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摘 要
目前，高空作業(yè)噴涂技術(shù)已被廣泛使用，尤其是在那些大型建筑物的表面噴涂。本課題研究的是組裝式儲液塔內(nèi)壁半自動噴涂機，是針對于儲液塔內(nèi)壁防腐涂料的噴涂設(shè)備。本文設(shè)計的是該噴涂機頂部的噴槍座部分，其主要作用是承載噴槍，并調(diào)整噴槍角度，實現(xiàn)噴槍俯仰及搖擺兩個自由度運動，通過底部的升降機構(gòu)和移動機構(gòu)，可實現(xiàn)噴槍對儲液塔內(nèi)壁噴涂工作。使噴涂工作穩(wěn)定而高效地完成。
本文設(shè)計的噴槍座具有拆裝方便，結(jié)構(gòu)緊湊，輕便，安全可靠，便于維護等特點，同時也附帶設(shè)計護欄以及旋轉(zhuǎn)座椅給作業(yè)人員提供一個安全舒適的高空作業(yè)環(huán)境。通過對已有的高空作業(yè)平臺的發(fā)展現(xiàn)狀進行研究和分析，學(xué)習(xí)其多自由度結(jié)構(gòu)設(shè)計及設(shè)計方案，并針對該設(shè)計的技術(shù)要求，確定總體方案，合理完成各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對各機構(gòu)進行分析和校核計算，檢驗結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。
關(guān)鍵詞: 高空；半自動；噴涂
I
ABSTRACT
At present, high-altitude spray coating technology has been widely used, especially on the surface of large buildings. The topic of this project is to study the semi-automatic spraying machine for the inner wall of the assembled liquid storage tower, which is a spraying equipment for anti-corrosion coatings on the inner wall of the liquid storage tower. What the article designed is the spray gun base that the top part of the spraying machine., its main role is to carry the gun, and adjust the gun angle, make the gun achieve pitch and swing two degrees of freedom movement, through the bottom of the lifting mechanism and moving mechanism, can achieve the gun to the reservoir Liquid tower inner wall spraying work. Make coating work stable and efficient. The spray gun base designed in this article has the characteristics of convenient assembly and disassembly, compact structure, light weight, safety and reliability, and easy maintenance. At the same time, the design of the guard rail and rotary seat also provides the operator with a safe and comfortable working environment. Through studying and analyzing the current development status of existing aerial work platforms, it learns its multi-degree-of-freedom structure design and design scheme, and according to the technical requirements of the design, it determines the overall plan and reasonably completes the design of each part of the structure, and it also Analyze and check the rationality of structural design.
