輪式起重機液壓缸結構設計【三維SW模型】【含9張CAD圖紙】

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大大連大大學學2018屆屆學學生生畢業(yè)論文文(設計)中中期期檢查表表題目輪式起重機液壓缸結構設計指導教師李吉職稱教授學生姓名樂皓宇閱讀文獻數(shù)15初稿完成時間2018-04-20工 作 量較少 適中較多 出勤情況較好 一般較差 工作進度快 按進度進行慢 任 務 書有開題報告有中期工作結論中調整情況無教研室主任意見同意教研室主任(簽名)：王建維日期：2018-04-20學院意見同意教學院長(簽名)：吳蒙華日期：2018-04-23附錄A 外文翻譯 具有可編程閥的單桿液壓缸的節(jié)能控制和改進的工作模式選擇 摘要 本文研究了一種單桿液壓缸的節(jié)能自適應魯棒精度運動控制方法。本研究中使用的可編程閥門是五種比例閥的獨特組合，它的連接方式是，米和米的流量可以由四個閥門獨立控制，以及由第五個閥門控制的真實的橫口流量?？删幊痰拈y門將米進和米出流分離開來，提供了巨大的靈活性來控制氣缸的運動，同時利用負載的勢能和動能減少能量的使用。本文研究了可編程閥的不同工作條件，并提出了一種簡單而有效的方法，即基于理想狀態(tài)和當前狀態(tài)的可編程閥。 介紹 液壓系統(tǒng)的使用在整個工業(yè)中都很普遍，因為它的體積比大。液壓系統(tǒng)在建筑和農業(yè)領域的應用非常廣泛，非常適合這些應用。近年來，趨勢是用電動調節(jié)閥代替機械閥門。電動液壓閥的使用意味著復雜的電子控制可以應用于控制系統(tǒng)。由于高度非線性的水力動力學[9]，液壓系統(tǒng)的控制是遠遠不夠的。此外，體積模量等參數(shù)隨油溫變化和部件磨損而發(fā)生劇烈變化。在建筑和農業(yè)機械的情況下，由液壓缸驅動的機械系統(tǒng)本身可能是高度非線性的。通常，機械連接的參數(shù)可能會有很大的變化，通常是未知的，例如外部負載。此外，外部擾動、泄漏和摩擦等重要的不確定非線性也不清楚，不能精確建模[3]。這些因素對液壓系統(tǒng)的控制有很大的困難。 電動液壓閥的出現(xiàn)和復雜數(shù)字控制的結合大大提高了液壓系統(tǒng)的性能。采用傳統(tǒng)的四路換向閥的系統(tǒng)能夠滿足Bu和Yao所示的高性能規(guī)格，但不能同時提供精確的運動控制和單個氣缸腔壓力控制，以實現(xiàn)更好的節(jié)能。有一個典型的四路方向控制閥，只有兩個氣缸狀態(tài)之一(壓力)，是完全可控的，并且有一個一維的內部動力學。雖然一維內部動力學是穩(wěn)定的[3]，但它不能被任何控制策略修改。一旦指定了所需的運動，控制輸入是唯一確定的，這使得調節(jié)單個氣缸腔的壓力不可能節(jié)省能量。其結果是，雖然可以實現(xiàn)高性能跟蹤，但同時高水平的節(jié)能是不能實現(xiàn)的。無法控制的狀態(tài)是由于在一個典型的方向控制閥中，米-in和米-out孔是機械連接在一起的。這是典型的四通方向控制閥的一個基本缺點。如果這一環(huán)節(jié)被破壞，閥門的靈活性就會大大提高，從而大大提高液壓效率[6]。 打破米與米之間的機械連接的技術是眾所周知的，已經(jīng)在重工業(yè)應用中使用了好幾年。通常情況下，閥芯閥被4個poppet類型的閥門所取代[6]。在整個移動液壓行業(yè)，這一主題有許多細微的變化。Deere & Company、Moline、IL以及卡特彼勒公司、Joliet、iland和Moog Inc.等公司的專利證明了這項技術的潛力[7,1,5]。 本研究中使用的閥門配置采用四閥桿式閥桿式閥門，并使附加的閥門能夠實現(xiàn)真正的跨端口流動。該配置允許獨立的米進，米出控制除了可獲得的跨端口再生流。其結果是一個可編程的閥門能夠控制每個氣缸的狀態(tài)，并為最佳的能源使用提供再生流。本研究中使用的可編程閥配置如圖1所示。 圖1所示.可編程閥布局 可編程閥的使用提供了多個輸入來控制兩個氣缸狀態(tài)。其結果是，兩個圓柱體，和，都完全可以控制。事實上，有多種方法來控制兩個圓柱體的狀態(tài)，這使得實現(xiàn)精確的運動控制和節(jié)省能源的目標成為可能。 本研究的目的是研究可編程閥門在實現(xiàn)高性能運動跟蹤和高節(jié)能的雙重目標方面的簡單而有效的應用。不同于以往的工作，本文提出了一種基于期望狀態(tài)和軌跡的工作模式選擇方法以及當前的壓力?？删幊痰拈y門是在一個機器人手臂上實現(xiàn)的，它模仿了一個典型的液壓系統(tǒng)的工業(yè)反鏟。 具體的控制器結構由任務級控制器和閥級控制器組成。任務級控制器計算所需的氣缸力，確定可編程閥的工作方式。該閥位控制器包括一個壓力調節(jié)器算法，以保持低的離側腔壓力和自適應魯棒控制器，以提供有效的運動控制，盡管存在各種不確定性和非線性。 本文的其余部分組織為:第1節(jié)介紹了實驗設置和動態(tài)模型。第2節(jié)詳細介紹了所需的基于氣缸的工作模式選擇。第3節(jié)提供了側壓力調節(jié)器和工作側弧運動控制器。第4節(jié)給出了仿真和實驗結果，第5節(jié)給出了結論。 圖2.液壓機械手的坐標系 1 問題的制定和動態(tài)模型 本文重點介紹了三自由度電動液壓機械手臂的臂架運動控制。系統(tǒng)的坐標系、關節(jié)角和物理參數(shù)如圖2所示。電動液壓機械手的動力學方程直接取自于Bu和Yao[4]。臂架運動的動力學可以描述。 其中和分別為氣缸的頭和桿端壓力，和分別是氣缸的頭和桿端區(qū)域，表示包括外部擾動和摩擦力矩等項的集中擾動力矩。 和的重心的坐標的坐標系,和堅持重心的坐標的坐標系,是貼的質量部門,未知的質量慣性加載附加到結束的手臂。為了簡單起見，假定慣性負載是一個點質量。慣性矩和重力都依賴于未知元素。因此，慣性矩和重力被分為兩部分。術語cj和)(2 q G c僅包含可計算的數(shù)量和術語)(2 q gl m G L和2e L L m，其中包含未知量L m)。未知的術語需要通過參數(shù)的適應來估計。忽略氣缸泄漏，可以將圓筒方程寫成[9]。 在和缸總量的頭部和桿端分別為和時初始控制卷,β是有效體積彈性模量。Q1和Q2分別是供給和回流。 對于圖1中的可編程閥，Q1和Q2是由下列式子得出， 孔口流量可以描述為 其中為非線性孔板流動映射，作為壓降、和孔板開口的函數(shù)，，與傳遞函數(shù)式(6)的命令電壓有關。 其中固有頻率和阻尼比分別是和。 由于非線性流映射很難準確地確定，因此假設 和代表的是近似的閥門映射和1和表示流映射的建模錯誤。