雙柱式升降機(jī)設(shè)計

北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文第1章緒論1.1升降機(jī)的簡介及發(fā)展概況隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科技水平的提高。升降機(jī)被廣泛地用于廠房、賓館、大廈、商場、車站、施工現(xiàn)場等場所。一般升降機(jī)用于承載物體，例如：汽車舉升機(jī)、施工升降機(jī)等。生活中常用的電梯也屬于升降機(jī)的一種，當(dāng)然也可用于油漆裝修、清潔保養(yǎng)、電力線路、照明機(jī)器、高架管道等安裝維護(hù)場所。是一種理想的高空作業(yè)設(shè)備。因此，升降機(jī)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(jī)械設(shè)備[1]。在中國古代人們通常使用人力、畜力、水力等來實現(xiàn)物體的垂直運輸，慢慢地出現(xiàn)了一些升降機(jī)的雛形，比如一些簡單的滑輪機(jī)構(gòu)。直到十九世紀(jì)第一次工業(yè)革命蒸汽機(jī)被發(fā)明之后，現(xiàn)代升降機(jī)開始出現(xiàn)。1845年，出現(xiàn)了第一部工業(yè)水壓式的升降機(jī)，這是液壓式升降機(jī)的鼻祖。1854年，美國工匠奧蒂斯發(fā)明了棘輪機(jī)械裝置，極大地提高了升降機(jī)的安全性能。1857年，首部客運升降機(jī)在美國紐約的一家商場安裝，開創(chuàng)了升降機(jī)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(dāng)中不斷地進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。但是，當(dāng)時的升降機(jī)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(jī)，真正的升降機(jī)終于誕生了！中國現(xiàn)代的升降機(jī)發(fā)展較晚，在20世紀(jì)初才在公共租界內(nèi)的飯店安裝了首部升降機(jī)。從20世紀(jì)90年代開始，中國的升降機(jī)才開始慢慢普及。國內(nèi)外生產(chǎn)的升降機(jī)品牌已達(dá)到了近百個，國外的一些大品牌升降機(jī)雖然較貴，但是憑借其高品質(zhì)的質(zhì)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(nèi)生產(chǎn)的升降機(jī)型號各異，也都基本上都符合現(xiàn)代各行業(yè)的需求。但因為其產(chǎn)品設(shè)計、技術(shù)開發(fā)及性能上的一些不成熟導(dǎo)致了銷量的呆滯。當(dāng)然在性價比、銷售網(wǎng)絡(luò)、售后服務(wù)等方面，國產(chǎn)升降機(jī)也有著一定的優(yōu)勢[1]。因此，如何提高產(chǎn)品的性能和產(chǎn)品的市場的競爭力成為國內(nèi)廠商最為關(guān)心的問題。這次設(shè)計的內(nèi)容也就變得很有意義。1.2升降機(jī)的分類升降機(jī)的類型繁多,根據(jù)其結(jié)構(gòu)類型一般可分為雙柱式升降機(jī)、四柱式升降機(jī)、剪式升降機(jī)等。其主要的優(yōu)缺點參考表1-1。由表可知，雙柱式升降機(jī)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(jī)只有在運載超重的物體時才會被運用；而剪式升降機(jī)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(dá)到一定程度時才能夠被廣泛使用[2]。表1-1根據(jù)結(jié)構(gòu)方式分類種類名稱優(yōu)點缺點雙柱式舉升機(jī)同步性好，占地面積較小機(jī)械式機(jī)械磨損較大；液壓是成本高；四柱式舉升機(jī)適合四輪定位結(jié)構(gòu)的使用占地面積較大剪式舉升機(jī)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(jù)升降機(jī)的驅(qū)動類型分類，升降機(jī)大體上可分為機(jī)械式和液壓式兩類。其主要的優(yōu)缺點參考表1-2。機(jī)械式升降機(jī)主要有單電機(jī)驅(qū)動的螺紋傳動升降機(jī)和雙電機(jī)驅(qū)動的螺紋傳動升降機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，但也易發(fā)生危險，所以需要經(jīng)常性的維護(hù)。液壓傳動升降機(jī)由于其性能優(yōu)勢逐漸成為主流的升降機(jī)。但其成本較高，需要一定的經(jīng)濟(jì)能力。表1-2根據(jù)驅(qū)動類型分類種類名稱優(yōu)點缺點機(jī)械式升降機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,價格便宜

