固定式液压升降机.docx
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固定式液压升降机
2015届毕业论文（设计）
论文（设计）题目固定式液压升降机
子课题题目小型剪叉式液压升降机
姓名侍伟
学号1205300530
所属院系现代技术
专业年级机械5班
指导教师张文东
摘要
本论文主要设计的是一款家用液压升降梯，考虑其使用范围，采用小型剪叉结构。
家用升降梯采用剪叉式机械结构，使升降机起升有较高的稳定性，宽大的作业平台，使高空作业范围更大。
因此，它使高空作业效率更高，安全更保障。
本设计重点从结构设计、液压系统设计、电路设计等方面对剪叉式液压升降机的工作原理、结构特点、型号说明、应用情况进行阐述、计算。
其中结构设计、液压设计是本次设计的重点，包括材料选择、强度计算、动力元件、控制元件、执行元件的设计。
涉及的关键技术有剪叉机构的设计、计算选取合适的液压缸、
电路的设计等。
预设的尺寸参数：
外形尺寸----1100*500*1000（mm），工作最大尺寸----2200*2200*3500（mm）。
关键词：
剪叉式;液压系统;结构设计
）.
第一章绪论
1.1升降机简介
升降机【elevator】应该定义为：
在垂直上下通道上载运人或货物升降的平台或半封闭平台的提升机械设备或装置，是由平台以及操纵它们用的设备、马达、电缆和其它辅助设备构成的一个整体。
升降机由行走机构，液压机构，电动控制机构，支撑机构组成的一种升降机设备。
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。
1.1.1家用升降梯的设计背景
该设计，主要用于在日常生活中对家里比较高的东西例如电灯泡，天花板等进行更换的时候起到一个升降与承载的作用。
我们发现在现在日常生活中，一般的家庭里面是没有绳梯或者升降梯之类的东西，当需要对屋顶的电灯或者顶缀进行更换的时候是十分不方便的。
我们一般采用的是直接通过搭凳子或者是站在桌子上面来对屋顶的东西进行维修或者更换，这样其实有很多弊端。
首先这样比较的危险，因为凳子或者桌子叠起来是很不稳定的，人站在上面有一定的安全隐患，并且搬凳子，桌子也十分麻烦。
其次我们站在搭成的凳子上面或者是在桌子上面，如果家中的家具是用比较名贵的木质成的话，那就也会对家具造成比较的危害，所以这些都十分的不适合。
其实还有就是我们需要取出顶层衣柜的物品时，我们也很难办到。
所以就是在这些条件下，我们结合实际，创造性的设计出了我们这次的作品——家用升降梯。
日常生活中，当我们遇到上述情况时，可以使用很方便的家用升降梯到达制定高度，进行各种维修。
使用很安全，当我们使用完之后，又可以让其折叠，可以很方便的存储，不必为狭小的存储空间担忧。
1.1.2液压升降机的特点
液压升降机是一种升降性能好，适用范围广的货物举升机构。
可用于物料上线、下线，装配部件的举升，仓储装卸等场所。
与叉车等车辆配套使用，更加有利于货物的快速装卸等。
采用液压传动，液压升降机会有以下特点：
优点：
1、液压传动能在运行中实行无极调速，调速方便且调速范围比较大。
2、在同等功率的情况下，液压传动装置的体积小，重量轻，惯性小，结构紧凑，而且能传递较大的里或转矩。
3、液压传动工作比较平稳，反应快，冲击小，能高速启动、制动和转向。
4、液压传动的控制调节比较简单。
5、易于实现过载保护，系统超负载。
6、易于实现系列化、标准化、通用化、易于设计，制造推广使用。
7、易于实现回转、直线运动。
8、可以避免系统在某些局部位置产生过度升温。
缺点：
1、液体为工作介质，易泄露，油液可压缩，故不能用于传动比要求精准的场合。
2、不易做远距离传动。
3、对油温和负载变化敏感，不易在低高温下使用，对污染很敏感。
4、液压传动需要单独的能源。
5、液压元件制造精度高，造价高。
6、液压装置出现故障不易追查原因。
总体来说，优点大于缺点，所以液压升降机更能胜任升降的工作。
1.1.2.1剪叉式液压升降机的特点
剪叉式升降机是用途广泛的高空作业专用设备。
它的剪叉式机械结构，使升降台起升后有较高的稳定性，宽大的作业平台和较高的承载能力，使高空作业范围更大，并适合多人同时作业。
它使高空作业效率更高，更安全，是用途广泛的高空作业升降设备。
第二章机械系统的设计
2.1结构分析
本机构设计的基本尺寸值为1100*500*1000（mm）。
预设升降机在工作时能使人对距离地面5m的设备进行维修。