錯誤的影響將通過強有力的反饋來處理。 附錄B 外文原文 大 連 大 學 本科畢業(yè)論文 (設計 )開題報告 論 文 題 目： 輪式 起重機液壓缸結構設計 學 院： 機械工程學院 專 業(yè) 班 級： 機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名： 樂皓宇 指導教師（職稱）： 李吉 （教授） 2018 年 1 月 12 日 填 畢業(yè)論文（設計）開題報告要求 開題報告既是規(guī)范本科生畢業(yè)論文工作的重要環(huán)節(jié)，又是完成高質量畢業(yè)論文 （設計）的有效保證。為了使這項工作規(guī)范化和制度化，特制定本要求。 一、選題依據(jù) 1.論文（設計）題目及研究領域； 2.論文（設計）工作的理論意義和應用價值； 3.目前研究的概況和發(fā)展趨勢。 二、論文（設計）研究的內容 1.重點解決的問題； 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）； 3.本論文（設計）預期取得的成果。 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）； 2.論文（設計）進度計劃。 四、文獻查閱及文獻綜述 學生應根據(jù)所在學院及指導教師的要求閱讀一定量的文獻資料，并在此基礎上通 過分析、研究、綜合 ，形成文獻綜述。必要時應在調研、實驗或實習的基礎上遞交相 關的報告。綜述或報告作為開題報告的一部分附在后面，要求思路清晰，文理通順， 較全面地反映出本課題的研究背景或前期工作基礎。 五、其他要求 1.開題報告應在畢業(yè)論文（設計）工作開始后的前四周內完成； 2.開題報告必須經(jīng)學院教學指導委員會審查通過； 3.開題報告不合格或沒有做開題報告的學生，須重做或補做合格后，方能繼續(xù)論 文（設計）工作，否則不允許參加答辯； 4.開題報告通過后，原則上不允許更換論文題目或指導教師； 5.開題報告的內容，要求打印 并裝訂成冊（部分專業(yè)可根據(jù)需要手寫在統(tǒng)一紙張 上，但封面需按統(tǒng)一格式打印）。 1 一、選題依據(jù) 1、研究領域 工程機械領域 、 CAD。 2、論文 研究 的理論意義和應用價值 起重機 是用來對物料進行起重、運輸、裝卸和安裝作業(yè)的機械， 完成靠人力無 法完成的物料搬運動作，以減輕人們的體力勞動，提高生產效率，在工廠、車站、 礦山、港口、建筑工地、倉庫、水電站等多個領域的部門中得到了廣泛的應用 。 近年來，隨著社會的發(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，由于汽車式起 重機轉場靈活，從而方便快捷，所以進幾年我國 的汽車式起重機發(fā)展很快。 輪式 起重機的 應用價值主要體現(xiàn)在如下幾方面 ： （ 1）裝卸貨物效率比較高。因為定位能力較好，貨物裝卸位置來回調整的時間 減少，工作效率得到提高。 （ 2）操作簡便快捷。準備工作步驟簡單和時間較短，貨物裝卸簡便快捷。 （ 3）節(jié)省作業(yè)成本。適合裝卸體積較大的貨物，人力和物力成本得到節(jié)約。 起重機上的傳動機構能完成復雜的機械運動，減輕體力勞動，提高生產效率， 主要依賴液壓缸與各種傳動機構密切配合，液壓缸在起重機主機中產值占比 3%- 7%，在液壓元件總產值中 約占 20%。起重機的液壓缸種類很多，而工況不盡相同， 特別是大噸位起重機液壓缸的種類更豐富。 圖 1 輪式 起重機上液壓缸的分布 單級液壓缸在 輪式 起重機 上的應用比較多，如變幅機構、支撐腿等，這類液壓 缸的 強度決定了最大起重量時整機起重性能，其自重直接影響整機傾覆穩(wěn)定性 。 因 而 單級液壓缸的 結構設計的優(yōu)劣，將直接影響整機的性能，如整機重量、整機重心 高度和整機穩(wěn)定性等。 本次 設計綜合應用所學專業(yè)的基礎理論和專業(yè)知識的能力，進一步鞏固和加深 對所學的知識，提高解決本專業(yè)范圍內的一般工程技術問題的能力 。培養(yǎng)自身 的設 計計算、工 程繪圖、數(shù)據(jù)處理、查閱文獻、外文資料的閱讀與翻譯、計算機應用、 文字表達等基本工作實踐能力。 3、目前研究的概況和發(fā)展趨勢 國外 輪式 起重機已形成了多方位多體系的產品構成，實現(xiàn)了產品品種系列化、 功能多元化和機電液一體化，廣泛用于一般起重吊裝與高空作業(yè)、設備檢測及維修 等行業(yè)。 瑞典是世界上生產制造 輪式 起重機比較早的國家， HIAB（希亞伯）公司生產 的一般用途折臂式產品的特點是結構緊湊，外形尺寸較小。日本主要的生產制造公 司有古河 UNIC、多田野、加藤等，各種類型的直臂式和折臂式產品都進行生，而 主要是直臂式產品。 我國 輪式 起重機的生產起步較晚， 70年代末，全國生產的 輪式 起重機產品品 種還非常單一，生產規(guī)模也很小；到 80年代， 輪式 起重機產品的品種及產量逐步呈 增長趨勢 。 目前，全國具備一定生產規(guī)模的 輪式 起重機廠家約有 10 多家，國有企業(yè) 主要有中聯(lián)重型機械科技有限公司、徐州 輪式 起重機公司、石家莊煤礦機械廠、山 西長治清華機械廠等，民營企業(yè)主要有由湖南專用汽車制造廠改制后分立成的湖北 程力汽車公司起重機公司、江西江環(huán)汽車有限公司及湖南飛濤專用汽車公司等。 在起重機液壓缸設計與制造理論的基礎上，深入地分析影響液壓缸可靠性的因 素，構建一個 比較有效的可靠性綜合評價模型對大噸位起重機液壓缸可靠性進行綜 合評價，為液壓缸可靠性評價提供一個分析工具，進而找出影響其可靠性的關鍵因 子，有針對性地提出相應的對策和措施。 液壓缸可靠性影響因素包括設計、原材料、熱處理、加工制造、裝配、試驗、 使用等。由于影響因素多，所以控制環(huán)節(jié)較多，失控風險大，特別是大噸位起重機 液壓缸因其缸徑桿徑大、行程長，在結構形式、材料、密封件的選型上受到限制， 可靠性更加難以控制。液壓缸制作出來，需要解決筒體及桿體原材料問題、筒體內 孔和桿體外圓加工問題、熱處理問題、密封件選型問題、試驗測試 問題等。 二、論文（設計）研究的內容 1.本論文 重點解決的問題； （ 1）分析 輪式 起重機液壓系統(tǒng)的組成原理，各液壓缸的分布區(qū)位置及工作原理，重 點分析單級液壓缸的使用與功能。 （ 2）設計起重機變幅機構的上單級液壓缸、垂直支撐腿的單級液壓缸，包含了液壓 缸筒、活塞、活塞桿等部件的設計。 2.擬開展研究的幾個主要方面（論文寫作大綱或設計思路）； 1.）