機(jī)械磨損大易發(fā)生危險液壓式升降機(jī)安全性能好、運行平穩(wěn)、維護(hù)簡單、工作效率高成本高第2章升降機(jī)設(shè)計任務(wù)和總體方案設(shè)計2.1升降機(jī)設(shè)計任務(wù)本次設(shè)計課題為教師自擬課題，具體設(shè)計要求見表2-1。表2-1雙柱式升降機(jī)設(shè)計要求項目數(shù)據(jù)額定升降質(zhì)量3000kg升降高度1800mm全程上升/下降時間≤1min動力來源電機(jī)驅(qū)動傳動方式絲杠傳遞2.2舉升機(jī)總體方案設(shè)計2.2.1擬定設(shè)計方案電機(jī)配置方案1）單電機(jī)方案：傳動路線為電機(jī)-帶傳動-螺旋傳動-同步機(jī)構(gòu)-螺旋傳動。此方案預(yù)選電機(jī)功率為4kw，同步機(jī)構(gòu)占用空間使物體不方便擱置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性不高。2）雙電機(jī)方案：兩邊立柱上各有一電動機(jī)。此方案預(yù)選電機(jī)功率為2.2kw，通過電機(jī)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(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。2、升降機(jī)構(gòu)1）齒條傳動齒條傳動，采用以齒條為承載軌道進(jìn)行同步升降。機(jī)械能轉(zhuǎn)化率高，但承載較次。2）滾珠絲杠傳動，采用以旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，平穩(wěn)輕便快捷，機(jī)械能轉(zhuǎn)化率低。3）滑動螺旋傳動，采用以旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，平穩(wěn)承載能力強(qiáng)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化率低。4）液壓傳動，傳動平穩(wěn)，承載能力大，也簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，但制造精度高，成本高，使用維護(hù)嚴(yán)格。單電機(jī)方案中同步機(jī)構(gòu)升降機(jī)左右兩立柱上的四個托架(與滑套相聯(lián)接)，必須要達(dá)到同步才能進(jìn)行升降。經(jīng)分析有以下三種方案可進(jìn)行選擇:1）螺旋副——錐齒輪——長軸——錐齒輪——螺旋副機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)。此方案可以很好的實現(xiàn)升降的同步性，不過其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，長軸雖可采用無縫鋼管與短軸頭焊接措施替代，但結(jié)果依舊不理想，因為重量過大。2）選用外轉(zhuǎn)性相近的兩個電動機(jī)與加工精度相近的在裝配時進(jìn)行調(diào)整選配的兩個螺旋副.分別驅(qū)動的傳動結(jié)構(gòu)。3）鏈傳動結(jié)構(gòu)。同步性可靠，結(jié)構(gòu)簡單，自重小，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單，傳動效率較高，但兩帶輪間距過大，需要設(shè)置張緊裝置，且同步帶傳動使用維護(hù)嚴(yán)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(yù)定高度的鎖緊，升降機(jī)還需要另外設(shè)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(xiàn)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(dǎo)軌鉗制器。2.2.2確定總體設(shè)計方案方案一：原動機(jī)采用一個電機(jī)，電機(jī)通過普通V帶傳動將運動和力矩傳遞到右側(cè)螺桿，螺旋傳動將右側(cè)螺桿的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為螺母的直線運動，左側(cè)螺桿的轉(zhuǎn)動通過傳動比為1的鏈傳動傳遞到右側(cè)螺桿，實現(xiàn)左右螺桿的同步運動，即右側(cè)螺桿將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為螺母的直線運動。方案二：原動機(jī)為分別安裝在左右立柱上的兩電機(jī)，通過兩電機(jī)的通斷電實現(xiàn)左右螺桿的同步運動，螺桿把轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，從而是螺母同步上下運動，實現(xiàn)汽車升降。總結(jié)，根據(jù)以上分析發(fā)現(xiàn)，方案一結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可靠性較低，而方案二可以省去機(jī)械的同步運動機(jī)構(gòu)，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，并且耗電量上兩方案區(qū)別不大，因此，本雙柱機(jī)械式汽車舉升機(jī)選擇方案二。第3章原動機(jī)的選擇3.1選擇原動機(jī)類型和結(jié)構(gòu)原動機(jī)選擇最常見的Y系列三相異步電動機(jī)，它是按國際電工委員會（IEC）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的。其中Y系列（IP44）電動機(jī)為籠型封閉式結(jié)構(gòu)，能防止灰塵、水滴侵入電機(jī)內(nèi)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(jī)的轉(zhuǎn)速及功率考慮到升降機(jī)的上升速度，選擇滑動螺旋副的轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)速選擇為6級，同步轉(zhuǎn)速1000r/min，滿載轉(zhuǎn)速約為960r/min。根據(jù)升降機(jī)設(shè)計要求，F(xiàn)=22050N。