【導(dǎo)讀】50kg起重機(jī)的設(shè)計(jì)方案的確定，包括針對(duì)本設(shè)計(jì)選取起重機(jī)的型號(hào)，確定為臂架式起重機(jī)，采用了機(jī)械設(shè)計(jì)的一般設(shè)計(jì)方法，機(jī)械設(shè)計(jì)輔助軟件。AutoCAD和Pro/e，設(shè)計(jì)制作出起重夾鉗設(shè)備，吊起重量達(dá)50Kg，起升速度達(dá),運(yùn)行速度達(dá),搬運(yùn)物體快速便捷，無卡殼，設(shè)備運(yùn)行良好。通過了解學(xué)習(xí)掌握夾鉗裝置的工作原理，對(duì)起重夾鉗裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類與分析，

　　

【正文】 工作要求，計(jì)算作用在夾鉗各部件上的載荷； （ 3）根據(jù)夾鉗整個(gè)部件的類型，結(jié)構(gòu)和所受載荷 ,分析夾鉗各部件可能的實(shí)效形式 ,從而確定夾鉗各部件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則； （ 4）根據(jù)夾鉗各部件的工作條件及對(duì)夾鉗各部件的特殊要求 (例如高溫或在腐蝕性介質(zhì)中工作等 ),選擇適當(dāng)?shù)牟牧希? （ 5）根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算 ,確定夾鉗各部件的基本尺寸； （ 6）根據(jù)工藝性標(biāo)準(zhǔn)等原則進(jìn)行夾鉗各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； （ 7）細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)完成后，必要時(shí)進(jìn)行詳細(xì)的校核計(jì)算，以判定結(jié)構(gòu)的合理性； （ 8）畫出夾鉗各部件的工作圖，并寫出計(jì)算說明書。 50kg 起重夾鉗工作原理 本文所要介紹的夾鉗的主要組成部分由：吊臂、主鉗臂、副鉗臂、軸、自動(dòng)控制裝 置等主要部件組成，結(jié)構(gòu)如下圖 所示。 1鉗口 2吊臂 3主鉗臂 1 4副鉗臂 2 5主機(jī) 6軸 1 7軸 2 8軸 3 9旋轉(zhuǎn)開關(guān)裝置 圖 夾鉗裝置的裝配圖 我們先介紹該夾鉗的動(dòng)作原理：先是夾鉗處于空載狀態(tài)，當(dāng)欲夾起一重物，則緩緩下降至重物高度位置。在夾鉗鉗口碰及重物時(shí)，夾鉗結(jié)構(gòu)四邊形由于自重作用而發(fā)生變形，鉗口變寬，四邊形 23 變扁。此時(shí)若被吊物已位于鉗口中，若往上拉，夾鉗同樣由自重，其結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，鉗口變小則可夾住重物。于是夾鉗可開始上升，當(dāng)被吊物放到目的地時(shí)，整個(gè)夾 鉗繼續(xù)向下放，由于自重作用，從而使鉗口放開重物，開口繼續(xù)變大。 此時(shí)結(jié)構(gòu)四邊形發(fā)生變形，寬度變大，由于自動(dòng)控制裝置的作用，開口不再變小，于是夾鉗便可以脫離重物，這樣就完成了一次運(yùn)作。 起重夾鉗的夾持機(jī)構(gòu) 起重鉗的夾持機(jī)構(gòu)是根據(jù)起吊物件形狀不同分為單轉(zhuǎn)動(dòng)鉗板和雙轉(zhuǎn)動(dòng)鉗板起重鉗；根據(jù)夾持和起吊方式的不同又分為豎式夾持和橫式夾持結(jié)構(gòu)的起重鉗。對(duì)工字鋼、鋼軌等形狀對(duì)稱的起吊物，采用雙轉(zhuǎn)動(dòng)鉗板起重鉗，如圖 2 起重夾鉗的結(jié)構(gòu)，對(duì)形狀簡單的鋼板則采用豎式夾持結(jié)構(gòu)的單鉗扳起重鉗。 在小起重量起重鉗中，輔助夾緊裝置 由一根拉簧、扇形鎖板和能操縱鎖板轉(zhuǎn)動(dòng)的手柄組成。鎖板的上下極限位置都能自鎖，上極限位置靠彈簧偏心力矩自鎖，下極限位置連臂曲線自鎖。在起重量比較大的起重鉗中，采用液壓操作輔助夾緊裝置。 