剪叉式液压升降机设计.doc
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液压升降台设计
1.前言
1.1课题研究的目的和意义
升降机是一种升降性能好，适用范围广的货物举升机构，可用于生产流水线高度差设备之间的货物运送，物料上线，下线，共件装配时部件的举升，大型机库上料，下料，仓储装卸等场所，与叉车等车辆配套使用，以及货物的快速装卸等。
它采用全液压系统控制，采用液压系统有以下特点：
（1）在同等的体积下，液压装置能比其他装置产生更多的动力，在同等的功率下，液压装置的体积小，重量轻，功率密度大，结构紧凑，液压马达的体积和重量只有同等功率电机的12%。
（2）液压装置工作比较平稳，由于重量轻，惯性小，反应快，液压装置易于实现快速启动，制动和频繁的换向。
（3）液压装置可在大范围内实现无级调速，（调速范围可达到2000），还可以在运行的过程中实现调速。
（4）液压传动易于实现自动化，他对液体压力，流量和流动方向易于进行调解或控制。
（5）液压装置易于实现过载保护。
（6）液压元件以实现了标准化，系列化，通用化，压也系统的设计制造和使用都比较方便。
当然液压技术还存在许多缺点，例如，液压在传动过程中有较多的能量损失，液压传动易泄露，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。
对油温变化比较敏感，液压元件制造精度要求较高，造价昂贵，出现故障不易找到原因，但在实际的应用中，可以通过有效的措施来减小不利因素带来的影响。
1.2国内研究状况及发展前景
我国的液压技术是在新中国成立以后才发展起来的。
自从1952年试制出我国第一个液压元件——齿轮泵起，迄今大致经历了仿制外国产品，自行设计开发和引进消化提高等几个阶段。
进年来，通过技术引进和科研攻关，产品水平也得到了提高，研制和生产出了一些具先进水平的产品。
目前，我国的液压技术已经能够为冶金、工程机械、机床、化工机械、纺织机械等部门提供品种比较齐全的产品。
但是，我国的液压技术在产品品种、数量及技术水平上，与国际水品以及主机行业的要求还有不少差距，每年还需要进口大量的液压元件。
今后，液压技术的发展将向着一下方向：
（1）提高元件性能，创制新型元件，体积不断缩小。
（2）高度的组合化，集成化，模块化。
（3）和微电子技术结合，走向智能化。
总之，液压工业在国民经济中的比重是很大的，他和气动技术常用来衡量一个国家的工业化水平。
2.工艺参数及工况分析
2.1升降机的工艺参数
本设计升降机为全液压系统，相关工艺参数为：
额定载荷：
2500kg最低高度：
500mm最大起升高度：
1500mm
最大高度：
1700mm平台尺寸：
4000x2000mm电源：
380v,50Hz
2.2工况分析
本升降机是一种升降性能好，适用范围广的货物举升机构，和用于生产流水线高度差设备之间的货物运送，物料上线、下线。
工件装配时调节工件高度，高出给料机运送，大型部件装配时的部件举升，大型机库上料、下料。
仓储，装卸场所，与叉车等装运车辆配套使用，即货物的快速装卸等。
该升降台主要有两部分组成：
机械系统和液压系统。
机械机构主要起传递和支撑作用，液压系统主要提供动力，他们两者共同作用实现升降机的功能。
3.升降机机械机构的设计和计算
3.1升降机机械结构形式和运动机理
根据升降机的平台尺寸，参考国内外同类产品的工艺参数可知，该升降机宜采用单双叉机构形式：
即有两个单叉机构升降台合并而成，有四个同步液压缸做同步运动，以达到升降机升降的目的。
其具体结构形式图3.1
图3.1所示即为该升降机的基本结构形式，其中1是工作平台，2是活动铰链，3为固定铰链，4为支架，5是液压缸，6为底座。
在1和6的活动铰链处设有滑道。
4主要起支撑作用和运动转化形式的作用，一方面支撑上顶板的载荷，一方面通过其铰接将液压缸的伸缩运动转化为平台的升降运动，1与载荷直接接触，将载荷转化为均布载荷，从而增强局部承载能力。
下底架主要起支撑和载荷传递作用，它不仅承担着整个升降机的重量，而且能将作用力传递到地基上。
通过这些机构的相互配合，实现升降机的稳定和可靠运行。
两支架在0点铰接，支架4上下端分别固定在平台和底座上，通过活塞杆的伸缩和铰接点0的作用实现货物的举升。
3.2升降机的机械结构和零件设计
3.2.1升降机结构参数的选择和确定
根据升降台的工艺参数和他的基本运动机理来确定支架4的长度和截面形状,升降台达要求高度时铰链a、b的距离其液压缸的工作行程。
设ab=x（），则4支架的长度可以确定为,即支架和地板垂直时的高度应大于,这样才能保证其最大升降高度达到，其运动过程中任意两个位置的示意图表示如下：
图3.4
设支架都在其中点处绞合，液压缸顶端与支架绞合点距离中点为t,根据其水平位置的几何位置关系可得：
.
