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摘 要
隨著起重機(jī)設(shè)備的需求越來越大，不管是橋梁建筑、港口、公路、礦山、倉庫等行業(yè)，起重機(jī)的應(yīng)用與技術(shù)研發(fā)是現(xiàn)階段重要的研究課題。
在各種型號的起重機(jī)中，汽車式起重機(jī)具有轉(zhuǎn)場靈活，功能齊全，方便快捷的優(yōu)勢，本文對起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)性能及安全使用進(jìn)行研究。
起重機(jī)的功能是實現(xiàn)對大件物體進(jìn)行調(diào)運，通過起重機(jī)上的驅(qū)動結(jié)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、起重機(jī)構(gòu)等完成復(fù)雜的機(jī)械運動實現(xiàn)起重功能。目前，絕大多數(shù)起重機(jī)是依靠液壓缸、液壓閥、各種傳動機(jī)構(gòu)等為工作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。起重機(jī)是一種間歇工作方式，起吊物體、過程中運輸、裝卸到指定位置，然后返回到原位置。
本次設(shè)計針對YQ-100型汽車起重機(jī)變幅液壓系統(tǒng)設(shè)計，在三鉸點結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對變幅回路的液壓缸進(jìn)行了分析。包括缸筒、活塞、活塞桿等部件計算，材料選擇，導(dǎo)向、密封形式，液壓缸的安裝，各零件的加工工藝，需要解決筒體及桿體原材料問題、密封件選型問題等問題等，對變幅機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，關(guān)鍵的液壓元件選型。采用cad繪圖軟件，結(jié)合整體尺寸繪制出油缸各主要部件的零件圖。
關(guān)鍵詞：汽車起重機(jī)；變幅機(jī)構(gòu)；液壓系統(tǒng)；液壓缸；活塞
III
Abstract
With the increasing need of lifting equipment, whether in bridge construction, ports, highways, mines, warehouse and other industries, the application of the crane and technology research and development is an important research subject at present.
In various types of cranes, the automobile crane has the advantages of flexible rotating field, complete functions and convenient and fast. This paper studies the performance and safe use of the crane's variable amplitude mechanism.
The function of crane is to carry out the transportation of large objects. Through the driving structure, driving mechanism, lifting mechanism and other complex mechanical movements of crane, the lifting function can be realized. At present, most cranes rely on hydraulic cylinder, hydraulic valves, various kinds of transmission mechanism for the work of the implementation mechanism. Crane is a kind of intermittent work, lifting objects, transportation, loading and unloading to the specified position, and then return to the original position.
The design for truck crane luffing YQ - 100 type hydraulic system design, based on the three hinged point amplitude structure, amplitude loop hydraulic cylinder, piston and piston rod components such as calculation, material selection, orientation, seal form, the installation of the hydraulic cylinder, the processing technology of each parts, need to solve the problem of cylinder and the rod body materials and seal selection problem and other issues, such as the luffing mechanism hydraulic system design, key hydraulic components selection. The part drawing of all the main parts of the oil cylinder is drawn by cad drawing software in combination with the overall size.