采用輔助夾緊裝置可以使起重鉗起吊前在彈簧力作用下能夠獲得較佳的預(yù)夾緊力從而使起重鉗在起吊的一剎那或?qū)τ诳焖偕仙⑾陆禃r(shí)的突然停止，仍能保持足夠的夾持力，以防止起吊物從鉗口滑脫，造成意外事故，它也可以說是一個(gè)安全保險(xiǎn)裝置，它的另一個(gè)作用是在吊運(yùn)完畢之后，鎖板在操作手柄作用下，起重鉗能順利地張開鉗口以卸下起吊物。輔助夾緊裝置的結(jié)構(gòu) 比較簡單，但能起到安全保險(xiǎn)作用，并能提高起重鉗的裝卸速度，它是起重鉗不可缺少的極為重要的裝置。 本文所要介紹的夾鉗的主要組成部分由：吊軸、鉗臂 鉗臂 梁軸、光軸 1 光軸 軸 軸自動(dòng)控制裝置等主要部件組成，結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。與其它吊具相比，此夾鉗具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、能夠適應(yīng)極其復(fù)雜的工作環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。 在設(shè)計(jì)時(shí)，由于該夾鉗所夾的是 5 0k g 板坯，而且鉗口有耐高溫的作用，所以型號(hào)定為熱軋扁鋼20 150 1000 。經(jīng)過簡要計(jì)算可得該夾鉗可以夾持 2 塊板坯。所以，我們?cè)O(shè)計(jì)鉗口高度不小于 28 mm， 定為 30mm。鉗口寬度定為 168m m，整個(gè)夾鉗的寬度定為 282 .5m m。 從圖 2 中也可以大致的看到夾鉗機(jī)構(gòu)的一些危險(xiǎn)截面，我們?cè)谝院笤谟?jì)算中就重點(diǎn)計(jì)算這些截面和點(diǎn)。我們?cè)谟?jì)算時(shí)不計(jì)夾鉗自重，這樣的精度能基本符合要求，而且能大大簡化計(jì)算方法。 吊臂的設(shè)計(jì) 吊臂主要是受到拉力的作用，在其端點(diǎn)和與吊軸的連接處應(yīng)力比較復(fù)雜。但吊臂的主要部分仍然可以用拉伸時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算來校核。對(duì)于吊臂上端的強(qiáng)度校核，我們等到吊軸的設(shè)計(jì)時(shí)再計(jì)算。下端則由于是焊接成型，故其強(qiáng)度與吊臂中間部分大致一樣。 24 吊臂的材料的 選擇 根據(jù)上面起重機(jī)選擇材料的介紹，吊臂的材料宜選擇 45號(hào)鋼。 吊臂的尺寸計(jì)算 由于 4 5 號(hào)鋼為塑性材料，以材料的屈服強(qiáng)度為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，查表得 MPas 335=σ ,在 設(shè)計(jì)中安全系數(shù) n= ， 計(jì)算材料的許用應(yīng)力 MpaMpas ]σ[ === 設(shè)計(jì)吊臂的寬度 b，已知吊臂總能夠承受的重物的重量為 m=50 k g。依據(jù)構(gòu)件的強(qiáng)度 校核公式 ]σ[≤σ AP= ，得： ][σmgA≥ 則： 266 ≥ mA ≈ 為了以后的計(jì)算及其他因素的考慮，我們暫取 A= 60 2mm , 另外，確定吊臂的厚度 a=10mm，由此可計(jì)算得出寬度 b=6mm。 鉗臂的設(shè)計(jì) 由于我們?cè)谟?jì)算鉗臂時(shí)都不計(jì)鉗臂本身質(zhì)量。這有 利于計(jì)算的簡化。同時(shí)，與吊臂的計(jì)算一樣，吊臂圓孔處的強(qiáng)度校核到軸的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)再校核 ]14[ 。 鉗臂的材料的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，鉗臂的材料的選擇與前述吊臂的材料相同，即都選擇 45 鋼。 鉗臂 1 的設(shè)計(jì) 根據(jù)平面力系平衡方程，確定主軸兩端所受的力分別為 43 FF、 ，暫憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)數(shù)據(jù)尺寸如圖 所示，由上述知 NmgFF 21 ==== 根據(jù)平面力系列平衡方程 ]12[ ： 0)(,0 =∑=∑ FMY A 可得：02 8 2 . 