畢業(yè)論文-液壓步進式自爬柱工作平臺分析與設計

液壓步進式自爬柱工作平臺分析與設計 （系 ）：機電學院 專 業(yè) ：機械設計制造及其自動化 學 號： 指導教師 ： 2015 年 6 月 畢業(yè)設計（論文 ） 題 目 液壓步進式自爬柱工作平臺分析 與設計 專 業(yè) 機械設計制 造及其自動化 學 號 學 生 指 導 教 師 答 辯 日 期 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） I 摘 要 隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，我國基礎設施建設不斷完善，鐵路、公路橋梁的建設越來越多，這些橋梁立柱的建設、維護、檢測等過程中都需要一種能夠適應梁柱結構，能夠自主移動的工作平臺。這些工作平臺的應用，將工人從繁雜危險的工作環(huán)境中解放出來，而且工作效率更高，當今世界科 學技術的發(fā)展，特別是液壓技術的發(fā)展為這一工作平臺的實現(xiàn)提供了可能。 液壓技術具有功率重量比大，啟動制動迅速，容易實現(xiàn)直線運動，工作介質(zhì)有一定的彈性和吸振能力的特點，使得液壓傳動運轉平穩(wěn)，運轉時可自潤滑且易于散熱。 本文研究了一種用液壓系統(tǒng)作為動力驅動機械裝置實現(xiàn)沿著立柱的攀爬和下降，項目研究對象為一種能夠適應大直徑水泥橋梁的步進式自爬柱工作平臺。該工作平臺由液壓系統(tǒng)驅動上下兩組工作爪，能夠在混凝土柱上實現(xiàn)自主上升和下降。文章給出了整個機構的總體設計，對重點難點結構進行了討論分析，進行爬升機構液壓動力系統(tǒng)的設 計，選擇了液壓閥和液壓輔件，對重要零件閥塊進行了設計，進行自爬柱工作平臺整體系統(tǒng)的三維建模并運用 行仿真分析。 關鍵詞 ：自爬柱工作平臺；總體設計；液壓系統(tǒng)；特性分析 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） of of of in of so on a to is to of is In s of In of of a to to a of a by a to as a to to of by a an in of of nd 爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 錄 摘 要 . I . 1 章 緒 論 . 1 題來源 . 1 究的目的與意義 . 1 內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 . 3 文研究的主 要內(nèi)容 . 7 第 2 章 工作平臺的總體設計 . 8 爬柱平臺的總體結構設計 . 8 械臂的設計計算與校核 . 9 動液壓系統(tǒng)結構設計 . 13 塞桿的強度和穩(wěn)定性計算 . 16 塞桿 的 強度計算 . 16 塞桿的彎曲穩(wěn)定性驗算 . 16 章小結 . 18 第 3 章 液壓部分的設計 . 19 系統(tǒng)原理圖 . 19 壓泵選型 . 19 動電機選型 . 20 磁換向閥選型 . 21 動式溢流閥選型 . 22 向閥選型 . 23 速閥選型 . 24 箱設計 . 25 要液壓輔件的選擇 . 26 路的尺寸 . 28 統(tǒng)發(fā)熱和溫升計算 . 29 塊的設計 . 29 塊裝配體 . 30 源的設計 . 31 裝配體的設計 . 34 章小結 . 35 第 4 章 系統(tǒng)的仿真分析 . 36 件的簡要介紹 . 36 統(tǒng)模型的建立 . 37 統(tǒng)模型參數(shù)的設置 . 38 統(tǒng)模型的仿真結果 . 39 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 章小結 . 43 結 論 . 44 參考文獻 . 45 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明 . 48 致 謝 . 