剪叉式物流液壓升降臺(tái)的設(shè)計(jì)含6張CAD圖.zip
剪叉式物流液壓升降臺(tái)的設(shè)計(jì)含6張CAD圖.zip,剪叉式,物流,液壓,升降臺(tái),設(shè)計(jì),CAD
復(fù)合材料制升降平臺(tái)的新設(shè)計(jì)理念
L. Solazzi & R. Scalmana
摘要
作為一種起重設(shè)備，升降工作平臺(tái)越來(lái)越多的應(yīng)用于建筑行業(yè)和維修領(lǐng)域。例如，風(fēng)力渦輪機(jī)樞紐的維護(hù)就需要通過(guò)使用工作平臺(tái)來(lái)完成；但是因?yàn)楦咚俟窐?biāo)準(zhǔn)的限制還有這些結(jié)構(gòu)自身的高度要求很高，例如最大軸載和最大總尺寸，所以為了滿足這些要求，需要把結(jié)構(gòu)的材料從經(jīng)典結(jié)構(gòu)鋼（S235 JR，S275 JR或S355JR）改為高強(qiáng)度鋼（S700至S1100或更高），這樣就可以獲得更高的比電阻。 本文的想法是使用復(fù)合材料來(lái)制作升降平臺(tái)的臂，以減少機(jī)器的整體重量。同時(shí)通過(guò)對(duì)新型平臺(tái)的分析表明，用復(fù)合材料作為臂部材料大約會(huì)降低機(jī)器部件50%的重量。當(dāng)然作為可行性研究，可能仍然會(huì)存在一些問(wèn)題，例如所用復(fù)合材料的機(jī)械性能（疲勞，環(huán)境影響等）。
關(guān)鍵詞 復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；碳纖維；起重平臺(tái)
1 引言
由于使用了高強(qiáng)度鋼材，近年來(lái)巨大的高層平臺(tái)優(yōu)化了機(jī)械特性，減輕了重量，發(fā)展的很快（圖1）；事實(shí)上，為了能夠在公路上運(yùn)輸，這種特性在可移動(dòng)結(jié)構(gòu)中是很重要的。
圖1在風(fēng)力渦輪機(jī)上工作的鋼平臺(tái)
然而，這些結(jié)構(gòu)的高度還在不斷增加，使運(yùn)輸?shù)目赡苄赃_(dá)到了極限。
因此這項(xiàng)工作的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)由高強(qiáng)度鋼和復(fù)合材料共同制成臂的工作平臺(tái)，并將其與僅由高強(qiáng)度鋼制成的平臺(tái)進(jìn)行比較。該平臺(tái)的設(shè)計(jì)工作高度為85米;在意大利市場(chǎng)上，它代表了非常高的尺寸?，F(xiàn)在不同部件的原型，比如手臂，汽缸，接頭，主要是由高強(qiáng)度鋼合金制成。而且現(xiàn)在越來(lái)越多的工作機(jī)械也是由這些合金制作而成，如[處理材料[1,2]和卡車(chē)部件[3-5]的設(shè)備 ]，但由于重量大以及平臺(tái)結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸不便而表現(xiàn)出了很大的問(wèn)題;但實(shí)際上臂的一小部分（伸縮臂的最后部分）可以由塑料材料制成，特別是在用于維護(hù)電線的平臺(tái)中，這樣還可以方便在籃中的操作者和其余部分之間引入導(dǎo)電絕緣體來(lái)保護(hù)操作者。
當(dāng)然這項(xiàng)工作的最終目標(biāo)是在遵守道路標(biāo)準(zhǔn)的情況下，大大減輕系統(tǒng)的重量，從而減少搬運(yùn)車(chē)運(yùn)輸?shù)闹亓坎⒃黾酉到y(tǒng)的負(fù)載能力。通過(guò)水泥攪拌車(chē)，我們第一次造出了由復(fù)合材料制成的車(chē)臂;另外最近一家公司還開(kāi)發(fā)了一種混凝土泵，由5個(gè)部分組成，其中最后兩部分由碳纖維制成。
但是，該機(jī)器的設(shè)計(jì)規(guī)格在工作區(qū)域和負(fù)載范圍上還是有很大的不同，例如，升降平臺(tái)中的位移沒(méi)有受到限制。
從初步的幾何設(shè)計(jì)規(guī)范開(kāi)始，本文討論了所有與實(shí)現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)有關(guān)的主要問(wèn)題[6,7]：如所需尺寸的定義，臂移動(dòng)的概念和隨后的設(shè)備，尺寸臂部分的分析，動(dòng)力學(xué)分析和有限元方法的失效驗(yàn)證。
2 材料和方法
2.1 設(shè)計(jì)規(guī)格
由于該平臺(tái)必須與卡車(chē)連接，并且必須達(dá)到約85米的最大高度; 所以在手臂的末端有一個(gè)叫做JIB的設(shè)備，用于指揮平臺(tái)的精細(xì)運(yùn)動(dòng); 平臺(tái)的工作范圍如圖2所示。
此外具有這些商業(yè)可用性特征的平臺(tái)基本上都由7個(gè)伸縮臂組成，其端部都連接了JIB結(jié)構(gòu)。
2.2 負(fù)載條件
通過(guò)水泥混合器，我們第一次用碳纖維替代鋼材制作了重型車(chē)輛的工作臂，其中碳纖維用于替代傳統(tǒng)的鋼架； 但是此應(yīng)用與升降平臺(tái)在負(fù)載條件和允許的行為方面存在明顯差異；主要區(qū)別是：
& 對(duì)于水泥攪拌機(jī)臂來(lái)說(shuō)，最大允許位移是升降平臺(tái)的一個(gè)重要參數(shù)，它具有具體的規(guī)定；另外一方面水泥攪拌機(jī)的機(jī)械臂與應(yīng)力相關(guān)聯(lián)地安全系數(shù)就不那么重要了，因?yàn)檫@在制造時(shí)就必須做到；
& 水泥攪拌機(jī)臂一旦延長(zhǎng)，在延伸期間受到來(lái)自水泥通過(guò)連接管而產(chǎn)生的連續(xù)
負(fù)荷是不存在的，因?yàn)槠脚_(tái)此時(shí)具有相同的工作重量，可以改變因運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的壓力;
& 混凝土攪拌機(jī)的管道和臂結(jié)構(gòu)是一起工作來(lái)增加設(shè)備的機(jī)械阻力，但在升降平臺(tái)中，所有的負(fù)載都由臂來(lái)支撐。
平臺(tái)所需考慮的負(fù)載包括結(jié)構(gòu)的重量和支撐的操作員的重量以及風(fēng)壓（與平臺(tái)高度有關(guān)）。另外為了評(píng)估由運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)力學(xué)行為，可以使用一個(gè)特定的程序（MECAD?）來(lái)計(jì)算籃子的死值和載荷值，結(jié)果約為1.5。
圖2平臺(tái)的總運(yùn)行范圍
這種類(lèi)型的機(jī)器的載荷頻譜[8,9]基本上都來(lái)自臂的運(yùn)動(dòng)步驟，而在操作員使用停止的臂進(jìn)行工作時(shí)，盡管由于操作員的移動(dòng)引起了小的隨機(jī)變化，但負(fù)載卻可以被認(rèn)為是恒定的。
2.3 新平臺(tái)的主要特點(diǎn)
該新平臺(tái)是使用復(fù)合材料（碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂基體）和鋼（主要用于臂接頭裝置）構(gòu)成的，以此來(lái)減輕重量；其中每個(gè)臂的長(zhǎng)度約為12米;此外起重機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)功能組：第一組前四個(gè)伸縮臂由高強(qiáng)度鋼構(gòu)成，第二組由四個(gè)可閉合臂組成; 這個(gè)選擇是基于以下幾個(gè)考慮因素：
& 碳纖維的成本與鋼相比要高得多，但是大部分用放大特性材料做成的部件必須使用碳纖維，因?yàn)橐紤]重量，當(dāng)然結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力不僅取決于重量，還取決于杠桿臂，當(dāng)你靠近籃筐時(shí)，杠桿臂要高得多。
& 碳纖維和其他復(fù)合材料一樣，在使用滑塊時(shí)伸縮臂上的滑動(dòng)阻力低，但與使用輥的鋼合金相比，接觸疲勞抗力也低，而這可能會(huì)導(dǎo)致手臂結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一些問(wèn)題，例如單層的脫落。
& 該機(jī)器的纖維是長(zhǎng)纖維，這使得復(fù)合材料能夠減少主載荷方向上的阻力; 另外因?yàn)楣ぷ餍枰褂锰囟＞邅?lái)實(shí)現(xiàn)手臂的驅(qū)動(dòng)，而短纖維具有較低的耐疲勞性
并且更難以與鋼部件接合，所以需要使用長(zhǎng)纖維代替短纖維。
2.4 材料的性質(zhì)
可閉合臂材選擇的使用材料是具有環(huán)氧基體的低模量碳纖維，這是作為材料性能和相關(guān)成本之間的最佳折衷方案; 他們的特征如表1所示。
此外每層纖維的百分比為60％; 而使用這些數(shù)據(jù)就可以計(jì)算出薄層的機(jī)械特性[7]，如表2所示。
最后選擇方向1還是方向2取決于纖維的取向，并且在圖3的報(bào)告方案之后重新定義。
表1 組成使用薄片的材料的機(jī)械特性
材料
密度ρ[kg / m3]
楊氏模量E [MPa]
剪切模量G [MPa]
泊松比
環(huán)氧樹(shù)脂
1200
4500
1600
0.4
碳纖維
1750
230000
50000
0.3
表2整個(gè)薄層的機(jī)械特性
密度
ρ[kg / m3]
彈性模量E1
（║到纖維方向) [兆帕]
彈性模量E2（┴到纖維方向)[兆帕]
剪斷系數(shù) G12 [MPa]
重大的泊松比率ν12
次要泊松比率v21
1530
139800
10929
3817
0.34
0.026
2.5 臂的尺寸
手臂的大小取決于幾個(gè)因素，其中一些是：
& 壓力的數(shù)值;
& 屈曲現(xiàn)象;
& 疊層中單層的堆疊順序;
每個(gè)復(fù)合臂都需要一個(gè)專(zhuān)屬的模具來(lái)建造，同時(shí)這個(gè)模具還可以制作具有可變截面的工作臂，其大小從頂部到底部增加，同時(shí)彎曲應(yīng)力也增大到最大值。
通過(guò)制定一個(gè)具體的方案來(lái)計(jì)算手臂的應(yīng)力，以便確定負(fù)荷圖上不同位置工作臂之間的動(dòng)作;計(jì)算出最大反作用力（軸向力和彎矩）后，再考慮工作臂截面的定義以及使用有限元軟件的應(yīng)力ABAQUS。
構(gòu)成疊層的層的堆疊順序必須符合以下規(guī)則：
& 必須根據(jù)主載荷方向選擇單層的方位角;
& 每個(gè)薄片取向（0°，45°-45°，90°）應(yīng)在層壓板中占據(jù)至少10％的百分比;
& 提供對(duì)稱(chēng)分布的層以避免剪切延伸和延伸彎曲耦合，因?yàn)檫@會(huì)在疊層中引起危險(xiǎn)的彎曲;
& 通過(guò)考慮它們?cè)诏B層內(nèi)部成分中的搭配來(lái)保護(hù)主層
& 保證厚度逐漸變化
圖3定義纖維的取向
圖4從平臺(tái)F的集中力和分布載荷P（尺寸單位mm）開(kāi)始，計(jì)算第一臂結(jié)構(gòu)中的反作用力的模式
通過(guò)報(bào)告第一手臂所遵循的程序來(lái)解釋計(jì)算手臂應(yīng)力的方法。
組成起重臂的第一臂在一端與籃筐連接，另一端與第二臂連接; 另外通過(guò)控制液壓缸來(lái)操作駕駛臂;此外按照?qǐng)D4的方案進(jìn)行反作用力的計(jì)算。
該結(jié)構(gòu)的所有運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（圖5）都使用由布雷西亞大學(xué)機(jī)械工業(yè)工程系開(kāi)發(fā)的MECAD?軟件來(lái)進(jìn)行圖解化，該軟件可以計(jì)算每個(gè)臂和裝置中的反作用力，以及在臂打開(kāi)過(guò)程中每個(gè)部分的位移，速度和加速度。MECAD?
