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高空作業(yè)車液壓系統(tǒng)設計
摘要
高空作業(yè)車是將高空作業(yè)人員和必要的工具送至空中，并提供工作人員空中作業(yè)場所的機械。起重機是一種能在一定范圍內垂直起升和水平移動物品的機械，動作間歇性和作業(yè)循環(huán)性是起重機工作的特點。
本次設計以徐州海倫哲工程機械有限公司研制開發(fā)的“GKZ14型高空作業(yè)車”為研究對象，對該車上的液壓系統(tǒng)進行設計。此型號高空作業(yè)車除高空作業(yè)機構外還設有起重裝置，一機多用。
高空作業(yè)部分主要是指控制上下臂變幅運動的液壓缸，控制上下臂回轉運動的液壓馬達。起重部分主要是控制伸縮臂伸縮運動的液壓缸，以及控制起重鋼絲繩收進放出的液壓馬達。本文著重高空作業(yè)機構的變幅液壓缸和回轉液壓馬達設計，簡略起重機構。文中詳細記錄了高空作業(yè)機構上臂液壓缸的設計過程,簡略設計下臂液壓缸以及起重機構部分的伸縮液壓缸;記錄了高空作業(yè)部分回轉機構的液壓馬達和起重部分起升機構的液壓馬達的設計選型過程，以及液壓泵，油箱的選型過程。在確定液壓系統(tǒng)元件參數(shù)的基礎上，完成了液壓傳動系統(tǒng)的設計計算。
關鍵詞: 高空作業(yè)車；起重機構；液壓傳動系統(tǒng)設計；液壓缸；液壓馬達
Abstract
The aerial platform vehicle sends high rise operation personnel and the tool of the necessity to the air, and provide the staff member with the high rise operation amenity machine.The derrick is a kind of machine that cans be perpendicular in the certain scope to rise to rise to move a product with level, the action by fits and starts and the homework circulation are the characteristicses of the derrick work, can press the main use and the structure characteristic classification.
The high rise operation mechanism mainly is the fluid cylinder that the control points a top and bottom arm to luffe, and the hydranlic moter to control top and bottom arm turns around.Jack mechanism mainly is a control flexible sport of flexible arm of the liquid press an urn, rise a heavy steel wire rope to accept into let out of the liquid press motor.This text emphasizes high rise operation mechanism to become a liquid to press an urn and turns round design, Chine is a jack mechanism slightly.Recorded high empty homework organization parts of upper arm liquids to press the design process of the urn in detail in the text, Chien designed slightly the arm liquid press the flexible liquid of the urn and the jack mechanism part to press an urn.It recorded high rise operation mechanism to turn round the liquid of the organization to press motor and rise heavy part to rise to rise the design that the liquid of the organization presses motor to choose a process in the text, and the liquid press a pump, the fuel tank chooses a process.Base on the system component parameter in hydranlic , completed the designion and calculation of the hydranlic system.
