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摘 要
此設計內(nèi)容是組裝式儲液塔半自動噴涂機的升降部分，其主要功能是帶動載有人和噴槍座的平臺對大型儲液罐的內(nèi)壁進行全方位噴涂，以提高噴涂效率和減低人工成本。
本文把剪叉式升降機構(gòu)作為整體設計的升降部分。選擇雙鉸接剪叉式結(jié)構(gòu)的液壓缸布置方式，確定液壓缸和剪叉機構(gòu)的位置關系，然后通過虛位移原理求出液壓活塞桿的推力，并對各個剪叉桿受力分析后，進行強度和剛度校核，確保升降部分的可靠性和安全。最后進行液壓系統(tǒng)設計，包括液壓缸、泵等元件的計算設計，并且按需求查標準選擇相應的規(guī)格型號后，完成液壓系統(tǒng)原理圖。此設計機構(gòu)的上部和噴槍座平臺連接，下部和移動機架連接，組成組裝式儲液罐半自動噴涂機。剪叉結(jié)構(gòu)其升高可達八米左右，并可以承受較重的載荷，可以與不同的平臺改裝和組合，在不同的工作環(huán)境下完成不同的工作內(nèi)容。
關鍵詞：噴涂機； 剪叉式升降機構(gòu)； 液壓驅(qū)動
I
ABSTRACT
This design content is the assembly type liquid storage tower semi-automatic spraying machine's lifting part, its main function is to drive the person and the gun seat platform to carry on the omni-directional spraying to the large liquid storage tank's interior wall, in order to raise the spraying efficiency and reduces the labor cost.
In this paper, the scissor-type lifting mechanism is used as the lifting part of the whole design. Choose the arrangement of hydraulic cylinder with double hinged scissor-type structure, the position relation between the hydraulic cylinder and the shearing fork mechanism is determined, then the thrust of the hydraulic piston rod is obtained by the virtual displacement principle, and the strength and rigidity are checked to ensure the reliability and safety of the lifting part after the force analysis of each shear fork rod. Finally, the hydraulic system design, including hydraulic cylinder, pump and other components of the calculation and design, and check the "Mechanical design Manual" according to the standard selection of the corresponding specifications model, complete the hydraulic system schematic diagram. The upper part of the design mechanism is connected with the gun seat platform, the lower part and the movable frame are connected, and the semi-automatic spraying machine of the assembled liquid storage tank is formed.The shear fork structure can rise up to eight meters, and can withstand heavier load, can be modified and combined with different platforms, in different working environment to complete different work content.
Key Words：Spraying machine；Shear fork lift mechanism；Hydraulic drive
IV
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 - 3 -
1.1 國內(nèi)噴涂機發(fā)展簡史 - 3 -
1.2 國內(nèi)升降機發(fā)展簡史 - 3 -
1.3 升降機構(gòu)分類 - 4 -
1.4 升降機構(gòu)發(fā)展趨勢 - 5 -
2 方案設計 - 6 -