圖5使用軟件計(jì)算復(fù)合結(jié)構(gòu)中反作用力的模式
應(yīng)力的計(jì)算遵循經(jīng)典的二維層復(fù)合理論[10]; 所考慮的堆疊順序是（902,45，-45,04）。
在葉片上引入第一個(gè)兩軸的參考系統(tǒng)但忽略垂直于葉片平面的變形的ε3可以用下列公式來(lái)計(jì)算變形：
從彈性層的彈性常數(shù)開(kāi)始計(jì)算Sij分量形式的柔度矩陣S：
為了計(jì)算開(kāi)始變形時(shí)的應(yīng)力，需要使用剛度矩陣Q，即柔度矩陣的倒數(shù)：
這些公式可用于與主軸方向?qū)R的纖維增強(qiáng)層，如果有相對(duì)的角度，則需要使用旋轉(zhuǎn)矩陣t：
圖6用于計(jì)算層壓板剛度特性的模式
圖7特定負(fù)載條件下臂的位移值（單位：mm）
其中c2=cos2θ，s2=sen2θ，而且：
而且用于計(jì)算通用薄層應(yīng)力的表達(dá)式也變?yōu)椋?
如果是由一定數(shù)量的板組成的疊層板，就有可能計(jì)算出力和力矩：
e01和kij分別表示層壓板在主要方向上的變形,彎曲和緊湊形式：
圖8第一臂的靜態(tài)安全系數(shù)值
圖9 層壓板區(qū)域中的每一層的應(yīng)力趨勢(shì)
ABBD矩陣的組件可以通過(guò)以下方式進(jìn)行計(jì)算：
如圖6所示，其具有該層的Zi位置
因?yàn)閷盈B體是平衡和對(duì)稱(chēng)的，所以組件A16和A26的B矩陣的分量等于0。
現(xiàn)在可以使用逆ABBD矩陣來(lái)計(jì)算變形和彎曲：
圖10為不帶籃子的JIB臂的前四種振動(dòng)模式：a第一模式（4.5 Hz），b第二模式（22.3 Hz），c第三模式（5.9 Hz），d第四模式（30.5 Hz）
圖11 在重合位置的整個(gè)結(jié)構(gòu)的視圖
由于層的平衡和對(duì)稱(chēng)布置，所以在薄層的彎曲處可以獲得等于0的相同變形;其中最大應(yīng)力位于0°薄層，達(dá)到約100MPa的數(shù)值，明顯低于破壞極限;而這樣就可以確保達(dá)到令人滿意的抗疲勞強(qiáng)度，同時(shí)還可以看到碳纖維的優(yōu)異特性[11,12]。
在此過(guò)程之后，確定臂的所有部分，這些部分通過(guò)增加彎矩較高處的截面尺寸來(lái)優(yōu)化彎曲阻力;而這種用金屬臂很難獲得的特性對(duì)于用復(fù)合材料制成的模具來(lái)說(shuō)是輕松可以達(dá)到的。
此外需要使用有限元程序執(zhí)行多個(gè)分析來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)行為，其中包括全局應(yīng)力、位移、屈曲系數(shù)等方面，。
2.6 有限元分析
有限元分析使用ABAQUS標(biāo)準(zhǔn)代碼進(jìn)行; 其中復(fù)合材料臂被建模為殼單元而金屬零件被建模為3D零件;此外給每個(gè)臂賦予限定的層壓板的堆疊順序與每層的對(duì)應(yīng)厚度;另外為了改善建模的行為給予每個(gè)手臂的局部取向，如圖7所示。
如圖8所示，一旦應(yīng)力計(jì)算出來(lái)，就可能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的失效準(zhǔn)則，如Tsai-Hill一樣。
另外也可以檢查層壓板中沿厚度變化的應(yīng)力，但由于取向的變化，所建立的值對(duì)于每個(gè)薄層而言顯然不同; 如圖9所示，最大應(yīng)力值可在0°薄層中找到。
圖12整個(gè)結(jié)構(gòu)在主要尺寸重合位置的視圖，表明了臂的各個(gè)部分的變化趨勢(shì)（單位為毫米）
表3鋼平臺(tái)和復(fù)合平臺(tái)臂架的重量
機(jī)器
臂重量[kg]
設(shè)備重量[kg]
總重量[kg]
鋼平臺(tái)
632
160
792
復(fù)合平臺(tái)
170
180
350
百分比變化
?73 %
+12 %
?56 %
最后進(jìn)行的分析計(jì)算了臂的固有振動(dòng)模式，圖10中示出了JIB臂的前四種振動(dòng)模式。
2.7 結(jié)構(gòu)的最終面貌
最終的結(jié)構(gòu)由四個(gè)可閉合的復(fù)合臂和四個(gè)可伸縮的鋼臂組成，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11。同時(shí)為了最小化高度，鋼和復(fù)合臂以交錯(cuò)的方式連接。
圖12中顯示了結(jié)構(gòu)的主要尺寸，包括復(fù)合材料臂的截面尺寸。
此外所有進(jìn)行的分析表明，由于材料變化（碳纖維的密度比鋼的密度低5倍），重量會(huì)減少很多;雖然結(jié)構(gòu)設(shè)備的重量反而會(huì)增加，但在整體范圍內(nèi)，總重量會(huì)明顯減輕，正如表3中的JIB所報(bào)告的那樣。此外重復(fù)處理復(fù)合材料中其他三個(gè)臂的數(shù)值，其重量減少量與JIB中的百分比會(huì)完全相同，達(dá)到50％。
關(guān)于成本，可以比較復(fù)合材料臂和其等同重量鋼材之間的材料成本。
用低模量碳纖維（STS纖維）和環(huán)氧基體制成的薄板的成本約為35歐元/平方米，而高強(qiáng)度鋼（屈服應(yīng)力約為1300兆帕）的成本為4歐元/千克;但是考慮到厚度（0.63 mm）和密度（1,530 kg / m3）是可以算入每公斤材料成本的，所以最后其成本為34歐元，因此復(fù)合材料的總材料成本如表4所示。
機(jī)器的總成本其實(shí)還包括很多其他因素，例如模具成本和制造產(chǎn)品的數(shù)量，但這些因素目前不可計(jì)算。
3 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)全新的平臺(tái)概念，研究了使用復(fù)合材料替代鋼臂的可能性，在進(jìn)行了一系列的新型設(shè)計(jì)，分析了各種材料給出的可能性后，最后選擇了長(zhǎng)纖維復(fù)合材料。
表4復(fù)合平臺(tái)和鋼平臺(tái)JIB的材料成本
手臂成本[€]
設(shè)備成本[€]
總費(fèi)用[€]
鋼平臺(tái)
2530
640
3170
復(fù)合平臺(tái)
5780
720
6500
這使得它能夠應(yīng)用于非常高大的平臺(tái)（例如尺寸變得越來(lái)越大的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)），而如果用鋼鐵材料的話這些平臺(tái)將不能在道路上使用和駕駛。雖然現(xiàn)在仍然存在一些與使用復(fù)合材料有關(guān)的問(wèn)題，例如疲勞和局部屈曲以及與環(huán)境的相互作用，還有成本，與鋼鐵相比，成本明顯增加了，但是如果與不能在道路上行駛相比，優(yōu)勢(shì)還是大于劣勢(shì)的。
中期匯報(bào)表
學(xué)生姓名
XX
專(zhuān) 業(yè)
XX
學(xué) 號(hào)
XX
設(shè)計(jì)（論文）題目
剪叉式物流液壓升降臺(tái)的設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）前期工作小結(jié)
論文撰寫(xiě)到現(xiàn)在，根據(jù)老師的任務(wù)書(shū)和我的開(kāi)題報(bào)告，同時(shí)吸取前人的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，我已經(jīng)完成了對(duì)剪叉式升降臺(tái)位置參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)的分析計(jì)算，也完成了對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的分析，并最終選擇液壓缸為雙活塞桿液壓缸。在圖紙上，我已經(jīng)初步完成了液壓系統(tǒng)圖和一些零件圖的簡(jiǎn)單繪制。在之后的幾個(gè)周，我還要完成對(duì)臺(tái)板和叉桿的設(shè)計(jì)計(jì)算，確定它們的材質(zhì)結(jié)構(gòu)。還要完成相關(guān)的零件圖紙的繪制和修改，并完成最終的裝配圖。另外也要對(duì)整篇論文作進(jìn)一步的修改，尤其是計(jì)算方面，要對(duì)它們作進(jìn)一步的分析研究。
指導(dǎo)教師意見(jiàn)
該生畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度符合畢業(yè)任務(wù)書(shū)要求，應(yīng)能按時(shí)按量完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。
簽名：
2018年 4月 20日
中期情況檢查表
學(xué)院名稱(chēng)： 機(jī)電工程學(xué)院 檢查日期： 2018年 4月 25 日
學(xué)生姓名
XX
專(zhuān) 業(yè)
XX
指導(dǎo)教師
XX
設(shè)計(jì)（論文）題目
剪叉式物流液壓升降臺(tái)的設(shè)計(jì)
工作進(jìn)度情況
完成了對(duì)剪叉式升降臺(tái)位置參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)的分析計(jì)算，也完成了對(duì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的分析，并最終選擇液壓缸為雙活塞桿液壓缸。在圖紙上，我已經(jīng)初步完成了液壓系統(tǒng)圖和一些零件圖的簡(jiǎn)單繪制。
是否符合任務(wù)書(shū)要求進(jìn)度
是
能否按期完成任務(wù)
能
工作態(tài)度情況
(態(tài)度、紀(jì)律、出勤、主動(dòng)接受指導(dǎo)等)
態(tài)度認(rèn)真，按時(shí)出勤，能夠積極主動(dòng)的自主設(shè)計(jì)，不明白的也會(huì)主動(dòng)詢問(wèn)老師
質(zhì)量
評(píng)價(jià)
(針對(duì)已完成的部分)
計(jì)算部分符合設(shè)計(jì)要求，圖紙基本可以表達(dá)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