又因为剪叉臂与水平面的角度一般最大值为45度，以便保证剪叉机构的稳定性。
所以设定4层剪叉机构，而剪叉臂的长度设定为1100mm。
这样算下来，剪叉机构能升高1100*0.707*4=3100mm，加上人的身高1600mm，以及底座的高度，就可以满足设计要求。
家用液压升降梯重点从结构设计、液压系统设计、电路设计等方面对剪叉式液压升降机的工作原理、结构特点、型号说明、应用情况进行阐述、计算。
其中结构设计是本次设计的重点之一，液压升降梯中机械部分的主要分析部分就是剪叉机构，以下就是家用液压升降梯的简图。
为便于分析升降梯的工作情况，下面就逐级分析其受力情况。
图2.1升降梯机构简图
2.1.1第4层剪叉臂受力分析
第四层ABCD是直接支撑重物的机构。
现就工作平台，剪叉臂ABCD总体受力分析，如图2-2a，经分析，有
（2-1）
现就工作平台的受力情况进行分析，其受力状况如图2-2b所示，即可看
（2-2）
由以上分析，可得剪叉机构ABCD的受力情况，受力状况如图2-2c所示。
局部分析之后，即分析剪叉臂AD的受力状况，如图2-2d，得
（2-3）
同样，可得到剪叉臂BC的受力状况，如图2-2e
图2-2（a）升降梯第四层总体受力情况
图2-2（b）升降梯工作平台受力情况
图2-2（c）升降梯工作平台受力情况
图2-2（d）剪叉臂AD受力情况图2-2（e）剪叉臂BC受力情况
图2-2升降梯第四层受力分析
2.1.2第3层剪叉臂受力分析
第三层剪叉机构中有一个液压缸，而此液压缸是重要的举升动力，是此机构中重要的部分。
现就工作平台、剪叉机构ABCDEG总体受力分析，具体受力情况如图2-3a所示，可得分析结果
（2-4）
又根据图2-2a，剪叉臂ABCD总体受力分析，有
（2-5）
所以可得剪叉臂CDEG的受力情况，具体如图2-3b。
从图中可以看出，剪叉臂CDEG的受力情况和剪叉臂ABCD的受力情况是一样的，那么杆CG的受力情况是和AD的受力情况也是一样的。
同理，杆DE的受力情况是和BC的受力情况是一样的。
具体受力情况参看2-2d，2-2e。
先分析液压缸的受力情况，将D点的力沿平行于液压缸的方向和垂直于液压缸的方向分解，如图2-3c，则可得到液压缸的反作用力
，记液压缸与水平方向的夹角为θ，则有
（2-6）
又0≤θ≤
，即可算出FM的最大值为G/2*sin45o=0.35G，由于本设计要求升降梯的最大载荷为150kg。
但基于工作平台、剪叉臂自重以及安全等情况，令G=3000N，所以FM的最大值为0.35*3000=1050N。
（a）三四层总体受力分析
（b）第三层总体受力分析
（c）液压缸受力分析
图2-3升降梯第三层受力分析
2.1.3第2层剪叉臂受力分析
第2层剪叉机构中没有液压缸，进行受力分析时依然采取总体法，将工作平台，以及剪叉机构ABCDEGHI看作一个整体，进行受力分析，其受力情况如图2-4a所示，可得
（2-7）
又根据公式（2-4），可以得出剪叉机构EGHI的受力情况，如图2-4b。
杆EI和GH的受力情况分别和杆AD、杆BC的受力情况相同。
具体受力情况参看图2-2d和图2-2e，在此就不在一一赘述。
（a）升降梯第2，3,4层总体受力情况
（b）升降梯第2层受力情况
图2-4升降梯第二层受力分析
2.1.4第1层剪叉臂受力分析
第一层剪叉机构中含有液压缸，采用总体分析法，将整个所有剪叉机构和工作平台看做整体，其受力情况如图2-5a，可得
（2-8）
又根据式（2-7），即可得剪叉机构HIJK的受力情况，如图2-5b。
其杆HK和IJ的受力情况分别和杆AD、杆CB的受力情况相同。
其液压缸的受力状况与剪叉机构中CDEG相同，为
（a）第一二三四层总体受力情况
（b）升降梯第一层受力情况
图2-5升降梯第一层受力分析
2.2结构设计
2.2.1材料的选用
机械设计的基本要求是在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、成本低、安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观。
显然，材料的选择是机械零件设计中非常重要的环节。
随着工程实际对机械及零件要求的提高，以及材料科学的不断发展，材料的合理选择愈来愈成为提高零件质量、降低成本的重要手段。
本设计主要追求一款比较轻的升降梯，所以铝合金是首选。
铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导热性和抗蚀性，工业上广泛使用。
本设计选用的铝合金材料是防锈铝5A05，其主要用于轻载零件及制品。
其一般力学性能如表所示。
表2-15A05的一般性能
弹性模量
E/GPa
抗剪强度
/MPa
抗拉强度
/MPa
条件屈服强度
/MPa
伸长率
规定非比例伸长应力
/MPa
70
220
420
320
23
120
2.2.2强度校核计算
2.2.2.1剪叉臂的压杆稳定校核计算
对于细长杆而言，压杆稳定问题是强度校核中的一个重要部分。
若杆件失稳后，压力的微小增加将引起弯曲变形的显著增大，杆件将会丧失承载能力，甚至可以导致整个机器或结构的损坏。
由材料力学可知，对各种柔度的压杆，总可用欧拉公式或经验公式求出相应的临界压力，乘以横截面积A变为临界压力Fcr。
Fcr与工作压力F之比即为压杆的工作安全因数n，它应大于规定的稳定安全因数nst，故有
（2-9）
稳定安全因数
一般要高于强度安全因数。
现校核压杆稳定性，已知压杆的横截面为矩形，10mm（b）*40mm（h）。
柔度是确定使用欧拉公式或经验公式的标尺，确定柔度范围的计算过程如下：
（2-10）
将剪叉臂简化成两端铰支杆，
。
截面为矩形，截面的惯性半径为：
（2-11）
所以柔度为
，可见剪叉臂是大柔度杆。
采用欧拉公式，临界压力：
（2-12）
临界压力与实际最大压力之比（最大压力为
），为压杆的工作安全因数，即
（2-13）
所以满足稳定要求。
2.2.2.2连接螺栓的强度计算
在液压升降梯的正常工作中，剪叉臂靠螺栓的连接才会起到举升的作用。
螺栓杆与孔壁之间无间隙，接触表面受挤压，在连接结合面处，螺栓杆则受剪切。
本设计选用内六角螺栓，直径为8mm，长度为50mm。
校核过程如下：
已知螺栓杆的剪切强度条件为
，计算中的剪切力包括人的重量加上工作平台，液压缸的重量，总计为G=3000N，由本论文受力分析部分知，
。
（2-14）
即，选用D=8mm的螺栓符合强度要求。
2.2.2.3吊篮的设计
吊篮是工作人员的工作平台，起到扩展空间的作用。
吊篮最重要的作用是保证操作人员的安全，并可以减轻劳动强度，提高工作效率。
设计吊篮的长宽高分别为1100mm、500mm、1000mm。
为了扩展空间，可将吊篮设计成折叠机构，其具体结构如图2-6。
图2-6吊篮整体结构
图2-7吊篮底部设计
图2-8折叠机构剖析
2.2.2.4底座的设计
底座起到安放液压泵及电动机、万向轮、支撑腿的作用，是一个承载的基座。
设计尺寸长、宽、高分别为1100mm、500mm、400mm。
具体结构如图3-7。
图2-9底座总体结构
2.2.2.5万向轮的设计
万向轮的具体结构如下：
图2-10万向轮
2.2.2.6支撑腿的设计
支撑腿在升降梯的工作过程中起到增大支撑面积，增加工作的稳定性与安全性的作用，对于升降梯的安全至关重要。
本设计的承重为150KG,自重为150KG,底座部分重约80KG,支撑和工作平台约为70KG.所以，起重重量为
，支撑和平台自重为
升降机工作时的跨度约为1200mm,许用应力为
。
支架选用横截面为20mm×40mm，壁厚为5mm的空心方铝，计算简图如图2-8a。
先按
来初选截面，然后再按G1、G2共同作用时来校核强度。
由F作用而引起的MZ图（图2-8b）,其最大弯矩为：
（2-16）
只考虑此弯矩的强度条件为：
，所以
（2-17）
所以，A=V/L=3900/2200=1.77
，因此这里用20mm*40mm的方铝是合理的。
又有，
（2-18）
所以
（2-19）
又知，
（2-20）
图2-11
在设计时选用空心方铝的尺寸为20mm*40mm,横截面积为500
。
500
所以设计的强度符合要求。
2.2.2.6锁紧机构的设计
由于液压缸在工作时有一定的泄漏，并且油管有老化爆裂的情况，基于上述考虑，设计机械锁紧机构。
其中1为电磁铁，2为杠杆，3为壳体。
上升时，壳体3依靠自重，壳体3自带的齿与然下降。
要实现下降功能时，通过电路控制使电磁铁3通电，通过杠杆2作用，使壳体上扬，壳体3自带的齿与液压缸上的齿脱离，从而解除锁紧。
具体机构如图2-12所示。
图2-12锁紧机构
第三章
液压系统设计
液压传动是主要利用液体压力能的液体传动。
液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。
