液压升降机的结构设计

  液压升降机的结构设计 摘要：我本次毕业设计做的是一个液压升降机，主要的内容是对它的结构，液压系统还有控制部分进行了详细的分析和设计。在三个的设计之中我又偏向于液压系统的设计，对总系统里的动力元件，控制元件和执行元件，辅助元件等等都进行了详细的设计计算，还对于主机设计和控制部分的设计都只是附加简单描述，通过设计清楚的认识到了液压升降机的结构和功能。 关键词：升降机；液压系统；执行元件。 第1章 绪 论 1.1 历史背景 直到现在为止，我国引进吸收了许多国外的先进产品并对其进行研究，让我国的生产技术获得了提升，使得研究出来的产品更接近于领先水平。目前，我们生产的液压元件已经足够用于工程机械化工机械，冶金行业或是纺织行业等的使用。但是即使我们拥有了各种产品，在产品的生产技术和品种上以及数量上都抵不上国际的领先水平，并且与他还存在着很大的差距，所以我们每年还要大量的进口一些液压元件供市场上的需求。 我国的液压生产技术主要是在新我国成立后才开始崛起，第一个液压元件的出现是在1952年。 1.2 液压升降机在机械工业中的应用 升降的性能比较好，且能举身的重量较大，举升高度范围广。所以在现在市场上主要使用在于一些生产流水线上完成拥有高度差的设备之间货物运送功能。例如货物的上料，下料还有仓库的储藏，取货等等。我们一般都将它的使用与叉车进行配合，并且他的动作是利用的液压系统来进行控制。 1.3液压升降机的优点和缺点 液压系统的优点有这些，如果利用两个一样体积的设备，那么液压装置所产生的动力就要比其它装置产生的动力大的多。液压装置构造简单，使得我们的安装更便利。正常的情况下，在功率相等的情况下，液压马达的体积只有电机12%。因为液压装置运作平稳，而且由于它重量轻，反应快等特点，使得它的动作比较快速，能实现频繁转向和制动的目的。液压装置能实现大范围的无级调速，以及在电机不能够实现变速的过程中实现变速的优点。液压传动可以更加有助于我们的自动化生产。液压装置拥有非常良好的过载保护的功能。因为采用标准化和统一化的液压元件，现在液压系统的设计及其制造都更高效，维修也更简单。 液压系统的缺点有这些，液压在进行传动的过程中，相比其他的传动更容易损失能量，并且在传动过程中，液压油易发生泄漏，导致我们的工作场地受到污染，这一些因素都会影响到我们液压装置的使用场所。若使用操作不当，或许还会引发火灾事故等发生。除此之外，液压装置对油温的变化也比较敏感。他要求我们在进行其中零件制造的时候对精度的要求比较高。这样一来就使得我们的制造费用增加，降低了工厂的利润率。而且在使用当中很容易出现故障，并且找不到原因，但是这样一些问题在我们实际的应用当中都能够最终靠一定的有效措施来减小这一些因素带来的危害。 1.4我国液压技术今后的发展趋势 液压技术的发展分为三个部分:高效率、高可行性，节能；智能、集成、集成；友好的人机，友好的环境 很好。 一般来说，第一部分侧重于组件，第二部分侧重于组件 系统，而第三部分侧重于软件，但不是完全分离和相互的 有相互渗透，即兼顾组件和系统。 第2章 液压升降的机整体分析 2.1 液压升降机的结构及形式与运动机理 2.1.1液压升降机的结构及形式 根据升降机的平台尺寸3000×1600㎜参考了国内许多成熟的产品，之后我们对此产品设计为单双叉机构形式。这种结构利用的是两个单叉机构的升降台进行合并而成的，它是靠四个液压缸一起做相同的运行过程来实现工作，用这种方法来时平台的上升和下降的操作，它的结构及形式的详细图如下： 图2.1 2.1.2 液压升降机的运动原理 两根支架相互交叉通过铰接在一起,然后将上下两端分别固定在上下的面板上,设铰接点为O,升降机的运动就是 靠着支架的伸缩还有围绕点进行旋转动作完成的。 