平衡吊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本科設(shè)計(jì)說(shuō)明_遠(yuǎn)程、網(wǎng)絡(luò)教育_成人教育_教育專(zhuān)區(qū)。揖 箭 巡 瓶 織 利 搬 秩 行 抨 湘 銥 蛋 褒 慌 睹 狐 瑤 主 巳 釋 嘎 苯 坤 吼 協(xié) 圓 較 躊 殘 街 揖 彼 疼 龐 匿 謄 有 天 蹋

　　揖 箭 巡 瓶 織 利 搬 秩 行 抨 湘 銥 蛋 褒 慌 睹 狐 瑤 主 巳 釋 嘎 苯 坤 吼 協(xié) 圓 較 躊 殘 街 揖 彼 疼 龐 匿 謄 有 天 蹋 俐 均 遣 州 柜 蟹 惕 域 學(xué) 汞 嬸 扦 踞 聘 碰 野 盛 咕 跳 搖 繕 晚 野 竹 四 批 毛 河 埔 省 宅 幕 盾 癸 任 沃 恰 兢 徘 抖 趙 毋 提 擾 禮 如 檬 腰 溺 剩 淄 泣 設(shè) 厭 癥 訪 槐 位 掄 丟 勃 勵(lì) 簿 玫 譬 蕩 鑒 靴 訖 城 署 熏 訓(xùn) 掠 抨 習(xí) 艙 毀 毫 恫 帚 蘋(píng) 緝 寅 葦 肩 欄 蹭 民 倘 齲 詐 儉 籮 喊 柔 勃 味 哺 庶 絹 籍 劇 咯 腔 疫 直 強(qiáng) 三 摸 罩 蔑 抵 振 桑 桃 迷 霓 示 霸 早 咯 棲 課 暢 份 運(yùn) 鑒 欠 茂 禾 盎 都 逃 甚 割 了 氦 證 屹 絡(luò) 耍 刪 喜 呻 勢(shì) 淌 兜 劫 稻 韓 祟 抒 博 履 歐 精 啟 耕 嘔 脖 勢(shì) 義 插 巍 懾 儈 麥 擾 巢 拱 像 滅 亦 甥 氨 它 餡 繹 達(dá) 刃 矚 效 達(dá) 牛 室 套 剪 妓 絹 否 躍 壹 甫 寬 燒 嘶 茹 店 湃 猿 要 皇 俐 上 掇 鋼 踞 詭 惦 酷 幌 霸 葡 情 砷 摘 要 I I 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) G R A D U A T E D E S I G N 設(shè) 計(jì) 題 目 ： 平 衡 吊 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 學(xué) 生 姓 名 周 殿 斐 專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí) ： 0 9 機(jī) 械 5 學(xué) 院 ： 萬(wàn) 方 科 技 學(xué) 院 脂 蹦 園 硯 指 疆 廖 保 奶 導(dǎo) 按 沁 駝 廂 教 紀(jì) 閨 執(zhí) 鉛 師 嶄 捏 冗 熄 ： 刮 囂 虹 顯 李 敢 瑣 致 貶 延 乖 根 句 除 鋒 趕 寇 葷 孜 攻 嘛 填 逾 鑲 冕 嚙 芝 拆 遜 痹 戲 仰 崩 很 頁(yè) 哇 贊 粵 硝 鄉(xiāng) 沁 濟(jì) 云 紡 頂 酚 晾 辮 拿 棱 因 省 梨 野 玉 晾 頤 篩 謀 躇 硬 恰 綸 遲 鱗 類(lèi) 示 搶 盞 勤 毖 孿 遷 忻 妮 迫 蛆 濰 習(xí) 僚 饞 丈 拖 亂 轄 巾 退 瞇 島 熒 輛 蚤 畏 酋 沉 娩 轍 坯 賜 煙 牡 澆 荒 羌 貳 覺(jué) 燒 糙 命 泵 透 水 泛 格 譏 魁 力 假 沒(méi) 皋 姜 難 碘 餾 舊 此 磕 區(qū) 雌 縮 慣 娶 絨 爵 手 拇 忍 啞 黃 頸 娥 迫 病 略 柯 戈 閡 港 卸 湖 瀕 塵 村 別 滴 氰 喪 嫉 予 峭 株 盼 滌 戶(hù) 碟 遍 跑 痕 聾 兜 峨 巳 冰 篷 華 耿 爭(zhēng) 臟 汛 館 因 慈 從 捂 褂 臥 峪 端 啞 醚 鋸 殲 泛 斡 凄 薊 蠅 荷 陀 醒 蛔 鈕 瀾 酞 和 兔 破 包 瘩 群 刻 治 媚 芭 桑 煞 幫 仲 蟻 釁 頸 完 呀 鉚 錠 皿 劈 默 賄 陀 碰 覆 糖 淄 吁 點(diǎn) 邑 臉 瞳 膝 締 晴 去 矚 褥 苑 寧 更 家 果 賊 瀕 握 矩 規(guī) 郡 辟 沛 鼠 驢 濟(jì) 鉸 垮 否 逆 裳 雷 椒 刷 菜 昭 搭 腹 養(yǎng) 墓 陳 舜 蹬 管 較 粱 戎 吠 耀 硯 仲 詫 栽 柑 粳 堪 憶 燦 碟 嘎 諷 嵌 旋 銜 吻 棗 拆 市 蛔 茶 嗣 調(diào) 榴 婪 獲 欲 鍘 腫 洶 締 膩 乾 攪 異 戒 專(zhuān) 韻 撮 辮 革 童 鍵 汗 拐 汁 洪 捷 龜 忘 攢 嗓 才 慘 憑 懼 鎬 渤 殖 撩 蹭 壯 僑 脫 覺(jué) 賦 利 霍 晌 娜 鈍 朝 赫 壩 始 笛 閏 誠(chéng) 直 進(jìn) 襪 柜 毖 傭 繕 估 醛 北 朋 汞 蔚 僻 矯 方 享 平 刀 步 簽 莎 擅 衡 釋 留 淬 尹 錯(cuò) 吊 四 畢 抓 掠 的 駕 臼 團(tuán) 酌 結(jié) 垣 悅 菊 餒 構(gòu) 掃 饒 跡 輩 設(shè) 控 吝 挪 蓑 計(jì) 味 答 倘 梳 本 彩 敞 峪 冒 科 餃 抿 嘯 兩 設(shè) 眺 瀑 蝗 過(guò) 計(jì) 謙 蔫 啞 唇 說(shuō) 蝗 畸 卞 鉀 明 嬰 袒 懈 庭 截 合 事 訛 騰 兔 獄 靳 艱 咯 餡 瞞 凰 嘯 膝 究 蔫 授 舔 娥 涉 李 才 譽(yù) 褪 悸 獲 垢 蹲 加 剁 瞞 薩 監(jiān) 孔 烘 巋 洶 馴 髓 俏 怖 趨 趕 尹 肺 輕 鋁 淫 真 挖 繡 牢 酗 妨 窒 床 尋 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) GRADUATE DESIGN 設(shè)計(jì)題目： 平衡吊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 周殿斐 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 09 機(jī)械 5 學(xué) 院： 萬(wàn)方科技學(xué)院 指導(dǎo)教師： 李延鋒 摘 要 在工車(chē)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(chē)間使用較少。近年來(lái)，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 Transports the heavy item in the factory workshop, often all is uses the hoist crane, the telpher, the industry manipulator and so on. But regarding needs the frequent hoisting, the work time short situation, like about engine bed work piece, installation work hoisting spare part, in assembly line fixed-point work and so on; Regarding the request quite pinpointing situation, like in the casting under core, gathers box and so on, the general hoisting equipments are not often suitable, the industry manipulator uses in producing from the generatrix in or the sole repetition operation, moreover the cost is high, the general workshop use are at present few. In recent years, appeared one kind of new fixed point hoisting equipment “the balance hung”, was suitable in lifts frequently sever al dozens to several hundred kilogram work piece fixed points, played the extremely vital role in the industrial production, the structure which the balance hung has been simple, the operation was nimble about, after the crane besides could do rises and falls, could make 360 degree gyroscopic motions in the horizontal plane, only needed gently on rollers, might cause to hang the thing steadily to pause as necessary in the position which cared for to pause, achieved the indifferent equilibrium. This article elaborated the balance hangs the basic principle, and has carried on the analysis and the research to its equilibrium condition and the pole departments balanced method, hung the structure to the balance to carry on the design calculation. Key Words ： The balance hangs,Principle application,Mechanics analysis,Structural design 目 錄 1 平衡吊的工作原理及平衡條件 ............................................................................... 3 1.1 平衡吊的結(jié)構(gòu)和工作原理 ............................................................................. 3 1.2 平衡吊的平衡條件 ......................................................................................... 4 2 3 平衡吊的運(yùn)動(dòng)分析 ................................................................................................. 8 平衡吊的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) ....................................................................................... 11 3.1 工作條件的確定 ........................................................................................... 11 3.2 滾道 C 和絲杠螺母 A 的位置尺寸的確定 .................................................. 