如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。
液压传动的基本原理是在密闭的容器内，利用有压力的油液作为工作介质来实现能量转换和传递动力的。
其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。
液压系统主要由：
动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成。
动力元件（油泵）的作用是把液体利用原动机的机械能转换成液压力能，是液压传动中的动力部分。
执行元件（油缸、液压马达）是将液体的液压能转换成机械能。
其中，油缸做直线运动，马达做旋转运动。
控制元件包括压力阀、流量阀和方向阀等。
它们的作用是根据需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节控制。
辅助元件是 除上述三部分以外的其它元件，包括压力表、滤油器、蓄能装置、冷却器、管件及油箱等，它们同样十分重要。
工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液，它经过油泵和液动机实现能量转换。
液压传动构简单，布局灵活，易实现远距离操纵和自动控制。
在液压传动中，速度、扭矩、功率均可作无级调节，能迅速换向和变速，能实现系统的过载保护与保压；使用寿命长；元件易实现系列化、标准化、通用化；制造精度、安装、调整和维护要求较高，因此得到了广泛的发展。
3.1负载分析与速度分析
3.1.1负载分析
已知式2-6，可得施加在液压缸上的工作负载
=1050N，摩擦力
，惯性负载不计，取液压缸机械效率
，则负载为
（3-1）
3.1.2速度分析
液压升降梯的工作状态有三种：
上升、锁紧、下降。
初设上升的速度为0.1m/s，下降速度为0.08m/s，按上述分析可绘制出速度循环图（略）。
3.2确定液压缸主要参数
3.2.1初选液压缸的工作压力
由最大负载值查表3.1，取液压缸工作压力为1MPa
表3.1按负载选择执行元件工作压力
负载F/kN
<5
5—10
10—20
20—30
30—50
工作压力p/MPa
<0.8—1
1.5—2
2.5—3
3—4
4—5
3.2.2计算液压缸结构参数
图3-1单活塞杆缸计算简图
根据P=1MPa，查液压工程手册，取柱塞缸活塞杆直径d和液压缸内径D之间的关系d=0.5D，所以
。
再平衡回路中，总存在着背压，当油缸下降时，即速度为
，据表3.2
表3.2执行元件背压
系统类型
简单系统或轻载节流调速系统
回油路带调速阀的系统
回油路设置有背压阀的系统
背压/MPa
0.2-0.5
0.4-0.6
0.5-1.5
所以取压降
，背压值
=0.3MPa。
=1MPa，由推力计算公式
（3-2）
得液压缸无杆腔的有效面积为
（3-3）
则液压缸缸筒直径为
，由此，可查表3.3。
表3.3缸筒内径系列
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
100
125
160
200
250
320
液压缸缸筒直径为63m，即计算得到液压缸的直径d=0.5*D=31.5mm,经查表3.4，取d=32mm。
表3.4活塞杆直径系列
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
此时液压缸腔无杆腔的有效面积为
（3-4）
活塞杆的面积为
（3-5）
计算上升过程中的实际工作压力
（3-6）
液压缸所需要的流量为
（3-7）
计算得到下降液压系统的实际工作压力为
（3-8）
则下降过程中液压缸所需要的流量为
（3-9）
其中最大流量为下降流量
。
3.3拟定液压系统图
本次液压设计的重点是基本回路的选择，包括以下几点：
选择液压系统类型。
液压传动系统可分为开式系统和闭式系统。
具体特点如下：
1、开式液压系统中，泵从油箱直接吸油；闭式液压系统马达或缸回的油不回油箱直接去泵的进油口。
开式系统中，油泵自油箱吸油，供给执行机构，低压油直接返回油箱，有系统简单、散热条件好等优点。
2、闭式系统中油泵进油管直接与执行机构的排油管相连通，形成一个闭合回路。
为了补偿系统中泄漏损失，还需有一个辅助供油泵，其优点是1）油箱所需容积小；2）无论是高压管路还是低压管路都有一定压力。
因此空气难进入，运转平稳；3）系统中采用变量轴向柱塞泵，一般不需要换向阀来改变执行机构运行方向，减少了换向时的冲击。
