升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì),升降,舞臺(tái),液壓,系統(tǒng),設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告
題目：升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
撰寫內(nèi)容要求：
1. 設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)展?fàn)顩r：
在開題報(bào)告的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步搜集升降舞臺(tái)的相關(guān)資料，對升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)有了更加明確地認(rèn)識(shí)，通過查資料上網(wǎng)等查找了相關(guān)的外文文獻(xiàn)并完成了相關(guān)的外文文獻(xiàn)翻譯工作。
確定升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)的方案：舞臺(tái)重量4000Kg,舞臺(tái)升降速度0.3~0.5m/s，升降舞臺(tái)是往復(fù)短行程直線運(yùn)動(dòng)，所以根據(jù)它的往復(fù)運(yùn)動(dòng)選擇它的執(zhí)行元件，執(zhí)行元件類型為活塞缸（A1=2A2)。
此次設(shè)計(jì)中是將液壓傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于舞臺(tái)的升降中，升降舞臺(tái)的升降功能是由4根液壓缸頂升叉架完成，4根液壓缸的同步由帶補(bǔ)正裝置的同步回路完成。該升降臺(tái)主要有兩部分組成：機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。機(jī)械機(jī)構(gòu)主要起傳遞和支撐作用，液壓系統(tǒng)主要提供動(dòng)力，他們兩者共同作用實(shí)現(xiàn)升降機(jī)的功能。
如圖1所示即為單個(gè)升降舞臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)形式，其中1是工作平臺(tái)，2是活動(dòng)鉸鏈，3為固定鉸鏈，4為支架，5是液壓缸，6為底座。4（支架）主要起支撐作用和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化形式的作用，一方面支撐舞臺(tái)的載荷，一方面通過其鉸接將液壓缸的伸縮運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為舞臺(tái)的升降運(yùn)動(dòng)，1（工作平臺(tái)）與載荷直接接觸，將載荷轉(zhuǎn)化為均布載荷，從而增強(qiáng)局部承載能力。下底架主要起支撐和載荷傳遞作用，它不僅承擔(dān)著整個(gè)舞臺(tái)的重量，而且能將作用力傳遞到地基上。通過這些機(jī)構(gòu)的相互配合，實(shí)現(xiàn)升降舞臺(tái)的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行。兩支架在0點(diǎn)鉸接，支架的一端分別固定在平臺(tái)和底座上，另一端采用滾輪滑動(dòng)，通過活塞桿的伸縮和鉸接點(diǎn)0的作用實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)升降平穩(wěn)。而且該機(jī)構(gòu)要求基坑較淺，從而可以節(jié)約投資，液壓缸左右對稱布置，工作時(shí)總體水平方向上受到的合力為零，使得臺(tái)面水平方向不發(fā)生運(yùn)動(dòng)，只是垂直方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
圖1 升降舞臺(tái)結(jié)構(gòu)簡圖
2.確定液壓系統(tǒng)的工作要求
根據(jù)工作要求，確定該系統(tǒng)的工作循環(huán)為：快速前進(jìn)——工進(jìn)——工退——原位停止，根據(jù)具體加工求計(jì)算得出：快速前進(jìn)時(shí)的速度為4500mm/min(0.075m/s)，工作進(jìn)給時(shí)的速度應(yīng)在20~120mm/min(0.0003~0.002m/s)范圍內(nèi)作無級調(diào)速，臺(tái)面最大工進(jìn)行程為3m,工退行程為3m，運(yùn)動(dòng)部件自身重為4t，啟動(dòng)換向時(shí)間為△t=0.05s,系統(tǒng)豎直放置的垂直導(dǎo)軌的靜摩擦系數(shù)為fs=0.2,動(dòng)摩擦系數(shù)為fk=0.1,油缸機(jī)械效率ηcm取為0.9。
分析液壓系統(tǒng)給的工況
啟動(dòng)加速階段：
F=(Fs+Fi)/ηcm=(fsG+G△v/g△t)/ηcm
=(0.2×39200+39200×0.075/9.8×0.05)/0.9
=8877.78N
工進(jìn)階段：
F=Fw/ηcm=39200×0.1/0.9=4355.56N
工退階段：
F= Fw/ηcm=39200×0.1/0.9=4355.56N
表1液壓系統(tǒng)在各階段的速度與負(fù)載
階段
速度v(m/s)
負(fù)載F/N
啟動(dòng)加速
0.075
8877.78
工進(jìn)
0.0003~0.002
4355.56
工退
0.0003~0.002
4355.56
確定液壓缸的主要參數(shù)
(1)初選液壓缸的工作壓力
表2 按負(fù)載選擇壓力
負(fù)載（KN）
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作壓力/mpa
<=1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
>5
表3按設(shè)備類型選擇系統(tǒng)工作壓力
設(shè)備類型
機(jī)床
農(nóng)業(yè)機(jī)械，小型工程機(jī)械，建筑機(jī)械，液壓鑿巖機(jī)
液壓機(jī)，大中型挖掘機(jī)，重型機(jī)械，起重運(yùn)輸機(jī)械
磨床
組合機(jī)床
龍門刨床
拉床
工作壓力/mpa
0.8~2
3~5
2~8
8~10
10~18
20~32
由計(jì)算得出各階段負(fù)載的最大值查表2和表3，取液壓缸的工作壓力為0.8MPa。
(2)確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
表4液壓缸參考背壓
系統(tǒng)類型
背壓 Pb×105/Pa
回油路上有節(jié)流閥的調(diào)速系統(tǒng)
2~5
回油路上有調(diào)速閥的調(diào)速系統(tǒng)
5~8
回油路上裝有背壓閥
5~15
帶補(bǔ)油泵的閉式回路
8~15
根據(jù)表2得最大負(fù)載為啟動(dòng)加速階段負(fù)載：F=4355.56N,液壓缸壓力為0.8mpa，且為了防止負(fù)載的突然消失，改液壓缸采用背壓，則參照表4，選背壓為P2=0.6mpa。則：
A===0.0091696（m2）
則活塞直徑：
D===0.10808m
式中：D—活塞桿直徑缸、筒內(nèi)徑，單位為m
F—無桿腔推力，單位為N
P—工作壓力，單位為MPa
—液壓缸機(jī)械效率，取=0.95
查設(shè)計(jì)手冊，液壓缸內(nèi)徑系列將所計(jì)算的值圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，取D=110mm。
活塞桿直徑的確定
活塞桿直徑根據(jù)受力情況和液壓缸的結(jié)構(gòu)形式來確定由參考文獻(xiàn)[8]可知：
受拉時(shí)： （3-1）
受壓時(shí)：， （3-2）
， （3-3）
， （3-4）
為了實(shí)現(xiàn)快進(jìn)與快退速度相同，采用差動(dòng)連接，則d=0.707D,
d=0.707*110=71mm
計(jì)算液壓缸無桿腔有效工作面積為:
===94.99
===38.47
假定工作進(jìn)給采用調(diào)速閥調(diào)速，查產(chǎn)品樣本，調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量為Qmin=0.05L/min,因?yàn)楣ぷ鬟M(jìn)給最小速度為Vmin=20mm/min,
則Qmin/Vmin=0.05×103×10/20=25cm2＜A2＜A1
因此能滿足低速穩(wěn)定性要求。
舞臺(tái)是有四個(gè)液壓缸支撐的，所以四個(gè)液壓缸的型號是一樣的，即他們參數(shù)相同。
圖2 擬定液壓系統(tǒng)原理圖
1液壓缸；2過濾器；3溫度計(jì)；4液位計(jì)；5電機(jī)；6液壓泵；
7溢流閥；8壓力表；9分流閥；10、11三位四通電磁換向閥；
12、15單項(xiàng)節(jié)流閥；13、14節(jié)流閥；16、17、18、19液壓缸；
20二位二通電磁換向閥；21調(diào)速閥
2.存在問題及解決措施
(1)起初不能對升降舞臺(tái)有明確的認(rèn)識(shí)。在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，以及在相關(guān)資料的輔助下，逐漸明白。
