基于UG水平固定式剪式升降台设计论文.doc

摘 要基于UG移动式可倾斜升降平台的运动仿真 长期以来升降平台的研制一直采用传统的方法，它的生产周期长，物理样机制造成本高，而且当产品制出后，经常会出现部件、零部件之间相互干涉，而无法装配等问题。本文介绍了应用美国公司UG软件进行升降平台单体虚拟制造和运动仿真的过程。利用UG对建立的升降平台单体的各零部件三维实体模型进行约束和连接装配，形成升降平台单体整体装配，然后通过软件UG进行运动仿真，仿真结果表明，可以利用该仿真平台对升降平台进行性能和结构设计分析，这种方法提高了升降平台设计的效率和准确性，具有一定的实用价值，为将来样机实验奠定了基础。关键词：虚拟样机技术；UG仿真；升降平台Abstract: Since long ago the elevator development always uses traditional the method, its production cycle is long, the physical prototype production cost is high, moreover after product generating, can appear between frequently the part, the spare part interferes mutually, but is unable to assemble and so on the questions. This article introduced software carries on the elevator monomer hypothesized manufacture and the movement simulation process using American UG. Carries on the restraint and the connection assembly using GU to the establishment elevator monomer various spare parts three dimensional full-scale mockup, forms the elevator monomer whole assembly, then inducts through connection software UG to carry on the movement simulation, the simulation result indicated, This method enhanced the efficiency and the accuracy which the precision planter designs, has certain practical value, will be the future prototype experiment has laid the foundation.Key word： Virtual prototyping; UG simulation ; Elevat目 录目 录I1. 国内外升降台的发展形势11.1国外升降台的发展形势11.2国内升降台的发展形势21.3 课题研究的目的意义及主要内容31.3.1 课题研究的目的意义31.3.2 课题研究的主要内容32 剪叉式升降台的应用及其受力分析的讨论32.1剪叉式升降平台的三种结构形式32.2 水平固定式剪叉式升降平台机构的位置参数计算42.3水平固定式剪叉式升降平台机构的动力参数计62.4 针对性比较小实例：62.5水平固定式剪叉式升降平台机构中两种液压缸布置方式的分析72.5.1问题的提出：72.5.2两种布置方式的分析和比较：82.5.3实例计算93液压传动系统的设计计算103.1制定液压系统的基本方案103.1.1确定液压执行元件的形式103.1.2 确定液压缸的类型113.2.3 