2.1 升降機構(gòu)選擇 - 6 -
2.2 剪叉式結(jié)構(gòu)形式選擇 - 6 -
2.3 噴涂機整體方案設計 - 7 -
2.4 剪叉式升降方案設計 - 8 -
3 零件設計 - 10 -
3.1 臺板設計 - 10 -
3.2 剪叉機構(gòu)和臺板連接塊設計 - 11 -
3.3 剪叉桿初步設計 - 11 -
3.4 銷的選擇 - 12 -
4 剪叉式機構(gòu)計算校核 - 13 -
4.1 液壓缸推力計算 - 13 -
4.2 計算剪叉臂鉸點力 - 15 -
4.3 剪叉桿強度和剛度校核 - 17 -
5 液壓系統(tǒng) - 21 -
5.1 設計要求 - 21 -
5.2 液壓傳動系統(tǒng)設計 - 21 -
5.3 確定系統(tǒng)工作壓力 - 23 -
5.4 液壓缸選擇和尺寸計算 - 23 -
5.5 確定液壓泵規(guī)格和電機功率 - 24 -
5.6 液壓系統(tǒng)元件選擇 - 26 -
5.7 液壓系統(tǒng)特點 - 27 -
6 結(jié) 論 - 28 -
參考文獻 - 29 -
附錄1：外文翻譯 - 30 -
附錄2：外文原文 - 38 -
致 謝 - 46 -
1 緒論
目前，大型儲液罐應用比較廣泛，主要在應用在石油及其衍生產(chǎn)品等類似的化工行業(yè)中，用于儲存原油及其化工產(chǎn)品。在儲液罐建成以后，一般都需要在其內(nèi)壁表面進行噴涂保護，其可以有效的起到防止燃燒、爆炸和腐蝕等作用。我國是世界石油需求大國，需要大量的儲液塔來儲存石油。但目前我國對大型的儲液罐內(nèi)壁的噴涂基本都是人工完成的，需要人工爬梯或搭腳手架來涂刷，缺少自動化和機械化的裝置，費時費力。此次設計內(nèi)容主要為此而設計一種對儲液罐內(nèi)壁進行特殊涂料噴涂的組裝式半自動噴涂機，具有很好的應用價值和經(jīng)濟效益。
噴涂機應有三部分組成，分別為噴槍座、升降機構(gòu)和可移動機架。其中升降機構(gòu)主要功能是帶動載重平臺到達指定的高度并且保持穩(wěn)定。目前升降機構(gòu)類型有很多種，其中液動剪叉式升降機構(gòu)應用比較廣泛，其具有行程大、升力大、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，且結(jié)構(gòu)簡單，技術成熟。
1.1 國內(nèi)噴涂機發(fā)展簡史
自動噴涂機的主要功能是將需要的涂料在一定程度的自動化下，對需要噴涂的物體表面進行均勻的噴涂，達到高質(zhì)量效果涂層。相比人工涂刷，它不僅使涂層更加均勻，而且提高了噴涂工作效率，降低了成本，同時還降低了涂料產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體對工作人員的傷害。
相比于國外，國內(nèi)的自動化噴涂設備起步比較晚，目前主要應用在汽車生產(chǎn)線上。上個世紀九十年代前后，北京機械工業(yè)自動化研究所機器人中心首先開始進行對噴涂機器人的研究，其主要是在國外的研究基礎上展開的，隨著研究的進行，相關技術也有了很大的進步。2000 以年來由于國內(nèi)汽車發(fā)展迅速，許多制造公司也在設計制造我國自己的噴涂機器人，在此同時國外的 MOTOMAN 公司與我國北京首鋼集團合作，瑞士 ABB 公司在京滬建立分公司，以銷售噴涂機器人和工業(yè)機器人為主【1】。目前，我國對噴涂機器人的需求量較大，但在這方面技術還是相對落后，大部分噴涂機器人還是要從國外進口，在后期還存在維修和保養(yǎng)的問題。因此，現(xiàn)在我們應當加快研發(fā)，要盡快設計制造出高質(zhì)量的噴涂機器人。
1.2 國內(nèi)升降機發(fā)展簡史
升降機，主要功能是提升重物和運送貨物，在工程施工方面應用較多。自1973年第一臺國產(chǎn)齒輪齒條式施工升降機誕生以來，歷經(jīng)30多年的不斷發(fā)展，升降機在結(jié)構(gòu)形式、功能、用途、安全裝置等多個方面都有了很大的變化和發(fā)展【2】。相對于發(fā)達國家，現(xiàn)階段我國在升降機的設計、制造及使用維護方面還有一定的差距。目前，國內(nèi)生產(chǎn)升降平臺設備零部件的廠家較少，且規(guī)格型號少，液壓驅(qū)動元件、電氣控制元件等相關附件元件的可靠性和性能還不夠高，導致了升降設備的基礎部件配套水平差，使國內(nèi)升降機的研發(fā)受到了一定的阻力。這些廠家中大多都是小型企業(yè)，在生產(chǎn)工藝和專業(yè)化方面水平較低，生產(chǎn)效率不高，且缺少研發(fā)能力。
國產(chǎn)升降設備科技含量較低，品質(zhì)一般，現(xiàn)在大多數(shù)還處于中低端設備，高端設備比較少，在國際上的競爭力還不夠大。在研發(fā)方面，核心技術的研發(fā)投入力度還不夠，動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)技術等相比國際先進水平，還有一定的差距。在引進國外先進升降機的同時，借助中國智造2025，伴隨國內(nèi)科學技術的快速發(fā)展，在順應世界升降機發(fā)展方向的同時，增加創(chuàng)新和研發(fā)力度，使國產(chǎn)升降機向系列化、復合化和模塊化方向不斷發(fā)展。
1.3升降機構(gòu)分類