综合以上传动系统的特点本设计选用开式系统。
二、平衡回路：
平衡回路的功能在于使液压执行元件的回油路上始终保持一定的背压力，以平衡掉执行机构重力负载对液压执行元件的作用力，使之不会因自重作用而自行下滑，实现液压系统对机床设备动作的平稳、可靠控制。
平衡回路主要有以下几种：
1、采用单向顺序阀的平衡回路，故这种回路适用于工作负载固定且液压缸活塞锁定定位要求不高的场合。
2、采用液控单向阀的平衡回路：
其闭锁性能好，能够保证活塞较长时间在停止位置处不动，但会并产生强烈的噪音、振动和冲击。
3.采用远控平衡阀的平衡回路，它不但具有很好的密封性，能起到对活塞长时间的锁闭定位作用，而且阀口开口大小能自动适应不同载荷对背压压力的要求，保证了活塞下降速度的稳定性不受载荷变化影响。
由于家用液压升降梯的作用是给人提供一个维修的平台，而且维修时间不会很长，考虑其经济因素，平衡回路我选择采用单向顺序阀的平衡回路。
三、锁紧回路：
为了是工作部件能在任一位置上停留，以及在停止工作时，防止在受力的情况下发生移动，可以采用锁紧回路。
锁紧回路主要有以下两种：
1、采用O型或M型机能的三位换向阀，当阀芯处于中间位时，液压缸的进、出口都被封闭，可以将活塞锁紧。
这种锁紧回路由于受滑阀泄露的影响，锁紧效果差。
2、采用液控单向阀的锁紧回路，在液压缸的进、回油路中都串接液控单向阀（又称液压锁），活塞可在行程任何位置锁紧。
其锁紧精度只受液压缸内少量的内泄漏的影响。
当换向阀的中位机能应使液控油液卸压，此时，液控单向阀便会立即关闭，活塞停止运动。
锁紧精度高。
综上所述，由于采取了平衡回路，故可以选用采用O型或M型机能的三位换向阀的锁紧回路。
四、换向回路：
为了换向稳定，选用电磁换向阀。
为便于实现液压缸中位停止，右位上升，左位下降，采用三位四通换向阀。
整理合并基本回路，得液压系统原理图如下。
图3-1液压系统图
图中1-过滤器2-直流液压泵3-交流液压泵4-溢流阀
5-三位四通电磁换向阀6-平衡阀7-液压缸
3.4液压元件的选择
3.4.1确定液压泵和电动机的规格
1、液压泵的工作压力：
已知液压缸的最大工作压力为0.99MPa，取进油路上压力损失为0.5Mpa，则流量泵的最高工作压力可估算为1.5MPa,选择泵的额定压力应为p=1.25*1.5=1.875Mpa。
2、计算总流量：
在整个工作循环过程中，液压油源应向液压缸提出的最大流量出现在下降阶段，为14.95L/min，若整个回路中总的泄漏按液压缸输入总量的10%计算，则液压油源所提供的总流量为1.1*14.95=16.4L/min。
综上，查设计手册，可以选择齿轮泵，型号CB-B20，具体参数见表3.5
表3.5CB-B20的技术参数
型号
额定流量
L/min
额定压力
MPa
额定转速
r/min
容积效率
ηv%
总效率
ηt%
压力脉动
MPa
噪声值
分贝
驱动功率
kw
重量
kg
CB-B20
20
2.5
1450
≥90
≥81
±0.15
67-70
1.02
4.8
图3-2CB-B20
3、电动机的选择：
由于液压缸在下降时输入功率最大，这时液压泵的工作压力为0.99MPa，流量为20L/min。
取液压泵驱动电动机所需的功率为
（3-10）
根据上述计算数据，此系统选YL100L1-4型交流电动机，其具体参数见表3.6。
表3.6YL100L1-4型电动机性能参数
产品类型
额定电压
额定功率
额定转速
单相异步电动机
220v
2.2kw
1400rpm
同时也可选用直流电动机，如168ZYT,其性能如下表：
表3.7168ZYT型电动机性能参数
产品类型
额定电压
额定功率
额定转速
有刷直流电动机
24v（48）
1.2kw
1500rmp
图3-3YL100L1-4型交流电动机图3-4168ZYT型直流电动机
3.4.2阀类元件和辅助元件的选择
3.4.2.1阀类元件的选择
根据上述流量及压力计算结果，对液压系统原理图中各类阀类元件及辅助元件进行选择。
对于单向顺序阀（靠近液压缸），由于顺序阀在液压缸下行时起到背压阀的作用，所以顺序阀的调定压力应大于背压值0.5MPa，选用AX-D6B型平衡阀,具体的各种型号见表3.7。
表3.7阀类元件性能
元件名称
型号
估计流量（L/min）
额定流量
（L/min）
最高使用压力
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