20英尺双叉式液压升降台液压部分毕业设计

东海科学技术学院毕业设计（论文）学院东海科学技术学院学生姓名陈晓军班级C04机械3班专业机械设计制造及其自动化指导教师史晓敏2008年6月5日20英尺双叉式液压升降台液压部分设计陈晓军东海科学技术学院,浙江舟山316004摘要针对空港自动化仓储用20英尺液压升降台的市场需求和技术背景，并汲取国内外液压升降台好的设计经验在设计中采用油缸斜置剪刀式升降台结构,并对双叉式液压升降台的设备总体的构成、液压驱动系统及机械传动系统的技术进行了分析。其中,还介绍了液压升降台的背景，详细分析和比较了液压升降台的各种传动方式及其优缺点，探讨了液压升降台的发展方向与趋势，阐述了机电液一体化技术在升降台机械领域的应用前景。再对液压驱动单元中主要技术作了详细的分析和说明。对液压同步控制进行了分类与比较，并对液压同步闭环控制的原理与其在液压升降台中的应用作了论述。在实际计算说明过程中，对电液比例控制在系统中的功能和作用进行了说明，重点分析了采用电液比例同步控制系统的同步误差与阀控马达回路的动态特性，并讨论了液压系统性能参数与机械传动设计的关系。同时，对液压泵站的设计,包括液压油箱、液压泵装置及液压控制装置三大部分进行分析。并对液压升降台密封系统选择和设计。这样保证了设备的总体的稳定性，提高了设备的可靠性，得到了比较理想的结果。关键词双叉式液压升降台；液压系统同步控制；液压泵站ABSTRACTSTOMEETAIRPORTAUTOMATIONWAREHOUSINGWITHTHEHYDRAULICLIFTTABLEDEVELOPMENTSTENDENCYANDTHEREQUEST,ANDDERIVESTHEDOMESTICANDFOREIGNHYDRAULICPRESSURELIFTTABLEGOODDESIGNEXPERIENCETHISDESIGNUSESTHECYLINDERTOTILTTHESTRUCTURESCISSORSTYPELIFTTABLE,ANDTOTHEBIFURCATIONTYPEHYDRAULICPRESSURELIFTTABLESEQUIPMENTOVERALLSCONSTITUTION,THEHYDRAULICPRESSUREDRIVINGSYSTEMANDTHEMECHANICALDRIVESYSTEMSTECHNOLOGYHASCARRIEDONTHEANALYSISTHEREINTO,THEHISTORYFACTSOFHYDRAULICPRESSURELIFTTABLEWEREDISCUSSEDFEATURESOFVARIOUSSTAGESWERECOMPAREDTHEDEVELOPINGTRENDSOFITANDTHEUTILIZATIONOFHYDRAULICDRIVINGSYSTEMWEREDISCUSSEDINTHEHYDRAULICUNIT,ITPUTADETAILEDDESCRIPTIONOFITTHETECHNICOFHYDRAULICSYNCHRONICLOOPCONTROLWEREDISCUSSEDINTHECALCULATINGPROCESS,THEFUNCTIONOFLIQUIDPROPORTIONCONTROLWASDISCUSSED,ESPECIALLYTOTHESYNCHRONICCONTROLSYSTEMANDTHEDYNAMICCHARACRTEROFSYNCHRONICERRORANDTHEMOTORCIRCUITITALSODISCUSSEDTHERELATIONSHIPBETWEENTHEHYDRAULICSYSTEMPARAMETERANDTHETRANSMISSIONSYSTEMATTHESAMETIME,TOTHEHYDRAULICPRESSUREPUMPINGSTATIONSDESIGN,INCLUDINGTHEHYDRAULICFLUIDTANK,THEHYDRAULICPRESSUREPUMPUNITANDTHEHYDRAULICCONTROLINSTALLSTHREEMAJORPARTCARRIESONTHEANALYSISANDTOHYDRAULICPRESSURELIFTTABLEFULLPRESSURESYSTEMCHOICEANDDESIGNLIKETHISHADGUARANTEEDEQUIPMENTSOVERALLSSTABILITY,ENHANCEDEQUIPMENTSRELIABILITY,OBTAINEDTHEQUITEIDEALRESULTKEYWORDSDOUBLEFORKTYPEHYDRAULICLIFTTABLEHYDRAULICSYSTEMYNCHRONIZATIONCONTROLYDRAULICPUMPINGSTATION目录前言1第1章液压升降台的概述211液压升降台技术背景212液压传动技术在升降台设计中的应用5第2章液压升降台液压部分方案设计821液压升降台总体构成822液压升降台总体设计8第3章液压驱动单元分析与设计1431液压同步控制的精度1432液压缸的设计19321液压缸主要尺寸的确定19322液压缸的结构设计2433液压阀的选择36第4章液压泵站的设计3741液压油箱的设计3742液压站的结构设计47第5章润滑与密封系统的设计选择5051润滑系统的设计5052密封系统的设计52小结55致谢56参考文献57前言进入21世纪以后,随着经济的发展和需求的提高,对物流行业提出越来越高的要求,双叉式液压升降台越来越不仅局限应用于仓库、机场、车站、码头等地,更广泛的应用于自动化生产流水线。