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金 華 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院
JINHUA COLLEGE OF PROFESSION AND TECHNOLOGY
畢業(yè)綜合項目成果
（20 屆）
物流液壓升降機設計
題 目
學 院
專 業(yè)
班 級
學 號
姓 名
指導教師
年 月 日
物流液壓升降機設計
**學院**專業(yè) 學生姓名
摘要：升降機不論是在工業(yè)生產(chǎn)還是我們的日常生活中都有著重要的作用。給我們帶來的利益是非常的多。升降機的功能特色是非常多的，在我們生活中我們在很多的商務大廈都會用到電梯，升降機就如電梯的性能大同小異，我們在使用升降機的時候也可以針對自己的需求對升降機進行設置。
根據(jù)本課題的研究是適用于高處物料升降運送。根據(jù)實際需求擬采取如下：選擇液壓缸為動力，以剪叉式為傳動形式，主體機構(gòu)采用剪叉式結(jié)構(gòu)設計。對剪叉式升降機關(guān)鍵零部件進行設計計算與校核，經(jīng)過驗證能實現(xiàn)預期的設計目標和要求。
關(guān)鍵詞：升降機，物料升降，剪叉式，升降機，結(jié)構(gòu)設計
5
Abstract：Lifting platform in the industrial production and our daily life plays an important role. The benefit which brings to us is very much. The functional characteristics of the lifting platform is very much, in our lives we in many commercial buildings will be used in the lift, lifting platform as the elevator performance very much the same, we can also according to their own needs for lifting platform settings when using a lifting platform.
According to the research on this topic is applicable to high material elevator. According to the actual demand to be taken are as follows: the selection of hydraulic cylinder as the power, the scissor transmission form, scissor structure design of the main mechanism. Design calculation and checking of scissors elevating platform of key parts and components, after the design objectives and requirements verification can achieve the desired.
Key Words: Lifting platform, material lift, scissor, lifting platform, structure design
金華職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)綜合項目成果
目 錄
摘要 1
1 緒論 6
1.1 升降機在生產(chǎn)和生活中的作用和意義 6
1.2 升降機國內(nèi)研究發(fā)展情況 6
1.3 升降機國外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨向 8
1.4 課題條件 9
2 剪叉式升降機結(jié)構(gòu)設計計算 11
2.1 升降機構(gòu)的設計 11
2.1.1 升降機構(gòu)形式的選擇 11
2.1.2 直接推動式升降機構(gòu) 11
2.1.3 連桿組合式升降機構(gòu) 11
2.2 升降機的兩種機構(gòu)形式 13
2.3 升降機機構(gòu)中三種液壓缸布置方式的分析比較 14
2.3.1 問題的提出 14
2.3.2 三種方案的分析和比較 15
2.4 剪叉式升降機結(jié)構(gòu)分析 16
2.5 剪叉式升降機的運動分析 17
2.6 剪叉式升降機的動力分析 20
2.7 剪叉式升降機參數(shù)的確定 21
2.7.1 基本幾何尺寸的確定 21
2.7.2 液壓缸推力T及行程S的確定 21
2.8 剪叉式升降機的校核 22
2.8.1 各鉸接點的受力分析 22
2.8.2 各鉸接點銷的選擇與校核 24
2.8.3 油缸作用處桿件尺寸的確定與校核 25
2.9 強度校核 26
2.9.1 剪叉臂的強度校核 26
2.9.2 液壓缸底架固定橫梁的強度校核 29
2.10 軸的強度校核 32
2.10.1 內(nèi)剪叉臂固定端銷軸的強度校核 32
2.10.2 液壓缸缸體尾部銷軸的強度校核 32
2.10.3 液壓缸活塞桿頭部支撐軸的強度校核 33
3 液壓傳動系統(tǒng)的設計計算 34
3.1 明確設計要求 制定基本方案 34
3.2 制定液壓系統(tǒng)的基本方案 34
3.2.1 確定液壓執(zhí)行元件的形式[14] 34
3.2.2 確定液壓缸的類型 35
3.2.3 確定液壓缸的安裝方式 36
3.2.4 缸蓋聯(lián)接的類型 36
3.2.5 擬訂液壓執(zhí)行元件運動控制回路 36
3.2.6 液壓源系統(tǒng) 36
3.3 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)[15] 36
3.3.1 載荷的組成與計算： 37
3.3.2 初選系統(tǒng)壓力 39
3.3.3 計算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸 39
3.3.4 確定液壓泵的參數(shù)[18] 41
3.3.5 管道尺寸的確定 42
3.3.6 油箱容量的確定 43
3.4 液壓缸主要零件結(jié)構(gòu)、材料及技術(shù)要求 43
3.4.1 缸體 43
3.4.2 活塞 44
3.4.3 活塞桿 45
3.4.4 活塞桿的導向、密封和防塵 46
3.4.5 液壓缸的排氣裝置 46
3.4.6 液壓缸安裝聯(lián)接部分的型式及尺寸 47
3.4.7 液壓系統(tǒng)的設計 47
3.5 本章小結(jié) 49
4 剪叉式升降機結(jié)構(gòu)設計的運動學分析 50
4.1 運動學分析的簡介 50
4.2 位移、速度及加速度分析 51
4.2.1 主運動分析 51
4.2.2 位移曲線 52
4.2.3 速度曲線 53
4.2.4 加速度曲線 53
總結(jié) 55
致 謝 56
參考文獻 57
1 緒論
1.1 升降機在生產(chǎn)和生活中的作用和意義
升降機不論是在工業(yè)生產(chǎn)還是我們的日常生活中都有著重要的作用。給我們帶來的利益是非常的多。升降機的功能特色是非常多的，在我們生活中我們在很多的商務大廈都會用到電梯，升降機就如電梯的性能大同小異，我們在使用升降機的時候也可以針對自己的需求對升降機進行設置?？梢娚禉C對我們作用是相當?shù)拇蟆?
