GRADUATEDESIGN 設計題目： 平衡吊的結構設計 學生姓名 專業班級：09 機械5 萬方科技學院指導教師： 在工車間裏搬運重物，往往都是采用起重機、電葫蘆、工業機械手等。但對於需要頻繁吊裝、作業時間短的場合，如機床上下工件，裝配工作吊裝零部件，流 水線上的定點工作等等；對於要求比較定位的場合，如鑄造中的下芯、合箱等 等，一般起重設備常不適用，工業機械手多用於生產自動線上或單一的重複操作， 而且成本較高，目前，一般車間使用較少。近年來，出現的一種新型的定點起重設 備“平衡吊”，適用於幾十到幾百千克工件的定點頻繁吊運，在工業生產中起到了 極其重要的作用，平衡吊的結構簡單，操作靈活，吊重後除能作上下升降外， 能在 水平麵內作 360 度回轉運動，隻需要輕輕推拉，就可使吊物隨時穩穩地停留在意欲 停留的位置上，做到隨遇平衡。本文闡述了平衡吊的基本原理，並對其平衡條件及 杆係的平衡方法進行了分析和研究，對平衡吊的結構進行了設計計算。 關鍵詞：平衡吊；原理應用；力學分析；結構設計 Abstract III Abstract Transports heavyitem factoryworkshop, often all hoistcrane, industrymanipulator regardingneeds frequenthoisting, worktime short situation, like about engine bed work piece, installation work hoisting spare part, assemblyline fixed-point work requestquite pinpointing situation, like castingunder core, gathers box generalhoisting equipments oftensuitable, industrymanipulator uses producingfrom solerepetition operation, moreover generalworkshop use presentfew. recentyears, appeared one kind newfixed point hoisting equipment balancehung”, liftsfrequently several dozens severalhundred kilogram work piece fixed points, played extremelyvital role industrialproduction, structurewhich balancehung has been simple, nimbleabout, after cranebesides could do rises falls,could make 360 degree gyroscopic motions horizontalplane, only needed gently rollers,might cause thingsteadily positionwhich cared pause,achieved indifferentequilibrium. articleelaborated balancehangs basicprinciple, hascarried itsequilibrium condition poledepartments balanced method, hung designcalculation. Key Words balancehangs,Principle application,Mechanics analysis,Structural design 1.1平衡吊的結構和工作原理 1.2平衡吊的平衡條件 113.1 工作條件的確定 113.2 滾道C 和絲杠螺母A的位置尺寸的確定 113.2.1 絲杠螺母A的上下極限位置的確定 113.2.2 滾輪C 的左右極限位置的確定......................................................... 