车载式小型伸缩式升降云梯的设计

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321车载式小型伸缩式升降云梯的设计 学 生：张奕枭 指导老师：肖名涛(湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128) 摘 要：车载式小型伸缩式升降云梯在现代已得到了十分广泛的运用，主要用于消防事业、高低空作业以及一些人力无法顾及到的地方。车载式小型伸缩式升降云梯，主要是设计它的伸缩机构，利用液压传动系统来使云梯伸缩，从而实现它的升降。 本次设计车载式小型伸缩式升降云梯只需设计两节云梯，因此可以用液压传动系统为核心来设计伸缩机构，从而实现云梯的升降。本文详细的阐述了车载式小型伸缩式升降云梯的液压传动系统的组成、设计过程，同时绘制液压传动系统设计图。 关键词：伸缩机构；液压传动；设计The Design of Vehicle Mounted Small Telescopic Lifting Ladder Student:Zhang Yixiao Teacher:Xiao Ming-tao(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128) Abstract：The design of vehicle mounted small telescopic lifting ladder in modern times has been very widely used, mainly for the cause of the fire, operating as well as a number of manpower to take into account the local. The design of vehicle mounted small telescopic lifting ladder, telescopic mechanism of the utility model is designed, using hydraulic transmission system to make the ladder telescopic, thereby realizing the lifting. The design of vehicle type small telescopic lifting ladder only need to design two ladder, so it can be used with hydraulic transmission system as the core to design the telescopic mechanism, thereby realizing the lifting ladder. This paper expatiates the car loaded small telescopic lifting ladder of the composition of hydraulic transmission system, the design process, at the same time drawing hydraulic drive system design diagram. Key word: Telescopic mechanism; Hydraulic transmission; Design1 前言液压传动是就是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。 液压技术被引入工业领域已经有一百多年的历史了，随着工业的迅猛发展，液压技术更日新月异。伴随着数学、控制理论、计算机、电子器件和液压流体学的发展，出现了液压伺服系统，并作为一门应用科学已经发展成熟，形成自己的体系和一套行之有效的分析和设计方法。液压传动和机械传动相比，具有许多优点，因此在机械工程中，液压传动被广泛采用。液压传动是以液体作为工作介质来进行能量传递的一种传动形式，它通过能量转换装置（如液压泵），将原动机（如电动机）的机械能转变为液体的压力能，然后通过封闭管道、控制元件等，由另一能量装置（如液压缸、液压马达）将液体的压力能转变为机械能，以驱动负载和实现执行机构所需的直线或旋转运动。