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自动抹灰机自动抹灰机 指导老师：于军华 王继梅 山东商业职业技术学院 0 目 录 摘 要.1 绪 论.3 1.1 抹灰机发展概论3 1.1.1 抹灰机发展现状3 1.1.2 抹灰机发展趋势4 1.1.3 课题研究背景和意义.5 1.2 本课题的主要设计任务及参数6 2 抹灰机构方案和结构设计8 2.1 抹灰机构整体设计.8 2.2 抹灰机料斗设计.9 2.3 支撑杆设计.10 2.4 连杆的设计计算10 2.5 横梁的选取.11 2.6 底架的设计11 2.7 滑道的设计计算11 2.8 气体弹簧的设计计算.12 2.8.1 气弹簧角度的选取12 2.8.2 气弹簧力的选取13 2.9 抹灰板的设计计算.13 2.9.1 抹灰板倾斜角度的选择13 2.9.2 抹灰板挡灰装置14 3 抹灰机构的计算与校核14 3.1 抹灰机构的整体受力分析.15 3.2 抹灰机构模型建立及力学分析.15 3.3 上平台的受力分析.15 3.4 支撑杆 ACD、ECB 的受力分析.16 3.5 支撑杆强度分析准则.17 3.5.1 支撑杆承载能力分析18 3.5.2 支撑杆受弯强度分析18 3.5.3 支撑杆受压强度分析21 3.6 销轴的强度校核.22 3.7 底架的强度校核.23 3.8 横梁的强度校核.24 3.9 抹灰板销轴的强度校核.25 结 论.26 山东商业职业技术学院 1 摘 要 我国建筑业需大量抹灰工作，因此抹灰施工一直保持着在建筑装饰工程中的重要地位。 目前，国内建筑市场上已经出现了用工荒。一方面，抹灰技术要求高，劳动强度大，工作 环境相对恶劣，技术工人越来越少。另一方面，随着社会的发展机械作业的普遍化，也带 来了对抹灰机的需求，这给机械抹灰带来了新的发展契机。 本文设计一种新型高效率的抹灰机构，整体采用齿轮齿条升降结构升降，在抹灰机 前端装有料斗和抹灰板，上行过程中灰料从料斗进入抹灰板，实现初次抹灰过程。到达顶 端时料斗下降，同时带动抹灰板转动达到一定角度，在整体下行过程实现二次抹灰过，料 斗的上下运动带动抹灰板的转动，实现联动过程。按照机械设计的一般步骤，对抹灰机构 进行整体方案设计和零件设计，并对工作零件进行了必要的校核计算。 关键字：抹灰机 ；抹灰机构； 联动 山东商业职业技术学院 2 绪 论 1.1 抹灰机发展概论 1.1.1 抹灰机发展现状 抹灰机械作为建筑机械的一种，在上世纪中期随着房地产的兴起而崛起的，在上世纪 末的发展步伐较快。目前西方的发展较为迅速，在取得的一些研究成果中，其中又以美国 和日本在这方面的研究工作处于较高的水平。而中国在这一方处于刚起步发展的水平，还 有相当大的市场与发展空间。因为我国建筑业各种工程特别是民用工程的建筑需要大量抹 灰，因此抹灰施工一直在建筑装饰工程中处于重要地位。随着绿色建筑概念的兴起，人们 越来越追求舒适和自然，内外墙以涂料为主的环保型砖石已经成为了主流，为机械抹灰带 来了新契机。 尽管现在建筑施工中使用不少自动化设备，但大部分是用于室外作业和地面、屋面修 整，用于建筑物墙内面抹灰的还很少见。在 1987 年，Abraham Warszawski 提出开发内 墙面抹灰施工机械设备的必要性。1991 年 Warszawski 曾对建筑物内墙面抹平机器人作 可行性进行了分析，随后又在 1994 年提出的内墙面抹平机器人样机 TAMIRTechnion Autonomous Multi purposeInterior robot，能够完成抹灰、砌砖和贴瓷砖三种任务。而 我国关于建筑物内墙壁抹灰的研究起步晚，在上世纪八十年代以后，随着房屋建筑商品化 的发展，缩短施工周期、提高投资效益已成为房屋建筑的中心环节，因此，对加快饰面机 械抹灰机的研制提出了迫切的要求。