液压举升机构计算

第3章液压举升机构的设计3.1液压举升机构的主要技术参数：(1)举升高度：1.4m；(2)上升时速度：0.06m/s；(3)下降时速度：0.04m/s；(4)最大举升质量：5吨。3.2液压缸的设计：3.2.1液压缸的设计要求液压缸的设计要考虑下列基本要求：液压缸承受最大的负载力。输出最大速度或动作时间t。液压缸最大行程L。3.2.2三级同步液压缸结构设计及内径的确定三级同步液压缸结构简图如图3-1所示。它由一级活塞和两级活塞套叠而成，直径最小的一级为柱塞。在两级活塞的底部各有1个单向阀，它们在正常运行时是关闭的，从而形成独立的容腔1和2,容腔3通过油口和液压系统相连。当液压缸上行时，压力油进入容腔3,推动最大一级活塞向上移动，缸筒与活塞之间的环形体积缩小，其中的油液通过活塞杆上的侧向小孔进入下一级活塞腔，使较小一级活塞也向上移动，相似的环形容腔的油液进入下一级，推动最小一级的活塞向上移动。通过合理设计有关几何参数，就能实现三级的同步动作，而且相对速度相同。下行过程也可以做同样的分析。值得注意的是在运行过程中，由于各容腔的压力匕>p>P3，所以两个单向阀始终关闭，在下降行程接近极限位置时，单向阀阀芯的导向杆碰到缸底，使阀口打开，油液流出直至各级间达到平衡状态，使其消除累积的同步误差。柱塞杆?容腔1柱塞杆3腐腔2图3-1三级同步液压缸结构简图Hi图3-2三级同步液压缸受力分析简图油缸选型主要依据所需的最大作用力尸max以及最大工作行程来确定的。根据液压系统中油缸的工作特点，由图3-2可知F=P-D2门ii4i（3-1）式中：i——第i级活塞缸；P——液压系统额定工作压力（MPa）；门——系统效率，通常按门=0.8。如表3-1所示选取P,P越高，对密封要求也越高，成本亦随之上升；根据机构的类型及其工作特点，取P=10MPa。表3-1液压设备常用的工作压力设备类型机床设备类型机床磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力P/（MPa）0.8〜2.03~52~88~10农业机械或中型工程机械液压机、重型机械、起重运输机械10~1620~32其中，单个液压缸的最大作用力:F=G=mmaxi=5000X9.8=24500^（3-2）max222由式（3-1）可知：八|4F'4x24500小“〜D=\=」=62.46mm（3-3）1Vk•P・门七3.14x10x106x0.8¥1表3-2缸筒内径尺寸系列（GB/T2348-1993）810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）250（280）320（360）400（450）500取第一级液压缸内径D=63mm1因PA=2PA2211PA=因PA=2PA2211PA=2PA3322（3-4）所以2PA2PA由公式分析，如不计缸筒壁厚时，有七=P2=P3D=,史—=«8x24500=88.33心2曾.P-n\3.14x10x106x0.8D=：16F=，——'——=124.92mm3\i矿P-nV3.14x10x106x0.816x24500(3-5)(3-6)(3-7)(3-8)由表3-2取第二级液压缸内径D2=100mm;取第三级液压缸内径D3=125mm。3.2.3三级同步液压缸柱塞杆直径的确定在单杆活塞中，刁值可由D和人求的，标准液压缸的人系列值为1.06、1.12、1.25、1.4、1.6、2、2.5、和5,为了减少冲击（即不使往返运动速度相差过大），一般推荐A<1.6。活塞运动速度受结构的限制，范围0.1〜0.2m/s<v<1m/s。v—活塞杆直径也可以按其工作时的受力情况由如表3-3所示初步选取。表3-3活塞杆直径的选取活塞杆受力情况工作压力p/MPa活塞杆直径d受拉—d=(0.3〜0.5)D受压及拉p<5d=(0.5〜0.55)D受压及拉5<P<7d=(0.6〜0.7)D受压及拉p>7d=0.7D液压系统各液压缸均采用双作用三级同步活塞缸。即受压也受拉，而且工作压力p大于7所以活塞杆直径选公式：d=0.7D1（3-9）将D值代入（3-9）式中，可求得d=0.7?=0.7x63=44.1mm表3-4液压缸活塞杆外径尺寸系列(GB/T2348-1993)根据表3-4取活塞杆直径d为45mm。3.2.4三级同步液压缸壁厚、外径等参数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。一般计算时可以分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径D与其壁厚5的比值D/5>10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：5>业