（2） 在英文翻譯過程中，不懂一些術(shù)語，以至不能正確翻譯其意思。通過閱有關(guān)資料以及詢問，能夠按時(shí)地完成翻譯工作。
（3） 在剛開始根據(jù)升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)的方案的確定而選液壓缸參數(shù)的時(shí)候不知如何入手，通過查相關(guān)資料解決。
（4） 在繪圖過程中，遇到一些不懂的地方，通過資料已解決。
3.后期工作安排
第一階段：完成對升降舞臺(tái)的結(jié)構(gòu)分析及數(shù)據(jù)計(jì)算。
第二階段：對升降舞臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，并繪制相關(guān)圖。
第三階段：完成設(shè)計(jì)說明書。
第四階段：進(jìn)行設(shè)計(jì)說明書的工作。
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
題目： 升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）
升降舞臺(tái)的簡介
隨著文化生活的日益豐富，人們對演出活動(dòng)中舞臺(tái)效果的要求越來越高，在比較高檔的文化娛樂場所，為了創(chuàng)造一種生動(dòng)活潑的立體演出效果，傳統(tǒng)的精靜止舞臺(tái)逐漸被摒棄，而代之以升降舞臺(tái)。現(xiàn)在在專業(yè)歌劇院、舞劇院、話劇院以及大型的音樂廳里都配備各種類型的升降舞臺(tái)，它能夠有效利用現(xiàn)場的有效空間，盡可能的減少傳動(dòng)裝置的占地面積保證舞臺(tái)平穩(wěn)升降，并且具有快速遷換布景，滿足舞臺(tái)工藝布置及舞美設(shè)計(jì)和劇目編導(dǎo)人員的需要，制造特殊氣氛和效果，根據(jù)不同表演流派需求改變舞臺(tái)的形式等。
升降臺(tái)也成了現(xiàn)代化影劇院，綜合性多功能演播廳，會(huì)議室和體育館等表演場所必不可少的設(shè)備之一，其結(jié)構(gòu)不僅要符合普通升降機(jī)的要求，又要有其技術(shù)提供“硬件”并增強(qiáng)藝術(shù)效果的特殊要求。升降舞臺(tái)的種類有很多，比如：伸縮舞臺(tái)、旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)、伸縮升降旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)，升降旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)。這些不同的升降舞臺(tái)在不同的環(huán)境下，各自發(fā)揮著重要的作用。
升降臺(tái)是舞臺(tái)機(jī)械臺(tái)下設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的設(shè)備之一，在專業(yè)歌劇院、舞臺(tái)劇院、話劇院，都配備著大量各種類型的升降臺(tái)，即使是在某些以轉(zhuǎn)臺(tái)為主的話劇院，鼓形轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)也配備有不同規(guī)格的升降臺(tái)或升降塊。許多國家知名音樂廳里，都配備了用于樂隊(duì)、合唱隊(duì)或大型樂器的升降臺(tái)。有些實(shí)驗(yàn)小劇場，為了實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)形式的變化，在整個(gè)臺(tái)下布滿了按模數(shù)設(shè)計(jì)的升降臺(tái)。以國家大劇院為例，歌劇院臺(tái)下設(shè)配中，就有升降臺(tái)四十五臺(tái)，戲劇院的鼓形轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)，設(shè)置了兩塊升降臺(tái)和十三塊升降塊，音樂廳臺(tái)下設(shè)有三塊升降臺(tái)和一塊鋼琴升降臺(tái)。
目前國內(nèi)外采用的是滑動(dòng)螺母絲杠升降臺(tái)，普通滑動(dòng)螺母絲杠副的特點(diǎn)是可以按需要設(shè)計(jì)成自鎖，這對載人升降臺(tái)是一個(gè)很好的優(yōu)點(diǎn)，但是，滑動(dòng)螺母絲杠副在設(shè)計(jì)成自鎖的條件下機(jī)械效率很低，理論上可達(dá)到40%，事實(shí)證明，由于加工精度、表面粗糙度、潤滑條件、安裝條件的限制，真正能達(dá)到的機(jī)械效率只有20%～30%。而舞臺(tái)升降臺(tái)的載重較重，一般為10t左右，加上升降速度較快，最高達(dá)0.2m/s,這樣就必須要求所選電動(dòng)機(jī)的功率較大，一般為20kw以上，同時(shí)，由于舞臺(tái)升降臺(tái)一般要求變頻調(diào)速，這樣所選用的變頻器的容量較大，功率（容量）較大，成本上升，尤其是變頻器，隨容量的增大，成本急劇上升。因此，我們將金屬切削機(jī)床上采用的滾珠螺母絲杠副用于舞臺(tái)升降臺(tái)的升降傳動(dòng)，滾珠螺母絲杠副具有較高的傳動(dòng)效率，但不能自鎖，這對載人升降舞臺(tái)來說不安全，而滾珠螺母絲杠副的傳動(dòng)效率高于普通滑動(dòng)螺母絲杠副，且能自鎖，常用于垂直移動(dòng)的傳動(dòng)。滾柱螺母絲杠副要求絲杠直徑較粗，否則，絲杠螺紋與滾柱的環(huán)槽有可能發(fā)生干涉。這一要求在舞臺(tái)升降臺(tái)上是完全能滿足的，因?yàn)橛缮敌谐趟鶝Q定的絲杠長度較長，一般為5～7 m ，根據(jù)剛度要求，絲杠直徑本身就要求較粗。而采用液壓傳動(dòng)可實(shí)現(xiàn)高壓高速、大功率、高效率、低噪聲、長壽命、高度集成化等方面的發(fā)展，與機(jī)械傳動(dòng)相比，采用液壓傳動(dòng)可減少換向沖擊、降低能量消耗、縮短換向時(shí)間，有效利用現(xiàn)場有效空間，減少傳動(dòng)裝置的占地面積，保證升降舞臺(tái)升降平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制以及無級調(diào)速。
2. 本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施
完成升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)工作原理圖的設(shè)計(jì)，以及工作原理的分析說明。選擇AutoCAD為設(shè)計(jì)開發(fā)工具，完成升降舞臺(tái)的總體設(shè)計(jì)。完成升降舞臺(tái)的工作液壓缸、舞臺(tái)主要結(jié)構(gòu)裝置等的設(shè)計(jì)。主要技術(shù)參數(shù)：舞臺(tái)重量4000Kg, 舞臺(tái)升降速度0.3-0.5m/s。
不同的升降舞臺(tái)有不同的結(jié)構(gòu)形式，不同的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)適應(yīng)相應(yīng)的使用環(huán)境，目前為止，國內(nèi)升降舞臺(tái)主要采用鋼絲繩(鏈條)牽引式，齒輪齒條爬升式，絲杠螺母副式，液壓（水平絲杠）剪刀撐式，剛性鏈驅(qū)動(dòng)式等結(jié)構(gòu)形式。
擬采用的研究方案：
2.1 鋼絲繩牽引式：剛性鏈條式根據(jù)齒條和鏈條的工作原理及傳動(dòng)特點(diǎn)派生出來。它結(jié)合了齒條的鋼性，鏈條的柔性各自的特點(diǎn)，構(gòu)成了一種新型的傳動(dòng)方式。
2.2 液壓傳動(dòng)形式：液壓傳動(dòng)以其獨(dú)特的優(yōu)勢贏得大家的青睞，并且在升降機(jī)機(jī)械中得到廣泛應(yīng)用，液壓傳動(dòng)基本與機(jī)械傳動(dòng)平分天下，但液壓傳動(dòng)肯定也存在著缺點(diǎn)。由于大型升降舞臺(tái)基本上采用的都是雙杠頂升，雙剪叉撐的方式，這樣就不可避免的出現(xiàn)問題：a雙缸同步；b當(dāng)臺(tái)面升起后長時(shí)間停放時(shí)，由于雙缸泄漏的不同會(huì)造成沉降的平衡問題。
2.3絲杠螺母副式：目前研制的升降舞臺(tái)機(jī)構(gòu)中均采用4套滾珠絲杠副同步驅(qū)動(dòng)舉升，在這種設(shè)計(jì)模式中，驅(qū)動(dòng)部件的調(diào)試時(shí)間長，占用舞臺(tái)建造工期。因此從減及增設(shè)全程導(dǎo)向柱的設(shè)計(jì)方案將是很有發(fā)展前景的。
此次設(shè)計(jì)中是將液壓傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于舞臺(tái)的升降中，升降舞臺(tái)的升降功能是由4根液壓缸頂升叉架完成，4根液壓缸的同步有帶補(bǔ)正裝置的同步回路完成。
3. 本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開展工作
3.1升降臺(tái)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和液壓系統(tǒng)：
3.2升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)工作原理圖的確定和分析。
前期已開展的工作是查看有關(guān)液壓舞臺(tái)系統(tǒng)的介紹及液壓傳動(dòng)的部分，選出液壓舞臺(tái)的設(shè)計(jì)的方案。