Keywords: high altitude; semi-automatic; spraying
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 課題研究背景 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1
1.3 本文設(shè)計的目的及意義 2
1.4 本文設(shè)計的主要內(nèi)容 3
2 組裝式儲液塔內(nèi)壁防腐涂料半自動噴涂機的總體方案設(shè)計 4
2.1 組裝式噴槍座的技術(shù)要求 5
2.2 組裝式噴槍座總體布局及工作原理 5
2.3 平臺的方案設(shè)計 6
2.4 組裝式噴槍座方案設(shè)計 6
2.5 平臺上護欄及門鎖的選擇 7
2.6座椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計 9
3 設(shè)計計算 11
3.1噴槍座的設(shè)計計算及選材 11
3.2旋轉(zhuǎn)座椅的設(shè)計計算 17
3.3平臺的設(shè)計計算及選材 18
4 強度校核 21
4.1軸承壽命校核 21
4.2軸的強度校核 22
4.3噴槍座的強度校核 24
4.4螺紋連接的強度校核 24
5 結(jié)論 27
附錄1：外文翻譯 - 29 -
參考 - 35 -
致 謝 - 36 -
XIV
畢業(yè)設(shè)計（論文）題目
1 緒論
1.1 課題研究背景
近年來，噴涂在許多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。如今隨著都市的現(xiàn)代化發(fā)展建設(shè),各種樣式的高樓拔地而起，從而使城市面貌整頓工作越來越重要，而建筑物的外表面形象成為了城市面貌整頓的重點工作之一。高層建筑的外墻粉刷是一項勞動強度高且危險的工作，目前國內(nèi)外使用的方法還是靠吊籃或升降平臺搭載粉刷工人進行墻面的人工刷涂[2]。但是，這種方法用工施工周期大、用料多、質(zhì)量難保證、安全難保障，且成本高[3]人工作業(yè)不僅效率低下，而且具有相當(dāng)高的危險性，不僅需要工人在高溫、嚴(yán)寒、有毒的危險惡劣的環(huán)境中完成復(fù)雜的高空作業(yè)，同時，強氣流使工作平臺及工人都難以保持。高空作業(yè)平臺簡稱高空作業(yè)車是用來運送工作人員和工作裝備到指定高度的一種大型工程機械設(shè)備。在建筑工程領(lǐng)域,高空作業(yè)平臺可以代替腳手架等現(xiàn)有的高空作業(yè)設(shè)備實施高空作業(yè),如高層或超高層建筑的外部裝修大廈外墻清洗煙囪安裝避雷針、航標(biāo)燈廠房、車間的玻璃安裝等。但是由于建筑施工場所等的限制,目前在我國高空作業(yè)平臺在建筑施工中的應(yīng)用仍然是個空白。然而隨著,經(jīng)濟的不斷增長,人民生活水平不斷提高,對安全和勞動條件提出了越來越高的要求,對高空作業(yè)機械的需求量也在不斷增長[4]?？梢姡邔咏ㄖ鈮娡孔詣踊瘑栴}亟待解決[5]。可以考慮使用半自動噴槍機高空作業(yè)代替工人進行高空作業(yè)，這樣可以從根本上降低工人的勞動強度，提高噴涂效率及噴涂質(zhì)量[6]。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀
“通過創(chuàng)新或創(chuàng)造新的市場，工程機械企業(yè)就會有新的市場空間。比如高空作業(yè)平臺，在中國很少應(yīng)用，更多是靠搭腳手架。實際上，高空作業(yè)平臺就是新的產(chǎn)品空間?！边@是中聯(lián)重科董事長詹純新在今年10月舉行的2013全球工程機械產(chǎn)業(yè)大會暨50強峰會上說的一番話[7]。 高空作業(yè)平臺是將工人送到指定位置的機械設(shè)備。在高空作業(yè)平臺工作過程中，工作人員對工作裝置進行控制[8]。