12 3.3 初定各杆長度 133.4 不計自重時，各杆截麵尺寸的設計 143.4.1 FED 杆截麵尺寸的設計 143.4.2 ABD 杆截麵尺寸的設計 173.4.3 EC 杆和BC 杆截麵尺寸的設計 224.1 各杆件自重在C 點處引起的失衡力的大小............................................... 22 4.2 消除各杆自重引起的失衡措施 264.3 估算各杆質量，計算配重 274.3.1 各杆質量的估算 274.3.2 用質量代換法計算配重 315.1 滾珠絲杠副的選擇 315.2 電動機的選擇 375.3 減速器的選擇 415.4 聯軸器的選擇 466.1 滾動軸承的類型的選擇 6.2角接觸球軸承和推力球軸承的型號選擇 476.3 回轉機構的結構圖 52參考文獻 平衡吊的工作原理及平衡條件1.1 平衡吊的結構和工作原理 平衡吊的結構如圖1 所示，主要分為傳動、杆係和回轉機構三個部分。 傳動部分是完成起吊重物功能的機構，由電動機、減速器、聯軸器等帶動絲杠 回轉，驅使螺母升降，從而完成吊鉤在垂直方向的升降運動。該部分也可由氣缸、 油缸代替完成起重物的功能。 杆係部分是一平行四連杆機構，它由ABD、DEF、BC、91看片在线看滾珠CE 四杆組成，在 處用鉸鏈連接，其中BC＝DE，BD 點作水平運動。傳動部分和杆係通過回轉機構安裝在立柱上，可以使吊鉤繞立柱回轉360。 平衡吊的水平運動和繞立柱的回轉運動，用手在吊鉤處輕輕推動即可獲得，而 升降運動可以通過操作按鈕由電機來完成。 1.2平衡吊的平衡條件 平衡吊的平衡是指：吊鉤F點無論空載還是負載，運行到工作範圍內的任何位置 後都可以隨意停下並保持靜止不動，即達到隨遇平衡狀態。 由圖l可知A點的運動是由傳動部分控製的，當在一定高度時，可以將A點看作一 個固定鉸鏈支座，C點的水平移動是引起F點水平運動的原因，如果吊鉤F在任何位置 (起重或空載)時，F點、C點、A點隻有垂直方向的反力且合力為零，那麽支座C點的 水平受力為零，平衡就可以得到。 為便於分析問題，假設杆係的自重及各鉸鏈點之間的摩擦均忽略不計。根據靜 力學的原理，平麵力係中某一杆件同時受三力作用，則三力必交於一點，叫做三力 杆。某一杆件同時受二力作用且二力的作用點在兩個端點，則二力必然大小相等方 向相反，叫二力杆。故CB、CE為二力杆。其受力方向沿鉸鏈連線。ABD、DEF為三力 杆。三力平衡時，其力必匯交於一點。 先分析DEF杆件。在F點吊起重物G 時，其方向垂直向下，CE杆通過鉸鏈E壓給DEF杆的作用力P ABD杆通過鉸鏈D作用於DEF杆的力，必通過D點交於K點方向可由力三角形得出，如圖2所示。 其次再分析ABD杆件，根據作用與反作用的道理，顯然，杆件DEF通過鉸鏈D給杆ABD以反作用Q 必須為鉛垂方向的力。現在將這兩個構件的受力分析綜合到一起來研究。 如圖 力的水平投影是等長的，即S 保持鉛垂方向，根據上述受力分析，隻有當機構在任意一個位置下，都能做到：過F 點做一條鉛垂線FK 與EC 杆的延長線相交於 兩點並延長與BC 杆的延長線相交於 保持鉛垂方向。要做到這一點，滿足機構的幾何條件為： KEF ABJKDE DJB相似三角形的對應邊成比例關係，得到： EFEK BJABDEEK BJBD由以上兩式得到：EFDE BDAB假設： ABD 為放大係數這就是說，隻要杆係各杆件滿足上述關係式，機構即可在任意位置達到平衡。 BCFE BAEC CBA得到 ：FCCA 因為 CA的共同點， 所以FC 與CA 必須在同一直線上，即F，C，A 三點共線。 平衡吊的運動分析下麵針對當A點升降和C 點移動時，作釣鉤F 的運動分析。 點的運動規律如圖 點作一條水平線MN， 兩點。假設此時C 點平移至C′點，F 點平移至F′點。 同樣F′、C′、A 三點共線。F′點在MN 線上的投影為N′點。 CAFC BC EF AB CE FNC ACFC AM FN FN ）AM……….………...（2）由（1）、（2）式得出 FN即證明C 點水平移動時，F 點在水平方向上作水平移動。 AFF′ ACAF CC FF FF′= 點作勻速運動，F點也作勻速 運動。 當電機帶動A點運動時，F 點的運動規律 此時將C 點看作一個固定鉸鏈支座，見圖6。91看片在线看滾珠 點作水平線NM，FNNM FEC CAFC BC EF 同理：FNC ACFC CM CN 由上述可以得到：CNF′ CMA′NF′MA′ 平衡吊的運動分析10 故知F 點在垂直方向上運動，其大小可由 CNF′ CMA′得到： AAFF 點作勻速運動，F點也作勻速 運動。 