4.完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃（按周次填寫）
1周：前期準(zhǔn)備，查閱資料，了解課題；
2-3周：完成開題報(bào)告，進(jìn)行開題檢查；
4-6周：升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)方案的確定；
7-8周：完成中期報(bào)告，進(jìn)行中期檢查；
9-11周：升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算；
12-13周：液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析；
14-16周：撰寫畢業(yè)論文；
17周：準(zhǔn)備畢業(yè)答辯；
18周：畢業(yè)答辯。
5 指導(dǎo)教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導(dǎo)教師： 年 月 日
6 所在系審查意見：
系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日
注：1. 正文：宋體小四號字，行距20磅。
2. 開題報(bào)告由各系集中歸檔保存。
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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目：升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘 要
隨著文化生活的日益豐富，人們對演出活動(dòng)中舞臺(tái)效果的要求越來越高，在比較高檔的文化娛樂場所，為了創(chuàng)造一種生動(dòng)活潑的立體演出效果，傳統(tǒng)的靜止舞臺(tái)逐漸被摒棄，代而之以升降舞臺(tái)。而升降臺(tái)必須具備升降功能，升降臺(tái)需保持水平地升降，不能有較大的傾斜，以免在升降過程中樂隊(duì)人員或樂器發(fā)生傾斜。本文是關(guān)于液壓升降舞臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該升降臺(tái)主要有兩部分組成：機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。機(jī)械機(jī)構(gòu)主要起傳遞和支撐作用，液壓系統(tǒng)主要提供動(dòng)力，他們兩者共同作用實(shí)現(xiàn)升降機(jī)的功能。目前，液壓升降舞臺(tái)正朝著長距離，高速度，低摩擦的方向發(fā)展。近年來在液壓升降舞臺(tái)的設(shè)計(jì)、制造以及應(yīng)用方面，我國與國外先進(jìn)水平相比仍有較大差距，國內(nèi)在設(shè)計(jì)制造液壓升降舞臺(tái)過程中存在著很多不足，因而所需我們努力改進(jìn)的地方還有很多。
關(guān)鍵詞：液壓升降舞臺(tái)；機(jī)械結(jié)構(gòu)；液壓系統(tǒng)
I
The Design of Lifting Sage Hydraulic System
Abstract
With the increasingly rich cultural life,people in the performance stage effect of the demand is higher and higher.In more high-grade cultural entertainment venues,in order to create a vivid three-dimensional performance effect,gradually abandoned the traditional static stage,and replaced by lifting stage.the working panel lifter which enjoys pond has to have function of rise and fall,the working panel lifter needs to keep level ground rise and fall,can’t have bigger inclination.This article is about the hydraulic lifting system design stage.The lifting platform is mainly has two parts:the mechanical system and hydraulic system.Mechanical agencies mainly transfer and support role,the hydraulic system.Mechanical agencies mainly transfer and supporting role,the hydraulic system mainly provide motivation,they both work together we can realize the function of elevator.At present,the hydraulic elevator stage is developing toward long distance,high speed,lowfriction.In recent years,the design, manufacturing and application of the hydraulic elevator stage,Our country and foreign advanced level still lags far behind.there are many shortcomings in the process of designing and making hydraulic elevator stage in our country.So we needed to improve in many areas.
Key Words: hydraulic lifting stage;the mechanical structure;the hydraulic system
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II
目 錄
1 緒論 1
1.1升降舞臺(tái) 1
1.2升降舞臺(tái)液壓傳動(dòng)系統(tǒng) 1
2 制定液壓舞臺(tái)基本方案 4
2.1升降舞臺(tái)的液壓系統(tǒng)方案確定 4
2.1.1升降舞臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4
2.2 液壓回路的選擇 5
2.2.1 確定有路方式 5
2.2.2 確定調(diào)速方法 6
2.2.3 速度換接回路的方法 6
2.2.4 換向回路的選擇 6
2.2.5 壓力控制回路的選擇 6
2.2.6 其他回路的分析選擇 6
2.2.6 其他回路的分析選擇 6
2.2.7液力控制回路的選擇 7
3 升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)工作原理 8
3.1 液壓系統(tǒng)工作原理 8
3.2 升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)工作原理 8
3.3液壓系統(tǒng)工作特點(diǎn) 9
4 升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)計(jì)算 11
4.1 執(zhí)行元件類型數(shù)量 11
4.2 升降舞臺(tái)升降部分的設(shè)計(jì) 11
4.2.1確定液壓系統(tǒng)的工作要求 11
4.2.2 分析液壓系統(tǒng)給給工況 11
4.2.3 確定液壓缸的主要參數(shù) 12
5 液壓元件的選擇及計(jì)算 17
5.1液壓泵及電動(dòng)機(jī)的選擇 17
5.2方向控制閥的選擇 17
5.3其他輔助元件的確定 18
III
5.4液壓元件的連接 22
6 液壓系統(tǒng)性能的驗(yàn)算 25
6.1系統(tǒng)壓力損失計(jì)算以及泵壓力的調(diào)整 25
6.2系統(tǒng)發(fā)熱及溫升計(jì)算 25
7 升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)的安裝調(diào)試 25
7.1液壓系統(tǒng)的安裝 25
7.1.1 系統(tǒng)安裝前的注意事項(xiàng) 25
7.1.2 系統(tǒng)安裝時(shí)的注意事項(xiàng) 25
7.1.3 系統(tǒng)安裝方法 26
7.2 液壓系統(tǒng)的調(diào)試 27
7.2.1 調(diào)試的目的 27
7.2.2 調(diào)試的步驟 27
7.2.3 調(diào)試的主要內(nèi)容 28
8 結(jié)論 30
致謝 31
參考文獻(xiàn) 32
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 33
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 34
IV
1 緒論
1.1升降舞臺(tái)
