万向牛眼轮BD 点作水平运动

　　GRADUATEDESIGN 设计题目： 平衡吊的结构设计 学生姓名 专业班级：09 机械5 万方科技学院指导教师： 在工车间里搬运重物，往往都是采用起重机、电葫芦、工业机械手等。但对于需要频繁吊装、作业时间短的场合，如机床上下工件，装配工作吊装零部件，流 水线上的定点工作等等；对于要求比较定位的场合，如铸造中的下芯、合箱等 等，一般起重设备常不适用，工业机械手多用于生产自动线上或单一的重复操作， 而且成本较高，目前，一般车间使用较少。近年来，出现的一种新型的定点起重设 备“平衡吊”，适用于几十到几百千克工件的定点频繁吊运，在工业生产中起到了 极其重要的作用，平衡吊的结构简单，操作灵活，吊重后除能作上下升降外， 能在 水平面内作 360 度回转运动，只需要轻轻推拉，就可使吊物随时稳稳地停留在意欲 停留的位置上，做到随遇平衡。本文阐述了平衡吊的基本原理，并对其平衡条件及 杆系的平衡方法进行了分析和研究，对平衡吊的结构进行了设计计算。 关键词：平衡吊；原理应用；力学分析；结构设计 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平衡吊的结构和工作原理 1.2平衡吊的平衡条件 113.1 工作条件的确定 113.2 滚道C 和丝杠螺母A的位置尺寸的确定 113.2.1 丝杠螺母A的上下极限位置的确定 113.2.2 滚轮C 的左右极限位置的确定......................................................... 12 3.3 初定各杆长度 133.4 不计自重时，各杆截面尺寸的设计 143.4.1 FED 杆截面尺寸的设计 143.4.2 ABD 杆截面尺寸的设计 173.4.3 EC 杆和BC 杆截面尺寸的设计 224.1 各杆件自重在C 点处引起的失衡力的大小............................................... 22 4.2 消除各杆自重引起的失衡措施 264.3 估算各杆质量，计算配重 274.3.1 各杆质量的估算 274.3.2 用质量代换法计算配重 315.1 滚珠丝杠副的选择 315.2 电动机的选择 375.3 减速器的选择 415.4 联轴器的选择 466.1 滚动轴承的类型的选择 6.2角接触球轴承和推力球轴承的型号选择 476.3 回转机构的结构图 52参考文献 平衡吊的工作原理及平衡条件1.1 平衡吊的结构和工作原理 平衡吊的结构如图1 所示，主要分为传动、杆系和回转机构三个部分。 传动部分是完成起吊重物功能的机构，由电动机、减速器、联轴器等带动丝杠 回转，驱使螺母升降，从而完成吊钩在垂直方向的升降运动。该部分也可由气缸、 油缸代替完成起重物的功能。 杆系部分是一平行四连杆机构，它由ABD、DEF、BC、万向滚珠CE 四杆组成，在 处用铰链连接，其中BC＝DE，BD 点作水平运动。传动部分和杆系通过回转机构安装在立柱上，可以使吊钩绕立柱回转360。 平衡吊的水平运动和绕立柱的回转运动，用手在吊钩处轻轻推动即可获得，而 升降运动可以通过操作按钮由电机来完成。 1.2平衡吊的平衡条件 平衡吊的平衡是指：吊钩F点无论空载还是负载，运行到工作范围内的任何位置 后都可以随意停下并保持静止不动，即达到随遇平衡状态。 由图l可知A点的运动是由传动部分控制的，当在一定高度时，可以将A点看作一 个固定铰链支座，C点的水平移动是引起F点水平运动的原因，如果吊钩F在任何位置 (起重或空载)时，F点、C点、A点只有垂直方向的反力且合力为零，那么支座C点的 水平受力为零，平衡就可以得到。 为便于分析问题，假设杆系的自重及各铰链点之间的摩擦均忽略不计。根据静 力学的原理，平面力系中某一杆件同时受三力作用，则三力必交于一点，叫做三力 杆。某一杆件同时受二力作用且二力的作用点在两个端点，则二力必然大小相等方 向相反，叫二力杆。故CB、CE为二力杆。其受力方向沿铰链连线。ABD、DEF为三力 杆。三力平衡时，其力必汇交于一点。 先分析DEF杆件。在F点吊起重物G 时，其方向垂直向下，CE杆通过铰链E压给DEF杆的作用力P ABD杆通过铰链D作用于DEF杆的力，必通过D点交于K点方向可由力三角形得出，如图2所示。 其次再分析ABD杆件，根据作用与反作用的道理，显然，杆件DEF通过铰链D给杆ABD以反作用Q 必须为铅垂方向的力。现在将这两个构件的受力分析综合到一起来研究。 如图 力的水平投影是等长的，即S 保持铅垂方向，根据上述受力分析，只有当机构在任意一个位置下，都能做到：过F 点做一条铅垂线FK 与EC 杆的延长线相交于 两点并延长与BC 杆的延长线相交于 保持铅垂方向。要做到这一点，满足机构的几何条件为： KEF ABJKDE DJB相似三角形的对应边成比例关系，得到： EFEK BJABDEEK BJBD由以上两式得到：EFDE BDAB假设： ABD 为放大系数这就是说，只要杆系各杆件满足上述关系式，机构即可在任意位置达到平衡。 