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家用多功能推车梯子的设计【10张CAD图纸】【优秀】

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关键词：: 家用多功能推车梯子设计 cad图纸

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家用多功能推车梯子的设计

24页 6400字数+说明书+任务书+10张CAD图纸【详情如下】

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摘要 1

ABSTRACT 2

1 绪论 3

11 研究背景 3

12 研究目的及意义 3

13 设计理念 3

14 前期准备 4

2 前期总体结构分析 5

21 多功能产品设计中常见的问题 5

22 多功能产品使用过程中功能之间相互影响 5

221 多功能造成的成本浪费 5

222 多功能造成的功能浪费 6

23 产品的人性化设计方法 6

231 设计思维 6

232 功能规划 6

233 操作方法 6

234 材料选择 6

235 操作方法 6

23 梯子形态下的人体舒适度及安全总体分析设计 6

24 梯子材料的选择 7

3 各部分的设计 9

31 各个零件的尺寸参数结构 9

311 杆身 1 9

312 杆件 2 9

313 台阶 10

314 梯子关节的设计 10

3141 棘轮的参数 11

3142 棘爪的参数 11

3143 关节轮装配图尺寸 11

315 支座的设计 12

3151 支座 1 12

32 梯子部分的设计 13

321 人字梯的设计 13

322 直梯的设计 14

33 推车部分的设计 14

331 手推车的结构 14

332 万向轮的设计 15

34 桌子部分的设计 18

4 各形态的受力分析 19

41 梯子时的受力分析 19

结论 20

致谢 21

参考资料 22

摘要

这次设计的是一款家用多功能推车梯子,其主要功能有人字梯、直梯、手推车、桌子、

凳子、平板车。这些功能都是人们在生活中经常使用的。这次设计主要以安全性、人性

化、实用性为主在原有的基础上进行优化创新，通过对材料和力学分析力求达到最优设

计。这次设计将会使用 3D 建模，使产品的结构、各部分的连接形象的展现在人们的眼

中。也能让人们对这款产品的价值有更深的了解。安全性是这款产品一直强调的重点，

同时实用性也是我们一直注意的。

关键词：梯子多功能家用设计

Abstract

This design is a household multifunctional cart ladder, its main function has the ladder, ladder,

carts, tables, stools, flat car These functions are often used in life This design mainly safety,

humanized, practical give priority to optimize the innovation in the original basis, through the

analysis of materials and mechanics to achieve optimal design This design will use the 3D

modeling, the connecting image product structure, each part of the show in the eyes of the

people Can also make people have a deeper understanding of the value of the product Safety

is the focus of this product has been emphasized, while the utility is also our attention

