雙柱式升降機設計

雙柱式升降機設計,雙柱式,升降機,設計 畢業(yè)設計報告(論文) 報告(論文)題目： 雙柱式升降機設計 作者所在系部： 機電工程學院 作者所在專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 作者所在班級： B13113 作 者 姓 名 ： 胡曉斌 作 者 學 號 ： 20134011306 指導教師姓名： 賀俊杰 完 成 時 間 ： 2017.06.01 北華航天工業(yè)學院教務處制 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 摘 要 升降機是通過支撐物體的底部或者物體的某一部分來使物體達到垂直高度上的升降。其按驅動類型可分為機械式與液壓式兩類，本次設計主要是針對機械式雙柱升降機來開展工作。 機械式雙柱升降機主要由兩個舉升柱、兩個升降滑架、兩個托臂和兩個軌道式托板組成。通過帶傳動和絲杠的螺旋傳動將電機的動能傳遞給托板來實現被載物體的上升或下降。本次設計首先確定了升降機的結構、傳動方法以及鎖緊機構等設計方案；然后進行了詳細的計算和分析來保證升降機各部分的應力校核，使其能夠正常工作：最后為了使設計成果更加簡單明了地表達，繪制了總裝配圖、主要部件零件圖和三維裝配圖。 關鍵字： 升降機；螺旋傳動；帶傳動；絲杠 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 Abstract The lift is an object that reaches the bottom of the object or a part of the object to lift the object up to the vertical height. According to the type of drive can be divided into mechanical and hydraulic type two, this design is mainly for mechanical double column lift to carry out the work. The mechanical double column lift consists mainly of two lifting columns, two lifting carriages, two brackets and two rail pallets. Through the belt drive and screw screw drive the kinetic energy of the motor to the pallet to achieve the object to rise or fall. This design first determines the structure of the lift, transmission methods and locking mechanism and other design; and then carried out a detailed calculation and analysis to ensure that the various parts of the elevator stress check to make it work properly: Finally, in order to make the design more Simple and clear expression, drawing the assembly map, the main parts of the parts and three-dimensional assembly map. Keywords: Lift; Screw drive; Belt drive; Screw I 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 升降機的簡介及發(fā)展概況 1 1.2 升降機的分類 1 第2章 升降機設計任務和總體方案設計 3 2.1升降機設計任務 3 2.2舉升機總體方案設計 3 第3章 原動機的選擇 5 3.1選擇原動機類型和結構 5 3.2確定原動機的轉速及功率 5 第4章 帶傳動的設計 6 4.1帶傳動簡介及類型選擇 6 4.2帶傳動設計計算 6 第5章 舉升機構的設計 9 5.1舉升機構的選擇 9 5.2滑動螺旋副的設計計算 10 第6章 