Key Words: Automobile crane; Variable amplitude mechanism; Hydraulic system; Hydraulic cylinder; Piston
目錄
摘 要 I
Abstract II
目錄 I
1.緒論 1
1.1本課題研究的背景及意義 1
1.2汽車起重機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀 2
1.3液壓傳動應(yīng)用于汽車起重機(jī)上的優(yōu)點 4
1.4本文主要研究內(nèi)容 4
2.起重機(jī)液壓系統(tǒng)原理及液壓參數(shù)計算 6
2.1 QY100型汽車起重機(jī)主要性能參數(shù) 6
2.2起重機(jī)液壓系統(tǒng)組成 7
2.3變幅系統(tǒng)方案及變幅機(jī)構(gòu)三鉸點的確定 8
3 變幅機(jī)構(gòu)的液壓缸設(shè)計與計算 12
3.1 確定液壓缸的結(jié)構(gòu) 12
3.2 變幅液壓缸基本參數(shù)的確認(rèn) 12
3.3 液壓缸缸筒的設(shè)計 15
3.4對于活塞的計算和設(shè)計 17
3.5活塞桿的設(shè)計計算 19
3.6活塞的導(dǎo)向環(huán) 21
3.7活塞桿的導(dǎo)向、密封和防塵 22
3.8 確定安裝和連接的元件 24
4 變幅液壓系統(tǒng)及關(guān)鍵控制部件選型 25
4.1變幅系統(tǒng)液壓原理的設(shè)計 25
4.2對于液壓泵的選取 26
4.3平衡閥 26
4.4多路換向閥 27
4.5 先導(dǎo)控制閥 28
4.6油管 29
4.7濾油器. 29
5.液壓缸關(guān)鍵零部件的制造工藝設(shè)計 30
5.1 主要技術(shù)參數(shù) 30
5.2缸筒的制造工藝流程 30
5.3活塞桿的制造工藝流程 32
5.4活塞與導(dǎo)向套的制造工藝流程 33
6.結(jié)論 36
參考文獻(xiàn) 36
致 謝 45
II
輪式起重機(jī)液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.緒論
1.1本課題研究的背景及意義
起重機(jī)在生產(chǎn)生活中很常見，我們能經(jīng)常在工地或其他生產(chǎn)線上見到它們。它們能實現(xiàn)大型裝備的起重、裝卸、短途運輸和起重。
起重機(jī)的功能是實現(xiàn)對大件物體進(jìn)行調(diào)運，通過起重機(jī)上的驅(qū)動結(jié)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、起重機(jī)構(gòu)等完成復(fù)雜的機(jī)械運動實現(xiàn)起重功能[1]。目前，絕大多數(shù)起重機(jī)是依靠液壓缸、液壓閥、各種傳動機(jī)構(gòu)等為工作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。起重機(jī)是一種間歇工作方式，起吊物體、過程中運輸、裝卸到指定位置，然后返回到原位置。即吊裝裝置從起吊位置，通過升降機(jī)構(gòu)將物體抬起，通過吊臂的旋轉(zhuǎn)或變幅機(jī)構(gòu)將被吊物體放在指定地方，接著進(jìn)行下一個工作周期。
近些年來，隨著各行以及各業(yè)基礎(chǔ)工程建設(shè)，倉儲物流、大型裝備的轉(zhuǎn)運吊裝需求增加，人們對起重機(jī)的使用和需要一天天的增長。所以，起重機(jī)的穩(wěn)定可靠的性能，各功率等級的起重機(jī)都要迫切市場需求。尤其的汽車起重機(jī)的的運動便利，吊裝靈活，適用性廣，便利快捷，目前對于汽車起重機(jī)的應(yīng)用范圍十分之廣。
針對汽車隨車起重機(jī)的應(yīng)用，其優(yōu)點主要如下體現(xiàn)[3]：
（1）隨車起重機(jī)的的運動靈活，裝卸過程效果好，且吊裝機(jī)構(gòu)的定位性能好，可以大大減少起吊臂裝卸位置的調(diào)整。
（2）整個吊裝過程操作簡便，貨物的裝卸過程簡單，靈活性大。
（3）汽車起重機(jī)的靈活性大，適用于各類貨物、不同批量的物料裝卸，節(jié)省吊裝成本。
汽車起重機(jī)在起重機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)等組合能實現(xiàn)對復(fù)雜機(jī)械運動，提高裝載卸貨的效率及速度。液壓起重機(jī)主要通過其液壓泵、液壓閥及各種傳動機(jī)構(gòu)等為工作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。起重機(jī)的間歇工作方，短距離短工作時間的搬運，起吊物體、過程中運輸、裝卸到指定位置，然后返回到原位置。起重機(jī)的液壓缸多種多樣，工作環(huán)境差異大。
圖1.1 起重機(jī)上液壓缸的分布
液壓缸的汽車起重機(jī)上的關(guān)鍵執(zhí)行部件之一，如起重機(jī)起重臂油缸、變幅機(jī)構(gòu)的變幅油壓缸、橫向與縱向支撐腿的油壓缸等。
1.2汽車起重機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀
1.2.1 國外汽車起重機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀
國外起重機(jī)的應(yīng)用與開展比較成熟了，目前開展方向是逐漸向?qū)I(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的，當(dāng)然還有系列化的開展也必不可少。它形成了多品種、多體系的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了產(chǎn)品品種的系列化、功能多樣化、機(jī)電液一體化，廣泛應(yīng)用于一般吊裝。尤其在起重行業(yè)和高空作業(yè)，大型設(shè)備的安裝、維修行業(yè)應(yīng)用非常廣泛。
