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摘 要
隨著我國的城市化迅速發(fā)展，城市面積迅速減少，人均住房面積降低，人們對(duì)房間的利用率也跟著上升，房屋的室內(nèi)高處也被充分地利用。越來越多的人們選擇在高處儲(chǔ)物，裝飾，物品的高處放置及裝修成為日常生活的一大難題。為了解決這一問題，便需要一種家用可移式升降平臺(tái)，能夠代替梯子，通過起升方便安全的幫助人們完成一些諸如安裝電燈泡、刷墻等高空作業(yè)；并且可以做到運(yùn)送物品的作用。
升降機(jī)應(yīng)用廣泛，本課題將研究設(shè)計(jì)可移式升降平臺(tái)，解決人們?nèi)粘Ｑb修、物品安放問題。設(shè)計(jì)出一個(gè)具有一定剛度和強(qiáng)度，起升高度可調(diào)的結(jié)構(gòu)。由于該項(xiàng)目適用于家庭生活的研究，所以設(shè)計(jì)應(yīng)符合經(jīng)濟(jì)合理的要求，遵循輕、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀的原則。本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是將升降結(jié)構(gòu)簡化和驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化，將采用剪叉式升降機(jī)構(gòu)，降低復(fù)雜性，力求簡單明了。升降結(jié)構(gòu)由主動(dòng)桿，連桿組成，通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓缸，從而主動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)的升降。升降系統(tǒng)采用液壓回路，去除多余原件，降低能量的耗損。同時(shí)裝配小車，便于移動(dòng)。
關(guān)鍵詞：升降機(jī)構(gòu)；可移動(dòng)；自鎖；液壓
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Abstract
With the rapid development of urbanization in china, the urban area is decreasing rapidly, the per capital housing area is reduced, and the utilization rate of the room is also rising.More people choose to put on the high places of storage, decoration, objects and decoration become a major problem in daily life.In order to solve the issue, we need a household portable lifting platform, which can replace the ladder, by lifting the convenient and safe installation to help people accomplish such as light bulbs, paint and other high-altitude operations; and it can move
materials.
Elevators are widely used. This paper will study the design of movable lifting platform to solve the problems of people's daily decoration,to design a height adjustable structure with a certain stiffness and strength.Because the project is applied to the study of family life, so the design should be economic and reasonable, follow the roles of light, practical, economic, aesthetic .The focus of this design is to simplify the structure of the lift and drive optimization, the use of scissors type lifting mechanism, reduce complexity, and to strive to be concise and clear..The lifting structure is composed of an active rod and a connecting rod, and the hydraulic cylinder is driven by a servo motor, so that the driving rod rotates and drives the connecting rod to rotate. Lifting system uses hydraulic circuit, to remove redundant original,and reduce energy lose。The lifting platform assembles the car, easy to move.
Key words: lifting platform movable self-locking type hydraulic
II
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目錄
摘 要 V
Abstract VI
1 緒 論 1
1.1 研究目的及意義 1