49 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 緒 論 題來源 本項目來源于中鐵建設集團大 橋局的預研項目。 究的目的與意義 鐵路是國民經(jīng)濟的大動脈、國家重要的基礎設施和大眾化的交通工具，在我國經(jīng)濟社會發(fā)展中起著重要的作用。但近年以來，隨著航空、海運和公路等運輸方式在我國迅速崛起和發(fā)展，鐵路運輸也受到了嚴峻的挑戰(zhàn)，這種發(fā)展趨勢就促使鐵路必須進行內(nèi)部體制改革以及運輸手段的技術創(chuàng)新，進一步加速鐵路的高速化、重載化和多式運輸?shù)牧Ⅲw化，進而實現(xiàn)鐵路網(wǎng)絡的現(xiàn)代化。改革開放以來，我國鐵路取得了長足進步，為經(jīng)濟建設的發(fā)展作出了重要貢獻，然而“一車難求、一票難求”現(xiàn)象仍然十分突出。尤其進入本世紀后，隨著 環(huán)境問題的日益嚴峻，專家們一致認為，在交通運輸各行業(yè)中，從單位運量的能源消耗、對環(huán)境資源的占用、對環(huán)境質(zhì)量的保護、對自然環(huán)境的適應以及運營安全等方面來綜合分析，鐵路的優(yōu)勢最為明顯。因此歐洲各發(fā)達國家在經(jīng)歷了一段曲折的道路之后，重新審視和調(diào)整其運輸政策，把重點逐步移回鐵路，其策略中重要的一環(huán)是規(guī)劃和發(fā)展高速鐵路。專家們紛紛指出，發(fā)展 中國高速鐵路 勢在必行。高鐵將通過中國大部分地區(qū)，把中國變成一個“ 中國村 ”。大量數(shù)據(jù)表明，高鐵沿線已經(jīng)成為中國經(jīng)濟發(fā)展最活躍和最具潛力的地區(qū) 1。我們完全有理由樂觀地預見，高速鐵路在支撐區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展、優(yōu)化資源配置和產(chǎn)業(yè)布局、構建高效綜合運輸體系、降低社會物流成本、促進城鎮(zhèn)一體化進程和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等方面，都將發(fā)揮巨大的作用 2。新一屆政府上臺以后，可以說高鐵已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，高鐵技術是我國自主創(chuàng)新的重要成果。加快高鐵網(wǎng)絡建設是應對國際金融危機的重要舉措，也是中國“走出去”最有希望取得更大成功的新領域。 我國現(xiàn)在是世界上高鐵系統(tǒng)技術最全、集成能力最強、運營里程最長、運行速度最高、在建規(guī)模最大的國家。高鐵是中國技術創(chuàng)新的典范，是中國人用自己的方式建設的運輸網(wǎng)絡，也是唯一具有國際競爭力的運輸工具，需加快高鐵建設。隨著世界高速鐵路技術的不斷發(fā)展，高速列車的商業(yè)運行速度迅速提高。旅行時間的節(jié)約，旅行條件的改善，旅行費用的降低，再加上國 際社會對人們賴以生存哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 2 的地球環(huán)保意識的增強，使得高速鐵路在世界范圍內(nèi)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的強勁勢頭。在最近閉幕的第三屆高速鐵路國際會議發(fā)出了一個明確信息，作為主要的公共交通工具之一，高速鐵路將在 21世紀獲得迅速發(fā)展。因此，歐洲、美洲、亞洲諸國和地區(qū)，正在計劃進一步加快高速鐵路的建設。由此可見，更為密集的高速鐵路網(wǎng)目前看來前途一片光明。與世界許多國家相比，我國高速鐵路的發(fā)展有更加廣闊的空間。我國國土東西跨度 5400 公里，南北相距 5200 公里，這決定了中長距離客貨運量需求巨大，而鐵路是經(jīng)濟又快捷的交通運輸方式，因此有很 大的發(fā)展?jié)摿ΑＡ硗?