平衡吊說明書

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設 計 說 明 （ 計 算 ）書第一章 緒論1.1 研究內容的現(xiàn)狀平衡吊是車間內一種新型的機械化吊運工具，適用于幾十公斤至數(shù)百公斤重的工件的高效率吊運，并可保證其準確地定位安置。平衡吊主要作為工序間的工件起吊運輸，如：砂箱、鑄件及型芯的運送、下芯和合箱等，特別是中小批量多品種生產條件下，是較為理想的吊運工具。由于平衡吊操作靈活、直觀性好、結構簡單、制造方便。目前，在國內已有起重量分別為50公斤、100公斤和300公斤的電動原型平衡吊，并初步形成一個系列。由于動力源與傳動結構的組合方式不同，目前國內已經有以下幾種類型的平衡吊。如圖1.1。圖1.2 平衡吊1.2 選

2、題意義平衡吊是一種新型機械化吊運設備。它具有結構簡單、操作靈活、制造方便，高效率、高精度等優(yōu)點。在過去的工廠中都采用吊車，電葫蘆來實現(xiàn)，采用吊車，電葫蘆不僅移動起來不便利而且占用空間也大，并且很難在生產線中采用。隨著社會的進步，生產線慢慢成為了工廠的主要組成部分，為了滿足在生產線中能靈活自如的搬運工件而且占地面積小。人們就開始研究起各種起吊、搬移靈活、運動可靠的搬運工具。最終平衡吊問世。由于平衡吊的問世使生產線更加緊湊，節(jié)省空間，為以后發(fā)展做好了基礎。其主要特點是運用桿系的平衡原理和放大尺原理，操作者只需用幾公斤力，就能使幾十至上千公斤的重物在上下、前后、水平廻轉三維空間輕巧自如地吊裝，且運行

3、可靠，便成為了生產線、機床等設備工件上、下料的理想吊運裝置。作為簡易起重設備平衡吊利用絲桿傳動代替了卷筒、制動器、鋼絲繩等起升機構零部件，又巧妙地利用平行四邊形四連桿機構作為平衡臂，省去了變幅驅動裝置，更可貴地是還具有隨遇平衡的特點。它比橋吊、電動葫蘆等傳統(tǒng)起重設備靈活輕便，比機械手結構簡單易于推廣，因此是一種減輕繁重體力勞動，實現(xiàn)中小件搬運機械化較為理想的吊運工具。第二章 總體方案設計2.1 總功能確定本設計主要是為了完成工廠中零件的三維空間的搬運，為此總功能如圖2.1。圖2.1 黑箱2.2工藝原理工件的搬運需要操作靈活、移動快速、定位準確的特點，為此選用機械式搬運。2.3 工藝路線為了實現(xiàn)

4、工件的搬運，所選擇的路線為已有一批工件，由人工控制選擇所要移動的地方，并完成工件的搬運。工藝路線如圖2.2。圖2.2 工藝路線圖2.4功能分解由工藝路線可得到圖2.3所示的功能分解圖。圖2.3 功能樹2.5形態(tài)學矩陣由功能樹可得到不同分功能的單元解如下表2.1。表2.1形態(tài)學矩陣分功能功能分解123A動力源電機液壓氣壓B上下移動機構絲杠齒輪齒條曲柄滑塊C旋轉運動機構止推軸承 2.6方案評價由形態(tài)學矩陣可知一共有九種方案分別為：方案的不同點在與完成動作時的動力源不同和上下移動實現(xiàn)直線運動的機構的不同。各實現(xiàn)上下移動的機構如圖2.3。(a)曲柄滑塊機構（b）齒輪齒條機構（c）絲杠螺母機構圖2.3上

5、下移動的機構圖平衡吊主要適應于生產線，為了滿足所有生產線動力源選用電機，由于工廠大部分機器都采用電動來控制，如果工廠已經有了液壓系統(tǒng)可以采用液壓，如果沒有那么就需要建立液壓系統(tǒng)，那樣會增加成本。選用氣壓需要配備氣泵從而也增加了成本。所以為了更還的適應工廠的需求，動力源選則電機。平衡吊在工廠生產線中作為中間傳送機構要實現(xiàn)結構緊湊，并且占地面積要小，這樣會使生產線所占空間減小，減小建筑成本，由于（a），（b）圖曲柄和齒輪占用空間相對（c）圖絲杠所占空間大，而且絲杠螺母在安裝方面，操作簡單。所以選用絲杠螺母來實現(xiàn)上下移動。從而確定方案為：A1 B1 C12.7方案簡圖本方案由電機與減速器直連，再由減

