GRADUATEDESIGN 設(shè)計(jì)題目： 平衡吊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí)：09 機(jī)械5 萬方科技學(xué)院指導(dǎo)教師： 在工車間里搬運(yùn)重物，往往都是采用起重機(jī)、電葫蘆、工業(yè)機(jī)械手等。但對(duì)于需要頻繁吊裝、作業(yè)時(shí)間短的場(chǎng)合，如機(jī)床上下工件，裝配工作吊裝零部件，流 水線上的定點(diǎn)工作等等；對(duì)于要求比較定位的場(chǎng)合，如鑄造中的下芯、合箱等 等，一般起重設(shè)備常不適用，工業(yè)機(jī)械手多用于生產(chǎn)自動(dòng)線上或單一的重復(fù)操作， 而且成本較高，目前，一般車間使用較少。近年來，出現(xiàn)的一種新型的定點(diǎn)起重設(shè) 備“平衡吊”，適用于幾十到幾百千克工件的定點(diǎn)頻繁吊運(yùn)，在工業(yè)生產(chǎn)中起到了 極其重要的作用，平衡吊的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈活，吊重后除能作上下升降外， 能在 水平面內(nèi)作 360 度回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，只需要輕輕推拉，就可使吊物隨時(shí)穩(wěn)穩(wěn)地停留在意欲 停留的位置上，做到隨遇平衡。本文闡述了平衡吊的基本原理，并對(duì)其平衡條件及 桿系的平衡方法進(jìn)行了分析和研究，對(duì)平衡吊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。 關(guān)鍵詞：平衡吊；原理應(yīng)用；力學(xué)分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Abstract III Abstract Transports heavyitem factoryworkshop, often all hoistcrane, industrymanipulator regardingneeds frequenthoisting, worktime short situation, like about engine bed work piece, installation work hoisting spare part, assemblyline fixed-point work requestquite pinpointing situation, like castingunder core, gathers box generalhoisting equipments oftensuitable, industrymanipulator uses producingfrom solerepetition operation, moreover generalworkshop use presentfew. recentyears, appeared one kind newfixed point hoisting equipment balancehung”, liftsfrequently several dozens severalhundred kilogram work piece fixed points, played extremelyvital role industrialproduction, structurewhich balancehung has been simple, nimbleabout, after cranebesides could do rises falls,could make 360 degree gyroscopic motions horizontalplane, only needed gently rollers,might cause thingsteadily positionwhich cared pause,achieved indifferentequilibrium. articleelaborated balancehangs basicprinciple, hascarried itsequilibrium condition poledepartments balanced method, hung designcalculation. Key Words balancehangs,Principle application,Mechanics analysis,Structural design 1.1平衡吊的結(jié)構(gòu)和工作原理 1.2平衡吊的平衡條件 113.1 工作條件的確定 113.2 滾道C 和絲杠螺母A的位置尺寸的確定 113.2.1 絲杠螺母A的上下極限位置的確定 113.2.2 滾輪C 的左右極限位置的確定......................................................... 