歐美等發(fā)達國家和地區(qū),高空作業(yè)機械發(fā)展起步比較早,從世紀(jì)年代就開始研制,已經(jīng)有近百年的發(fā)展歷史,產(chǎn)品技術(shù)水平高、作業(yè)高度大、規(guī)格齊全、結(jié)構(gòu)型式豐富、功能多樣,并且成立了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織,正致力于擴大作業(yè)范圍,滿足不同作業(yè)的需要。意大利的蜘蛛型伸縮臂式高空作業(yè)平臺最大高度可達48米整體尺寸為8.68x1.15x2.25mm3，該平臺具有四只獨立液壓支撐腿,可順應(yīng)環(huán)境左右擺動及屈伸,使平臺能于凹凸不平地面及樓梯上操作三組獨立動力系統(tǒng)分別為柴油發(fā)動機、交流電機和交流電機,使得操作人員可以在不同場合不同工作狀態(tài)下選擇合適的動力系統(tǒng)緊急手動泵,使得在意外狀況且沒有動力來源時將工作臂和吊籃下降至地面,保證了操作人員的安全；控制系統(tǒng)采用PLC作為控制器,與繼電器控制相結(jié)合,主要用于安全檢測回路的控制,作為動作的約束條件,抗干擾能力強,可靠性高均采用模塊化結(jié)構(gòu)構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)靈活簡便安裝維護方便[9]。
美國吉尼公司自行式剪型高空作業(yè)平臺可以把227kg的載荷最高升到11.75m的工作高度,并且只需2.4x0.8mm2占地面積,可以輕易地通過標(biāo)準(zhǔn)門道,行駛速度為3.5km/h且有25%的爬坡能力。該平臺具有標(biāo)準(zhǔn)的吉尼自動平衡液壓支腿系統(tǒng),可以在斜坡上進5。側(cè)面至側(cè)面的水平調(diào)整和3。前面至后面的水平調(diào)整吉尼四輪制動系統(tǒng)組成的雙后輪彈簧、液壓釋放剎車,使得設(shè)備在遇到緊急情況時響應(yīng)快電氣控制系統(tǒng)采用PLC全控制,根據(jù)高空作業(yè)平臺液壓機構(gòu)的各種功能,對交流電機泵的流量進行比例調(diào)速控制,液壓機構(gòu)電磁閥的控制和安全回路可通過設(shè)計編程集成處理后進行控制向前成角度的霍爾效應(yīng)操縱桿使用舒適并且提供了精確的控制,在平臺操作面板上的LED窗口顯示了節(jié)省時間的信息,包括電瓶電量指示器、隨車診斷系統(tǒng)、調(diào)速和配置設(shè)定自身具有行走、轉(zhuǎn)向驅(qū)動功能,不需要牽引,能夠在不同的工作狀態(tài)下,快速、慢速行走,只需一個操作人員便可在空中連續(xù)完成上下、前進、后退、轉(zhuǎn)向等所有動作,特別適用于機場候機樓、車站、碼頭、商場、體育場館、小區(qū)物業(yè)廠礦車間等較大范圍的作業(yè)[10]。
1.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
我國工程機械與國外工業(yè)發(fā)達國家相比較以及與國內(nèi)建設(shè)要求相比還有不少差距,還有許多問題急待研究解決。隨著目前高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,尤其是計算機的出現(xiàn)及其廣泛應(yīng)用,它帶動了整個工業(yè)的發(fā)展,在機械行業(yè)更為引人注目,設(shè)計上的優(yōu)化等使機器向高精密化發(fā)展,帶來了一場新的變革。當(dāng)然一向以笨重著稱的大型工程機械,更有著廣闊的發(fā)展余地。高空作業(yè)車作為一種大型的工程機械設(shè)備,目前廣泛應(yīng)用在船舶、建筑、市政建設(shè)、消防、港口貨運等行業(yè),是新興的技術(shù)產(chǎn)業(yè),有著廣闊的發(fā)展前景。高空作業(yè)機械是在工程起重機械基礎(chǔ)上發(fā)展起來的產(chǎn)業(yè)系統(tǒng),只有二十幾年的歷史。盡管我國在高空作業(yè)車設(shè)計制造上取得了一些成績,但是國內(nèi)生產(chǎn)制造的高空作業(yè)機械同國外同類型高空作業(yè)機械產(chǎn)品相比仍有一定差距,主要表現(xiàn)為技術(shù)含量低、大型的較少、結(jié)構(gòu)笨重、作業(yè)時微動性能差等問題[10]。
1.3 本文設(shè)計的目的及意義