，五次大提速帶來的?jīng)濟和社會效益有目共睹，充分證明了高速鐵路在我國有很強的生命力和很大的發(fā)展前途。中國高速鐵路的建設和發(fā)展，將會給國內(nèi)外鐵路建設者帶來巨大的商機，同時促進世界和區(qū)域經(jīng)濟的提速和發(fā)展，為世界經(jīng)濟的騰飛做出巨大的貢獻 3。 但是隨著基礎設施的不斷完善，鐵路、公路橋梁的建設越來越多，這些橋梁立柱的建設、維護、檢測等過程中都需要一種能夠適應梁柱結構，能夠自主移動的工作平臺。橋梁檢測技術的不斷進步，超聲波檢測、聲發(fā)射、雷達技術、激光技術、紅外熱成像等先進方法己經(jīng)世界許多國家應用來檢 測橋梁結構損傷。從上世紀 90年代開始，傳感器和通信技術的快速發(fā)展對橋梁無損檢測起到了推波助瀾的作用，橋梁無損檢測跨入了新的發(fā)展階段，重點向集成化、快速化和智能化的方向發(fā)展。近年來，相關的研究人員在橋梁的非破壞性評估方面做了許多深入研究，也提出了許多較為實用的方法。其中的一些技術已經(jīng)應用到了現(xiàn)代的橋梁檢測中，例如，利用磁漏攝動法檢查混凝土、鋼筋和鋼索內(nèi)部的鋼筋利用雙波長遠紅外成像技術偵查橋梁混凝土部分的缺陷和損傷程度使用激光斑紋測量方法和全息干涉方法來衡量橋體表面的形態(tài)狀況；采用相干的激光雷達對橋梁下部的撓度進行量度等。伴隨著振動實驗模態(tài)分析技術的發(fā)展，依靠振動測試數(shù)據(jù)進行機構動力模型修正的理論得到了充分的發(fā)展和應用，這為橋梁結構安全檢測領域開拓了新的道路。 高鐵為了減少阻力，保證運行平穩(wěn)必須是建設在橋梁之上，所以橋梁安全檢測非常重要，自爬柱工作平臺技術的出現(xiàn)和發(fā)展以及人們自我安全保護意識的增強，人們迫切希望能用自爬柱工作平臺代替人工進行這些高空危險作業(yè)，從而把人從危險、惡劣、繁重的勞動環(huán)境中解脫出來。橋梁檢測領域的發(fā)展趨勢也必將是借助自爬柱工作平臺來代替人力勞動，實現(xiàn)機械化和自動化。新型材料、機械電子 、傳感驅動、計算機控制等硬、軟件技術的在快速發(fā)展的同時也強力帶動了自爬柱工作平臺技術的發(fā)展。能搭載工具實現(xiàn)特定需求的工作任務，這大大拓寬了自爬柱工作平臺的應用場合和領域。開發(fā)能在施工現(xiàn)場實際運用的自爬柱工作哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 3 平臺技術，將是很有意義的，必具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。自爬柱工作平臺的使用也將大大降低高層桿狀建筑的檢測成本，改善工人們的勞動環(huán)境，提高勞動生產(chǎn)率，這或將帶來檢測業(yè)的一次革命。這種自爬柱工作平臺的研制必將具有很大的社會效益、經(jīng)濟效益和非常廣闊的應用前景?？纱钶d檢測、維護設備的自爬柱工作平臺，也將有助于 解決當前城鎮(zhèn)中存在的影響市容的公共設施的檢測、維護問題 45。 內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 自爬柱工作平臺是機器人大家族中的一員，自爬柱工作平臺因為需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動，完成特定條件下的作業(yè)，區(qū)別于平面移動機器人，故自爬柱工作平臺是機器人領域的一個重要研究分支，從運動方式上來表征的一種機器人，形式是多種多樣的。爬行機器人并不少見，但是通常來說，這類機器人大多采用多足來進行移動或是使用腹部的摩擦表層來左右扭動前進。更主要的是，平常的機器人，因為體積或行動方式的影響，不能 到一些特殊的地方進行工作，比如說管道，壁面等等特種用途的領域。 爬升機器人與一般地面移動機構的最明顯不同是需克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動，完成特定條件下的作業(yè)。 最早開始研究且研究最多的是爬壁機器人 67，適于高層建筑、水力發(fā)電大壩等垂直壁面 89和大球形表面上的危險作業(yè)。