支撐機構結構的設計 14 6.1 支撐機構的結構 14 6.2 支撐機構的應力校核 15 第7章 導軌結構的設計 17 7.1導軌類型分析選擇 17 7.2 直線運動系統(tǒng)載荷計算 18 7.3 滾動直線導軌副壽命計算 19 第8章 鎖緊機構的設計 21 8.1 鎖緊機構的必要性 21 8.2 鎖緊機構的原理分析 21 8.3 鎖緊機構的選擇 22 8.4 鎖緊機構的校核 22 第9章 螺栓連接件的校核 24 9.1 升降臺與剖分式螺母套的螺紋校核 24 9.2 箱體與地基的螺紋校核選擇 25 結論 27 致 謝 28 參 考 文 獻 29 北華航天工業(yè)學院畢業(yè)論文 第1章 緒論 1.1 升降機的簡介及發(fā)展概況 隨著我國經濟的不斷發(fā)展，科技水平的提高。升降機被廣泛地用于廠房、賓館、大廈、商場、車站、施工現場等場所。一般升降機用于承載物體，例如：汽車舉升機、施工升降機等。生活中常用的電梯也屬于升降機的一種，當然也可用于油漆裝修、清潔保養(yǎng)、電力線路、照明機器、高架管道等安裝維護場所。是一種理想的高空作業(yè)設備。因此，升降機在生活中已然成為了一種必不可少的工具，是各行各業(yè)中重要的機械設備[1]。 在中國古代人們通常使用人力、畜力、水力等來實現物體的垂直運輸，慢慢地出現了一些升降機的雛形，比如一些簡單的滑輪機構。直到十九世紀第一次工業(yè)革命蒸汽機被發(fā)明之后，現代升降機開始出現。1845年，出現了第一部工業(yè)水壓式的升降機，這是液壓式升降機的鼻祖。1854年，美國工匠奧蒂斯發(fā)明了棘輪機械裝置，極大地提高了升降機的安全性能。1857年，首部客運升降機在美國紐約的一家商場安裝，開創(chuàng)了升降機載人的先河。自此之后，升降得到了廣泛的利用和推廣，并在實踐當中不斷地進行改進和優(yōu)化。但是，當時的升降機都是以蒸汽為動力，使用的限制條件較多。直到1880年，德國人西門子發(fā)明了電動的升降機，真正的升降機終于誕生了！ 中國現代的升降機發(fā)展較晚，在20世紀初才在公共租界內的飯店安裝了首部升降機。從20世紀90年代開始，中國的升降機才開始慢慢普及。國內外生產的升降機品牌已達到了近百個，國外的一些大品牌升降機雖然較貴，但是憑借其高品質的質量、穩(wěn)定的性能以及簡單的操作受到了絕大部分人的青睞。目前，國內生產的升降機型號各異，也都基本上都符合現代各行業(yè)的需求。但因為其產品設計、技術開發(fā)及性能上的一些不成熟導致了銷量的呆滯。當然在性價比、銷售網絡、售后服務等方面，國產升降機也有著一定的優(yōu)勢[1]。因此，如何提高產品的性能和產品的市場的競爭力成為國內廠商最為關心的問題。這次設計的內容也就變得很有意義。 1.2 升降機的分類 升降機的類型繁多, 根據其結構類型一般可分為雙柱式升降機、四柱式升降機、剪式升降機等。其主要的優(yōu)缺點參考表1-1。由表可知，雙柱式升降機由于占地面積小、同步性好等優(yōu)點還是被廣泛的使用；四柱式升降機只有在運載超重的物體時才會被運用；而剪式升降機雖然優(yōu)點十分明顯，但因為其精度要求太高使得只有在科技水平達到一定程度時才能夠被廣泛使用[2]。 表1-1 根據結構方式分類 種類名稱 優(yōu)點 缺點 雙柱式舉升機 同步性好，占地面積較小 機械式機械磨損較大；液壓是成本高； 四柱式舉升機 適合四輪定位結構的使用 占地面積較大 剪式舉升機 安全性高，操作簡單；空間利用率高 精度要求較高，易發(fā)生舉升平臺不平衡，單邊升降 根據升降機的驅動類型分類，升降機大體上可分為機械式和液壓式兩類。其主要的優(yōu)缺點參考表1-2。機械式升降機主要有單電機驅動的螺紋傳動升降機和雙電機驅動的螺紋傳動升降機，其結構簡單、價格便宜，但也易發(fā)生危險，所以需要經常性的維護。液壓傳動升降機由于其性能優(yōu)勢逐漸成為主流的升降機。但其成本較高，需要一定的經濟能力。 表1-2 根據驅動類型分類 種類名稱 優(yōu)點 缺點 機械式升降機 結構簡單, 價格便宜 機械磨損大易發(fā)生危險 液壓式升降機 安全性能好、運行平穩(wěn)、維護簡單、工作效率高 成本高 第2章 升降機設計任務和總體方案設計 2.1升降機設計任務 本次設計課題為教師自擬課題，具體設計要求見表2-1。 表2-1 雙柱式升降機設計要求 項目 數據 額定升降質量 3000kg 升降高度 1800mm 全程上升/下降時間 ≤1min 動力來源 電機驅動 傳動方式 絲杠傳遞 2.2舉升機總體方案設計 2.2.1擬定設計方案 1、 電機配置方案 1）單電機方案：傳動路線為電機-帶傳動-螺旋傳動-同步機構-螺旋傳動。