剪叉式升降舞臺液壓系統(tǒng)設計含SW三維及6張CAD圖.zip,剪叉式,升降,舞臺,液壓,系統(tǒng),設計,SW,三維,CAD 剪叉式升降舞臺液壓系統(tǒng)設計 [摘要]近年來我國對液壓升降舞臺機械的制造設計及應用方面，雖然有了長足的提升，但是在舞臺機械液壓控制方面還有非常大的進步空間。我國與歐美等發(fā)達國家在這方面仍有較大的差距。剪叉式升降舞臺是用于娛樂場所，突出歌唱者和表演者的動態(tài)效果，提高舞臺動態(tài)檔次，增加整體娛樂氣氛的固定設備，因為它的剪叉機械結構使升降舞臺的起升有較高的穩(wěn)定性，也有較為寬大的表演平臺和較高的承載能力，適合多人同時同臺表演。它的安全更有保障。廣泛應用于各表演現(xiàn)場，結婚現(xiàn)場及頒獎現(xiàn)場。本次設計是參照固定式升降機設備進行設計。主要是針對剪叉式升降舞臺的液壓系統(tǒng)的部分進行設計與改善。首先對舞臺的結構做了簡要的建模與說明，接著分析舞臺液壓系統(tǒng)的基本參數(shù)，然后進行液壓系統(tǒng)原理圖的選擇與設計，最好選擇相符合的液壓元件與驗算系統(tǒng)性能。 [關鍵詞]升降舞臺；液壓；剪叉式；升降機  Scissor lift stage hydraulic system design [Abstract]In?recent?years?our?country?to?the?hydraulic?lifting?stage?machinery?manufacture?design?and?the?application?aspect,?although?some?people?considerable?promotion,?but?in?the?stage?mechanical?hydraulic?control?also?has?the?very?big?progress?space.?China?and?Europe?and?other?developed?countries?in?this?area?still?have?a?large?gap.?Shear?fork?lift?stage?is?used?for?entertainment,?outstanding?singers?and?performers?of?the?dynamic?effect,?improve?the?grade?of?stage?dynamic,?increase?overall?entertainment?atmosphere?fixed?equipment,?because?of?its?shear?fork?mechanical?structure?makes?the?hoisting?have?higher?stability?of?the?lifting?stage?and?also?has?a?relatively?wide?platform?and?high?bearing?capacity,?suitable?for?people?at?the?same?time?perform?together.?It's?more?secure.?Widely?used?in?the?performance?scene,?wedding?scene?and?award?scene.?This?design?refers?to?the?fixed?lift?equipment?design.?It?is?mainly?aimed?at?the?design?and?improvement?of?the?hydraulic?system?of?the?scissor-fork?lifting?stage.?Firstly,?the?structure?of?the?stage?is?briefly?modeled?and?explained,?then?the?basic?parameters?of?the?stage?hydraulic?system?are?analyzed,?and?then?the?selection?and?design?of?the?hydraulic?system?schematic?diagram?are?carried?out. [Keywords] Lifting stage; Hydraulic pressure; Shear fork; elevator  目錄 1引言 1 2 選題背景 2 2.1 目的和意義 2 2.2國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3 2.3設計要求 4 3 剪叉式升降舞臺的結構 6 4 液壓缸負載及工況分析 8 4.1液壓缸負載力分析和計算 8 4.2液壓缸速度循環(huán)分析 8 4.3工況分析 11 5系統(tǒng)圖的擬定 17 5.1液壓系統(tǒng)原理圖的確定 17 5.2技術重點 20 6 液壓缸的設計和計算 21 6.1升降舞臺液壓傳動的概述 21 6.2原始數(shù)據(jù)的確定 21 6.3缸體的結構設計及其計算 23 7 液壓元件的選擇 27 7.1液壓泵的選擇 27 7.2電動機的選擇 28 7.3液壓閥的選擇 29 7.4管路的選擇 30 8 液壓系統(tǒng)性能的驗算 32 8.1壓力損失驗算 32 8.2系統(tǒng)溫升驗算 32 9 總結 34 參考文獻 35 致謝 36 剪叉式升降舞臺液壓系統(tǒng)設計 1引言 液壓技術因其具有功率重量比大、響應速度靈敏、更易于實現(xiàn)自動化和標準化等優(yōu)點，液壓技術得應用范圍也非常的廣，大到航空航天領域，小到工農業(yè)生產(chǎn)領域以及國防建設等領域都得到了靈活的運用，為國民經(jīng)濟和提高社會生產(chǎn)力的發(fā)展提供了不可磨滅的支持。