剪叉式物流液壓升降臺的設(shè)計含6張CAD圖.zip
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剪叉式物流液壓升降臺的設(shè)計
SCISSOR-TYPE LOGISTICS HYDRAULIC LIFT PLATFORM DESIGN
摘要
當人們進入到 21 世紀，隨著民航、汽車、交通、冶金、制造等領(lǐng)域的發(fā)展，各個領(lǐng)域的維修行業(yè)也隨之蓬勃成長，對于各種升降臺的要求也變得越來越高。而剪叉式升降臺由于具有運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，承載力大，操縱方便等特點，因此受到了人們的廣泛歡迎，其銷量也是逐年增加。所以本文設(shè)計了剪叉式物流液壓升降臺。
然而，當前針對剪叉式液壓升降臺，特別是其起升機構(gòu)的學(xué)說人們還沒能總結(jié)出一整套完整的要領(lǐng)，這使得設(shè)計人員只能依靠經(jīng)驗去進行設(shè)計。而這在很大程度上限制了升降機的發(fā)展。除此之外，人們對于剪叉式液壓升降機的安全要求也越來越高，而且現(xiàn)在升降臺的安全保證措施的范圍也涉及的很廣，包括升降機運用前的籌備，提升時要當心的東西， 在惡劣環(huán)境下作業(yè)的情況如何，能否穩(wěn)定的承載等等。
本文設(shè)計的液壓系統(tǒng)主要采用泵傳動和液壓缸傳動來實現(xiàn)升降機的上升和下降工作， 而整個的液壓系統(tǒng)油路圖則由各種控制回路和液壓源構(gòu)成，此外設(shè)計時系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也要盡可能的簡單。除此以外，為了能夠?qū)ο到y(tǒng)進行必要的檢測，可以在回路中安裝一些檢測元件。
關(guān)鍵詞 液壓；剪叉式；升降機
II
Abstract
After entering the 21st century, the design requirements of the lifting platforms are getting higher and higher for the developing of civil aviation, automobile, transportation, metallurgy, manufacturing and their maintenance industries. Because of its smooth operation, large bearing capacity and convenient manipulation, the shear-fork lift platform has been widely welcomed by people, and its sales volume is increasing year by year. Therefore, this paper designed a shearing fork type logistics hydraulic lift platform.
However, the current doctrine for scissor lifts, especially their hoisting mechanisms, has not yet been able to summarize a complete set of essentials, which allows designers to rely on experience to design. This greatly limits the development of lifts. In addition, the safety requirements for scissor-type hydraulic lifts are getting higher and higher, and the scope of safety assurance measures for lift platforms is also very broad, including the preparations for the use of lifts, and care must be taken when upgrading, what is the situation in the harsh environment, whether it can be carried steadily, etc.
The hydraulic system designed in this paper mainly uses pump transmission and hydraulic cylinder transmission to achieve the lifting and lowering of the elevator. The hydraulic system diagram of the entire hydraulic system is composed of various control loops and hydraulic sources. In addition, the structure of the system during design is also exhausted. It may be simple. In addition, in order to be able to carry out the necessary tests on the system, some detection elements can be installed in the circuit.
Keywords hydraulic scissor type elevator
目 錄
摘要............................................................................................................................................... Ⅰ
Abstract........................................................................................................................................ Ⅱ
IV
1 緒論 1
1.1 升降臺的簡介 1
1.2 升降機的研究現(xiàn)狀 1
1.2.1 升降機的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 升降機的國外研究現(xiàn)狀 2
1.3 升降機的安全保障措施 2
1.3.1 設(shè)計制作的安全保障 2
1.3.2 使用維護方面的安全保障 2
2 剪叉式升降臺的分析 4
2.1 剪叉式升降臺的結(jié)構(gòu) 4
2.2 升降臺位置參數(shù)計算 5
2.3 升降臺動力參數(shù)計算 6
2.4 升降平臺機構(gòu)的注意點 7
2.5 一些針對性實例 8
2.6 升降臺的液壓缸放置 10
2.6.1 兩種放置方法的分析和比較 10