收集 輪式 起重機相關的文獻資料，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 起重機的 變幅機構的液壓系統(tǒng)原理，設計變幅機構上的單級液壓缸 ； 3） 分析起重機的支腿機構的液壓系統(tǒng)原理，設計支腿機構上的單級液壓缸； 4）完成上述單級 液壓缸筒、活塞、活塞桿等部件計算，材料選擇，導向、密封 形式，液壓缸的安裝等。 5） 計算選擇合適的 液壓 閥 、油管 等液壓元件； 6） 繪制裝配圖及主要零件圖，編寫設計說明書。 3.本論文（設計）預期取得的成果。 1）完成單級液壓缸的裝配圖、各零件圖（ CAD繪制）； 2）完成設計說明書一份； 3）外文資料翻譯； 三、論文（設計）工作安排 1.擬采用的主要研究方法（技術路線或設計參數(shù)）； 本課題針對某汽車起重機 上的單級液壓缸的 結構設計，根據(jù)單級液壓缸所在位 置及功能 要求 ，確定液壓系統(tǒng) 傳動方案，進而采用傳統(tǒng)的 理論力學計算方法和現(xiàn)代 計算機輔助設計 方法對 液壓缸 進行設計和分析。 起重機主要的參數(shù)： 最大起重量： 60T； 起升高度為基本臂作業(yè) 10.2米，最長主臂作業(yè) 38米 ； 起重機的幅度 R=3m； 基本臂起重力矩為 150 tm，最長主臂的起重力矩為 85 tm； 2.論文（設計）進度計劃 ： 第 1-4 周 根據(jù)畢業(yè)設計任務書要求，收集參考文獻 資料，撰寫開題報 告； 學習 畢業(yè)設計中 所用軟件 等； 第 5-6 周 分析 輪式 起重的液壓系統(tǒng)組成及各部分的 功能，確定起重機液 壓缸的分布布置，液壓缸的類型等； 第 7-10周 針對起重機變幅機構、支腿機構用的單級液壓缸進行詳細計算，確定液壓回路，關鍵液壓元器件選型等； 第 11-12周 完成 單級液壓的結構設計，包含 液壓缸筒、活塞、活塞桿等部件計算，材料選擇，導向套、密封形式，液壓缸的安裝等。 第 12-13周 繪制液壓缸的裝配圖，各零部件的圖紙； 第 14-15周 撰寫設計說明書 ，翻譯外文文獻； 第 16周 進一步完整設計資料，準備畢業(yè)設計答辯 PPT； 四 、 主要的參考文獻 1 王鳳萍 ,孫穎等 .國內外 輪式 起重機的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 J.工程機械 ,2014.02 2劉曉明 , 葉瑋 .液壓缸結構設計及運行特性分析 J.液壓傳動與控制， 2013.7 3 劉觀華 . 液壓缸的密封結構 J, 液壓氣動與密封 , 2014 年第 2 期 4 魏效玲 ,張寧博 ,景曉桓 .輪式 起重機變幅機構仿真與優(yōu)化設計 J.河北建筑科技學院學 報 ,2015,22(4):94-96. 5 車仁煒，胡長勝，陸念力 . 輪式 起重機變幅機構動力分析 J. 建筑機械 , 2005,(2):68-71. 7 羅軍， 輪式 起重機液壓系統(tǒng)研 究與優(yōu)化 D. 長安大學碩士論文， 2014.6 8 石蘭芳，基于模糊可拓的大噸位起重機液壓缸可靠性評價研究 D. 吉林大學碩士論文，長 春， 2014.4 9 周建軍 .探討如何提高機械液壓缸壽命的初探 J,中國新技術新產品 , 2016.12 10 吳洋子 . 軋機 AGC 液壓缸的結構性能及可靠性研究 D. 武漢科技大學碩士學位論文， 2012 11 EC, CB. Performance assessment of complex maintenance policies using stochastic PetrinetsJ. Proceedings of Esrel 2012,(2):17 32. 12Kenobi T.Unbeaten H. Adaptive position control of dectro hydraulic servosystems using ANN. Mechatronics. 2000,10(1):127 143. 13Durga Rao K,Gopika V,Verma A K. Dynamic fault tree analysis using Monte Carlo simulation in probabilistic safety assessmentJ . Reliability Engineering and System Safety. 2009(94):872 883. 14 LI Yang， WANG Long， JIANG Jihai1. Experimental Research on Internal and External Leakageof Construction Machinerv Hvdraulic Cvlinderj.Hvdromechatronics Engineering. Jun .2012 15 Zio E， Marella M， Podofillini L. A Monte Carlo simulation approach to the availability assessment of multi state systems operational dependenciesJ Reliability Engineering and System Safety 2007:82-92. 附文獻綜述 : 文獻綜述 1 起重機 的 應用 現(xiàn)狀 起重機是用來對物料進行起重、運輸、裝卸和安裝作業(yè)的機械，完成靠人力無 法完成的物料搬運動作，以減輕人們的體力勞動，提高生產效率，在工廠、車站、 礦山、港口、建筑工地、倉庫、水電站等多個領域的部門中得到了廣泛的應用。 起重機上的傳動機構能完成復雜的機械運動，減輕體力勞動，提高生產效率，主 要依賴液壓缸與各種傳動機構密切配合，據(jù)有關資料統(tǒng)計，液壓缸在起重機主機中 產值占比 3%-7%，在液壓元件總產值中約占 20%1。起重機式一種循環(huán)的，間 歇運 動的，短程搬運物料的機械，一個工作循環(huán)，一般包括上料，運送，卸料及回到原 位的過程，即取物裝置從取物地點，由起升機構吧物料提起，由運行回轉或變幅機 構把物料移位，然后物料在指定的地點下放，接著進行相反的動作，使取物裝置回 到原位，以便進行下一步的工作循環(huán)，在兩個工作循環(huán)之間一般由短暫的停歇。起 重機工作時，各機構經(jīng)常是處于啟動，制動，正向，反向，等相互交替的運動狀態(tài) 之中。因此，用戶在選購起重機對比性能優(yōu)劣時，將液壓缸的可靠性作為首先考慮 的一個典型指標 2。 