剪叉式液壓升降平臺關鍵零部件計算與校核案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u26048剪叉式液壓升降平臺關鍵零部件計算與校核案例分析 1185211.1確定剪叉臂尺寸 1219341.2確定工作臺結構尺寸 216641.3計算液壓缸最大推力 3166521.4電機驅動系統(tǒng)選擇 5256161.6差速器設計與計算 756291.7確定導軌類型 12139481.8剪叉臂及銷軸受力及校核 13237051.8.1剪叉臂鉸點受力分析 1351601.8.2銷軸抗剪切強度校核 141.1確定剪叉臂尺寸本課題設計的剪叉式液壓升降平臺主要參數(shù)擬定如表1.1所示。表1.1升降平臺主要參數(shù)參數(shù)數(shù)值額定載荷450Kg最小起升高度1400mm最大起升高度6000mm該剪叉式液壓升降平臺的最大起升高度為6000mm，由工作平臺兩側的剪叉臂串聯(lián)而成，也就是一共有四組剪叉臂構成，通過計算可得到每組剪叉臂起升高度為1500mm。包括內叉臂和外叉臂，將剪叉臂劃分為四層，剪叉臂之間分別由兩端與中間的銷孔通過銷軸進行鉸接，從而構成剪叉機構。剪叉式液壓升降平臺達到最大高度時，內剪叉臂與外剪叉臂的軸線垂直[14]，計算剪叉臂兩端銷孔中心距為。根據(jù)國標確定剪叉臂的材料Q345A的矩形鋼管，Q345A矩形鋼管作為一種綜合力學性能良好的金屬結構件，常被應用在油罐、車輛、起重機、礦山機械、電站、橋梁等承受載荷結構中，因此選用Q345A矩形鋼管作為剪叉臂材料可以保證剪叉臂結構的強度。剪叉臂的尺寸定為長×寬×高為2200mm×70mm×125mm,剪叉臂的厚度為5mm，剪叉臂由兩端與中間的銷孔通過銷軸進行鉸接，所以需要確定銷孔尺寸，即剪叉臂的各銷孔尺寸初定為。液壓缸傾斜放置在兩剪叉臂之間，需要通過剪叉臂內臂中附有的耳環(huán)進行連接，耳環(huán)上的銷孔尺寸初定為，耳環(huán)中心線與剪叉臂軸線之間的夾角初定為，如圖1.1所示。圖1.1剪叉臂尺寸圖1.2確定工作臺結構尺寸工作平臺尺寸定為2100mm×1230mm，根據(jù)國標選擇工作平臺材料為Q345A矩形鋼管，利用四根矩形鋼管圍成一個矩形工作臺。矩形鋼管截面尺寸為290mm×100mm，鋼管壁厚度為5mm。由于液壓升降平臺需要進行高空作業(yè)，必須將作業(yè)人員的生命安全放在第一位，需要盡可能的使工作臺較為密閉，因此在工作臺外圈加固一圈圍欄，圍欄選用外徑為20mm，壁厚為5mm的Q345A矩形鋼管，如圖1.2所示。圖1.2工作平臺經(jīng)計算得到：工作平臺體積為：（3-1）質量為：（3-2）1.3計算液壓缸最大推力剪叉臂在工作平臺的兩側呈對稱分布，為計算簡便僅對剪叉臂的單側機構進行計算求解。液壓缸最大推力計算時，不僅需要考慮額定載荷，而且還需要考慮到剪叉臂、液壓缸和工作臺自重，否則會嚴重影響計算結果，造成計算結果的錯誤，因此每組剪叉臂的質量都要在計算的時候計算到。為保證計算液壓缸最大推力的結果準確性，將剪叉臂機構簡化為如圖1.2所示。圖1.2剪叉臂機構簡化圖如圖3-2中，建立直角坐標系以A點作為原點，AB作為橫坐標X軸，AI作為縱坐標Y軸直線。A～J表示剪叉臂外側與內側鉸點，01～04表示剪叉臂中間連接鉸點，IJ表示工作臺，MN表示液壓缸的位置[15]。M為剪叉臂耳環(huán)下端點，N為剪叉臂耳環(huán)上端點。其中：L—剪叉臂桿長度即：；；；；；；;在升降質量相同重物時，液壓缸推動剪叉機構、工作平臺及其上的作業(yè)人員以及重物時為最大推力，該最大推力的位置為液壓缸的最低點位置，也就是升降平臺最低點位置[16]。通過作圖法計算得到;。在使用單側負載進行計算的情況下，液壓升降平臺載荷的計算公式為：（3-3）式中：由，，可知。假設為單側剪叉機構質量，將數(shù)值帶入經(jīng)計算得。液壓缸推力常使用坐標法進行計算，計算公式為：(3-4)將相關數(shù)據(jù)帶入，得到液壓缸對升降平臺剪叉臂最大推力為。1.4電機驅動系統(tǒng)選擇由于設計要求需要該液壓升降平臺可以進行直線運動，所以應該在考慮整體的重量及所運輸物體的最大載荷的情況下選擇合適的電動機帶動液壓升降平臺整體移動。