升降平臺主要作為一種運輸和起重裝置，在物流、城市停車、裝配、海上石油開采和工程建造等領域有十分廣泛的用途。其主要功能是將載重平臺升舉到不同高度，并可保持穩(wěn)定完成工作。升降機構(gòu)可以分為剛性和柔性兩種，其中剛性機構(gòu)有齒輪齒條式、絲桿式、柱塞式和剪叉式幾種，柔性機構(gòu)有鋼絲繩式和鏈條式。下面幾種機構(gòu)可以作為此設計的升降部分。
（1）剪叉式升降機構(gòu)
剪叉式升降機構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)比較簡單的起重設備，經(jīng)常作為高空作業(yè)平臺的升降部分，在生活中隨處可見。其主要作用是把載有人的平臺運送到指定高度進行作業(yè)，也可以用來運送貨物。這種結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點，構(gòu)造簡單、升舉力大、運行平穩(wěn)、停位安全可靠、成本低等，且技術比較成熟，應用廣泛。目前廣泛應用在工廠設備檢測、工程建設、電力維修和船舶制造等領域。其工作過程即在液壓缸驅(qū)動下剪叉機構(gòu)伸展和壓縮，當剪叉平臺處于最低位置時，剪叉機構(gòu)壓縮便于移動和存儲；當平臺工作時，剪叉機構(gòu)能快速展開且速度平穩(wěn)，擁有較高的工作效率【3】。目前廣泛應用在工廠設備檢測、工程建設、電力維修和船舶制造等領域
（2）柱塞式升降機構(gòu)
柱塞式升降機構(gòu)以液壓驅(qū)動，需要與液壓系統(tǒng)相配合。工作原理是液壓泵將液壓油從油箱抽出，經(jīng)過管道和各種閥之后進入液壓缸，在油壓的作用下，活塞桿推動升降平臺實現(xiàn)上升，下降則可以通過平臺的自重來進行。其具有運動精確度高、結(jié)構(gòu)簡單、平穩(wěn)性好、運行安全可靠和噪聲小等優(yōu)點，但是缺點是使用時需要定期潤滑，需保持液壓油清潔，且能耗較大，升高有限，運動同步進度較差。所以柱塞式升降機構(gòu)通常用在較低的作業(yè)場所，不適合應用在高度過高的作業(yè)平臺方面，因此應用比較少。
（3）齒輪齒條式升降機構(gòu)
齒輪齒條機構(gòu)由齒條部分和齒輪部分組成，其將降旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，以帶動升降平臺的上升和下降。它具有運動速度快、操作簡單、工作連續(xù)、精度高和同步性好等優(yōu)點，缺點是振動和噪聲大，加工制造和安裝困難，齒輪磨損快，需要定期更換，且成本較高。一般應用在大型設備現(xiàn)場，如深海鉆井平臺、核電建設等領域。
（4）絲桿式升降機構(gòu)
絲桿升降機構(gòu)和齒輪齒條一樣，都是將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，它是將絲桿的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，以帶動平臺進行升降。絲桿升降機構(gòu)一般與電驅(qū)動和液壓驅(qū)動配套使用。滾珠絲桿升降機是一種利用蝸桿副帶動滾珠絲杠副進行升降的精密起重部件，具有傳動效率高、體積小、安裝方便、壽命長、運動平穩(wěn)等優(yōu)點，并且可在一定條件下實現(xiàn)自鎖，具備小動力大推力傳動特點【4】。
1.4 升降機構(gòu)發(fā)展趨勢
通過對2017年3月在美國舉辦的拉斯維加斯工程機械展會上其他國家展出的升降設備實物來看，未來升降設備的發(fā)展趨勢應朝著以下幾個方面發(fā)展：
（1） 模塊化；
（2） 數(shù)字化；
（3） 智能化；
（4） 人性化；
（5） 高效環(huán)保；
（6） 安全可靠；
2 方案設計
2.1 升降機構(gòu)選擇
設計要求為升降高度8m左右，并能夠從直徑1m儲液塔入口進入，所以需要設計為可拆卸型的。為了保證噴涂效果和作業(yè)人員安全，需要較良好的穩(wěn)定性。因為在儲液罐內(nèi)部工作，所以需要控制其噪音的大小，防止對作業(yè)人員的聽力造成損傷。在升降機構(gòu)頂端，需要搭載噴槍座和工作人員，要求具有一定的搭載面積。綜合高度、工作環(huán)境等各方面因素，此升降機構(gòu)選擇剪叉式升降機構(gòu)。剪叉式升降機構(gòu)其結(jié)構(gòu)簡單、行程范圍廣、剛度高、穩(wěn)定性、升力大、噪聲小、可靠性高，并且可停在舉升范圍內(nèi)的任意高度。剪叉式目前在高空作業(yè)平臺方面應用比較普及，且技術也比較成熟，在加工組裝方面也較為方便，因此此設計的升降結(jié)構(gòu)選擇為剪叉式。
2.2 剪叉式結(jié)構(gòu)形式選擇
首先選用液動剪叉式升降機構(gòu)，其制造容易，成本低，可靠性高，容易維修保養(yǎng)，已在各種高空作業(yè)平臺中大范圍使用。此剪叉式平臺設計需具有一定承載量和較大范圍的升降，且結(jié)構(gòu)應盡量簡單，整體尺寸要符合實際情況，能從1m直徑的入口進入，目前相對于此設計普遍有兩種結(jié)構(gòu)方案選擇。一種為水平固定剪叉式結(jié)構(gòu)，另一種為雙鉸接剪叉式結(jié)構(gòu)。
圖2.1 剪叉式兩種結(jié)構(gòu)方案
水平固定剪叉式升降機構(gòu)，如圖2.1 a所示，其作業(yè)平臺的升降距離范圍遠大于液壓缸的行程，并且在工作過程中能夠?qū)崿F(xiàn)快速升降，可以節(jié)省到一定的時間。但其缺點是活塞桿在升降過程中會承受到一定的橫向力，對密封件的使用壽命會有影響。且液壓活塞桿承受的實際載荷力要超出平臺上的總載荷，所以實際應用中采用很少【5】。