瑞典是全國生產(chǎn)隨車起重機(jī)在世界之前，和希爾博（Heyabi）公司采用折疊臂產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和小尺寸緊湊。日本起重機(jī)的大型制造企業(yè)包括古河UNIC公司、多田野和加藤公司，這些公司主要業(yè)務(wù)是生產(chǎn)各種型號、各功率等級的直臂和折疊臂產(chǎn)品[5]。
歐洲機(jī)場的規(guī)模很大。歐洲是世界上最發(fā)達(dá)的起重建筑。德國是歐洲起重機(jī)行業(yè)發(fā)展最為領(lǐng)先。
國外的起重機(jī)連干的方向在這幾個方面會比較集中：
1）起重機(jī)的各關(guān)鍵功能部件發(fā)展開始模塊化，標(biāo)準(zhǔn)化；
通過對起重機(jī)的各個部件都標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，縮短產(chǎn)品設(shè)計，通過調(diào)用成熟的功能模塊，然后進(jìn)行組合，兼容分析，以提升通用性，縮短設(shè)記以及制造的時間。
2）起重機(jī)控制元件的創(chuàng)新與應(yīng)用
為準(zhǔn)備的將物料吊裝到指定位置，對起重機(jī)定位精度有非常高要求，因此，定位精度也是評價起重機(jī)性能的重要技術(shù)參數(shù)。大多數(shù)起重機(jī)都配有角編碼器、齒輪鏈、激光頭和鋼板孔。定位精度通常為3毫米。
3）新材料和新技術(shù)的應(yīng)用，可以使用較高的許用應(yīng)力材料設(shè)計時，吊車梁的強(qiáng)度；采用少切削加工，精密鑄件，采用高進(jìn)度、高效益的加工中興、數(shù)字控制自動生產(chǎn)制造機(jī)床等。
1.2.2 國內(nèi)汽車起重機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀
汽車起重機(jī)的應(yīng)用、研發(fā)、生產(chǎn)制造在我國實際上起步非常晚的。20世紀(jì)70年代末，我國開始針對船用起重機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)制造，且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)品單一、生產(chǎn)規(guī)模小且分散。到了20世紀(jì)80年代，我國才逐漸開始對汽車起重機(jī)進(jìn)行研發(fā)與生產(chǎn)，隨著市場需求，起重機(jī)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、起重功率等級和產(chǎn)量逐步增加。
圖1-1為輪胎起重機(jī)。
圖1.2 輪胎起重機(jī)
中聯(lián)重科的設(shè)計、制造水平在國內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)屬于領(lǐng)先水平，其擁有先進(jìn)制造裝備。
圖1.3是QY90V起重機(jī)。
圖1.3 QY90V起重機(jī)
三一集團(tuán)于2003年領(lǐng)頭引進(jìn)、消化吸收國內(nèi)外汽車起重機(jī)先進(jìn)技術(shù)，研發(fā)出了QY16、QY25、QY50等多個系列起重機(jī)產(chǎn)品。
1.3液壓傳動應(yīng)用于汽車起重機(jī)上的優(yōu)點
1.汽車發(fā)動機(jī)的起吊臂、變幅等機(jī)構(gòu)的動力均是由油泵轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，其不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且整個機(jī)器的重量大大降低，例如，動力液壓馬達(dá)的重量僅為馬達(dá)的16%左右。整機(jī)提升性能提高[6]。
2.采用液壓傳動系統(tǒng)，各液壓控制元件、液壓傳動部件都可根據(jù)實際需求進(jìn)行靈活配置，且已于實現(xiàn)自動化控制，滿足過載保護(hù)等功能需求。除此以外，采取電液聯(lián)控或者電腦直接控制時，可實現(xiàn)大負(fù)荷、高精度，長途自動空置。
3. 液壓傳動技術(shù)在起重機(jī)上應(yīng)用，可電液聯(lián)合控制，控制精度高，方便可靠，傳動機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)大范圍無級調(diào)速，保證各機(jī)構(gòu)間的傳動機(jī)構(gòu)緊湊合理。
液壓起重機(jī)的液壓元件部分能夠以模塊化的方式進(jìn)行設(shè)計，零件可以大批量生產(chǎn)。
1.4本文主要研究內(nèi)容
本文主要內(nèi)容包含如下：
1）收集隨車起重機(jī)相關(guān)的文獻(xiàn)資料，掌握其液壓系統(tǒng)工作原理，各液壓缸的分布位置及功能。
2）分析汽車起重機(jī)的工作原理，各功能部件的組成布局，液壓系統(tǒng)原理體系，剖析變幅機(jī)構(gòu)的三鉸點方案；
3）完成上述變幅回路液壓缸筒、活塞、活塞桿等部件計算，材料選擇，導(dǎo)向、密封形式，液壓缸的安裝，各零件的加工工藝，需要解決筒體及桿體原材料問題、密封件選型問題等問題等。
4) 對變幅機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，完成關(guān)鍵液壓元件的選用，主要是液壓泵、平衡閥、多路換向閥、先導(dǎo)控制閥及油管等設(shè)計與選型。
43
2.起重機(jī)液壓系統(tǒng)原理及液壓參數(shù)計算
