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新型 轻巧 组合式 起吊 装置 设计

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新型轻巧组合式起吊装置的设计,新型,轻巧,组合式,起吊,装置,设计

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湖南农业大学东方科技学院毕业论文（设计）中期检查表学 部： 理工学部 学生姓名李帅学 号200741914611年级专业及班级2007级机械设计制造及其自动化(6)班指导教师及职称莫亚武副教授毕业论文（设计）题目新型轻巧组合式起吊装置的设计毕业论文（设计）工作进度已完成的主要内容尚需解决的主要问题指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日检查（考核）小组意见检查小组组长签名： 年 月 日湖南农业大学全日制普通本科生毕业设计开题报告学生姓名李帅学 号200741914611年级专业及班级2007级机械设计制造及自动化指导教师及职称莫亚武 副教授学 院东方科技学院 年 月 日毕业设计题目新型轻巧组合式起吊装置的设计文献综述（选题研究意义、国内外研究现状、主要参考文献等，不少于1000字）一、研究意义工程上，很多野外作业的工程设备在工作时会突然出现故障，有些大型设备在抢修时需用到起重设备才能完成，如变压器、起重机零部件的更换等。根据对我国工业生产的调查和统计了解到的信息，便携式轻小型起重机的使用量正在逐年上升，市场需求量很大。从发展趋势来看，便携式轻小型起重机的应用将会越来越广泛，作为起重机械产品中的一个重要组成部分，将在许多行业得到推广。因此为满足起重机野外抢修时能对其部附件及时进行拆装和市场的需求，根据广西柳工机械股份有限公司提供的部分数据，提出了该课题的研究。二、国内外研究现状在国内生产的各种起重机械中，轻小型的起重设备只能完成重物的单一方向的运动，而用于工厂车间、建筑等固定场所的起重机，必须安装高架轨道或地面轨道或基础(门式)，起重机承轨梁需要设有走台安全通道，安装复杂，成本高、占地大，且起重机跨度一般都大于10米(国家与行业标准)，对于场地不大，起重量不是很大的情况下，缺乏一种能使重物在任意方向内移动的小型、轻便的起重设备。三、主要参考文献1、机械设计手册（上、中、下） 化学工业出版社 2000年 机械传动装置设计手册 机械工业出版社 1999年机械零部件的现代设计方法 高等教育出版社 1994年2、学校图书馆收藏了许多有关专业方面的知识书籍和周刊，并且提供了网络化的机房，可以在中国期刊网、维普网、万方数据库、超星数字图书馆等网站查阅有关资料。注：此表如不够填写，可另加页。研究方案（研究目的、内容、方法、预期成果、条件保障等）一、研究目的该课题的提出改变了起重机出现故障时被动等待维修的局面，提高了维修效率，减少了因起重机出现故障而造成的损失。对不同的起吊对象，将参数进行相应调整，该装置同样可应用于其他民用领域的吊装作业。同时运用所学理论知识，在老师指导下，进行实际设计。培养与锻炼实践能力。本次设计是要求解决实际的工程问题，不仅要求掌握具有一定的专业知识，还可以锻炼独立解决问题的能力，提高查阅设计手册的能力，熟悉相关的国家标准和国际标准，更加熟练地操作绘图软件及绘制工程图。最重要的是能让我们学到的理论知识运用到实践中，提高实践能力，使我们的设计更具实用性，能为社会发展贡献自己的一份微薄之力。本次设计还能让我们更多的接触社会，了解社会的发展态势和国内外的现状，为自己以后的发展明确方向。二、研究内容本课题主要设计一种新型的组合式起吊装置，以解决起重机在野外作业时不能就地拆卸维修的问题。该起吊装置由底座、旋转机构、跑动机构、塔柱、手拉葫芦、反扣机构、横梁及连接固定件组成。三、研究方法理论探讨与实验研究相结合，通过对相关课程的复习，掌握机械设计的一般步骤和方法，结合类似产品的经验教训进行初步设计，再通过实验进行验证，最终完成起吊装置的设计。1、 总体设计，确定旋转机构和跑动机构的传动方案；2、 确定起吊的参数和工作级别；3、 分别对塔柱、旋转机构和跑动机构进行设计；4、 完成了设计，再对起吊装置的固定进行分析。四、预期成果完成起吊装置的分析，根据新型轻巧的特点设计，并设计各零部件，绘出总装配图和主要零件图，撰写详细设计计算说明书。五、条件保障通过大学四年的学习我基本上掌握了机械原理、机械设计、公差、系统创新设计、理论力学、材料力学、热处理、金属工艺学、机电传动与控制以及CAD、pro-E等软件的规范操作及一般传动系统设计的基本方法和设计步骤。掌握了一般传动系统设计的基本知识，如计算、绘图、查阅设计资料和手册，熟悉标准和规范等。进程计划（各研究环节的时间安排、实施进度、完成程度等）月 日 月 日，熟悉课题，进行调研，收集有关资料，拟订设计方案月 日 月 日，进行有关分析计算，确定设备基本结构，完成技术设计月 日 月 日，进行施工设计，完成有关图表，撰写设计计算说明书月 日 月 日，设计修改、完善，完成答辩论证小组意见 组长签名： 20 年 月 日专业委员会意见签名： 20 年 月 日学院指导委员会审核意见签名（公章）：20 年 月 日注：1.此表可用黑色签字笔填写，也可打印，但意见栏必须相应责任人亲笔填写。2.此表可从教务处网站下载中心下载。湖南农业大学东方科技学院毕业论文（设计）开题论证审批表学生姓名李帅学号200741914611年级专业及班级2007级机械设计制造及其自动化(6)班指导教师及职称莫亚武 副教授开题时间2010 年 月 日毕业论文（设计）题目新型轻巧组合式起吊装置的设计文献综述1、研究意义：该课题的提出改变了起重机出现故障时被动等待维修的局面，提高了维修效率，减少了因起重机出现故障而造成的损失。对不同的起吊对象，将参数进行相应调整，该装置同样可应用于其他民用领域的吊装作业。同时运用所学理论知识，在老师指导下，进行实际设计。培养与锻炼实践能力。