缸盖联接的类型113.2.4拟订液压执行元件运动控制回路113.2.5液压源系统113.3确定液压系统的主要参数123.3.1载荷的组成与计算：123.3.2计算液压缸的主要结构尺寸133.3.3管道尺寸的确定153.4液压缸主要零件结构、材料及技术要求163.4.1缸体163.4.2活塞163.4.3液压缸安装联接部分的型式及尺寸173.4.4绘制液压系统原理图184台板与叉杆的设计计算204.1确定叉杆的结构材料及尺寸204.2横轴的选取225 剪式升降台基于UG三维虚拟制造与运动仿真245.1 建模245.1.1支撑杆245.1.2长横杆245.1.3短横杆255.1.4液压缸255.1.5活塞255.1.6平台265.1.7机座265.2 装配275.3 仿真275.3.1工作表275.3.2运动曲线285.3.3创建连杆285.3.4创建运动副286 剪叉式液压升降台数学模型的建立296.1 剪叉式液压升降台简介296.2 升降台的模块划分306.3 升降台数学模型分析306.3.1虚位移原理306.3.2单杆的运动分析316.3.3级杆组的运动分析326.3.4有源组的运动分析33结 论35致 谢36参考文献37附录391. 国内外升降台的发展形势1.1国外升降台的发展形势 对垂直运送的需求与人类的文明一样久远，最早的升降平台使用人力、畜力和水力来提升重量。升降装置直到工业革命前都一直依靠这些基本的动力方式。 古希腊时，阿基米德开发了经过改进的用绳子和滑轮操作的升降装置，它用绞盘和杠杆把提升绳缠绕在绕线柱上。 公元80年，角斗士和野生动物乘坐原始的升降平台到达罗马大剧场中竞技场的高度。 中世纪的纪录包括无数拉升升降装置的人和为孤立地点进行供给的图案。其中最著名的是位于希腊的圣巴拉姆修道院的升降平台。这个修道院位于距离地面大约61米高的山顶上，提升机使用篮子或者货物网，运送人员与货物上下。 1203年，位于法国海岸边的一座修道院的升降平台安装于使用一个巨大的踏轮，由毛驴提供提升的动力，通过把绳子缠绕在一个巨大的柱子上，负重就被提升了起来。 18世纪，机械力开始被用于升降平台的发展。1743年，法国路易十五授权在凡尔赛的私人宫殿安装使用平衡物的人员升降平台。1833年，一种使用往复杆的系统在德国哈尔茨山脉地区升降矿工。1835年，一种被称为“绞盘机”的用皮带牵引的升降平台安装在英国的一家工厂。1846年，第一部工业用水压式升降平台出现。然后其他动力的升降装置紧跟着很快出现了。1854年，美国技工奥蒂斯发明了一个棘轮机械装置，在纽约贸易展览会上展示了安全升降平台。1889年，埃菲尔铁塔建塔时安装了以蒸汽为动力的升降平台，后改用电梯。1892年，智利阿斯蒂列罗山的升降设备建成，直到现在，15台升降平台仍然使用着110多年前的机械设备。目前，瑞士格劳宾登州正在兴建的“圣哥达隧道”是一条从阿尔卑斯山滑雪胜地通往欧洲其他国家的地下铁路隧道，全长57公里，预计2016年建成通车。在距地面大约800米的“阿尔卑斯”高速列车站，将兴建一个直接抵达地面的升降平台。建成后，它将是世界上升降距离最长的一部升降平台了。旅客通过升降平台抵达地面后，便可搭乘阿尔卑斯冰河观光快速列车，两个小时后就能到达山上的度假村了。汽车举升机在世界上已经有了70年历史。1925年在美国生产的第一台汽车举升机，它是一种由气动控制的单柱举升机，由于当时采用的气压较低，因而缸体较大；同时采用皮革进行密封，因而压缩空气驱动时的弹跳严重且又不稳定。直到10年以后，即1935年这种单柱举升机才在美国以外的其它地方开始采用。1966年，一家德国公司生产出第一台双柱举升机，这是举升机设计上的又一突破性进展，但是直到1977这种举升机才在德国以外的其它国家出现。现在双柱举升机在市场上以占据牢固的地位，其销量还在持续增长。它和四柱举升机相比，既有优点1.2国内升降台的发展形势国升降机行业从仅能对升降机进行简单的维护、保养，逐步发展成为集研发、生产、销售、安装、服务五位一体的高新科技产业。