目前国内在仓库、机场、公路、港口等地常采用集装箱装卸作业,由于集装箱很重,有24T20英尺、30T40英尺,各装卸点均用大型钢丝绳起吊机械或专用集装箱起吊设备。上述设备体积大,造价高,而且仅能在一定范围内工作。因此造成集装箱运输拖车到达目的地后,因无专用起吊设备不能立即卸下只能打开门卸货,既延误运输往返时间,又不利于集装箱循环使用。使集装箱运输快捷、高效、安全、准确、经济的优越性受影响,降低了门对门运输的比率。也有用汽车起重机装卸,但由于集装箱重,需用两台汽车起重机一起装卸,既不方便,又增加了装卸费用。为了解决以上问题，现要求设计双叉式液压升降台来弥补了上述不足,双叉式液压升降台主要由底框架、双叉式升降支撑杆、液压系统和装置及工作台组成。液压升降台是靠液压缸提供动力驱动工作台的升降,由结构原理和工作特点所决定,在工作台携带着货物和工件上升时,需要液压缸向其提供驱动力,即液压缸输出能量,把机械液压能转换成势能而在工作台携带着工件下降时,重物的势能将被释放出来。这种势能如果不能有效地回收利用,则会造成能量浪费。这种能量浪费对于小型升降台来说尚不显严重,但对于载重和举升高度较大、需频繁工作的升降台机型来说,就非常可观了。对于此类机型,在设计其液压系统时,应考虑势能回收,把工作台下降过程中释放出的势能转变成液压能,并在上升时加以利用,以减少无用功的消耗,提高能量的利用效率,并同时达成使系统运行平稳、工作安全可靠、结构简单、效率高、便于设计和应用。东海科学技术学院机电系C04机械3班陈晓军二八年六月第1章液压升降台的概述11液压升降台技术背景我国的升降台一般分为液压升降台和机械升降台两种类型液压升降台主要是油缸斜置结构的剪刀撑式升降台如图11以及油缸垂直直顶结构的油缸直顶式升降台，油缸直顶式升降台由于其要求基坑深度特别深且油缸太长、成本高，在国内目前还没有厂家生产这种类型的升降台国内液压升降台普遍采用剪刀撑式升降台，这种类型的液压升降台占用基坑浅，是中小型升降台优先选用的一种驱动形式，但由于其结构上固有的一些原因，特别在大行程要求下受到较大的限制，无法满足现代机械高速、重载、大行程的要求。另外，液升降台由于受国产液压元件可靠性、稳定性的限制也影响到该类设备的应用前景。图11液压升降台传统的机械升降台通常都是采用一台驱动机通过长地轴至减速器一丝杠螺母传动或齿轮齿条传动、链条链轮传统、钢丝绳牵引等来实现升降台的运动如图12，机械升降台相对于液压升降台而言，总的说来，它弥补了液压升降台的主要缺陷，但机械升降台设备要求基坑较深，而且由于这种传动形式的传动。链较长，所以驱动机功率大、效率较低，在安装、调试过程中要求精度较高，最主要的是一般在台面形状为矩形、圆形等规则形状的场合使用，不便于在不规则台面形状的场合下布置传动。图12链传动机械升降台而国际上目前己有先进的螺旋升降器为驱动单元，多驱动单元组成大型升降台升降驱动的设备如图13。但其驱动单元的造价昂贵，而且驱动单元的核心部件所用材料目前在国内还无法制造、加工。故在机械升降台中，要推出多种能满足各种不同台面形状要求、结构简单、安装方便、定位精度高的新型升降台就显得格外的重要和必要。图13螺旋升降器升降台因此立项时选择了该项目，该项目在研制过程中以国际先进水平为目标，根据用户工艺布置、投资意向及产品选型等诸多因素，进行综合考虑系统设计。与国外同类技术装备相比，多驱动同步控制升降台采用单独的多台驱动机为单元，通过丝杠螺母传动垂直结合同步控制技术来实现整个升降台的无级调速升降运动和准确定位。其最大的特点是设备安装工艺较简单、可以实现任何台面的特殊要求如台面形状为三角形、梯形、多边形等各种不规则形状。该项目的实施确保了我国机械升降台制造及其控制水平接近国际先进水平，在国内机械领域中处于领先地位、为我国文化艺术事业的繁荣兴旺、加强社会主义精神文明建设都具有十分积极的意义。以下，就目前国内外常见的升降台驱动形式进行一些对比表11，以便筛选优化，策划出新型结构的传动形式。表11内外现有升降台升降台类别优点缺点造价垂直油缸1噪音低2设备运行平稳3容易实现大范围调速1设备要求基坑深2安装精度要求高高液压剪刀撑1噪音低2设备运行平稳3设备要求基坑浅1升降台台面为变速运动2不易实现大行程较低丝杠螺母地轴传动1噪音较低2设备运行平稳1传动效率低2设备要求基坑较中齿轮齿条地轴传动1设备要求基坑浅2设备运行较平稳1要有专门的定位防尘机构中机械链条地轴传动1设备要求基坑浅1要有专门的定位防尘机构2设备运行较不平稳中钢丝绳地轴传动1设备要求基坑浅1要有专门的定位防尘机构2设备运行较不平稳低螺旋升降器1设备要求基坑很浅2设备运行平稳3可以实现不规则台须有可靠的导向装置，否则易晃动。很高多驱动同步控制1噪音低2设备运行平稳3设备要求基坑较浅4容易实现不规则台面升降台要求各驱动单元间有一定的同步控制精度。较高每种传动方式各有其特点、用途和适用范围。机械传动是通过齿轮、齿条、带、链条等机件传递动力和进行控制，其优点是传动准确可靠、制造容易、操作简单、维护方便和传动效率高等。缺点是远距离传动较困难，结构比较复杂等。电力传动是利用电力设备并调节电参数来传递动力和进行控制。主要优点是能量传递方便信号传递迅速标准化程度高易于实现自动化等。