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

全套圖紙加扣 3012250582 - I - 液壓起重機變幅系統(tǒng)設(shè)計液壓起重機變幅系統(tǒng)設(shè)計 摘摘 要要 隨著經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，我國的基礎(chǔ)建設(shè)力度正逐漸加大。道路交 通、機場、港口、水利水電、市政建設(shè)等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)規(guī)模也越來越大。 市場上液壓起重機的需求也隨之增加。液壓起重機是各種工程建設(shè)廣泛運 用的重要起重設(shè)備。它是用來對物料進行起重、運輸、裝卸或安裝等作業(yè) 的機械設(shè)備。作為主要施工機械在工業(yè)和民用建筑中得到廣泛運用。它對 減輕勞動強度、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、 實現(xiàn)工程施工機械化起著十分重要的作用。 本設(shè)計的主要任務(wù)是查閱相關(guān)的資料和文獻，確定起重機變幅系統(tǒng)的 方案以及變幅機構(gòu)三鉸點的位置。根據(jù)已知數(shù)據(jù)，對起重機的變幅液壓缸 進行設(shè)計和計算。根據(jù)計算的數(shù)據(jù)畫 CAD 圖紙。最后對變幅系統(tǒng)的其他 主要元件進行選取。變幅系統(tǒng)中變幅液壓缸的設(shè)計和計算是整個系統(tǒng)設(shè)計 的重點。變幅液壓缸的設(shè)計與計算主要參照新編液壓工程手冊和機 械設(shè)計手冊中的公式。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 液壓起重機；變幅機構(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 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢.1 第 2 章 變幅系統(tǒng)方案和變幅機構(gòu)三鉸點的確定.4 2.1 變幅系統(tǒng)方案的確定.4 2.1.1 變幅機構(gòu)布置形式的確定.4 2.1.2 變幅機構(gòu)液壓回路方案的確定.5 2.2 變幅機構(gòu)三鉸點的確定.5 2.2.1 三鉸點的運動和受力要求.6 2.2.2 臂架油缸鉸點位置確定.6 2.3 本章小結(jié).8 第 3 章 變幅液壓缸的設(shè)計與計算.9 3.1 液壓缸的定義和組成.9 3.2 起重機變幅油缸推力計算.9 3.3 液壓缸的基本機構(gòu)設(shè)計.10 3.3.1 內(nèi)徑 D 的計算.10 3.3.2 活塞桿直徑 D 的計算.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 的計算.12 3.4.3 缸筒壁厚 的驗算.12 3.4.4 缸筒底部厚度 的計算.13 3.4.5 缸底與缸筒的連接.14 3.5 活塞的設(shè)計.14 3.6 活塞桿的設(shè)計.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、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.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 工程起重機是各種工程建設(shè)廣泛運用的重要起重設(shè)備，是用來對物料 進行起重、運輸、裝卸或安裝等作業(yè)的機械設(shè)備，在工業(yè)和民用建筑中作 為主要施工機械而得到廣泛運用。它對減輕勞動強度、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，實現(xiàn)工程施工機械化起著十分重 要的作用。目前我國是世界上使用工程起重機最大的國家之一。 近年來，隨著工程建設(shè)規(guī)模的擴大，起重安裝工程量越來越大，吊裝 能力、作業(yè)半徑和機動性能的更高要求促使起重機發(fā)展迅速，具有先進水 平的塔式起重機和汽車起重機已成為機械化施工的主力。相對于其他起重 機，液壓起重機不僅具有移動方便，操作靈活，易于實現(xiàn)不同位置的吊裝 等優(yōu)點，而且對其進行驅(qū)動和控制的液壓系統(tǒng)易于實現(xiàn)改進設(shè)計。 隨著液壓傳動技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓起重機已經(jīng)成為各起重機生產(chǎn)廠 家主要發(fā)展對象。隨著中國社會的發(fā)展，社會生活中對起重機的需求越來 越大，所以起重機的研發(fā)越來越緊迫，由于液壓式起重機轉(zhuǎn)場靈活，從而 方便快捷，所以進幾年我國的液壓式起重機發(fā)展很快。但是，與國外液壓 式起重機相比，國外液壓式起重機技術(shù)得到了飛速發(fā)展，為了降低整機成 本，提高性能，整機質(zhì)量越來越小，在起重性能相同的情況下，自重約比 十年前降低了 20左右，由于車輛自重的減小，使車輛采用盡可能少的軸 數(shù)（尤其是大噸位起重機）這樣大大簡化了車輛的結(jié)構(gòu)，成本降低，同時 提高了起重機的作業(yè)能力及使用經(jīng)濟性。所以，同等噸位的銷售價較前十 年有大幅下降，對中國國內(nèi)市場造成了很大沖擊，因此，對我國的液壓式 起重機的生產(chǎn)者來說是一個嚴(yán)峻的考驗。