据统计，2004年底，中国大陆的在用升降机总数已达651794台。有关专家曾表示，我国已超过日本成为世界最大的新装升降机市场。由于房地产业、城市公共建设等产业发展迅速，预计未来10年，我国的升降机市场仍将保持每年20%的递增速度，年平均销售额至少500亿美元。2006年，中国巨大的升降机市场吸引了全世界几乎所有升降机企业的关注，中国国际升降机展在廊坊成功举办，为全球升降机企业展示、交流提供了平台。2006年全球升降机市场销售额为300亿欧元，其中中国市场销售额占33%，在全球销售额中名列前茅。2007年，随着中国房地产业的迅猛发展，升降机市场需求不断扩大，外资品牌主导中国升降机市场，国内品牌保持了发展的强劲势头同时中国升降机产品的结构调整速度加快，20062007中国升降机产量虽然略有波动，但仍保持良好的发展势头。2008年，中国的升降机市场被世界看好，随着中国升降机产业的不断成熟，对升降机技术要求越来越高，升降机价格竞争也越演越烈。2008年4 月中国国展升降机展在廊坊盛大开幕，再次为全球升降机企业提供交流发展平台，展会其间各大升降机企业，如：日立、东芝、永大等不仅展出了先进的产品和技术，现场活动也都各具特色，各各方面都彰显升降机行业繁荣景象。然而，08年8月受美国次贷危机的影响,全球经济市场出现内需萎缩。在中国本土市场，受房地产下滑，以及各种不利因素影响，直接降低了升降机市场的增幅，中国升降机市场风光大减。中国本土的升降机企业正经受着考验，迎来了中国升降机发展史上第一个严冬，各大、中、小升降机企业为度过这个严冬都做出了最大的努力。这个冬天虽然冷,但对加速中国升降机行业整合，提高企业竞争力，进一步适应国际市场是一种积极的推进。纵观中国升降机业发展历程，升降机企业在飞速发展，不论是技术革新、企业规模、管理方法，中国升降机企业的竞争力在加强。现在的局势正是对中国本地升降机企业最严峻考验，有专家分析，全球金融危机虽然在短期内为中国经济增长带来了负面影响，但长期来看，却不失为一次机遇与挑战并存的战略性转折机会。企业需要理性的思索，并通过提高战略能力来掌控未来。1.3 课题研究的目的意义及主要内容1.3.1 课题研究的目的意义 运动仿真是UG/CAE（Computer Aided Engineering）模块中的主要部分，它能对任何二维或三维机构进行复杂的运动学分析、动力分析和设计仿真。通过UG/Modeling的功能建立一个三维实体模型，利用UG/Motion的功能给三维实体模型的各个部件赋予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的连接关系既可建立一个运动仿真模型。UG/Motion的功能可以对运动机构进行大量的装配分析工作、运动合理性分析工作，诸如干涉检查、轨迹包络等，得到大量运动机构的运动参数。通过对这个运动仿真模型进行运动学或动力学运动分析就可以验证该运动机构设计的合理性，并且以利用图形输出各个部件的位移、坐标、加速度、速度和力的变化情。1.3.2 课题研究的主要内容1、对剪式升降台工艺结构的设计2、UG软件实现剪式升降台零件的建模3、UG软件实现剪式升降台的装配4、UG实现注剪式升降台的运动仿真综合以上所述，本课题主要研究的重点是根据剪式升降平台的UG三维模型，基于UG完剪式升降台的设计及建模过程。并实现相应的运动仿真。在此基础上，对相应的结构进行结构分析，认识并了解相应的机构功能。并确定模具总体参数及机构型式，定位方式和驱动方式，对模具工作部件的设计和计算。2 剪叉式升降台的应用及其受力分析的讨论2.1剪叉式升降平台的三种结构形式本讨论的目的通过分析气液动类的剪叉式升降平台机构特点，论述了设计时应注意的问题及其应用范围。气液动剪叉式升降平台具有制造容易、价格低廉、坚实耐用、便于维修保养等特点。在民航、交通运输、冶金、汽车制造等行业逐渐得到广泛应用。本设计中主要侧重于小型家用液压式的升降平台。