Keywords: aerial platform vehicle;jack mechanism ;hydranlic system design;fluid cylinder;hydrauhc motor.
前 言
高空作業(yè)車和起重機都廣泛應用在船舶、建筑、市政建設、消防、港口等行業(yè)，有著廣闊的發(fā)展前景。本次設計以徐州海倫哲工程機械有限公司研制開發(fā) “GKZ14型高空作業(yè)車” 為研究對象，對該車上的液壓系統(tǒng)進行設計。此型號高空作業(yè)車除高空作業(yè)機構外還設有起重裝置，一機多用。
液壓傳動是以流體（液壓液）作為工作介質對能量進行傳遞和控制的一種傳動形式，對于機械傳動來說，它是一門新技術。但如從1650年帕斯卡提出靜壓傳遞原理，1850年開始英國將帕斯卡原理先后應用于液壓起重機、壓力機等算起，也已有二三百年的歷史了。而液壓傳動在工業(yè)上的真正推廣使用，則是在20世紀中葉以后的事。近幾十年來，隨著微電子和計算機技術的迅速發(fā)展，且滲透到液壓技術之中并與之緊密結合，使其應用領域遍及到各個工業(yè)部門，已成為實現(xiàn)生產過程自動化、提高勞動生產率等必不可少的重要手段之一。
本文共分六章，主要內容有：高空作業(yè)車發(fā)展狀況；課題來源；液壓系統(tǒng)設計概述；液壓系統(tǒng)的構成；主要工作機構液壓回路的設計；整體液壓回路設計；上臂油缸的設計計算；下臂油缸的設計計算；回轉機構液壓馬達設計；伸縮機構液壓缸設計；起升機構液壓馬達設計計算等。其中著重高空作業(yè)機構的變幅液壓缸和回轉液壓馬達設計，簡略起重機構的伸縮液壓缸和起升液壓馬達。液壓部分的設計計算主要要考慮動作的實現(xiàn)、泄漏、安全、經濟性等方面的問題，由于時間能力等方面的限制，在此次實際過程中考慮的問題不是很周全。
在設計過程中，以《機械設計手冊4》、《起重機設計手冊》為根本，參考相關方面的教材、書籍以及論文。
在此次設計中，遇到很多問題，動作的實現(xiàn)，油路的設計，液壓馬達轉矩的計算等，在指導老師蔣紅旗老師的指導和幫助下，順利解決了這些問題，在此謹致忠心的感謝。
由于學生水平有限，本文錯誤之處和不妥之處必定不少，敬請老師批評指正。
第1章 緒 論
1.1 高空作業(yè)車的發(fā)展狀況
高空作業(yè)車是用于電力、通信線路工程安裝和維修的專用車輛。作為一種工程機械設備，目前廣泛應用在船舶、建筑、市政建設、消防、港口等行業(yè)，有著廣闊的發(fā)展前景。我國高空作業(yè)機械的生產于20世紀70年代末開始起步，發(fā)展較快?，F(xiàn)今，高空作業(yè)車已發(fā)展到其作業(yè)高度最高已到達72m(BRONTO公司生產)，且作業(yè)車的可靠性、安全性、舒適性、操作方便和簡單的直接性等方面都有較大提高。在高空作業(yè)車輛中,空中作業(yè)的人機安全是十分重要的。隨著經濟技術的快速發(fā)展，國內外起重機市場對起重機大型產品的需求越來越大；我國近幾年來通過實行積極的財政政策和內需拉動等手段，加強和改善宏觀調控，集中必要力量建設一批大型工程，液壓汽車起重機和高空作業(yè)車將有廣闊的應用前景，將產生巨大的社會經濟效益。目前國內使用的高空作業(yè)車大多采用吊籃式車輛, 工作時需設有專用支腿, 且在設計中必須考慮其穩(wěn)定性。而直升式高空作業(yè)車無需專用支腿, 工作相對穩(wěn)定可靠, 已逐步在城市的通信、電纜的安裝和維護作業(yè)中得到應用[1]。
高空作業(yè)車輛升降機構的穩(wěn)定可靠是實現(xiàn)安全作業(yè)的必要條件之一,這類設備的升降機構大多采用臂式(如市政工程車輛、汽車起重機、飛機除冰車等)或剪式(如飛機食品車、殘疾旅客登機車等) 升降機構,采用液壓缸作為升降驅動力,液壓缸需要隨升降機構運動,因此液壓缸與液壓主回路須使用液壓膠管連接。此時液壓缸既作為升降時的動力,又作為施工作業(yè)時升降機構的支撐構件,因此液壓缸及其連接管路對于整個系統(tǒng)安全起著非常重要的作用。
1.2 課題的來源和意義
本課題以徐州海倫哲工程機械有限公司研制開發(fā) “GKZ14型高空作業(yè)車” 為研究對象，對該車上的液壓系統(tǒng)進行設計。
此型號高空作業(yè)車除高空作業(yè)機構外還設有起重裝置，一機多用。液壓系統(tǒng)設計在高空作業(yè)車的設計里占重要地位，例如起重工件裝置主要由起升，變幅，吊臂升縮和回轉等機構組成，這些機構都靠液壓系統(tǒng)驅動，實現(xiàn)作業(yè)要求。液壓系統(tǒng)元件的類型可分為動力元件，控制元件，執(zhí)行元件，輔助元件等[2]。隨著經濟技術的快速發(fā)展，國內外起重機市場和高空作業(yè)車市場對這兩種產品的需求越來越大，我國近年來通過實行積極的財政政策和內需拉動等手段，加強和改善宏觀調控，集中必要力量建設一批大型工程，“GKZ14型高空作業(yè)車”將有廣闊的應用前景，將產生巨大的社會經濟效益。
液壓系統(tǒng)設計在整個高空作業(yè)車的設計里具有重要的意義，它使整個機器實現(xiàn)自動化。其中安全性等方面的考慮，設計更是減少了故障的發(fā)生，相當程度上確保運行該高空作業(yè)車的工人的安全。