缺点是运动平稳性差，易受外界负载的影响惯性大，起动及换向慢成本较高受温度、湿度、振动、腐蚀等环境影响较大。为了改善其传动性能，往往与机械或液压传动结合使用。气压传动是用压缩空气作为工作介质进行能量传递控制。优点是结构简单成本低易于实现无级调速阻力损失小动作迅速反应快防火、防爆，对工作环境适应性好。缺点是空气易压缩，负载对传动特性的影响较大工作压力低，只适用于小功率传动。液压传动是用液体作为工作介质利用液体的压力进行能量传递控制。与其他传动方式相比，液压传动有其独特的优点1单位功率的重量轻，即能以较轻的设备重量获得很大的力和力矩。例如,液压缸的力与重量比，比直流电动机约大100倍中等功率液压马达与一般直流电动机相比较，其转矩与惯量比大1020倍，功率与重量比大810倍。因此液压传动的结构紧凑，重量轻，功率与重量比大，利用液压传动容易获得很大的驱动力和转矩。2由于体积小、重量轻，因而惯性小，起动、制动迅速。例如起动一个中等功率的电动机需要几秒钟，而起动相当功率的液压马达则只需01S左右。所以利用液压传动易于实现平稳地频繁起、停、换向或变速。3在运行过程中能方便地进行无级调速调速范围大，而且低速性能好。4易于实现自动化。液压传动的控制调节比较简单，操作比较方便、省力，易于实现自动。特别是与电力传动配合使用，更易于实现省力化、自动化和远距离操作。5易于实现过载保护，工作安全可靠。液压系统的工作压力很容易由压力控制元件控制，只要设法控制压力在规定限度内，就可以达到防止过载、避免事故的目的，使工作安全可靠。6液压系统的各种元件可随设备的需要任意安排，可以把液压马达或液压缸安置在远离原动机的任意位置，不需中间的机械传动环节。如果液压马达或液压缸在工作时本身位置也在变动，只要采用挠性管道联接就可以，这是机械传动难以实现的。7液体工作介质具有弹性和吸振能力，使液压传动运转平稳、可靠。运转时可自润滑，且易于散热，所以使用寿命长。8易于实现标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。液压传动虽然存在许多优点，但也存在一些缺点1液压传动以液体作为工作介质，在液压元件相对运动中无法避免泄漏，再加上液体压缩性，难以实现严格的传动比。2液体粘度和温度有密切关系，当粘度随温度变化时，将直接影响泄漏、压力损失及通过元件的流量。所以液压系统不宜在很高和很低的温度下工作。3液压系统中能量要经过两次转换，故传动效率较低。工作可靠性目前还不如电力和机械传动。4液压元件的制造精度要求高。使用、维护要求有一定的专业知识和较高的技术水平。故障原因较难确定。总的说来，液压传动有许多优越性，但其缺点也不能忽视。为了提高其竞争能力，液压传动技术一直不断发展，借助现代科技的支持及相关学科的科技成果，液压技术不断发展，使其缺点逐步被克服，性能不断提高，应用领域不断扩大。液压传动技术将会得到更加广泛的应用。12液压传动技术在升降台设计中的应用近30年来，液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、高可靠性、高度集成化等方面都取得了重大进展，在完善发展比例控制、伺服控制、开发数字控制技术以及机电一体化方面也有许多新成就。液压技术己成为包括传动、控制、检测在内的对现代机械装备的技术进步有重要影响的基础技术，已广泛应用于各工业部门。国外一些发达国家，液压传动技术己在各个机械领域内被大量采用，出现了液压驱动的升降台、转台、吊杆的设备。在升降台技术领先的德国，1990年建成的斯图加特州立剧院，甚至采用液压驱动全套台机械设备。我国的液压技术起步晚、起点低，与国外先进水平还有一定差距，液压传动在仓储机械上的应用也十分有限。目前只有个别厂家在升降台中采用液压驱动，液压升降台的驱动形式大致有两种液压缸驱动剪叉机构图14,这种方式结构简单，制造容易，维护方便，价格较低，设备自身高度低等特点，在升一降舞台中大量使用。但由于其自身结构的局限，剪叉机构不适宜在大行程升降台上使用。图14剪叉式升降台液压缸直顶式图15,这种方式使用多个油缸垂直顶升台面，可以实现较大的行程，运行平稳。但此种方式的同步控制问题较难解决，并且油缸行程长，价格较高，目前较少采用。当前升降台的发展趋势要求升降台具有较宽的调速范围，较大的行程和承载能力，较高的定位精度，较低的噪声易于实现控制的自动化、智能化，以及较高的安全性、可靠性。单纯采用某一种传动方式很难完全满足这些要求，因此综合机械、液压、电力等各种传动方式的优点，取长补短，充分发挥各自的长处，才能实现升降台技术的进一步提高。这也符合当今机械工业机电一体化发展方向。图15液压缸直顶式升降台针对当前升降台发展的新特点和要求，本项目所要解决的问题是研制开发一种符合升降台发展趋势，满足市场需求的新型升降台。在传统升降台中，电驱动垂直丝杠升降台与液压双叉式升降台是目前使用较多的两种升降台，它们都有各自鲜明的特点1电驱动垂直丝杠升降台图16,电动机的动力通过减速器、钢性地轴传至丝杠减速器，丝杠螺母将旋转运动转变为台面升降的直线运动。由于采用螺旋传动，此种升降台具有运行平稳、传动准确、行程大等优点，并且丝杠易于实现自锁，故其安全可靠性较高。2液压双叉式升降台图17，液压泵站提供液压能，通过液压油缸顶升剪叉机构，实现升降台面的升降。由于采用液压传动，这种升降台传动环节少，结构简单，承载能力大，运行平稳，噪声小，并且能在较大范围内较方便地实现无级调速和过载保护。