国外对抹灰机研究成果也有一些如加拿大、美国、 英国等有的采用砂浆喷射方式进行抹灰有的也是采用液压或气动方式进行升降、行走 等运动。当然，这其中也不乏有较为优秀的产品产生，其中比较著名的是慕尼黑技术大学 Tomas Bock 教授研制的模块化的内墙壁作业设备。 目前，市场上销售的抹灰机械一般由两部分组成：一部分是抹灰机； 另一部分配 套设备。国内抹灰机械的研制主要集中在抹灰机部分，其配套设备已有现成其配套设备已 有现成产品可供选择。 通过对国内近十年公布的有关抹灰机的专利分析，我国抹灰机的研制现状可归纳为 以下几个方面，根据执行机构和抹灰装置的操纵方式，抹灰机一般可分为两种： 一类是手持式抹灰机， 其特点是抹灰装置没有固定安装在抹灰机器上工作时工人用 山东商业职业技术学院 3 手掌控抹灰装置。 抹灰装置沿墙壁高度方向上、 下移动， 沿墙宽度方向左、右移动。 抹灰装置与墙壁厚度方向的相对距离都完全凭操作工人手工掌控。 另一类是机械式抹灰机，这类机器的特点是将抹灰装置安装在机器的立柱或门架上， 而立柱或门架则固定在底盘上，整台机器形成一个刚性整体。抹灰装置借助于升降架可在 立柱或门架上上下移动。 通过在使用中发现以上的设计存在许多的缺点 : 采用手持式抹灰机存在的主要问题 是劳动强度仍然较大， 不能起到减轻工人劳动强度的作用，且抹灰质量难以控制。为解 决上述问题大都采用机械式抹灰机。但是现有的抹灰机存在平整度和表面光泽度达不到国 家规定要求的问题，尤其是相邻两个刚抹出灰面不在同一个平面上。机械传动采用的液压 传动易产生脉动现象， 抹灰质量难以控制，同样 会出现平整度和表面光泽度达不到国家 规定要求的问题。 1.1.2 抹灰机发展趋势 （1）精度不断提高 随着工程建设中混凝土的大规模使用, 高效率型，现代社会发展高效快速，抹灰机的 发展更应该提高效率和质量，对抹灰机的品质要求越来越高, 抹灰墙体种类需求越来越多, 对抹灰精度要求也越来越高。传感器和专用电脑技术的采用使得人们的要求得以实现。同 时也推动了搅拌设备计量方式的发展。 （2）智能化控制 发展全自动抹灰机，实现更高的智能化是当今机械行业发展的趋势，智能化控制的抹 灰机也将会是未来发展的主要产品，人机舒适性，做更适合操作的抹灰机，更加注重自动 化。 （3）节能环保是永恒的主题 随着人们节能、环保意识的增强, 发展绿色节能环保型抹灰机是今后发展的方向。运 用高科技手段解决这方面的问题仍然是任重道远， 倡导国家绿色发展的号召，未来的抹 灰机应更加注重能源的节省，要求抹灰机的新产品必须是节能型。 （4）符合国家生产规, 一般抹灰的允许偏差和检验方法详见表 1.1。 山东商业职业技术学院 4 表 1.1 一般抹灰的允许偏差和检验方法 允许偏差（mm） 项次项目 普通抹灰高级抹灰 检 验 方 法 1 立面垂直度 43 用 2m 垂直检测尺检查 2 表面平整度 43 用 2m 靠尺和塞尺检查 3 阴阳角方正 43 用直角检测尺检查 4 分格条（缝） 直线度 43 拉 5m 线，不足 5m 拉通线，用钢 直尺检查 5 墙裙、勒脚上 口直线度 43 用 5m 线，不足 5m 拉通线，用钢 直尺检查 1.1.3 课题研究背景和意义 在建筑工程中，墙面抹灰是一项必不可少的工序，在建筑工程中就工期而言,装修工 程要占总工期的三分之二,就劳力而言则占总量的 35%,而抹灰工程一项就占人工总数的 1526%。在我国长期以来装修落后于主体工程形成拖后腿的局面,拖延了工期,原因在于手 工操作,效率不高,一般砖混结构中砖墙面抹灰每 100 平方米需抹灰工 4.75 个，而抹灰机 的使用则是一个时效性抹灰工具。抹灰机的工作效率是人工抹灰的十倍，并且能够避免传 统抹灰作业中的墙面找平、贴饼，补空填平、刮去多余部分、回收落地会、搭架子、苦脏 累等诸多不利因素，这是建筑机械领域的一次革命，结束了千百年来人工抹灰的历史，减 少了劳动强度，降低了成本，增加了效益，提高了建筑行业的自动化程度，同时也取得了 更大的经济和社会效益。 （1） 缓解建筑市场用工荒。目前，国内建筑市场上已经出现了用工荒。随着国人整 体受教育程度的提高，建筑施工工人，特别是熟练工呈现不断减少的趋势。一方面，年龄 稍大的熟练工人随着体力的下降逐渐退出砂浆施工工作；另一方面，生活相对优越的新一 代建筑工人不再愿意进入劳动强度大、工作环境恶劣的人工抹灰施工领域。因此，技术工 人越来越少，施工质量相应越来越差，明显的和现代建筑高质量的施工要求不相符。机械 化施工的出现，降低了劳动强度、改善了施工环境，使抹灰施工相对于其他的建筑施工工 种相对优越，能够吸引更多的高素质劳动力介入抹灰施工工作，有利于技术工人队伍的整 山东商业职业技术学院 5 体素质提高。 （2）缩短工期，提高效率。以抹灰施工为例，根据上海市建筑工程综合预算定额 ，每平方米施工需要 0.226 个人工，即人均抹灰 35 平方米天（8 小时工作制）。以 6 个 大工、4 个小工为例，单个工作日施工效率为： 35 x 6210 平方米工作日。同样的工 程，如果机械化施工来算，根据 25 升分钟来算，即每小时 1.5 立方米的排量，若抹灰 厚度 1.5 公分，连续喷涂率 80，两人放料，两人喷涂，6 人抹平收光，机械化施工的日 工作效率为： 1.50.015880640 平方米工作日。 简单的计算，机械化施工的工 作效率至少是人工施工的倍以上。施工效率的提高不仅带来了经济效益，而且大大缩短 了建筑工期。 （3）节约费用，降低成本。一是节约建筑机械费用。现在建筑施工用的灰浆和砂浆 的输送主要靠手推车、吊机。据统计，一般 4000 平方米左右的宿舍楼，使用机械喷涂抹 灰，约可节省一台井子架和卷扬机，由于机械占用时间短，周转快，能节约上万元机械费 用。二是减少浪费。根据实际施工经验，在运送灰浆的过程中，落地灰至少在 5以上。 三是减少水泥用量。机械喷顶时，可省去一层素水泥浆，一般宿舍楼每平方米约需千克 水泥，一幢 9000 平方米的住宅楼，约可省用 27 吨水泥。四是简化施工工序。对加气混凝 土墙可直接喷灰，省去以往采用的外挂钢丝网和一道 DG 胶。机械化施工砂浆一般不需要 基层洇水，省掉一道工序，节约用水。 （4）提高建筑质量。机械化施工操作性能好，使用时可靠性高，落地灰少，喷涂时 布料均匀；喷涂的压力一般在 0.5Mpa 以上，压力大，附着力强，粘接牢固，没有空鼓、 裂缝与脱皮现象；密合度高，不易于脱落。 （5）满足特殊施工需求。随着现代建筑技术的高速发展，人工施工已经不能完成很多 的诸如灌注、修复等的施工要求，使用机械化施工则可以简单实现。 1.2 本课题的主要设计任务及参数 鉴于国内的抹灰机市场情况，此课题决定研发一中新型的高效抹灰机。首先解决的是 市面上普通抹灰机的粗糙漏浆问题；解决墙顶缝隙处难涂抹的问题，使整个过程实现自动 化；考虑经济成本问题，以及施工地点的恶劣环境采用简单机械联动装置代替繁琐的自动 化控制系统。 本课题设计的抹灰机原始技术参数为： 1）抹灰的厚度：30.0mm； 2）抹墙的最高高度：4.0m； 山东商业职业技术学院 6 3）单次抹墙最大宽度：0.8m； 4）装载水泥料斗的提升速度：不小于 6.0 米/分钟； 装载水泥料斗的下降速度：不小 于 6.0 米/分钟 本文主要是抹灰装置的设计，具体设计任务： (1) 抹灰机机械传动总体的结构设计； (2) 完成抹灰机抹灰装置的机械结构设计，主要包括：料斗机构，抹板机构； (3) 对抹灰装置进行受力分析和强度校核。 山东商业职业技术学院 7 2 抹灰机构方案和结构设计 2.1 抹灰机构整体设计 根据实际施工情况，抹灰机的设计应满足如下技术要求：整体结构简单易操作，能够 抹灰到墙面顶部，保持垂直度和平面度。 为满足整体设计要求，对于抹灰机进行整体构 思，最终得到的如下的抹灰机构方案。