2.6.2 兩種放置方法的驗證計算 13
3 液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計 16
3.1 傳動系統(tǒng)計劃方案 16
3.2 液壓系統(tǒng)基本設(shè)計 16
3.2.1 液壓執(zhí)行元件 16
3.2.2 液壓缸的選擇 17
3.2.3 液壓缸的安裝 17
3.2.4 缸體和缸蓋的連接 17
3.2.5 液壓傳動系統(tǒng)的運動回路 17
3.2.6 液壓源系統(tǒng) 17
3.3 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 18
3.3.1 載荷的分析計算 18
3.3.2 選擇系統(tǒng)的工作壓力 20
3.3.3 液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸 20
3.3.4 液壓泵的參數(shù) 22
3.3.5 系統(tǒng)管道 23
3.3.6 油箱的容量 24
3.4 液壓缸零件的材料結(jié)構(gòu)和技術(shù) 24
3.4.1 缸體 24
3.4.2 活塞 24
3.4.3 活塞桿 25
3.4.4 液壓缸的排氣裝置 26
3.4.5 液壓缸的連接計算 26
3.4.6 液壓系統(tǒng)原理圖 26
4 臺板與叉桿的設(shè)計計算 29
4.1 叉桿的結(jié)構(gòu)材料及尺寸 29
4.2 橫軸的選取 33
結(jié)論 35
致謝 36
參考文獻 37
1 緒論
現(xiàn)在剪叉式升降臺重點是用在搬運、舉升、裝卸等物流作業(yè)，因此它的應(yīng)用場合十分的廣泛，例如倉庫、車站、機場、碼頭、廠房等等。另外升降臺的歷史也是十分的悠久， 下面就從升降臺的出現(xiàn)、成長以及安全等方向作一下簡介。
1.1 升降臺的簡介
人們對筆直輸送的要求其實與人的文化同樣長遠，早前的起落臺是通過運用水力、人力和畜力來運輸。這樣一直到產(chǎn)業(yè)革命，起落臺一向都是用這些動力方法。至于說當代的起落臺則是蒸汽機被創(chuàng)造出來后的產(chǎn)品。
剪叉式升降臺可根據(jù)其運動分成牽引式、固定式和自推進式。如果升降臺的升降部位采取剪叉機構(gòu)，那么在將重物舉起后，可以保證其具有高穩(wěn)定性、較強的承接能力和寬廣的工作平臺。而且由于它具有較大的工作范圍，所以可以支撐許多人同時工作，而這大大提高了工作效率。
剪叉式起落臺現(xiàn)在發(fā)展的非常靈活，它不僅可以移動，而且每當施工條件變化時，它的驅(qū)動方式也可以進行手動變化。此外由于它擁有手動控制設(shè)置，這使得它能夠在停電時照常進行作業(yè)。
具體而言，剪叉式升降臺擁有以下幾個特征：
（1）升降平臺垂直上下移動，此外，還可加裝伸縮平臺，在平臺高度不夠時延伸至所需位置。
（2）結(jié)構(gòu)簡單明了，平臺的承載能力強大，操作方便。
（3）升降平臺的制造成本低，制造簡單。
（4）易于維修且安裝十分的方便。
有人說，對于物流行業(yè)和其他需要高空連續(xù)作業(yè)的企業(yè)來說，升降機是一項重要的投資，因為它有著及其重要的用處，更有甚者能直接影響公司業(yè)務(wù)的興衰。
1.2 升降機的研究現(xiàn)狀
1.2.1 升降機的國內(nèi)研究現(xiàn)狀
目前，本國的剪叉式升降臺大都是基于仿照，就是照著別人的樣品來設(shè)計出產(chǎn)自己的升降機。我們的公司基本上都沒有自己的最新設(shè)計理念，因此對于如何改善升降平臺至今在行業(yè)內(nèi)還沒有達成共識。在設(shè)計起落平臺時，設(shè)計師們經(jīng)常采用的是拉深或類推這種最傳統(tǒng)的方式。計算機在設(shè)計中也沒有得到充分的利用，基本上僅僅是作為繪制二維地圖的輔助工具。這樣我們的設(shè)計周期和設(shè)計工時比外國長，但設(shè)計出來的產(chǎn)品卻沒有別人好， 我們的產(chǎn)品機械性能比較低，重量比較重，成本還高。當然隨著我國國內(nèi)升降臺的需求的增加，人們對其也是更加重視。目前在市面上，剪叉式升降臺的升起高度主要在 4m 到 18m
9
之間，負載也在 300kg 到 1000kg 之間[1]。
1.2.2 升降機的國外研究現(xiàn)狀
目前國外的科研人員專家學(xué)者主要都在研究剪叉式升降臺的構(gòu)造創(chuàng)新。根據(jù)剪叉式升降機的特征，哈希姆提出了剪叉臂平行并聯(lián)的構(gòu)造。因為以前的升降臺的串聯(lián)連接會限定作業(yè)面積的增長，而并聯(lián)連接的話，首先它的作業(yè)面積會變大，其次它的安穩(wěn)特性也會得到加強。此外 C. Gantes 針對雙層剪叉臂舉升組織設(shè)計出了一個全新的系統(tǒng)設(shè)計計算規(guī)范。這個計算標準會大大優(yōu)化目前的計算系統(tǒng)[2]。
1.3 升降機的安全保障措施
今天人們對于生命是越來越重視，也因此在高危工作區(qū)域工作的人們的安全受到了人們的廣泛關(guān)注。剪叉式液壓升降臺也不例外，因為當升降臺上升時，有人需要在他的下方工作，而且升降臺上面的人的安全也需要得到保障。而我們目前的起落臺的機械機構(gòu)一般都由臂架，底盤和工作臺三部分構(gòu)成。那么如何在制造各部分的時候保證它們的質(zhì)量成為了我們目前首要的問題。當然，日常使用時也要注意它們的維護保養(yǎng)，畢竟現(xiàn)在的大部分安全事故都不是質(zhì)量問題造成的，而是因為使用不規(guī)范造成的。
1.3.1 設(shè)計制作的安全保障
底盤方面的安全主要是要保證底盤本身要有充足的剛度和強度。此外底盤的下滾輪的計算行程要比它的實際行程多 10cm，還有就是底盤下滾輪的限位和端板的距離要保持好。臂架的安全除了保障它本身的剛度和強度外，還要保證它的活動范圍，另外在壁板上要安裝足夠的定位孔。工作臺的安全除了它本身的材料問題外，還要設(shè)置防翻板，安全邊，滾輪軌道，鉸耳，面板等。當然除了這些之外，還有一些升降機普遍的安全措施需要注意：
（1）無論是在上升還是下降過程中，升降機都要能承受的起過載試驗，一般為超載
25%，而此時其部件不可有任何永久的扭曲和破損。
（2）所有的主控機構(gòu)都要上雙保障，即所有的主控機構(gòu)都要按兩個按鈕才能運行。
（3）要保證在升降臺的某個零件損壞時，不會影響到整個升降臺的上升或下降，以免造成升降機下墜。
（4）所有的繩索，鏈條都要有足夠的強度，以防止斷裂。
（5）升降臺要有安全防墜系統(tǒng)，以防止系統(tǒng)損壞后升降機墜落。
（6）電氣系統(tǒng)的安全也要保證，比如用來驅(qū)動油泵的電動機，要用斷路開關(guān)，限位開關(guān)，熱繼電器串聯(lián)來保護[3]。
1.3.2 使用維護方面的安全保障
近年來由于我國的剪叉式液壓升降臺的使用管理的不到位，比如忽視安全要求，超載使用，導(dǎo)致了全國各地已經(jīng)有多起升降臺的安全事故發(fā)生，為此，我們一定要重視升降臺
的安全問題。所以當我們購買了安全的剪叉式液壓升降臺后，我們要去仔細閱讀說明書中的各項安全注意事項并去落實執(zhí)行。這樣在操作升降臺時，我們的人身安全才有保障。下面是幾條注意事項需要我們?nèi)ダ斡洝?