雙鉸接剪叉式結(jié)構(gòu)，如圖2.1 b所示，其平臺的升降范圍可以是液壓缸行程的二倍以上，且避免了水平固定式升降機構(gòu)缺點，結(jié)構(gòu)相對比較合理，因此，目前在各領域當中應用十分的廣泛。所以選擇雙鉸接剪叉式結(jié)構(gòu)為此噴涂機的升降機構(gòu)。
2.3 噴涂機整體方案設計
此次設計為組裝式儲液塔內(nèi)壁防腐涂料半自動噴涂機，主要有噴槍座和載人平臺、升降機構(gòu)、可移動機架三部分組成，如圖2.2，分別有三位同學完成。三部分通過臺板由螺栓相連接，因為儲液塔進口尺寸的限制，所以只能在進入儲液塔內(nèi)以后再進行組裝，噴涂完成后拆卸再搬運。
上部為噴槍座平臺，其主要設計有臺板、座椅、噴槍座和圍欄組成，通過不同直徑的螺栓連接。臺板主要用來固定安放座椅和噴槍座，在臺板的四周布置有圍欄，防止人從高空墜落。臺板下面安裝有橫梁框架，目的是為了增加臺板的承重能力，并且減低平臺的重量。噴槍座主要是用來支撐噴槍，并且可以控制噴射角度，以方便噴涂。
中部為升降機構(gòu)，選擇用液動剪叉式結(jié)構(gòu)。單組剪叉結(jié)構(gòu)到不到要求噴涂的高度，所以由兩組相同的結(jié)構(gòu)由螺栓連接組合。其升高高度可以達到7.5~8m左右。其主要零件包括液壓缸、剪叉桿、臺板及剪叉機構(gòu)和臺板之間的連接塊。液壓缸為驅(qū)動源，活塞桿推動剪叉桿上升或下降，剪叉桿是主要的受力機構(gòu)，剪叉桿之間用銷連接。
下部為可移動基架，其主要有壓桿、支腿、臺板和輪胎組成。機架高度有1m多，所以壓桿和臺板之間用鉸鏈連接，以方便其進入儲液塔內(nèi)。支腿主要作用是增加機架的承載能力，設計為旋轉(zhuǎn)收縮式，在進入時收縮，組裝好后再打開。
圖2.2 噴涂機整體結(jié)構(gòu)
2.4 剪叉式升降方案設計
按照基本要求，設計選擇合適的布置方案?；疽鬄樯叽蠹s在8m左右，且能夠從直徑1m的入口進入。為了滿足基本要求，設計方案如圖2.3所示：
通過計算后，所需升高應在7.5左右，如果只有一組三級剪叉式升降機構(gòu)則不滿足所需要的升降高度，所以用兩組來達到需要的升高范圍。兩組機構(gòu)通過螺栓來連接，在升降時，可以同時升降或者一組一組先后升降，這樣可以縮短升降所需要的時間。而且選用兩組對噴涂機整體的穩(wěn)定性和強度有很大的提升。
此方案既可以滿足設計所規(guī)定的基本要求，且整體結(jié)構(gòu)簡單，拆卸方便。在計算時，只需要對承受載荷大的下面一組進行穩(wěn)定性校核即可。
圖2.3 升降方案設計
3 零件設計
3.1 臺板設計
臺板位于剪叉機構(gòu)的上部和下部，主要起到支撐及連接噴槍座平臺和移動機架的作用。根據(jù)剪叉機構(gòu)和噴槍座平臺的尺寸，確定臺板的長度為1800mm，寬度為800mm，臺板材料采用35號鋼。
圖3.1 臺板
臺板形狀如圖3.1，大孔直徑為30mm，通過螺栓來連接兩臺板；小孔直徑為10mm，用來連接鉸鏈和臺板。在臺板上面需要有剪叉機構(gòu)的滑道，用來限制滑輪在臺板上的運動軌跡，使噴槍座平臺能夠平穩(wěn)上升和下降。臺板在整個方案中只起到連接和承重的作用，所以對其加工精度要求不需要太高，鑄造完成即可。滑道相對來說對升降運動的平穩(wěn)有影響，其加工精度要求較高，可以通過加工中心來加工。最后臺板和滑道可以通過焊接連接在一起。因為一共有兩組剪叉機構(gòu)，所以整體一共需要4塊這樣的臺板。
3.2 剪叉機構(gòu)和臺板連接塊設計
此連接塊作用為連接剪叉機構(gòu)或液壓缸和臺板，在其上面鉆鉸孔，用銷來連接。其結(jié)構(gòu)形狀如圖3.2所示。因外表面需求精度低，所以可以先通過鑄造得到毛胚，然后再進行鉸孔，孔的精度要求較高。
圖3.2 連接塊
3.3 剪叉桿初步設計
剪叉桿是此設計重要的部件，主要的受力構(gòu)件。在設計時需要對它加以重視。剪叉桿的強度和剛度，影響著噴涂機整體的安全可靠性和穩(wěn)定性，因此需要需要對其進行計算校核，對其校核在下一章中。
此設計的剪叉結(jié)構(gòu)主要承擔人和噴槍座平臺的重量，其承重載荷相對較輕。因為噴涂機工作環(huán)境在儲液罐內(nèi)，而且是組裝式的，因此不僅要限制其尺寸，而且還要對其質(zhì)量加以控制，以免過重而導致搬運困難和下部的移動基架強度不夠。為了減輕剪叉桿的質(zhì)量，可以將其做為橫截面為矩形的空心管類型。如圖3.3所示。
圖3.3 剪叉桿
設計要求儲液塔高度為10m，除去上部噴槍座和下部移動基架的高度可得兩組剪叉升降結(jié)構(gòu)打開后高度大約為7.5左右，所以由此可得每個剪叉桿的長度。經(jīng)過初步設定剪叉桿的兩端鉸接孔之間的距離為1.5m。
查閱剪叉升降機構(gòu)的相關資料，根據(jù)受到載荷的大小和設計經(jīng)驗，可以初步選定剪叉桿的橫截面尺寸如圖3.4所示，在下一章按初步選定的剪叉桿尺寸進行強度和剛度校核，看是否能夠滿足要求，如果不滿足要求則對剪叉桿尺寸再進行改變設計。
圖3.4 剪叉桿橫截面
3.4 銷的選擇
根據(jù)剪叉桿的初步設計需求，查《機械設計手冊》第二卷（王文斌主編，機械工業(yè)出版社出版）表6.3—48選擇直徑為30mm的GB/T 119.1型圓柱銷，其材料為不淬硬鋼。
4 剪叉式機構(gòu)計算校核
4.1 液壓缸推力計算