本次设计是要求解决实际的工程问题，不仅要求掌握具有一定的专业知识，还可以锻炼独立解决问题的能力，提高查阅设计手册的能力，熟悉相关的国家标准和国际标准，更加熟练地操作绘图软件及绘制工程图。最重要的是能让我们学到的理论知识运用到实践中，提高实践能力，使我们的设计更具实用性，能为社会发展贡献自己的一份微薄之力。本次设计还能让我们更多的接触社会，了解社会的发展态势和国内外的现状，为自己以后的发展明确方向。2、国内外现状及水平：在国内生产的各种起重机械中，轻小型的起重设备只能完成重物的单一方向的运动，而用于工厂车间、建筑等固定场所的起重机，必须安装高架轨道或地面轨道或基础(门式)，起重机承轨梁需要设有走台安全通道，安装复杂，成本高、占地大，且起重机跨度一般都大于10米(国家与行业标准)，对于场地不大，起重量不是很大的情况下，缺乏一种能使重物在任意方向内移动的小型、轻便的起重设备。3、主要参考文献： （1）范俊祥。塔式起重机【M】2。中国建材工业出版社，2004：2 （2）成大先主编。机械设计手册【M】。2。化学工业出版社，2004：8-1 （3）夏志斌姚谏。钢结构设计例题集【M】.3。中国建筑工业出版社，1994:141 （4）濮良贵，纪名刚，机械设计【M】。2001:324 （5）杨文渊，起重吊装常用数据手册【M】.2。人民交通出版社，2002:126研究方案1、研究目的：该课题研究的出发点是首先立足于传统加工，对大学四年中学习的基本的专业知识的一次综合运用，然后根据传统加工中的缺点和不足，找出其中的需要改进的地方，寻找更好更具有经济价值的合理的加工方法2、主要内容：本课题主要设计一种新型的组合式起吊装置，以解决起重机在野外作业时不能就地拆卸维修的问题。该起吊装置由底座、旋转机构、跑动机构、塔柱、手拉葫芦、反扣机构、横梁及连接固定件组成。3、研究方法理论探讨与实验研究相结合，通过对相关课程的复习，掌握机械设计的一般步骤和方法，结合类似产品的经验教训进行初步设计，再通过实验进行验证，最终完成起吊装置的设计。1、 总体设计，确定旋转机构和跑动机构的传动方案；2、 确定起吊的参数和工作级别；3、 分别对塔柱、旋转机构和跑动机构进行设计；4、 完成了设计，再对起吊装置的固定进行分析。准备采取的措施： 首先对专业课程进行一次系统的复习，掌握基础知识。其次通过借阅图书，利用网络资源对该产品得到充分的了解，熟悉塔柱、旋转机构、跑动机构、底座进行设计的原理；然后分析旋转机构；制定其传动部件设计方案，再分析跑动机构，最后再对底座进行设计。根据旋转机构和跑动机构选择适当的传动方式、结构、材料，粗步确定传动系统的结构，再经过检验计算正确确定传动设备的具体尺寸、粗糙度、公差等等。5、 现有基础和具备的条件通过大学四年的学习我基本上掌握了机械原理、机械设计、公差、系统创新设计、理论力学、材料力学、热处理、金属工艺学、机电传动与控制以及CAD、pro-E等软件的规范操作及一般传动系统设计的基本方法和设计步骤。掌握了一般传动系统设计的基本知识，如计算、绘图、查阅设计资料和手册，熟悉标准和规范等。已具备的条件：1. 该产品在广西柳工机械股份有限公司已开始研制，并取得一定的效果，广西柳工机械股份有限公司可提供一定的技术支持。2、机械设计手册（上、中、下） 化学工业出版社 2000年 机械传动装置设计手册 机械工业出版社 1999年机械零部件的现代设计方法 高等教育出版社 1994年3、学校图书馆收藏了许多有关专业方面的知识书籍和周刊，并且提供了网络化的机房，可以在中国期刊网、维普网、万方数据库、超星数字图书馆等网站查阅有关资料。时间进程安排 起止日期 主要工作内容2010.09.152010.09.18 选题2010.09.192010.09.21 下达任务书2010.09.222010.09.25 开题论证2010.09.262011.03.20 方案拟定，进行设计，完成初稿2011.03.212011.03.25 中期考核2011.03.262011.04.30 完善与总结课题、提交正稿2011.05.012011.05.16 指导老师评阅、专业委员会评阅2011.05.172011.05.24 答辩与修改开题论证小组意见 组长签名： 年 月 日专业委员会意见专业教研室主任签名： 年 月 日注：此表意见栏必须由相应责任人亲笔填写。 湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计新型轻巧组合式起吊装置的设计DESIGN OF NEW LIGHTWEIGHT COMBIMED-TYPE LIFTING DEVICE学生姓名：李帅学 号：200741914611 年级专业及班级: 2007级机械设计制造及自动化 指导教师及职称: 莫亚武 副教授湖南长沙提交日期：2011年 05 月 湖南农业大学东方科技学院全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 11年 5 月 9 日目 录 摘要1关键词21 前言 22 课题方案设计 22.1 总体设计方案 2 2.2 起吊装置的设计 32.2.1 体积小，重量轻 3 2.2.2 环境适应能力强 3 2.2.3 实用性较强 32.3 起吊装置的结构 32.4 传动方案选择 42.4.1 圆柱齿轮传动 42.4.2 锥齿轮传动 42.4.3 带传动 42.4.4 链传动 42.4.5 蜗轮蜗杆传动 43 起吊装置的参数与工作级别 53.1 起吊装置的参数 53.1.1 幅度 53.1.2 起升高度 53.1.3 额定起升载荷 53.1.4 公称起重力矩 53.1.5 机构工作速度 53.2 起吊装置的工作级别 53.2.1 利用等级 53.2.2 载荷状态 63.2.3 确定工作级别 63.3 起吊装置的机构工作级别 63.3.1 机构利用等级 63.3.2 机构载荷状态 63.3.3 确定机构的工作级别 73.3.4 手拉葫芦的选用 74 起重装置的刚结构设计 74.1 起重装置的刚结构设计要求 74.1.1 满足起吊装置的总体设计要求 84.1.2 满足起吊装置安全可靠的要求 84.1.3 重量轻、材料省 84.1.4 构造合理、工艺良好 84.1.5 造型美观 84.2 梁的设计 84.2.1 吊臂的四片平面桁架结构94.2.2 吊臂稳定性计算 94.2.3 吊臂平面桁架结构连接强度计算 104.2.4 塔顶和平衡臂的设计计算104.3 塔身的设计114.3.1 塔身标准节的设计124.3.2 标准节截面计算124.3.3 标准节稳定性计算124.3.4 缀条及其与分肢连接强度计算134.4 梁的机构和塔身标准节的联接145 旋转机构的设计145.1 蜗轮蜗杆的设计155.1.1 选择蜗杆传动类型155.1.2 选择材料155.