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剪叉式 升降 舞台 液压 系统 设计 SW 三维 CAD

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任务书学院 XXX 专业XX 班级 XXX 学生姓名 XXX 指导教师/职称 XXX 1毕业设计(论文)题目：剪叉式升降舞台液压系统设计2毕业设计(论文)起止时间：20XX年10月 20X年6月3毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）参考资料：1 李壮云主编，贺小峰、万雄会副主编.液压元件与系统3版M.北京：机械工业出版社，2011.6.2 陈启松主编.液压传动与控制手册M.上海：上海科学技术出版社,2006.3 张利平编著.液压传动系统与设计M.北京：化学工业出版社，2005.6.4 宋锦春，苏东海，张志伟编著.液压与气压传动M.北京：科学出版社,2006.5 陈朴主编.机械制造技术基础2版M.重庆：重庆大学出版社，2015.7（2016.7重印）.6 李松晶、王清岩等主编.液压系统经典设计实例双色版M.北京：化学工业出版社，2016.4.7 黄志坚编著.液压系统典型故障治理方案200例M.北京：化学工业出版社，2011.9.8 杨帮文编.液压阀和气动阀选型手册M.北京：化学工业出版社，2009.4.9 刘延俊编著.液压元件及系统的原理、使用与维修M.北京：化学工业出版社，2010.7.设计原始数据：舞台大小为21m的长方形舞台。升降的平均速度为0.04m/s。舞台升高最大高度1.5m。载荷为0.5t（包括舞台自重）。4毕业设计(论文)应完成的主要任务（1）查阅文献，提出设计方案，完成开题报告；（2）剪叉式升降舞台液压系统设计；（3）升降舞台元件选择；（4）液压缸结构设计与计算；（5）系统性能验算；（6）绘制液压缸主要零件图和装配图。5任务书下达日期 20XX 年 10 月 21 日 指导教师(签字) 剪叉式升降舞台液压系统设计开题报告一、题目来源题目来源于社会实际。二、设计的目的和意义从16世纪时期起，欧洲等外国国家就已经开始使用人力带动的简单的人工升降舞台。在1884年，一些大型歌剧院就已经装备了以液压驱动的升降舞台和机械吊杆；而在19世纪末，绝大数的欧洲剧院已经开始使用液压升降舞台机械以实现舞台的升降，达到最佳观影的效果。而在近现代意义上的液压升降舞台机械从诞生至今也已经有一百多年的改进过程，在此一百多年期间进过不断的发展与完善。对于中国这个有着5000年历史的国家，舞台早就出现了，像古代的擂台，在很多古装剧中还有高低不同的木桩作为比武的场所，那时候就有人想出了高低不同的舞台来增加难度，可想而知，舞台已经成为了人们娱乐不可或缺的一部分。在一些欧美等发达地区，对于大部分施工的企业、设备的设计与制造企业、剧院的管理方式、维护保养的方法都有着他们自己的一套较为完善的管理制度和统一的标准与要求。而随着现代人们对娱乐性的追求越来越高，越来越严格，要求舞台表演呈现出来的效果越来越多样化，这就造成当今对舞台的要求不再是单一的水平面，而为了达到观众在观看表演者和歌唱者的有着最佳的观看体验，都希望娱乐场所的舞台能够慢慢升起到达一定的观看高度后能够自动停止，甚至舞台可以在空中做出360度的旋转运动。以此来突出观众对表演者和歌唱者的全方位无死角的观看体验，提高娱乐场所的档次，增加整体娱乐气氛，所以剪叉式升降舞台就诞生了。而作为娱乐设施都是从工业或军工业发展过来的，在当今出现了非常多种的剪叉式升降机。剪叉式升降机的分类也是非常的繁多：有固定式剪叉式升降机，自行剪叉式升降机，移动式剪叉式升降机，人工牵引剪叉式升降机等等。而作为舞台的话只需要固定的升降平台就可以达到突出表演者的重点场面，让观众对表演的观看体验有更深的印象。而作为升降机的动力也有电、气、液多种。近年来剪叉式升降平台均采用液压系统来实现舞台的升降。而此次设计也是选用液压传动来实现舞台的升降效果。液压传动与机械传动、电气传动相比具有以下非常明显的优点：一.液压传动的各种液压元件可以根据需求方便、灵活地来布置。二.整个液压系统相对体积小、质量轻、反应速度灵敏、运动惯性小。三.操纵控制方便，可实现人为和自动化控制，亦可实现大范围的无极调速（调速范围可达2000：1）。四.可实现过载保护，更满足人们对安全的追求。五.一般采用矿物油作为液压系统的工作介质，相对运动面可实现自行润滑的效果，使使用寿命明显增强。六.很容易实现直线的往返运动。剪叉式液压升降平台在当今社会扮演着一个非常重要的辅助工人的机械设备。移动式的升降舞台可以将工人太高到一定的高度就行高空作业，比一般的搭建的高空平台更有安全感，且因为它可以移动比临时搭建的平台效率更高，再因为它的剪叉式机械结构使平台的起升有较高的稳定性，也有较为宽大的表演平台和较高的承载能力，适合多人同时同台作业。因为剪叉式液压升降平台的安全更有保障。所以剪叉式液压升降舞台也就随着社会的飞快发展而出现了。并且液压系统还可以设置防坠装置、超载安全保护装置等等，进一步保证了在舞台上的安全，毕竟安全是排在第一位的。不同水平面均可以实现稳定的直线运动，且结构紧凑坚固，承载质量大，升降过程平稳，安装与维修方面也简单。三、阅读的主要参考文献1李壮云主编，贺小峰、万雄会副主编.液压元件与系统3版M.北京：机械工业出版社，2011.6.2陈启松主编.液压传动与控制手册M.上海：上海科学技术出版社,2006.3张利平编著.液压传动系统与设计M.北京：化学工业出版社，2005.6.4宋锦春，苏东海，张志伟编著.液压与气压传动M.北京：科学出版社,2006.5陈朴主编.机械制造技术基础2版M.重庆：重庆大学出版社，2015.7（2016.7重印）.6李松晶、王清岩等主编.液压系统经典设计实例双色版M.