2 液壓 傳動技術及液壓缸的應用與發(fā)展 液壓缸是起重 機關鍵執(zhí)行元件，也是其液壓系統(tǒng)的重要元件，其能將液壓能轉化 機械能；液壓缸可靠性直接決定了起重機使用可靠性。 液壓缸的主要結構單元包括 缸底、缸筒、活塞、活塞桿、桿頭及各種密封件等。各結構單元本身的結構形式多 種多樣 ， 同一結構形式的零件又有多型號的系列尺寸 ， 而且各結構單元之間的聯(lián)接 方式又有多種類型 ， 是一種典型的樹狀結構。 因此，可以說液壓元件及液壓系統(tǒng)的 可靠性將直接關系起重機的工作可靠性。液壓缸是液壓元件重要組成成員，液壓缸 可靠性問題受到越來越多的重視。 西安科技大學的曹春玲教授 7在液壓缸在 參數(shù)化設計 方面進行了深 入研究，參 數(shù)化設計 也叫尺寸驅動 設計， 是指設計對象的結構外形大體一致 ，可 用一組參數(shù)來 約定其尺寸關系。參數(shù)化設計是技術在實際設計應用中被提出來并得到發(fā)展的、有 著強大實用價值的技術。 參數(shù)化設計是技術在實際應用中 不僅可使系統(tǒng)具有交互式 繪圖功能 ， 還具有自動繪圖的功能。利用參數(shù)化設計手段開發(fā)的專用產品設計系統(tǒng) ， 將設計采用的知識和經(jīng)驗積累， 使設計人員在設計中減少因個人知識的局限性而造 成的錯誤 ， 減少重復性勞動操作 ， 減少信息的存儲量 ， 并大大提高設計速度 。 參數(shù)化設計是新一代智能化、集成化系統(tǒng)的核心技術之一 。清華大學的機械工 程學院 8在液壓系統(tǒng)的 集成化 設計進行了系統(tǒng)研究，將液壓元件集成化。涉及 虛擬 產品的集成建模技術、虛擬產品開發(fā)系統(tǒng)的集成化、虛擬產品設計、測試和制造的 集成化等。 另外， 將人的知識和智能融入到虛擬產品開發(fā)技術中 ， 使新產品開發(fā)過 程實現(xiàn)自動化 ， 將智能化的知識和數(shù)字產品結合起來 ， 使其具有自律、分布、智能、 仿生和分形等特點。 液壓缸是液壓系統(tǒng)中最重要的執(zhí)行元件。液壓傳動的主要優(yōu)點是：體積小、重量 輕、能容量大；調速范圍大，可方便地實現(xiàn)無級調速；可方便靈活地布置傳動裝置； 與微電子技術結合，易于實現(xiàn)自動控制；可實現(xiàn)過載保護。 現(xiàn)在的液壓技術正在朝著以下幾個方面進行飛速的發(fā)展： （ 1）節(jié)能。因為當前能源的不斷緊缺，很多國家都把節(jié)能看作液壓技術不斷發(fā) 展的重要問題。上個世紀，一些科技發(fā)達的國家研制出了一些節(jié)能液壓元件，例如 負載敏感泵和具有低功率的電磁鐵等，為節(jié)能做出了一定的貢獻。 （ 2）液壓技術與微電子和計算機技術相結合。計算機控制和集成傳感器技術的 不斷普及，創(chuàng)造了充分的條件使液壓和電子技術的相互結合。微電子和計算機技術 的不斷發(fā)展過程中，各類數(shù)字泵和數(shù)字閥隨之出現(xiàn)，而且還出現(xiàn)了一種具有反饋的 閉環(huán)液壓裝置，其將單片機直接安裝在了液 壓系統(tǒng)中。 （ 3）將液壓系統(tǒng)的可靠性不斷的進行提高。在液壓系統(tǒng)研發(fā)中更多的使用有限 元分析方法、進行可靠性試驗以及不斷的發(fā)展新工藝技術等，大大的提高了液壓元 件的使用壽命。近些年來液壓技術也廣泛使用在航天航空等重要先進領域，在使用 中對這種技術的研究得到了加強，并且在一定程度上獲得重要成果，從而對提高液 壓系統(tǒng)的可靠性起到了一定的促進作用。 （ 4）液壓元件的高度集成化。使用疊加閥塊、集成塊和插裝閥塊，將各類控制 閥高度集成在液壓泵和其它各個執(zhí)行元件上，從而形成一個組合形式的液壓元件。 還有將單片機芯片等電子元件高度 集成在液壓系統(tǒng)的控制機構中，從而在一定程度 上完成了高度集成化的機電液一體化。 3 液壓缸分類及設計要求 液壓缸的結構型式有活塞缸、柱塞缸、擺動缸三大類，活塞缸和柱塞缸實現(xiàn)往復 直線運動，輸出速度和推力，擺動缸實現(xiàn)往復擺動，輸出角速度（轉速）和轉矩。 液壓缸除了單個地使用 外 ， 還可以兩個或多個地組合起來或和其他機構組合起來使 用。 起重機的液壓缸種類很多，而工況不盡相同，特別是大噸位起重機液壓缸的種 類更豐富。對于起重機來說，多個機構的動作依賴于作為執(zhí)行元件的液壓缸。用來 衡量液壓缸產品性能指標有可靠性、安全性、緩沖 性能、清潔環(huán)保、作業(yè)噪聲、智 能化程度、經(jīng)濟性、制造水平、節(jié)能性等，而可靠性是液壓缸最主要的質量性能指 標 3。 Kenobi T 等 12設計發(fā)了液壓 缸 疲勞試驗裝置，可對推力為 30、 50、 150KN 等 在 10KHZ 件下進行疲勞試驗。 Durga Rao K,等 13移動式液壓 缸的 耐用性和續(xù)航能力，對其聚四氟乙稀密封件 的密封性能、耐高壓性能、螺紋連接和支撐結構的耐久性進行了測試。 LI Yang 等 14以 35 的環(huán)境溫度條件和 250mm/s 的運行速度為加速應力，對液 壓虹進行了加速壽命試驗，并將測試結果作為該 液壓社可靠性的指標。 液壓缸可靠性影響因素包括設計、原材料、熱處理、加工制造、裝配、試驗、 使用等。由于影響因素多，所以控制環(huán)節(jié)較多，失控風險大，特別是大噸位起重機 液壓缸因其缸徑桿徑大、行程長，在結構形式、材料、密封件的選型上受到限制， 可靠性更加難以控制 。 4 建議與展望 （ 1）深入 對起重機液壓缸基礎理論及可靠性因素進行分析。闡述起重機液壓缸 的應用與發(fā)展趨勢、工作環(huán)境、結構及工作原理等基礎上，對大噸位起重機液壓缸 可靠性因素進行深入分析，重點從設計可靠性因素、制造可靠性因素、使用可靠性 因素三方面進行展開論述 ，并對液壓缸的設計與計算、密封、制造工藝、加工工藝 及質量過程控制、常見故障形式及排除等影響液壓缸可靠性的關鍵環(huán)節(jié)和因素進行 深入分析。 （ 2）在 起重機液壓缸可靠性因素分析和可靠性評價指標構建原則的基礎上，構 建一套大噸位起重機液壓缸可靠性評價指標體系，提出了液壓缸可靠性評價準則； 液壓缸可靠性影響因素包括設計、原材料、熱處理、加工制造、裝配、試驗、使用 等。 同時，構建了大噸位起重機液壓缸可靠性評價模型，在該模型中，運用層次分 析法確定各個評價指標的權重，采用模糊評價模型來進行大噸位起重機液壓缸可靠 性綜合評價。 審 核 意 見 指導老師評閱意見（對選題情況、研究內容、工作安排、文獻綜述封方面 進行評閱） 簽字 日期 教研室主任意見 簽字 日期 學院教學指導委員會意見 簽字 日期 公章：機械工程學院 摘 要 隨著起重機設備的需求越來越大，不管是橋梁建筑、港口、公路、礦山、倉庫等行業(yè)，起重機的應用與技術研發(fā)是現(xiàn)階段重要的研究課題。 