升降舞臺液壓系統(tǒng)設(shè)計,升降,舞臺,液壓,系統(tǒng),設(shè)計 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目：升降舞臺液壓系統(tǒng)設(shè)計 升降舞臺液壓系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 隨著文化生活的日益豐富，人們對演出活動中舞臺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)造一種生動活潑的立體演出效果，傳統(tǒng)的靜止舞臺逐漸被摒棄，代而之以升降舞臺。而升降臺必須具備升降功能，升降臺需保持水平地升降，不能有較大的傾斜，以免在升降過程中樂隊人員或樂器發(fā)生傾斜。本文是關(guān)于液壓升降舞臺系統(tǒng)的設(shè)計。該升降臺主要有兩部分組成：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)主要提供動力，他們兩者共同作用實現(xiàn)升降機(jī)的功能。目前，液壓升降舞臺正朝著長距離，高速度，低摩擦的方向發(fā)展。近年來在液壓升降舞臺的設(shè)計、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)計制造液壓升降舞臺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；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 窗體頂端 II 目 錄 1 緒論 1 1.1升降舞臺 1 1.2升降舞臺液壓傳動系統(tǒng) 1 2 制定液壓舞臺基本方案 4 2.1升降舞臺的液壓系統(tǒng)方案確定 4 2.1.1升降舞臺機(jī)構(gòu)設(shè)計 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 升降舞臺液壓系統(tǒng)工作原理 8 3.3液壓系統(tǒng)工作特點 9 4 升降舞臺液壓系統(tǒng)計算 11 4.1 執(zhí)行元件類型數(shù)量 11 4.2 升降舞臺升降部分的設(shè)計 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算 17 5.1液壓泵及電動機(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)性能的驗算 25 6.1系統(tǒng)壓力損失計算以及泵壓力的調(diào)整 25 6.2系統(tǒng)發(fā)熱及溫升計算 25 7 升降舞臺液壓系統(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 25 7.1.2 系統(tǒng)安裝時的注意事項 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（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 33 畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明 34 IV 1 緒論 1.1升降舞臺 隨著文化生活的日益豐富，人們對演出活動中舞臺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)造一種生動活潑的立體演出效果，傳統(tǒng)的精靜止舞臺逐漸被摒棄，而代之以升降舞臺?，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，它能夠有效利用現(xiàn)場的有效空間，盡可能的減少傳動裝置的占地面積保證舞臺平穩(wěn)升降，并且具有快速遷換布景，滿足舞臺工藝布置及舞美設(shè)計和劇目編導(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的形式等。 目前國內(nèi)外采用的是滑動螺母絲杠升降臺，普通滑動螺母絲杠副的特點是可以按需要設(shè)計成自鎖，這對載人升降臺是一個很好的優(yōu)點，但是，滑動螺母絲杠副在設(shè)計成自鎖的條件下機(jī)械效率很低，理論上可達(dá)到40%，事實證明，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%。而舞臺升降臺的載重較重，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機(jī)的功率較大，一般為20kw以上，同時，由于舞臺升降臺一般要求變頻調(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升降臺的升降傳動，滾珠螺母絲杠副具有較高的傳動效率，但不能自鎖，這對載人升降舞臺來說不安全，而滾珠螺母絲杠副的傳動效率高于普通滑動螺母絲杠副，且能自鎖，常用于垂直移動的傳動。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。這一要求在舞臺升降臺上是完全能滿足的，因為由升降行程所決定的絲杠長度較長，一般為5～7 m ，根據(jù)剛度要求，絲杠直徑本身就要求較粗。而采用液壓傳動可實現(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)械傳動相比，采用液壓傳動可減少換向沖擊、降低能量消耗、縮短換向時間，有效利用現(xiàn)場有效空間，減少傳動裝置的占地面積，保證升降舞臺升降平穩(wěn)，易于實現(xiàn)自動化控制以及無級調(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)：采用絲杠傳動方式，可以實現(xiàn)雙層臺面的升降。根據(jù)需要可多塊組成升降臺群，能在行程范圍內(nèi)組成不同的臺階以滿足會議和演 2 出的需要，是搭設(shè)亭、臺、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)的升降臺具有土建配合量小，所需基坑淺、行程大、運行平穩(wěn)、噪音低、定位準(zhǔn)確、造價低等優(yōu)點。采用水平絲杠傳動，通過剪叉結(jié)構(gòu)實現(xiàn)臺面的升降運動，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)備運行時無傾斜。 