此方案預選電機功率為4kw，同步機構占用空間使物體不方便擱置，結構復雜，可靠性不高。 2）雙電機方案：兩邊立柱上各有一電動機。此方案預選電機功率為2.2kw，通過電機的通斷來控制懸臂的同步運動，省去中間同步傳動環(huán)節(jié)，結構簡單，可靠性高。 2、升降機構 1）齒條傳動齒條傳動，采用以齒條為承載軌道進行同步升降。機械能轉化率高，但承載較次。 2）滾珠絲杠傳動，采用以旋轉運動轉化為直線運動，平穩(wěn)輕便快捷，機械能轉化率低。 3）滑動螺旋傳動，采用以旋轉運動轉化為直線運動，平穩(wěn)承載能力強，機械能轉化率低。 4）液壓傳動，傳動平穩(wěn)，承載能力大，也簡化了機械結構，但制造精度高，成本高，使用維護嚴格。 3、 單電機方案中同步機構 升降機左右兩立柱上的四個托架(與滑套相聯(lián)接)，必須要達到同步才能進行升降。經分析有以下三種方案可進行選擇: 1）螺旋副——錐齒輪——長軸——錐齒輪——螺旋副機械傳動結構。此方案可以很好的實現升降的同步性，不過其結構較為復雜，長軸雖可采用無縫鋼管與短軸頭焊接措施替代，但結果依舊不理想，因為重量過大。 2）選用外轉性相近的兩個電動機與加工精度相近的在裝配時進行調整選配的兩個螺旋副.分別驅動的傳動結構。 3）鏈傳動結構。同步性可靠，結構簡單，自重小，結構安全可靠傳動效率較高，但需要安裝張緊裝置和托板。 4）同步帶傳動。同步性可靠，結構簡單，傳動效率較高，但兩帶輪間距過大，需要設置張緊裝置，且同步帶傳動使用維護嚴格。 4、鎖緊保險裝置 除了運用螺旋傳動的自鎖特性和雙螺母完成預定高度的鎖緊，升降機還需要另外設置鎖緊保險裝置，使懸臂不會因為一些外界原因而使在運載物體的過程中發(fā)生物體的掉落或劇烈的抖動?，F有以下兩種方案： 1）包含電磁鐵、彈簧或制動板的自鎖保險裝置。 2）采用適用于固定Z軸（垂直軸）上使用的導軌鉗制器。 2.2.2確定總體設計方案 方案一：原動機采用一個電機，電機通過普通V帶傳動將運動和力矩傳遞到右側螺桿，螺旋傳動將右側螺桿的旋轉運動轉化為螺母的直線運動，左側螺桿的轉動通過傳動比為1的鏈傳動傳遞到右側螺桿，實現左右螺桿的同步運動，即右側螺桿將轉動轉化為螺母的直線運動。 方案二：原動機為分別安裝在左右立柱上的兩電機，通過兩電機的通斷電實現左右螺桿的同步運動，螺桿把轉動轉變?yōu)橹本€運動，從而是螺母同步上下運動，實現汽車升降。 總結，根據以上分析發(fā)現，方案一結構較復雜，可靠性較低，而方案二可以省去機械的同步運動機構，簡化了機械結構，并且耗電量上兩方案區(qū)別不大，因此，本雙柱機械式汽車舉升機選擇方案二。 第3章 原動機的選擇 3.1選擇原動機類型和結構 原動機選擇最常見的Y系列三相異步電動機，它是按國際電工委員會（IEC）標準設計的。其中Y系列（IP44）電動機為籠型封閉式結構，能防止灰塵、水滴侵入電機內部，自扇冷卻；可采用全壓或降壓啟動，B級絕緣[13]。 3.2確定原動機的轉速及功率 考慮到升降機的上升速度，選擇滑動螺旋副的轉速為240r/min，又因為立柱箱體尺寸，選定帶傳動傳動比為i = 4，則電動機的轉速選擇為6級，同步轉速1000r/min，滿載轉速約為960r/min。根據升降機設計要求，F = 22050N。 根據滑動螺旋傳動的驅動轉矩 則滑動螺旋副所需功率，電動機的功率為。傳動裝置的總效率，其中，η1為帶傳動效率，取0.96；η2軸承效率，取0.98。 綜上，電動機的功率P=2.2kw。 根據機械設計手冊選擇Y112M-6，其各項參數如表3-1。 表3-1 電機Y112M-6各項參數 電機型號 額定功率 kw 滿載轉速r/min 啟動轉矩 N.m 最大轉矩 N.m Y112M-6 2.2 960 2.0 2.2 第4章 帶傳動的設計 4.1帶傳動簡介及類型選擇 帶傳動是運用繃緊在帶輪上的傳動帶，利用帶和帶輪之間間的摩擦或嚙合來傳遞力的。帶傳動由于其結構簡單、成本低、傳動穩(wěn)定、不需要潤滑等優(yōu)點，在工業(yè)以及生活中被廣泛的應用。根據帶形狀的不同，帶傳動可分為平帶傳動，V帶傳動和同步帶傳動[3]。 帶傳動具有軸承摩擦損失、滯后損失、空氣阻力和滑動損失這四種功率損失方式。由于以上功率損失的產生，帶傳動的效率大概在80%到98%之間，不同種類的帶的傳遞效率不同，具體效率見下表4-1[3]。 