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河北建筑工程學院
畢業(yè)設(shè)計計算書
指導(dǎo)教師：孫有亮 趙芳
設(shè)計題目: 水泥電桿搬運栽桿機設(shè)計 設(shè)計人：馮沖
設(shè)計項目
計算與說明
結(jié)果
1.1水泥電桿的搬運起立方法和技術(shù)現(xiàn)狀
1.2本設(shè)計成果的優(yōu)點
1.3機械工業(yè)在現(xiàn)代化建設(shè)中的作用
1.4我國機械工業(yè)發(fā)展的情況
2.1概述
2.2主要工作裝置的結(jié)構(gòu)和工作特點
2.3確定總體設(shè)計方案
2.3.1性能要求的確定
2.3.1.1所能起立電桿的長度、直徑及最大重量的確定
2.3.1.2最大起升高度的確定
2.3.1.3垂直度調(diào)整精度的確定
2.3.2產(chǎn)品設(shè)計要求
2.3.3設(shè)計思路
2.4設(shè)計目的
3.1提供動力的機械的選用
3.1.1提供動力的機械選用原則
3.1.2選用叉車做為提供動力的機械
3.2傳動方案的選擇
3.2.1傳動方案的選用原則
3.2.2傳動方案的確定
4.1概述
4.2門架結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.2.1立柱截面的選擇
4.2.2導(dǎo)向滾輪形式的選擇
4.3門架強度剛度校核
4.3.1門架的外載荷
1、 滾輪Ⅰ-Ⅳ的輪壓
1) 載荷重量Q
2) 叉架和貨叉的重量G
3) 滾輪間距
4) 貨重重心至立柱中心的距離a
5) 叉架和貨叉的重心至立柱中心的距離b
6) 滾輪Ⅰ-Ⅳ的輪壓
2、 滾輪Ⅴ-Ⅷ的輪壓
1) 滾輪間距
2) 滾輪Ⅴ-Ⅷ的輪壓
3、 滾輪1的輪壓
1) 叉架上側(cè)滾輪間距
2) 叉架側(cè)滾輪與正滾輪中心距
3) 貨重重心至叉架下側(cè)滾輪中心距K
4) 門架相對縱向平面傾角
5) 門架最大前傾角
6) 滾輪1的輪壓
4、 滾輪4的輪壓
1) 叉架重心至叉架下滾輪中心距c
2) 滾輪4的輪壓
5、 滾輪5的輪壓
1) 內(nèi)門架側(cè)滾輪間距
2) 叉架重心至內(nèi)門架上滾輪中心距n
3) 內(nèi)門架側(cè)滾輪與正滾輪中心距
4) 滾輪5的輪壓
6、 滾輪8的輪壓
4.3.2門架強度剛度校核
1、 應(yīng)力圖解
2、 變形圖解
4.4由接觸強度校核滾輪直徑
1、 許用接觸應(yīng)力
2、 綜合當量彈性模量
3、 滾輪Ⅰ-Ⅳ直徑校核
1) 滾輪踏面寬度b
2) 直徑校核
4、 滾輪Ⅴ-Ⅷ直徑校核
5、 滾輪1-8直徑校核
4.5起重鏈及其固定螺栓、鏈輪、鏈輪軸承的選擇
4.5.1起重鏈的選擇
1、 鏈類型的選擇
2、 鏈條最大工作載荷
3、 安全系數(shù)S
1) 速度v
2) 安全系數(shù)S
4、 破斷載荷
5、 選鏈的型號
4.5.2選鏈的固定螺栓
1、 許用應(yīng)力
2、 螺栓公稱直徑d
4.5.3鏈輪尺寸的確定
1、 輪直徑
1) 鏈節(jié)距p
2) 輪直徑
2、 輪緣間寬
1) 銷軸長度b
2) 輪緣間寬
3、 輪緣直徑
1) 鏈條通道高度
2) 銷軸直徑
3) 輪緣直徑
4.5.4鏈輪軸承的校核
1、 徑向荷載
2、 基本額定動荷載
3、 基本額定靜荷載
4、 載荷系數(shù)
5、 當量動荷載P
6、 鏈輪轉(zhuǎn)速n
7、 壽命計算
4.6起升油缸的設(shè)計
1、 油缸內(nèi)外徑的計算
1) 油缸類型的選擇
2) 外荷載W
3) 工作壓力p
4) 油缸機械效率
5) 油缸內(nèi)徑D
6) 油缸外徑
7) 柱塞直徑
2、 柱塞桿按強度校核
1) 許用應(yīng)力
2) 強度校核
3、 柱塞桿按穩(wěn)定性校核
1) 慣性半徑i
2) 長細比
3) 臨界推力
4) 安全系數(shù)n
5) 穩(wěn)定性校核
5.1概述
5.2旋轉(zhuǎn)盤傳動計算
1、 選擇液壓馬達
1) 工作機最大轉(zhuǎn)矩
2) 工作機最大功率
3) 傳動裝置總效率
4) 最大輸出功率
5) 選擇液壓馬達
2、 分配傳動比
1) 工作機的轉(zhuǎn)速
2) 傳動裝置的總傳動比
3) 低速級傳動比
4) 高速級傳動比
3、 計算傳動裝置運動和動力參數(shù)
1) 各軸轉(zhuǎn)速
2) 各軸輸入功率
3) 各軸輸入轉(zhuǎn)矩
第1章 前言
1.1水泥電桿的搬運起立方法和技術(shù)現(xiàn)狀
目前水泥電桿的搬運栽桿方法很多，技術(shù)水平參差不齊。這里主要介紹一下目前電力公司大批量搬運栽桿的實際情況，在長距離、大批量搬運電桿中主要用大型運輸車輛，在小距離移動和栽桿中主要運用汽車起重機。目前的主要栽桿技術(shù)是首先固定電桿上端，然后進行吊運移動對準電桿坑進行栽桿。傳統(tǒng)的技術(shù)方法中，主要是起重機吊運栽桿的方法，這種方法的優(yōu)點是運用了大型機械化設(shè)備，減少了體力勞動，并且極大的提高了工作效率，適用于大部分工作場地和工作環(huán)境，但是傳統(tǒng)方法有一定的缺陷
：1、所需施工人員多。包括吊車操作人員、負責桿洞人員、負責前后照應(yīng)人員、其他人員，至少需要6人以上。2、易受城市環(huán)境干擾。易受道路、線路旁其他設(shè)施限制。若吊車無法就位，或吊臂無法架起，則立桿工作難以進行。3、校正電桿困難。由于施工方法固有的缺陷，導(dǎo)致校正電桿十分不便。4、安全性差。若吊點選擇不當，很可能導(dǎo)致電桿突然傾倒，造成人員傷亡。5、施工效率低。由于以上種種困難與不便，導(dǎo)致施工效率低下。