近年来，我国工程机械取得了蓬勃的发展，其中，液压传动技术起到了至关重要的作用。而且，随着液压传动技术的快速发展和广泛应用，它已成为工业机械、工程建筑机械等行业不可缺少的重要技术。本文介绍了液压传动的发展、工作原理、组成、特点和应用，以及车载式小型伸缩式升降云梯的伸缩机构的设计并绘制伸缩机构的设计图。2 液压传动的简介2.1 液压传动的概念 液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。液压技术被引入工业领域已经有一百多年的历史了，随着工业的迅猛发展，液压技术更日新月异。伴随着数学、控制理论、计算机、电子器件和液压流体学的发展，出现了液压伺服系统，并作为一门应用科学已经发展成熟，形成自己的体系和一套行之有效的分析和设计方法。2.2液压传动系统的组成液压传动系统主要由：动力元件（液压泵）、执行元件（液压缸或马达）、控制元件（控制阀）、辅助元件和工作介质等五个部分组成。动力元件（液压泵），它将机械能转换为液压能，给液压系统提供压力有源；执行元件（液压缸或马达），它将液压能转换为机械能，输出力、行程和速度；控制元件（控制阀），控制液体压力、流量、流速和方向，如放油阀；辅助元件，输送液体、储存液体、过滤液体、密封等，如油箱、管路。工作介质，液压油或其他合成液体1。2.3液压传动的特点（1）质量-功率比低。这一优点对于对重量和空间尺寸有严格限制的机器设备如车辆和工程机械有着重要意义；（2）快速性好。液压动力元件的惯性较小，故快速性好；（3）能在大范围内实现无级调速。借助于阀或变量泵、变量马达等控制元件可以方便的进行无级调速，调速比可高达2000，且可获得较低的稳定速度；（4）布局方便灵活。可随机器的需要，借助于油管，方便灵活的布置各种元件而不受什么限制。用液压传动实现直线运动比用机械传动简单；（5）易于实现过载保护。借助于溢阀等液压元件可实现自动过载保护；（6）运转平稳可靠。液压元件能自行润滑，使用寿命较长；（7）便于实现自动化和中等距离内的能量分配、传输和控制。借助于各种阀可实现机器运行自动化，与电气控制元件组成的电液复合系统，不但可实现更高程度的自动控制过程，而且还可以实现中等距离遥控2。2.4液压传动的发展史早期工业上所使用的液压传动装置是以水为工作介质，因其密封问题一直未能解决以及电气传动技术的发展和竞争，曾一度导致液压技术停滞不前。此种情况直至1906年美国在海军战舰炮塔俯仰装置的液压系统中首次用油代水做工作介质后才开始改观。工作介质的这次变化及密封问题的逐步解决对于液压技术后来的发展意义深远。在第二次世界大战期间，由于军事上的需要，出现了以电液伺服系统为代表的响应迅速精度高的液压元件和控制系统，从而使液压技术得到迅猛发展。 战后50年代，随着世界各国经济的恢复和发展，生产过程自动化要求的不断增长，使液压技术很快转入民用工业，在机械制造、起重运输车辆及工程机械、船舶、农业机械等行业得到了广泛发展和应用。美国麻省理工学院Lee等学者于同期在电液伺服阀方面的研究取得了很大进展，其成果至今仍为全世界所采用3。 60年代以来，随着原子能、航空航天技术、微电子技术等方面的发展，液压技术在更深、更广阔的领域得到了发展，除了连接不断开发可涌现的新型液压元、辅件（如电液比例阀，数字阀，电液比例控制泵，多功能综合控制阀；电子压力继电器，减振、消声、过滤三合一滤器等）外，其应用领域也在不断扩大，如太阳能跟踪系统、电梯、高层建筑防震系统等均采用了液压技术。近年来，液压与现代数学、力学、微电子技术及计算机技术紧密结合，使液压技术不论在基础理论还是在工程应用方面都进入了一个新的发展阶段。当前，液压技术的发展趋势大致如表1所示。 表1液压技术的发展趋势Table 1 The trend of development of hydraulic technology发展趋势举例高压化、大流量化超高压液压技术、多泵数字控制技术等结构小型化、轻重化、功能复合化、集成化叠加式、插装式、多功能综合控制液压阀，微型液压元件以及集动力源、控制器和执行器于一体的多功能动力单元和电液集成元件的开发延长元件寿命、提高元件及系统的可靠性液压元件强化快速寿命试验方法、污染控制技术、元件及系统的故障诊断技术、系统可靠性预测技术的研究和应用，运用新型材料（如涂层材料、陶瓷和塑料），改进摩擦刷工作性能，在系统设计中采用余度技术等。