5) 1 9( 1 904214321=++=+FFFFFFF 25 圖 主軸受力分析圖 解得： NFNF 245,245 43 == 已知前述軸的屈服強(qiáng)度極限 MPas 335=σ ，取安全系數(shù) n=，計(jì)算許用應(yīng)力MpaMpas ]σ[ === ，取 Mpa237]σ[ = 。 設(shè)計(jì)鉗臂的面積 A： 根據(jù)軸的強(qiáng)度條件計(jì)算公式 ][≤σ σAP= 得 ]13[ ： 26612 ≈10237 245]σ[≥ mFA = 根據(jù)計(jì)算的結(jié)果可看出預(yù)先估計(jì)的數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)的要求范圍內(nèi)，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，暫取截面積 2125mmA= ，取鉗臂 1 的厚度為 b=5mm,寬度 a=25mm。 CAD 圖設(shè)計(jì)如下： 鉗臂 2 的設(shè)計(jì) 根據(jù)鉗臂 2 的結(jié)構(gòu)如下圖 26 圖 鉗臂 2的結(jié)構(gòu)簡圖 已知：00 r c c o o sa r cO B C14030c o s,===∠====故，mmABBOmmBCmmAB 對(duì) 鉗臂 2 進(jìn)行受力分析，畫出如圖 所示示意圖，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，并設(shè)AC=,CD=。 圖 鉗臂 2的受力示意圖 由正弦定理求得 a 的值： mmaaAC i n i n? i n30s i n0000 === 由下圖 由余弦定理求得 b 的值： 27 圖 鉗臂 2的受力簡圖 mNFACACNFNFFFFFbmmbCDabadcdacd?=?=====+======?+= i nM C,? i n30s i n, o s30c o sF0Y∑0X∑ r c s i nα? i nCDαs i n?c o s 1 6 . 5 8 CD 2 a0m a x0000a000222處所受的最大彎矩為在得：，方程：根據(jù)平面任意力系平衡又由正弦定理得： 鉗臂 2 的受力情況比較復(fù)雜，為了簡化起見，我們?nèi)匀徊捎勉Q臂 1 的計(jì)算方法，即不計(jì)本身自重。同時(shí)，由于鉗臂 2同時(shí)受到軸向拉伸和彎矩的作用。所以我們分開計(jì)算這兩項(xiàng)，最后計(jì)算出總。再根據(jù)總應(yīng)力的大小和實(shí)際的需要來確定鉗臂 2的尺寸。在 AC 段的軸向壓力為： NFF os 00aAC ===軸 根據(jù)軸的強(qiáng)度校核條件 ]14[ ： ]σ[≤σ AP= ，和前述所知的許用應(yīng)力 MPa237][ =α 。 256 ][ mFA AC === σ 初定 2175mmAAC = ，并取厚度 b=5mm，則寬度 a=35mm。 在 C 處截面的截面系數(shù)為 62baW= ，代人數(shù)據(jù)可得： 36922 mbaW === 計(jì)算 C 處截面的最大的彎 曲應(yīng)力： 28 MP aWM 3m a xm a x ===σ 由 ][max σσ ，所以該尺寸符合強(qiáng)度條件。 在 CE 段，該段基本與 dF 平行，故只要受拉力作用，現(xiàn)校核該段鉗臂： MP aF d 66 ===σ 由 ][max σσ ，故符合條件。 ED 段主要受彎曲作用， dF 對(duì) ED 段的最大彎矩發(fā)生在 E 處截面。 先計(jì)算最大彎矩： mNFM d ?=== 5 5 1 o s 330m a x 再計(jì)算 E 截面處的應(yīng)力： MP aWM 3m a xm a x ===σ 比 ][σ 小的多，故而也是安全的 ]15[ 。 軸的設(shè)計(jì) 軸的材料選擇 軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。鋼軸的毛坯多數(shù)用軋制圓鋼和鍛件，有的則直接用圓鋼。由于碳鋼比合金鋼價(jià)廉，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低，同時(shí)也可以用熱處理或化學(xué)熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲強(qiáng)度，故采用碳鋼制造軸尤為廣泛，其中最常用的是 45 鋼。 