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,取值偏小，则工作平台ab点承力过大，还会使支架的长度过长，造成受力情况不均匀。
X值偏小，则会使液压缸的行程偏大，并且会造成整个机构受力情况不均匀。
在该设计中，可以选择几个特殊值：
=0.4m,=0.6m,=0.8m，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）=0.4
支架长度为h=2-x/2=1.8m
=h/2=0.9m
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=0.9
升降台完全升起时，有几何关系可得到：
=
联合上述方程求得：
t=0.355m
l=0.545m
即液压缸活塞杆与2杆绞合点与2杆中心距为0.355m.活塞行程为0.545m
（2）=0.6
支架长度为=2-x/2=1.7m
=h/2=0.85m
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=0.9
升降台完全升起时，有几何关系可得到：
=
联合上述方程求得：
t=0.32m
l=0.53m
即液压缸活塞杆与2杆绞合点与2杆中心距为0.32m.活塞行程为0.53m
（3）=0.8
支架长度为=2-x/2=1.6m
=h/2=0.8m
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=0.9
升降台完全升起时，有几何关系可得到：
=
联合上述方程求得：
t=0.284m
l=0.516m
即液压缸活塞杆与2杆绞合点与2杆中心距为0.284m.活塞行程为0.516m
现在对上述情况分别进行受力分析：
（4）x=0.4m,受力图如下所示：
（5）x=0.6m,受力图如下所示
（6）x=0.8m,受力图如下所示
比较上述三种情况下的载荷分布状况，x 取小值，则升到顶端时，两相互绞合的支架间的间距越大，而此时升降台的载荷为均布载荷，有材料力学理论可知，此时两支架中点出所受到的弯曲应力为最大，可能会发生弯曲破坏，根据材料力学中提高梁的弯曲强度的措施
知，合理安排梁的受力情况，可以降低值，从而改善提高其承载能力。
分析上述x=0.4m.x=0.6m,x=0.8m时梁的受力情况和载荷分布情况，可以选择第二种情况，即x=0.6m时的结构作为升降机a的最终值，由此便可以确定其他相关参数如下：
t=0.32m.l=0.53m,h=1.7m
3.2.2升降机支架和下底板结构的确定3.2.2.1上顶板结构和强度校核
上顶板和载荷直接接触，其结构采用由若干根相互交叉垂直的热轧槽钢通过焊接形式焊接而成，然后在槽钢的四个侧面和上顶面上铺装4000x2000x3mm的钢板，其结构形式大致如下所示：
图3.7
沿平台的上顶面长度方向布置4根16号热轧槽钢，沿宽度方向布置6根10号热轧槽钢，组成上图所示的上顶板结构。
在最外缘延长度方向加工出安装上下支架的滑槽。
以便上下支架的安装。
滑槽的具体尺寸根据上下支架的具体尺寸和结构而定。
沿长度方向的4根16号热轧槽钢的结构参数为=,截面面积为，理论重量为，抗弯截面系数为。
沿宽度方向的6根10号热轧槽钢的结构参数为=,截面面积为，理论重量为，抗弯截面系数为。
其质量分别为：
4根16号热轧槽钢的质量为：
6根10号热轧槽钢的质量为：
菱形钢板质量为：
3.2.2.2强度校核
升降台上顶板的载荷是作用在一平台上的，可以认为是一均布载荷，由于该平板上铺装汽车钢板，其所受到的载荷为额定载荷和均布载荷之和，其载荷密度为：
F钢板和额定载荷重力之和。
单位N
l载荷的作用长度。
单位m,沿长度方向为16m,宽度方向为12m.
其中
带入数据得：
F=29604N
沿长度方向有：
带入数据有：
分析升降机的运动过程，可以发现在升降机刚要起升时和升降机达到最大高度时，会出现梁受弯矩最大的情况，故强度校核只需要分析该状态时的受力情况即可，校核如下：
其受力简图为：
该升降台有8个支架，共有8个支点，假设每个支点所受力为N，则平很方程可列为：
即
将N带入上式中：
根据受力图，其弯矩图如下所示：
AB段：
=1850-925（）
BC段：
=3700x-3145-925（）
CD段与AB段对称。
由弯矩图可知该过程中的最大弯矩为：
根据弯曲强度理论：
即梁的最大弯曲应力应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。
升降台升到最高位置时，分析过程如下：
与前述相同：
弯矩如下：
FA段：
（）
=925
AB段：
（）
=
BC段：
（）
=
CD段与AB段对称，AF段和DE段对称.