在设计气液动剪叉式升降平台的过程中，一般我们会考虑如下三种设计方案，如简图2-1所示： 图2-1 结构简图 图中表示气液动剪叉式升降平台的三种结构形式。长度相等的两根支撑杆AB和MN铰接于二杆的中点E，两杆的M、A端分别铰接于平板和机架上，两杆的B、N端分别与两滚轮铰接，并可在上平板和机架上的导向槽内滚动。图中的三种结构形式的不同之处在于驱动件液压缸的安装位置不同。图a中的驱动液压缸的下不固定在机架上，上部的活塞杆以球头与上平板球窝接触。液压缸通过活塞杆使上平板铅直升降。图b中的卧式液压缸活塞杆与支撑杆MN铰接于N处。液压缸驱动活塞杆控制平台铅直升降。图c中的液压缸缸体尾部与机架铰接于G处，活塞杆头部与支撑杆AB铰接于F处。液压缸驱动活塞杆可控制平台铅直升降。按照液压缸的安装形式，称图a的形式为直立固定剪叉式结构，图b的形式为水平固定剪叉式，图c的形式为双铰接剪叉式结构。水平固定剪叉式机构，通过分析计算可知，平台的升降行程大于液压缸的行程，在应用过程中可以实现快速控制升降的目的，但不足之处是活塞杆受到横向力的作用，影响密封件的使用寿命。而且活塞杆所承受的载荷力要比实际平台上的载荷力要大的多。2.2 水平固定式剪叉式升降平台机构的位置参数计算由图2-2可知图2-2位置参数示意图 （2-1） （2-2）上式中：H任意位置时升降平台的高度；C任意位置时铰接点F到液压铰接点G的距离；L支撑杆的长度；支撑杆固定铰支点A到铰接点F的距离；T机架长度（A到G点的距离）；活塞杆与水平线的夹角。以下相同。将（2-2）式代入（2-1）式，并整理得。 （2-3）设代入（2-3）式得。 （2-4）在（4）式中，升降平台的初始高度；液压缸初始长度。剪叉式升降平台机构的运动参数计算：是F点的绝对速度；是B点绝对速度；是AB支撑杆的速度；是液压缸活塞平均相对速度；是升降平台升降速度。由图3可知： （2-5）在（2-5）式中，液压缸活塞平均相对运动速度；升降平台升降速度；支撑杆与水平线的夹角。以下相同。2.3水平固定式剪叉式升降平台机构的动力参数计P是由液压缸作用于活塞杆上的推力，Q是升降平台所承受的重力载荷。通过分析机构受力情况并进行计算（过程省略）得出：升降平台上升时； （2-6）升降平台下降时 （2-6）式中，P液压缸作用于活塞杆的推力；Q升降平台所承受的重力载荷；f滚动摩擦系数；b载荷Q的作用线到上平板左铰支点M的水平距离。由于滚动轮与导向槽之间为滚动摩擦，摩擦系数很小（f=0.01）,为简化计算，或忽略不计。2.4 针对性比较小实例：如某自动生产线上， 需设计一种升降平台，要求升降平台最大升降行程应大于620mm，升降平台面最低高度应小于300mm，最大承重载荷0050kg根据实际使用要求，我们选取了单作用柱塞缸式液压缸。液压缸初始长度=595mm；最大行程=320mm。升降太机构尺寸：升降台面最低高度=281mm;机架长度T=1 200;支撑杆长度L=1 230.5mm.按照上述尺寸，结合以上公式分别对双铰接剪叉式和水平固定剪叉式两种结构形式进行了计算。计算结果见表1、表2和统计图（其中滚动摩擦忽略不计）。水平固定剪叉式结构公式如下： 其中，S液压缸的实际行程，T机架长度（A点到G点的距离）。从计算结果可以看出：在整体结构尺寸相同、液压缸行程相同的前提下，作用在液压缸活塞杆上的最大推力,水平固定剪叉式结构大于双铰接剪叉式结构；升降台最大行程，双铰接剪叉式结构大于水平固定剪叉式结构。常适由于采用了双铰接剪叉式结构液压升降平台，在设备安装时避免了挖地坑，不仅节省了费用，还给以后了设备维护和检修带来方便。综上所述，气液动双铰接剪叉式结构液压升降平台整体尺寸较小，结构简单、紧凑，节省投资；可获得缸体二倍以上的升降形成；非合于空间尺寸小、升降行程大的场合，是一种值得推荐使用的升降机构。2.5水平固定式剪叉式升降平台机构中两种液压缸布置方式的分析刚刚我们已经简单的分析并讨论了双铰接剪叉式液压升降平台机构与其他两种机构的区别以及在实际应用中所存在的利和弊，但是在考虑各方面条件如单作用柱塞式液压缸、双铰连接、双支撑杆、相同的升降平台等都不改变的基础之上，能否将设计进行进一步的优化呢？