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计155.1.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸165.1.5 校核齿根弯曲疲劳强度175.2 轴的设计175.2.1 轴的装配方案175.2.2 轴的最小直径185.2.3 轴上的载荷185.2.4 校核轴的强度195.2.5 精确校核轴的疲劳强度195.3 轴承的设计225.3.1 轴承的径向力225.3.2 轴承的轴向力235.3.3 轴承的当量动载荷235.3.4 验算轴承寿命245.4 键的设计计算及其校核245.4.1 键的选择245.4.2 键的连接强度计算256 跑动机构的设计256.1 跑动小车的设计256.1.1 摩擦阻力266.1.2 坡度阻力266.1.3 惯性阻力266.1.4 迎风阻力266.1.5 牵引绳下垂引起的阻力266.1.6 作用在小车上的最大运行阻力W为上述阻力之和266.2 钢丝绳、卷筒和滑轮设计266.2.1 钢丝绳选择276.2.2 滑轮和卷筒尺寸计算286.2.3 卷筒强度计算296.2.4 钢丝绳在卷筒上的固定及允许偏角296.3 蜗轮蜗杆的设计316.3.1 选择蜗杆传动类型316.3.2 选择材料316.3.3 按齿面接触疲劳强度进行设计316.3.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸326.3.5 校核齿根弯曲疲劳强度326.4 轴的设计336.4.1 初步确定轴的最小直径336.4.2 精确校核轴的疲劳强度346.5 轴承的设计376.5.1 轴承的径向力376.5.2 轴承的轴向力376.5.3 轴承当量动载荷386.5.4 验算轴承寿命386.5.5 轴承的润滑386.6 键的选择及强度计算387 起重装置的抗颠覆稳定性分析和底座的设计 397.1 起重机的稳定性397.1.1 稳定系数397.1.2 稳定性分两种情况分析397.2 静稳定性分析397.3 底座的设计408 结论41参考文献 42致谢42.新型轻巧组合式起吊装置的设计姓 名：李 帅指导老师：莫亚武（湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128）摘 要：在发生自然灾害或者在交通不便的地区大型起吊装置不能够或者难以快速地运送到急需要的地方，造成救援不及时和不方便使用。而本设计完成了一种新型轻巧组合式起吊装置的设计，可以在野外快速拆装，详细分析了装置的旋转机构、跑动机构、塔柱的结构。整个起吊装置由底座、旋转机构、跑动机构、塔柱、手拉葫芦、反扣机构、横梁及连接固定件组成。装置采用组合模块结构形式，随机装运，通过螺栓对各组合件进行现场连接组装，塔柱安装在平台上，以起重机机身为依托，利用撑杆和拉杆将起吊装置进行固定。起吊装置由人力手动进行操作，通过操纵旋转机构摇臂，经蜗轮蜗杆传动，可使吊臂在360范围内转动；操纵跑动机构摇臂，使卷筒转动卷绕钢丝绳，拉动跑车，使跑车在起吊臂上3300mm范围内跑动，满足了不同位置部附件起吊的需要。通过操纵手拉葫芦可以实现对起重机部件的起吊。本组合式起吊装置是一种便携式轻巧起重设备，通过安装在一些辅助机构上便可使用，可应用于工业与民用建筑等领域。文中简单地介绍了它的结构特点及其工作原理，它具有体积小，重量轻，环境适应能力强，实用性好等优点。 关键词：起吊装置；桁架；蜗杆；蜗轮；螺栓；轴；轴承 Design of New lightweight combined-type lifting deviceStudent:li shuaiTutor:mo yawu(Normal College of Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha 410128,)Abstract ：The design completes a new combined hoist device, which can be used for dismantling and fixing of the helicopter accessory quickly at field, and it analyzes the construction of revolve machine，move machine, tower pillar in details. The whole hoist device is the combation of foundation, revolve machine，move machine, tower pillar and chain block hosting machine, anti button machine, beam and conjunctions fix the piece constitutes. The device adopts a construction of combined mold, transports with the helicopter, then through the combination with the conjunction assemblesand the tower pillar installs on the platform, and supported