液壓缸推力可以通過虛位移原理來計算。虛位移原理是指對于具有理想約束的質(zhì)點系，其平衡的充分條件是：作用于質(zhì)點系的所有主動力在任何虛位移中所作虛功的和等于零【6】。其公式是：
Fixδxi+Fiyδxy+Fizδxz=0 (1)
式中：Xi 、Y i 、Z i 是力在 x，y，z 方向上的分量；δxi 、δyi 、δzi 是質(zhì)點系在 x，y，z 方向的虛位移；
在剪叉機構(gòu)中，外載荷W為剪叉機構(gòu)所受的一個外力，設其虛位移為δW,液壓缸對剪叉臂的推力為F，其虛位移為δF，根據(jù)虛位移原理可得：
W×δw+F×δF=0 (2)
式中載荷 W 為已知量，只要知道外載荷的虛位移 δW 和液壓缸推力的虛位移 δF，便可根據(jù)公式（2）求出液壓缸推力 F。
剪叉式升降平臺結(jié)構(gòu)簡圖如圖4-1所示：
圖4.1 剪叉式結(jié)構(gòu)簡圖
如圖所示，建立直角坐標系，其中載荷P作用于W點，W點在y方向的坐標分析得：
Wy=2Lsinα
式中：L—剪叉臂兩端銷孔中心距；
α—剪叉桿與水平面夾角；
經(jīng)變分運算的：
δWy=2Lcosαδα 3
液壓桿作用點坐標表達式如下：
Xs=0.5L-acosα
Ys=(1.5L+a)sinα
經(jīng)變分運算的：
δxs=0.5L-acosαδα 4
δys=(1.5L+a)sinαδα 5
根據(jù)式（2）對剪叉式平臺使用虛位原理可得：
Fcosθδxs+Fsinθδys-Pδwy=0 (6)
式中：θ—液壓缸軸線與水平面方向的夾角；
由式（6）可得到液壓缸推力表達式：
F=Pδywcosθδxs+sinθδys (7)
將θ=35°，α=5°，a=0.375m，P=5KN帶入公式7，計算得液壓缸推力為8.5KN。
4.2 計算剪叉臂鉸點力
由經(jīng)驗可知，當剪叉臂α角最小時，液壓缸推力F最大。當F最大時，各剪叉桿受力分析如圖4.2所示：
圖4.2 剪叉桿受力分析
由于各剪叉桿處于平衡狀態(tài)，所以各桿所受合力和合力矩都為零。根據(jù)受力分析，列出力和力矩平衡方程如下：
對AD桿受力分析：
Fx=0: FOx+FDx-FAx=0 (8)
Fy=0: FAy+FOy-FDy=0 (9)
MO=0: -FAyL2cosα+FAxL2sinα+FDyL2cosα-FDxL2sinα=0 (10)
MA=0: FOyL2cosα+FOxL2sinα-FDyLcosα+FDxLsinα=0 (11)
對BC桿受力分析：
Fx=0: P'- FOx-FCx=0 (8)
Fy=0: FB-FOy+FCy=0 (9)
MO=0: -FCyL2cosα-FCxL2sinα+FBL2cosα-P'L2sinα=0 (10)
MC=0: -FOyL2cosα+FOxL2sinα+FBLcosα-P'Lsinα=0 (11)
對CF桿受力分析：
Fx=0: FCx-FPx-FFx=0 (12)
Fy=0: -FCy+FPy-FFy=0 (13)
MP=0: FCyL2cosα-FCxL2sinα-FFyL2cosα-FFxL2sinα=0 (14)
MC=0: FPyL2cosα-FPxL2sinα-FFyLcosα-FFxLsinα=0 (15)
對ED桿受力分析：
Fx=0: FEx+FPx-FDx-FX=0 (16)
Fy=0: - FEy-FPy+FDy+Fy=0 (17)
MP=0: FEyL2cosα+FExL2sinα+FDyL2cosα+FDxL2sinα-Fyacosθ-Fxasinθ=0 (18)
ME=0: -FPyL2cosα-FPxL2sinα+FDyLcosα+FDxLsinα+FyL2-acosθ+FxL2-asinθ =0 (19)
對EH桿受力分析：
Fx=0: -FEx+FQx+P''=0 (20)
Fy=0: FEy+FPy-FH=0 (21)
MQ=0: -FEyL2cosα+FExL2sinα-FHL2cosα+P''L2sinα=0 (22)
ME=0: FQyL2cosα-FQxL2sinα-FHLcosα+P''Lsinα=0 (23)
對GF桿受力分析：
Fx=0: FFx-FGx-FQx=0 (24)
Fy=0: -Fgy-FQy+FFy=0 (25)
MQ=0: FGyL2cosα-FGxL2sinα-FFyL2cosα+FFxL2sinα=0 (26)
MG=0: -FQyL2cosα+FQxL2sinα+FFyLcosα-FFXLsinα=0 (27)
以上式子中：
Fx=Fcos?; Fy=Fsin? (28)
FH=P4 (29)
FGx=P4cosα; FGy=P4sinα (30)
其中，液壓缸推力F和載荷P都已知，聯(lián)立方程8—30，即可求出各支反力的大小。在對剪叉桿校核時，只需要對受力最大的一根桿進行校核即可。
4.3 剪叉桿強度和剛度校核
根據(jù)已知的參數(shù)，載重為5KN，剪叉桿起始角度為5°，液壓缸軸線與水平面夾角為55°帶入各桿件力平衡方程8~30中，利用MATLAB進行計算。根據(jù)經(jīng)驗和計算結(jié)果，CD桿受力最大，所以只對其進行抗拉強度和抗彎強度校核。CD桿的MATLAB計算程序如圖4.3，計算結(jié)果如圖4.4。
圖4.3 CD桿的MATLAB計算程序
圖4.4 CD桿的MATLAB計算結(jié)果
根據(jù)《機械設計手冊》第一卷表3—1—6選擇Q235號鋼，其抗拉強度為σb=370~500Mpa，抗彎強度為σs=235Mpa。