1.2 國內(nèi)外升降機(jī)構(gòu)的發(fā)展背景、現(xiàn)狀和方向 1
1.2.1發(fā)展背景 1
1.2.2發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.2.3 發(fā)展趨勢和方向 2
1.3液壓升降機(jī)特點(diǎn) 2
1.4 課題研究內(nèi)容與創(chuàng)新 3
2 可移式升降機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì) 4
2.1 升降臺(tái)整體的介紹及選擇 4
2.2 升降機(jī)結(jié)構(gòu)介紹 5
3 升降機(jī)構(gòu)的受力分析 6
3.1總參數(shù)的確定 6
3.2主體結(jié)構(gòu)受力分析 6
3.2.1 AB-CD層剪臂受力情況 7
3.2.2 CD-EF層剪臂受力情況 8
4 升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 10
4.1 確定結(jié)構(gòu)材料 10
4.1.1 材料的性能分析 10
4.2 結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核 10
4.2.1 剪臂抗彎強(qiáng)度校核的計(jì)算 10
4.2.2 連接螺栓的抗剪強(qiáng)度計(jì)算 12
4.3 結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì) 13
4.3.1 吊籃設(shè)計(jì) 13
4.4底座的設(shè)計(jì) 14
4.4.1 底座尺寸設(shè)計(jì) 14
4.4.2輪子設(shè)計(jì) 15
4.4.3支撐腿設(shè)計(jì) 16
4.5導(dǎo)軌設(shè)計(jì) 18
4.6 自鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 19
5 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20
5.1 液壓系統(tǒng)的基本方案 20
5.2 執(zhí)行元件的設(shè)計(jì)計(jì)算 20
5.2.1計(jì)算液壓缸的壓力 22
5.2.2 液壓缸行程的計(jì)算 22
5.2.3 液壓缸的確定 23
5.3 動(dòng)力原件的確定 23
5.4控制與執(zhí)行元件與輔助的選擇 25
5.5運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算 27
5.6 液壓系統(tǒng)的工作簡圖 27
6 控制電路設(shè)計(jì) 30
6.1 總電路圖的設(shè)計(jì) 30
總 結(jié) 31
參考文獻(xiàn) 32
V
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1 緒 論
1.1 研究目的及意義
近些年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市可用的住房面積迅速減少，人們對(duì)房間的利用率也跟著上升，房屋的室內(nèi)高處也被充分地利用。越來越多的人們選擇在高處儲(chǔ)物，裝飾，物品的高處放置及裝修成為日常生活的一大難題。一般家庭中并沒有升降梯裝置，普遍采用搭凳子或普通梯子來完成這些工作。但是弊端也是十分明顯的。首先，凳子的搭疊不穩(wěn)定，人站在梯子上也難以保持自身的平穩(wěn)，存在很大的安全隱患。其次，現(xiàn)代人們的家具和地板都比較名貴，凳子和梯子都難以避免造成破損。為了解決這一問題，設(shè)計(jì)一種家用可移式升降平臺(tái)，能夠代替梯子，通過起升方便安全的幫助人們完成一些諸如安裝電燈泡、刷墻等高空作業(yè)；并且可以做到運(yùn)送物品的作用。
但目前市場上的家用升降機(jī)構(gòu)大都為固定式或者單向移動(dòng)式，且體積較大，不便于實(shí)際的應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)具有簡單結(jié)構(gòu)、占用面積小、運(yùn)動(dòng)方便的家用升降機(jī)構(gòu)便成了一個(gè)重點(diǎn)。
1.2 國內(nèi)外升降機(jī)構(gòu)的發(fā)展背景、現(xiàn)狀和方向
1.2.1發(fā)展背景
以水為介質(zhì)液壓機(jī)誕生于1845年。Elisha Otis于1852年為其發(fā)明一種安全機(jī)構(gòu)，保障了升降機(jī)構(gòu)的安全性。配備有安全裝置的應(yīng)用于客運(yùn)的升降機(jī)首次使用于美國紐約。此后，升降機(jī)迅速發(fā)展并被人們廣為接受。升降機(jī)起初的動(dòng)力裝置為蒸汽機(jī)，因此需要配備笨重、低效率的鍋爐。二次工業(yè)革命后，電技術(shù)快速發(fā)展，Ernst Werner von Siemens發(fā)明了第一部以電力為能源的升降機(jī)，現(xiàn)代意義上的升降機(jī)就此誕生。
1907年，中國上海裝配了首部升降機(jī)。20多年后，中國臺(tái)灣兩大百貨也相繼裝配升降機(jī)，且保存至今。
國內(nèi)目前可生產(chǎn)不同高度的升降機(jī)，可提升高度4-100米不等。現(xiàn)代升降機(jī)構(gòu)一般由升降臺(tái)、泵站系統(tǒng)和剪臂組成，并做到自鎖和防爆。如今的升降機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、運(yùn)輸、航空、物流等方面。
美國是升降機(jī)構(gòu)的主要產(chǎn)地，也是應(yīng)用最廣泛的地方，但80年代后，隨著德日技術(shù)的飛速發(fā)展，與美國共分升降機(jī)構(gòu)市場。
1.2.2發(fā)展現(xiàn)狀