12 3.3 初定各桿長(zhǎng)度 133.4 不計(jì)自重時(shí)，各桿截面尺寸的設(shè)計(jì) 143.4.1 FED 桿截面尺寸的設(shè)計(jì) 143.4.2 ABD 桿截面尺寸的設(shè)計(jì) 173.4.3 EC 桿和BC 桿截面尺寸的設(shè)計(jì) 224.1 各桿件自重在C 點(diǎn)處引起的失衡力的大小............................................... 22 4.2 消除各桿自重引起的失衡措施 264.3 估算各桿質(zhì)量，計(jì)算配重 274.3.1 各桿質(zhì)量的估算 274.3.2 用質(zhì)量代換法計(jì)算配重 315.1 滾珠絲杠副的選擇 315.2 電動(dòng)機(jī)的選擇 375.3 減速器的選擇 415.4 聯(lián)軸器的選擇 466.1 滾動(dòng)軸承的類型的選擇 6.2角接觸球軸承和推力球軸承的型號(hào)選擇 476.3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖 52參考文獻(xiàn) 平衡吊的工作原理及平衡條件1.1 平衡吊的結(jié)構(gòu)和工作原理 平衡吊的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要分為傳動(dòng)、桿系和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)三個(gè)部分。 傳動(dòng)部分是完成起吊重物功能的機(jī)構(gòu)，由電動(dòng)機(jī)、減速器、聯(lián)軸器等帶動(dòng)絲杠 回轉(zhuǎn)，驅(qū)使螺母升降，從而完成吊鉤在垂直方向的升降運(yùn)動(dòng)。該部分也可由氣缸、 油缸代替完成起重物的功能。 桿系部分是一平行四連桿機(jī)構(gòu)，它由ABD、DEF、BC、萬向滾珠CE 四桿組成，在 處用鉸鏈連接，其中BC＝DE，BD 點(diǎn)作水平運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)部分和桿系通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在立柱上，可以使吊鉤繞立柱回轉(zhuǎn)360。 平衡吊的水平運(yùn)動(dòng)和繞立柱的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，用手在吊鉤處輕輕推動(dòng)即可獲得，而 升降運(yùn)動(dòng)可以通過操作按鈕由電機(jī)來完成。 1.2平衡吊的平衡條件 平衡吊的平衡是指：吊鉤F點(diǎn)無論空載還是負(fù)載，運(yùn)行到工作范圍內(nèi)的任何位置 后都可以隨意停下并保持靜止不動(dòng)，即達(dá)到隨遇平衡狀態(tài)。 由圖l可知A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是由傳動(dòng)部分控制的，當(dāng)在一定高度時(shí)，可以將A點(diǎn)看作一 個(gè)固定鉸鏈支座，C點(diǎn)的水平移動(dòng)是引起F點(diǎn)水平運(yùn)動(dòng)的原因，如果吊鉤F在任何位置 (起重或空載)時(shí)，F(xiàn)點(diǎn)、C點(diǎn)、A點(diǎn)只有垂直方向的反力且合力為零，那么支座C點(diǎn)的 水平受力為零，平衡就可以得到。 為便于分析問題，假設(shè)桿系的自重及各鉸鏈點(diǎn)之間的摩擦均忽略不計(jì)。根據(jù)靜 力學(xué)的原理，平面力系中某一桿件同時(shí)受三力作用，則三力必交于一點(diǎn)，叫做三力 桿。某一桿件同時(shí)受二力作用且二力的作用點(diǎn)在兩個(gè)端點(diǎn)，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(shí)，其力必匯交于一點(diǎn)。 先分析DEF桿件。在F點(diǎn)吊起重物G 時(shí)，其方向垂直向下，CE桿通過鉸鏈E壓給DEF桿的作用力P ABD桿通過鉸鏈D作用于DEF桿的力，必通過D點(diǎn)交于K點(diǎn)方向可由力三角形得出，如圖2所示。 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Q 必須為鉛垂方向的力?，F(xiàn)在將這兩個(gè)構(gòu)件的受力分析綜合到一起來研究。 如圖 力的水平投影是等長(zhǎng)的，即S 保持鉛垂方向，根據(jù)上述受力分析，只有當(dāng)機(jī)構(gòu)在任意一個(gè)位置下，都能做到：過F 點(diǎn)做一條鉛垂線FK 與EC 桿的延長(zhǎng)線相交于 兩點(diǎn)并延長(zhǎng)與BC 桿的延長(zhǎng)線相交于 保持鉛垂方向。