（1）首先，我們應(yīng)該購買質(zhì)量優(yōu)異的升降臺，同時，在購買的時候要注意對方的證件是否齊全，不要買到假貨。
（2）其次，當發(fā)現(xiàn)有升降臺有損壞是，要及時找正規(guī)廠家報修，以免使用損壞的升降臺而導(dǎo)致出現(xiàn)人員傷亡。
（3）每個升降臺都有其額定載荷，所以在裝載時不得超載，同時還要注意一種情況， 就是不得出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，就是總體上重量沒有超過，但是某一條舉升臂的負重量超過了。
（4）當剪叉式液壓上講臺使用時，升降臺上面的人員和周圍人員要注意安全，無關(guān)人員要遠離，以免出現(xiàn)誤傷。
（5）安置和駕駛升降臺都要有專業(yè)人員來操作。
（6）升降臺下降前，要把升降臺下面的器材及其它裝備全部拿走，同時還必需打開鎖緊設(shè)置。
總而言之，安全問題不容小覷，我們要時刻注意到這點。否則等到出現(xiàn)人員傷亡時， 則悔之晚矣。
2 剪叉式升降臺的分析
2.1 剪叉式升降臺的結(jié)構(gòu)
本章主要是研究剪叉式起落平臺的動力學(xué)特性，并探討設(shè)計中應(yīng)當注意的問題，還有就是講述一下剪叉式升降平臺的構(gòu)造和運用。眾所周知，液壓起降平臺是把人或貨品提升到相對高度的提升裝置，主要用來人的爬升下降和垂直輸送物品。根據(jù)升降機構(gòu)的類型，起落臺可分為
4 種。即剪叉式起落平臺、桁架式起落平臺、多級液壓缸垂直起落平臺和懸臂起落平臺。然而由于剪叉式升降臺擁有使用方便等優(yōu)異特性，因而在現(xiàn)實生活中擁有了廣泛的運用。
剪叉式升降機擁有著多種配置，不管是從低的地方起升還是從高的地方起升，也不管它的剪叉臂有多少，由何種液壓缸來提升動力。它主要由底盤，臂架和承載平臺構(gòu)成。當然由于我們設(shè)計的剪叉式升降臺是在家庭中使用，所以只需要設(shè)計小型的即可。因此在設(shè)計氣液剪叉式起落平臺時，我們通常會考以下方法，如 2-1 所示：
（a）直立固定剪叉式 （b）水平固定剪叉式 （c）雙鉸接剪叉式
圖 2-1 結(jié)構(gòu)簡圖
上面顯示的是氣液剪叉式起落臺的三種構(gòu)造。在兩個桿的中點 E 上鉸接等長的兩個支撐桿 AB 和 MN。其中 AB 桿的 A 端接于機架上，B 端接在滾輪上面。而 MN 桿的 M 端與平板相連，N 端與滾輪相連。另外 B 端和 N 端是可以分別在上平板和機架的導(dǎo)向槽內(nèi)移動。至于說它們的區(qū)別在于液壓缸安裝的地方不一樣。
a 中的驅(qū)動元件液壓缸的下部牢固的安裝在架子上，而上面的活塞桿的球頭則裝在上平板的球窩中。液壓缸則通過驅(qū)動活塞桿向上運動使上平板直線起落。
b 中的臥式液壓缸的活塞桿在 N 端處與 MN 桿連接。而活塞桿通過液壓缸提供的動力來使平臺垂直起降。
c 中的液壓缸的尾部在 G 處與機架相連，而活塞桿的頭部則在 F 處與撐桿 AB 連接?；钊麠U通過液壓缸提供的動力來使平臺垂直起落。
上面的三副圖由于液壓缸的安裝方法不同，我們把圖 a 叫做固定直立式剪叉式機構(gòu)， 把圖 b 叫做固定水平剪叉式，把圖 c 叫做雙鉸接剪叉式機構(gòu)。
其中固定直立剪叉機構(gòu)可以舉起的物體重量多，本身體積也大，比較安全平穩(wěn)，但是由于其體積太大，而且安裝不便，所以我們不選。
固定水平剪叉式，由于活塞桿將會受到橫向力的作用，從而影響零件的使用壽命。所
以在日常生活中人們對其使用的也很少。
而雙鉸接剪叉式機構(gòu)就沒有以上的不好之處。首先它本身擁有適合的結(jié)構(gòu)，而且上面的平臺的起落距離是液壓缸行程的兩倍之多。所以，在生活中得到廣泛的使用。而本文選擇雙鉸接剪叉式機構(gòu)。
2.2 升降臺位置參數(shù)運算
圖 2-2 為位置參數(shù)示意圖[4]：
圖 2-2 位置參數(shù)示意圖
H = CL sin b =
L
CL(1- cos2 b)1/ 2
l
（2-1）
cos b=
式中： H - -任意位置升降平臺的高度C - -任意位置時F到G的間隔L - -支撐桿的長度；
l - -固定點A到F的間隔；
(T 2 + C 2 - l 2 ) 2TC
（2-2）
T - -機架長度（A到G點的距離）；
b- -活塞桿與水平線的夾角。
將（2-2）中的公式用到（2-1）中的公式之中，并歸納得到
H = L C l
[l - (
T 2 + C 2 - l 2
2TC
)2 ]1/ 2
(2-3)
設(shè)l= C / C0 ,q= H / H0 代入（2-3）式得
qH 0 = L
T 2 + (lC )2 - l 2
0
1/ 2
lC0
[l - (
l
0
2TlC0
)2]
(2-4)
在（2-4）式中: H 0 - -升降平臺的初始高度；
C0 - -液壓缸的初始長度。
圖 2-3 是起落臺的參數(shù)運算圖：
圖 2-3 運動參數(shù)示意圖
圖中，VF 代表了 F 點的絕對速度；VB 代表了 B 點的絕對速度；w1 則代表了支撐桿 AB
的速度；
此外V1 是活塞運動時的均勻相對速度；V2 是升降平臺的起落速度。另外由圖 3 可以得到：
VF = w1l,
V1 = VF sin(a+ b) = w1l sin(a+ b),
（2-5）
（2-6）
VB = w1L =
V1L ,
l sin(a+ b)
（2-7）
V2 = VB
cosa=
V1L cosa ,
l sin(a+ b)
（2-8）
V2 =
V1
L cosa 。
l sin(a+ b)
（2-9）
在公式中：V1 - -活塞相對平均運動速度
V2 - -升降平臺升降速度；
a- -支撐桿與水平線的夾角。
2.3 升降臺動力參數(shù)運算
圖 2-4 是起落臺動力參數(shù)圖，其中 P 點表示的是在活塞桿上由液壓缸產(chǎn)生的推力。Q 則代表了起落臺所經(jīng)受的重力載荷。最后進行分析并對此進行計算可以得出：
圖 2-4 動力參數(shù)示意圖
升降平臺上升時
P = Q
[ L cosa+ b + fb tana+ ( cosa+
?