升降機在我們生產(chǎn)中的應用已經(jīng)非常的普遍了，而且在我們生產(chǎn)中有著重要的作用，尤其是貨物高空操作。
現(xiàn)在經(jīng)濟不斷的發(fā)展，順應社會的需求，生產(chǎn)力不斷的加大，而且現(xiàn)在高空操作也是比較多的，所以升降機在我們進行高空操作的時候就給我們帶來的重要的作用。
升降機就是上下操作，而且可以給我們提供一個安全穩(wěn)定的機。我們在高空作業(yè)的時候可以給我們的安全提供保障。
升降機不僅在生產(chǎn)中有著重要的作用，在我們生活中的應用也是非常的重要的，而且非常的普及。在酒店、賓館、影院等等公共休閑娛樂場所我們都知道干凈舒適是第一，所以保持干凈是我們必須的。升降機在這里清潔、燈具維修換修、設備的調(diào)試安裝維護保養(yǎng)都是非常的重要的。
1.2 升降機國內(nèi)研究發(fā)展情況
自改革開放三十年，中國的城市建設和發(fā)展的突飛猛進，在中國的升降機產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，升降機做為人們的出行的垂直運輸工具已經(jīng)隨處可見。引進外資，合作辦廠在1978，十一的第三次全體會議上的一項重大決策和改革開放。我公司自主研發(fā)，生產(chǎn)，升降機的發(fā)展階段，外國資本運行升降機廠引進安裝升降機，從合資企業(yè)大量。如：成立于1980年7月4日中國迅達電梯升降機的有限公司，是由中國建設機械總公司，股份有限公司，香港怡和迅達瑞士迅達（遠東）股份有限公司3的合資企業(yè)，這是中國機械行業(yè)的第一家合資企業(yè)自改革開放以來。公司在中國設立的升降機行業(yè)掀起了1984年12月1日的繁榮，引進外資；天津市機公司，中國國際信托投資公司和美國美國奧的斯電梯升降機公司合資組建的天津奧的斯電梯升降機有限公司正式成立。
引進外資，合作辦廠，不僅有利于中國地方升降機產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，也為中國的城市的發(fā)展產(chǎn)生重大而深遠的影響。從1979以來，升降機，生產(chǎn)已越來越快：不僅如此，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著的變化：直流升降機老已被淘汰，交流雙速電梯，調(diào)壓調(diào)速交流調(diào)速梯逐漸取代VVVF交流變頻調(diào)速電梯控制系統(tǒng)機，已在PLC和微機控制技術(shù)的采用，最高的梯形速度已達到4m/s；行業(yè)出現(xiàn)了翻天覆地的變化：企業(yè)生產(chǎn)條件的升降機，員工的素質(zhì)，管理水平有了很大的提高。為什么我們的技術(shù)提高很快，這不能不歸功以經(jīng)濟建設為確定在第三屆十一中心的一般原則。沒有大規(guī)模的經(jīng)濟建設，沒有升降機市場的今天，就不會有今天的自然升降機產(chǎn)業(yè)。其次，由于改革開放政策。改革開放后，黨中央和國家在上海，寧波，溫州，福州，廣州，委員會，作為一個城市區(qū)。自1985以來，先后在長江三角洲，珠江三角洲，福建東南部和渤海地區(qū)開辟經(jīng)濟開放區(qū)。根據(jù)升降機產(chǎn)業(yè)的特殊性，這些地區(qū)將成為中國工業(yè)發(fā)展集中升降機。
隨著大量的升降機企業(yè)的建立，中國升降機產(chǎn)業(yè)在技術(shù)，管理規(guī)范了。1984六月，中國建筑機械制造商協(xié)會升降機分公司工程機械協(xié)會成立大會在西安市舉行的三個分會，升降機，也是中國現(xiàn)在升降機會的前身。1986年1月1日，“中國升降機”建設機械制造商協(xié)會建設機械協(xié)會更名為“中國工程機械工業(yè)協(xié)會升降機，升降協(xié)會”的兩級協(xié)會機會升級，這是在升降機業(yè)發(fā)展史上的里程碑。從舉升機行業(yè)有自己的行業(yè)組織。1987，國家標準GB 7588-87”提升的建造和安裝的安全規(guī)則”機發(fā)行。標準歐洲標準EN81-1”提升為建筑安裝“機安全規(guī)定（1985修訂版，十二月）。本標準的意義是對制造和安裝質(zhì)量與升降機的保護很重要。改革的第一個十年對外開放是提升產(chǎn)業(yè)的萌芽時期的升降機的初級階段，產(chǎn)業(yè)鏈形成的機。穩(wěn)步發(fā)展，創(chuàng)新改革開放的第二到十年可以說是中國提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展機后，十年的創(chuàng)新。改革開放后的第一個十年內(nèi)，中國的升降機產(chǎn)業(yè)的同時吸收新技術(shù)國際升降機，相關(guān)的管理系統(tǒng)也在不斷的完善。
改革開放以來，我國的城市建設和發(fā)展的突飛猛進，更加有利于推動我國的升降機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，已在1997的平面與上一年總產(chǎn)出的升降機，良好的結(jié)果的持續(xù)增長，總產(chǎn)值，這證明了我們的升降機產(chǎn)業(yè)比較成熟，有能力適應市場變化，抓住機遇，有了很大的提高。1998，升降機，蘇州江南升降機有限，國家的自動扶梯和自動人行道的品牌已銷往馬來西亞，泰國，菲律賓，印度尼西亞，新加坡，阿拉伯聯(lián)合酋長國，孟加拉國，埃及，敘利亞，土耳其，阿根廷，澳大利亞，德國，英國，荷蘭，意大利，葡萄牙，希臘和其他近20個國家和我國臺灣澳門地區(qū)，升降機，生產(chǎn)超過30200臺。迅速改變隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市建設的不斷完善，升降機不僅在高檔商務寫字樓，大酒店商場存在，蔓延到高層住宅樓，一個角落也走進了人們的生活，成為城市建設中不可缺少的垂直交通工具中國有1300000000人口，與升降機的人均量的1／3的世界平均水平的1/10，發(fā)達。升降機巨大的市場吸引了幾乎所有的升降機的業(yè)務關(guān)系。2007，中國政府頒布了一系列的經(jīng)濟政策，加強宏觀調(diào)控，升降機市場逐漸趨于穩(wěn)定和規(guī)范化的軌道。