要做到這一點(diǎn)，滿足機(jī)構(gòu)的幾何條件為： KEF ABJKDE DJB相似三角形的對(duì)應(yīng)邊成比例關(guān)系，得到： EFEK BJABDEEK BJBD由以上兩式得到：EFDE BDAB假設(shè)： ABD 為放大系數(shù)這就是說，只要桿系各桿件滿足上述關(guān)系式，機(jī)構(gòu)即可在任意位置達(dá)到平衡。 BCFE BAEC CBA得到 ：FCCA 因?yàn)?CA的共同點(diǎn)， 所以FC 與CA 必須在同一直線上，即F，C，A 三點(diǎn)共線。 平衡吊的運(yùn)動(dòng)分析下面針對(duì)當(dāng)A點(diǎn)升降和C 點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，作釣鉤F 的運(yùn)動(dòng)分析。 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖 點(diǎn)作一條水平線MN， 兩點(diǎn)。假設(shè)此時(shí)C 點(diǎn)平移至C′點(diǎn)，F(xiàn) 點(diǎn)平移至F′點(diǎn)。 同樣F′、C′、A 三點(diǎn)共線。F′點(diǎn)在MN 線上的投影為N′點(diǎn)。 CAFC BC EF AB CE FNC ACFC AM FN FN ）AM……….………...（2）由（1）、（2）式得出 FN即證明C 點(diǎn)水平移動(dòng)時(shí)，F(xiàn) 點(diǎn)在水平方向上作水平移動(dòng)。 AFF′ ACAF CC FF FF′= 點(diǎn)作勻速運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)點(diǎn)也作勻速 運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，F(xiàn) 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 此時(shí)將C 點(diǎn)看作一個(gè)固定鉸鏈支座，見圖6。萬向滾珠 點(diǎn)作水平線NM，F(xiàn)NNM FEC CAFC BC EF 同理：FNC ACFC CM CN 由上述可以得到：CNF′ CMA′NF′MA′ 平衡吊的運(yùn)動(dòng)分析10 故知F 點(diǎn)在垂直方向上運(yùn)動(dòng)，其大小可由 CNF′ CMA′得到： AAFF 點(diǎn)作勻速運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)點(diǎn)也作勻速 運(yùn)動(dòng)。 平衡吊的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)11 平衡吊的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)3.1 工作條件的確定 在一般工車間里，通常加工的零件的重量都在 100 以下，且機(jī)床和機(jī)床之 間的距離 3～5m 左右，平衡吊應(yīng)放置在兩機(jī)床之間，保證兩邊的上下工件工作都能 滿足?，F(xiàn)初定平衡吊的工作條件如下： 額定起吊重量： 回轉(zhuǎn)半徑：Rmax 2500 m/min桿件材料： Q235 3.2 滾道C 和絲杠螺母A 的位置尺寸的確定 根據(jù)平衡吊的力學(xué)平衡原理分析已知：A、C、F 三點(diǎn)共線。且有這樣的關(guān)系 AAFF ACAF CC FF =10）即有： 在水平方向移動(dòng)，且重物的移動(dòng)距離與滾輪 倍的關(guān)系。由水平變幅為1900 可以得出滾 道的理論長(zhǎng)度為190 上升或下降。同樣有重物移動(dòng)的距離是 1800可以 得出絲杠螺母的移動(dòng)距離為200 3.2.1絲杠螺母A 的上下極限位置的確定 平衡吊的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)12 如圖 固定不動(dòng)，F(xiàn)點(diǎn)隨絲杠螺母 的移動(dòng)而移動(dòng)。F′、F、A、A′、分別為上下極限位置。圖中過 點(diǎn)作水平線交FF′于 點(diǎn)，交立柱中心線于O點(diǎn)。則FF′= =1800，AA′= 200 AA′CFCAC QA′=70 所在平面為基準(zhǔn)時(shí)，絲杠螺母能到的極限位置為上130 3.2.2滾輪C 的左右極限位置的確定 由于 點(diǎn)的水平移動(dòng)，而已知平衡吊的水平變幅為1900 ，所以如圖 固定不動(dòng)，F(xiàn)、F′、萬向滾珠C、C′分別為左右極限位置，圖中過 FF′作水平線交立柱中心線于O′點(diǎn)交AP 延長(zhǎng)線于Q 則有：FF′= 1900 ，F(xiàn)O′= 2500 ，CC′= 190 ACAF 平衡吊的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)13 又由圖可知： FO′－FF′=2500 －1900 =600 X，則有：F′O′＋OC′＋X 令：OC′=120 ，則有：X 能到的理論極限位置為左70 3.3初定各桿長(zhǎng)度 各桿長(zhǎng)度必須滿足能夠使F 點(diǎn)到達(dá)，，左，右四種極限位置。 