图16电驱动垂直丝杠升降台它们也有其不足之处。对于电驱动垂直丝杠升降台，传动路线长，环节多，传动效率低，传动系统噪声大，在安装、调试过程中要求精度高。而液压双叉式升降台其缺点是升降过程中台面无法实现匀速，升降行程较小。此外，由于液压系统中泄漏无法避免，故升降台有下沉现象。综合分析这两种升降台，可以发现，它们的不足与其传动方式有密切关系，仅从其机械或液压单方面解决自身的不足较为困难。如何克服这些缺点，提高性能满足升降台提出的新要求，这是一个急需解决的问题。图17液压剪叉式升降台近半个世纪科学技术得到了空前的繁荣和发展。二十世纪七十年代，机电一体化技术产生并得到迅速发展。机电一体化不是机械装置与电子装置的简单组合，而是机械技术、电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术及软件编程技术等多种技术的相互交叉与融合。机电一体化技术要求从系统的观点出发综合机械技术和信息技术实现整体最优化。机电一体化代表着机械工业技术革命的前沿方向。机电一体化技术己渗透到机械工业的各个领域，极大的改进了机械产品的结构和功能，促进了工业技术的发展。机电一体化技术也为机械的发展提供了思路。因此，本次设计充分汲取了电驱动垂直丝杠升降台的优点，采用电液比例控制技术，提高控制精度。并对传动链及重要零部件进行了优化设计，使设备整体性能满足现代化剧场对升降台的要求。第2章液压升降台液压部分方案设计21液压升降台总体构成双叉式液压升降台的总体构成图21由两部分组成液压驱动单元、机械传动单元。液压驱动单元的作用是将液压能转化为机械能，通过液压元件控制调节液体压力与流量，最后由液压泵站控制提供液压能。机械传动单元由叉架、底框架、台面框架、下限位支撑架、维修支撑架、地脚支架、导轨架等组成,它的作用是将液压泵站提供液压能，通过液压油缸顶升叉架机构，实现升降台面的升降。图21液压双叉式升降台22液压升降台总体设计1、总体思路针对双叉式液压升降台发展的趋势，充分发挥叉架升降与液压驱动的优点，总结以往液压升降台的设计经验，同时考虑技术与经济的可行性，确定了以下设计思路1在满足刚度要求的基础上减小台面框架的自身高度与重量，提高设备基坑的利用率2液压系统的静动态性能好，安全可靠，结构简单3采用闭环控制，提高控制精度4液压站性能方面设计和密封系统设计选择2、主要技术参数及要求1升降台速度台面升降速度3M/MIN2升降台行程叉架升起最大高度283M叉架降低最小高度081M总行程202M升降台载荷能力24T升降台台面面积台面面积275127MS其它要求叉架钢结构杆系销轴孔的同轴度允差为06MM，平行度05MM，两端销轴孔对中间销轴孔的对称度小于05MM。全高升降运行，上台面水平方向偏移小于3MM。3、液压驱动单元液压驱动系统的设计是液压升降台总体的重要组成部分，设计时必须满足液压升降台使用功能所需的全部技术要求，而且静动态性能好，效率高，安全可靠，结构简单，经济性好，使用维护方便。为此，要明确与液压驱动系统有关的液压升降台参数的确定原则，要与升降台的总体设计综合考虑做到机、电、液相互配合，保证液压升降台总体的性能最好。根据液压升降台的使用工况，其液压驱动系统必须解决好以下问题1保证动作平稳，升降台上载重量变化很大，且机械传动零件加工、安装的误差以及台面的偏载，都将导致液压马达负载变化较大，液压系统必须要能克服负载变化对速度产生的影响，确保机构无冲击地平稳运行2由于采用两台液压马达分别驱动四根油缸，因此，液压系统必须保证设备具有较高的同步控制精度3工作载荷及架体自重在运动速度变化时引起的惯性冲击问题4下降过程反向负载引起失重现象，必须加以控制，尤其是如此大型的设备，一旦失控极其危险。液压系统的设计主要围绕如何解决液压升降平台的同步、缓冲、平衡等问题而进行。针对以上问题设计了两种方案。方案A该液压系统图22中采用了控制阀组，油路块,流量分配器，还有运用控制速度阀等，较好的实现了控制速度、同步和缓冲的问题，且系统简洁，调试方便。1、油箱2、油泵3、连轴器4、钟形罩5、电动机可调单向阀6、液位液温计7、空气滤清器8、球阀9、吸油过滤器10、单向阀11、回油过滤器12、油路块13、控制阀组14、电磁换向阀15、联接底板16、单向节流阀17、螺纹插装节流阀18、螺纹插装电磁换向阀19、节流阀20、压力表21、流量分配器22、速度控制阀图22液压原理图对于本设备采用两个同轴等排量双向液压马达，输出相同流量的油液来驱动两缸双向同步，其同步性能直接影响到液压升降台的正常使用。与常规的同步回路相比，同步马达的同步回路具有较高的同步精度和性能价格比。控制速度阀对流量的控制是通过分流阀来实现的,以下对液压系统原理图进行分析,并且对液压升降台的整个工作运行的分析。表21液压升降台液压系统电器动作表M12KWR/PMDT电机M1、M2通电,油泵从油箱吸油,泵站开始工作,液压油通过直动溢流阀回油箱,此时直动溢流阀起卸荷阀作用,泵站实现空载启动和连续工作,避免电机频繁启动。当直动溢流阀通电,系统压力超过直动溢流阀的设定压力,直动溢流阀打开,液压油通过此阀直接回油箱,此时直动溢流阀起安全阀作用。电磁溢流阀的设定值一般为系统工作压力的110。液压升降台的整个动作过程（1）平台上升当M1、M2电机通电，油泵从油箱吸油，液压泵站开始工作，电磁换向阀14通电，即电磁铁1得电，该作用是调节整个液压系统总体压力。