對于管道外壁表面 10，已有車輪移動形、姿態(tài)可變形、尺鑊形和多關節(jié)形機器人，用于石油、化工企業(yè)等多為水平管線上的檢查和診斷，且牽引力較小。 按行走方式可分為 :輪式履帶式、蠕動式、多足式等。按工作空間來分可 分為 :管道爬行機器人、壁面爬行機器人、球面爬行機器人、陸地移動機器人、水下機器人、無人飛機、空間機器人等。 按功能用途來分可分為 :焊弧爬行機器人、檢測爬行機器人、清洗爬行機器人、提升爬行機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、助殘機器人、巡線爬行機器人、玩具爬行機器人等。 國內(nèi)外的學者很早就對爬行機器人進行研究工作，獲得了豐碩的成果。目前，國內(nèi)外提出的一些依附于桿體表面的自動爬行機構主要有電動機械式爬桿機器人、電動液壓式爬桿機器人和氣動蠕行式爬桿機器人等。 電動機械式爬行器是由電動機帶動鏈輪、帶輪、齒輪驅動夾緊桿體 的前后輪向同一方向轉動，依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬升器沿桿體上升下降。螺旋運動爬升機器人的爬行動作是由輪子的安裝位置決定的，輪子滾動方向與水平面成一定角度，這樣輪子轉動時哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 4 它在桿體上形成的是螺旋軌跡，沿此軌跡通過電動機的正反轉該機構便可實現(xiàn)上升和下降運動。電動機械式爬桿機器人和螺旋線運動爬桿機器人都是以電動機帶動滾輪壓緊桿體，依靠此摩擦力帶動整個機器人沿桿體上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全運作，且機器人總體機構較復雜。氣動蠕行式爬桿機器人用氣缸驅動機構實現(xiàn)交替夾緊和移動，其向上爬行時氣缸動 作一個周期的過程為下部汽缸夾緊，上部汽缸松開，提升汽缸活塞桿伸出，上部上升 ;上部汽缸夾緊，下部汽缸松開，提升氣缸體上升，下部上升。如此反復，機器人就可以連續(xù)爬行。對于氣動蠕行式爬桿機器人，其上升和下降運動的實現(xiàn)由氣壓控制，需要氣源和氣動控制系統(tǒng)，因此其設備成本較高。國外有代表性的有東京大學研制的關節(jié)型行走機器人，可沿水平或垂直的直桿爬行，能跨越法蘭、平行桿 11，并可繞 型桿爬行。 國內(nèi)比較典型的有上海交通大學機器人研究所研究開發(fā)的一種斜拉橋纜索涂裝維護用氣動蠕動式爬纜機器人 12，如圖 1 示。圖 1動氣動蠕動式爬纜機器人結構原理圖 此外還有浙江大學陳俊龍教授設計的氣動爬桿機器人 13，如圖 1示。 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 5 （ a） 底部與上部分離狀態(tài) （ b） 底部與上部結合狀態(tài) 圖 1動爬桿機器人結構原理圖 如圖 a 所示，爬桿機器人分上部 10 和底部 1 兩個部分 21 攀升循環(huán)在上部 10和底部 1上，各裝有一對套在直桿上的爪子 (機器人可在地而上方便地作水平移動，使兩爪輕套在桿子上 )，每對爪子由一固定爪和活動爪組成，固定爪 13 和 15 分別固定安裝在上部 10 和底部 1 上，依靠活動爪的壓緊和松開實現(xiàn)對直桿的抱緊和松開。而活動爪 12 和 14 的緊松則由各自的氣缸實現(xiàn)，如圖中的上夾氣缸 11和下夾氣缸 16 攀升運動的動力由升降氣缸 6 提供，升降氣缸 26 的缸體固定在底部 1 上，而球頭活塞桿 7 的球頭則安裝在上部 10 上。當上夾氣缸 11 松開，下夾氣缸 16 夾緊時，升降氣缸 6 下腔進氣，上腔排氣，則活塞和球頭活塞桿 7 推動上部 10 沿著導柱 8 向上移動，到達行程終了位置時，上夾氣缸 11 夾緊，然后下夾氣缸 16 松開，即上爪緊，下爪松，與此同時，升降氣缸 6 上腔進氣，下腔排氣，從而使升降氣缸的缸體連同安裝的底部 1 一起沿著導柱 8 上升到與上部 10 相合 l 下 完成攀升的一個循環(huán)。