表4-1 各類帶傳動的效率 帶的種類 效率（％） 平帶 83~98 有張緊輪的平帶 80~95 普通V帶 簾布結構 繩芯結構 87~92 92~96 窄V帶 90~95 多楔帶 92~97 同步帶 93~98 根據電機的容量、傳動的效率以及帶的成本，最終選擇較為普遍的普通V帶傳動，結構為繩芯結構。這種結構的V帶有著當量摩擦因數較大、工作面與輪槽粘附著好、傳動比大、預緊力小，曲撓疲勞性好等優(yōu)點。 4.2帶傳動設計計算 4.2.1帶傳動設計初始條件 根據第三章所確定的電機型號，來確定帶傳動的初始值?？芍姍C功率為2.2kw，大帶輪轉速為960r/min，小帶輪轉速為240r/min。 V帶的主要失效形式主要有：帶在帶輪上打滑，不能傳遞動力；帶由于疲勞產生脫層、撕裂和拉斷；帶的工作面磨損。因此，V帶傳動設計的主要內容為保證帶傳動在工作中不打滑，并具有一定的疲勞強度和使用壽命。 4.2.2帶傳動設計計算 1、 設計功率 式中 KA——工況系數，因升降機每日該工作時間不會多于10小時查表取1.1 P——工傳遞的功率， P = 2.2 ×0.96 = 2.11kw 2、 選定帶型 根據設計功率Pd和小帶輪帶速n1，選取帶型為A型。 3、 傳動比 4、 小帶輪基準直徑 為提高V帶的壽命，原則上宜選取較大的直徑，但由于立柱空間的限制， 現選擇小帶輪基準直徑。 5、 大帶輪基準直徑 ，按機械設計手冊選取大帶輪基準直徑標準值。 6、 帶速 dp1 ——工大帶輪的節(jié)圓直徑，通常帶輪的節(jié)圓直徑可視為基準直徑 對于普通V帶，，滿足條件。 7、 初定軸間距 ，所以 8、 所需基準長度 ，其中， 按機械設計手冊選取基準長度 9、 實際軸間距 安裝時所需最小軸間距： 10、 小帶輪包角 11、 單根V帶傳遞額定功率 根據帶型、dd1和n1查表線性插求得。 12、 傳動比i ≠ 1的額定功率增量 根據帶型、dd1和n1查表線性插求得。 13、 V帶根數 ，取4根V帶 式中 Ka——工小帶輪包角修正系數，查表取0.85， KL——帶長修正系數，查表取0.93。 4.2.4 帶輪結構設計 1、 帶輪設計要求 設計帶輪時，應考慮其結構是否簡單，質量分布是否均勻，重量不易過大，并盡可能避免由于鑄造而產生的內應力。速度大于5m/s時要進行靜平衡，V速度大于25m/s時則應進行動平衡。為了最大地減少V帶的磨損，輪槽的工作表面應盡可能光滑[4]。 2、 帶輪材料 帶輪材料常采用灰鑄鐵、鋼、鋁合金等。其中灰鑄鐵應用最廣，當速度的小于等于30m/s時用HT200，速度的大于等于25-45m/s，則宜采用孕育鑄鐵或鑄鋼，也可采用鋼板沖壓-焊接帶輪。小功率傳動可用鑄鋁或塑料[7]。 3、 帶輪的結構 帶輪的主要組成部分有輪緣、輪輻和輪轂。其中輪輻部分分為實心、孔板和橢圓輪輻三種。 通過查閱機械設計手冊，最終確定小帶輪為實心輪，大帶輪為孔板輪，材料均為HT200。 第5章 舉升機構的設計 5.1舉升機構的選擇 根據設計要求的規(guī)定本次設計需要采用絲杠傳遞，即螺旋傳動。螺旋傳動的主要組成部分是螺桿（絲杠）和螺母，基本原理是通過螺桿和螺母的旋合傳遞運動和動力[8]。將旋轉運動變成直線運動，可以將較小的力矩轉化為較大的推力。 螺旋傳動根據其螺紋副摩擦性質的差異，可以分為滑動螺旋傳動、滾動螺旋傳動和靜壓螺旋傳動三類，其對應的特點和應用可見下表5-1。 表5-1 各類螺旋傳動的特點和應用 種類 滑動螺旋傳動 滾動螺旋傳動 靜壓螺旋傳動 特點 1. 摩擦阻力大，傳動效率低 2. 結構簡單，加工方便 3. 易于自鎖 4. 運轉平穩(wěn)，但低速或微調時可能出現爬行 5. 螺紋有側向間隙，反向時有空程 6. 磨損快 1. 摩擦阻力小，傳動效率高 2. 結構復雜，制造困難 3. 具有傳動可逆性 4. 運轉平穩(wěn)，起動時無顫動，低速時不爬行 5. 抗沖擊性能較差 6. 工作壽命長，不易發(fā)生故障 1. 摩擦阻力極小，傳動效率高 2. 螺母結構復雜 3. 具有傳動可逆性 4. 工作平穩(wěn)，無爬行現象 5. 反向時無空程 6. 磨損小，壽命長 7. 需要一套壓力穩(wěn)定、溫度恒定、過濾要求較高的供油系統(tǒng) 應用舉例 金屬切削機床的進給、分度機構的螺旋傳動，摩擦壓力機，千斤頂的傳力螺旋 金屬切削機床、測試機械、儀器的傳動螺旋和調整螺旋等 精密機床的進給、分度機構的傳動螺旋 根據雙柱式升降機的應用行業(yè)和工作條件及螺旋傳動的特點和應用，經分析確定滑動螺旋傳動作為升降機的升降機構。 