畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-液壓起重機(jī)變幅系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

全套圖紙加扣 3012250582 - I - 液壓起重機(jī)變幅系統(tǒng)設(shè)計(jì)液壓起重機(jī)變幅系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘摘 要要 隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，我國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)力度正逐漸加大。道路交 通、機(jī)場(chǎng)、港口、水利水電、市政建設(shè)等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)規(guī)模也越來(lái)越大。 市場(chǎng)上液壓起重機(jī)的需求也隨之增加。液壓起重機(jī)是各種工程建設(shè)廣泛運(yùn) 用的重要起重設(shè)備。它是用來(lái)對(duì)物料進(jìn)行起重、運(yùn)輸、裝卸或安裝等作業(yè) 的機(jī)械設(shè)備。作為主要施工機(jī)械在工業(yè)和民用建筑中得到廣泛運(yùn)用。它對(duì) 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省人力、降低建設(shè)成本、提高施工質(zhì)量、加快建設(shè)速度、 實(shí)現(xiàn)工程施工機(jī)械化起著十分重要的作用。 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是查閱相關(guān)的資料和文獻(xiàn)，確定起重機(jī)變幅系統(tǒng)的 方案以及變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)的位置。根據(jù)已知數(shù)據(jù)，對(duì)起重機(jī)的變幅液壓缸 進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)畫(huà) CAD 圖紙。最后對(duì)變幅系統(tǒng)的其他 主要元件進(jìn)行選取。變幅系統(tǒng)中變幅液壓缸的設(shè)計(jì)和計(jì)算是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的重點(diǎn)。變幅液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算主要參照新編液壓工程手冊(cè)和機(jī) 械設(shè)計(jì)手冊(cè)中的公式。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 液壓起重機(jī)；變幅機(jī)構(gòu)；變幅液壓缸 全套圖紙加扣 3012250582 - II - Hydraulic crane luffing system design Abstract With the rapid economic development, Chinas infrastructure is enlarging gradually. Road traffic, airport, port, water conservancy and hydropower, municipal construction and other infrastructure construction scale is more and more. Market demand increases hydraulic crane. Hydraulic crane is an important hoisting equipment widely used in various engineering construction. It is used for lifting, transportation, loading and unloading and installation work on material mechanical equipment. As the main construction machinery in the industrial and civil construction has been widely used. It is to reduce labor intensity, save manpower, reduce the cost of construction, improve construction quality, speed up the construction, engineering construction mechanization plays a very important role. The design of the main tasks is to access relevant information and documents, to determine the three hinge luffing system of crane luffing mechanism scheme and the position. According to known data, luffing hydraulic cylinder to the crane design and calculation. According to drawings and CAD data drawing calculation. Finally, other major components of the luffing system selection. Design and calculation of amplitude hydraulic cylinder luffing system is the emphasis of the whole system design. Design and calculation of amplitude hydraulic cylinder is the main reference New Hydraulic Engineering Handbook and Mechanical Design Manual in the formula. 