Key Words: Multifunctional Household Design

1 绪论

11 研究背景

现在，随着城市化越来越严重，家庭的空间越来小，需要用的东西却越来越多，

一些必须要有但是不常用的东西及浪费的金钱，还占用空间，所以单一的产品已经不能

满足人们的要求了。

因此，多功能已经成为现代化发展的趋势，它在市场上的占有率日渐上升，也是

人们购买产品是考虑的一个重要因素。

然而，现在市面上那些多功能产品一个劲的最求产品的多功能而忘记了产品最基

础的功能，忽略了产品的实用性和人性化，让人们觉得用起来并不那么舒畅。造成功能

上的浪费。

作为最基础的梯子，只有 1%的时间在用，还有 99%的时间都在闲置。但是它在

家庭中却必不可缺。因此，在不用的时候怎么用是我们这次设计的主要目的，在一个家

庭中，桌子，凳子是必不可缺的，也用不嫌多的。而推车、铲车也是日常生活中不可或

缺的工具。

12研究目的及意义

设计目的：这次设计综合了常见的几款梯子，通过观察其结构和功能的特点，设

计出集梯子、推车、铲车、桌子、凳子为一体的多功能梯子。达到节约成本，节省空间

的作用。

本设计的意义在于：通过对几组方案的观察，和其结构功能的特点设计出新的具

有多功能的产品，实现产品的多功能应用，以及产品的更新换代。并培养个人思考问题，

解决问题，力求创新的能力。也对大学四年里学的理论知识的一个实践检验。提高了自

己实践能力的同时，也丰富了我对专业知识的认知。为以后的工作奠定一定的基础。

13 设计理念

根据设计目的和设计意义，以安全性为重点，实用性为目标，以创新为源泉,对项

目进行全面的设计。在设计的过程中既要考虑到产品的质量问题,也要考虑各功能之间的

转换和协调尽量避免各个功能之间的影响,尽量用简单的结构实现功能的使用。

做到以最简单的设计，得到功能的最大化。坚持实用与人性化并重，做出最让民

众喜欢喝乐于接受的商品。

14 前期准备

在毕业论文设计的前期，我查阅了许多的相关书籍，更加深入的了解多功能梯设计的

相关知识，了解了产品的结构和特点，参考了市面上大部分梯子的结构资料，综合了所

有的梯子的特点。在设计之前，参考了关于产品的多功能设计以及产品的人性化设计等

资料，为设计的总体结构方向进行了定位：在设计的过程中，先将各种功能结构进行整

理，进行总体的分析。

为了将各个功能实现的问题更好的提出和解决，将设计预分为了前期设计和具体

设计两部分。

前期设计部分，是根据设计的总体理念提出问题，并通过查阅资料等方式尝试解

决问题和进行思路上的总体方向设计。

具体设计部分，是在前期设计的基础上按照各个功能和步骤进行的细节设计，并

且在设计中不断发现和解决新的问题，力求将设计做到完美。我们可以从以下几个方面进行分析：

2.1.1 多功能产品使用过程中，功能之间相互影响

人们在使用多功能产品的时候，定义在任何特定任务中，都只用到一种功能，而

在使用这种功能的时候，其他的功能处于闲置状态，而且会在一定程度上影响正常功能

的使用，因此会形成一定的不便。

2.1.2 多功能造成的成本浪费

多功能产品在实现多功能的时候，势必要考虑功能之间的整合，以及相对位置

关系，使用中的相互影响作用，因此就会无形中增加了造型的成本。

2.1.3 多功能造成的功能浪费

产品都是针对特定消费者进行设计的，对于产品的功能，同样需要根据具体消

费者的特点进行考虑，如果产品的同事也购买到这个产品的其他附属功能，而当他们不

需要这些功能的时候，就造成了产品的浪费。

在之后的设计中，一定要注意并避免以上 3 点。

2.2 产品的人性化设计方法

人性化设计要求产品在满足基本的物质性功能以外，还要更多地关注产品的综

合社会价值，关注人的精神和情感需求的满足，在操作上产品与人的关系应该更加友好，

对产品的使用与拥有能给人带来过程的预约和精神上的享受。这就要求设计师在对消费

者进行针对性研究的基础上，还必须将目光放大对产品被使用过程中的情景和状态进行

研究，并且就产品与使用者的非物质性关联因素也要进行考究与推敲，对产品在物质与

精神层面进行全方位的设计。所以，产品人性化设计的方法除了围绕功能、造型、材料

和安全等４大要素而展开的功能规划的人性化设计、造型语意的人性化设计、材料选择

的人性化设计和色彩运用的人性化设计，还应该包括：设计思维的人性化设计与操作界

面的人性化设计２个方案。

参考资料

1、成大先《机械设计手册》（第三版第一卷）（M）化学工业出版社,2001.4

2、成大先《机械设计手册》（第三版第二卷）（M）化学工业出版社,2001.4

3、成大先《机械设计手册》（第三版第三卷）（M）化学工业出版社,2001.4

4、成大先《机械设计手册》（第三版第五卷）（M）化学工业出版社,2001.4

5、孙恒，陈作模，葛文杰《机械原理》（M）高等教育出版社，2006.5

6、濮良贵，纪明刚《机械设计》（第八版）（M）高等教育出版社，2006.5

7、吴宗泽，罗圣国《机械设计课程设计手册》（M）高等教育出版社，2006.5

8、周良得，朱泗芳《现代工程图学》（M）湖南科学技术出版社，2000.9

9、哈尔滨工业大学理论力学教研室《理论力学（I）》（第 7 版）（M）高等

教育出版社，2009.7

10、刘鸿文，《材料力学 I》（第 5 版）（M）高等教育出版社，2011.5

内容简介：: 68 10 30 30 10 15 30 67 60 R63 50 10 R7 10 70 138 135 34 3.2 5.50 其余技术要求1.去除毛刺关节壳体1钣金展开图6.3 日期签字底图总号旧底图总号借(通)用件登记零件代号BAAB第张共张 45钢 0.416Kg审核工艺1:1比例质量阶段标记批准标准化主管设计年月日签名更改文件号分区处数标记设计校核湘潭大学兴湘学院蒋遵亮20140509 70 10 20 30 30 30 33 10 3-8 R3.50 10 70 22 R69 138 5 10 R60 10 13 1 1 140 3 35 R61 3 70 25 15 4.50 5 3.2 5 5 其余6.3 日期签字底图总号旧底图总号借(通)用件登记零件代号BAAB20140509蒋遵亮湘潭大学兴湘学院校核设计标记处数分区更改文件号签名年月日主管设计标准化批准阶段标记质量比例1:1工艺审核0.414Kg 45钢共张第张关节壳体1（正）钣金展开图 60 57 32.50 68.50 40 30 30 15 28.50 71 2 R10 8 12354 30 280 5.60 11.70 120 备注重量总计单件材料数量名称代号序号12345关节壳体2关节壳体1棘轮铆钉棘爪（反）11111关节（反）技术要求1、安装完要检查关节的灵活性，不要有卡顿现象2、检查产品是否能自锁321ABC1234ABC 日期签字底图总号旧底图总号描校描图借(通)用件登记零件代号20140509蒋遵亮湘潭大学兴湘学院校核设计标记处数分区更改文件号签名年月日主管设计标准化批准阶段标记质量比例1:1工艺审核1.179Kg 共张第张 10 30 30 69.72 28.50 13.50 30 29 60 8 10 H7f6 10 H7f6 45123 280 GB_CONNECTING_PIECE_RIVET_FHRS 10X22 35 120 技术要求1、安装完要检查关节的灵活性，不要有卡顿现象2、检查产品是否能自锁11211关节壳体2（正）关节壳体1（正）铆钉棘爪棘轮54321序号代号名称数量材料单件总计重量备注关节（正）4321ABC1234ABC 日期签字底图总号旧底图总号描校描图借(通)用件登记零件代号第张共张 1.206Kg审核工艺1:1比例质量阶段标记批准标准化主管设计年月日签名更改文件号分区处数标记设计校核湘潭大学兴湘学院蒋遵亮20140509134914135512681557212019 