千斤顶三维设计论文.pdf
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1、摘 要机械设计在国民经济发展中起着重要的作用,机械工业担负着为国民经济部门 提供各种性能先进,价格低廉,使用安全可靠,造型美观的技术装备的任务,在国 家现代化建设中举足轻重。机械产品的市场竞争能力主要取决于产品的质量,而产 品的质量又取决于产品的设计。千斤顶是一种起重高度小(小于1m)的最简单的起重设备。主要用于厂矿、交 通运输等部门作为车辆修理及其它起重、支撑等工作。其结构轻巧坚固、灵活可靠,一人即可携带和操作。千斤顶是用刚性顶举件作为工作装置,通过顶部托座或底部 托爪在小行程内顶升重物的轻小起重设备。本次设计既是产品开发周期中的关键环节,有贯穿于产品开发过程的始终。设 计决定了实现产品功能
2、和目标的方案,结构和选材。制造方法以及产品运行,使用 和维修方法。设计不合理会导致产品功能不完善,成本提高或可靠性,安全性不好。产品设计上的缺陷造成的先天不足,难以采取制造和使用措施加以弥补。少数情况 下,即有可能,损失也大。严重的设计不合理甚至会造成的产品不能用或产品制造 不出来,导致产品开发失败。现代机械产品的要求不对传统机械产品高的多,因而在产品开发和改进过程中 只有全面深入地运用现代设计理论,方法和技术才能满足社会对现代机械产品愈来 愈苛刻的要求,提高其市场竞争能力。关键词:千斤顶,可靠,先进1起重机械的概述起重机械是一种以间歇作业方式对物料进行起升,下降和水平移动的搬运机 械。起重机
3、械的作业通常带有重复循环的性质。一个完整的作业循环一般包括取 物、起升、平移、下降、卸载,然后返回原处等环节。经常起动、制动、正向和 反向运动是起重机械的基本特点。起重机械广泛用于交通运输业、建筑业、商业 和农业等国民经济各部门及人们日常生活中。起重机械由运动机械、承载机构、动力源和控制设备以及安全装备、信号指 示装备等组成。起重机的驱动多为电力,也可用内燃机,人力驱动只用于轻小型起重设备或 特殊需要的场合。起重机械按结构特征和使用场合分为:轻小型起重设备、桥架型起重机、缆 索型起重机、臂架型起重机、堆垛起重机、升降机械。然而,千斤顶又属于起重机械的一种。千斤顶是一种起重高度小(小于1m)的最
4、简单的起重设备。它有机械式和液压式两种。机械式千斤顶又有齿条式与螺 旋式两种。千斤顶按工作原理分为:螺旋千斤顶、齿条千斤顶、油压千斤顶。2螺旋传动的设计和计算2.1螺旋传动的类型和应用螺旋传动是利用螺杆(丝杠)和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主 要用于将回转运动转变为直线运动,同时传递运动和动力。它具有结构紧凑、转 动均匀、准确、平稳、易于自锁等优点,在工业中获得了广泛应用。按照用途不同,螺旋传动分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋三种类型。传 力螺旋以传递动力为主,要求以较小的转矩产生较大的轴向推力,一般为间歇性 工作,工作速度较低,通常要求具有自锁能力,图1的螺旋千斤顶及图1.2 的螺旋
5、压力机均为传力螺旋。传导螺旋以传递运动为主,这类螺旋常在较长的时 间内连续工作且工作速度较高,传动精度要求较高,如图1.3所示的机床进给机 构的螺旋。调整螺旋用于调整并固定零件间的相对位置,一般在空载下工作,要 求能自锁,如带传动张紧装置、机床卡盘、轧钢机轧滚下压螺旋等。图1.1螺旋千斤顶图1.3传导螺旋按照螺旋副摩擦性质的不同,螺旋传动又可分为滑动摩擦螺旋传动(简称滑 动螺旋)、滚动摩擦螺旋传动(简称滚动螺旋)和静压滑动螺旋传动(简称静压 螺旋)。滑动螺旋传动应用较广,其特点是结构简单,制造方便,成本低;易于实现 自锁;运转平稳。缺点在于当低速或进行运动微调时可能出现爬行现象;摩擦阻 力大,
6、传动效率低(一般为30%50%);螺纹间有侧向间隙,反向时有空行程;磨损较大。广泛应用于机床的进给、分度、定位等机构,如压力机、千斤顶的传 力螺旋等。滚动螺旋也称滚珠丝杠,其特点是摩擦阻力小,传动效率高(9。%以上);运转平稳,低速时不爬行,启动时无抖动;螺旋副经调整和预紧可实现高精度定 位精度和重复定位精度;传动具有可逆性,如果运用于禁止逆转的场合,需要加 设防逆转机构;不易摩擦,使用寿命长。缺点为结构复杂,制造困难;抗冲击能 力差。应用于精密和数控机床、测试机械、仪器的传动和调整螺旋,车辆、飞机 上的传动螺旋。滚动螺旋传动特点:传动效率高,传动精度高,起动阻力矩小,传动灵活平 稳,工作寿命