隨著文化生活的日益豐富，人們對演出活動(dòng)中舞臺(tái)效果的要求越來越高，在比較高檔的文化娛樂場所，為了創(chuàng)造一種生動(dòng)活潑的立體演出效果，傳統(tǒng)的精靜止舞臺(tái)逐漸被摒棄，而代之以升降舞臺(tái)?，F(xiàn)在在專業(yè)歌劇院、舞劇院、話劇院以及大型的音樂廳里都配備各種類型的升降舞臺(tái)，它能夠有效利用現(xiàn)場的有效空間，盡可能的減少傳動(dòng)裝置的占地面積保證舞臺(tái)平穩(wěn)升降，并且具有快速遷換布景，滿足舞臺(tái)工藝布置及舞美設(shè)計(jì)和劇目編導(dǎo)人員的需要，制造特殊氣氛和效果，根據(jù)不同表演流派需求改變舞臺(tái)的形式等。
目前國內(nèi)外采用的是滑動(dòng)螺母絲杠升降臺(tái)，普通滑動(dòng)螺母絲杠副的特點(diǎn)是可以按需要設(shè)計(jì)成自鎖，這對載人升降臺(tái)是一個(gè)很好的優(yōu)點(diǎn)，但是，滑動(dòng)螺母絲杠副在設(shè)計(jì)成自鎖的條件下機(jī)械效率很低，理論上可達(dá)到40%，事實(shí)證明，由于加工精度、表面粗糙度、潤滑條件、安裝條件的限制，真正能達(dá)到的機(jī)械效率只有20%～30%。而舞臺(tái)升降臺(tái)的載重較重，一般為10t左右，加上升降速度較快，這樣就必須要求所選電動(dòng)機(jī)的功率較大，一般為20kw以上，同時(shí)，由于舞臺(tái)升降臺(tái)一般要求變頻調(diào)速，這樣所選用的變頻器的容量較大，功率（容量）較大，成本上升，尤其是變頻器，隨容量的增大，成本急劇上升。因此，我們將金屬切削機(jī)床上采用的滾珠螺母絲杠副用于舞臺(tái)升降臺(tái)的升降傳動(dòng)，滾珠螺母絲杠副具有較高的傳動(dòng)效率，但不能自鎖，這對載人升降舞臺(tái)來說不安全，而滾珠螺母絲杠副的傳動(dòng)效率高于普通滑動(dòng)螺母絲杠副，且能自鎖，常用于垂直移動(dòng)的傳動(dòng)。滾柱螺母絲杠副要求絲杠直徑較粗，否則，絲杠螺紋與滾柱的環(huán)槽有可能發(fā)生干涉。這一要求在舞臺(tái)升降臺(tái)上是完全能滿足的，因?yàn)橛缮敌谐趟鶝Q定的絲杠長度較長，一般為5～7 m ，根據(jù)剛度要求，絲杠直徑本身就要求較粗。而采用液壓傳動(dòng)可實(shí)現(xiàn)高壓高速、大功率、高效率、低噪聲、長壽命、高度集成化等方面的發(fā)展，與機(jī)械傳動(dòng)相比，采用液壓傳動(dòng)可減少換向沖擊、降低能量消耗、縮短換向時(shí)間，有效利用現(xiàn)場有效空間，減少傳動(dòng)裝置的占地面積，保證升降舞臺(tái)升降平穩(wěn)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制以及無級調(diào)速[1]。
常用的幾種升降機(jī)構(gòu)的比較：
a. 液壓升降機(jī)構(gòu)：采用液壓技術(shù)，升降平穩(wěn)、噪音低。
b. 垂直絲杠升降機(jī)構(gòu)：采用絲杠傳動(dòng)方式，可以實(shí)現(xiàn)雙層臺(tái)面的升降。根據(jù)需要可多塊組成升降臺(tái)群，能在行程范圍內(nèi)組成不同的臺(tái)階以滿足會(huì)議和演
2
出的需要，是搭設(shè)亭、臺(tái)、樓、閣的理想道具。
c. 水平絲杠機(jī)械升降機(jī)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)的升降臺(tái)具有土建配合量小，所需基坑淺、行程大、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低、定位準(zhǔn)確、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。采用水平絲杠傳動(dòng)，通過剪叉結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)臺(tái)面的升降運(yùn)動(dòng)，在行程范圍內(nèi)可任意停止。
d. 鏈條式升降機(jī)構(gòu)：有良好的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，可保證設(shè)備運(yùn)行時(shí)無傾斜。
e. 齒輪齒條式升降機(jī)構(gòu)：傳動(dòng)精確，造價(jià)高。
f. 螺旋器升降機(jī)構(gòu)：具有普通升降臺(tái)的全部功能，主要特點(diǎn)是設(shè)備占用基坑小，行程大。設(shè)備高度僅200～500mm，行程可達(dá)14m。對于舞臺(tái)建在二層以上的建筑物，因空間受到限制的劇場尤為適合[2]。
1.2升降舞臺(tái)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)
a. 傳動(dòng)平穩(wěn) 在液壓傳動(dòng)裝置中，由于油液的壓縮量非常小，在通常壓力下可以認(rèn)為不可壓縮，依靠油液的連續(xù)流動(dòng)進(jìn)行傳動(dòng)。油液有吸振能力，在油路中還可以設(shè)置液壓緩沖裝置，故不像機(jī)械機(jī)構(gòu)因加工和裝配誤差會(huì)引起振動(dòng)撞擊，使傳動(dòng)十分平穩(wěn)，便于實(shí)現(xiàn)頻繁的換向；因此它廣泛地應(yīng)用在要求傳動(dòng)平穩(wěn)的機(jī)械上，例如磨床幾乎全都采用了液壓傳動(dòng)。
b. 質(zhì)量輕體積小 重量輕、體積小、運(yùn)動(dòng)慣性小、反應(yīng)速度快 液壓傳動(dòng)與機(jī)械、電力等傳動(dòng)方式相比，在輸出同樣功率的條件下，體積和質(zhì)量可以減少很多，因此慣性小、動(dòng)作靈敏；這對液壓仿形、液壓自動(dòng)控制和要求減輕質(zhì)量的機(jī)器來說，是特別重要的。例如我國生產(chǎn)的挖掘機(jī)在采用液壓傳動(dòng)后，比采用機(jī)械傳動(dòng)時(shí)的質(zhì)量減輕了1T。
c. 承載能力大 液壓傳動(dòng)易于獲得很大的力和轉(zhuǎn)矩，因此廣泛用于壓制機(jī)、隧道掘進(jìn)機(jī)、萬噸輪船操舵機(jī)和萬噸水壓機(jī)等。一般采用礦物油作為工作介質(zhì)，相對運(yùn)動(dòng)面可自行潤滑，使用壽命長。
d. 容易實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速 在液壓傳動(dòng)中，調(diào)節(jié)液體的流量就可實(shí)現(xiàn)無級凋速，并且調(diào)速范圍很大，可達(dá)2000︰1，很容易獲得極低的速度。
e. 易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù) 液壓系統(tǒng)中采取了很多安全保護(hù)措施，能夠自動(dòng)防止過載，避免發(fā)生事故。
f. 液壓元件能夠自動(dòng)潤滑 由于采用液壓油作為工作介質(zhì)，使液壓傳動(dòng)裝置能自動(dòng)潤滑，因此元件的使用壽命較長。
g. 容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作 采用液壓傳動(dòng)能獲得各種復(fù)雜的機(jī)械動(dòng)作，如仿形車床的液壓仿形刀架、數(shù)控銑床的液壓工作臺(tái)，可加工出不規(guī)則形狀的零件。
h. 簡化機(jī)構(gòu) 采用液壓傳動(dòng)可大大地簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而減少了機(jī)械零部件數(shù)目。
i. 便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 當(dāng)采用電液聯(lián)合控制后，不僅可實(shí)現(xiàn)更高程度的自動(dòng)控制過程，而且可以實(shí)現(xiàn)遙控液壓系統(tǒng)中，液體的壓力、流量和方向是非常容易控制的，再加上電氣裝置的配合，很容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)工作循環(huán)。目前，液壓傳動(dòng)在組合機(jī)床和自動(dòng)線上應(yīng)用得很普遍。
j. 便于實(shí)現(xiàn)“三化” 液壓元件易于實(shí)現(xiàn)系列比、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。也易于設(shè)計(jì)和組織專業(yè)性大批量生產(chǎn)，從而可提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低。
3
2 制定液壓舞臺(tái)基本方案
2.1升降舞臺(tái)的液壓系統(tǒng)方案的確定
確定升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)的方案：舞臺(tái)重量4000Kg，舞臺(tái)升降速度0.3~0.5m/s，升降舞臺(tái)是往復(fù)短行程直線運(yùn)動(dòng)，所以根據(jù)它的往復(fù)運(yùn)動(dòng)選擇它的執(zhí)行元件，執(zhí)行元件類型為活塞缸（A1=2A2)。
2.1.1升降臺(tái)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
該升降臺(tái)主要有兩部分組成：機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。機(jī)械機(jī)構(gòu)主要起傳遞和支撐作用，液壓系統(tǒng)主要提供動(dòng)力，他們兩者共同作用實(shí)現(xiàn)升降機(jī)的功能。