在各種型號的起重機中，汽車式起重機具有轉場靈活，功能齊全，方便快捷的優(yōu)勢，本文對起重機的變幅機構性能及安全使用進行研究。 起重機的功能是實現(xiàn)對大件物體進行調運，通過起重機上的驅動結構、傳動機構、起重機構等完成復雜的機械運動實現(xiàn)起重功能。目前，絕大多數(shù)起重機是依靠液壓缸、液壓閥、各種傳動機構等為工作執(zhí)行機構。起重機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。 本次設計針對YQ-100型汽車起重機變幅液壓系統(tǒng)設計，在三鉸點結構的基礎上，對變幅回路的液壓缸進行了分析。包括缸筒、活塞、活塞桿等部件計算，材料選擇，導向、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，對變幅機構的液壓系統(tǒng)進行設計，關鍵的液壓元件選型。采用cad繪圖軟件，結合整體尺寸繪制出油缸各主要部件的零件圖。 關鍵詞：汽車起重機；變幅機構；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汽車起重機的發(fā)展與應用現(xiàn)狀 2 1.3液壓傳動應用于汽車起重機上的優(yōu)點 4 1.4本文主要研究內容 4 2.起重機液壓系統(tǒng)原理及液壓參數(shù)計算 6 2.1 QY100型汽車起重機主要性能參數(shù) 6 2.2起重機液壓系統(tǒng)組成 7 2.3變幅系統(tǒng)方案及變幅機構三鉸點的確定 8 3 變幅機構的液壓缸設計與計算 12 3.1 確定液壓缸的結構 12 3.2 變幅液壓缸基本參數(shù)的確認 12 3.3 液壓缸缸筒的設計 15 3.4對于活塞的計算和設計 17 3.5活塞桿的設計計算 19 3.6活塞的導向環(huán) 21 3.7活塞桿的導向、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)及關鍵控制部件選型 25 4.1變幅系統(tǒng)液壓原理的設計 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 先導控制閥 28 4.6油管 29 4.7濾油器. 29 5.液壓缸關鍵零部件的制造工藝設計 30 5.1 主要技術參數(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活塞與導向套的制造工藝流程 33 6.結論 36 參考文獻 36 致 謝 45 II 輪式起重機液壓缸結構設計 1.緒論 1.1本課題研究的背景及意義 起重機在生產生活中很常見，我們能經(jīng)常在工地或其他生產線上見到它們。它們能實現(xiàn)大型裝備的起重、裝卸、短途運輸和起重。 起重機的功能是實現(xiàn)對大件物體進行調運，通過起重機上的驅動結構、傳動機構、起重機構等完成復雜的機械運動實現(xiàn)起重功能[1]。目前，絕大多數(shù)起重機是依靠液壓缸、液壓閥、各種傳動機構等為工作執(zhí)行機構。起重機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，通過升降機構將物體抬起，通過吊臂的旋轉或變幅機構將被吊物體放在指定地方，接著進行下一個工作周期。 近些年來，隨著各行以及各業(yè)基礎工程建設，倉儲物流、大型裝備的轉運吊裝需求增加，人們對起重機的使用和需要一天天的增長。所以，起重機的穩(wěn)定可靠的性能，各功率等級的起重機都要迫切市場需求。尤其的汽車起重機的的運動便利，吊裝靈活，適用性廣，便利快捷，目前對于汽車起重機的應用范圍十分之廣。 針對汽車隨車起重機的應用，其優(yōu)點主要如下體現(xiàn)[3]： （1）隨車起重機的的運動靈活，裝卸過程效果好，且吊裝機構的定位性能好，可以大大減少起吊臂裝卸位置的調整。 （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。 汽車起重機在起重機構、變幅機構、行走機構、傳動機構等組合能實現(xiàn)對復雜機械運動，提高裝載卸貨的效率及速度。液壓起重機主要通過其液壓泵、液壓閥及各種傳動機構等為工作執(zhí)行機構。起重機的間歇工作方，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。起重機的液壓缸多種多樣，工作環(huán)境差異大。 圖1.1 起重機上液壓缸的分布 液壓缸的汽車起重機上的關鍵執(zhí)行部件之一，如起重機起重臂油缸、變幅機構的變幅油壓缸、橫向與縱向支撐腿的油壓缸等。 1.2汽車起重機的發(fā)展與應用現(xiàn)狀 1.2.1 國外汽車起重機的發(fā)展與應用現(xiàn)狀 國外起重機的應用與開展比較成熟了，目前開展方向是逐漸向專業(yè)化、標準化發(fā)展的，當然還有系列化的開展也必不可少。它形成了多品種、多體系的產品結構，實現(xiàn)了產品品種的系列化、功能多樣化、機電液一體化，廣泛應用于一般吊裝。尤其在起重行業(yè)和高空作業(yè)，大型設備的安裝、維修行業(yè)應用非常廣泛。 瑞典是全國生產隨車起重機在世界之前，和希爾博（Heyabi）公司采用折疊臂產品結構和小尺寸緊湊。日本起重機的大型制造企業(yè)包括古河UNIC公司、多田野和加藤公司，這些公司主要業(yè)務是生產各種型號、各功率等級的直臂和折疊臂產品[5]。 歐洲機場的規(guī)模很大。歐洲是世界上最發(fā)達的起重建筑。德國是歐洲起重機行業(yè)發(fā)展最為領先。 國外的起重機連干的方向在這幾個方面會比較集中： 1）起重機的各關鍵功能部件發(fā)展開始模塊化，標準化； 通過對起重機的各個部件都標準化、模塊化，縮短產品設計，通過調用成熟的功能模塊，然后進行組合，兼容分析，以提升通用性，縮短設記以及制造的時間。 2）起重機控制元件的創(chuàng)新與應用 為準備的將物料吊裝到指定位置，對起重機定位精度有非常高要求，因此，定位精度也是評價起重機性能的重要技術參數(shù)。大多數(shù)起重機都配有角編碼器、齒輪鏈、激光頭和鋼板孔。定位精度通常為3毫米。 3）新材料和新技術的應用，可以使用較高的許用應力材料設計時，吊車梁的強度；采用少切削加工，精密鑄件，采用高進度、高效益的加工中興、數(shù)字控制自動生產制造機床等。 1.2.2 國內汽車起重機的發(fā)展與應用現(xiàn)狀 汽車起重機的應用、研發(fā)、生產制造在我國實際上起步非常晚的。