存在問(wèn)題和解決辦法
說(shuō)明書(shū)語(yǔ)言不夠嚴(yán)謹(jǐn)，圖紙圖線標(biāo)注部分略有不標(biāo)準(zhǔn)的地方，后期根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行改正
檢查人簽名
教學(xué)院長(zhǎng)簽名
論文答辯 Scissor typeLogisticsHydraulicLiftPlatformDesign姓名XX班級(jí)XX學(xué)號(hào)XX指導(dǎo)老師XX XX 剪叉式物流液壓升降臺(tái)的設(shè)計(jì) 背景和意義 背景 剪叉式物流液壓升降臺(tái)的應(yīng)用場(chǎng)合十分廣泛 可以用在搬運(yùn) 舉升 裝卸等物流作業(yè) 意義 根據(jù)我國(guó)具體的實(shí)際情況 更好的解決現(xiàn)有升降臺(tái)的一些問(wèn)題 讓升降臺(tái)變的更有效率 升降臺(tái)結(jié)構(gòu)分析 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 臺(tái)板與叉桿設(shè)計(jì) 01 02 03 研究?jī)?nèi)容 升降臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)分析 本設(shè)計(jì)采用雙鉸接剪叉式結(jié)構(gòu) 而且我們把液壓缸放置在左側(cè) 因?yàn)椴捎秒p鉸接剪叉式結(jié)構(gòu) 平臺(tái)的行程會(huì)比較大 是液壓缸行程的兩倍以上 至于把液壓缸放在左面 因?yàn)楫?dāng)平臺(tái)相同載重時(shí) 放在右側(cè)活塞推力較小 但活塞桿行程大 速度快 所以當(dāng)載荷不大時(shí) 可以放在左側(cè) 因?yàn)檫@可以縮短液壓缸伸長(zhǎng)長(zhǎng)度 減少材料浪費(fèi) 減少液壓缸和活塞部分的彎曲應(yīng)力 當(dāng)然可以采用雙級(jí)桿來(lái)加速 液壓缸放置在左側(cè)圖 采用雙級(jí)桿圖 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 采用雙活塞桿液壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng) 因?yàn)殡p活塞桿液壓缸兩端活塞桿直徑相等 所以左右兩腔有效面積相等 所以當(dāng)輸入相同的壓力和流量時(shí) 它左右兩個(gè)方向上輸出的推力和速度相等 此外 工作臺(tái)的移動(dòng)范圍等于活塞有效行程的三倍 至于說(shuō)傳動(dòng)原理簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)我們是通過(guò)活塞桿的移出或收回來(lái)實(shí)現(xiàn)起落臺(tái)的升降的 當(dāng)液壓缸工作時(shí) 它上腔排油使得活塞桿伸出來(lái)推動(dòng)鋼架上的滾輪向中心移動(dòng) 從而使起落臺(tái)上升 反之其下腔排油時(shí) 活塞桿縮回 滾輪向外移動(dòng) 起落臺(tái)下降 臺(tái)板與叉桿設(shè)計(jì) 最終本文根據(jù)在論文中假設(shè)的實(shí)例設(shè)計(jì)臺(tái)板長(zhǎng)是2550mm 寬是1600mm 至于其材料我們選擇45號(hào)鋼 熱軋鋼板 叉桿材料也選擇45號(hào)鋼 熱軋鋼板 致謝這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)從開(kāi)始選題 到具體要研究的內(nèi)容和所需解決的問(wèn)題 再到研究方法和技術(shù)路線確定 最后到完成這篇論文的整個(gè)過(guò)程中都離不開(kāi)田晶老師對(duì)我孜孜不倦的教誨和幫助 在此謹(jǐn)向尊敬的田晶老師表達(dá)我最真誠(chéng)的謝意 THANKYOU
剪叉式物流液壓升降臺(tái)的設(shè)計(jì)
SCISSOR-TYPE LOGISTICS HYDRAULIC LIFT PLATFORM DESIGN
摘要
當(dāng)人們進(jìn)入到 21 世紀(jì)，隨著民航、汽車(chē)、交通、冶金、制造等領(lǐng)域的發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域的維修行業(yè)也隨之蓬勃成長(zhǎng)，對(duì)于各種升降臺(tái)的要求也變得越來(lái)越高。而剪叉式升降臺(tái)由于具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，承載力大，操縱方便等特點(diǎn)，因此受到了人們的廣泛歡迎，其銷(xiāo)量也是逐年增加。所以本文設(shè)計(jì)了剪叉式物流液壓升降臺(tái)。
然而，當(dāng)前針對(duì)剪叉式液壓升降臺(tái)，特別是其起升機(jī)構(gòu)的學(xué)說(shuō)人們還沒(méi)能總結(jié)出一整套完整的要領(lǐng)，這使得設(shè)計(jì)人員只能依靠經(jīng)驗(yàn)去進(jìn)行設(shè)計(jì)。而這在很大程度上限制了升降機(jī)的發(fā)展。除此之外，人們對(duì)于剪叉式液壓升降機(jī)的安全要求也越來(lái)越高，而且現(xiàn)在升降臺(tái)的安全保證措施的范圍也涉及的很廣，包括升降機(jī)運(yùn)用前的籌備，提升時(shí)要當(dāng)心的東西， 在惡劣環(huán)境下作業(yè)的情況如何，能否穩(wěn)定的承載等等。
本文設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)主要采用泵傳動(dòng)和液壓缸傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)升降機(jī)的上升和下降工作， 而整個(gè)的液壓系統(tǒng)油路圖則由各種控制回路和液壓源構(gòu)成，此外設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也要盡可能的簡(jiǎn)單。除此以外，為了能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行必要的檢測(cè)，可以在回路中安裝一些檢測(cè)元件。
關(guān)鍵詞 液壓；剪叉式；升降機(jī)
II
Abstract
After entering the 21st century, the design requirements of the lifting platforms are getting higher and higher for the developing of civil aviation, automobile, transportation, metallurgy, manufacturing and their maintenance industries. Because of its smooth operation, large bearing capacity and convenient manipulation, the shear-fork lift platform has been widely welcomed by people, and its sales volume is increasing year by year. Therefore, this paper designed a shearing fork type logistics hydraulic lift platform.
However, the current doctrine for scissor lifts, especially their hoisting mechanisms, has not yet been able to summarize a complete set of essentials, which allows designers to rely on experience to design. This greatly limits the development of lifts. In addition, the safety requirements for scissor-type hydraulic lifts are getting higher and higher, and the scope of safety assurance measures for lift platforms is also very broad, including the preparations for the use of lifts, and care must be taken when upgrading, what is the situation in the harsh environment, whether it can be carried steadily, etc.
The hydraulic system designed in this paper mainly uses pump transmission and hydraulic cylinder transmission to achieve the lifting and lowering of the elevator. The hydraulic system diagram of the entire hydraulic system is composed of various control loops and hydraulic sources. In addition, the structure of the system during design is also exhausted. It may be simple. In addition, in order to be able to carry out the necessary tests on the system, some detection elements can be installed in the circuit.