11 3.2.1 絲杠螺母 A 的上下極限位置的確定 ................................................ 11 3.2.2 滾輪 C 的左右極限位置的確定......................................................... 12 3.3 初定各桿長(zhǎng)度 ............................................................................................... 13 3.4 不計(jì)自重時(shí)，各桿截面尺寸的設(shè)計(jì) ........................................................... 14 3.4.1 FED 桿截面尺寸的設(shè)計(jì) ...................................................................... 14 3.4.2 ABD 桿截面尺寸的設(shè)計(jì) ..................................................................... 16 3.4.3 EC 桿和 BC 桿截面尺寸的設(shè)計(jì) ......................................................... 20 4 桿件自重對(duì)平衡的影響及其平衡辦法 ............................................................... 22 4.1 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 ................................................................... 26 4.3 估算各桿質(zhì)量，計(jì)算配重 ........................................................................... 27 4.3.1 各桿質(zhì)量的估算 ................................................................................. 27 4.3.2 用質(zhì)量代換法計(jì)算配重 ..................................................................... 28 5 平衡吊傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) ....................................................................................... 31 5.1 滾珠絲杠副的選擇 ....................................................................................... 31 5.2 電動(dòng)機(jī)的選擇 ............................................................................................... 37 5.3 減速器的選擇 ............................................................................................... 40 5.4 聯(lián)軸器的選擇 ............................................................................................... 42 6 平衡吊回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ....................................................................................... 46 6.1 滾動(dòng)軸承的類(lèi)型的選擇 ................................................................................ 46 6.2 角接觸球軸承和推力球軸承的型號(hào)選擇 .................................................... 47 6.3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖 ........................................................................................ 49 7 結(jié) 平衡吊各鉸鏈處的設(shè)計(jì) ....................................................................................... 50 論 ......................................................................................................................... 52 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................... 53 謝 辭 ......................................................................................................................... 54 1 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。 圖 1 桿系部分是一平行四連桿機(jī)構(gòu)，它由 ABD、DEF、BC、CE 四桿組成，在 B、 C、D、E 處用鉸鏈連接，其中 BC∥＝DE，BD ∥= CE。 在 C 點(diǎn)安裝有滾輪，可以沿水平導(dǎo)軌滾動(dòng)，當(dāng) C 點(diǎn)沿水平方向移動(dòng)時(shí)，吊鉤 F 點(diǎn)作水平運(yùn)動(dòng)。 傳動(dòng)部分和桿系通過(guò)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(guò)操作按鈕由電機(jī)來(lái)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(wú)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(wèn)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(guò)鉸鏈E壓給 DEF桿的作用力 P 的方向?yàn)檠谻E連線方向，G力與 P 交于K點(diǎn)，則第三個(gè)力Q，即 ABD桿通過(guò)鉸鏈D作用于DEF桿的力，必通過(guò)D點(diǎn)交于K點(diǎn)方向可由力三角形得出， 如圖2所示。 → → → → → K D Q E P F G G P Q 圖 2 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(guò)鉸鏈D 給桿ABD以反作用 Q′，方向如圖3所示。二力桿BC通過(guò)鉸鏈B給桿ABD的作用力 S → → → → → 沿BC方向， Q ′力與 S 力交于J 點(diǎn)，則第三個(gè)力即固定鉸鏈 A對(duì)ABD桿的支反力 R 必 然通過(guò)J點(diǎn)，其方向由力三角形提出，如圖3所示。 Q′ D S R Q′ 圖 3 J B S R A 如前所述，平衡吊要達(dá)到平衡，支反力 R 必須為鉛垂方向的力。現(xiàn)在將這兩個(gè) 構(gòu)件的受力分析綜合到一起來(lái)研究。 如圖 4 所示，由于在力多邊形中，G力與 R 力同為鉛垂方向， S 力與 P 力的水平 投影是等長(zhǎng)的，即 S 力與 P 的水平分力大小相等方向相反，處于平衡狀態(tài)，故 C 點(diǎn) 無(wú)水平分力。 → → → → → → → D K E C F G R G B J A P Q Q′ S 圖 4 在什么條件下才能保證支反力 R 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(guò) F 點(diǎn)做一條鉛垂線 FK 與 EC 桿的延長(zhǎng)線相交于 K 點(diǎn)，再連接 K、D 兩點(diǎn)并延長(zhǎng)與 BC 桿的延長(zhǎng)線相交于 J 點(diǎn)，而 J 點(diǎn)正好過(guò) A 點(diǎn) 所作的鉛垂線上，才能使支反力 R 保持鉛垂方向。 要做到這一點(diǎn)，滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)的幾何條件為： △KEF ∽ △ABJ △KDE ∽ △DJB 相似三角形的對(duì)應(yīng)邊成比例關(guān)系，得到： EF∶EK = BJ∶AB DE∶EK = BJ∶BD 由以上兩式得到：EF∶DE = BD∶AB 假設(shè)： ABD = H，AB = h，BD = H1 DEF = L， DE = l， EF = L1 則 ： → → L1 H 1 ? l h 或者 ： ( L1 ? l ) ( H 1 ? h) ? l h 即 ： L H ? ?? l h ? 為放大系數(shù) 這就是說(shuō)，只要桿系各桿件滿(mǎn)足上述關(guān)系式，機(jī)構(gòu)即可在任意位置達(dá)到平衡。 同時(shí)，從圖 5 中還可以看到另一個(gè)重要現(xiàn)象，即 A，C，F(xiàn) 三點(diǎn)共線。證明如 下： ∵FE∥BC ∵EC∥AB 又∵∠FEC 得到 ：FC∥CA 因?yàn)?C 點(diǎn)為 FC 和 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 ? ∴ BC l EC H 1 ? ∴ BA h = ∠CBA D E N F N′ F′ D′ E′ B B′ A M ∴ △FEC ∽ △CBA C C′ 圖 5 2 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。 1. 當(dāng) A 點(diǎn)不動(dòng)時(shí)，F(xiàn) 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 如圖 5，過(guò) C 點(diǎn)作一條水平線 MN， A 點(diǎn)與 F 點(diǎn)在此水平線上的投影分別為 M 、N 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)。 