20世紀70年代末，我國開始針對船用起重機進行生產制造，且產品結構簡單，產品單一、生產規(guī)模小且分散。到了20世紀80年代，我國才逐漸開始對汽車起重機進行研發(fā)與生產，隨著市場需求，起重機產品的結構、起重功率等級和產量逐步增加。 圖1-1為輪胎起重機。 圖1.2 輪胎起重機 中聯(lián)重科的設計、制造水平在國內工程機械行業(yè)屬于領先水平，其擁有先進制造裝備。 圖1.3是QY90V起重機。 圖1.3 QY90V起重機 三一集團于2003年領頭引進、消化吸收國內外汽車起重機先進技術，研發(fā)出了QY16、QY25、QY50等多個系列起重機產品。 1.3液壓傳動應用于汽車起重機上的優(yōu)點 1.汽車發(fā)動機的起吊臂、變幅等機構的動力均是由油泵轉換為機械能，其不僅結構緊湊，而且整個機器的重量大大降低，例如，動力液壓馬達的重量僅為馬達的16%左右。整機提升性能提高[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)實際需求進行靈活配置，且已于實現(xiàn)自動化控制，滿足過載保護等功能需求。除此以外，采取電液聯(lián)控或者電腦直接控制時，可實現(xiàn)大負荷、高精度，長途自動空置。 3. 液壓傳動技術在起重機上應用，可電液聯(lián)合控制，控制精度高，方便可靠，傳動機構可實現(xiàn)大范圍無級調速，保證各機構間的傳動機構緊湊合理。 液壓起重機的液壓元件部分能夠以模塊化的方式進行設計，零件可以大批量生產。 1.4本文主要研究內容 本文主要內容包含如下： 1）收集隨車起重機相關的文獻資料，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，剖析變幅機構的三鉸點方案； 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) 對變幅機構的液壓系統(tǒng)進行設計，完成關鍵液壓元件的選用，主要是液壓泵、平衡閥、多路換向閥、先導控制閥及油管等設計與選型。 43 2.起重機液壓系統(tǒng)原理及液壓參數(shù)計算 2.1 QY100型汽車起重機主要性能參數(shù) 整機全長15230mm，寬3000mm，高3860mm，總質量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)動機額定功率324/1800kW/(r/min)， 額定扭矩2100/1200 N·m/(r/min) 2.1.1驅動狀態(tài)的主要技術參數(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； 最大回轉速度2r/min，主起升機構起升速度110m/min，副起升機構起升速度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支腿技術參數(shù) 2.2起重機液壓系統(tǒng)組成 主要功能組件包含了起升機構、起重臂伸縮缸、變幅機構、回轉機構和橫向及縱向支腿，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 隨車起重的各結構組成 1）升降機構用于提升和減輕不同物體的重量。起升機構的主要部件包含了液壓馬達，驅動卷筒，變速速度裝置，制動裝置與離合裝置等。通過液壓馬達驅動滾筒旋轉，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）伸縮機構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載，活塞會減速。 3）通過起重機的旋轉機構實現(xiàn)起重臂的回轉，旋轉支撐裝置為旋轉部件提供了穩(wěn)定且堅固的撐持，并將產生的各種負載傳遞給設備的基本部件。回轉驅動裝置實現(xiàn)將起重臂繞著起重機軸線運動，即可將吊起的物體沿水平面中的圓弧線運動。 旋轉機構由液壓泵，液壓馬達、換向閥，液壓制動器等組成。由于系統(tǒng)中的旋轉運動頻繁，功率要求不是很大，所以后回路定量泵與雙向定量馬達組合，不再設置功率限制裝置。 4）汽車起重機的變幅機構直接通過液壓缸的伸縮實現(xiàn)對起重臂的俯仰調節(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)方案及變幅機構三鉸點的確定 2.3.1變幅機構布置形式的確定 液壓起重機的變幅機構一般是通過液壓缸伸縮驅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。 前傾式變幅機構如圖2.3所示。 圖2.3 前傾式變幅機構 本次YQ-100型汽車起重機的變幅系統(tǒng)方案確定為前傾式變幅機構。 2.3.2變幅機構三鉸點的確定 圖2.4所示為汽車起重機的變幅機構三鉸點示意圖。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構的三個絞點。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 變幅機構三鉸點 圖3.3所示為變幅機構的運動軌跡，吊臂水平時，α=0°，設置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旋轉一定角度后，吊臂與水平橫線成夾角α。 圖2.5 變幅機構的運行軌跡圖 (1)鉸點幾何位置的計算 首先我們先建立坐標系，坐標原點為O點。在三個鉸接點上，A的坐標為 (XA, YA)，它的橫坐標即為A點到坐標原點的直線距離，絕對值為0.75~1.35m，在這里我們取值為1.2 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，它的長度一般被認為是正常吊臂長度1/3到1/2的，在這里我們取值XB= 3.80 m，而當而當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 變幅機構的液壓缸設計與計算 3.1 確定液壓缸的結構 接下來要確認選用何種液壓油缸，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20米，而氣缸的內徑可達320mm。 