液壓控制系統(tǒng)的合理設計與運算是液壓技術應用的關鍵所在，液壓系統(tǒng)設計技術及方法的掌握也是流體控制及自動化專業(yè)學生培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)及基本要求。對于本設計的題目剛開始只讀懂了一半，對于剪叉式一詞完全是后期百度才知道的，然后在工廠和各個工作場所看了很多的剪叉式升降機械，有固定的升降用來升降物品的，有移動式的用來將人升上去修理東西的等等。經(jīng)過多次的觀察對后期的結構的設計和液壓系統(tǒng)的設計都有非常大的幫助。俗話說的好：人的認知來源于實踐。所以實踐與見識廣還是對今后的不論什么事都是有幫助的。[3] 第 5 頁 共 32 頁 2 選題背景 2.1 目的和意義 從16世紀時期起，歐洲等外國國家就已經(jīng)開始使用人力帶動的簡單的人工升降舞臺。在1884年，一些大型歌劇院就已經(jīng)裝備了以液壓驅動的升降舞臺和機械吊桿；而在19世紀末，絕大數(shù)的歐洲劇院已經(jīng)開始使用液壓升降舞臺機械以實現(xiàn)舞臺的升降，達到最佳觀影的效果。近現(xiàn)代意義上的液壓升降舞臺至今也已經(jīng)有一百多年的歷史進程，在此一百多年期間經(jīng)過了不斷的發(fā)展與完善，在一些歐美等發(fā)達地區(qū)，對于升降機械的管理形式、維護保養(yǎng)都有較為完善的管理制度和統(tǒng)一的標準與要求。[9] 而隨著現(xiàn)代人們對娛樂性的追求越來越高，越來越嚴格，要求舞臺表演呈現(xiàn)出來的效果越來越多樣化，而為了滿足表演者和歌唱者的需要，希望娛樂場所的舞臺不再是單一的水平面，可以有多個小舞臺配合起來組成一個高低不一的變化式的舞臺，甚至讓舞臺在空中可以360度的旋轉。以此來突出觀眾對表演者和歌唱者的全方位無死角的觀看體驗，提高娛樂場所的檔次，增加整體娛樂氣氛，所以剪叉式升降舞臺就誕生了。而作為娛樂設施都是從工業(yè)或軍工業(yè)發(fā)展過來的，在當今出現(xiàn)了非常多種的剪叉式升降機。尤其是在當今移動式升降平臺的運用非常的廣泛，而作為舞臺的話只需要固定的升降平臺就可以達到突出表演者的重點場面，讓觀眾更容易發(fā)現(xiàn)舞臺上的亮點。[14] 而作為升降機的動力也有電、氣、液多種。近年來剪叉式升降平臺均采用液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)舞臺的升降。而此次設計也是選用液壓傳動來實現(xiàn)舞臺的升降效果。液壓傳動與機械傳動、電氣傳動相比具有以下非常明顯的優(yōu)點：一.液壓傳動的各種液壓元件可以根據(jù)需求方便、靈活地來布置。二.整個液壓系統(tǒng)相對體積小、質量輕、反應速度靈敏、運動慣性小。三.操縱控制方便，可實現(xiàn)人為和自動化控制，亦可實現(xiàn)大范圍的無極調速（調速范圍可達2000：1）。四.可實現(xiàn)過載保護，更滿足人們對安全的追求。五.一般采用礦物油作為液壓系統(tǒng)的工作介質，相對運動面可實現(xiàn)自行潤滑的效果，使使用壽命明顯增強。六.很容易實現(xiàn)直線的往返運動。[2] 剪叉式液壓升降舞臺作為用途廣泛的娛樂專用設備。它的剪叉結構使升降舞臺的起升有較高的平穩(wěn)性，其寬大的表演平臺和較高的承載能力，可以讓多人同時登臺表演。它的安全更有保障。所以剪叉式液壓升降舞臺也就隨著社會的發(fā)展而出現(xiàn)了。而液壓系統(tǒng)可以設置防墜裝置、超載安全保護裝置。不同水平面均可以實現(xiàn)穩(wěn)定的直線運動，且結構緊湊堅固，承載質量大，升降過程平穩(wěn)，安裝與維修方面也簡單。[6] 2.2國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 液壓控制技術是近現(xiàn)代化自動化傳動與控制的關鍵技術之一，全世界對也液壓技術給予了很大的支持與關注。液壓件也被稱為液壓元件，主要有液壓泵、液壓閥與液壓缸三種類型，到目前大概有1500多種產(chǎn)品和15000多種規(guī)格，全球液壓市場規(guī)模超過2500億元，而中國是第二消費大國。按不同的產(chǎn)品來分，以液壓泵和液壓油缸的消費最高。在中國市場中的液壓系統(tǒng)中，以閥、泵、油缸為代表的主要零部件占比比較高，合計超過60%；以2016年590億元的銷售額來估算，液壓缸市場的銷售額達到145億元，液壓泵市場銷售額達到135億元，液壓閥市場銷售額達到30億元。