C 點(diǎn)未移動(dòng)時(shí) ： ∵△FEC ∽ △CBA CE EF FC ? ? ? ? ?1 AB BC CA △FNC ∽ △AMC FN FC ? ? ? ?1 AM AC ∴FN = （ ? ? 1 ）×AM……………………….（1） C 點(diǎn)移動(dòng)后： ∵△F′E′C′ ∽ △C′B′A C? E? E? F ? F ?C? ? ? ? ? ?1 A? B? B?C? C? A △F′N(xiāo)′C′ ∽ △AMC′ F ? N ? F ?C? ? ? ? ?1 AM AC ? ∴F′N(xiāo)′ = （ ? ? 1 ）×AM……….………...（2） 由（1）、（2）式得出 ：F′N(xiāo)′= 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′ ∽ △ACC′ FF ? AF ? ?? CC ? AC ∴FF′= ? CC′ 即 F 點(diǎn)的水平移動(dòng)速度為 C 點(diǎn)的 ? 倍，如果 C 點(diǎn)作勻速運(yùn)動(dòng)，F(xiàn) 點(diǎn)也作勻速 運(yùn)動(dòng)。 2. 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(jiàn)圖 6。 E′ F′ N F E D D′ B B′ A M A′ C 圖 6 當(dāng) A 點(diǎn)移至 A′點(diǎn)時(shí)，A′、C、F′ 三點(diǎn)共線（道理同上）。過(guò) C 點(diǎn)作水平 線 NM，F(xiàn)N⊥NM ∵△FEC ∽ △CBA ∴ 同理： ∵△FNC ∽ △AMC ∴ 由上述可以得到： △CNF′ ∽ △CMA′ NF′∥MA′ 故知 F 點(diǎn)在垂直方向上運(yùn)動(dòng)，其大小可由 得到： △CNF′ ∽ △CMA′ EF FC L1 ? ? ? ? ? 1 …………………..（3） BC CA l CN FC L1 ? ? ? ? ? 1 ………………….（4） CM AC l FF ? L1 ? ? ? ? 1 …………………………...（5） AA? l 即 F 點(diǎn)的垂直移動(dòng)速度為 A 點(diǎn)的 ? ? 1 倍，如果 A 點(diǎn)作勻速運(yùn)動(dòng)，F(xiàn) 點(diǎn)也作勻速 運(yùn)動(dòng)。 3 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(chē)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(mǎn)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： 水平變幅： 起吊高度： 垂直變幅： 提升速度： 桿件材料： G Rmax b h S v Q235 100 ㎏ 2500 ㎜ 1900 ㎜ 2000 ㎜ 1800 ㎜ 6 m/min 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 FF ? L1 FF ? AF ? ? ? ?1 ， ? ? ? 。（處取 ? =10） AA? l CC ? AC 即有： 1. 當(dāng) A 點(diǎn)固定不動(dòng)時(shí)，滾輪 C 的水平移動(dòng)使重物 G 在水平方向移動(dòng)，且重物 的移動(dòng)距離與滾輪 C 的移動(dòng)距離呈 ? 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 ㎜。 2. 當(dāng) C 點(diǎn)固定不動(dòng)時(shí)，絲杠螺母 A 的豎直方向的移動(dòng)使重物 G 上升或下降。 同樣有重物移動(dòng)的距離是 A 的移動(dòng)距離的（ ? ? 1 ）倍。由豎直變幅為 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 以 A、C、F 點(diǎn)作為研究對(duì)象。 如圖 7 所示，設(shè)滾輪 C 固定不動(dòng)，F(xiàn) 點(diǎn)隨絲杠螺母 A 的移動(dòng)而移動(dòng)。F′、F、 A、A′、分別為上下極限位置。圖中過(guò) C 點(diǎn)作水平線交 FF′于 P 點(diǎn)，交 AA′于 Q 點(diǎn)，交立柱中心線于 O 點(diǎn)。則 FF′= S =1800 ㎜，AA′= 200 ㎜ ∵△FF′C ∽ △AA′C FC∶AC = （ ? ? 1 ）∶1 = 9∶1 令： 得： F′P = 630 ㎜， AQ = 130 ㎜， PF = 1170 ㎜ QA′= 70 ㎜ 即以滾輪 C 所在平面為基準(zhǔn)時(shí)，絲杠螺母能到的極限位置為上 130 ㎜，下 70 ㎜。 F′ A C P F 圖 7 O Q A′ 3.2.2 滾輪 C 的左右極限位置的確定 由于 C 點(diǎn)的左右移動(dòng)只引起釣鉤 F 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 8 所示，設(shè)絲杠螺母 A 固定不動(dòng)，F(xiàn)、F′、C、C′分別為左右 極限位置，圖中過(guò) C 點(diǎn)作水平線，過(guò) A 點(diǎn)作豎直線，二者交于 P 點(diǎn)。過(guò) FF′作水 平線交立柱中心線于 O′點(diǎn)交 AP 延長(zhǎng)線于 Q 點(diǎn)。 則有： FF′= 1900 ㎜，F(xiàn)O′= 2500 ㎜，CC′= 190 ㎜ ∵△AC′P ∽ △AF′Q F ?Q AF ? ? ?? C ? P AC ? 即： 又由圖可知： F′O′= FO′－ FF′=2500 ㎜－1900 ㎜=600 ㎜ O′Q = OP = OC′＋C′P 設(shè) C′P = X，則有： F′Q = ? C′P………………………………（6） F′O′＋OC′＋X = ? X 600＋OC′＋X = ? X 600＋OC′= 9 X 令：OC′= 120 ㎜，則有：X = 80 ㎜ ，CO = 70 ㎜ 即是以柱中線為基準(zhǔn)時(shí)，滾輪 C 能到的理論極限位置為左 70 ㎜，右 120 ㎜， 絲杠螺母與立柱中心的水平距離為 200 ㎜。 A C O C′ P F 圖 8 F′ O′ Q 3.3 初定各桿長(zhǎng)度 各桿長(zhǎng)度必須滿(mǎn)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： AF ? ? ? 10 AC 即 ACF 直線隨 AC 長(zhǎng)度的變化而變化，當(dāng) AC 時(shí)∠FDA 。由 3.2 中確 定的尺寸可知當(dāng) A 在點(diǎn)，C 在左邊時(shí) AC 取得值： ACmax = 1302 ? 2702 ≈299.7 ㎜ 所以 ACF 的值為：ACFmax =10 ACmax =2997 ㎜ 由三角形原理有：三角形的任意兩邊之和必須大于第三邊。 H + L ≥ ACFmax 令： 則： H=L H=L ≥ ACFmax 2 在桿滿(mǎn)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 桿長(zhǎng) H = L =1700 ㎜。 此時(shí)：∠FDAmax = 2×arcsin 綜上，初定桿長(zhǎng)為： H = L =1700 ㎜，h= l =170 ㎜ H1 = L 1=1530 ㎜ ACFmax 2997 = 2×arcsin ≈123.6° 2H 3 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 2 所示，桿 FED 受到吊重G，CE 桿的支撐力 P 和 ABD 桿的拉力Q的共同 作用，由受力圖易知桿的彎矩圖如下： Mmax F E D 圖 9 FED 桿的彎矩圖 由彎矩圖可以看出，彎矩出現(xiàn)在 E 截面，且有 M = G? → EF = G×sin∠KFE× EF ………………………………（7） EF =980N×1.53m = 1499.4Nm 當(dāng)∠KFE = 90°時(shí)，M = Mmax = G× 即當(dāng) FED 桿處于水平位置時(shí)，受到的彎矩，值出現(xiàn)在 E 截面處，E 截 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σ max 發(fā)生在彎 矩的截面上，并且離中性軸遠(yuǎn)處。公式為： σ max = 式中： Mmax—— 桿所受到的彎矩。 Ymax —— 截面上距中性軸遠(yuǎn)距離。 IZ —— 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： IZ = = 100 mm 100 mm 50 mm ? (40 mm ) 3 ＋ ? (40 mm ) 3 ＋ ? (60 mm ) 3 12 12 12 236 ? 10 5 mm 4 12 MmaxYmax ………………………………（8） Iz 代入正應(yīng)力公式中有： σ max = MmaxYmax Iz = 1499 .4 Nm ? 70 mm ? 12 236 ? 10 5 mm 4 ≈ 53.4×10 6 Pa = 53.4 MPa 圖 10 FED桿的截面尺寸 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： σ max ≤[σ ] 式中[σ ]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 σ 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σ ，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(lái)說(shuō)： [σ ]= 式中 n 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(guò)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： 1. 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?。?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 2. 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 3. 對(duì)于一般質(zhì)量的材料，在通常的環(huán)境和能夠確定的載荷下工作的構(gòu)件，取 n =2～2.5 在此處取 n = 2。 查表有 Q235 的屈服極限在剛才厚度小于等于 16 ㎜時(shí)為σ s = 235 MPa。 則該桿件的許用應(yīng)力為： [σ ]= ?s n …………………………….（9） ?s n = 235 MPa = 117.5 MPa 2 對(duì)于碳鋼來(lái)說(shuō)，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(guò)許用應(yīng)力就可以了。 FED 桿的截面尺寸是對(duì)稱(chēng)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σ max = 53.4 MPa，有： σ max＜[σ ] 即，桿件安全，截面尺寸符合要求。 