with helicopter fuselage to fix the hoist device using stay bar and pull bar. Hoist device is operated by manpower. When manipulating the revolve machine rocker, by driving worm wheel, making hoist arm to turn around within the scope of 360; By manipulate the rocker of move machine, making the coil canister convolute the tightwire, which pulling the move car, making car run within the scope of 3300mm at the hoist arm, satisfying hoist at any different position .By manipulating the chain block hosting machine to hoist the helicopter parts.This combined hoist device is a kind of convenient and small device, which can be used in the realm such as industry and public when it is fixed to some additional facilities. This paper breifly introduces its characteristics and work principles. It has some advantages such as small bulk, light weight, nice environment adaptability and practicability.Key words:lift device；truss ；worm；worm gear；bolts；axis;bearing1 前言 起重机是减轻体力劳动、提高作业效率、实现安全生产的起重运输设备。具有工作效率高、使用范围广、操作方便以及安装和拆卸比较简便等特点。近年来，在工业得到了广泛的应用，并成为一种重要的搬运机械。在国内生产的各种起重机械中，轻小型的起重设备只能完成重物的单一方向的运动，而用于工厂车间、建筑等固定场所的起重机，必须安装高架轨道或地面轨道或基础(门式)，起重机承轨梁需要设有走台安全通道，安装复杂，成本高、占地大，且起重机跨度一般都大于10米(国家与行业标准)，对于场地不大，起重量不是很大的情况下，缺乏一种能使重物在任意方向内移动的小型、轻便的起重设备。新型轻巧组合式起吊装置是一种与手动葫芦等配套使用的便携式轻小起重设备，通过安装在一些辅助机构上便可使用，该设备具有投资少、占地面积小、安全、及使用方便等特点，在不便于大型起重机械进行吊装作业的场合，组合式起吊装置就可发挥小巧又实用的特点，既提高了工作效率又减轻了劳动强度。根据对我国工业生产的调查和统计了解到的信息，便携式轻小型起重机的使用量正在逐年上升，市场需求量很大。从发展趋势来看，便携式轻小型起重机的应用将会越来越广泛，作为起重机械产品中的一个重要组成部分，将在许多行业得到推广。2 课题方案设计2.1 总体设计方案因考虑塔式起重机具有：塔身高，其起重臂的铰点装置于塔身的顶部，有效起吊高度大，能满足起重机零部件垂直运输的全高度；塔机的起重臂比较长，其水平覆盖面广；因此整个起吊装置采用塔式结构，为便于操纵起吊装置，将操纵手轮置于起吊装置下半部，通过方案的对比，设计采用小车变幅下回转的塔式起重机结构。 2.2 起吊装置的特点2.2.1 体积小，重量轻采用组合模块式结构形式，在保证承受应力要求的情况下，尽量减轻装置和各单元体的重量，其单件重量一般不超过100Kg，以便于随机携带。2.2.2 环境适应能力强不受地形结构的限制，无论起重机迫降在任何复杂的野外地域，都可以就地组装起吊。2.2.3 实用性较强该起吊装置有效起吊高度一般不高于5.2m（ 也可视所配的手拉葫芦而定），起吊半径不大于3.5m， 起吊的额定起重量为500kg，最大不超过600 kg，可满足起重机不同方位、不同部附件吊装的要求。2.3 起吊装置的结构组合式起吊装置如图1所示： 1.钢索 2.后横梁 3.跑车 4.前横梁 5.跑动机构钢索 6.横梁安装座 7.跑动机构滑轮 8、16.塔柱 9.跑动机构钢丝绳 10.跑动机构手轮11.跑动机构蜗轮机构 12.反扣机构 13.反扣轮 14. 旋转机构 15.旋转机构手轮 17.撑杆18.平台图1 起吊装置结构Fig1 structure of lifting device 2.4 传动方案选择起吊装置中的旋转机构和跑动机构都要用传动装置来传递动力，下面对装置的传动方案进行比较和选择。2.4.1 圆柱齿轮传动 圆柱齿轮和锥齿轮的效率虽然比较大，而且齿轮传动比很精确，结构紧凑它所需的空间尺寸一般较小，工作可靠、寿命长闭式圆柱齿轮的效率可达0.98，开式圆柱齿轮可达0.95，齿轮传动就装置形式来说，有开式，半闭式和闭式之分，就使用情况来说，有低速，高速及轻载，重载之别。2.4.2 锥齿轮传动锥齿轮可用于空间轴的传动闭式圆锥齿轮可达0.97，开式圆锥齿轮可达0.93，但是，由于传动比很大，这将导致齿轮的尺寸很大，将花费大量贵重金属，而且不符合结构简单，低成本的设计要求，所以不宜使用齿轮传动。2.4.3 带传动带传动是由固联于主动轮上的带轮（主动轮），固联于从动轮上的带轮（从动轮），和紧套在两轮上的传动组成的。当原动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮间的摩擦，便拖动从动轮一起转动，并传递一定动力，带传动具有结构简单，传动平稳，造价低廉以及缓冲吸振，具有过载保护能力以及能传递较大中心距的运动等特点，在现在机械设备中应用十分广泛。