液壓起重機的變幅系統(tǒng)是起重機 的最主要的部分，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到起重機的性能，所以加大對液壓式 起重機變幅系統(tǒng)的設(shè)計的研究，努力創(chuàng)新和借鑒外國經(jīng)驗是當(dāng)務(wù)之急。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 20 世紀(jì) 50 年代，我國的起重機行業(yè)才開始起步，后來通過引進國外 的先進技術(shù)，在學(xué)習(xí)改進的基礎(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， 整個工程機械行業(yè)才真正煥發(fā)出了蓬勃發(fā)展的趨勢。國內(nèi)汽車起重機的主 要生產(chǎn)廠家有徐州重型機械廠、長沙中聯(lián)重工科技發(fā)展股份有限公司浦沅 全套圖紙加扣 3012250582 - 2 - 分公司和三一集團起重機公司等。 徐州重型機械廠作為工程機械行業(yè)專業(yè)的研發(fā)、制造工廠，其不僅生 產(chǎn)全液壓汽車起重機，而且生產(chǎn)銷售消防車、泵車及其他工程機械機種。 目前已發(fā)展成為我國最大的汽車起重機生產(chǎn)制造廠家，形成年產(chǎn)最少 8000 余臺汽車起重機的生產(chǎn)能力，國內(nèi)市場占有率超過 50%。其主要產(chǎn)品有 5t-80t 全液壓汽車起重機、25t-200t 全路面汽車起重機、25t 液壓輪胎起重 機等，并已研發(fā)出更高噸位的機型，圖 1-1 為輪胎起重機。 圖 1-1 輪胎起重機 長沙中聯(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、汽車起重機以及特種工程機械車輛。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、焊接機器人等 2000 多套設(shè) 備。該公司產(chǎn)品采用流線型雙開門駕駛室，應(yīng)用高強鋼提升了產(chǎn)品的穩(wěn)定 性。在 QY130H 設(shè)計中采用了新型伸縮方式，降低油缸負(fù)載，解決超長油 缸的穩(wěn)定性問題；采用具有人性化設(shè)計的操縱室，可向上傾斜，免除司機 高空作業(yè)長期仰視的疲勞；采用 PLC 計算機集成控制系統(tǒng)與雙驅(qū)動回轉(zhuǎn)系 統(tǒng)，圖 1-2 為 QY130H 圖片。 圖 1-2QY130H 起重機 全套圖紙加扣 3012250582 - 3 - 三一集團汽車起重機公司從 2003 年起，在消化國內(nèi)外汽車起重機先 進技術(shù)的前提下，自主研發(fā)了 QY16、QY25、QY50 三個系列產(chǎn)品，在汽 車起重機行業(yè)內(nèi)獨樹一幟，代表著國內(nèi)中小噸位汽車起重機的先進水平。 此后，其在完善生產(chǎn)線自制工藝裝備的同時引進了一些國際先進的設(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)在三一的汽車起重機產(chǎn)品己 在國內(nèi)初步形成較強的市場競爭力。 近二十年世界工程起重機行業(yè)發(fā)生了巨大的變化,不管是在產(chǎn)品還是市 場分布都有很大不同,伴隨著快速發(fā)展的世界經(jīng)濟和日益激烈的市場競爭, 世界工程機械市場逐步走向統(tǒng)一化。美洲、歐洲和亞洲已經(jīng)成為最主要的 生產(chǎn)基地和銷售市場,歐美洲擁有包括以利勃海爾集團、馬克托瓦克公司、 格魯夫公司等為代表的眾多工程機械大集團,而亞洲主要以日本的多田野、 加藤等公司為代表。 利勃海爾集團由漢斯-利勃海爾在 1949 年建立,其起重機具有該集團研 發(fā)的裝備渦輪增壓器的六缸發(fā)動機和數(shù)據(jù)總線控制雙項技術(shù)的驅(qū)動系統(tǒng),采 用 LIAS 驅(qū)動和 ZF-AS-TRONIC 12 速全自動變速箱可以降低燃油消耗,而 制動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)熱帶來的危險。ABS 防抱死系統(tǒng)和 TCS 牽引控制系統(tǒng)。同 時,利勃海爾起重機的轉(zhuǎn)向技術(shù)非常智能,其由后輪獨立轉(zhuǎn)向,能夠保證通過 前橋控制行駛過程中后橋的轉(zhuǎn)向角度,而且,后橋的轉(zhuǎn)向角會在加速時自行 變小,而速度小于一定值時車體始終保持直線狀態(tài)且轉(zhuǎn)向油缸自動鎖定。采 用獨立的后輪轉(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。 該集團在世界擁有 13 家起重機專業(yè)生產(chǎn)廠,其中一家為中國張家港波坦公 司。該公司的產(chǎn)品由于具有先進的技術(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)。格魯夫公司的強項是越野輪胎起重機和汽車起重 機,其于 1999 年收購了德國的克虜伯輪式起重機公司,成為全路面起重機市 場上三足鼎立的一支。 日本的起重機技術(shù)也比較成熟,其可以生產(chǎn)輪胎起重機、履帶起重機和 汽車起重機等多種機型,銷量最好的是越野輪胎起重機,其次便是汽車起重 機。