1.2本設(shè)計成果的優(yōu)點
本設(shè)計成果提高了工程質(zhì)量和效率，水泥電桿搬運栽桿機是主要由叉車的機身和專用的栽桿工作裝置組成，以叉車機身為驅(qū)動裝置控制專用的栽桿工作裝置來完成搬運栽桿工作。主要工作過程由裝夾、提起、水平移動、提高、旋轉(zhuǎn)、對準、扦插、掩埋等獨立工作步驟組成。利用它施工時僅需機器操作人員、回填土夯實桿基人員，大大減少施工人員數(shù)量；機器的工作裝置結(jié)構(gòu)緊湊，機器機動性好，受環(huán)境限制??；機器具有專門的垂直度調(diào)整機構(gòu)，方便校正電桿。同時該機器能大大提高施工的安全性與效率。這種機器的應(yīng)用將是對立桿作業(yè)的重大革命。
1.3機械工業(yè)在現(xiàn)代化建設(shè)中的作用
機械工業(yè)的生產(chǎn)水平是一個國家現(xiàn)代化建設(shè)水平的主要標志。這是因為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防和科學技術(shù)的現(xiàn)代化程度，都會通過機械工業(yè)的發(fā)展程度反映出來。人們所以要廣泛使用機器，是由于機器既能承擔人力所不能或不便進行的工作，又能較人工生產(chǎn)改進產(chǎn)品質(zhì)量，特別是能夠大大提高勞動生產(chǎn)率和改善勞動條件。同時，不論是集中進行大量生產(chǎn)還是迅速完成多品種、小批量生產(chǎn)，都只有使用機器才便于實現(xiàn)產(chǎn)品的標準化、系列化和通用化，尤其是便于實現(xiàn)高度的機械化、電氣化和自動化。因此機械工業(yè)肩負著為國民經(jīng)濟各個部門提供技術(shù)裝備和促進技術(shù)改造的重要任務(wù)，在現(xiàn)代化建設(shè)的進程中起著主導(dǎo)和決定性的作用。所以通過大量設(shè)計制造和廣泛應(yīng)用各種各樣先進的機器，就能大大加強促進國民經(jīng)濟發(fā)展的力度，加速我國的社會主義現(xiàn)代化建設(shè)。
70年代以來工程機械發(fā)展的特點可以概括為以下幾個方面：1．工程機械品種，產(chǎn)量劇增，并向多功能高效發(fā)展。2．液壓機械迅速發(fā)展。3．普遍重視產(chǎn)品的標準化、系列化、通用化，以及新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料的應(yīng)用。4.專業(yè)化程度不斷提高，重視質(zhì)量、管理。5．重視實驗與研究工作，提高科技人員的比例。
1.4我國機械工業(yè)發(fā)展的情況
我國的工程機械行業(yè)，如機械制造業(yè)等在不太長的時間內(nèi)有了較快的發(fā)展，但由于我國的工業(yè)基礎(chǔ)薄弱以及工作中的缺點錯誤等原因致使行業(yè)的發(fā)展尚存在一系列的問題有待解決，如：
1）品種和數(shù)量不能滿足建設(shè)的需要。供需之間矛盾較大。
2）產(chǎn)品性能較落后，質(zhì)量亦有待提高。由于生產(chǎn)管理、工藝水平以及材質(zhì)等影響，產(chǎn)品質(zhì)量較差、使用壽命較短。
3）新產(chǎn)品研制及老產(chǎn)品更新周期長，影響發(fā)展與供求。
4）研究和試驗基礎(chǔ)薄弱、條件較差，影響行業(yè)水平的提高。
可以預(yù)期，隨著四個現(xiàn)代化總方針實施，工程機械行業(yè)必將得到高速度地發(fā)展，為國民經(jīng)濟部門和國防建設(shè)提供足夠鐵、優(yōu)質(zhì)的礦山、工程機械，為實現(xiàn)四個現(xiàn)代化的宏偉目標做出貢獻。
第2章 總體設(shè)計
2.1概述
總體設(shè)計是機械設(shè)計中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它是對所設(shè)計機械的總的設(shè)想，總體設(shè)計的成敗，關(guān)系到整部機械的經(jīng)濟技術(shù)指標，直接決定了機械設(shè)計的成敗。總方案一旦確定,即成為詳細設(shè)計的指導(dǎo)文件。
總體設(shè)計指導(dǎo)機構(gòu)設(shè)計和部件設(shè)計的進行，一般由主任工程師主持進行。在接受設(shè)計任務(wù)以后，應(yīng)進行深入細致的調(diào)查研究。收集國內(nèi)外同類機械的有關(guān)資料，了解當前國內(nèi)外裝載機的使用、生產(chǎn)、設(shè)計和科研情況，并進行分析比較，制定總的設(shè)計原則。設(shè)計原則應(yīng)當保證所設(shè)計機型符合有關(guān)的方針、政策。在滿足使用要求的基礎(chǔ)上，力求結(jié)構(gòu)合理、技術(shù)先進、經(jīng)濟性好、壽命長。
總體設(shè)計的原則大致包括3個方面：
總體設(shè)計原則：
1.遵守“三化”：零件標準化、產(chǎn)品系列化、部件通用化。
2.采用“四新”：新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝。
3.滿足“三好”：好制造、好使用、好維修。
（1）系統(tǒng)性原則