1600 2101718 950 510 序号代号名称数量材料单件总计重量备注123456484461678910111213141516171819202122杆身1台阶关节壳体2关节壳体1棘轮铆钉10x22棘轮（反）铆钉8x22杆身2直角连接板自攻螺丝5.5棘爪关节壳体1关节壳体2（正）底板万向架轮子轮轴支座3支座2支座1铆钉4x104448169622244444448GB_CONNECTING_PIECE_RIVET_FHRS 10X22GB_CONNECTING_PIECE_RIVET_THR 8X22GB_CROSS_SCREWS_TYPE128 ST5.5X13 H C-CGB_RIVETS_COUNTERSUNK_TYPE84 4X10 技术要求1、自攻螺丝要求配做2、关节装配后活动灵活家用多功能推车梯子1234567ABCDEF43218765FEDCBA底图总号旧底图总号借(通)用件登记描图描校签字日期零件代号第张共张 16.132Kg审核工艺1:5比例质量阶段标记批准标准化主管设计年月日签名更改文件号分区处数标记设计校核湘潭大学兴湘学院蒋遵亮20140509 57 118 80 10 60 90 15 15 8 8 40 30 8 118 17 10 K7h8 10 G7f8 17 R2 2 R1 30 12AB432BA 日期签字底图总号旧底图总号描校描图借(通)用件登记零件代号第张支座共张 0.338Kg审核工艺1:1比例质量阶段标记批准标准化主管设计年月日签名更改文件号分区处数标记设计校核湘潭大学兴湘学院蒋遵亮20140509 8 30 30 30 30 20 85 350 15 AA 60 20 III 550 IIIA-A 8 I 2 : 5 30 II 2 : 5 R3 1.35 III 2 : 5 技术要求1、去除毛刺2、不要损坏铝合金表面日期签字底图总号旧底图总号借(通)用件登记零件代号BAAB20140509蒋遵亮湘潭大学兴湘学院校核设计标记处数分区更改文件号签名年月日主管设计标准化批准阶段标记质量比例1:5工艺审核0.289Kg 铝合金共张杆身2第张 R10 10 R12.50 R48 R78 61 3 R5 3 C1 R0.50 7.13 45 6 40 45 60 25 28 30 22 1.63.23.2 10 10 2 5 棘轮反45钢其余技术要求1未注倒角处倒角C0.52、去除表面毛刺6.3 日期签字底图总号旧底图总号借(通)用件登记零件代号BAAB20140509蒋遵亮湘潭大学兴湘学院校核设计标记处数分区更改文件号签名年月日主管设计标准化批准阶段标记质量比例1:5工艺审核共张第张湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：家用多功能推车梯子的设计学号： 2010962915姓名：蒋遵亮专业：机械设计制造及自动化指导教师：姜胜强系主任：刘柏希一、主要内容及基本要求设计一台家用多功能推车梯子,主要功能是推车、梯子、凳子、桌子。其中下面几点要重点注意：1.梯子必须瞒住强度要求支点应能承受 300kg 的垂直重量。2.各功能之间的相互转化，互相影响。3.做梯子时的安全问题。二、重点研究的问题1.梯子各部分的强度计算。2.各功能的转换怎么实现。3.对关节的设计4.材料的选择三、进度安排四、应收集的资料及主要参考文献1、成大先机械设计手册（第三版第一卷）（M）化学工业出版社,2001.42、成大先机械设计手册（第三版第二卷）（M）化学工业出版社,2001.43、成大先机械设计手册（第三版第三卷）（M）化学工业出版社,2001.44、成大先机械设计手册（第三版第五卷）（M）化学工业出版社,2001.45、孙恒，陈作模，葛文杰机械原理（M）高等教育出版社，2006.56、濮良贵，纪明刚机械设计（第八版）（M）高等教育出版社，2006.57、吴宗泽，罗圣国机械设计课程设计手册（M）高等教育出版社，2006.58、周良得，朱泗芳现代工程图学（M）湖南科学技术出版社，2000.99、哈尔滨工业大学理论力学教研室理论力学（I）（第 7 版）（M）高等教育出版社，2009.710、刘鸿文，材料力学 I（第 5 版）（M）高等教育出版社，2011.5序号各阶段完成的内容完成时间1查阅资料、调研12 周2任务书34 周3方案，结构原理设计56 周4总装配图，零部件图的绘制710 周5写出初稿1112 周6修改，写出正式稿13 周7答辩14 周湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）评阅表学号2010962915姓名蒋遵亮专业机械设计制造及其自动化毕业论文（设计）题目：家用多功能推车梯子的设计评价项目评价内容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评价本设计选题综合性较强，符合机械专业培养目标和要求；题目难度适中，与工业生产实际结合紧密。该生具有较强的查阅文献和综合归纳资料的能力，综合应用本科所学知识能力较强；计算机应用能力较好，英文水平及应用不错。论文立论正确，论述比较充分，整体结构尚可；设计与计算科学，技术用语准确，图纸完备，引文规范。论文文字通顺，该设计具有一定的实际应用价值。同意参加答辩。评阅人：2014 年月日湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）鉴定意见学号： 2010962915姓名：蒋遵亮专业：机械设计制造及其自动化毕业论文（设计说明书）33页图表10张论文（设计）题目：家用多功能推车梯子的设计内容提要：家用多功能推车梯子是一个集推车、梯子、桌子于一体的装置，其主要关节，杠杆等。多功能主要是为了节约家庭空间，增加产品的可用性。达到节约成本，节约空间的作用本次毕业设计的课题是油漆喷涂机送料机构结构设计，其中设计内容主要包括：1、梯子的整体外形和尺寸设计。2、设计关节结构，并对比各种方案，选择最优方案3、材料的选用。4、梯子的强度设计。本设计的意义在于通过对几组方案的观察，和其结构功能的特点设计出新的具有多功能的产品，实现产品的多功能应用，以及产品的更新换代。并培养个人思考问题解决问题，力求创新的能力。也对大学四年里学的理论知识的一个实践检验。提高自己实践能力。并且通过几种不同的方案进行对比选择，最后选择出最优的方案，再对其进行尺寸设计。尺寸的设计之外，强度和硬度的性能也是需要关注的问题。指导教师评语该生在本次毕业设计中表现出基础知识较扎实、独立工作能力较强。计算机操作熟练。劳动纪律性强，工作较认真。能如期完成设计任务，设计方案正确，图面质量较好，结构合理。设计说明书撰写认较真，具有一定的专业英文文献阅读与翻译能力。同意其参加答辩。建议成绩评定为：指导教师：2014 年 5 月日答辩简要情况及评语该生对论文陈述条理不够清楚，内容不够悉，基本概念及理论知识模糊，回答问题欠准确。根据答辩情况，答辩小组同意其成绩评定为答辩小组组长：2014 年 5 月日答辩委员会意见经答辩委员会讨论，同意该毕业论文成绩评定为答辩委员会主任：。2014 年 5 月日目录摘要 . 1ABSTRACT. . 21 绪论 . 31.1 研究背景 . 31.2 研究目的及意义. 31.3 设计理念. 31.4 前期准备 . 42 前期总体结构分析. 52.1 多功能产品设计中常见的问题. 52.2 多功能产品使用过程中功能之间相互影响. 52.2.1 多功能造成的成本浪费 . 52.2.2 多功能造成的功能浪费. 62.3 产品的人性化设计方法 . 62.3.1 设计思维 . 62.3.2 功能规划 . 62.3.3 操作方法 . 62.3.4 材料选择 . 62.3.5 操作方法. 62.3 梯子形态下的人体舒适度及安全总体分析设计 . 