螺旋起重機設計

1、螺旋起重器設計一、 螺旋起重器的結構和功能 螺旋起重器是一種人力起重的簡單機械, 主要用 于起升重物。 圖示為采用滑動螺旋的起重器結構示意 圖。圖中, 螺桿 7與螺母 5組成螺旋副, 螺母 5與底 座 8固定聯(lián)接, 緊定螺釘 6提高了聯(lián)接可靠性。 托杯 1直接頂住重物, 當轉動手柄 4時, 螺桿 7一邊轉動 一邊上下移動, 使托杯 1托起重物上下移動, 達到起 升重物的目的。這種螺旋起重器結構簡單, 制造容易, 易于自鎖, 其主要缺點是摩擦阻力大,傳動效率低(一般為 30%40% ,磨損快,壽命低,傳動精度低。螺旋起重器一般垂直布置, 在起重時螺桿 7受壓, 因此都做成短而粗, 起升高度不宜太

2、大。 螺母 5作為 起升時的支承件,常做成整體結構。螺旋起重器應有可靠的自鎖性能,以保證螺桿 7和重物在上升下降過程中能可靠地停留在任一位置 而不自行下降。 螺桿一般采用梯形牙、 右旋、 單線螺 紋。當起重量較大時,為減小摩擦阻力,操作省力,可在托杯 1的下部安放一推 力軸承。二、 螺桿和螺母材料螺桿材料要有足夠的強度和耐磨性, 一般用 45鋼, 經(jīng)調質處理, 硬度 220250HBS 。螺母材料除要有足夠的強度外, 還要求在與螺桿材料配合時摩擦因數(shù)小和耐 磨, 可用 ZCuAl10Fe3、 ZCuAl10Fe3Mn2等。 三、 滑動螺旋起重器的設計計算 1. 耐磨性計算滑動螺旋的磨損與螺紋工

3、作面上的壓 力、 滑動速度、 螺紋表面粗糙度以及潤滑狀 態(tài)等因素有關, 其中最主要的是螺紋工作表 面上的壓力, 壓力愈大, 螺旋副間愈容易形 成過度磨損。 因此, 滑動螺旋的耐磨性計算, 主要是限制螺紋工作表面上的壓力 p , 使其 小于材料的許用壓力 p。計算時,一般假 設:螺桿上的軸向載荷 F 作用于螺紋工作承 壓表面 A 上。耐磨性條件校核計算式為:p =22p hZd QPhH d Q = -( 1 式中, Q 螺桿所受軸向載荷, /N; d 2螺紋中徑, /mm ; h 螺紋接觸高度, /mm 。h =0.5(d-D 1 , d 為螺桿大徑, D 1為螺母小徑;Z 螺紋工作圈數(shù),一般

4、最大不宜超過 10圈。Z =PH, H 為螺母高度, P 為螺紋螺距。 p 螺旋副材料的許用壓力, MPa?？扇?p =1825 MPa 。對梯 形螺紋, h =0.5P ,式(1可演化為設計計算式:d 2 p Q,式中 =0.5, = H / d2 ,一般可取 = 1.22.5。 取 =1.6, p =20 MPa d 2 p Q=21.03mm,查表得 d 2 =21.5, 螺母旋合高度:H=×d 2 =1.6×21.5=34.4mm螺紋工作圈數(shù):符合 Z =PH=34.4/5=6.88<10,取 Z=72. 自鎖性校核計算滑動螺旋起重器必須保證可靠的自鎖性,自鎖

5、的條件為: v (32d nP =, v =arctan cos f式中 螺紋升角;f 螺旋副材料的摩擦因數(shù),一般可取 f =0.080.1; 牙型半角(牙側角 ,梯形螺紋 =/2=15o 。 取 f=0.1 , n=1 , 2a r c t d nP=arctan(1×5/3.14×21.5=4.240v =arctancos f=arctan(0.1/cos15=5.910. 符合 <v ,滿足自鎖條件。3. 螺桿強度計算起重時螺桿受壓和受扭,按第四強度理論計算:ca =223+ =2123 (+TW T AQ =2112 431d T Q A (+ (4 式中

6、A 螺桿螺紋段的危險截面面積, A =421d , /mm 2 ;W T 螺桿螺紋段的抗扭截面系數(shù), W T =416131d Ad = , /mm 3 ; d 1螺桿螺紋小徑, mm ; d 1= 18.5mmQ 起升載荷, /N ;T 1 螺桿所受扭矩, T 1 =22dQ tan( +v , /N mm ; 螺桿材料的許用應力, /MPa 。 =S /(35 , 可取 S =352M A =421d =3.14×18.52 /4= 268.67mm2T 1 =Q tan( +v 22d =20000×tan(4.240+5.910 ×21.5/2=38490

7、.9 N mm ca =2112 431d T Q A (+=22169. 3849032000067. 2681(+ =76.04MPa 因為 S 取 352M, =S /(35 , =S /3=117.3MPa符合 ca ,滿足強度要求。4. 螺母螺紋牙的強度計算 螺紋牙多發(fā)生剪切和擠壓破壞,因此,需進 行螺紋牙剪切強度和擠壓強度計算。如圖所示,如將一圈螺紋牙沿螺母的大徑 D展開,則可看作寬度為 D 的懸臂梁。螺母每圈螺紋所受的平均壓力為 F / u , 并作用在以螺紋中徑 D 2為直徑的圓周上, 則螺紋牙危險截面 a -a 上的剪切強度 條件為:=DbZQ (5螺紋牙危險截面 a -a