日本的汽車起重機技術(shù)注重適應(yīng)性與經(jīng)濟性,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化。上車液壓 系統(tǒng)采用中高壓多聯(lián)齒輪泵,下車的動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)幾乎全應(yīng)用汽車的 通用配套件。 全套圖紙加扣 3012250582 - 4 - 第 2 章 變幅系統(tǒng)方案和變幅機構(gòu)三鉸點的確定 2.1 變幅系統(tǒng)方案的確定 2.1.1 變幅機構(gòu)布置形式的確定 全液壓起重機的變幅機構(gòu)使用液壓缸來驅(qū)動動臂變幅。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。前傾式缸對吊臂的作 用力臂長，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 度短，改善了吊臂的受力狀況。其缺點是：變幅液壓缸行程長，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。由于吊臂擺動鉸點位置在前，吊臂長度可以設(shè)計得短一些， 吊臂前方的有效工作空間也較大。但后拉式在提升吊臂時，液壓缸只能是 小腔進油，推力小，所以只能用在小型輪胎式起重機上7。前傾式變幅機 構(gòu)如圖 2-1 所示。 圖 2-1 前傾式變幅機構(gòu) 前傾式變幅機構(gòu)因液壓缸前傾，其對動臂作用力臂較長，變幅缸的推 力可以較小些，故缸徑較小。因臂的懸臂長度較短，對臂受力有利。但也 有液壓缸行程較長，臂下方空間較小的缺點。大多數(shù)全液壓汽車起重機都 采用此布置形式。前傾式變幅機構(gòu)可以采用一個油缸也可采用兩個油缸。 本次變幅系統(tǒng)方案確定為前傾式變幅機構(gòu)，采用兩個變幅油缸。液壓缸采 全套圖紙加扣 3012250582 - 5 - 用雙作用液壓缸7。 2.1.2 變幅機構(gòu)液壓回路方案的確定 變幅機構(gòu)在工作裝置作業(yè)時，其液壓缸處于閉鎖狀態(tài)，受負(fù)載較大， 要求不能無控制自動回縮。變幅缸的內(nèi)漏和外漏會使工作幅度變大而造成 重大事故。另外，變幅機構(gòu)落臂時，因載荷的重力作用，會產(chǎn)生重力超速 現(xiàn)象，需要限速措施。因此，在此機構(gòu)中必須設(shè)置限速裝置。國內(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 保證整個下降過程為勻速過程6。變幅機構(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，平衡閥的開度大小是由供油壓力控制的，當(dāng)落臂速 度過大時，供油壓力減小，從而平衡閥的開口減小落臂速度下降；反之， 落臂速度過小時，供油壓力增大平衡閥開口也隨之增大，從而落臂速度上 升，最終保證落臂速度恒定。在變幅機構(gòu)工作時，平衡閥又能具有良好的 密封性6。 2.2 變幅機構(gòu)三鉸點的確定 起重機的三鉸點是指臂架與轉(zhuǎn)臺相接的鉸點、臂架與變幅液壓缸相接 的鉸點、變幅液壓缸與轉(zhuǎn)臺相連接的鉸點。三鉸點布置是否合理，對總體 設(shè)計影響較大。理想的三鉸點可使液壓缸受力好，油壓波動小，液壓缸參 數(shù)合理，整機重量輕，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 三鉸點的運動和受力要求 三鉸點可簡化如圖 2-3 所示的液壓缸機構(gòu)，其中 OB 為機架（起重機 上的轉(zhuǎn)臺） 、OA 為搖桿（起重機上的臂架） 、液壓缸缸筒與機架鉸接于 B 點、液壓缸缸桿與連架桿鉸接于 A 點、 為搖桿 OA 的擺角， 小于 90， 一般在-280， 是機構(gòu)運動的傳動角。當(dāng)液壓缸伸長是，A 點由 A1到 A2 繞 O 點作半徑為搖桿 OA 長的圓周運動；AB 為液壓缸長，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 O 至回轉(zhuǎn)中心線之距 E 值的確定，對整機外形尺寸造型總重， 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，可使上車重心后移，減小起重機行駛狀態(tài)下的前橋軸荷，但 同時降低工作時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 O 至地面的距離受整機高度限制，其值大，整車 重心提高，影響行駛穩(wěn)定性，一般在 23m。 圖 2-3 液壓缸機構(gòu) 起重機變幅液壓缸受力受載荷、臂長、幅度的影響，在工作過程中盡 量是變幅液壓缸推力隨臂架仰角而變化的曲線平穩(wěn)，也就是機構(gòu)的傳動角 變化要小，只有這樣變幅液壓缸能夠具有良好的工作環(huán)境和合理的機構(gòu)鉸 點形狀。 2.2.2 臂架油缸鉸點位置確定 如圖 2-4 變幅機構(gòu)三鉸點，把變幅機構(gòu)三鉸點的集合關(guān)系簡化為三角 形 OAB，此三角形隨著變幅油缸的伸長和縮短而變化。 全套圖紙加扣 3012250582 - 7 - 圖 2-4 變幅機構(gòu)三鉸點 如圖 2-5 變幅機構(gòu)運動軌跡所示，吊臂位于水平位置時，=0，此時 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 O 轉(zhuǎn)動到某一位置時，吊臂與水平線夾角為 ，變幅油缸也隨之伸長。 