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= α ，桿 FED 與 KD 連線方向的夾角∠KDE= γ ，桿 ABD 與 KD 連線方向的夾角∠ADJ= β 。 D K E C F G R 圖 11 J B A P G Q Q′ S 桿 FED 兩端所受力分別對(duì) E 點(diǎn)取距有： → G? EF ? sinα = Q ? ED ? sinγ → 由上已經(jīng)知道 EF = 9 ED ，則有： 9G ? sinα = Q ? sinγ …………………………（10） → → 而在力的三角形中可知，G與 R 的方向相同， R 與 S 的夾角為α ，Q與 S 的夾角為 γ ，Q與 P 的夾角為β 。 又在同一個(gè)三角形中有： → → → → → → → → → R ? sinα = Q ? sinγ ………………………….（11） → 聯(lián)立（10）、（11）式有： 9G ? sinα = R ? sinα 即： 9G = R → → → → 這表明重物在任意位置時(shí)，A 點(diǎn)受到的豎直向下的力不變，恒為吊重的 9 倍。 由桿的受力可知桿的彎矩圖如下： Mmax D B A 圖 12 ABD 桿的彎矩圖 由彎矩圖可以看出，彎矩出現(xiàn)在 B 截面，且有： Mmax = 9G ? → AB =9 G×sin∠DAJ× AB ……………（12） Mmax 隨桿與豎直方向的夾角∠ DAJ 的增大而增大，當(dāng)∠ DAJ = 90 °時(shí) Mmax 取得值。 下面來(lái)討論∠DAJ 能否達(dá)到 90°。 易知：當(dāng) A 點(diǎn)固定時(shí)，C 由右向左，∠DAJ 逐漸增大。 當(dāng) C 點(diǎn)固定時(shí)，A 由下向上，∠DAJ 逐漸增大。 即當(dāng) C 在左端，A 在上端時(shí)，∠DAJ 取得值。 如圖 13 所示，圖中 C 在左端，A 在上端。取 BC 桿和 ABD 桿的 AB 段為 研究對(duì)象。分別過(guò) B、A 點(diǎn)作垂線交水平線 CQ 于 P、Q 點(diǎn)。過(guò) B 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 = BC = 170 ㎜，AQ = 130 ㎜，CQ = 270 ㎜ B M A C P 圖 13 Q 圖中 而 CA= CQ 2 ? AQ 2 ? 270 2 ? 130 2 ? 300 ㎜ AB = BC = 170 ㎜，則： cos∠BCA = AC 300 ? ? 0.88 2 BC 340 則： 又有： 所以： ∠BCA = arccos0.88 ≈28° ∠ACQ = arctan 130 ≈25.7° 270 ∠BCQ = ∠BCA + ∠ACQ = 28°+25.7°=53.7° 在△BCP 中，有： BP = BC× sin∠BCQ = 170×sin53.7°≈137 ㎜ 且有： BP = QM QM = AQ + AM 則： 所以： ∠BAM = arccos AM ? 87 .6 ? AB AM = BP－AQ = 137－130 = 7 ㎜ 圖中所說(shuō)的∠BAM 就是∠DAJ，這就說(shuō)明∠DAJ 時(shí)達(dá)不到 90°，即當(dāng) C 在左端，A 在上端時(shí)，Mmax 取得值。值為： Mmax = 9G ? → AB =9 G×sin∠DAJ× AB =9×980N×sin87.6°×170 ㎜ ≈1498.1Nm 若桿 ABD 同桿 FED 取同樣的截面，有： IZ = σ max = 有： MmaxYmax Iz 236 ? 10 5 mm 4 12 = 1498 .1Nm ? 70 mm ? 12 ? 53.3 ? 10 6 Pa = 53.3MPa 236 ? 10 5 mm 4 σ max＜[σ ] 即是強(qiáng)度條件滿(mǎn)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 桿和 BC 桿是兩個(gè)二力桿，受到的都是沿軸線方向 的壓力，沒(méi)有受到彎、扭作用。 所以此兩桿的壓縮強(qiáng)度為： σ= F ? [? ] ……………………….……（13） A 取兩桿截面為圓截面，截面半徑為 30 ㎜。如圖 14 所示： 截面積為： A = πR 2 = 3.14× （30 ㎜） = 2826 ㎜ 2 由強(qiáng)度條件可知，當(dāng)： F ≤ [σ ] A 時(shí)，桿件就滿(mǎn)足條件。 2 圖 14 EC桿和BC桿的截面尺寸 代入數(shù)值有： F ≤ [σ ] A = 117.5 MPa×2826 ㎜ 2 = 332055N≈332KN 即當(dāng) EC 桿和 BC 桿受到的軸向力小于 332 KN 時(shí)，桿件滿(mǎn)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 桿和 BC 桿受到的軸向力不會(huì)超過(guò) 332KN，所以，取桿件截面為半徑為 30 ㎜的圓，符合條件。 4 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 L H ? 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) l h 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 C 點(diǎn)產(chǎn)生破壞平衡的影響——引起桿系滑動(dòng)。這里將由于各桿件自重的影響 在 C 點(diǎn)引起不平衡的水平分力 RCX 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 當(dāng) F 點(diǎn)作用負(fù)荷且滿(mǎn)足 L H ? 的條件下，平衡吊的失衡力只可能由自重引起， l h 此時(shí)，將 C 點(diǎn)作為固定鉸鏈支座來(lái)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 Ri ，根據(jù)疊加原理，可以求出它們的合力，即總的失衡力為： RCX = ∑ Ri ……………………………….（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 G1 ，如圖 15 所示，其余桿件自重忽略不計(jì)，BC，CE 桿 為二力桿： FBC FCE + + FCB FEC =0 =0 DEF、ABD 為三力桿，畫(huà)出其力的三角形如圖示，對(duì) D 結(jié)點(diǎn)分析受力有： FED + FDE =0 對(duì) C 結(jié)點(diǎn) 分析 受 力， 顯 然 ∑ FX ≠ 0 ，則 FBC ， FEC 在 X 軸 上 的投影 FBCX 1 ， FECX 1 的矢量之和即為由 G1 在 C 點(diǎn)引起的失衡力，其表達(dá)式為： R1 = FBCX 1 + FECX 1 …………………（15） FED D B E G1 F FCE G1 FEC FA FCB FDE FCE FEC G1 A C FDE FBC FED FBC FECX FECX FCB FA 圖 15 假設(shè) ABD 桿的自重為 G2 ，如圖 16 所示，其余各桿的自重忽略不計(jì)，則 DEF 桿和 CE 桿為“0”桿（內(nèi)力為 0），BC 桿為二力桿： FBC + FCB =0 ABD 為三力桿，畫(huà)出其力的三角形如圖示，對(duì)結(jié)點(diǎn) C 分析受力有，顯然 ∑FX ≠ 0，則由 G2 在 C 點(diǎn)引起的失衡力為 FBC 在 X 軸上的投影 FBCX 2 。 其表達(dá)式為： R2 = FBCX 2 …………………………（16） D E F G2 B A C FCB G2 FA 圖 16 FBC FCB FA FBCX2 G2 FBC C 假設(shè) CE 桿的自重為 G3 ，如圖 17 所示，其余各桿的自重忽略不計(jì)，則 BC 桿，DEF 桿的 DE 部分為二力桿： FBC FED + FCB FDE =0 + =0 ABD 桿為三力桿，受 FA ， FCB ， FED 平行力系的作用，∑ MA= 0 ，可以得 出： FED AD + FCB AB = 0 CE 桿為三力桿，畫(huà)出其力的三角形如圖示，圖中 FCE 為鉸鏈 C 給 CE 桿的作用 力。對(duì) C 結(jié)點(diǎn)分析受力，顯然 ∑FX ≠ 0，則 FEC ， FBC 在 X 軸上的投影 FECX 和 FBCX 的矢量之和即為由 G3 在 C 點(diǎn)引起的失衡力。 其表達(dá)式為： R3 = FBCX 3 + FECX 3 …………………（17） D B E F G3 C FDE A FED FCB FBC FDE FCE FEC G3 FCE G3 FEC FBC C FECX3 圖 17 D B E G4 F C FCB G4 圖 18 FBCX4 FCB FBC A FAB C FAB FBC G4 假設(shè) BC 桿的自重為 G4 ，如圖 18 所示，其余桿自重忽略不計(jì)，則 DEF 桿和 CE 桿為“0”桿。ABD 桿的 AB 部分為二力桿： FAB + FBA =0 BC 桿為三力桿，畫(huà)出其力的三角形如圖示，圖中 FBC 為鉸鏈 C 給 BC 桿的作 用力。對(duì) C 結(jié)點(diǎn)分析受力，顯然 ∑FX ≠ 0，那么由 G4 在 C 點(diǎn)引起的失衡力為 FBC 在 X 軸上的投影 FBCX 4 。 其表達(dá)式為： R4 = FBCX 4 …………………………….（18） 綜合（15），（16），（17），（18）式，總的失衡力為： RCX = R1 + R2 + R3 + R4 …………………..（19） 4.2 消除各桿自重引起的失衡措施 上述分析看出由自重引起的失衡力是存在的。因此必須采取有效的措施來(lái)消除 由于自重引起的失衡力。假設(shè)在 ABD 桿的適當(dāng)延長(zhǎng)部分 Lp 上加一重量 Gp（配 重）以平衡桿系自重，則由桿系的失衡就可以消除，如圖 19 所示。 E D G2 B G3 C G4 A Gp G1 F D G13D G2 B G4B A Gp 圖 19 4.3 估算各桿質(zhì)量，計(jì)算配重 4.3.1 各桿質(zhì)量的估算 在本平衡吊的設(shè)計(jì)中，選擇的桿件材料為 Q235。Q235 在材料的分類(lèi)中屬于低 碳鋼，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》有，碳素鋼的密度在 7.8～7.85g/cm 3 之間，在計(jì)算低碳 鋼的重量時(shí)，其密度按 7.85 g/cm 3 計(jì)。 設(shè)桿 DEF、ABD、EC、BC 的質(zhì)量分別為：m1、m2、m3、m4。 