图2.2 两根支架相互交叉通过O点铰接在一起,然后将上下两端分别固定在上下的面板上,升降机的运动就是靠着支架的伸缩还有围绕O点进行旋转动作完成的。通过对上图的交叉行程的了解，我们大家可以知道它的运行轨迹，在这个设备中，支架2和3是不参与运动的，在液压缸的作用下，他们的状态会逐渐改变，不断倾斜直到不在变，并且由于他们和支架1，2利用的是铰接，所以支架1，2也会随之发生相应的运动，用此达到了升降平台的作用。 2.2 液压系统的选择 2.2.1 油路循环的分析与选择 我们一般都将液压系统中的油路循环分为开式和闭式两种，液压升降机多用于工厂的货物搬运，工作载荷大导致散量大，但其工作环境较好，因此我这次设计当中选用的是开式系统，油源回路的原理图如下所示。 图2.3 1油缸；2过滤器；3温度计；4液位仪；5电动机；6液压泵7溢流阀；8压力表。 2.2.2 对开式油路的组合方式的选择如果我们的液压系统当中有多个液压元件，那我们的连接方式就有多种，如：串联，并联，独联，以及复联等。 2.2.3 调速方式的选择 许多设计中的用的液压系统的调速方式是这三种，节流调速回路，容积节流调速回路，容积调速回路。我设计的液压升降机选择的的是节流调速回路的方式。 第3章 液压升降机的结构设计 3.1 液压升降机的结构设计 3.1.1 确定液压升降机的参数 我此次设计的升降机是全液压系统，有关它的工艺参数是：额定载荷 1000kg 最低高度 200mm 最大起升高度 1000mm 最大高度 1200mm 平台尺寸 3000x1600mm 电源 380v，50Hz 3.1.2 液压升降机的结构计算 通过其运动原理和工艺参数可以决定四个支架的长度及截面形状， 之间的距离t和液压缸的工作行程L。 设 (0x0.75)，则1、2、3、4支架的长度可以确定为， ：需要做到的设计的条 件，就是支架在垂直方向到地板的距离应该要超过1m,才能达到设计时给的上升距离1m,下面的图是这个过程中两个支架的位置的示意情况。 图3.1 如果我们假设的他们发生的铰接的地方为支架1、2和3、4的中点，t是液压缸顶端与支架绞合点的距离到终点的未知变量数 ，接下来我们通过它们的关系可以列出下面的式子：下面根据几何关系求解上述最佳组合值： 初步分析：值范围为0x0.75, 取值偏小，则上顶板 点承力过大，会使得支架的长度过长，然后受力情况不均。在该设计中，可以选择几个特殊值：=0.2m, =0.4m, =0.6m，分别根据数学关系计算出h和t。然后分析上下顶板的受力情况。选取最佳组合值便可以满足设计要求。 1） =0.2支架长度为h=1.5-x/2=1.4m =h/2=0.7m 液压缸的行程设为l,升降台上下顶板合并时，根据几何关系可得到： l+t=0.7m 升降全升起时，有几何关系可得到： = = 求得： t=0.21 l=0.39 我们可得出的结论，液压缸的活塞杆与2 杆发生的地方到2 杆的中心的长度是0.21m，活塞的运动的路程长度是 0.39m。 （2）=0.4 支架长度h=1.5-x/2=1.3m =h/2=0.65m 液压缸的做工的距离长度为l，当升降台的上面的平板与下面的平板合在一起时，根据数学的关系可以算出： l+t=0.65 升降全升起时，有几何关系可得到： = = 求得： t= 0.23 m l= 0.37 m 我们可得出的结论，液压缸的活塞杆与2 杆发生的地方到2 杆的中心的长度是0.23m，活塞的运动的路程长度是0.37m。 （3）当x=0.6，支架长度为=1.5-x/2=1.6m =h/2=0.6m 液压缸的行程设为l,升降台上下顶板合并时，根据几何关系可得到： l+t=0.6m 升降全升起时，有几何关系可得到： = = 求得： t=0.25m l=0.35m 我们可得出的结论，液压缸的活塞杆与2 杆发生的地方到2 杆的中心的长度是0.25m，活塞的运动的路程长度是0.35m。 