即是要把所設(shè)計的機械產(chǎn)品看作是一個系統(tǒng)的一部分，總體設(shè)計時要充分考慮系統(tǒng)的特性，這些特性包括產(chǎn)品與人、工作環(huán)境、運輸安裝條件、其它機器、相關(guān)法律法規(guī)以及產(chǎn)品本身各組成部分的關(guān)系。
（2）合理布局原則
產(chǎn)品的總體布局是總體設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，對后面的零部件的詳細設(shè)計以及產(chǎn)品的制造和運行有重大影響?？傮w設(shè)計應(yīng)遵循便于發(fā)揮功能、結(jié)構(gòu)緊湊、層次分明、比例協(xié)調(diào)的原則。
（3）全面評價原則
最后優(yōu)選總體方案要堅持全面評價的原則。不僅要評價整體功能，也評價局部功能，不僅評價基本功能也要評價附屬功能。評價信息中定量信息的比例應(yīng)盡可能提高，定性信息應(yīng)盡可能地減少，難以量化的定性信息應(yīng)盡可能具體化。評價的準則不僅包括技術(shù)方面的要求，也應(yīng)包括經(jīng)濟和社會方面的內(nèi)容。制定總則之后，便可以編制設(shè)計任務(wù)書，在調(diào)研的基礎(chǔ)上，運用所學知識，從優(yōu)選擇總體方案，以確保設(shè)計的成功。
2.2主要工作裝置的結(jié)構(gòu)和工作特點
水泥電桿搬運栽桿機的工作過程由裝夾、提起、水平移動、提高、旋轉(zhuǎn)、對準、扦插等組成，主要裝置有夾持裝置、旋轉(zhuǎn)盤、提升機構(gòu)（門架裝置）、垂直度調(diào)整機構(gòu)，要求其具有安全性好，精準快速，適應(yīng)范圍廣的特點，具有一定的叉車基礎(chǔ)技術(shù)支持，易于投入生產(chǎn)和普遍推廣。其基本構(gòu)造和工作特點敘述如下：
（1）夾持裝置
夾持裝置用來夾抓電桿、控制電桿的裝置，它的工作平穩(wěn)與否決定了整個夾抓過程的成功與否。夾持裝置要求有足夠的夾緊力，以免電桿在豎立時松脫，又要保證電桿不被夾壞。這需在設(shè)計時進行校核計算。機器能對倒放在地面上的電桿進行夾持，同時在立好電桿后，夾持裝置能方便的松開退出（能通過倒車來實現(xiàn)）。除此之外目前電桿多為拔梢桿。綜上，夾持裝置的結(jié)構(gòu)需仔細考慮。
（2）旋轉(zhuǎn)盤
旋轉(zhuǎn)盤主要作用是將提升到一定高度的電桿從水平狀態(tài)旋轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)，它與叉架連接，而夾持裝置與其連接。
（3）提升機構(gòu)（門架裝置）
提升機構(gòu)的主要功能是提高電桿的裝置，它不僅是主要工作裝置之一，而且是其他工作裝置的整體支架。它借用叉車的門架機構(gòu)。
（4）垂直度調(diào)整機構(gòu)
垂直調(diào)整裝置是在電桿旋轉(zhuǎn)豎起以后進行微調(diào)，使其垂直于地面，保證準確插入電桿坑。要實現(xiàn)機器操作人員一人在駕駛室里就能對電桿的垂直度進行判斷并對其進行方便有效的調(diào)整，這需結(jié)合立桿作業(yè)要求的垂直度精度進行合理的設(shè)計?？v向垂直度調(diào)整利用門架結(jié)構(gòu)的傾斜油缸進行；橫向垂直度調(diào)整利用旋轉(zhuǎn)盤的慢速旋轉(zhuǎn)進行。
（5）叉車車身
水泥電桿搬運栽桿機采用的是叉車車身，水泥桿的重心位于四個車輪所圍成的支撐平面之外，有穩(wěn)定性問題；其底盤系統(tǒng)與汽車、拖拉機、運輸車輛相比，有前輪驅(qū)動、后輪轉(zhuǎn)向、車速較低、爬坡度大、機動性強、結(jié)構(gòu)緊湊、自重較大等特點。叉車由發(fā)動機、輪式底盤、和門架系統(tǒng)組成。叉車底盤與工程機械的地盤相仿，也采用剛性懸架，由傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和行走支撐裝置組成，門架是叉車的工作裝置，門架系統(tǒng)的工作需要液壓系統(tǒng)的支持。
制定總則之后，便可以編制設(shè)計任務(wù)書，在調(diào)研的基礎(chǔ)上，運用所學知識，從優(yōu)選擇總體方案，以確保設(shè)計的成功。制定總則之后，便可以編制設(shè)計任務(wù)書，在調(diào)研的基礎(chǔ)上，運用所學知識，從優(yōu)選擇總體方案，以確保設(shè)計的成功。
2.3確定總體設(shè)計方案
查《供配電線路作業(yè)培訓(xùn)教材》[1]西南交通大學《裝卸機械液壓傳動》編寫小組．裝卸機械液壓傳動．北京：人民鐵道出版社，1979
，得常用混凝土電桿的技術(shù)數(shù)據(jù)：
常用混凝土電桿的長度為10~15m，直徑為150~390mm不等，最大質(zhì)量為1780kg。由此擬定栽桿機所能起立的電桿長度范圍為10~15m，夾持裝置所能夾持電桿的直徑范圍為150~400mm，最大起重量為1800kg。
起升高度與電桿重心位置有關(guān)?；炷岭姉U重心的簡便計算方法可采用以下公式 [2]徐少強，胡國新主編．輸配電線路施工手冊．北京：中國水利水電出版社，2005
：
混凝土電桿重心計算結(jié)果如下：
（1）10m混凝土電桿的重心在距桿根的4.5m處。
（2）12m混凝土電桿的重心在距桿根的5.3m處。
（3）15m混凝土電桿的重心在距桿根的6.5m處。
由此擬定最大起升高度為6.6m。