为证明这一点，我们可以从该机构的布置方式考虑，将结构略改动一下。缸常用我们可以从图上看出，液压缸的尾部是连接在右侧支撑杆活动的区域的，液压缸的头部是连接在杆1的右端（偏向杆1的活动铰连接）。因此，我们针对实际升降台剪叉机构中液压的布置方式存在的问题，提出了另一种相对布置方式，将液压缸布置在与之相对称的左侧，即与剪叉机构的固定支点在同一侧，来进一步分析讨论。利用瞬时速度中心法和虚位移原理，推导出这两种布置方式液压缸活塞运动速度与台面升降速度的关系式及活塞推力与台面荷重的关系式，并对两种布置方式进行了分析比较，指出了它们各自的优缺点以及适用场合。根据升降台剪叉机构的工程实例做了几何、运动和动力参数的对比计算和液压缸结构参数的合理选择。2.5.1问题的提出：液压缸驱动的剪叉机构再各种升降台中广泛应用，因安装的空间不同，其折合后的高度也必然就不同，所以液压缸在剪叉机构内的布置要受到折合后高度的约束。根据文献甘肃大学学报的有关液压缸驱动剪叉机构的运动学及动力学分析一章，得知在这种布置方式的情况下，如图：液压缸活塞运动速度与台面升降速度的关系式为 （2-7）活塞推力与台面荷重的关系式为 （2-8）式中， 以上两式的推导基于工程中常用的液压缸布置方式，即液压缸下支点与剪叉机构的固定支点在同一侧，如上图。这种布置方式的优点是液压缸的有效行程比较短，这在台面升程范围比较大的场合较为适用。存在的问题是在剪叉机构折合后的高度h较小的情况下（即角较小），所需液压缸的推力将大大增加。在液压缸最高工作压力限定的情况下，这将使得所用的液压缸的直径增大，以致在折合后的剪叉机构中难以布置；或采用两个直径较小的液压缸取代一个大直径的液压缸，不过这将增加一对液压缸的支座，同时带来机械加工、液压缸安装以及液压系统的复杂性，加大了整个装置的成本。2.5.2两种布置方式的分析和比较：为了解决以上提出的问题，可考虑将液压缸反向布置（即采用第一种设计方案），计算一下该方案的有关参数再将两者作以比较。这里仍用瞬时速度中心法来求解活塞运动速度。杆上点、点的瞬时转动中心为F点，D点、A点的速度为： 台面升降速度：点的运动速度：活塞运动速度： （2-9）式中，依据虚位移原理有：代入式（），整理后得活塞推力：式（）和式（）的正确性可以用机械能守恒原理来证明，即将式（）与式（）进行比较，再各参数都相同的条件下，显然，液压缸布置再右侧时的推力较液压缸布置在左侧时小；而式（）与式（）比较，则液压缸布置在右侧时的活塞速度较液压缸布置在左侧时高。可见，活塞推力的减小是以活塞速度的提高为代价换来的。液压缸布置在剪叉机构的右侧，使得液压缸的活塞推力减小，这就可以选用直径较小的液压缸，有利于液压缸在剪叉机构中的布置；带来的问题是液压缸的有效行程较长，如果台面升程范围不大，液压缸行程的增加也是有限的。2.5.3实例计算根据以上分析结果，结合实例进行对比计算，实例结构简图如图所示，其中左右两侧分别为两种布置情况。剪叉机构的结构尺寸：h=4001 200mm,=2 000mm,=535mm,=770mm,=3210mm.两种布置方式主要参数计算结果见下表：图表2.1参 数液压缸布置在左侧液压缸布置在右侧杆FD倾角液压缸倾角起始角/()5.7395.739起始角/()20.23620.236起始活塞速度0.1850.279起始活塞推力5.42W3.58W终止角/()17.45817.458终止角/()50.47322.262活塞有效行程L/mm253365从统计表中的数值比较可以看出，液压缸在剪叉机构中的布置方式对其运动参数和动力参数有着较明显的差异。当起始角为最小值、时，活塞推力为最大值。在台面荷重W相同的情况下，液压缸布置在右侧时的推力明显小于液压缸布置在左侧时的情况，两者的比值为0.66，而活塞的有效行程L则是液压缸布置在右侧时较长，比在左侧时增加了112mm。