2.1 QY100型汽車起重機(jī)主要性能參數(shù)
整機(jī)全長15230mm，寬3000mm，高3860mm，總質(zhì)量65000kg
最高行駛車速75km/h，最低穩(wěn)定行駛車速0.5km/h，
最小轉(zhuǎn)彎半徑12000mm，比功率7.3kW/t，最小離地間隙310mm，
接近角23°，離去角15°，發(fā)動機(jī)額定功率324/1800kW/(r/min)，
額定扭矩2100/1200 N·m/(r/min)
2.1.1驅(qū)動狀態(tài)的主要技術(shù)參數(shù)如下
2.1.2 作業(yè)狀態(tài)參數(shù)
最大額定總起重量100t，最小額定工作幅度3m，
最大起重力矩:基本臂3238kN·m，最長主臂1670kN·m，最長主臂+副臂1127kN·m；起重臂變幅時間為31s，伸縮時間（全伸/全縮）70s；
最大回轉(zhuǎn)速度2r/min，主起升機(jī)構(gòu)起升速度110m/min，副起升機(jī)構(gòu)起升速度85m/min。
基本臂12.8m，最長主臂48m，最長主臂+副臂48+18.1m；副臂安裝角0/15/30。
2.1.3 起重臂性能參數(shù)
縱向跨距7.56m，橫向跨距7.6m，水平全伸時間25s,全縮時間：15s。
垂直全伸時間：45s，全縮時間25s。
2.1.4支腿技術(shù)參數(shù)
2.2起重機(jī)液壓系統(tǒng)組成
主要功能組件包含了起升機(jī)構(gòu)、起重臂伸縮缸、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和橫向及縱向支腿，這五大部件共同組成[7]。它們的液壓回路集成控制，且功能相互獨立，各自具備了不同于其它回路的功能和工作特性。
圖2.1 隨車起重的各結(jié)構(gòu)組成
1）升降機(jī)構(gòu)用于提升和減輕不同物體的重量。起升機(jī)構(gòu)的主要部件包含了液壓馬達(dá)，驅(qū)動卷筒，變速速度裝置，制動裝置與離合裝置等。通過液壓馬達(dá)驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)，然后再運用變速器變速，通過滑輪組及鋼絲繩的配合作用，將起重物體與吊鉤固定后以一定速度將其吊起、升降。
2）伸縮機(jī)構(gòu)通過改變懸臂長度改變提升高度來伸縮多級懸臂的使用。在液壓控制單向閥打開后，由于自身重量問題和外部負(fù)載，活塞會減速。
3）通過起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實現(xiàn)起重臂的回轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)支撐裝置為旋轉(zhuǎn)部件提供了穩(wěn)定且堅固的撐持，并將產(chǎn)生的各種負(fù)載傳遞給設(shè)備的基本部件?；剞D(zhuǎn)驅(qū)動裝置實現(xiàn)將起重臂繞著起重機(jī)軸線運動，即可將吊起的物體沿水平面中的圓弧線運動。
旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由液壓泵，液壓馬達(dá)、換向閥，液壓制動器等組成。由于系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)運動頻繁，功率要求不是很大，所以后回路定量泵與雙向定量馬達(dá)組合，不再設(shè)置功率限制裝置。
4）汽車起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)直接通過液壓缸的伸縮實現(xiàn)對起重臂的俯仰調(diào)節(jié)。由于液壓缸向前移動，起重臂動作時間越長，變幅缸的推力可以越小，因而，液壓缸直徑就越小。
1-取力箱 2-液壓泵 3-過濾器 4-溢流閥 5-換向閥 6-平衡閥 7- 液壓缸 8-負(fù)載
圖2.2 汽車變幅液壓系統(tǒng)原理圖
2.3變幅系統(tǒng)方案及變幅機(jī)構(gòu)三鉸點的確定
2.3.1變幅機(jī)構(gòu)布置形式的確定
液壓起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)一般是通過液壓缸伸縮驅(qū)動起重臂的變幅工作。變幅液壓缸的分布有兩種方法。前傾式液壓缸對起重臂起到支撐作用，要求推力小，可使用小直徑液壓缸，懸臂長度短，起重臂力量狀況得到改善[8]。
后傾式變幅液壓缸的布置與前傾式布置不同，后傾式起重臂變幅干涉范圍小，因此起重臂的有效空間大，整體布局方便，且由于擺臂鉸鏈位置在前方，重心后移，可減輕平衡重。
前傾式變幅機(jī)構(gòu)如圖2.3所示。
圖2.3 前傾式變幅機(jī)構(gòu)
本次YQ-100型汽車起重機(jī)的變幅系統(tǒng)方案確定為前傾式變幅機(jī)構(gòu)。
2.3.2變幅機(jī)構(gòu)三鉸點的確定
圖2.4所示為汽車起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)三鉸點示意圖。我們大膽的在平面上建立一個三角形，而三角形的三個點則代表了機(jī)構(gòu)的三個絞點。我們把這個三角形命名為三角形OAB，而這個時候三角形的三邊長度OA，OB，AB會隨著油缸的縮短或者伸出的長度而隨之改變，以此來簡化計算實際絞點之間的距離。
圖2.4 變幅機(jī)構(gòu)三鉸點
圖3.3所示為變幅機(jī)構(gòu)的運動軌跡，吊臂水平時，α=0°，設(shè)置α0為初始角，而這個初始角就是線段OA和線段OB形成的夾角；隨著吊臂繞鉸點O旋轉(zhuǎn)一定角度后，吊臂與水平橫線成夾角α。
圖2.5 變幅機(jī)構(gòu)的運行軌跡圖
(1)鉸點幾何位置的計算