降低能耗、提高效率、实现节能节能型液压元件的开发（如低功耗电磁阀等）、系统设计中应用负载参数适应技术、二次调节技术、微机自适应控制技术等节能技术，研究和应用原动机与液压装置的最优联合调节方法、进一步改进密封与连接技术、减小泄漏损失和污染降低液压振动和噪声运用管道网络动态分析液流数值计算技术、优化运动、流动和结构，应用隔振技术、消声技术、减小振动和噪声并提高性能用电子技术强化液压技术：提高控制系流性能具有数字接口的电液元件的开发：采用现代控制理论对系统动特性进行补偿，液压伺服系统的非线性控制和智能控制，用于液压伺服控制的神经网络算法及相应硬件实现，机器人伺服系统的解耦与特性补偿：元件、系统的设计、试验制造等采用计算机技术 我国液压技术的应用始于1952年，液压元件最初应用于机床和锻压设备，后来应用于工程机械。1964年我国从国外引进了一些液压元件生产技术，同时自行设计液压产品，经过多年的艰苦探索和发展，特别是20世纪80年代初期引进美国、日本、德国的先进技术和设备，使我国的液压技术水平上了一个新的台阶。目前，我国已形成门类齐全的标准化、系列化、通用化液压元件系列产品。同时我国在消化、吸收国外先进液压技术的同时，大力研制、开发国产液压元件新产品，加强产品质量可靠性以及新技术应用的研究，积极采用新的国际标准，不断调整产品结构，对一些性能差的液压件产品，采用逐步淘汰的措施。由此可见，随着科学技术特别是控制技术和计算机技术的发展，液压传动与控制技术将得到进一步发展，应用将更加广泛。2.5液压传动的基本原理 液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(液压缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。2.6液压传动的工作特性力的传递按帕斯卡原理进行，在密闭容器内的平衡液体中，任何一点的变化，将等值地传给液体中的所有各点，这就是帕斯卡原理。因此，密闭容器内的平衡液体中，各点的压力相等。工作活塞的液压作用力等于油压与活塞面积的乘积，作用方向为垂直于作用面。因此，可用提高压力和加大活塞面积的方法来产生较大的液压作用力。2.7液压传动的应用液压传动由于优点很多，所以在国民经济各部门都得到了广泛的应用。但各部门应用液压传动的出发点不同：工程机械、压力机械采用的原因是结果简单，输出力量大；航空工业采用的原因是重量轻，体积小。机床中采用主要是可实现无级变速、易于实现自动化、能实现换向频繁的往复运动的优点。为此，液压传动常用在机床的如下一些装置中：（1） 进给运动传动装置。这项应用在机床上最为广泛，磨床的砂轮架，卧式车床、转塔车床、自动车床的刀架或转塔刀架，磨床、钻床、铣床、刨床的工作台或主轴箱，组合机床的动力头和滑台等，都可以采用液压传动。这些部件有的要求快速移动，有的要求慢速移动（2mm/min），有的则要求快慢速移动。这些部件的运动多半要求有较大的调速范围，要求在工作中无级调速；有的要求持续进给，有的要求间隙进给；有的要求在负载变化下速度仍然能保持恒定；有的要求有良好的换向性能。所有这些采用液压传动是最合适的。（2） 往复主体运动传动装置。龙门刨床的工作台、牛头刨床或插床的滑枕都可以采用液压传动来实现其所需高速往复运动，前者的运动速度可达6090m/min，后两者可达3050m/min。这些情况下采用液压传动，在减少换向冲击、降低能量消耗、缩短换向时间等方面都很有利。（3） 回转主体运动传动装置。车床主轴可采用液压传动来实现无级变速的回转主体运动，但这一应用目前还不普遍。 （4）仿形装置。车、铣、刨床的仿形加工可采用液压伺服系统来实现，精度可达0.010.02mm。此外，磨床上的成形砂轮修正装置和标准丝杠校正装置，毅可采用这种系统。表2液压传动在各个行业中的应用Table 2 Hydraulic drive and its application in various industries行业名称应用场合举例机床工业磨床、铣床、刨床、拉床、压力机、自动机床、组合机床、数控机床、加工中心等工程机械挖掘机、装载机、推土机等汽车工业自卸汽车、平板车、高空作业车等农业机械联合收割机的控制系统、拖拉机的悬挂装置等轻工机械打包机、注塑机、校直机、橡胶硫化机、造纸机等冶金机械电炉控制系统、轧钢机控制系统等起重运输机械起重机、叉车、装卸机械、液压千斤顶等矿山机械开采机、提升机、液压支架、采煤机等建筑机械打桩机、平地机等船舶港口机械起货机、锚机、舵机等铸造机械砂型压实机、加料机、压铸机等 （5）辅助装置。