2[日（3-10）式中5——液压缸壁厚；D——液压缸的内径；p试验压力，取p=16MPa；Q]——缸筒材料的许用应力。其值为：锻钢："]=110〜120MPa；铸钢："]=100〜110MPa；钢管：Q]=100〜110MPa；高强度铸铁："]=60MPa；灰铸铁："]=25Mpa；取p=1.5乂10x106=15MPa本设计的转向液压缸的材质是钢管，其"]=100〜110MPa，所以选Q]=110MPa。将Py、Q]值代入（3-10）式中，可求得5>以=15x106x63=4.30皿12[b]2x110x1062”］15X106X125=8.52mm>—2”］15X106X125=8.52mm>—2［。］2x110x106液压缸壁厚度算出后，即可求出缸体的外径为=6.82mm2X110X106D;>?+251(3-11)气>D2+252(3-12)气>D3+253(3-13)将5值分别代入式(3-11)、式(3-12)、式(3-13)中，可求得D;>只+251=63+2x4.30=71.6mmD2>D2+252=100+2x6.82=113.64mmD3>D3+253=125+2x8.52=142.04mm分别取D'=72mm；D'=114mm；D'=143mm。液压缸无杆腔面积：A=-D2=314x0.0632=31.6x10-4m2TOC\o"1-5"\h\z414A=-D2=314x0.1002=78.5x10-4m2424液压缸有杆腔面积：A'=—D2-d2)=41—A=—"A=D2343A=-D2=Hx0.1252=122.7x10-4m23434土x().0632—0.0452)=15.26x10-4m2\o"CurrentDocument"f)3"()1)344f)—D2)=x().1252—0.1002)=44.16x10-4液压缸有杆腔面积：A'=—D2-d2)=41—A=—"A=D23431)344f)—D2)=x().1252—0.1002)=44.16x10-4m2活塞宽度B导向套滑动面长度A已知:M=4500Kg；A'=15.26cm2；a1求固有频率°hzS活塞宽度B导向套滑动面长度A已知:M=4500Kg；A'=15.26cm2；a1求固有频率°hzS+D352100063+352=60mmB=(0.6〜1.0)D=40mmA=(0.6〜1.6)DS=1000mm；X=0.48。=53mmD=63mm；d=45mm；A131.6cm2；=53.08rad/s.'40x1.4x107x31.61+t0.48vx\1000x45002式中M——取起升总质量为4500Kg；S液压缸行程(mm)；E油弹性模量(Kg.:'cmS2),查表取E=1.4x107Kg，=53.08rad/s求最小加速时间tmint.=35尸。=3553.08=0.66s求液压缸的最大速度Vmax

=1000+G-0.66)x10-3]^/5=2.94m/s式中七——总循环时间（s），据液压手册选取;求最大加速度amaxmaxmaxmin=2.940.66=4.45m；s2求液压缸运动过程中需要达到的最大压力Pnax，其中:P=（F+Mg，A1=（Ma+Mg）；A]=9.8Mpa3.2.5三级同步液压缸外形尺寸的校核1.缸筒外径强度校核当8.；D=0.08〜0.3时，按下式校核强度，即8>"axD2laJ-3Pmax_9.8x106x63x10-6=2x110x106—3x9.8x106=8.9x10-3m式中[a]——缸体材料的许用应力（MPa），取[a]=110MPa；Pmax最高工作压力(Pa)；p——试验压力（MPa）工作压力小于20MPa时，P=1.5匕，「=10MPaPmax最高工作压力(Pa)；p——试验压力（MPa）工作压力小于20MPa时，P=1.5匕，「=10MPa；5——液压缸缸筒厚度(m)；D——液压缸内径（m）；w——强度系数，对于无缝钢管，W=1；c——壁厚公差及腐蚀的附加厚度，通常圆整到标准厚度值;通过以上计算，缸筒外径强度满足设计要求。2.活塞杆直径强度及稳定性校核活塞杆直径强度按下式检验强度，即,4F:4x4500x9.8=■t3.14x110x106=0.04m式中F——液压缸负载（N）；g]——缸底材料的许用应力（MPa）。当安装杆长度Z与其直径d之比"0>10，并且杆件承受压载荷时，则需校验稳定性。液压缸承受的压负载匕，不能大于液压缸保持工作稳定性所允许的临界负载"液压缸的稳定条件为：F<-k-nk式中F——液压缸临界负载（N）；nk——稳定安全系数，通常取2〜4。按等截面法，将活塞杆与缸体视为一个整体杆件，可按欧拉公式计算临界负载，即：1x3.142x2.1x1011x3.14x^3x10-3)64x0000x10-3=4x105N则：F<—^则：nk_4x1054~~=1x105N式中Ip——活塞杆截面二次极矩（m4）,d为