1.3 升降機國外發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨向
近20年世界工程升降機行業(yè)發(fā)生了很大變化。RT(越野輪胎升降機)和AT(全地面升降機)產(chǎn)品的迅速發(fā)展，打破了原有產(chǎn)品與市場格局，在經(jīng)濟發(fā)展及市場激烈競爭沖擊下，導致世界工程升降機市場進一步趨向一體化。目前世界工程升降機年銷售額已達75億美元左右。主要生產(chǎn)國為美國、日本、德國、法國、意大利等，世界頂級公司有10多家，主要集中在北美、日本（亞洲）和歐洲。美國既是工程升降機的主要生產(chǎn)國，又是最大的世界市場之一。但由于日本、德國升降機工業(yè)的迅速發(fā)展及RT和AT產(chǎn)品的興起，美國廠商曾在20世紀60～70年代世界市場中占有的主導地位正逐步受到削弱，從而形成美國、日本和德國三足鼎立之勢。近幾年美國經(jīng)濟回升，市場活躍，外國廠商紛紛參與競爭。美國制造商的實力也有所增強，特雷克斯升降機公司的崛起即是例證。特雷克斯升降機公司前身是美國科林升降機廠。1995年以來，其通過一系列的兼并活動，已發(fā)展成為世界頂級公司之一。日本從20世紀70年代起成為工程升降機生產(chǎn)大國，產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量提高很快，已出口到歐美市場，年總產(chǎn)量居世界第一。自1992年以來，由于受日元升值、國內(nèi)基建投資下降和亞洲金融危機影響，年產(chǎn)量呈下降趨勢。目前日本市場年需求量為3000臺左右。歐洲是潛力很大的市場，歐洲各工業(yè)國既是工程升降機的出口國，也是重要的進口國。德國是最大的歐洲市場，其次為英國、法國、意大利等國。在德國AT產(chǎn)品市場份額中，利勃海爾占53%，格魯夫占 16%，德馬泰克占14%，多田野和特雷克斯各占10%和5%左右。
多數(shù)廠商在爭奪上述市場的同時，還努力擴大產(chǎn)品系列。格魯夫公司的汽車升降機和RT產(chǎn)品具有競爭優(yōu)勢，購買克虜伯公司后，在AT產(chǎn)品方面也頗具實力，該公司還準備生產(chǎn)履帶式升降機。馬尼突沃克公司已在履帶式升降機行業(yè)居支配地位，但也希望在其他升降機產(chǎn)品領域取得相同影響力。以往升降機廠商的某些合作，大多集中于營銷協(xié)定或許可證貿(mào)易協(xié)定。許可證貿(mào)易要比全面并購方式開展早，風險也小，在行業(yè)中已有先例。但按許可證協(xié)定進行制造,往往在期滿后因產(chǎn)權(quán)爭議而告終。特雷克斯與日本IHI公司有歷史聯(lián)系，至今特雷克斯還提供涂裝AmericanCrane公司產(chǎn)品標志的IHI履帶式升降機升降機。有人會將特雷克斯與IHI的合作看作許可證貿(mào)易行得通的例證。但此類協(xié)定難以持久，其結(jié)果無非是特雷克斯要求加強對IHI公司的控制，或者謀求獨立生產(chǎn)履帶式升降機。IHI目前尚未建立北美市場份額，僅起分承包商作用。英國格魯夫公司從1999年開始銷售神鋼履帶式升降機和城市型升降機。多田野和日立建機公司 在 1978年簽訂的相互提供產(chǎn)品、擴展雙方產(chǎn)品系列的合作協(xié)議，收效不大。在國內(nèi)市場萎縮情況下，日立建機于1999年2月宣布，將再次考慮 擴大流動式升降機生產(chǎn)與銷售領域與多田野的合作。而多田野公司則希望能擁有一家美國制造基地，但目前時機尚未成熟。擁有多種類型產(chǎn)品可使收入多樣化。特雷克斯公司既經(jīng)營采礦設備又經(jīng)營起重搬運設備，起重搬運設備包括AT和RT產(chǎn)品、汽車升降機、履帶式升降機、塔機等。林克?貝爾特公司基于其生產(chǎn)挖掘機的經(jīng)驗，成為首先將技術(shù)應用于桁架臂式 升降機的廠商之一。但目前住友公司已將其在日本和美國的升降機與挖掘機企業(yè)(包括林克?貝爾特)分開，其依據(jù)是升降機和挖掘機屬于不同行業(yè)。利勃海爾既生產(chǎn)挖掘機，也生產(chǎn)流動式升降機和塔式升降機，還在愛爾蘭生產(chǎn)集裝箱搬運升降機，其旗下各企業(yè)均為單獨實體。
1.4 課題條件
升降機在現(xiàn)代物流、航空裝卸、大型設備的制造與維護等場合廣泛應用。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，科學技術(shù)的進步，社會競爭也越來越激烈，為了提高企業(yè)生產(chǎn)速度，減輕工人的勞動強度，并且實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，人們設計了可以減少人力物力并且能夠出色完成任務的升降機。升降機的種類比較繁多，根據(jù)不同的用途、升降機的結(jié)構(gòu)、動力傳遞形式以及規(guī)格會有不同的選擇和設計。
機械傳動方式的特點是零件加工相對要求不高、結(jié)構(gòu)較簡單、加工容易、維修方便、適應環(huán)境能力強、抗沖擊性能好、可實現(xiàn)準確到位，并有自鎖功能、不污染環(huán)境。研制安全、可靠的電機驅(qū)動的剪叉式升降機，將有利于保證高空作業(yè)的安全，具有一定的實用價值。
具體研究內(nèi)容及要求包括：
1. 查找相關(guān)文獻，分析升降機的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。
2. 設計剪叉式升降機的機械結(jié)構(gòu)，并根據(jù)設計要求選用元器件和校核結(jié)構(gòu)件強度。