首先我們先建立坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點為O點。在三個鉸接點上，A的坐標(biāo)為 (XA, YA)，它的橫坐標(biāo)即為A點到坐標(biāo)原點的直線距離，絕對值為0.75~1.35m，在這里我們?nèi)≈禐?.2 m。A點距離原點的縱向距離為YA;在這里我們根據(jù)實際的安裝的樣式，將YA取值為0.5m。B點的坐標(biāo)為 (XB, YB)，是由吊桿的截面特征和荷載決定的，它的長度一般被認(rèn)為是正常吊臂長度1/3到1/2的，在這里我們?nèi)≈礨B= 3.80 m，而當(dāng)而當(dāng)YB的距離為0m時，則說明吊臂處在了水平位置;
所以根據(jù)公式
(2-1)
(2-2)
將數(shù)據(jù)代入公式得OA=1300mm，OB=2800mm
我們需要計算出油缸的最小安裝長度和最大安裝長度。最小安裝長度即為初試安裝長度，而最大安裝則為極限位置長度。我們要計算兩個長度，就必須知道吊臂的仰角范圍。而根據(jù)經(jīng)驗，這個值一般為-2°~80°。所以我們可以把兩個極限值代入其中得出油缸的兩個長度。
初始位置安裝長度ABmin；α=αmin=20°
(2-3)
將數(shù)據(jù)代入得ABmin=2617mm
極限位置時變幅油缸長度ABmax；α=αmax=100°
將數(shù)據(jù)代入得ABmax=4225mm
變幅油缸行程H：
3 變幅機(jī)構(gòu)的液壓缸設(shè)計與計算
3.1 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)
接下來要確認(rèn)選用何種液壓油缸，而根據(jù)液壓缸的工作要求和工作環(huán)境我們決定，最終決定選擇單桿雙作用蝙蝠液壓油缸。為滿足起重機(jī)變幅行程的要求，采用焊接型缸，最高的額定壓力25Mpa，最大的工作行程可達(dá)20米，而氣缸的內(nèi)徑可達(dá)320mm。
如圖3-1所示，為焊接類型的液壓缸的結(jié)構(gòu)：
1缸筒 2/9孔用密封 3活塞 4 /7 O型密封圈 5活塞桿 6導(dǎo)向套 8斯特封
10防塵圈
圖3.1 變幅液壓缸結(jié)構(gòu)圖
3.2 變幅液壓缸基本參數(shù)的確認(rèn)
下列數(shù)據(jù)的選擇以及確定我們可以根據(jù)工作的需求，所選取的液壓缸的類型來確定，具體可以參考QY100起重機(jī)所選擇的數(shù)據(jù)
1） 變幅液壓缸中具有液壓油，而其中的油壓為：液壓缸的壓力20MPa ≤ P ≤ 25MPa ，取P = 25MPa。
表3-1液壓公稱壓力系列[10] 單位：MPa
公稱壓力系列
0.63
1.0
1.6
2.5
4.0
6.3
10.0
16.0
25.0
31.5
35.0
2）變幅液壓缸中缸筒內(nèi)徑徑確定：參照缸筒內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列，確定為；
3）蝙蝠液壓缸中的活塞必須要確定尺寸，以及液壓缸筒的往返速度比和內(nèi)徑：
(3-1)
的取值可參照表3-2選取[13]
表3-2 選取液壓油缸的往返速度比[10]
壓力/MPa
速度比
≤10
1.33
12.5-20
1.46
≥20
1.5
參照表3-2，由于壓力P 的取值為 25MPa，所以可以得出 =2。
將 = 1.5，D = 200，代入公式4-1中，可得
(3-2)
對比了表3-3，并參照標(biāo)準(zhǔn)系列,活塞桿直徑取 d = 120mm。
表3-3 活塞桿的直徑尺寸系列[10] 單位(mm）
直徑尺寸系列
56
63
70
80
90
100
110
120
140
4）確定液壓缸中的活塞桿的行程
給出了振幅變壓器三鉸節(jié)點的初步設(shè)計計算：
A=3307.8mm；A=6073.3mm
液壓缸的行程： S= A- A=2702.4mm
5）確定液壓系統(tǒng)中的泵的流量。
泵的流量可以用下面這個公式來得出[11]：
(3-3)
在式中：是線速度。
由液壓缸變幅行程和變幅時間可算出：
(3-4)
由設(shè)計參數(shù)我們可以知道變幅時間
=87mm/s (3-5)
3.3 液壓缸缸筒的設(shè)計
3.3.1對于缸筒材料的選擇
材料需要強(qiáng)度達(dá)到一定要求，能承受最高工作壓力時出現(xiàn)彎曲與變形，另外，需要滿足耐磨性與密封性要求。需要良好的焊接性能,來以此確保加工過程。
綜合各項要求初步確定缸筒材料選擇為35GrMo無縫鋼管，其材料參數(shù)為：
1000MPa，==500MPa。
3.3.2 液壓缸筒與端蓋的連接
前端蓋是活塞桿腔構(gòu)成密封體，后端蓋是將缸筒的另一端進(jìn)行密封，這樣缸筒為活塞桿導(dǎo)向、防塵和密封；前后端蓋也是整個液壓缸的連接安裝提供空間。
后端蓋如圖3.1（A）所示，采用焊接；前端蓋采用如圖3.1（B）的內(nèi)螺紋連接形式。
A B
3.3.3缸筒壁厚計算
缸筒壁厚的計算可以按照下面這種樣子來計算：
如果時，缸筒的采用下式計算：
（mm） (3-6)
如果時，則缸筒的采用下式計算：
（mm） (3-7)
如果時，缸筒的采用下式計算[11]：
（mm） (3-8)
式中：D—缸筒內(nèi)徑200(mm)；
—允許壓力25(MPa)；
—材料許用應(yīng)力（MPa）；
(3-9)
—缸筒材料的屈服強(qiáng)度（MPa)；
n—安全系數(shù)，這里取2；
公式中：D是缸筒直徑，這里取200mm；
Pmax是許用壓力，Pmax=1.5P=25X1.5=37.5MPa；
——缸筒材料許用應(yīng)力。
(3-10)
公式中：n-安全系數(shù)，取n=2；
-缸筒材料屈服強(qiáng)度，MPa;
查起重機(jī)設(shè)計手冊，取=20mm，得：
(3-11)
所以，由公式可知：
（MPa） (3-12)
那么，缸筒的材料應(yīng)該需要達(dá)成的最低的屈服強(qiáng)度由公式可以計算得出：
（MPa）
在確定壁厚值后，為保證變幅液壓缸的強(qiáng)度滿足要求，需要保證液壓缸安全條件下工作，額定壓力必須低于系統(tǒng)可承受最大值[11]：
(3-13)