4.3.1 剪叉桿ED桿抗拉強度校核
因剪叉桿剛開始與水平面的夾角較小，則可以直接把求得X軸方向的力直接作為軸向力，其各點的拉應力大小如下：
FEx=-7.75KN
FPx=21.64KN
FDx=-9.02KN
Fx=-4.87KN
根據(jù)軸向力做做軸力圖如圖4.5所示：
圖4.5 ED桿軸力圖
由軸力圖可以看出SP段的軸向力最大，軸的橫截面積為A=2160mm2 。
則最大拉應力為：
σb=FNA=216402160×10-6=10Mpa<[σb]
因材料抗拉強度為370Mpa，取安全系數(shù)為2后，ED桿也可以滿足抗拉強度，所以符合強度要求。
4.3.2 剪叉桿ED抗彎強度校核
ED桿所受的y方向的力即為徑向力，由MATLAB求得的ED桿各點的徑向力如下：
FEy=7.75KN
FPy=-21.60KN
FDy=9.06KN
Fy=6.97KN
由徑向力計算彎矩：
ES段彎矩：
M=FEya=2600N?m
SP段彎矩：
M=Fya-FPyL2=-13600N?m
則剪叉桿ED彎矩圖如圖4.6
圖4.6 ED桿彎矩圖
由圖可知，P點為最大彎矩點：Mmax=13600N·m
P點出抗彎截面系數(shù)為：
W=Iyy=4.06×10-3 m3
則最大彎曲應力為：
σs=MW=3.35Mpa<[σs]
因材料抗彎強度為235Mpa，取安全系數(shù)為2， ED桿也可以滿足抗彎強度，所以符合剛度要求。
因為ED桿滿足強度和剛度要求，所以其他剪叉桿也滿足要求，即初步選定剪叉桿的尺寸可以滿足要求。
5 液壓系統(tǒng)
5.1 設計要求
首先列出產(chǎn)品基本情況，對液壓系統(tǒng)的基本要求如下：
1) 主要用于較輕載荷平臺的起升，尺寸要??；
2) 工作時速度較緩慢，液壓沖擊??；
3) 最大推力定位16KN；
4) 運動平穩(wěn)性要好好；
5) 升起時穩(wěn)定性要好；
7) 性能可靠，便于移動，價格低廉；
在工廠生產(chǎn)及生活中，通常需要用到升降式的工作臺。大多數(shù)升降式工作臺用來作輸送和定位的裝置，而其驅(qū)動裝置一般時候都選用液壓缸，因為液壓缸可靠性高、運動平穩(wěn)、構(gòu)造簡單，且成本較低，比較經(jīng)濟實惠。
5.2 液壓傳動系統(tǒng)設計
5.2.1 繪制液壓系統(tǒng)圖
液壓系統(tǒng)設計是整機設計中比較重要的一部分，目前液壓系統(tǒng)的設計主要依靠經(jīng)驗法。設計的液壓系統(tǒng)，除了滿足安全可靠的工作外，還需要有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟適用、效率高和維護方便等特性。此升降部分由兩組相同的剪叉式結(jié)構(gòu)組成，所以在設計時可以利用對稱性對其中一組進行計算設計。
1.油箱 2.過濾器 3.液壓泵 4.單向閥 5.溢流閥 6.調(diào)速閥
7.兩位四通換向閥 8.11.三位四通換向閥 9.12.單向調(diào)速閥 10.13.液壓缸
圖5.1 液壓系統(tǒng)圖
5.2.2 液壓系統(tǒng)工作原理
如圖5.1所示，剪叉式升降臺在液壓桿的活塞桿的作用下上升或下降。兩組升降平臺由一個液壓泵來提供動力，通過調(diào)節(jié)8、11換向閥的置位，可以控制兩組升降平臺的上升和下降，在工作時可以讓兩組液壓系統(tǒng)同時升降或按順序分開升降。
工作時，電機在起動后，液壓泵3開始供油。油箱1內(nèi)的液壓油通過過濾器2和溢流閥5后調(diào)整為需要的壓力，此時換向閥7置左位，液壓油會流回油箱，升降平臺無動作。
要想使平臺上升時，則使換向閥6置右位，換向閥8置左位，換向閥11置右位，則液壓油通過三個換向閥和兩個單向調(diào)速閥9、12進入液壓缸10、13，活塞桿則會推動剪叉式升降平臺上升。當平臺上升到一定位置，需要其保持其高度時，則需將換向閥6置左位，換向閥8、11置中位，液壓泵抽出的油流回油箱，液壓缸內(nèi)停止供油，并保持一定的壓力，是平臺高度保持不變。當平臺需要下降時，則使換向閥置7位，換向閥8置右位，換向閥11置左位即可。
5.3 確定系統(tǒng)工作壓力
選擇液壓缸時需要考慮系統(tǒng)壓力的大小，而設備類型、結(jié)構(gòu)要求、載荷大小和技術水平?jīng)Q定了液壓系統(tǒng)的工作壓力。當載荷一定時，系統(tǒng)的工作壓力低，會使執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸增大，而且也不夠經(jīng)濟。對于此設計，其結(jié)構(gòu)尺寸相對要求較高，所以壓力相對不能太低。如果壓力選擇太高，則會使液壓泵、液壓閥、液壓缸等元件的制造精度和密封性要求較高，所以壓力選擇不能夠太高。根據(jù)經(jīng)驗和《機械設計手冊—液壓傳動》表20 —2—11（各類設備常用工作壓力）選擇中壓一般系統(tǒng)，初步選擇為15Mpa。
5.4 液壓缸選擇和尺寸計算
5.4.1 液壓缸選擇
液壓缸在液壓系統(tǒng)中的作用是將液壓能變?yōu)闄C械能。根據(jù)設計需求狀況，只需要活塞做單向運動，并且在外載荷的作用下反向返回。根據(jù)《機械設計手冊—液壓傳動》表20—6—1(液壓缸的分類)選擇單作用活塞液壓缸。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4.2所示：