全套圖紙加扣 3012250582 - III - Key words: Hydraulic crane；Luffing mechanism；Luffing cylinder 全套圖紙加扣 3012250582 - IV - 目 錄 摘要 .I Abstract.II 第 1 章 緒論.1 1.1 課題研究的意義.1 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì).1 第 2 章 變幅系統(tǒng)方案和變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)的確定.4 2.1 變幅系統(tǒng)方案的確定.4 2.1.1 變幅機(jī)構(gòu)布置形式的確定.4 2.1.2 變幅機(jī)構(gòu)液壓回路方案的確定.5 2.2 變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)的確定.5 2.2.1 三鉸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和受力要求.6 2.2.2 臂架油缸鉸點(diǎn)位置確定.6 2.3 本章小結(jié).8 第 3 章 變幅液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算.9 3.1 液壓缸的定義和組成.9 3.2 起重機(jī)變幅油缸推力計(jì)算.9 3.3 液壓缸的基本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).10 3.3.1 內(nèi)徑 D 的計(jì)算.10 3.3.2 活塞桿直徑 D 的計(jì)算.10 3.4 液壓缸缸筒.11 3.4.1 液壓缸筒與端蓋的連接.11 3.4.2 缸筒壁厚 的計(jì)算.12 3.4.3 缸筒壁厚 的驗(yàn)算.12 3.4.4 缸筒底部厚度 的計(jì)算.13 3.4.5 缸底與缸筒的連接.14 3.5 活塞的設(shè)計(jì).14 3.6 活塞桿的設(shè)計(jì).15 3.6.1 活塞桿的結(jié)構(gòu).15 3.6.2 活塞桿的外端結(jié)構(gòu).15 3.6.3 活塞桿內(nèi)端結(jié)構(gòu)（活塞桿與活塞的連接）.15 3.7 活塞桿的導(dǎo)向、密封和防塵.16 3.7.1 活塞桿的導(dǎo)向.16 3.7.2 活塞桿的密封.16 3.7.3 活塞桿的防塵.17 3.8 緩沖裝置.17 全套圖紙加扣 3012250582 - V - 3.9 進(jìn)、出油口尺寸.18 3.10 安裝連接元件的確定.18 3.11 本章小結(jié).19 第 4 章 變幅系統(tǒng)中其他元件的選擇.20 4.1 液壓泵的選擇.20 4.2 液壓閥的選擇.20 4.3 濾油器的選擇.20 4.4 液壓油的選擇.20 4.5 液壓油管的選擇.21 4.6 油箱的選擇.21 4.7 本章小結(jié).22 結(jié) 論.23 致 謝.24 參考文獻(xiàn).25 附 錄.27 全套圖紙加扣 3012250582 - VI - 全套圖紙加扣 3012250582 - 1 - 第 1 章 緒論 1.1 課題研究的意義 工程起重機(jī)是各種工程建設(shè)廣泛運(yùn)用的重要起重設(shè)備，是用來(lái)對(duì)物料 進(jìn)行起重、運(yùn)輸、裝卸或安裝等作業(yè)的機(jī)械設(shè)備，在工業(yè)和民用建筑中作 為主要施工機(jī)械而得到廣泛運(yùn)用。它對(duì)減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省人力，降低建 設(shè)成本，提高施工質(zhì)量，加快建設(shè)速度，實(shí)現(xiàn)工程施工機(jī)械化起著十分重 要的作用。目前我國(guó)是世界上使用工程起重機(jī)最大的國(guó)家之一。 近年來(lái)，隨著工程建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，起重安裝工程量越來(lái)越大，吊裝 能力、作業(yè)半徑和機(jī)動(dòng)性能的更高要求促使起重機(jī)發(fā)展迅速，具有先進(jìn)水 平的塔式起重機(jī)和汽車(chē)起重機(jī)已成為機(jī)械化施工的主力。相對(duì)于其他起重 機(jī)，液壓起重機(jī)不僅具有移動(dòng)方便，操作靈活，易于實(shí)現(xiàn)不同位置的吊裝 等優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制的液壓系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)。 隨著液壓傳動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓起重機(jī)已經(jīng)成為各起重機(jī)生產(chǎn)廠 家主要發(fā)展對(duì)象。隨著中國(guó)社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)生活中對(duì)起重機(jī)的需求越來(lái) 越大，所以起重機(jī)的研發(fā)越來(lái)越緊迫，由于液壓式起重機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)靈活，從而 方便快捷，所以進(jìn)幾年我國(guó)的液壓式起重機(jī)發(fā)展很快。但是，與國(guó)外液壓 式起重機(jī)相比，國(guó)外液壓式起重機(jī)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，為了降低整機(jī)成 本，提高性能，整機(jī)質(zhì)量越來(lái)越小，在起重性能相同的情況下，自重約比 十年前降低了 20左右，由于車(chē)輛自重的減小，使車(chē)輛采用盡可能少的軸 數(shù)（尤其是大噸位起重機(jī)）這樣大大簡(jiǎn)化了車(chē)輛的結(jié)構(gòu)，成本降低，同時(shí) 提高了起重機(jī)的作業(yè)能力及使用經(jīng)濟(jì)性。