机床上的夹装置，变速操纵装置，丝杠螺母间隙消除装置，垂直移动部件的平衡装置，分度装置，工件和刀具的装卸、输送、储存装置等，都可以采用液压传动来实现。这样做有利于简化机床结构，提高机床的自动化程度。 （6）步进传动装置。数控机床上工作台的直线或回转步进运动，可根据电气信号迅速而准确的由电液伺服系统来实现。开环系统定位精度较低（0.01mm），但成本低；闭环系统则定位精度和成本都较高。 （7）静压支承。重型机床、高速机床、高精度机床上的轴承、导轨和丝杠螺母机构，如果采用液压系统来作静压支撑，可得到很高的工作平稳性和运动精度，这是近年来的一项新技术4。液压传动在各个行业中的应用，如表2所示。3 伸缩机构的设计3.1伸缩机构的概述伸缩机构是起重机械的一种重要结构。车载式小型伸缩式升降云梯的伸缩机构包括臂架伸缩机构和支腿收放机构。臂架伸缩机构的作用是改变臂架长度，以获得需要的幅度和起升高度，满足作业要求。支腿收放机构的用途是增大起重机的基底面积，调整场地的坡度，提高抗倾覆稳定性，增大起重能力。3.2对车载式小型伸缩式升降云梯伸缩机构的选择伸缩机构有两种，一种是机械式，另外一种的液压式。（1）机械式机械式驱动装置构造简单，一般只能在吊钩空负荷时使臂架伸缩，而且只用于有一节伸缩臂的小吨位起重机上。有钢绳卷筒驱动、齿轮齿条驱动，或者利用其它工作机构驱动。（2）液压式 液压驱动是吊臂伸缩机构的主要驱动型式。设计相应的伸缩液压缸和油路，可以实现臂架的各种伸缩方式。车载式小型伸缩式升降云梯具有较强的机动性，方便快捷，所以它的伸缩机构采用液压式。负载分析就是对执行元件在整个工作循环中各阶段所要求克服的负载大小及其性质进行分析，负载图即是用图形将这种分析结果表示出来的图形。负载图一般用负载时间（Ft）或负载位移（Fl）曲线表示。3.3液压缸的负载分析液压缸在做直线往复运动时，要克服以下负载：工作负载、摩擦负载阻力、惯性阻力、重力、密封阻力和背压力。前四种属于外负载，后两种属于内负载。在不同的动作阶段，负载的类型和大小是不同的。下面分别予以讨论。3.3.1启动阶段启动阶段的液压缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件处于要动而未动状态，其负载F由以下2项组成： 式中 Ffs静摩擦力；Fn作用在摩擦面（如导轨面或支承面）上的正压力； (1)fs摩擦面的静摩擦系数，其数值与润滑条件、导轨的种类和材料有关（见表3）；FG垂直或倾斜放置的运动工作部件重量在油缸运动方向的分量，工作部件向上运动时为正负载，向下运动时为负负载。若工作部件是水平放置时，则FG=0。3.3.2加速阶段加速阶段的液压缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件从速度为零到恒速（一般为非工作阶段的快速运动）阶段，这时的负载F由下式计算： (2) 表3 导轨摩擦系数Table 3 Rail friction coefficient导轨种类导轨材料工作状态摩擦系数滑动导轨铸铁对铸铁启动0.160.2低速运动（v10m/min）0.10.12高速运动（v10m/min）0.050.08自润滑尼龙低速中载(也可润滑)0.12金属兼复合材料0.0420.15滚动导轨铸铁导轨+滚珠(柱)0.0050.02淬火钢导轨+滚珠(柱)0.0030.006静压导轨铸铁0.005气浮导轨铸铁、钢或大理石0.001式中 Ffd动摩擦力；fd动摩擦系数(见表3)；Fm惯性阻力，这是液压缸活塞或缸体及其与它们相连的运动部件在加速（制动减速）过程中得到惯性阻力，其值可按牛顿第二定律求出，加速时阻力为正，制动减速时为负；v速度的改变量，即恒速值；t启动或制动时间，机床一般取t =0.010.5s，轻载低速运动部件取小值，重载高速运动部件取大值。行走机械可取v / t =0.51.5m/s2；G运动部件的重量；g重力加速度。