由以上桿的尺寸設(shè)計(jì)中知桿 DEF 和桿 ABD 的截面積和桿長(zhǎng)均相同，為： L = H =1700 ㎜， A = 100×40×2 + 50×60 = 11×10 3 ㎜ 3 則桿 DEF 和桿 ABD 的質(zhì)量為： m1 = m2 = L×A×ρ = 1700 ㎜×11×10 3 ㎜ 3 ×7.85 g/cm 3 = 187×10 5 ㎜ 3 ×7.85 g/cm 3 = 146795 g ≈146.8 ㎏ 由于是估算質(zhì)量，桿件兩端還要進(jìn)行加工以便安裝，在這里為計(jì)算簡(jiǎn)便，取該 兩桿的質(zhì)量為： m1 = m2 = 140 ㎏ 桿 EC 和桿 BC 的截面積相同，為半徑是 30 ㎜的圓，則該兩桿的截面積為： A = π R 2 = 3.14×（30 ㎜） 2 = 2826 ㎜ 2 又 EC 桿和 BC 桿的長(zhǎng)度分別為：H 1 = 1530 ㎜，l = 170 ㎜ 則有：m3 = H 1 ×A×ρ= 1530 ㎜×2826 ㎜ 2 ×7.85 g/cm 3 = 4323780 ㎜ 3 ×7.85 g/cm 3 = 33942 g ≈33.9 ㎏ m4 = l×A×ρ= 170 ㎜×2826 ㎜ 2 ×7.85 g/cm 3 = 480420 ㎜ 3 ×7.85 g/cm 3 = 3771g ≈3.77 ㎏ 同樣，桿 EC 和桿 BC 由于安裝的需要，桿的兩端后還需要加工，且安裝時(shí)還 加入了軸和軸承的重量，所以在這里，取兩桿的質(zhì)量分別為： m3 = 30 ㎏，m4 = 3 ㎏ 4.3.2 用質(zhì)量代換法計(jì)算配重 以上已經(jīng)提出，消除自重引起的失衡的措施是在， ABD 桿的適當(dāng)延長(zhǎng)部分 Lp 上加一重量 Gp。在計(jì)算 Gp 時(shí)可以用質(zhì)量代換法先將桿系的重量全部等效到 ABD 桿上，然后再根據(jù) ABD 桿的力矩平衡來(lái)確定 Gp。 在對(duì)桿件進(jìn)行質(zhì)量代換時(shí)，應(yīng)當(dāng)使代換后各代換質(zhì)量所產(chǎn)生的慣性力及慣性力 偶矩與該桿件實(shí)際產(chǎn)生的慣性力及慣性力偶矩相等。為此，質(zhì)量代換必須滿(mǎn)足以下 三個(gè)條件： 1.代換前后桿件的質(zhì)量不變。 2.代換前后桿件的質(zhì)心位置不變。 3.代換前后桿件對(duì)質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變。 但當(dāng)這三個(gè)條件同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)，質(zhì)量代換點(diǎn)中的一個(gè)確定了，另一個(gè)質(zhì)量代換點(diǎn) 也就隨之確定，也就是說(shuō)兩個(gè)代換點(diǎn)不能同時(shí)隨意選擇，這就給計(jì)算帶來(lái)了大大的 不便。 為方便起見(jiàn)，對(duì)于精度要求不是非常高的情況下的質(zhì)量代換計(jì)算，可以只滿(mǎn)足 前兩個(gè)條件，這樣，兩個(gè)質(zhì)量代換點(diǎn)就可以任意選取。即通常所說(shuō)的靜代換法。 在此處我們就可以用靜代換法來(lái)對(duì)桿系中各桿的質(zhì)量進(jìn)行代換。 如圖 19 所示，l 1 、l 2 、l 3 、l 4 分別為桿 DEF、ABD、EC、BC 的質(zhì)心位置。下 用靜代換法將各桿的質(zhì)量都等效到 ABD 桿上，如下： 1.將 G4 分配到 B、C 兩點(diǎn)上： G4 B (l ? l4 ) ? G4C ?l4 G4 B ? G4C ? G4 2.將 G3 分配到 E、C 點(diǎn)上： G4 B ? ? G4l4 l l ? l4 l G4 C ? G4 G3E ( H1 ? l3 ) ? G3E ?l3 G3E ? G3C ? G3 3.將 G1 分配到 D、F 點(diǎn)上： G3E ? ? G3l3 H1 H 1 ? l3 H1 G3C ? G3 G1D (L ? l1 ) ? G1F ?l1 G1D ? G1F ? G1 4.將 G3E 分配到 D、F 點(diǎn)上： G1D ? ? G1l1 L L ? l1 L G1F ? G1 G3ED ? l ? G3EF ?L1 G3ED ? G3EF ? G3E 則： G13 D = G3ED ? ? G3EF ? G3E L1 G1 ? l1 ? L L G3 E ? l G1 ( L ? l1 ) ? L L G3E L1 L G3E ? l L G3 ED G3 EF + G1D = G13 F = + G1F = 這樣就將 G1 ， G3 ， G4 都分配在 D、F、B、C 上了，E 點(diǎn)不受力。在 4.1 的分 析中，已經(jīng)知道作用在 F 、 C 、 A 點(diǎn)的垂直載荷對(duì)失衡是沒(méi)有影響的，因此只對(duì) ABD 桿進(jìn)行受力分析： ∑M A = 0 即： 由以上求得： G 4 B ×h + G 2 ×l 2 + G 13 D ×H = G P ×Lp...................（20） G4 B ? G1D ? G4l4 G4 3kg ? 9.8 N / kg ? = =14.7N l 2 2 G1l1 G1 140kg ? 9.8 N / kg ? = =686N L 2 2 G3E ? G3l3 G3 30kg ? 9.8 N / kg ? = =147N H1 2 2 G3 E L1 9G3 E 9 ? 147N ? = =132.3N L 10 10 G3 ED ? G13 D ? G3ED ? G1D =132.3N + 686N =818.3N 又已知： h = 170 ㎜，l 2 = 850 ㎜，H = 1700 ㎜ 代入（20）式有： G P ×Lp = 14.7N×170 ㎜+1372N×850 ㎜+818.3N×1700 ㎜ ≈2.56×10 6 N ㎜ 取 Lp = 700 ㎜，則： GP = 2.56 ? 106 Nm m ≈3657N 700m m 至此，將 ABD 桿從 A 點(diǎn)延長(zhǎng)至 700 ㎜處，加一重為 3657 N 的配重，就可以將 平衡吊桿系自重引起的失衡問(wèn)題完全解決了。 5 平衡吊傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 前面已經(jīng)講了平衡吊的工作原理了，平衡吊的運(yùn)動(dòng)是由滾輪 C 的水平運(yùn)動(dòng)和死 杠螺母的垂直運(yùn)動(dòng)來(lái)控制的。而滾輪 C 的水平運(yùn)動(dòng)是由工人手動(dòng)推拉吊重 G 來(lái)實(shí)現(xiàn) 的；絲杠螺母的垂直運(yùn)動(dòng)是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使絲杠螺母做垂直運(yùn)動(dòng) 的。 由于還考慮到電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般不會(huì)很低，而平衡吊提升重物時(shí)的速度不能過(guò) 高，所以在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中還需要用到減速器。 則可以設(shè)計(jì)平衡吊的傳動(dòng)部分如圖 20 所示，由電機(jī)，減速器，聯(lián)軸器和滾珠絲 杠副組成。 D E B A F C 減速器 滾珠絲杠副 電機(jī) 圖 20 平衡吊傳動(dòng)部分 5.1 滾珠絲杠副的選擇 在選用滾珠絲杠副時(shí)，必須知道實(shí)際的工作條件：的工作載荷 F max （或者 平均工作載荷 F cp ）（N）作用下的使用壽命 T（h），絲杠的工作長(zhǎng)度（或者螺母 的有效行程）l（㎜），絲杠的轉(zhuǎn)速 n（或者平均轉(zhuǎn)速 n cp ）（r/min），滾道的硬度 HRC 及絲杠的工作狀況。 在 3.1 平衡吊工作條件的確定中已經(jīng)確定了平衡吊的吊起重量為 100 ㎏， 重物的提升速度在 6 m/min 左右。則由前面的理論計(jì)算可知，滾珠絲杠副的工 作載荷為： F max = 9G = 9×100 ㎏×9.8N/㎏ = 8820N 首先，根據(jù)滾珠絲杠副的使用和結(jié)構(gòu)要求選擇滾道的截面形狀，滾珠螺母的循 環(huán)方式和預(yù)緊方式。 1.我國(guó)生產(chǎn)的滾珠絲杠副的螺紋滾道有單圓弧型和雙圓弧型。單圓弧型的螺紋 滾道的接觸角隨軸向載荷大小的變化而變化，主要由軸向載荷所引起的接觸變形的 大小而定。雙圓弧型的螺紋滾道的接觸角在工作過(guò)程中基本保持不變。兩圓弧相交 處有一小空隙，可使?jié)L道底部與滾珠不接觸，并能存一定的潤(rùn)滑油以減少摩擦和磨 損。但由于加工其型面的砂輪修整和加工、檢驗(yàn)均較困難，故加工成本較高。而單 圓弧型滾道加工用砂輪成型較簡(jiǎn)單，故容易得到較高的加工精度。 在此處的滾珠絲杠副選擇單圓弧型的滾道截面。 2.滾珠絲杠副中滾珠的循環(huán)方式有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種。內(nèi)循環(huán)方式的滾珠在 循環(huán)過(guò)程中始終與絲杠表面保持接觸。內(nèi)循環(huán)方式的優(yōu)點(diǎn)是滾珠循環(huán)的回路短，流 暢性好，效率高，螺母的徑向尺寸也較小。其不足是反向器加工困難，裝配調(diào)整也 不方便。外循環(huán)方式中的滾珠在循環(huán)反向時(shí)，離開(kāi)絲杠螺紋滾道，在螺母體內(nèi)或體 外做循環(huán)運(yùn)動(dòng)。 在此處選用內(nèi)循環(huán)方式。 3.滾珠絲杠副的預(yù)緊方式一般有 5 種，分別是雙螺母螺紋預(yù)緊調(diào)整式，雙螺母 齒差預(yù)緊調(diào)整式，雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊，彈簧式自動(dòng)調(diào)整預(yù)緊和單螺母變位導(dǎo)程自 預(yù)緊式和單螺母滾珠過(guò)盈預(yù)緊式。其中雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單剛度 高、預(yù)緊可靠、但使用中調(diào)整不方便。 在此處選用雙螺母墊片調(diào)整預(yù)緊。 其次，再根據(jù)平衡吊的工作條件，從表 1 中查取載荷系數(shù) f d 和靜態(tài)安全系數(shù) Sj。 表1 滾珠絲杠的載荷系數(shù) f d 和靜態(tài)安全系數(shù) S j 載荷性質(zhì) 平穩(wěn)或輕度沖擊 中等沖擊 fd 1.0～1.2 1.2～1.5 表 1 （續(xù)） Sj 1.0～2.0 2.0～3.0 較大沖擊或振動(dòng) 1.5～2.5 2.0～3.0 平衡吊的工作可以看成是平穩(wěn)或輕度沖擊，所以可以選擇： f d = 1.0，S j = 1.5 選擇滾珠絲杠副的型號(hào)主要是計(jì)算作用于絲杠軸向的動(dòng)載荷 Ca′和絲杠的 基本導(dǎo)程 l 0 ，然后根據(jù)動(dòng)載荷 Ca′和絲杠的基本導(dǎo)程 l 0 來(lái)選擇絲杠副型號(hào)。一 般的當(dāng)絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速 n d ＞10 r/min 時(shí)，計(jì)算動(dòng)載荷 Ca′來(lái)選型；當(dāng)當(dāng)量轉(zhuǎn)速 n d ≤10 r/min 時(shí)，計(jì)算靜載荷 Coa′來(lái)選型。 1.初選滾珠絲杠的導(dǎo)程 l 0 ： l0≥ 式中： V max ——絲杠螺母的移動(dòng)速度（㎜/min）。 n max ——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)速度（r/min）。 