所以，同等噸位的銷(xiāo)售價(jià)較前十 年有大幅下降，對(duì)中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)造成了很大沖擊，因此，對(duì)我國(guó)的液壓式 起重機(jī)的生產(chǎn)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。液壓起重機(jī)的變幅系統(tǒng)是起重機(jī) 的最主要的部分，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到起重機(jī)的性能，所以加大對(duì)液壓式 起重機(jī)變幅系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的研究，努力創(chuàng)新和借鑒外國(guó)經(jīng)驗(yàn)是當(dāng)務(wù)之急。 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 20 世紀(jì) 50 年代，我國(guó)的起重機(jī)行業(yè)才開(kāi)始起步，后來(lái)通過(guò)引進(jìn)國(guó)外 的先進(jìn)技術(shù)，在學(xué)習(xí)改進(jìn)的基礎(chǔ)上積極的研發(fā)創(chuàng)新，很大程度上提升了自 主技術(shù)水平，不管是外觀還是使用性能各方面都很好的滿足了國(guó)內(nèi)大多數(shù) 用戶的要求。但是，很多制造企業(yè)由于體制的問(wèn)題不能很好的解決，再加 上成本方面的制約，在這行業(yè)的發(fā)展還是顯得比較遲緩。直至 21 世紀(jì)初， 整個(gè)工程機(jī)械行業(yè)才真正煥發(fā)出了蓬勃發(fā)展的趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)汽車(chē)起重機(jī)的主 要生產(chǎn)廠家有徐州重型機(jī)械廠、長(zhǎng)沙中聯(lián)重工科技發(fā)展股份有限公司浦沅 全套圖紙加扣 3012250582 - 2 - 分公司和三一集團(tuán)起重機(jī)公司等。 徐州重型機(jī)械廠作為工程機(jī)械行業(yè)專(zhuān)業(yè)的研發(fā)、制造工廠，其不僅生 產(chǎn)全液壓汽車(chē)起重機(jī)，而且生產(chǎn)銷(xiāo)售消防車(chē)、泵車(chē)及其他工程機(jī)械機(jī)種。 目前已發(fā)展成為我國(guó)最大的汽車(chē)起重機(jī)生產(chǎn)制造廠家，形成年產(chǎn)最少 8000 余臺(tái)汽車(chē)起重機(jī)的生產(chǎn)能力，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率超過(guò) 50%。其主要產(chǎn)品有 5t-80t 全液壓汽車(chē)起重機(jī)、25t-200t 全路面汽車(chē)起重機(jī)、25t 液壓輪胎起重 機(jī)等，并已研發(fā)出更高噸位的機(jī)型，圖 1-1 為輪胎起重機(jī)。 圖 1-1 輪胎起重機(jī) 長(zhǎng)沙中聯(lián)重工科技發(fā)展股份有限公司下的浦沉分廠主要研發(fā)生產(chǎn)履帶 起重機(jī)、汽車(chē)起重機(jī)以及特種工程機(jī)械車(chē)輛。其擁有板材預(yù)處理、數(shù)控等 離子切割、五免提加工中心、俄羅斯落地鏜、焊接機(jī)器人等 2000 多套設(shè) 備。該公司產(chǎn)品采用流線型雙開(kāi)門(mén)駕駛室，應(yīng)用高強(qiáng)鋼提升了產(chǎn)品的穩(wěn)定 性。在 QY130H 設(shè)計(jì)中采用了新型伸縮方式，降低油缸負(fù)載，解決超長(zhǎng)油 缸的穩(wěn)定性問(wèn)題；采用具有人性化設(shè)計(jì)的操縱室，可向上傾斜，免除司機(jī) 高空作業(yè)長(zhǎng)期仰視的疲勞；采用 PLC 計(jì)算機(jī)集成控制系統(tǒng)與雙驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)系 統(tǒng)，圖 1-2 為 QY130H 圖片。 圖 1-2QY130H 起重機(jī) 全套圖紙加扣 3012250582 - 3 - 三一集團(tuán)汽車(chē)起重機(jī)公司從 2003 年起，在消化國(guó)內(nèi)外汽車(chē)起重機(jī)先 進(jìn)技術(shù)的前提下，自主研發(fā)了 QY16、QY25、QY50 三個(gè)系列產(chǎn)品，在汽 車(chē)起重機(jī)行業(yè)內(nèi)獨(dú)樹(shù)一幟，代表著國(guó)內(nèi)中小噸位汽車(chē)起重機(jī)的先進(jìn)水平。 此后，其在完善生產(chǎn)線自制工藝裝備的同時(shí)引進(jìn)了一些國(guó)際先進(jìn)的設(shè)備， 極大地提高了產(chǎn)品的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，現(xiàn)在三一的汽車(chē)起重機(jī)產(chǎn)品己 在國(guó)內(nèi)初步形成較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 近二十年世界工程起重機(jī)行業(yè)發(fā)生了巨大的變化,不管是在產(chǎn)品還是市 場(chǎng)分布都有很大不同,伴隨著快速發(fā)展的世界經(jīng)濟(jì)和日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng), 世界工程機(jī)械市場(chǎng)逐步走向統(tǒng)一化。美洲、歐洲和亞洲已經(jīng)成為最主要的 生產(chǎn)基地和銷(xiāo)售市場(chǎng),歐美洲擁有包括以利勃海爾集團(tuán)、馬克托瓦克公司、 格魯夫公司等為代表的眾多工程機(jī)械大集團(tuán),而亞洲主要以日本的多田野、 加藤等公司為代表。 