当系统中油液继续通过控制阀组，主要为整个液压系统提供油液，再通过可调单向节流阀，并通过同步马达，对液压缸起到同步作用；最终油液由油缸无杆腔供油,油缸另一腔回油。同时螺纹插装换向阀18通电，即电磁铁5得电，油路块直接向油缸无杆腔供油。油缸上行速度的行程由速度控制阀22控制,近似匀加速运动。（2）平台下降螺纹插装换向阀通电，即电磁铁2得电，油缸无杆腔回油,油缸下行速度的行程由速度控制阀22控制,功能是回油路上串联的背压阀保证回油腔有一定的背压,使液压升降台不因本身自重而下降,保证液压升降台运行平稳，达到缓和冲击的目的。当液压升降平台至最后100MM范围以内时,螺纹插装换向阀18通电，即电磁铁3和4得电,起到油缸无杆腔快速回油,使液压升降台降到最小的高度。方案B该液压系统图23中采用了双泵，控制阀组，调速阀等，较好的实现了控制速度、同步的问题，且系统简洁，调试方便。1、电动机2、油泵3、控制阀组4、调速阀5、液压缸图23液压原理图液压升降台的整个动作过程（1）平台上升当M1、M2电机通电，油泵从油箱吸油，液压泵站开始工作，通过调速阀，使液压缸可保持基本同步，当系统中油液继续通过控制阀组，主要为整个液压系统提供油液，最终油液由油缸无杆腔供油,油缸另一腔回油。（2）平台下降当控制阀组中螺纹插装换向阀通电，即电磁铁得电，使油缸无杆腔回油,油缸下行速度的行程由调速阀控制,功能是回油路上串联的背压阀保证回油腔有一定的背压,使液压升降台不因本身自重而下降,保证液压升降台运行平稳，达到缓和冲击的目的。通过上述方案A和方案B的介绍，方案A比方案B运动速度快，惯性负载要大，同时方案B存在惯性负载引起的冲击载荷对工作机构的影响和双叉式液压升降台的同部精度问题。所以方案A优于方案B。最终采用方案A的液压系统。4、机械传动单元机械传动单元图24叉架、底框架、台面框架、地脚支架、导轨架以及液压缸，其主要功能是将液压泵站提供液压能，通过液压油缸顶升叉架机构，实现升降台面的升降。图24机械传动单元结构简图由于采用液压泵站驱动，其传动结构与机械升降台相比大大简化，作为液压油缸顶升叉架机构的一个组成部分，机械传动单元各零部件的机械性能、传动比的分配、传动特性对液压升降台的整体性能有着重要的影响。台面框架作为升降台平面的一部分，应保证台面的平整性，对此，台面框架机械规范中对升降台平面的变形作了明确的规定升降台台面满载时，在长度方向的变形不得大于L/1OOOMML为长度尺寸，且其绝对变形量不大于12MM。因此在设计台面框架时，首先应满足以上要求。此外，台面框架的自身重量和高度也是必须考虑的因素。大型升降台设备其台面框架的重量较大，一般占设备总起升重量的三分之一到四分之一，设备升降时克服自身重量将消耗较多的功率。为了减小驱动机功率，降低成本，通常采用平衡重将台面框架重量配平，而在一些没有条件加装平衡重的情况下，尽量减轻台面框架自身重量就显得较为重要。台面框架自身有一定高度，在使用时，其自身高度使得升降台的有效行程减小，为满足使用的正常行程，对升降台的设备基坑要求加大深度，传动丝杠加工的更长，以消化台面框架自高所占有的行程。以上三个因素相互制约，故设计台面框架时应综合考虑。台面框架通常采用钢架结构，这种结构具有重量轻，刚性好的特点。本设备根据使用要求采用台面钢架结构。钢结构台面由标准型钢焊接而成,要求外框整齐,台面平整,台面对角线尺寸误差小于3MM。上台面上安装辊道输送机。并且钢结构台面连接叉架平衡杆系销轴孔的同轴度06MM。钢结构台面上的叉架平衡杆系导轮轨道应加工，平面度01MM。叉架钢结构平衡杆系，由钢板焊成的箱型结构的杆系与销轴组装而成。叉架钢结构平衡杆系销轴孔的同轴度允差为06MM，平行度05MM，两端销轴孔对中间销轴孔的对称度小于05MM。升降台在整个升降运行中，上台面水平方向偏移小于3MM。在机械传动单元中，叉架机构是一个十分重要的机构，它的作用是将叉架的上下运动转化为升降台升降的直线运动。从液压驱动升降台的整体结构可以看出，升降台的全部载荷是由叉架承担，台面升降时，叉架不仅要传递很大的转矩，而且还要起到导向作用。此外，叉架杆系销轴孔内要开油槽，要在操作方便的位置设注油孔及安装油咀。叉架杆系轴线，要与滚道输送方向相同。即销轴轴线与辊道输送机辊子轴线平行。由此可见，叉架设计、制造、安装质量的好坏，直接影响到升降台的稳定性、安全性以及传动与定位精度。考虑以上因素，在叉架的设计过程中，采用了可靠性设计方法对叉架的刚度、稳定性进行了计算，同时对叉架结构进行了优化处理。第3章液压驱动单元分析与设计31液压同步控制的精度本设备采用同一泵站并联驱动两台液压缸。对于这类带有多个执行器，同时驱动同一负载运动的液压系统，由于负载不均匀、摩擦阻力不等、液压马达的制造质量以及结构变形上的差异，如果不采取适当的同步措施，这将导致升降台面两端行程出现误差，从而引起台面框架的倾斜、变形。因此，系统同步精度成为影响设备整体性能的一个重要因素。实现液压同步驱动一般主要有开环控制和闭环控制两种基本形式。开环控制的液压同步回路主要有机械联结同步回路、节流阀同步回路、分流集流阀同步回路等，因为它完全靠液压控制元件如同步阀、各类节流阀或调速阀本身的精度来控制执行元件的同步驱动，而不对执行元件的输出进行检测与反馈来构成闭环控制，所以它不能消除或抑制对高精度同步的不利因素的影响。