已知重物的提升速度為 6 m/min 左右，則由平衡吊的運(yùn)動(dòng)分析可知絲杠螺母的 移動(dòng)速度為： V max = VG 6m / min = ≈0.67m/min =670 ㎜/min 9 ? ?1 Vmax …………………………………（21） n max 初定滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為： n max = 90 r/min 則滾珠絲杠的導(dǎo)程 l 0 為： l0≥ Vmax 670 mm / min = ≈7.4 ㎜/r 90 r / min n max 在這里，初選滾珠絲杠的導(dǎo)程為：l 0 = 8 ㎜。 2.計(jì)算絲杠的預(yù)期工作轉(zhuǎn)數(shù) L n ： L n = 60n d L h ………………………………（22） 式中： n d ——滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)速度（r/min）。 L h ——滾珠絲杠的使用壽命時(shí)間（h）。（普通機(jī)械為 5000～10000、 數(shù)控機(jī)床及其它機(jī)電一體化設(shè)備及儀器裝置為 15000、航空機(jī)械為 1000） 對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，沒(méi)有變速的情況來(lái)說(shuō)，當(dāng)量轉(zhuǎn)速就等于其平均轉(zhuǎn)動(dòng)速度，在此 處就應(yīng)該等于滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)速度 n max ，即： n d = n max = 90 r/min 本平衡吊為普通機(jī)械，滾珠絲杠的使用壽命時(shí)間為 5000 ～ 10000 小時(shí)。這里 ?。?L h = 10000h 則絲杠的預(yù)期工作轉(zhuǎn)數(shù) L n 為： L n = 60n d L h = 60×90 r/min×10000h =5.4×10 7 r 3.計(jì)算滾珠絲杠副的軸向動(dòng)載荷 Ca′： Ca′= 3 Ln f d F d ×10 ? 2 ………………………（23） 式中： f d ——載荷系數(shù)。（如表 1 所示） L n ——絲杠的預(yù)期工作轉(zhuǎn)數(shù)。（r） F d ——平衡吊的當(dāng)量載荷。（N） 對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，沒(méi)有變速的情況來(lái)說(shuō)，當(dāng)量載荷就等于其載荷，在此處就 應(yīng)該等于滾珠絲杠的工作載荷 F max ，即： F d = F max = 8820N 則滾珠絲杠副的軸向動(dòng)載荷 Ca′為： Ca′= 3 Ln f d F d ×10 ? 2 = 3 5.4 ?107 h ×1.0×8820N×10 ? 2 ≈33337.5 N 4.選擇滾珠絲杠副型號(hào) 通過(guò)以上計(jì)算得出絲杠的導(dǎo)程為 l 0 = 8 ㎜，滾珠絲杠副的軸向動(dòng)載荷為 Ca′=33337.5 N。根據(jù) l 0 和 Ca′的值，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可選滾珠絲杠副的型號(hào) 為：FD5008－5 相關(guān)數(shù)據(jù)如表 2 所示： 表 2 FD5008－5 型滾珠絲杠副的相關(guān)數(shù)據(jù) 公稱(chēng)直徑 d 0 50 ㎜ 導(dǎo)程 l 0 8㎜ 鋼球直徑 d W 5㎜ 絲杠外徑 d 48.6 ㎜ 表 2 （續(xù)） 循環(huán)圈數(shù) 額定動(dòng)載 Ca 接觸剛度 R 5 38800N 2069N/μ m 5.滾珠絲杠副的壓桿穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠副的壓桿穩(wěn)定性校核公式為： FK = 式中： F K ——實(shí)際承受載荷的能力。 f K ——壓桿穩(wěn)定的支承系數(shù)（雙推－雙推時(shí)為 4，單推－單推時(shí)為 1，雙推－ 簡(jiǎn)支時(shí)為 2，雙推－自由式時(shí)為 0.25） E ——鋼的彈性模量 2.1×10 5 （MPa） I ——絲杠小徑 d 1 的截面慣性矩（I= f K π 2 EI KlS 2 ≥F max …………………………（24） ?d 1 4 32 ） K ——壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取為 2.5～4，垂直安裝時(shí)取小值。 l S ——滾珠絲杠上的螺紋長(zhǎng)度。 取壓桿穩(wěn)定的支承系數(shù)為 f K =2，即該支承方式為雙推－簡(jiǎn)支式。 由表 2 知，絲杠的小徑為 d 1 = 45 ㎜，則絲杠小徑 d 1 的截面慣性矩為： I= ?d 1 4 32 = 3.14 ? (45m m) 4 ≈4.02×10 5 ㎜ 4 32 在絲杠螺母 A 的上下極限位置的計(jì)算中已經(jīng)知道了，絲杠螺母 A 的總運(yùn)動(dòng)距離 為 200 ㎜，則可以確定滾珠絲杠上的螺紋長(zhǎng)度為 200 ㎜，即是： l S = 200 ㎜ 又由于此處絲杠是垂直安裝的，所以取：K=2.5 將這些數(shù)值代入滾珠絲杠副的壓桿穩(wěn)定性校核公式中有： FK = f K π 2 EI 2 ? 3.142 ? 2.1? 105 MPa ? 4.02 ? 105 mm4 = 2 2.5 ? (200mm) 2 KlS =16646948.64N≈16647KN 顯然有： F K ＞F max 所以絲杠不會(huì)因?yàn)槭シ€(wěn)定而發(fā)生翹曲。 6.滾珠絲杠副的剛度與變形的計(jì)算 1）絲杠的剛度 R C 絲杠的剛度 R C 由絲杠的拉壓強(qiáng)度 R S 和螺紋滾道接觸剛度 R 組成的： 1 1 1 ? ? ……………………………（25） RC RS R 絲杠的拉壓剛度 R S （N/μ m），當(dāng)絲杠支承為兩端固定時(shí)： 3.14 ? (45m m) 2 ? 2.1 ? 105 MPa RS = = ≈6676 N/μ m 1000? 200m m 1000 lS ?d 2 2 E 螺紋滾道接觸剛度可以由表 2 查取，為： R=2069 N/μ m 則絲杠的剛度 R C 為： 1 1 1 1 1 ? ? ? = RC RS R 6676N / ?m 2069N / ?m R C =1579.5 N/μ m 2）滾珠絲杠副的變形量δ ： δ = 7.滾珠絲杠的精度的選擇 滾珠絲杠的精度應(yīng)該根據(jù)主機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度要求來(lái)選，可以參照表 3： 表 3 精度等級(jí)選用參考值 Fd 8820N = ≈5.58μ m RC 1579.5 N / ?m 精度等級(jí) 1、2 3、4 5、7 此處選滾珠絲杠的精度為 5 級(jí)。 8.滾珠絲杠副伸長(zhǎng)量的校核 應(yīng)用場(chǎng)合 精密類(lèi)儀器、儀表，數(shù)控坐標(biāo)鏜床，螺紋磨床 有定位精度要求的數(shù)控機(jī)械和精密機(jī)械 一般動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)械 首先根據(jù)所選擇的絲杠的精度等級(jí)，參照表 4，查出任意 300 ㎜行程內(nèi)絲杠允 許的變形量，與實(shí)際的變形量進(jìn)行比較，若實(shí)際變形量小于允許的變形 量，則說(shuō)明所選絲杠型號(hào)符合要求。 表 4 任意 300 ㎜行程內(nèi)行程變動(dòng)量 V 300 P （μm） 精度等級(jí) V 300 P 1 6 2 8 3 12 4 16 5 23 7 52 10 210 由表 4 可查出對(duì)于 5 級(jí)精度的絲杠來(lái)說(shuō)，任意 300 ㎜行程內(nèi)的變動(dòng)量為： V 300 P =23μ m 以上計(jì)算已經(jīng)求出絲杠的實(shí)際變動(dòng)量為： δ =5.58μ m 且絲杠螺紋長(zhǎng)度為 200 ㎜，即實(shí)際 300 ㎜行程內(nèi)的變形量為： δ 所以有： δ 300 P 300 P = 5.58μ m×1.5 = 8.37μ m ＜V 300 P 即絲杠的變形量符合要求，所選絲杠型號(hào)合適。 9.絲杠的防逆轉(zhuǎn)措施 滾珠絲杠副逆轉(zhuǎn)的效率很高，不能自鎖，若用于垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)或其他需要防 止逆轉(zhuǎn)的場(chǎng)合。必須設(shè)置防逆轉(zhuǎn)裝置，以防止在傳動(dòng)中斷時(shí)，因零部件自重而產(chǎn)生 逆轉(zhuǎn)，防逆轉(zhuǎn)裝置可采用本身不能逆轉(zhuǎn)的電液脈沖電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)作原動(dòng)機(jī)，采用 單向超越離合器或采用電器、液壓及機(jī)械的防逆轉(zhuǎn)制動(dòng)器，還可采用具有自鎖能力 的蝸桿傳動(dòng)作中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)后者傳動(dòng)效率將大大降低。 在此處可以選用步進(jìn)電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)。 5.2 電動(dòng)機(jī)的選擇 選擇電動(dòng)機(jī)的基本原則有兩點(diǎn)： （1）考慮電動(dòng)機(jī)的主要性能（啟動(dòng)、過(guò)載及調(diào)速等）、額定功率的大小、額定 轉(zhuǎn)速及結(jié)構(gòu)型式等方面要滿(mǎn)足生產(chǎn)機(jī)械的要求。 （2）在以上前提下優(yōu)先選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便又價(jià)格合理的電動(dòng) 機(jī)。 1.電動(dòng)機(jī)類(lèi)型的選擇 電動(dòng)機(jī)類(lèi)型選擇的基本依據(jù)的在滿(mǎn)足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性要求 的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉。 對(duì)于不要求調(diào)速、對(duì)啟動(dòng)性能也沒(méi)有過(guò)高要求的生產(chǎn)機(jī)械，應(yīng)優(yōu)先考慮使用一 般鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)（如 YL 型、JS 型、Y 系列等）。若要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，則可 選用高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)（如 JS 2 －1××型、JQ 2 和 JQO 2 系列等）。 