利勃海爾集團(tuán)由漢斯-利勃海爾在 1949 年建立,其起重機(jī)具有該集團(tuán)研 發(fā)的裝備渦輪增壓器的六缸發(fā)動(dòng)機(jī)和數(shù)據(jù)總線控制雙項(xiàng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),采 用 LIAS 驅(qū)動(dòng)和 ZF-AS-TRONIC 12 速全自動(dòng)變速箱可以降低燃油消耗,而 制動(dòng)性能由于液力減速器也得到了很大的提高,不僅提高安全系數(shù),而且有 效地降低了發(fā)熱帶來(lái)的危險(xiǎn)。ABS 防抱死系統(tǒng)和 TCS 牽引控制系統(tǒng)。同 時(shí),利勃海爾起重機(jī)的轉(zhuǎn)向技術(shù)非常智能,其由后輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向,能夠保證通過(guò) 前橋控制行駛過(guò)程中后橋的轉(zhuǎn)向角度,而且,后橋的轉(zhuǎn)向角會(huì)在加速時(shí)自行 變小,而速度小于一定值時(shí)車(chē)體始終保持直線狀態(tài)且轉(zhuǎn)向油缸自動(dòng)鎖定。采 用獨(dú)立的后輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以使轉(zhuǎn)彎半徑和輪胎的磨損均較小。 馬尼托瓦克公司始創(chuàng)于 1902 年,主要生產(chǎn)重型履帶吊和輪胎起重機(jī)。 該集團(tuán)在世界擁有 13 家起重機(jī)專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠,其中一家為中國(guó)張家港波坦公 司。該公司的產(chǎn)品由于具有先進(jìn)的技術(shù)含量,其使用性能以及可靠度都很高,特 別是其底盤(pán)和全路面等關(guān)鍵技術(shù)在歐洲處于領(lǐng)先地位,產(chǎn)品的主要用戶分布 在亞洲地區(qū)和美洲地區(qū)。格魯夫公司的強(qiáng)項(xiàng)是越野輪胎起重機(jī)和汽車(chē)起重 機(jī),其于 1999 年收購(gòu)了德國(guó)的克虜伯輪式起重機(jī)公司,成為全路面起重機(jī)市 場(chǎng)上三足鼎立的一支。 日本的起重機(jī)技術(shù)也比較成熟,其可以生產(chǎn)輪胎起重機(jī)、履帶起重機(jī)和 汽車(chē)起重機(jī)等多種機(jī)型,銷(xiāo)量最好的是越野輪胎起重機(jī),其次便是汽車(chē)起重 機(jī)。日本的汽車(chē)起重機(jī)技術(shù)注重適應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)性,在保證性能指標(biāo)和基本功 能的前提下大量采用通用配套件,自制部分也盡可能繼承和簡(jiǎn)化。上車(chē)液壓 系統(tǒng)采用中高壓多聯(lián)齒輪泵,下車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)幾乎全應(yīng)用汽車(chē)的 通用配套件。 全套圖紙加扣 3012250582 - 4 - 第 2 章 變幅系統(tǒng)方案和變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)的確定 2.1 變幅系統(tǒng)方案的確定 2.1.1 變幅機(jī)構(gòu)布置形式的確定 全液壓起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)使用液壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂變幅。液壓缸的布置 形式有三種，分別是前傾式、后傾式和后拉式三種。前傾式缸對(duì)吊臂的作 用力臂長(zhǎng)，因此變幅推力小，可采用小直徑液壓缸；而且吊臂懸臂部分長(zhǎng) 度短，改善了吊臂的受力狀況。其缺點(diǎn)是：變幅液壓缸行程長(zhǎng)，吊臂下方 有效空間小，小幅度起吊大體積重物不方便。后傾式變幅液壓缸的特點(diǎn)和 前傾式完全相反，它除了具有變幅行程短，吊臂下方有效空間大等優(yōu)點(diǎn)外， 由于重心后移，便于總體布置，并可減少平衡重量。后拉式變幅液壓缸布 置在吊臂后方。由于吊臂擺動(dòng)鉸點(diǎn)位置在前，吊臂長(zhǎng)度可以設(shè)計(jì)得短一些， 吊臂前方的有效工作空間也較大。但后拉式在提升吊臂時(shí)，液壓缸只能是 小腔進(jìn)油，推力小，所以只能用在小型輪胎式起重機(jī)上7。前傾式變幅機(jī) 構(gòu)如圖 2-1 所示。 圖 2-1 前傾式變幅機(jī)構(gòu) 前傾式變幅機(jī)構(gòu)因液壓缸前傾，其對(duì)動(dòng)臂作用力臂較長(zhǎng)，變幅缸的推 力可以較小些，故缸徑較小。因臂的懸臂長(zhǎng)度較短，對(duì)臂受力有利。但也 有液壓缸行程較長(zhǎng)，臂下方空間較小的缺點(diǎn)。大多數(shù)全液壓汽車(chē)起重機(jī)都 采用此布置形式。前傾式變幅機(jī)構(gòu)可以采用一個(gè)油缸也可采用兩個(gè)油缸。 本次變幅系統(tǒng)方案確定為前傾式變幅機(jī)構(gòu)，采用兩個(gè)變幅油缸。液壓缸采 全套圖紙加扣 3012250582 - 5 - 用雙作用液壓缸7。 2.1.2 變幅機(jī)構(gòu)液壓回路方案的確定 變幅機(jī)構(gòu)在工作裝置作業(yè)時(shí)，其液壓缸處于閉鎖狀態(tài)，受負(fù)載較大， 要求不能無(wú)控制自動(dòng)回縮。變幅缸的內(nèi)漏和外漏會(huì)使工作幅度變大而造成 重大事故。另外，變幅機(jī)構(gòu)落臂時(shí)，因載荷的重力作用，會(huì)產(chǎn)生重力超速 現(xiàn)象，需要限速措施。因此，在此機(jī)構(gòu)中必須設(shè)置限速裝置。國(guó)內(nèi)外大都 采用使用平衡閥(限速閥)的限速回路。平衡閥不僅能防止超速下行，也能 保證整個(gè)下降過(guò)程為勻速過(guò)程6。變幅機(jī)構(gòu)液壓回路如圖 2-2 所示 圖 2-2 使用平衡閥限速回路 從圖 2-2 中可見(jiàn)，平衡閥的開(kāi)度大小是由供油壓力控制的，當(dāng)落臂速 度過(guò)大時(shí)，供油壓力減小，從而平衡閥的開(kāi)口減小落臂速度下降；反之， 落臂速度過(guò)小時(shí)，供油壓力增大平衡閥開(kāi)口也隨之增大，從而落臂速度上 升，最終保證落臂速度恒定。