由弯矩图可知该过程中的最大弯矩为：
根据弯曲强度理论：
即梁的最大弯曲应力应小于其许用弯曲应力。
式中：
W抗弯截面系数单位沿长度方向为16号热轧槽钢
钢的屈服极限
n安全系数n=3
代入数据：
=
由计算可知，沿平台长度方向上4根16号热轧槽钢完全可以保证升降台的强度要求。
同样分析沿宽度方向的强度要求：
均布载荷强度为：
F钢板及16号槽钢与载荷重力
l载荷作用长度2x6=12m
带入相关数据，
受力图和弯矩图如下所示：
（）
=
由弯矩图知：
最大弯曲应力为：
故宽度方向也满足强度要求。
3.2.2.3支架的结构
支架由8根形状基本相同的截面为矩形的钢柱组成，在支架的顶端和末端分别加工出圆柱状的短轴，以便支架的安装。
支架在升降机结构中的主要功能为载荷支撑和运动转化，将液压缸的伸缩运动，通过与其铰合的支点转化为平台的升降运动，支架的结构除应满足安装要求外，还应保证有足够的刚度和强度，一时期在升降运动中能够平稳安全运行。
每根支架的上顶端承受的作用力设为N.则有等式：
求得：
N=3848N
分析支架的运动形式和受力情况，发现支架在运动过程中受力情况比较复杂，它与另一支架铰合点给予底座的固定点的受里均为大小和方向为未知的矢量，故该问题为超静定理论问题，已经超出本文的讨论范围，本着定性分析和提高效率的原则，再次宜简化处理，简化的原则时去次留主，即将主要的力和重要的力在计算中保留，而将对梁的变形没有很大影响的力忽略不计，再不改变其原有性质的情况下可以这样处理。
根据甘原则，再次对制假所收的力进行分析，可以看出与液压缸顶杆联结点的力为之家所受到的最主要的力，它不仅受液压缸的推力，而且还将受到上顶班所传递的作用力，因此，与液压缸顶杆相连接的支架所厚道的上顶板的力为它所受到的最主要的力，在此，将其他的力忽略，只计算上顶板承受的由载荷和自重所传递的载荷力。
计算简图如下所示：
图3.11
所产生的弯矩为：
每个支架的支点对上顶板的作用力单位N
L液压缸与支架铰合点距支点之间的距离单位m
代入数据：
假定改支架为截面为长为a,宽为b的长方形，则其强度应满足的要求是：
式中：
M支架上所受到的弯矩单位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：
上式表明：
只要截面为a,b的长方形满足条件，则可以满足强度要求，取，则其符合强度要求。
这些钢柱的质量为：
支架的结构还应该考虑装配要求，液压缸活塞杆顶端与支架采用耳轴结构连接，因此应在两支架之间加装支板，以满足动力传递要求。
3.2.2.4升降机底座的设计和校核
升降机底座在整个机构中支撑着平台的全部重量，并将其传递到地基上，他的设计重点是满足强度要求即可，保证在升降机升降过程中不会被压溃即可，不会发生过大大变形，其具体参数见装配图。
4.升降机系统的设计要求
液压系统的设计在本升降台的设计中主要是液压传动系统的设计，它与主机的设计是紧密相关的，往往要同时进行，所设计的液压系统应符合主机的拖动、循环要求。
还应满足组成结构简单，工作安全可靠，操纵维护方便，经济性好等条件。
本升降台对液压系统的设计要求可以总结如下：
升降台的升降运动采用液压传动，可选用远程或无线控制，升降机的升降运动由液压缸的伸缩运动经转化而成为平台的起降，其工作负载变化范围为0~~~2500Kg，负载平稳，工作过程中无冲击载荷作用，运行速度较低，液压执行元件有四组液压缸实现同步运动，要求其工作平稳，结构合理，安全性优良，使用于各种不同场合，工作精度要求一般.