改革開放后，隨著技術(shù)的改進(jìn)，國內(nèi)升降機(jī)市場發(fā)展迅速，人們、企業(yè)對(duì)升降平臺(tái)的需求逐漸增多。
近年來國內(nèi)對(duì)升降機(jī)構(gòu)已有大量研究，通過技術(shù)引進(jìn)和產(chǎn)品攻關(guān)，取得了驕人的成績。陳四華、周果、鄧忠凱設(shè)計(jì)的升降機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡潔、剪叉式的主體承受載荷大、體積小，便于安裝，而且能更好的做到集中控制等特點(diǎn),該裝置主要由平臺(tái)，導(dǎo)向柱，吊臂，機(jī)架，液壓單元和電氣控制柜，各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的平臺(tái)，應(yīng)用廣泛。
武漢理工眾人在傳統(tǒng)的剪式升降機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上分析，并對(duì)機(jī)構(gòu)主體進(jìn)行了一系列簡化措施。并對(duì)升降平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了分析；通過舉升機(jī)構(gòu)的受力分析,剪叉桿的強(qiáng)度校核和舉升油缸的位置的調(diào)整,提出優(yōu)化方案,優(yōu)化不僅使穩(wěn)定性得以提高,同時(shí)低推力的要求也大大降低。
陳余慶將傳一般的由液壓泵驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)改為機(jī)械剪式驅(qū)動(dòng)。為了使螺母移動(dòng)，采用制動(dòng)減速電機(jī)帶動(dòng)絲杠的方法，帶動(dòng)推桿和水平桿達(dá)到提升的目的。同時(shí)采用的絲杠螺母傳動(dòng)機(jī)具有很強(qiáng)的自鎖性，提高了定位精度。此方案具有簡單的結(jié)構(gòu)。組裝便利，加工容易，便于維修護(hù)理等優(yōu)勢。
趙英俊等人設(shè)計(jì)的升降機(jī)構(gòu)具有高移速、承載大、成本低等特點(diǎn)。
目前，升降機(jī)發(fā)展區(qū)間明朗，既有大型百米升降平臺(tái)，又有小型家用升降機(jī)構(gòu)，應(yīng)用廣泛。但國內(nèi)與國際仍有巨大的差距，在一些關(guān)鍵零件上仍然依賴于進(jìn)口。
1.2.3 發(fā)展趨勢和方向
(1) 逐漸縮小體積，形成模塊，做到高度集成。
(2) 綠色節(jié)能化，不僅要做到機(jī)械結(jié)構(gòu)、零件的材料環(huán)保，做到低能耗，低排放，盡量使用電力等清潔能源。
(3) 機(jī)械與電子的結(jié)合，將機(jī)電技術(shù)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)，使驅(qū)動(dòng)和控制更加靈敏和精確。運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，擁有更高的智能，是升降機(jī)構(gòu)發(fā)展的必定趨勢。
1.3液壓升降機(jī)特點(diǎn)
液壓升降機(jī)廣泛應(yīng)用于貨物運(yùn)輸?shù)呐e升機(jī)構(gòu)，通常應(yīng)用于物料的舉升和裝卸。具有以下特點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)：（1）液力傳動(dòng)具有大小適中、質(zhì)量輕便、構(gòu)造緊湊等優(yōu)點(diǎn)。
（2）調(diào)速范圍廣，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，能傳遞較大的力與轉(zhuǎn)矩。
（3）更容易做到過載保護(hù)。
缺點(diǎn)：（1）高溫和難以保證清潔的地方不便使用
（2）不適合遠(yuǎn)距離傳動(dòng)
（3）工作介質(zhì)為液體，泄漏后會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不精確。
考慮到本次設(shè)計(jì)是應(yīng)用于家庭方面，優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)大于缺點(diǎn)。所以采用液壓升降機(jī)構(gòu)。
1.4 課題研究內(nèi)容與創(chuàng)新
升降機(jī)應(yīng)用廣泛，本文將研究家用小型的升降結(jié)構(gòu)，同時(shí)將剪叉式升降結(jié)構(gòu)與小車結(jié)合。解決固定升降機(jī)構(gòu)應(yīng)用面狹窄和導(dǎo)軌式升降結(jié)構(gòu)占地面積大的問題。由于該項(xiàng)目適用于家庭生活的研究，所以設(shè)計(jì)應(yīng)符合經(jīng)濟(jì)合理的要求，遵循輕、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀的原則。本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是將升降結(jié)構(gòu)簡化和驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化。因此本次設(shè)計(jì)方向?yàn)橐砸簤簽閯?dòng)力的剪式升降機(jī)構(gòu)。
28
第2章 可移式升降機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)
2 可移式升降機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)
2.1 升降臺(tái)整體的介紹及選擇