在變幅機(jī)構(gòu)工作時(shí)，平衡閥又能具有良好的 密封性6。 2.2 變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)的確定 起重機(jī)的三鉸點(diǎn)是指臂架與轉(zhuǎn)臺(tái)相接的鉸點(diǎn)、臂架與變幅液壓缸相接 的鉸點(diǎn)、變幅液壓缸與轉(zhuǎn)臺(tái)相連接的鉸點(diǎn)。三鉸點(diǎn)布置是否合理，對(duì)總體 設(shè)計(jì)影響較大。理想的三鉸點(diǎn)可使液壓缸受力好，油壓波動(dòng)小，液壓缸參 數(shù)合理，整機(jī)重量輕，造型美觀，橋荷分配合理，起重性能好7。 全套圖紙加扣 3012250582 - 6 - 2.2.1 三鉸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)和受力要求 三鉸點(diǎn)可簡(jiǎn)化如圖 2-3 所示的液壓缸機(jī)構(gòu)，其中 OB 為機(jī)架（起重機(jī) 上的轉(zhuǎn)臺(tái)） 、OA 為搖桿（起重機(jī)上的臂架） 、液壓缸缸筒與機(jī)架鉸接于 B 點(diǎn)、液壓缸缸桿與連架桿鉸接于 A 點(diǎn)、 為搖桿 OA 的擺角， 小于 90， 一般在-280， 是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)角。當(dāng)液壓缸伸長(zhǎng)是，A 點(diǎn)由 A1到 A2 繞 O 點(diǎn)作半徑為搖桿 OA 長(zhǎng)的圓周運(yùn)動(dòng)；AB 為液壓缸長(zhǎng)，ABmax與 ABmin 之差為液壓缸的行程，ABmax與 ABmin之比應(yīng)在 1.61.8 范圍內(nèi)，以便制造。 臂架尾鉸點(diǎn) O 至回轉(zhuǎn)中心線之距 E 值的確定，對(duì)整機(jī)外形尺寸造型總重， 起重性能以及變幅液壓缸受力，各橋荷分配和主要性能參數(shù)等均有很大影 響，E 值大，可使上車(chē)重心后移，減小起重機(jī)行駛狀態(tài)下的前橋軸荷，但 同時(shí)降低工作時(shí)的幅度影響起重作業(yè)工作半徑，E 值取值范圍為 1.53.5m；臂架尾架鉸點(diǎn) O 至地面的距離受整機(jī)高度限制，其值大，整車(chē) 重心提高，影響行駛穩(wěn)定性，一般在 23m。 圖 2-3 液壓缸機(jī)構(gòu) 起重機(jī)變幅液壓缸受力受載荷、臂長(zhǎng)、幅度的影響，在工作過(guò)程中盡 量是變幅液壓缸推力隨臂架仰角而變化的曲線平穩(wěn)，也就是機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角 變化要小，只有這樣變幅液壓缸能夠具有良好的工作環(huán)境和合理的機(jī)構(gòu)鉸 點(diǎn)形狀。 2.2.2 臂架油缸鉸點(diǎn)位置確定 如圖 2-4 變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)，把變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)的集合關(guān)系簡(jiǎn)化為三角 形 OAB，此三角形隨著變幅油缸的伸長(zhǎng)和縮短而變化。 全套圖紙加扣 3012250582 - 7 - 圖 2-4 變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn) 如圖 2-5 變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡所示，吊臂位于水平位置時(shí)，=0，此時(shí) 三角形 OAB 為初始三角形，OA，OB 夾角 0為初始角。當(dāng)?shù)醣劾@鉸點(diǎn) O 轉(zhuǎn)動(dòng)到某一位置時(shí)，吊臂與水平線夾角為 ，變幅油缸也隨之伸長(zhǎng)。 圖 2-5 變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡 (1)鉸點(diǎn)幾何位置的計(jì)算 在三鉸點(diǎn)中，A（XA，YA）點(diǎn)橫坐標(biāo) XA，絕對(duì)值在 0.751.35m，可取 1.2m；縱坐標(biāo) YA，由吊臂結(jié)構(gòu)尺寸、變幅液壓缸缸桿鉸點(diǎn)外邊緣尺寸決定， 根據(jù)實(shí)際安裝形式可取 YA=0.5m。B（XB，YB）點(diǎn)縱坐標(biāo) XB一般取 1/31/2 的基本臂長(zhǎng)，由吊臂截面特性、載荷等決定，可取 XB=3.8m，當(dāng)臂 桿處于水平時(shí)，YB=0m； 所以根據(jù)公式 22 AA OAXY 22 BB OBXY 將數(shù)據(jù)代入公式（2-1） （2-2）得 OA=1300mm，OB=3800mm 因?yàn)榈醣垩鼋且话?280，可取仰角為最小角即可計(jì)算出油缸最小安 (2-1) (2-2) 全套圖紙加扣 3012250582 - 8 - 裝長(zhǎng)度（初始安裝長(zhǎng)度） 。當(dāng)?shù)醣劢嵌茸畲鬄?80時(shí)，可計(jì)算出油缸最大安 裝長(zhǎng)度（極限位置長(zhǎng)度） 。 (2)初始位置安裝長(zhǎng)度 ABmin =min=20 22 min 2cosABOAOBOA OB 將數(shù)據(jù)代入公式（2-3）得 ABmin=2617mm (3)極限位置時(shí)變幅油缸長(zhǎng)度 ABmax =max=100 將數(shù)據(jù)代入公式（2-3）得 ABmax=4225mm (4)變幅油缸行程 H maxmin 422526171608mm HABAB 2.3 本章小結(jié) 本章主要是確定變幅系統(tǒng)和變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)，然后對(duì)三鉸點(diǎn)的受力進(jìn) 行分析，根據(jù)已知的數(shù)據(jù)，計(jì)算出液壓缸的安裝長(zhǎng)度和最大變幅長(zhǎng)度，從 而算出變幅油缸的行程。