我國高空建筑量很大，但目前高空作業(yè)施工大都仍采用搭設(shè)腳手架、施工平臺、卷揚機等，高空作業(yè)過程中高空墜落事故頻頻發(fā)生不僅造成巨大的經(jīng)濟損失，也給施工人員的安全帶來了巨大的威脅。因此建造高空噴涂作業(yè)裝備技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)迫在眉睫，只有開發(fā)出新型的施工裝備才能滿足目前市場的需要，滿足施工安全的要求，增強參與國際市場的競爭力，提高作業(yè)效率和施工質(zhì)量并改變落后傳統(tǒng)的施工工藝。一些重大工程、重點工程為保證施工質(zhì)量和施工周期，不得不進口國外先進國家產(chǎn)品。因此，應(yīng)該盡快開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)產(chǎn)品替代進口，參與國際競爭，并填補國內(nèi)該類產(chǎn)品的空白。為我國建筑業(yè)快速發(fā)展提供可靠有效的設(shè)備保障。 我國市場經(jīng)濟地位逐步確立，建筑業(yè)在快速發(fā)展，已成為國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)，高層建筑是未來發(fā)展趨勢，高層的表面噴涂也不可或缺。由于市場需求的不斷增加，課題研究成果的日益成熟，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)，拉動整個建筑裝備行業(yè)技術(shù)長足進步，是本課題研究的長遠(yuǎn)意義。
1.4 本文設(shè)計的主要內(nèi)容
針對國內(nèi)現(xiàn)有的高空作業(yè)平臺技術(shù)含量低、大型的較少、結(jié)構(gòu)笨重、作業(yè)時微動性能差等問題[10]。本文設(shè)計了組裝式儲液塔內(nèi)壁防腐涂料半自動噴涂機，主要實現(xiàn)儲液塔內(nèi)壁噴涂，由于建筑物較大，噴涂時要用到長桿式噴槍，依靠人力承載顯然不能實現(xiàn)，這時必須用到噴槍座。同時，儲液塔入口很狹窄，這就需要噴涂機具有拆卸方便、結(jié)構(gòu)緊湊、輕便、安全可靠，便于維護等優(yōu)點。同時噴槍座可實現(xiàn)調(diào)整噴槍的高度以及水平位置，可實現(xiàn)噴槍的俯仰及搖擺運動。既擴大了噴涂范圍又節(jié)省人力。這就很好地滿足大型儲液塔內(nèi)壁防腐涂料的噴涂工作需求。
2 組裝式儲液塔內(nèi)壁防腐涂料半自動噴涂機的總體方案設(shè)計
組裝式儲液塔內(nèi)壁半自動噴涂機主要是針對于大型儲液塔內(nèi)壁防腐涂料噴涂的工作要求，包括底部移動機構(gòu)，中間升降機構(gòu)以及上部承載機構(gòu)。底部移動機構(gòu)設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示
圖2.1 移動支撐裝置示意圖
底部有四個輪子（兩個萬向輪，兩個固定輪）起移動和支撐作用，同時下部有四個可收縮支腿，在工作時，可打開四個支腿，擴大支撐面積，起到輔助支撐作用。不工作時，通過手輪調(diào)整，支腿可抬高收回，節(jié)省空間。支撐架采用可折疊方案，工作時，由四個斜桿起固定作用，不工作時，將四個斜桿取下，利用鉸鏈六個直桿可以傾斜，達到折疊目的，節(jié)省空間。
中間的升降機構(gòu)采用液壓剪叉式升降機構(gòu)，采用液壓控制升降過程，液壓控制升降的優(yōu)點是可靠性高，升降平穩(wěn)，可以升到工作需要的高度，安全可靠。
頂部為承載部分，包括載物平臺，噴槍座等，工作要求是工人在較安全舒適的環(huán)境下順利完成儲液塔內(nèi)壁噴涂工作本文所設(shè)計的儲液塔內(nèi)壁防腐涂料專用的半自動噴涂機具有拆裝方便，結(jié)構(gòu)緊湊，輕便，安全可靠，便于維護等特點。本章主要對噴槍座的設(shè)計要求，功能原理和各機構(gòu)的具體方案進行描述。噴槍座的結(jié)構(gòu)設(shè)計會對實際工作產(chǎn)生重要影響，在確保噴涂機工作安全、穩(wěn)定的前提下，對噴槍座的各個模塊進行設(shè)計與選擇，確保其滿足設(shè)計要求[2]。
這三部分組裝在一起就拼裝成一個完整的噴涂機結(jié)構(gòu)如圖2.2所示
圖2.2 組裝式噴涂機結(jié)構(gòu)示意圖
2.1 組裝式噴槍座的技術(shù)要求
1）噴槍座具有調(diào)整噴槍角度以及方向，確保噴槍可噴涂一整片區(qū)域。
2）噴槍工作范圍可以達到大約十米的高度。
3）噴涂過程中可對不規(guī)則墻面噴涂。
4）噴涂機工作時安全穩(wěn)定，不會出現(xiàn)機械故障。