6、速器通過聯(lián)軸器與絲杠相連。最后絲杠與DF、CE、BC、AD組成的平行四桿機構相連接，并且平行四桿機構中的C、A為復合鉸鏈。如圖2.3。圖2.3方案簡圖2.8整體布局圖本設計主要采用立式結構，電機、減速器、桿機構和配重與由立柱通過法蘭連接，而立柱通過法蘭與地面連接固定，從而就把整個設備與地面連接固定。各機構之間位置如圖2.4所示。圖2.4 整體布局圖第三章 執(zhí)行系統(tǒng)的設計3.1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,運行到工作范圍內的任何位置后都可以隨意停下并保持靜止不動,即達到隨遇平衡狀態(tài)。由圖3.1可知A點的運動是由傳動部分控制的,當在一定高度時,可以將A點看作一個固定鉸

7、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點只有垂直方向的反力且合力為零,那么支座C點的水平受力為零,平衡就可以得到。 圖3.1桿機構簡圖為便于分析問題,假設桿系的自重及各鉸鏈點之間的摩擦均忽略不計。根據(jù)靜力學的原理,平面力系中某一桿件同時受三力作用,則三力必交于一點,叫做三力桿。某一桿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,叫二力桿。故 CB、CE為二力桿。其受力方向沿鉸鏈連線。ABD、DEF為三力桿。三力平衡時, 其力必匯交于一點。先分析DEF桿件。在F點吊起重物時,其方向垂直向下,CE桿通過鉸鏈E

8、壓給DEF桿的作用力的方向為沿CE連線方向,力與交于K點,則第三個力,即ABD 桿通過鉸鏈D作用于DEF桿的力,必通過D點交于K點方向可由力三角形得出,如圖3.2所示。圖3.2 DEF桿受力分解圖其次再分析ABD桿件,根據(jù)作用與反作用的道理,顯然,桿件DEF通過鉸鏈D給桿ABD以反作用,方向如圖3.3 所示。二力桿VC通過鉸鏈B給桿ABD的作用力沿BC方向, 力與力交于J點,則第三個力即固定鉸鏈A對ABD桿的支反力必然通過J點,其方向由力三角形提出,如圖3.3所示。圖3.3 ABD桿受力分解圖圖3.4 整體受力分析圖如前所述,平衡吊要達到平衡,支反力必須為鉛垂方向的力?，F(xiàn)在將這兩個構件的受力分

9、析綜合到一起來研究。如圖3.4所示,由于在力多邊形中，力與力同為鉛垂方向,力與力的水平投影是等長的,即力與的水平分力大小相等方向相反,處于平衡狀態(tài),故C點無水平分力。在什么條件下才能保證支反力保持鉛垂方向,根據(jù)上述受力分析,只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桿的延長結相交于K點,再連接K、D兩點并延長與BC桿的延長線相交J點,而J點正好過A點所作的鉛垂線上,才能使支反力保持鉛垂方向。要做到這一點,滿足機構的幾何條件為:KEFABJKDEDJB相似三角形的對應邊成比例關系得到:EF:EK=BJ:AB (1)DE:EK=BJ:BD (2)由(1)、 (2) 式得到：

10、EF:DE =BD:AB假設ABD=H,AB=h,BD =，DE=L，DE=l,EF=則/l=/h或者(+l)/l=(+h)/h即L/l=H/h=m m為臂長比比值。圖3.5整體分布圖這就是說,只要桿系各桿件滿足上述關系式,機構即可在任意位置達到平衡。同時,從圖3.5 中還可以看到另一個重要現(xiàn)象,即A,C,F 三點共線。 證明如下:FE/BC FE/BC =/lEC/AB EC/BA =/ hFEC =CBAFECCBA得到： FC/CA因為C點為FC和CA的共同點,所以FC與CA，即F，C，A三點共線。3.2平衡吊運動分析(1) 當A點不動時,F點的運動規(guī)律如圖6過C點作一條水平線MN，A點