f sina
)(
L cosa- b + fb tana-
b )]
l sin(a+ b) 2
2 2 cosa- f sina
cosa （2-10）
升降平臺下降時
P = Q
[ L cosa+ b + fb tana+ ( cosa+
?
f sina
)(
L cosa- b + fb tana-
b )]（2-11）
l sin(a+ b) 2
2 2 cosa- f sina
cosa
式中： P - -液壓缸作用在活塞桿的推力；
Q - -升降平臺所承受的重力載荷
f - -滾動摩擦系數(shù)；
b - -Q的作用線到M的水平距離。
因為轉(zhuǎn)動輪與導(dǎo)向槽之間是滾動摩擦，所以為了讓運算簡化，可以對其忽視，所以
（2-10）、（2-11）式可以簡化為：
2.4 升降平臺機構(gòu)的注意點
P = L cosa Q l sin(a+ b)
（2-12）
由前面的公式我們可以得到：當a、b變大時，V2 /V1 值隨之變小；當a、b變小時， P/Q 值隨之變大。此外，當a、b變小，P/Q 變大，如果液壓缸行進距離沒有變化，升降臺起落距離反而能變??；但是液壓缸的行程受力就會變大。所以我們在設(shè)計時要學(xué)會去全面考量起落行程和液壓缸受力兩個要素。另外，在起落距離和總體機構(gòu)大小都達到的條件下，挑選較大的a、b開始的值會好一點。此外，在全部結(jié)構(gòu)中，AB 桿是首要受力構(gòu)件， 遭受最大彎矩，所以我們要對它的強度和硬度著重校驗[5]。
通常來說，我們使用單作用活塞缸，因為使用這種氣缸是最省錢的，而且它的泄漏量
很小，密封件的使用時間也很長。但是在沒有負荷的情況下，運用單作用活塞缸要確保上板的重量可以擋住液壓缸的活塞和氣缸之間密封時的阻力。不然的話，可能起落平臺會墜下去。
除此之外，我們還要進行一些其他的設(shè)計，比如抗搖擺設(shè)計，抗腐蝕設(shè)計。在進行抗搖擺設(shè)計時，我們可以在起落平臺上安裝 4 個導(dǎo)向裝備，導(dǎo)向裝備可以沿導(dǎo)軌上下滑動， 以防止平臺傾斜。在進行抗腐蝕設(shè)計時，我們可以在平面上進行涂層防腐，在一些零件上如滾輪，可以進行鍍層防腐。
另外還有幾點也要注意：
（1）升降機上面的平板降到最低位置時，要盡量接近地面，為此，我們可以在確保機構(gòu)本身的強度和硬度的條件下，降低起落臺平板的高度。
（2）要選擇合適的傳動方法，比如機械傳動。因為機械傳動雖然價格比較貴，需要用到的能量也多，但是勝在安全。而現(xiàn)在都是安全第一。
（3）要挑選合適的絲繩，比如我們可以挑選高柔度的鋼絲繩。此外為了確保鋼絲繩的質(zhì)量，我們挑選的鋼絲繩的鋼絲數(shù)量要多，這樣它的質(zhì)量才更好。
2.5 一些針對性實例
例如在某個工作車間內(nèi)，需要一起落臺，對于這個起落臺的條件是它的起落距離要大于 620mm，它的高度要低于 300mm，其最強承受負荷為 50kg。
基于這個需求，我們選用柱塞缸式液壓缸去作為輸出動力。液壓缸剛開始時的長度
C0 =595mm，最大運動距離 Smax =320mm。起落臺的結(jié)構(gòu)尺寸：起落臺的最低高度
H 0 =281mm，機架的尺寸長度為 T=1200，支撐桿的尺寸長度 L=1230.5mm。
我們根據(jù)那個工作車間的要求，同時根據(jù)上面我們給出的公式，各自針對雙鉸接剪叉式以及固定水平剪叉式這兩種機構(gòu)進行了計算。其結(jié)果如表 2-1、表 2-2 和統(tǒng)計圖所示。固定水平剪叉式結(jié)構(gòu)公式如下：
H = [L2 - (T - S )2 ]1/ 2 （2-13）
P = l + 2 fb 。
（2-14）
Q tana L cosa
其中， S - -在實際工作中液壓缸的行程，
T - -我們設(shè)計的機架的長短（A到G的間距）。滾動摩擦不進行計算。
具體數(shù)值參見表格。表 2-1 是雙鉸接剪叉式結(jié)構(gòu)，表 2-2 是水平固定剪叉式。
表 2-1 雙鉸接剪叉式結(jié)構(gòu)計算結(jié)果 mm
S
a/(°)
b/(°)
H
h
P / Q
h / S
0
13.18
14.20
281
0
4.08
40
19.67
19.83
414.8
133.8
2.85
3.35
80
24.83
23.46
517.6
236.6
2.34
2.96
續(xù)表 2-1
S
a/(°)
b/(°)
H
h
P / Q
h / S
120
29.38
26.05
604.7
323.7
2.04
2.70
160
33.59
27.96
681.8
400.8
1.82
2.51
200
37.56
29.93
751.3
470.3
1.66
2.35
240
41.39
30.45
814.9
533.9
1.52
2.22
280
45.11
31.21
873.2
592.2
1.40
2.12
320
48.77
31.74
926.8
645.8
1.29
2.02
表 2-2 水平固定剪叉式結(jié)構(gòu)計算結(jié)果 mm
S
a/(°)
H
h
P / Q
h / S
0
13.8
281
0
4.27
40
19.74
416.4
135.4
2.79
3.39
80
24.67
514.4
233.4
2.18
2.92
120
28.80
593.8
312.8
1.82
2.61
160
32.45
661.3
380.3
1.57
2.37
200
35.77
720.4
439.4
1.39
2.20
240
38.84
772.9
491.9
1.24
2.05
280
41.71
820.1
539.1
1.12
1.93
320
44.44
862.9
581.9
1.02
1.82