1.3 基本參數(shù)及主要技術性能指標
作業(yè)車行駛狀態(tài)主要技術參數(shù)（表一）：
類別
項目
單位
數(shù)值
江鈴（五十鈴）
躍進
尺寸參數(shù)
總長
7170
總寬
1942
1952
總高
2860
質量參數(shù)
乘坐人數(shù)（含駕駛員）
人
6
總質量
4370
5020
軸荷
前橋
1720
1980
后橋
2650
3040
行駛參數(shù)
最高行駛速度
90
80
縱向通過角
27
橫向通過角
17
最小離地間隙
190
接近角
22
30
離去角
12
13
（表一）
作業(yè)車作業(yè)狀態(tài)主要技術參數(shù)（見表二）：
類 別
項 目
單 位
數(shù) 據(jù)
主
要
性
能
參
數(shù)
平臺額定載荷
200
平臺最大作業(yè)高度
14
平臺最大作業(yè)高度時作業(yè)幅度
1.9
平臺最大作業(yè)幅度
5.6
平臺最大作業(yè)幅度時作業(yè)高度
7.7
最大起重量
1300
最大起升高度
9
回轉速度
0--2
支腿收放時間
收
80
放
80
下臂變幅時間
40
上臂變幅時間
40
伸縮臂全伸時間
30
單繩起升速度
0--40
(表二)
高空作業(yè)車平臺作業(yè)工作狀態(tài)圖：
（圖1.1）
第2章 液壓系統(tǒng)設計
2.1 液壓系統(tǒng)的構成
GKZ系列車型采用折疊式工作臂結構，工作裝置為液壓驅動，360全回轉。除高空作業(yè)機構外，GKZ系列車型還設有起重裝置，一機多用。該系列車分為底盤（簡稱下車）和起重工作裝置、高空作業(yè)裝置（簡稱上車）兩大部分。底盤的作用在于轉移整機裝置的作業(yè)場所，在起重或高空作業(yè)時用于支承上車，保持整機的穩(wěn)定。起重工作裝置和高空作業(yè)裝置主要由起升、變幅、吊臂伸縮和回轉等機構組成，起升機構和吊臂伸縮機構屬于起重裝置部分, 變幅機構和回轉機構屬于高空作業(yè)裝置部分，這些機構都靠液壓系統(tǒng)驅動，實現(xiàn)作業(yè)要求。液壓系統(tǒng)元件按構成類型可以分為動力元件、執(zhí)行元件和輔助元件等。在此次液壓系統(tǒng)設計過程中，將構成作業(yè)車主要工作機構的液壓回路分成起升機構、變幅機構、回轉機構、吊臂伸縮機構和支腿收放這幾部分。其中起升機構和回轉機構由液壓馬達控制，吊臂伸縮機構和上下吊臂的變幅由液壓缸控制,在此次設計中主要是對這兩部分進行液壓設計，而支腿是用于支撐整機，同時調整整機平衡，支腿收放部分的液壓設計在此次設計中不加以考慮。
2.2液壓系統(tǒng)設計概述
液壓系統(tǒng)有傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之分,本次設計中所說的系統(tǒng)設計主要是針對傳動系統(tǒng)設計而言,主要是確定整個高空作業(yè)車的液壓回路,以及其間主要執(zhí)行元件、控制元件等的主要尺寸和基本性能參數(shù)。其實從結構組成和工作原理來看，傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)并無本質上的區(qū)別，僅僅一類以傳遞動力為主，追求傳動特性的完善，其執(zhí)行元件用來驅動某個控制元件的操縱裝置（例如液壓泵、液壓馬達的變量機構、控制閥的閥心等）而已。因此，傳動系統(tǒng)的設計內容和方法只需略做調整，即可直接用于控制系統(tǒng)的設計。
系統(tǒng)的設計除應滿足主機要求的功能和性能外，還必須考慮符合質量輕、體積小、成本低、效率高、結構簡單、使用維護方便等一般要求及工作可靠這一特別重要的要求。
系統(tǒng)設計的出發(fā)點，可以是充分發(fā)揮其組成元件的工作性能，也可以是著重追求其工作狀態(tài)的絕對可靠。前者著眼于效能，后者著眼于安全；實際的設計工作則常常是這兩種觀點不同程度的組合，考慮具體要求不同而有所側重[3]。
2.3 設計依據(jù)
此次液壓系統(tǒng)設計以徐州海倫哲工程機械有限公司研制開發(fā) “GKZ14型高空作業(yè)車” 為模版，主要依據(jù)《機械設計手冊4》里液壓傳動系統(tǒng)設計步驟和方法[4]，以及《起重機機設計手冊》里起重機液壓部分設計步驟和方法。
2.4 主要機構簡述
一 高空作業(yè)工作臂
高空作業(yè)工作臂包括上臂和下臂。行駛狀態(tài)時，兩節(jié)工作臂折疊在一起，進行高空作業(yè)時，兩節(jié)工作臂分別由上下臂油缸舉升伸展至一定角度，將工作人員送至工作位置。上臂和下臂、下臂和轉臺鉸接處設有專門的滑動軸承,保證工作臂轉動時阻力小,運動平穩(wěn)。
二 起重工作臂
起重工作臂由基本臂和伸縮臂組成。高空作業(yè)工作臂兼做起重基本臂。伸縮臂由伸縮油缸控制，不工作時，回縮至基本臂內部，進行起重作業(yè)時，伸縮臂根據(jù)需要的起重幅度和起升高度進行伸縮。
三 工作平臺（工作吊籃）