圖 2-5 變幅機構(gòu)運動軌跡 (1)鉸點幾何位置的計算 在三鉸點中，A（XA，YA）點橫坐標(biāo) XA，絕對值在 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外邊緣尺寸決定， 根據(jù)實際安裝形式可取 YA=0.5m。B（XB，YB）點縱坐標(biāo) XB一般取 1/31/2 的基本臂長，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，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 因為吊臂仰角一般-280，可取仰角為最小角即可計算出油缸最小安 (2-1) (2-2) 全套圖紙加扣 3012250582 - 8 - 裝長度（初始安裝長度） 。當(dāng)?shù)醣劢嵌茸畲鬄?80時，可計算出油缸最大安 裝長度（極限位置長度） 。 (2)初始位置安裝長度 ABmin =min=20 22 min 2cosABOAOBOA OB 將數(shù)據(jù)代入公式（2-3）得 ABmin=2617mm (3)極限位置時變幅油缸長度 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)和變幅機構(gòu)三鉸點，然后對三鉸點的受力進 行分析，根據(jù)已知的數(shù)據(jù)，計算出液壓缸的安裝長度和最大變幅長度，從 而算出變幅油缸的行程。為下一章變幅液壓缸的設(shè)計與計算打好基礎(chǔ)。 (2-3) 全套圖紙加扣 3012250582 - 9 - 第 3 章 變幅液壓缸的設(shè)計與計算 3.1 液壓缸的定義和組成 液壓缸又稱油缸，其作用類似液壓馬達(dá)，它將液壓系統(tǒng)提供的液壓能 轉(zhuǎn)變成機械能，與液壓馬達(dá)不同的是，液壓缸用來實現(xiàn)直線運動或轉(zhuǎn)角行 程不超過 360 度的回轉(zhuǎn)運動，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 起重機變幅油缸推力計算 受力分析如圖 3-1 所示 圖 3-1 受力分析圖 設(shè) O 點為原點，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。由于此次采用兩個液壓缸，所以每 4 62.3 10 N mF 個液壓缸的推力即/2FF 4 31.15 10 N mF 3.3 液壓缸的基本機構(gòu)設(shè)計 起重機工作負(fù)載高，為了使機械的結(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)計中根據(jù)實際工作的需求，液壓系統(tǒng)的壓力為 16MPa。臂桿變幅機構(gòu)主要是通過變幅油缸的變化來實現(xiàn)臂桿的變幅，對 其要求是能夠在負(fù)載的情況下實現(xiàn)變幅，并且要求工作平穩(wěn)，無沖擊。由 于在變幅過程中，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，時期能 夠保證在有負(fù)載的時候?qū)崿F(xiàn)快速提升，緩慢下降。本次主要對變幅機構(gòu)液 壓系統(tǒng)的油缸進行設(shè)計計算。 3.3.1 內(nèi)徑 D 的計算 根據(jù)液壓缸負(fù)載力 F 和工作壓力 P 確定 4F D P 式中為一個變幅油缸的推力，P 為變幅油缸工作壓力，本次設(shè)計取F 16MPa，將數(shù)據(jù)代入公式中可得 D=158mm。查機械設(shè)計手冊表如下： 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 的計算 活塞桿直徑 d 一般按液壓缸往復(fù)運動速度比 計算， (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)運動比參見表 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，一般主要受軸向拉壓作用力，因此活塞桿的強度驗算 可直接按直桿拉壓公式計算，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。 因為 ，所以滿足強度要求。 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 缸和其他機件連接起來的作用。 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)簡單，外形尺寸 小，不過焊后變形，清洗拆裝有困難。 3.4.2 缸筒壁厚 的計算 當(dāng) /D0.08 時（可按薄壁缸的缸筒的使用計算式） max 2 pD 當(dāng) /D=0.080.3 時 max max 2.33 pD p 當(dāng) /D0.3 時 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 查機械設(shè)計手冊取 =17mm，得 17 0.106 160D 故代入公式（3-7）得=100.05MPa 查手冊可知 45 鋼的屈服強度s=355MPa，所以選取的壁厚滿足要求。 3.4.3 缸筒壁厚 的驗算 計算求得的壁厚 值后，應(yīng)滿足一下四點要求，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。