尤其是近幾年我國對液壓技術的應用越來越廣，增長速度越來越快，使得國內液壓市場在不斷的擴大。[9] 目前國內的高端液壓元件基本依賴于進口，進口占據(jù)了我國市場空間的100億元還要多。高端的液壓系統(tǒng)的元件核心組成部件對工藝，技術的要求非常高，我國現(xiàn)在還達不到這種地步，主要原因是因為我國的液壓產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較晚，與國外的技術和經(jīng)驗還是有一大截的差距。但隨著時間的推移這種差距將會越來越小。目前德國，美國，日本擁有全球頂級的液壓生產(chǎn)企業(yè)，且保持著世界領先的水平。而對于升降舞臺國內外基本采用滑動螺母絲杠來實現(xiàn)舞臺的升降，因為普通滑動螺母絲杠副可以按需要設計成自鎖，這可以保證升降臺上工作人員的人身安全。但是，用滑動螺母絲杠副來設計成自鎖會造成機械效率偏低，在理論上是可達到45%。但在實際應用上，由于加工精度高、表面粗糙度的限制、潤滑條件的高要求、整體安裝條件的限制，真正能達到的機械效率只有20%~30%。而對于小型的升降舞臺的載重雖然不是很大，一般也要求在1t以上，所以選擇的電動機功率也需要5kw以上，同時，由于升降舞臺升降一般要求可以實現(xiàn)升降速度的調控，就需要一個大容量的變頻器，而變頻器的容量增大了，成本也就上升了。而采用液壓系統(tǒng)來控制舞臺的升降不但可以降低成本，使用壽命也比較長，因為可以自行的進行部件的潤滑，而且還可很方便的達到自鎖的要求，且升降速度也可以通過泵的輸出功率來控制。液壓傳動與機械傳動相對比，采用液壓傳動可以減少換向的沖擊、降低能量損耗、縮短換向所用的時間，充分利用現(xiàn)場空間，減少傳動裝置的占地面積，保證升降舞臺升降平穩(wěn)，易于實現(xiàn)自動化控制以及無級調速。[10] 液壓控制技術具有其獨特的優(yōu)點，如液壓控制技術具有功率重量比大，壓力、流量可控性好，體積小，頻響高，可柔性傳送動力，易實現(xiàn)直線運動等特明顯的優(yōu)點；[4]顯然，液壓控制技術廣泛應用于國民經(jīng)濟各個部門。但在近年以來，液壓控制技術面臨著與機械傳動、電氣傳動等的競爭。從民用到軍用，從普通的機床大到航空領域都有液壓技術的身影。其主要原因是液壓技術的優(yōu)點大于其缺點。但有些缺點對于一些高端領域也是不可忽視的，比如液壓技術的滲漏。所以我們必須充分發(fā)揮液壓控制技術的優(yōu)點，優(yōu)化液壓技術的缺點，使其與電子技術結合，充分將液壓技術應用到各個領域中去。同時在提高可靠性方面、提高工作效率、降低能源消耗方面、適應當今的環(huán)保需求等等，這些都是液壓控制技術今后需要努力的方向，也決定了液壓產(chǎn)品在市場競爭上能夠在近一步的關鍵所在。 2.3設計要求 本次設計其主要內容為剪叉式液壓升降舞臺中液壓傳動控制系統(tǒng)的環(huán)節(jié)進行設計計算。 針對剪叉式升降舞臺液壓系統(tǒng)的設計，具體內容如下： （1）收集與液壓系統(tǒng)和升降平臺有關的資料，整理出每種剪叉式液壓升降機液壓系統(tǒng)的原理及其結構： （2）剪叉式升降舞臺液壓系統(tǒng)的設計； （3）工況分析； （4）確定剪叉式升降舞臺液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)圖的擬定(包括液壓系統(tǒng)原理圖、液壓缸的設計計算、液壓元件的選擇等等）； （5）液壓系統(tǒng)性能驗算（壓力損失，溫升）； （6）繪制液壓缸的主要零件圖和裝配圖； 剪叉式升降舞臺的主要參數(shù)： （1） 舞臺最大載重（包括舞臺自重） 1t （2） 舞臺升降速度 0.05m/s （3） 舞臺面積 2m×1m （4） 最高行程 1.5m （5） 升降方式 自動、手動 （6） 技術要求： ①如何最大化的消除正負負載的變化對傾斜放置的液壓缸對運動速度的影響，并保證液壓缸的升降速度相同； ②如何實現(xiàn)臺面的精準定位； ③如何避免了沖擊和振動。 第 43 頁 共 32 頁 3 剪叉式升降舞臺的結構 為了使舞臺可以滿足升高到1.5m高度要求，將舞臺的剪叉式結構設計成了兩層，然后根據(jù)剪叉式升降舞臺的結構先用SolidWork軟件將整個舞臺進行了繪制，以更好的觀察剪叉支撐桿的運動過程和方便的得到液壓缸的伸長量（即液壓缸的行程）。這里對舞臺的具體結構不進行說明。 如圖1所示為剪叉式升降舞臺在最低位置時的結構示意圖： 圖1 剪叉式液壓升降舞臺最低位置時的結構示意圖 如圖2為剪叉式升降舞臺升降到最高位置時的結構示意圖： 圖2 剪叉式液壓升降舞臺最高位置時的結構示意圖 由SolidWorks畫出的整體圖再經(jīng)過測量舞臺在最低點時的液壓缸底座和端蓋的距離和舞臺在最高點時液壓缸底座到端蓋的距離得到兩次的距離分別為、，得到液壓缸的伸長量為： 4 液壓缸負載及工況分析 4.1液壓缸負載力分析和計算 由舞臺結構圖可知所使用的活塞缸為單作用活塞缸并且為傾斜放置的液壓缸。