整个抹灰机构由内外撑杆、连杆、抹灰板、底架、 料斗、气体弹簧组成。当料斗装满水泥灰时，内撑杆在气体弹簧的支撑下支撑料斗达到预 定位置，并能够支撑起箱体保持位置不变，同时箱体带动内外撑杆向上运动，外撑杆通过 连杆拉动抹灰板转动实现连动过程，达到与墙面成 30的位置，实现抹灰的上行过程， 完成抹灰的上行过程，当整个箱体到达最高位置时，料斗到达最高处顶连架，受压向下运 动，同时撑杆受到箱体压力绕杆的中心下移，同时外撑杆的一端沿滑道朝前运动，通过连 杆带动抹灰版转动，当箱体到达最低位置时，抹灰板处于与墙体成-2 的位置，在料斗受 压向下运动的过程中，气弹簧受压收缩并转动，当达到最低位置时，压过气弹簧死点位置， 实现自身的锁止，完成顶部抹灰过程，通过整体朝下移动，抹灰板与墙面压紧，在下行过 程中，达到抹平整个墙面的效果。抹灰装置的三维效果示意图如图 2.1，抹灰装置的结构 示意如图 2.2。 （a）撑起状态 （b）下降状态 山东商业职业技术学院 8 图 2.1 抹灰装置的三维效果示意图 1-底架；2-抹灰板；3-箱体； 4-支撑杆；5-连杆；6 气弹簧 图 2.2 抹灰机构整体结构图 2.2 抹灰机料斗设计 目前市面上的抹灰机存在盛灰量不足的问题，这就造成了在施工过程中需要工人二次 上灰的操作，浪费了人力，造成了操作不变，不能很好地体现机械施工的方便性，为此增 加了料斗的整体设计，料斗外形的选择，目前大多数抹灰机的料斗为翻转式，翻转式料斗 的最大问题就是翻转过程中稳定性不够，易发生晃动，为此选择使料斗能够垂直升降的得 方案，这大大增加了抹灰料斗升降的稳定性。在料斗的下部选择用左右各一根角钢焊接成 支架，同时料斗的最后端有铰接孔，在两边的角钢安装有滑道。 按照实际施工情况，抹灰高度最高为 4.0m，抹灰厚度 30.0mm，水泥灰密度为 2000.0kg/m，计算料斗的体积： 3 4 0.03 0.080.096Vm 本课题设计的料斗的长度为 800.0mm，宽度为 500.0mm，高度为 400.0mm。实际施工 过程中，为使灰料能够靠重力下降，经过实际的实验验证当料斗内底板最低需要与水平面 呈 27，料斗内的水泥灰可以在重力的作用下下降，经过计算。 3 (100400) 500/ 20.12 s Vm S VV 因此尺寸符合设计要求。料斗结构示意图如图 2.3。 山东商业职业技术学院 9 1-料斗 ，2-料斗架 图 2.3 料斗装置图 2.3 支撑杆设计 为了实现料斗上下升降的运动过程，本课题选择了内外支撑杆剪叉式升降的结构形式 起升后有较高的稳性，较高的承载能力，作业效率更高，更安全，支撑杆结构图如图 2.4。 支撑杆分为内支撑杆和外支撑杆，内外支撑杆在中心处通过销轴连接，内外支撑杆是 主要的承重机构，也是料斗升降的主要动作机构。内支撑杆的一端与底架铰接，另一端在 与料斗角钢支架上的滑道通过滑块相连接，外支撑杆一端与料斗后端的铰接孔相连，另一 端与连杆连，并且连接到底架滑到上的滑块。料斗的宽度为 458.0mm，为使料斗平稳升降， 选取内外支撑杆的长度为 458.0mm。 图 2.4 支撑杆结构图 2.4 连杆的设计计算 连接杆起到连接抹灰板和支撑杆的作用，当箱体上升时，支撑杆通过连杆带动抹灰板 转动，使抹灰板转到与墙体 30的位置，进行抹灰上行过程过程，在上升过程中，连杆 给抹灰板一个支撑力，使抹灰板保持初始角度不变实现初次抹灰过程，当到达顶部是，料 斗下压，支撑杆滑动给连杆一个推力，从而带动抹灰板转动，达到与墙体几乎平行的位置， 实现二次抹灰过程。连杆结构图见图 2.5。 山东商业职业技术学院 10 图 2.5 连杆结构图 2.5 横梁的选取 横梁安装在两个内支撑杆之间，同时在横梁的一侧均布有四个耳板，用于连接气动弹 簧，横梁是是整个支撑部分的主要受力部分，并将力传递给支撑杆，从而使料斗能保持稳 定位置，同时当料斗到达最低位置时候，衡量主要承受来自弹簧的横向支撑力。