工作平臺的作用是將高空作業(yè)人員和必要的工具送至空中，并作為工作人員空中作業(yè)的場所。GKZ系列車型的工作平臺采用鋼管焊接框架結構，周圍設有護欄，右側護欄開有側門，方便人員進出，平臺底板采用防滑的花紋鋁板，平臺周圈下部設有護圍，防止工具和其它物品掉落。
四 回轉機構
回轉機構由液壓馬達、回轉減速機以及回轉小齒輪、回轉支承等組成。進行回轉時，液壓馬達輸出動力，通過回轉減速機減速后帶動輸出軸上的小齒輪旋轉，小齒輪與回轉支承的齒圈嚙合，由于回轉支承的齒圈與車架剛性連接，因而回轉減速機帶動與之相連的轉臺回轉。
五 起升機構
起升機構由液壓馬達和起升減速機組成。其工作原理是：起升液壓馬達驅動起升減速機旋轉，帶動滾筒將鋼絲繩收進或放出，實現(xiàn)重物的提升和下降。
六 動力系統(tǒng)
GKZ系列作業(yè)車高空作業(yè)和起重作業(yè)動力源為底盤發(fā)動機，其動力由取力器從底盤變速箱取出。取力器和變速箱之間的動力傳遞由機械式操縱系統(tǒng)控制，平時取力器與變速箱取力齒輪處于斷開狀態(tài)，當進行高空作業(yè)或起重作業(yè)時，操縱拉桿使取力器的滑移齒輪與變速箱的輸出取力齒輪嚙合，取力器輸出軸帶動油泵工作，從而將發(fā)動機的機械能轉為液壓能，為系統(tǒng)提供動力。
在行駛狀態(tài)時，務必將取力器脫開。
七 中心回轉接頭
中心回轉接頭由導電滑環(huán)、液壓滑環(huán)兩部分組成，它的作用是當作業(yè)車進行回轉動作時，作業(yè)車轉動部分與固定部分的電路及液壓油路始終暢通。
八 液壓系統(tǒng)
液壓系統(tǒng)采用定量齒輪泵供油，系統(tǒng)工作壓力為16MPa，油路中設有安全溢流閥，保證系統(tǒng)安全。
液壓系統(tǒng)通過電液比例流量閥對工作臂油缸、回轉馬達和卷揚馬達供油，供油量大小由比例閥控制，輸出流量和負荷變化無關，可使系統(tǒng)達到穩(wěn)定的工作速度，并且能夠實現(xiàn)無級調速。系統(tǒng)工作壓力由電磁溢流閥調定。
支腿的收放由下車多路換向閥控制，下車多路換向閥可對個支腿的進回油分別控制，因此各支腿的伸縮量均可單獨調節(jié)，使作業(yè)車能適應不同的路面狀況。
為了增加液壓系統(tǒng)的安全性，在下車附設了手動泵作為應急液壓源，當主動力源發(fā)生故障時，可用手動泵壓桿操縱手動泵收回工作臂。
九 電器系統(tǒng)
電氣系統(tǒng)包括示廊燈、警示燈、照明燈（可選件）等燈具、上臂限位系統(tǒng)、下臂限位系統(tǒng)、上下車互鎖系統(tǒng)、蜂鳴器、轉臺控制箱和吊籃控制箱等部分。
示廊燈和汽車行車燈并聯(lián)，表示該車的輪廓。警示燈為夜間工作時顯示吊籃位置，提醒過往車輛和行人。照明燈在夜間工作時起照明作用。
當支腿油缸支起，下臂離開原始位置后，系統(tǒng)自動切斷支腿油缸的回油油路，確保高空作業(yè)時支腿油缸不會因誤操作而收回。
上、下臂限位行程開關限制上、下臂最大仰角，當工作臂舉升至最大仰角時，行程開關自動接通蜂鳴器，提醒操作者注意，同時系統(tǒng)切斷油缸進油路，使工作臂不能繼續(xù)舉升，但工作臂的下落不受影響。
蜂鳴器受蜂鳴器按鈕和上、下臂限位行程開關控制，在作業(yè)車開始作業(yè)及工作臂處于極限位置時起警示作用。
轉臺控制箱與吊籃控制箱的設置，使得全車即可在轉臺處操作，又可在吊籃處操作，兩處操作具有互鎖功能，不能在兩處同時對高空作業(yè)車進行操作。
2.5 主要工作機構液壓回路的設計
2.5.1高空作業(yè)車起升機構的液壓回路設計
(1) 動作分析
起升機構由液壓馬達和起升減速機組成。起升液壓馬達驅動起升減速機旋轉，帶動滾筒將鋼絲繩收進或放出，實現(xiàn)重物的提升和下降。
(2) 液壓回路設計
(圖2.5.1)
1—液壓泵；2—油缸；3—換向閥；4—梭閥；5—單向節(jié)流閥；6--制動器液壓缸；7—平衡閥；8—起升機構液壓馬達。
換向閥：利用閥心在閥體中的相對運動，使流液的通路接通、關斷，或改變流動方向，從而使執(zhí)行元件啟動、停止或改變運動方向。
梭閥：梭閥相當于有兩個單向閥組合而成，有兩個輸入口和一個輸出口，在液壓回路中起邏輯“或”的作用。
單向節(jié)流閥：正向流動時起單向閥作用，反向流動時起節(jié)流閥作用。
平衡閥：可使運動速度不受載荷變化的影響，保持穩(wěn)定，附加的單向閥功能，密封性好，在管路損壞或制動失靈時，可防止重物自由下落造成事故。
制動器：制動器一般都采用常閉式，即向制動器供壓力油時，制動器打開，反之，則在彈簧力作用下使馬達制動[5]。
以下開始分析動作控制過程：
如圖(2.5.1)所示，換向閥3置于右位時，壓力油經梭閥4、單向節(jié)流閥5進入制動器液壓缸6，制動器松開。液壓油同時經平衡閥7中的單向閥進入起升機構液壓馬達8，驅動其轉動，使吊重起升?？繂蜗蚬?jié)流閥5的節(jié)流作用，制動器松開較起升機構液壓馬達旋轉滯后，避免吊重在起升驅動力矩未充分建立前下溜（“溜鉤”）。
換向閥3置于左位時，液壓油直接進入起升機構液壓馬達的另一腔，同時經梭閥4、單向節(jié)流閥5進入制動器液壓缸6，松開制動器，液壓馬達反轉，吊重放下。此時，平衡閥7的遠控口受到壓力油的作用，推動平衡閥的閥芯，調節(jié)其開度，使吊重平穩(wěn)下落。