在升降台中常用的是机械联结同步回路和分流集流阀同步回路机械联结同步回路是用刚性梁、齿轮及齿条等机械零件，使两个液压执行器之间建立刚性的运动联系来实现位移同步。这种方式简单、可靠，同步精度取决于机构的刚性。分流集流阀同步回路是使用分流集流阀使两个液压缸在承受不同负载时仍能获得相等的流量而实现运动速度的同步，其液压系统简单经济，同步精度约为25。但这两种同步回路都不适宜在本系统上采用，闭环控制的液压同步回路有电液伺服及同步和电液比例同步回路，与开环控制相比，尽管液压同步闭环控制组成较复杂、造价较高，但由于它靠的是对输出量进行检测、反馈，从而构成反馈闭环控制，在很大程度上消除或抑制不利因素的影响，而可望获得高精度的同步驱动。所以液压同步闭环控制已经越来越得到人们的重视，特别是随着现代控制理论及计算机控制技术的发展，该种控制形式几乎在所有需要高精度液压同步驱动的各类主机上都得到了较好的应用。其中，电液比例阀是一种新型的电液控制元件，虽然它比电液伺服阀的频率响应低，但因其造价较低、抗污染能力高、性能良好，所以由它组成的同步闭环控制已大量用于系统频率响应适中而需要较高同步精度的主机上，具有良好的应用前景。在本设备中，为了较好的解决同步问题，综合考虑了经济性与控制精度的因素，采用了电液比例同步闭环控制回路，其原理是通过改变进入其中一些或全部液压执行器的流量来达到同步的目的。本设备同步闭环控制采用“主从方式”图31，它是以其中一个执行器的图31同步控制方块图位置作参考，改变进入其它执行器的流量来达到位置跟随而同步。它本质上是个位置控制回路，其控制变量的信息来自对位置误差的检测。电液比例同步控制回路与其他同步控制回路相比具有较高的性能价格比，虽然比例阀的死区及流量非线性特性对控制特性有较大影响，但在控制算法上采取一定措施后，同样能达到很高的精度。比例位置同步控制是建立在比例位置系统的基础上的。由于比例方向阀具有流量死区特性，而死区特性对电液比例位置控制系统有较大影响，故比例位置控制系统首先要解决阀的死区补偿问题。采用一种死区特性补偿算法，在不增加系统复杂程度及硬件成本下，用简单的算法可得到很好的补偿效果，还能提高系统的稳定性及抗干扰能力另一方面，由于比例方向阀的流量非线性比较严重，在进行速度控制时必须采用变增益的算法。以下通过对比例阀控缸同步系统的动态分析，可得到比例同步控制回路得同步精度，该结论也适用于比例阀控马达同步系统。对一般的电液比例阀控缸系统，对进行死区补偿、增益校正后，系统的传递函数可简化如下图32图32比例阀控缸位置同步系统框图图中、为输入信号、为阀芯位移、为比例方向阀等效时间常数1U21X21V2、为阀的流量增益、为平均活塞面积、为系统增益、QKVAVXK1H为液压固有频率；、为液压阻尼比N,N2为系统干扰信号、为双缸之2H1H212V间的藕连环节Y1、Y2为系统输出。对于工程实际中的普通双缸位置同步控制的结构进行分析可知，系统可分为串联型和并联型两种，其结构框图如图33,34所示。图中略去了连接缸I、缸II的结构物造成的两缸间的藕连环节，凡为同步误差，为同步控制器，在串联型系统中，E12YCGSU1U，U2Y1在并联型系统中U1U,U2UE图33串联型双缸位置同步控制系统结构图34并联型双缸位置同步控制系统结构图中其它各环节分别为111QXVKGSTA1221HS2221QXVVKGSTA2221HHGSS由图可知双缸同步控制问题实质上是位置控制系统的跟踪问题，既不管液压缸I的位置不为何种形式变化，要求液压缸的位置以极小的允许误差同步误差跟踪。1YT2YT1YT对于串联型比例位置同步控制系统，若不考虑干扰的影响，并令（31）221SG可得（32）1212CCESU由于系统的开环传递函数中己包含一个积分环节，因此中不能再包含积分环节，否CS则会导致系统不稳定。这样其稳态同步误差只对阶跃指令输入为零，对斜坡指令输入就产生静差。在动态同步误差方面，由于跟踪的延迟性，亦会产生较大动态同步误2YT1T差。图35为同步误差ET对指令阶跃干扰UT的响应曲线。从图中可以看出，动态误差较大。因此，串联式结构的位置同步控制系统要达到较高的静、动态控制特性是较困难的。图35同步误差对指令阶跃干扰的响应曲线对于并联型比例位置同步控制系统，若不考虑干扰的影响，则（33）121212CCGESU对于电液比例位置同步控制，两液压缸各自的位置控制系统的偏差调节器不可能含有积分环节，因此以、中各自仅含有一个积分环节。在保证稳定的前提下，可使同步1G2误差调节器中包含一个积分环节。则由式33可知，上述并联型位置同步控制系统成为CG型系统，比图33所示结构串联型的同步控制系统高一阶静差度。由式33可求得对于单位加速度函数输人信号同步静态误差ESS为（34）12VSSSPKE式中，、分别为、环节的增益。而对指令阶跃输入、斜坡输1VSK2SP1G2C入，其静态同步误差均为零。从式33、34中还可看出，并联型同步控制系统的同步误差是与成正比的，12G当，即两个液压缸位置控制系统有相同的特性时，对任意函数的输人指令不但其12G静态同步误差为零，而且其动态同步误差亦为零，而这种情况下，并不要求系统有高阶无静差度，也不必构成同步误差闭环图33中虚线框部分。而在大多数双缸同步控制系统中，液压缸I和液压缸及其控制元件在结构和规格上大体一致，、相差不多。这时即1G2使不构成同步误差闭环，其动态同步误差亦比图31所示的同步控制结构要小得多。