3. 對剪叉式升降機進行進行運動學和動力學分析。
主要技術(shù)指標：
1. 完成剪叉式升降機的機械結(jié)構(gòu)設計及運動分析。
2. 完成直角坐標機械手的元器件選型。
3. 剪叉式升降機升降高度5米，承載重量1噸。
4. 完成2張A0圖紙，并完成設計報告和資料翻譯。
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2 剪叉式升降機結(jié)構(gòu)設計計算
2.1 升降機構(gòu)的設計
2.1.1 升降機構(gòu)形式的選擇
升降機構(gòu)分為兩大類：直推式和連桿組合式，它們均采用液體壓力作為升降動力。
直推式升降機構(gòu)利用液壓油缸直接升降車廂傾卸。該機構(gòu)布置簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、升降效率高。但由于液壓油缸工作行程長，故一般要求采用單作用的2級或3級伸縮式套筒油缸。
2.1.2 直接推動式升降機構(gòu)
油缸直接作用在車廂底板上的升降機構(gòu)稱為直接推動式升降機構(gòu)，簡稱直推式升降機構(gòu)。按升降點在車廂底板下表面的位置，該類升降機構(gòu)又可分為油缸中置(圖2-1a)和油缸前置(圖2-1b)兩種型式。前者油缸支在車廂中部，油缸行程較小，油缸的升降力較大，多采用雙缸雙柱式油缸；后者的油缸支在車廂前部，油缸的升降力較小，油缸行程較大，一般用于重型升降機上，油缸則通常采用多級伸縮油缸。
圖2-1 直接推送式升降機構(gòu)
Fig.2-1 The lifting mechanism of direct-push model
2.1.3 連桿組合式升降機構(gòu)
油缸與車廂底板之間通過連桿機構(gòu)連接的升降結(jié)構(gòu)稱為連桿組合式升降機構(gòu)。生產(chǎn)實踐表明，連桿組臺式升降機構(gòu)具有很大的優(yōu)越性。根據(jù)油缸的安裝特點，連桿組臺式升降機構(gòu)又可分為油缸前推(后推)連桿放大式、油缸前推(后推)杠桿平衡式、油缸浮動等多種結(jié)構(gòu)型式。
（1）油缸前推連桿放大式(馬勒里式)升降機構(gòu)
該種升降機構(gòu)(圖2-2所示)通過三角板與車廂底板相連，車廂的升降支點較靠近車廂的前部，故車廂受力狀況較好；當達到最大升降角度時，油缸幾乎處于垂直狀態(tài)，車廂上升到最置不易傾下，穩(wěn)定性好；油缸最大推力較小，油壓特性好。但整個機構(gòu)較龐大，油缸在升降過程中的擺角較大，工作行程較大。
圖2-2 前推連桿放大式升降機構(gòu)
Fig.2-2The lifting mechanism of lever magnify model from the forward
（2）油缸前推杠桿平衡式升降機構(gòu)
該種升降機構(gòu)(圖2-3所示)通過拉桿與車廂底板相連，升降支點較靠近車廂的前部，故車廂受力狀況較好；初始時拉桿幾乎是垂直頂起車廂，因此機構(gòu)運動性能好。但該機構(gòu)三角形連桿的幾何尺寸較大，結(jié)構(gòu)不緊湊，油缸擺角較大，工作行程較大，液壓管路不易布置。
圖2-3前推杠桿平衡式升降機構(gòu)
Fig.2-3The lifting mechanism of lever balance model from the front
（3）油缸后推連桿放大式(加伍德式)升降機構(gòu)
該種升降機構(gòu)(圖2-4所示)通過三角板與車廂底板相連推動車廂，啟動性能較好，并能承受較大的偏置載荷；升降支點在車廂幾何中心附近，車廂受力狀況較好。但該機構(gòu)升降力系數(shù)較大，工作效率較低。
圖2-4 后推連桿放大式升降機構(gòu)
Fig.2-4 The lifting mechanism of lever magnitude model from the behind
（4）油缸后推杠桿平衡式升降機構(gòu)
該種升降機構(gòu)(圖2-5所示)的油缸下鉸點、三角板的固定鉸點、車廂翻轉(zhuǎn)鉸點幾乎均勻分布在副車架上，減少了車架后部的集中載荷；同時，這種三點支承方式有利于改善機構(gòu)的整體橫向剛性。升降過程中油缸擺角小，機構(gòu)的工作效率也較高，但機構(gòu)升降力系數(shù)較大，使相同升降質(zhì)量所需升降力較其他升降機構(gòu)大。
圖2-5 后推杠桿平衡式升降機構(gòu)
Fig.2-5The lifting mechanism of lever balance model from the behind
（5）油缸浮動式升降機構(gòu)
圖2-6 油缸浮動式升降機構(gòu)
Fig.2-6 The lifting mechanism of float model
該種機構(gòu)(圖2-6所示)油缸的一端直接與車廂底板相連，另一端不是固定在車架上，而是可以隨著車廂的翻轉(zhuǎn)而運動，故稱為油缸浮動式升降機構(gòu) 該機構(gòu)的拉桿也與車廂底板直接相連，升降支點較靠近車廂的前部，故車廂受力狀況較好，工作效率較高。但該機構(gòu)幾何尺寸較大，結(jié)構(gòu)不緊湊,升降過程中油缸擺角較大，使得液壓管路難于布置。
由以上分析可知，現(xiàn)在的液壓升降機構(gòu)有多種型式，每種型式的性能各有千秋，要因車而異，合理選用，選用的原則是:首先必須充分考慮車輛的使用條件和環(huán)境；其次要考慮制造工藝；最后要兼顧成本。
2.2 升降機的兩種機構(gòu)形式
圖2-1 機構(gòu)一
圖2-2 機構(gòu)二
升降機的兩種機構(gòu)形式如圖2-1和圖2-2所示，它們只是兩側(cè)相同機構(gòu)的一側(cè)。由以上兩圖可看出，機構(gòu)一（圖2-1）是全部為固定鉸支座的兩平行桿同步運動的結(jié)構(gòu)，機構(gòu)二（圖2-2）是兩固定鉸支座和兩個滑動鉸支座的剪叉式結(jié)構(gòu)。這兩種機構(gòu)都可以實現(xiàn)上板臺面升降的運動，但相比較之下，機構(gòu)一有三點不足：