易制造、低價(jià)格、易保養(yǎng)、不易損壞是液壓剪叉式升降臺(tái)的特點(diǎn)，在運(yùn)輸，航空等方面有較多的應(yīng)用，本文著重介紹家用升降機(jī)構(gòu)。液壓升降平臺(tái)按工作的方式分為曲臂式、剪叉式、直臂式。大部分液壓升降機(jī)由平臺(tái)、剪臂結(jié)構(gòu)和底座、起升油缸組成。剪臂結(jié)構(gòu)為主體部分，由油缸推動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)劃分，簡化升降機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型。剪叉式擁有多種結(jié)構(gòu)形式。從液壓驅(qū)動(dòng)布置位置上，分為立式剪叉式、雙鉸剪叉式和水平剪叉式，如圖所示，MN、AB為等長度桿，鉸接于E點(diǎn)，B、N通過滾輪與上下底板鉸接。不同之處在于起升油缸的放置，如圖2.1
圖2.1 三種驅(qū)動(dòng)布置
圖a的起升油缸豎直安置在底板上，液壓缸的桿部與橫桿鉸接。液壓缸推動(dòng)活塞桿實(shí)現(xiàn)上下的起落。這種直立式升降機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)便是結(jié)構(gòu)較為簡單，即升降機(jī)的起升高度便是液壓缸的行程，計(jì)算較為簡便。缺點(diǎn)也極為明顯，即當(dāng)升降機(jī)構(gòu)升降高度要求大時(shí)，直立剪叉式升降機(jī)構(gòu)需要占用很大體積，不適合實(shí)際生活的應(yīng)用。
圖b起升油缸水平放置在下地板上，通過活塞桿推動(dòng)支撐桿N處，帶動(dòng)支撐桿MN運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)升降。采用水平剪式舉升機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了提升高度的擴(kuò)大化的優(yōu)點(diǎn)，分析清楚地表明，舉升機(jī)構(gòu)的高度遠(yuǎn)高于液壓缸的行程。但缺點(diǎn)是，液壓缸所承受載荷明顯增大，且受到水平的力的作用，很容易使密封元件受損。
圖c起升油缸與下底板在G點(diǎn)連接起來，與剪臂的連接桿于F點(diǎn)相連接。雙鉸接剪叉式升降機(jī)構(gòu)既做到了擴(kuò)大升降機(jī)構(gòu)升降高度，同時(shí)也盡量減小了液壓缸所承受載荷，使得升降機(jī)構(gòu)的體積得以縮小，達(dá)到輕便要求。
2.2 升降機(jī)結(jié)構(gòu)介紹
圖2.2 升降機(jī)構(gòu)整體介紹
1、 升降平臺(tái) 2、滑塊 3、橫桿 4、剪臂 5、連接軸 6、底座/7
7、輪子 8、支撐腳 9 、自鎖機(jī)構(gòu)和液壓泵
圖（2.2）為升降機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。承載物品放置于升降平臺(tái)上，平臺(tái)底板將所承受局限于一處的重力轉(zhuǎn)化為均布載荷，使得局部承載能力得以提高。底座不僅起到支撐和傳遞載荷的作用，還要做到安置液壓泵、油箱、蓄電池和控制裝置的作用。叉桿鉸接，液壓缸的活塞桿伸縮作用于剪臂結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的起落。
第3章 升降機(jī)構(gòu)的受力分析
3 升降機(jī)構(gòu)的受力分析
3.1總參數(shù)的確定
本升降機(jī)應(yīng)用于家用，因此應(yīng)滿足輕便，小型化。一般房屋高度為2.5-3.5米。除去人體平均身高1.6米，升降機(jī)應(yīng)滿足最大起升高度不低于1500mm，最低起升高度500mm?？紤]到剪叉臂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，剪叉臂與平臺(tái)的角度應(yīng)小于等于45°。初步分析，剪叉臂的長度應(yīng)該位于600-1500mm范圍之內(nèi)，若臂長過大則接觸點(diǎn)的承受力增加而且過長會(huì)導(dǎo)致設(shè)剪叉臂受力不均勻；過短會(huì)使剪叉結(jié)構(gòu)過多，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。假設(shè)長度為1200，厚度為20mm。則上升高度為1200*0.707*2，大約為1700mm，小車底座高度為500mm，則最大上升高度為2200mm。加上人體平均高度1600mm，總高度可達(dá)3800mm，滿足要求。
相關(guān)工藝參數(shù)為：
額定載荷：200kg 高度范圍：500-1700mm
底座高度：500mm 最高高度：2200mm
3.2主體結(jié)構(gòu)受力分析
起升機(jī)構(gòu)處于最低位置為其極限狀態(tài)，處于承受最大載荷的狀態(tài)，如圖3.1所示為升降機(jī)構(gòu)的受力圖
圖3.1 整體受力分析
首先進(jìn)行整體受力分析：
(3.1)
3.2.1 AB-CD層剪臂受力情況
如圖（3.2.1）為升降機(jī)AB-CD剪臂的總體受力情況,平臺(tái)在和會(huì)分布于鉸點(diǎn)A、B處。平臺(tái)，桿BC 、AD受力分析如圖（3.2.2），θ為平臺(tái)和剪臂的夾角，α為液壓缸和平臺(tái)的夾角（和水平線的夾角）進(jìn)行力的平衡分析：
(3.2)
（3.3）
C點(diǎn)力矩的平衡分析
(3.5)
（3.5）式知：
(3.6)
此次設(shè)計(jì)，升降平臺(tái)最大承載重量為200kg?？紤]自重及安全問題。提高最大承載重量至300kg（W=3000N），同時(shí)也需要考慮到，當(dāng)所升高度不高時(shí)，一對(duì)剪臂承受所有重量的情況。即