Keywords hydraulic scissor type elevator
目 錄
摘要............................................................................................................................................... Ⅰ
Abstract........................................................................................................................................ Ⅱ
IV
1 緒論 1
1.1 升降臺(tái)的簡(jiǎn)介 1
1.2 升降機(jī)的研究現(xiàn)狀 1
1.2.1 升降機(jī)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 升降機(jī)的國(guó)外研究現(xiàn)狀 2
1.3 升降機(jī)的安全保障措施 2
1.3.1 設(shè)計(jì)制作的安全保障 2
1.3.2 使用維護(hù)方面的安全保障 2
2 剪叉式升降臺(tái)的分析 4
2.1 剪叉式升降臺(tái)的結(jié)構(gòu) 4
2.2 升降臺(tái)位置參數(shù)計(jì)算 5
2.3 升降臺(tái)動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 6
2.4 升降平臺(tái)機(jī)構(gòu)的注意點(diǎn) 7
2.5 一些針對(duì)性實(shí)例 8
2.6 升降臺(tái)的液壓缸放置 10
2.6.1 兩種放置方法的分析和比較 10
2.6.2 兩種放置方法的驗(yàn)證計(jì)算 13
3 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16
3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)劃方案 16
3.2 液壓系統(tǒng)基本設(shè)計(jì) 16
3.2.1 液壓執(zhí)行元件 16
3.2.2 液壓缸的選擇 17
3.2.3 液壓缸的安裝 17
3.2.4 缸體和缸蓋的連接 17
3.2.5 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)回路 17
3.2.6 液壓源系統(tǒng) 17
3.3 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 18
3.3.1 載荷的分析計(jì)算 18
3.3.2 選擇系統(tǒng)的工作壓力 20
3.3.3 液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸 20
3.3.4 液壓泵的參數(shù) 22
3.3.5 系統(tǒng)管道 23
3.3.6 油箱的容量 24
3.4 液壓缸零件的材料結(jié)構(gòu)和技術(shù) 24
3.4.1 缸體 24
3.4.2 活塞 24
3.4.3 活塞桿 25
3.4.4 液壓缸的排氣裝置 26
3.4.5 液壓缸的連接計(jì)算 26
3.4.6 液壓系統(tǒng)原理圖 26
4 臺(tái)板與叉桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 29
4.1 叉桿的結(jié)構(gòu)材料及尺寸 29
4.2 橫軸的選取 33
結(jié)論 35
致謝 36
參考文獻(xiàn) 37
1 緒論
現(xiàn)在剪叉式升降臺(tái)重點(diǎn)是用在搬運(yùn)、舉升、裝卸等物流作業(yè)，因此它的應(yīng)用場(chǎng)合十分的廣泛，例如倉(cāng)庫(kù)、車(chē)站、機(jī)場(chǎng)、碼頭、廠房等等。另外升降臺(tái)的歷史也是十分的悠久， 下面就從升降臺(tái)的出現(xiàn)、成長(zhǎng)以及安全等方向作一下簡(jiǎn)介。
1.1 升降臺(tái)的簡(jiǎn)介
人們對(duì)筆直輸送的要求其實(shí)與人的文化同樣長(zhǎng)遠(yuǎn)，早前的起落臺(tái)是通過(guò)運(yùn)用水力、人力和畜力來(lái)運(yùn)輸。這樣一直到產(chǎn)業(yè)革命，起落臺(tái)一向都是用這些動(dòng)力方法。至于說(shuō)當(dāng)代的起落臺(tái)則是蒸汽機(jī)被創(chuàng)造出來(lái)后的產(chǎn)品。
剪叉式升降臺(tái)可根據(jù)其運(yùn)動(dòng)分成牽引式、固定式和自推進(jìn)式。如果升降臺(tái)的升降部位采取剪叉機(jī)構(gòu)，那么在將重物舉起后，可以保證其具有高穩(wěn)定性、較強(qiáng)的承接能力和寬廣的工作平臺(tái)。而且由于它具有較大的工作范圍，所以可以支撐許多人同時(shí)工作，而這大大提高了工作效率。
剪叉式起落臺(tái)現(xiàn)在發(fā)展的非常靈活，它不僅可以移動(dòng)，而且每當(dāng)施工條件變化時(shí)，它的驅(qū)動(dòng)方式也可以進(jìn)行手動(dòng)變化。此外由于它擁有手動(dòng)控制設(shè)置，這使得它能夠在停電時(shí)照常進(jìn)行作業(yè)。
具體而言，剪叉式升降臺(tái)擁有以下幾個(gè)特征：
（1）升降平臺(tái)垂直上下移動(dòng)，此外，還可加裝伸縮平臺(tái)，在平臺(tái)高度不夠時(shí)延伸至所需位置。
（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，平臺(tái)的承載能力強(qiáng)大，操作方便。
（3）升降平臺(tái)的制造成本低，制造簡(jiǎn)單。
（4）易于維修且安裝十分的方便。
有人說(shuō)，對(duì)于物流行業(yè)和其他需要高空連續(xù)作業(yè)的企業(yè)來(lái)說(shuō)，升降機(jī)是一項(xiàng)重要的投資，因?yàn)樗兄捌渲匾挠锰?，更有甚者能直接影響公司業(yè)務(wù)的興衰。
1.2 升降機(jī)的研究現(xiàn)狀
1.2.1 升降機(jī)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
目前，本國(guó)的剪叉式升降臺(tái)大都是基于仿照，就是照著別人的樣品來(lái)設(shè)計(jì)出產(chǎn)自己的升降機(jī)。我們的公司基本上都沒(méi)有自己的最新設(shè)計(jì)理念，因此對(duì)于如何改善升降平臺(tái)至今在行業(yè)內(nèi)還沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。在設(shè)計(jì)起落平臺(tái)時(shí)，設(shè)計(jì)師們經(jīng)常采用的是拉深或類(lèi)推這種最傳統(tǒng)的方式。計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)中也沒(méi)有得到充分的利用，基本上僅僅是作為繪制二維地圖的輔助工具。這樣我們的設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)工時(shí)比外國(guó)長(zhǎng)，但設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品卻沒(méi)有別人好， 我們的產(chǎn)品機(jī)械性能比較低，重量比較重，成本還高。當(dāng)然隨著我國(guó)國(guó)內(nèi)升降臺(tái)的需求的增加，人們對(duì)其也是更加重視。目前在市面上，剪叉式升降臺(tái)的升起高度主要在 4m 到 18m
9
之間，負(fù)載也在 300kg 到 1000kg 之間[1]。
1.2.2 升降機(jī)的國(guó)外研究現(xiàn)狀
目前國(guó)外的科研人員專(zhuān)家學(xué)者主要都在研究剪叉式升降臺(tái)的構(gòu)造創(chuàng)新。根據(jù)剪叉式升降機(jī)的特征，哈希姆提出了剪叉臂平行并聯(lián)的構(gòu)造。因?yàn)橐郧暗纳蹬_(tái)的串聯(lián)連接會(huì)限定作業(yè)面積的增長(zhǎng)，而并聯(lián)連接的話，首先它的作業(yè)面積會(huì)變大，其次它的安穩(wěn)特性也會(huì)得到加強(qiáng)。此外 C. Gantes 針對(duì)雙層剪叉臂舉升組織設(shè)計(jì)出了一個(gè)全新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范。這個(gè)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)會(huì)大大優(yōu)化目前的計(jì)算系統(tǒng)[2]。
1.3 升降機(jī)的安全保障措施
今天人們對(duì)于生命是越來(lái)越重視，也因此在高危工作區(qū)域工作的人們的安全受到了人們的廣泛關(guān)注。剪叉式液壓升降臺(tái)也不例外，因?yàn)楫?dāng)升降臺(tái)上升時(shí)，有人需要在他的下方工作，而且升降臺(tái)上面的人的安全也需要得到保障。而我們目前的起落臺(tái)的機(jī)械機(jī)構(gòu)一般都由臂架，底盤(pán)和工作臺(tái)三部分構(gòu)成。那么如何在制造各部分的時(shí)候保證它們的質(zhì)量成為了我們目前首要的問(wèn)題。當(dāng)然，日常使用時(shí)也要注意它們的維護(hù)保養(yǎng)，畢竟現(xiàn)在的大部分安全事故都不是質(zhì)量問(wèn)題造成的，而是因?yàn)槭褂貌灰?guī)范造成的。
1.3.1 設(shè)計(jì)制作的安全保障
底盤(pán)方面的安全主要是要保證底盤(pán)本身要有充足的剛度和強(qiáng)度。此外底盤(pán)的下滾輪的計(jì)算行程要比它的實(shí)際行程多 10cm，還有就是底盤(pán)下滾輪的限位和端板的距離要保持好。臂架的安全除了保障它本身的剛度和強(qiáng)度外，還要保證它的活動(dòng)范圍，另外在壁板上要安裝足夠的定位孔。工作臺(tái)的安全除了它本身的材料問(wèn)題外，還要設(shè)置防翻板，安全邊，滾輪軌道，鉸耳，面板等。當(dāng)然除了這些之外，還有一些升降機(jī)普遍的安全措施需要注意：
（1）無(wú)論是在上升還是下降過(guò)程中，升降機(jī)都要能承受的起過(guò)載試驗(yàn)，一般為超載
25%，而此時(shí)其部件不可有任何永久的扭曲和破損。
（2）所有的主控機(jī)構(gòu)都要上雙保障，即所有的主控機(jī)構(gòu)都要按兩個(gè)按鈕才能運(yùn)行。
（3）要保證在升降臺(tái)的某個(gè)零件損壞時(shí)，不會(huì)影響到整個(gè)升降臺(tái)的上升或下降，以免造成升降機(jī)下墜。
（4）所有的繩索，鏈條都要有足夠的強(qiáng)度，以防止斷裂。
（5）升降臺(tái)要有安全防墜系統(tǒng)，以防止系統(tǒng)損壞后升降機(jī)墜落。
（6）電氣系統(tǒng)的安全也要保證，比如用來(lái)驅(qū)動(dòng)油泵的電動(dòng)機(jī)，要用斷路開(kāi)關(guān)，限位開(kāi)關(guān)，熱繼電器串聯(lián)來(lái)保護(hù)[3]。
1.3.2 使用維護(hù)方面的安全保障
近年來(lái)由于我國(guó)的剪叉式液壓升降臺(tái)的使用管理的不到位，比如忽視安全要求，超載使用，導(dǎo)致了全國(guó)各地已經(jīng)有多起升降臺(tái)的安全事故發(fā)生，為此，我們一定要重視升降臺(tái)
的安全問(wèn)題。所以當(dāng)我們購(gòu)買(mǎi)了安全的剪叉式液壓升降臺(tái)后，我們要去仔細(xì)閱讀說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)安全注意事項(xiàng)并去落實(shí)執(zhí)行。這樣在操作升降臺(tái)時(shí)，我們的人身安全才有保障。下面是幾條注意事項(xiàng)需要我們?nèi)ダ斡洝?