BCFE BAEC CBA得到 ：FCCA 因为 CA的共同点， 所以FC 与CA 必须在同一直线上，即F，C，A 三点共线。 平衡吊的运动分析下面针对当A点升降和C 点移动时，作钓钩F 的运动分析。 点的运动规律如图 点作一条水平线MN， 两点。假设此时C 点平移至C′点，F 点平移至F′点。 同样F′、C′、A 三点共线。F′点在MN 线上的投影为N′点。 CAFC BC EF AB CE FNC ACFC AM FN FN ）AM……….………...（2）由（1）、（2）式得出 FN即证明C 点水平移动时，F 点在水平方向上作水平移动。 AFF′ ACAF CC FF FF′= 点作匀速运动，F点也作匀速 运动。 当电机带动A点运动时，F 点的运动规律 此时将C 点看作一个固定铰链支座，见图6。万向滚珠 点作水平线NM，FNNM FEC CAFC BC EF 同理：FNC ACFC CM CN 由上述可以得到：CNF′ CMA′NF′MA′ 平衡吊的运动分析10 故知F 点在垂直方向上运动，其大小可由 CNF′ CMA′得到： AAFF 点作匀速运动，F点也作匀速 运动。 平衡吊的结构尺寸设计11 平衡吊的结构尺寸设计3.1 工作条件的确定 在一般工车间里，通常加工的零件的重量都在 100 以下，且机床和机床之 间的距离 3～5m 左右，平衡吊应放置在两机床之间，保证两边的上下工件工作都能 满足。现初定平衡吊的工作条件如下： 额定起吊重量： 回转半径：Rmax 2500 m/min杆件材料： Q235 3.2 滚道C 和丝杠螺母A 的位置尺寸的确定 根据平衡吊的力学平衡原理分析已知：A、C、F 三点共线。且有这样的关系 AAFF ACAF CC FF =10）即有： 在水平方向移动，且重物的移动距离与滚轮 倍的关系。由水平变幅为1900 可以得出滚 道的理论长度为190 上升或下降。同样有重物移动的距离是 1800可以 得出丝杠螺母的移动距离为200 3.2.1丝杠螺母A 的上下极限位置的确定 平衡吊的结构尺寸设计12 如图 固定不动，F点随丝杠螺母 的移动而移动。F′、F、A、A′、分别为上下极限位置。图中过 点作水平线交FF′于 点，交立柱中心线于O点。则FF′= =1800，AA′= 200 AA′CFCAC QA′=70 所在平面为基准时，丝杠螺母能到的极限位置为上130 3.2.2滚轮C 的左右极限位置的确定 由于 点的水平移动，而已知平衡吊的水平变幅为1900 ，所以如图 固定不动，F、F′、万向滚珠C、C′分别为左右极限位置，图中过 FF′作水平线交立柱中心线于O′点交AP 延长线于Q 则有：FF′= 1900 ，FO′= 2500 ，CC′= 190 ACAF 平衡吊的结构尺寸设计13 又由图可知： FO′－FF′=2500 －1900 =600 X，则有：F′O′＋OC′＋X 令：OC′=120 ，则有：X 能到的理论极限位置为左70 3.3初定各杆长度 各杆长度必须满足能够使F 点到达，，左，右四种极限位置。 又由平衡吊的原理可以知道FDA 随着 ACF 长度的增大而增大，且有关系： 10 ACAF ACF直线随 AC 长度的变化而变化，当 AC 时FDA 。由 3.2 定的尺寸可知当A在点，C在左边时AC 取得值： AC max 270130 所以ACF的值为：ACF max =10 AC max =2997 平衡吊的结构尺寸设计14 由三角形原理有：三角形的任意两边之和必须大于第三边。 ACFmax ACFmax在杆满足长度条件的同时为了保证不能因FDA 太大而导致杆件受力太大，取 此时：FDAmax 2arcsin2H ACFmax 2arcsin3 2997 123.6 综上，初定杆长为： 3.4不计自重时，各杆截面尺寸的设计 3.4.1 FED 杆截面尺寸的设计 如图 所示，杆FED 受到吊重G ，CE杆的支撑力P ABD杆的拉力Q 的共同作用，由受力图易知杆的弯矩图如下： FED杆的弯矩图 平衡吊的结构尺寸设计15 由弯矩图可以看出，弯矩出现在E 截面，且有 GsinKFEEF EF=980N1.53m FED杆处于水平位置时，受到的弯矩，值出现在 面为危险截面。横力弯曲时，弯矩随截面位置变化，一般情况下，正应力ζ max 发生在弯 矩的截面上，并且离中性轴远处。公式为： IzMmaxYmax 截面对Z轴的惯性距。 设杆件的截面尺寸为“工”字型，相关尺寸如图10 所示： 则截面对Z 轴的惯性距为： 12100 mm mm 12100 mm mm 1250 mm mm 1012 236 mm IzMmaxYmax 10236 12 70 1499mm mm Nm 53.4MPa 10FED杆的截面尺寸 平衡吊的结构尺寸设计16 弯曲正应力求出后，就要校核杆件的强度。