如圖3-1所示，為焊接類型的液壓缸的結構： 1缸筒 2/9孔用密封 3活塞 4 /7 O型密封圈 5活塞桿 6導向套 8斯特封 10防塵圈 圖3.1 變幅液壓缸結構圖 3.2 變幅液壓缸基本參數(shù)的確認 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徑徑確定：參照缸筒內徑標準尺寸系列，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，并參照標準系列,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 液壓缸缸筒的設計 3.3.1對于缸筒材料的選擇 材料需要強度達到一定要求，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成密封體，后端蓋是將缸筒的另一端進行密封，這樣缸筒為活塞桿導向、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—缸筒內徑200(mm)； —允許壓力25(MPa)； —材料許用應力（MPa）； (3-9) —缸筒材料的屈服強度（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； ——缸筒材料許用應力。 (3-10) 公式中：n-安全系數(shù)，取n=2； -缸筒材料屈服強度，MPa; 查起重機設計手冊，取=20mm，得： (3-11) 所以，由公式可知： （MPa） (3-12) 那么，缸筒的材料應該需要達成的最低的屈服強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螺紋的代號:，6級細牙螺紋。 （2）缸筒內徑表面粗糙度取，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）缸筒內徑的公差選取8級精度。 3.4對于活塞的計算和設計 3.4.1計算活塞的尺寸結構 活塞的結構以及它的密封，一定要認真仔細的考慮到系統(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—導向環(huán) 圖3.2 活塞結構 如圖3.2所示，這里選擇整體式活塞結構式，密封件導向環(huán)分別安裝在各個槽內。 一般由下面這個公式來確認活塞的寬度數(shù)值 (3-15) 在上述公式中D是活塞的內徑，D的取值為200mm，代到公式內部得：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，帶有導向環(huán)，材料45號鋼。 (1)活塞內徑和外徑之間的徑向跳動公差的值為7級。 (2)而端面對內孔的軸線的公差為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活塞桿的設計計算 3.5.1活塞桿的結構 在起重機變型機構的設計和計算中，我們最終選擇了桿件為空心桿，因由于變型機構的行程較長?？招臈U的厚度為15mm。活塞桿由45鋼制成。 3.5.2活塞桿的強度及穩(wěn)定性計算 對于活塞桿的拉伸壓縮強度的校核[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 = 當臨界負荷失控時，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向套中點的距離:=373.5cm ——缸底尾部銷軸孔至導向套中點的距離: =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加工活塞桿件時應遵循的要求 1）材料45鋼，淬火并高溫回火處理，厚度應為。 2）對于活塞桿，它的外徑的公差我們選；而直線度應該，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級進度。 3.6活塞的導向環(huán) 活塞采用導環(huán)為非金屬接觸摩擦，起動時無形變。 圖3.4 浮動導向套 本設計中采用浮動型導向環(huán)如圖3.4所示。 活塞用導向環(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 導向環(huán)的長度 活塞用導向環(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 結構簡圖 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； 復合唇形密封法 1- 導向環(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； 復合導向法 1- U型圈 2- 擋圈 單向密封。價格便宜，容易產生困壓，擋圈防止密封圈槽被擠入間隙； 前端蓋采用QT700-2材料制成，其內孔用于導向活塞桿，向如圖3.5所示。 圖3.5 前端蓋內孔導向 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,所以當活塞桿的往復運動,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)及關鍵控制部件選型 4.1變幅系統(tǒng)液壓原理的設計 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整過程，順利進行俯仰過程，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，是由液壓泵來提供推動由的動力即油壓。當整個系統(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 關于蝙蝠液壓缸的一些參數(shù)：壓力（）、流量（）、轉速（n）等。在起重機液壓系統(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。當起重機臂在數(shù)小時內下降時，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調速閥結構緊湊，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)各種自動開關電路，達到液壓油的方向、壓力、復合控制比例的流量率，實現(xiàn)油路的無限調速控制。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)、和旋轉系統(tǒng)。 結構如圖4.4所示。 圖4.4 多路換向閥實物 4.5 先導控制閥 它的功能是對多路換向控制閥的先導油液的控制，完成對與液壓系統(tǒng)右路的安全卸荷及保護，如圖4.5所示。 圖4.5 先導控制閥 4.6油管 一般橡膠軟管的承壓能力可達到。