（1）首先，我們應(yīng)該購(gòu)買(mǎi)質(zhì)量?jī)?yōu)異的升降臺(tái)，同時(shí)，在購(gòu)買(mǎi)的時(shí)候要注意對(duì)方的證件是否齊全，不要買(mǎi)到假貨。
（2）其次，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有升降臺(tái)有損壞是，要及時(shí)找正規(guī)廠家報(bào)修，以免使用損壞的升降臺(tái)而導(dǎo)致出現(xiàn)人員傷亡。
（3）每個(gè)升降臺(tái)都有其額定載荷，所以在裝載時(shí)不得超載，同時(shí)還要注意一種情況， 就是不得出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，就是總體上重量沒(méi)有超過(guò)，但是某一條舉升臂的負(fù)重量超過(guò)了。
（4）當(dāng)剪叉式液壓上講臺(tái)使用時(shí)，升降臺(tái)上面的人員和周?chē)藛T要注意安全，無(wú)關(guān)人員要遠(yuǎn)離，以免出現(xiàn)誤傷。
（5）安置和駕駛升降臺(tái)都要有專(zhuān)業(yè)人員來(lái)操作。
（6）升降臺(tái)下降前，要把升降臺(tái)下面的器材及其它裝備全部拿走，同時(shí)還必需打開(kāi)鎖緊設(shè)置。
總而言之，安全問(wèn)題不容小覷，我們要時(shí)刻注意到這點(diǎn)。否則等到出現(xiàn)人員傷亡時(shí)， 則悔之晚矣。
2 剪叉式升降臺(tái)的分析
2.1 剪叉式升降臺(tái)的結(jié)構(gòu)
本章主要是研究剪叉式起落平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)特性，并探討設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題，還有就是講述一下剪叉式升降平臺(tái)的構(gòu)造和運(yùn)用。眾所周知，液壓起降平臺(tái)是把人或貨品提升到相對(duì)高度的提升裝置，主要用來(lái)人的爬升下降和垂直輸送物品。根據(jù)升降機(jī)構(gòu)的類(lèi)型，起落臺(tái)可分為
4 種。即剪叉式起落平臺(tái)、桁架式起落平臺(tái)、多級(jí)液壓缸垂直起落平臺(tái)和懸臂起落平臺(tái)。然而由于剪叉式升降臺(tái)擁有使用方便等優(yōu)異特性，因而在現(xiàn)實(shí)生活中擁有了廣泛的運(yùn)用。
剪叉式升降機(jī)擁有著多種配置，不管是從低的地方起升還是從高的地方起升，也不管它的剪叉臂有多少，由何種液壓缸來(lái)提升動(dòng)力。它主要由底盤(pán)，臂架和承載平臺(tái)構(gòu)成。當(dāng)然由于我們?cè)O(shè)計(jì)的剪叉式升降臺(tái)是在家庭中使用，所以只需要設(shè)計(jì)小型的即可。因此在設(shè)計(jì)氣液剪叉式起落平臺(tái)時(shí)，我們通常會(huì)考以下方法，如 2-1 所示：
（a）直立固定剪叉式 （b）水平固定剪叉式 （c）雙鉸接剪叉式
圖 2-1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
上面顯示的是氣液剪叉式起落臺(tái)的三種構(gòu)造。在兩個(gè)桿的中點(diǎn) E 上鉸接等長(zhǎng)的兩個(gè)支撐桿 AB 和 MN。其中 AB 桿的 A 端接于機(jī)架上，B 端接在滾輪上面。而 MN 桿的 M 端與平板相連，N 端與滾輪相連。另外 B 端和 N 端是可以分別在上平板和機(jī)架的導(dǎo)向槽內(nèi)移動(dòng)。至于說(shuō)它們的區(qū)別在于液壓缸安裝的地方不一樣。
a 中的驅(qū)動(dòng)元件液壓缸的下部牢固的安裝在架子上，而上面的活塞桿的球頭則裝在上平板的球窩中。液壓缸則通過(guò)驅(qū)動(dòng)活塞桿向上運(yùn)動(dòng)使上平板直線起落。
b 中的臥式液壓缸的活塞桿在 N 端處與 MN 桿連接。而活塞桿通過(guò)液壓缸提供的動(dòng)力來(lái)使平臺(tái)垂直起降。
c 中的液壓缸的尾部在 G 處與機(jī)架相連，而活塞桿的頭部則在 F 處與撐桿 AB 連接?；钊麠U通過(guò)液壓缸提供的動(dòng)力來(lái)使平臺(tái)垂直起落。
上面的三副圖由于液壓缸的安裝方法不同，我們把圖 a 叫做固定直立式剪叉式機(jī)構(gòu)， 把圖 b 叫做固定水平剪叉式，把圖 c 叫做雙鉸接剪叉式機(jī)構(gòu)。
其中固定直立剪叉機(jī)構(gòu)可以舉起的物體重量多，本身體積也大，比較安全平穩(wěn)，但是由于其體積太大，而且安裝不便，所以我們不選。
固定水平剪叉式，由于活塞桿將會(huì)受到橫向力的作用，從而影響零件的使用壽命。所
以在日常生活中人們對(duì)其使用的也很少。
而雙鉸接剪叉式機(jī)構(gòu)就沒(méi)有以上的不好之處。首先它本身?yè)碛羞m合的結(jié)構(gòu)，而且上面的平臺(tái)的起落距離是液壓缸行程的兩倍之多。所以，在生活中得到廣泛的使用。而本文選擇雙鉸接剪叉式機(jī)構(gòu)。
2.2 升降臺(tái)位置參數(shù)運(yùn)算
圖 2-2 為位置參數(shù)示意圖[4]：
圖 2-2 位置參數(shù)示意圖
H = CL sin b =
L
CL(1- cos2 b)1/ 2
l
（2-1）
cos b=
式中： H - -任意位置升降平臺(tái)的高度C - -任意位置時(shí)F到G的間隔L - -支撐桿的長(zhǎng)度；
l - -固定點(diǎn)A到F的間隔；
(T 2 + C 2 - l 2 ) 2TC
（2-2）
T - -機(jī)架長(zhǎng)度（A到G點(diǎn)的距離）；
b- -活塞桿與水平線的夾角。
將（2-2）中的公式用到（2-1）中的公式之中，并歸納得到
H = L C l
[l - (
T 2 + C 2 - l 2
2TC
)2 ]1/ 2
(2-3)
設(shè)l= C / C0 ,q= H / H0 代入（2-3）式得
qH 0 = L
T 2 + (lC )2 - l 2
0
1/ 2
lC0
[l - (
l
0
2TlC0
)2]
(2-4)
在（2-4）式中: H 0 - -升降平臺(tái)的初始高度；
C0 - -液壓缸的初始長(zhǎng)度。
圖 2-3 是起落臺(tái)的參數(shù)運(yùn)算圖：
圖 2-3 運(yùn)動(dòng)參數(shù)示意圖
圖中，VF 代表了 F 點(diǎn)的絕對(duì)速度；VB 代表了 B 點(diǎn)的絕對(duì)速度；w1 則代表了支撐桿 AB
的速度；
此外V1 是活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)的均勻相對(duì)速度；V2 是升降平臺(tái)的起落速度。另外由圖 3 可以得到：
VF = w1l,
V1 = VF sin(a+ b) = w1l sin(a+ b),
（2-5）
（2-6）
VB = w1L =
V1L ,
l sin(a+ b)
（2-7）
V2 = VB
cosa=
V1L cosa ,
l sin(a+ b)
（2-8）
V2 =
V1
L cosa 。
l sin(a+ b)
（2-9）
在公式中：V1 - -活塞相對(duì)平均運(yùn)動(dòng)速度
V2 - -升降平臺(tái)升降速度；
a- -支撐桿與水平線的夾角。
2.3 升降臺(tái)動(dòng)力參數(shù)運(yùn)算
圖 2-4 是起落臺(tái)動(dòng)力參數(shù)圖，其中 P 點(diǎn)表示的是在活塞桿上由液壓缸產(chǎn)生的推力。Q 則代表了起落臺(tái)所經(jīng)受的重力載荷。最后進(jìn)行分析并對(duì)此進(jìn)行計(jì)算可以得出：
圖 2-4 動(dòng)力參數(shù)示意圖
升降平臺(tái)上升時(shí)
P = Q
[ L cosa+ b + fb tana+ ( cosa+
?
f sina
)(
L cosa- b + fb tana-
b )]
l sin(a+ b) 2
2 2 cosa- f sina
cosa （2-10）
升降平臺(tái)下降時(shí)
P = Q
[ L cosa+ b + fb tana+ ( cosa+
?
f sina
)(
L cosa- b + fb tana-
b )]（2-11）
l sin(a+ b) 2
2 2 cosa- f sina
cosa
式中： P - -液壓缸作用在活塞桿的推力；
Q - -升降平臺(tái)所承受的重力載荷
f - -滾動(dòng)摩擦系數(shù)；
b - -Q的作用線到M的水平距離。
因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)輪與導(dǎo)向槽之間是滾動(dòng)摩擦，所以為了讓運(yùn)算簡(jiǎn)化，可以對(duì)其忽視，所以
（2-10）、（2-11）式可以簡(jiǎn)化為：
2.4 升降平臺(tái)機(jī)構(gòu)的注意點(diǎn)
P = L cosa Q l sin(a+ b)
（2-12）
由前面的公式我們可以得到：當(dāng)a、b變大時(shí)，V2 /V1 值隨之變小；當(dāng)a、b變小時(shí)， P/Q 值隨之變大。此外，當(dāng)a、b變小，P/Q 變大，如果液壓缸行進(jìn)距離沒(méi)有變化，升降臺(tái)起落距離反而能變??；但是液壓缸的行程受力就會(huì)變大。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)要學(xué)會(huì)去全面考量起落行程和液壓缸受力兩個(gè)要素。另外，在起落距離和總體機(jī)構(gòu)大小都達(dá)到的條件下，挑選較大的a、b開(kāi)始的值會(huì)好一點(diǎn)。此外，在全部結(jié)構(gòu)中，AB 桿是首要受力構(gòu)件， 遭受最大彎矩，所以我們要對(duì)它的強(qiáng)度和硬度著重校驗(yàn)[5]。