通過Creo的仿真，得出升降平臺(tái)的極限狀態(tài)，桿BC落在支座上，經(jīng)計(jì)算，平臺(tái)和剪臂的夾角最小值為4°。為液壓缸活塞推力，經(jīng)分析可知，當(dāng)升降平臺(tái)位于最低點(diǎn)時(shí)所受到的力最大。根據(jù)文獻(xiàn)[17]的有關(guān)液壓缸驅(qū)動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，得知（l為剪臂長度、a為剪臂與活塞桿鉸接處與最近的鉸接點(diǎn)的距離），經(jīng)計(jì)算分析可得，α的角度為6°。已知F、和α，通過上式計(jì)算處AB-CD層剪臂的受力情況，得：
(3.7)
(3.8)
的最大值為：
(3.9)
圖3.2.1 AB-CD層受力情況
3.2.2 CD-EF層剪臂受力情況
圖3.2.1為升降機(jī)構(gòu)CD-EF層剪臂的總體受力分析情況，對(duì)DE桿、CF桿單獨(dú)受力分析，如圖3.2.2。計(jì)算出各鉸接點(diǎn)處的力：
圖3.2.2 CD-EF層受力情況
第4章 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
4 升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1 確定結(jié)構(gòu)材料
4.1.1 材料的性能分析
材料的選擇對(duì)于機(jī)械的零件設(shè)計(jì)非常重要，需要做到在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求和預(yù)期的功能的前提下做到性能好、成本低等要求。目前實(shí)際工程對(duì)零件要求逐漸提升和材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，有效的選擇合理的材料可以明顯的提高機(jī)構(gòu)的性能、降低成本。本次設(shè)計(jì)應(yīng)用于家庭，因此要要滿足輕便，體積小的原則。初步選擇鋁合金材料，雖然鋁合金的密度較鋼底，但其強(qiáng)度較高，一般大于等于優(yōu)質(zhì)鋼。鋁合金材料的優(yōu)點(diǎn)還有：1、質(zhì)量輕便 2、外觀好 3、具有良好的抗腐蝕性能4、具有良好可塑性。滿足這些條件的是5A06鋁合金材料。
表4.1 5A06性能參數(shù)
5A06方鋁棒每米長重量G/kg.m
G= 式中a為單位為mm的方鋁邊長
4.2 結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核
4.2.1 剪臂抗彎強(qiáng)度校核的計(jì)算
細(xì)長桿的穩(wěn)定問題需要重點(diǎn)考慮，當(dāng)剪臂失去穩(wěn)定時(shí)，些微的壓力提升就會(huì)導(dǎo)致整體彎曲變形的增大，嚴(yán)重會(huì)使剪臂失去承載的能力整個(gè)機(jī)構(gòu)損壞。因此強(qiáng)度校核是重要部分。極限應(yīng)力是材料被破壞時(shí)的應(yīng)力，強(qiáng)度極限是脆性材料斷裂應(yīng)力。一般對(duì)脆性材料為極限應(yīng)力。塑性材料出現(xiàn)明顯變形時(shí)的應(yīng)力值稱為屈服點(diǎn)，所以，塑性材料得極限應(yīng)力（或）就是其屈服點(diǎn)。
構(gòu)件正常工作需要滿足強(qiáng)度條件，需要材料許用應(yīng)力大于其最大的工作應(yīng)力，即強(qiáng) 度條件強(qiáng)度條件—— （4.1）
許用應(yīng)力——，為安全因數(shù)
若機(jī)構(gòu)安全工作，需要滿足：
（4.2）
當(dāng)直桿軸向拉伸時(shí)，式（4.1）可寫為
（4.3）
因此，剪臂截面的設(shè)計(jì)可由強(qiáng)度條件得出：
（4.4）
本機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)為承重200KG,底座加剪臂和工作平臺(tái)的重量為100KG。剪臂
長度為1200mm，許用應(yīng)力。叉桿受最大的力為28700KN，則單個(gè)剪臂承 受彎矩方向上的力為14350N。
計(jì)算如圖（4.1）
（4.5）
只考慮強(qiáng)度準(zhǔn)則時(shí)
(4.6)
因此
= (4.7)
圖 4.1受力分析
又 （4.8）
我們選用的方鋁，許用應(yīng)力314MPa
校核計(jì)算如下：
（4.9）
（4.10）
滿足要求。
每根叉桿質(zhì)量為
4.2.2 連接螺栓的抗剪強(qiáng)度計(jì)算
升降平臺(tái)的起升，兩個(gè)剪臂通過螺栓連接形成剪叉式，才能達(dá)到起升效果，但是連接的螺栓的桿部會(huì)和剪臂的孔壁之間無間隙結(jié)合，接觸面受到嚴(yán)重相互壓力，結(jié)合面處，螺栓受剪切力作用，液壓缸所作用的連接桿與剪臂之間也存在剪切力。最大剪切力便出現(xiàn)在此處.J計(jì)劃使用直徑20mm的螺栓。受力分析并校核計(jì)算如下：
得 （4.11）
表4.1知 165MPa, , （4.12）
（4.13）
（4.14）
（4.15）
根據(jù)GB/T 41-2000，因此可選用D=20mm。
則將剪臂連接起來的連接桿直徑為d=30mm，長度L為540mm，伸出螺紋長度l為42mm，螺紋公稱直徑D=20mm。
參數(shù)： 外六角螺栓：D=20mm ，L=80mm
連接桿： D=20，l=42mm，L=540mm，d=30mm
4.3 結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)
4.3.1 吊籃設(shè)計(jì)
為保護(hù)使用者安全，本設(shè)計(jì)采用吊籃，初步設(shè)計(jì)尺寸為1300*600*300（長寬高）
底部為吊籃最重要部分，要在滿足承載能力足夠的情況下保證輕便可采用中空設(shè)計(jì)，采用鏤空空心鋁鋁板，采用空心鋁框。，框架使用空心鋁管。吊籃底部配有長度500mm，上底25mm，下50mm的等腰梯形導(dǎo)軌，導(dǎo)軌做到光滑無毛刺，粗糙度Ra1.6。