換向閥3處在中位時，整個回路卸荷，制動器液壓缸6在自身彈簧和單向節(jié)流閥5的作用下迅速剎住液壓馬達。這樣，即使液壓馬達有內泄露也能保證吊重被迅速制動住，實現(xiàn)空中可靠懸?；蚓臀?。
(3) 優(yōu)缺點分析
這種液壓回路只能靠調節(jié)發(fā)動機轉速和換向閥開度的節(jié)流作用來調速，調速范圍小，能耗大，但它簡單，容易配置，適宜用于這種中小型起重車。
2.5.2高空作業(yè)車吊臂伸縮機構液壓回路設計
(1) 動作分析
該高空作業(yè)車工作下臂兼做起重基本臂，伸縮臂由伸縮油缸控制，不工作時，回縮至基本臂內部，進行起重作業(yè)時，伸縮臂根據(jù)需要的起重幅度和起升高度進行伸縮。該伸縮臂式起重機可采用單液壓缸或雙液壓缸變軸，變幅機構由液壓馬達驅動，其液壓回路與起升機構相同。
(2) 液壓回路設計
此處吊臂伸縮機構的液壓回路設計省略。
2.5.3高空作業(yè)車回轉機構液壓回路
(1) 動作分析
進行回轉時，液壓馬達輸出動力，通過回轉減速機減速后帶動輸出軸上的小齒輪旋轉，小齒輪與回轉支承的齒圈嚙合，由于回轉支承的齒圈與車架剛性連接，因而回轉減速機帶動與之相連的轉臺回轉[6]。
(2) 液壓回路設計
（圖2.5.2）
電磁換向閥：電磁換向閥借助于電磁鐵吸力推動閥心動作來改變流液流向。
梭閥：梭閥相當于有兩個單向閥組合而成，有兩個輸入口和一個輸出口，在液壓回路中起邏輯“或”的作用。
單向節(jié)流閥：正向流動時起單向閥作用，反向流動時起節(jié)流閥作用。
制動器：制動器一般都采用常閉式，即向制動器供壓力油時，制動器打開，反之，則在彈簧力作用下使馬達制動。
控制過程分析如下：
如圖(2.5.2)所示，換向閥置于右位時，壓力油經梭閥進入制動器液壓缸，制動器松開。液壓油同時經平衡閥中的單向閥進入回轉機構液壓馬達，驅動其轉動，使吊臂回轉。
換向閥置于左位時，液壓油經單向節(jié)流閥進入回轉機構液壓馬達的另一腔，同時經梭閥進入制動器液壓缸，松開制動器，液壓馬達反轉。
換向閥處在中位時，整個回路卸荷，制動器液壓缸在自身彈簧的作用下迅速剎住液壓馬達。這樣，即使液壓馬達有內泄露也能保證吊臂被迅速制動住[13]。
2.5.4高空作業(yè)車變幅機構液壓回路設計
(1) 動作分析
行駛狀態(tài)時，兩節(jié)工作臂折疊在一起，進行高空作業(yè)時，兩節(jié)工作臂分別由上下臂油缸舉升升展至一定家度，將工作人員送至工作位置。上臂和下臂、下臂和轉臺鉸接處均設有專門的滑動軸承，保證工作臂轉動時阻力小，運動平穩(wěn)。
(2) 液壓回路設計：
(圖2.5.3)
電磁換向閥：電磁換向閥借助于電磁鐵吸力推動閥心動作來改變流液流向。
平衡閥：可使運動速度不受載荷變化的影響，保持穩(wěn)定，附加的單向閥功能，密封性好，在管路損壞或制動失靈時，可防止重物自由下落造成事故。
以下簡述動作分析過程：
因為上下臂的液壓設計很相似，所以分開分析。先看左邊液壓缸的控制過程。如上圖所示，當電磁換向閥置于左位時，油液經過左邊單向節(jié)流閥的單向閥部分到達平衡閥，再經過平衡閥到液壓缸的左腔，推動活塞桿向外運動。而右腔的油液則從右邊的平衡閥到右邊的節(jié)流閥再流出。當電磁換向閥置于右位時，油液經右邊的單向節(jié)流閥和平衡閥到達液壓缸的右腔，推動活塞桿向左運動，左腔的油液的經左邊的平衡閥和單向節(jié)流閥流出。當電磁換向閥處于中位時，液壓缸不運動[13]。
右邊液壓缸的控制過程如上。
2.6 整體液壓回路設計
結合以上能滿足起升機構、變幅機構、回轉機構、吊臂伸縮機構動作要求的液壓回路,完成整體液壓回路設計。如下圖（2.6.1）所示,分析運動控制過程。
(圖2.6.1)
總圖分析：
圖中虛線部分是屬于控制油路。聯(lián)結兩個液壓馬達然后通回油箱的虛線是防止泄漏的。由于液壓馬達本身沒有密封裝置，它靠馬達外殼將泄漏的液壓油聚集起來，然后通過細管送回油箱。
單向節(jié)流閥，正向流動時起單向閥作用，反向流動時起節(jié)流閥作用。流液正向通過時可以順利通過該閥，反向通過時，則可根據(jù)調節(jié)節(jié)流閥節(jié)流口面積的方法來控制通過閥的流量，從而達到控制液壓缸和液壓馬達運動速度的目的。在系統(tǒng)圖中，高空作業(yè)部分的變幅機構和回轉機構回路上都安裝了單向節(jié)流閥，主要是基于安全方面的考慮控制速度。例如當工作人員在高空作業(yè)籃內，上臂起升和下降時，如果速度高將會十分危險，通過節(jié)流閥的調速后則可以使作業(yè)籃平穩(wěn)緩慢的上升和下降。
這部分結構主要是一個電磁式兩位四通閥和一個先導式溢流四通閥。按下手柄時，兩位四通閥置于右位，由于閥端被堵，此油路不同；通常情況下，兩位四通閥置于左位，則H型閥口使回路通順，即使先導溢流閥的遠程控制口接回了油箱。這是，泵輸出的油液在很低的壓力下通過閥口流回油箱實現(xiàn)卸荷作用。在整個液壓系統(tǒng)圖中，起重結構部分的動作是靠手動控制的，而高空作業(yè)部分的機構是靠電動控制的。當該兩位四通閥位于右位時，由于油路不同，油液會繞過此機構到達高空作業(yè)機構，實現(xiàn)高空作業(yè)部分的動作。當該兩位四通閥位于左位時，油路卸荷，油液直接流回油箱則相當于是高空作業(yè)機構的總開關沒有開啟，高空作業(yè)部分不能動作。此手動二位四通閥同時還有安全保護的作用。當高空作業(yè)部分出現(xiàn)故障時，可以按動手柄使二位四通閥置于左位，油路卸荷，高空作業(yè)部分不能動作。高空作業(yè)部分具體動作時還必須使變幅機構和回轉機構的三位四通電磁閥通電[7]。