如果载荷量不是很大的话（即载荷量W<1.5kN），这时可以考虑采用左侧的布置方案，因为这样可以缩短液压缸的伸长长度。如果伸长度过大的话，不仅在材料上会有所浪费，而且在长期承受载荷的同时也会相应的增大液压缸及活塞部分的弯曲应力。综合以上考虑，可以初步设想采用液压缸布置在左侧的方案。而在该方案中活塞起始的速度小于液压缸布置在右侧时的速度，两者比值=0.66。为了弥补在速度方面的不足，以及减小举升及整体的体积，可以考虑采用双级支撑杆共同举升平台以达到提升速度的目的。将两根支撑杆的右侧部分折合到左侧，产生四根相对比较短的支撑杆，即可达到目的。那么首先我们就要计算一下这样的设计方案所采用的液压缸的各项参数，然后再根据已求得的各项参数来具体确定一下此方案是否合理。下面按照本设计的基本要求，进一步选择合适的布置方案。为了使举升机使用范围广泛，载荷更具有代表性，本设计首先建立了一个轿车模型，它的有关参数是：车自重1.5t, 宽1.42m,高1.1m,轴距2.4m。在载荷方面没有超出允许的范围内，是可以采用该方案的。为了工作安全起见，要求举升机在各高度上工作时都应自锁，完工后可原速或缓速下降，在空载时也可实现快速下降，这在下面的液压系统回路分析中会探讨到。为了便于维修人员在升降台底部维修，不仅要在升降高度方面要加以合理化，还要留有维修人员站立维修的位置。为此，可以选择采用双升降台同步举升并采用共同底板的方式以满足要求，此布置方案需要两个液压缸，16根支撑杆举升。为了增强其安全可靠性，可以设其总承载量为，则平均每个升降台的承载量为。由于这样平均每个液压缸承受的台面载荷仅为9800N，所以采用坐侧布置液压缸是完全可以的。3液压传动系统的设计计算3.1制定液压系统的基本方案3.1.1确定液压执行元件的形式液压执行元件大体分为液压缸或液压泵。前者实现直线运动，后者完成回转运动，二者的特点及适用场合见下表。图表3.1名 称特 点适 用 场 合双活塞杆液压缸双向对称双作用往复运动单活塞杆液压缸有效工作面积大、双向不对称往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进，A1=2A2往返速度相等柱塞缸结构简单单向工作，靠重力或其他外力返回摆动缸单叶片式转角小于360度双叶片式转角小于180度小于360度的摆动小于180度的摆动齿轮泵结构简单，价格便宜高转速低扭矩的回转运动叶片泵体积小，转动惯量小高转速低扭矩动作灵敏的回转运动摆线齿轮泵体积小，输出扭矩大低速，小功率，大扭矩的回转运动轴向柱塞泵运动平稳、扭矩大、转速范围宽大扭矩的回转运动径向柱塞泵转速低，结构复杂，输出大扭矩低速大扭矩的回转运动注：A1无杆腔的活塞面积 A2有无杆腔的活塞面积对于本设计实现单纯并且简单直线及回转运动的机构，可以采用齿轮式液压泵及双活塞杆液压缸，这样不仅简化液压系统降低设备成本，而且能改善运动机构的性能和液压执行元件的载荷状况。3.1.2 确定液压缸的类型工程液压缸主要用于工程机械、重型机械、起重运输机械及矿山机械的液压系统。根据主机的运动要求，按表37-7-5选择液压缸的类型为：直线运动单活塞杆双作用缓冲式液压缸。其特点：活塞双向运动产生推、拉力。活塞行程终了时减速制动，减速值不变。3.2.3 缸盖联接的类型按缸盖与缸体的联接方式，可分为外螺纹联接式、内卡键联接式及法兰联接式三种。这里采用法兰联接。型号说明：P37-1803.2.4拟订液压执行元件运动控制回路液压执行元件确定之后，其运动方向和运动速度的控制是拟订液压回路的核心问题。方向控制用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，大多数通过换向阀的有机组合实现所要求的动作。对于高压大流量的液压系统，现多采用插装阀于先导控制阀的组合来实现。本设计剪叉式液压升降台其特点：起升压力大，运行缓慢、平稳，能人工控制起升至某一固定高度时并保持该高度自锁。3.2.5液压源系统液压系统的工作介质完全由液压源提供，液压源的核心是液压泵。