滑動螺旋副常采用梯形螺紋、鋸齒形螺紋或矩形螺紋等，三種主要螺紋的特點和應用見表5-2 表5-2 三種螺紋副的螺紋種類、特點和應用[4] 種類 特點 應用 梯形螺紋 牙根強度高，螺紋的工藝性好；內外螺紋以錐面貼合，對中性好，不易松動；采用剖分式螺母，可以調整和消除間隙；效率較低 用于傳力螺旋和傳動螺旋如金屬切削機床的絲桿、載重螺旋式起重機 鋸齒形螺紋 外螺紋牙根處有很大的圓角，使得應力集中變小、動載強度增大；大徑處無間隙，便于對中；與梯形螺紋同樣都有螺紋強度高、工藝性好的優(yōu)點，但效率較高 用于單向受力的傳力螺旋，如水壓機的傳力螺旋、火炮的炮栓機構 矩形螺紋 傳動效率高，但精度要求很高；螺紋強度較低，對中性較差，螺紋副磨損后的間隙不易維修 用于傳力螺旋和傳動螺旋，如一般起重機 根據雙柱式升降機的應用行業(yè)和工作條件及螺旋副的特點和應用，經分析確定以梯形螺紋作為滑動螺旋副的螺紋，為了使螺旋副具有自鎖性能，以單頭螺紋作為螺紋頭數。 滑動螺紋傳動的螺母分為整體螺母、組合螺母和剖分式螺母三類。其各自的結構特點見下表5-3。 表5-3 三種螺母結構的特點 種類 整體螺母 組合螺母 剖分式螺母 特點 結構簡單，但由于磨損產生的軸向間隙不能補償，只適用于精度較低的螺旋傳動 結構復雜，但可以定期的調整，以消除軸向間隙，避免反向轉動的空程 結構較復雜，但可以補償旋合螺紋的磨損 雖然組合螺母和剖分式螺母的優(yōu)點十分明確，但是因其結構太過復雜，本著設計結構盡可能簡單的原則，最終確定升降機選擇整體螺母。 綜上所述，本次設計采用滑動螺旋傳動，梯形螺紋和整體螺母作為升降機構。 5.2滑動螺旋副的設計計算 根據設計要求，確定滑動螺旋副采用梯形螺紋，整體螺母的構造，額定升降重量為3000kg，最大升降高度為2000mm，全程升降時間不超過1min。以下為滑動螺旋副的具體數值計算。 5.2.1耐磨性 為了使滑動螺旋副的螺紋磨損在可使用的范圍內，也為了確定螺桿的直徑與螺母的高度，因此需要進行耐磨性的計算。 1、螺桿中徑 式中 ξ= 0.8； F——單柱軸向載荷，1.5為安全系數 [p]——許用壓強，取15 Ψ——根據螺母的形式選定，整體母取2.5~3.5 為了使螺桿的耐磨性、自鎖性、螺桿強度、螺紋牙強度、等達到設計要求，選取螺桿中徑d2為35mm。根據算出的d2按螺紋的標準基本尺寸系列選取相應的d和P，確定直徑d = 40mm和螺距 P = 10mm。 2、螺母高度 mm 3、旋合圈數 符合要求 4、螺紋的工作高度 梯形螺紋h = 0.5×P = 0.5×10 = 5mm 5、螺紋表面工作壓強 MPa 5.2.2驗算自鎖性 當量摩擦角為： 螺紋升角為： 由上可知螺旋升角小于當量摩擦角，所以螺紋可以自鎖。 5.2.3螺桿強度的校核 螺旋傳動轉矩為： 當量應力為； 許用應力[σ]經查表為：68-120MPa σ≤[σ]，螺桿的強度滿足設計要求。 5.2.4螺紋牙強度的校核 1. 螺紋牙底寬度 梯形螺紋 2. 螺桿抗剪強度的校核 [τ]查表得：30-40，τ≤[τ]。 3. 螺桿抗彎強度 查表得：40-60，≤。 由于螺母的材料強度一般低于螺桿，所以只需校驗螺母螺紋牙的強度即可保證螺紋牙的強度。綜上所述，螺紋牙的強度足夠，符合設計要求。 5.2.5螺桿的穩(wěn)定性 螺桿的端部采用兩端固定的結構，長度系數μ取0.5。螺桿的長度l= 2000mm。螺桿危險截面的軸慣性矩。螺桿危險截面的慣性半徑。E為螺桿的彈性模量，取E=2.06e5。 當時,螺桿的臨界載荷為： 則，滿足條件。 5.2.6橫向振動-驗算臨界轉速 螺桿在高速旋轉是會產生橫向振動，所以還需校核其臨界轉速。 n = 240r/min ≤ 0.8nc = 255r/min ，滿足條件。 式中 lc——螺桿兩支承間的最大距離，取lc = 2300 mm μ1——系數，與螺桿的端部固定結構有關，查表取4.730 5.2.7驅動轉矩和效率 驅動轉矩為： 效率為： 第6章 支撐機構結構的設計 6.1 支撐機構的結構 本次設計的支撐機構是升降機的升降臺懸臂部分。當成載物體進入到升降機的范圍里時，升降機的整個工作范圍的寬度就可以隨著懸臂的角度和長度的改變而改變。本次設計的支撐機構為對稱式懸臂，這樣設計有利于保持承載物體的穩(wěn)定性，使立柱中各機構的受力更均勻。具體工作如下圖6-1所示： 圖6-1 對稱式懸臂的工作范圍示意圖 如圖圖中的陰影部分就是懸臂的工作范圍，能夠滿足各種承載的寬度。 圖6-2 懸臂結構圖 懸臂由兩段部分組成，可以根據實際情況來改變懸臂的長度，其伸縮范圍為250mm，具體結構可參考上圖6-2。 6.2 支撐機構的應力校核 6.2.1 校核彎曲切應力 彎曲切應力的計算公式為： 式中 Fs——橫——截面上的剪力； b——截面寬度； Iz——整個截面對中性軸的慣性矩； S*z ——截面上距中性軸為y的橫線以外部分面積對中性軸的靜距。 