横梁的示 意图如图 2.6。 图 2.6 横梁 2.6 底架的设计 底架是整个抹灰机构的载重部分，在底架的内侧最后端左右分别安装有耳板，内支撑 杆与耳板相连，在底架的内侧两边分别安装有两个滑道，底架的最前端安装有两个耳板与 抹灰板下端相连。为了减轻整体抹灰结构的重量，选取四根两两长度相同的角钢焊接而成。 底架的结构如图 2.7。 图 2.7 底架结构图 2.7 滑道的设计计算 支撑杆受到弹簧的支撑会有一个向上的运动趋势，为了实现支撑杆在底架上沿直线滑 动从而实现联动过程，选用滑道滚子的结构方式，在料斗两侧的角钢上分别安装有滑道， 内支撑杆通过销轴与滑道内的滑动轮相连，在底架部分外支撑杆和连杆通过销轴与滑道的 山东商业职业技术学院 11 滑动轮相连，同时在滑道内安装有限位装置，起到限制滑动轮的运动位置，从而决定料斗 的最大上升位置。滑道滚轮如图 2.8。 图 2.8 滑道滚子图 2.8 气体弹簧的设计计算 为了使料斗达到预定位置且能够保持稳定，选择用气动弹簧来实现这个过程。气弹簧 是一种可以起支撑、缓冲、制动、高度调节及角度调节等功能的工业配件。它由以下几部 分构成：压力缸、活塞杆、活塞、密封导向套、填充物（惰性气体或者油气混合物），缸 内控制元件与缸外控制元件（指可控气弹簧）和接头等。原理是在密闭的压力缸内充入惰 性气体或者油气混合物，使腔体内的压力高于大气压的几倍或者几十倍，利用活塞杆的横 截面积小于活塞的横截面积从而产生的压力差来实现活塞杆的运动。由于原理上的根本不 同，气弹簧比普通弹簧有着很显著的优点：速度相对缓慢、动态力变化不大、容易控制； 缺点是相对体积没有螺旋弹簧小，成本高、寿命相对短。与机械弹簧不同的是，气弹簧具 有近乎线性的弹性曲线。标准气弹簧的弹性系数 X 介于 1.2 和 1.4 之间，其他参数可根据 要求及工况灵活定义。气弹簧结构见图 2.9。 图 2.9 气弹簧 2.8.1 气弹簧角度的选取 气弹簧尾部固定在底架上，另一端固定在用于连接两个内撑杆的横梁上，气弹簧的竖 直方向支撑力随着角度的增大而增加，为此在可选范围内最大程度的增大角度，由于气弹 簧压下最低位置时，气弹簧的管长需要一定的空间，所以需要选择合适的角度。当料斗在 最低位置时候气弹簧的管长最大尺寸 400.0mm，此时气弹簧的另一端安装在中心销轴处。 当料斗达到坐高位置时，为了尽可能地增大竖直方向的力需要达到最大高度，所以选择气 弹簧的倾斜角为 30此时选用气弹簧的中心距为 400.0mm。气弹簧的位置变化如图 2.10。 山东商业职业技术学院 12 1-最高位置 2-最低位置 图 2.10 气弹簧位置图 2.8.2 气弹簧力的选取 经过计算料斗内的水泥灰的重量为 196.0kg，为了达到能够支撑起整个料斗选择气弹 簧的总支撑力为 4000.0N,查气体弹簧的型号表，当中心距为 400.0mm 时，气弹簧的支撑 力为 1000.0N,为此选择四根气弹簧，均布在底架和横梁中间。 2.9 抹灰板的设计计算 抹灰板是抹灰过程中最主要的工作部分，当整体上升过程中，抹灰板与墙面成仰角 位置，当料斗中的水泥灰料进入抹灰板时，随着抹灰机的上升，抹灰板将灰料压实在墙面 上，当整个机构到达最顶部时，料斗下压，同时带动支撑杆推着连杆使抹灰板转动，使抹 灰板与墙面成仰角，并保持仰角位置不变，整体下滑过程实现二次抹灰过程，从而使墙面 光滑。 本方案设计的抹灰板的长度为 800.0mm，厚度为 2.0mm，为实现能够抹灰到墙顶最高处的 要求，设计的抹灰板高度为 400.0mm，这样当抹灰板从仰角变为俯角的过程中，不会因为 料斗的体积太大而影响抹灰板的抹灰过程。抹灰板结构见图 2.11。 