在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经过溢流阀回油箱，溢流阀同时起到开展并稳定油源压力的作用。容积调速系统多数是用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。为节省能源并提高效率，液压泵的供油量要尽量于系统所需流量相匹配。对在工作循环各阶段中系统所需油量相差较大的情况下，则采用多泵供油或变量泵供油。对于本设计，由于工作周期短，循环次数少，供油量可以适当减少以节省能源，采用单泵供油即可，不需蓄能器储存能量。对于油液的净化：油液的净化装置在液压源中是必不可少的。一般泵的入口要装有粗滤油器，进入系统的油液根据被保护元件的要求，通过相应的精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁过滤或其他形式滤油器。根据液压设备所处环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。3.3确定液压系统的主要参数液压系统的主要参数是压力和流量，它们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷。流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。3.3.1载荷的组成与计算：现在值还是一个未知量，但值的大小必须在之内，初步设定。根据活塞推力与台面荷重量关系式得出P=13.3W。若设的话，就得出P=11.6W。通过二者比较，时，活塞的最大推力P要小于时。即在值不变的条件下，与P是成反比的。但考虑到活塞杆与支撑杆的铰接点A又不能太靠近两支撑杆的铰接点B，否则将会在两处铰接点产生很大的应力集中，以致降低疲劳强度。因此，应选比较合适。这时将代入公式得 ，当平台处于最低位置时，液压缸荷重P最大，P=11.6W=11.69800=113680N。下面就根据载荷量来选取合适的液压缸。图3-3液压缸本图表示一个以液压缸为执行元件的液压系统计算简图。各有关参数标注于图上，其中是作用在活塞杆上的外部载荷， 是活塞与缸壁以及活塞杆与导向套之间的密封阻力。作用在活塞杆是的外部载荷包括工作载荷 ，导轨的摩擦力和由于速度变化而产生的惯性力。（1）工作载荷常见的工作载荷有作用于活塞杆上轴线的重力、切削力、挤压力等，这些作用力的方向与活塞的运动方向相同为负，相反为正。在实际工作过程中，由于载荷量较大，活塞自身的重力可以忽略不计，切削力与挤压力共同组成的外力即为工作载荷，在图3中，=P。由于本设计按最大载荷量定为2吨来计算，所以每个液压缸=P=113680N。（2）导轨摩擦载荷对于直动型安装的液压缸一般都附有活塞导轨以固定其运动方向，导轨摩擦相对于总载荷可以忽略不计，因此=0。（3）惯性载荷，。速度变化量m/s起动或制动时间，s。一般机械=0.10.5s，对轻度载荷低速运动部件取小值，对重载荷高速部件取大值。行走机械一般取=0.51.5s加速度初步选定速度变化量=0.16m/s，=0.6s，则=0.27，以上三种载荷之和称为液压缸的外载荷， 。起动加速时 ， 稳态运动时 ， 减速制动时 。工作载荷并非每阶段都存在，如该阶段没有工作，则=0。但在计算和校核时，应按照最大值取。除了外载荷外，作用于活塞上的载荷F还包括液压缸密封处的摩擦阻力，由于各种液压缸的密封材质和密封形式不同，密封阻力难以精确计算，一般估算为 式中液压缸的机械效率，一般取0.900.95，这里取0.95，3.3.2计算液压缸的主要结构尺寸液压缸的相关参数和结构尺寸液压缸有关的设计参数见图所示：图3-4 液压缸设计参数图a为液压缸活塞杆工作在受压状态，图b表示活塞杆受拉状态。