根據(jù)滑動螺旋傳動的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩則滑動螺旋副所需功率，電動機(jī)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(jī)的功率P=2.2kw。根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊選擇Y112M-6，其各項參數(shù)如表3-1。表3-1電機(jī)Y112M-6各項參數(shù)電機(jī)型號額定功率kw滿載轉(zhuǎn)速r/min啟動轉(zhuǎn)矩N.m最大轉(zhuǎn)矩N.mY112M-62.29602.02.2第4章帶傳動的設(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)用。根據(jù)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(chǎn)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(jié)構(gòu)繩芯結(jié)構(gòu)87~9292~96窄V帶90~95多楔帶92~97同步帶93~98根據(jù)電機(jī)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(jié)構(gòu)為繩芯結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的V帶有著當(dāng)量摩擦因數(shù)較大、工作面與輪槽粘附著好、傳動比大、預(yù)緊力小，曲撓疲勞性好等優(yōu)點。4.2帶傳動設(shè)計計算4.2.1帶傳動設(shè)計初始條件根據(jù)第三章所確定的電機(jī)型號，來確定帶傳動的初始值。可知電機(jī)功率為2.2kw，大帶輪轉(zhuǎn)速為960r/min，小帶輪轉(zhuǎn)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(chǎn)生脫層、撕裂和拉斷；帶的工作面磨損。因此，V帶傳動設(shè)計的主要內(nèi)容為保證帶傳動在工作中不打滑，并具有一定的疲勞強(qiáng)度和使用壽命。4.2.2帶傳動設(shè)計計算設(shè)計功率式中KA——工況系數(shù)，因升降機(jī)每日該工作時間不會多于10小時查表取1.1P——工傳遞的功率，P=2.2×0.96=2.11kw選定帶型根據(jù)設(shè)計功率Pd和小帶輪帶速n1，選取帶型為A型。傳動比小帶輪基準(zhǔn)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(xiàn)選擇小帶輪基準(zhǔn)直徑。大帶輪基準(zhǔn)直徑，按機(jī)械設(shè)計手冊選取大帶輪基準(zhǔn)直徑標(biāo)準(zhǔn)值。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(zhǔn)直徑對于普通V帶，，滿足條件。初定軸間距，所以所需基準(zhǔn)長度，其中，按機(jī)械設(shè)計手冊選取基準(zhǔn)長度實際軸間距安裝時所需最小軸間距：小帶輪包角單根V帶傳遞額定功率根據(jù)帶型、dd1和n1查表線性插求得。傳動比i≠1的額定功率增量根據(jù)帶型、dd1和n1查表線性插求得。V帶根數(shù)，取4根V帶式中Ka——工小帶輪包角修正系數(shù)，查表取0.85，KL——帶長修正系數(shù)，查表取0.93。4.2.4帶輪結(jié)構(gòu)設(shè)計帶輪設(shè)計要求設(shè)計帶輪時，應(yīng)考慮其結(jié)構(gòu)是否簡單，質(zhì)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(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。速度大于5m/s時要進(jìn)行靜平衡，V速度大于25m/s時則應(yīng)進(jìn)行動平衡。為了最大地減少V帶的磨損，輪槽的工作表面應(yīng)盡可能光滑[4]。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(yīng)用最廣，當(dāng)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]。帶輪的結(jié)構(gòu)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(jī)械設(shè)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(jī)構(gòu)的設(shè)計5.1舉升機(jī)構(gòu)的選擇根據(jù)設(shè)計要求的規(guī)定本次設(shè)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(zhuǎn)運動變成直線運動，可以將較小的力矩轉(zhuǎn)化為較大的推力。螺旋傳動根據(jù)其螺紋副摩擦性質(zhì)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(yīng)的特點和應(yīng)用可見下表5-1。