11、與F點在此水平線上的投影分別為M、N兩點。假設此時C點平移至點，F(xiàn)點平移至點。圖3.6運動分析同樣、 三點共線。點在MN線上的投影為點。C點末移動時:FEC CBACE/AB =EF/BC=FC/CA=入- 1FNCAMCFC/CA=FN/AM=入- 1FN=(入- 1) ·AMC點移動后；/= /= /=入- 1C/ =/AM=入- 1=(入- 1)·AM由(1)、(2) 式得出：=FN故證明 C點水平移動時，F(xiàn)點在水平方向上作水平移動。/=AF/AC=入=入即F點的水平移動速度為C點的入倍,如果C點作勻速運動，F(xiàn)點也作勻速運動。(2)當電機帶動A點運動時，F(xiàn)點的運動規(guī)律

12、此時將C點看作一個固定鉸鏈支座如圖7圖3.7運動分析當A點移至點時，、C、三點共線(道理同上)。過C點作水平NM,FNNMCEFACBCF/AC= EF/BC=L1/l=入- 1同理CNFCMACN/CM=CF/AC=L1/l=入- 1下面來證明F點的位置變化：/=/ =L1/l=入- 1由上述可得到 /故知 F 點在垂直方向上運動，其大小可由 得到:/=L1/l=入- 1即F 點的垂直移動速度為A點的入- 1倍，如果A點作勻速運動，F(xiàn)點也作勻速運動。3.3平衡吊各桿長計算由任務書所給的參數(shù)確定平衡吊幾何分析簡圖如下：S吊重水平移動距離；Z吊重垂直升降距離；r通過-鉸的鉛垂方向至作業(yè)區(qū)方框圖右

13、側距離；K水平導向槽中心線至作業(yè)方框圖上側距離；、鉸中心水平移動距離；z、鉸中心的垂直升降距離；H/h、L/l桿件長度簡化標準形式；1水平擺臂與垂直距離擺臂所夾銳角；2水平擺臂延長線與垂直擺臂所夾銳角；ro立柱中心線（平衡臂回轉中心線）至方框圖內側距離 圖3.8平衡吊幾何分析簡圖 由圖3.6可知，作業(yè)區(qū)系指內徑，外徑R=+S，高為Z的空心圓柱體：作業(yè)區(qū)的一側縱斷面圖稱作業(yè)方框圖。通過幾何分析，水平導向槽和垂直導向槽的理論長度，可由下列關系式決定：水平水平導向槽移動距離：垂直導向槽移動距離：為了使結構緊湊，故使平衡臂在方框圖的兩個極限位置擺臂夾角相等，即得 (1) 當L=H時則有： (2) 令K

14、=0 則有： (3) 選擇杠桿比為標準比：m=6當K=0時，Z=1500mm，S=2100mm，r=600mm帶入（3）式中便可得=1081mm取H=1500mm L=2100mm當H=1500mm L=2100mm時帶入（1）式中得K=435mm 由得出水平水平導向槽移動距離為：350mm由得出垂直導向槽移動距離為：300mm3.4平衡吊各鉸鏈受力計算鉸鏈受力分析是選用鉸鏈軸承或核算鉸接構件強度的依據(jù)。圖3.9 所示平衡臂支反力N和餃鏈鉸接力R。尚可分別用以決定水平導輪和導軌的擠壓應力及升降驅動裝置的驅動力。圖3.9鉸鏈受力分析圖在計算公式中：G 為包括吊具在內的吊重名義重量及其慣性力之總和

15、，單位為公斤；a 、應代入“+”、“一”號。吊具重為10Kg，慣性力和吊重總質量為100Kg。圖3.10 布局圖角、的正負劃分原則：以次鉛垂線為界，左正右負；以次水平線為界，上正下負,由圖知角度變化范圍。(1)鉸， 、鉸 計算公式：式中“±”與角“±”相同 (4)(2) 鉸，、鉸計算公式： (5) (3) 鉸計算公式： (6)(4) 鉸計算公式：=120×9.8×5= 5880N (7)(5) 、鉸計算公式：=120×9.8×6=7056N (8) 由布局圖可知在“上內”“下外”時、角如下表所列。而各個鉸點最大力就在這些位置處，則下表