北京：化学工业出版社，2016.4.7李駪，苑苓苓主编.机电一体化控制技术M.长春：东北师范大学出版社，2014.12.8杨帮文编.液压阀和气动阀选型手册M.北京：化学工业出版社，2009.4.9刘延俊编著.液压元件及系统的原理、使用与维修M.北京：化学工业出版社，2010.7.10黄志坚编著.液压系统典型故障治理方案200例M.北京：化学工业出版社，2011.9.11黄志坚编著.液压伺服比例控制及PLC应用M.北京：化学工业出版社，2013.11.12张根保编著.自动化制造系统3版M.北京：机械工业出版社，2011.6.13张展主编.实用机械传动装置设计手册M.北京：机械工业出版社，2012.6.14许贤良，韦文术主编.液压缸及其设计M.北京：国防工业出版社，2011.8.15陈次昌，宋文武.流体机械基础M.北京：机械工业出版社，2002.四、国内外现状和发展趋势液压控制技术是近现代化自动化传动与控制的关键技术之一，全世界也对液压技术给予了很大的支持与关注。液压件也被称为液压元件，主要有液压缸、液压泵与液压阀三种类型，到目前大概有1000多种产品和10000多种规格，全球液压市场规模超过2000亿元，中国是第二消费大国。按不同的产品来分，以液压泵和液压油缸的消费最高。在中国市场中的液压系统中，以阀、泵、油缸为代表的主要零部件占比比较高，合计超过60%；以2016年590亿元的销售额来估算，液压缸市场的销售额达到145亿元，液压泵市场销售额达到135亿元，液压阀市场销售额达到30亿元。尤其是近几年我国对液压技术的应用越来越广，增长速度越来越快，使得国内液压市场在不断的扩大。目前国内的高端液压元件基本依赖于进口，进口占据了我国市场空间的100亿元还要多。高端的液压系统的元件核心组成部件对工艺，技术的要求非常高，我国现在还达不到这种地步，主要原因是因为我国的液压产业发展起步较晚，与国外的技术和经验还是有一大截的差距。但随着时间的推移这种差距将会越来越小。目前德国，美国，日本拥有全球顶级的液压生产企业，且保持着世界领先的水平。而对于升降舞台国内外基本采用滑动螺母丝杠来实现舞台的升降，因为普通滑动螺母丝杠副可以按需要设计成自锁，这可以保证升降台上工作人员的人身安全。但是，用滑动螺母丝杠副来设计成自锁会造成机械效率偏低，在理论上是可达到45%。但在实际应用上，由于加工精度高、表面粗糙度的限制、润滑条件的高要求、整体安装条件的限制，真正能达到的机械效率只有20%30%。而对于小型的升降舞台的载重虽然不是很大，一般也要求在0.5t以上，所以选择的电动机功率也需要5kw以上，同时，由于升降舞台升降一般要求可以实现升降速度的调控，就需要一个大容量的变频器，而变频器的容量增大了，成本也就上升了。而采用液压系统来控制舞台的升降不但可以降低成本，使用寿命也比较长，因为可以自行的进行部件的润滑，而且还可很方便的达到自锁的要求，且升降速度也可以通过泵的输出功率来控制。液压传动与机械传动相对比，采用液压传动可以减少换向的冲击、降低能量损耗、缩短换向所用的时间，充分利用现场空间，减少传动装置的占地面积，保证升降舞台升降平稳，易于实现自动化控制以及无级调速。液压控制技术具有其独特的优点，如液压控制技术具有功率重量比大，压力、流量可控性好，体积小，频响高，可柔性传送动力，易实现直线运动等特明显的优点；显然，液压控制技术广泛应用于国民经济各个部门。但在近年以来，液压控制技术面临着与机械传动、电气传动等的竞争。从民用到军用，从普通的机床大到航空领域都有液压技术的身影。其主要原因是液压技术的优点大于其缺点。但有些缺点对于一些高端领域也是不可忽视的，比如液压技术的渗漏。所以我们必须充分发挥液压控制技术的优点，优化液压技术的缺点，使其与电子技术结合，充分将液压技术应用到各个领域中去。同时在提高可靠性方面、提高工作效率、降低能源消耗方面、适应当今的环保需求等等，这些都是液压控制技术今后需要努力的方向，也决定了液压产品在市场竞争上能够在近一步的关键所在。五、主要设计内容、关键问题及解决思路5.1 主要设计内容：（1）系统图的拟定；（2）液压缸的设计和计算；（3）液压元件的选择；（4）液压系统性能验算；5.2 重点应解决的关键问题： （1）提高升降舞台同步运行的精度，以避免人和机械因不协调而造成的隐性事故，提高系统的可靠性、经济效益与操作环境格局；（2）选择合理的液压系统回路，避免升降舞台液压回路因换向冲击而产生液压元件的损坏和系统液体的泄漏等问题，减少设备的维修与元件的更换频率与次数；（3）自锁装置的设计，避免安全隐患。六、完成毕业设计所必须具备的工作条件6.1已具备的工作条件：（1）老师的指导和相关的部分资料；（2）计算机的操作能力与熟练的CAD绘图能力；（3）网络资源的充分利用。6.2拟解决途径：（1）搜集相关书籍，充分利用数字图书馆；（2）老师的指导及给予一定的资料；（3）希望图书馆合理安排能保证毕业生上机；（4）充分在网络上利用网络资源。七、预期成果液压系统设计好后可以使2x1m的舞台平稳的上下运动，并且液压缸可以在1t（包括舞台自重）的载重下安全运行。舞台可以最高可升高1.5m，但可以在任意的高度范围内锁定。舞台在上升是速度和下降时的速度保持一致速度为0.05m/s。