為下一章變幅液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算打好基礎(chǔ)。 (2-3) 全套圖紙加扣 3012250582 - 9 - 第 3 章 變幅液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 液壓缸的定義和組成 液壓缸又稱(chēng)油缸，其作用類(lèi)似液壓馬達(dá)，它將液壓系統(tǒng)提供的液壓能 轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，與液壓馬達(dá)不同的是，液壓缸用來(lái)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)角行 程不超過(guò) 360 度的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生預(yù)定的推（拉）力。 液壓缸主要由缸筒、缸蓋（缸底） 、活塞（柱塞） 、活塞桿、密封件和 連接件組成，根據(jù)需要，有些液壓缸上還設(shè)有緩沖和排氣裝置。 3.2 起重機(jī)變幅油缸推力計(jì)算 受力分析如圖 3-1 所示 圖 3-1 受力分析圖 設(shè) O 點(diǎn)為原點(diǎn)，則變幅油缸推力為 全套圖紙加扣 3012250582 - 10 - 12b G eGe F e 式中 F 為變幅油缸推力，e 為油缸力矩的作用力臂，e1為臂桿重心力 矩作用距離，e2為載荷有效作用力臂，G 為最大載重量，Gb為臂桿自重。 其中，根據(jù)最大起升高度為 22m 可以計(jì)算出 44 16 10 N,5 10 N b GG e1=1.94m，e2=3.88m，然后再根據(jù)勾股定理可以計(jì)算出 e=1.152m，將數(shù)據(jù) 代入公式（3-1）得。由于此次采用兩個(gè)液壓缸，所以每 4 62.3 10 N mF 個(gè)液壓缸的推力即/2FF 4 31.15 10 N mF 3.3 液壓缸的基本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 起重機(jī)工作負(fù)載高，為了使機(jī)械的結(jié)構(gòu)緊湊、輕便，一般都采用高壓 或中壓系統(tǒng)，所以在本次設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際工作的需求，液壓系統(tǒng)的壓力為 16MPa。臂桿變幅機(jī)構(gòu)主要是通過(guò)變幅油缸的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)臂桿的變幅，對(duì) 其要求是能夠在負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)變幅，并且要求工作平穩(wěn)，無(wú)沖擊。由 于在變幅過(guò)程中，伸縮臂桿上的負(fù)載很大，所以威力是臂桿的變幅能夠平 穩(wěn)的變化， ，并較大的沖擊，則要再變幅液壓回路中裝有平衡閥，時(shí)期能 夠保證在有負(fù)載的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)快速提升，緩慢下降。本次主要對(duì)變幅機(jī)構(gòu)液 壓系統(tǒng)的油缸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 3.3.1 內(nèi)徑 D 的計(jì)算 根據(jù)液壓缸負(fù)載力 F 和工作壓力 P 確定 4F D P 式中為一個(gè)變幅油缸的推力，P 為變幅油缸工作壓力，本次設(shè)計(jì)取F 16MPa，將數(shù)據(jù)代入公式中可得 D=158mm。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表如下： 表 3-1 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列 單位（mm） 81012162025324050 6380100125160200250320400 取整 D=160mm。 3.3.2 活塞桿直徑 d 的計(jì)算 活塞桿直徑 d 一般按液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比 計(jì)算， (3-1) (3-2) 全套圖紙加扣 3012250582 - 11 - 1 dD 式中 D 為液壓缸直徑 160mm， 往復(fù)運(yùn)動(dòng)比參見(jiàn)表 3-2 選取 =1.46 表 3-2 速度比選擇 壓力 MPa1012.52020 速度比 1.331.462 將數(shù)據(jù)代入公式（3-3）中得 d89.8mm，根據(jù)表 4-3 活塞桿直徑尺寸 系列選取 d=90mm。 表 3-3 活塞桿直徑尺寸系列 單位（mm） 45681012141618 202225283236404550 5663708090100110125140 160180200220250280320360400 活塞桿工作時(shí)，一般主要受軸向拉壓作用力，因此活塞桿的強(qiáng)度驗(yàn)算 可直接按直桿拉壓公式計(jì)算，即 2 4F d b n 式中 為活塞桿內(nèi)應(yīng)力, 為液壓缸最大推力，d 為活塞桿的直徑，F(xiàn) 將數(shù)據(jù)代入公式（3-4）得 =50MPa。 再已知 b為材料的抗拉強(qiáng)度為 600MPa，n 為安全系數(shù)，一般取 1.52.5 之間，這里取 n=2.5，代入公式（3-5）可得=240MPa。 因?yàn)?，所以滿足強(qiáng)度要求。 3.4 液壓缸缸筒 3.4.1 液壓缸筒與端蓋的連接 缸筒的結(jié)構(gòu)和端蓋的連接形式、液壓缸的用途、工作壓力、使用環(huán)境 以及安裝要求等因素有關(guān)。 端蓋分前端蓋和后端蓋。前端蓋將液壓缸的活塞桿腔密封并起著為活 (3-3) (3-4) (3-5) 全套圖紙加扣 3012250582 - 12 - (3-6) 塞桿導(dǎo)向、防塵和密封的作用。后端蓋將缸筒另一端密封，并起著將液壓 缸和其他機(jī)件連接起來(lái)的作用。 常用的端蓋與缸筒的連接形式有拉桿、法蘭、焊接、外螺紋、外卡環(huán)、 內(nèi)螺紋、內(nèi)卡環(huán)、和擋圈等八種連接方式。