, 为了防止腐蚀和提高寿命，表面应镀以厚度约为40的铬层，镀后进行衍磨或抛光。3.4.4活塞杆的导向、密封和防尘1. 导向套导向套的导向方式、结构见下表：导向方式备注说明缸盖导向减少零件数量，装配简单，磨损相对较快导向套导向管通导向套可利用压力油润滑导向套，并使其处于密封状态可拆导向套容易拆卸，便于维修。适用于工作条件恶劣、经常更换导向套的场合球面导向套导向套自动调整位置，磨损比较均匀由于本设计升降台，主要用于钢坯的输送，为了减少零件数量，降低成本可以采用缸盖导向的导向方式。导向套材料导向套的常用材料为铸造青铜或耐磨铸铁。由于选用的是和缸盖一体的导向套，所以材料和缸盖也是相同的，都选用耐磨铸铁。导向套的技术要求导向套的内径配合一般取为H8/f9，其表面粗糙度则为Ra0.631.25。2. 活塞杆的密封与防尘这里仍采用O型密封圈，材料选择薄钢片组合防尘圈，防尘圈与活塞杆的配合可按H9/f9选取。薄钢片厚度为0.5mm3.4.5液压缸的排气装置排气阀用于排除液压缸内的空气，使其工作稳定。通常将排气塞安装在液压缸的端部，双作用液压缸应安装两个排气塞。常用的排气塞结构尺寸如图图3-5排气塞结构3.4.6液压缸安装联接部分的型式及尺寸1. 液压缸进出油口接头的联接螺纹尺寸，按表37-7-8选取标准值,公称直径螺距数量=2. 液压缸为单耳环型安装的主要尺寸为（按P37-231选取）（如图）：CD=100，MR=100，EW=130，Y=110。单耳环不带衬套式3. 柱塞式液压缸端部型式及尺寸根据所选择的液压缸的缸径，按照表23.6-55确定液压缸缸盖端部的尺寸（均为对应的标准尺寸）。4. 缸盖的材料液压缸的缸盖可选用35、45号锻钢或ZG35、ZG45铸钢或HT200、HT300、HT350铸铁等材料。在这里选择ZG45铸钢。缸盖按9、10或11级精度选取。3.4.7绘制液压系统原理图整机的液压系统图油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。在系统图中注明了各液压执行元件的名称和动作、各液压元件的序号以及各电磁铁的代号，并附有相关说明。首先考虑，在升降台回落时，可以有两种驱动方式，一是采用液压缸加压回落，这种方式一般是在液压缸平放，而且活塞杆一端在回落时没有施加外力的情况下采用；另一种是由活塞杆的自重和一端施加的外力使液压缸回油，活塞杆回落。在这里我们采用第二种方式，可以省去很多功率，略去很多的机械设备，符合我们的设计原则。其次，由于采用柱塞式液压缸在下降时依靠本身的重量，在使用过程中，会出现过升降机处于某个位置时，向上或向下漂移的现象（如下图），主要原因是在滑阀处于中位时，A、P、B、T口虽均不相通，但实际上存在着内泄漏量（约3ml/min），久而久之，会产生不同程度的向上或向下漂移。当P口有向上的压力时，会产生上移现象；当P口无压时，由于自重会产生下移现象。而且在长期这种高压冲击下会逐渐加剧这种现象，这增加了设备不安全的因素，此种布局需要加以改进。图3-6改进后的液压系统改进后如下图所示，液压系统所做的改变包括：变换向阀的中位机能O为Y型；换向阀的B口节控制油路到液控单向阀的液控口。这样当升降机下降到最低位置时，由于换向阀的A口（柱塞缸）与T口相通，如果T口又与油箱直接连接，则柱塞缸处于降下的位置时，只要回油管压力产生的使升降机向上的力小于升降机的负载和摩擦力，升降机是不会向上漂移的。一般地说，制造泄漏量几乎为零的液控单向阀在技术上是可以做到的，因此，也不必担心向下漂移的现象。台板的升降由液压泵和液压缸来驱动, 当液压缸的下腔进油而上腔排油时, 活塞杆伸出,剪叉钢架摆动, 钢架端和为滚轮，如下图。这时两滚轮分别沿着升降台板向中心方向滚动, 从而抬升升降台板。当液压缸上腔进油下腔排油时, 液压缸活塞在液压力和台板钢架自重作用下, 活塞杆向缸内缩回, 使钢架端和滚轮向离开台板、底桥中心方向移动, 升降台板下降, 通过控制液压缸活塞杆的伸缩长度来控制升降台板的升降高度位置。液压系统工作原理图见图纸2。由图分析, 当电机起动后，泵开始供油。系统由定量泵3 供油, 溢流阀5 调整系统压力28MPa, 执行器不动作时系统压力经单向阀4 和换向阀6 后卸载。当电磁铁EV 1、EV 2a 通电时, 压力油经换向阀6、8、液控单向阀10、单向调速阀11 及管道破裂保护阀12 后至升降缸13 的下腔, 顶出活塞杆(缸上腔油液经过换向阀14被挤回油箱) , 升降台板上升。当电磁铁EV 1、EV 2b 通电时, 液控单向阀10 被打开, 此时双向导通, 升降缸下腔油液在台板、钢架自重和活塞的作用下, 经由管道破裂保护阀12、单向调速阀11、液控单向阀10、换向阀8 右位后流回油箱,升降台板下降。