16、為各個位置的計算值。表3.1 各個鉸子點受力計算值= 上內=上終=-=- 下內=-下終=平內鉸， 、鉸1055.7N531.7N338.1N1677.9N0N鉸，、鉸1500.4N565.2N768.3N1611.6N1005N鉸1110N465.7N348.8N1666.5N1176N通過表1可知各個鉸點受到的最大的力，由最大的力可以選擇銷軸。3.5各桿強度、剛度計算公式計算公式中的符號含義是： 一拉(壓)應力 (Pa)；一材料拉(壓)許用應力(Pa)；F 一計算截面面積()；W 一計算截面模數(shù)()；J一桿件主桿截面的軸慣性矩()；P 一 包括吊具在內吊重名義重量及其慣性力之總和 (Kg)；

17、m 一桿長合比比值；E 一材料彈性模數(shù)()；Ymax一最大撓度(cm)；Ymin一最大相對撓度(cm)；(入)一許用撓度(cm)；L、H 一桿件總長度(mm)；1、h 一桿件分段長度 (mm)；、 一桿件擺角(°)；z一計算截面至參考截面距離(cm)；Z 一計算截面代號。選用冷彎等邊槽型鋼 厚度t=4mm,H=160mm，B=80mm，Wx=22.210 F=7.373=375MPa M=5.788Kg(1)桿件1 圖3.11桿件1瞬時受力圖AC段截面應力為：=G/Fcos±G/W(L-l-z)sin< 函數(shù)有極大值=±arctan=±89.42則

18、=3.982MPa<滿足條件。BC段截面應力：=±±< 式中 “土”號系指絕對值之意校核位置：函數(shù)無極大值，“上 內” 、“下外”為危險點。兩處應力中較大者為校核值。=40=-24上內、=-24=67下外分別代入公式得：=0.13MPa<截面C的應力：=±±<“上內” 、“下外”為危險點兩處應力中較大者為校核值=40=-24上內、=-24=67下外分別代入公式得=0.039MPa<(2) 桿件2 選用方形鋼 厚度為t=4mm，H=120mm，B=80mm，W=49.094，F(xiàn)=11.974，=375MPa M=11.734K

19、gBC段應力圖3.12 桿件2 瞬時受力分析圖=±±<式中 “士”號系指絕對值之意校核位置：函數(shù)無極大值，“上內”、“下外”、“平內”為危險點，取三值中最大者為校核值。=40=-24上內 =-24=67下外=0=0平內、分別代入公式得=0.014MPa<AC段應力=±+<式中“士”號與角“士”號對應。經分析函數(shù)有極大值,極值角。為： =±arctan=±0.11=0.35MPa<C截面應力=±+<=±arctan=±0.04=0.069MPa<(3)桿件3選用方形鋼 厚度t=2m

20、m，B=20mm，W=0.692，F(xiàn)=1.34，=3754MPa M=1.05Kg圖3.13桿件3 瞬時受力分析圖=<校核位置: 函數(shù)無極大值，“上內”、“下外”為危險點，二處應力中大者為校核值。=40=-24上內、=-24=67下外分別代入公式得=0.018MPa<(4)桿件4選用方形鋼 厚度t=3mm，B=50mm，W=9.49，F(xiàn)=6.947，=375MPa M=2.361Kg圖3.14桿件4 瞬時受力分析圖=±< 校核位置：函數(shù)無極大值，“上內”、“下外”為危險點,二處應力中大者為校核值。=40=-24上內、=-24=67下外分別代入公式得=0.018MPa

21、<。第四章 傳動系統(tǒng)的設計計算4.1 運動與動力參數(shù)的設計計算已知升降速度Vx=7.5m/min，鉸受力為F=4900N，絲杠選用梯形螺紋(1)牙型材料與許用應力螺桿采用45鋼，螺母選用ZCuSn5Pb5Zn5初選滑動速度為3m/s，許用比壓Pp=8N/螺桿許用應力=340N/=(113.468) N/,取=90N/=（1.01.2）=（1.01.2）×90N/=（90108）N/ 取=99N/Tp=0.6×90 N/=54 N/螺母的許用應力=（4060）N/ 取=50N/Tp=（3040）N/=54 N/取Tp=35N/(2)按耐磨性分析計算公式為由參考文獻2知選

22、用1.22.5取1.8線數(shù)n取1則d2=16.2mm由參考文獻2知：選用公稱直徑d=36mm，螺距P=6mm，中徑d2=33mm，小徑d1=29mm。螺母高度為H=d2=59.4mm旋合圈數(shù)為z=H/P=9.9 取10圈螺紋工作高度h=0.5P=3mm(3)驗算耐磨性導程角=arctan(S/d)=arctan6/(3.1415×33)=3.312°牙面滑動速Va=.d2.Vx(/S.cos)=3.1415×33×0.125/(6×cos3.312)=2.16m/s。查表知道Pp初值合適，則不再作耐磨性驗算(4)驗算自鎖 得摩檫因數(shù)=0.9 梯

