液压椅子的设计计算

（临汾职业技术学院，山西 临汾 041000）

查洛德·费耶尔和彼得·费耶尔(Charlotte&Petter Fie11)的著作《1 000张椅子》说过：“没有任何物品的设计与人类的密切关系能超过椅子的设计。同时，也没有任何一种类型的家具在创造和销售上达到椅子这样的广泛性。所以长时期以来，人们在椅子的设计、创造、革新上所进行的探索和努力超过了任何类型的家具。”随着社会的不断进步，人们生活水平的不断提高，人们对舒适性、自动化要求越来越高。现在市场上的多数椅子为机械传动、气动或电动的，这些都不能满足人们对舒适性、自动化的不断追求。“以人为本”的椅子的设计是近几年兴起的设计理念，主要以方便、舒适、安全卫生等几个方面为设计宗旨，椅子的控制部分，已从初期的机械、电动控制上升为液压、气动控制等高级控制阶段。本人设计了一种液压驱动的椅子，为椅子的设计提供了一种思路，以满足人们不断增长的物质文化需求。

1 液压椅子的设计方案

椅子的结构分为机械部分和液压部分，机械部分主要是完成普通椅子的全部功能，液压部分主要是为整个系统提供动力，完成自动化功能。

2 液压椅子的基本参数与机械机构

液压椅子的基本参数如表1所示。液压椅子主要有6部分组成，其结构简图如图1所示，升降油缸的下面固定在基座上，上面固定在椅座上，当升降油缸上下油腔分别给排油时，可使椅座下降、上升；当升降油缸上下油腔不给排油时，椅座停止不动。翻转油缸的一端通过铰链连接在椅座上，另一端用铰链连接在腰靠上。通过控制翻转油缸两个油腔的给排油，可使腰靠绕椅座上的铰链在一定的角度范围内转动；当翻转油缸上下油腔不给排油时，椅靠停止不动。

表1椅子的基本参数

图1 液压椅子的结构示意图

3 液压系统及其工作原理

液压驱动操作系统如图2所示，电机带动液压油泵2，输出压力油经调速阀13调节两液压缸的运动速度，溢流阀3调节液压系统的压力，手动换向阀5可控制压力油进入、排出升降油缸10上腔、下腔从而完成椅座下降、上升、停止，手动换向阀4可控制压力油进入、排出翻转油缸11的左腔、右腔，使腰靠顺时、逆时针旋转，停止。4个液控单向阀 6、7、8、9使两液压缸可以锁定在任意位置上，使升降、旋转、停止动作平稳，灵活。液控单向阀6、7可以使升降油缸11在停止时可靠锁紧，液控单向阀8、9可以使翻转油缸10停止时可靠锁紧，防止油缸在停止时发生“漂移”现象。升降油缸10、翻转油缸11可以同时动作，也可以单独动作。

图2 液压驱动椅子的液压系统图

4 液压系统主要元件的设计计算

液压系统中液压缸、液压泵、驱动电机是主要元件，现在对液压缸、液压泵、驱动电机进行计算，其他元件尽量选择标准件。

4.1 初步估算系统工作压力

液压缸的有效工作压力可以根据下表2确定。

表2 液压缸牵引力与工作压力之间的关系

由于升降油缸受力比较大，翻转油缸受力很小，故只计算升降油缸。据表2，我们选择液压缸的工作压力为1MPa，由于人的体重和椅子腰靠、翻转油缸、椅座重量不超过150千克，所以选择牵引力为1.5 kN。

4.2 活塞的直径计算

该液压缸按照推力要求来计算缸筒内径，计算式如下：

要求活塞无杆腔的推力为F时，其直径为：

式中：

D活塞直径；

F无杆腔的推力；

ηcm机械效率0.95；

P液压缸的工作压力；

Ψ为液压缸的负载率取0.6。

代入数据：

液压缸的内径，活塞的外径要取标准值,还要有其它零件的相互配合，如密封圈等，而这些零件已经标准化，有专门的生产厂家，故活塞和液压缸的内径也应标准化，以便选用标准件。查液压缸缸筒内径尺寸系列表，这里选择63mm。

4.3 活塞杆直径的确定

活塞杆直径根据受力情况和液压缸的结构形式来确定：

受拉时：d=(0.3-0.5)D

受压时：p燮5MPa，d=(0.3-0.5)D

该液压缸的工作压力为P=1MPa，所以选择d=0.5D，d=29mm。

查液压缸活塞杆尺寸系列表选择32mm。

4.4 液压缸壁厚的确定

液压缸壁厚根据结构和工艺要求等确定，一般按照薄壁筒计算，壁厚由下式确定：

式中，

D为液压缸的内径；

δ为缸体壁厚；

Py为液压缸的最高工作压力，Py=(1.2-1.3)P。

钢材[δ]=100MPa，代入数据：

考虑到液压缸的加工要求，将其壁厚适当加大，取壁厚5mm。

据此选择武汉油缸厂生产的单活塞杆SD基本型液压缸，其缸径尺寸为63mm，B型杆。

4.5 液压缸的流量

液压缸的流量按下式计算：

式中，

A为活塞的有效工作面积，对于无杆腔A=πD2/4；

ηcV为液压缸的容积效率，采用弹性密封圈时ηcV=1；

V为为液压缸的最大运动速度，取0.2m/s。

代入数据：

4.6 液压泵的额定流量

液压泵的额定流量按下式计算：

式中，

qp为泵的输出流量；

K为系统泄漏系数，一般取K=1.1~1.3；

Qma液压缸实际需要的最大流量；

n为执行元件的个数。

代入数据：qp叟1.1×623×1=685ml/s

对于工作过程始终用节流调速的系统，在确定泵的流量时，应再加上溢流阀的最小溢流量，一般取800ml/s。

4.7 泵的最高工作压力

泵的工作压力应该根据液压缸的工作压力来确定，即

式中：

PB为泵的工作压力；

Pmax为执行元件的最高工作压力；

∑ΔP为进油路和回油路总的压力损失，可以取0.2~0.5MPa。

代入数据：PB叟1+0.5=1.5MPa

据此查齿轮泵的技术规格表，我们选择CB-B40齿轮泵，其规格见表3。

表3 CB-B40齿轮泵的技术规格

4.8 驱动液压泵的功率

4.9 电机的功率

电机的功率可以从《机械设计手册》中查得，加上功率损耗，选择2.2 kW。查电机型号采用Y100L1-4，其规格见表4。

根据上述计算结果，液压缸选择武汉油缸厂生产的单活塞杆SD基本型液压缸，其缸径尺寸为63mm，B型杆，选择CB-B40齿轮泵，选择Y100L1-4型电机。

表4 Y100L1-4电机的技术规格

5 结束语

椅子的种类繁多，样式各异，价格差异很大，人们对椅子的需求是多样化的。创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。要迎接科学技术突飞猛进和知识经济迅速兴起的挑战，最重要的是坚持创新。作者设计的液压驱动椅子是一种比较高级的椅子，椅子高低、腰靠角度等可以随时调节。按该方案设计的椅子，各部分运动平稳灵活，动作安全可靠，操作简便，便于维护，大大提高了舒适性、满足了自动化的要求，是高级椅子的一种理想设计。虽然成本较高，但是相信投入市场后，能够受到高端用户的欢迎。希望读者和消费者能够对作者的设计提出宝贵意见，以帮助作者更好的改进椅子的设计。

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