图 2.11 抹灰板结构图 2.9.1 抹灰板倾斜角度的选择 当抹灰板开始翻转时，料斗就无法继续向抹灰板中继续输送水泥灰，此时距离墙顶还 有一段距离，这就要求，在抹灰板中的水泥灰足够满足抹灰到墙顶的要求,即 J 三角形区域 的面积大于 I 区域矩形的面积。抹灰板的角度如图 2.12。 山东商业职业技术学院 13 m2 1 0.03V m20.14 0.3/ 20.021 J V JI VV 经过实验论证，当抹灰板选用该角度时能保证达到抹灰到最高处。 I-所需抹灰量 J-抹灰板与墙面面积 图 2.12 抹灰板角度 2.9.2 抹灰板挡灰装置 在抹灰过程中，为了防止抹灰机的漏灰现象，需要在抹灰板两端添加挡灰板，挡灰板 固定在底架上，能够实现防止漏灰现象，同时抹灰过程中，当抹灰板下行过程完成后，由 于抹灰板的刮擦，会造成已经抹好的灰面产生刮痕，所以在一侧挡灰板上添加横向抹灰板 用于抹平刮擦划痕。抹灰板挡灰装置安装在底架的两端，如图 2.13。 图 2.13 挡灰板 3 抹灰机构的计算与校核 山东商业职业技术学院 14 3.1 抹灰机构的整体受力分析 料斗的升降靠的是通过销轴将内外支撑杆杆件连接，使杆件能绕着销轴旋转实现升降， 对抹灰机构的研究有很多种方法，最常见的方法是杆组分析法，料斗起升机构的受力分析 和运动分析的方法。利用这种方法对气动弹簧以及起升机构类型进行分析。将杆组分解， 最终将其转化为特定杆组的分析。杆组分析可以简化结构，节省时间、提高效率，计算结 果准确可靠。在受力分析时，要知道构件所承受的载荷，不仅仅对抹灰机构的动力性能有 影响，同时也会影响到升降构件形状以及尺寸大小的选择。在分析的过程中只需进行静力 学方面的分析，这样既可以简化问题，又能做到满足分析的条件。杆组构件部分的受力情 况分析主要包括两种方式：图解法和解析法。这两种方法的主要特点是：前一种简单、方 便、直观、精确度较低；而后一种方法的主要特点是计算量较大、与之对应的精确度相应 提高。强度分析的计算中。基本是由底座、起升机构以及料斗这三部分组成的。起升时， 起升机构是最主要的受力部件。 3.2 抹灰机构模型建立及力学分析 图 3.1 支撑杆受力分析图 如图 3.1 支撑杆受力分析图所示，该结构用于料斗的起升及支撑，抹灰板的翻转过程。 在整体的受力分析过程中，当料斗处在在高位置时候，支撑杆受力最大，最容易发生变形 以交叉支撑杆 ACD 和 ECB 为研究对象进行力的分析,图中 ED 表示抹灰机构的底架， AD 和 EB 表示支撑杆，两根支撑杆在 C 点处通过销轴连接，B 和 D 点固定，A 和 E 点可以沿 X 轴 移动,E 通过连杆与抹灰板相连，实现整体的联动。 山东商业职业技术学院 15 3.3 上平台的受力分析 通过模型计算获取对于料斗的重心位置，料斗重力值为 G，对于料斗进行受力分析, 料斗承受下侧支撑杆的支撑力，受力示意图如图 3.2。 图 3.2 箱体受力分析图 =0 y F 12 0 2 y G FF （3.3a） 0M 1 0.50.250 2 G F （3.3b） 经过计算得： N 12 500.0 y FF 3.4 支撑杆 ACD、ECB 的受力分析 上述分析是在理想状态下进行，并作了以下简化：不考虑惯性力的影响；不考虑偏 载；剪叉臂的重心为对称中心 C 点。气体弹簧力已知，然后对每个构件分别列出它们的受 力平衡方程以及力矩的平衡方程，再求解方程得到各铰点的力。 山东商业职业技术学院 16 图 3.3 支撑杆 ACD 受力分析图 图 3.4 支撑杆 ECB 受力分析图 对 ACD 杆进行受力分析，支撑杆 ACD 的受力分析如图 3.3。 设水平向右为正，竖直向下为正竖直方向 =0 （3.4a） y F 153 sin300 yYy FFtFF =0 x F 53 cos300 xx FtFF （3.4b） 以 c 点为中心，列力偶平衡方程 （3.4c） 0 C M 13 0.1880.0840.1880.1310 ty FFFFx 同样对 ECB 杆进行受力分析，支撑杆 ECD 的受力分析如图 3.4。 