5.执行元件速度和载荷
5.1执行元件类型、数量和安装位置
类型选择：
表5.1执行元件类型的选择
运动形式
往复直线运动
回转运动
往复摆动
短行程
长行程
高速
低速
摆动液压马达
执行元件的类型
活塞缸
柱塞缸
液压马达和丝杠螺母机构
高速液压马达
低速液压马达
根据上表选择执行元件类型为活塞缸，再根据其运动要求进一步选择液压缸类型为双作用单活塞杆无缓冲式液压缸，其符号为：
图5.1
数量：
该升降平台为双单叉结构，故其采用的液压缸数量为4个完全相同的液压缸，其运动完全是同步的，但其精度要求不是很高。
安装位置：
液压缸的安装方式为耳环型，尾部单耳环，气缸体可以在垂直面内摆动，安装的位置为图3.6所示的前后两固定支架之间的横梁之上，横梁和支架组成为一体，通过横梁活塞的推力逐次向外传递，使升降机升降。
5.2速度和载荷计算
5.2.1速度计算及速度变化规律
参考国内升降台类产品的技术参数可知。
最大起升高度为1500mm时，其平均起升时间为45s，就是从液压缸活塞开始运动到活塞行程末端所用时间大约为45s，设本升降台的最小气升降时间为40s,最大起升时间为50s，由此便可以计算执行元件的速度v:
式中：
v执行元件的速度单位m/s
L液压缸的行程单位m
t时间单位s
当时：
=0.01325
当时：
液压缸的速度在整个行程过程中都比较平稳，无明显变化，在起升的初始阶段到运行稳定阶段，其间有一段加速阶段，该加速阶段加速度比较小，因此速度变化不明显，形成终了时，有一个减速阶段，减速阶段加速度亦比较小，因此可以说升降机在整个工作过程中无明显的加减速阶段，其运动速度比较平稳。
5.2.2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，油缸要运动必须克服其阻力才能运行，因此在次计算油缸的总阻力即可，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：
（1）切削力。
根据其概念：
阻碍工作运动的力，在本设计中即为额定负载的重力和支架以及上顶板的重力：
其计算式为：
（2）摩擦力。
各运动部件之间的相互摩擦力由于运动部件之间为无润滑的钢-钢之间的接触摩擦，取，
其具体计算式为：
式中各符号意义同第三章。
（3）密封装置的密封阻力。
根据密封装置的不同，分别采用下式计算：
O形密封圈：
液压缸的推力
Y形密封圈：
f摩擦系数，取
p密封处的工作压力单位Pa
d密封处的直径单位m
密封圈有效高度单位m
密封摩擦力也可以采用经验公式计算，一般取
（4）运动部件的惯性力。
其计算式为：
式中：
G运动部件的总重力单位N
g重力加速度单位
启动或制动时的速度变量单位m/s
起动制动所需要的时间单位s
对于行走机械取，本设计中取值为
（5）背压力。
背压力在此次计算中忽略，而将其计入液压系统的效率之中。
由上述说明可以计算出液压缸的总阻力为：
=
=（204.8+316+120+188+2500）x9.8+0.15（204.8+316+120）x9.8+（204.8+316+120+188+2500）x0.4+（204.8+316+120+188+2500）9.80.05
=40KN
液压缸的总负载为40KN，该系统中共有四个液压缸个液压缸，故每个液压缸需要克服的阻力为10KN。
该升降台的额定载荷为2500Kg，其负载变化范围为0—2500Kg，在工作过程中无冲击负载的作用，负载在工作过程中无变化，也就是该升降台受恒定负载的作用。
6.液压系统主要参数的确定
6.1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）
<5
5-10
10-20
20-30
30-50
>50
工作压力P（MPa）
<0.8-10
1.5-2
2.5-3
3-4
4-5
>5-7
由于该液压缸的推力即牵引力为10KN，根据上表，可以初步确定液压缸的工作压力为：
p=2MPa。
6.2液压执行元件的主要参数
6.2.1液压缸的作用力
液压缸的作用力及时液压缸的工作是的推力或拉力，该升降台工作时液压缸产生向上的推力，因此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活塞内径单位m0.09m
液压缸的效率0.95
代入数据:
F=
F=10.3KN
即液压缸工作时产生的推力为10.3KN。
表6.1
6.2.2缸筒内径的确定
该液压缸宜按照推力要求来计算缸筒内经，计算式如下：
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单位m
F无杆腔推力单位N
P工作压力单位MPa
液压缸机械效率0.95
代入数据：
D==0.083m
D=83mm取圆整值为D=90mm
液压缸的内径，活塞的的外径要取标注值是因为活塞和活塞杆还要有其它的零件相互配合，如密封圈等，而这些零件已经标准化，有专门的生产厂家，故活塞和液压缸的内径也应该标准化，以便选用标准件。
6.2.3活塞杆直径的确定
（1）活塞杆直径根据受力情况和液压缸的结构形式来确定
受拉时：
受压时：
该液压缸的工作压力为为：
p=2MPa,<5MPa,取d=0.5D,d=45mm。
（2）活塞杆的强度计算
活塞杆在稳定情况下，如果只受推力或拉力，可以近似的用直杆承受拉压载荷的简单强度计算公式进行：
式中：
F活塞杆的推力单位N
d活塞杆直径单位m
材料的许用应力单位MPa活塞杆用45号钢
代入数据：
=6.3MPa<
活塞杆的强度满足要求。
（3）稳定性校核
该活塞杆不受偏心载荷，按照等截面法，将活塞杆和缸体视为一体，其细长比为：
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：
升级会员 