表5-1各類螺旋傳動的特點和應(yīng)用種類滑動螺旋傳動滾動螺旋傳動靜壓螺旋傳動特點摩擦阻力大，傳動效率低結(jié)構(gòu)簡單，加工方便易于自鎖運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，但低速或微調(diào)時可能出現(xiàn)爬行螺紋有側(cè)向間隙，反向時有空程磨損快摩擦阻力小，傳動效率高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難具有傳動可逆性運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，起動時無顫動，低速時不爬行抗沖擊性能較差工作壽命長，不易發(fā)生故障摩擦阻力極小，傳動效率高螺母結(jié)構(gòu)復(fù)雜具有傳動可逆性工作平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象反向時無空程磨損小，壽命長需要一套壓力穩(wěn)定、溫度恒定、過濾要求較高的供油系統(tǒng)應(yīng)用舉例金屬切削機(jī)床的進(jìn)給、分度機(jī)構(gòu)的螺旋傳動，摩擦壓力機(jī)，千斤頂?shù)膫髁β菪饘偾邢鳈C(jī)床、測試機(jī)械、儀器的傳動螺旋和調(diào)整螺旋等精密機(jī)床的進(jìn)給、分度機(jī)構(gòu)的傳動螺旋根據(jù)雙柱式升降機(jī)的應(yīng)用行業(yè)和工作條件及螺旋傳動的特點和應(yīng)用，經(jīng)分析確定滑動螺旋傳動作為升降機(jī)的升降機(jī)構(gòu)。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(yīng)用見表5-2表5-2三種螺紋副的螺紋種類、特點和應(yīng)用[4]種類特點應(yīng)用梯形螺紋牙根強(qiáng)度高，螺紋的工藝性好；內(nèi)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(diào)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(jī)床的絲桿、載重螺旋式起重機(jī)鋸齒形螺紋外螺紋牙根處有很大的圓角，使得應(yīng)力集中變小、動載強(qiáng)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(qiáng)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(jī)的傳力螺旋、火炮的炮栓機(jī)構(gòu)矩形螺紋傳動效率高，但精度要求很高；螺紋強(qiáng)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(jī)根據(jù)雙柱式升降機(jī)的應(yīng)用行業(yè)和工作條件及螺旋副的特點和應(yīng)用，經(jīng)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(shù)?；瑒勇菁y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(jié)構(gòu)特點見下表5-3。表5-3三種螺母結(jié)構(gòu)的特點種類整體螺母組合螺母剖分式螺母特點結(jié)構(gòu)簡單，但由于磨損產(chǎn)生的軸向間隙不能補償，只適用于精度較低的螺旋傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但可以定期的調(diào)整，以消除軸向間隙，避免反向轉(zhuǎn)動的空程結(jié)構(gòu)較復(fù)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(jié)構(gòu)太過復(fù)雜，本著設(shè)計結(jié)構(gòu)盡可能簡單的原則，最終確定升降機(jī)選擇整體螺母。綜上所述，本次設(shè)計采用滑動螺旋傳動，梯形螺紋和整體螺母作為升降機(jī)構(gòu)。5.2滑動螺旋副的設(shè)計計算根據(jù)設(shè)計要求，確定滑動螺旋副采用梯形螺紋，整體螺母的構(gòu)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(shù)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(nèi)，也為了確定螺桿的直徑與螺母的高度，因此需要進(jìn)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(shù)[p]——許用壓強(qiáng)，取15Ψ——根據(jù)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(qiáng)度、螺紋牙強(qiáng)度、等達(dá)到設(shè)計要求，選取螺桿中徑d2為35mm。根據(jù)算出的d2按螺紋的標(biāo)準(zhǔn)基本尺寸系列選取相應(yīng)的d和P，確定直徑d=40mm和螺距P=10mm。2、螺母高度mm3、旋合圈數(shù)符合要求4、螺紋的工作高度梯形螺紋h=0.5×P=0.5×10=5mm5、螺紋表面工作壓強(qiáng)MPa5.2.2驗算自鎖性當(dāng)量摩擦角為：螺紋升角為：由上可知螺旋升角小于當(dāng)量摩擦角，所以螺紋可以自鎖。5.2.3螺桿強(qiáng)度的校核螺旋傳動轉(zhuǎn)矩為：當(dāng)量應(yīng)力為；許用應(yīng)力[σ]經(jīng)查表為：68-120MPaσ≤[σ]，螺桿的強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。5.2.4螺紋牙強(qiáng)度的校核螺紋牙底寬度梯形螺紋螺桿抗剪強(qiáng)度的校核[τ]查表得：30-40，τ≤[τ]。螺桿抗彎強(qiáng)度查表得：40-60，≤。由于螺母的材料強(qiáng)度一般低于螺桿，所以只需校驗螺母螺紋牙的強(qiáng)度即可保證螺紋牙的強(qiáng)度。