接著可進行下，通過兩個部分的有規(guī)律的分離和合攏實現(xiàn)升降。 下降循環(huán)的機理與攀升循環(huán)基本相同，只是下降第一步，即機器人在桿子的規(guī)定高度上，其上部 10 和底部 1 相合，開始 下降時，先使上爪緊，然后使下爪松，同時使升降氣缸 6 的下腔進氣，上腔排氣，這樣升降氣缸 6 的缸體連同安裝在一起的底部 1 實現(xiàn)下降，到達行程終了位置，先使下爪緊，然后上爪松，同時使升哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 6 降氣缸上腔進氣，下腔排氣，從而使球頭活塞 桿 7 與其安裝在一起的上部 10 一起下降，直到上部 10 與底部 1 再次相合，完成了一個下降循環(huán)。機器人模仿人的動作一步一步下降，直至到達地面。 類似此類機器人還有日本為林業(yè)公司研發(fā)的爬樹機器人，如圖，西班牙 2006年研發(fā)的爬柱機器人，伊朗研發(fā)的爬桿機器人。 圖 1本 為林業(yè)公司 圖 1班牙 研發(fā)的爬 圖 1朗研發(fā)的爬桿機器人 研發(fā)的爬樹機器人 柱機器人 下圖為天津大學研發(fā)的一款爬柱機器人原理和實物。 圖 1津大學研發(fā)的爬柱機器人原理圖 圖 1津大學研發(fā)的爬柱機器人實物 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 7 文研究的主要內(nèi)容 內(nèi)容主要包括如下幾個方面： （ 1）進行自爬柱工作平臺爬升機構的設計； （ 2）進行爬升機構液壓動力系統(tǒng)的設計； （ 3）進行自爬柱工作平臺整體系統(tǒng)的建模與仿真； （ 4）伺服作動器、工作 平臺的設計，并繪制圖紙。 研究目標：本項目研究對象為一種能夠適應大直徑水泥橋梁的步進式自爬柱工作平臺。該工作平臺由液壓系統(tǒng)驅動上下兩組工作爪，能夠在混凝土柱上實現(xiàn)自主上升和下降。 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 8 第 2 章 工作平臺的總體設計 爬柱平臺的總體結構設計 本文研究的主要內(nèi)容是針對鐵路橋梁建設中常規(guī)的圓形立柱的爬柱工作平臺的研究，圓形立柱取直徑為 1000升速度為 1m/計手爪所在機械臂為螺旋線狀，導程為 600圓柱 半徑為 510設工作平臺自重加承載質(zhì)量一共 600膠與水泥的摩擦系數(shù)為 機械臂相交點所在的圓柱平面中心為原點，建立直角坐標系，手爪繞水泥柱的角度為 120 度，高度為 200手爪受力一個豎直向上為摩擦力，一個背離所在平面圓心向外，考慮上下手爪變形一致，故有所受摩擦力相等，且方向相同。 液壓步進式自爬柱工作平臺的結構簡圖如下所示。 圖 2爬柱工作平臺原理 工作平臺上部 1,2 號兩液壓缸聯(lián)動，下部 3,4 號兩液壓缸聯(lián)動，主要起抓緊立柱的作用， 5 號液壓缸主要起攀 爬的作用。在下手爪攀爬過程中， 1,2 號液壓缸伸開，上手爪抱緊立柱， 3,4 號液壓缸縮回，下部手爪則松開， 5 號液壓缸縮回。在上手爪攀爬的過程中， 1,2 號液壓缸縮回，上手爪松開， 3,4 號液壓缸伸長，下哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 9 部手爪則抱緊立柱， 5 同時號液壓缸伸開。進行測量工作時，上下兩手爪同時抓緊。 圖 2看手爪所在位置示意圖 圖 2標示意圖 進行受力分析 14 u( 21 ) 20 F = 21 得出 21 =4900N， f =u 1F =4900=1470N， 5880F N， F 為舉升主液壓缸作用在交點處的力 。 械臂的設計計算與校核 設計機械臂的橫截面形狀為正方形，且邊長為 50在受到水泥柱對機械臂的作用力之后，機械臂受到扭矩和彎矩作用，對機械臂進行強度與剛度計算 15如下。 