弯曲强度条件为： ]为杆件材料的弯曲许用应力。杆件所用材料为 Q235，是塑性材料，塑性材料到达屈服时的应力是屈服极限 s，为保证构件有足够的强度，在载荷作用下构件的实际应力ζ，显然应该低于极 限应力。强度计算中，以大于1 的因数除极限应力，所得到的结果即为许用应力。 对于塑性材料来说： 为安全系数。选择安全系数应考虑的一般因素为：构件破坏可能导致的伤亡事故，构件破坏 可能造成的停产损失和修理费用；材料强度的分散性和不确定性，载荷的不确定 性，如使用过程中有超载、动载或冲击载荷的可能性等等。 安全系数的选取经验一般如下： 对于可靠性很强的材料（如常用的中低强度高韧性结构钢，强度分散性小）载荷恒定。设计时以减低结构重量为重要出发点时，取n =1.25～1.5 对于常用的塑性材料，在稳定的环境和载荷下的构件，取n=1.5～2 =2～2.5在此处取n 查表有Q235的屈服极限在刚才厚度小于等于16 235MPa。 MPa235 117.5MPa 对于碳钢来说，其材料的抗拉强度和抗压强度是相等的，只要值的正 应力不超过许用应力就可以了。 FED 杆的截面尺寸是对称的，则危险截面上的拉应力和压应力的大小 是相等的，均为ζ max 53.4MPa，有： 平衡吊的结构尺寸设计17 3.4.2 ABD 杆截面尺寸的设计 如图 11 所示，在任意位置，令杆 FED 与竖直方向的夹角EFK= FED与KD 连线方向的夹角KDE= ABD与KD 连线杆FED 两端所受力分别对 sinγ由上已经知道 EF ED，则有： 9G sinγ…………………………（10） 而在力的三角形中可知，G sinγ………………………….（11） 联立（10）、（11）式有： 平衡吊的结构尺寸设计18 9G 12ABD 杆的弯矩图 由弯矩图可以看出，弯矩出现在B 截面，且有： GsinDAJAB ……………（12） max随杆与竖直方向的夹角DAJ 的增大而增大，当DAJ max取得值。 下面来讨论DAJ 能否达到90。 点固定时，C由右向左，DAJ 逐渐增大。 点固定时，A由下向上，DAJ逐渐增大。 在左端，A在上端时，DAJ 取得值。 如图 13 所示，图中 在左端，A在上端。取 BC 研究对象。分别过B、A点作垂线交水平线CQ 点作水平线交QA延长线于M点。由以上确定的尺寸知： AB 170，AQ 130，CQ 平衡吊的结构尺寸设计19 13图中 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 平衡吊的结构尺寸设计20 图中所说的BAM 就是DAJ，这就说明DAJ 时达不到 90，即当 在左端，A在上端时，M max 取得值。值为： GsinDAJAB =9980Nsin87.6170 1498.1Nm若杆ABD 同杆FED 取同样的截面，有： 1012 236 mm IzMmaxYmax Pamm mm Nm 5310 236 12 70 即是强度条件满足，杆件安全，截面尺寸符合要求。3.4.3 EC 杆和BC 杆截面尺寸的设计 在平衡吊的四杆机构中，EC BC杆是两个二力杆，受到的都是沿轴线方向 的压力，没有受到弯、扭作用。 所以此两杆的压缩强度为： ……………………….……（13）取两杆截面为圆截面，截面半径为30 。如图14 所示： 截面积为： 14EC杆和BC杆的截面尺寸 平衡吊的结构尺寸设计21 代入数值有： 117.5MPa2826 332055N332KN即当EC BC杆受到的轴向力小于332 KN 时，杆件满足强度条件，安全， 截面尺寸符合要求。 而由杆件的受力分析可知，EC BC杆受到的轴向力不会超过 332KN，所以，取杆件截面为半径为30 的圆，符合条件。 杆件自重对平衡的影响及其平衡方法22 杆件自重对平衡的影响及其平衡办法在平衡吊的平衡及运动分析时，都是假设杆系的自重及各个铰链点的摩擦均忽 略不计，得到 的平衡条件。但是实际上自重及摩擦力均是存在的。摩擦力对平衡是不起破坏作用的，而自重则不然，除杆系在一特定的位置外，各杆件的自重 都将在 点引起不平衡的水平分力CX 定义为失衡力。4.1 各杆件自重在C 点处引起的失衡力的大小 的条件下，平衡吊的失衡力只可能由自重引起，此时，将 点作为固定铰链支座来对其进行受力分析，求出由于各杆件自重影响所产生的失衡力 ，根据叠加原理，可以求出它们的合力，即总的失衡力为：CX ……………………………….（14）现在根据静力学原理分别就各杆件自重对失衡的影响进行分析： 假设 DEF 杆的自重为 ，如图15 所示，其余杆件自重忽略不计，BC，CE DEF、ABD为三力杆，画出其力的三角形如图示，对D结点分析受力有： ED
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