2.4.4 链传动链传动属于带有中间挠性件的啮合传动。而且链传动的效率比较高，一般为0.920.95之间，与摩擦传动相比，链传动弹性无滑动和打滑现象，因而能保持准确的传动比。但是，链传动一般用在低级传动，因为当链传动用在高级传动时，工作时有很大的噪声，冲击大，速度波动很大，传动很不稳定。有多边行效应运转时不能保持恒定的瞬时传动比，磨损后易发生跳齿。它不宜在载荷变化大和急速反向的传动中应用。链传动应用范围是：传动速度一般小于15m/s；传动功率一般小于100kW；传动比一般小于8。最大传动速度可达40m/s，最大传动功率可达5000kW，最大中心距可达8m。2.4.5 蜗轮蜗杆传动蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构。两轴线交错的夹角可为任意值，常用的为90度。当使用单头蜗杆（相当于单线螺纹）时，蜗杆旋转一周，蜗轮只转过一个齿距，因而能实现大的传动比。在动力传动中，一般传动比i580；在手动机构的传动中，传动比可达300。由于传动比大，零件数目又少，因而结构很紧凑。在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮是逐渐进入及逐渐退出啮合的，同时啮合的齿数对又较多，故冲击载荷较小，传动平稳，噪声低。蜗杆的螺线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁性。因为起吊装置用人力进行操纵，输入功率较小，传动比要求大，装置属于间隙性工作。为使起吊装置便于随机携带，整个装置结构要很紧凑。考虑以上因素，将传动方案进行分析比较，设计选用蜗轮蜗杆传动。3 起吊装置的参数与工作级别3.1 起吊装置的参数3.1.1 幅度 塔式起重机空载时，其回转中心线至吊钩中心垂线的水平距离。表示起重机不移动时的工作范围，以R表示，。3.1.2 起升高度对塔式起重机，为吊钩内最低点到支承面的距离。以H表，。3.1.3 额定起升载荷在规定幅度时的最大起升载荷，包括物品、取物装置（吊梁、抓斗、起重电磁铁等）的重量。以表示，。3.1.4 公称起重力矩起重臂为基本臂长时最大幅度与相应额定起重量重力的乘积。以M表示。3.1.5 机构工作速度（1）起升速度（由配的手拉葫芦而定）；（2）回转额定速度 =30rad/s；（3）小车额定运行速度 =0.69m/s。3.2 起吊装置的工作级别起吊装置的工作级别是进行结构、机构设计计算的依据。起吊装置设计应充分考虑机器的使用条件，这样设计出来的机器在安全和寿命方面才能满足实际的要求。起吊装置根据两个特征因素“利用等级”和“载荷状态”确定工作级别。3.2.1 利用等级塔式起重机的“利用等级U”用来表明在其有效寿命期间使用的频繁程度，以完成的总工作循环次数表征。按完成总工作循环次数的不同，塔式起重机分为5个利用等级（）,工作循环次数按下式计算： （1） 式中：为起吊装置设计的使用年限，初取5年；为起吊装置一年工作天数，取天；为起吊装置起重机每天工作小时数，取；为起吊装置一个工作循环时间，取。由公式得 查表3-31得，起吊装置利用等级为。3.2.2 载荷状态根据起吊装置的受载的轻重繁忙程度，初定起吊装置的受载情况为：有时承受额定载荷，一般承受中等载荷，查表3-41得，装置的载荷状态为。3.2.3 确定工作级别根据装置的利用等级和载荷状态，查表3-71得，起吊装置的工作级别为。3.3 起吊装置的机构工作级别在设计起吊装置机构时，必须根据机构实际使用时的载荷变化情况及其作用时间的长短选择钢丝绳、卷筒等以及计算零部件的强度和寿命。划分机构工作级别的因素有两个：一是表明机构运动时间长短的机构利用等级，二是表明机构受载情况的机构载荷状态。3.3.1 机构利用等级 起吊装置机构的利用等级表明机构工作的繁忙程度，按机构总工作时间分为6级。机构的总使用时间按下式估算： (2)式中：为机构每天工作小时数，；为每年工作天数，； 为机构的设计使用年限，取。由公式得 根据表8-1-12得，起吊装置机构利用等级为（经常中等使用）。对起吊装置同一个机构中的不同零件选用不同的设计寿命，如旋转机构传动装置中的三种主要零件：滚动轴承、蜗轮和轴，设计其寿命平均为1：2：3。由于总设计寿命是按倍数递增，因而从理论上讲，第二次更换轴承时同时更换蜗轮，第三次换轴承时更换轴。3.3.2 机构载荷状态机构的载荷状态表明机构受载荷的轻重程度以及这些载荷对零件损伤效应的大小。机构的载荷状态由载荷谱系数表示，根据名义载荷谱系数将起重机的机构分为四级。从起吊装置机构的受载情况看，即：机构经常承受中等载荷，较少承受最大载荷。从表8-1-22查得，机构的载荷状态为-中。3.3.3 确定机构的工作级别起吊装置机构工作级别按机构的利用等级和荷载状态分为八级（）。由机构利用等级和载荷状态-中，查表3-101得，机构的工作级别是。3.3.4 手拉葫芦的选用又叫神仙葫芦、斤不落、手动葫芦 是一种使用简单、携带方便的手动起重机械，也称环链葫芦或倒链。它适用于小型设备和货物的短距离吊运，起重量一般不超过100T。手拉葫芦的外壳材质是优质合金钢，坚固耐磨，安全性能高。最后决定选用HSZ-5A 610 手拉葫芦 其主要参数为：额定起重量5吨 ；标准起重高度5 米 ； 试验载荷62.5 千牛 两钩间最小距离600 毫米 ； 满载时手拉力 390牛顿； 起重链行数2 行 起重链条直径10 毫米；净重 47千克 ； 装箱尺寸40.6x29.5 厘米 每增加1米增加重量 5.3千克 4 起重装置的刚结构设计刚结构是起吊装置的主体，刚结构重量通常占整机自重的80%左右，承受装置的自重载荷及工作时的各种外载荷，必须在结构的强度、刚度、稳定性等方面保证起吊装置安全可靠地工作。因此刚结构设计是否合理、制造质量的好坏都将直接影响起吊装置的工作性能。刚结构断面型式：刚结构断面分为圆形断面、三角形断面及方形断面三类。考虑到三角形断面刚结构极少应用，并为提高起吊装置的承载能力，起吊装置采用方形断面刚结构。