綜上所述，螺紋牙的強(qiáng)度足夠，符合設(shè)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(jié)構(gòu)，長度系數(shù)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(dāng)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(zhuǎn)速螺桿在高速旋轉(zhuǎn)是會產(chǎn)生橫向振動，所以還需校核其臨界轉(zhuǎn)速。n=240r/min≤0.8nc=255r/min，滿足條件。式中l(wèi)c——螺桿兩支承間的最大距離，取lc=2300mmμ1——系數(shù)，與螺桿的端部固定結(jié)構(gòu)有關(guān)，查表取4.7305.2.7驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和效率驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為：效率為：第6章支撐機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計6.1支撐機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)本次設(shè)計的支撐機(jī)構(gòu)是升降機(jī)的升降臺懸臂部分。當(dāng)成載物體進(jìn)入到升降機(jī)的范圍里時，升降機(jī)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(shè)計的支撐機(jī)構(gòu)為對稱式懸臂，這樣設(shè)計有利于保持承載物體的穩(wěn)定性，使立柱中各機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖懸臂由兩段部分組成，可以根據(jù)實際情況來改變懸臂的長度，其伸縮范圍為250mm，具體結(jié)構(gòu)可參考上圖6-2。6.2支撐機(jī)構(gòu)的應(yīng)力校核6.2.1校核彎曲切應(yīng)力彎曲切應(yīng)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(jī)的設(shè)計要求，懸臂末端Fs=7450N。計算Iz應(yīng)用SolidWorks截面參數(shù)命令得到的懸臂截面參數(shù)，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(biāo)。計算可以利用組合法，見圖6-3。由于截面關(guān)于Y軸對稱，因此計算只計算Y軸左側(cè)。圖6-3組合法計算形心坐標(biāo)所以化簡可得：所以懸臂的彎曲切應(yīng)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(yīng)力懸臂的彎曲正應(yīng)力計算公式為：，式中Mmax——懸臂最大彎矩；W——抗彎截面系數(shù)，與截面的幾何形狀有關(guān)；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(jīng)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(yīng)力為：，符合要求。第7章導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的設(shè)計7.1導(dǎo)軌類型分析選擇直線導(dǎo)軌通常分為滑動直線導(dǎo)軌、滾動直線導(dǎo)軌和靜壓直線導(dǎo)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(dǎo)軌基本性能比較運動形式滑動導(dǎo)軌滾動直線導(dǎo)軌靜壓導(dǎo)軌摩擦因數(shù)μ=0.04-0.06μ=0.003-0.005μ=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(jù)本次設(shè)計的具體條件，選用滾動直線導(dǎo)軌。滾動直線導(dǎo)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(dǎo)軌副。本次設(shè)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(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)簡圖。這種類型導(dǎo)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(shù)小，僅為滑動導(dǎo)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(jié)構(gòu)簡單安裝、維修簡便。精度高，即使進(jìn)給量微小，也能精確地控制位置；導(dǎo)軌兩側(cè)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(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)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(qū)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(dǎo)軌勻速運動或靜止的受載計算，本次設(shè)計的升降機(jī)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(dǎo)軌的支反力，下同F(xiàn)——驅(qū)動（推）力根據(jù)設(shè)計要求，升降機(jī)的左右對稱中心線與導(dǎo)軌中心線的距離為1515mm，計算出外加載荷作用線據(jù)導(dǎo)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(jī)的導(dǎo)軌設(shè)置為沒個立柱都安裝一根導(dǎo)軌，每根導(dǎo)軌兩個滑塊。