23、形螺紋牙型角=30° 摩擦角=arctan=5.3232° =3.0368°<=5.3232°滿足自鎖要求。4.2、電機的選擇由鉸受力可知絲杠所需要功率為P1=×V=5880×7.5/60=735W平衡吊的傳動路線如圖4.1。圖4.1平衡吊的傳動路線1)選擇動力機系列由于電機啟動、逆轉次數(shù)頻繁故選用三相異步電機，選擇YZ系列。機功率為P=傳動裝置的總效率 = 由參考文獻1確定各部分效率如下：聯(lián)軸器的效率： =0.96 減速器效率： = 0.98滑動絲杠： =0.850.95代入得：=0.96×0.98×0.9

24、0=0.847所需電動機功率 PV = PW/=735 /0.847=867.8w 由參考文獻1可選YZ系列三相異步電動機YZ112M型，D=32mm，M=215mm， E=80mm 額定功率 P0=1.8kw，轉速為892 r/min滿足 P0 > PV4.3總傳動比計算及傳動比分配絲杠轉速為=80r/mini總=892/80=11I減=11選擇二級減速器來實現(xiàn)輸入功率為1.5Kw。輸出功率為P2=1.47Kw由參考文獻1得Ka=1.5 Sa=1.5機械強度計算功率：2m=P2×Ka× Sa=1470×1.5×1.5=3.308Kw要求P2m&l

25、t;P1按I減=59及n=892r/min由參考文獻1：減速器ZL1.55A-43型 ,i=11 n1=1500r/min 輸入軸徑： d1=22mm l1=36mm輸出軸直徑：d2=48mm l2=82mm功率： P1=1.5Kw當n1=892r/min時計算公稱功率為P1=1500×892/1000=1.338Kw則P2m<P1 滿足要求4.4絲杠的強度計算螺紋摩擦轉矩 T1=1.5×d2×F×tan（+）T1=1.5×15×4900×tan（3.0368+5.3232）=16200N/m=48.86 N/=48.

26、86 N/<=50N/ 滿足強度要4.5聯(lián)軸器的選擇由參考文獻1選用彈性聯(lián)軸器，型號為LH4公稱轉矩1250 軸孔直徑d1=d2=55mmL=112mm L1=84mm D=195mm d3=30mm l=90mm柱銷中心分布直徑 D1=（1015）=1.5Kw 查機械設計手冊知 帶入上式得：=14.3251250 滿足條件。4.6.鍵聯(lián)接的類型和尺寸選擇鍵的精度為8級，需有較好對中性，故選圓頭普通平鍵。鍵的材料：45鋼。絲杠與聯(lián)軸器連接的鍵：軸徑d=36mm，由參考文獻1查得鍵剖面寬b=10mm高 h=8mm。選鍵長L=70mm 鍵聯(lián)接的失效形式是軸、輪轂和鍵三個零件中較弱零件的壓潰。

27、故應進行擠壓強度校核。鍵工作長度：l=L-b=70-10=60mm 由參考文獻1查得聯(lián)接的許用擠壓應力（輕微沖擊）鍵聯(lián)接工作面的擠壓應力： = = 由于故選用的鍵強度足夠4.7平衡吊桿系自重的平衡分析圖5.1為原型平衡臂桿系,G1、G2、G3、G4分別為桿件 I、的自重，S1、S2、S3、S4為各桿件重心至相應參考點的距離。圖4.2 桿系自重在桿系自重的作用下，水平滾輪將因受一的水平分力推動而發(fā)生平移。C為某一常數(shù)。實際機構運動中,雖然可能出現(xiàn)。=0的情況,即水平分力為零。但這一瞬時的平衡也是不穩(wěn)定的,所以機構失去了隨遇平衡的性質。只有外加平衡裝置才能消除桿系自重對平衡的這種破壞作用。很明顯合理而簡便的外加平衡裝置的作用力，只能施于桿系的某一桿件上。為此應將桿系自重中破壞平衡的部分向某一桿件轉化。如選定桿重心為轉化點,則求出一恒力為 :力F與桿系自重對水平滾輪平衡的破壞作用等效。因此平衡臂在