a) 機構(gòu)一在升降過程中上板不僅有豎直方向的位移變化，而且還有水平方向的位移變化，而機構(gòu)二的上板在升降過程中只有豎直方向的位移變化。這樣，在總體尺寸一樣的情況下，機構(gòu)二升降時所需的空間較小。
b) 機構(gòu)一在升降的過程中，所載物體的質(zhì)心相對機構(gòu)的支撐中心的變化很大，這樣就要求更大的動力，即要求推力更大的液壓缸。結(jié)果會增加安裝尺寸和生產(chǎn)成本。
c) 機構(gòu)一的穩(wěn)定性沒有機構(gòu)二的對角雙三角的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好。
綜上所述，機構(gòu)二較機構(gòu)一更合理。所以，在結(jié)構(gòu)上選擇機構(gòu)二。
2.3 升降機機構(gòu)中三種液壓缸布置方式的分析比較
2.3.1 問題的提出
液壓缸的布置方式主要包括液壓缸對機構(gòu)的作用力（動力）點位置及液壓缸的起始安裝角度等。
在機構(gòu)確定的情況下，動力的作用點是關(guān)系所需動力大小的關(guān)鍵。而升降機的動力由液壓缸提供，因此，作用點的位置直接關(guān)系液壓缸的選擇。此外，液壓缸的安裝起始角度也對所需動力大小有較大影響。
總之，液壓缸的布置方式是設計的一個重要環(huán)節(jié)，是設計成功與否的關(guān)鍵之一。那么液壓缸究竟選擇怎樣的布置方式？
2.3.2 三種方案的分析和比較
以下是液壓缸的三種布置方式，如圖2-3，圖2-4，圖2-5所示，基于剪叉式機構(gòu)的優(yōu)點，它們都是采用剪叉式機構(gòu)，可以看做三種方案：
方案一（圖2-3）：液壓缸的一端在底座的固定鉸支座上，另一端支撐在支架1上靠近滾動鉸支座的位置。當兩支架幾乎處于水平位置時，液壓缸與底座的夾角很小，這時要把臺面升起就需要液壓缸提供很大的推力，甚至不能把臺面升起。此外，液壓缸的布置需要在底座長度比支架還更長的基礎上額外地加長底座，這樣就需要跟多的底座材料。
方案二（圖2-4）：液壓缸的一端在底座的固定鉸支座上，另一端支撐在支架1與支架2的鉸支軸上。當兩支架幾乎處于水平位置時，液壓缸與底座的夾角也很小，這時要把臺面升起也需要液壓缸提供很大的推力。雖然液壓缸推動支架的力臂會隨著臺面的升起而迅速增大，從而使所需的液壓缸的推力迅速減小。然而，同時也使液壓缸的行程增加迅速增加，最終就需要大行程的液壓缸，而液壓缸的布置需要更大的長度空間，可能在液壓缸完全收縮時支架仍不能完全收回，造成臺面的高度過高。
方案三（圖2-5）：液壓缸的一端在底座的固定鉸支座上，另一端支撐在與支架2成一定角度且同固定鉸支座的桿上。這樣，當兩支架處于水平位置時，液壓缸與底座仍有一定夾角，且>>，這時要把臺面升起所需要液壓缸提供的推力就會比前兩種布置的推力小很多。雖然液壓缸推動支架的力臂隨著臺面的升起而增大幅度沒有方案二的快，即使所需的液壓缸的推力減小更平緩。然而，同時液壓缸的行程增加也比較平緩，最終所需要的液壓缸行程也不會很大，布置液壓缸的空間也是足夠的。因此，在稍微增加了液壓缸推力的同時獲得了更多的優(yōu)點。
圖2-3 方案一
圖2-4 方案二
圖2-5 方案三
綜上所述，方案三是升降機設計的最佳方案（如圖2-5所示）。
2.4 剪叉式升降機結(jié)構(gòu)分析
為了保證操作人員在工作機上更加安全，剪叉臂與水平的最大允許角度為45°。因此，每一層上升的最大高度為1.25m，要使升降機能夠上升到5m的高度，至少需要4層剪叉臂，1.254=5m,這樣就達到了5m的高度。
如圖4.1所示，臂AE、CE、BD、BF均相等，剪叉臂AE和BF通過H點鉸接，臂BD和CE通過G點鉸接，臂AE和CE通過E點鉸接，臂BD和BF通過B點鉸接；F點與副車架鉸接，C點與托架鉸接；鉸接點A在液壓缸N的作用下能夠在水平滑槽中移動，另外鉸接點D也能水平移動，且與A點的運動方向相反。由于點A和D的移動，從而車廂在垂直面內(nèi)升降并伴隨有少量水平位移。
2.5 剪叉式升降機的運動分析
在車廂舉升過程中油缸以一定的速度推動滑快A向后移動，A點的速度為νA；由于A點的水平移動帶動雙級剪式機構(gòu)運動，從而使得∠BFA發(fā)生變化，即由初始位置的φ0變?yōu)棣?=φ0+θ；因為剪式機構(gòu)的運動帶動點D同時向上和向前移動，所以臺面DF在整個過程中向上向后移動（為貨物的傾斜做準備）。其中點B和點H的瞬時速度分別為νB和νH；點D的水平和垂直速度分別為νDx和νDy；車廂支撐臺面的水平和垂直平移速度分別為νX和νY。
桿BF上B點、H點的瞬時轉(zhuǎn)動中心都為F點，從而可求得（取車廂移動的方向為正方向，即水平向右和垂直向上為正向），其運動簡圖如圖4.2所示。
B點的運動速度νB：
（4-1）
圖4.2剪叉式升降機運動分析簡圖
（4-2）
點H分別相對于點A、F以相同的角速度ω轉(zhuǎn)動，其中點A又以速度νA水平移動,而點F靜止不動，于是可得：
H點相對于點F的運動速度νHF：
（4-3） （4-4）
H點相對于點A以角速度ω運動的速度νHA：
（4-5）
（4-6）
則點H的水平和垂直速度和:
（4-7）
（4-8）
且，
則：
（4-9）
D點相對于B點以角速度ω轉(zhuǎn)動，則D點速度:
（4-10）
（4-11）將式（4-1）、（4-2）代入上式可得：
（4-12）
D點的升降速度與車廂支撐臺面的升降速度一致，因此臺面上升速度ν
（4-13）
由于等臂雙級剪式機構(gòu)的運動特點—點A、B、C始終在一條垂直線上，同樣點D、E、F也始終在同一鉛垂線上。從上述計算中可以發(fā)現(xiàn)，在車廂被舉升的整個過程中，點D、E、F沒有發(fā)生位移，即D、E、F三點只在垂直方向上有位移；那么車廂在舉升過程中的水平移動量只取決于點A的水平移動量，則臺面的水平運動速度：
又因為滑快A由油缸Ⅰ直接水平推動，所以油缸Ⅰ活塞的運動速度：
則：
（4-14）
（4-15）
（4-16）
2.6 剪叉式升降機的動力分析