又由平衡吊的原理可以知道FDA 隨著 ACF 長(zhǎng)度的增大而增大，且有關(guān)系： 10 ACAF ACF直線隨 AC 長(zhǎng)度的變化而變化，當(dāng) AC 時(shí)FDA 。由 3.2 定的尺寸可知當(dāng)A在點(diǎn)，C在左邊時(shí)AC 取得值： AC max 270130 所以ACF的值為：ACF max =10 AC max =2997 平衡吊的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)14 由三角形原理有：三角形的任意兩邊之和必須大于第三邊。 ACFmax ACFmax在桿滿足長(zhǎng)度條件的同時(shí)為了保證不能因FDA 太大而導(dǎo)致桿件受力太大，取 此時(shí)：FDAmax 2arcsin2H ACFmax 2arcsin3 2997 123.6 綜上，初定桿長(zhǎng)為： 3.4不計(jì)自重時(shí)，各桿截面尺寸的設(shè)計(jì) 3.4.1 FED 桿截面尺寸的設(shè)計(jì) 如圖 所示，桿FED 受到吊重G ，CE桿的支撐力P ABD桿的拉力Q 的共同作用，由受力圖易知桿的彎矩圖如下： FED桿的彎矩圖 平衡吊的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)15 由彎矩圖可以看出，彎矩出現(xiàn)在E 截面，且有 GsinKFEEF EF=980N1.53m FED桿處于水平位置時(shí)，受到的彎矩，值出現(xiàn)在 面為危險(xiǎn)截面。橫力彎曲時(shí)，彎矩隨截面位置變化，一般情況下，正應(yīng)力ζ max 發(fā)生在彎 矩的截面上，并且離中性軸遠(yuǎn)處。公式為： IzMmaxYmax 截面對(duì)Z軸的慣性距。 設(shè)桿件的截面尺寸為“工”字型，相關(guān)尺寸如圖10 所示： 則截面對(duì)Z 軸的慣性距為： 12100 mm mm 12100 mm mm 1250 mm mm 1012 236 mm IzMmaxYmax 10236 12 70 1499mm mm Nm 53.4MPa 10FED桿的截面尺寸 平衡吊的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)16 彎曲正應(yīng)力求出后，就要校核桿件的強(qiáng)度。彎曲強(qiáng)度條件為： ]為桿件材料的彎曲許用應(yīng)力。桿件所用材料為 Q235，是塑性材料，塑性材料到達(dá)屈服時(shí)的應(yīng)力是屈服極限 s，為保證構(gòu)件有足夠的強(qiáng)度，在載荷作用下構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力ζ，顯然應(yīng)該低于極 限應(yīng)力。強(qiáng)度計(jì)算中，以大于1 的因數(shù)除極限應(yīng)力，所得到的結(jié)果即為許用應(yīng)力。 對(duì)于塑性材料來說： 為安全系數(shù)。選擇安全系數(shù)應(yīng)考慮的一般因素為：構(gòu)件破壞可能導(dǎo)致的傷亡事故，構(gòu)件破壞 可能造成的停產(chǎn)損失和修理費(fèi)用；材料強(qiáng)度的分散性和不確定性，載荷的不確定 性，如使用過程中有超載、動(dòng)載或沖擊載荷的可能性等等。 安全系數(shù)的選取經(jīng)驗(yàn)一般如下： 對(duì)于可靠性很強(qiáng)的材料（如常用的中低強(qiáng)度高韌性結(jié)構(gòu)鋼，強(qiáng)度分散性小）載荷恒定。設(shè)計(jì)時(shí)以減低結(jié)構(gòu)重量為重要出發(fā)點(diǎn)時(shí)，取n =1.25～1.5 對(duì)于常用的塑性材料，在穩(wěn)定的環(huán)境和載荷下的構(gòu)件，取n=1.5～2 =2～2.5在此處取n 查表有Q235的屈服極限在剛才厚度小于等于16 235MPa。 MPa235 117.5MPa 對(duì)于碳鋼來說，其材料的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度是相等的，只要值的正 應(yīng)力不超過許用應(yīng)力就可以了。 