八、工作的主要阶段、进度与时间安排2018年10月21日：毕业设计任务书下达2018年10月22日11月10日：查询相关资料 2018年11月10日1月20日：撰写开题报告2019年1月 21日2月25日：完成初步方案设计2019年2月26日4月15日：撰写毕业设计说明书2019年4月 16日5月20日：绘制总装图以及零件图2019年5月21日5月24日：资料检查2019年5月31日：毕业设计完成，打印毕业论文2019年6月1日6月3日：准备答辩九、指导老师审查意见指导教师 XXX 题目 剪叉式升降舞台液压系统设计 班级 XXX学生 XXX学号 XXX 剪叉式升降舞台广泛应用于各表演现场 结婚现场及颁奖现场 但还有很多剪叉的升降平台用于提升货物 下图是在一家工厂拍的货物升降平台的缸体部位 应用现场 舞台建模 舞台在最低位置示意图 舞台在最高位置示意图 液压缸负载分析 由舞台结构图可知所使用的活塞缸为单作用活塞缸并且为倾斜放置的液压缸 其受力分析如下图所示 所以所受到的舞台负载力F是变化的 所受到负载力的计算公式为由公式可得舞台在最低位置时受到的负载力最大 所以后面设计液压缸是取舞台最低点所受到的负载力来设计 而由建模可以得出舞台在最低位置时的a角的大小 就可以得出最大负载力 液压缸的速度循环分析 设液压缸的加速度为0 05m s 所以可以得到液压缸速度循环图 如图为舞台的上升速度负载循环图 工况分析 该机械可以认为是小型工程机械 所以设计压力可以选择为15MPa 为了满足舞台升降的速度相等 液压缸采用差动式连接 则液压缸无杆腔与有杆腔的有效面积比应满足 即液压缸内径D和活塞杆直径d间应满足 为了防止舞台下降时发生速度突变 液压缸需保持一定的回油背压 参照 液压传动系统及设计 第175页的表5 8液压缸执行器的背压力表取背压为0 5MPa 且取机械效率 则可以计算出液压缸的无杆腔有效面积所以可以得到活塞缸直径为63mm活塞杆直径为45mm 由下面公式可以得到液压缸工况图如图所示 液压系统图的确定 系统由供油油源的定量液压泵9为起点 液压泵的出口设有一个精过滤器8和单向阀7并联 整个液压系统的压力分为两个级别 第一个级别为升降舞台压力 其大小的设定与液压泵的卸荷都由电磁溢流阀1来控制 第二个压力为加紧缸的压力 这里不做说明 液压系统中的执行元件除了驱动舞台升降的液压缸2外 还有驱动机械自锁机构的夹紧液压缸11 驱动舞台升降的液压缸2与驱动机械自锁机构的夹紧液压缸11各为一个液压回路并分别用三位四通电磁换向阀6 二位四通换向阀12来控制油液的进给方向 然后用4个单向阀4和电液比例调速阀5组成液桥系统 最后使液压缸完成升降动作 液压缸的设计计算 由建模可以得出活塞杆的行程为150mm 取标准值为160mm 液压缸在使舞台起升时 活塞杆处于受压的状态 起支撑的作用 所以在设计舞台起升液压缸时必须考虑活塞杆的长径比 为了让升降舞台在受压的状态下能够达到稳定的工作状态 所以活塞杆的长径比应该不超过20 1的范围 经验算满足要求 由JB1068 67查得可取缸筒外径为80 则壁厚 可得所以应选择公式经验算壁厚 合格 缸筒底部为平面时 其厚度计算公式为得出缸头厚度计算所以整理得活塞杆行程为160mm 直径为45mm 液压缸内径为63mm 外径为80mm 由计算得出的主要数据 参照参考尺寸的可以画出装配图如下图 液压元件的选择与确定 液压泵的选择液压泵的工作压力 整个液压系统所需要的最大工作压力为15MPa 而这一工作压力作为液压系统中液压泵的额定工作压力 所以可以选择额定工作压力16MPa的液压泵 液压泵的流量 液压缸的所需要的理论流量为 设齿轮泵容积效率 所选择的电动机转速为1500r min 则根据前面设计计算数据 可以得到液压泵的排量为 根据上海博业有限公司所给出的齿轮泵样本表显示取排量为的液压泵 电动机的选择液压泵的实际输出功率为 齿轮泵机械效率和容积效率之和通常在80 85 之间 取齿轮泵的机械效率和容积效率为80 可以计算得出所需要的电动机的功率为 液压阀的选择如表所示 压力损失验算本设计的剪叉式升降舞台液压控制系统的压力损失包括三个部分的压力损失 在整个工作管路中 油液经过进油管所产生的沿程压力的损失 油液在管路中的每一个管接头和每一个弯管处的管路局部压力的损失 油液流经每一个阀的局部压力的损失 但由于剪叉式升降舞台液压系统主管路比较短 管接头与弯管也不多 因此沿程压力的损失和各个管接头和每个弯管等处的管路局部压力的损失可以忽略不计 所以整个剪叉式升降舞台液压系统的压力损失主体来之于油液经过各个阀造成的局部压力损失 经查阅各个阀的开启压力值为 单向阀7 液控单向阀3和单向阀4的开启压力都为0 035MPa 三位四通电磁换向阀6和电液比例调速阀5产生的压力损失值约为0 5MPa 所以 整个升降系统中进油管路的局部损失为所以溢流阀的调定压力值应为所以溢流阀的调定压力取16MPa是合适的 系统温升验算当负载上升达到最高位置时 齿轮泵会以的额定流量从溢流阀溢流回到油箱 这将造成不必要的能量消耗 设泵流量的功率90 都经过溢流阀流失 那么损失的功率为 油液温度的升高为 经计算和查阅资料上述温升在低压机械温度升高可以接受的范围内 液压系统性能的验算 谢谢 请评委老师指点批评 制作人 XXX 剪叉式升降舞台液压系统设计摘要近年来我国对液压升降舞台机械的制造设计及应用方面，虽然有了长足的提升，但是在舞台机械液压控制方面还有非常大的进步空间。我国与欧美等发达国家在这方面仍有较大的差距。剪叉式升降舞台是用于娱乐场所，突出歌唱者和表演者的动态效果，提高舞台动态档次，增加整体娱乐气氛的固定设备，因为它的剪叉机械结构使升降舞台的起升有较高的稳定性，也有较为宽大的表演平台和较高的承载能力，适合多人同时同台表演。它的安全更有保障。广泛应用于各表演现场，结婚现场及颁奖现场。本次设计是参照固定式升降机设备进行设计。主要是针对剪叉式升降舞台的液压系统的部分进行设计与改善。首先对舞台的结构做了简要的建模与说明，接着分析舞台液压系统的基本参数，然后进行液压系统原理图的选择与设计，最好选择相符合的液压元件与验算系统性能。