其中焊接只用于后端蓋的連接。 前端蓋采用外螺紋連接形式，其體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊易于拆裝，但 缸筒端部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。后端蓋采用焊接連接形式，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形尺寸 小，不過(guò)焊后變形，清洗拆裝有困難。 3.4.2 缸筒壁厚 的計(jì)算 當(dāng) /D0.08 時(shí)（可按薄壁缸的缸筒的使用計(jì)算式） max 2 pD 當(dāng) /D=0.080.3 時(shí) max max 2.33 pD p 當(dāng) /D0.3 時(shí) max max 0.4 1 21.3 pD p 式中 D 為缸筒內(nèi)徑 160mm，為最高許用壓力 max p max 1.51.5 1624MPa N pp 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取 =17mm，得 17 0.106 160D 故代入公式（3-7）得=100.05MPa 查手冊(cè)可知 45 鋼的屈服強(qiáng)度s=355MPa，所以選取的壁厚滿足要求。 3.4.3 缸筒壁厚 的驗(yàn)算 計(jì)算求得的壁厚 值后，應(yīng)滿足一下四點(diǎn)要求，以保證液壓缸的安全 工作 （1）液壓缸額定壓值應(yīng)低于一定的極限值，保證工作安全： N p 22 1 2 1 0.35 s N DD p D (3-7) (3-8) (3-9) 全套圖紙加扣 3012250582 - 13 - 式中 D1為液壓缸筒直徑 ，s為缸 1 21602 17194mmDD 筒材料的屈服強(qiáng)度 355MPa，D 為液壓缸內(nèi)徑 160mm。將數(shù)據(jù)代入公式 （3-9）中得。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)中選取的是為 16MPa，所以39.7MPa N p N p 滿足要求。 （2）為了避免缸筒在移動(dòng)時(shí)發(fā)生塑性變形，液壓缸的額定壓力值 N p 應(yīng)與塑性變形有一定的比例范圍： 0.35 0.42 NPL pp 1 2.3log PLs D p D 式中為缸筒發(fā)生完全塑性變形時(shí)的壓力 PL p 將數(shù)值代入公式（3-10） （3-11）得： 68.3MPa PL p 23.9 28.7 MPa N p 顯然滿足要求。 （3）缸筒徑向變形D 值應(yīng)在允許范圍內(nèi)，而不應(yīng)超出密封件允許范 圍： 22 1 22 1 T DpDD D EDD 式中為液壓缸耐壓試驗(yàn)壓力 T p 1.524MPa TN pp 為缸筒材料的泊桑系數(shù)，鋼材 =0.3，E 為缸筒材料彈性模數(shù)，45 鋼取 210GPa。把數(shù)據(jù)代入公式（3-12）中得D=0.102mm。 （4）為了確保液壓缸的安全使用，缸筒的爆裂壓力應(yīng)大于耐壓試 E p 驗(yàn)壓力： T p 1 2.3log EB D p D 式中為缸筒發(fā)生爆裂時(shí)的壓力，b缸筒材料的抗拉強(qiáng)度，45 鋼 E p b=600MPa。將數(shù)據(jù)代入公式（3-13）計(jì)算求得的，因?yàn)?15.5MPa E p ，所以可以保證液壓缸的安全。 ET pp? 3.4.4 缸筒底部厚度 的計(jì)算 缸筒底部為平面時(shí)，其厚度可按照四周嵌住的圓盤(pán)如圖 3-2 強(qiáng)度公式 進(jìn)行近似計(jì)算： (3-10) (3-11) 3-12（） 3-13（） 全套圖紙加扣 3012250582 - 14 - 圖 3-2 缸筒底部平面 0 0.433 N p D 式中 為缸筒底部厚度，D0為計(jì)算厚度處直徑暫取 140mm，為液 N p 壓缸額定壓力 16MPa，為缸筒底部材料許用應(yīng)力 240MPa。將數(shù)據(jù)代 入公式（3-14）中得 15.6mm。 3.4.5 缸底與缸筒的連接 為了使液壓缸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，采用焊接連接對(duì)其強(qiáng)度計(jì)算如 下： 22 11 4F Dd D1為液壓缸外徑 194mm，d1為焊縫底徑 140mm， 為焊縫效率，可 取 =0.7，為油缸推力， 為材料許用應(yīng)力，將數(shù)據(jù)帶入公式（3-15）F 中得。因?yàn)?，故?qiáng)度足夠。31.4MPa 240MPa 3.5 活塞的設(shè)計(jì) 常用的活塞結(jié)構(gòu)形式有整體式和分體式，參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選取整體 式活塞。整體式活塞結(jié)構(gòu)形式如圖 3-3，密封件導(dǎo)向環(huán)（支承環(huán)）分槽安 裝。材料選用 HT300，活塞與缸筒接觸采用 O 型密封。 3-14（） 3-15（） 全套圖紙加扣 3012250582 - 15 - 圖 3-3 活塞結(jié)構(gòu) 3.6 活塞桿的設(shè)計(jì) 3.6.1 活塞桿的結(jié)構(gòu) 活塞桿的桿體分為實(shí)心和空心兩種。實(shí)心桿加工簡(jiǎn)單，較多采用。本 次設(shè)計(jì)采用實(shí)心桿。 3.6.2 活塞桿的外端結(jié)構(gòu) 活塞桿外端是液壓缸用以與負(fù)載連接的部位，外端結(jié)構(gòu)形式有很多， 見(jiàn)與負(fù)載的工作形式采用如圖 3-4 的單耳環(huán)（帶球鉸）結(jié)構(gòu)形式。 圖 3-4 單耳環(huán)（單耳環(huán)） 3.6.3 活塞桿內(nèi)端結(jié)構(gòu)（活塞桿與活塞的連接） 活塞桿的內(nèi)端是用來(lái)與活塞連接的部位。采用卡環(huán)式連接如圖 3-5， 全套圖紙加扣 3012250582 - 16 - 連接強(qiáng)度可靠?