表4液压系统中背压力的经验数据Table 4 Hydraulic system back pressure empirical data系统类型背压/MPa中、低压系统（08MPa）简单系统和一般轻载的节流调速系统0.20.5回油路带调速阀的节流调速系统0.50.8回油路带背压阀0.51.5采用带补油泵的闭式回路0.81.5中、高压系统（816MPa）同上比中、低压系统高（50100%）高压系统（1632MPa）如锻压机械系统初算时背压可忽略不计3.3.3恒速阶段该阶段负载由下式决定： (3)式中FL工作负载，如切削力等。其方向与液压缸运动方向相反时取正值，相同时取负值。在非工作行程(如快进)时取FL =0.3.3.4制动阶段 (4) 该阶段负载由下式决定 (4)上述四个动作阶段，在液压缸的反向运动中，也都存在，只是在快退过程中不存在工作行程，因此整个快退恒速阶段取FL =0。图1液压缸负载图Fig 1 Hydraulic cylinder load diagram 以上计算均是计算液压缸的外负载，要计算液压缸的总负载力，还应计算液压缸的内负载力，即密封阻力和运动的背压阻力。前者是指密封装置零件在相对运动中产生的密封摩擦力，其值与密封装置的结构类型、液压缸的制造质量和工作压力有关，具体计算比较繁琐，一般在初步计算中都将其考虑在液压缸的机械效率（m）中。后者是指液压缸回油腔的背压阻力，它是由回油管路上的液压阻力决定的。在系统方案与结构尚未确定前，它是无法计算的。在液压缸尺寸已知的情况下，可根据表4所示的经验数据进行估算。一般可先忽略不计，待系统回路和液压执行元件结构尺寸确定时再将其计算进去。 根据上述各阶段得到负载及其所经历的移动行程（或时间），便可归纳绘出液压缸的负载图（F-l图或F-t图），如图1所示为液压系统的负载图。图中的最大负载值将是初选液压缸工作压力和确定液压缸结构参数时的依据。4 液压元件的选择4.1液压泵的选择4.1.1确定液压泵的最大工作压力pp （5）式中p1液压缸或液压马达最大工作压力；p从液压泵出口到液压缸或液压马达入口之间总的管路损失。p的准确计算要待元件选定并绘出管路图时才能进行，初算时可按经验数据选取：管路简单、流速不大的，取p=（0.20.5）MPa；管路复杂，进口有调阀的，取p=（0.51.5）MPa。4.1.2确定液压泵的流量QP 多液压缸或液压马达同时工作时，液压泵的输出流量应为式中 K系统泄漏系数，一般取K=1.11.3；Qmax同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量，可从（Q-t）图上查得。对于在工作过程中用节流调速的系统，还须加上溢流阀的最小溢流量，一般取0.510-4m3/s。系统使用蓄能器作辅助动力源时： (6) 式中 K系统泄漏系数，一般取K=1.2；Tt液压设备工作周期（s）；Vi每一个液压缸或液压马达在工作周期中的总耗油量（m3）；z液压缸或液压马达的个数。4.1.3选择液压泵的规格根据以上求得的pp和Qp值，按系统中拟定的液压泵的形式，从产品样本或本手册中选择相应的液压泵。为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大25%60%。4.1.4确定液压泵的驱动功率在工作循环中，如果液压泵的压力和流量比较恒定，即（p-t）、（Q-t）图变化较平缓，则： (7) 式中 pp液压泵的最大工作压力（Pa）；QP液压泵的流量（m3/s）；P液压泵的总效率，参考表5选择。限压式变量叶片泵的驱动功率，可按流量特性曲线拐点处的流量、压力值计算。一般情况下，可取pP=0.8pPmax，QP=Qn，则 (8) 式中 液压泵的最大工作压力（Pa）；液压泵的额定流量（m3/s）。表5液压泵的总效率Table 5 The overall efficiency of the hydraulic pump液压泵类型齿轮泵螺杆泵叶片泵柱塞泵总效率0.60.70.650.800.600.750.800.85 在工作循环中，如果液压泵的流量和压力变化较大，即（Q-t），（p-t）曲线起伏变化较大，则须分别计算出各个动作阶段内所需功率，驱动功率取其平均功率 (9)式中 t1、t2、tn一个循环中每一动作阶段内所需的时间（s）；P1、P2、Pn一个循环中每一动作阶段内所需的功率（W）。按平均功率选出电动机功率后，还要验算一下每一阶段内电动机超载量是否都在允许范围内。电动机允许的短时间超载量一般为25%。