62.4 梯子材料的选择 . 73 各部分的设计 . 93.1 各个零件的尺寸参数结构 . 93.1.1 杆身 1 . 93.1.2 杆件 2 . 93.1.3 台阶 . 103.1.4 梯子关节的设计. 103.1.4.1 棘轮的参数. 113.1.4.2 棘爪的参数. 113.1.4.3 关节轮装配图尺寸. 113.1.5 支座的设计 . 123.1.5.1 支座 1. . 123.2 梯子部分的设计 . 133.2.1 人字梯的设计 . 133.2.2 直梯的设计 . 143.3 推车部分的设计 . 143.3.1 手推车的结构 . 143.3.2 万向轮的设计. 153.4 桌子部分的设计 . 184 各形态的受力分析 . 194.1 梯子时的受力分析. 19结论 . 20致谢 . 21参考资料 . 22摘要这次设计的是一款家用多功能推车梯子,其主要功能有人字梯、直梯、手推车、桌子、凳子、平板车。这些功能都是人们在生活中经常使用的。这次设计主要以安全性、人性化、实用性为主在原有的基础上进行优化创新，通过对材料和力学分析力求达到最优设计。这次设计将会使用 3D 建模，使产品的结构、各部分的连接形象的展现在人们的眼中。也能让人们对这款产品的价值有更深的了解。安全性是这款产品一直强调的重点，同时实用性也是我们一直注意的。关键词：梯子多功能家用设计1AbstractThis design is a household multifunctional cart ladder, its main function has the ladder, ladder,carts, tables, stools, flat car. These functions are often used in life. This design mainly safety,humanized, practical give priority to optimize the innovation in the original basis, through theanalysis of materials and mechanics to achieve optimal design. This design will use the 3Dmodeling, the connecting image product structure, each part of the show in the eyes of thepeople. Can also make people have a deeper understanding of the value of the product. Safetyis the focus of this product has been emphasized, while the utility is also our attention.Key Words: Multifunctional Household Design21 绪论1.1 研究背景现在，随着城市化越来越严重，家庭的空间越来小，需要用的东西却越来越多，一些必须要有但是不常用的东西及浪费的金钱，还占用空间，所以单一的产品已经不能满足人们的要求了。因此，多功能已经成为现代化发展的趋势，它在市场上的占有率日渐上升，也是人们购买产品是考虑的一个重要因素。然而，现在市面上那些多功能产品一个劲的最求产品的多功能而忘记了产品最基础的功能，忽略了产品的实用性和人性化，让人们觉得用起来并不那么舒畅。造成功能上的浪费。作为最基础的梯子，只有 1%的时间在用，还有 99%的时间都在闲置。但是它在家庭中却必不可缺。因此，在不用的时候怎么用是我们这次设计的主要目的，在一个家庭中，桌子，凳子是必不可缺的，也用不嫌多的。而推车、铲车也是日常生活中不可或缺的工具。1.2研究目的及意义设计目的：这次设计综合了常见的几款梯子，通过观察其结构和功能的特点，设计出集梯子、推车、铲车、桌子、凳子为一体的多功能梯子。达到节约成本，节省空间的作用。本设计的意义在于：通过对几组方案的观察，和其结构功能的特点设计出新的具有多功能的产品，实现产品的多功能应用，以及产品的更新换代。并培养个人思考问题，解决问题，力求创新的能力。也对大学四年里学的理论知识的一个实践检验。提高了自己实践能力的同时，也丰富了我对专业知识的认知。为以后的工作奠定一定的基础。1.3 设计理念根据设计目的和设计意义，以安全性为重点，实用性为目标，以创新为源泉,对项目进行全面的设计。在设计的过程中既要考虑到产品的质量问题,也要考虑各功能之间的转换和协调.尽量避免各个功能之间的影响,尽量用简单的结构实现功能的使用。做到以最简单的设计，得到功能的最大化。坚持实用与人性化并重，做出最让民众喜欢喝乐于接受的商品。31.4 前期准备在毕业论文设计的前期，我查阅了许多的相关书籍，更加深入的了解多功能梯设计的相关知识，了解了产品的结构和特点，参考了市面上大部分梯子的结构资料，综合了所有的梯子的特点。在设计之前，参考了关于产品的多功能设计以及产品的人性化设计等资料，为设计的总体结构方向进行了定位：在设计的过程中，先将各种功能结构进行整理，进行总体的分析。为了将各个功能实现的问题更好的提出和解决，将设计预分为了前期设计和具体设计两部分。前期设计部分，是根据设计的总体理念提出问题，并通过查阅资料等方式尝试解决问题和进行思路上的总体方向设计。具体设计部分，是在前期设计的基础上按照各个功能和步骤进行的细节设计，并且在设计中不断发现和解决新的问题，力求将设计做到完美。42 前期总体结构分析设计2.1 多功能产品设计中的常见问题我们可以从以下几个方面进行分析：2.1.1 多功能产品使用过程中，功能之间相互影响人们在使用多功能产品的时候，定义在任何特定任务中，都只用到一种功能，而在使用这种功能的时候，其他的功能处于闲置状态，而且会在一定程度上影响正常功能的使用，因此会形成一定的不便。2.1.2 多功能造成的成本浪费多功能产品在实现多功能的时候，势必要考虑功能之间的整合，以及相对位置关系，使用中的相互影响作用，因此就会无形中增加了造型的成本。2.1.3 多功能造成的功能浪费产品都是针对特定消费者进行设计的，对于产品的功能，同样需要根据具体消费者的特点进行考虑，如果产品的同事也购买到这个产品的其他附属功能，而当他们不需要这些功能的时候，就造成了产品的浪费。在之后的设计中，一定要注意并避免以上 3 点。2.2 产品的人性化设计方法人性化设计要求产品在满足基本的物质性功能以外，还要更多地关注产品的综合社会价值，关注人的精神和情感需求的满足，在操作上产品与人的关系应该更加友好，对产品的使用与拥有能给人带来过程的预约和精神上的享受。这就要求设计师在对消费者进行针对性研究的基础上，还必须将目光放大对产品被使用过程中的情景和状态进行研究，并且就产品与使用者的非物质性关联因素也要进行考究与推敲，对产品在物质与精神层面进行全方位的设计。所以，产品人性化设计的方法除了围绕功能、造型、材料和安全等大要素而展开的功能规划的人性化设计、造型语意的人性化设计、材料选择的人性化设计和色彩运用的人性化设计，还应该包括：设计思维的人性化设计与操作界面的人性化设计个方案。2.2.1设计思维设计思维人性化的一个重要的方面是不能忽视对人类自身的关怀。在环保意识越来越增强的今天，设计师应该增强自己的环保意识，要以尽可能小的资源代价，获取最大的使用价值。利用绿色的设计的理念来指导是我们的设计，为人类的生存和未来承当起最基本5的责任和和直接的义务。设计思维的人性化也强调设计师与消费者双方的沟通、联系和交流，深度挖掘超越产品基本功能以外，能够满足各种不同消费群体更为深沉次的心里与精神的需要，实现产品与人更加和谐的关系。除了在产品设计工作中实现产品的人性化，给产品一个恰到好处的命名，往往会成为设计人性化的“点睛”之笔。