經(jīng)過計算，我們可以得出這樣的結(jié)論：在同樣的整體機構(gòu)大小、一樣的液壓缸前進距離的條件下，在水平固定剪叉式機構(gòu)中，活塞桿上產(chǎn)生的最大推力 Pmax 要比在雙鉸接剪叉式機構(gòu)中的大；然而雙鉸接剪叉式機構(gòu)起落臺的最大前進距離hmax 要比水平固定剪叉式機構(gòu)大。
另外因為我們使用了雙鉸接剪叉式機構(gòu)升降臺，所以我們并不要挖地坑，這樣給我們省下了不少錢，以后裝備維修也方便。
總而言之，氣液動雙鉸接剪叉式機構(gòu)起落平臺全部尺寸比較小，維修方便，花錢較少, 但卻可以獲得缸體兩倍以上的功率,因此可以用在地方比較小，但工作行程大的場合。
下圖是兩種計算結(jié)果之比。其中曲線 1 是表 2-1 計算結(jié)果，曲線 2 是表 2-2 計算結(jié)果。
圖 2-5 兩種結(jié)構(gòu)計算結(jié)果對比
2.6 升降臺的液壓缸放置
如上所述，我們已經(jīng)簡略闡述了雙鉸接剪叉式起落臺結(jié)構(gòu)和其他兩種結(jié)構(gòu)的不同之處以及它們在現(xiàn)實運用中所存在的優(yōu)點和缺點，然而通過考量各個方面要求如雙鉸連接、支撐桿、起落臺等都不發(fā)生變動的情形，是否可以將設(shè)計作更好的改善呢？
為了進一步證實這個，我們可以討論將它的結(jié)構(gòu)方式改善，看能否得到更好的結(jié)果。先從直觀的角度進行討論，如圖 2-6 所示：
桿2 桿1
圖 2-6 液壓缸工作示意圖
正如圖中所表達的那樣，液壓缸的末端鉸接在了右側(cè)支撐桿移動的地方，而液壓缸的上部則是接在了支撐桿 1 的右方接近三分之二處，其中桿 1 和液壓缸進行鉸連接。一般來說，在現(xiàn)實生活中我們在布置液壓缸的時候，經(jīng)常將它放置在右側(cè)，因為這樣的話，液壓缸的活塞的推進力會小一點，而我們因而能夠選擇尺寸小一點的液壓缸，而這會讓液壓缸在機構(gòu)中的放置變的簡單。但我們也可以嘗試一下另外一個和它相反的放置方法，就是把液壓缸放置在和它相反的左邊，即與剪叉機構(gòu)的固定支點在同一邊，對此我們再來探討一下。我們可以通過運用瞬時速度中心法和虛位移原理，來計算出在使用這兩種放置方法的情況下，液壓缸活塞的運動速率與平臺起落速率的關(guān)聯(lián)式以及活塞的推進力與平臺負荷的關(guān)聯(lián)式，然后就可以通過算出來的公式對這兩種放置方式進行比較，得出它們各自的利弊點和運用場所。最后可以根據(jù)升降臺剪叉機構(gòu)在現(xiàn)實中的例子對這兩種方式作最后的探討研究來得出合適的液壓缸的參數(shù)[6]。
2.6.1 兩種放置方法的分析和比較
在現(xiàn)實生活中，液壓缸在剪叉結(jié)構(gòu)中的放置要受到高度的束縛。根據(jù)相關(guān)資料，我們可以知道在這種放置方法的情況，如 2-7 圖所示：
圖 2-7 液壓缸布置在左側(cè)
19
液壓缸活塞運動速度與平臺起落速度的關(guān)聯(lián)式
v =
活塞推進力與平臺負荷的關(guān)聯(lián)式
P =
2l cosa vy
2l cosa W
（2-15）
式中：
a= sin -1
a sin(q+a) + l sin(q-a)
h ，q= tan -1[l + a tana]，g=
?
sin
-1 ( a
sin 2a) 。
（2-16）
2l l - a d
上面兩條公式的推理是建立在現(xiàn)實生活中常用的液壓缸放置方法的基礎(chǔ)上的，即液壓缸下面的支撐點與剪叉結(jié)構(gòu)的固定支撐點在相同的一面，就如上圖顯示的那樣。這個放置方法的好處是液壓缸的有效行進距離會短一點，而這使得它在平臺行進距離大的場合會較為好用。當然也留有一些問題那就是在剪叉結(jié)構(gòu)合攏后的高度 h 小一點的情形下（即a角?。簤焊椎耐七M力的需求會大幅度增長。但液壓缸的最大作業(yè)壓力是不變的，這讓液壓缸的直徑的尺寸只能相應(yīng)變大，結(jié)果在合攏后的剪叉結(jié)構(gòu)中很難放置；當然也可以使用兩個尺寸小一點的液壓缸代替一個大尺寸的液壓缸，不過這會增添一些鋼鐵底座，同時增加了加工、裝配和液壓系統(tǒng)的繁瑣程度，成本也會上漲。
對于如何解決上面提出的疑問，我們可以嘗試使用第一種設(shè)計方法，去運算一下該方法的有關(guān)數(shù)據(jù)最后再拿兩者進行比對。
如 2-8 圖所示：
圖 2-8 液壓缸布置在右側(cè)
在這里使用上面的瞬時速度中心法來算出活塞的活動速率。其中桿 FD 上 D、A 點的運動瞬間中心為 F，D、A 的快慢為：
VD = 2wl VA = w(l + a)
式中：w為桿 FD 的角速度， l, a 分別是 BF 和 AB 長。平臺起落速度：
（2-17）
（2-18）
A 點的運動速度：
vy = vD cosa= 2wl cosa
（2-19）
活塞運動速度：
v = (l + a)vy A 2l cosa
（2-20）
式中：
v = vA
cos b= (l + a) sin(q+a)
2l cosa
（2-21）
a= sin -1
h ，q= tan -1
2l
(l + a) sina
L - (l + a) cosa
其中，h 是起落臺上下臺板之間的距離，a是桿 FB 與臺板 FC 之間的夾角，b是液壓缸與臺板 FC 之間的夾角。
依據(jù)虛位移原理有：
由圖分析可得：
經(jīng)變分后：
S（Fixdxi + Fixdyi + Fixdzi ) = 0
- Pxdxp + PydyP -Wdyw = 0
Px = P cosa，Py = P sina
xP = (l + a) cosa, yP = (l + a) sina, yW
dxP = -(l + a) sinada
dyP = (l + a) cosada