平衡吊的結構尺寸設計11 平衡吊的結構尺寸設計3.1 工作條件的確定 在一般工車間裏，通常加工的零件的重量都在 100 以下，且機床和機床之 間的距離 3～5m 左右，平衡吊應放置在兩機床之間，保證兩邊的上下工件工作都能 滿足。現初定平衡吊的工作條件如下： 額定起吊重量： 回轉半徑：Rmax 2500 m/min杆件材料： Q235 3.2 滾道C 和絲杠螺母A 的位置尺寸的確定 根據平衡吊的力學平衡原理分析已知：A、C、F 三點共線。且有這樣的關係 AAFF ACAF CC FF =10）即有： 在水平方向移動，且重物的移動距離與滾輪 倍的關係。由水平變幅為1900 可以得出滾 道的理論長度為190 上升或下降。同樣有重物移動的距離是 1800可以 得出絲杠螺母的移動距離為200 3.2.1絲杠螺母A 的上下極限位置的確定 平衡吊的結構尺寸設計12 如圖 固定不動，F點隨絲杠螺母 的移動而移動。F′、F、A、A′、分別為上下極限位置。圖中過 點作水平線交FF′於 點，交立柱中心線於O點。則FF′= =1800，AA′= 200 AA′CFCAC QA′=70 所在平麵為基準時，絲杠螺母能到的極限位置為上130 3.2.2滾輪C 的左右極限位置的確定 由於 點的水平移動，而已知平衡吊的水平變幅為1900 ，所以如圖 固定不動，F、F′、91看片在线看滾珠C、C′分別為左右極限位置，圖中過 FF′作水平線交立柱中心線於O′點交AP 延長線於Q 則有：FF′= 1900 ，FO′= 2500 ，CC′= 190 ACAF 平衡吊的結構尺寸設計13 又由圖可知： FO′－FF′=2500 －1900 =600 X，則有：F′O′＋OC′＋X 令：OC′=120 ，則有：X 能到的理論極限位置為左70 3.3初定各杆長度 各杆長度必須滿足能夠使F 點到達，，左，右四種極限位置。 又由平衡吊的原理可以知道FDA 隨著 ACF 長度的增大而增大，且有關係： 10 ACAF ACF直線隨 AC 長度的變化而變化，當 AC 時FDA 。由 3.2 定的尺寸可知當A在點，C在左邊時AC 取得值： AC max 270130 所以ACF的值為：ACF max =10 AC max =2997 平衡吊的結構尺寸設計14 由三角形原理有：三角形的任意兩邊之和必須大於第三邊。 ACFmax ACFmax在杆滿足長度條件的同時為了保證不能因FDA 太大而導致杆件受力太大，取 此時：FDAmax 2arcsin2H ACFmax 2arcsin3 2997 123.6 綜上，初定杆長為： 3.4不計自重時，各杆截麵尺寸的設計 3.4.1 FED 杆截麵尺寸的設計 如圖 所示，杆FED 受到吊重G ，CE杆的支撐力P ABD杆的拉力Q 的共同作用，由受力圖易知杆的彎矩圖如下： FED杆的彎矩圖 平衡吊的結構尺寸設計15 由彎矩圖可以看出，彎矩出現在E 截麵，且有 GsinKFEEF EF=980N1.53m FED杆處於水平位置時，受到的彎矩，值出現在 麵為危險截麵。橫力彎曲時，彎矩隨截麵位置變化，一般情況下，正應力ζ max 發生在彎 矩的截麵上，並且離中性軸遠處。公式為： IzMmaxYmax 截麵對Z軸的慣性距。 設杆件的截麵尺寸為“工”字型，相關尺寸如圖10 所示： 則截麵對Z 軸的慣性距為： 12100 mm mm 12100 mm mm 1250 mm mm 1012 236 mm IzMmaxYmax 10236 12 70 1499mm mm Nm 53.4MPa 10FED杆的截麵尺寸 平衡吊的結構尺寸設計16 彎曲正應力求出後，就要校核杆件的強度。彎曲強度條件為： ]為杆件材料的彎曲許用應力。杆件所用材料為 Q235，是塑性材料，塑性材料到達屈服時的應力是屈服極限 s，為保證構件有足夠的強度，在載荷作用下構件的實際應力ζ，顯然應該低於極 限應力。強度計算中，以大於1 的因數除極限應力，所得到的結果即為許用應力。 對於塑性材料來說： 為安全係數。選擇安全係數應考慮的一般因素為：構件破壞可能導致的傷亡事故，構件破壞 可能造成的停產損失和修理費用；材料強度的分散性和不確定性，載荷的不確定 性，如使用過程中有超載、動載或衝擊載荷的可能性等等。 