5）噴涂工作時不會破壞建筑物表面。
2.2 組裝式噴槍座總體布局及工作原理
2.2.1 組裝式噴槍座整體布局方案
本文所設(shè)計的噴槍座是要求在十米高空工作，并且是對大型儲液塔內(nèi)壁噴涂，因此噴槍需要長桿槍，并且靠人工在高空操作，這就非常需要確保人在高空的安全性，因此需要一個承載人與噴槍座的平臺，確保工人安全的圍欄，讓人舒適的座椅以及盛放噴槍的噴槍座。
2.2.2 儲液塔內(nèi)壁防腐涂料半自動噴涂機的工作原理
本文設(shè)計的高空作業(yè)噴涂機是用于大型儲液塔內(nèi)壁的噴涂，進入儲液塔內(nèi)部首先要通過一個狹小的入口，傳統(tǒng)的高空作業(yè)車不具有可拆裝的特性是無法進入內(nèi)部進行工作，本文所設(shè)計的半自動噴涂機具有拆裝方便，結(jié)構(gòu)緊湊，輕便，安全可靠，便于維護等特點，可以通過拆裝順利進入內(nèi)部進行噴涂。通過下面的升降機構(gòu)，可使噴槍達到預(yù)期高度，通過噴槍座調(diào)整噴槍角度能使噴涂工作區(qū)域覆蓋一整片區(qū)域，噴涂機下面是可移動小車，通過調(diào)整小車的不同位置，能使噴槍工作面覆蓋整個圓柱體內(nèi)表面。通過小車在地面位置調(diào)整、升降機構(gòu)上下高度循環(huán)調(diào)整、以及噴槍座角度調(diào)整可以使噴槍覆蓋整個儲液塔內(nèi)壁，完成噴涂任務(wù)。
2.3 平臺的方案設(shè)計
如圖2.3，噴涂機載物平臺在滿足強度、剛度的前提下，可以選擇一塊平板，也可以選擇板下安裝橫梁框架。選一塊平板作為載物平臺，為了達到強度以及剛度的要求，固然需要足夠的厚度，但厚度一旦加大，平臺的重力就會增加，由于該平臺要在將近10米的高空作業(yè)，頂部越重，底部就越不穩(wěn)定。所以在考慮機器本身的穩(wěn)定性及成本上，我們選擇在平板下面安裝橫梁框架，這樣既可以承受大量載荷，又使裝置本身變得輕便使整個裝置更穩(wěn)定、安全。
圖2.3 平臺裝置示意圖
2.4 組裝式噴槍座方案設(shè)計
噴槍座的作用是承載噴槍以及調(diào)整噴槍噴涂的角度，控制噴槍轉(zhuǎn)動和俯仰運動，能實現(xiàn)這些運動的方法有很多，如渦輪蝸桿，絲杠螺母等都可以實現(xiàn)，但這些結(jié)構(gòu)安裝在噴槍座上都比較復(fù)雜，整體重量就會加大，整體控制不方便由手動來控制，為了使結(jié)構(gòu)方便簡單易于控制，本文所設(shè)計的噴槍座機械結(jié)構(gòu)如圖2.4所示，利用兩個軸承來實現(xiàn)噴槍的俯仰以及搖擺運動，首先將噴槍固定在軸1上，這樣，人可以控制長噴槍的尾部上下擺動利用軸承就可以實現(xiàn)噴槍的俯仰運動。由于軸1是穿過軸2，軸2上帶有軸承，所以通過轉(zhuǎn)動軸1便可帶動軸2旋轉(zhuǎn)，因此工人只要轉(zhuǎn)動噴槍尾部，便可實現(xiàn)噴槍的搖擺運動，兩個軸承通過軸肩孔隙以及端蓋3、4固定，方便安裝拆卸。由于噴槍座可以實現(xiàn)噴槍的搖擺及俯仰運動，這既增加了噴涂面積又可提高噴涂效率，同時可大大減輕最下端移動機構(gòu)的移動的頻率。噴槍座利用螺紋連接固定在載物平臺上，工作時不會出現(xiàn)噴槍座松動而發(fā)生安全事故，噴槍座的高度為800mm，噴槍固定在噴槍座上的高度于人坐在座椅上的高度相當(dāng)，工人坐在座椅上控制噴槍，既節(jié)省體力又可提高效率。
圖2.4 噴槍座裝置示意圖
2.5 平臺上護欄及門鎖的選擇
2.51 護欄的安裝方案及選材
為了確保工人在高空工作的安全，平臺的四周必須由護欄圍繞，并安裝一扇門方便工人出入。為了方便拆卸，護欄不能與平臺做成一體，必須通過連接固定。護欄可以選擇用螺紋豎直連接在平臺四周，但這樣護欄排列就必須要緊密，高度也要足夠高，因為不能讓工人在工作時從護欄縫隙中滑落出去。但這樣安裝護欄不僅數(shù)量多拆裝浪費大量時間，而且自身的重量也會加大。所以本文所設(shè)計的護欄是在平臺四個角安裝4個空心矩形立柱，每相鄰兩個立柱間安裝兩根水平放置的空心矩形橫欄，兩橫欄離平臺距離分別為500mm和1100mm，保證工人不會從高空摔落。護欄材料的選擇出于質(zhì)量輕，價格低，強度好，耐腐蝕的要求而選擇鋁合金材料。
圖2.5 護欄布局示意圖
2.5.2 門鎖方案的選擇