4.2液压阀的选择4.2.1阀的规格根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流量，选择有定型产品的阀件。溢流阀按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，要考虑最小稳定流量应满足执行机构最低稳定速度的要求。控制阀的流量一般要选得比实际通过的流量大一些，必要时也允许有20%以内的短时间过流量。4.2.2阀的型式按安装和操作方式选择。4.3蓄能器的选择根据蓄能器在液压系统中的功用，确定其类型和主要参数。（1）液压执行元件短时间快速运动，由蓄能器来补充供油，其有效工作容积为 (10) 式中 A液压缸有效作用面积（m2）；l液压缸行程（m）；K油液损失系数，一般取K=1.2；QP液压泵流量（m3/s）；t动作时间（s）（2）作应急能源，其有效工作容积为： (11)式中 要求应急动作液压缸总的工作容积（m3）。有效工作容积算出后，根据有关蓄能器的相应计算公式，求出蓄能器的容积，再根据其他性能要求，即可确定所需蓄能器。4.4管道尺寸的确定4.4.1管道内径计算 (12) 式中 Q通过管道内的流量（m3/s）；管内允许流速（m/s），见表6。计算出内径d后，按标准系列选取相应的管子。表6允许流速推荐值Table 6 Allowable flow velocity of the recommended value管道推荐流速/（m/s）液压泵吸油管道0.51.5，一般常取1以下液压系统压油管道36，压力高，管道短，粘度小取大值液压系统回油管道1.52.64.4.2管道壁厚的计算 (13) 式中 p管道内最高工作压力（Pa）；d管道内径（m）；管道材料的许用应力（Pa），b管道材料的抗拉强度（Pa）；n安全系数，对钢管来说，p7MPa时，取n=8；p17.5MPa时，取n=6；p17.5MPa时，取n=4。4.5油箱容量的确定油箱在液压系统中除了储油外，还起着散热、分离油液中的气泡、沉淀杂质等作用。油箱中安装有很多辅件，如冷却器、加热器、空气过滤器及液位计等。1液位计；2吸油管；3空气过滤器；4回油管；5侧板；6入孔盖；7放油塞；8地脚；9隔板；10底板；11吸油过滤器；12盖板；图2油箱Fig 2 Tank油箱可分为开式油箱和闭式油箱二种。开式油箱，箱中液面与大气相通，在油箱盖上装有空气过滤器。开式油箱结构简单，安装维护方便，液压系统普遍采用这种形式。闭式油箱一般用于压力油箱，内充一定压力的惰性气体，充气压力可达0.05MPa。如果按油箱的形状来分，还可分为矩形油箱和圆罐形油箱。矩形油箱制造容易，箱上易于安放液压器件，所以被广泛采用；圆罐形油箱强度高，重量轻，易于清扫，但制造较难，占地空间较大，在大型冶金设备中经常采用。初始设计时，先确定油箱的容量，待系统确定后，再按散热的要求进行校核。油箱容量的经验公式为： (14) 式中 QV液压泵每分钟排出压力油的容积（m3）；经验系数，见表7。在确定油箱尺寸时，一方面要满足系统供油的要求，还要保证执行元件全部排油时，油箱不能溢出，以及系统中最大可能充满油时，油箱的油位不低于最低限度。表7 经验系数Table 7 Experience of Coefficient 系统类型行走机械低压系统中压系统锻压机械冶金机械122457612104.6载荷的组成和计算4.6.1液压缸的载荷组成与计算图3液压系统计算简图Fig 3 Schematic diagram of hydraulic system 图3表示一个以液压缸为执行元件的液压系统计算简图。各有关参数标注图上，其中FW是作用在活塞杆上的外部载荷，Fm中活塞与缸壁以及活塞杆与导向套之间的密封阻力。作用在活塞杆上的外部载荷包括工作载荷Fg，导轨的摩擦力Ff和由于速度变化而产生的惯性力Fa。（1）工作载荷Fg常见的工作载荷有作用于活塞杆轴线上的重力、切削力、挤压力等。这些作用力的方向如与活塞运动方向相同为负，相反为正。（2）导轨摩擦载荷Ff (15)对于平导轨： 对于V型导轨： (16) 式中 G运动部件所受的重力（N）；FN外载荷作用于导轨上的正压力（N）；摩擦系数，见表8；V型导轨的夹角，一般为90。