2.2.2功能规划在这里定义的产品功能规划是指预测产品的发展并协调各种新旧功能以适应其发展的过程，当然在此过程中要综合考虑社会的需求、科技因素、价格因素、使用因素等等问题。归根到底功能是为用户服务的，功能的增加必须要增加用户的使用方便性，假设不能达到，那就证明这个功能是多余的无用的功能，这就体现了功能规划的人性化因素。2.2.3 造型语意通过设计的造型的语意，引发人的情感体验和心理感受，是人性化设计的重要方法之一。人们对产品的第一印象就是通过造型来实现的，设计中的造型要素是人们对设计师关注的一方面。而所有的功能、使用方式最终页必须通过造型而得以明确与实现。2.2.4 材料选择材料的人性化设计包括：选用绿色材料使产品具备人性化特征；发挥材料的表面肌理特征体现人性化；从文化与审美层面选择材料体现人性化；从安全的角度选择材料体现人性化；从环境适应性角度选择材料体现人性化。2.2.5 操作方法操作界面的人性化实际上也属于功能规划的人性化中间的一部分，但是它非常重要，“强调一切为人所使用，都必须适合于人”，确立了“以人为本”的造物原则，从此人类的产品创造步入人性化设计的时代。在界面设计中不光功能的规划很重要，还要从易于识别、易于使用的角度对产品的人机关系进行全面的思考与审视，实现产品的人性化。2.3 梯子形态下的人体舒适度及安全总体分析设计由于梯子部分是核心结构，所以本设计首先从梯子的设计入手。因为本设计需要充分体现以人为本的实用性特点，所以，结构设计的本身需要涉及到在具体使用过程中的人体舒适度，并以此为基础进行梯子结构的相应设计：研制机器和工具的各种技术措施都不完善，除非能适应人的因素，包括人体尺寸，常规的人体姿势、动作和行为。因此符合人机工程的要求是安全工作场所的首要条件。行为研究是必要的，特别对那些几乎是无意识的习惯动作的研究。多动因子6的动作和作业的实验，有助于对工作场所或某种器具的各个组成部分进行评价和优化。为此，进行了相应的试验，研究标准轻便直梯放置角度不同对攀登上下梯子动作的影响。试验的主要目的是：研究安全的爬梯子的常规动作，确定适合于人体度量和生物力学因素的条件，如身体尺寸、动作和各种力学。这些条件应保证人以自然动作爬梯子是发生事故的危险性减至最小。2.4 梯子杆材料的选用作梯子，首先需要考虑梯子可以承载人体的重量，即梯子的材料以及尺寸选择。经过查询和对比，梯子的材料选择铝合金。铝合金在现代机械制造中的应用占有很多大的比例，是制作此类产品的最佳选择。一下是目前市场常用铝合金材料的一些相关信息：表 2.4-1 铝合金的分类与性能7表 2.4-2 铝及铝合金管材的品种和规格范围根据这些信息，在本设计中，铝合金材料我选择铝合金 6061:。选择理由是这种材料具有中等强度、良好的抗腐蚀性、可焊接，氧气效果好。很常用，各项性能优越。管材我选厚壁矩形管。选择理由是其性能指标刚好适合本设计使用。83各部分的设计3.1 各个零件的尺寸参数结构3.1.1 杆身 1图 3.1.1-1杆身 1如图所示，杆身长 60mm，宽 20mm，高 760mm，薄壁厚 1.35mm。在距离杆角295mm,615mm 处分别有一对内侧孔，尺寸为 30*30mm.是用来安装台阶的。距离两杆脚、20mm,50mm,处打三个对称的等边三角的8 的孔，是用来固定关节的。3.1.2 杆件 2图 3.1.2-2杆身 29如图所示，杆身长 60mm，宽 20mm，高 600mm,薄壁厚 1.35mm。在距离杆脚 85mm，405mm 处分别有一对内侧方孔，尺寸为 30*30mm.是用来安装台阶的。距离两杆脚、20mm,50mm,处打三个对称的等边三角的8 的孔，是用来固定关节的。3.1.3 台阶图 3.1.3-1台阶如图所示，杆身的长宽高是 30*30*50mm ，薄壁厚为 1.35mm 。距离两杆脚、20mm,50mm,处打三个对称的等边三角的8 的孔，是用来固定台阶和杆身增加安全性的。3.1.4 梯子关节的设计3.1.4.1 棘轮的参数。如图所示，齿数 16，直径60 ，压力角 20。齿厚 10mm，模数 3.75。中间是一个10 的孔。10图 3.1.4.1-1棘轮3.1.4.2 棘爪的参数3.1.4.2-1 棘爪如上图所示，用10 的孔固定在轴上，上方的爪固定固定齿的走向。详细尺寸见零件图3.1.4.3 关节轮装配图尺寸3.1.4.3-1关节装配方式如图所示，此外壳是冲压件，外圆直径为 60mm。下面的薄壁尺寸是57*17.3mm。113.1.5 支座的设计3.1.5-1 支座如图所示，吃装配图尺寸是 57.3118mm.3.1.5.1 支座 13.1.5.1-1支座 1厚度为 10mm123.2 梯子部分的设计3.2.1 人字梯的设计3.2.1-1 人梯子梯子总高是 1300mm,宽是 510mm.133.2.2 直梯的设计3.2.2-1 直梯直梯总长度为 2800mm,宽为 510mm。3.3 推车部分的设计3.3.1 手推车的结构3.3.1-1手推车如图所示，在梯子的第二节和第三节下方装上可收起来的万向轮，在把第一节通过关节旋转到主体的上面。这样就可以实现手推车的功能。载物台的长和宽分别是1200mm、510mm。143.3.2 万向轮的设计本设计在铲车形态下，由于是前轮轮后轮同事着地，所以，在运行中存在转向问题。因此前轮后轮将设计为带转向的脚轮。如下图所示：图 3.3.2-1普通万向轮结构在手推车形态下，当停靠在带有坡度的道路上时，若无人看管，很容易自动滑行。为了避免这种情况，后轮脚轮将加入手动锁轮功能。常用锁轮结构有两种，如下图图 3.3.2-2自锁脚轮 115图 3.3.2-3自锁脚轮 2综合考虑上述两种功能，后轮脚轮江北实际为带有转向和手动锁轮功能，如下图所示16图 3.3.2-4 自锁万向轮以图为例，这种模型不但具有万向轮功能，而且在轮轴上带有一个手动柄的锁轮功能，动手动柄处于图位置是，轮子可以正常旋转：如果转动手动柄，将手动柄上两个凸起旋转到轮子两边的金属框上，由于凸起的挤压作用，使得金属轮框发生形变，从而挤压到轮子，是金属轮框与轮子之间产生较大摩擦，实现锁轮功能。另外，万向轮用合叶固定在梯子上面，当不用的时候，它可以通过合叶靠在梯子的内侧。方便收纳和美观。173.4 桌子部分的设计图 3.4-1桌子如图所示，加上长为 1300mm，宽为 470mm，厚为 15mm 的塑料板，就可以当桌子用了，这个是另外选购的。吃桌子高 760mm。符合国家规定的高度要求。3.4 四种形态的实现3.4.1 直梯形态将梯子的三个关节开关全部打开，然后张开关节，当关节成 180 度是，就是直梯的形态。3.4.2 人字梯形态：将上半部分梯子往下折，当道一定角度的时候，就成人字梯3.4.3 将第二个关节打直，第一个和第三个关节呈 90 度，然后再加上板子，桌子的部分就完成了。3.4.4 将左边的第一节梯子转到 0 度放在第二节梯子的上面。然后将右端的适当的调整。再把贴在杆上面的万向轮通过合叶拉出来，放在地上。就是推车了。18第 4 章各形态的受力分析4.1 梯子时的受力分析在直梯子的形态下，1500N 物品放置于梯子中间，梯子与墙成 30 度角，杆长 2800，现计算弯曲应力：M (Fa/l) (1500600)/1300W从上面计算可以看出，在这种状态下，此梯子的承受能力达到要求。而从结构来看，不轮人字梯，还是桌子的承受能力都要大于直梯时的力。因此，本产品的承受能力达到要求。19结论毕业设计师对大学期间所学知识的一次总的检验和巩固，是一次很好的理论联系实际的锻炼，相比以前的几次课程设计，毕业实际对所学基础知识和专业知识的涉及面更加广泛，是知识与实践的有机结合。做好本次毕业设计可以为以后的工作打下坚实的基础和积累丰富的经验，因此本次毕业设计具有很重要的意义。本次毕业设计的主要任务是设计日常生活的一种多功能用品多功能推车梯子。毕业设计说明书对多功能推车梯子做了简单介绍。多功能推车梯子的设计师为了解决目前人们日常生活中对于搬运货物中经常遇到的问题。