目前市場上門鎖的種類繁多，滑動插銷，掛鎖以及很多高端的電子鎖等等，但我們需要的是一個適合工作使用的門鎖，由于工人長時間工作，會出現(xiàn)疲憊的情形，在這種情形下，工人就會出現(xiàn)注意力不集中的現(xiàn)象，一旦工人忘記鎖門，就會發(fā)生從門滑落的危險，所以針對這種情況，本文設(shè)計所選用的是彈簧斜頭插銷的彈簧鎖如圖，當(dāng)工人進門時，只要人拉緊門，門就會靠斜頭插銷自己鎖緊，不會再出現(xiàn)開門的現(xiàn)象，工人也不會因為忘記鎖門而出現(xiàn)滑落的危險。
圖2.6 門鎖示意圖
2.6座椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計
工人在高空作業(yè)時，由于建筑物較大，噴涂耗時較長，所以為了保證工人的舒適以及安全，一個可旋轉(zhuǎn)座椅是必須的。由于需要的是一把工作椅所以穩(wěn)定性是主要因素。座高在450mm，適當(dāng)?shù)淖呖墒勾笸缺３炙剑⊥却怪?，雙腳平放于平臺表面。座寬為450mm，這樣能保證容納身材粗壯的人[12]。座深為350mm指椅面前緣到后緣的距離，保證靠背方便地支持腰椎部分。座面傾角小于3度，因噴涂作業(yè)時作業(yè)空間在身體前側(cè)，如座面過分后傾，脊椎因身體前驅(qū)作業(yè)會被拉直，形成一種費力姿勢[13]。座椅的旋轉(zhuǎn)軸穿過軸承固定在下端喇叭盤上，喇叭盤底盤較大具有很好的穩(wěn)定性，將喇叭盤用螺栓固定在平臺上，因此不用擔(dān)心旋轉(zhuǎn)座椅出現(xiàn)滑動的現(xiàn)象。
3 設(shè)計計算
3.1噴槍座的設(shè)計計算及選材
3.1.1噴槍座軸的設(shè)計
初步確定軸的最小直徑
τT=TW≈9550000pn0.2d3≤τT （3.1）
式中：τT—扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa;
T—周所受的扭矩，N?mm;
WT—軸的抗扭截面系數(shù)，mm3
n—軸的轉(zhuǎn)速，r/min;
P—軸傳遞的功率，KW;
d—計算截面處軸的直徑，mm
τT—許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa
由式（3-1）可得軸的直徑
d≥39550000P0.2τTn=395500000.2τT3Pn=A03Pn 3.2
式中，A0=395500000.2τT，查表3-1。對于空心軸，則
d≥A03Pn1-β4 3.3
式中，β=d1d，即空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d之比，通常取β≈0.5~0.6。
選取軸的材料為35鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表3-1，取A0=112,。因為工作需要軸的轉(zhuǎn)速以及功率都較低，取P=0.5KW，n=30r/min。
表3.1 各材料的τT 即A0值
所以
dmin=112×30.530=28mm
由于工作時手動操作噴槍，軸的功率和轉(zhuǎn)速都比較低，所以精度要求也較低。所以軸1選擇直徑為30mm材料為35鋼的實心軸。
3.1.2 軸承類型的選擇
根據(jù)軸承中摩擦性質(zhì)的不同，可把軸承分為滑動軸承和滾動軸承兩大類[14]。滾動軸承由于摩擦系數(shù)小，啟動阻力小，且因已標(biāo)準(zhǔn)化，選用、潤滑、維護都很方便，因此在一般機器中應(yīng)用較廣[14]。因此本文所選的軸承都為滾動軸承，所選滾動軸承的類型則根據(jù)表3.2選擇。
表3.2 常用滾動軸承的類型、主要性能和特點
類型代號
類型名稱
結(jié)構(gòu)代號
基本額定動載荷比
極限轉(zhuǎn)速比
軸向承載能力
軸向限位能力
性能和特點
1
調(diào)心球軸承
10000
0.6~0.9
中
少量
Ⅰ
因外圈滾道表面是以軸承中點為中心的球面故能自動調(diào)心。一般不宜承受純軸向力
3
圓錐滾子軸承
29000
1.6~2.5
低
很大
Ⅱ
用于承受以軸向載荷為主的軸向、徑向聯(lián)合載荷，但徑向載荷不得超過軸向載荷的55%。
4
推力球軸承
51000
1
低
只能承受單向的軸向載荷
Ⅱ
只能承受軸向載荷，極限轉(zhuǎn)速很低。
5
雙向推力球軸承
52000
1
低
能承受雙向的軸向載荷
Ⅰ
工作時必須加有一定的軸向載荷。
6
深溝球軸承
60000
1
高
少量
Ⅰ
主要承受徑向載荷也可同時承受小的軸向載荷
7
角接觸球軸承
70000C
(α=15?)
1.0~1.4
高
一般
Ⅱ
可以同時承受徑向載荷及軸向載荷，也可以單獨承受軸向載荷。
70000AC
(α=25?)
1.0~1.3
較大
(α=40?)