如下圖3液壓缸受力分析圖所示，所受到的舞臺負載力F是變化的，可得： 圖3 液壓缸受力分析圖 ，所以可以得到在舞臺升到最低位置時所受到的負載力最大，由SolidWorks測量的舞臺升到最低位置時的a角約為，所以液壓缸的最大負載力。為了增加舞臺的可靠性計算時取最大負載力為30000N。測量的舞臺升到最高位置時的a角約為，所以液壓缸的最小負載力。同理在計算時取最小負載力為11000N。[14] 4.2液壓缸速度循環(huán)分析 4.2.1舞臺上升過程 設液壓缸加速上升階段需要0.5秒所以加速階段的負載力為： 液壓缸在減速上升階段也需要0.5秒來計算，加速度慣性力與負載力相差太大可以忽略不計，所以減速階段負載為： 液壓缸在勻速上升階段所需要的時間為： 而在這個階段的負載力是隨著舞臺的升高而變化的，負載將不去計算，所以在舞臺上升階段的速度負載循環(huán)圖如下圖4所示： 圖4 舞臺上升階段的速度循環(huán)圖 4.2.2舞臺下降過程 設舞臺在下降過程中液壓缸加速階段需要0.5秒且加速度慣性力與負載力相差太大可以忽略不計，所以加速下降階段的負載力為： 液壓缸在減速下降階段也需要0.5秒來計算，所以減速階段負載為： 液壓缸在勻速下降階段所需要的時間為： 而在這個階段的負載力是隨著舞臺的升高而變化的，負載將不去計算，所以在舞臺下降階段的速度負載循環(huán)圖如下圖5所示： 圖5 舞臺下降階段的速度循環(huán)圖 4.3工況分析 參照《液壓傳動系統(tǒng)及設計》第174頁的表5-6液壓執(zhí)行器常用設計壓力初選液壓缸的設計壓力p1=15MPa。為了滿足舞臺在升降的速度相等，液壓缸采用差動式連接，則液壓缸無桿腔與有桿腔的有效面積與應滿足（即液壓缸內徑D和活塞桿直徑d間應滿足）。 為防止舞臺下降時發(fā)生速度突變，液壓缸需保持一定的回油背壓。參照《液壓傳動系統(tǒng)及設計》第175頁的表5-8液壓缸執(zhí)行器的背壓力表取背壓為0.5MPa，且取機械效率，則可以計算出液壓缸的無桿腔有效面積： 所以液壓缸內徑為： 按，取標準缸徑值D=63mm;因，故活塞桿直徑為： 則液壓缸實際有效面積為： 舞臺在升高是，因為液壓缸無桿腔壓力值必須大于無桿腔壓力值，取兩者的差值約為0.5MPa，并在舞臺剛開始準備升起的瞬間液壓缸是還沒有移動的，此時兩者差值為應0，由此條件可以計算得到液壓缸工作循環(huán)中的功率、壓力和流量的值 計算所需要的公式 帶入數(shù)值繪制工況圖如下圖6所示： 圖6 液壓缸的工況圖 5系統(tǒng)圖的擬定 5.1液壓系統(tǒng)原理圖的確定 針對本設計我給出了兩種液壓系統(tǒng)的原理圖如下所示： （1）第一種如圖7所示： 圖7 升降舞臺液壓系統(tǒng)原理圖 1.電磁溢流閥；2.升降液壓缸；3.液控單向閥；4、7.單向閥；5.電液比例調速閥；6.三位四通電磁換向閥；8.精過濾器；9.定量液壓泵；10.減壓閥；11.夾緊液壓缸；12.二位四通電磁換向閥 （2）第二種如圖8所示： 圖8 升降舞臺液壓系統(tǒng)原理圖 1.電磁溢流閥；2.升降液壓缸；3.液控單向閥；4、7.單向閥；5.電液比例調速閥；6.三位四通電磁換向閥；8.精過濾器；9.定量液壓泵 兩個液壓系統(tǒng)圖的區(qū)別在于第一種有夾緊裝置可以使舞臺更好的定位與固定，對舞臺上的表演人員的人身安全更有保障，而作為載人舞臺人身安全是排在第一位的，所以液壓系統(tǒng)原理圖應該選擇第一種更符合要求。 針對圖3-2為該剪叉式升降舞臺的液壓系統(tǒng)原理圖的工作原理進行如下說明。整個系統(tǒng)經(jīng)由供油油源的定量液壓泵9為起點，液壓泵的出口設有一個精過濾器8和單向閥7并聯(lián)；整個液壓系統(tǒng)的壓力分為兩個級別，剪叉式升降舞臺壓力大小 的設定與液壓泵的卸荷都由電磁溢流閥1來控制。液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件除了驅動舞臺升降的液壓缸2外，還有驅動機械自鎖機構的夾緊液壓缸11（兩個），（整個舞臺的液壓系統(tǒng)共有3個液壓缸“本次設計只針對驅動舞臺升降的液壓缸2進行設計計算”）。驅動舞臺升降的液壓缸2與驅動機械自鎖機構的夾緊液壓缸11各為一個液壓回路并分別用三位四通電磁換向閥6、二位四通換向閥12來控制油液的進給方向。因整個舞臺在傾斜放置的液壓缸2的控制下在上升時其負載為正值，而在下降時其負載為負值（即超越負載）。這使得升、降工況相差甚遠。為使升降速度保持一致，使在舞臺上的表演人員沒有加速度的感覺，液壓系統(tǒng)中用4個單向閥4和電液比例調速閥5組成液橋實現(xiàn)進油節(jié)流和回油出口節(jié)流調速，在調速閥開口大小不變的情況下，這使得驅動舞臺升降的液壓缸的升降速度相同。而舞臺長時間定位則通過兩個夾緊缸11來驅動舞臺的自鎖機構來實現(xiàn)，而舞臺的 兩個夾緊缸11經(jīng)油路并聯(lián)設計，使得兩個夾緊缸輸出力大小相同。[1] 整個舞臺升降液壓系統(tǒng)的電磁鐵動作順序如表1所示，由該表可以非常直觀的了解整個液壓系統(tǒng)各個工況的油液流動路線。 表1 舞臺升降液壓系統(tǒng)的電磁鐵動作順序表 剪叉式升降舞臺的升降速度經(jīng)由液壓缸活塞的速度決定，而活塞的速度通過電液比例調速閥來控制。