而桌子、凳子可以在平时不用的时候，可以节约空间，在房间里既可以当写字台用，也可以放在电视机旁边当凳子坐，肯定会用的上的。再设计过程中，遇到了很多前所未有的问题，提高了自己独立解决问题的能力。通过设计，学到了很多新的知识，熟悉了 solidworks、AutoCAD 等设计软件的运用，对利用软件进行机械图样的设计的方式基本掌握。提高了自身技术水平，运算能力及运用计算机识图、制图和查阅手册，使用国家标准和信息资源。在设计前，采纳了关于人性化设计等方面的建议，对本设计的实用性方面有很大的帮助，让我确定了结构简单化、功能多样化、以人为本的设计理念，这对我今后的设计有很大的帮助。20致谢本论文是在指导老师姜胜强老师的悉心指导下完成的。在本设计过程中，多次经姜胜强老师的耐心指导和帮助，并一次次地给我讲解，使我的设计思路明确、豁然开朗，同时指出设计中出现的问题而深入浅出地给我解答。老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律已、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标，掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多道理。在此谨向老师们表示崇高的敬意和衷心的感谢！本论文的顺利完成，还离不开各位同学和朋友的关心和帮助，在此向罗意明等同学表示深深的感谢！由于经验和水平都是极大的制约因素，所以在设计中难免有诸多错误和不足之处，望能得到各位老师和同学的指点和帮助，提出宝贵意见，给予批评指正！21参考资料1、成大先机械设计手册（第三版第一卷）（M）化学工业出版社,2001.42、成大先机械设计手册（第三版第二卷）（M）化学工业出版社,2001.43、成大先机械设计手册（第三版第三卷）（M）化学工业出版社,2001.44、成大先机械设计手册（第三版第五卷）（M）化学工业出版社,2001.45、孙恒，陈作模，葛文杰机械原理（M）高等教育出版社，2006.56、濮良贵，纪明刚机械设计（第八版）（M）高等教育出版社，2006.57、吴宗泽，罗圣国机械设计课程设计手册（M）高等教育出版社，2006.58、周良得，朱泗芳现代工程图学（M）湖南科学技术出版社，2000.99、哈尔滨工业大学理论力学教研室理论力学（I）（第 7 版）（M）高等教育出版社，2009.710、刘鸿文，材料力学 I（第 5 版）（M）高等教育出版社，2011.522 湘潭大学兴湘学院湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书毕业设计说明书题题目：目：家用家用多功能推车梯子的设计多功能推车梯子的设计专专业：业：机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化学学号：号： 2010962915 2010962915 姓姓名：名：蒋遵亮蒋遵亮指导教师：指导教师：姜胜强姜胜强完成日期：完成日期： 20142014 年年 5 5 月月湘潭大学兴湘学院湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）任务书毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：家用多功能推车梯子的设计学号： 2010962915 姓名：蒋遵亮专业：机械设计制造及自动化指导教师：姜胜强系主任：刘柏希一、主要内容及基本要求设计一台家用多功能推车梯子,主要功能是推车、梯子、凳子、桌子。其中下面几点要重点注意： 1.梯子必须瞒住强度要求支点应能承受 300kg 的垂直重量。 2.各功能之间的相互转化，互相影响。 3.做梯子时的安全问题。二、重点研究的问题 1.梯子各部分的强度计算。 2.各功能的转换怎么实现。 3.对关节的设计 4.材料的选择三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间 1 查阅资料、调研 12 周 2 任务书 34 周 3 方案，结构原理设计 56 周 4 总装配图，零部件图的绘制 710 周 5 写出初稿 1112 周 6 修改，写出正式稿 13 周 7 答辩 14 周四、应收集的资料及主要参考文献 1、成大先机械设计手册（第三版第一卷）（M）化学工业出版社,2001.4 2、成大先机械设计手册（第三版第二卷）（M）化学工业出版社,2001.4 3、成大先机械设计手册（第三版第三卷）（M）化学工业出版社,2001.4 4、成大先机械设计手册（第三版第五卷）（M）化学工业出版社,2001.4 5、孙恒，陈作模，葛文杰机械原理（M）高等教育出版社，2006.5 6、濮良贵，纪明刚机械设计（第八版）（M）高等教育出版社，2006.5 7、吴宗泽，罗圣国机械设计课程设计手册（M）高等教育出版社，2006.5 8、周良得，朱泗芳现代工程图学（M）湖南科学技术出版社，2000.9 9、哈尔滨工业大学理论力学教研室理论力学（I）（第 7 版）（M）高等教育出版社，2009.7 10、刘鸿文，材料力学 I （第 5 版）（M）高等教育出版社，2011.5 湘潭大学兴湘学院湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）评阅表毕业论文（设计）评阅表学号 2010962915 姓名蒋遵亮专业机械设计制造及其自动化毕业论文（设计）题目：家用多功能推车梯子的设计评价项目评价内容选题 1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的； 2.难度、份量是否适当； 3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力 1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力； 2.是否有综合运用知识的能力； 3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力； 4.是否具备一定的外文与计算机应用能力； 5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量 1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范； 2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何； 3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评价本设计选题综合性较强，符合机械专业培养目标和要求；题目难度适中，与工业生产实际结合紧密。该生具有较强的查阅文献和综合归纳资料的能力，综合应用本科所学知识能力较强；计算机应用能力较好，英文水平及应用不错。论文立论正确，论述比较充分，整体结构尚可；设计与计算科学，技术用语准确，图纸完备，引文规范。论文文字通顺，该设计具有一定的实际应用价值。同意参加答辩。评阅人： 2014 年月日湘潭大学兴湘学院湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）鉴定意见毕业论文（设计）鉴定意见学号： 2010962915 姓名：蒋遵亮专业：机械设计制造及其自动化毕业论文（设计说明书） 33 页图表 10 张论文（设计）题目：家用多功能推车梯子的设计内容提要：家用多功能推车梯子是一个集推车、梯子、桌子于一体的装置，其主要关节，杠杆等。多功能主要是为了节约家庭空间，增加产品的可用性。达到节约成本，节约空间的作用本次毕业设计的课题是油漆喷涂机送料机构结构设计，其中设计内容主要包括： 1、梯子的整体外形和尺寸设计。