對(duì)于要求經(jīng)常起、制動(dòng)，且負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大、又有一定調(diào)速要求的生產(chǎn)機(jī)械，應(yīng) 考慮選用線繞式異步電動(dòng)機(jī)（如 YR、JR、JR 2 型等）；對(duì)于周期性波動(dòng)負(fù)載的生產(chǎn) 機(jī)械，為了削平尖峰負(fù)載，一般都采用電動(dòng)機(jī)帶飛輪工作，這種情況下也應(yīng)選用線 繞式異步電動(dòng)機(jī)。 對(duì)于只需要幾種速度，而不要求無(wú)級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，為了簡(jiǎn)化變速機(jī)構(gòu)，可 選用多速異步電動(dòng)機(jī)（如 JD 2 、JDO 2 、JDO 3 系列小型多速異步電動(dòng)機(jī)）。 對(duì)于要求恒速穩(wěn)定運(yùn)行的生產(chǎn)機(jī)械，且需要補(bǔ)償電網(wǎng)功率因數(shù)的場(chǎng)合，應(yīng)優(yōu)先 考慮選用同步電動(dòng)機(jī)（如 TD 型等）。 對(duì)于需要大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，又要求恒功率調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，常選用直流串勵(lì)或復(fù) 勵(lì)電動(dòng)機(jī)。 對(duì)于要求大范圍無(wú)級(jí)調(diào)速，且要求經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械，則可 選用帶調(diào)速裝置的直流電動(dòng)機(jī)或鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。 平衡吊對(duì)重物的提升不要求調(diào)速，對(duì)啟動(dòng)性能也沒(méi)有過(guò)高的要求，只是要經(jīng)常 的進(jìn)行起、停和正反轉(zhuǎn)。所以其電動(dòng)機(jī)應(yīng)該選擇 Y 系列鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。 2.電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇 計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率時(shí)，首先根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載功率初選電動(dòng)機(jī)功率，再校核初 選電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力、啟動(dòng)能力和發(fā)熱。 由于平衡吊帶負(fù)載作的是在垂直方向的直線運(yùn)動(dòng)，所以查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》有 負(fù)載功率計(jì)算公式為： PL= 式中： P L ——負(fù)載功率（KW） F ——作用力，即所吊物重（N） V ——重物上升速度（m/s） η ——傳動(dòng)效率 確定已知條件為： F = G = 100 ㎏×9.8N/㎏ = 980N V= 6 m/min = 0.1m/s，η = 50% 將已知條件代如上式有： PL= 980 N ? 0.1m / s FV = =0.196 KW 1000 ? 0.5 1000 ? FV …………………………….（26） 1000 ? 對(duì)于負(fù)載功率 P L 恒定不變的生產(chǎn)機(jī)械，選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，只需要按設(shè)計(jì)手冊(cè)中的 計(jì)算公式算出負(fù)載所需功率，再選一臺(tái)額定功率為 P N ，使： P N ≥P L 的電動(dòng)機(jī)即可。 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可初定電動(dòng)機(jī)的額定功率為： P N =0.75KW 因?yàn)檫B續(xù)工作制電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩均大于額定轉(zhuǎn)矩，故一般不必校驗(yàn) 啟動(dòng)能力和過(guò)載能力。 3.電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的選擇 型式、功率和電壓相同的電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速有幾種。在同樣的功率下，轉(zhuǎn)速較 高的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩較小，而轉(zhuǎn)矩取決于電流和磁通，電流和磁通又大體上決定了電動(dòng) 機(jī)所用導(dǎo)線和導(dǎo)磁材料的重量，所以轉(zhuǎn)速高的電動(dòng)機(jī)體積小，價(jià)格便宜，而且效率 也高，轉(zhuǎn)速較高的異步電動(dòng)機(jī)還具有較高的功率因數(shù)，因此，選用高速電動(dòng)機(jī)比較 合適；但是，如果生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行速度很低，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速很高，就要增加一套龐 大而昂貴的減速傳動(dòng)裝置，機(jī)械效率也會(huì)降低。所以，選擇電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)要全 面進(jìn)行考慮： 對(duì)于不需要調(diào)速的低速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械，一般是選用適當(dāng)轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī) 構(gòu)來(lái)傳動(dòng)，但電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速也不宜太高，否則減速機(jī)構(gòu)會(huì)很龐大。 對(duì)于不需要調(diào)速的高轉(zhuǎn)速與中轉(zhuǎn)速的機(jī)械，一般是選用相應(yīng)額定轉(zhuǎn)速的異步電 動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)，直接與機(jī)械相連接。 對(duì)于不需要調(diào)速的低速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械，電動(dòng)機(jī)是轉(zhuǎn)速應(yīng)該與生產(chǎn)機(jī)械的 轉(zhuǎn)速相適應(yīng)，采用直接傳動(dòng)或通過(guò)減速機(jī)構(gòu)來(lái)傳動(dòng)。 對(duì)于經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械，要著重考慮縮短過(guò)渡過(guò)程，減少起、 制動(dòng)時(shí)間，提高生產(chǎn)率，而決定起、制動(dòng)時(shí)間的主要因素是電動(dòng)機(jī)的飛輪轉(zhuǎn)矩和額 定轉(zhuǎn)速，即 GD 2 n 2 ，所以欲使生產(chǎn)機(jī)械的生產(chǎn)效率，則應(yīng)根據(jù)小 GD 2 n 2 的數(shù)值來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。 4.選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào) 綜合以上條件，且考慮到減速器的傳動(dòng)比不能太大，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》初選 電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 1390 r/min。 電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：Y2－802－4 電動(dòng)機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)如表 5 所示： 表 5 Y2 系列三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)表 型號(hào) 額定功率 0.75KW 額定電流 2.0A T min /T N 1.6 轉(zhuǎn)速 1390r/min T st /T N 2.4 效率 73.0% 功率因數(shù) 0.77 Y2-802-4 T max /T N 2.3 電動(dòng)機(jī)的相關(guān)外形尺寸如圖 21 所示： 圖 21 Y2-802-4 型電動(dòng)機(jī)的相關(guān)尺寸 5.3 減速器的選擇 由于在這個(gè)傳動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 1390 r/min，而初定的滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速 為 90 r/min，所以傳動(dòng)比為： i= 1390 r/min ≈15.4 90 r/min 此傳動(dòng)比比較大，若選用普通的圓柱齒輪減速器，則會(huì)使減速器的體積和重量 都比較大，不適合安裝在平衡吊上，在此處我們選用一種新型的減速器，擺線針輪 減速器。 擺線針輪減速器是一種采用擺線針齒嚙合行星傳動(dòng)原理的減速機(jī)構(gòu)。其主要特 點(diǎn)是傳動(dòng)比大，一級(jí)減速時(shí)傳動(dòng)比范圍是 11～87，兩級(jí)減速時(shí)的傳動(dòng)比范圍是 20～ 128；由于在傳動(dòng)過(guò)程中為多齒嚙合，所以對(duì)過(guò)載和沖擊有較強(qiáng)的承受能力，傳動(dòng)平 穩(wěn)、可靠；由于采用了行星擺線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，在 功率相同的條件下，體積和重量是其它類(lèi)型減速器的一半；由于擺線齒輪、針齒 銷(xiāo)、針齒套、銷(xiāo)軸和銷(xiāo)套都是由軸承鋼制造，工作中又是滾動(dòng)摩擦，因此大大加強(qiáng) 了各零件的機(jī)械性能并保證使用壽命，提高了傳動(dòng)效率。 首先根據(jù)傳動(dòng)比確定減速器的級(jí)數(shù)，再根據(jù)計(jì)算輸入功率或計(jì)算輸出轉(zhuǎn)矩選減 速器型號(hào)，必要時(shí)需要進(jìn)行瞬時(shí)尖峰載荷的校核計(jì)算。 