= 2l sina
（2-22）
（2-23）
dyW
= 2l cosada
（2-25）
代入式（2-22），整理后得活塞推進力：
P = 2l cosa W
(l + a) sin(q+a)
（2-26）
其中（2-21）與（2-26）的準確我們能夠用機械能守恒原理來證實，即
vP = vyW
（2-28）
將公式（2-26）與公式（2-16）舉行對比，很明確當l, a,q,a,W , vy 一樣的情況下，液壓缸放置在右邊的推進力比放在液壓缸左邊時小一點；而對公式（2-21）和公式（2-15） 進行對比，可以發(fā)覺液壓缸放在右邊的活塞的速度比液壓缸放在左邊時高。由此可知，活塞的推進力和速度是成反比的。
所以如果液壓缸放置在剪叉結(jié)構(gòu)的右邊，這會讓液壓缸的活塞推進力變小，同時產(chǎn)生的問題是液壓缸的有用行進距離會很長，若平臺上升范疇較小，液壓缸有用行進距離的增長也同樣是很小的。
2.6.2 兩種放置方法的驗證計算
經(jīng)過上面的分析運算，我們可以再通過案例來舉行驗證，案例的結(jié)構(gòu)簡圖如下圖所示， 其中下面兩邊各自是兩種放置情形。
圖 2-9 案例結(jié)構(gòu)簡圖
剪叉機構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸：
h=400~1 200mm, l =2 000mm, a =535mm, e =770mm, f =3210mm.兩種放置方法主要參數(shù)計算結(jié)果如下表所示：
表 2-3 兩種放置方法的主要參數(shù)
參數(shù) 放置在左面 放置在右面
桿FD傾角a
液壓缸傾角q
sin -1 h
2l
tan-1
(l + a) sina
sin -1 h
2l
tan-1
(l + a) sina
(l - a) cosa- e f - (l - a) cosa
起始角a0
5.739
5.739
起始角q0
20.236
20.236
起始活塞速度v0
0.185vy
0.279vy
起始活塞推進力P0
5.42W
3.58W
終止角amax
17.458
17.458
終止角qmax
50.473
22.262
活塞有效行程L / mm
253
365
經(jīng)過我們對表中的數(shù)字進行對比，液壓缸的放置方法對其運動數(shù)據(jù)和動力數(shù)據(jù)產(chǎn)生很大的影響。當起始角為a0 、q0 ，活塞的推進力為 P0 。在平臺負荷 W 都一樣的情形下，液 壓缸放置在右邊的推進力顯然小于放置在左邊的情形，兩者之間的比率為 0.66，另外液壓缸放置在右邊時活塞的有用行進距離L 比放置在左邊增長了112mm。如果負載不是很大（即負載小于 1.5 kN），那么可以思量在左邊放置，因為這會縮小液壓缸的伸長尺寸。因為如果伸長量過大的話，不但空耗原料，而且由于長久遭受負荷能增加液壓缸及活塞部位的彎曲應(yīng)力。所以綜上所述，我們可以先考慮把液壓缸放置在左邊的方案。另外為了補償速度
的不夠和縮小起落臺的整個體積，我們可以商討使用兩級支撐桿一起提升平臺來實現(xiàn)足夠速度的目標。如圖 2-10 所示：
圖 2-10 機構(gòu)各項參數(shù)
其轉(zhuǎn)變進程如 2-11 所示,把兩條支撐桿的右邊部位折疊到左邊，這樣變成四條尺寸短小的支撐桿，這樣我們的目的就到達了。當然，在我們折疊的過程中，我們也要注意到鉸接的問題。因為這樣折疊會要求支撐桿更高的強度和需要鉸接的更加的牢固。
圖 2-11 參數(shù)轉(zhuǎn)化過程
最后，我們必須計算這個計劃中使用到的液壓缸的數(shù)據(jù)，然后依照所獲得的數(shù)據(jù)來檢驗該計劃是否可以。
為了使起落臺的運用規(guī)模廣闊，負載更有一般性。本次設(shè)計首先建立了一個汽車模型。其相關(guān)參數(shù)為：車輛重量 1.5T、寬度 1.42m、高度 1.4m、軸間距 2.4m。當然為了安全，要求起落臺在所有高度工作時都要進行自鎖。工作完成后，升降臺可以以相同的速度或緩慢的速度下降，當然在空載時可以快速降落。我們將在下邊繼續(xù)探索。
另外因為維修人員要在起落臺的底部進行修理，為了保證他們的安全，我們要注意起落臺的起落距離，給維修人員一個站立的空間。對此我們可以選用兩座升降機一起提升， 并使用共同的踏板來滿足需要。但這種布置要 2 個液壓缸和 16 個支撐桿。所以考慮到它的安全性，我們假設(shè)它的總體裝載量一共是W總 = 2t ′1000 ′ 9.8 = 19600N ，那么均勻下來一
個起落臺的裝載量為W = W總 / 2 = 9800N 。因為這樣均勻下來一個液壓缸承擔的平臺負荷
為 9800N，所以采取左邊放置液壓缸是合適的[7]。
3 液壓傳動系統(tǒng)的設(shè)計
3.1 傳動系統(tǒng)計劃方案
眾所周知，傳動系統(tǒng)要讓升降臺能夠進行平穩(wěn)的運行、停留以及當出現(xiàn)過載時能夠保護人員的安全。所以我們在設(shè)計時要能夠明白產(chǎn)品的要求然后去進行設(shè)計，下面列出一些本文的基本設(shè)計要求[8]：
（1）總體情況：我們設(shè)計的系統(tǒng)主要是需要滿足提升小型設(shè)備的動力需求，此外要方便維修，體積也要小一點。
（2）設(shè)計時要考慮它的傳動速度，不能太快，另外要考慮它的沖擊力。
（3）我們設(shè)計的是載重為 2 噸的升降臺，提升高度為 2 米；
（4）平臺在運行時不能出現(xiàn)傾斜或搖晃；
（5）為了實現(xiàn)平臺的安全可靠，我們對其實行人工控制；
（6）我們設(shè)計的平臺的作業(yè)環(huán)境是在平整的室內(nèi)和室外，不能在沙地或者高低不平的地方工作；
（7）價格便宜，移動方便；
3.2 液壓系統(tǒng)的基本設(shè)計