关键词升降舞台；液压；剪叉式；升降机Scissor lift stage hydraulic system designAbstractInrecentyearsourcountrytothehydraulicliftingstagemachinerymanufacturedesignandtheapplicationaspect,althoughsomepeopleconsiderablepromotion,butinthestagemechanicalhydrauliccontrolalsohastheverybigprogressspace.ChinaandEuropeandotherdevelopedcountriesinthisareastillhavealargegap.Shearforkliftstageisusedforentertainment,outstandingsingersandperformersofthedynamiceffect,improvethegradeofstagedynamic,increaseoverallentertainmentatmospherefixedequipment,becauseofitsshearforkmechanicalstructuremakesthehoistinghavehigherstabilityoftheliftingstageandalsohasarelativelywideplatformandhighbearingcapacity,suitableforpeopleatthesametimeperformtogether.Itsmoresecure.Widelyusedintheperformancescene,weddingsceneandawardscene.Thisdesignreferstothefixedliftequipmentdesign.Itismainlyaimedatthedesignandimprovementofthehydraulicsystemofthescissor-forkliftingstage.Firstly,thestructureofthestageisbrieflymodeledandexplained,thenthebasicparametersofthestagehydraulicsystemareanalyzed,andthentheselectionanddesignofthehydraulicsystemschematicdiagramarecarriedout.Keywords Lifting stage; Hydraulic pressure; Shear fork; elevator目录1引言12 选题背景22.1 目的和意义22.2国内外现状及发展趋势32.3设计要求43 剪叉式升降舞台的结构64 液压缸负载及工况分析84.1液压缸负载力分析和计算84.2液压缸速度循环分析84.3工况分析115系统图的拟定175.1液压系统原理图的确定175.2技术重点206 液压缸的设计和计算216.1升降舞台液压传动的概述216.2原始数据的确定216.3缸体的结构设计及其计算237 液压元件的选择277.1液压泵的选择277.2电动机的选择287.3液压阀的选择297.4管路的选择308 液压系统性能的验算328.1压力损失验算328.2系统温升验算329 总结34参考文献35致谢36剪叉式升降舞台液压系统设计1引言液压技术因其具有功率重量比大、响应速度灵敏、更易于实现自动化和标准化等优点，液压技术得应用范围也非常的广，大到航空航天领域，小到工农业生产领域以及国防建设等领域都得到了灵活的运用，为国民经济和提高社会生产力的发展提供了不可磨灭的支持。液压控制系统的合理设计与运算是液压技术应用的关键所在，液压系统设计技术及方法的掌握也是流体控制及自动化专业学生培养的重要环节及基本要求。对于本设计的题目刚开始只读懂了一半，对于剪叉式一词完全是后期百度才知道的，然后在工厂和各个工作场所看了很多的剪叉式升降机械，有固定的升降用来升降物品的，有移动式的用来将人升上去修理东西的等等。经过多次的观察对后期的结构的设计和液压系统的设计都有非常大的帮助。俗话说的好：人的认知来源于实践。所以实践与见识广还是对今后的不论什么事都是有帮助的。3第 5 页 共 32 页2 选题背景2.1 目的和意义从16世纪时期起，欧洲等外国国家就已经开始使用人力带动的简单的人工升降舞台。在1884年，一些大型歌剧院就已经装备了以液压驱动的升降舞台和机械吊杆；而在19世纪末，绝大数的欧洲剧院已经开始使用液压升降舞台机械以实现舞台的升降，达到最佳观影的效果。近现代意义上的液压升降舞台至今也已经有一百多年的历史进程，在此一百多年期间经过了不断的发展与完善，在一些欧美等发达地区，对于升降机械的管理形式、维护保养都有较为完善的管理制度和统一的标准与要求。9而随着现代人们对娱乐性的追求越来越高，越来越严格，要求舞台表演呈现出来的效果越来越多样化，而为了满足表演者和歌唱者的需要，希望娱乐场所的舞台不再是单一的水平面，可以有多个小舞台配合起来组成一个高低不一的变化式的舞台，甚至让舞台在空中可以360度的旋转。以此来突出观众对表演者和歌唱者的全方位无死角的观看体验，提高娱乐场所的档次，增加整体娱乐气氛，所以剪叉式升降舞台就诞生了。而作为娱乐设施都是从工业或军工业发展过来的，在当今出现了非常多种的剪叉式升降机。尤其是在当今移动式升降平台的运用非常的广泛，而作为舞台的话只需要固定的升降平台就可以达到突出表演者的重点场面，让观众更容易发现舞台上的亮点。14而作为升降机的动力也有电、气、液多种。近年来剪叉式升降平台均采用液压系统来实现舞台的升降。而此次设计也是选用液压传动来实现舞台的升降效果。液压传动与机械传动、电气传动相比具有以下非常明显的优点：一.液压传动的各种液压元件可以根据需求方便、灵活地来布置。二.整个液压系统相对体积小、质量轻、反应速度灵敏、运动惯性小。三.操纵控制方便，可实现人为和自动化控制，亦可实现大范围的无极调速（调速范围可达2000：1）。四.可实现过载保护，更满足人们对安全的追求。五.一般采用矿物油作为液压系统的工作介质，相对运动面可实现自行润滑的效果，使使用寿命明显增强。