图36即是不构成同步误差闭环时并联结构的同步位置控制系统两液压缸活塞位移和同步误差试对指令阶跃的响应曲线。与图34相比，其动态过程中的最大同步误差要ET小得多。图36不带同步误差闭环时并联型同步系统响应曲线在上述并联结构基础上，再将同步误差通过误差调节器构成闭环，将进一步提ETCG高同步调节的动、静态特性。图37即是将同步误差构成闭环并联型位置同步控制系统两液压缸活塞位移及同步误差ET对指令阶跃UT的响应曲线，与图36相比，其控制性能又有进一步的提高。图37带同步误差闭环时并联型同步系统响应曲线通过以上的研究可以看到，通过液压油缸顶升叉架机构，液压系统比例同步控制回路中使用并联式带同步误差反馈的控制结构具有较小的静、动态同步误差，其性能指标完全满足升降台对位置误差的要求。32液压缸的设计321液压缸主要尺寸的确定1液压缸工作压力的确定液压缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定，对不同用途的液压设备，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。设计时，可用类比法来确定。表31列出的数据，可供选定工作压力时参考。表31液压设备常用的工作压力机床设备类型磨床组合机床龙门刨床拉床农业机械或中型工程机械液压机、重型机械、起重运输机械工作压力P/（MP）0820352881010162032所以根据表31液压设备常用的工作压力的表格,可以得到液压升降台工作压力2032（）。液压缸内径D和活塞杆直径D的确定以单活塞杆液压缸为例来说明其计算过程。由图38可知图38单活塞杆液压缸计算示意图221244FCDPFDPF（）211FC式中,液压缸工作压力，初算时可取系统工作压力1PP液压缸回油腔背压力，初算时无法准确计算，可先根据表32估计；2DD活塞杆直径与液压缸内径之比，可按表33选取；表32执行元件背压的估计值系统类型背压MPA2P简单的系统和一般轻载的节流调速系统0205回油路带调速阀的调速系统0508回油路带背压阀0515中、低压系统08MPA采用带补液压泵的闭式回路0815中高压系统616MPA同上比中低压系统高50100高压系统832MPA如锻压机械等初算时背压可忽略不计表33液压缸内径D与活塞杆直径D的关系按机床类型选取D/D按液压缸工作压力选取D/D机床类型D/D工作压力P/（MP）D/D磨床、珩磨及研磨机床020320203插床、拉床、刨床052505058钻、镗、车、铣床0757062070707工作循环中最大的外负载；F液压缸密封处摩擦力，它的精确值不易求得，常用液压缸的机械效率进行估算。FCCM（）FCMF式中液压缸的机械效率，一般09097CMC将代入式（1），可求得D为（）22114CMFPDD活塞杆直径可由DD值算出，由计算所得的D与D值分别按表34与表35圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封元件。表34液压缸内径尺寸系列（GB234880）（）M810121620253240506380（90）100（110）125（40）160（80）200（220）250320400500630注括号内数值为非优先选用值。表35活塞杆直径系列（GB234880）（）M456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400通过液压升降台的实际情况确定以下参数4210FN6120AP9CM62150P/7DD代入公式计算46622211151500972CMDMDPD07587DM根据表34与表35圆整到相近的标准直径取,对选定15DM90D后的液压缸内径D，通过进行最小稳定速度的验算INMIQAV式中液压缸节流腔的有效工作面积；最小稳定速度的最小有效面积；MINA流量阀的最小稳定流量，一般从选定流量阀的产品样本中查得；IQ液压缸的最低速度，由设计要求给定。MINV通过验算液压缸的内径，满足速度稳定的要求。液压缸壁厚和外径的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径D与其壁厚的比值D10的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算2YP式中液压缸壁厚（M）；D液压缸内径（M）；试验压力，一般取最大工作压力的（12515）倍（MPA）；YP缸筒材料的许用应力。其值为锻钢110120MPA；铸钢100110MPA；无缝钢管100110MPA；高强度铸铁60MPA；灰铸铁25MPA。通过双叉式液压升降台的实际情况确定以下参数612525301YAPP25DM10AMP代入计算60132Y液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外径为1D1526352M式中值应按无缝钢管标准，或按有关标准圆整为标准值。1D液压缸工作行程的确定液压缸工作行程长度，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照表36中的系列尺寸来选取标准值。