液壓升降平臺主要作業(yè)在平坦地面的廠區(qū)內，因此不需要考慮爬坡等要求。通過電機驅動系統(tǒng)將電源的電能轉化為機械能，從而間接驅動傳動裝置或者直接驅動車輪進行移動工作[18]。其基本構成主要有兩部分，即電機和控制器。電機由控制器控制，可以將電能轉化為機械能[19]，控制器則是將電能轉換成另一種形式適合電機運行的電能。目前，直流電機、三相交流感應電機、永磁電機和開關磁阻電機是目前最為常見且被廣泛使用的四種電機驅動系統(tǒng)[20]。通過對比四種驅動系統(tǒng)的特點及應用場合來選擇合適的電機驅動，對比如表1.2所示：表1.2驅動機構特點及應用場合對比驅動系統(tǒng)特點應用場合直流電機驅動系統(tǒng)具有控制簡單、調速性能好、技術成熟和成本低等優(yōu)點。但其體積大，功率密度較低，由于存在電刷和換向器，因此需要定期維護。主要應用于中、小功率的電動機構中。三相交流感應電機驅動系統(tǒng)具有結構簡單、運行可靠、經(jīng)久耐用、效率高、維修方便等優(yōu)點。價格較高，在一定程度上限制了交流電機驅動系統(tǒng)的應用。主要應用于中、大功率的電動機構中。永磁電機驅動系統(tǒng)具有散熱容易、壽命長、運行可靠、維修簡便等優(yōu)點。永磁電機由于永磁材料限制，使得永磁電機的功率范圍較小。主要應用于新能源電動汽車電動機構中。開關磁阻電機驅動系統(tǒng)具有結構簡單、可控相數(shù)多、實現(xiàn)四象限控制方便、成本低、效率高、電路簡單等優(yōu)點。但存在轉矩波動、噪聲大的缺點。主要應用于頻繁正反轉及沖擊的電動機構中。本設計涉及的液壓升降平臺僅需電機驅動車輪可進行勻速移動即可，因此采用直流電機驅動系統(tǒng)。液壓升降平臺整機重量為：(3-4)由，，,，可得。電機驅動功率計算：（3-5）式中：驅動電動機的選取個數(shù)，求得液壓升降平臺移動系統(tǒng)的電機輸入功率為：。根據(jù)電機輸入功率選擇Y系列Y132S1-2電機，其具體參數(shù)如表1.3所示。表1.3Y132S1-2電機參數(shù)表功率(Kw)額定電流(A)轉速(r/min)效率(％)5.511290085.51.6差速器設計與計算差速器是保證左、右或前、后驅動輪以不同轉速轉動從而保持平穩(wěn)移動的機構，如圖1.4所示。直齒錐齒輪、行星齒輪及齒輪架組成差速器機構。功用原理是當液壓升降平臺轉彎行駛或者在不平坦路面上行駛時，雖然左右兩側的車輪以不同轉速進行滾動，但仍然使得左右兩側車輪作純滾動運動[21]。齒輪傳動由于具有效率高、工作可靠、耐用性高的特點，在機械傳動中作為重要的傳動之一，被廣泛應用[22]。齒輪傳動可做成開式、半開式及閉式。但是在農(nóng)業(yè)、建筑等機械設備中，大多采用開式齒輪傳動，開式齒輪傳動適用于低速運動。圖1.4差速器根據(jù)差速器的轉速以及所承載的負載壓力，可以選用8級精度。1.錐齒輪的材料選?。涸撗b置采用的是開式齒輪傳動設計，其材料滿足工況要求的前提下，根據(jù)《機械設計》確定錐齒輪的材料為45#鋼，經(jīng)過調質和表面淬火，使其齒面硬度達到。2.錐齒輪的節(jié)錐角的計算公式為：（3-6）因此，錐齒輪的大端模數(shù)計算公式為：（3-7）式中：—錐齒輪節(jié)錐距從式（3-6）中可以得出，模數(shù)與節(jié)錐距、行星齒輪齒數(shù)和半軸齒輪齒數(shù)有關。當行星和半軸齒輪齒數(shù)不變時，隨著節(jié)錐距的增大，齒輪模數(shù)增大，而且齒數(shù)越大，曲線增長越緩慢，說明模數(shù)受節(jié)錐距的影響越小[23]；當節(jié)錐距不變時，齒數(shù)越小，模數(shù)越大，且變化比較明顯。最終錐齒輪的齒數(shù)定為：，傳動比。1.錐齒輪分度圓直徑設計公式：查找《機械設計》齒面接觸疲勞強度設計公式為：（3-8）式中：代表齒輪分度圓直徑；載荷系數(shù)；錐齒輪傳動的轉矩；代表錐齒輪的齒寬系數(shù)；錐齒輪材料的彈性影響系數(shù)；錐齒輪的接觸疲勞許用應力；錐齒輪傳動比。錐齒輪傳動的轉矩由《機械設計》為（3-9）式中：換向器的輸入功率，即驅動電機的輸出功率電動機旋轉速度帶入數(shù)值得到。