剪式剪叉式升降機，不計剪式機構(gòu)的重力和各種摩擦力，則該質(zhì)點系具有理想約束，因此可以用虛位移原理求解其所受各力的相互關(guān)系。
虛位移原理：又稱分析靜力學的原理是所有作用在質(zhì)點系上的主動力對其作用點的虛位移所作的虛功之和為零。對n個質(zhì)點組成的質(zhì)點系，其數(shù)學表達式為：
（4-17）
式中Fi和δri分別表示第i個力和它的虛位移。圖4.3中雙級剪式剪叉式升降機所受的主動力為重力G（包括裝載質(zhì)量me，車廂質(zhì)量m1，車廂支撐臺面質(zhì)量m2）和水平油缸的水平推力FN。
由虛位移原理可得
（4-18）
上式中兩虛位移的關(guān)系
則：
（4-19）
由式（4-19）可知，在一定裝載質(zhì)量的情況下，油缸活塞對滑塊A的水平推力隨角度θ（θ為桿BF繞點F轉(zhuǎn)過的角度）變化而變化。根據(jù)設計要求的荷重和剪叉機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸，可求出在整個升程范圍內(nèi)油缸活塞的推力，以此作為油缸選擇設計的依據(jù)。
2.7 剪叉式升降機參數(shù)的確定
2.7.1 基本幾何尺寸的確定
如圖4.4所示，AE、CE、BD、BF為桿長相等的四桿，AE與BF，CE與BD鉸接與中點H、G、A、D為滑動鉸接。
設，初始位置，當?shù)竭_最大升程時；由幾何關(guān)系可得：
（4-20）
（4-21）
為了使整個剪叉式升降機不超過車廂底部安裝空間，需滿足：
（4-22）
（4-23）
取，聯(lián)立（4-20）、（4-21）、（4-22）、（4-23）求解并圓整得：
2.7.2 液壓缸推力T及行程S的確定
考慮到超載的因素，因此計算臺面荷重應有一定的安全系數(shù)，即臺面荷重：
N
由式（4-19）得：
N
由于液壓缸的作用力同時作用在兩等距離的內(nèi)剪叉臂上，所以油缸對單側(cè)內(nèi)剪叉臂的作用力P為：
N （4-24）
Smm
2.8 剪叉式升降機的校核
本次設計的雙級剪式剪叉式升降機各鉸接點均采用同型號的雙頭螺紋銷連接，因此在對該機構(gòu)進行校核的時候，除了要對剪叉臂進行強度校核外，還要對各鉸接點的銷軸進行強度校核。由于在該機構(gòu)的運動過程中各鉸接點的受力在不斷變化，只需最大受力點進行校核。
2.8.1 各鉸接點的受力分析
結(jié)合雙級剪式剪叉式升降機的結(jié)構(gòu)和運動特點，對其進行整體受力分析，如圖4.5所示。設貨物重心與C點的距離K，A、D點的滑動摩擦系數(shù)為f，不計雙級剪式機構(gòu)的自身重力和內(nèi)部摩擦力。
①將貨物對該機構(gòu)的作用力分解到C、D兩點上
根據(jù)力學定理可得：
（4-25）
（4-26） （4-27）
②將剪式機構(gòu)看作一個整體，根據(jù)力學定理可得A、F點的受力情況：
（4-28） （4-29）
（4-30） （4-31）
③對臂AHE及CGE隔離受力分析，如圖4.6所示，根據(jù)力學定理可得：
圖4.6 剪叉臂受力簡圖（a）
則： （4-32）
則： （4-33）
聯(lián)立式（4-32）和（4-33），得
（4-34）
對E點取矩，
（4-35）
將式（4-25）、（4-26）、（4-28）、（4-29）及（4-34）代入式（4-35），則： （4-36） （4-37）
（4-38）
④以臂BGD為隔離研究對象，如圖4-7所示。
圖4.7 剪叉臂受力簡圖（b）
則：
（4-39）
2.8.2 各鉸接點銷的選擇與校核
考慮到整體布局需要，以及結(jié)合裝配草圖，根據(jù)摩擦副的特性，取。
對上述各鉸接點在任意角度時的計算公式的分析計算，可知H點承受的作用力最大，且當時作用在H點的力最大。
由式（4-37）知，當時
KN
KN
銷軸均用45鋼制造，作調(diào)質(zhì)處理，其屈服強度[]=355MPa，選擇安全系數(shù)為2，其許用剪切應力[]=0.5[]=177.5MPa?？紤]到生產(chǎn)制造的方便、節(jié)省制造工時，在使用材料允許的條件下，該機構(gòu)交接的雙頭螺紋銷均采用同一直徑，取mm。
MPa
因此，該機構(gòu)所有鉸接點選用的銷均滿足強度要求。
2.8.3 油缸作用處桿件尺寸的確定與校核
考慮到該桿件所受的作用力比剪式機構(gòu)鉸接點處的力大，經(jīng)比較后取mm。
MPa
經(jīng)校核可知，該桿件滿足使用的強度要求。
為了使工作臺面下降至最低位置時滾輪不至于脫離滑道，剪叉臂的長度應該比底座的長度b小一些，一般可取
.............................(3.20)
由設計參數(shù)可知：，，。初選底座長度，系數(shù)為0.8，則根據(jù)式(3.20)可得剪叉臂的長度 。
2.液壓缸安裝位置的確定
由圖3-4可知 ...............................(3.21)
則
所以，
即
而
初選 ，，,,，。
而液壓機構(gòu)的有效垂直升降高度為
.....................(3.22)
根據(jù)，液壓缸上下交接點g、f的距離S（即液壓缸的瞬時長度）為
............................(3.23)
液壓缸兩交接點之間的最大距離和最小距離分別為
設液壓缸的有效行程為，為了使液壓缸兩鉸接點之間的距離為最小值時，柱塞不抵到液壓缸缸底，并考慮液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸和（如圖3-6所示），一般應取
...............................(3.24)
同樣，為了使液壓缸兩鉸接點之間的距離為最大值時，柱塞不會脫離液壓缸中的導向套，一般應取
..............................(3.25)
式（3.24）和式（3.25）中的和根據(jù)液壓缸的具體結(jié)構(gòu)決定。
圖3-6 液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸
2.9 強度校核
整個機構(gòu)，受力較大的零部件有內(nèi)剪叉臂，液壓缸的支撐橫梁，銷軸等，所以進行校核時，只需對這些受力較大的零件校核即可。
2.9.1 剪叉臂的強度校核
由圖3-9和圖3-10可知，內(nèi)剪叉臂aed受力要遠大大于外剪叉臂bec，所以這里只校核外臂。外剪叉臂受力如圖3-1所示。又由圖4-8可知，的角度越小，則推力的值越大。若取最大值時滿足強度要求，則該剪叉臂即滿足強度要求。當機構(gòu)在最低位置時，的值最小，即值最大。參照圖3-1，剪叉臂所受的力都與剪叉臂有一定的夾角，為方便受力分析，將所有的力都按沿剪叉臂方向和垂直剪叉臂方向分解，有下列式子：
...................................................................(7.1)
...................................................................(7.2)
...................................................................(7.3)
...................................................................(7.4)
............................................................................(7.5)
.............................................................................(7.6)
...................................................................(7.7)
.................................................................(7.8)
圖3-1 內(nèi)剪叉臂aed受力圖
各力分解后的受力圖如圖3-2(a)所示，彎矩圖見圖3-2(c)
圖3-2 內(nèi)剪叉臂aed的軸向及徑向分解受力圖
剪叉臂的g處由于是有一個肋板作用，可看作力作用在剪叉臂上為均布載荷。由圖3-2（c）中可知，最大彎矩發(fā)生在k點處，但需校核e、k兩點處的強度，且圖中有，，。又已知剪叉臂的橫截面寬和高分別為，，，如圖3-3所示，圖3-3（a）是e點處的截面圖，圖3-3（b）是k點處的截面圖。
e點處的抗彎截面系數(shù)為
k點處的抗彎截面系數(shù)為
圖3-3 剪叉臂e、k兩點處的截面圖
因為當時，此時e、k兩點的彎矩最大，且由式（7.8）得，
，則
選擇材料為，參照參考文獻[1]，，所以是安全的。
2.9.2 液壓缸底架固定橫梁的強度校核
液壓缸底架固定橫梁（如圖3-4所示）選擇的是60號方鋼，其受力情況如圖3-5所示；已知60號鋼的邊長為60mm，液壓缸推力作用點到坐標系O的距離為65mm，，分別為推力在X，Y軸上的分力，且，。
當液壓缸在最小角度，即工作臺在最低位置時，液壓缸推力最大，雖然此時最小，即,，分力最大，所以由式(3.19)可得，則。
當液壓缸在最大角度，即工作臺在最置時，雖然液壓缸推力最大，此時最
大，即,，分力最大，所以由式(3.19)可得，則。
圖3-4 液壓缸與底架連接的橫梁
圖3-5 液壓缸與底架連接的橫梁截面圖
把它們平移到O點后，有
（1） 對于X軸方向，其受力如圖3-6所示
圖3-6 橫梁X軸方向的受力圖
因為梁的抗彎截面系數(shù)，
所以
（2）對于Y軸方向，液壓缸固定橫梁受力如圖3-7
圖3-7 橫梁Y軸方向的受力圖
又梁的抗彎截面系數(shù)，
則
（3）當作用點平移到O點時，會產(chǎn)生一個扭矩，該扭矩的大小為
又，其中，此時，該扭矩對橫梁截面產(chǎn)生的剪切力為
參照參考文獻[7]，又由第四強度理論
帶入并化簡：
又選材料為，參照參考文獻[7]，
取安全系數(shù)為2，則，所以是安全的。
2.10 軸的強度校核
由圖分析可知，剪叉臂受力最大的地方為g點和d點，所以只需校核該兩處的銷軸即可。
2.10.1 內(nèi)剪叉臂固定端銷軸的強度校核
因為銷軸較短，所以只受切應力。依圖3-2可知，剪叉臂固定端（即d點）銷軸所受的力為。當機構(gòu)面處于最低位置，即時，銷軸受到的剪力最大，根據(jù)式(7.7)得。
又銷軸的直徑為，導油孔直徑為，則其橫截面積為
又銷軸受力情況見圖3-8，從圖中可知銷軸受剪力為雙剪切，又參照參考文獻[7]，
銷軸的材料為35鋼，經(jīng)表面熱處理，參照參考文獻[7]，35鋼的許用應力。取安全系數(shù)為2，則有，所以滿足要求。
2.10.2 液壓缸缸體尾部銷軸的強度校核
液壓缸尾部銷軸的受的力即為液壓缸的推力，如圖3-8所示，因為銷軸較短，所以只受切應力。又銷軸的直徑為，導油孔的直徑為，則銷軸的橫截面積為
圖3-8 尾部銷軸的受力圖
參照3.2.2節(jié)，有
選擇銷軸材料為35，又35鋼的許用應力，取安全系數(shù)為2，則有
，所以設計的銷軸滿足要求。
2.10.3 液壓缸活塞桿頭部支撐軸的強度校核
依圖3-2可知，液壓缸頭部支撐軸（即g點）所受的力為。當機構(gòu)面處于最低位置，即時，液壓缸受到的推力最大，即。又銷軸的直徑為，導油孔直徑為，則其抗彎截面系數(shù)為
又銷軸受力情況見圖3-9，參照參考文獻[7]，校核軸的彎曲強度為
圖3-9 頭部支承軸的受力圖
軸的材料為鋼，經(jīng)表面熱處理，參照參考文獻[7]，鋼的許用應力。所以滿足要求。
3 液壓傳動系統(tǒng)的設計計算
3.1 明確設計要求 制定基本方案
設計之前先確定設計產(chǎn)品的基本情況，再根據(jù)設計要求制定基本方案。以下列出了本設計——剪式液壓升降臺的一些基本要求：
（1）主機的概況：主要用途用于家用小型重型設備起升，便于維修，占地面積小，適用于室外，總體布局簡潔；
（2）主要完成起升與下降重物的動作，速度較緩，液壓沖擊?。?