0 y F 245 0 yy FFF （3.4d） =0 x F 52 0 xx FF （3.4e） 0 C M 422 0.1880.1880.1880 xy FFF （3.4f） 将上述方程联立求得： N N 1 500.0F 2 500.0 y F N N 2 500.0 y F 2 237.2 x F N N 3 1495.5 x F 3 334.2 y F 山东商业职业技术学院 17 N N 4 334.2F 5 237.2 y F N 5 834.0 y F 其中 和在两个杆上分别是作用力和反作用力。 5x F 5y F 3.5 支撑杆强度分析准则 结构中的部件工作时不管是受到哪种载荷的作用，都会对自身产生一定的影响，果所 受到的载荷超过了构件自身能抵抗的能力，部件就会被破坏，影响机构的整体性能，所以， 为了使整体结构能够承受其负载，各个部件一定要有较高的强度以及刚度。所以要进行支 撑杆的强度、刚度以及稳定性情况校核。在通常情况下，它所能承受载荷的性质也会不一 样，例如主要是承受压力，支撑杆主要是起支撑作用的，可能会受到压力、弯矩作用，大 多数情况是同时承受多个不同性质的载荷，因而应当根据不同的情况来计算支撑杆的承载 能力。Q235 材料普通碳素结构钢普板是一种钢材的材质。Q 代表的是这种材质的屈服极 限，后面的 235，就是指这种材质的屈服值，在 235.0MPa 左右。并会随着材质的厚度的 增加而使其屈服值减小（板厚16.0mm，屈服强度为 235.0MPa；16.0mm1640 205120 4060 200115 Q235 钢 60100 190110 325 3.5.2 支撑杆受弯强度分析 对支撑杆进行受力分析，根据实际的工作情况要充分考虑分析支撑杆的受弯矩的能力， 尤其是当载荷垂直作用在支撑杆上时，这时弯矩最大。为了方便计算，将 ACD 杆的力分解 为沿杆的方向的力和垂直杆地方向的力当计算弯曲强度时选取其垂直杆方向的力进行分析。 垂直支撑杆 ACD 的力如图 3.5。ACD 杆所受的弯矩图如图 3.6。 图 3.5 垂直 ACD 杆分力图 图 3.6 ACD 杆弯矩图 N N 6 409.0F 7 819.0F N N 8 1812.6F 9 584.5F 支撑杆的截面为矩形，横截面的宽度为 b=8.0mm、h=40.0mm 山东商业职业技术学院 19 （3.5a） 2 6 z bh W （3.5b） max max Z M W MPa （3.5c） max 22 6208 6 97.5 0.008 0.04 M bh 式中： ： 材料最大的实际应力 max ：材料许永应力 ：杆件所受最大弯矩M ：抗弯截面系数 Z W 选择的材料为 Q235，MPaMPa 215.0 max 97.5 所以杆 ACD 是安全的。 下面对 BCE 段杆进行受力分析将 BCE 杆的力分解为沿杆的方向的力和垂直杆地方向的 力，当计算弯曲强度时选取其垂直杆方向的力进行分析, 垂直支撑杆 BCE 的力如图 3.7 图 3.7 垂直 BCE 杆分力图 经过计算可知 N N 10 584.0F 11 274.2F N 12 274.2F 支撑杆 ECB 的截面为矩形，横截面的宽度为 b=8.0mm、h=40.0mm 山东商业职业技术学院 20 （3.5d） 2 6 z bh W （3.5e） max max Z M W MPa （3.5f） 22 6133 6 62.0 0.008 0.04 M bh 式中： ： 材料最大的实际应力 max ：材料许永应力 ：杆件所受最大弯矩 M ：抗弯截面系数 Z W 选择的材料为 Q235MPaMPa，所以杆的强度符合要求是安全的。 