根據(jù)直線運動系統(tǒng)受載計算公式可以求得：7.3滾動直線導(dǎo)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(yīng)對滾動直線導(dǎo)軌副進(jìn)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(shù)，fH均可取1；fT——溫度系數(shù)；fC——接觸系數(shù)；fW——載荷系數(shù)。用小時數(shù)表示的額定壽命Lh為：（7-2）式中l(wèi)——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(shù)，1/min。7.3.2滾動導(dǎo)軌副的壽命計算及選用規(guī)格給定本次設(shè)計的雙柱式升降機(jī)壽命為五年，按每年工作300天計算，則總工作小時數(shù)為：根據(jù)公式（7-2）可得：式中l(wèi)——直線運動部件單相行程長度，取l=2mn——直線運動部件每分鐘往返次數(shù)，根據(jù)實際情況，按一次修車15min計算，則每分鐘往返次數(shù)為1/15。再根據(jù)公式（7-1）可得:式中fH——硬度系數(shù)，取值為1fT——溫度系數(shù)，工作溫度≤100°，取值為1；fC——接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌上兩個滑塊，取值為0.81；fW——載荷系數(shù)，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(jī)械設(shè)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(dǎo)軌副。第8章鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計8.1鎖緊機(jī)構(gòu)的必要性升降機(jī)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(chǎn)生物體掉落或者懸臂抖動的現(xiàn)象。因此升降機(jī)鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計對其在工作中和工作后懸臂停留的穩(wěn)定性至關(guān)重要。現(xiàn)在通常采用的鎖緊機(jī)構(gòu)有以下幾種：在設(shè)計產(chǎn)品上安裝具有電磁鐵、彈簧或制動板的鎖緊機(jī)構(gòu)。電磁鐵鎖緊裝置,由于電磁鐵在設(shè)計和生產(chǎn)當(dāng)中會出現(xiàn)差異,所以在電磁鐵工作當(dāng)中會產(chǎn)生較大的噪音,而且質(zhì)量問題也不能得到保障,會引發(fā)一系列的危險。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(jī)機(jī)鎖緊性能，在升降機(jī)上使用會產(chǎn)生巨大的安全隱患。在升降機(jī)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(zhuǎn)動的鎖鉤，使其一一對應(yīng)于安裝的止動板。但是這種機(jī)構(gòu)由于止動板和鎖鉤可能不能全部及時復(fù)位，所以隱患也較大。8.2鎖緊機(jī)構(gòu)的原理分析由于上述鎖緊機(jī)構(gòu)或多或少都有一定的安全隱患，因此本次設(shè)計在經(jīng)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(dāng)位置的機(jī)構(gòu)來進(jìn)行升降機(jī)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(chǎn)生的力來卡緊圓柱軸。當(dāng)升降機(jī)工作時，內(nèi)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(jī)工作產(chǎn)生影響。具體結(jié)構(gòu)如圖8-1所示。圖8-1平臺升降時鎖緊機(jī)構(gòu)原理圖當(dāng)托臂升到所需要的一定高度時，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，托臂及其承載的全部重量都被施加在外圓環(huán)上，產(chǎn)生一個向下的壓力，壓力會給內(nèi)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(chǎn)生的水平夾緊力也就越大，所以不會產(chǎn)生夾緊力不夠而使托臂下滑的現(xiàn)象。8.3鎖緊機(jī)構(gòu)的選擇在實際生活中已經(jīng)有具備這種原理的機(jī)構(gòu)出現(xiàn)，例如導(dǎo)軌（光軸）鉗制器。本次設(shè)計的夾緊機(jī)構(gòu)就是在一個固定的Z軸上運用導(dǎo)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(dāng)電機(jī)停止工作時沒有氣壓被供給，導(dǎo)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(dāng)電機(jī)工作時會供給給鉗制器氣壓，彈簧便會松開不會對升降產(chǎn)生影響。