（3）最大載荷量定為3.5噸，采用單液壓缸控制聯(lián)接組合叉桿機構(gòu)進行升降動作。最大起升高度略大于一人高度；
（4）運動平穩(wěn)性好；
（5）人工控制操作，按鈕啟動控制升降；
（6）工作環(huán)境要求：不宜在多沙石地面、木板磚板地面等非牢固地面進行操作，不宜在有坡度或有坑洼的地面進行操作，不宜在過度寒冷的室外進行操作；
（7）性能可靠，成本低廉，便于移動，無其他附屬功能及特殊功能；
3.2 制定液壓系統(tǒng)的基本方案
3.2.1 確定液壓執(zhí)行元件的形式[14]
液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸或液壓泵。前者實現(xiàn)直線運動，后者完成回轉(zhuǎn)運動，二者的特點及適用場合見下表。
表3.1 液壓缸與液壓泵特點比較
名 稱
特 點
適 用 場 合
雙活塞桿液壓缸
雙向?qū)ΨQ
雙作用往復運動
單活塞桿液壓缸
有效工作面積大、雙向不對稱
往返不對稱的直線運動，差動連接可實現(xiàn)快進，A1=2A2往返速度相等
柱塞缸
結(jié)構(gòu)簡單
單向工作，靠重力或其他外力返回
續(xù)表3.1 液壓缸與液壓泵特點比較
擺動缸
單葉片式轉(zhuǎn)角小于360度
雙葉片式轉(zhuǎn)角小于180度
小于360度的擺動
小于180度的擺動
齒輪泵
結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜
高轉(zhuǎn)速低扭矩的回轉(zhuǎn)運動
葉片泵
體積小，轉(zhuǎn)動慣量小
高轉(zhuǎn)速低扭矩動作靈敏的回轉(zhuǎn)運動
擺線齒輪泵
體積小，輸出扭矩大
低速，小功率，大扭矩的回轉(zhuǎn)運動
軸向柱塞泵
運動平穩(wěn)、扭矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬
大扭矩的回轉(zhuǎn)運動
徑向柱塞泵
轉(zhuǎn)速低，結(jié)構(gòu)復雜，輸出大扭矩
低速大扭矩的回轉(zhuǎn)運動
注：A1—無桿腔的活塞面積 A2—有無桿腔的活塞面積
對于本設計實現(xiàn)單純并且簡單直線及回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，可以采用齒輪式液壓泵及雙活塞桿液壓缸，這樣不僅簡化液壓系統(tǒng)降低設備成本，而且能改善運動機構(gòu)的性能和液壓執(zhí)行元件的載荷狀況。
常用的擴程機構(gòu)有如圖3.1所示二種形式：
（a） (b)
圖3.1 擴程機構(gòu)
它們同時也可以實現(xiàn)增速，常用于電梯的升降、高低位升降臺等液壓設備。還有一種運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)，小角度的回轉(zhuǎn)運動用液壓缸來實現(xiàn)，其運動比較平穩(wěn)，長行程的直線運動可以用液壓馬達來完成。本設計要完成的剪叉式液壓升降臺綜合了擴程、回轉(zhuǎn)這兩種工作形式。
3.2.2 確定液壓缸的類型
工程液壓缸主要用于工程機械、重型機械、起重運輸機械及礦山機械的液壓系統(tǒng)。根據(jù)主機的運動要求，選擇液壓缸的類型為：直線運動單活塞桿雙作用緩沖式液壓缸。其特點：活塞雙向運動產(chǎn)生推、拉力?；钊谐探K了時減速制動，減速值不變。
3.2.3 確定液壓缸的安裝方式
工程液壓缸均為雙作用單活塞式液壓缸，安裝方式多采用耳環(huán)型。由于本設計中液壓缸在作用過程中是一端固定，一端在垂直面上自由擺動的形式，因此選擇液壓缸的安裝方式為：尾部耳環(huán)聯(lián)接。
3.2.4 缸蓋聯(lián)接的類型
按缸蓋與缸體聯(lián)接方式，可分為外螺紋聯(lián)接式、內(nèi)卡鍵聯(lián)接式及法蘭聯(lián)接式三種。這里采用法蘭聯(lián)接。
3.2.5 擬訂液壓執(zhí)行元件運動控制回路
液壓執(zhí)行元件確定之后，其運動方向和運動速度控制是擬訂液壓回路的核心問題。方向控制用換向閥或是邏輯控制單元來實現(xiàn)。對于一般中小流量的液壓系統(tǒng)，大多數(shù)通過換向閥的有機組合實現(xiàn)所要求的動作。對于高壓大流量的液壓系統(tǒng)，現(xiàn)多采用插裝閥于先導控制閥的組合來實現(xiàn)。本設計剪叉式液壓升降臺特點：起升壓力大，運行緩慢、平穩(wěn)，能人工控制起升至某一固定高度時并保持該高度自鎖。
3.2.6 液壓源系統(tǒng)
液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)完全由液壓源提供，液壓源的核心是液壓泵。在無其他輔助油源的情況下，液壓泵的供油量要大于系統(tǒng)的需油量，多余的油經(jīng)過溢流閥回油箱，溢流閥同時起到開展并穩(wěn)定油源壓力的作用。容積調(diào)速系統(tǒng)多數(shù)是用變量泵供油，用安全閥限定系統(tǒng)的最高壓力。
為節(jié)省能源并提高效率，液壓泵的供油量要盡量于系統(tǒng)所需流量相匹配。對在工作循環(huán)各階段中系統(tǒng)所需油量相差較大的情況下，則采用多泵供油或變量泵供油。對于本設計，由于工作周期短，