中心回轉接頭。中心回轉接頭由導電滑環(huán)、液壓滑環(huán)兩部分組成，它的作用是當作業(yè)車進行回轉動作時，作業(yè)車轉動部分與固定部分的電路及液壓油路始終暢通。
壓力表。
電磁換向閥。通電時油路導通，不通電時，油路不導通。是高空作業(yè)機構的總開關。只有它通了電，高空作業(yè)機構才可能動作。
安全閥,保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定.當壓力過大時,油液會溢流。
第3章 高空作業(yè)部分液壓系統(tǒng)的設計計算
高空作業(yè)部分主要由變幅機構和回轉機構構成，其中，變幅機構主要是指上下臂液壓缸。上臂液壓缸是聯(lián)結上臂和下臂鉸點的液壓缸，它主要控制上臂的上升，下降動作。下臂液壓缸是指下臂與支架之間的液壓缸，它主要用于控制下臂的上升和下降動作。而回轉機構主要是控制上下臂的回轉動作，主要用一個液壓馬達來實現(xiàn)回轉[8]。以下，就主上臂油缸，下臂油缸及控制回轉的液壓馬達進行設計計算。
3.1上臂油缸的設計
設液壓缸單活塞桿雙向運動時的負載力相同,不記執(zhí)行件質量。液壓系統(tǒng)工作壓力為P=16MPa。
3.1.1 確定液壓缸類型和安裝方式
根據(jù)主機的運動要求,按《機械設計手冊4》表23.6—39,選擇液壓缸類型為單桿活塞式雙作用液壓缸[4]。
下圖為單桿活塞式雙作用液壓缸示意圖：
（圖3.1.1）
此類液壓缸特點為活塞雙向運動產生推、拉力?；钊谛谐探K了時不減速。
將缸體固定，活塞桿運動，按《機械設計手冊4》表23.6—40 液壓缸的安裝方式，選擇合適的安裝方式[4]。考慮機構的結構要求，上臂起升、下降時液壓缸的活塞桿進行伸縮實現(xiàn)運動需求。查《機械設計手冊4》表23.6-40 液壓缸的安裝 (P23-176)選擇耳環(huán)型安裝方式，這種安裝方式使液壓缸在垂直面內可擺動,滿足上臂動作要求[4]。
3.1.2 確定液壓缸的主要性能參數(shù)和主要尺寸
根據(jù)主機的動力分析和運動分析,確定液壓缸的主要性能參數(shù)和主要尺寸
1) 液壓缸內徑D的計算
根據(jù)載荷力的大小和選定的系統(tǒng)壓力來計算液壓缸內徑D
計算公式：
=3.57 （3.1）
式中 --液壓缸內徑（m）；
--液壓缸推力（kM）；
--選定的工作壓力（MPa）。
其中的計算過程如下：
當高空作業(yè)車上下臂處于如下狀態(tài)時，如圖3.1.2。上臂液壓缸所受的力最大，即液壓缸具備的最大力必須大于此時的力。
( 圖3.1.2)
有: （3.2）
其中:--上臂自重,由計算為7.5310 。
--上臂長度，為5.950m。
--高空作業(yè)車吊籃最大承受力，由計算知為2.0。
--點到力的垂直距離，由計算得=1.796m。
代入公式(3.2)得:
將,代入式(3.1),
得:
按《機械設計手冊4》表23.6-33給出的缸筒內徑尺寸系列圓整成標準值[4]。
表23.6--33 液壓缸內徑尺寸系列
(摘自GB/T2348—1993) ()
8
40
125
（280）
10
50
（140）
320
12
63
160
（360）
16
80
（180）
400
20
（90）
200
（450）
25
100
（220）
500
32
（110）
250
(表三)
即取:
2)活塞桿直徑的計算
根據(jù)速度比的要求來計算活塞桿直徑
(3.3)
式中 --活塞桿直徑();
--液壓缸直徑();
--速度比
--活塞桿的縮入速度;
--活塞桿的伸出速度。
此處，取液壓缸的往復運動速度比為1.46,由《機械設計手冊4》表23.6-57(P23-191)[4]查得:
(3.4)
將代入式(3.4) 得:
查《機械設計手冊4》表23.6-34 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列（摘自GB/T2348-1993）[4]
表23.6—34 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列
(摘自GB/T 2348—1993) ()
4
20
56
160
5
22
63
180
6
25
70
200
8
28
80
220
10
32
90
250
12
36
100
280
14
40
110
320
16
45
125
360
18
50
140
(表四)
取液壓缸活塞桿外徑尺寸如下：
。
3)液壓缸行程的確定
由于上下臂工作狀態(tài)最大夾角為,如下圖所示：
（圖3.1.3）
上下臂鉸點位置如上所示,代入數(shù)據(jù)可求出線段的長度,由此長度計算上臂油缸的最大行程,計算過程如下:
查《機械設計手冊4》表23.6-35 液壓缸活塞行程第一系列()[4]。
表23.6—35 液壓缸活塞行程第一系列()