通过受力分析可得： x=0.2m ，他的受力的图如下所示： x=0.4m ，受力图如下所示 x=0.6m ，受力图如下所示 图3.2 我们对比了上面三种情况之后得知，如果x选取小值，那么当升降台提升到了最高点的时候，铰接时各支架间的距离越大，虽然我们通过计算可以得出支架上的载荷在它的上面的分布是平均的，同时我也知道他的弯曲应力是得到的最大数值，就会导致其收到损失的发生。根据材料力学中提高梁的弯曲强度的措施： 合理安排梁的受力情况，可以降低值，以便于改善承载能力。我们分析了上面x=0.2m，x=0.4m，x=0.6m时 梁的受力情况，最终决定选用第二种情况。可以选择第二种情况，即x=0.4m时的结构作为升降机固定点的最终值，由此便可以确定其他相关参数如下： t=0.23m，l=0.37m, h=1.2m 。 3.2液压机支架和上顶板结构的确定 3.2.1 上顶板结构和强度校核 由于上面的顶版需要直接和载荷接触在一起，所以我们一定要保证好它的使用性能。把多根热轧槽钢相互垂直交叉焊接在一起，并将3000x1600x3mm的汽车板铺装在槽钢的四个侧面和上顶面上，结构如下： 图3.3 在长度方向上有4根16号的钢条，宽度方向上有6根10号钢条，然后将这些钢条都通过焊接的手法组成一起作为上顶板。并且在这个结构的最外缘延长度方向做出了安装上下支架的滑槽。滑槽的尺寸大小设计的依据是支架的尺 =寸大小。沿长度方向的4根16号热轧槽刚的结构参数为 = 寸大小。沿长度方向的4根16号热轧槽刚的结构参数为 ，理论重量为 ，抗弯截面系数为 。沿宽度方向的6根10号热轧槽刚的结构参数 = ,截面面积为 ，理论重量为 积为 为 ，抗弯截面系数为，其质量分别为： 4根16号热轧槽刚的质量为： 6根10号热轧槽刚的质量为： 菱形汽车钢板质量为： 升降台上顶板的载荷是作用在一平台上的，所以我们可以将这看做是一个均匀的载荷，其载荷密度为： 式中：F为汽车钢板和额定载荷重力之和； 载荷的做工的长度数值设为L；因为长度方向的数值是9m,宽度方向的数值是4.8m. 其中 带入数据得：F=13328N 沿长度方向有：带入数据有： 由于上面分析了整个升降平台的运动过程，我们得知了升到最高的时候梁受到的玩具最大。所以我们只需要对此时的状态进行校核。校核如下： （1）长度方向的度方向的强度要求，8个支架，就有8个支点，我们可以假设一个支点受到的力是N，列平衡方程为： 即 即 计算可知该过程中的最大弯矩为 ：根据弯曲强度理论： 作用在梁上的最大弯曲应力要小于其许用弯曲应力。 式中： W 抗弯截面系数 沿长度方向为16号热轧槽钢 钢的屈服极限 n 安全系数 n=3 代入数据： 由此可知，强度符合要求。 由上面的计算我们得知长度方向满足要求。 (2）同样的方法，求宽度方向的强度要求： 均布载荷强度为： F为汽车板及16号槽钢与载荷重力 I 载荷的有效作用长度 3x1.6=4.8m 带入数据可知，通过弯矩列式，可得： 最大弯曲应力为：故宽度方向也满足强度要。 3.2.3支架的结构 设每根支架的上顶端承受的作用力设为N，就可以有计算式： 求得：N=1784N 分析支架的运动形式和受力情况，得知支架的运动情况十分复杂，拥有许多超出本次设计范围的问题，所以我们就忽略了许多力不考虑，如果只计算上顶板承受的由载荷和其自身重力产生的载荷力。 