表36液压缸活塞行程参数系列（GB234980）（）M255080100125160200250320400500630800100012501600200025003200400040639011014018022028036045055070090011001400180022002800390024026030034038042048053060065075085095010501200130015001700190021002400260030003800注液压缸活塞行程参数依、次序优先选用。缸盖厚度的确定一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度T按强度要求可用下面两式进行近似计算。无孔时2043YPTD有孔时220YTD式中缸盖有效厚度（M）；缸盖止口内径（M）；2D缸盖孔的直径（M）。0D最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到缸盖滑动支承面中点的距离H称为最小导向长度（图39）。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度（间隙引起的挠度）增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定的最小导向长度。图3液压缸的导向长度对一般的液压缸，最小导向长度H应满足以下要求20LD式中液压缸的最大行程；L液压缸的内径。D16514202HM活塞的宽度一般取；缸盖滑动支承面的长度根，据液压缸内径BD1L而定；当时，取；MD80L0161当时，取。D为保证最小导向长度H，若过分增大和B都是不适宜的，必要时可在缸盖与活塞之间增1加一隔套K来增加H的值。隔套的长度C由需要的最小导向长度H决定，即12L当D80MM时，取（0610）D（）L4507562CBM缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应大于内径的2030倍。活塞杆稳定性的验算当液压缸支承长度LB（1015）D时，须考虑活塞杆弯曲稳定性并进行验算。液压缸的支承长度LB是指活塞杆全部外伸时，液压缸支承点与活塞杆前端连接处之间的距离；D为活塞杆直径。具体计算方法可参考有关资料。322液压缸的结构设计液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括缸体与缸盖的连接结构、活塞杆与活塞的连接结构、活塞杆导向部分结构、密封装置、缓冲装置、排气装置、及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件不同，结构形式也各不相同。设计时根据具体情况进行选择。1、缸体与缸盖的连接形式缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。表37为常见的缸盖连接形式。表37液压缸缸体与缸盖的连接形式连接方式结构形式图例优缺点法兰连接优点（1）结构简单、成本低（2）容易加工、便于装拆（3）强度较大、能承受高压缺点（1）径向尺寸较大（2）重量比螺纹连接的大；缸体为钢管时，用拉杆连接的重量也较大（3）用钢管焊上法兰、工艺过程复杂些螺纹连接优点（1）外形尺寸小（2）重量较轻缺点（1）端部结构复杂、工艺要求较高（2）装拆时需要专用工具（3）拧端盖时易损坏密封圈外半环连接优点（1）结构较简单（2）加工装配方便缺点（1）外形尺寸大（2）缸筒开槽，削弱了需增加缸筒壁厚内半环连接优点（1）外形尺寸较小（2）结构紧凑，重量较轻缺点（1）缸筒开槽，削弱了强度（2）端部进入缸体内较长，安装时密封圈易被槽口擦伤2、活塞杆与活塞的连接结构表38为活塞杆与活塞的几种常用的连接形式。分整体式结构和组合式结构。组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接。表38活塞杆与活塞的连接结构连接方式结构形式图例特点整体式结构结构简单，适用于缸径较小的液压缸螺纹连接结构简单，在振动的工作条件下容易松动，必须用锁紧装置。应用较多，如组合机床与工程机械上的液压缸半环连接结构简单，装拆方便，不易松动，但会出现轴向间隙。多应用在压力高、负荷大、有振动的场合锥销连接结构可靠，用锥销连接，销孔必须配铰，销钉连接后必须锁紧，多用于负荷较小的场合3、活塞杆导向部分的结构活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结构可以做成端盖整体式直接导向，也可做成与端盖分开的导向套结构。后者导向套磨损后便于更换，所以应用较普遍。导向套的位置可安装在密封圈的内侧，也可以装在外侧。机床和工程机械中一般采用装在内侧的结构，有利于导向套的润滑；而油压机常采用装在外侧的结构，在高压下工作时，使密封圈有足够的油压将唇边张开，以提高密封性能。活塞杆处的密封形式有O形、V形、Y形和YX形密封圈。为了清除活塞杆处处露部分沾附的灰尘、保证油液清洁及减少磨损，在端盖外侧增加防尘圈。常用的有无骨架防尘圈和J形橡胶密封圈，也可用毛毡圈防尘。具体结构参看表39图例及有关设计手册。表39活塞杆的导向与密封及防尘装置结构形式结构简图特点端盖直接导向（1）端盖与活塞杆直接接触导向，结构简单，但磨损后只能更换整个端盖（2）盖与杆的密封常用O型、Y型、YX形密封圈（3）防尘圈用无骨架的防尘圈导向套导向（1）导向套与活塞杆接触支承导向，磨损后便于更