如圖2.1所示即為單個(gè)升降舞臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)形式，其中1是工作平臺(tái)，2是活動(dòng)鉸鏈，3為固定鉸鏈，4為支架，5是液壓缸，6為底座。4（支架）主要起支撐作用和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化形式的作用，一方面支撐舞臺(tái)的載荷，一方面通過其鉸接將液壓缸的伸縮運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為舞臺(tái)的升降運(yùn)動(dòng)，1（工作平臺(tái)）與載荷直接接觸，將載荷轉(zhuǎn)化為均布載荷，從而增強(qiáng)局部承載能力。下底架主要起支撐和載荷傳遞作用，它不僅承擔(dān)著整個(gè)舞臺(tái)的重量，而且能將作用力傳遞到地基上。兩支架在0點(diǎn)鉸接，支架的一端分別固定在平臺(tái)和底座上，另一端采用滾輪滑動(dòng)，通過活塞桿的伸縮和鉸接點(diǎn)0的作用實(shí)現(xiàn)舞臺(tái)升降平穩(wěn)。液壓缸左右對稱布置，工作時(shí)總體水平方向上受到的合力為零，使得臺(tái)面水平方向不發(fā)生運(yùn)動(dòng)，垂直方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
圖2.1 升降舞臺(tái)結(jié)構(gòu)簡圖
5
2.2液壓回路的選擇
2.2.1確定油路方式
油路循環(huán)方式可以分為開式和閉式兩種，油路循環(huán)方式的選擇主要取決于液壓系統(tǒng)的調(diào)速方式和散熱條件。
比較表2.1兩種方式的差異，再根據(jù)升降舞臺(tái)的性能要求，可以選擇的油路循環(huán)方式為開式系統(tǒng)，因?yàn)樵撋禉C(jī)主機(jī)和液壓泵要分開安裝，具有較大的空間存放油箱，而且要求該升降機(jī)的結(jié)構(gòu)盡可能簡單，開始系統(tǒng)剛好能滿足上述要求。
表2.1 油路循環(huán)方式
油液循環(huán)方式
開式
閉式
散熱條件
較方便，但油箱較大
較好，需用輔泵換油冷卻
抗污染性
較差，但可用壓力油箱或其他改善
較好，但油液過濾要求較高
系統(tǒng)效率
管路壓力損失較大，用節(jié)流調(diào)速效率低
管路壓力損失較小，容積調(diào)速效率高
限速制動(dòng)形式
用平衡閥進(jìn)行能耗限速，用制動(dòng)閥進(jìn)行能耗制動(dòng)，可引起油液發(fā)熱
液壓泵由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)時(shí)，限速及自動(dòng)過程中拖動(dòng)電機(jī)能向電網(wǎng)輸電，回收部分能量
其他
對泵的自吸性能要求較高
對主泵的自吸性能要求較低
油源回路的原理圖如下所示：
1.油缸；2.過濾器；3.溫度計(jì)；4.液位計(jì)；5.電動(dòng)機(jī)；6.液壓泵；7.溢流閥；8.壓力表
圖2.2 油路回路原理圖
當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)液壓執(zhí)行元件時(shí)，開始系統(tǒng)按照油路的不同連接方式又可以分為串聯(lián)，并聯(lián)，獨(dú)聯(lián)，以及它們的組合復(fù)聯(lián)等。
串聯(lián)方式是除了第一個(gè)液壓元件的進(jìn)油口和最后一個(gè)執(zhí)行元件的回油口分別與液壓泵和油箱相連接外，其余液壓執(zhí)行元件的進(jìn)，出油口依次相連，這種連接方式的特點(diǎn)是多個(gè)液壓元件同時(shí)動(dòng)作時(shí)，其速度不隨外載荷變化，故輕載時(shí)可多個(gè)液壓執(zhí)行元件同時(shí)動(dòng)作[4]。
2.2.2確定調(diào)速方法
調(diào)速方法有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速、聯(lián)合調(diào)速。在設(shè)計(jì)中選用節(jié)流調(diào)速回路，。節(jié)流調(diào)速一般采用定量泵，用流量控制閥改變輸出輸入液壓執(zhí)行元件的流量來調(diào)節(jié)速度。原因是該調(diào)速回路有以下特點(diǎn)：承載能力好，成本低，調(diào)速范圍大，適用于小功率，輕載或中低壓系統(tǒng) ，但其速度負(fù)載特性差，效率低，發(fā)熱大。
2.2.3速度換接回路的選擇
速度換接回路的形式常用行程閥或電磁閥來實(shí)現(xiàn)，行程閥具有換接平穩(wěn)、工作可靠、換接位置精度高、電磁閥具有結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、調(diào)整方便的特點(diǎn)。
2.2.4換向回路的選擇
根據(jù)執(zhí)行元件對換向性能功能的要求選擇換向閥機(jī)能和控制方式。在本設(shè)計(jì)中多采用電磁換向閥實(shí)現(xiàn)回路的換向，它具有操作方便、便于布置、低速換向的特點(diǎn)。
2.2.5壓力控制回路的選擇
本設(shè)計(jì)中采用了節(jié)流調(diào)速，常用溢流閥組成限壓、安全、保護(hù)回路。
2.2.6其他回路的分析與選擇
根據(jù)升降舞臺(tái)的要求，本設(shè)計(jì)中選用了多缸同步回路、順序動(dòng)作回路、平
衡回路、鎖緊回路和卸荷回路等。在選擇回路中對同步回路和順序動(dòng)作回路進(jìn)行
7
詳細(xì)分析。
a. 多缸同步回路
同步回路是保持兩個(gè)或兩個(gè)以上的液壓缸在運(yùn)動(dòng)中保持相同的位移或相同的速度。
b. 調(diào)速閥控制的同步回路
在這個(gè)回路中，兩個(gè)調(diào)速閥分別調(diào)節(jié)兩液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度，仔細(xì)調(diào)整兩個(gè)調(diào)速閥的開口，可使兩液壓缸在同一個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)速度同步，這種同步回路結(jié)構(gòu)簡單并且速度可調(diào)，但是由于油溫變化及調(diào)速閥性能差異的影響，顯然這種回路不易保證位置同步、且調(diào)整麻煩，速度同步精度較低，一般在5%~7%之間。
c. 機(jī)械聯(lián)接同步回路
其特點(diǎn)是：回路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，但只適用于兩缸載荷相差不大的場合，連接應(yīng)具有良好的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和剛性，否則會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。
d. 順序同步回路
常用的順序動(dòng)作回路可分為壓力控制，行程控制和時(shí)間控制三類，其中前兩類使用較多。
根據(jù)執(zhí)行元件對換向性能功能的要求選擇換向閥機(jī)能和控制方式。在本設(shè)計(jì)中多采用電磁換向閥實(shí)現(xiàn)回路的換向，它具有操作方便、便于布置、低速換向的特點(diǎn)[5]。
2.2.7壓力控制回路的選擇
本設(shè)計(jì)中采用了節(jié)流調(diào)速，常用溢流閥組成限壓、安全、保護(hù)回路。
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3 升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)工作原理圖分析
3.1液壓系統(tǒng)組成及工作原理
確定該系統(tǒng)的工作循環(huán)為：快速前進(jìn)——工進(jìn)——工退——原位停止，當(dāng)按下啟動(dòng)動(dòng)按鈕電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓泵開始工作，把油箱的油通過分流閥等量分流到兩個(gè)三位四通的電磁換向閥。
當(dāng)按下快速上升按鈕，電磁鐵得電，換向閥1工作在左位，換向閥2工作在右位。油液通過節(jié)流閥流向四個(gè)液壓缸，四個(gè)液壓缸同步快速上升，油液再通過節(jié)流閥在流回油箱。當(dāng)液壓缸上升到上限位置碰到行程開關(guān)，電磁鐵失電，兩換向閥同時(shí)換中位，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保壓。
當(dāng)按下勻速上升按鈕，電磁鐵得電，換向閥1工作在左位，換向閥2工作在右位。油液通過節(jié)流閥流向四個(gè)液壓缸，四個(gè)液壓缸同步勻速上升，油液再通過節(jié)流閥在流回油箱。當(dāng)液壓缸上升到上限位置碰到行程開關(guān)，電磁鐵失電，兩換向閥同時(shí)換中位，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保壓。
當(dāng)按下下降按鈕，電磁鐵得電，換向閥1工作在右位，換向閥2工作在左位，油液再通過單向閥在流回油箱。當(dāng)液壓缸下降到下限位置碰到行程開關(guān)，電磁鐵失電，兩換向閥同時(shí)換中位，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)卸荷。