按起重装置的刚结构主弦杆材料的不同，这类方形断面结构可分为：角钢焊接格桁结构，主弦杆为角钢辅以加强筋的矩形断面格桁结构；角钢拼焊方钢管格桁结构及无缝钢管焊接格桁结构。在满足起吊性能要求前提下，起吊装置采用角钢焊接格桁结构经济性较好，故选用方形断面角钢焊接格桁结构。整个起重装置的刚结构分为梁和塔柱，为便于起吊装置快速组装，将梁做成前横梁（吊臂）、横梁安装座（塔顶）和后横梁（平衡臂）3个机构，又将塔身机构做成整体式标准节的机构，机构之间分别采用螺栓进行联接。4.1 起重装置的刚结构设计要求4.1.1 满足起吊装置的总体设计要求刚结构应满足起重机维修的作业空间要求，保证有足够的工作强度和作业半径，另外还要满足装置各工作的布置、协调要求。4.1.2 满足起吊装置安全可靠的要求为使起吊装置工作安全可靠，刚的结构必须有足够的强度、刚度、整机和局部稳定性。4.1.3 重量轻、材料省刚结构重量占起吊装置重量的大部分，而整机重量是起吊装置的重要技术经济指标。因此降低刚结构的重量可以节约钢材、减轻工作机构的负荷、降低整机的造价。4.1.4 构造合理、工艺良好刚结构的构造必须适应结构受力，并且有良好的工艺性，便于加工制造、运输、安装和拆卸。4.1.5 造型美观刚机构的外形尺寸、比例应尽可能体现造型美感。4.2 梁的设计 首先对梁进行总体分析设计，再分3机构进行分析设计。4.2.1 梁的总体分析 梁的总体结构采用角钢或无缝钢管制成，在满足起吊装置起吊性能的要求下，为减轻起吊装置的重量，便于随机携带，设计选用角钢构成梁的总体结构系统。腹杆焊装于角钢主弦杆内侧，斜腹杆和水平腹杆采用同一规格，针对起吊装置在安装提升过程中梁的总体结构要承受很大弯矩的特点，为保证梁的总体结构的稳定性，选用如图2所示的四片平面桁架结构:图2 梁的四片平面桁架结构Fig2 beam of the four plane truss 4.2.2 吊臂的四片平面桁架结构吊臂承受的轴心压力为自身的重力和起吊载荷，即：N6kN，数值不大，假设长细比。 ，得: （3）截面高度与构件高度之比为h/l=384.45/3300=0.1165。对x轴和y轴的换算长细比分别为： （4）由于构件截面面积A等为未知量，试取由22查附表1.31（b类截面）3，得，需要截面面积：选用4 ：，角顶内圆弧半径。整个构件截面得惯性矩和回转半径分别为： （5）4.2.3 吊臂稳定性计算采用四片平面桁架结构体系，桁架的水平腹杆设取等边单角钢为1：面积，最小回转半径为。（1）刚度和整体稳定性换算长细比 （6）由，查附表1.313得，满足要求。（2）角钢外伸局部稳定性局部稳定性满足要求。4.2.4 吊臂平面桁架结构连接强度计算 （1）桁架的空间截面为，。 柱身承受的横向剪切力为： (7)每个桁架系面承受的剪切力为：（2）桁架截面计算桁架按轴心受压构件计算。如前所述，桁架截面选用等边单角钢1，且与分肢单边连接。3.3m桁架分为15个节间，一个标准节分为2个节间，单肢轴线长30mm, ，查表11-53，取缀条轴线 计算： 。b类单角线，稳定系数，单角钢强度折减系数： 缀条受力，缀条与柱轴线夹角为60， （8）所选桁架截面适用。（3）桁架结构腹杆与分肢间连接焊缝设计取肢背焊缝长度为：取肢尖焊缝长度为：取4.2.5 塔顶和平衡臂的设计计算 塔顶和平衡臂的受力相对与吊臂来说，小了很多，因此按表15-33，可得它们的刚结构分别取吊臂的参数的0.671之间的参数，取K=0.75，得 塔顶和平衡臂可选用等边单角钢为1，肢背焊缝长度为21mm，肢尖焊缝长度为18mm。4.3 塔身的设计塔身的腹杆系统采用角钢或无缝钢管制成，在满足起吊装置起吊性能的要求下，为减轻起吊装置的重量，便于随机携带，设计选用角钢构成塔身的腹杆系统，腹杆焊装于角钢主弦杆内侧。腹杆焊装于角钢主弦杆内侧。斜腹杆和水平腹杆采用同一规格，针对起吊装置在安装提升过程中塔柱要承受很大弯矩的特点，为保证塔身的稳定性，选用如图3所示的腹杆型式。图3 腹杆型式Fig3 Abdominal pole type4.3.1 塔身标准节的设计塔身标准节主要由轴心受压构件和缀条构成组成，设计四肢格构式轴心受压构件的截面时，假定任一个长细比A值，即可由截面回转半径与轮廓尺寸的近似关系得到构件截面既宽度b和高度h。4.3.2 标准节截面计算塔身承受的轴心压力为起重臂的重力和起吊载荷，即：N9kN，数值不大，假设长细比。因采用。截面高度与构件高度之比为。由于构件截面面积A等为未知量，试取由查附表1.31（b类截面）3，得，需要截面面积：选用4 ：，角顶内圆弧半径。整个构件截面得惯性矩和回转半径分别为：4.3.3 标准节稳定性计算采用单缀条体系，缀条设取等边单角钢为1：面积，最小回转半径为。（1）刚度和整体稳定性换算长细比由公式4得 由，查附表1.313得，满足要求。（2）角钢外伸局部稳定性局部稳定性满足要求。4.3.4 缀条及其与分肢连接强度计算：（1）缀条截面为，。柱身承受的横向剪切力为：每个缀条系面承受的剪切力为：（2）缀条截面计算缀条按轴心受压构件计算。如前所述，缀条截面选用等边单角钢1，且与分肢单边连接。5m塔柱分为10个节间，一个标准节分为2个节间，单肢轴线长50mm, ，查表11-53，取缀条轴线 计算： 。b类单角线，稳定系数，单角钢强度折减系数： 缀条受力，缀条与柱轴线夹角为45， 所选缀条截面适用。（3）缀条与分肢间连接焊缝设计取肢背焊缝长度为：取肢尖焊缝长度为：取4.4 梁的机构和塔身标准节的联接梁的机构和塔身标准节都可采用的联接方式有：盖板螺栓联接、套柱螺栓联接、承插销轴联接、插板销轴联接和瓦套法兰盘联接。其中，应用最广的是盖板螺栓联接和套柱螺栓联接。为便于起吊装置在野外快速组装，设计采用套柱螺栓联接，如图4所示。图4 套柱螺栓联接方式Fig4 Bolt connection mode5 旋转机构的设计旋转机构是一个蜗轮机构。壳体通过螺栓和撑杆与四方塔柱、起重机连接固定；蜗轮轴通过两个轴承安装在壳体上，输出轴与连接盘连接，连接盘通过螺栓与上塔柱连接；蜗杆啮合蜗轮通过两个轴承固定在壳体上，蜗杆的输入端连接有摇臂，通过操纵摇臂使吊臂在360范围转动，满足不同方位起吊的要求。 