六.很容易实现直线的往返运动。2剪叉式液压升降舞台作为用途广泛的娱乐专用设备。它的剪叉结构使升降舞台的起升有较高的平稳性，其宽大的表演平台和较高的承载能力，可以让多人同时登台表演。它的安全更有保障。所以剪叉式液压升降舞台也就随着社会的发展而出现了。而液压系统可以设置防坠装置、超载安全保护装置。不同水平面均可以实现稳定的直线运动，且结构紧凑坚固，承载质量大，升降过程平稳，安装与维修方面也简单。62.2国内外现状及发展趋势液压控制技术是近现代化自动化传动与控制的关键技术之一，全世界对也液压技术给予了很大的支持与关注。液压件也被称为液压元件，主要有液压泵、液压阀与液压缸三种类型，到目前大概有1500多种产品和15000多种规格，全球液压市场规模超过2500亿元，而中国是第二消费大国。按不同的产品来分，以液压泵和液压油缸的消费最高。在中国市场中的液压系统中，以阀、泵、油缸为代表的主要零部件占比比较高，合计超过60%；以2016年590亿元的销售额来估算，液压缸市场的销售额达到145亿元，液压泵市场销售额达到135亿元，液压阀市场销售额达到30亿元。尤其是近几年我国对液压技术的应用越来越广，增长速度越来越快，使得国内液压市场在不断的扩大。9目前国内的高端液压元件基本依赖于进口，进口占据了我国市场空间的100亿元还要多。高端的液压系统的元件核心组成部件对工艺，技术的要求非常高，我国现在还达不到这种地步，主要原因是因为我国的液压产业发展起步较晚，与国外的技术和经验还是有一大截的差距。但随着时间的推移这种差距将会越来越小。目前德国，美国，日本拥有全球顶级的液压生产企业，且保持着世界领先的水平。而对于升降舞台国内外基本采用滑动螺母丝杠来实现舞台的升降，因为普通滑动螺母丝杠副可以按需要设计成自锁，这可以保证升降台上工作人员的人身安全。但是，用滑动螺母丝杠副来设计成自锁会造成机械效率偏低，在理论上是可达到45%。但在实际应用上，由于加工精度高、表面粗糙度的限制、润滑条件的高要求、整体安装条件的限制，真正能达到的机械效率只有20%30%。而对于小型的升降舞台的载重虽然不是很大，一般也要求在1t以上，所以选择的电动机功率也需要5kw以上，同时，由于升降舞台升降一般要求可以实现升降速度的调控，就需要一个大容量的变频器，而变频器的容量增大了，成本也就上升了。而采用液压系统来控制舞台的升降不但可以降低成本，使用寿命也比较长，因为可以自行的进行部件的润滑，而且还可很方便的达到自锁的要求，且升降速度也可以通过泵的输出功率来控制。液压传动与机械传动相对比，采用液压传动可以减少换向的冲击、降低能量损耗、缩短换向所用的时间，充分利用现场空间，减少传动装置的占地面积，保证升降舞台升降平稳，易于实现自动化控制以及无级调速。10液压控制技术具有其独特的优点，如液压控制技术具有功率重量比大，压力、流量可控性好，体积小，频响高，可柔性传送动力，易实现直线运动等特明显的优点；4显然，液压控制技术广泛应用于国民经济各个部门。但在近年以来，液压控制技术面临着与机械传动、电气传动等的竞争。从民用到军用，从普通的机床大到航空领域都有液压技术的身影。其主要原因是液压技术的优点大于其缺点。但有些缺点对于一些高端领域也是不可忽视的，比如液压技术的渗漏。所以我们必须充分发挥液压控制技术的优点，优化液压技术的缺点，使其与电子技术结合，充分将液压技术应用到各个领域中去。同时在提高可靠性方面、提高工作效率、降低能源消耗方面、适应当今的环保需求等等，这些都是液压控制技术今后需要努力的方向，也决定了液压产品在市场竞争上能够在近一步的关键所在。2.3设计要求本次设计其主要内容为剪叉式液压升降舞台中液压传动控制系统的环节进行设计计算。针对剪叉式升降舞台液压系统的设计，具体内容如下：（1）收集与液压系统和升降平台有关的资料，整理出每种剪叉式液压升降机液压系统的原理及其结构：（2）剪叉式升降舞台液压系统的设计；（3）工况分析；（4）确定剪叉式升降舞台液压系统的系统图的拟定(包括液压系统原理图、液压缸的设计计算、液压元件的选择等等）；（5）液压系统性能验算（压力损失，温升）；（6）绘制液压缸的主要零件图和装配图；剪叉式升降舞台的主要参数：（1） 舞台最大载重（包括舞台自重） 1t（2） 舞台升降速度 0.05m/s（3） 舞台面积 2m1m（4） 最高行程 1.5m（5） 升降方式 自动、手动（6） 技术要求：如何最大化的消除正负负载的变化对倾斜放置的液压缸对运动速度的影响，并保证液压缸的升降速度相同；如何实现台面的精准定位；如何避免了冲击和振动。第 43 页 共 32 页3 剪叉式升降舞台的结构为了使舞台可以满足升高到1.5m高度要求，将舞台的剪叉式结构设计成了两层，然后根据剪叉式升降舞台的结构先用SolidWork软件将整个舞台进行了绘制，以更好的观察剪叉支撑杆的运动过程和方便的得到液压缸的伸长量（即液压缸的行程）。这里对舞台的具体结构不进行说明。如图1所示为剪叉式升降舞台在最低位置时的结构示意图：图1 剪叉式液压升降舞台最低位置时的结构示意图如图2为剪叉式升降舞台升降到最高位置时的结构示意图：图2 剪叉式液压升降舞台最高位置时的结构示意图由SolidWorks画出的整体图再经过测量舞台在最低点时的液压缸底座和端盖的距离和舞台在最高点时液压缸底座到端盖的距离得到两次的距离分别为、，得到液压缸的伸长量为：4 液压缸负载及工况分析4.1液压缸负载力分析和计算由舞台结构图可知所使用的活塞缸为单作用活塞缸并且为倾斜放置的液压缸。如下图3液压缸受力分析图所示，所受到的舞台负载力F是变化的，可得：图3 液压缸受力分析图，所以可以得到在舞台升到最低位置时所受到的负载力最大，由SolidWorks测量的舞台升到最低位置时的a角约为，所以液压缸的最大负载力。为了增加舞台的可靠性计算时取最大负载力为30000N。测量的舞台升到最高位置时的a角约为，所以液压缸的最小负载力。