圖5.2 液壓缸結(jié)構(gòu)簡圖
5.4.2 液壓缸尺寸計算
此設計中，活塞桿一直是受壓的狀態(tài)，無受拉的狀態(tài)，由此可以得出公式：
F=P1A1-P2A2
式中：—無桿腔活塞有效工作面積
—有桿腔活塞有效工作面積
—液壓缸工作腔壓力 Pa
—液壓缸回油腔壓力 Pa，
D—活塞直徑 m
d—活塞桿直徑 m
為了避免因活塞桿太細而造成穩(wěn)定性不好，根據(jù)《機械設計手冊—液壓傳動》表20—6—3（液壓缸主要技術性能參數(shù)的計算）選擇活塞桿往返運動的速度之比為2，即
活塞兩側(cè)無桿腔有效面積和有桿腔有效面積之比為2。為了防止升降平臺下降時突然發(fā)生前沖現(xiàn)象，應當有一定的背壓力，選背壓力為0.2Mpa。
計算無桿腔工作面積得：
A1=FP1-0.5P2=1141mm2
則活塞直徑：
D=4A1Π=38mm
活塞桿直徑：
d=4A2Π=27mm
通過液壓缸的直徑D和活塞桿徑d和國家標準規(guī)定的液壓缸產(chǎn)品進行比較，選擇液壓缸，避免了自己設計加工。根據(jù)計算得結(jié)果，對數(shù)據(jù)進行圓整后，按照《機械設計手冊》單行本第五版液壓傳動（化學工業(yè)出版社出版）表21—6—31(HSG型工程用液壓缸技術參數(shù))選取：缸徑50mm，活塞桿32mm，速度比2，工作壓力16Mpa，推力31.42KN的液壓缸。
5.5 確定液壓泵規(guī)格和電機功率
5.5.1 確定液壓泵最大工作壓力
液壓泵最大工作壓力為：
+Pe
式中：—液壓缸最大工作壓力， P1=F+0.2A2A1=15Mpa
—液壓泵出口到液壓缸入口之間的總壓力管路損失。因采用調(diào)速閥進油節(jié)流調(diào)速，按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取進油路壓力損失為0.5Mpa。所以計算最大工作壓力為15.5Mpa。
5.5.2 計算液壓泵流量
液壓泵的流量公式：
qp≥Kqmax
式中：K—系統(tǒng)泄漏系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗一般取1.1~1.3，此設計取1.2；
qmax—液壓缸最大流量
目前初步設定平臺的速度為0.16m/s
作運動參數(shù)示意圖如圖5.3所示：
圖5.3 運動參數(shù)示意圖
由圖可知：
VE=V2cosα
ω=VEL
VS=ω(L2+a)
V1=Vscos(π2-α-θ)
通過以上計算公式，可得活塞桿速度：
V1=0.051m/s
則單個液壓缸的流量為：
qp=V1A1=5.82×10-4m3/s
則需選取泵的流量為：
Q=2Kqp=13.97×10-4m3/s
5.5.3 液壓泵的選擇
在選取液壓泵的時候，根據(jù)系統(tǒng)的工作狀況來選擇，其需要一定的壓力儲備，為保證系統(tǒng)正常工作運行，一般選取工作壓力是額定壓力的80%左右。因齒輪泵具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、工藝性好、好維護等優(yōu)點，在此設計中選擇用內(nèi)嚙合齒輪泵為液壓泵。
根據(jù)《機械設計手冊—液壓傳動》表20—5—6（液壓泵部分產(chǎn)品參數(shù)）選擇CB—Fc型號的齒輪泵。其排量為10~40mL/r，額定壓力為16Mpa，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。
選取齒輪泵的效率為0.7，計算液壓泵的功率：
P=Q×pη=12.5Kw
由此功率為依據(jù)可以選則電機型號。
5.6 液壓系統(tǒng)元件選擇
5.6.1 確定油管尺寸
油管的直徑尺寸為：
d=2qπv=18.8mm
按《機械設計手冊—液壓傳動》表20—8—4選擇公稱內(nèi)徑為19mm的軟管，其具有脈沖性能好、管體柔軟等優(yōu)點。
5.6.2 液壓閥的選擇：
根據(jù)液壓系統(tǒng)的最大的實際流量和最大的工作壓力，按照《機械設計手冊—液壓傳動》選出合適規(guī)格型號的液壓閥，見表5—1：
表5—1 液壓元件型號
序號
液壓件名稱
型號
規(guī)格
數(shù)量
1
過濾器
XU—80×200
80 L/min
1
2
單向閥
CRT—06—※—50
流量：85 /min
最大額定壓力：25Mpa
3
3
溢流閥
YF3—20B
流量：120L/min
通經(jīng)：20mm
1
4
調(diào)速閥
F—SRC T—03—50
流量：100L/min
通徑：20mm
3
5
兩位四通換線閥
DSG—03—2D2—※—50
最大流量：120L/min
最高工作壓力：25Mp
1
6
三位四通換向閥
DSG—01—2D2—※—50
最大流量：63L/min
最高工作壓力：25Mp
2
5.7 液壓系統(tǒng)特點
根據(jù)設計要求，此液壓系統(tǒng)主要有以下特點:
1）具有良好的密封性；
2）上部平臺下降時,回路采用單向調(diào)速閥調(diào)速；
3) 系統(tǒng)噪音應??；
4）在液壓系統(tǒng)不需要工作時,可直接卸載節(jié)約能耗；
4) 為使整體結(jié)構(gòu)簡潔,可采用疊加元件，以方便安裝和維護；
5) 需防止發(fā)生快速下降,避免損壞設備和保證人身安全。
6 結(jié) 論