計算Fs 由本舉升機的設計要求，懸臂末端Fs = 7450N。 計算Iz 應用SolidWorks截面參數命令得到的懸臂截面參數，由此可得： 計算S*z 由公式可知，要計算Sz，先要求出截面上距中性軸為y的橫線以外部分面積和形心坐標。 計算可以利用組合法，見圖6-3。由于截面關于Y軸對稱，因此計算只計算Y軸左側。 圖6-3 組合法計算形心坐標 所以 化簡可得： 所以懸臂的彎曲切應力為： 所以為y = 0時，＜0.6[σ]=141Mpa，符合要求。 6.2.2 校核彎曲正應力 懸臂的彎曲正應力計算公式為： ， 式中 Mmax——懸臂最大彎矩； W——抗彎截面系數，與截面的幾何形狀有關； Iz——整個截面對中性軸的慣性矩； y——截面上距中性軸為y的橫線。 經計算可知，Iz = 3631840mm4；支撐懸臂的最長距離為1010mm，所以Mmax = 1010*7450 = 7524.5N·m。再通過上式可以得出懸臂的彎曲正應力為： ，符合要求。 第7章 導軌結構的設計 7.1導軌類型分析選擇 直線導軌通常分為滑動直線導軌、滾動直線導軌和靜壓直線導軌三種，其各自的基本性能和特點如下表7-1可見[3]。 表7-1 直線運動導軌基本性能比較 運動形式 滑動導軌 滾動直線導軌 靜壓導軌 摩擦因數 μ=0.04-0.06 μ=0.003-0.005 μ=0.0005-0.001 運行速度 低速 低速~高速 中速~高速 剛度 高 較高 較低 壽命 三者相近 可靠性 高 較高 較差 根據本次設計的具體條件，選用滾動直線導軌。滾動直線導軌的類型繁多，具體類型有四方向等載荷型、輕載荷型、分離型、徑向型等直線導軌副。本次設計選擇四方向等載荷型。 圖7-1為四方向等載荷型滾動直線導軌副結構簡圖。這種類型導軌具有以下優(yōu)點：滾動體與圓弧溝槽為面接觸，承載能力大，剛性好；摩擦因數小，僅為滑動導軌副的二十分之一到五十分之一，節(jié)省動力；由于接觸方式為面接觸故磨損小，壽命長，并結構簡單安裝、維修簡便。精度高，即使進給量微小，也能精確地控制位置；導軌兩側安裝有互為垂直的兩列承載滾珠，所以其剛性好，可承受的沖擊量較大。 圖7-1 四方向等載荷型滾動直線導軌副結構簡圖 7.2 直線運動系統(tǒng)載荷計算 由于工件重力及重心位置的變化、驅動力F及工作阻力R作用位置的變化、啟動及停止時加速或減速引起的速度變化等因素的影響而發(fā)生變化。直線運動系統(tǒng)所承受的載荷也會發(fā)生變化。下面為其計算方法。 圖7-2 直線運動系統(tǒng)受載情況計算示意圖 圖7-2所示模型適用于立式導軌勻速運動或靜止的受載計算，本次設計的升降機由于升降速度小，慣性力引起的載荷變化可以忽略不計，具體計算公式如下： 式中 W——外加載荷 P1、P2、...——垂直于運動平面的支反力 P1T、P2T、...——平行于運動平面且垂直于導軌的支反力，下同 F——驅動（推）力 根據設計要求，升降機的左右對稱中心線與導軌中心線的距離為1515mm，計算出外加載荷作用線據導軌中心線的最長距離為690mm。圖7-3為其直線運動載荷示意圖。 圖7-3直線運動載荷示意圖 升降機的導軌設置為沒個立柱都安裝一根導軌，每根導軌兩個滑塊。根據直線運動系統(tǒng)受載計算公式可以求得： 7.3 滾動直線導軌副壽命計算 為了防止?jié)L動元件與滾動軌道的疲勞點蝕與塑性變形所帶來的一些安全隱患，應對滾動直線導軌副進行動（壽命）、靜載荷計算。 7.3.1壽命計算的基本公式 直線運動滾動功能部件壽命計算的基本公式如下： 滾動體為球時： （7-1） 式中 L——額定壽命，km； C——基本額定動載荷，kN； P——計算載荷，kN； fH——硬度系數，fH均可取1； fT——溫度系數； fC——接觸系數； fW——載荷系數。 用小時數表示的額定壽命Lh為： （7-2） 式中 l——直線運動部件單向行程長度，m； n——直線運動部件每分鐘往返次數，1/min。 7.3.2 滾動導軌副的壽命計算及選用規(guī)格 給定本次設計的雙柱式升降機壽命為五年，按每年工作300天計算，則總工作小時數為： 根據公式（7-2）可得： 式中 l——直線運動部件單相行程長度，取l = 2m n——直線運動部件每分鐘往返次數，根據實際情況，按一次修車15min 計算，則每分鐘往返次數為1/15。 再根據公式（7-1）可得: 式中 fH——硬度系數，取值為1 fT——溫度系數，工作溫度≤100°，取值為1； fC——接觸系數，每根導軌上兩個滑塊，取值為0.81； fW——載荷系數，無外部沖擊或振蕩的低速運動場合，取值為1.1。 