當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障等要求緊急停止時(shí)，按下停止按鈕，電磁閥復(fù)位，電磁閥都失電，兩個(gè)換向閥都置中位，整個(gè)系統(tǒng)停止。
3.2 升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)工作原理圖
根據(jù)升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，升降舞臺(tái)的液壓系統(tǒng)由閥體控制，進(jìn)行升降運(yùn)作，其中包括流量閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、換向閥，依靠閥體的相互配合，充分利用各個(gè)閥體的特點(diǎn)進(jìn)行組裝，完成舞臺(tái)從上升到下降的整體過程。
舞臺(tái)液壓設(shè)計(jì)原理圖如下：
3.3液壓系統(tǒng)的工作特點(diǎn)
該升降臺(tái)主要有兩部分組成：機(jī)械機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)。機(jī)械機(jī)構(gòu)主要起傳遞和支撐作用，液壓系統(tǒng)主要提供動(dòng)力，他們兩者共同作用實(shí)現(xiàn)升降機(jī)的功能。這里主要介紹液壓系統(tǒng)，升降臺(tái)液壓系統(tǒng)的一個(gè)完整的循環(huán)包括快速上升、勻速上升、下降、停止。實(shí)現(xiàn)四個(gè)液壓缸速度同步和位置的同步。
1液壓缸；2過濾器；3溫度計(jì)；4液位計(jì)；5電機(jī)；6液壓泵；7溢流閥；8壓力表；9分流閥；10、11三位四通電磁換向閥； 12、15單項(xiàng)節(jié)流閥；13、14節(jié)流閥；16、17、18、19液壓缸； 20二位二通電磁換向閥；21調(diào)速閥
圖3.1 液壓系統(tǒng)原理圖
3.3液壓系統(tǒng)的工作特點(diǎn)
該升降臺(tái)主要有兩部分組成：機(jī)械機(jī)構(gòu)和液壓系統(tǒng)。機(jī)械機(jī)構(gòu)主要起傳遞和支撐作用，液壓系統(tǒng)主要提供動(dòng)力，他們兩者共同作用實(shí)現(xiàn)升降機(jī)的功能。這里主要介紹液壓系統(tǒng)，升降臺(tái)液壓系統(tǒng)的一個(gè)完整的循環(huán)包括快速上升、勻速上升、下降、停止。實(shí)現(xiàn)四個(gè)液壓缸速度同步和位置的同步。相同，對升降臺(tái)來講，對同步的要求應(yīng)該是嚴(yán)格意義上的位置同步，即四缸不管是在運(yùn)動(dòng)中還是在停止時(shí)，都應(yīng)該保持位置相同樂池的升降臺(tái)必須具備升降功能，升降臺(tái)需保持水平地升降，不能有較大的傾斜，以免在升降過程中樂隊(duì)人員。液壓升降臺(tái)在升到最高位置和降到最低位置時(shí)，能穩(wěn)定在極限位置。升降臺(tái)應(yīng)升降平穩(wěn)、速度可調(diào)，并且升降臺(tái)的驅(qū)動(dòng)裝置工作可靠，控制靈活方便。工作時(shí)產(chǎn)生的沖擊、振動(dòng)和噪聲要小。這樣才能保證樂隊(duì)在演唱時(shí)，不會(huì)因?yàn)樯蹬_(tái)的升起和下降時(shí)，升降臺(tái)傾斜而站立不穩(wěn)，其中液壓系統(tǒng)還要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的卸荷， 保壓防止升降臺(tái)因超載而下降，影響演出或發(fā)生意外事故[6]。
17
4 升降舞臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1 執(zhí)行元件類型、數(shù)量
表4.1 執(zhí)行元件類型選擇
運(yùn)動(dòng)形式
往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)
回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
往復(fù)擺動(dòng)
短行程
長行程
高速
低速
執(zhí)行元件的類型
活塞缸
柱塞缸
液壓馬達(dá)和絲杠螺母機(jī)構(gòu)
高速液壓馬達(dá)
低速液壓馬達(dá)
擺動(dòng)液壓馬達(dá)
根據(jù)上表選擇執(zhí)行元件類型為活塞缸（A1=2A2)，再根據(jù)其運(yùn)動(dòng)要求進(jìn)一步選擇液壓缸類型為雙作用單活塞桿無緩沖式液壓缸。
數(shù)量：該升降平臺(tái)為雙單叉結(jié)構(gòu)，故其采用的液壓缸數(shù)量為4個(gè)完全相同的液壓缸，其運(yùn)動(dòng)完全是同步的，但其精度要求不是很高。
4.2升降舞臺(tái)升降部分的設(shè)計(jì)
4.2.1確定液壓系統(tǒng)的工作要求
根據(jù)工作要求，快速前進(jìn)時(shí)的速度為4500mm/min(0.075m/s)，工作進(jìn)給時(shí)的速度應(yīng)在20~120mm/min(0.0003~0.002m/s)范圍內(nèi)作無級調(diào)速，運(yùn)動(dòng)部件自身重為4t，啟動(dòng)換向時(shí)間為△t=0.05s，系統(tǒng)豎直放置的垂直導(dǎo)軌的靜摩擦系數(shù)為=0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)為=0.1，油缸機(jī)械效率ηcm取為0.9[7]。
根據(jù)以上的數(shù)據(jù)可以得：重力： （4.1）
靜摩擦力：= （4.2）
動(dòng)摩擦力： （4.3）
慣性力：= （4.4）
4.2.2分析液壓系統(tǒng)給的工況
啟動(dòng)加速階段：
F=(Fs+)/ηcm(7840+6000)/0.9=15377.8N=15.4KN （4.5） 工進(jìn)階段：
F=/ηcm=3920/0.9=4355.6N=4.4KN （4.6）
工退階段：
F= /ηcm=3920/0.9=4355.6N=4.4KN （4.7）
4.2.3確定液壓缸的主要參數(shù)
a.初選液壓缸的工作壓力
表4.2 按負(fù)載選擇壓力
負(fù)載（KN）
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作壓力/mpa
<=1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
>5
表4.3 按設(shè)備類型選擇系統(tǒng)工作壓力
設(shè)備類型
機(jī)床
磨床 拉床
組合機(jī)床 龍門刨床
農(nóng)業(yè)機(jī)械，小型工程機(jī)械，建筑機(jī)械，液壓鑿巖機(jī)
液壓機(jī)，大中型挖掘機(jī)，重型機(jī)械，起重運(yùn)輸機(jī)械
工作壓力/mpa
0.8~2
3~5
2~8
8~10
10~18
20~32
由計(jì)算得出各階段負(fù)載的最大值查表4.2和表4.3，取液壓缸的工作壓力為2.5MPa[9]。
b. 確定液壓缸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
表4.4 液壓缸參考背壓
系統(tǒng)類型
背壓 Pb×105/Pa
回油路上有節(jié)流閥的調(diào)速系統(tǒng)
2~5
回油路上有調(diào)速閥的調(diào)速系統(tǒng)
5~8
回油路上裝有背壓閥
5~15
帶補(bǔ)油泵的閉式回路
8~15
根據(jù)計(jì)算得，最大負(fù)載為啟動(dòng)加速階段負(fù)載：F=15.4KN，液壓缸壓力為2.5mpa，且為了防止負(fù)載的突然消失，改液壓缸采用背壓，則參照表4.4，選背壓為P2=0.5mpa。則：
A== （4.8）
則活塞直徑：
D= （4.9）
式中：D—活塞桿直徑缸、筒內(nèi)徑，單位為m；
F—無桿腔推力，單位為N；
P—工作壓力，單位為MPa；
—液壓缸機(jī)械效率，取=0.95。
查設(shè)計(jì)手冊，液壓缸內(nèi)徑系列將所計(jì)算的值圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，取D=100mm。
c. 活塞桿直徑的確定
活塞桿直徑根據(jù)受力情況和液壓缸的結(jié)構(gòu)形式來確定：
對于雙作用單邊活塞桿液壓缸，其活塞桿直徑，可按照活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)之速度比來決定。
（4.10）
而根據(jù)壓力的大小，可選用壓力小于，可選用速度比為，所以d= 56mm符合活塞桿標(biāo)準(zhǔn)直徑系列，由D=100mm，d=56mm計(jì)算液壓缸無桿腔有效工作面積為A1=78.5cm2 ，有桿腔有效工作面積為A2=19.63cm2
假定工作進(jìn)給采用調(diào)速閥調(diào)速，查產(chǎn)品樣本，調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量為Qmin=0.05L/min，因?yàn)楣ぷ鬟M(jìn)給最小速度為Vmin=20mm/min，
則Qmin/Vmin=0.05×103×10/20=15cm2＜A2＜A1， 因此能滿足低速穩(wěn)定性要求[10]。
