液壓椅子的設計計算

（臨汾職業技術學院，山西 臨汾 041000）

查洛德·費耶爾和彼得·費耶爾(Charlotte&Petter Fie11)的著作《1 000張椅子》說過：“沒有任何物品的設計與人類的密切關系能超過椅子的設計。同時，也沒有任何一種類型的家具在創造和銷售上達到椅子這樣的廣泛性。所以長時期以來，人們在椅子的設計、創造、革新上所進行的探索和努力超過了任何類型的家具。”隨著社會的不斷進步，人們生活水平的不斷提高，人們對舒適性、自動化要求越來越高。現在市場上的多數椅子為機械傳動、氣動或電動的，這些都不能滿足人們對舒適性、自動化的不斷追求。“以人為本”的椅子的設計是近幾年興起的設計理念，主要以方便、舒適、安全衛生等幾個方面為設計宗旨，椅子的控制部分，已從初期的機械、電動控制上升為液壓、氣動控制等高級控制階段。本人設計了一種液壓驅動的椅子，為椅子的設計提供了一種思路，以滿足人們不斷增長的物質文化需求。

1 液壓椅子的設計方案

椅子的結構分為機械部分和液壓部分，機械部分主要是完成普通椅子的全部功能，液壓部分主要是為整個系統提供動力，完成自動化功能。

2 液壓椅子的基本參數與機械機構

液壓椅子的基本參數如表1所示。液壓椅子主要有6部分組成，其結構簡圖如圖1所示，升降油缸的下面固定在基座上，上面固定在椅座上，當升降油缸上下油腔分別給排油時，可使椅座下降、上升；當升降油缸上下油腔不給排油時，椅座停止不動。翻轉油缸的一端通過鉸鏈連接在椅座上，另一端用鉸鏈連接在腰靠上。通過控制翻轉油缸兩個油腔的給排油，可使腰靠繞椅座上的鉸鏈在一定的角度范圍內轉動；當翻轉油缸上下油腔不給排油時，椅靠停止不動。

表1椅子的基本參數

圖1 液壓椅子的結構示意圖

3 液壓系統及其工作原理

液壓驅動操作系統如圖2所示，電機帶動液壓油泵2，輸出壓力油經調速閥13調節兩液壓缸的運動速度，溢流閥3調節液壓系統的壓力，手動換向閥5可控制壓力油進入、排出升降油缸10上腔、下腔從而完成椅座下降、上升、停止，手動換向閥4可控制壓力油進入、排出翻轉油缸11的左腔、右腔，使腰靠順時、逆時針旋轉，停止。4個液控單向閥 6、7、8、9使兩液壓缸可以鎖定在任意位置上，使升降、旋轉、停止動作平穩，靈活。液控單向閥6、7可以使升降油缸11在停止時可靠鎖緊，液控單向閥8、9可以使翻轉油缸10停止時可靠鎖緊，防止油缸在停止時發生“漂移”現象。升降油缸10、翻轉油缸11可以同時動作，也可以單獨動作。

圖2 液壓驅動椅子的液壓系統圖

4 液壓系統主要元件的設計計算

液壓系統中液壓缸、液壓泵、驅動電機是主要元件，現在對液壓缸、液壓泵、驅動電機進行計算，其他元件盡量選擇標準件。

4.1 初步估算系統工作壓力

液壓缸的有效工作壓力可以根據下表2確定。

表2 液壓缸牽引力與工作壓力之間的關系

由于升降油缸受力比較大，翻轉油缸受力很小，故只計算升降油缸。據表2，我們選擇液壓缸的工作壓力為1MPa，由于人的體重和椅子腰靠、翻轉油缸、椅座重量不超過150千克，所以選擇牽引力為1.5 kN。