表8 摩擦系数Table 8 The friction coefficient 导轨类型导轨材料运动状态摩擦系数滑动导轨铸铁对铸铁起动时0.150.20低速（0.16m/s)0.10.12高速（0.16m/s）0.050.08滚动导轨铸铁对滚柱（珠）0.0050.02淬火钢导轨对滚柱0.0030.006静压导轨铸铁0.005（3）惯性载荷Fa (17) 式中 g重力加速度；g=9.81m/s2；速度变化量（m/s）；t起动或制动时间（s）。一般机械t=0.10.5s，对轻载低速运动部件取小值，对重载高速部件取大值。工作载荷Fg并非每阶段都存在，如该阶段没有工作，则 Fg=0。作用于活塞上的载荷F还包括液压缸密封处的摩擦阻力Fm，由于各种缸的密封材质和密封形成不同，密封阻力难以精确计算，一般估算为： (18) 式中 m液压缸的机械效率，一般取0.900.95。 (19) 4.6.2液压马达载荷力矩的组成与计算（1）工作载荷力矩Tg常见的载荷力矩有被驱动轮的阻力矩、液压卷筒的阻力矩等。（2）轴颈摩擦力矩Tf (20) 式中 G旋转部件施加于轴劲上的径向力（N）；摩擦系数，参考表8选用；r旋转轴的半径（m）。（3）惯性力矩Ta (21) 式中 角加速度（rad/s2）；角速度变化量（rad/s）；t起动或制动时间（s）；J回转部件的转动惯量（kgm2）。计算液压马达载荷转矩T时还要考虑液压马达的机械效率m（m=0.90.99）。 (22) 根据液压缸或液压马达各阶段的载荷，绘制出执行元件的载荷循环图，以便进一步选择系统工作压力和确定其他有关参数。4.7初选系统工作压力 压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空间、经济条件及元件供应情况等的限制。在载荷一定的情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看出不经济；反之，压力选得太高，对泵、缸、阀等元件的材质、密封、制造精度也要求很高，必然要提高设备成本。一般来说，对于固定的尺寸不太受限的设备，压力可以选低一些，行走机械重载设备压力要选得高一些。具体选择可参考表9和表10。表9按载荷选择工作压力Table 9 According to the load selection pressure载荷/kN551010202030305050工作压力/MPa0.811.522.5334455表10各种机械常用的系统工作压力Table 10 Commonly used mechanical system work pressure机械类型机床家业机械小型工程机械建筑机械液压凿岩机液压机大中型挖掘机重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门创床拉床工作压力/MPa0.823528810101820324.8计算液压缸的主要结构尺寸和液压马达的排量4.8.1计算液压缸的主要结构尺寸液压缸有关设计参数见图4。图a为液压缸活塞杆工作在受压状态，图b活塞杆工作在受拉状态。活塞杆受压时： (23)p1液压缸工作腔压力（Pa）；p2液压缸回油腔压力（Pa），即背压力。其值根据回路的具体情况而定，初算时可参照表4取值。差动连接时要另行考虑；D活塞直径（m）；d活塞杆直径（m）。一般，液压缸在受压状态下工作，其活塞面积为： (24) 确定A1与A2的关系，或是活塞杆径d与活塞直径D的关系，令杆径比=d/D，其比值可按表12和表13选取。注：1无杆腔进油时活塞运动速度；2有杆腔进油时活塞运动速度。采用差动连接时，1/2=（D2-d2）/d2。如果求往返速度相同时，应取d=0.71D。对行程与活塞杆直径比l/d10的受压柱塞或活塞杆，还要做压杆稳定性验算。表11执行元件背压力Table 11 Actuator back pressure系统类型背压力/MPa简单系统或轻载节流调速系统0.20.5回油路带调速阀的系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路较复杂的工程机械1.23回油路较短，且直接回油箱可忽略不计图4液压缸主要设计参数Fig 4 The main design parameters of hydraulic cylinder当工作速度很低时，还须按最低速度要求验算液压缸尺寸： (25) 式中 A液压缸有效工作面积（m2）；Qmin系统最小稳定流量（m3/s），在节流调速中取决于回路中所设调速阀或节流阀的最小稳定流量。