（1）空心方鋁強(qiáng)度的校核計(jì)算：
根據(jù)（GB/T3191-1988）可取取a=25mm。
承重和自重約為220kg,因此，采用A=7mm符合要求 。
（4.18）
（4.19）
計(jì)算得，可取20mm，結(jié)構(gòu)如圖，=20mm，a=25mm，L=80mm
沒有合適的解，可取，滿足所需要求。結(jié)構(gòu)簡圖如圖4.2。a=25mm
圖4.2 方鋁尺寸
（2）護(hù)欄的選擇
護(hù)欄作為防掉落的裝置，不需要太高強(qiáng)度?，F(xiàn)采用空心鋁管。
參數(shù)為：D=20mm,d=16mm，L=300mm
D——鋁管外徑
d——鋁管內(nèi)徑
L——鋁管長度
吊籃整體結(jié)構(gòu)如圖（4.3）
圖4.3 吊籃結(jié)構(gòu)
4.4底座的設(shè)計(jì)
4.4.1 底座尺寸設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)是可移動(dòng)式升降機(jī)，底部配有滾輪，同時(shí)擔(dān)任著放置電動(dòng)機(jī)和液壓泵的作用。為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和底部重量，采用鋁合金5A06。吊籃底部配有長度500mm，上底50mm，下25mm的等腰梯形導(dǎo)軌，導(dǎo)軌做到光滑無毛刺，粗糙度Ra1.6。底座上部中間鑄有油缸支座。高45mm，長100mm，寬20mm，孔直徑為30mm。使用M30螺栓，與液壓缸連接。
結(jié)構(gòu)參數(shù)為1300mm*600mm*300mm，結(jié)構(gòu)如圖（4.4）所示
圖4.4 底座結(jié)構(gòu)
4.4.2輪子設(shè)計(jì)
輪子采用輪子采用兩個(gè)可鎖定萬向輪和兩個(gè)定腳輪，雙剎萬向腳輪保證底部小車可以停止固定且可以多方向移動(dòng)，定腳輪保證普通剎車時(shí)萬向腳輪的穩(wěn)定。保證升降機(jī)構(gòu)位置確定時(shí)而不滾動(dòng)，輪子如圖（4.5）：
圖4.5 萬向輪
表4.2優(yōu)質(zhì)高彈天然橡膠萬向輪性能參數(shù)
此次采用的2個(gè)規(guī)格為直徑80mm，最大載荷100kg的剎車萬向輪，總承重200
Kg，和兩個(gè)個(gè)同等規(guī)格的定向輪。
4.4.3支撐腿設(shè)計(jì)
由于升降平臺(tái)的底盤較輕，僅靠底座和搭載的液壓泵站的重量難以使升降平臺(tái)的一平穩(wěn)，又依靠輪子著地，很容易造成傾斜現(xiàn)象，難以保障作業(yè)人員的安全性。因此，我們需要支撐腿結(jié)構(gòu)，是的升降機(jī)構(gòu)起落過程中，底部的支撐范圍更大，提高安全性。
本次設(shè)計(jì)的承載重量為200kg，為保證安全性，提升至300KG，即升降機(jī)整體結(jié)構(gòu)重約為100KG，其中剪臂結(jié)構(gòu)和吊籃的重量為70KG,.已知升降機(jī)構(gòu)空座跨度為1200mm，許用應(yīng)力，現(xiàn)選用截面尺寸為的方鋁。通常機(jī)械的承載重量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其自身重量。因此，在零件質(zhì)量未知的情況下，我們可將其忽略。因此預(yù)設(shè)受力為，確定尺寸結(jié)構(gòu)，再加上其自身質(zhì)量校核。結(jié)構(gòu)校核計(jì)算如下：
圖（4.6）為在力F作用下的圖，最大彎矩為：
只考慮彎矩的強(qiáng)度條件為
所以
又
選擇截面方鋁是滿足要求的
由
又由上知
需要滿足
空心方鋁的實(shí)際截面尺寸為800，滿足要求
圖 4.6 支撐桿受力分析
結(jié)構(gòu)如圖4.7
圖4.7 支撐桿結(jié)構(gòu)
4.5導(dǎo)軌設(shè)計(jì)
部分剪叉桿在上下底座上為活動(dòng)鏈接，為保證滑動(dòng)的平穩(wěn)性，采用燕尾導(dǎo)軌，制造于上下底座，設(shè)計(jì)滑塊進(jìn)行連接，滑塊內(nèi)部做到光滑無毛刺，粗糙度Ra1.6，耳環(huán)長50mm，寬17mm，高45mm，孔直徑為20mm，左右滑塊使用直徑為30mm，長665mm的連接軸連接，連接軸伸出螺紋距離為42mm結(jié)構(gòu)如圖（4.8）
圖4.8 滑塊結(jié)構(gòu)
4.6 自鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
圖4.9 自鎖結(jié)構(gòu)
液壓缸在工作時(shí)難免會(huì)導(dǎo)致一定的泄露，使用久了還會(huì)有油管老化而爆炸的現(xiàn)象發(fā)生。如圖（4.9）為避免液壓缸油泄漏導(dǎo)致的不穩(wěn)定狀況，保證人員作業(yè)的安全性，設(shè)計(jì)一個(gè)自鎖機(jī)構(gòu)，此為一個(gè)齒條嚙合結(jié)構(gòu)，1、電磁鐵2、杠桿3、殼體，著重介紹下降情況，將1通電，電磁鐵產(chǎn)生電磁力作用于2，通過2利用杠桿原理帶動(dòng)3殼體的上升，解除自鎖狀況。上升時(shí)通過齒型可發(fā)現(xiàn)，不會(huì)發(fā)生自鎖情況。當(dāng)升降機(jī)構(gòu)停止上升時(shí)，殼3會(huì)通過重力而下降，形成自鎖。
第5章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
5 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
5.1 液壓系統(tǒng)的基本方案
（1）組成：液壓傳動(dòng)系統(tǒng)是由如下部分構(gòu)成：
