一種四柱液壓式舉升機的設計

田東亮，尹玉梅

（1.荊州理工職業學院機電與汽車工程學院，湖北荊州 434000；2.荊州理工職業學院電子信息學院，湖北荊州 434000）

0 引言

隨著社會的發展和人類文明的進步，汽車逐漸成為人們的必要交通工具之一。隨之而來，汽車的維修與保養任務也愈來愈重，在汽車修理廠，舉升機是不可或缺的設備，老式的舉升機一般以電機作為動力源，采用齒輪齒條或者鋼絲繩索等機械元器件作為構件，比較容易磨損，時常需要保養或定期的更換元器件，成本比較高。采用液壓做動力源的舉升機，則克服了上述諸多缺點，同時還具有低噪聲、長壽命、低成本等優點，成為了目前舉升機發展的主要趨勢[1]。

根據本地市場的需求情況，設計一種四柱四缸式液壓舉升機。采用德國費斯托公司（Festo）開發的FluidSIM 軟件進行液壓系統的設計，通過可編程邏輯控制器進行程序調試，之后基于OPC 技術，實現了PLC 軟件和系統回路之間的數據通信[2]。通過模擬仿真，驗證了方案的可行性。最后該設備應用到本地市場修理廠，使用效果良好，達到了設計的初衷。

1 提出方案

如圖1 所示，四柱式液壓舉升機主要有液壓泵站、橫梁、平臺、立柱等部分組成。設備在工作過程中，要求該設備穩定可靠。因此產品應具有以下特點。

（1）鎖緊功能。防止工作時發生意外，系統采用并聯液控單向閥的鎖緊回路。同時為了確保進一步的安全性，該設計配備了機械式的鎖緊機構，確保工作人員的安全。

（2）同步功能。產品在運行過程中，特別是克服負載做功時，必須保證各個舉升油缸在伸出或者回位時的速度同步，以免負載出現左右或者前后側翻，系統采用同步閥（又稱分流積流閥）來保證多缸同步工作。

（3）平衡功能。產品回位時，由于設備自重及負載本身重力的作用，可能造成設備的迅速下滑而出現意外，本文采用單向節流閥設計了平衡回路，來調節設備的下降速度，保證產品安全平穩回位。

（4）保壓緩解沖擊功能。為了避免液壓系統漏油造成舉升機下降，同時緩解執行元件突然運行或停車時帶來的液壓沖擊，采用蓄能器補油，吸收壓力脈動或緩解沖擊。

2 產品設計

根據市面上常見的車型現狀，確定設計產品的主要參數：全程上升和下降時間70 s 左右，舉升極限高度1850 mm，最大承重負載4800 kg[3]。

2.1 主油缸主要參數確定

（1）活塞直徑確定。根據不同負載條件下的工作壓力[4]表格推薦數據，選定油缸的工作壓力P 為3.0 MPa。由壓力公式P=F/S，可知油缸活塞直徑D=，油缸推力F 取最大負載的1/4，即1200 kg，效率取0.96，帶入上式中，可知D=72.10mm，根據缸筒系列推薦值，D 取80 mm。

圖1 四柱式液壓舉升機

（2）活塞桿直徑確定。由于單缸壓力P≤5 MPa，根據活塞桿直徑的選取表格[4]來選取d=0.5 D，即d 取40 mm。

（3）缸筒壁厚確定。缸筒的材料選用無縫鋼管，壁厚可根據薄壁筒公式δ=PyD/2［σ］，來計算。取鋼管的抗拉強度許用應力520 MPa，［σ］=520/5=104 MPa，Py=1.5P=4.5 MPa，將各數據帶入薄壁筒公式可知δ=1.73mm，圓整后取其壁厚δ=2mm。

2.2 液壓系統設計

FluidSIM 軟件是德國費斯托公司開發的一款液氣壓軟件，該軟件能夠快捷地設計出液氣壓回路，同時可以對其進行仿真校驗，查找設計過程中所出現的問題，以便及時地修正設計[5]。根據設計要求，采用FluidSIM 軟件，設計的四缸四柱式液壓舉升機液壓系統圖如圖2 所示。

2.3 液壓系統電氣控制回路設計

OPC（OLE for Process Control）是一個基于COM 技術的接口標準，他可以從不同數據源存取數據，通過OPC 客戶端與OPC 服務器通信，獲取OPC 服務器的各種信息[6]。本文通過FluidSIM 軟件的OPC 端口，將系統中的輸入信號，寫入到OPC Server 中，同時將PLC處理后的信號，經OPC Server 傳送到液壓系統中[2，7]，從而對系統中的電磁鐵等執行元件進行驅動。液壓系統的I/O 接線圖如圖3 所示。

2.4 程序設計

圖2 液壓系統

PLC 具有可靠性高、功能強大、易學易用等諸多優點[8]，廣泛應用在機械制造、石油化工、冶金、食品飲料等工業和民用領域中。考慮到三菱公司的PLC價格低廉，緊湊、質量高、速度快等諸多優點，選用三菱FX2N 系列的PLC，進行程序的編制，部分程序如圖4所示。

2.5 仿真及其結果分析

運行三菱MX OPC Server，完成服務器的相關配置，打開QF 總開關，系統進入待機狀態，按下SB1 按鈕，系統開始工作，如圖2 所示，鎖緊油缸關閉鎖緊機構，舉升油缸升起。按下其他按鈕，均能按照預期的設定工作。通過建立液壓元器件狀態圖，可以實時的顯示該設備的運行狀況。圖5 為舉升主油缸運動狀態圖，單缸克服負載的最大推力12 000 N，速度和加速度僅在開始工作瞬間出現抖動，之后速度迅速穩定在0.05 m/s，加速度0 m/s2，最大的舉升位移量1850 mm，達到預期效果。

圖3 液壓系統I/O 接線圖

圖4 部分程序

圖5 舉升主油缸運動狀態

3 結論

根據本地市場需求，設計了一款四柱式液壓缸。同時基于OPC 技術，實現了液壓系統和控制軟件之間的通信，通過對液壓系統的模擬仿真，驗證了設計方案的可行性[2]。隨后該產品應用到本地市場，運行狀態正常，為液壓產品的開發設計提供了可借鑒的經驗。