7、长。滚动螺旋传动应用于机床、汽车、拖拉机、航空军工等制造业。滚动螺旋传动按滚珠循环方式分为:内循环:滚珠始终和螺杆接触,两个封闭循环回路有两个反向器,三个封闭 循环回路有三个反向器。特点:流动性好,效率高,经向尺寸小。外循环:分离,工艺性好,分为螺旋式,插管式,挡珠式静压螺旋传动螺杆与螺母被油膜隔开,不直接接触。具有摩擦阻力小,传动 效率高(达99%);螺母的结构复杂;运转平稳,无爬行现象;传动具有可逆性(不需要时应加设防逆转机构);反向时无空行程,定位精度高,轴向刚力大;磨损小,寿命长等优点。其缺点为结构复杂,制造较难,需要一套压力稳定,供 油系统要求高。应用于精密机床的进给、分度机构的传动
8、螺旋。2.2螺旋传动的运动关系在螺旋传动中,结构最简单应用最广泛的是滑动螺旋,本节主要介绍这种螺 旋传动的设计。滑动螺旋副工作时,主要承受转矩和轴向拉力(或压力)的作用,由于螺杆 和螺母的旋合螺纹间存在着较大的相对滑动,因此,其主要失效形式是螺纹牙破 损。滑动螺旋的基本尺寸通常根据耐磨条件确定。对于传力螺旋还应校核螺杆危 险截面的强度;对于青铜或铸铁螺母以及承受重载的调整螺旋应校核其自锁性;对于精度传动螺旋应该校核螺杆的刚度;对于受压螺杆,当其长径比很大时,应 校核其稳定性;对于高速长螺杆,应校核其临界转速;要求自锁时,多采用单线 螺纹,要求高效时,多采用多线螺纹。1.一般螺旋机构一般螺旋机构
9、当螺杆转甲角(rad)时,螺母轴向移动的位移L(mm)为L=S中/2兀式1式中,S为螺旋线导程(mm)。如螺杆的转速为n(r/m i n),则螺母移动速度v mm/s为v=S n/6 0式2图1.4差动螺旋机构图1.4中的螺旋机构中,螺杆1上有A、B两段螺旋,A段螺旋导程为SA(mm),B段螺旋导程为Sb(mm),两者旋向相同,则当螺杆转中角(rad)时,螺母轴向移动的位移L(mm)为L=(SA-SB)中/2兀式3如螺杆的转速为n(r/m i n),则螺母移动速度v mm/s为L=(SA-SB)n/6 0式4由式(1-4)可知:当A、B两螺旋的导程Sa、Sb接近时,螺母可得到微小 位移,这种螺
10、旋机构称为差动螺旋机构(又称微动螺旋机构),常用于分度机构、测微机构等。如两螺旋的旋向相反,螺母轴向移动的位移L为L=(SA-SB)3/2兀式5移动速度为v=(SA-SB)n/6 0 式6这种螺旋机构称为复式螺旋机构,适合于快速靠近或离开的场合,如图1.5 所示的车钩快速合拢或分开装置。2.3 滑动螺旋传动的设计滑动螺旋传动工作时,螺杆和螺母主要承受转矩和轴向载荷(拉力或压力)的作用,同时在螺杆和螺母的旋合螺纹间有较大的相对滑动。滑动螺旋传动的主 要失效形式是螺纹磨损。因此,通常根据螺旋副的耐磨性条件,计算螺杆中径及 螺母高度,并参照螺纹标准确定螺旋的主要参数和尺寸,然后再个、对可能发生 的其
11、他失效逐一进行校核。2.4 滑动螺旋的结构及材料1.滑动螺旋的结构滑动螺旋的结构包括螺杆、螺母的结构形式及其固定和支承结构形式。螺旋 传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系,当螺杆短而粗且垂直布置时,如起重及加压装置的传力螺旋,可以采用螺母本身作为支承的结构。当螺杆细长 且水平布置时,如机床的传导螺旋(丝杠)等,应在螺杆两端或中间附加支承,以提高螺杆工作刚度。螺母结构有整体螺母、组合螺母和剖分螺母等形式。整体螺母结构简单,但 由磨损而产生的轴向间隙不能补偿,只适合在精度要求较低的场合中使用。对于 经常双向传动的传导螺旋,为了消除轴向间隙并补偿旋合螺纹的磨损,通常采用 组合螺母或剖分螺母结构