容调速中决定于变量泵的最小稳定流量。min运动机构要求的最小工作速度（m/s）。如果液压缸的有效工作面积A不能满足最低稳定速度的要求，则应按最低稳定速度确定液压缸的结构尺寸。表12按工作压力选取d/DTable 12 By working pressure to select d / D工作压力/MPa5.05.07.07.0d表13按速比要求确定d/DTable 13 The ratio is determined by d/ D2/11.151.251.331.461.612d/D0.30.40.50.550.620.71表14常用液压缸内径D（mm）Table 14 Commonly used hydraulic cylinder with inner diameter of D ( mm )4050638090100110125140160180200220250 表15活塞杆直径d（mm）Table 15 The diameter of the piston rod is d ( mm )速比缸径40506380901001101.462228354550556334550607080速比缸径1251401601802002202501.46708090100110125140290100110125140另外，如果执行元件安装尺寸受到限制，液压缸的缸径及活塞杆的直径须事先确定时，可按载荷的要求和液压缸的结构尺寸来确定系统的工作压力。液压缸直径D和活塞杆直径d的计算值要按国标规定的液压缸的有关标准进行圆整。如与标准液压缸参数相近，最好选用国产标准液压缸，免于自行设计加工。常用液压缸内径及活塞杆直径见表14和表15。4.8.2计算液压马达的排量 (26)液压马达的排量为：式中 T液压马达的载荷转矩（Nm）；p=p1-p2液压马达的进出口压差（Pa）。液压马达的排量也应满足最低转速要求： (27) 式中Qmin通过液压马达的最小流量；nmin液压马达工作时的最低转速。4.8.3计算液压缸或液压马达所需流量 (28)（1）液压缸工作时所需流量： 式中 A液压缸有效作用面积（m2）；活塞与缸体的相对速度（m/s）。（2）液压马达的流量： (29) 式中 q液压马达排量（m3/r）；nm液压马达的转速（r/s）。5 液压系统性能的估算5.1回路压力损失验算回路压力损失包括管道内的沿程压力损失和局部压力损失以及阀类元件处的局部损失三项。管道内的这两种压力损失可用第二章中的有关公式估算；阀类元件处的局部损失则须从产品样本中查出。当通过阀类元件的实际流量q不是其公称流量qn时，它的实际压力损失p与其额定压力损失pn间将呈如下的近似关系： (30) 计算液压系统的回路压力损失时，不同的工作阶段要分开来计算。回油路上的压力损失一般都须折算到进油路上去。计算所得的总压力损失如果与计算液压元件时假定的压力损失相差太大，则应对设计进行必要的修改。5.2发热温升验算这项验算是用热平衡原理对油液的温升值进行估计。单位时间内进入液压系统的热量Pr（以W计）是液压泵输入功率P1和液压执行元件有效功率P0之差。假如这些热量全部由油箱散发出去，不考虑系统其它部分的散热效能，则油液温升的估算公式可以根据不同的条件分别从有关的手册中找出来。例如，当油箱三个边的尺寸比例在111到123之间、油面高度是油箱高度的80%、且油箱通风情况良好时，油液温升T的计算式可以用单位时间内输入热量Pr（W）和油箱有效容积V2（m3）近似地表示成 (31)当验算出来的油液温升值超过允许数值时，系统中必须考虑设置适当的冷却器。油箱中油液允许的温升T随主机的不同而异：一般机床为2530，工程机械为3540等等。6 绘制正式工作图，编写技术文件所设计的液压系统经验算后既可对初步拟订的液压系统进行修改，并绘制正式的系统工作图和编写技术文件。系统工作图包括液压系统原理图，液压缸等非标准元件的装配图、零件图，液压系统装配图。技术文件还包括设计任务书、开题报告、开题论证审批表、开题论证记录表、中期检查表、设计说明书等。7 结论车载式小型伸缩式升降云梯的设计，对于高低空作业影响很大，用液压传动来设计它的伸缩机构，使车载式小型伸缩式升降云梯更加安全，大大减少了高低空作业中所发生的意外事故。参考文献1 刘延俊液压与气压传