從相交點到機械臂末端的長度有螺旋線長度公式： L =)( 22 式中： D 為基圓的直徑， D =1020 d 為導程 ， d =600 可以計算出兩機械臂相交點到機械爪作用點所在位置的距離為： 221 l m (2(2（ 2 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 10 到液壓缸力作用點的位置為12 21= 對機械臂手爪到交點這一段進行受力分析，對交點 10 進行力矩平衡分析，受力如圖所示，有方程： 0230co 0 02260s i F 4F =1633N， 4F 即為液壓缸活塞對機械臂的作用力，方向豎直向上。 圖 2械臂受力圖 圖 2械臂受力分析圖 （ 2 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 11 圖 2械臂彎矩圖 圖 2械臂扭矩圖 分別作出彎矩和扭矩作用圖如上所示，并有： m a xm a xm a x (2哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 12 =662121 =448矩為： T=147047N。 根據(jù)形變應變能理論 16（第四強度理論）： m a a 4r = 4 4 8 22 5 鋼的許用應力強度至少為 600故此機械臂的設計滿足強度要求 。 剛度計算，剛度要求為單位長度扭轉角 均不得超過許用的單 位長度扭轉角（ m ）。 3 =47 29 = m410 ， 故剛度也滿足設計要求。 橡膠的抗壓強度為 20了防止橡膠壓潰 17，則有至少需要的橡膠面積：A=1F =622102014 7049 00 =256據(jù)機械臂的長度不變，且一個導程的螺旋線長度為： L= )( 22 當 D=1020d =600，與 D=1010求 1d 。 L= 21222 )d1d = 則有導程長度變長，且有機械手爪上升后的高度為 1h =1 =壓缸處的原始高度為 2h =1 =有活塞桿的活動范圍為 h =002(2（ 2 （ 2 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 13 對于抱爪的結構有兩種方案，如圖所示，第一種方案單獨制造手爪結構，用螺紋結構把手爪與機械臂聯(lián)接，此種方案削弱了機械臂的強度，且受力集中，容易變形。 圖 2一種方案抱爪結構 圖 2一種方案抱爪裝配圖 第二種方案，在手臂處加工出 60 度工形凹槽，在其中插入一定厚度的高強度橡膠條，這樣，既改善了受力均勻，又不削弱手臂的強度，且容易更換橡膠條，所以最終選擇這種方案。 圖 2二種方案的抱爪結構 圖 2二種方案抱爪裝配圖 動液壓系統(tǒng)結構設計 主液壓缸的運動可以分為六大部分循環(huán)，按照實際的運動過程依次設計為 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 14 上手爪夾緊時間 1t =4s， 下手爪松開時間 2t =4s， 下手爪上升時間3t=7s， 下手爪夾緊時間 4t =4s， 上手爪松開時間5t=4s， 上手爪上升時間6t=7s。 液壓缸按其結構形式，可以分為活塞缸、柱塞缸兩類 181920。根據(jù)行程短的特點，選擇采用活塞缸?？紤]到單桿活塞缸即可滿足要求，故選擇雙作用單桿活塞缸，活塞作雙向運動，架體移動范圍是活塞 (或缸筒 )有效行程的兩倍，并產(chǎn)生不同的推、拉力。其結構簡圖如圖如下。 圖 2桿活塞桿 圖中： 塞無桿側有效面積 ( 塞有桿側有效面積 ( D：活塞直徑 (缸筒內(nèi)徑 )( d：活塞桿直徑 (。 選擇液壓系統(tǒng)的工作壓力為 5液壓缸的面積為： 1 211 4 1D =閱機械設計手冊 21，選擇液壓缸的內(nèi)徑尺寸為 D m=25 活塞桿的活動范圍為 擇 選擇小液壓缸的活塞 2d =4夾緊時有 1t =3s， 故有： 111 = m/s (2（ 2 （ 2 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 15 1211 4 v = =開時有5t=3s，故有： 2222213 v = 221 43 p 足小于 5要求。 