同理在计算时取最小负载力为11000N。144.2液压缸速度循环分析4.2.1舞台上升过程设液压缸加速上升阶段需要0.5秒所以加速阶段的负载力为： 液压缸在减速上升阶段也需要0.5秒来计算，加速度惯性力与负载力相差太大可以忽略不计，所以减速阶段负载为：液压缸在匀速上升阶段所需要的时间为：而在这个阶段的负载力是随着舞台的升高而变化的，负载将不去计算，所以在舞台上升阶段的速度负载循环图如下图4所示：图4 舞台上升阶段的速度循环图4.2.2舞台下降过程设舞台在下降过程中液压缸加速阶段需要0.5秒且加速度惯性力与负载力相差太大可以忽略不计，所以加速下降阶段的负载力为： 液压缸在减速下降阶段也需要0.5秒来计算，所以减速阶段负载为：液压缸在匀速下降阶段所需要的时间为：而在这个阶段的负载力是随着舞台的升高而变化的，负载将不去计算，所以在舞台下降阶段的速度负载循环图如下图5所示：图5 舞台下降阶段的速度循环图4.3工况分析 参照液压传动系统及设计第174页的表5-6液压执行器常用设计压力初选液压缸的设计压力p1=15MPa。为了满足舞台在升降的速度相等，液压缸采用差动式连接，则液压缸无杆腔与有杆腔的有效面积与应满足（即液压缸内径D和活塞杆直径d间应满足）。为防止舞台下降时发生速度突变，液压缸需保持一定的回油背压。参照液压传动系统及设计第175页的表5-8液压缸执行器的背压力表取背压为0.5MPa，且取机械效率，则可以计算出液压缸的无杆腔有效面积：所以液压缸内径为：按，取标准缸径值D=63mm;因，故活塞杆直径为：则液压缸实际有效面积为：舞台在升高是，因为液压缸无杆腔压力值必须大于无杆腔压力值，取两者的差值约为0.5MPa，并在舞台刚开始准备升起的瞬间液压缸是还没有移动的，此时两者差值为应0，由此条件可以计算得到液压缸工作循环中的功率、压力和流量的值计算所需要的公式带入数值绘制工况图如下图6所示：图6 液压缸的工况图5系统图的拟定5.1液压系统原理图的确定针对本设计我给出了两种液压系统的原理图如下所示：（1）第一种如图7所示：图7 升降舞台液压系统原理图1.电磁溢流阀；2.升降液压缸；3.液控单向阀；4、7.单向阀；5.电液比例调速阀；6.三位四通电磁换向阀；8.精过滤器；9.定量液压泵；10.减压阀；11.夹紧液压缸；12.二位四通电磁换向阀（2）第二种如图8所示：图8 升降舞台液压系统原理图1.电磁溢流阀；2.升降液压缸；3.液控单向阀；4、7.单向阀；5.电液比例调速阀；6.三位四通电磁换向阀；8.精过滤器；9.定量液压泵两个液压系统图的区别在于第一种有夹紧装置可以使舞台更好的定位与固定，对舞台上的表演人员的人身安全更有保障，而作为载人舞台人身安全是排在第一位的，所以液压系统原理图应该选择第一种更符合要求。针对图3-2为该剪叉式升降舞台的液压系统原理图的工作原理进行如下说明。整个系统经由供油油源的定量液压泵9为起点，液压泵的出口设有一个精过滤器8和单向阀7并联；整个液压系统的压力分为两个级别，剪叉式升降舞台压力大小的设定与液压泵的卸荷都由电磁溢流阀1来控制。液压系统中的执行元件除了驱动舞台升降的液压缸2外，还有驱动机械自锁机构的夹紧液压缸11（两个），（整个舞台的液压系统共有3个液压缸“本次设计只针对驱动舞台升降的液压缸2进行设计计算”）。驱动舞台升降的液压缸2与驱动机械自锁机构的夹紧液压缸11各为一个液压回路并分别用三位四通电磁换向阀6、二位四通换向阀12来控制油液的进给方向。因整个舞台在倾斜放置的液压缸2的控制下在上升时其负载为正值，而在下降时其负载为负值（即超越负载）。这使得升、降工况相差甚远。为使升降速度保持一致，使在舞台上的表演人员没有加速度的感觉，液压系统中用4个单向阀4和电液比例调速阀5组成液桥实现进油节流和回油出口节流调速，在调速阀开口大小不变的情况下，这使得驱动舞台升降的液压缸的升降速度相同。而舞台长时间定位则通过两个夹紧缸11来驱动舞台的自锁机构来实现，而舞台的两个夹紧缸11经油路并联设计，使得两个夹紧缸输出力大小相同。1整个舞台升降液压系统的电磁铁动作顺序如表1所示，由该表可以非常直观的了解整个液压系统各个工况的油液流动路线。表1 舞台升降液压系统的电磁铁动作顺序表剪叉式升降舞台的升降速度经由液压缸活塞的速度决定，而活塞的速度通过电液比例调速阀来控制。需要舞台在某一速度下进行升降时，只需要将这个速度下对应的电流值的大小输入给比例调速阀就可以了。当要改变升降舞台的升降速度时只需要改变输入电流的大小就可以达到。5图9 计算机控制系统原理框图此计算机的实时控制过程以及原理概括起来就是：位置偏差检测速度控制调整纠正位置偏差。该计算机控制系统是一个闭环的间接控制同步系统。此控制系统的方块图如图9所示。为提高定位精度，当舞台面运动到至接近设定位置时，可有计算机控制，将比例阀输入电流逐渐减少，从而使舞台面减速后到位停止，即避免了冲击和振动，又提高了定位准确性。本计算机系统还设有一套独立的手动操纵控制线路，一旦计算机部分出现故障，手动操作可单独实现舞台面的运动，且可由操作人员任意调节升降的速度。75.2技术重点（1）本设计采用多个单向阀和电液比例调速阀组成液桥系统来控制舞台液压缸的升降速度，以此来消除正负载和负负载突然变化对倾斜液压缸的伤害，并保证液压缸活塞的升降速度相同。使升降舞台上的表演者没有加速度的感觉。（2）利用液控单向阀和两个自锁液压缸并联实现台面的严格定位。做到更好地保障在升降舞台上工作人员的生命安全。（3）由于本设计采用了定量液压泵供油和节流调速阀调速的方式，所以整个液压系统的效率比较低，但若改为变量液压泵供油，则可改善效率低的状况。116 液压缸的设计和计算6.1升降舞台液压传动的概述升降舞台是婚礼现场，颁奖现场和剧院的现代化机械设备，它可以利用多个舞台之间的单独运动，一起联动和同步运动组成不同高度的台阶，以组成像颁奖现场一样的三个不同高度的颁奖台或以组成大型剧院的立体道具，为舞台艺术提供更加完备的表现空间。