3.2.1 液壓執(zhí)行元件
現(xiàn)在市場上實現(xiàn)升降臺的上升下降基本都是靠液壓缸和液壓泵來一起提供動力。但是這兩者還是有差別的，下面作一些簡單舉例：
表 3-1 液壓執(zhí)行元件特點
名字 結(jié)構(gòu) 使用說明
單作用液壓缸 不對稱 單向運動，反向要靠外力
雙活塞桿液壓缸 雙向運動
頭部或尾部
兩活塞同時向相反方向 運動，輸出速度和力相當
頭部法蘭型裝配時，受
法蘭型液壓缸
法蘭型安裝
拉力較大，反之相反
齒輪泵 制造方便，工作可靠 用于一般機械
葉片泵
徑向載荷小，噪聲低流量脈動小
通過插入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)的葉片間容積變化完成泵的作用
螺桿泵 不能變量，無流量脈動
利用螺桿槽內(nèi)容積的移動產(chǎn)生泵作用
由于本次設(shè)計只要平臺做直線回轉(zhuǎn)運動，所以可以使用齒輪泵或雙活塞桿液壓缸。此外本次設(shè)計還要用到擴程機構(gòu)，常見的擴程機構(gòu)有兩種，如圖 3-1 所示：
(a) (b)
圖 3-1 擴程機構(gòu)
它們能夠讓速度增加，使運行更加的平穩(wěn)。所以，本次設(shè)計中可能會用到這種機構(gòu)。
3.2.2 液壓缸的選擇
為了滿足各種機械的不同用途，液壓缸也變的種類繁多，根據(jù)上面計算的平臺要求， 我們選擇雙活塞桿液壓缸[9]。
其特點：雙作用液壓缸的往復(fù)運動由液壓來實現(xiàn)，它兩端都有活塞桿伸出，左右兩腔面積相等。
3.2.3 液壓缸的安裝
根據(jù)需要，我們在實際工作當中要選擇合適的液壓缸，在這里我們選擇的是尾部耳環(huán)型，其特點是液壓缸在垂直面內(nèi)可以晃動，裝配時，活塞桿受彎曲作用較大。
3.2.4 缸體和缸蓋的連接
根據(jù)需要，缸體和缸蓋的連接采用法蘭連接。
3.2.5 液壓傳動系統(tǒng)的運動回路
現(xiàn)代裝置所用的液壓傳動系統(tǒng)雖然龐大，但還是由一些基本回路構(gòu)成，我們此次設(shè)計也不例外。其中我們用換向閥來決定液壓系統(tǒng)的方向，用控制閥來決定傳動系統(tǒng)的通斷， 用節(jié)流閥來調(diào)節(jié)。我們也可以改變他的工作介質(zhì)的循環(huán)方式等等。我們液壓系統(tǒng)設(shè)計的目標是使升降臺能夠穩(wěn)定運行，并且能夠在一定高度自鎖。
3.2.6 液壓源系統(tǒng)
液壓源系統(tǒng)的核心是液壓泵，而液壓泵是液壓系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換構(gòu)件。它能夠把機械能轉(zhuǎn)換為液壓能。此外我們在給液壓泵供油時，要盡量保證和系統(tǒng)本身需要的油量一樣， 如果產(chǎn)生多的可經(jīng)過溢流閥回到油箱。當然最好還能夠裝一個油液凈化裝置來減少油液中的雜質(zhì)。
3.3 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)
通過學(xué)過的知識可以明白液壓執(zhí)行構(gòu)件在作業(yè)中的速度和載荷決定了傳動系統(tǒng)的壓力和流量。
3.3.1 載荷的分析運算
最開始，本文要確定什么時候傳動系統(tǒng)會去承受最大的工作載荷，根據(jù)前文對液壓缸放置方法的分析，我們知道液壓缸和地平面夾角q最小時，即a最小時，此時傳動系統(tǒng)要承受最大的載荷。因為我們上面假設(shè)的軸距是 2.4m，所以我們選支撐桿每根長 2.1m。當
升降臺降到最低時（這時支撐桿和地面夾角a=a ）a = 5° ，依照上面式子
0
q= tan -1[l + a tana]
l - a
圖 3-2 為支撐桿和地面夾角是5° 時的機構(gòu)參數(shù)：
0
0
q = 9.9°
（3-1）
圖 3-2 機構(gòu)參數(shù)
暫時我們還不知道a值是多少，但是a值肯定小于l / 2 ，因為桿長為l 。我們設(shè)a= l / 3， 依照活塞推力和平臺載荷的關(guān)聯(lián)式：
P = 2l cosa W
asin(q+a) + l sin(q-a)
（3-2）
算出 P=11.6W。如果a= l / 4 ，P=13.3W。經(jīng)過對比，a= l / 3 時，活塞的推進力 P 比
a= l / 4 時小。所以我們可以得出結(jié)論a和 P 成反比。但顧慮到液壓缸與桿的連接點 B 不能和 A 太靠近，因為會產(chǎn)生應(yīng)力集中。所以，選a= l / 3。我們把a= l / 3 代入公式算出。
P = 6 cosa sin(q+a) + 3sin(q-a)
W , tanq= 2 tana
（3-3）
0
綜上所述a = 5° 時，傳動系統(tǒng)的載重 P 最大，P=11.6W=11.6′9800=113680N。以下我們依照載重來選擇適合的液壓缸。
下圖是一個液壓傳動系統(tǒng)計算圖：
圖 3-3 液壓傳動系統(tǒng)
其中： Fa ：因速度變動產(chǎn)生的慣性力
Ff ：導(dǎo)軌上的摩擦力
Fg ：受到的切削力和擠壓力
FW : 活塞桿上的外載荷
Fm : 活塞和缸壁，活塞桿和導(dǎo)向套之間的密封阻力
（1）工作載荷 Fg
我們知道的工作載荷有活塞桿的重力、受到的壓力等等。但是我們設(shè)計時，因為載重較重，其自身的重力就不用計算了。我們要算的就是切削力和擠壓力，如圖 3-3 中，F(xiàn)g =P。因為我們在上文中假設(shè)的重量為 2 噸，所以液壓缸 Fg =P=113680N。
（2）導(dǎo)軌上的摩擦力 Ff
因為我們的液壓缸有專門的活塞導(dǎo)軌去固定它，所以導(dǎo)軌摩擦不用計算，所以 Ff =0。