活塞杆受压时活塞杆受拉时 式中无杆腔活塞有效工作面积 有杆腔活塞有效工作面积 液压缸工作腔压力 Pa液压缸回油腔压力 Pa，其值根据回路的具体情况而定，一般可以按照下表估算D活塞直径 md活塞杆直径 m 图表3.3执行元件背压力表系 统 类 型背 压 力 MPa简单系统或轻载节流调速系统0.20.5回油带调速阀的系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路较复杂的工程机械1.23回油路较短，可直接回油路可忽略不计在这里我们取背压力值在本设计中，液压缸不存在受拉的状态，所以只考虑其收压。一般液压缸在收压状态下工作时，其活塞面积为：用运此公式须事先确定与的关系，或是活塞杆径d与活塞直径D的关系，令杆径比=d/D，其比值可按下表选取。按工作压力选取d/D图表3.4工作压力MPa5.05.07.07.0d/D0.50.530.620.70.7按速度比要求确定d/D图表3.5（）1.251.331.460.1612d/D0.40.50.550.620.71注：速度比 ，为活塞两侧有效面积与之比。即如按工作压力应选取d/D=0.7，则相应的速度比=2，由于活塞不受拉力作用，所以活塞杆收缩时可以适当提高其速度， =2也是完全可以的。可以求出d=71.8mm。液压缸的直径D和活塞杆径d的计算值要按国家标准规定的液压缸的有关标准进行圆整，如与标准液压缸参数相近，最好选用国产液压缸，免于自行设计加工。按照机械手册中工程液压缸的技术规格表37-7-7可以选择圆整后的参数：缸径100mm，活塞杆70mm,速度比=2，工作压力16Mpa，推力125.66kN。计算活塞杆的行程当平台处于最低位置时，此时活塞杆应处于完全收缩状态,液压缸的长度为最小值，=1320mm。平台的高度。再计算一下平台上升的最大高度，这里设上升至最大高度的，计算得出最大高度H=2.1m。此时活塞杆伸长至。当活塞杆处于完全收缩状态时，液压缸的长度就等于，选定液压缸长度为1320mm。计算其行程： 。,查表37-7-9可以查得液压缸长度不得小于，实际长度满足要求。3.3.3管道尺寸的确定在液压、气压传动及润滑的管道中常用的管子有钢管、铜管、胶管等，钢管能承受较高的压力，价廉，但安装时的弯曲半径不能太小，多用在装配位置比较方便的地方。这里我们采用钢管连接。管道内径计算 m式中 Q通过管道内的流量v管道内允许流速 ，取值见下表：允许流速推荐值图表3.6油液流经的管道推荐流速 m/s液压泵吸油管道0.51.5，一般取1以下液压系统压油管道36，压力高，管道粘度小取大值液压系统回油管道1.52.6取=0.8m/s，=4m/s, =2m/s.分别应用上述公式得=20.2mm,=10.7mm,=15.2mm。根据内径按标准系列选取相应的管子。按表37-9-1经过圆整后分别选取=20mm，=10.7mm, =15mm。对应管子壁厚。3.4液压缸主要零件结构、材料及技术要求3.4.1缸体1. 缸体端部联接模式采用简单的焊接形式，其特点：结构简单，尺寸小，重量轻，使用广泛。缸体焊接后可能变形，且内径不易加工。所以在加工时应小心注意。主要用于柱塞式液压缸。2. 缸体的材料（45号钢）液压缸缸体的常用材料为20、35、45号无缝钢管。因20号钢的机械性能略低，且不能调质，应用较少。当缸筒与缸底、缸头、管接头或耳轴等件需要焊接时，则应采用焊接性能比较号的35号钢，粗加工后调质。一般情况下，均采用45号钢，并应调质到241285HB。缸体毛坯可采用锻刚，铸铁或铸铁件。铸刚可采用ZG35B等材料，铸铁可采用HT200HT350之间的几个牌号或球墨铸铁。特殊情况可采用铝合金等材料。3. 缸体的技术要求缸体内径采用H8、9配合。表面粗糙度：当活塞采用橡胶密封圈时，Ra为0.10.4，当活塞用活塞环密封时，Ra为0.20.4。且均需衍磨。缸体内径D的圆度公差值可按9、10或11级精度选取，圆柱度公差值应按8级精度选取。缸体端面T的垂直度公差可按7级精度选取。当缸体与缸头采用螺纹联接时，螺纹应取为6级精度的公制螺纹。当缸体带有耳环或销轴时，孔径或轴径的中心线对缸体内孔轴线的垂直公差值应按9级精度选取。为了防止腐蚀和提高寿命，缸体内表面应镀以厚