錐齒輪的齒寬系數(shù)確定為：。在《機械設計》中查得錐齒輪對材料的彈性影響系數(shù)為：。由《機械設計》查得錐齒輪接觸疲勞極限為：。參考《機械設計》得錐齒輪接觸疲勞壽命的系數(shù)為。取錐齒輪失效概率為1%，其安全系數(shù)，由《機械設計》得：（3-10）帶入相關數(shù)據(jù)得錐齒輪接觸疲勞許用應力為。計算差速器錐齒輪的分度圓直徑為：4.計算錐齒輪分度圓直徑：計算錐齒輪實際載荷系數(shù)中涉及的數(shù)據(jù)計算為：圓周速度：（3-11）計算得到。代入速度計算公式：（3-12）因此得到。錐齒輪當量齒輪的齒寬系數(shù)：由《機械設計》公式可計算出錐齒輪齒寬：（3-13）因此得到.在經(jīng)過下面的公式即可算出齒寬系數(shù)：（3-14）所以得到錐齒輪的齒寬系數(shù)。5.計算錐齒輪的實際載荷系數(shù)液壓升降平臺為勻速傳送的裝置，根據(jù)《機械設計》差的錐齒輪使用系數(shù)。根據(jù)圓周速度、八級精度，由《機械設計》查得動載系數(shù)為。由于該錐齒輪精度較低，選取兩齒輪齒間載荷分配系數(shù)為。根據(jù)《機械設計》采用插值法查詢，8級精度齒輪的齒向載荷分布系數(shù)為。載荷系數(shù)計算公式為：（3-15）式中：齒輪的使用系數(shù)動載荷系數(shù)齒輪齒間的載荷分配系數(shù)齒輪的齒向載荷分布系數(shù)所以計算得到錐齒輪的實際載荷系數(shù)為。根據(jù)實際載荷系數(shù)計算的分度圓直徑為：（3-16）根據(jù)實際載荷計算得到的齒輪模數(shù)為：（3-17）代入數(shù)據(jù)得齒輪模數(shù)為。1.7確定導軌類型液壓升降平臺的整個升降過程主要通過液壓缸推動剪叉臂支架，帶動升降臺升降，為保證升降過程的同步性及上臺面的平穩(wěn)性，剪叉支腿滾輪在上工作臺下面與下底座上臺面內部專門設置導軌內進行滾動，因此在液壓升降平臺運行時剪叉支腿可以按照規(guī)定的軌跡運動。導軌如圖1.5所示。圖1.5導軌導軌按照運動軌跡分為直線運動和圓周運動兩類，而液壓升降平臺只需進行直線運動即可。導軌與剪叉支腿直接接觸，兩者之間的摩擦性質為滑動摩擦，大部分為邊界或混合摩擦的狀態(tài)?；瑒訉к壗Y構簡單、接觸剛度高、阻尼大和抗震性好，起動摩擦大、低速運動時易爬行、摩擦界面易磨損[23]?；瑒訉к壍慕孛嫘螤钪饕腥切?、矩形、燕尾形和圓形等，其中矩形導軌應用最為廣泛，其具有結構簡單、制造及修理方便、導軌面較寬、承載力較大、剛度高等優(yōu)點[24]。因此本課題所設計的液壓升降平臺導軌采用矩形滑動導軌。導軌在經(jīng)?；瑒拥那闆r下必須要具備耐磨、摩擦力小、滑動穩(wěn)定性好等性能。常用的導軌材料有鑄鐵、鋼、工程塑料。其中導軌與承導件或運動件鑄成一體時常用灰鑄鐵?；诣T鐵具有成本低、工藝性好、熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點。在潤滑和防護良好的情況下，具有一定的耐磨性。常用的是HT200~HT400，硬度以180~200HBS較為合適。要想提高導軌的耐磨性，應該在灰鑄鐵中適當?shù)脑黾予T鐵中的含碳量和含磷量，減少含硅量。如果導軌材料采用灰鑄鐵，但滿足不了耐磨要求，即可使用耐磨鑄鐵，例如高磷鑄鐵，其硬度為180~220HBS,耐磨性能較灰鑄鐵更高。由于其工作性質，液壓升降平臺在升降時剪叉支腿需要頻繁的張合，會與導軌頻繁摩擦，所以導軌的材料應選擇高磷鑄鐵。1.8剪叉臂及銷軸受力及校核1.8.1剪叉臂鉸點受力分析當升降平臺載物起升時，重量全部作用在剪叉臂上，剪叉臂鉸點受力最大，對剪叉臂鉸點進行受力分析，使其達到工作要求。剪叉受力如圖1.6所示，為計算準確，要假定工作平臺、載荷、剪叉臂三者的重心點都在中心線上。圖1.6受力簡圖剪叉機構看作一個整體，內力為液壓缸的推力，假設剪叉機構只受到單側負載的作用、單側剪叉機構的質量以及A與B兩點所受底座的支持力、、、。X方向受力平衡方程：(3-18)B點為連接導軌滑動點，可以忽略摩擦力，即，所以A點X方向的分力。Y方向受力平衡方程：(3-19)假設升降平臺不存在偏載，也就是說，將、數(shù)值代入式（3-19）得：底層剪叉臂的質量約為，分別為液壓缸在x、