需要舞臺在某一速度下進行升降時，只需要將這個速度下對應的電流值的大小輸入給比例調速閥就可以了。當要改變升降舞臺的升降速度時只需要改變輸入電流的大小就可以達到。[5] 圖9 計算機控制系統(tǒng)原理框圖 此計算機的實時控制過程以及原理概括起來就是：位置偏差檢測→速度控制調整→糾正位置偏差。該計算機控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)的間接控制同步系統(tǒng)。此控制系統(tǒng)的方塊圖如圖9所示。為提高定位精度，當舞臺面運動到至接近設定位置時，可有計算機控制，將比例閥輸入電流逐漸減少，從而使舞臺面減速后到位停止，即避免了沖擊和振動，又提高了定位準確性。本計算機系統(tǒng)還設有一套獨立的手動操縱控制線路，一旦計算機部分出現(xiàn)故障，手動操作可單獨實現(xiàn)舞臺面的運動，且可由操作人員任意調節(jié)升降的速度。[7] 5.2技術重點 （1）本設計采用多個單向閥和電液比例調速閥組成液橋系統(tǒng)來控制舞臺液壓缸的升降速度，以此來消除正負載和負負載突然變化對傾斜液壓缸的傷害，并保證液壓缸活塞的升降速度相同。使升降舞臺上的表演者沒有加速度的感覺。 （2）利用液控單向閥和兩個自鎖液壓缸并聯(lián)實現(xiàn)臺面的嚴格定位。做到更好地保障在升降舞臺上工作人員的生命安全。 （3）由于本設計采用了定量液壓泵供油和節(jié)流調速閥調速的方式，所以整個液壓系統(tǒng)的效率比較低，但若改為變量液壓泵供油，則可改善效率低的狀況。[11] 6 液壓缸的設計和計算 6.1升降舞臺液壓傳動的概述 升降舞臺是婚禮現(xiàn)場，頒獎現(xiàn)場和劇院的現(xiàn)代化機械設備，它可以利用多個舞臺之間的單獨運動，一起聯(lián)動和同步運動組成不同高度的臺階，以組成像頒獎現(xiàn)場一樣的三個不同高度的頒獎臺或以組成大型劇院的立體道具，為舞臺藝術提供更加完備的表現(xiàn)空間。圖1所示為單個舞臺的結構示意圖，單個升降舞臺長為2m,寬為1m，舞臺面用來布置場景和表演使用，舞臺升降的平均速度為0.05m/s。舞臺的升降機結構采用雙面剪叉式結構，由一個傾斜放置的液壓缸驅動，以實現(xiàn)舞臺上下的升降。根據(jù)舞臺表演藝術的高度和舞臺大小的要求，舞臺可以在最低高度與最大高度之間任意位置停留，而每一個單獨的舞臺也可以單獨工作，各個小舞臺之間也可協(xié)調動作，而它們之間的協(xié)調動作則由計算機控制進行完成，本設計就不進行說明。本設計也只對單個舞臺的液壓系統(tǒng)進行設計計算。[10] 6.2原始數(shù)據(jù)的確定 液壓缸在使舞臺起升時，活塞桿處于受壓的狀態(tài)，起支撐的作用，所以在設計舞臺起升液壓缸時必須考慮活塞桿的長徑比，為了讓升降舞臺在受壓的狀態(tài)下能夠達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，所以活塞桿的長徑比應該不超過20：1的范圍。 經(jīng)過前面的計算得到液壓缸的活塞桿長度應為0.15m，查《液壓傳動與控制手冊》第236頁表2-6無150mm的行程可以選擇，所以取液壓桿行程參數(shù)系列160mm，由長徑比的設計要求得出，活塞桿直徑至少為0.0375m，即37.5mm。[2]而前面計算得到活塞桿直徑為45mm，滿足長徑比設計要求。根據(jù)GB/T2348-93規(guī)定了液壓缸的活塞桿外徑尺寸系列見表2所示： 表2 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列（mm） 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 表格中有活塞桿直徑為45mm，所以取45mm是合適的。這時根據(jù)差動式液壓缸輸出力的計算公式，液壓缸提升負載時受力的有效面積為活塞缸面積，即： 根據(jù)設計要求，液壓缸需要承受的最大負載為30000N。 因此，整個液壓系統(tǒng)所需要提供的工作壓力應為： 由上面的計算查《液壓傳動與控制手冊》可以得出液壓缸的工作壓力取15MPa，該工作壓力對于整個液壓系統(tǒng)來說適合整個系統(tǒng)的工作壓力，因此舞臺升降液壓缸可以采用這一工作壓力進行設計。 最大流量的計算：傾斜式放置的液壓缸所需的最大流量是由升降舞臺升降的最大速度所決定的。而設計升降液壓缸起升的最大速度為0.05m/s，于是有： 此時，升降液壓缸活塞桿移動為0.15m，平臺移動1.5m，能滿足設計需求。 查液壓傳動與控制手冊，取升降液壓缸活塞桿直徑d和活塞直徑（液壓缸內徑）D之間的關系為,經(jīng)計算得出升降液壓缸的活塞直徑為： 根據(jù)GB/T2348-93所規(guī)定的液壓缸的活塞直徑尺寸系列參照表見表3所示 表3 液壓缸的活塞直徑尺寸系列（mm） 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 有液壓缸活塞直徑為63mm，且液壓桿行程為160mm。 