畢業(yè)設計是對大學所學專業(yè)知識的綜合應用，是考察我們大學學習成果的一種方式。經(jīng)過這次畢業(yè)設計，使我對專業(yè)知識的綜合應用和實踐能力有了很大的提升，相信對以后工作有很大的幫助。
此次設計的剪叉式升降機構(gòu)在滿足要求的條件下，主要以安全可靠和經(jīng)濟為指標，而且并具有一定的靈活搭配性。即通過改進或改裝，可以與不同的平臺相搭配，在不同任務和工作環(huán)境下完成不同的工作。此設計過程主要有以下幾點：通過對剪叉式升降平臺機構(gòu)位置和剪叉桿受力的簡單計算，結(jié)合具體工作環(huán)境，對機構(gòu)進行一定的安全性校核。然后再通過驅(qū)動力的計算，確定液壓執(zhí)行元件液壓缸的尺寸規(guī)格和液壓泵型號。在設計的過程中，系統(tǒng)主要參數(shù)的計算十分的重要，直接關系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。所以，在設計過程中應當細心，并需適當?shù)陌踩禂?shù)來保證安全。
由于設計經(jīng)驗和查閱資料不足，設計內(nèi)容可能還存在一定的缺點，在實際制造和工作當中會出現(xiàn)一定的問題，要想達到預期的效果，還需要各位老師進行糾正。
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附錄1：外文翻譯
剪叉式升降平臺的驅(qū)動方式解決
M.Burián，J.Havlík，Z. Folta，M. Trochta和P.Mar?álek
摘要：剪叉平臺用于負載或人員的垂直運輸，以將其運達到負載設備的要求高度。 現(xiàn)在移動和固定的升降平臺應用十分的廣泛，例如在生產(chǎn)，存儲，處理（用于裝載，設備或人員運輸）中。驅(qū)動裝置是剪式平臺的重要組成部分。 起重裝置是一種將剪刀結(jié)構(gòu)和平臺升高到特定高度的機構(gòu)。
關鍵詞：剪刀平臺 升降裝置 液壓活塞 伸縮式推鏈Serapis
1 介紹
升降平臺有很多解決方案和選項。根據(jù)三個主要標準進行設計：升降高度，舉重設備和升降設備。
M.Burian（＆）J.HavlikZ. Folta M. Trochta P.MarsalekVSB-Technical University of Ostrava，Ostrava，Czech Republic電子郵件： miroslav.burian@vsb.cz
· · · ·
J. Havlík
電子郵件： jiri.havlik@vsb.cz
Z. Folta
電子郵件： zdenek.folta@vsb.cz
M. Trochta
電子郵件： miroslav.trochta@vsb.cz
P. Mar?álek
電子郵件： petr.marsalek@vsb.cz
L.Sevcik等人。 （編輯），現(xiàn)代建筑設計方法， 19
機械工程講義，DOI：10.1007 / 978-3-319-05203-8_3，
?斯普林格國際出版社2014年瑞
根據(jù)（CSN EN 1494 + A1），第11頁， 驅(qū)動器3.2使用這些驅(qū)動器：
? 手動—人力驅(qū)動，
? 氣動—壓縮氣體物質(zhì)驅(qū)動，
? 液壓—壓縮液壓液體驅(qū)動器，
? 電力—電能驅(qū)動。
本文介紹了使用液壓活塞和伸縮式推鏈Serapis的最常用的起重裝置的驅(qū)動裝置。
2 液壓活塞
大多數(shù)情況下，圖1中的液壓驅(qū)動裝置用于剪叉平臺驅(qū)動。
提升是基于壓力能量和液體不可壓縮性物理性質(zhì)的原理。其原理是礦物油在閉式回路中的工作液體和液壓裝置箱體中的循環(huán)。液體的壓力由液壓泵來保證。管道、連接件和壓力軟管用于連接各個部件。
在液壓機構(gòu)中，由于液體摩擦造成損失，因此必須使用短軟管和少量閥（Kopácek和Pavlok 2009).
優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，精度高，效率高。
這種機構(gòu)的缺點是成本昂貴，維護難，出現(xiàn)故障時液體容易泄漏，需專業(yè)人員的調(diào)試。
剪叉式平臺液壓缸位置的放置可能如圖1所示。液壓缸的單獨放置會影響其整體尺寸。
3 推動serapid電動驅(qū)動器
這是一種機械方式的提升裝置。原理基于鎖定或解鎖連接元件。在提升載荷時，特殊形狀的鏈條連接在一起并合成一個固體柱。折疊時，鏈條逐漸解鎖并組成下部。Serapid結(jié)合了液壓機構(gòu)的優(yōu)點，可靠和安全，并消除了提升高度的限制。通過獲得更高的行程高度來構(gòu)造Serapid是可能的，而Serapid越高時，會以更大的機架類型面積為代價。
其他優(yōu)點包括，高速提升，可在高空提升10噸，施工方便，維護量少。
圖1剪刀平臺的液壓缸
圖2 液壓缸在剪叉平臺的位置的可能性
圖3剪叉平臺的位置
缺點是負載必須與導管成直角，功率單元必須水平連接到基座上。 必須確保防止軸向力作用于直線伸縮式推鏈的固定柱上。 直線伸縮式推鏈的位置在剪刀結(jié)構(gòu)處。 （Serapid 2013).
4 當使用液壓活塞或Serapid時樞軸的負載
各種力影響液壓缸的不同位置（參見本章）。這個位置影響液壓缸的尺寸。如圖3所示，對液壓缸的放置進行了剪式結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析。如圖1，用剪叉結(jié)構(gòu)單個