1.0~1.2
更大
因為本文設(shè)計的部分包括三個軸承，其中有承受徑向力的軸承一個，故選擇深溝球軸承。承受軸向力的軸承兩個，故選擇推力球軸承。
實現(xiàn)噴槍俯仰運動的軸承主要承受徑向力以及較小的軸向力，所以選擇深溝球軸承，如圖3.1。
圖3.1 深溝球軸承（GB/T 276-1994）
深溝球軸承的特性：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，工作期間不需要保養(yǎng)，適于高速，應(yīng)用極為廣泛[15]。
由于選擇的深溝球軸承要與φ30的軸配合，所以根據(jù)表3-2選擇合適的深溝球軸承。
根據(jù)表3-2，因為要與φ30的軸配合，所以選擇61806型號的深溝球軸承。其基本額定載荷為4.7kN。安裝時軸肩為32,4mm，孔隙為40mm,軸承的外徑為42mm.所以軸1的長度大約設(shè)計成300mm,并且在150mm處做1.2mm高的軸肩。
表3.3 深溝球軸承參數(shù)
因為軸1是穿過軸2，并在軸2中放與軸1配合的外徑為42mm的軸承，所以軸2的直徑設(shè)計為50mm，長度為300mm,材料為45鋼的實心軸。
軸2軸承的選擇
軸2所需軸承要承受軸向力，因此要選擇推力球軸承，如圖3.2。
圖3.2 單向推力球軸承
選取的軸承要與直徑為50mm的軸配合，根據(jù)尺寸查表3.4。
表3.4 單向推力球軸承參數(shù)
所以，選取51110型的推力球軸承，固定該軸承要求軸肩58mm，孔隙62mm，軸承外徑為70mm。所以軸2要在150mm處做4mm高的軸肩。
3.1.3 噴槍座本體底座的設(shè)計
噴槍座的底座為空心圓柱，在高空工作時，受到水平力最大為150N，底座的材料選擇35鋼，底座的高度為了方便工人坐在工作椅上舒服工作，設(shè)計為800mm高，所以，底座的壁厚以及內(nèi)外徑的直徑要求為
σ=FNA≤σb 3.4
式中；FN—壓應(yīng)力；
A— 橫截面面積；
σb—強度極限。
經(jīng)查閱《機械設(shè)計手冊》（機械設(shè)計手冊編委會編著），σb=530MPa噴槍座承受的壓力主要是工作時噴槍的重力，噴槍的重力最大為25kg，安全系數(shù)n=1.2，所以
FN=mg
FN=25×10=250N
A≥FNσb 3.5
A≥250530×1.2×10-6
A≥2.3×10-6m2
本文設(shè)計噴槍座立柱的外徑為100mm,則根據(jù)式（3.5）可求
A=πR2-r2≥2.3×10-6m2
R2=0.0025m2
r≤49.9mm
所以為了安全，本文設(shè)計噴槍座立柱的壁厚為5mm。
所以噴槍座最終設(shè)計成：噴槍座總體高度為800mm，外徑為φ100mm，壁厚為5mm圓柱體。這個高度非常適合工人坐在椅子上操作噴槍，噴槍座下端由四個螺栓連接在平臺上，噴槍座本體下端是空心，這大大減輕了噴槍座本體的重量，噴槍座上端是通過兩個軸以及兩個軸承來實現(xiàn)上端固定的噴槍的俯仰以及搖擺運動，噴槍座本體材料選用35鋼。軸的材質(zhì)選擇為35鋼，其優(yōu)點是具有良好的塑性和一定的強度。
3.2旋轉(zhuǎn)座椅的設(shè)計計算
旋轉(zhuǎn)座椅的旋轉(zhuǎn)軸設(shè)計時選用35鋼，長度為450mm,的空心軸，空心軸的外徑設(shè)計為40mm,根據(jù)式（3.5）可求其內(nèi)徑尺寸。
A≥FNσb
旋轉(zhuǎn)軸承受的壓力主要是工人自身的重力大約80千克，安全系數(shù)n=1.2，所以
FN=mg=80×10=800N
經(jīng)查閱《機械設(shè)計手冊》（機械設(shè)計手冊編委會編著），35鋼的σb=530MPa。
A≥800530×10-6
A≥1.5×10-6m2
R2=4×10-4m2
r≤19.9mm
經(jīng)計算，旋轉(zhuǎn)座椅的壁厚設(shè)計為5mm。這樣既可減輕座椅的重量，又符合強度要求。根據(jù)表3-3，選擇合適的軸承，因為該軸承與直徑為40mm的軸配合，所以選取內(nèi)徑為40mm的型號為51108的推力球軸承。其固定要求的軸肩為48mm，孔隙為52mm。所以旋轉(zhuǎn)座椅的旋轉(zhuǎn)軸在一端的150mm處做4mm高的軸肩。
3.3平臺的設(shè)計計算及選材