215.062.0 3.5.3 支撑杆受压强度分析 对 ACD 杆进行受力分析，当计算拉压强度时选取其沿轴向的力进行分析,经过计算可 得 ACD 杆的轴向力，对于支撑杆 ACD 截面宽度 b=8.0mm 截面高度 h=40.0mm。 （3.5h）Abh （3.5i） 1609NN MPa （3.5j） 1609 50.3 0.008 0.04 N A 式中： ： 材料最大的实际应力 max ：材料许永应力 ：杆件所受力 M ：杆件截面积A 选择材料为 Q235 普通碳素结构钢MPa MPa所以 ACD 杆的轴向 215.0 50.3 拉压强度符合要求，杆 ACD 是安全的。 山东商业职业技术学院 21 下面对 ECB 杆进行受力分析当计算弯曲强度时选取其沿轴向的力进行分析经过计算可 得 ACD 杆的轴向力，对于支撑杆 ACD 截面宽度 b=8.0mm 截面高度 h=40.0mm。 （3.5k）Abh （3.5l）672N MPa （3.5m） 672 21.3 0.008 0.04 N A 式中： ： 材料最大的实际应力 max ：材料许永应力 ：轴向压力N ：杆件截面积 A 选择材料为 Q235 普通碳素结构钢MPa MPa所以 ECB 杆的轴向拉压 215.0 21.3 强度符合要求，杆 ECB 是安全的。 3.6 销轴的强度校核 分析可知，对于料斗的交叉支撑杆受力最大的地方为 D 点和 H 点，所以只需校核该两 处的销轴即可，对于 Q235 碳素结构钢许用剪应力 135MPa。 D 处销轴直径 10mm，对其进行校核。 MPa （3.6a） 22 33 max 2 1526 19 3.14 0.005 xy FF Q AA 式中： ：销轴最大剪应力 max ：销轴许用剪应力 ：销轴的横截面积 A 当在 D 处时，MPaMPa，所以 D 处的销轴强度符合要求。 135.0 max 19 H 处销轴直径 10mm .0MPa （3.6b） max 2 2000 25 3.14 0.005 Q A 式中： 山东商业职业技术学院 22 ：销轴最大剪应力 max ：销轴许用剪应力 ：销轴的横截面积 A 当在 H 处时，MPaMPa，所以 D 处的销轴强度符合要求。 135.0 max 25.0 所以销轴的强度符合要求。 3.7 底架的强度校核 底架是整个抹灰机构的的支撑部分，当整个抹灰机构在上升过程中，对于底架来说， 主要受到料斗灰料及支撑杆结构的重力，力主要作用与传动系统底架的连接处，在计算过 程中可将重心设在底架的中心位置，底架后端进行弯曲强度校核。底架的受力分析如图 3.8 底架受力简化图所示。 图 3.8 底架受力简化图 图 3.9 底架受力弯矩 经过查找资料，对于角钢的抗弯截面系数，查阅资料可得角钢的抗弯截面系数为 Z W 山东商业职业技术学院 23 （3.7a） 00ZXXy WWWW （3.7b） max max Z M W MPa （3.7c） max 700 140.5 5 Z M W 式中： ： 材料最大的实际应力 max ：材料许用应力 ：杆件所受最大弯矩 M ：抗弯截面系数 Z W MPaMPa，所以底架的强度符合要求。 215.0 max 140.0 3.8 横梁的强度校核 横梁与气弹簧相连，是主要的受力部件，横梁主要受气弹簧给的弯曲应力对横梁受力 进行简化，将弹簧力简化为集中力，作用在横梁中间位置，当整个抹灰机构处于最低位置 时，弹簧的作用力最大。因为横梁选用材料为方钢 ，截面形式如图 3.10。 图 3.10 横梁截面 （3.8a） 33 6 Z BHbh W H MPa （3.8b） max max600 163.5 36 Z M W 山东商业职业技术学院 24 式中： ： 材料最大的实际应力 max ：材料许永应力 ：杆件所受最大弯矩M ：抗弯截面系数 Z W MPaMPa经过计算横梁的强度符合要求。 215.0 max 163.5 3.9 抹灰板销轴的强度