8、上的彎曲強度條件為:b =ZDb Ql26 b (6式中 b 螺紋牙根部的厚度, /mm 。 b =0.65P , P 為螺紋螺距, /mm; l 彎曲力臂, /mm 。 l =(D -D 2 / 2; 螺母材料的許用切應力, /MPa;可取 =3040MPa ; b 螺母材料的許用彎曲應力, /MPa;可取 b =4060MPa 。 b =0.65p=0.65×5=3.25 , D2=21.5mm, D d l =(D -D 2 / 2=(24-21.5 /2=1.25mm=DbZ Q=20000/(3.14×24×3.25×7=11.67MPa ,

9、符合 。b =ZDb Ql 26=6×20000×1.25/(3.14×24×3.252×7=21.53MPa, 符合 b b ,滿足強度要求。5. 穩(wěn)定性校核螺桿受壓不失穩(wěn)的條件為:S CS QQ Q為螺桿承受的軸向壓力, N ;S S 為保證螺桿不失穩(wěn)的最小安全系數(shù),此處 S S =2.54.0;C Q 為螺桿失穩(wěn)時的臨界載荷, N ;臨界載荷 C Q 與螺桿柔度 s 有關,即 s =i l,其中 i=41d l=H/2+L+2d=17.2+200+48=265.2mm螺旋千斤頂一段固定,一段自由, µ=2則 s =il=114.

10、68>40,要進行穩(wěn)定性校核s >100,則 C Q =22 (l EI,E 為螺桿材料的彈性模量,鋼螺桿 E=2.06×510MPaI 為螺桿危險截面的慣性矩, I=6441d (N 帶入數(shù)據(jù)得:C Q =71.45KN 則QQ C=3.6>S S , 滿足穩(wěn)定性條件 6. 螺母外徑與凸緣的強度計算 螺母結構如圖所示,在起重載荷 F 作用下, 螺母下段懸置部分有拉伸應力,螺母凸緣與底座 的接觸面上會產(chǎn)生擠壓壓力,凸緣根部則有彎曲 及剪切應力。它們的強度條件計算式分別為:螺母下段懸置部分的抗拉強度條件為:=(43. 12. 1(223D D Q- (7螺母凸緣的擠壓

11、強度條件為:P =(42324D D Q- P (8螺母凸緣根部的彎曲強度條件為:b =2334(5. 1a D D D Q W M -= b (9 螺母凸緣根部的剪斷很少發(fā)生,強度計算可從略。式中 螺母材料的許用拉伸應力, /MPa ?？扇?=0.83b ;P 螺母材料的許用擠壓應力, /MPa 。可取 =(1.51.7 b 取 D 3=1.5d=36mm , D4=1.4D3 =50.4mm ,a=0.3H=10.32mm =(43. 12. 1(223D D Q-=4×1.3×20000/(3.14×(362-242=46.0MPa因為 =0.86b =0.

12、83×60=49.8 所以符合 P = (42324D D Q-=20000/3.14÷4×(50.42-362=20.48MPa因為 =(1.51.7 b =1.5×60=90 所以符合 P P b =2334(5. 1aD D D Q W M -= =1.5×20000×(50.4-36 /(3.14×36×10.322=35.88MPa 符合 b b 。滿足強度要求。7、手柄設計計算操作力矩 T :T = T 1 + T 2 = F h Lh (10式中 T 1 螺旋副螺紋牙間的摩擦力矩,即螺桿所受扭矩, /

13、N m 。 T 2螺桿與托杯底面間的摩擦力矩, /N m 。T 2= (32020330d D d D Q f c - (11Q 起升力, /N ;f c螺桿與托杯底面間的摩擦因數(shù),可取 f c=0.1;D 0螺桿與托杯底面接觸環(huán)面的外徑, /m;d 0螺桿與托杯底面接觸環(huán)面的內徑, /m;F h 扳動手柄的操作力, /N 。一般可取 F h =250 N; L h 手柄的長度, /m。計算手柄彎曲強度 由手柄彎曲強度條件b =1. 0b 3hd T W T = 可得手柄直徑計算式:1. 0b h Td (12式中 b 手柄材料的許用彎曲應力 ,MPa 。 一般可選 Q235, 其 b =12

14、5MPa 。取 D 0=1.8d=43.2mm , do =0.8d=19.2mmT 2= (32203030d D d D Q f c -=0.1×20000÷3×(43.23-19.23(43.22-19.32=32.82N.mT 1=38.5N.m , T= T1+ T2=32.82+38.5=71.32N.m 因為 T= Fh Lh所以 L h =T/ Fh =285.3mm. 因為 1. 0b h Td ,其中 b =125MPa所以 1. 0b h Td =17.87mm,取 d h =18mm八、底座設計底座材料常用鑄鐵(HT150及 HT200 (圖 6 ,鑄件的壁厚 不應小于 812mm ,取為 10mm ,為了增加底座的穩(wěn)定性,底部尺寸應大些, 因此將其外 形制成 1 10的斜度。 S=1.