其具體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖8-2所示。圖8-2導(dǎo)軌鉗制器結(jié)構(gòu)圖根據(jù)本次設(shè)計的設(shè)計要求及導(dǎo)軌鉗制器的型號表，選擇型號為RBPS-2600的導(dǎo)軌鉗制器。8.4鎖緊機(jī)構(gòu)的校核本次設(shè)計將導(dǎo)軌鉗制器安裝在一個光軸（Z軸）上，其由于要和導(dǎo)軌鉗制器進(jìn)行配合，確定其直徑為28mm。此光軸屬于細(xì)長桿件，為了保證細(xì)長桿件在受壓時不會發(fā)生壓桿失穩(wěn)的現(xiàn)象，所以需要對其穩(wěn)定性進(jìn)行校核。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(shù)，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(jìn)行校核。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(shù)，由壓桿的約束條件決定。對需校核的光軸應(yīng)用歐拉公式可得：根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊得出，安全系數(shù)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(shè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yīng)力；而在連接接合面處，螺栓桿則承受剪切應(yīng)力。因此，應(yīng)該對其擠壓和剪切強(qiáng)度分別進(jìn)行計算。升降臺與剖分式螺母螺紋的鏈接結(jié)構(gòu)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(qiáng)度條件為:螺栓桿的剪切強(qiáng)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(jù)本次設(shè)計的總體設(shè)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(yù)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(yīng)力和許用擠壓應(yīng)力由以下公式所確定：對于鋼，，取根據(jù)《機(jī)械設(shè)計》的表5-10，安全系數(shù)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(chǎn)生一些間隙，所以需要對其進(jìn)行校核，使受載后地基接合面應(yīng)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(yù)緊力所受的擠壓應(yīng)力；A為接合面的面積；為加載后接合面上所產(chǎn)生的最大的附加擠壓應(yīng)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(shù)。其許用擠壓應(yīng)力如表9-1所示。表9-1連接接合面材料的許用擠壓應(yīng)力材料鋼鑄鐵混凝土磚木材/MPa0.8（0.4~0.5）2.0~3.01.5~2.02.0~4.0經(jīng)分析，螺紋連接預(yù)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(yù)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(shù)為:。根據(jù)設(shè)計要求的升降重量升降機(jī)的尺寸可以得到：。箱體與地基的接合面的有效面積A=159896mm2。可得：由上可知，螺栓的預(yù)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(chǎn)生一些間隙，最終確定螺栓預(yù)緊力為20000N。結(jié)論雙柱式升降機(jī)設(shè)計主要內(nèi)容是進(jìn)行物體的設(shè)計。首先，需要對升降機(jī)進(jìn)行大體上結(jié)構(gòu)的設(shè)計，明確所要達(dá)到的具體目的；其次，要對其進(jìn)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(shè)計的物體以圖紙的形式表達(dá)出來。在確定結(jié)構(gòu)時，對其總體的結(jié)構(gòu)、如何實現(xiàn)同步傳動、升降機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了科學(xué)的選擇，盡可能使所設(shè)計的機(jī)構(gòu)簡單且符合設(shè)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(jìn)行了校核，例如：對主要的承重部件進(jìn)行了強(qiáng)度以及剛度的校核；對螺旋傳動裝置、皮帶傳動裝置進(jìn)行了校核計算，對重要螺紋連接進(jìn)行了校核計算。此外，本次設(shè)計在查閱了多方資料后，采用了雙電機(jī)驅(qū)動來保證升降的同步性；并且在鎖緊機(jī)構(gòu)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(dǎo)軌鉗制器。這兩點屬于區(qū)別于普通升降機(jī)的設(shè)計。機(jī)械式的升降機(jī)雖然同步性較好運行平穩(wěn)，但是其磨損損耗較大，維護(hù)成本較高。這也是機(jī)械式升降機(jī)的不足之處。致謝時光飛逝，轉(zhuǎn)眼間大學(xué)生活即將結(jié)束了。為了檢驗大學(xué)階段的學(xué)習(xí)成果，