因為本次設(shè)計中選取的是為 16MPa，所以39.7MPa N p N p 滿足要求。 （2）為了避免缸筒在移動時發(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 驗壓力： T p 1 2.3log EB D p D 式中為缸筒發(fā)生爆裂時的壓力，b缸筒材料的抗拉強度，45 鋼 E p b=600MPa。將數(shù)據(jù)代入公式（3-13）計算求得的，因為115.5MPa 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 的計算 缸筒底部為平面時，其厚度可按照四周嵌住的圓盤如圖 3-2 強度公式 進行近似計算： (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)簡單，工作可靠，采用焊接連接對其強度計算如 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。因為，故強度足夠。31.4MPa 240MPa 3.5 活塞的設(shè)計 常用的活塞結(jié)構(gòu)形式有整體式和分體式，參考機械設(shè)計手冊選取整體 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 3.6.1 活塞桿的結(jié)構(gòu) 活塞桿的桿體分為實心和空心兩種。實心桿加工簡單，較多采用。本 次設(shè)計采用實心桿。 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 - 連接強度可靠。活塞桿上 4 上開有一個環(huán)形槽，槽內(nèi)裝有兩個半圓環(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)，有對活塞桿導(dǎo)向的內(nèi)孔；有對缸筒有桿側(cè)腔密封 的密封件；有活塞桿內(nèi)縮時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)孔安裝有用高強度塑料或纖維復(fù)合材料等 非金屬材料的導(dǎo)向環(huán)，對活塞桿導(dǎo)向。特點：用高強度塑料或纖維復(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，裝導(dǎo)向環(huán)溝槽加工簡單。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，它由兩個不同元件組成：一個是用 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、起動時無爬行、極低的泄漏量和抗磨 損等特點。 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，通過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 械撞擊，同時也是為了降低活塞在改變運動方向時液體發(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封住活塞 全套圖紙加扣 3012250582 - 18 - 和缸蓋之間的部分油液，強迫它從小孔或細(xì)縫中擠出，以產(chǎn)生很大的阻力， 使工作部件受到制動，逐漸減慢運動速度，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)緩沖柱塞進入與其相 配的缸蓋上的內(nèi)孔時，孔中的液壓油只能通過間隙 排出，使活塞速度降 低。由于配合間隙不變，故隨著活塞運動速度的降低，其緩沖作用。 圖 3-8 環(huán)形縫隙節(jié)流緩沖裝置 3.9 進、出油口尺寸 液壓缸的進、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、出油口尺寸 由于系統(tǒng)工作壓力是 16MPa，查機械設(shè)計手冊選取 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)計與計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算，液壓缸的內(nèi)徑、活塞桿直徑、缸筒壁厚等計算。 通過這些計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 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)進口之間的管路損失。的初算時可按P 照經(jīng)驗數(shù)據(jù)選?。汗苈泛唵?、流蘇不大時取=（0.20.5）MPa；管路P 復(fù)雜、進口有調(diào)速閥的，取=（0.51.5）MPa。P 將數(shù)據(jù)代入公式（4-1）得 Pp=25MPa。工程機械廣泛使用高壓齒輪泵 和柱塞泵。由于齒輪泵的轉(zhuǎn)動部分對稱旋轉(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，提高壓力會使軸承負(fù)載 過大。所以在此次起重機的設(shè)計中，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械設(shè)計手冊第五卷，換向閥選取 WMM 三位 四通手動換向閥，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 參考機械設(shè)計手冊選取 ZU-H1