摘自(GB2349—1980)
25
50
80
100
125
160
200
250
320
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3200
4000
(表五)
由以上條件取S值如下:
。
4)液壓缸結構參數(shù)的計算
(1)缸筒壁厚的計算
按薄臂筒計算:
（3.5）
式中 --液壓缸缸筒厚度();
--試驗壓力()。取，即，。
--液壓缸內徑（m）；
--剛體材料的許用應力（），取。
代入式（3.5）中，得：
（2）缸體外徑的計算
(3.6)
代入數(shù)據(jù)得:
查《機械設計手冊4》表23.6-60(P23-192)圓整液壓缸外徑為105[4]。
（3）流量的計算
由原始數(shù)據(jù)得,上臂的變幅時間小于等于40,且由上面計算可知液壓缸活塞桿的行程為1000,則,液壓缸活塞桿運動的最小速度[13]。
查《機械設計手冊4》表23.4知:,取最大為0.12。即，液壓缸活塞桿運動的最大速度為：
則液壓缸流量
3.2下臂油缸的設計計算
設液壓缸單活塞桿雙向運動時的負載力相同,不記執(zhí)行件質量。液壓系統(tǒng)工作壓力為P=16MPa。
3.2.1 確定液壓缸類型和安裝方式
根據(jù)主機的運動要求,按《機械設計手冊4》表23.6—39,選擇液壓缸類型為單桿活塞式雙作用液壓缸。此類液壓缸特點為活塞雙向運動產生推、拉力?；钊谛谐探K了時不減速。
與上一個液壓缸相似，查《機械設計手冊4》表23.6-40 液壓缸的安裝 (P23-176)選擇耳環(huán)型安裝方式[4]，這種安裝方式使液壓缸在垂直面內可擺動,滿足下臂動作要求。
3.2.2確定液壓缸的主要性能參數(shù)和主要尺寸
根據(jù)主機的動力分析和運動分析,確定液壓缸的主要性能參數(shù)和主要尺寸:
1) 液壓缸內徑D的計算
根據(jù)載荷力的大小和選定的系統(tǒng)壓力來計算液壓缸內徑D
計算公式：
=3.57 （3.7）
式中 --液壓缸內徑（m）；
--液壓缸推力（kM）；
--選定的工作壓力（MPa）。
其中的計算過程如下：
當高空作業(yè)車上下臂處于如下狀態(tài)時，如圖3.2.1。上臂液壓缸所受的力最大。此時，上下臂夾角為，下臂水平放置，上臂抬起與下臂成夾角。
( 圖3.2.1)
把上下臂當成一個整體，將所受力對點取矩[9]，得：
（3.8）
其中: --上臂自重,由計算為7.5310。
--高空作業(yè)車吊籃最大承受力，由計算知為2.0。
--下臂自重,由計算知其值是。
--點到力的垂直距離。
--點到上臂重力的垂直距離。
--點到下臂重力的垂直距離。
--最大起重量，由計算得。
--點到力的垂直距離，為5.6。
已知上下臂夾角為，上臂長為5.950,下臂長為5.6,且已知上下臂上各鉸點位置,通過計算得:
;
。
其中為點到力的垂直距離，計算過程如下所示：
已知尺寸如下圖（3.2.2）所標示[18]。
(圖3.2.2)
由此計算得: 。
將所得數(shù)據(jù)代入公式(3.8)得:
將,代入式(3.7),
得:
按《機械設計手冊4》表23.6-33(P23-173)給出的缸筒內徑尺寸系列圓整成標準值。
即取：
。
2)活塞桿直徑的計算
根據(jù)速度比的要求來計算活塞桿直徑
(3.9)
式中 --活塞桿直徑();
--液壓缸直徑();
--速度比
--活塞桿的縮入速度;
--活塞桿的伸出速度。
此處，取液壓缸的往復運動速度比為1.46,由《機械設計手冊4》表23.6-57(P23-191)[4]查得:
(3.10)
將代入式(3.4) 得:
查《機械設計手冊4》表23.6-34 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列（摘自GB/T2348-1993）[4]取液壓缸活塞桿外徑尺寸如下：
3)液壓缸行程S的確定
首先計算下臂升至最大角時，下臂鉸點與底盤鉸點之間的距離[10]。
如下圖所示：
(圖3.2.3)
如上圖(3.2.3)所示，由計算得下臂升至最大角時，下臂鉸點與底盤鉸點之間的距離為：。
查《機械設計手冊4》表23.6-35 液壓缸活塞行程第一系列(),由以上條件取S值如下:
。
4)液壓缸結構參數(shù)的計算
(1)缸筒壁厚的計算[4]
按薄臂筒計算:
（3.11）
式中 --液壓缸缸筒厚度();
--試驗壓力()。取，即，。
--液壓缸內徑（m）；
--剛體材料的許用應力（），取。
代入式（3.5）中，得：
（2）缸體外徑的計算
(3.12)
代入數(shù)據(jù)得:
查《機械設計手冊4》表23.6-60(P23-192)取液壓缸外徑為200[4]。
（3）流量的計算
由原始數(shù)據(jù)得,下臂的變幅時間小于等于40,且由上面計算可知液壓缸活塞桿的行程為800,則,液壓缸活塞桿運動的最小速度[13]。
查《機械設計手冊4》表23.4知:,取最大為。即，液壓缸活塞桿運動的最大速度為：
則液壓缸流量
3.3回轉機構液壓馬達設計
3.3.1 轉矩計算[17]
(圖3.3.1)
其中，--平臺最大載荷；
--上臂和下臂總重。
查《機械設計手冊3》表1.1—20 物體的摩擦系數(shù)[12] ?。?