；钊麠U上 4 上開(kāi)有一個(gè)環(huán)形槽，槽內(nèi)裝有兩個(gè)半圓環(huán) 1 以 夾緊活塞 5，半環(huán) 1 由擋環(huán) 2 擋住，擋環(huán) 2 的軸向位置用彈簧卡圈 3 來(lái)確 定。 圖 3-5 卡環(huán)式連接 3.7 活塞桿的導(dǎo)向、密封和防塵 在液壓缸前端蓋內(nèi)，有對(duì)活塞桿導(dǎo)向的內(nèi)孔；有對(duì)缸筒有桿側(cè)腔密封 的密封件；有活塞桿內(nèi)縮時(shí)刮出附著在表層的雜質(zhì)、灰塵和水分的防塵圈。 3.7.1 活塞桿的導(dǎo)向 前端蓋用碳素鋼制成，其內(nèi)孔安裝有用高強(qiáng)度塑料或纖維復(fù)合材料等 非金屬材料的導(dǎo)向環(huán)，對(duì)活塞桿導(dǎo)向。特點(diǎn)：用高強(qiáng)度塑料或纖維復(fù)合材 料制造導(dǎo)向環(huán)。活塞桿與前端蓋為非金屬接觸，摩擦阻力低，耐磨、使用 壽命長(zhǎng)，裝導(dǎo)向環(huán)溝槽加工簡(jiǎn)單。當(dāng)磨損后，導(dǎo)向環(huán)更換方便。 3.7.2 活塞桿的密封 活塞桿的密封采用組合式密封圈，它由兩個(gè)不同元件組成：一個(gè)是用 聚四氟乙烯鍵入青銅填料制造的階梯型密封圈（主密封件） ，另一個(gè)是 O 型密封圈（彈性元件和副密封作用） ，如圖 3-6 所示。 全套圖紙加扣 3012250582 - 17 - 圖 3-6 組合式密封 組合式密封圈具有低摩擦阻力、起動(dòng)時(shí)無(wú)爬行、極低的泄漏量和抗磨 損等特點(diǎn)。 3.7.3 活塞桿的防塵 活塞桿的防塵，目前采用做多的是雙唇型防塵圈如圖 3-7 所示。 圖 3-7 雙唇型防塵圈 外唇起防塵作用，保持活塞桿表面干凈，內(nèi)唇相當(dāng)于密封唇口。當(dāng)活 塞桿外伸時(shí)，通過(guò)主密封圈粘在活塞桿表層的油膜，即被雙唇型防塵圈的 內(nèi)唇（密封唇口）刮下，這樣就在主密封圈與防塵圈之間保留一層油膜， 起潤(rùn)滑作用，提高了密封圈的使用壽命。 3.8 緩沖裝置 液壓缸的行程終端緩沖裝置可使帶著負(fù)載的活塞到達(dá)行程終端時(shí)減速 到零，目的是消除因活塞的慣性力和液壓力所造成的活塞與端蓋之間的機(jī) 械撞擊，同時(shí)也是為了降低活塞在改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)液體發(fā)出的噪聲。 緩沖裝置的工作眼里是利用活塞或缸筒在其走向行程終端時(shí)封住活塞 全套圖紙加扣 3012250582 - 18 - 和缸蓋之間的部分油液，強(qiáng)迫它從小孔或細(xì)縫中擠出，以產(chǎn)生很大的阻力， 使工作部件受到制動(dòng)，逐漸減慢運(yùn)動(dòng)速度，達(dá)到避免活塞和缸蓋相互撞擊 的目的。 如圖 3-8 所示采用環(huán)形縫隙節(jié)流的緩沖裝置，當(dāng)緩沖柱塞進(jìn)入與其相 配的缸蓋上的內(nèi)孔時(shí)，孔中的液壓油只能通過(guò)間隙 排出，使活塞速度降 低。由于配合間隙不變，故隨著活塞運(yùn)動(dòng)速度的降低，其緩沖作用。 圖 3-8 環(huán)形縫隙節(jié)流緩沖裝置 3.9 進(jìn)、出油口尺寸 液壓缸的進(jìn)、出油口布置在缸筒和后端蓋上面，并且采用螺紋的連接 方式如圖 3-9 所示。 圖 3-9 進(jìn)、出油口尺寸 由于系統(tǒng)工作壓力是 16MPa，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選取 EC=M332。 全套圖紙加扣 3012250582 - 19 - 3.10 安裝連接元件的確定 桿用耳環(huán)安裝在活塞桿外端部，通常用螺紋連接。單耳環(huán)式帶軸套 （軸套為圓柱體，材料為青銅） 。缸筒用耳環(huán)與缸筒后端蓋做成一體，同 樣采用帶球鉸軸套耳環(huán)。耳環(huán)具體尺寸根據(jù) HSG 型工程液壓缸選取。 3.11 本章小結(jié) 本章變幅液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算是整篇論文中最重要的一部分。主要包 括了變幅油缸推力的計(jì)算，液壓缸的內(nèi)徑、活塞桿直徑、缸筒壁厚等計(jì)算。 通過(guò)這些計(jì)算得出液壓缸的各部分的具體尺寸，然后根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)尺寸 畫(huà) CAD 圖紙。 全套圖紙加扣 3012250582 - 20 - 第 4 章 變幅系統(tǒng)中其他元件的選擇 4.1 液壓泵的選擇 確定液壓泵的最大工作壓力 P 1p PPP 式中 P1為液壓缸或液壓馬達(dá)最大工作壓力 P1=25MPa，為從液P 壓泵出口到液壓缸或液壓馬達(dá)進(jìn)口之間的管路損失。的初算時(shí)可按P 照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取：管路簡(jiǎn)單、流蘇不大時(shí)取=（0.20.5）MPa；管路P 復(fù)雜、進(jìn)口有調(diào)速閥的，取=（0.51.5）MPa。P 將數(shù)據(jù)代入公式（4-1）得 Pp=25MPa。工程機(jī)械廣泛使用高壓齒輪泵 和柱塞泵。由于齒輪泵的轉(zhuǎn)動(dòng)部分對(duì)稱(chēng)旋轉(zhuǎn)體允許高速旋轉(zhuǎn)，但提高壓力 受到泄露損失的限制，而且泵的徑向力易不平衡，提高壓力會(huì)使軸承負(fù)載 過(guò)大。所以在此次起重機(jī)的設(shè)計(jì)中，選取直列式徑向柱塞定量泵 JB-G73， 額定壓力為 25MPa，排量為 73mL/r，轉(zhuǎn)速為 1500r/min，驅(qū)動(dòng)功率為 55kW，容積效率為 0.95。 4.2 液壓閥的選擇 液壓閥的選取參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五卷，換向閥選取 WMM 三位 四通手動(dòng)換向閥，平衡閥選取 FD32FA10 平衡閥，單向閥選取 RVP 型單 向閥，溢流閥選取 DB 型溢流閥。 4.3 濾油器的選擇 參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選取 ZU-H1