大液壓缸的面積為： 36 101 7 8 8 0 液壓缸的長度為 l 500 24 得出 選擇 D 40 采用活塞桿的直徑為 大液壓缸上爪上升的速度為 m/s 322 4 v = 0 5 5 =足小于 5要求。 下手爪上升的速度為 m/s 224224 v L/ 2 （ 2 （ 2 （ 2 （ 2 （ 2 （ 2 （ 2 （ 2 （ 2 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 16 塞桿的強度和穩(wěn)定性計算 塞桿 的 強度計算 22 依據(jù)新編液壓工程手冊式 23. 3知 : 610 s 式中： F：液壓缸的最大工作推力 (或拉力 )； s：材料的屈服強度 (本設計中按 45 號鋼設計， s340 ( 全系數(shù)一般取 2設計中取 4； d ：活塞桿直徑 (m)。 58802102 663 83 d 足強度設計要求。 16332102 6642 42 d 足強度設計要求。 塞桿的彎曲穩(wěn)定性驗算 活塞桿通常是細長桿體，因此活塞桿的彎曲計算一般可按“歐拉公式”進行 計算?；钊麠U彎曲失穩(wěn)臨界負荷按下式計算： 2262 10 在彎曲失穩(wěn)臨界負荷塞桿將縱向彎曲。因此，活塞桿最大工作負 荷 F 應按下式驗證：式中： E ：活塞桿材料的彈性模數(shù) (鋼材取 310210 ( J ：活塞桿橫截慣性知 (圓截面 84431 dJ 94422 dJ K ：安裝及導向系數(shù) (見表 23. 3，本設計中取 1K ； 全系數(shù)，一般取 5.3 (2（ 2 （ 2 （ 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 17 裝距 (見表 23. 3，本設計中取 L m。 422832226121 (N) 441 F=5880(N)， 故大活塞桿的彎曲穩(wěn)定性滿足設計要求。 4226932226222 (N) 342 ) 633(N) 小活塞桿的彎曲穩(wěn)定性滿足設計要求。 最后得出液壓缸的參數(shù)有下表： 表 2別 活塞直徑（ 活塞桿直徑 (活塞行程 (大液壓缸 40 28 500 小液壓缸 25 14 100 為了在爬行的時候節(jié)省空間，選擇優(yōu)瑞納斯液壓缸 23，該液壓缸出力大且平穩(wěn)，可用于各種重型機械，且液壓缸與手爪用連接頭連接，連接頭與液壓缸端部用螺紋結構連接，具體連接如圖所示，下圖分別為 型圖。 圖 2液壓缸和抱爪連接結構處 圖 2液壓缸和抱爪連接結構處 （ 2 （ 2 （ 2 （ 2 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 18 連接頭與銷連接的兩端分別用卡環(huán)固定，使機械臂固定在銷上，避免發(fā)生亂竄。 章小結 本章確定了機械臂的結構，并進行了強度和剛度的校核，討論了重點連接部位手爪抱緊部分與液壓缸和機械臂的連接部分，這是總體設計的關鍵部分，并分別建模。選擇優(yōu)瑞納斯液壓缸，并對活塞桿進行了強度和穩(wěn)定性計算，證明了選擇是合理的，根據(jù)計算出的液壓缸行程，確定了大液壓缸和小液壓缸的流量和壓力，這為后續(xù)的 液壓部分的設計和仿真奠定了基礎，同時設計出整個機械平臺的結構。 圖 2板機械結構裝配圖 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） 19 第 3 章 液壓部分的設計 系統(tǒng)原理 圖 圖 3壓原理圖 由圖 3知，本液壓系統(tǒng)分為 3 部分，分別為油源部分，液壓閥塊部分，液壓執(zhí)行元件部分。液壓油流經(jīng)液壓泵后進入單向 閥，再流過電磁換向閥，在這里，通過信號源控制 3 個電磁換向閥控制液壓執(zhí)行元件。如圖所示， a 部分為主液壓缸，也即控制提升液壓缸部分， b 部分為控制上手爪抓緊的電磁換向閥和液壓缸， c 部分為控制下手爪抓緊的電磁換向閥和液壓缸，在任意時刻只有一個換向閥處于供油狀態(tài) 。 壓泵選型 液壓缸在工作循環(huán)中的最大工作壓力約為 5取油路上的壓力損失為1液壓泵