e. 齒輪齒條式升降機(jī)構(gòu)：傳動精確，造價高。 f. 螺旋器升降機(jī)構(gòu)：具有普通升降臺的全部功能，主要特點是設(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升降舞臺液壓傳動系統(tǒng) a. 傳動平穩(wěn) 在液壓傳動裝置中，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)流動進(jìn)行傳動。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引起振動撞擊，使傳動十分平穩(wěn)，便于實現(xiàn)頻繁的換向；因此它廣泛地應(yīng)用在要求傳動平穩(wěn)的機(jī)械上，例如磨床幾乎全都采用了液壓傳動。 b. 質(zhì)量輕體積小 重量輕、體積小、運動慣性小、反應(yīng)速度快 液壓傳動與機(jī)械、電力等傳動方式相比，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、動作靈敏；這對液壓仿形、液壓自動控制和要求減輕質(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)在采用液壓傳動后，比采用機(jī)械傳動時的質(zhì)量減輕了1T。 c. 承載能力大 液壓傳動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)，相對運動面可自行潤滑，使用壽命長。 d. 容易實現(xiàn)無級調(diào)速 在液壓傳動中，調(diào)節(jié)液體的流量就可實現(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，能夠自動防止過載，避免發(fā)生事故。 f. 液壓元件能夠自動潤滑 由于采用液壓油作為工作介質(zhì)，使液壓傳動裝置能自動潤滑，因此元件的使用壽命較長。 g. 容易實現(xiàn)復(fù)雜的動作 采用液壓傳動能獲得各種復(fù)雜的機(jī)械動作，如仿形車床的液壓仿形刀架、數(shù)控銑床的液壓工作臺，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. 便于實現(xiàn)自動化 當(dāng)采用電液聯(lián)合控制后，不僅可實現(xiàn)更高程度的自動控制過程，而且可以實現(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，很容易實現(xiàn)復(fù)雜的自動工作循環(huán)。目前，液壓傳動在組合機(jī)床和自動線上應(yīng)用得很普遍。 j. 便于實現(xiàn)“三化” 液壓元件易于實現(xiàn)系列比、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。也易于設(shè)計和組織專業(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 制定液壓舞臺基本方案 2.1升降舞臺的液壓系統(tǒng)方案的確定 確定升降舞臺液壓系統(tǒng)的方案：舞臺重量4000Kg，舞臺升降速度0.3~0.5m/s，升降舞臺是往復(fù)短行程直線運動，所以根據(jù)它的往復(fù)運動選擇它的執(zhí)行元件，執(zhí)行元件類型為活塞缸（A1=2A2)。 2.1.1升降臺機(jī)構(gòu)的設(shè)計 該升降臺主要有兩部分組成：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)主要提供動力，他們兩者共同作用實現(xiàn)升降機(jī)的功能。 如圖2.1所示即為單個升降舞臺的基本結(jié)構(gòu)形式，其中1是工作平臺，2是活動鉸鏈，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動轉(zhuǎn)化形式的作用，一方面支撐舞臺的載荷，一方面通過其鉸接將液壓缸的伸縮運動轉(zhuǎn)化為舞臺的升降運動，1（工作平臺）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)著整個舞臺的重量，而且能將作用力傳遞到地基上。兩支架在0點鉸接，支架的一端分別固定在平臺和底座上，另一端采用滾輪滑動，通過活塞桿的伸縮和鉸接點0的作用實現(xiàn)舞臺升降平穩(wěn)。液壓缸左右對稱布置，工作時總體水平方向上受到的合力為零，使得臺面水平方向不發(fā)生運動，垂直方向的往復(fù)運動。 圖2.1 升降舞臺結(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)升降舞臺的性能要求，可以選擇的油路循環(huán)方式為開式系統(tǒng)，因為該升降機(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 限速制動形式 用平衡閥進(jìn)行能耗限速，用制動閥進(jìn)行能耗制動，可引起油液發(fā)熱 液壓泵由電動機(jī)拖動時，限速及自動過程中拖動電機(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；4.液位計；5.電動機(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)中有多個液壓執(zhí)行元件時，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)方式是除了第一個液壓元件的進(jìn)油口和最后一個執(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是多個液壓元件同時動作時，其速度不隨外載荷變化，故輕載時可多個液壓執(zhí)行元件同時動作[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：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。 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)計中多采用電磁換向閥實現(xiàn)回路的換向，它具有操作方便、便于布置、低速換向的特點。 