FED 桿的截面尺寸是對(duì)稱的，則危險(xiǎn)截面上的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的大小 是相等的，均為ζ max 53.4MPa，有： 平衡吊的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)17 3.4.2 ABD 桿截面尺寸的設(shè)計(jì) 如圖 11 所示，在任意位置，令桿 FED 與豎直方向的夾角EFK= FED與KD 連線方向的夾角KDE= ABD與KD 連線桿FED 兩端所受力分別對(duì) sinγ由上已經(jīng)知道 EF ED，則有： 9G sinγ…………………………（10） 而在力的三角形中可知，G sinγ………………………….（11） 聯(lián)立（10）、（11）式有： 平衡吊的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)18 9G 12ABD 桿的彎矩圖 由彎矩圖可以看出，彎矩出現(xiàn)在B 截面，且有： GsinDAJAB ……………（12） max隨桿與豎直方向的夾角DAJ 的增大而增大，當(dāng)DAJ max取得值。 下面來討論DAJ 能否達(dá)到90。 點(diǎn)固定時(shí)，C由右向左，DAJ 逐漸增大。 點(diǎn)固定時(shí)，A由下向上，DAJ逐漸增大。 在左端，A在上端時(shí)，DAJ 取得值。 如圖 13 所示，圖中 在左端，A在上端。取 BC 研究對(duì)象。分別過B、A點(diǎn)作垂線交水平線CQ 點(diǎn)作水平線交QA延長(zhǎng)線于M點(diǎn)。由以上確定的尺寸知： AB 170，AQ 130，CQ 平衡吊的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)19 13圖中 CA= 300 130 270 AQCQ 340300 BCAC arccos0.8828 又有： ACQ arctan270 130 25.7 所以： BCQ 28+25.7=53.7在BCP 且有：BP QMQM 所以：BAM ABAM 平衡吊的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)20 圖中所說的BAM 就是DAJ，這就說明DAJ 時(shí)達(dá)不到 90，即當(dāng) 在左端，A在上端時(shí)，M max 取得值。值為： GsinDAJAB =9980Nsin87.6170 1498.1Nm若桿ABD 同桿FED 取同樣的截面，有： 1012 236 mm IzMmaxYmax Pamm mm Nm 5310 236 12 70 即是強(qiáng)度條件滿足，桿件安全，截面尺寸符合要求。3.4.3 EC 桿和BC 桿截面尺寸的設(shè)計(jì) 在平衡吊的四桿機(jī)構(gòu)中，EC BC桿是兩個(gè)二力桿，受到的都是沿軸線方向 的壓力，沒有受到彎、扭作用。 所以此兩桿的壓縮強(qiáng)度為： ……………………….……（13）取兩桿截面為圓截面，截面半徑為30 。如圖14 所示： 截面積為： 14EC桿和BC桿的截面尺寸 平衡吊的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)21 代入數(shù)值有： 117.5MPa2826 332055N332KN即當(dāng)EC BC桿受到的軸向力小于332 KN 時(shí)，桿件滿足強(qiáng)度條件，安全， 截面尺寸符合要求。 而由桿件的受力分析可知，EC BC桿受到的軸向力不會(huì)超過 332KN，所以，取桿件截面為半徑為30 的圓，符合條件。 桿件自重對(duì)平衡的影響及其平衡方法22 桿件自重對(duì)平衡的影響及其平衡辦法在平衡吊的平衡及運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，都是假設(shè)桿系的自重及各個(gè)鉸鏈點(diǎn)的摩擦均忽 略不計(jì)，得到 的平衡條件。但是實(shí)際上自重及摩擦力均是存在的。摩擦力對(duì)平衡是不起破壞作用的，而自重則不然，除桿系在一特定的位置外，各桿件的自重 都將在 點(diǎn)引起不平衡的水平分力CX 定義為失衡力。4.1 各桿件自重在C 點(diǎn)處引起的失衡力的大小 的條件下，平衡吊的失衡力只可能由自重引起，此時(shí)，將 點(diǎn)作為固定鉸鏈支座來對(duì)其進(jìn)行受力分析，求出由于各桿件自重影響所產(chǎn)生的失衡力 ，根據(jù)疊加原理，可以求出它們的合力，即總的失衡力為：CX ……………………………….（14）現(xiàn)在根據(jù)靜力學(xué)原理分別就各桿件自重對(duì)失衡的影響進(jìn)行分析： 假設(shè) DEF 桿的自重為 ，如圖15 所示，其余桿件自重忽略不計(jì)，BC，CE DEF、ABD為三力桿，畫出其力的三角形如圖示，對(duì)D結(jié)點(diǎn)分析受力有： ED
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