12、。图1.6为组合螺母的一种结构形式,利用螺钉2可 使斜块3将其两侧的螺母挤紧,减小螺纹副的间隙,提高传动精度。传动用螺杆的螺纹一般采用右旋结构,只有在特殊情况下采用左旋螺纹。2.螺杆与螺母常用材料螺杆和螺母材料应具有较高的耐磨性、足够的强度和良好的工艺性。螺杆与 螺母常用材料见表1.2。表1.2螺杆与螺母常用材料螺纹副材料应用场合螺杆Q235 Q275 4550轻载、低速传动。材料不热处理40Gr 65Mn20GrMnTi重载、较高速。材 料需经热处理,以 提高耐磨性9Mn2V GrWMn38GrMoAl精密传导螺旋传动。材料需经热处理螺母ZcuSnlOPlZcuSn5Pb5Zn5一般传动Zc
13、uAL10Fe3ZcuZn25AL6Fe3Mn重载、低速传动。尺寸较小或轻载高 速传动,螺母可采 用钢或铸铁制造,内空浇铸巴士合金 或青铜2.5 耐磨性计算耐磨性计算尚无完善的计算方法,目前是通过限制螺纹副接触面上的压强P作为 计算条件,其校核公式为p=F/A=F/Ad2hz=FP/7id2hH p式7式中,F为轴向工作载荷(N);A为螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平 面上的面积(mm?);d2为螺纹中径(mm);P为螺距(mm);h为螺纹工作高度(mm),矩形与梯形螺纹的工作高度h=0.5P,锯齿形螺纹高度h=0.75P;z=H/P 为螺纹工作圈数,H为螺纹高度(mm),p为许用压强(MP
14、a),见表1.7表1.7滑动螺旋传动的许用压强螺纹副材料滑动副速度/(m min.)许用压强/MPa钢对青铜低速1518-2511-1871012钢-耐磨铸铁61268钢-灰铸铁2.413-1861247钢-钢低速7.5-13淬火钢-青铜61210-13注:。/oDhp式8对矩形、梯形螺纹,h=0.5P,则d20 F/op式9对锯齿形螺纹,h=0.75P,则d20.65 F/op式10。值根据螺母的结构选取。对于整体式螺母,磨损后间隙不能调整,通常用 于轻载或精度要求低的场合,为使受力分布均匀,螺纹工作圈数不宜过多,宜取 0=1.22.5;对于剖分式螺母或螺母兼作支承而受力较大,可取0=2.5
15、3.5;传动精度高或要求寿命长时,允许。=4。根据公式计算出螺纹中径d?后,按国家标准选取螺纹的公称直径d和螺距 Po由于旋合各圈螺纹牙受力不均,故z不宜大于10。2.6 螺母螺纹牙的强度计算螺纹牙多发生剪切与弯曲破坏。由于一般情况下螺母材料的强度比螺杆低,因此只需校核螺母螺纹牙的强度。假设载荷集中作用在螺纹中径上,可将螺母螺 纹牙视为大径D处展开的悬臂梁(图1.6),螺纹牙根部aa处的弯曲强度校核 公式为ob=3Fh/7iDb2z ob 式11剪切强度校核公式为T=F/znDb4。临界载荷Fc与螺杆的柔度Y及材料有关,根据丫=匹的大小选用不同的公 I式计算。当丫8590时,根据欧拉公式计算,
16、即R二T式15式中,Fc为临界载荷(N);E为螺杆材料的弹性模量(MPa),对于钢E=2.O6X1O5;I为危险截面的惯性矩(mm4),1=生,如为螺杆螺纹内径(mm);64日为长度系数,与螺杆端部结构有关,见表1.9;L为螺杆最大受力长度(mm);i为螺杆危险截面的惯性半径(mm),1=得。表1.9长度系数R螺杆端部结构两端固定0.5一端固定,一端不完全固定0.6一端固定,一端自由(如千斤顶)2一端固定,一端较支(如压力机)0.7两端钱支(如传导螺杆)1注:用下列办法确定螺杆端部的支撑情况:采用滑动支承时:1。为支承长度,d。为支承孔直径,l0/d.3固定。采用滚动支承时:只有径向约束时为较
17、支;径向和轴向都有约束为固定。当丫380MPa的碳素钢(如Q235、Q275)Fc=(304-1.12y)A 式416当丫470MPa的优质碳素钢(如355、45)Fc=(461-2.57y)L 式17 当Y qwo第二位为额定起重量,to第三位为行程代号,g:表示高行程;d:表示低行程;普通型无表示。油压千斤顶的基本参数应符合表3.1中规定。表3.1油压千斤顶基本参数额最起调活泵起手公手活净定低升整塞心升柄称柄塞重起高高高直直进长压杆型号重量度h度hi度h2径径程度力操作压下力力tmmmpankgqyll.61.61589060245045034.73302202.2qyl3.23.2195
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