2.2.5壓力控制回路的選擇 本設(shè)計中采用了節(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)升降舞臺的要求，本設(shè)計中選用了多缸同步回路、順序動作回路、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或兩個以上的液壓缸在運動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 在這個回路中，兩個調(diào)速閥分別調(diào)節(jié)兩液壓缸活塞的運動速度，仔細(xì)調(diào)整兩個調(diào)速閥的開口，可使兩液壓缸在同一個方向上實現(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，否則會出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。 d. 順序同步回路 常用的順序動作回路可分為壓力控制，行程控制和時間控制三類，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)計中多采用電磁換向閥實現(xiàn)回路的換向，它具有操作方便、便于布置、低速換向的特點[5]。 2.2.7壓力控制回路的選擇 本設(shè)計中采用了節(jié)流調(diào)速，常用溢流閥組成限壓、安全、保護(hù)回路。 8 3 升降舞臺液壓系統(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)按下啟動動按鈕電機(jī)轉(zhuǎn)動，液壓泵開始工作，把油箱的油通過分流閥等量分流到兩個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)流閥流向四個液壓缸，四個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，兩換向閥同時換中位，實現(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)流閥流向四個液壓缸，四個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，兩換向閥同時換中位，實現(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，兩換向閥同時換中位，實現(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，按下停止按鈕，電磁閥復(fù)位，電磁閥都失電，兩個換向閥都置中位，整個系統(tǒng)停止。 3.2 升降舞臺液壓系統(tǒng)工作原理圖 根據(jù)升降舞臺液壓系統(tǒng)設(shè)計，升降舞臺的液壓系統(tǒng)由閥體控制，進(jìn)行升降運作，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，充分利用各個閥體的特點進(jìn)行組裝，完成舞臺從上升到下降的整體過程。 舞臺液壓設(shè)計原理圖如下： 3.3液壓系統(tǒng)的工作特點 該升降臺主要有兩部分組成：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)主要提供動力，他們兩者共同作用實現(xiàn)升降機(jī)的功能。這里主要介紹液壓系統(tǒng)，升降臺液壓系統(tǒng)的一個完整的循環(huán)包括快速上升、勻速上升、下降、停止。實現(xiàn)四個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；4液位計；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 該升降臺主要有兩部分組成：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)主要提供動力，他們兩者共同作用實現(xiàn)升降機(jī)的功能。這里主要介紹液壓系統(tǒng)，升降臺液壓系統(tǒng)的一個完整的循環(huán)包括快速上升、勻速上升、下降、停止。實現(xiàn)四個液壓缸速度同步和位置的同步。相同，對升降臺來講，對同步的要求應(yīng)該是嚴(yán)格意義上的位置同步，即四缸不管是在運動中還是在停止時，都應(yīng)該保持位置相同樂池的升降臺必須具備升降功能，升降臺需保持水平地升降，不能有較大的傾斜，以免在升降過程中樂隊人員。液壓升降臺在升到最高位置和降到最低位置時，能穩(wěn)定在極限位置。升降臺應(yīng)升降平穩(wěn)、速度可調(diào)，并且升降臺的驅(qū)動裝置工作可靠，控制靈活方便。工作時產(chǎn)生的沖擊、振動和噪聲要小。這樣才能保證樂隊在演唱時，不會因為升降臺的升起和下降時，升降臺傾斜而站立不穩(wěn)，其中液壓系統(tǒng)還要實現(xiàn)系統(tǒng)的卸荷， 保壓防止升降臺因超載而下降，影響演出或發(fā)生意外事故[6]。 17 4 升降舞臺液壓系統(tǒng)設(shè)計計算 4.1 執(zhí)行元件類型、數(shù)量 表4.1 執(zhí)行元件類型選擇 運動形式 往復(fù)直線運動 回轉(zhuǎn)運動 往復(fù)擺動 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)其運動要求進(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：該升降平臺為雙單叉結(jié)構(gòu)，故其采用的液壓缸數(shù)量為4個完全相同的液壓缸，其運動完全是同步的，但其精度要求不是很高。 4.2升降舞臺升降部分的設(shè)計 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)時的速度為4500mm/min(0.075m/s)，工作進(jìn)給時的速度應(yīng)在20~120mm/min(0.0003~0.002m/s)范圍內(nèi)作無級調(diào)速，運動部件自身重為4t，啟動換向時間為△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，起重運輸機(jī)械 工作壓力/mpa 0.8~2 3~5 2~8 8~10 10~18 20~32 由計算得出各階段負(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)計算得，最大負(fù)載為啟動加速階段負(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)計手冊，液壓缸內(nèi)徑系列將所計算的值圓整為標(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)運動之速度比來決定。 （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，因為工作進(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. 計算液壓缸的工作壓力、流量以及功率 (1) 計算工作壓 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。暫時規(guī)定，工作進(jìn)給的的背壓為Pb=0.8MPa 快速進(jìn)給時的背壓為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》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，從活塞支撐面中點到導(dǎo)向滑動面中點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，將會使液壓缸的初始撓度增大，影響其穩(wěn)定性，因此設(shè)計時必須保證有最小導(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，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)向套滑動面長度A，在D<80mm時，取A=(0.6~1.5)D，在D80mm時，取A=(0.6~1)D，當(dāng)導(dǎo)向套長度不夠時，不宜過分增大A和B，必要時可在導(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算 5.1 液壓泵及電動機(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，大流量時取小值，反之取大值 —同時動作的各執(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)快退時泵的供油量為：Q≧kq=1.1×18=19.8L/min （5.3） 工進(jìn)時泵的流量為：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，應(yīng)加上溢流閥穩(wěn)定工作時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)過計算得快退階段功率最大，所以根據(jù)快退階段功率計算電動機(jī)功率。 設(shè)快退時進(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） 查電動機(jī)產(chǎn)品樣本，選用Y901-6型異步電動機(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，價格，使用壽命，維護(hù)方便性，貨源情況等。 可以選擇DBD式直動式溢流閥，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)液壓缸差動連接快進(jìn)時，油管內(nèi)通油量最大，其實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：儲存系統(tǒng)所需要的足夠的油液，散發(fā)系統(tǒng)工作時產(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。最低液面應(yīng)在進(jìn)口過濾器之上，保證不會吸入空氣，當(dāng)系統(tǒng)有大量回油而無供油時或系統(tǒng)停止運轉(zhuǎn)，油液返回油箱時，油液不致溢出。 初始設(shè)計時，可依據(jù)使用情況，按照經(jīng)驗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，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，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，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： (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)性能的驗算 6.1 系統(tǒng)壓力損失計算以及泵壓力的調(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 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，△Pc1=0.2MPa，換向閥一個，△Pc2=0.2MPa， 單向順序閥（反向流）一個，△Pc3=0.2MPa， 直角彎頭一個，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△Pc=0.2MPa，直角彎頭一個，ζ=1.12其余與進(jìn)油路一樣。 由此可計算得： 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） 程壓力損失計算：∑△Pr1=λ1ρν2/2d =0.038×900×2.972/2×0.032 =0.0047MPa （6.10） 27 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 從快速退回行程的壓力損失計算可看出，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，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)熱及溫升計算 29 a. 發(fā)熱量估算 從整個工作循環(huán)看，功率變化較大，計算平均發(fā)熱量。從速度循環(huán)圖可近似計算各階段的時間： 快速下降：△T1=S1/V1=180/23=7.85s （6.17） 慢速折彎：啟動時初壓： △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