通過查找機械設計手冊，選用規(guī)格為25，基本額定動載荷為17.7KN的四方向等載荷型直線導軌副。 第8章 鎖緊機構的設計 8.1 鎖緊機構的必要性 升降機的升降懸臂在升到所要求高度后, 為了使懸臂能夠穩(wěn)定的停留就必須采用鎖緊裝置, 使其不會因為一些原因產生物體掉落或者懸臂抖動的現象。因此升降機鎖緊機構的設計對其在工作中和工作后懸臂停留的穩(wěn)定性至關重要?，F在通常采用的鎖緊機構有以下幾種： 1） 在設計產品上安裝具有電磁鐵、彈簧或制動板的鎖緊機構。電磁鐵鎖緊裝置,由于電磁鐵在設計和生產當中會出現差異,所以在電磁鐵工作當中會產生較大的噪音, 而且質量問題也不能得到保障, 會引發(fā)一系列的危險。 2） 帶有彈簧的鎖緊裝置, 由于彈簧本身的一些性能，例如壽命不長等原因會大大降低升降機機鎖緊性能， 在升降機上使用會產生巨大的安全隱患。 3） 在升降機立柱上每隔一定高度上安裝一塊止動板，并且在升降懸臂末端部安裝有可以轉動的鎖鉤，使其一一對應于安裝的止動板。但是這種機構由于止動板和鎖鉤可能不能全部及時復位，所以隱患也較大。 8.2 鎖緊機構的原理分析 由于上述鎖緊機構或多或少都有一定的安全隱患，因此本次設計在經過查閱資料并詢問老師后，采用一種不需要額外夾緊力就能使升降懸臂鎖緊在適當位置的機構來進行升降機的鎖緊。 在升降平臺上額外安裝了兩個特殊的圓環(huán)元件，其通過簡單物理接觸產生的力來卡緊圓柱軸。當升降機工作時，內部的非金屬圓環(huán)與圓柱軸之間有間隙，因此不會對升降機工作產生影響。具體結構如圖8-1所示。 圖8-1 平臺升降時鎖緊機構原理圖 當托臂升到所需要的一定高度時，電機停止轉動，托臂及其承載的全部重量都被施加在外圓環(huán)上，產生一個向下的壓力，壓力會給內部非金屬環(huán)一個水平方向的力來夾緊圓柱軸，使托臂不會掉落。如圖8-1所示。 托臂所承載的物體越重，其產生的水平夾緊力也就越大，所以不會產生夾緊力不夠而使托臂下滑的現象。 8.3 鎖緊機構的選擇 在實際生活中已經有具備這種原理的機構出現，例如導軌（光軸）鉗制器。本次設計的夾緊機構就是在一個固定的Z軸上運用導軌鉗制器這一輔助配件，防止懸臂在工作停止時滑落。其制動的動力為氣壓，并且為常閉型。當電機停止工作時沒有氣壓被供給，導軌鉗制器便依靠特殊彈簧的作用夾緊軸，使托臂固定在所要求的位置。當電機工作時會供給給鉗制器氣壓，彈簧便會松開不會對升降產生影響。其具體結構結構如圖8-2所示。 圖8-2 導軌鉗制器結構圖 根據本次設計的設計要求及導軌鉗制器的型號表，選擇型號為RBPS-2600的導軌鉗制器。 8.4 鎖緊機構的校核 本次設計將導軌鉗制器安裝在一個光軸（Z軸）上，其由于要和導軌鉗制器進行配合，確定其直徑為28mm。此光軸屬于細長桿件，為了保證細長桿件在受壓時不會發(fā)生壓桿失穩(wěn)的現象，所以需要對其穩(wěn)定性進行校核。 1） 選擇校核公式 光軸橫截面慣性矩： 光軸橫截面的慣性半徑： 式中 A——橫截面面積。 光軸的柔度： 式中 μ——壓桿的長度因數，取μ = 0.5。 取彈性模量E = 206GPa，壓桿的柔度極限值為： 因為光軸的壓桿柔度大于其極限柔度，所以可使用歐拉公式對其進行校核。 2) 校核壓桿穩(wěn)定性 歐拉公式的普遍形式為： 式中 I——橫截面的慣性矩； E——材料彈性模量； μ——壓桿的長度因數，由壓桿的約束條件決定。 對需校核的光軸應用歐拉公式可得： 根據機械設計手冊得出，安全系數取3-5，所以直徑為28mm的光軸滿足條件。 第9章 螺栓連接件的校核 本次設計在許多元件的連接上采用了螺紋鏈接，所以對所有的螺紋連接進行校核是很有必要的，本次主要對升降臺與剖分式螺母套的螺紋及箱體與地基的螺紋進行校核。 9.1 升降臺與剖分式螺母套的螺紋校核 升降臺與剖分式螺母的連接方式是鉸制孔用螺栓進行鏈接，這種螺栓承受橫向剪切載荷。這種螺栓桿與孔壁之間是過盈配合，接觸表面承受擠壓應力；而在連接接合面處，螺栓桿則承受剪切應力。因此，應該對其擠壓和剪切強度分別進行計算。升降臺與剖分式螺母螺紋的鏈接結構和受力如圖9-1所示。 圖9-1 螺紋連接示意圖 螺栓桿與孔壁的擠壓強度條件為: 螺栓桿的剪切強度條件為： 式中 F ——螺栓所受的工作剪力，N； d0——螺栓剪切面的直徑，mm； Lmin——螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度，mm。 