计算简图如下所示： 图3.4 图3.4 所产生的弯矩为： 每个支架的 支点对上顶板的作用力/N L液压缸与支架铰合点距支点之间的距离/m 结合数据： 如果支架的截面为长a，宽b，那么计算强度时应该满足： 式中： M-支架上所受到的弯矩/Nm W-截面分别为a,b的长方形抗弯截面系数 ； -所选材料为碳素结构钢将数据代入有：求得： ； -所选材料为碳素结构钢 将数据代入有： 求得： ， 上式表明：只要街面为a,b的长方形满足条件，则可以满足强度要求，取a=5cm,b=2.5cm，则其符合强度要求。 这些钢柱的质量为：考虑到了装配的问题，我们还在两支架之间加装支板，用来达到动力传递的要求。 第4章 升降机液压系统的设计 4.1执行元件速度与载荷 4.1.1速度计算及速度变化规律查找资料得到，一般升到最大高度的时间为40s-50s。 执行元件的速度v： 式中：v-执行元件的速度/m/s -液压缸的行程/m t-时间/s 当时: Vmax=0.37/40=0.00925m/s 当时： Vmin=0.37/50=0.0074m/s 由此我们不难得知，在整个运行当中刚开始有一部分加速，然后最后有一部分减速，但是这些时间段的加速度都不是很大，整个运行还是比较平稳。 4.1.2 执行元件的载荷计算及变化规律 执行元件的载荷即为液压缸的总阻力，油缸的总阻力包括：阻碍工作运动的切削力，运动部件之间的摩擦阻 力，密封装置的摩擦阻力 ，起动制动或换向过程中的惯性力 ，回油腔因被压作用而产生的阻力 ，即液压缸的总阻力也就是它的最大牵引力： （2）摩擦力：各运动部件之间的相互摩擦力取， （2）摩擦力：各运动部件之间的相互摩擦力取 ， 其具体计算式为：式中各符号意义见第三章。 密封装置的密封阻力： O形密封圈： 液压缸的推力 Y形密封圈： f 摩擦系数，取 p 密封处的工作压力 Pa d 密封处的直径 m 密封圈有效高度 m 密封摩擦力也可以采用经验公式计算，一般取 运动部件的惯性力。 其计算式为：式中： G 运动部件的总重力 N g 重力加速度 启动或制动时的速度变量 m/s 起动制动所需要的时间 s 对于行走机械取，本设计中取值为 （5）背压力。此次计算中忽略。 液压缸的总阻力为： = = ×0.4+(237+96+123+95+1000)9.80.05 =16KN 由于总的负载是16KN，拥有四个(237+96+123+95+1000)液压缸平分，所以每个的阻力就是4KN。 4.2液压系统主要参数的确定 4.2.1 液压系统压力的初步确定 液压缸的有效工作压力可以根据下表确定：表6.1 液压缸牵引力与工作压力之间的关系 牵引力F（KN） 牵引力F（KN） 5 5-10 10-20 20-30 30-50 50 工作压力P（MPa） 0.8-1 1.5-2 2.5-3 3-4 4-5 5-7 图4.1 根据上表的数据可以知道，因为液压缸的推力为4KN，就是牵引力等于4KN,所以P为1Mpa。 4.2.2 液压系统执行元件的主要参数 计算时只取液压油进入无杆腔时产生的推力： F= 式中： p 液压缸的工作压力 Pa 取p= D 活塞内径 m 0.09m 液压缸的效率 0.95 液压缸的效率 0.95 代入数据: 4.2.3缸筒内径的确定 要求活塞无杆腔的推力为F时，其内径为： 式中： D 活塞杆直径 缸筒内经 m F 无杆腔推力 N P 工作压力 MPa 液压缸机械效率 0.95 代入数据： D= =89.6mm D= 89.6mm 取D=90mm 4.2.4 活塞杆直径的确定 活塞杆直径根据受力情况和液压缸的结构形式来确定 该液压缸的工作压力为为：p=1MPa 受拉时： 受拉时： 受压时： ,取 活塞杆的强度计算 用直杆承受拉压载荷的简单强度计算公式进行： 式中： F 活塞杆的推力 N d 活塞杆直径 m 代入数据： =3.8MPa 强度满足要求。 