5.1 蜗轮蜗杆的设计5.1.1 选择蜗杆传动类型根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）。5.1.2 选择材料根据库存材料的情况，并考虑到蜗杆传动传递的功率不大，速度只是中等，故蜗杆用45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC。蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1,金属模铸造。齿圈用青铜制造。5.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计机器操作者通过手轮对旋转机构进行操作（查手册得其输出功率为80W，转速为50r/s2），因此蜗杆的输出功率也为80W，转速也为50r/s。根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距 （9） （1）确定作用在蜗轮上的转矩T2按，估取效率，则 （10）（2）确定载荷系数K因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数；由表11-54选取使用系数；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数；则（3）确定弹性影响系数因选用的是铸锡磷青铜和钢蜗杆相配，故。（4）确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值，从图11-184中可查得。（5）确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1,金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC,可从表11-74中查得蜗轮得基本许用应力。应力循环次数 （11） 寿命系数 （12） （6）计算中心距由公式9得 取中心距，因，故从表11-24中取模数，蜗杆分度圆直径。这时，从图11184中可查得接触系数，因为，因此以上计算结果可用。5.1.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸（1）蜗杆轴向齿距；直径系数；齿顶圆直径；齿根圆直径；分度圆导程角；蜗杆轴向齿厚。（2）蜗轮蜗轮齿数；变位系数；验算传动比，这时传动比误差为，是允许的。蜗轮分度圆直径 蜗轮喉圆直径 蜗轮齿根圆直径蜗轮咽喉母圆半径5.1.5 校核齿根弯曲疲劳强度当量齿数根据，从图11194中可查得齿形系数。螺旋角系数许用弯曲应力从表11-84中查得由ZCuSn10P1制造得蜗轮得基本许用弯曲应力。寿命系数弯曲强度是满足的。 5.2 轴的设计旋转机构中有两根轴，下面仅对蜗轮轴（即输出轴）进行设计计算。5.2.1 轴的装配方案 装配方案分析比较，选用图5所示的装配方案（为便于分析，将轴水平放置）。图5 轴上零件的装配Fig5 assembly of shaft parts 5.2.2 轴的最小直径可以初步确定轴最小直径的公式 （13）选定轴的材料为45钢，调质处理，根据表15-34，取=112，再由=0.86，转矩和蜗轮相等，于是代入公式13得考虑到轴要承受弯矩，故轴径相应地取较大值。5.2.3 轴上的载荷(1)支反力:水平面 ,垂直面 ,(2)弯矩：水平面 垂直面 (3)总弯矩： （14） 由公式（5.5）得5.2.4 校核轴的强度校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面A），根据弯矩的值，并取，按第三强度理论，计算应力 （15）前已选定轴的材料为45钢，调质处理，查手册得60MPa3。因此e的Y值，查表10-3得Y=1.42，因此按式13-114得5.3.3 轴承的当量动载荷 由表13-54分别进行查表计算得径向载荷系数和轴向载荷系数为：对轴承1 , 对轴承2 ， 因轴承运转有较小冲击载荷，按表13-64，,取。则5.3.4 验算轴承寿命根据起吊装置的特点，设计轴承使用寿命为1200h。因为,所以按轴承1的受力大小验算所选轴承满足寿命要求。润滑对于滚动轴承具有重要意义，轴承中的润滑剂不仅可以降低摩擦阻力，还可以其散热、减小接触应力、吸收振动、防止锈蚀等作用。轴承常用的润滑方式有油润滑及脂润滑两类。此外，也有使用固定润滑剂润滑的。润滑脂的润滑膜强度高，能承受较大的载荷，不易流失，容易密封，一次加脂可以维持相当长的一段时间，它对较低的值较适用。油润滑常用于高速高温的条件下。根据滚动轴承的值（为滚动轴承内径，对同一根轴上的两个不同轴承，选用轴承内径较大的进行计算，即：；为轴承转速，）选择滚动轴承的润滑方式。轴承1：查表13-104得，轴承采用脂润滑。5.4 键的设计计算及其校核5.4.1 键的选择键连接的主要类型有：平键连接，半圆键连接，楔形键连接和切向键连接。平键的工作面是两侧面，工作时靠同键槽侧面的挤压来传递转矩，键的上表面和轮毂的键槽底面间则留有间隙。平键连接具有结构简单，装拆方便，对中性好等优点，因而得到广泛的应用。但是这种键不能承受轴向力，因而不能起到轴向定位的作用。根据用途的不同，平键可分为普通平键，薄型平键，导向平键和滑键四种。其中普通平键和薄型平键用于静连接，导向平键和滑键则用于动连接。键的选择包括类型选择和尺寸的选择两个方面，键的类型应根据键连接的结构特点，使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则按照符合标准和强度要求来取定。键的主要尺寸为其截面尺寸（一般以键宽b键高h表示）与长度L，键的截面尺寸bh按照轴的直径d由标准中选定。键的长度L一般可按照轮毂的长度而定，即键长等于或略小于轮毂的长度；而导向平键则按照轮毂的长度及其滑动距离而定。一般轮毂的长度可取为，这里d为轴的直径。所选定的键长亦应该符合标准规定的长度系列。设计选用普通平键联接，根据轴径为84mm,查表14-15得，普通平键的键宽b键高h为2214。