如圖2-1所示，為了能進出大型儲液塔入口，同時讓工人在高空作業(yè)時有盡量多的操作空間，設(shè)計平臺總長1800mm，寬度為800mm，厚度為10mm的防滑鋼板，鋼板下面為起支撐作用的橫梁框架，框架的截面為20x20x2mm的矩形橫梁，這樣可以大大減輕頂端的重量，又可增加平臺的強度。平臺鋼板選材為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，因其產(chǎn)量大，成本高低，具有一定的力學(xué)性能，非常適合做鋼板。平臺的作用是承載高空作業(yè)所學(xué)要的所有東西，包括工人本身、噴涂用的噴槍、承載噴槍的噴槍座、以及給人提供安全舒適環(huán)境的旋轉(zhuǎn)座椅以及護欄。平臺上圍有一圈護欄，護欄高度為1100mm橫截面為60×60×2mm的空心矩形。護欄的材質(zhì)為鋁合金。鋁合金的優(yōu)點是質(zhì)輕且柔軟同時具有就好的強度以及耐腐蝕性，這些特點非常適合高空作業(yè)需求[13]。
所以平臺承受的壓力很大，所以對其強度要求較高。根據(jù)公式
σ=FNA≤σb 3.6
平臺的面積A=1.8×0.8=1.44m2
平臺所受的壓力為工人80千克800N,旋轉(zhuǎn)座椅的重量最大250N，一圈護欄的重量最大為100N,工作時噴槍的重量最大250N，噴槍座的質(zhì)量經(jīng)計算：噴槍座總體高度為800mm，外徑為φ100mm，壁厚為5mm圓柱體。噴槍座本體材料選用35鋼，35鋼的密度為7.85g/cm3,軸的材質(zhì)同樣選擇為35鋼，兩根軸的的尺寸分別為φ30×200mm及φ50×200mm，所以噴槍座的總體質(zhì)量大約為20kg
m=π52-4.52×80×7.85×10-3
m=9.4kg
m=π×1.52×20×7.85×10-3+π×2.52×20×7.85×10-3
m=4.1kg
平臺承受的總壓力最大為
FN=800N+250N+100N+250N+200N=1600N
由式（3.5）可求
σ=16001.44=1111Pa=0.11MPa
σ≤σb=375MPa
所以初步設(shè)計平臺的尺寸為長1800mm寬800mm高為10mm+20mm（上面厚度為10mm的材料為35鋼的鋼板，下面厚度為20mm截面為矩形的空心支撐架）。同時四周圍上護欄。護欄的高度達到1100mm。
3.4螺栓連接的受力分析
平臺與剪叉式升降機構(gòu)的平板的連接選用六個M30的螺栓連接，并且采用螺栓桿與孔壁留有間隙的普通螺栓連接方式。兩板之間在升降運動時，會有相互的錯位，這時這六個螺栓會受到橫向載荷。為了保證安全，需靠螺栓預(yù)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力來抵抗橫向載荷。現(xiàn)設(shè)計的這幾個螺栓共可抵抗500N的橫向力。每個螺栓所承擔(dān)的工作載荷是均勻的。所以每個螺栓所受的橫向剪力為
F=Fz （3.7）
式中：z為螺栓數(shù)目；
F為橫向總載荷。
假設(shè)各螺栓所需的預(yù)緊力均為F0，螺栓數(shù)目為z,則其平衡條件為
fF0zi≥KsF
由此得預(yù)緊力F0為
F0≥KsFfzi （3.8）
式中：f—接合面的摩擦系數(shù)，見表3-4；
i—接合面數(shù)；
Ks—防滑系數(shù)，Ks=1.1~1.3。
所以經(jīng)計算每個螺栓的預(yù)緊力為
F0≥500×1.20.4×6×2=125N
表3.5 連接接合面的摩擦系數(shù)
4 強度校核
4.1軸承壽命校核
本文選用了兩種型號的軸承分別為61806型號的深溝球軸承和51108型的推力球軸承，61806型號的深溝球軸承所受的徑向力大約50N，軸向力幾乎為0，這樣大大少于其額定載荷的4.7kN，所以軸承的強度足夠。
4.1.1 61806型號的深溝球軸承壽命的校核
由于該軸承使用的情況屬于短期或間斷使用的機械，中斷使用不致引起嚴(yán)重后果，所以其預(yù)期壽命在3000至8000小時[14]。
軸承基本額定壽命的公式為
Lh=10660nCPε (4.1)
式中ε為指數(shù)。對于球軸承；對于滾子軸承，ε=103。n為轉(zhuǎn)速，該軸承工作時轉(zhuǎn)速較低，大約30r/min.
P=XFr+YFa 4.2
式中，F(xiàn)a為軸向載荷，F(xiàn)r為徑向載荷,X、Y分別為徑向動載荷系數(shù)和軸向動載荷系數(shù)。
對于只能承受純徑向載荷的軸承
P=Fr 4.3
對于只能承受純軸向載荷的軸承
P=Fa 4.4
經(jīng)過查《機械設(shè)計手冊》（機械設(shè)計手冊編委會編著?機械工業(yè)出版社，2004.8），深溝球軸承的判斷系數(shù)e最小為0.22，由于經(jīng)計算FaFr
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