d. 計(jì)算液壓缸的工作壓力、流量以及功率
(1) 計(jì)算工作壓
P1= （4.11）
根據(jù)有關(guān)資料，系統(tǒng)的背壓在0.5~0.8MPa范圍內(nèi)選取。暫時(shí)規(guī)定，工作進(jìn)給的的背壓為Pb=0.8MPa
快速進(jìn)給時(shí)的背壓為Pb=0.5MPa。液壓缸在工作循環(huán)各階段的工作壓力P1可按公式（4-11）計(jì)算得出：
工作進(jìn)給階段：
P1=F/A1+ PbA2/A1=
快速退回階段：
P1=F/A2+A1×Pb/A2=
快速前進(jìn)階段:
P1=F/A1-A2+A2Pb/A1-A2=
(2) 計(jì)算液壓缸的流量
Q=AV （4.12）
式中: A —液壓缸的面積
V —液壓缸的速度
根據(jù)快進(jìn)快退速度V1=0.075m/s，工進(jìn)速度V2=0.02m/s計(jì)算液壓缸各階段所應(yīng)輸入的流量。
工作進(jìn)給階段：
Q1=A1×V2=78.5×0.002/10×103=0.96L/min
快速退回階段：
Q1=A2×V1=19.63×0.075/10×103=18L/min
快速前進(jìn)階段：
Q1=(A1-A2)×V1=(785-19.63)×0.075/10×103=17.3L/min
(3) 計(jì)算液壓缸的輸入功率
P=PQ （4.13）
式中： P—液壓缸的壓強(qiáng)
Q—液壓缸的流量
工作進(jìn)給階段：
P=P1Q1=
快速退回階段：
P=P1×Q1=
快速前進(jìn)階段：
P=P1×Q1=
(4) 液壓缸壁厚，最小導(dǎo)向長度，液壓缸缸筒長度的確定
1) 缸筒材料要求：
① 有足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性，具有良好的焊接性能；
② 采用熱軋無縫鋼管，調(diào)質(zhì)處理。此處要求缸體與端蓋焊接，取調(diào)質(zhì)30號 抗拉強(qiáng)度為安全系數(shù)為 [11] 有
（4.14）
（4.15）
根據(jù)缸筒內(nèi)徑查手冊《液壓傳動(dòng)》選缸筒外徑為，則滿足：0.825mm （4.16）
即缸體的壁厚為13.5mm
(2) 最小導(dǎo)向長度，液壓缸缸筒長度
活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支撐面中點(diǎn)到導(dǎo)向滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離為活塞的最小導(dǎo)向長度H，如下圖所示，如果最小導(dǎo)向長度過小，將會(huì)使液壓缸的初始撓度增大，影響其穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須保證有最小導(dǎo)向長度，對于一般的液壓缸，液壓缸最大行程為L，缸筒直徑為D時(shí)，最小導(dǎo)向長度H。
圖3.5 液壓缸結(jié)構(gòu)簡圖
液壓缸的缸筒長度L主要有活塞最大工作行程決定，一般缸筒長度不超過內(nèi)徑的20倍。
活塞寬度度b=（0.6~1）D=0.6×100=60mm （4.17）
活塞桿導(dǎo)向長度H=（0.6~1.5）d=1.0×70=70mm （4.18）
通常L≦()D=10×100~20×100=1000mm~2000mm=1000mm （4.19）
（4.20）
即H≧1000/20＋100/2=100mm 取為100mm
導(dǎo)向套滑動(dòng)面長度A，在D<80mm時(shí)，取A=(0.6~1.5)D，在D80mm時(shí)，取A=(0.6~1)D，當(dāng)導(dǎo)向套長度不夠時(shí)，不宜過分增大A和B，必要時(shí)可在導(dǎo)向套和活塞之間加一隔套，隔套的長度由最小導(dǎo)向長度H確定[12]。
18
5 液壓元件的選擇及計(jì)算
5.1 液壓泵及電動(dòng)機(jī)的選擇
由液壓工礦系統(tǒng)得液壓缸的工作壓力在快退階段達(dá)到最大。設(shè)進(jìn)油路壓力損失∑△P=0.5MPa ，則液壓泵的最高工作壓力為:
PP1+∑ΔP1=1.09+0.5=1.59MPa （5.1）
因此，液壓泵的額定壓力可以取為（1.59+1.59×25%）MPa=1.99MPa。
（5.2）
式中 —泄漏系數(shù)，一般取=1.1～1.3，大流量時(shí)取小值，反之取大值
—同時(shí)動(dòng)作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值
將流量值18L/min代入（5-2）公式中，分別求出快進(jìn)及工進(jìn)階段的供油量。
快進(jìn)快退時(shí)泵的供油量為：Q≧kq=1.1×18=19.8L/min （5.3）
工進(jìn)時(shí)泵的流量為：Q≧kq=1.1×0.94=1.04L/min （5.4）
考慮到節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中溢流閥的性能特點(diǎn)，應(yīng)加上溢流閥穩(wěn)定工作時(shí)的最小溢流量一般取為3L/min。
查產(chǎn)品樣本，選擇小泵排量V=25ml/min的YB-25葉片泵，額定轉(zhuǎn)速n=960r/min，
則泵的額定溢流量為Q=V×ηpv=25×960×0.9×0.001L/min=22L/min （5.5）
經(jīng)過計(jì)算得快退階段功率最大，所以根據(jù)快退階段功率計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率。
設(shè)快退時(shí)進(jìn)油路的壓力損失為∑△P1=0.2MPa，液壓泵的總效率為p=0.7，則電動(dòng)機(jī)功率為
P=PQ/=(p1+Σ△p1)Q/ηp=(1.09+0.2)×2.2×1000/60×0.7=676W （5.6）
查電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品樣本，選用Y901-6型異步電動(dòng)機(jī)P=1.1KW，n=910r/min。
5.2方向控制閥的選擇
根據(jù)結(jié)構(gòu)類性及工作原理，此外，還應(yīng)考慮閥的安裝及連接形式，尺寸重量，價(jià)格，使用壽命，維護(hù)方便性，貨源情況等。
可以選擇DBD式直動(dòng)式溢流閥，相關(guān)參數(shù)如下：
型號：DBDS6G10 最低調(diào)節(jié)壓力：5MPa
流量： 40L/min 介質(zhì)溫度：
該升降機(jī)液壓系統(tǒng)中所使用的流量控制閥有分流閥和單向分流閥，單向分流閥的規(guī)格和型號如下：
型號： FDL-B10H 公稱通徑：10mm
20
公稱流量: P、O口 40L/min A、B口 20L/min
連接方式：管式連接 重量：4Kg
分流閥的型號為：FL-B10 公稱通徑：10mm
公稱流量：P、O口 40L/min A、B口 20L/min
連接方式：管式連接 重量：4Kg
方向控制閥在該系統(tǒng)中主要是指電磁換向閥，通過換向閥處于不同的位置，來實(shí)現(xiàn)油路的通斷。所選擇的換向閥型號及規(guī)格如下：
型號：4WE5E5OF 額定流量：15L/min
消耗功率：26KW 電源電壓：
工作壓力：A、B、P腔 T腔： 重量：1.4Kg
5.3 其它輔助元件的確定
油管的內(nèi)徑取決于管路的種類及管內(nèi)液體的流速和油管直徑d。
具體可由下式確定：
（5.7）
式中：—油管直徑，單位為；
—油管內(nèi)液體的流量，單位為m3/s；
—油管內(nèi)的允許流速，單位為m/s；
由于本系統(tǒng)液壓缸差動(dòng)連接快進(jìn)時(shí)，油管內(nèi)通油量最大，其實(shí)際流量約為泵額定流量的兩倍， 故Q=2×22=44L/min。
a. 油管：取
（5.8）
式中： ——管道中最大流量，
查手冊，根據(jù)GB/T3683-1992，采用1 型公稱直徑為的一層鋼絲編織
的液壓橡膠軟管。
b. 過濾器：
吸油過濾器：查產(chǎn)品樣本手冊采用—100×80型，額定壓力為：1.6，
流量：100L/min，過濾精度80。
回油過濾器：查產(chǎn)品樣本手冊采用RS60×100A10CF，額定壓力為：1.0，
22
報(bào)警壓力0.25，過濾精度10。
c. 油箱容積的確定：
油箱在系統(tǒng)中的主要功能為：儲(chǔ)存系統(tǒng)所需要的足夠的油液，散發(fā)系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生的一部分熱量，分離油液中的氣體及沉淀污物。
油箱容積的確定是設(shè)計(jì)油箱的關(guān)鍵，油箱的容積應(yīng)能保證當(dāng)系統(tǒng)有大量供油而無回油時(shí)。最低液面應(yīng)在進(jìn)口過濾器之上，保證不會(huì)吸入空氣，當(dāng)系統(tǒng)有大量回油而無供油時(shí)或系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，油液返回油箱時(shí)，油液不致溢出。
初始設(shè)計(jì)時(shí)，可依據(jù)使用情況，按照經(jīng)驗(yàn)公式確定油箱容積可知：
（5.9）
式中：—油箱的容積，單位為L；
—液壓泵的流量，單位為；
—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，而此次為中壓系統(tǒng)則取5—7；
則 V=（5～7）=Q（5～7）×58 L=（290×406）L