混凝土電桿的垂直度精度要求為：直線桿的傾斜不應(yīng)大于梢徑的1/2；耐張桿、轉(zhuǎn)角桿應(yīng)向外預(yù)偏不大于1個梢徑[3]胡培生，丁榮編．供配電線路作業(yè)培訓(xùn)教材．北京：中國電力出版社，2007
。如圖2-1所示，有以下關(guān)系式：
圖2-1 電桿垂直度分析
通過對各型號電桿數(shù)據(jù)的計算，擬定栽桿機垂直度調(diào)整機構(gòu)的精度為0.5°。
綜合考慮各方面因素，參考現(xiàn)有叉車性能[4]浙江省電力公司編．10kV配電線路現(xiàn)場標準化作業(yè)應(yīng)用手冊．北京：中國水利水電出版社，2007
，如表2-1所示：
表2-1 栽桿機性能要求
性能要求
值
所能起立電桿長度h(m)
10~15
夾緊機構(gòu)所能夾持電桿的直徑d(mm)
150~400
最大起升高度H(mm)
6600
（續(xù)表2-1）
性能要求
值
最大起重量M(kg)
1800
最大起升速度v(mm/s)
300
鉛垂面旋轉(zhuǎn)速度（快速）
10
鉛垂面旋轉(zhuǎn)速度（慢速）
0.5
傾斜機構(gòu)轉(zhuǎn)動速度
0.5
1）該機器適用于電力公司在市區(qū)和城鎮(zhèn)內(nèi)進行大規(guī)模栽水泥電桿工程；
2）能夠完成水泥電桿搬運栽桿中的裝夾、提起、水平移動、提高、旋轉(zhuǎn)、對準、扦插等主要工作過程；
3）要求裝夾牢固，有足夠的摩擦力并且不會因為裝夾力過大而損壞水泥電桿；
4）要求提起、水平移動、提升過程工作平穩(wěn)、高效，采用液壓推動方式；
5）要求旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)矩足夠，機器主體穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)順時針和逆時針轉(zhuǎn)動；
6）在對準和扦插過程實現(xiàn)駕駛員可視性，要求安裝反光裝置；
7）實現(xiàn)單人操作，占空間小、使用維護簡單；
8）設(shè)計壽命為正常使用狀態(tài)下10年。
1、提升機構(gòu)（門架裝置）參考大連叉車總廠生產(chǎn)的FD250叉車的門架裝置進行設(shè)計。FD250叉車的門架裝置最大起升高度6600mm，最大起升速度300mm/s。門架傾角 前/后3/10，門架高度（貨叉落地）4490mm，為二級門架。車身質(zhì)量為43700kg，額定起重量是22000kg，載荷中心距1220mm。
2、旋轉(zhuǎn)盤參考叉車屬具回轉(zhuǎn)叉的回轉(zhuǎn)機構(gòu)進行設(shè)計[5]北京機械工程學會物料搬運分會編．物料搬運設(shè)備手冊．北京：人民交通出版社，2002.3
。即液壓馬達后接一級蝸輪蝸桿減速、一級圓柱齒輪減速。
3、夾持裝置采用工業(yè)機器人夾持器的一種典型結(jié)構(gòu)：滑槽式手爪[6]石一兵編．小型搬運裝卸機械設(shè)計．北京：中國鐵道出版社，1981
。通過油缸活塞桿推動滑槽，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生加緊動作和加緊力，當活塞桿回退時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，方便松開退出。
4、縱向垂直度調(diào)整利用門架結(jié)構(gòu)的傾斜油缸進行；橫向垂直度調(diào)整利用旋轉(zhuǎn)盤的慢速旋轉(zhuǎn)進行。
5、增加可視機構(gòu)，通過鏡面反射使駕駛員能夠看見電桿扦插入電桿坑的情況，吊重垂線以用于調(diào)整電桿的垂直度。
總體設(shè)計簡圖如圖2-2所示。
圖2-2 總體設(shè)計簡圖
1—夾緊油缸； 2—齒圈； 3—蝸桿（與液壓馬達相連）； 4—鏈輪； 5—起重鏈； 6—輪架； 7—起升油缸； 8—內(nèi)門架； 9—外門架； 10—傾斜油缸；
2.4設(shè)計目的
1．培養(yǎng)學生綜合應(yīng)用所學理論知識和技能，分析和解決機械工程實際問題的能力，熟悉生產(chǎn)技術(shù)工作的一般程序和方法。
2．培養(yǎng)學生懂得工程技術(shù)工作所必須的全局觀念、生產(chǎn)觀念和經(jīng)濟觀念，樹立正確的設(shè)計思想和嚴肅認真的工作作風。
3．培養(yǎng)學生調(diào)查研究，查閱技術(shù)文獻、資料、手冊，進行工程計算、圖樣繪制及編寫技術(shù)文件的能力。
第3章 動力與傳動設(shè)計
機器的組成部分是動力機部分、傳動部分、執(zhí)行部分、控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。本章主要完成動力機的選用，傳動機構(gòu)的設(shè)計，實現(xiàn)動力機的運動形式、機械特性及輸出的空間位置，以及傳動系統(tǒng)與最終工作裝置的完全適合。
3.1提供動力的機械的選用
1）與工作現(xiàn)場和能源條件相適應(yīng)。
室內(nèi)工作或者近距離移動式的產(chǎn)品，應(yīng)選用體積小的二次電動機械。野外工作或者遠距離移動式的產(chǎn)品應(yīng)選用體積稍大的一次動力機械（如柴油機、汽油機、汽輪機驅(qū)動的工程機械等）
2）與工作終端機機械特性相匹配
主要是指由動力機械-傳動裝置-工作機構(gòu)組成的系統(tǒng)在運行時實現(xiàn)以下三個目標：動力機械和工作機處于最佳工況；動力機械和工作機的工作地點穩(wěn)定；動力機械和傳動裝置符合工作機的起動、制動、調(diào)速等方面的要求。
