基于液压缸性能模型的起竖装置一体化设计方法

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2025.01.017

摘要/Abstract

摘要：

起竖装置传统设计流程是通过液压缸单方案设计来校核布局设计的可行性，设计过程未充分利用布局参数和液压缸性能的耦合关系，难以实现起竖装置快速设计和优化。通过对液压缸的设计计算过程进行数学建模，计算液压缸的性能特性数据，并以此为基础构建液压缸性能模型。通过在起竖装置设计流程中引入液压缸性能模型，建立起布局方案到液压缸性能的直接映射关系，实现了布局方案和液压缸性能的一体化设计。在此基础上进行应用研究，利用一体化设计方法对单一布局方案下液压缸的性能参数进行了快速计算，研究了布局参数改变对液压缸性能参数的影响规律，研究结果为起竖装置的快速设计和优化提供了基础。

关键词: 一体化设计, 起竖装置, 多级液压缸, 布局方案, 三铰点机构

Abstract:

The traditional design process for vertical lifting devices involves verifying the feasibility of the layout design through a single scheme for the hydraulic cylinder. This process does not fully leverage the coupling relationship between the layout parameters and hydraulic cylinder performance， making it difficult to achieve rapid design and optimization. The design and calculation process of the hydraulic cylinder is mathematically modeled to calculate its performance characteristics， which are then used to construct a hydraulic cylinder performance model. By incorporating this model into the design process of the vertical lifting device， a direct mapping relationship between the layout scheme and hydraulic cylinder performance is established， enabling an integrated design of both. In addition， an application study is presented， where the integrated design method is used to quickly calculate the performance parameters of hydraulic cylinders for a given layout scheme. How changes in the layout scheme affect the hydraulic cylinder’s performance parameters is also investigated. The findings provide a foundation for the rapid design and optimization of lifting devices.

Key words: integrated design, erecting device, multistage hydraulic cylinder, layout scheme, three-hinge mechanism

中图分类号:

V448.22

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图/表 16

表1 方案设计参数

Table 1 Schematic design parameters

参数名称	备注
初始安装长度L/mm	设计输入
最大推力载荷F/N
最大拉力载荷 $F t$ /N
起竖到位伸长量 $S$ /mm
级数 $K$	设计输出
质量 $M$ /kg	设计输出

表1 方案设计参数

Table 1 Schematic design parameters

参数名称	备注
初始安装长度L/mm	设计输入
最大推力载荷F/N
最大拉力载荷 $F t$ /N
起竖到位伸长量 $S$ /mm
级数 $K$	设计输出
质量 $M$ /kg	设计输出

图1 液压缸结构简化图

Fig. 1 Simplified diagram of hydraulic cylinder structure

表2 结构设计参数

Table 2 Structural design parameters

参数名称	备注
两端支耳轴孔直径d	支撑导向长度相关参数
支耳轴孔中心距端面 $l$
支耳半径 $R$
支耳耳片厚度 $b$
缸底壁厚 $t e$
导向套滑动面长度 $L f f i$
活塞厚度 $L f r i$
隔套长度 $C i$
各级缸活塞杆径 $d i$	直径参数
各级缸活塞直径 $D i$	直径参数
活塞行程 $S p i$	活动长度

表2 结构设计参数

Table 2 Structural design parameters

参数名称	备注
两端支耳轴孔直径d	支撑导向长度相关参数
支耳轴孔中心距端面 $l$
支耳半径 $R$
支耳耳片厚度 $b$
缸底壁厚 $t e$
导向套滑动面长度 $L f f i$
活塞厚度 $L f r i$
隔套长度 $C i$
各级缸活塞杆径 $d i$	直径参数
各级缸活塞直径 $D i$	直径参数
活塞行程 $S p i$	活动长度

图2 直径参数计算流程图

Fig. 2 Diameter parameter calculation flow chart

图3 一体化设计示意图

Fig. 3 Integrated design schematic diagram

表3 Q345B材料属性

Table 3 Q345B material properties

密度/kg·m³	弹性模量/MPa	抗拉强度/MPa
7 850	2.06×10⁵	600

图4 K=4时质量模型

Fig. 4 Mass model at K=4

图5 K=4时最大伸长量模型

Fig. 5 Maximum elongation model at K=4

图6 基型方案示意图

Fig 6 Schematic diagram of the base type scheme

图7 性能计算流程图

Fig. 7 Performance calculation flow chart

图8 级数确定

Fig. 8 Stages determination

图9 质量确定

Fig. 9 Mass determination

图10 下支点位置变化示意图

Fig. 10 Schematic diagram of the lower pivot position movement

图11 3级缸液压缸性能随下支点位置变化情况

Fig. 11 Variation of level hydraulic cylinder performance with low er pivot position

图12 下支点设计域

Fig. 12 Lower pivot point design domain

图13 液压缸性能随下支点的分布情况

Fig. 13 Distribution of hydraulic cylinder performance with lower pivot point

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