1、動(dòng)力元件：液壓泵是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力裝置，一般由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，把
輸入的能量轉(zhuǎn)換成油壓再進(jìn)入到系統(tǒng)之中，是最重要的元件。
2、執(zhí)行元件：執(zhí)行元件一般為缸或馬達(dá)，將液體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械
能并將其輸出。
3、控制與調(diào)節(jié)元件：控制與調(diào)節(jié)元件一般指各種閥，功能是控制和調(diào)節(jié)流體的
流動(dòng)方向、壓力和流量。
4、輔助元件：一般有油箱、過濾器、管件等
5、工作介質(zhì)
（2） 液壓系統(tǒng)的工作原理
液力傳動(dòng)是利用液體的壓力傳遞能量，根據(jù)其工作特性又稱為液壓傳動(dòng)的容積。
液壓系統(tǒng)采用液體內(nèi)部壓力相等的這一特點(diǎn)來工作。使用泵這一動(dòng)力元件輸送具有內(nèi)部壓力的介質(zhì)（一般為油），通過管道輸送到執(zhí)行元件。這一過程中產(chǎn)生壓強(qiáng)，作用于一定面積上行程作用力，實(shí)現(xiàn)我們所需要的運(yùn)動(dòng)。
（3）基本要求
1、本次設(shè)計(jì)應(yīng)用于家用小型升降機(jī)構(gòu)，需要占地面積小，升降回路簡單即可。
2、最大承載量為200kg，為保證安全，增加至300kg。最大提升高度1700mm。
3、升降平臺(tái)適用于燈泡安裝、粉刷墻面和裝潢等工作中，要求做到運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠。
4、為保障安全性，需要做到停止升降時(shí)做到穩(wěn)定的自鎖。
5.2 執(zhí)行元件的設(shè)計(jì)計(jì)算
液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件大致分為缸和馬達(dá)，缸主要輸出的是直線運(yùn)動(dòng)和力，而馬達(dá)則是持續(xù)輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和扭矩。因此本次只討論液壓缸。如表5.1，對(duì)各種執(zhí)行元件的分析
表5.1
活塞缸的缸筒內(nèi)因有活塞及密封件在其中頻繁的運(yùn)動(dòng)，要求其內(nèi)控的形狀和尺寸精度要求很高，并且要求表面光滑。這種要求對(duì)于大型的或者長行程的液壓缸有時(shí)不以實(shí)現(xiàn)，在這種情況下一般采用柱塞缸，本次選用柱塞缸。
圖5.1意圖
5.2.1計(jì)算液壓缸的壓力
如圖5.1，為單作用柱塞缸。流量為q的液壓油進(jìn)入無桿腔，活塞以速度右移、產(chǎn)生推力
由公式得
（5.1）
（5.2）
已知最大工作壓力為===28700N。
根據(jù)表5.2判斷液壓缸的工作壓力P=5MPa
表5.2 液壓缸負(fù)載-工作壓力
由公式，的D=87.7mm，
因此，根據(jù)液壓手冊(cè)得，可取結(jié)構(gòu)D=90mm，d=80mm，外徑為100mm
5.2.2 液壓缸行程的計(jì)算
當(dāng)液壓缸位于最低處時(shí)，角度為6°，這時(shí)的液壓缸為完全收縮狀態(tài)，長度為
當(dāng)液壓缸位于最高處時(shí)，角度為45°，這時(shí)的液壓缸為完全展開狀態(tài)，長度為
則行程L=1265-813=452mm，查表得液壓缸實(shí)際長度需大于
a——液壓缸與叉桿的鉸接點(diǎn)與叉桿間鉸接點(diǎn)的最小距離，a=1/3l
l——叉桿的長度
——液壓缸與水平位置夾角
5.2.3 液壓缸的確定
目前生產(chǎn)液壓缸的廠家很多，本設(shè)計(jì)采用常州某液壓廠的液壓缸，參數(shù)如表5.3
表5.3 液壓缸參數(shù)
由以上計(jì)算得，我們選用額定工作壓力為10MPa，行程500mm，長度為820mm，缸內(nèi)徑90mm，桿徑80mm的液壓缸。
5.3 動(dòng)力原件的確定
液壓系統(tǒng)的動(dòng)力元件通常是液壓泵，本機(jī)構(gòu)一般在室內(nèi)使用，采用交流液壓泵。但考慮到也可應(yīng)用于戶外，因此可以再加上直流液壓泵。本設(shè)計(jì)著重于液壓泵舉升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，液壓泵站不再設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)發(fā)展的非常成熟，它具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、成本低、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)選取某工廠液壓泵站。
（1）交流液壓泵的選擇
圖5.2
本設(shè)計(jì)采用揚(yáng)州某廠的液壓泵站，此液壓泵站配有不同規(guī)格的齒輪泵和電機(jī)，本次選用KCB650型齒輪泵，配有功率為3KW的Y160M-4的電機(jī)。如圖（5.2）。通過電磁閥卸荷定位，電動(dòng)舉升。同時(shí)回油口裝備節(jié)流閥，保證無沖擊。參數(shù)如表（5.4）
表5.4 液壓泵站參數(shù)
此次選擇工作壓力10MPa，220v的工作電壓，3kw的電機(jī)功率，2.5ml/r的額定排量，水平放置，油箱采用20L，工作條件為S2=20，M14x1.5的出油尺寸。
（2）直流液壓泵的選用
型號(hào)參數(shù)如表（5.5）
表5.5 液壓泵站參數(shù)
此次選擇工作壓力10MPa,額定排量為2.5ml/r，48v的工作電壓，3kw的電機(jī)功率為，水平放置，油箱采用20L，工作條件為S3=10，M14x1.5的出油尺寸.