摩擦系數(shù)。
如上圖(3.3.1)所示，力對支架中心點取矩，得：
力對支架中心點取矩，得：
查《機械設計手冊4》表23.6-3 各種液壓馬達的適用工況和應用范圍,選取適合的液壓馬達類型[4]。
表23.6-3 各種液壓馬達的適用工況和應用范圍
馬達類型
適用工況
應用范圍
齒輪馬達
結構簡單,制造簡單,但轉速脈動性較大,齒輪馬達負載轉矩不大,速度平穩(wěn)性要求不高,噪聲限制不嚴,適用于高轉速低轉矩情況下。
鉆床，通風設備
葉片馬達
結構緊湊，外型尺寸小，運動平穩(wěn)，噪聲小，負載轉矩較小。
磨床回轉工作臺，機床操縱機構
擺線馬達
負載速度中等，體積要求小
塑料機械、煤礦機械、挖掘機
軸向柱塞馬達
結構緊湊，徑向尺寸小，轉動慣量小，轉速較高負載大，有變速要求，負載轉矩小，低速平穩(wěn)性要求高。
起重機、鉸車、鏟車、內燃機車、數(shù)控機床行走機械
徑向柱塞馬達
負栽轉矩較大，速度中等，徑向尺寸大
塑料機械，行走機械等
內曲線徑向馬達
負載轉矩很大，轉速低，平穩(wěn)性高的場合
挖掘機、拖拉機、起重機、采煤機等
(表六)
由轉矩，查《機械設計手冊4》表23.6-18 1JMD型液壓馬達技術規(guī)格 1JMD-100
表23.6-18 1JMD型徑向柱塞液壓馬達技術規(guī)格
型號
排量
轉速
壓力/
轉 矩
/
功 率
/
機 械
效 率
偏
心
距
重
量
額定
最大
額定
最大
額定
最大
（%）
/
/
1JMD-40
0.201
10--400
16
22
0.47
0.645
19.2
26.4
91.5
16
44.5
1JMD-63
0.780
10—200
16
22
1.815
2.50
37.2
51.2
91.5
25
107
1JMD-80
1.608
10—150
16
22
3.75
5.16
57.8
79.2
91.5
32
160.4
1JMD-100
3.140
10—100
16
22
7.75
10.07
75.3
103
91.5
40
257
1JMD-125
6.140
10--75
16
22
14.30
19.70
110
151
91.5
50
521
(表七)
取馬達型號為：
1JMD-100
第4章 起重機構的液壓部分設計
起重機構部分主要由起升機構和伸縮機構兩部分組成。其中伸縮機構主要是控制伸縮臂。高空作業(yè)車下臂兼做起重基本臂，伸縮臂在基本臂里面，由伸縮油缸控制，不工作時，回縮至基本臂內部，進行起重作業(yè)時，伸縮臂進行伸縮。起升機構則主要是用于實現(xiàn)重物的提升和下降。
以下具體進行起重機構液壓部分的設計：
4.1 伸縮機構液壓缸設計
上臂油缸具體設計如下：
設液壓缸單活塞桿雙向運動時的負載力相同,不記執(zhí)行件質量。液壓系統(tǒng)工作壓力為P=16MPa。
4.1.1 確定液壓缸類型和安裝方式
根據(jù)主機的運動要求,按《機械設計手冊4》表23.6—39,選擇液壓缸類型為單桿活塞式雙作用液壓缸。此類液壓缸特點為活塞雙向運動產生推、拉力?；钊谛谐探K了時不減速[14]。
將缸體固定，活塞桿運動，按《機械設計手冊4》表23.6—40 液壓缸的安裝方式，選擇合適的安裝方式?？紤]機構的結構要求，上臂起升、下降時液壓缸的活塞桿進行伸縮實現(xiàn)運動需求。查《機械設計手冊4》表23.6-40 液壓缸的安裝 (P23-176)選擇法蘭型安裝方式[4]。
4.1.2確定伸縮液壓缸的主要性能參數(shù)和主要尺寸
根據(jù)主機的動力分析和運動分析,確定液壓缸的主要性能參數(shù)和主要尺寸:
1) 液壓缸內徑D的計算
根據(jù)載荷力的大小和選定的系統(tǒng)壓力來計算液壓缸內徑D
計算公式：
=3.57 （4.1）
式中 --液壓缸內徑（m）；
--液壓缸推力（kM）；
--選定的工作壓力（MPa）。
計算如下：
下臂處于水平位置時,液壓缸對伸縮臂的推力最大,即如下圖所示時推力最大。
( 圖4.1.1)
其中:--伸縮臂自重,由計算為3.8510。
--液壓缸對伸縮臂的推力。
(4.2)
查表23.4-1 摩擦系數(shù),取0.1 。
表23.4-1 摩擦系數(shù)
導軌類型
導軌材料
運動狀態(tài)
摩擦系數(shù)
滑動導軌
鑄鐵對鑄鐵
起動時
低速
()
高速
(
0.15—0.20
0.1—0.12
0.05—0.08
滾動導軌
鑄鐵對滾柱(珠)
淬火鋼導軌對滾柱
0.005—0.02
0.003—0.006
靜壓導軌
鑄鐵
0.005
(表八)
將0.1 ,代入式(4.2),得：
將代入式（4.1）,得:
按《機械設計手冊4》表23.6-33(P23-173)給出的缸筒內徑尺寸系列圓整成標準值。即取
2)活塞桿直徑的計算
根據(jù)速度比的要求來計算活塞桿直徑
(4.3)
式中 --活塞桿直徑();
--液壓缸直徑()；
--速度比。
此處，取液壓缸的往復運動速度比為1.46,由《機械設計手冊4》表23.6-57(P23-191)[4]查得:
(4.4)
將代入式(4.4) 得:
查《機械設計手冊4》表23.6-34 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列[4]（摘自GB/T2348-1993）取液壓缸活塞桿外徑尺寸如下：
3)液壓缸行程的確定
伸縮臂總長為2.8,查《機械設計手冊4》表23.6-35 液壓缸活塞行程第一系列()[4],由以上條件取S值如下:
。
4)流量的計算
由原始數(shù)據(jù)得,伸縮臂全伸時間 30,且由上面計算可知液壓缸活塞桿的行程為1250,則,液壓缸活塞桿運動的最小速度。
查《機械設計手冊4》表23.4[4]知:,取最大為0.12。即，液壓缸活塞桿運動的最大速度為：
則液壓缸流量
4.2 起升機構液壓馬達設計計算
起升液壓馬達驅動起升減速機旋轉，帶動滾筒將鋼絲繩收進或放出，實現(xiàn)重物的提升和下降[14]。
4.2.1 轉矩的計算
起重機構的最大起重重