4.2 活塞的直徑計算

該液壓缸按照推力要求來計算缸筒內徑，計算式如下：

要求活塞無桿腔的推力為F時，其直徑為：

式中：

D活塞直徑；

F無桿腔的推力；

ηcm機械效率0.95；

P液壓缸的工作壓力；

Ψ為液壓缸的負載率取0.6。

代入數據：

液壓缸的內徑，活塞的外徑要取標準值,還要有其它零件的相互配合，如密封圈等，而這些零件已經標準化，有專門的生產廠家，故活塞和液壓缸的內徑也應標準化，以便選用標準件。查液壓缸缸筒內徑尺寸系列表，這里選擇63mm。

4.3 活塞桿直徑的確定

活塞桿直徑根據受力情況和液壓缸的結構形式來確定：

受拉時：d=(0.3-0.5)D

受壓時：p燮5MPa，d=(0.3-0.5)D

該液壓缸的工作壓力為P=1MPa，所以選擇d=0.5D，d=29mm。

查液壓缸活塞桿尺寸系列表選擇32mm。

4.4 液壓缸壁厚的確定

液壓缸壁厚根據結構和工藝要求等確定，一般按照薄壁筒計算，壁厚由下式確定：

式中，

D為液壓缸的內徑；

δ為缸體壁厚；

Py為液壓缸的最高工作壓力，Py=(1.2-1.3)P。

鋼材[δ]=100MPa，代入數據：

考慮到液壓缸的加工要求，將其壁厚適當加大，取壁厚5mm。

據此選擇武漢油缸廠生產的單活塞桿SD基本型液壓缸，其缸徑尺寸為63mm，B型桿。

4.5 液壓缸的流量

液壓缸的流量按下式計算：

式中，

A為活塞的有效工作面積，對于無桿腔A=πD2/4；

ηcV為液壓缸的容積效率，采用彈性密封圈時ηcV=1；

V為為液壓缸的最大運動速度，取0.2m/s。

代入數據：

4.6 液壓泵的額定流量

液壓泵的額定流量按下式計算：

式中，

qp為泵的輸出流量；

K為系統泄漏系數，一般取K=1.1~1.3；

Qma液壓缸實際需要的最大流量；

n為執行元件的個數。

代入數據：qp叟1.1×623×1=685ml/s

對于工作過程始終用節流調速的系統，在確定泵的流量時，應再加上溢流閥的最小溢流量，一般取800ml/s。

4.7 泵的最高工作壓力

泵的工作壓力應該根據液壓缸的工作壓力來確定，即

式中：

PB為泵的工作壓力；

Pmax為執行元件的最高工作壓力；

∑ΔP為進油路和回油路總的壓力損失，可以取0.2~0.5MPa。

代入數據：PB叟1+0.5=1.5MPa

據此查齒輪泵的技術規格表，我們選擇CB-B40齒輪泵，其規格見表3。

表3 CB-B40齒輪泵的技術規格

4.8 驅動液壓泵的功率

4.9 電機的功率

電機的功率可以從《機械設計手冊》中查得，加上功率損耗，選擇2.2 kW。查電機型號采用Y100L1-4，其規格見表4。

根據上述計算結果，液壓缸選擇武漢油缸廠生產的單活塞桿SD基本型液壓缸，其缸徑尺寸為63mm，B型桿，選擇CB-B40齒輪泵，選擇Y100L1-4型電機。

表4 Y100L1-4電機的技術規格

5 結束語

椅子的種類繁多，樣式各異，價格差異很大，人們對椅子的需求是多樣化的。創新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發達的不竭動力。要迎接科學技術突飛猛進和知識經濟迅速興起的挑戰，最重要的是堅持創新。作者設計的液壓驅動椅子是一種比較高級的椅子，椅子高低、腰靠角度等可以隨時調節。按該方案設計的椅子，各部分運動平穩靈活，動作安全可靠，操作簡便，便于維護，大大提高了舒適性、滿足了自動化的要求，是高級椅子的一種理想設計。雖然成本較高，但是相信投入市場后，能夠受到高端用戶的歡迎。希望讀者和消費者能夠對作者的設計提出寶貴意見，以幫助作者更好的改進椅子的設計。

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