安全係數的選取經驗一般如下： 對於可靠性很強的材料（如常用的中低強度高韌性結構鋼，強度分散性小）載荷恒定。設計時以減低結構重量為重要出發點時，取n =1.25～1.5 對於常用的塑性材料，在穩定的環境和載荷下的構件，取n=1.5～2 =2～2.5在此處取n 查表有Q235的屈服極限在剛才厚度小於等於16 235MPa。 MPa235 117.5MPa 對於碳鋼來說，其材料的抗拉強度和抗壓強度是相等的，隻要值的正 應力不超過許用應力就可以了。 FED 杆的截麵尺寸是對稱的，則危險截麵上的拉應力和壓應力的大小 是相等的，均為ζ max 53.4MPa，有： 平衡吊的結構尺寸設計17 3.4.2 ABD 杆截麵尺寸的設計 如圖 11 所示，在任意位置，令杆 FED 與豎直方向的夾角EFK= FED與KD 連線方向的夾角KDE= ABD與KD 連線杆FED 兩端所受力分別對 sinγ由上已經知道 EF ED，則有： 9G sinγ…………………………（10） 而在力的三角形中可知，G sinγ………………………….（11） 聯立（10）、（11）式有： 平衡吊的結構尺寸設計18 9G 12ABD 杆的彎矩圖 由彎矩圖可以看出，彎矩出現在B 截麵，且有： GsinDAJAB ……………（12） max隨杆與豎直方向的夾角DAJ 的增大而增大，當DAJ max取得值。 下麵來討論DAJ 能否達到90。 點固定時，C由右向左，DAJ 逐漸增大。 點固定時，A由下向上，DAJ逐漸增大。 在左端，A在上端時，DAJ 取得值。 如圖 13 所示，圖中 在左端，A在上端。取 BC 研究對象。分別過B、A點作垂線交水平線CQ 點作水平線交QA延長線於M點。由以上確定的尺寸知： AB 170，AQ 130，CQ 平衡吊的結構尺寸設計19 13圖中 CA= 300 130 270 AQCQ 340300 BCAC arccos0.8828 又有： ACQ arctan270 130 25.7 所以： BCQ 28+25.7=53.7在BCP 且有：BP QMQM 所以：BAM ABAM 平衡吊的結構尺寸設計20 圖中所說的BAM 就是DAJ，這就說明DAJ 時達不到 90，即當 在左端，A在上端時，M max 取得值。值為： GsinDAJAB =9980Nsin87.6170 1498.1Nm若杆ABD 同杆FED 取同樣的截麵，有： 1012 236 mm IzMmaxYmax Pamm mm Nm 5310 236 12 70 即是強度條件滿足，杆件安全，截麵尺寸符合要求。3.4.3 EC 杆和BC 杆截麵尺寸的設計 在平衡吊的四杆機構中，EC BC杆是兩個二力杆，受到的都是沿軸線方向 的壓力，沒有受到彎、扭作用。 所以此兩杆的壓縮強度為： ……………………….……（13）取兩杆截麵為圓截麵，截麵半徑為30 。如圖14 所示： 截麵積為： 14EC杆和BC杆的截麵尺寸 平衡吊的結構尺寸設計21 代入數值有： 117.5MPa2826 332055N332KN即當EC BC杆受到的軸向力小於332 KN 時，杆件滿足強度條件，安全， 截麵尺寸符合要求。 而由杆件的受力分析可知，EC BC杆受到的軸向力不會超過 332KN，所以，取杆件截麵為半徑為30 的圓，符合條件。 杆件自重對平衡的影響及其平衡方法22 杆件自重對平衡的影響及其平衡辦法在平衡吊的平衡及運動分析時，都是假設杆係的自重及各個鉸鏈點的摩擦均忽 略不計，得到 的平衡條件。但是實際上自重及摩擦力均是存在的。摩擦力對平衡是不起破壞作用的，而自重則不然，除杆係在一特定的位置外，各杆件的自重 都將在 點引起不平衡的水平分力CX 定義為失衡力。4.1 各杆件自重在C 點處引起的失衡力的大小 的條件下，平衡吊的失衡力隻可能由自重引起，此時，將 點作為固定鉸鏈支座來對其進行受力分析，求出由於各杆件自重影響所產生的失衡力 ，根據疊加原理，可以求出它們的合力，即總的失衡力為：CX ……………………………….（14）現在根據靜力學原理分別就各杆件自重對失衡的影響進行分析： 假設 DEF 杆的自重為 ，如圖15 所示，其餘杆件自重忽略不計，BC，CE DEF、ABD為三力杆，畫出其力的三角形如圖示，對D結點分析受力有： ED
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