键的标记为：键 GB/T 1096-19795.4.2 键的连接强度计算平键连接传递转矩时，对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键连接（静连接），其主要失效形式是工作面被压溃，除非有严重的过载，一般不会出现键的剪断，因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。 键、轴和轮毂的材料都是钢，由表6-24查得许用挤压应力，取其平均值，。键的工作长度，键与轮毂键槽的接触高度。 （22）由公式22得45HRC,可从表11-74中查得蜗轮得基本许用应力。应力循环次数 由公式10得 寿命系数 由公式11得 （6）计算中心距由公式9得 取中心距，因，故从表11-24中取模数，蜗杆分度圆直径。这时，从图11184中可查得接触系数，因为，因此以上计算结果可用。6.3.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸（1）蜗杆轴向齿距；直径系数；齿顶圆直径；齿根圆直径；分度圆导程角；蜗杆轴向齿厚。（2）蜗轮蜗轮齿数；变位系数； 验算传动比 传动比误差为，是允许的。蜗轮分度圆直径 蜗轮喉圆直径 蜗轮齿根圆直径蜗轮咽喉母圆半径6.3.5 校核齿根弯曲疲劳强度（1）当量齿数根据，从图11194中可查得齿形系数。（2）螺旋角系数（3）许用弯曲应力从表11-84中查得由ZCuSn10P1制造得蜗轮得基本许用弯曲应力。（4）寿命系数 弯曲强度是满足的。6.4 轴的设计装配方案分析比较，选用图9所示的装配方案。图9 轴的结构与装配Fig9 Axis structure and assembly6.4.1 初步确定轴的最小直径输入功率（蜗轮的输出功率）为P=70W，取蜗轮蜗杆传动的效率（包括轴承效率在内），则输出轴功率：输出轴转速：输出轴转矩：按15-2式4可以初步确定轴的最小直径，选定轴的材料为45钢，调质处理，根据表15-34，取，代入公式（5.4）得 在进行轴上零件的安装时，将蜗轮和卷筒安装在滚动轴承之间，并且将蜗轮和卷筒联接在一起，转矩经过蜗轮直接传给卷筒，卷筒只受到弯矩而不受扭矩；如果带轮将转矩通过轴传到卷筒，那么卷筒既受弯矩又受扭矩，在同样的载荷条件下，前一种方案轴的直径明显要比后一种方案的轴径要小。根据计算初步确定轴的直径为30mm。6.4.2 精确校核轴的疲劳强度（1）截面右侧抗弯截面系数由公式（5.7）得 抗扭截面系数 由公式（5.8）得 截面左侧的弯矩M为 截面上的扭矩为 截面上的弯曲应力 截面上的扭转切应力 轴的材料为45钢，调质处理。查表5-115得，。截面上由于轴肩而形成得理论应力系数及查手册5取。因, ，经插值后可查得 ， 查附表3-14可得轴的材料的敏性系数为 ， 故有效应力集中系数按式（附表3-44）为 由公式17得 由附表3-24得尺寸系数；扭转尺寸系数。轴按磨削加工，由附表3-44得表面质量系数为： 轴未经表面强化处理，即，则按照式3-1和3-24得综合系数值为：由3-1和3-2节4得碳钢得特性系数： 取； 取；于是，计算安全系数值，得由公式18得 由公式19得 由公式20得 故可知其安全。（2）截面左侧抗弯截面系数由公式15得 抗扭截面系数 由公式16得 截面左侧的弯矩为 截面上的弯曲应力 截面上的扭矩和扭转切应力为 过盈配合处的值，由附表3-84用插入法求出，并取，于是得，轴按磨削加工，由附图3-44得表面质量系数为： 轴未经表面强化处理，即，则按照式3-1和3-24得综合系数值为：轴在截面左侧得安全系数为：由公式18得 由公式19得 由公式20得 故该轴在截面左侧的强度也是足够的。6.5 轴承的设计由轴径选择滚动轴承型号为30206，查表12-42可知轴承30206的 6.5.1 轴承的径向力将轴系部件受到的空间力系分解为铅垂面和水平面两个平面力系。如图10所示，由力分析可得图10 空间力分析Fig10 analysis of space force（1）水平方向：（2）垂直方向： （3）轴承的合力： 6.5.2 轴承的轴向力对于30000型轴承，按表13-74，轴承派生轴向力，其中， Y值对应表13-54中e的Y值，查表9-34得Y=1.6，因此按式13-114得 6.5.3 轴承当量动载荷 由表13-54分别进行查表计算得径向载荷系数和轴向载荷系数为：对轴承1 , 对轴承2 ， 因轴承运转有较小冲击载荷，按表13-64，,取。则6.5.4 验算轴承寿命根据起吊装置的特点，设计轴承使用寿命为1200h。因为,所以按轴承1的受力大小验算所选轴承满足寿命要求。6.5.5 轴承的润滑根据滚动轴承的值（为滚动轴承内径，；为轴承转速，）选择滚动轴承的润滑方式。查表13-104得，轴承用脂润滑。6.6 键的选择及强度计算设计选用普通平键联接，根据轴径为34mm,查表4-15得，普通平键的键宽b键高h为108。键的标记为：键 GB/T 1096-1979平键连接传递转矩时，对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键连接，其主要失效形式是工作面被压溃，除非有严重的过载，一般不会出现键的剪断，因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。 键、轴和轮毂的材料都是钢，由表6-24查得许用挤压应力，取其平均值，。键的工作长度，键与轮毂键槽的接触高度。 由公式21得由此可见，键的连接强度符合要求。7 起重装置的抗颠覆稳定性分析和底座的设计7.1 起重机的稳定性起重机的稳定性是指起重机在自重和外载荷的作用下抗反倒的能力。由于起重机翻倒事故的发生，其后果是严重的，常常使起重机本身或其他设备受到重大损坏，甚至造成人身伤亡。因此，在起重机设计后要对其进行抗倾覆分析，即起重机必须有一定的稳定系数。7.1.1 稳定系数稳定系数是评定起重机抗倾覆能力的一个数量指标。它是相对于倾覆边的复原力矩与倾覆力矩之比。7.1.2 稳定性分两种情况分析（1）静稳定性 即起重机空载或满载不动时的稳