根據本次設計的總體設計要求，額定舉升高度為3t，得到各個螺栓承受的工作剪力F為： 再由上述公式可得： 綜上所述，預選螺栓的性能等級為4.6，屈服極限為240MPa。 螺紋連接件的許用切應力和許用擠壓應力由以下公式所確定： 對于鋼，，取根據《機械設計》的表5-10，安全系數分別取。 所以， 滿足要求。 綜上所述，升降臺與剖分式螺母套之間的螺紋連接采用鉸制孔螺栓M18×55，性能等級為4.6。 9.2 箱體與地基的螺紋校核選擇 箱體與地基之間是采用普通螺栓連接的，因為箱體受力矩較大，為了防止箱體的最大受力處被壓碎或產生一些間隙，所以需要對其進行校核，使受載后地基接合面應力的最大值不超過允許值，最小值不小于零。所以： ，代表受載前由于預緊力所受的擠壓應力；A為接合面的面積；為加載后接合面上所產生的最大的附加擠壓應力。由于地基剛性大，螺栓剛度相對較小，可用近似公式計算，式中，W是接合面的有效抗彎截面系數。其許用擠壓應力如表9-1所示。 表9-1 連接接合面材料的許用擠壓應力 材料 鋼 鑄鐵 混凝土 磚 木材 /MPa 0.8 （0.4~0.5） 2.0~3.0 1.5~2.0 2.0~4.0 經分析，螺紋連接預選為M20，共需9個螺栓，其性能等級為5.6。 鋼制螺栓連接的預緊力F0，可由下面公式計算得到： 碳素鋼螺栓： 。螺栓性能等級選擇5.6，屈服極限為300MPa。A1為螺栓危險截面面積，所以有： 這里F0取47100N。 箱體地面為一長方形，長為417mm，寬為390mm，抗彎截面系數為:。 根據設計要求的升降重量升降機的尺寸可以得到： 。 箱體與地基的接合面的有效面積A = 159896mm2?？傻茫? 由上可知，螺栓的預緊力過大，不符合要求。因此取F0 = 20000N，再代入公式計算得： 滿足條件。 綜上所述，為了防止箱體的最大受力處被壓碎或產生一些間隙，最終確定螺栓預緊力為 20000N。 結論 雙柱式升降機設計主要內容是進行物體的設計。首先，需要對升降機進行大體上結構的設計，明確所要達到的具體目的；其次，要對其進行具體的尺寸計算以及各零部件的校核，保障在工作時不會遇到各種問題；最后，要運用CAD、SolidWorks等制圖軟件將所設計的物體以圖紙的形式表達出來。在確定結構時，對其總體的結構、如何實現同步傳動、升降機構、鎖緊機構等進行了科學的選擇，盡可能使所設計的機構簡單且符合設計要求。在確定完各個零部件的尺寸之后，對每個需要校核的零件進行了校核，例如：對主要的承重部件進行了強度以及剛度的校核；對螺旋傳動裝置、皮帶傳動裝置進行了校核計算，對重要螺紋連接進行了校核計算。此外，本次設計在查閱了多方資料后，采用了雙電機驅動來保證升降的同步性；并且在鎖緊機構的選擇上并沒有使用較為落后的包含電磁鐵、彈簧或制動板的自鎖保險裝置，而是采用了導軌鉗制器。這兩點屬于區(qū)別于普通升降機的設計。機械式的升降機雖然同步性較好運行平穩(wěn)，但是其磨損損耗較大，維護成本較高。這也是機械式升降機的不足之處。 致 謝 時光飛逝，轉眼間大學生活即將結束了。為了檢驗大學階段的學習成果，也為了給自己的大學生活畫上一個完美的句號，學校要求沒個畢業(yè)生都要進行畢業(yè)設計。在經歷了兩個月的畢業(yè)設計階段后，我滿懷這對大學生活的留戀及對未來生活的憧憬寫下了這篇致謝。 首先，我要特別感謝我的畢設指導老師何俊杰老師。在畢業(yè)設計的過程中，面對所遇到的一系列難題，賀老師給我提供了很大的幫助。在我每次去老師辦公室詢問時，無論是從最初的設計結構的確定，還是中期各種數據的計算，再到后期使用軟件作圖，老師總是不厭其煩的解答我遇到的每個問題，給予我悉心的指導。在此謹向賀老師表示深深的謝意。 其次，我還要感謝我的朋友莊鶴和梁夢然兩位同學。在畢設中，他們不僅在畢設工作中幫助我，幫我結局了一些技術上的同時我們也在生活中、思想態(tài)度上互相鼓勵、互相扶持。最終完成了畢業(yè)設計。 最后，感謝在大學生活中悉心教導過我的每一位老師。沒有你們的傳道受業(yè)，我們也學習不到這么多專業(yè)知識；沒有你們的諄諄教導，我們也不會能夠成為新時代的人才。 大學生活已然就要結束了，感謝在大學生活中陪伴在我身邊的每一位老師、朋友、同學，有了你們我才能在大學當中慢慢成熟長大；有了你們我才能不忘初心，穩(wěn)步向前；有了你們才有了我豐富多彩的大學生活！ 參 考 文 獻 [1] 郭武，黃澤星，吳上生.汽車舉升機的發(fā)展趨勢分析[J].應用研究,2011:75-79. 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