3）適應(yīng)產(chǎn)品的工作制度
4）工作可靠、操作與維修簡便
5）費用低廉，動力機械滿足產(chǎn)品工作現(xiàn)場的特殊要求，如防蝕、防水等。
本設(shè)計的工作地點主要在市區(qū)或是城鎮(zhèn)的電力架設(shè)現(xiàn)場，工作環(huán)境比較惡劣,所以采用柴油機叉車。由于水泥電桿搬運栽桿機與叉車有部分工作過程相似，所以采用叉車的門架裝置作為設(shè)計的基礎(chǔ)，然后經(jīng)過增加一些特殊的機構(gòu)來適應(yīng)本設(shè)計的工作要求。采用此方案符合機械設(shè)計的“三化”（零件標準化、產(chǎn)品系列化、部件通用化） “四新”（新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝） “三好”（好制造、好使用、好維修）原則。
3.2傳動方案的選擇
傳動的類型有許多種。按工作原理分為機械式、電力式、流體式、磁力式；按運動速度分為固定傳動比、變傳動比，變傳動比又分為有級與無級以及周期性規(guī)律變化；按能量傳動方向分為單流式、分流式、匯流式以及混流式等；傳動方案的選用是比較繁雜的工作，需要對傳動的各類型有廣泛的知識，并掌握它們各自的特點以及相互關(guān)系，才能選擇出最好的方案。
選擇方案的基本原則有以下9點：
1）電氣傳動用做動力機的驅(qū)動和控制系統(tǒng)；機械傳動是傳動裝置中支撐性的部件，用做傳動比和精度要求較高的場合；液壓傳動不僅擔負傳動功能同時也適用于實現(xiàn)工作部分的執(zhí)行機構(gòu)。
2）功率是方案選擇的重要因素
對于一些小功率的傳動裝置，在滿足工作性能的前提下應(yīng)選用結(jié)構(gòu)簡單，初始費用低廉的方案。對于大功率的傳動系統(tǒng)，為了節(jié)省和降低成本，在選擇方案時應(yīng)著重考慮傳動效率。
3）工作機變速的要求
若動力機本身的調(diào)速性能能夠適應(yīng)工作機的要求，可選用直聯(lián)方式的固定傳動比的傳動裝置；若動力機調(diào)速性能不能滿足要求，應(yīng)選用有級變速傳動。
4）標準化
5）固定傳動比的傳動應(yīng)優(yōu)先選用機械式傳動裝置。
6）有級變速傳動
變速比較頻繁而精度要求高時宜采用直齒圓柱齒輪變速裝置，如機床主軸箱、進給箱等。
7）無級變速傳動
機械、電力和流體傳動等都可實現(xiàn)無級調(diào)速。
8）按能量流動方向選擇
9）考慮起動、制動、逆向、過載空載的工況下的要求，在各種情況下制動裝置、過載保護等的安裝設(shè)置。
根據(jù)以上的選用原則考慮到本設(shè)計機械的工作要求特做出以下選擇：動力輸出的叉車部分仍采用叉車自身的傳動系統(tǒng)；對于設(shè)計內(nèi)容中主要的門架裝置、旋轉(zhuǎn)盤和夾持裝置部分則采用液壓傳動。具體的工作順序為：夾持裝置打開對準電桿，調(diào)整夾持裝置的高度使電桿進入鉗口，夾持裝置夾緊，提供足夠的壓力使鉗口夾緊電桿，門架裝置起升，當平穩(wěn)后液壓馬達旋轉(zhuǎn)機構(gòu)在工作機械動力的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)帶動夾持裝置豎起電桿，根據(jù)現(xiàn)場情況用旋轉(zhuǎn)盤和叉車門架的傾斜油缸調(diào)整垂直度，調(diào)整完畢后門架下降將電桿扦插到電桿坑內(nèi)。
第4章 提升機構(gòu)（門架裝置）的設(shè)計[7]徐灝主編．機械設(shè)計手冊．北京：機械工業(yè)出版社，1992
4.1概述
門架是裝卸車或堆垛機工作機構(gòu)的主體部件，其重量占整機自重相當大的比例。它的設(shè)計好壞，直接關(guān)系到整車的穩(wěn)定性、自重的減輕、視野的改善等重要指標。
門架是起升機構(gòu)的骨架，也是叉架運動的導(dǎo)軌。為了使貨物能達到一定的起升高度，并且還要減少外形尺寸，叉車門架做成可以上下伸縮的形式。大部分叉車的門架是兩級式門架，通常外側(cè)的一節(jié)是不升降的，稱為外門架；內(nèi)側(cè)的一節(jié)可以沿著外門架上下伸縮，稱為內(nèi)門架。外門架以下橫梁鉸接在車架上或前橋上，形成門架傾斜動作的鉸接支撐；外門架的另一支點通過傾斜機構(gòu)在與車架鉸接。
門架傾斜機構(gòu)的核心裝置是傾斜油缸，傾斜油缸的伸縮即實現(xiàn)門架前傾和后傾，亦即實現(xiàn)貨叉的前傾、后傾。
起升機構(gòu)由起升油缸、鏈輪及輪架、起重鏈和叉架等組成。起升油缸安裝在外門架的下橫梁上。而油缸活塞桿的上端與輪架相連，鏈輪裝在輪架上，在鏈輪上繞有起重鏈，其一端固定在外門架上，另一端繞過鏈輪與叉架相連接。起升油缸頂起鏈輪，通過鏈輪帶動起重鏈，起重鏈牽引叉架，使叉架升降。由于貨叉或其他取物裝置是安裝在叉架上的，從而實現(xiàn)貨叉和貨物的升降動作[8]陶新良主編．電動叉車和電動牽引車的構(gòu)造與維修．北京：中國物資出版社，2006.4
。
4.2門架結(jié)構(gòu)設(shè)計
本設(shè)計采用兩級式門架，最大起升高度6600mm，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4-1所示。
圖4-1 門架結(jié)構(gòu)簡圖