（3）慣性載荷 Fa
Dv ——速度變化量 m/s
F = ma ， a = Dv
a Dt
（3-4）
Dt ——起動或制動時間，單位 s。通常Dt =0.1~0.5s，對輕負重低運動物件取小值，相反取大值。
假設(shè)其速度變化量Dv =0.16m/s， Dt =0.6s，則
a = Dv = 0.16 =0.27 m / s2 ， F
= ma =2t/2′0.27=270N
Dt 0.6 a
經(jīng)過上面的計算，我們通常把上面三種之和為液壓缸的外載荷 Fw
Fw = Fg + Ff + Fa
代入數(shù)值得 Fw =113680+0+270=113950N
（3-5）
其中起動加速時穩(wěn)態(tài)運動時減速制動時
Fw = Fg + Ff + Fa Fw = Fg + Ff
Fw = Fg + Ff - Fa
（3-6）
(3-7)
(3-8)
如果在工作中沒有工作載荷就取 0。但是我們在校核時，按最大值取。
算完外負荷 Fw ，我們還要計算液壓缸密封處的摩擦力 Fm ，但是因為密封材料和樣式都不一樣，所以我們只能對此進行估算，通常為
29
Fm = (1-hm )P
其中hm ——液壓缸的機械效率，我們?nèi)?0.95，那么值為：
F = Fw = 113590 = 119568N
(3-9)
hm 0.95
3.3.2 選擇系統(tǒng)的工作壓力
我們在選擇壓力的時候要依照載荷的情形以及設(shè)備類型。故按下表我們初步選取
15Mpa。
表 3-2 機械常用的系統(tǒng)工作壓力
機床
種類
磨床 組合機床 龍門刨床 拉床
農(nóng)業(yè)機器
小型工程機器建筑機器
重型機器
工作壓力/ MPa
0.8 ~ 0.2
3 ~ 5
2 ~ 8
8 ~ 10
10 ~ 18
20 ~ 32
3.3.3 液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸
⑴液壓缸的主要數(shù)據(jù)
液壓缸的主要設(shè)計參數(shù)：
圖 3-4 液壓缸設(shè)計參數(shù)
a 是活塞桿受壓狀況，b 是活塞桿受拉狀況。活塞桿受壓
h
F = Fw = p A - p A
活塞桿受拉
1 1 2 2
m
（3-10）
F = Fw = p A - p A
h
1 2 2 1
m
（3-11）
式中
A = P D 2 - -無桿腔活塞有用作業(yè)面積m2
1 4
A = P (D 2 - d 2 ) - -有桿腔活塞有用作業(yè)面積m2 1 4
P1 - -液壓缸工作腔壓力Pa
P2 - -液壓缸回油腔壓力Pa，即背壓力
D - -活塞直徑m
d - -活塞桿直徑m
系統(tǒng)類型
表 3-3 執(zhí)行元件背壓力
背壓力MPa
簡單輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)
回油帶調(diào)速閥系統(tǒng)回油路有背壓閥系統(tǒng)有補油泵的閉式回路
回油路較復(fù)雜的工程機械
0.2 ~ 0.5
0.4 ~ 0.6
0.5 ~ 1.5
0.8 ~ 1.5
1.2 ~ 3
回油路短，直接回油箱 0
我們?nèi)”硥毫χ?P2
= 0.2Mpa
通常液壓缸在收壓狀況下作業(yè)，活塞面積是：
A = F + p2 A1
p
1
1 （3-12）
而在我們這次設(shè)計中，不存在受拉情況。
我們還可以用此公式來算活塞兩側(cè)有效面積 A1 和 A2 的聯(lián)系，或者 d 和 D 的聯(lián)系，讓桿徑比F =d/D，其比值可在下表中選擇：
表 3-4 按工作壓力選取 d/D
工作壓力MPa
d / D
￡ 5.0
0.5 ~ 0.53
5.0 ~ 7.0
0.62 ~ 0.7
3 7.0
0.7
表 3-5 按速度比要求確定 d/D
F（v2 / v1 )
d / D
1.25
0.4
1.33
0.5
1.46
0.55
0.161
0.62
2
0.71
注：速度比
F = A1
A2
D2
= D2 - d 2
（3-13）
我們嘗試選取 d/D=0.7，那么對應(yīng)的F =2，因為活塞不用承受拉力，所以適當提高速度是完全合適的。
運用直徑求法公式
計算得 D =
D =
= 101.1mm
（3-14）
同理可得 d=71.8mm。此外我們要對液壓缸直徑 D 與活塞桿直徑 d 按國標進行圓整， 如果和國標接近，我們就選擇國產(chǎn)液壓缸，這樣節(jié)省時間去自己設(shè)計。最后根據(jù)機械手冊選取圓整后的數(shù)據(jù)：缸徑 100mm，活塞桿 70mm,速度比F =2，工作壓力 16Mpa，推力
125.66kN[10]。
3.3.4 液壓泵的參數(shù)
(1)液壓泵在作業(yè)時的最大瞬時壓力：
pp 3 p1 + ? Dp
其中 p1 ——液壓缸作業(yè)時的最大瞬時壓力依照
Pa (3-15)
h
F = FW = p A - p A
我們能夠算出
1 1 2 2
m
(3-16)
1
p = F + 0.2 A2 = 15.3MPa
A1
? Dp ——從流出的地方到流進的地方之間的液壓缸的總壓力損失。我們在開始時可照經(jīng)驗選擇：管道簡易、流速較緩的取 0.2~0.5Mpa；管道繁雜但有調(diào)速閥的，取 0.5~1.5 Mpa。
我們最終選擇 0.5Mpa。即
pp 3 15.3 + 0.5 = 15.8MPa
(2)液壓泵的流量QP
QP 3 KQmax K - -泄漏系數(shù)，通常取1.1 ~ 1.3, 我們?nèi)?.2
m3 / s
(3-17)
Qmax ——液壓缸的最大流量，如果
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