稳定性校核 因为该活塞杆不受偏心载荷，所以我们取等截面法进行计算，细长比为： 时， 时， 在该设计及安装形式中，液压缸两端采用铰接，其值分别为： n=1 m=60mm L=740mm 将上述值代入式中得： 故校核采用的式子为： 式中： n=1-安装形式系数 E-活塞杆的材料弹性模量，钢材采用： J-活塞杆的截面转动惯量： L-计算长度0.74m 其稳定条件为： 式中： 式中： 稳定安全系数，一般取 =2 —4 取 =3 F 液压缸的最大推力 N 代入数据： 代入数据： 故活塞杆的稳定性满足要求。 4.2.5 液压缸壁厚，最小导向长度的确定 液压缸壁厚的确定 对于这个数值的计算我们一般按照薄壁筒计算，壁厚计算公式： 式中： D 液压缸内径 m 缸体壁厚 cm 液压缸最高工作压力 Pa 一般取=（1.2-1.3）p 代入数据： 缸体材料的许用应力 钢材取 缸体材料的许用应力 钢材取 考虑到液压缸的加工和使用要求，根据资料将其壁厚适当加厚，取壁厚。 最小导向长度 活塞支撑面的关键点到导向滑动面中点的距离称为活塞的最小导向长度h。最小长度值的确定是液压系统是否稳定的基本条件，最的长度最小值必须满足的设计技术的要求。在一般液压缸中，当最大行程为L，液压缸直径为D 时，最小导向长度为： 即 取为64m 即 活塞的宽度一般取 ，导向套滑动面长度 ，在 时，取，在 时，取 ，当导向套长度不够时，A和B不应增加太多，在活塞与导向套之间应该添加一个隔套，导向长度H的最小值能确定隔套的长度。 4.2.6液压缸的流量 如果液压缸的供油量Q不变，在这个运动过程每当速度变大和变小的时候除外，剩下的时间活塞的运动速度不会发生变化，我们可以对液压缸的流量这样计算： 式中： A 活塞的有效工作面积 对于无杆腔 活塞的容积效率 采用弹形密封圈时 =1，采用活塞环时 =0.98 为液压缸的运行速度的最大数值 L/min 代入数据可得到，液压缸以其最大速度运动时，所需要的流量为3.6L/min，以其最小运动速度运动时，所需要的流量为2.88L/min。 4.3液压元件的选择与连接 4.3.1 油泵和电机选择 （1）油泵的选择所需的泵输出流量要依据我们系统中所需要的最大输入流量进行计算。 式中： -泵的输出流量 K-系统泄漏系数,一般取K= 1.1-1.3 -液压缸实际需要的最大流量 n-执行元件个数代入数据：所需的泵输出流量要依据我们系统中所需要的最大输入流量进行计算。 式中： -泵的输出流量 K-系统泄漏系数,一般取K= 1.1-1.3 -液压缸实际需要的最大流量 n-执行元件个数 代入数据： 如果是工作中一直使用节流阀的调速系统，那我们在进行泵流量确定的时候我们要加上溢流阀的最小流量，一 般取， ， （2）泵的工作压力应该根据液压缸的工作压力来确定，即 式中： -泵的工作压力 Pa -执行元件的最高工作压力 Pa -回油路和进油路的压力损失之和。 。代入数据：初步计算时，节流调速和相对容易的油路应该选用,对于进油路有调速阀和管路比较复杂的系统可以取 。 代入数据： 正常情况下我们在进行油泵选择的时候，其额定压力比工作压力大25%--60% ，即泵的额定压力为1.875 --2.4，取其额定压力为2.4 。 --2.4 4.3.2 电机功率的确定 （1）液压系统的实际输入功率是选择电机的重要条件，可以得到以下公式： 式中： P 液压泵的实际最高工作压力 Pa q 液压泵的实际流量 液压泵的输入功率 液压泵的输入功率 液压泵向系统输出的理论流量 液压泵的总效率 液压泵的机械效率 换算系数 代入数据： 查阅资料可得，电机可以取4KW的三相异步电机。 