1—傾斜油缸； 2—外門架； 3—內(nèi)門架； 4—起升油缸； 5—輪架； 6—起重鏈； 7—鏈輪； 8—叉架；
成批生產(chǎn)的裝卸車其門架立柱多由沖壓和軋制成形，小批生產(chǎn)可用鋼板焊接而成，其截面形狀和排列形式見圖4-2，可歸納為三大類：(a) 重疊式；(b) 并列式；(c) 綜合式。
目前，門架立柱截面的排列形式多為綜合式，尤其適合于多級門架。其優(yōu)點是提高了門架的剛度和強度；使?jié)L輪的間距加大減小輪壓；運動阻力比重疊式的小等。
(a) 重疊式； (b) 并列式； (c、d、e) 綜合式。
圖4-2 門架立柱斷面和排列形式
鑒于綜合式門架的優(yōu)點，本設(shè)計采用(e)的形式。
查《小型搬運裝卸機械設(shè)計》 [9]鄭江，許瑛 主編．機械設(shè)計．北京：中國林業(yè)出版社；北京大學出版社，2006.8
[10] 陸玉主編．機械設(shè)計課程設(shè)計．北京：機械公寓出版社，2006.12
附錄十七，由起重量選擇外門架與內(nèi)門架立柱截面尺寸。
門架截面形式如圖4-3所示
圖4-3 門架截面
導(dǎo)向滾輪包括側(cè)向滾輪和縱向滾輪（正滾輪）。為了增大滾輪間距，減小輪壓，使結(jié)構(gòu)緊湊，可將正滾輪和側(cè)滾輪做成一體，稱為綜合式導(dǎo)向滾輪，見圖4-4。
圖4-4 綜合式導(dǎo)向滾輪
實踐表明，滾輪與導(dǎo)向槽的間隙通常為1毫米，過大或過小均是不利的。滾輪的間距對于小型裝卸車通常為門架高度的1/6左右。在允許的情況下（即在門架總高度不增加時），滾輪間距越大越好。
整個門架的結(jié)構(gòu)參照現(xiàn)有門架進行設(shè)計，安裝尺寸按標準尺寸設(shè)計。
門架結(jié)構(gòu)的效果圖如圖4-5，4-6所示：
圖4-5 門架（前面）
圖4-6 門架（后面）
4.3門架強度剛度校核
根據(jù)門架的受力狀況，其強度計算時的受力狀態(tài)作如下考慮：貨物升至最大高度；載荷的重心Q偏離裝卸車縱向軸線的距離e等于最大叉間距的1/4；門架最大前傾角；考慮路面不平和側(cè)滾輪與立柱的間隙而引起的框架相對縱向平面傾角，如圖4-7所示。
叉架滾輪以成對的水平集中力偶傳給內(nèi)門架立柱。一組（正滾輪）垂直作用于門架平面的立柱上，另一組（側(cè)滾輪）則作用于門架平面內(nèi)的立柱上。因此，要分別計算這兩個方向上框架的內(nèi)力和應(yīng)力。
現(xiàn)在將叉架上的正滾輪命名為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。內(nèi)門架上的正滾輪命名為Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ。叉架上的側(cè)滾輪叫做1，2，3，4。內(nèi)門架上的側(cè)滾輪叫做5，6，7，8。見圖4-7。滾輪上的壓力按力矩平衡來確定。
圖4-7 門架外載荷受力分析
在門架計算時，重點放在內(nèi)門架。應(yīng)為它的受力情況復(fù)雜且兩立柱間的連接沒有外門架那樣牢固，尤其是叉架的滾輪間距要小得多。因此，內(nèi)門架承受的集中載荷比外門架要大，這對強度和剛度都是不利的。所以，重點應(yīng)對內(nèi)門架進行內(nèi)力分析和強度計算。
利用SolidWorks軟件建立門架的三維模型，材料為16Mn合金鋼，利用SimulationXpress插件進行有限元分析。輸入以上得出的各輪壓，得最低安全系數(shù)3.53462e+006。
最大應(yīng)力，屈服力
最大位移
4.4由接觸強度校核滾輪直徑
接觸應(yīng)力校核公式為：
由上式得：
取
鋼制滾輪時，
4.5起重鏈及其固定螺栓、鏈輪、鏈輪軸承的選擇
片式鏈較環(huán)形鏈工作更為可靠。選片式鏈。
查[6]表31.1-45
根據(jù)，查[6]表31.1-47。
查標準GB/T 6074-1995
所選軸承為N2206E，查[6]表28.2-8
查[6]表28.2-8
查[8]表12.9
4.6起升油缸的設(shè)計[11]西南交通大學《裝卸機械液壓傳動》編寫小組．裝卸機械液壓傳動．北京：人民鐵道出版社，1979
因油缸行程較大，選柱塞式油缸
選定工作壓力為
初估
查[9]表4-1，取
查[9]表4-1，得
，取
普通碳鋼，取
取
第5章 旋轉(zhuǎn)盤的設(shè)計
5.1概述
旋轉(zhuǎn)盤在本設(shè)計中是很重要的一部分工作結(jié)構(gòu)，它連接著夾持裝置與門架裝置，聯(lián)系著電桿水平提起與豎直扦插的工作過程，旋轉(zhuǎn)盤工作的穩(wěn)定與否決定著整個栽桿工作能否順利進行，也決定著本設(shè)計的成功與否。
旋轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計方案是采用液壓馬達作為旋轉(zhuǎn)的動力裝置，后接一級蝸桿傳動減速，一級圓柱斜齒輪傳動減速。蝸桿傳動還能起到自鎖作用，保證電桿在任一角度能可靠停留。液壓馬達旋轉(zhuǎn)的角度是用閥來直接控制的。首先接通閥，驅(qū)動馬達帶動電桿旋轉(zhuǎn)，當電桿旋轉(zhuǎn)到左右垂直方向時，馬達停止旋轉(zhuǎn)，然后調(diào)整前后垂直度，先接通閥推動前后調(diào)整油缸，達到前后垂直后，進行扦插。
旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)簡圖如圖5-1所示：
圖5-1 旋轉(zhuǎn)盤簡圖
1—蝸桿（與液壓馬達相連）； 2—齒圈；