图1所示为单个舞台的结构示意图，单个升降舞台长为2m,宽为1m，舞台面用来布置场景和表演使用，舞台升降的平均速度为0.05m/s。舞台的升降机结构采用双面剪叉式结构，由一个倾斜放置的液压缸驱动，以实现舞台上下的升降。根据舞台表演艺术的高度和舞台大小的要求，舞台可以在最低高度与最大高度之间任意位置停留，而每一个单独的舞台也可以单独工作，各个小舞台之间也可协调动作，而它们之间的协调动作则由计算机控制进行完成，本设计就不进行说明。本设计也只对单个舞台的液压系统进行设计计算。106.2原始数据的确定液压缸在使舞台起升时，活塞杆处于受压的状态，起支撑的作用，所以在设计舞台起升液压缸时必须考虑活塞杆的长径比，为了让升降舞台在受压的状态下能够达到稳定的工作状态，所以活塞杆的长径比应该不超过20：1的范围。经过前面的计算得到液压缸的活塞杆长度应为0.15m，查液压传动与控制手册第236页表2-6无150mm的行程可以选择，所以取液压杆行程参数系列160mm，由长径比的设计要求得出，活塞杆直径至少为0.0375m，即37.5mm。2而前面计算得到活塞杆直径为45mm，满足长径比设计要求。根据GB/T2348-93规定了液压缸的活塞杆外径尺寸系列见表2所示：表2 液压缸活塞杆外径尺寸系列（mm）456810121416182022252832364045505663表格中有活塞杆直径为45mm，所以取45mm是合适的。这时根据差动式液压缸输出力的计算公式，液压缸提升负载时受力的有效面积为活塞缸面积，即：根据设计要求，液压缸需要承受的最大负载为30000N。因此，整个液压系统所需要提供的工作压力应为：由上面的计算查液压传动与控制手册可以得出液压缸的工作压力取15MPa，该工作压力对于整个液压系统来说适合整个系统的工作压力，因此舞台升降液压缸可以采用这一工作压力进行设计。 最大流量的计算：倾斜式放置的液压缸所需的最大流量是由升降舞台升降的最大速度所决定的。而设计升降液压缸起升的最大速度为0.05m/s，于是有：此时，升降液压缸活塞杆移动为0.15m，平台移动1.5m，能满足设计需求。查液压传动与控制手册，取升降液压缸活塞杆直径d和活塞直径（液压缸内径）D之间的关系为,经计算得出升降液压缸的活塞直径为：根据GB/T2348-93所规定的液压缸的活塞直径尺寸系列参照表见表3所示表3 液压缸的活塞直径尺寸系列（mm）81012162025324050638090100110125140160180200220有液压缸活塞直径为63mm，且液压杆行程为160mm。 计算得出活塞杆液压缸的两腔面积比为： 式中活塞无杆侧有效面积 活塞有杆侧有效面积 活塞杆伸出速度 活塞杆退回速度 D缸内径 d活塞杆外径 6.3缸体的结构设计及其计算关于 的值，可以按下列情况进行计算：（1）当时，可用薄壁缸筒的实用计算公式：（2）当时，可用实用公式：（3）当时，可用下式计算：或由JB106867查得可取缸筒外径为80，则壁厚8.5mm。可得，所以应选择公式式中：液压缸缸筒壁厚；最高工作压力；工作压力时，取；D液压缸外径，D=80mm；缸底材料的许用应力 =缸筒材料的抗拉强度，经查得缸筒材料的抗拉强度为600MPan安全系数，按表4进行表4 液压缸的安全系数选择表材料名称静载荷交变载荷冲击载荷不对称对称钢，锻铁35812锻铁461015所以安全系数为5，=600，所以 =120MPa,由现有的参数可以算出，0.005mm所以所取的=8.5mm壁厚,合格。为了保证整个系统的工作安全，液压缸的工作压力需要低于一定的极限值，所需要的计算公式如下：式中： D缸筒内径（m），D=0.063m；D1缸筒的外径（m），D1=0.08m；缸筒的材料的屈服点为;根据现有的参数可以算出P=25MPa62.19MPa,安全。为了避免液压缸的缸筒在高压工作时产生塑性变形，而造成整个系统的损坏，液压缸的额定压力P值应与造成塑性变形的压力有一定的比例要求，要求公式如下： P（0.350.42） 式中： 液压缸的缸筒发生完全塑性变形时所需要的最大压力，计算公式为：根据现有的参数可以算得，=84.71，0.38=32.19 由P=25MPa32.19,安全。液压缸的缸筒爆裂压力PE()应该尽量大于耐压试验的最大压力。查表知45号钢的b=600MPa，工作压力P25MPa时，=1.5P=1.510=15MPa，可见PE大于实验压力，合格。缸筒底部厚度的计算缸筒底部为平面时，其厚度试验压力，当工作压力P25时，=1.5P，取=1.510=15；液压缸的缸底材料许用应力（），材料选择为45号钢，所以600,安全系数取n=5， =/n=125。算出缸筒底部联接强度计算底部的联接采用双耳环连接，材料为ZG310-570铸钢，其抗拉强度为b=570(),：=/n=114MPa , 安全系数取n=5D缸筒内径（m）缸头厚度计算选用螺钉联接法兰联接方式，密封装置选为橡胶密封圈密封，计算公式如下式中 h法兰厚度；p系统工作压力；q附件密封力；螺钉孔分布圆直径；密封环外径；密封环平均直径；法兰材料需用应力；F法兰受力总和；d密封环内径；缸筒端部联接强度计算计算螺纹处的拉应力：计算螺纹出的剪应力：计算出合成应力：上式中 K1螺纹连接处的摩擦系数，0.12；K为拧紧螺纹的系数，取K3；螺纹小径，18.7mm；Z螺钉数量，Z4；螺纹外径，22mm，螺距p=1.5。11活塞与活塞杆的连接在一般工作条件下，活塞与活塞杆采用螺纹连接。7 液压元件的选择在前面计算的数据和已经确定的升降舞台液压系统的主要参数和选定的液压系统原理图，可以就本设计选出适合的主要液压元件。7.1液压泵的选择由前面的液压系统原理图给出整个系统采用一个液压泵供油方式，因此结合价格，结构简单，安装容易各方面要求，液压泵选择单齿轮泵就能够满足本设计实现舞台升降的要求。