計算得出活塞桿液壓缸的兩腔面積比Φ為： 式中－活塞無桿側有效面積 －活塞有桿側有效面積 －活塞桿伸出速度 －活塞桿退回速度 D－缸內徑 d－活塞桿外徑 6.3缸體的結構設計及其計算 關于 的值，可以按下列情況進行計算： （1）當時，可用薄壁缸筒的實用計算公式： （2）當時，可用實用公式： （3）當時，可用下式計算： 或 由JB1068－67查得可取缸筒外徑為80，則壁厚＝8.5mm。可得，所以應選擇公式 式中：—液壓缸缸筒壁厚； —最高工作壓力； 工作壓力時，，??； D—液壓缸外徑，D=80mm； —缸底材料的許用應力 = —缸筒材料的抗拉強度，經(jīng)查得缸筒材料的抗拉強度為600MPa n—安全系數(shù)，按表4進行 表4 液壓缸的安全系數(shù)選擇表 材料名稱 靜載荷 交變載荷 沖擊載荷 不對稱 對稱 鋼，鍛鐵 3 5 8 12 鍛鐵 4 6 10 15 所以安全系數(shù)為5，=600，所以 ==120MPa,由現(xiàn)有的參數(shù)可以算出，δ≥0.005mm所以所取的δ=8.5mm壁厚,合格。 為了保證整個系統(tǒng)的工作安全，液壓缸的工作壓力需要低于一定的極限值，所需要的計算公式如下： 式中： D—缸筒內徑（m），D=0.063m； D1—缸筒的外徑（m），D1=0.08m； —缸筒的材料的屈服點為; 根據(jù)現(xiàn)有的參數(shù)可以算出P=25MPa≤62.19MPa,安全。 為了避免液壓缸的缸筒在高壓工作時產(chǎn)生塑性變形，而造成整個系統(tǒng)的損壞，液壓缸的額定壓力P值應與造成塑性變形的壓力有一定的比例要求，要求公式如下： P≤（0.35～0.42） 式中： —液壓缸的缸筒發(fā)生完全塑性變形時所需要的最大壓力，計算公式為： 根據(jù)現(xiàn)有的參數(shù)可以算得，=84.71，0.38=32.19 由P=25MPa≤32.19,安全。 液壓缸的缸筒爆裂壓力PE()應該盡量大于耐壓試驗的最大壓力。查表知45號鋼的b=600MPa， 工作壓力P≤25MPa時，=1.5P=1.5×10=15MPa，可見PE大于實驗壓力，合格。 缸筒底部厚度的計算 缸筒底部為平面時，其厚度 —試驗壓力，當工作壓力P≤25時，=1.5P，取=1.5×10=15； —液壓缸的缸底材料許用應力（），材料選擇為45號鋼，所以＝600,安全系數(shù)取n=5， =/n=125。 算出 缸筒底部聯(lián)接強度計算 底部的聯(lián)接采用雙耳環(huán)連接，材料為ZG310-570鑄鋼，其抗拉強度為b=570(),：=/n=114MPa , 安全系數(shù)取n=5 D—缸筒內徑（m） 缸頭厚度計算 選用螺釘聯(lián)接法蘭聯(lián)接方式，密封裝置選為橡膠密封圈密封，計算公式如下 式中 h—法蘭厚度； p—系統(tǒng)工作壓力； q—附件密封力； —螺釘孔分布圓直徑； —密封環(huán)外徑； —密封環(huán)平均直徑； —法蘭材料需用應力； F—法蘭受力總和； d—密封環(huán)內徑； 缸筒端部聯(lián)接強度計算 計算螺紋處的拉應力： 計算螺紋出的剪應力： 計算出合成應力： 上式中 K1—螺紋連接處的摩擦系數(shù)，＝0.12； K—為擰緊螺紋的系數(shù)，取K＝3； —螺紋小徑，＝18.7mm； Z—螺釘數(shù)量，Z＝4； —螺紋外徑，＝22mm，螺距p=1.5。[11] 活塞與活塞桿的連接 在一般工作條件下，活塞與活塞桿采用螺紋連接。 7 液壓元件的選擇 在前面計算的數(shù)據(jù)和已經(jīng)確定的升降舞臺液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)和選定的液壓系統(tǒng)原理圖，可以就本設計選出適合的主要液壓元件。 7.1液壓泵的選擇 由前面的液壓系統(tǒng)原理圖給出整個系統(tǒng)采用一個液壓泵供油方式，因此結合價格，結構簡單，安裝容易各方面要求，液壓泵選擇單齒輪泵就能夠滿足本設計實現(xiàn)舞臺升降的要求。 液壓泵的選擇主要是依據(jù)液壓泵的工作壓力和流量進行選擇。 （1） 液壓泵的工作壓力 由設計前面計算可以得出整個液壓系統(tǒng)所需要的最大工作壓力為15MPa，而這一工作壓力作為液壓系統(tǒng)中液壓泵的額定工作壓力。所以可以選擇額定工作壓力16MPa的液壓泵。[12] （2） 液壓泵的流量 前述計算得到液壓缸的所需要的理論流量為，設齒輪泵容積效率，所選擇的電動機轉速為1500r/min，則根據(jù)前面設計計算數(shù)據(jù)，可以得到液壓泵的排量為： 根據(jù)Sauer-Danfoss液壓配件，上海博業(yè)有限公司所給出的齒輪泵樣本表顯示。由樣本表中可以得出SNP1系列中與相接近的齒輪泵的排量為有兩個：分別為和，但是這個排量更接近于所得到的排量。但如果選擇排量的液壓泵的話，那么在整個系統(tǒng)工作的過程中就會有較大的油液經(jīng)過溢流閥的閥口溢流回到油箱，造成的能量的浪費，并會使整個系統(tǒng)嚴重發(fā)熱，所以這里選擇SNP1系列中排量為的齒輪泵利用率將更高。