通常來(lái)說(shuō)，我們使用單作用活塞缸，因?yàn)槭褂眠@種氣缸是最省錢(qián)的，而且它的泄漏量
很小，密封件的使用時(shí)間也很長(zhǎng)。但是在沒(méi)有負(fù)荷的情況下，運(yùn)用單作用活塞缸要確保上板的重量可以擋住液壓缸的活塞和氣缸之間密封時(shí)的阻力。不然的話，可能起落平臺(tái)會(huì)墜下去。
除此之外，我們還要進(jìn)行一些其他的設(shè)計(jì)，比如抗搖擺設(shè)計(jì)，抗腐蝕設(shè)計(jì)。在進(jìn)行抗搖擺設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以在起落平臺(tái)上安裝 4 個(gè)導(dǎo)向裝備，導(dǎo)向裝備可以沿導(dǎo)軌上下滑動(dòng)， 以防止平臺(tái)傾斜。在進(jìn)行抗腐蝕設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以在平面上進(jìn)行涂層防腐，在一些零件上如滾輪，可以進(jìn)行鍍層防腐。
另外還有幾點(diǎn)也要注意：
（1）升降機(jī)上面的平板降到最低位置時(shí)，要盡量接近地面，為此，我們可以在確保機(jī)構(gòu)本身的強(qiáng)度和硬度的條件下，降低起落臺(tái)平板的高度。
（2）要選擇合適的傳動(dòng)方法，比如機(jī)械傳動(dòng)。因?yàn)闄C(jī)械傳動(dòng)雖然價(jià)格比較貴，需要用到的能量也多，但是勝在安全。而現(xiàn)在都是安全第一。
（3）要挑選合適的絲繩，比如我們可以挑選高柔度的鋼絲繩。此外為了確保鋼絲繩的質(zhì)量，我們挑選的鋼絲繩的鋼絲數(shù)量要多，這樣它的質(zhì)量才更好。
2.5 一些針對(duì)性實(shí)例
例如在某個(gè)工作車(chē)間內(nèi)，需要一起落臺(tái)，對(duì)于這個(gè)起落臺(tái)的條件是它的起落距離要大于 620mm，它的高度要低于 300mm，其最強(qiáng)承受負(fù)荷為 50kg。
基于這個(gè)需求，我們選用柱塞缸式液壓缸去作為輸出動(dòng)力。液壓缸剛開(kāi)始時(shí)的長(zhǎng)度
C0 =595mm，最大運(yùn)動(dòng)距離 Smax =320mm。起落臺(tái)的結(jié)構(gòu)尺寸：起落臺(tái)的最低高度
H 0 =281mm，機(jī)架的尺寸長(zhǎng)度為 T=1200，支撐桿的尺寸長(zhǎng)度 L=1230.5mm。
我們根據(jù)那個(gè)工作車(chē)間的要求，同時(shí)根據(jù)上面我們給出的公式，各自針對(duì)雙鉸接剪叉式以及固定水平剪叉式這兩種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算。其結(jié)果如表 2-1、表 2-2 和統(tǒng)計(jì)圖所示。固定水平剪叉式結(jié)構(gòu)公式如下：
H = [L2 - (T - S )2 ]1/ 2 （2-13）
P = l + 2 fb 。
（2-14）
Q tana L cosa
其中， S - -在實(shí)際工作中液壓缸的行程，
T - -我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)架的長(zhǎng)短（A到G的間距）。滾動(dòng)摩擦不進(jìn)行計(jì)算。
具體數(shù)值參見(jiàn)表格。表 2-1 是雙鉸接剪叉式結(jié)構(gòu)，表 2-2 是水平固定剪叉式。
表 2-1 雙鉸接剪叉式結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果 mm
S
a/(°)
b/(°)
H
h
P / Q
h / S
0
13.18
14.20
281
0
4.08
40
19.67
19.83
414.8
133.8
2.85
3.35
80
24.83
23.46
517.6
236.6
2.34
2.96
續(xù)表 2-1
S
a/(°)
b/(°)
H
h
P / Q
h / S
120
29.38
26.05
604.7
323.7
2.04
2.70
160
33.59
27.96
681.8
400.8
1.82
2.51
200
37.56
29.93
751.3
470.3
1.66
2.35
240
41.39
30.45
814.9
533.9
1.52
2.22
280
45.11
31.21
873.2
592.2
1.40
2.12
320
48.77
31.74
926.8
645.8
1.29
2.02
表 2-2 水平固定剪叉式結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果 mm
S
a/(°)
H
h
P / Q
h / S
0
13.8
281
0
4.27
40
19.74
416.4
135.4
2.79
3.39
80
24.67
514.4
233.4
2.18
2.92
120
28.80
593.8
312.8
1.82
2.61
160
32.45
661.3
380.3
1.57
2.37
200
35.77
720.4
439.4
1.39
2.20
240
38.84
772.9
491.9
1.24
2.05
280
41.71
820.1
539.1
1.12
1.93
320
44.44
862.9
581.9
1.02
1.82
經(jīng)過(guò)計(jì)算，我們可以得出這樣的結(jié)論：在同樣的整體機(jī)構(gòu)大小、一樣的液壓缸前進(jìn)距離的條件下，在水平固定剪叉式機(jī)構(gòu)中，活塞桿上產(chǎn)生的最大推力 Pmax 要比在雙鉸接剪叉式機(jī)構(gòu)中的大；然而雙鉸接剪叉式機(jī)構(gòu)起落臺(tái)的最大前進(jìn)距離hmax 要比水平固定剪叉式機(jī)構(gòu)大。
另外因?yàn)槲覀兪褂昧穗p鉸接剪叉式機(jī)構(gòu)升降臺(tái)，所以我們并不要挖地坑，這樣給我們省下了不少錢(qián)，以后裝備維修也方便。
總而言之，氣液動(dòng)雙鉸接剪叉式機(jī)構(gòu)起落平臺(tái)全部尺寸比較小，維修方便，花錢(qián)較少, 但卻可以獲得缸體兩倍以上的功率,因此可以用在地方比較小，但工作行程大的場(chǎng)合。
下圖是兩種計(jì)算結(jié)果之比。其中曲線 1 是表 2-1 計(jì)算結(jié)果，曲線 2 是表 2-2 計(jì)算結(jié)果。
圖 2-5 兩種結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果對(duì)比
2.6 升降臺(tái)的液壓缸放置
如上所述，我們已經(jīng)簡(jiǎn)略闡述了雙鉸接剪叉式起落臺(tái)結(jié)構(gòu)和其他兩種結(jié)構(gòu)的不同之處以及它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)運(yùn)用中所存在的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，然而通過(guò)考量各個(gè)方面要求如雙鉸連接、支撐桿、起落臺(tái)等都不發(fā)生變動(dòng)的情形，是否可以將設(shè)計(jì)作更好的改善呢？
為了進(jìn)一步證實(shí)這個(gè)，我們可以討論將它的結(jié)構(gòu)方式改善，看能否得到更好的結(jié)果。先從直觀的角度進(jìn)行討論，如圖 2-6 所示：
桿2 桿1
圖 2-6 液壓缸工作示意圖
正如圖中所表達(dá)的那樣，液壓缸的末端鉸接在了右側(cè)支撐桿移動(dòng)的地方，而液壓缸的上部則是接在了支撐桿 1 的右方接近三分之二處，其中桿 1 和液壓缸進(jìn)行鉸連接。一般來(lái)說(shuō)，在現(xiàn)實(shí)生活中我們?cè)诓贾靡簤焊椎臅r(shí)候，經(jīng)常將它放置在右側(cè)，因?yàn)檫@樣的話，液壓缸的活塞的推進(jìn)力會(huì)小一點(diǎn)，而我們因而能夠選擇尺寸小一點(diǎn)的液壓缸，而這會(huì)讓液壓缸在機(jī)構(gòu)中的放置變的簡(jiǎn)單。但我們也可以嘗試一下另外一個(gè)和它相反的放置方法，就是把液壓缸放置在和它相反的左邊，即與剪叉機(jī)構(gòu)的固定支點(diǎn)在同一邊，對(duì)此我們?cè)賮?lái)探討一下。我們可以通過(guò)運(yùn)用瞬時(shí)速度中心法和虛位移原理，來(lái)計(jì)算出在使用這兩種放置方法的情況下，液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)速率與平臺(tái)起落速率的關(guān)聯(lián)式以及活塞的推進(jìn)力與平臺(tái)負(fù)荷的關(guān)聯(lián)式，然后就可以通過(guò)算出來(lái)的公式對(duì)這兩種放置方式進(jìn)行比較，得出它們各自的利弊點(diǎn)和運(yùn)用場(chǎng)所。最后可以根據(jù)升降臺(tái)剪叉機(jī)構(gòu)在現(xiàn)實(shí)中的例子對(duì)這兩種方式作最后的探討研究來(lái)得出合適的液壓缸的參數(shù)[6]。
2.6.1 兩種放置方法的分析和比較
在現(xiàn)實(shí)生活中，液壓缸在剪叉結(jié)構(gòu)中的放置要受到高度的束縛。根據(jù)相關(guān)資料，我們可以知道在這種放置方法的情況，如 2-7 圖所示：
圖 2-7 液壓缸布置在左側(cè)
19
液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)速度與平臺(tái)起落速度的關(guān)聯(lián)式
v =
活塞推進(jìn)力與平臺(tái)負(fù)荷的關(guān)聯(lián)式
P =
2l cosa vy
2l cosa W
（2-15）
式中：
a= sin -1
a sin(q+a) + l sin(q-a)
h ，q= tan -1[l + a tana]，g=
?