2、设计关节结构，并对比各种方案，选择最优方案 3、材料的选用。4、梯子的强度设计。本设计的意义在于通过对几组方案的观察，和其结构功能的特点设计出新的具有多功能的产品，实现产品的多功能应用，以及产品的更新换代。并培养个人思考问题解决问题，力求创新的能力。也对大学四年里学的理论知识的一个实践检验。提高自己实践能力。并且通过几种不同的方案进行对比选择，最后选择出最优的方案，再对其进行尺寸设计。尺寸的设计之外，强度和硬度的性能也是需要关注的问题。指导教师评语该生在本次毕业设计中表现出基础知识较扎实、独立工作能力较强。计算机操作熟练。劳动纪律性强，工作较认真。能如期完成设计任务，设计方案正确，图面质量较好，结构合理。设计说明书撰写认较真，具有一定的专业英文文献阅读与翻译能力。同意其参加答辩。建议成绩评定为：指导教师： 2014 年 5 月日答辩简要情况及评语该生对论文陈述条理不够清楚，内容不够悉，基本概念及理论知识模糊，回答问题欠准确。根据答辩情况，答辩小组同意其成绩评定为答辩小组组长： 2014 年 5 月日答辩委员会意见经答辩委员会讨论，同意该毕业论文成绩评定为。答辩委员会主任： 2014 年 5 月日目目录录摘要 . 1 ABSTRACT. . 2 1 绪论 . 3 1.1 研究背景 . 3 1.2 研究目的及意义 . 3 1.3 设计理念 . 3 1.4 前期准备 . 4 2 前期总体结构分析 . 5 2.1 多功能产品设计中常见的问题 . 5 2.2 多功能产品使用过程中功能之间相互影响 . 5 2.2.1 多功能造成的成本浪费 . 5 2.2.2 多功能造成的功能浪费 . 6 2.3 产品的人性化设计方法 . 6 2.3.1 设计思维 . 6 2.3.2 功能规划 . 6 2.3.3 操作方法 . 6 2.3.4 材料选择 . 6 2.3.5 操作方法 . 6 2.3 梯子形态下的人体舒适度及安全总体分析设计 . 6 2.4 梯子材料的选择 . 7 3 各部分的设计 . 9 3.1 各个零件的尺寸参数结构 . 9 3.1.1 杆身 1 . 9 3.1.2 杆件 2 . 9 3.1.3 台阶 . 10 3.1.4 梯子关节的设计 . 10 棘轮的参数 . 11 棘爪的参数 . 11 关节轮装配图尺寸 . 11 3.1.5 支座的设计 . 12 支座 1. . 12 3.2 梯子部分的设计 . 13 3.2.1 人字梯的设计 . 13 3.2.2 直梯的设计 . 14 3.3 推车部分的设计 . 14 3.3.1 手推车的结构 . 14 3.3.2 万向轮的设计 . 15 3.4 桌子部分的设计 . 18 4 各形态的受力分析 . 19 4.1 梯子时的受力分析 . 19 结论 . 20 致谢 . 21 参考资料 . 22 附录：译文及原文 . 23 1 摘摘要要这次设计的是一款家用多功能推车梯子,其主要功能有人字梯、直梯、手推车、桌子、凳子、平板车。这些功能都是人们在生活中经常使用的。这次设计主要以安全性、人性化、实用性为主在原有的基础上进行优化创新，通过对材料和力学分析力求达到最优设计。这次设计将会使用 3D 建模，使产品的结构、各部分的连接形象的展现在人们的眼中。也能让人们对这款产品的价值有更深的了解。安全性是这款产品一直强调的重点，同时实用性也是我们一直注意的。关键词关键词：梯子多功能家用设计 2 Abstract This design is a household multifunctional cart ladder, its main function has the ladder, ladder, carts, tables, stools, flat car. These functions are often used in life. This design mainly safety, humanized, practical give priority to optimize the innovation in the original basis, through the analysis of materials and mechanics to achieve optimal design. This design will use the 3D modeling, the connecting image product structure, each part of the show in the eyes of the people. Can also make people have a deeper understanding of the value of the product. Safety is the focus of this product has been emphasized, while the utility is also our attention. Key Words: Multifunctional Household Design 3 1 1 绪绪论论 1.11.1 研究背景研究背景现在，随着城市化越来越严重，家庭的空间越来小，需要用的东西却越来越多，一些必须要有但是不常用的东西及浪费的金钱，还占用空间，所以单一的产品已经不能满足人们的要求了。因此，多功能已经成为现代化发展的趋势，它在市场上的占有率日渐上升，也是人们购买产品是考虑的一个重要因素。然而，现在市面上那些多功能产品一个劲的最求产品的多功能而忘记了产品最基础的功能，忽略了产品的实用性和人性化，让人们觉得用起来并不那么舒畅。造成功能上的浪费。作为最基础的梯子，只有 1%的时间在用，还有 99%的时间都在闲置。但是它在家庭中却必不可缺。因此，在不用的时候怎么用是我们这次设计的主要目的，在一个家庭中，桌子，凳子是必不可缺的，也用不嫌多的。而推车、铲车也是日常生活中不可或缺的工具。 1.2 1.2 研究目的及意义研究目的及意义设计目的：这次设计综合了常见的几款梯子，通过观察其结构和功能的特点，设计出集梯子、推车、铲车、桌子、凳子为一体的多功能梯子。达到节约成本，节省空间的作用。本设计的意义在于：通过对几组方案的观察，和其结构功能的特点设计出新的具有多功能的产品，实现产品的多功能应用，以及产品的更新换代。并培养个人思考问题，解决问题，力求创新的能力。也对大学四年里学的理论知识的一个实践检验。提高了自己实践能力的同时，也丰富了我对专业知识的认知。为以后的工作奠定一定的基础。 1.3 1.3 设计理念设计理念根据设计目的和设计意义，以安全性为重点，实用性为目标，以创新为源泉,对项目进行全面的设计。在设计的过程中既要考虑到产品的质量问题,也要考虑各功能之间的转换和协调.尽量避免各个功能之间的影响,尽量用简单的结构实现功能的使用。做到以最简单的设计，得到功能的最大化。坚持实用与人性化并重，做出最让民众喜欢喝乐于接受的商品。 4 1.41.4 前期准备前期准备在毕业论文设计的前期，我查阅了许多的相关书籍，更加深入的了解多功能梯设计的相关知识，了解了产品的结构和特点，参考了市面上大部分梯子的结构资料，综合了所有的梯子的特点。在设计之前，参考了关于产品的多功能设计以及产品的人性化设计等资料，为设计的总体结构方向进行了定位：在设计的过程中，先将各种功能结构进行整理，进行总体的分析。为了将各个功能实现的问题更好的提出和解决，将设计预分为了前期设计和具体设计两部分。前期设计部分，是根据设计的总体理念提出问题，并通过查阅资料等方式尝试解决问题和进行思路上的总体方向设计。具体设计部分，是在前期设计的基础上按照各个功能和步骤进行的细节设计，并且在设计中不断发现和解决新的问题，力求将设计做到完美。 