5.2旋轉(zhuǎn)盤傳動計算
，e為電桿最大中心偏距。
由最大輸出功率，查[6]表37·6-20
查[10]表2-1，
強度足夠。
變形很小，剛度足夠。
接觸強度足夠。
接觸強度足夠。
接觸強度足夠。
片式鏈
選LH1622
取
取
取
取
滿足要求。
柱塞式油缸
強度足夠。
安全。
選YM-B102B
輸出轉(zhuǎn)矩
轉(zhuǎn)速
額定壓力
理論排量
將所算數(shù)據(jù)填入表5-1
表5-1 運動和動力參數(shù)
軸號
功率P/W
轉(zhuǎn)矩T/(N·m)
轉(zhuǎn)速
傳動比i
效率η
液壓馬達軸
1948.00
66.900
279
1
0.99
Ⅰ軸
1928.52
66.012
279
39.8
0.45
Ⅱ軸
859.16
1170.468
7.01
4.2
0.96
Ⅲ軸
825.05
4718.100
1.67
1
0.99
工作機軸
816.80
4670.922
1.67
設(shè)計項目
計算與說明
結(jié)果
4、 計算高速級蝸桿傳動
5) 類型與材料
6) 幾何尺寸
a) 模數(shù)
b) 蝸桿頭數(shù)
c) 蝸輪齒數(shù)
d) 實際中心距
e) 齒頂高系數(shù)
f) 頂隙系數(shù)
g) 蝸桿分度圓直徑
h) 蝸桿齒頂圓直徑
i) 蝸桿齒根圓直徑
j) 蝸輪分度圓直徑
k) 法面模數(shù)
l) 蝸輪喉圓直徑
m) 蝸輪齒根圓直徑
n) 蝸輪齒頂圓弧半徑
o) 蝸輪齒根圓弧半徑
p) 蝸輪頂圓直徑
q) 導(dǎo)程角
r) 軸向齒形角
s) 法向齒形角
t) 蝸桿軸向齒厚
u) 蝸桿法向齒厚
v) 蝸桿分度圓齒厚
w) 蝸桿螺紋長
5、 計算低速級斜齒輪傳動
1) 選材，初步確定參數(shù)
a) 選材
小齒輪
大齒輪
b) 初選參數(shù)
小齒輪齒數(shù)
大齒輪齒數(shù)
齒寬系數(shù)
初估小齒輪分度圓直徑
初選螺旋角
齒寬
齒輪圓周速度
精度等級
2) 確定許用應(yīng)力
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
壽命系數(shù)
尺寸系數(shù)
接觸疲勞極限
安全系數(shù)
許用彎曲應(yīng)力
3) 分析失效并確定設(shè)計準則
4) 按齒面彎曲疲勞強度公式設(shè)計
a) 小齒輪轉(zhuǎn)矩
b) 確定載荷系數(shù)K
使用系數(shù)
動載系數(shù)
齒向載荷分布系數(shù)
齒間載荷分配系數(shù)
載荷系數(shù)K
c) 齒形系數(shù)
當量齒數(shù)
齒形系數(shù)
d) 應(yīng)力修正系數(shù)
e) 重合度系數(shù)
縱向重合度
端面重合度
端面壓力角
基圓螺旋角
當量齒輪端面重合度
重合度系數(shù)
f) 螺旋角系數(shù)
g) 比較、的大小
h) 模數(shù)
i) 中心距
j) 螺旋角
k) 分度圓直徑
l) 齒寬
6、 選擇聯(lián)軸器
1) 初算軸徑
a) 選擇聯(lián)軸器材料
b) C值
c) 初算軸徑
2) 選聯(lián)軸器
a) 工況系數(shù)
b) 計算轉(zhuǎn)矩
c) 選擇聯(lián)軸器類型
d) 選擇聯(lián)軸器型號
7、 潤滑
1) 傳動件潤滑
a) 潤滑方式
b) 蝸輪浸油深度
2) 滾動軸承潤滑
8、 軸系部件設(shè)計
1) 選擇軸承
2) 軸的設(shè)計校核
Ⅰ軸：
a) 作用在蝸桿上的力
切向力
軸向力
徑向力
b) 軸上荷載
空間受力圖
V面受力圖
求得支座反力及力偶
畫V面彎矩圖
H面受力圖
求得支座反力
畫H面彎矩圖
疊加彎矩圖
扭矩圖
c) 彎扭合成應(yīng)力校核
許用應(yīng)力
求值
Ⅱ軸：
a) 作用在蝸輪上的力
切向力
軸向力
徑向力
b) 軸上荷載
空間受力圖
V面受力圖
求得支座反力及力偶
畫V面彎矩圖
H面受力圖
求得支座反力
畫H面彎矩圖
疊加彎矩圖
扭矩圖
c) 彎扭合成應(yīng)力校核
抗彎截面系數(shù)W(有鍵槽)
求值
3) 軸承的校核
Ⅰ軸上軸承的校核：
a) 徑向荷載
b) 基本額定動荷載
c) 基本額定靜荷載
d) 載荷系數(shù)
e) 當量動荷載P
f) 壽命計算
Ⅱ軸上軸承的校核：
a) 徑向荷載
b) 基本額定動荷載
c) 基本額定靜荷載
d) 載荷系數(shù)
e) 當量動荷載P
f) 壽命計算
齒圈上軸承的校核：
a) 徑向荷載
b) 基本額定動荷載
c) 基本額定靜荷載
d) 載荷系數(shù)
e) 當量動荷載P
f) 壽命計算
4) 鍵的設(shè)計校核
Ⅰ鍵的選擇和計算（Ⅰ鍵位于Ⅰ軸上）
a) 選擇鍵的類型，材料，確定鍵的尺寸
b) 校核鍵聯(lián)接的強度
工作長度
鍵與輪轂鍵槽接觸高度
值
Ⅱ鍵的選擇和計算（Ⅱ鍵位于Ⅱ軸上，連接蝸輪）
a) 選擇鍵的類型，材料，確定鍵的尺寸
b) 校核鍵聯(lián)接的強度
工作長度
鍵與輪轂鍵槽接觸高度
值
Ⅲ鍵的選擇和計算（Ⅲ鍵位于Ⅱ軸上）
a) 選擇鍵的類型，材料，確定鍵的尺寸
b) 校核鍵聯(lián)接的強度
工作長度
鍵與輪轂鍵槽接觸高度
值
5.3固定架與轉(zhuǎn)盤螺栓連接的校核
6.1概述
6.2夾持裝置夾持直徑范圍的確定
6.3夾緊力的計算
1、 液壓缸理論驅(qū)動力
2、 液壓缸驅(qū)動力
1) 安全系數(shù)
2) 工作條件系數(shù)
3) 液壓缸驅(qū)動力
3、 液壓缸內(nèi)徑d
4、 由電桿不被夾壞而校核夾持力