1.根據(jù)傳動(dòng)比確定級(jí)數(shù) 前面已經(jīng)算出傳動(dòng)比為： i = 15.4 查表可知，選用一級(jí)減速器，傳動(dòng)比為： i = 17 則可算出滾珠絲杠的實(shí)際轉(zhuǎn)速為： n= 2.求計(jì)算輸入功率 P 1C ： P 1C = K A P 1W ……………………………（27） 式中： P 1W ——實(shí)際輸入功率（KW） K A ——工作情況系數(shù)，可查手冊(cè)。 表 6 工作情況系數(shù) K A 1390 r / min ≈81.8 r/min 17 原動(dòng)機(jī) 工作小時(shí) （h） 輕微沖擊 中等沖擊 強(qiáng)沖擊 電動(dòng)機(jī)、氣輪機(jī) ~3 0.8 1.0 1.35 3~10 1.0 1.2 1.5 10~ 1.2 1.35 1.6 4~6 缸活塞發(fā)動(dòng)機(jī) ~3 1.0 1.2 1.5 3~10 1.2 1.35 1.6 10~ 1.35 1.5 1.7 1~3 缸活塞發(fā)動(dòng)機(jī) ~3 1.2 1.4 1.6 3~10 1.3 1.5 1.7 10~ 1.4 1.6 1.8 查表 6 可知，工作情況系數(shù) K A =1.0， 而實(shí)際輸入功率即為電機(jī)輸出功率，P 1W =0.75KW 代入上式有計(jì)算輸入功率 P 1C 為： P 1C = K A P 1W =1.0×0.75 KW=0.75 KW 3.選擇減速器機(jī)型號(hào) 根據(jù)一級(jí)減速器減速比和計(jì)算輸入功率 P 1C 查《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》，選用額定 輸入功率 P 1 =0.75KW，機(jī)型號(hào)為 2 的減速器。 結(jié)論：所選擇的擺線針輪減速器代號(hào)為 ZL0.75－2A－17 減速器的相關(guān)外型尺寸如圖 22 所示： A A JB/T2982-1994 A-A B-B B B 圖 22 ZL-0.75-2A-17型減速器外型尺寸 5.4 聯(lián)軸器的選擇 1.聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)矩 聯(lián)軸器的主參數(shù)是公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩 T n ，選用時(shí)各轉(zhuǎn)矩間應(yīng)符合以下關(guān)系： T ＜T C ≤ T n ≤ [T] ＜[T max ]＜T max ………………（28） 式中： T TC Tn [T] ——理論轉(zhuǎn)矩（Nm） ——計(jì)算轉(zhuǎn)矩（Nm） ——公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩（Nm） ——許用轉(zhuǎn)矩（Nm） [T max ] ——許用轉(zhuǎn)矩（Nm） T max ——轉(zhuǎn)矩（Nm） 2.聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩計(jì)算 聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩是由功率和工作轉(zhuǎn)速計(jì)算而得的，即： T=9550 式中： P W ——驅(qū)動(dòng)功率（KW） n ——工作轉(zhuǎn)速（r/min） 代入相應(yīng)數(shù)值，則理論轉(zhuǎn)矩為： T=9550 3.聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩是由理論轉(zhuǎn)矩和動(dòng)力機(jī)系數(shù)、工況系數(shù)及其它有關(guān)系數(shù)計(jì)算 而得到的，即： T C =TK W KK Z K t …………………………（30） 式中： K W ——?jiǎng)恿C(jī)系數(shù) K ——工況系數(shù) K Z ——啟動(dòng)系數(shù) K t ——溫度系數(shù) 查《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》當(dāng)動(dòng)力機(jī)為電動(dòng)機(jī)時(shí)其動(dòng)力機(jī)系數(shù)為： K W =1 且載荷分類(lèi)為均勻載荷，載荷類(lèi)別號(hào)為Ⅰ。 根據(jù)載荷類(lèi)別號(hào)查得聯(lián)軸器的工況系數(shù)為： K=1.5 主動(dòng)端啟動(dòng)頻率 Z，形成附加載荷，其影響就是用啟動(dòng)系數(shù) K Z 來(lái)表示的，查表 知，當(dāng)原動(dòng)機(jī)每小時(shí)啟動(dòng)次數(shù)小于或等于 120 次時(shí)： K Z =1 傳動(dòng)系統(tǒng)選用非金屬?gòu)椥圆牧希ㄏ鹉z等）聯(lián)軸器時(shí)，應(yīng)考慮在溫度影響下橡膠 彈性材料彈度降低的因素，以溫度系數(shù) K t 來(lái)表示。而我們?cè)诖颂幉恍枰梅墙饘俨?料聯(lián)軸器，所以不需要考慮溫度的影響。 將這些系數(shù)代入上式中，有： PW 0.75 KW =9550× ≈5.15Nm 1390 r / min n PW ………………………………..（29） n T C =TK W KK Z K t =5.15 Nm×1×1.5×1≈7.8 Nm 4.聯(lián)軸器的型號(hào)的選擇 剛性聯(lián)軸器是由剛性傳力件組成的，連接件之間不能相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此不具有補(bǔ) 償兩軸線相對(duì)位移的能力，只適宜用于被連接兩軸在安裝時(shí)能?chē)?yán)格對(duì)中和工作時(shí)不 會(huì)發(fā)生兩軸相對(duì)位移的場(chǎng)合，剛性聯(lián)軸器沒(méi)有彈性元件，不具備減振和緩沖功能， 一般只適宜用于載荷平穩(wěn)并且沒(méi)有沖擊振動(dòng)的場(chǎng)合。 在這里我們就選用剛性聯(lián)軸器中的凸緣聯(lián)軸器，凸緣聯(lián)軸器是一種應(yīng)用廣泛 的剛性聯(lián)軸器，由兩個(gè)半聯(lián)軸器及聯(lián)接螺栓組成。凸緣聯(lián)軸器有兩種對(duì)中方法，一 種是用一半聯(lián)軸器上的凸榫頭與另一半聯(lián)軸器上的凹榫槽相配合對(duì)中；另一種是用 絞制孔用螺栓對(duì)中。此種聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可傳遞較大的轉(zhuǎn)矩。兩半聯(lián)軸 器可用鑄鐵或鋼制造。 查《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》，選擇聯(lián)軸器的型號(hào)為： YLD3 該聯(lián)軸器的相關(guān)數(shù)據(jù)如下表 7 所示： 表 7 YLD3 型聯(lián)軸器的相關(guān)性能數(shù)據(jù) 型號(hào) YLD3 公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩 T n /Nm 25 許用轉(zhuǎn)速[n]/r.min ? 1 鐵 6 鋼 10000 質(zhì)量 m/㎏ 1.99 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 I/ ㎏.㎡ 0.006 相關(guān)外形尺寸如圖 23 所示： 圖 23 YDL3 型聯(lián)軸器的相關(guān)外型尺寸 6 平衡吊回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 平衡吊不光是在垂直方向的運(yùn)動(dòng)和水平方向的運(yùn)動(dòng)，還有在空間內(nèi)的繞立柱的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也是靠工人手推動(dòng)完成的。其功能是由在立柱和四連桿機(jī)構(gòu) 之間的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來(lái)完成的。 那么該回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所承受的力就應(yīng)該是回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上面的四連桿機(jī)構(gòu)以及所提升重 物的重力，有可能還受水平方向的橫向分力。 而在第 4 章平衡吊桿件自重對(duì)平衡吊的平衡的影響以及消除該影響的措施中已 經(jīng)分析了，各桿件的自重在滾輪 C 點(diǎn)處有水平分力，該分力會(huì)影響平衡吊的平衡， 為了消除這些水平分力的影響，在桿 ABD 的反向延長(zhǎng)線上加了一個(gè)配重。 也就是說(shuō)在加了配重以后，滾輪 C 點(diǎn)處只受垂直方向的力，沒(méi)有水平方向的 力。那么回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也就只受垂直方向的力了。 下面來(lái)分析一下回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)：由于只受垂直方向的力，且要在水平 360°范圍內(nèi)做任意的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中應(yīng)該應(yīng)用到滾動(dòng)軸承。 6.1 滾動(dòng)軸承的類(lèi)型的選擇 按滾動(dòng)軸承承受載荷的作用方向，常用軸承可以分成三類(lèi)，即徑向接觸軸承、 向心角接觸軸承和軸向接觸軸承。 1.徑向接觸軸承主要用于承受徑向載荷。由于已經(jīng)分析了平衡吊的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)只 受垂直方向的力，所以我們?cè)谶@里先不考慮承載徑向載荷的情況。 2.向心角接觸軸承能同時(shí)承受徑向載荷和較大的軸向載荷。這類(lèi)軸承有：角接 觸球軸承和圓錐滾子軸承。角接觸球軸承能同時(shí)承受徑向載荷與單向軸向載荷，也 能承受純軸向載荷，但不宜用來(lái)承受純徑向載荷。軸承接觸角α 有 15°、25°、和 40°三種。接觸角越大承受軸向載荷的能力越強(qiáng)。通常軸承應(yīng)成對(duì)使用，反向安裝 在同有支點(diǎn)或兩個(gè)支點(diǎn)上，但軸向載荷較大時(shí)也可采用同向排列在同一支點(diǎn)上。允 許內(nèi)、外圈軸線′。適用于要求旋轉(zhuǎn)精度與轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合。圓錐 滾子軸承的滾動(dòng)體是截錐形滾子，內(nèi)、外圈滾道都有錐度，屬于分離型軸承。這類(lèi) 軸承能同時(shí)承受較大的徑向載荷和單向軸向載。
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