液壓缸缸徑取值為=200mm，，活塞桿的直徑取值為D=120mm，液壓缸的額定壓力取值為= 25MPa將上面的這些數(shù)值代入公式3-8計算得出
(3-14)
符合校核要求；
3.3.4缸筒加工所需要達(dá)到的要求
（1）在前面我們已經(jīng)確定了一點，缸筒和前端蓋的連接是螺紋連接，按照要求我們參考GB/T197~2003。所以選取了液壓缸的缸筒內(nèi)螺紋的代號:，6級細(xì)牙螺紋。
（2）缸筒內(nèi)徑表面粗糙度取，采用研磨工藝，活塞與缸筒為H8配合，活塞環(huán)密封；
（3) 缸筒端面的公差選擇7級。
（4）缸筒內(nèi)徑的公差選取8級精度。
3.4對于活塞的計算和設(shè)計
3.4.1計算活塞的尺寸結(jié)構(gòu)
活塞的結(jié)構(gòu)以及它的密封，一定要認(rèn)真仔細(xì)的考慮到系統(tǒng)的工作壓力、確保運行速度和合適的溫度等。
1—擋圈；2—密封件；3—導(dǎo)向環(huán)
圖3.2 活塞結(jié)構(gòu)
如圖3.2所示，這里選擇整體式活塞結(jié)構(gòu)式，密封件導(dǎo)向環(huán)分別安裝在各個槽內(nèi)。
一般由下面這個公式來確認(rèn)活塞的寬度數(shù)值
(3-15)
在上述公式中D是活塞的內(nèi)徑，D的取值為200mm，代到公式內(nèi)部得：mm
在這里我們的取值選擇取整數(shù)，所以寬度B的取值為100mm；
3.4.2活塞的密封
如圖3.3所示，選擇O形密封環(huán)和ptfe密封組合。
3.4.3活塞的材料
活塞采用整體式，帶有導(dǎo)向環(huán)，材料45號鋼。
(1)活塞內(nèi)徑和外徑之間的徑向跳動公差的值為7級。
(2)而端面對內(nèi)孔的軸線的公差為7。
(3)活塞圓柱度的公差則選擇為9；
(4) 由于支承環(huán)的存在，可以減小外徑D的表面粗糙度和公差。
3.5活塞桿的設(shè)計計算
3.5.1活塞桿的結(jié)構(gòu)
在起重機(jī)變型機(jī)構(gòu)的設(shè)計和計算中，我們最終選擇了桿件為空心桿，因由于變型機(jī)構(gòu)的行程較長?？招臈U的厚度為15mm。活塞桿由45鋼制成。
3.5.2活塞桿的強(qiáng)度及穩(wěn)定性計算
對于活塞桿的拉伸壓縮強(qiáng)度的校核[11]：
(3-16)
n是安全系數(shù)；取n=2;
，45鋼355MPa。
將以上數(shù)據(jù)代入公式可以得出：d≥85mm；
對于活塞桿件的彎曲穩(wěn)定性的校核，我們可以使用“歐拉公式”進(jìn)行計算得出
(3-17)
E= 206GPa；
J是環(huán)形截面[12]：
； (3-18)
K = 1;
=40mm。
將以上數(shù)據(jù)代入公式4-13得 =
當(dāng)臨界負(fù)荷失控時，活塞桿將縱向彎曲，所以：
(3-19)
液壓缸初始撓度值的計算
式中：——活塞桿與導(dǎo)向套的配合間隙；
——活塞與缸筒的配合間隙；
——活塞桿頭部銷孔至導(dǎo)向套中點的距離:=373.5cm
——缸底尾部銷軸孔至導(dǎo)向套中點的距離: =377cm
——活塞桿全伸時，液壓缸兩端銷孔間的距離:l=750.5cm
——活塞桿全伸時，導(dǎo)抽套滑動面前端到活塞滑動面末端的距離:a=47cm
——油缸自重:G=1250kg
——液壓缸與水平面的交角:
——油缸最大推力:P=160000kg
液壓缸最大撓度的計算
根據(jù)，時的最大撓度值計算公式可得：
式中：
3.5.3加工活塞桿件時應(yīng)遵循的要求
1）材料45鋼，淬火并高溫回火處理，厚度應(yīng)為。
2）對于活塞桿，它的外徑的公差我們選；而直線度應(yīng)該，還有表面的粗糙度則是；
3）對于活塞桿的圓柱度公差我們按照慣例選擇了8級進(jìn)度。
3.6活塞的導(dǎo)向環(huán)
活塞采用導(dǎo)環(huán)為非金屬接觸摩擦，起動時無形變。
圖3.4 浮動導(dǎo)向套
本設(shè)計中采用浮動型導(dǎo)向環(huán)如圖3.4所示。
活塞用導(dǎo)向環(huán)的寬度b可以按照下面這個式子來計算得出：
(3-20)
圖3.4 導(dǎo)向環(huán)的長度
活塞用導(dǎo)向環(huán)下料長度L如圖3.4所示，按下式計算：
(3-21)
3.7活塞桿的導(dǎo)向、密封和防塵
表 3-4 活塞密封形式及其特點
活塞密封形式
結(jié)構(gòu)簡圖
組成名稱
特點
組合密封法
1- 支撐環(huán)
2- 彈性體1
3- 彈性體2
雙向密封，性價比較好，密封件保壓效果好；壓力越高，密封越可靠；
復(fù)合唇形密封法
1- 導(dǎo)向環(huán)
2- 支撐環(huán)
3- 彈性體
雙向密封，性價比較好，密封件保壓效果好；壓力一般不超過30MPa，潤滑效果好；
復(fù)合導(dǎo)向法
1- U型圈
2- 擋圈
單向密封。價格便宜，容易產(chǎn)生困壓，擋圈防止密封圈槽被擠入間隙；
前端蓋采用QT700-2材料制成，其內(nèi)孔用于導(dǎo)向活塞桿，向如圖3.5所示。
圖3.5 前端蓋內(nèi)孔導(dǎo)向
1）活塞桿的防塵，目前采用最多的是雙唇環(huán)密封環(huán)如圖3.6所示。
圖3.6 雙唇形密封
如圖3.6,外唇型盾與活塞桿表面形成直接接觸,而唇屬于密封唇口,所以當(dāng)活塞桿的往復(fù)運動,主密封圈和防塵密封形成一層油膜,活塞潤滑,減少活塞桿磨損的使用,增加密封環(huán)的使用的時長。
3.8 確定安裝和連接的元件
活塞桿的暗裝耳環(huán)在活塞桿的外端，單耳型與軸套，套筒材料為青銅。耳環(huán)的銷孔常用。圓筒耳環(huán)是用后端蓋制成的，耳環(huán)與球鉸一起使用。
4 變幅液壓系統(tǒng)及關(guān)鍵控制部件選型
4.1變幅系統(tǒng)液壓原理的設(shè)計
4.1.1變幅液壓回路分析
變幅系統(tǒng)的液壓回路如圖4.1所示。主要液壓元件有液壓油缸、液壓油泵、先導(dǎo)控制閥、多通道可變換向閥、液壓油缸等組成。