当EV 1、EV 2 都不通电时, 台板支承重物,系统卸载。若需要快速下降时，可在EV 2b通电的同时，EV 3也通电。此种情况还适合空载时自重不能完全克服液压缸阻力而促进台板快速下降。板坯在上升过程中，即电磁铁EV 1、EV 2a 通电时，当钢架端滚轮向左移动直至接触到限位开关LS时，限位开关将通过继电器从而制动电磁阀6，电磁铁EV 1断电，系统卸载。台板保持高度不变，台板支承重物。此举措是为了限制台板上升的最大高度。由于液压升降台的荷重较大, 惯性也较大,为使台板升降平稳安全, 系统主要有以下特点:1) 为防止台板载荷重物下移, 系统采用密封性良好的液控单向阀自锁；2) 为使重物能平稳下降,采用单向调速阀调速, 噪声更小；3) 系统不动作时, 直接卸载, 节约能耗；4) 为使升降台结构更紧凑, 采用便于安装和维护的叠加元件，液压系统元件统一布置在液压站内；5) 为防止台板在工作中意外安全事故的发生, 系统采用了管道破裂保护阀安装在缸下腔进油口接头上, 一旦管路或其他部分发生管道突然爆破、接头松动、泄压或台板出现异常失控超速下坠时, 它能根据压差自动切断油路, 防止发生坠落事故, 保护设备和人身安全；另外, 在电气控制上, 在升降平台下缘设置限位开关,台板上升时, 一旦升至所限定的最大高度, 限位开关发出电信号, 强制系统卸载以确保台板上升到合适的高度。第四章 台板与叉杆的设计计算台板位于升降台的最上部，是支撑件的组成部分。板坯能够在升降台上平稳的停放就是台板起了关键的作用。需要说明的是台板并不是一个简单的钢板，而是在下面有滑道，因为升降台叉杆臂上有滑轮，滑道的作用就是使滑轮在滑道内来回滑动，使升降台完成举升和回落动作。下底板也如此，如下图。根据尺寸参数，确定台板的长度为2600mm，宽度1280mm，材料采用热轧钢板。其形状见图纸。需要说明的是台板并不是一个简单的钢板，而是在下面有滑道，因为升降台叉杆臂上有滑轮，滑道的作用就是使滑轮在滑道内来回滑动，使升降台完成举升和回落动作。叉杆是升降台最主要的举升部件，是主要的受力机构。对其设计的成功与否关系到整个设计工作的成败，选材45号钢，热轧钢板。叉杆的外形图如图所示。 4.1确定叉杆的结构材料及尺寸1. 对支撑叉杆进行受力分析首先定义每根杆的名称编号，如图：对于杆3、杆4的活动铰联接在水平方向上除了摩擦力没有其它外力，所以可以忽略不计，现在只考虑其竖直方向上的受力就可以了。经过分析杆3的受力情况如图：计算其最大弯矩及轴向力：经力学分析，当升降台处于最低位置，时，所受弯矩最大，如图。当升降台处于最高位置，时，轴向力最大，如图，（正值为拉力，负值为压力）。杆4受力情况同杆3。下面再分析一下杆1,对杆1作受力分析，如图对D点做力矩分析：，可得 =822.9N。计算弯矩，由上图可转化成下图来分析： 根据以上条件画弯矩图，如下：由此图可知，杆1的最大弯矩在C点。经计算当时，有最大值，即拥有最大弯矩，同样此时也拥有最大的轴向力。首先将，W=73750N，P=11.6W（P与W的关系值根据上述的公式求得）代入以上各式，求得的值则。计算轴向力，同样将杆1的受力分析图再转化为轴向力图分析，如图：经分析计算，CD段受到的轴向压缩力最大，。由于刚刚计算出的杆3与杆4的最大弯矩和最大轴向力都小于杆1的值，故不对杆3杆4计算工作应力。计算杆1该状态下的工作应力，设叉杆横截面积A=bh,如图： 则该状态下的工作应力为 其中， 叉杆实际工作应力,材料许用应力， 材料的极限应力，对于45号钢，为340Mpa n安全系数,一般为大于1的值，这里取n=2。根据经验初选h=0.1m。由此式可以看出弯矩对工作应力的影响较轴向力要显著的多，所以在计算时应以最大弯矩为主要计算对象。杆1所承受的最大工作应力。杆1的C截面拥有最大弯矩，即可以认为C截面拥有最大的工作应力。我们按照最大工作应力来选取合适的叉杆截面。将h=0.15m代入上式：最大工作应力。这里取，即叉杆的横截面为15075。4.2横轴的选取及校核选取套联在活塞杆端部的横轴，根据总体结构布局确定横轴长度需要330mm，由于是单耳环联接，其内径CD=100，横轴的外径也应为100mm,但考虑到二者需要相对滑动，应使横轴的外径略小于100mm,这里取d=98mm。单耳环的宽度值EW=130mm。将叉杆要联接到横轴处的孔进行加长处理，使两者接触面积适当的增大以减小弯曲应力及及剪应力。因此可按下图分析横轴所受应力：当时，P=859122.8N，可求得。作用于横轴上的力P是均匀分布的，分布距离为80mm，故集度为：，截面O上的最大弯矩为，截