sin
-1 ( a
sin 2a) 。
（2-16）
2l l - a d
上面兩條公式的推理是建立在現(xiàn)實(shí)生活中常用的液壓缸放置方法的基礎(chǔ)上的，即液壓缸下面的支撐點(diǎn)與剪叉結(jié)構(gòu)的固定支撐點(diǎn)在相同的一面，就如上圖顯示的那樣。這個(gè)放置方法的好處是液壓缸的有效行進(jìn)距離會(huì)短一點(diǎn)，而這使得它在平臺(tái)行進(jìn)距離大的場(chǎng)合會(huì)較為好用。當(dāng)然也留有一些問(wèn)題那就是在剪叉結(jié)構(gòu)合攏后的高度 h 小一點(diǎn)的情形下（即a角?。?，液壓缸的推進(jìn)力的需求會(huì)大幅度增長(zhǎng)。但液壓缸的最大作業(yè)壓力是不變的，這讓液壓缸的直徑的尺寸只能相應(yīng)變大，結(jié)果在合攏后的剪叉結(jié)構(gòu)中很難放置；當(dāng)然也可以使用兩個(gè)尺寸小一點(diǎn)的液壓缸代替一個(gè)大尺寸的液壓缸，不過(guò)這會(huì)增添一些鋼鐵底座，同時(shí)增加了加工、裝配和液壓系統(tǒng)的繁瑣程度，成本也會(huì)上漲。
對(duì)于如何解決上面提出的疑問(wèn)，我們可以嘗試使用第一種設(shè)計(jì)方法，去運(yùn)算一下該方法的有關(guān)數(shù)據(jù)最后再拿兩者進(jìn)行比對(duì)。
如 2-8 圖所示：
圖 2-8 液壓缸布置在右側(cè)
在這里使用上面的瞬時(shí)速度中心法來(lái)算出活塞的活動(dòng)速率。其中桿 FD 上 D、A 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)瞬間中心為 F，D、A 的快慢為：
VD = 2wl VA = w(l + a)
式中：w為桿 FD 的角速度， l, a 分別是 BF 和 AB 長(zhǎng)。平臺(tái)起落速度：
（2-17）
（2-18）
A 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度：
vy = vD cosa= 2wl cosa
（2-19）
活塞運(yùn)動(dòng)速度：
v = (l + a)vy A 2l cosa
（2-20）
式中：
v = vA
cos b= (l + a) sin(q+a)
2l cosa
（2-21）
a= sin -1
h ，q= tan -1
2l
(l + a) sina
L - (l + a) cosa
其中，h 是起落臺(tái)上下臺(tái)板之間的距離，a是桿 FB 與臺(tái)板 FC 之間的夾角，b是液壓缸與臺(tái)板 FC 之間的夾角。
依據(jù)虛位移原理有：
由圖分析可得：
經(jīng)變分后：
S（Fixdxi + Fixdyi + Fixdzi ) = 0
- Pxdxp + PydyP -Wdyw = 0
Px = P cosa，Py = P sina
xP = (l + a) cosa, yP = (l + a) sina, yW
dxP = -(l + a) sinada
dyP = (l + a) cosada
= 2l sina
（2-22）
（2-23）
dyW
= 2l cosada
（2-25）
代入式（2-22），整理后得活塞推進(jìn)力：
P = 2l cosa W
(l + a) sin(q+a)
（2-26）
其中（2-21）與（2-26）的準(zhǔn)確我們能夠用機(jī)械能守恒原理來(lái)證實(shí)，即
vP = vyW
（2-28）
將公式（2-26）與公式（2-16）舉行對(duì)比，很明確當(dāng)l, a,q,a,W , vy 一樣的情況下，液壓缸放置在右邊的推進(jìn)力比放在液壓缸左邊時(shí)小一點(diǎn)；而對(duì)公式（2-21）和公式（2-15） 進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)覺(jué)液壓缸放在右邊的活塞的速度比液壓缸放在左邊時(shí)高。由此可知，活塞的推進(jìn)力和速度是成反比的。
所以如果液壓缸放置在剪叉結(jié)構(gòu)的右邊，這會(huì)讓液壓缸的活塞推進(jìn)力變小，同時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題是液壓缸的有用行進(jìn)距離會(huì)很長(zhǎng)，若平臺(tái)上升范疇較小，液壓缸有用行進(jìn)距離的增長(zhǎng)也同樣是很小的。
2.6.2 兩種放置方法的驗(yàn)證計(jì)算
經(jīng)過(guò)上面的分析運(yùn)算，我們可以再通過(guò)案例來(lái)舉行驗(yàn)證，案例的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖所示， 其中下面兩邊各自是兩種放置情形。
圖 2-9 案例結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
剪叉機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸：
h=400~1 200mm, l =2 000mm, a =535mm, e =770mm, f =3210mm.兩種放置方法主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果如下表所示：
表 2-3 兩種放置方法的主要參數(shù)
參數(shù) 放置在左面 放置在右面
桿FD傾角a
液壓缸傾角q
sin -1 h
2l
tan-1
(l + a) sina
sin -1 h
2l
tan-1
(l + a) sina
(l - a) cosa- e f - (l - a) cosa
起始角a0
5.739
5.739
起始角q0
20.236
20.236
起始活塞速度v0
0.185vy
0.279vy
起始活塞推進(jìn)力P0
5.42W
3.58W
終止角amax
17.458
17.458
終止角qmax
50.473
22.262
活塞有效行程L / mm
253
365
經(jīng)過(guò)我們對(duì)表中的數(shù)字進(jìn)行對(duì)比，液壓缸的放置方法對(duì)其運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和動(dòng)力數(shù)據(jù)產(chǎn)生很大的影響。當(dāng)起始角為a0 、q0 ，活塞的推進(jìn)力為 P0 。在平臺(tái)負(fù)荷 W 都一樣的情形下，液 壓缸放置在右邊的推進(jìn)力顯然小于放置在左邊的情形，兩者之間的比率為 0.66，另外液壓缸放置在右邊時(shí)活塞的有用行進(jìn)距離L 比放置在左邊增長(zhǎng)了112mm。如果負(fù)載不是很大（即負(fù)載小于 1.5 kN），那么可以思量在左邊放置，因?yàn)檫@會(huì)縮小液壓缸的伸長(zhǎng)尺寸。因?yàn)槿绻扉L(zhǎng)量過(guò)大的話，不但空耗原料，而且由于長(zhǎng)久遭受負(fù)荷能增加液壓缸及活塞部位的彎曲應(yīng)力。所以綜上所述，我們可以先考慮把液壓缸放置在左邊的方案。另外為了補(bǔ)償速度
的不夠和縮小起落臺(tái)的整個(gè)體積，我們可以商討使用兩級(jí)支撐桿一起提升平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)足夠速度的目標(biāo)。如圖 2-10 所示：
圖 2-10 機(jī)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)
其轉(zhuǎn)變進(jìn)程如 2-11 所示,把兩條支撐桿的右邊部位折疊到左邊，這樣變成四條尺寸短小的支撐桿，這樣我們的目的就到達(dá)了。當(dāng)然，在我們折疊的過(guò)程中，我們也要注意到鉸接的問(wèn)題。因?yàn)檫@樣折疊會(huì)要求支撐桿更高的強(qiáng)度和需要鉸接的更加的牢固。
圖 2-11 參數(shù)轉(zhuǎn)化過(guò)程
最后，我們必須計(jì)算這個(gè)計(jì)劃中使用到的液壓缸的數(shù)據(jù)，然后依照所獲得的數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)該計(jì)劃是否可以。
為了使起落臺(tái)的運(yùn)用規(guī)模廣闊，負(fù)載更有一般性。本次設(shè)計(jì)首先建立了一個(gè)汽車(chē)模型。其相關(guān)參數(shù)為：車(chē)輛重量 1.5T、寬度 1.42m、高度 1.4m、軸間距 2.4m。當(dāng)然為了安全，要求起落臺(tái)在所有高度工作時(shí)都要進(jìn)行自鎖。工作完成后，升降臺(tái)可以以相同的速度或緩慢的速度下降，當(dāng)然在空載時(shí)可以快速降落。我們將在下邊繼續(xù)探索。
另外因?yàn)榫S修人員要在起落臺(tái)的底部進(jìn)行修理，為了保證他們的安全，我們要注意起落臺(tái)的起落距離，給維修人員一個(gè)站立的空間。對(duì)此我們可以選用兩座升降機(jī)一起提升， 并使用共同的踏板來(lái)滿足需要。但這種布置要 2 個(gè)液壓缸和 16 個(gè)支撐桿。所以考慮到它的安全性，我們假設(shè)它的總體裝載量一共是W總 = 2t ′1000 ′ 9.8 = 19600N ，那么均勻下來(lái)一
個(gè)起落臺(tái)的裝載量為W = W總 / 2 = 9800N 。因?yàn)檫@樣均勻下來(lái)一個(gè)液壓缸承擔(dān)的平臺(tái)負(fù)荷
為 9800N，所以采取左邊放置液壓缸是合適的[7]。
3 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)劃方案
眾所周知，傳動(dòng)系統(tǒng)要讓升降臺(tái)能夠進(jìn)行平穩(wěn)的運(yùn)行、停留以及當(dāng)出現(xiàn)過(guò)載時(shí)能夠保護(hù)人員的安全。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)要能夠明白產(chǎn)品的要求然后去進(jìn)行設(shè)計(jì)，下面列出一些本文的基本設(shè)計(jì)要求[8]：
（1）總體情況：我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要是需要滿足提升小型設(shè)備的動(dòng)力需求，此外要方便維修，體積也要小一點(diǎn)。
（2）設(shè)計(jì)時(shí)要考慮它的傳動(dòng)速度，不能太快，另外要考慮它的沖擊力。
（3）我們?cè)O(shè)計(jì)的是載重為 2 噸的升降臺(tái)，提升高度為 2 米；
（4）平臺(tái)在運(yùn)行時(shí)不能出現(xiàn)傾斜或搖晃；
（5）為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的安全可靠，我們對(duì)其實(shí)行人工控制；
（6）我們?cè)O(shè)計(jì)的平臺(tái)的作業(yè)環(huán)境是在平整的室內(nèi)和室外，不能在沙地或者高低不平的地方工作；
（7）價(jià)格便宜，移動(dòng)方便；
3.2 液壓系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)
3.2.1 液壓執(zhí)行元件
現(xiàn)在市場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)升降臺(tái)的上升下降基本都是靠液壓缸和液壓泵來(lái)一起提供動(dòng)力。但是這兩者還是有差別的，下面作一些簡(jiǎn)單舉例：
表 3-1 液壓執(zhí)行元件特點(diǎn)
名字 結(jié)構(gòu) 使用說(shuō)明
單作用液壓缸 不對(duì)稱(chēng) 單向運(yùn)動(dòng)，反向要靠外力
雙活塞桿液壓缸 雙向運(yùn)動(dòng)
頭部或尾部
兩活塞同時(shí)向相反方向 運(yùn)動(dòng)，輸出速度和力相當(dāng)
頭部法蘭型裝配時(shí)，受
法蘭型液壓缸
法蘭型安裝
拉力較大，反之相反
齒輪泵 制造方便，工作可靠 用于一般機(jī)械
葉片泵
徑向載荷小，噪聲低流量脈動(dòng)小
通過(guò)插入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的葉片間容積變化完成泵的作用
螺桿泵 不能變量，無(wú)流量脈動(dòng)
利用螺桿槽內(nèi)容積的移動(dòng)產(chǎn)生泵作用
由于本次設(shè)計(jì)只要平臺(tái)做直線回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以可以使用齒輪泵或雙活塞桿液壓缸。此外本次設(shè)計(jì)還要用到擴(kuò)程機(jī)構(gòu)，常見(jiàn)的擴(kuò)程機(jī)構(gòu)有兩種，如圖 3-1 所示：
(a) (b)