在整個回路中，是在活塞筒底下安上平衡閥的。其作用是確保吊桿向下調(diào)整過程，順利進(jìn)行俯仰過程，以避免液壓缸明顯的卸載或下沉問題。
1-取力箱 2-液壓泵 3-過濾器 4-溢流閥 5-換向閥 6-平衡閥 7- 液壓缸 8-負(fù)載
圖4.1 變幅液壓系統(tǒng)原理控制圖
4.1.2 各閥芯在中位時
多路變相閥中控制變幅油缸的電磁閥中位阻斷，液壓油不通過多路換向閥，經(jīng)溢流閥流回油箱，此外，溢流閥可以起到保壓的作用，當(dāng)多路閥切換到伸出位置，或縮回位置時，保證了回路的安全穩(wěn)定。
4.1.3 液壓缸在伸出時
下面分析變幅液壓缸伸出時的工作狀態(tài)：在液壓缸內(nèi)，是由液壓泵來提供推動由的動力即油壓。當(dāng)整個系統(tǒng)的壓力往上升時，芳香閥就會隨之向下緩緩地推動，油會流經(jīng)芳香閥而最終進(jìn)入有桿腔。
4.1.4 液壓缸在縮回時
下面分析變幅液壓缸縮回時的工作狀態(tài)：泵給液壓缸提供油壓，使得液壓系統(tǒng)的壓力提高，這時候的方向閥會向下推，液壓油被壓力壓向方向閥并流到有桿腔。
4.2對于液壓泵的選取
關(guān)于蝙蝠液壓缸的一些參數(shù)：壓力（）、流量（）、轉(zhuǎn)速（n）等。在起重機(jī)液壓系統(tǒng)中，由4個齒輪泵連接而成液壓泵，在液壓回路的中，這體現(xiàn)雙泵合流的原理。
在這個設(shè)計過程中，變幅液壓P=25MPa，Q=70L/min，n=2000r/min，齒輪泵排量L=55ml/r.；
在上文中提到的雙泵合流原理，所以液壓油泵和液壓油泵之間只能選擇是串聯(lián)在一起。而為了串聯(lián)這兩個液壓泵，必須要求這兩個之間的排量盡量要在同一水平即保持幾乎一致。所以我們最終選擇的液壓泵的型號為CBZ 2080，排量數(shù)據(jù)為80ml/r，轉(zhuǎn)速為2000r/min。
4.3平衡閥
變幅液壓系統(tǒng)中平衡閥安裝在液壓缸無桿腔一端，在變幅油缸收縮時，由于起重機(jī)吊臂的重力作用，使得變幅油缸的收縮過快。彈簧彈力的大小和供油壓力共同作用于平衡閥的閥芯，控制閥芯移動位置的大小，決定平衡閥的開口程度。
當(dāng)懸臂著陸速度過大時，流速較小，供油壓力小，平衡閥的開啟度降低，吊桿的著陸速度降低。當(dāng)起重機(jī)臂在數(shù)小時內(nèi)下降時，供油壓力增大，平衡閥芯在運動，平衡閥打開，吊桿提升速度增加，使左臂的速度相對穩(wěn)定。
平衡閥型Cindy12-B-S調(diào)速閥結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定。
圖4.2平衡閥外形圖
圖4.3平衡閥液壓元件符號圖
4.4多路換向閥
我們需要多路閥來控制整個起重機(jī)的液壓回路。在液壓系統(tǒng)中通過多通道閥實現(xiàn)各種自動開關(guān)電路，達(dá)到液壓油的方向、壓力、復(fù)合控制比例的流量率，實現(xiàn)油路的無限調(diào)速控制。整個液壓回路包括伸縮系統(tǒng)、繞組系統(tǒng)、可變幅度系統(tǒng)、和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。
結(jié)構(gòu)如圖4.4所示。
圖4.4 多路換向閥實物
4.5 先導(dǎo)控制閥
它的功能是對多路換向控制閥的先導(dǎo)油液的控制，完成對與液壓系統(tǒng)右路的安全卸荷及保護(hù)，如圖4.5所示。
圖4.5 先導(dǎo)控制閥
4.6油管
一般橡膠軟管的承壓能力可達(dá)到。高壓橡膠軟管一般有一層鋼絲編織層，使得工作油壓得到提高。橡膠有關(guān)的管徑設(shè)計參考一下公式
(4-1)
式中：管路流量（L/min），由計量得知，= 70L/min；是液壓油在油管中的流速，橡膠管在通常情況下3-6m/s。在這里我們?nèi)〉?4m/s。
mm (4-2)
隨即，在這里我們選確定膠管內(nèi)徑20mm；
4.7濾油器.
濾油器的作用是過濾掉回油中混入的雜質(zhì)，保證了流回油箱的油液中沒有雜質(zhì)。本文中濾油器使用了，總管道流量Q=2000L/min，因此我們選擇了型號,其技術(shù)規(guī)范不可破壞。
表4-2 RLF回油濾油器技術(shù)規(guī)格
技術(shù)規(guī)格
回油濾油器
型號
通徑/mm
40
公稱流量L/min
240
功率精度/m
3
公稱壓力/MPa
1.6
壓力損失/MPa
0.2
壓力損失MPa
0.35
發(fā)訊裝置電壓/V
24
發(fā)訊裝置功率/W
48
5.液壓缸關(guān)鍵零部件的制造工藝設(shè)計
5.1 主要技術(shù)參數(shù)
由于所用的加工設(shè)備都有所不同，對于起重機(jī)的液壓缸來說，每種活塞和也陽剛的加工工藝流程都會有所不同。
這里開始仔細(xì)敘述變幅液壓油缸的技藝要求與工程流程。
表5.1 液壓缸內(nèi)控各參數(shù)
技術(shù)參數(shù)
直線度
內(nèi)孔表面粗糙度
圓度
內(nèi)孔尺寸公差
參數(shù)值
500/0.03
Ra
內(nèi)徑公差1/3-1/2
H8-F8
表5.2活塞桿外圓技術(shù)參數(shù)
技術(shù)參數(shù)
外圓尺寸公差
外圓表面粗糙度
圓度
直線度
鍍層mm
參數(shù)值
H8-F8
Ra
內(nèi)徑公差1/3-1/2
500/0.03
0.03-0.05
5.2缸筒的制造工藝流程
（1）缸筒制造工藝流程：
下料 →熱處理（調(diào)質(zhì)、正火） →粗車 →焊接（法蘭、油口） →拋丸 →刮輥（推鏜、絎磨） →精車（螺紋、焊接坡口） →清洗 →焊接（缸底）；
圖5.1 液壓缸缸筒
缸筒工藝流程如下：
a） 下料(筒體)：27Si Mn 熱軋管毛壞尺寸：φ210-3480mm；
b） 熱處理（筒體）：調(diào)質(zhì) HB255-285；
c） 鏜內(nèi)孔φ158±0.1：粗鏜內(nèi)孔到φ158；
d） 定性處理去應(yīng)力；