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。橡膠有關的管徑設計參考一下公式 (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。在這里我們取得=4m/s。 mm (4-2) 隨即，在這里我們選確定膠管內徑20mm； 4.7濾油器. 濾油器的作用是過濾掉回油中混入的雜質，保證了流回油箱的油液中沒有雜質。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,其技術規(guī)范不可破壞。 表4-2 RLF回油濾油器技術規(guī)格 技術規(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.液壓缸關鍵零部件的制造工藝設計 5.1 主要技術參數(shù) 由于所用的加工設備都有所不同，對于起重機的液壓缸來說，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 液壓缸內控各參數(shù) 技術參數(shù) 直線度 內孔表面粗糙度 圓度 內孔尺寸公差 參數(shù)值 500/0.03 Ra 內徑公差1/3-1/2 H8-F8 表5.2活塞桿外圓技術參數(shù) 技術參數(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（調質、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）：調質 HB255-285； c） 鏜內孔φ158±0.1：粗鏜內孔到φ158； d） 定性處理去應力； 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：兩端撐內孔，按工藝圖一車準外圓與倒角； i） 刮：按圖刮輥準φ160H8 內孔尺寸符圖； j） 車：兩撐內孔，按工藝圖二，車中心架支撐面φ200，表面光潔度達 Ra3.2；平左端面，保證尺寸 3480，按圖車準左端焊接坡口，倒角倒圓符圖；按圖車準右端內孔各尺寸，倒角倒圓符圖； k） 鉆：按圖劃左端φ20，以接頭體內孔導向，鉆通φ20孔，去毛刺，修圓相交孔口； l） 清洗：內孔、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，焊前預熱，焊后保溫、去渣及飛濺；焊妥缸底總成上的加強筋與缸底相連焊縫、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（調質、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）：調質 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，焊前預熱，焊后保溫，去渣及飛濺； e)車：按活塞桿車準各尺寸。 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活塞與導向套的制造工藝流程 （1）活塞和導向套制造工藝流程 ：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。下面分析缸筒內孔及活塞桿外圓的加工方式及過程質量控制。 圖5.3 導向套 粗車：將鍛件毛坯按導向套工藝圖加工； 精車： 夾左端，校正，平右端面 1mm，依圖車準右端內孔、外圓、內環(huán)槽、倒角倒圓符圖； 調頭夾，表校已車外圓跳動≤φ0.05，平總長，依圖車準左端內孔、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，通車內孔至 φ80H8，車右端外圓、外環(huán)槽、倒角倒圓符圖；調頭夾，表校內孔跳動≤φ0.05，平總長，車準左端外圓外環(huán)槽、內孔尺寸倒角倒圓符圖。 圖5.4 活塞 6.結論 這次畢業(yè)設計對我來說非常重要，讓我很好的了解了汽車起重機的一些基本參數(shù)和具體的結構，當然了，工作原理也有所涉及。在變幅液壓缸的主要部件設計中，參考機械手冊，設計了液壓缸主要零部件。在設計中，我參照了YQ-100型汽車起重機的使用說明書等相關資料，收集隨車起重機相關的文獻資料，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，對變幅機構的液壓系統(tǒng)進行設計，關鍵液壓元件型。 通過這次的畢業(yè)設計的制作與學習中我了解了如何進行具體的結構設計與參數(shù)參考這些問題。我很好的學會了如何在圖書館查閱紙質資料和在網(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的參數(shù)。然后對于畢業(yè)設計中的計算有了比較清晰的想法。 總之，這次畢業(yè)設計對我的幫助非常之大，當然這也離不開李吉老師的幫助和指導。我相信這對于我以后的工作有著極其重要的指導作用。 參考文獻 [1] 王鳳萍,孫穎等.國內外隨車起重機的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].工程機械,2014.02 [2]劉曉明, 葉瑋.液壓缸結構設計及運行特性分析[J].液壓傳動與控制，2013.7 [3] 劉觀華. 液壓缸的密封結構[J], 液壓氣動與密封, 2014 年第 2 期 [4] 魏效玲,張寧博,景曉桓.隨車起重機變幅機構仿真與優(yōu)化設計[J].河北建筑科技學院學報,2015,22(4):94-96. 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A Monte Carlo simulation approach to the availability assessment of multi state systems operational dependencies[J]．Reliability Engineering and System Safety．2007:82-92. 致 謝 這次畢業(yè)設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行了調整，使得我的畢業(yè)設計難度有所下降。不僅如此，還給了我非常多的關于課題內容的資料。 除此之外，李吉老師對于我們的畢業(yè)設計的內容和工作進度也非常關注，時時提醒我們要加快進度，不能因為懶散或論文內容難度大而導致論文進度落后于要求。 總之，有了老師的幫忙，使得我完成畢業(yè)設計更加輕松，對于內容也有了更深刻的了解。 46