圖 3-1 擴(kuò)程機(jī)構(gòu)
它們能夠讓速度增加，使運(yùn)行更加的平穩(wěn)。所以，本次設(shè)計(jì)中可能會(huì)用到這種機(jī)構(gòu)。
3.2.2 液壓缸的選擇
為了滿足各種機(jī)械的不同用途，液壓缸也變的種類(lèi)繁多，根據(jù)上面計(jì)算的平臺(tái)要求， 我們選擇雙活塞桿液壓缸[9]。
其特點(diǎn)：雙作用液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)由液壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，它兩端都有活塞桿伸出，左右兩腔面積相等。
3.2.3 液壓缸的安裝
根據(jù)需要，我們?cè)趯?shí)際工作當(dāng)中要選擇合適的液壓缸，在這里我們選擇的是尾部耳環(huán)型，其特點(diǎn)是液壓缸在垂直面內(nèi)可以晃動(dòng)，裝配時(shí)，活塞桿受彎曲作用較大。
3.2.4 缸體和缸蓋的連接
根據(jù)需要，缸體和缸蓋的連接采用法蘭連接。
3.2.5 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)回路
現(xiàn)代裝置所用的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)雖然龐大，但還是由一些基本回路構(gòu)成，我們此次設(shè)計(jì)也不例外。其中我們用換向閥來(lái)決定液壓系統(tǒng)的方向，用控制閥來(lái)決定傳動(dòng)系統(tǒng)的通斷， 用節(jié)流閥來(lái)調(diào)節(jié)。我們也可以改變他的工作介質(zhì)的循環(huán)方式等等。我們液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使升降臺(tái)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，并且能夠在一定高度自鎖。
3.2.6 液壓源系統(tǒng)
液壓源系統(tǒng)的核心是液壓泵，而液壓泵是液壓系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換構(gòu)件。它能夠把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能。此外我們?cè)诮o液壓泵供油時(shí)，要盡量保證和系統(tǒng)本身需要的油量一樣， 如果產(chǎn)生多的可經(jīng)過(guò)溢流閥回到油箱。當(dāng)然最好還能夠裝一個(gè)油液凈化裝置來(lái)減少油液中的雜質(zhì)。
3.3 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)
通過(guò)學(xué)過(guò)的知識(shí)可以明白液壓執(zhí)行構(gòu)件在作業(yè)中的速度和載荷決定了傳動(dòng)系統(tǒng)的壓力和流量。
3.3.1 載荷的分析運(yùn)算
最開(kāi)始，本文要確定什么時(shí)候傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)去承受最大的工作載荷，根據(jù)前文對(duì)液壓缸放置方法的分析，我們知道液壓缸和地平面夾角q最小時(shí)，即a最小時(shí)，此時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)要承受最大的載荷。因?yàn)槲覀兩厦婕僭O(shè)的軸距是 2.4m，所以我們選支撐桿每根長(zhǎng) 2.1m。當(dāng)
升降臺(tái)降到最低時(shí)（這時(shí)支撐桿和地面夾角a=a ）a = 5° ，依照上面式子
0
q= tan -1[l + a tana]
l - a
圖 3-2 為支撐桿和地面夾角是5° 時(shí)的機(jī)構(gòu)參數(shù)：
0
0
q = 9.9°
（3-1）
圖 3-2 機(jī)構(gòu)參數(shù)
暫時(shí)我們還不知道a值是多少，但是a值肯定小于l / 2 ，因?yàn)闂U長(zhǎng)為l 。我們?cè)O(shè)a= l / 3， 依照活塞推力和平臺(tái)載荷的關(guān)聯(lián)式：
P = 2l cosa W
asin(q+a) + l sin(q-a)
（3-2）
算出 P=11.6W。如果a= l / 4 ，P=13.3W。經(jīng)過(guò)對(duì)比，a= l / 3 時(shí)，活塞的推進(jìn)力 P 比
a= l / 4 時(shí)小。所以我們可以得出結(jié)論a和 P 成反比。但顧慮到液壓缸與桿的連接點(diǎn) B 不能和 A 太靠近，因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。所以，選a= l / 3。我們把a(bǔ)= l / 3 代入公式算出。
P = 6 cosa sin(q+a) + 3sin(q-a)
W , tanq= 2 tana
（3-3）
0
綜上所述a = 5° 時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)的載重 P 最大，P=11.6W=11.6′9800=113680N。以下我們依照載重來(lái)選擇適合的液壓缸。
下圖是一個(gè)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)計(jì)算圖：
圖 3-3 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)
其中： Fa ：因速度變動(dòng)產(chǎn)生的慣性力
Ff ：導(dǎo)軌上的摩擦力
Fg ：受到的切削力和擠壓力
FW : 活塞桿上的外載荷
Fm : 活塞和缸壁，活塞桿和導(dǎo)向套之間的密封阻力
（1）工作載荷 Fg
我們知道的工作載荷有活塞桿的重力、受到的壓力等等。但是我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)，因?yàn)檩d重較重，其自身的重力就不用計(jì)算了。我們要算的就是切削力和擠壓力，如圖 3-3 中，F(xiàn)g =P。因?yàn)槲覀冊(cè)谏衔闹屑僭O(shè)的重量為 2 噸，所以液壓缸 Fg =P=113680N。
（2）導(dǎo)軌上的摩擦力 Ff
因?yàn)槲覀兊囊簤焊子袑?zhuān)門(mén)的活塞導(dǎo)軌去固定它，所以導(dǎo)軌摩擦不用計(jì)算，所以 Ff =0。
（3）慣性載荷 Fa
Dv ——速度變化量 m/s
F = ma ， a = Dv
a Dt
（3-4）
Dt ——起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，單位 s。通常Dt =0.1~0.5s，對(duì)輕負(fù)重低運(yùn)動(dòng)物件取小值，相反取大值。
假設(shè)其速度變化量Dv =0.16m/s， Dt =0.6s，則
a = Dv = 0.16 =0.27 m / s2 ， F
= ma =2t/2′0.27=270N
Dt 0.6 a
經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算，我們通常把上面三種之和為液壓缸的外載荷 Fw
Fw = Fg + Ff + Fa
代入數(shù)值得 Fw =113680+0+270=113950N
（3-5）
其中起動(dòng)加速時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)減速制動(dòng)時(shí)
Fw = Fg + Ff + Fa Fw = Fg + Ff
Fw = Fg + Ff - Fa
（3-6）
(3-7)
(3-8)
如果在工作中沒(méi)有工作載荷就取 0。但是我們?cè)谛：藭r(shí)，按最大值取。
算完外負(fù)荷 Fw ，我們還要計(jì)算液壓缸密封處的摩擦力 Fm ，但是因?yàn)槊芊獠牧虾蜆邮蕉疾灰粯樱晕覀冎荒軐?duì)此進(jìn)行估算，通常為
29
Fm = (1-hm )P
其中hm ——液壓缸的機(jī)械效率，我們?nèi)?0.95，那么值為：
F = Fw = 113590 = 119568N
(3-9)
hm 0.95
3.3.2 選擇系統(tǒng)的工作壓力
我們?cè)谶x擇壓力的時(shí)候要依照載荷的情形以及設(shè)備類(lèi)型。故按下表我們初步選取
15Mpa。
表 3-2 機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力
機(jī)床
種類(lèi)
磨床 組合機(jī)床 龍門(mén)刨床 拉床
農(nóng)業(yè)機(jī)器
小型工程機(jī)器建筑機(jī)器
重型機(jī)器
工作壓力/ MPa
0.8 ~ 0.2
3 ~ 5
2 ~ 8
8 ~ 10
10 ~ 18
20 ~ 32
3.3.3 液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸
⑴液壓缸的主要數(shù)據(jù)
液壓缸的主要設(shè)計(jì)參數(shù)：
圖 3-4 液壓缸設(shè)計(jì)參數(shù)
a 是活塞桿受壓狀況，b 是活塞桿受拉狀況?；钊麠U受壓
h
F = Fw = p A - p A
活塞桿受拉
1 1 2 2
m
（3-10）
F = Fw = p A - p A
h
1 2 2 1
m
（3-11）
式中
A = P D 2 - -無(wú)桿腔活塞有用作業(yè)面積m2
1 4
A = P (D 2 - d 2 ) - -有桿腔活塞有用作業(yè)面積m2 1 4
P1 - -液壓缸工作腔壓力Pa
P2 - -液壓缸回油腔壓力Pa，即背壓力
D - -活塞直徑m
d - -活塞桿直徑m
系統(tǒng)類(lèi)型
表 3-3 執(zhí)行元件背壓力
背壓力MPa
簡(jiǎn)單輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)
回油帶調(diào)速閥系統(tǒng)回油路有背壓閥系統(tǒng)有補(bǔ)油泵的閉式回路
回油路較復(fù)雜的工程機(jī)械
0.2 ~ 0.5
0.4 ~ 0.6
0.5 ~ 1.5
0.8 ~ 1.5
1.2 ~ 3
回油路短，直接回油箱 0
我們?nèi)”硥毫χ?P2
= 0.2Mpa
通常液壓缸在收壓狀況下作業(yè)，活塞面積是：
A = F + p2 A1
p
1
1 （3-12）
而在我們這次設(shè)計(jì)中，不存在受拉情況。
我們還可以用此公式來(lái)算活塞兩側(cè)有效面積 A1 和 A2 的聯(lián)系，或者 d 和 D 的聯(lián)系，讓桿徑比F =d/D，其比值可在下表中選擇：
表 3-4 按工作壓力選取 d/D
工作壓力MPa
d / D
￡ 5.0
0.5 ~ 0.53
5.0 ~ 7.0
0.62 ~ 0.7
3 7.0
0.7
表 3-5 按速度比要求確定 d/D
F（v2 / v1 )
d / D
1.25
0.4
1.33
0.5
1.46
0.55
0.161
0.62
2
0.71
注：速度比
F = A1
A2
D2
= D2 - d 2
（3-13）
我們嘗試選取 d/D=0.7，那么對(duì)應(yīng)的F =2，因?yàn)榛钊挥贸惺芾Γ赃m當(dāng)提高速度是完全合適的。
運(yùn)用直徑求法公式
計(jì)算得 D =
D =
= 101.1mm
（3-14）
同理可得 d=71.8mm。此外我們要對(duì)液壓缸直徑 D 與活塞桿直徑 d 按國(guó)標(biāo)進(jìn)行圓整， 如果和國(guó)標(biāo)接近，我們就選擇國(guó)產(chǎn)液壓缸，這樣節(jié)省時(shí)間去自己設(shè)計(jì)。最后根據(jù)機(jī)械手冊(cè)選取圓整后的數(shù)據(jù)：缸徑 100mm，活塞桿 70mm,速度比F =2，工作壓力 16Mpa，推力
125.66kN[10]。
3.3.4 液壓泵的參數(shù)
(1)液壓泵在作業(yè)時(shí)的最大瞬時(shí)壓力：
pp 3 p1 + ? Dp
其中 p1 ——液壓缸作業(yè)時(shí)的最大瞬時(shí)壓力依照
Pa (3-15)
h
F = FW = p A - p A
我們能夠算出
1 1 2 2
m
(3-16)
1
p = F + 0.2 A2 = 15.3MPa
A1
? Dp ——從流出的地方到流進(jìn)的地方之間的液壓缸的總壓力損失。我們?cè)陂_(kāi)始時(shí)可照經(jīng)驗(yàn)選擇：管道簡(jiǎn)易、流速較緩的取 0.2~0.5Mpa；管道繁雜但有調(diào)速閥的，取 0.5~1.5 Mpa。
我們最終選擇 0.5Mpa。即
pp 3 15.3 + 0.5 = 15.8MPa
(2)液壓泵的流量QP
QP 3 KQmax K - -泄漏系數(shù)，通常取1.1 ~ 1.3, 我們?nèi)?.2
m3 / s
(3-17)
Qmax ——液壓缸的最大流量，如果
收藏