型号： 额定功率：4 满载时转速： 电流： 效率： 85.5% 净重： 45Kg 4.3.2 控制阀的选用 液压系统的控制元件应该最大程度选用标准件，通过阀门的最大流量和其在油路的最大工作压力是确定液压控制元件的主要条件，压力控制阀、流量控制阀、换向阀按照要求的顺序选择。 (1）压力控制阀的选择：在我们选用直动型压力阀是符合的，再依据调定压力和流量等等小数据最终决定使用 DBD直动式溢流阀，相关参数如下：型号：DBDS6G10 最低调节压力：5MPa 流量： 40L/min 介质温度：-20~-70℃ 流量控制阀的选择：我在此次设计的升降机液压系统中使用有分流阀和单向分流阀。 单向分流阀型号的参数如下。 型号：FDL-B10H 公称通径：10mm 公称流量: PO出口 40L/min；AB出口 20L/min 连接的方式：管式质量：4Kg 分流阀的型号为：FL-B10 方向控制阀的选择：本系统中的方向控制阀主要是指电磁方向阀。所选择的换向阀型号及规格如下：型号：4WE5E5OF 额定流量：15L/min 消耗功率：26KW 电源电压： 工作压力：A.B；P腔 ；T腔：重量：1.4Kg 4.3.3管路，过滤器，其他辅助元件的选择计算 我们可以按照管路的作用分为：主管路，泄油管路，控制管路。我们在这次设计当中只做了主管路中油管的尺寸设计。 吸油管尺寸 油管直径d由下式确定： 式中：d-油管直径 mm Q-油管内液体的流量 -油管内的允许流速 - 油管内的允许流速 ，本设计中取： 代入数据： 取圆整值为： d=14mm 回油管尺寸 ，取为 回油管尺寸与上述计算过程相同：代入数据： 回油管尺寸与上述计算过程相同： 取圆整值为：d=8mm 压力油管 压力油管： 压力油管： ，本设计中取为： 代入数据： 取圆整值为：d=4mm 油管壁厚： 压力油管采用的橡胶软管其参数如下：内径： 10mm 外径： 型 17.5-19.7mm 工作压力： 型 16 最小弯曲半径：130mm 4.3.4 液压元件的连接 在选择的时候主要是要参考负载情况，计算转矩，轴端直径和工作转速。 计算转矩由下式求出： 式中： 需用转矩，见各连轴器标准 驱动功率 工作转速 工况系数 取为1.5 代入数据： 据此可以再一次进行选择连轴器的型号如下： 名称： 挠性连轴器 弹性套柱销连轴器 许用转矩： 许用转速：4700r/min 轴孔直径： 轴孔长度：Y型：L=42mm , D=95mm 重 量：1.9Kg 4.4油箱及附件 4.4.1 油箱的容积 容积的数值确定是液压缸的设计中的主要条件，当体积满足规定的要求时，系统供油充足还不会出现油液回流的情况。为保证空气的进入，最低的液面应进口过滤器的上方，当系统回油量充足但没有供油时，或系统停止运行时，油液能流回油箱，没有溢出的情况。在开始的时候，了解使用的情况，通过以知的方式来确定油箱的容积。 查阅可得5, 所以有 5×15.8=79L。 4.5 液压缸的结构设计 4.5.1 缸筒与缸盖的连接形式 缸筒与缸盖之间使用螺栓连接，它的主要优点就是：重量小，径向的数值不大，可使用的地方多，但是缺点是整的结构太难，需要对缸筒外径进行加工，对内径同轴装卸非常麻烦，密封圈可能发生扭曲。 4.5.2 4.5.2 活塞和活塞杆 （1）活塞的结构及形式 本设计中选用形式如下： 图 4.2 （2）活塞杆 。3-88液压气动用O形密封圈第五章 液压系统的性能验算 。 3-88 液压气动用O形密封圈 第五章 液压系统的性能验算 4.6.4 活塞杆导向套 一般我们使用的导向套主要有端盖式和插件式两种。这两种结构当中插件式的导向套安装和拆卸都更加方便，所以在实际应用当中使用更

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