6.4強度校核
1、 缸筒豎直強度校核
提升過程中的受力狀態(tài)：
1) 所受拉力F
2) 截面面積A
3) 正應(yīng)力
扦插過程中的受力狀態(tài)：
1) 所受彎矩M
2) 抗彎截面系數(shù)W
3) 正應(yīng)力
2、 銷軸強度校核
提升過程中的受力狀態(tài)：
1) 受力圖求得支座反力
2) 彎矩圖
3) 最大正應(yīng)力
3、 夾爪板強度校核
扦插過程中的受力狀態(tài)：
1) 所受彎矩M
2) 抗彎截面系數(shù)W
3) 正應(yīng)力
6.5螺栓組連接校核
以扦插過程中的受力狀態(tài)為例進行計算。
1) 螺栓組受力分析圖
2) 橫向荷載F
3) 翻轉(zhuǎn)力矩M
4) 扭轉(zhuǎn)力矩T
5) 聯(lián)接結(jié)合面最大摩擦力
6) 每個螺栓所受的預(yù)緊力
7) 由M引起的最大軸向力
8) 螺栓受的總拉力
9) 許用應(yīng)力
10) 校核螺栓強度
11) 保證上端不分離
結(jié)合面有效面積A
抗彎截面系數(shù)W
值
12) 保證下端不壓潰
許用擠壓應(yīng)力
值
7.1裝夾過程演示
7.1.1夾持裝置張開狀態(tài)
7.1.2夾持裝置閉合狀態(tài)（外缸筒隱藏）
7.1.3夾持裝置特寫（外缸筒隱藏）
7.1.4夾持裝置閉合狀態(tài)
7.2起升過程演示
7.2.1起升過程
7.2.2起升到最大高度
7.3旋轉(zhuǎn)過程演示
7.3.1旋轉(zhuǎn)過程
7.3.1旋轉(zhuǎn)過程（背面）
7.3.2電桿旋轉(zhuǎn)到豎直位置
7.4扦插過程演示
7.5三維軟件的學習心得
使用普通圓柱蝸桿傳動設(shè)計軟件。
過程如下：
1.開始。
2.輸入傳動參數(shù)，確定傳動齒數(shù)。
3.選擇蝸輪蝸桿材料。
4.蝸輪強度校核。
5.幾何尺寸計算，最終完成設(shè)計。
查[8]表8-1
查[8]表8-1
查[8]表8-7
查[8]表8-8
查[8]圖8-26
查[8]表8-6
查[8]圖8-22(a)
查[8]表8-6
本設(shè)計的齒輪傳動是開式軟齒面?zhèn)鲃樱渲饕问綖檩嘄X折斷。
查[8]表8-2
查[8]圖8-8
查[8]圖8-11
查[8]表8-3
查[8]圖8-20
查[8]圖8-21
查[8]表8-31
取
查[10]表3-1
查[8]表14-1
查[6]表22·2-2，考慮所選液壓馬達輸出軸徑。
考慮齒輪圓周速度，潤滑所需油量，參考[10]表4-3，確定以下參數(shù)。
查[6]表28·2-14
在以上所得數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，綜合考慮，對軸進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。軸的材料為45鋼調(diào)制。以下對軸的校核。
查[8]表13-1
查[10]表14-26
查[6]表28.2-14
查[6]表28.2-14
查[8]表12-9
軸承2：
軸向荷載
軸承1：
軸向荷載
查[8]表12-8，得
，則
查[6]表28.2-14
查[6]表28.2-14
查[8]表12-9
軸承2：
軸向荷載
軸承1：
軸向荷載
查[8]表12-8，得
，則
查[6]表28.2-6
查[6]表28.2-14
查[8]表12-9
選A型普通平鍵，鍵的材料為45鋼。查[8]表3-2，。查[8]表3-1，確定鍵的尺寸為寬b=8mm，高h=7mm，長L=32mm。
選A型普通平鍵，鍵的材料為45鋼。查[8]表3-2，。查[8]表3-1，確定鍵的尺寸為寬b=20mm，高h=12mm，長L=56mm。
選A型普通平鍵，鍵的材料為45鋼。查[8]表3-2，。查[8]表3-1，確定鍵的尺寸為寬b=18mm，高h=11mm，長L=70mm。
5.3固定架與轉(zhuǎn)盤螺栓連接的校核
固定架與轉(zhuǎn)盤的螺栓連接，因其受力狀況比夾持裝置螺栓連接的受力狀況好，故在此不對其進行校核。只要夾持裝置螺栓連接校核通過，其校核一定通過。
第6章 夾持裝置的設(shè)計
6.1概述
夾持裝置用來夾抓電桿、控制電桿的裝置，它的工作平穩(wěn)與否決定了整個夾抓過程的成功與否。夾持裝置要求有足夠的夾緊力，以免電桿在豎立時松脫，又要保證電桿不被夾壞。這需在設(shè)計時進行校核計算。機器能對倒放在地面上的電桿進行夾持，同時在立好電桿后，夾持裝置能方便的松開退出（能通過倒車來實現(xiàn)）。除此之外目前電桿多為拔梢桿,桿錐度為1:75，因此夾爪的接觸面也應(yīng)為錐度為1:75的錐面。
夾持裝置采用工業(yè)機器人夾持器的一種典型結(jié)構(gòu)：滑槽式手爪[12]徐灝主編．機械設(shè)計手冊．北京：機械工業(yè)出版社，1992
。通過油缸活塞桿推動滑槽，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生加緊動作和加緊力，當活塞桿回退時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，方便松開退出。
夾持裝置的結(jié)構(gòu)簡圖如圖6-1所示：
圖6-1 夾持裝置結(jié)構(gòu)簡圖
6.2夾持裝置夾持直徑范圍的確定
計算電桿夾持位置的直徑，即電桿重心附近位置的直徑。
10m混凝土電桿的重心在距桿根的4.5m處；12m混凝土電桿的重心在距桿根的5.3m處；15m混凝土電桿的重心在距桿根的6.5m處。
常用電桿的錐度為1:75，即每米直