5.4控制與執(zhí)行元件與輔助的選擇
5.4.1 閥的選擇
本設(shè)計(jì)采用的是柱塞泵，下降時(shí)依靠重力，因此選用三位三通的電磁閥，參數(shù)范圍
如表5.6。
表5.6 電磁閥參數(shù)
本次選用參數(shù)如表5.7
表5.7 選用電磁閥參數(shù)
5.4.2 油管的選擇
本次設(shè)計(jì)不在自行專門設(shè)計(jì)，5.3已選擇了油泵的出油口尺寸M14mm，校核計(jì)算如下；油管內(nèi)徑應(yīng)滿足
Q——管內(nèi)流量l/min
V——管內(nèi)油液的流速m/s。一般吸油管取0.5-1.5m/s，出油管取1.5-2.5m/s。此處取v=1m/s
計(jì)算得
本次選擇河北某廠的鋼絲編織油管，具有承受壓力高，優(yōu)越的脈沖性能，不易變形等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)所給規(guī)格選擇合適油管，參數(shù)如表5.8
表5.8 油管參數(shù)
5.5運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算
本設(shè)計(jì)中直流的液壓泵參數(shù)較大，選擇直流泵來進(jìn)行計(jì)算。
直流泵的參數(shù)為：工作壓力10MPa,額定排量為2.5ml/r，48v的工作電壓，3kw的電機(jī)功率為，水平放置，油箱采用20L，工作條件為S3=10，M14x1.5的出油尺寸.
排量q：
上升高度H：
液壓缸的半徑：40mm
行程：450mm
達(dá)到最高時(shí)位置所需時(shí)間T:
則上升的平均速度v為：
5.6 液壓系統(tǒng)的工作簡圖
開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)是主要的兩種液壓回路
1、 閉式系統(tǒng)：閉式系統(tǒng)是一個(gè)閉合回路，油泵的進(jìn)油管聯(lián)通執(zhí)行元件的出油管，執(zhí)行元件的回油進(jìn)入泵的進(jìn)油口而不是回油箱之中。需要一個(gè)輔助油泵來給系統(tǒng)中的泄露做補(bǔ)償。
2、 開式系統(tǒng) ：在開式系統(tǒng)中，油直接被油泵從油箱中吸出進(jìn)入執(zhí)行元件，液壓油自出油管直接進(jìn)入油箱之中。
兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢劣勢如表5.9
表5.9 開式閉式液壓系統(tǒng)比較
圖5.3
根據(jù)升降機(jī)構(gòu)需要簡便的要求，我們選擇開式系統(tǒng)
液壓系統(tǒng)如圖（5.3），液壓泵3、4是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，液壓油從油箱1中通過過濾器的2，機(jī)內(nèi)電磁換向閥中，途中含有溢流閥6，起過載時(shí)保護(hù)系統(tǒng)的作用。7為平衡閥，起自鎖作用。當(dāng)升降機(jī)處于上升狀態(tài)時(shí)，換向閥進(jìn)油口處于右端，出油口處于中間部位。使液壓缸推動(dòng)活塞桿上升。當(dāng)升降機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)。進(jìn)、出油口皆處于中間部位。使得平臺(tái)穩(wěn)定。當(dāng)升降機(jī)下降時(shí)，進(jìn)油口處于中間部位，出油口處于左邊部位，液壓油經(jīng)調(diào)速閥9進(jìn)入油箱中。
41
第6章 控制電路設(shè)計(jì)
6 控制電路設(shè)計(jì)
6.1 總電路圖的設(shè)計(jì)
1、控制電路的設(shè)計(jì)
圖6.1
如圖6.1，交流模式的開關(guān)為SQ1，充電模式的開關(guān)為SQ2，直流模式的開關(guān)為SQ3，上升下降的控制開關(guān)分別為KM1、KM2，KM3為自鎖機(jī)構(gòu)的控制開關(guān)，SB5的3個(gè)檔位控制起升，鎖緊和下落。
工作原理：接通1，KM1啟動(dòng)，升降梯上升并自鎖。
接通2，升降機(jī)鎖緊
接通3，KM2啟動(dòng),KM3停止，自鎖機(jī)構(gòu)關(guān)閉，升降機(jī)構(gòu)下落。
2、蓄電池的充電電路不在自行設(shè)計(jì)。使用48V電動(dòng)車充電器。
總結(jié)
總 結(jié)
我的課題是家用可移式升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)在原有液壓式升降機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化和再設(shè)計(jì)。提高了實(shí)用性、靈活性和輕便性。為保證升降機(jī)構(gòu)的安全性，專門為其設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)械自鎖機(jī)構(gòu)，并做到價(jià)格低廉，便于操作。
剪叉式和液壓缸是一個(gè)完美的組合。剪叉式提供了液壓缸難以擁有的長距離行程。液壓缸給予剪叉機(jī)構(gòu)更大的推力。本次設(shè)計(jì)過程大致如下，對(duì)幾種液壓缸的布置方式進(jìn)行了比較、對(duì)機(jī)構(gòu)的主體部分進(jìn)行力的分析、對(duì)剪臂和底座等結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)及計(jì)算、設(shè)計(jì)了簡單的液壓系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)間的的升降運(yùn)動(dòng)。
本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于保證升降的安全性的前提下，盡量做到輕便。機(jī)械自鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)保證了在液壓油泄露的情況下，也能做到作業(yè)人員的安全性。
當(dāng)然，設(shè)計(jì)也暴露出了了一些問題。如，電路的設(shè)計(jì)不是很擅長，只能保證簡單的控制，所以設(shè)計(jì)不夠細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)，需要在這方面多加練習(xí)。
參考文獻(xiàn)
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