液压泵的选择主要是依据液压泵的工作压力和流量进行选择。（1） 液压泵的工作压力由设计前面计算可以得出整个液压系统所需要的最大工作压力为15MPa，而这一工作压力作为液压系统中液压泵的额定工作压力。所以可以选择额定工作压力16MPa的液压泵。12（2） 液压泵的流量前述计算得到液压缸的所需要的理论流量为，设齿轮泵容积效率，所选择的电动机转速为1500r/min，则根据前面设计计算数据，可以得到液压泵的排量为：根据Sauer-Danfoss液压配件，上海博业有限公司所给出的齿轮泵样本表显示。由样本表中可以得出SNP1系列中与相接近的齿轮泵的排量为有两个：分别为和，但是这个排量更接近于所得到的排量。但如果选择排量的液压泵的话，那么在整个系统工作的过程中就会有较大的油液经过溢流阀的阀口溢流回到油箱，造成的能量的浪费，并会使整个系统严重发热，所以这里选择SNP1系列中排量为的齿轮泵利用率将更高。而前面已经假设了液压泵的容积效率为90%，但是在实际的工作情况中，液压泵的容积效率会略高于90%，在低负载的情况下体现的更加明显，电动机的转速也会高于1500r/min，这样就会造成液压泵在实际情况下输出的流量会比计算出的流量偏大。13液压泵处于满负载情况下（此时电动机转速数值为1500r/min，齿轮泵的容积效率取90%）的流量为液压泵处于半负载的情况下（此时电动机转速数值为1550r/min，齿轮泵的容积效率取93%）的流量为小于升降系统所需要的流量值，因此不能能够满足设计要求。这时只能选择排量的液压泵，在压泵处于满负载情况下（此时电动机转速数值为1500r/min，齿轮泵的容积效率取90%）的流量为而液压泵在半负载的情况下（此时电动机的转速数值1550r/min，齿轮泵的容积效率取93%）的流量为因小排量的不能满足设计要求，没办法的前提下只能选择会造成能源浪费的的排量的齿轮泵。7.2电动机的选择为减少剪叉式升降舞台工作装置液压系统的尺寸，简化系统结构，采用电动机来驱动液压泵工作。在选择液压泵的驱动电动机时，需要电动机功率能够满足升降舞台齿轮泵的供油流量就可以了。在最大的实际工作负载下，液压泵的实际输出功率为；：齿轮泵机械效率和容积效率之和通常在80%85%之间，取齿轮泵的机械效率和容积效率为80%，可以计算得出所需要的电动机的功率为：7.3液压阀的选择图中舞台升降工作装置液压系统有齿轮泵供油，因此对于升降系统来说，经换向阀，单向阀，溢流阀，电液比例调速阀等各种阀口的的最大流量均为4.77L/min，各液压元件的额定工作压力应大于整个升降系统的最大工作压力的值15MPa；对于夹紧液压系统本设计中不考虑。在挑选溢流阀的型号时，由于它在整个升降系统中作为安全阀，所以溢流阀的调定压力应高于整个系统的供油压力的10%左右。根据前面的计算整个升降系统溢流阀的压力设为16MPa是比较合适的，对于具体的调定数值会在系统性能验算一节中再一步的进行核算。15为了确定各种液压阀的型号，经翻阅相关的生产厂家所提供的液压阀样本型号，确定本设计的剪叉式升降舞台升降装置液压系统各个液压阀的型号及技术参数如下表5所示。表5 液压元件型号及技术参照表序号元件名称规格额定流量/（L/min）最高使用压力/MPa型号1液控单向阀34025CP*-T-03-*-*-502电磁溢流阀120031.5DBWH6P-10/2003.单向阀4.71021DXF6-G4电液比例调速阀510563BKQI-10B5三位四通电磁换向阀61231.54WE6C7.4管路的选择本次设计所需要的液压管路的直径可以通过设计中涉及的液压元件的油液进出口的口径来选择管路直径的大小，也可通过管路中流速的推荐进行相关的计算来确定管路的直径大小。根据液压系统经典设计实例中给出的液压管路推荐范围，假如这里的液压泵的排油管路中油液的运动速度为5m/s。而液压泵吸油管路中的油液运动速度为1m/s。还需要结合工作环境、功率的损失、热和噪音的产生以及振动等方面的因素对液压系统管路中油液的流动速度的影响。在半载工况的情况下，此时齿轮泵管路中的最大流量为则管道的最小横截面面积为 由可知即 为了减小管路中压力的损失，选择管径时应选择大一些的油管作为工作油管，取管子直径为5mm的油管即可满足。而齿轮泵的吸油管路中所流过的最大流量就是此液压泵的理论流量，即，则管道的最小横截面面积为： 由可知：即 D=9.2mm。 查阅液压管路口径的标准值，管路直径有9mm的，但9.2mm大于9mm，又因为为了减少压力损失，所以经过选择应该选择管路直径为10mm的油管最为合适。7.5油箱的设计根据储油量的要求，可以初步确定油箱的容积为：已知齿轮泵理论排量按下式计算=5L/min，对于低压机械，在计算油箱的有效容积时应取a的值为3。则所以油箱总容积为查阅液压泵油箱公称容积系列，得到油箱整体容积选择20L。138 液压系统性能的验算8.1压力损失验算本设计的剪叉式升降舞台液压控制系统的压力损失包括三个部分的压力损失，在整个工作管路中，油液经过进油管所产生的沿程压力的损失、油液在管路中的每一个管接头和每一个弯管处的管路局部压力的损失、油液流经每一个阀的局部压力的损失。但由于剪叉式升降舞台液压系统主管路比较短，管接头与弯管也不多，因此沿程压力的损失和各个管接头和每个弯管等处的管路局部压力的损失可以忽略不计，所以整个剪叉式升降舞台液压系统的压力损失主体来之于油液经过各个阀造成的局部压力损失。由原理图的拟定可以得出，整个升降系统在升降的过程中各个阀产生的局部压力损失主要包括液比例调速阀5、三位四通电磁换向阀6、单向阀7、两个单向阀4和液控单向阀3每个阀口产生的局部压力损失之和。4对于整个升降系统，经查阅各个阀的开启压力值为：单向阀7、液控单向阀3和单向阀4的开启压力都为0.035MPa；在管路中的流量为5L/min时，三位四通电磁换向阀6产生的压力损失值约为0.5MPa；而在管路中的流量为5L/