e） 車削：外圓車削到φ200（+0.3，+0.5）；
f） 外圓拋丸；
g） 焊接，按工藝圖一定位點焊并焊妥件 6 接頭體，焊前預(yù)熱，焊后
保溫去渣及飛濺，焊縫不允許有裂紋、氣孔等缺陷；
h） 車：兩端撐內(nèi)孔，按工藝圖一車準(zhǔn)外圓與倒角；
i） 刮：按圖刮輥準(zhǔn)φ160H8 內(nèi)孔尺寸符圖；
j） 車：兩撐內(nèi)孔，按工藝圖二，車中心架支撐面φ200，表面光潔度達(dá) Ra3.2；平左端面，保證尺寸 3480，按圖車準(zhǔn)左端焊接坡口，倒角倒圓符圖；按圖車準(zhǔn)右端內(nèi)孔各尺寸，倒角倒圓符圖；
k） 鉆：按圖劃左端φ20，以接頭體內(nèi)孔導(dǎo)向，鉆通φ20孔，去毛刺，修圓相交孔口；
l） 清洗：內(nèi)孔、外圓、焊接坡口等；
m） 焊：將缸底裝入筒體，定位點焊，注意方向，焊妥，焊縫不允許有氣孔、夾渣、裂紋等，焊前預(yù)熱，焊后保溫、去渣及飛濺；焊妥缸底總成上的加強(qiáng)筋與缸底相連焊縫、軸套與缸底兩端密封焊縫；
n） 焊：定位點焊并焊妥件 2 油口座、管夾、閥座總成、焊接封頭，焊縫不允許有氣孔、夾渣、裂紋等，焊前預(yù)熱，焊后保溫，去渣及飛濺。
5.3活塞桿的制造工藝流程
（2）活塞桿制造工藝流程
下料 →粗車 →熱處理（調(diào)質(zhì)、正火） →焊接 →粗車 →精車（螺紋） →磨外圓 →超精 →鍍硬鉻 →超精 ；
圖5-2 活塞桿
②活塞桿工藝流程
a）下料(桿體、桿尾、耳環(huán))。
桿體原材料：27Si Mn 熱軋管 ，毛壞尺寸 mm：φ200-3300；
b) 熱處理（桿體）：調(diào)質(zhì) HB255～285
c) 車(分別按桿體、桿尾、耳環(huán)工藝圖)
d) 焊：將桿尾與耳環(huán)裝入桿體，止口配合，定位點焊并焊妥，焊前預(yù)熱，焊后保溫，去渣及飛濺，焊縫不允許有氣孔夾渣、裂紋等，焊前預(yù)熱，焊后保溫，去渣及飛濺；
e)車：按活塞桿車準(zhǔn)各尺寸。
f)磨：按活塞桿磨桿體外圓尺寸、桿頭小外圓、小外圓端面符圖.
h)超精：桿體外圓超精按活塞桿。
i)活塞桿桿體鍍硬鉻，鍍厚 0.03～0.05mm；
j)超精：桿體粗糙度 Ra0.1；
5.4活塞與導(dǎo)向套的制造工藝流程
（1）活塞和導(dǎo)向套制造工藝流程 ：下料 →粗車→精車；
對于每一道工序的話，都需要嚴(yán)格按工藝要求控制到位，只要中間有一個環(huán)節(jié)存在漏洞，就有可能導(dǎo)致批量的故障或失效，影響到液壓缸的可靠性。下面分析缸筒內(nèi)孔及活塞桿外圓的加工方式及過程質(zhì)量控制。
圖5.3 導(dǎo)向套
粗車：將鍛件毛坯按導(dǎo)向套工藝圖加工；
精車： 夾左端，校正，平右端面 1mm，依圖車準(zhǔn)右端內(nèi)孔、外圓、內(nèi)環(huán)槽、倒角倒圓符圖；
調(diào)頭夾，表校已車外圓跳動≤φ0.05，平總長，依圖車準(zhǔn)左端內(nèi)孔、外圓、外環(huán)槽、倒角倒圓符圖；
②活塞工藝流程
粗車：將鍛件毛坯按活塞工藝圖加工；
精車：夾左端，校正，平右端面 2mm，通車內(nèi)孔至 φ80H8，車右端外圓、外環(huán)槽、倒角倒圓符圖；調(diào)頭夾，表校內(nèi)孔跳動≤φ0.05，平總長，車準(zhǔn)左端外圓外環(huán)槽、內(nèi)孔尺寸倒角倒圓符圖。
圖5.4 活塞
6.結(jié)論
這次畢業(yè)設(shè)計對我來說非常重要，讓我很好的了解了汽車起重機(jī)的一些基本參數(shù)和具體的結(jié)構(gòu)，當(dāng)然了，工作原理也有所涉及。在變幅液壓缸的主要部件設(shè)計中，參考機(jī)械手冊，設(shè)計了液壓缸主要零部件。在設(shè)計中，我參照了YQ-100型汽車起重機(jī)的使用說明書等相關(guān)資料，收集隨車起重機(jī)相關(guān)的文獻(xiàn)資料，掌握其液壓系統(tǒng)工作原理，各液壓缸的分布位置及功能。對變幅回路液壓缸筒、活塞、活塞桿等部件計算，材料選擇，導(dǎo)向、密封形式，液壓缸的安裝，各零件的加工工藝，需要解決筒體及桿體原材料問題、密封件選型問題等問題等，對變幅機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，關(guān)鍵液壓元件型。
通過這次的畢業(yè)設(shè)計的制作與學(xué)習(xí)中我了解了如何進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)參考這些問題。我很好的學(xué)會了如何在圖書館查閱紙質(zhì)資料和在網(wǎng)上查閱往期期刊和一些電子檔案，一些具體的液壓缸和汽車起重機(jī)的參數(shù)。然后對于畢業(yè)設(shè)計中的計算有了比較清晰的想法。
總之，這次畢業(yè)設(shè)計對我的幫助非常之大，當(dāng)然這也離不開李吉老師的幫助和指導(dǎo)。我相信這對于我以后的工作有著極其重要的指導(dǎo)作用。
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致 謝
這次畢業(yè)設(shè)計李吉老師對我的幫助非常之大。在前期對于我的課題難度進(jìn)行了調(diào)整，使得我的畢業(yè)設(shè)計難度有所下降。不僅如此，還給了我非常多的關(guān)于課題內(nèi)容的資料。
除此之外，李吉老師對于我們的畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容和工作進(jìn)度也非常關(guān)注，時時提醒我們要加快進(jìn)度，不能因為懶散或論文內(nèi)容難度大而導(dǎo)致論文進(jìn)度落后于要求。
總之，有了老師的幫忙，使得我完成畢業(yè)設(shè)計更加輕松，對于內(nèi)容也有了更深刻的了解。
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