合金鋼比碳鋼具有更高的力學(xué)性能和更好的淬火性能。因此，在傳遞大動(dòng)力，并要求減小尺寸與質(zhì)量，提高軸頸的耐磨性，以處于高溫或低溫條件下工作的軸，常采用合金鋼。 必須指 出：在一般工作溫度下（低于 20 0 攝氏度），各種碳鋼和合金鋼的彈性模均相差不多，因此在選擇鋼的種類和決定鋼的熱處理方法時(shí)，所根據(jù)的是強(qiáng)度與耐性，磨而不是軸的彎曲或扭轉(zhuǎn)剛度。但也應(yīng)當(dāng)注意，在既定條件下，有時(shí)也可選擇強(qiáng)度較低的鋼材，而用適當(dāng)增大軸的截面面積的辦法來提高軸的剛度。 各種熱處理（如高頻淬火、滲碳、氮化、氰化等）以及表面強(qiáng)化處理（如噴丸、滾壓等），對(duì)提高軸的抗疲勞強(qiáng)度都有著顯著的效果。高強(qiáng)度鑄鐵和球墨鑄鐵容易作成復(fù)雜形狀，且具有價(jià)廉、良發(fā)的吸振性和耐磨性，以及對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低等優(yōu)點(diǎn)，可用于制成外 形復(fù)雜的軸。 根據(jù)上述 45 號(hào)鋼的特性選用軸的使用材料為 45 號(hào)鋼。 主軸的設(shè)計(jì) 主軸彎矩的計(jì)算 ]16[ ： 根 據(jù) 平 面 力 系 平 衡 方 程 ， 確 定 主 軸 兩 端 所 受 的 力 43 F、F ， 由 上 述 知 29 NmgFF ==== 圖 主軸的受力分析圖 圖 主軸的力矩分析圖 根據(jù)平面力 系平衡方程，得： 0)(,0 =∑=∑ FMY A 可得： 02 8 2 . 5) 1 9( 1 904214321=++=+FFFFFFF 解得： NFNF 245,245 43 == 取截面 1— 1： ) 9≤≤0(1141XXFM = 取截面 2— 2： )168X( 1 1 9 . 6 1 1 9 . 6 )(222242≤≤+= XFXFM 取截面 3— 3： 30 )≤≤( 1 6 8 1 6 8 )(1 1 9 . 6 )(33132343XXFXFXFM ++= 得： m 2 9 .3 0 N101 1 9 .6 2 4 5 3m a x ?==M 根據(jù)彎曲強(qiáng)度條件 ][m axm ax σσ ≤= zWM，設(shè)計(jì)主軸的直徑 d，由上述 ][σ =237MPa 得：mWdmMWzz233z376m a x ?32dπW ]σ[≥=====由 為了方便設(shè)計(jì)和實(shí) 際需要，取最小直徑 d=18mm。 主軸在與鉗臂連接處還受到了剪力的作用根據(jù) 45 鋼的特性，查表得剪切疲勞極限 =τ ，取安全系數(shù) t=。 可以計(jì)算得： MP ][ 1 === ττ 根據(jù)前面計(jì)算結(jié)果所得已知條件： 2521213 ,245 mdANFF ==== π 故： MP aAF 63 245 ==τ 顯然，計(jì)算出來的 ][ττ 。 下面來校核鉗臂 1 圓孔處的強(qiáng)度： 現(xiàn)在既然已經(jīng)確定了主軸的最小直徑 d=18mm，那么我們就可以根據(jù)主軸的最小直徑來確定鉗臂1 上端圓孔的直徑。 由于軸與孔壁之間的相對(duì)速度很慢，但相互作用力很大。因此，配合間隙的選擇，對(duì)保證軸與孔內(nèi)壁的潤滑非常重要。 軸 1 的設(shè)計(jì) 根據(jù) 45 號(hào)鋼的特性，查表得剪切疲勞極限 =τ ，取 安全因素 n= ]17[ 。 根據(jù)疲勞極限得出 45 號(hào)鋼的許用剪切應(yīng)力如下： MP ][ 1 === ττ 根據(jù)剪切強(qiáng)度條件： ]τ[≤τ AF= ，設(shè)計(jì)軸 1的截面積 A。 mmmmddAmFA? 245]τ[≥32662266======= 31 根據(jù)設(shè)計(jì)與實(shí)際需要取 d=80mm 。 如下圖： 軸 2 的設(shè)計(jì) 由軸 1 的設(shè)計(jì)計(jì)算得出 MP ][ 1 === ττ，根據(jù)剪切強(qiáng)度條件： ]τ[≤τ AF=