d. 冷卻器的設(shè)計(jì)選擇
從油路管路返回油箱的油溫，一般不高于60。C，在高壓下工作的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，為了避免過分漏油，其允許油溫最高至50。C，高于上述溫度時(shí)，可采用冷卻器以降低油溫。通常冷卻器皆安在油箱的回油管路上。在很多情況下，油的發(fā)熱是由于大量高壓油從溢流閥中流出，此時(shí)，冷卻器應(yīng)安在溢流閥的泄油管路上。這樣，過熱的油在返回油箱之前溫度即行降低。安裝冷卻器后，壓力損失一般為0.1—1公斤/厘米2。
用于冷卻器的熱交換器形式很多，而本文采取了多管式冷卻器，水為冷卻介質(zhì)，從管內(nèi)通過，油從筒體內(nèi)管間流過。
e. 油管壁厚：
升降舞臺(tái)系統(tǒng)中的油管可用橡膠軟管和尼龍管作為管道，橡膠軟管裝配方便，能吸收液壓系統(tǒng)中的沖擊和振動(dòng)，尼龍管是一種很有發(fā)展前途的非金屬油管，用于低壓系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用的油管內(nèi)徑統(tǒng)一為18[14]。
f. 過濾器
過濾器選擇應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
(1) 具有足夠大的通油能力，壓力損失小，一般過濾器的通油能力大于實(shí)際流量的二倍，或大于管路的最大流量。
(2) 過濾精度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，一般液壓系統(tǒng)的壓力不同，對過濾精度的要求也不同，系統(tǒng)壓力越高，要求液壓元件的間隙越小，所以過濾精度要求越高。
24
(3) 濾芯應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，過濾器的實(shí)際壓力應(yīng)小于樣本給出的工作壓力。
(4) 濾芯抗腐蝕性能好，能在規(guī)定的溫度下長期工作。
根據(jù)上述原則，考慮到螺桿泵的流量，選定過濾器為燒結(jié)式過濾器，其型號及具體參數(shù)如下所示：
吸油過濾器：查產(chǎn)品樣本手冊WU-100×80型，額定壓力為1.6MPa流量100L/min過濾精度80μm
回油過濾器：查查品樣本手冊，采用RS60×100A10CF，額定壓力為1.0MPa報(bào)警壓力為0.25MPa過濾精度為10μm。
5.4液壓元件的連接
液壓元件的連接可以分為螺紋連接、板式連接，集中塊式連接三種。這里介紹板式連接中的集中塊式連接板。它是本液壓系統(tǒng)中將要采用的連接方式。
25
6 液壓系統(tǒng)性能的驗(yàn)算
6.1 系統(tǒng)壓力損失計(jì)算以及泵壓力的調(diào)整
由于系統(tǒng)管路布置尚未確定，所以只能估算系統(tǒng)壓力的損失。
a. 快速退回時(shí)
快速退回階段的流量最大，并且液壓缸有桿腔進(jìn)油，故回油流量最大，是進(jìn)油量的1/c倍，即1/c=1/0.44=2.27倍，進(jìn)回油路壓力損失應(yīng)分別計(jì)算。
(1) 進(jìn)油路
已知管長=2m，流量Q=1050cm2/s管徑d=32mm粘度v=0.20m2/s 密度ρ=900kg/m2單向閥一個(gè)，△Pc1=0.2MPa，換向閥一個(gè)，△Pc2=0.2MPa， 單向順序閥（反向流）一個(gè)，△Pc3=0.2MPa， 直角彎頭一個(gè)，ζ=1.12
由此可算得： 流速：V=4Q/πd2=1050×4/3.14×322=1.31m/s （6.1）
雷諾數(shù)：Re=Vd/υ=131×3.2/20×0.02=2096 油液屬層流 （6.2）
沿程阻力系數(shù)：λ=75/Re=75/2096=0.036 （6.3）
沿程壓力損失：∑△P1=λ1Pν2/2d=0.036×2×900×1.312/0.032×2
=0.002MPa （6.4）
局部壓力損失：
∑△P2△Pn(q/qn)2=△Pc1(Q/Qe1)2+△Pc2(Q/Qe2)2+△Pc3(Q/Qe3)2+ζPν/2
0.2×(62.9/100)2+0.2×(62.9/190)2+0.2×(62.9/150)2+1.12×90×1.31 2/2×103×103
=0.14MPa （6.5）
進(jìn)油路總壓力損失：∑△Pc=∑△P1+∑△P2=0.002+0.14=0.142MPa （6.6）
(2) 回油路
已知流量Q=1050/c=1050/0.44=2386cm3=143L/min，管長L=1m換向閥一個(gè)△Pc=0.2MPa，直角彎頭一個(gè)，ζ=1.12其余與進(jìn)油路一樣。
由此可計(jì)算得：
流速：v=4Q/πd2=4×143/3.14×3.22=297cm/s=2.97m/s （6.7）
雷諾數(shù)：Re=vd/ν=297×3.2/20×0.01=4752 該油液是紊流 （6.8）
沿程阻力系數(shù)：λ=0.3164Re?=0.3164×4752?=0.038 （6.9）
程壓力損失計(jì)算：∑△Pr1=λ1ρν2/2d
=0.038×900×2.972/2×0.032
=0.0047MPa （6.10）
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局部壓力損失：∑△Pr2=△Pc(Q/Qe)2+△Pc(Q/Qe)2
=1.12×900×2.972/2×103＋103
=0.12MPa （6.11）
回油路總壓力損失：∑△Pc=△Pr1＋△Pr2=0.0047＋0.12=0.125MPa （6.12）
b. 慢速折彎時(shí)
從快速退回行程的壓力損失計(jì)算可看出，沿程壓力損失與局部壓力損失相比很小。在慢速折彎行程流量更小，使得沿程壓力損失更小，故可忽略不計(jì)，只考慮局部壓力損失。
(1) 進(jìn)油路：
已知流量Q=542cm2/s=32.5L/min其余與前相同。
由此可計(jì)算得：
進(jìn)油路壓力損失為：
∑△P=∑Pr1=△Pc1(Q/Qe1)2+△Pc2(Q/Qe2)2+△Pc2(Q/Qe3)2+ζpν2/2 =0.2×(32.5/100)2+0.2×(32.5/190)2+1.12×900×0.672/2×103×103 =0.03MPa （6.13）
(2) 回油路：
已知流量Q=542×0.44=238cm2/s=14.28L/min單向順序閥（正向流）△Pc=0.3 其余從前。
由此可計(jì)算得：
回油路壓力損失為：
△P2=∑△Pr2=△Pc2(Q/Qe2)2+ζpν2/2+△Pc(△Q/Qe)2
=0.2×(14.28/190)2+1.12×900×0.32/2×103×103+0.3×(14.28/150)2
=0.004MPa （6.14）
(3) 系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)
對工作行程（慢速折彎）時(shí)系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)如下：
安全閥調(diào)節(jié)壓力為：
P=Fmax/A1ηgJ+c×∑△P2+∑△P1
=15000/0.0198+0.004×103×103
=24.35MPa （6.15）
單向順序閥調(diào)節(jié)壓力為：
P=G/A2－∑△P2
=15000/0.0198－4000=0.75×103×103Pa
=0.75MPa （6.16）
6.2系統(tǒng)發(fā)熱及溫升計(jì)算
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a. 發(fā)熱量估算
從整個(gè)工作循環(huán)看，功率變化較大，計(jì)算平均發(fā)熱量。從速度循環(huán)圖可近似計(jì)算各階段的時(shí)間：
快速下降：△T1=S1/V1=180/23=7.85s （6.17）
慢速折彎：啟動(dòng)時(shí)初壓：
△T2=S2/V2=15/12=1.25s （6.18）
終壓：△T3=2S2/V2=2×5/12=0.83s （6.19）
快速退回：△T4=S3/V3=200/53=3.77s （6.20）
循環(huán)周期：T0=△T1＋△T2＋△T3＋△T4=7.85＋1.25＋0.83＋3.77
=13.7s （6.21）
快速下降: Po1Po2≈(0.660)ηgJ/2=0.3kw （6.22）
終壓:Po3＝FV
＝(1000000＋5×10000)×（0.012＋0）×2×2=3150w=3.15kw （6.23）
快速退回：Po4≈0.87ηgJ=0.87×0.91=0.79kw （6.24）
從壓力，流量循環(huán)圖求各階段液壓泵輸入流量。
快速下降：Qb1=kQ1=1.1×62=68.2L/min=1137cm2/s （6.25）
Pb1=p＋∑△p1=0.142=0.14MPa （6.26）
PE1=Qb1×Pb1/ηb=11370.14/0.85=187w （6.27）
慢速折彎，初壓：
Qb2=k×Q2=1.1×325=35.75L/min=596cm2/s （6.28）
Pb2=(1.22＋0)/2＋∑P1=0.65MPa （6.29）
PE2=Qb2×Pb2/ηb=596×0.65/0.85=456w （6.30）
終壓：
Qb3=k(Q3＋0)/2=1.1×(32.5+0)/2=17.88L/min=298cm2/s （6.31）
Pb3=(24.3＋1.22)/2＋∑△P1=12.76＋0.03=12.8MPa （6.32）
PE3=Qb3×Pb3/ηb=298×12.8/0.85
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