而前面已經(jīng)假設了液壓泵的容積效率為90%，但是在實際的工作情況中，液壓泵的容積效率會略高于90%，在低負載的情況下體現(xiàn)的更加明顯， 電動機的轉速也會高于1500r/min，這樣就會造成液壓泵在實際情況下輸出的流量會比計算出的流量偏大。[13] 液壓泵處于滿負載情況下（此時電動機轉速數(shù)值為1500r/min，齒輪泵的容積效率取90%）的流量為 液壓泵處于半負載的情況下（此時電動機轉速數(shù)值為1550r/min，齒輪泵的容積效率取93%）的流量為 小于升降系統(tǒng)所需要的流量值，因此不能能夠滿足設計要求。 這時只能選擇排量的液壓泵，在壓泵處于滿負載情況下（此時電動機轉速數(shù)值為1500r/min，齒輪泵的容積效率取90%）的流量為 而液壓泵在半負載的情況下（此時電動機的轉速數(shù)值1550r/min，齒輪泵的容積效率取93%）的流量為 因小排量的不能滿足設計要求，沒辦法的前提下只能選擇會造成能源浪費的的排量的齒輪泵。 7.2電動機的選擇 為減少剪叉式升降舞臺工作裝置液壓系統(tǒng)的尺寸，簡化系統(tǒng)結構，采用電動機來驅動液壓泵工作。在選擇液壓泵的驅動電動機時，需要電動機功率能夠滿足升降舞臺齒輪泵的供油流量就可以了。在最大的實際工作負載下，液壓泵的實際輸出功率為；： 齒輪泵機械效率和容積效率之和通常在80%~85%之間，取齒輪泵的機械效率和容積效率為80%，可以計算得出所需要的電動機的功率為： 7.3液壓閥的選擇 圖中舞臺升降工作裝置液壓系統(tǒng)有齒輪泵供油，因此對于升降系統(tǒng)來說，經(jīng)換向閥，單向閥，溢流閥，電液比例調速閥等各種閥口的的最大流量均為4.77L/min，各液壓元件的額定工作壓力應大于整個升降系統(tǒng)的最大工作壓力的值15MPa；對于夾緊液壓系統(tǒng)本設計中不考慮。 在挑選溢流閥的型號時，由于它在整個升降系統(tǒng)中作為安全閥，所以溢流閥的調定壓力應高于整個系統(tǒng)的供油壓力的10%左右。根據(jù)前面的計算整個升降系統(tǒng)溢流閥的壓力設為16MPa是比較合適的，對于具體的調定數(shù)值會在系統(tǒng)性能驗算一節(jié)中再一步的進行核算。[15] 為了確定各種液壓閥的型號，經(jīng)翻閱相關的生產(chǎn)廠家所提供的液壓閥樣本型號，確定本設計的剪叉式升降舞臺升降裝置液壓系統(tǒng)各個液壓閥的型號及技術參數(shù)如下表5所示。 表5 液壓元件型號及技術參照表 序號 元件名稱 規(guī)格 額定流量/（L/min） 最高使用壓力/MPa 型號 1 液控單向閥3 40 25 CP*-T-03-*-*-50 2 電磁溢流閥1 200 31.5 DBWH6P-10/200 3 .單向閥4.7 10 21 DXF6-G 4 電液比例調速閥5 10 5~63 BKQI-10B 5 三位四通電磁換向閥6 12 31.5 4WE6C 7.4管路的選擇 本次設計所需要的液壓管路的直徑可以通過設計中涉及的液壓元件的油液進出口的口徑來選擇管路直徑的大小，也可通過管路中流速的推薦進行相關的計算來確定管路的直徑大小。 根據(jù)液壓系統(tǒng)經(jīng)典設計實例中給出的液壓管路推薦范圍，假如這里的液壓泵的排油管路中油液的運動速度為5m/s。而液壓泵吸油管路中的油液運動速度為1m/s。還需要結合工作環(huán)境、功率的損失、熱和噪音的產(chǎn)生以及振動等方面的因素對液壓系統(tǒng)管路中油液的流動速度的影響。 在半載工況的情況下，此時齒輪泵管路中的最大流量為 則管道的最小橫截面面積為 由可知 即 為了減小管路中壓力的損失，選擇管徑時應選擇大一些的油管作為工作油管，取管子直徑為5mm的油管即可滿足。 而齒輪泵的吸油管路中所流過的最大流量就是此液壓泵的理論流量，即， 則管道的最小橫截面面積為： 由可知： 即 D=9.2mm。 查閱液壓管路口徑的標準值，管路直徑有9mm的，但9.2mm大于9mm，又因為為了減少壓力損失，所以經(jīng)過選擇應該選擇管路直徑為10mm的油管最為合適。 7.5油箱的設計 根據(jù)儲油量的要求，可以初步確定油箱的容積為： 已知齒輪泵理論排量按下式計算=5L/min，對于低壓機械，在計算油箱的有效容積時應取a的值為3。則 所以油箱總容積為查閱液壓泵油箱公稱容積系列，得到油箱整體容積選擇20L。[13] 8 液壓系統(tǒng)性能的驗算 8.1壓力損失驗算 本設計的剪叉式升降舞臺液壓控制系統(tǒng)的壓力損失包括三個部分的壓力損失，①在整個工作管路中，油液經(jīng)過進油管所產(chǎn)生的沿程壓力的損失、②油液在管路中的每一個管接頭和每一個彎管處的管路局部壓力的損失、③油液流經(jīng)每一個閥的局部壓力的損失。但由于剪叉式升降舞臺液壓系統(tǒng)主管路比較短，管接頭與彎管也不多，因此沿程壓力的損失和各個管接頭和每個彎管等處的管路局部壓力的損失可以忽略不計，所以整個剪叉式升降舞臺液壓系統(tǒng)的壓力損失主體來之于油液經(jīng)過各個閥造成的局部壓力損失。由原理圖的擬定可以得出，整個升降系統(tǒng)在升降的過程中各個閥產(chǎn)生的局部壓力損失主要包括液比例調速閥5、三位四通電磁換向閥6、單向閥7、兩個單向閥4和液控單向閥3每個閥口產(chǎn)生的局部壓力損失之和。[4] 對于整個升降系統(tǒng)，經(jīng)查閱各個閥的開啟壓力值為：單向閥7、液控單向閥3和單向閥4的開啟壓力都為0.035MPa；在管路中的流量為5L/min時，三位四通電磁換向閥6產(chǎn)生的壓力損失值約為0.5MPa；而在管路中的流量為5L/min時，電液比例調速閥5產(chǎn)生的壓力損失值約為0.5MPa。所以，整個升降系統(tǒng)中進油管路的局部損失為 所以溢流閥的調定壓力值應為 而上面的整個系統(tǒng)溢流閥的調定壓力取16MPa是合適的。 8.2系統(tǒng)溫升驗算 對于剪叉式升降舞臺，剪叉式支撐桿在處于閑置或者負載下降時，換向閥工作處于中位時，齒輪泵在低壓情況下有的油液流量會流回油箱，此時齒輪泵處于卸荷的狀態(tài)，因此齒輪泵損失的功率比較小。在舞臺處于負載上升時，齒輪泵的大部分油液的流量會進入液壓缸中。當負載上升達到最高位置時，齒輪 泵會以的額定流量從溢流閥溢流回到油箱，這將造成不必要的能量消耗。[4] 設泵流量的功率90%都經(jīng)過溢流閥流失，那么損失的功率為： 油液溫度的升高計算公式為： 式中—液壓油液的密度，取870kg/； —液壓油液的比定壓熱容，對于普通的石油型液壓油液，，取。 那么油液的溫度會升高的度數(shù)為 經(jīng)計算和查閱資料上述溫升在低壓機械溫度升高可以接受的范圍內，而且計算出來的是最大的溫升，且這個情況只會出現(xiàn)剪叉式升降舞臺在上升到最高位置時才會出現(xiàn)，因此該剪叉式升降舞臺裝置液壓系統(tǒng)不必設置冷卻器。[6] 9 總結 經(jīng)過這次的畢業(yè)設計對剪叉式升降舞臺從一無所知到現(xiàn)在對其有了大部分的了解，前期在一些工地上觀看了非常多種的升降平臺，收集到了非?？捎^的實體資料和照片，還在實習的工廠里面發(fā)現(xiàn)了固定式的氣動的載物升降舞臺，都為這次設計提供了大量的經(jīng)驗。剛開始寫論文時先對任務書的要求仔細的觀看了一遍，有了大致的目標和方向，再是對開題報告的書寫，查閱了非常多的國內為有關剪叉式升降舞臺的資料。對于設計部分，首先用SolidWorks將剪叉式舞臺的結構立體圖畫了出來，以便于更好的觀看舞臺的運動過程，再進行了液壓系統(tǒng)的擬定，然后對液壓缸進行了設計與計算，最后進行了液壓元件的選擇和系統(tǒng)性能的驗算。但論文部分寫完之后就是對液壓缸零件圖和裝配圖和繪制，經(jīng)過多次的修改終于達到了肖老師和劉老師的認可。 通過這次實踐，我了解了剪叉式升降舞臺升降裝置液壓系統(tǒng)的主要工作原理及用途，對這次的設計步驟也了然一心。在這次設計中也讓我更早的進入了社會，對社會有了一定的認識，還培養(yǎng)了我獨自動手設計分析的能力。此次畢業(yè)設計是對我大學四年來所學了一次非常有標志性的檢驗，整合了我這大學所學的大部分知識和能力。也為我在對今后的工作選擇有了一定的目標性，不會那么的迷茫。 剪叉式升降類液壓機械對液壓系統(tǒng)的要求是安全可靠、效率高、成本低。通過本次設計，對剪叉式升降舞臺液壓系統(tǒng)的設計方法和設計經(jīng)驗總結如下： （1） 通過采用低成本的齒輪泵作為能源，普通的電磁換向閥作為控制元件，使得整個系統(tǒng)造價低，易于維護。 （2） 為了保證系統(tǒng)的工作安全，對于涉及到下降工況的液壓系統(tǒng)機械，應采用平衡回路來保證升降的一致性，本設計將電液比例調速閥運用到了液壓系統(tǒng)中，式升降過程中的速度一致。 （3） 為了提高系統(tǒng)在不同高度都可以做到安全定位，系統(tǒng)增加了夾緊閥，使得舞臺面在某一平面上更牢固。 參考文獻 [1]李壯云主編，賀小峰、萬雄會副主編.《液壓元件與系統(tǒng)》3版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.6. 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[15]陳次昌，宋文武.《流體機械基礎》[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009. 致謝 大學的畢業(yè)設計給了我們一次全面運用大學四年所學到的知識。在書寫畢業(yè)設計時遇到了一大把的問題都是經(jīng)過指導老師XX老師耐心的解答，尤其是老師的一句“隨時聯(lián)系”給了我非常大的動力。還有輔導老師XX老師也對我們付出了很多的心血，而且時刻提醒我們畢業(yè)論文的進度一定要跟上，每次放松下來時都會在他們的鼓勵下更進一步。這次畢業(yè)設計也讓我重新?lián)炱鹆撕镁脹]有使用的軟件,如CAD和SW。以前所學的CAD只有簡單的畫圖,經(jīng)過這次經(jīng)歷對CAD有了全面的了解,學會了規(guī)范的工程制圖。在這里還要感謝一下班上的一些同學，幫助我解決了CAD上面的一些問題，如零件圖圖紙的選擇，還有字體標注箭頭大小的設置等等。感謝同學在自己還要書寫論文的情況下還傾聽我的問題，并細心的幫我答疑。也感謝XX每一位教過我的老師。 第 45 頁 共 45 頁