5 2 2 前期总体结构分析设计前期总体结构分析设计 2.12.1 多功能产品设计中的常见问题多功能产品设计中的常见问题我们可以从以下几个方面进行分析： 2.1.1 多功能产品使用过程中，功能之间相互影响人们在使用多功能产品的时候，定义在任何特定任务中，都只用到一种功能，而在使用这种功能的时候，其他的功能处于闲置状态，而且会在一定程度上影响正常功能的使用，因此会形成一定的不便。 2.1.2 多功能造成的成本浪费多功能产品在实现多功能的时候，势必要考虑功能之间的整合，以及相对位置关系，使用中的相互影响作用，因此就会无形中增加了造型的成本。 2.1.3 多功能造成的功能浪费产品都是针对特定消费者进行设计的，对于产品的功能，同样需要根据具体消费者的特点进行考虑，如果产品的同事也购买到这个产品的其他附属功能，而当他们不需要这些功能的时候，就造成了产品的浪费。在之后的设计中，一定要注意并避免以上 3 点。 2.22.2 产品的人性化设计方法产品的人性化设计方法人性化设计要求产品在满足基本的物质性功能以外，还要更多地关注产品的综合社会价值，关注人的精神和情感需求的满足，在操作上产品与人的关系应该更加友好，对产品的使用与拥有能给人带来过程的预约和精神上的享受。这就要求设计师在对消费者进行针对性研究的基础上，还必须将目光放大对产品被使用过程中的情景和状态进行研究，并且就产品与使用者的非物质性关联因素也要进行考究与推敲，对产品在物质与精神层面进行全方位的设计。所以，产品人性化设计的方法除了围绕功能、造型、材料和安全等大要素而展开的功能规划的人性化设计、造型语意的人性化设计、材料选择的人性化设计和色彩运用的人性化设计，还应该包括：设计思维的人性化设计与操作界面的人性化设计个方案。 2.2.1 设计思维设计思维人性化的一个重要的方面是不能忽视对人类自身的关怀。在环保意识越来越增强的今天，设计师应该增强自己的环保意识，要以尽可能小的资源代价，获取最大的使用价值。利用绿色的设计的理念来指导是我们的设计，为人类的生存和未来承当起最基本 6 的责任和和直接的义务。设计思维的人性化也强调设计师与消费者双方的沟通、联系和交流，深度挖掘超越产品基本功能以外，能够满足各种不同消费群体更为深沉次的心里与精神的需要，实现产品与人更加和谐的关系。除了在产品设计工作中实现产品的人性化，给产品一个恰到好处的命名，往往会成为设计人性化的“点睛”之笔。 2.2.2 功能规划在这里定义的产品功能规划是指预测产品的发展并协调各种新旧功能以适应其发展的过程，当然在此过程中要综合考虑社会的需求、科技因素、价格因素、使用因素等等问题。归根到底功能是为用户服务的，功能的增加必须要增加用户的使用方便性，假设不能达到，那就证明这个功能是多余的无用的功能，这就体现了功能规划的人性化因素。 2.2.3 造型语意通过设计的造型的语意，引发人的情感体验和心理感受，是人性化设计的重要方法之一。人们对产品的第一印象就是通过造型来实现的，设计中的造型要素是人们对设计师关注的一方面。而所有的功能、使用方式最终页必须通过造型而得以明确与实现。 2.2.4 材料选择材料的人性化设计包括：选用绿色材料使产品具备人性化特征；发挥材料的表面肌理特征体现人性化；从文化与审美层面选择材料体现人性化；从安全的角度选择材料体现人性化；从环境适应性角度选择材料体现人性化。 2.2.5 操作方法操作界面的人性化实际上也属于功能规划的人性化中间的一部分，但是它非常重要， “强调一切为人所使用，都必须适合于人” ，确立了“以人为本”的造物原则，从此人类的产品创造步入人性化设计的时代。在界面设计中不光功能的规划很重要，还要从易于识别、易于使用的角度对产品的人机关系进行全面的思考与审视，实现产品的人性化。 2.3 2.3 梯子形态下的人体舒适度及安全总体分析设计梯子形态下的人体舒适度及安全总体分析设计由于梯子部分是核心结构，所以本设计首先从梯子的设计入手。因为本设计需要充分体现以人为本的实用性特点，所以，结构设计的本身需要涉及到在具体使用过程中的人体舒适度，并以此为基础进行梯子结构的相应设计：研制机器和工具的各种技术措施都不完善，除非能适应人的因素，包括人体尺寸，常规的人体姿势、动作和行为。因此符合人机工程的要求是安全工作场所的首要条件。行为研究是必要的，特别对那些几乎是无意识的习惯动作的研究。多动因子 7 的动作和作业的实验，有助于对工作场所或某种器具的各个组成部分进行评价和优化。为此，进行了相应的试验，研究标准轻便直梯放置角度不同对攀登上下梯子动作的影响。试验的主要目的是：研究安全的爬梯子的常规动作，确定适合于人体度量和生物力学因素的条件，如身体尺寸、动作和各种力学。这些条件应保证人以自然动作爬梯子是发生事故的危险性减至最小。 2.4 梯子杆材料的选用作梯子，首先需要考虑梯子可以承载人体的重量，即梯子的材料以及尺寸选择。经过查询和对比，梯子的材料选择铝合金。铝合金在现代机械制造中的应用占有很多大的比例，是制作此类产品的最佳选择。一下是目前市场常用铝合金材料的一些相关信息：表 2.4-1 铝合金的分类与性能 8 表 2.4-2 铝及铝合金管材的品种和规格范围根据这些信息，在本设计中，铝合金材料我选择铝合金 6061:。选择理由是这种材料具有中等强度、良好的抗腐蚀性、可焊接，氧气效果好。很常用，各项性能优越。管材我选厚壁矩形管。选择理由是其性能指标刚好适合本设计使用。 9 3 3 各部分的设计各部分的设计 3.13.1 各个零件的尺寸参数结构各个零件的尺寸参数结构 3.1.1 杆身 1 图 3.1.1-1 杆身 1 如图所示，杆身长 60mm，宽 20mm，高 760mm，薄壁厚 1.35mm。在距离杆角295mm,615mm 处分别有一对内侧孔，尺寸为 30*30mm.是用来安装台阶的。距离两杆脚、20mm,50mm,处打三个对称的等边三角的8 的孔，是用来固定关节的。 3.1.2 杆件 2 图 3.1.2-2 杆身 2 10 如图所示，杆身长 60mm，宽 20mm，高 600mm,薄壁厚 1.35mm。在距离杆脚 85mm，405mm 处分别有一对内侧方孔，尺寸为 30*30mm.是用来安装台阶的。距离两杆脚、20mm,50mm,处打三个对称的等边三角的8 的孔，是用来固定关节的。 3.1.3 台阶图 3.1.3-1 台阶如图所示，杆身的长宽高是 30*30*50mm，薄壁厚为 1.35mm。距离两杆脚、20mm,50mm,处打三个对称的等边三角的8 的孔，是用来固定台阶和杆身增加安全性的。 3.1.4 梯子关节的设计棘轮的参数。如图所示，齿数 16，直径60 ，压力角 20。齿厚 10mm，模数 3.75。中间是一个10 的孔。 11 图 -1 棘轮棘爪的参数 -1 棘爪如上图所示，用10 的孔固定在轴上，上方的爪固定固定齿的走向。详细尺寸见零件图关节轮装配图尺寸 -1 关节装配方式如图所示，此外壳是冲压件，外圆直径为 60mm。下面的薄壁尺寸是57*17.3mm。 12 3.1.5 支座的设计 3.1.5-1 支座如图所示，吃装配图尺寸是 57.3118mm. 支座 1 -1 支座 1 厚度为 10mm 13 3.23.2 梯子部分的设计梯子部分的设计 3.2.1 人字梯的设计 3.2.1-1 人梯子梯子总高是 1300mm,宽是 510mm. 14 3.2.2 直梯的设计 3.2.2-1 直梯直梯总长度为 2800mm,宽为 510mm。 3.3 3.3 推车部分的设计推车部分的设计 3.3.1 手推车的结构 3.3.1-1 手推车如图所示，在梯子的第二节和第三节下方装上可收起来的万向轮，在把第一节通过关节旋转到主体的上面。这样就可以实现手推车的功能。载物台的长和宽分别是1200mm、510mm。 15 3.3.2 万向轮的设计本设计在铲车形态下，由于是前轮轮后轮同事着地，所以，在运行中存在转向问题。因此前轮后轮将设计为带转向的脚轮。如下图所示：图 3.3.2-1 普通万向轮结构在手推车形态下，当停靠在带有坡度的道路上时，若无人看管，很容易自动滑行。为了避免这种情况，后轮脚轮将加入手动锁轮功能。常用锁轮结构有两种，如下图图 3.3.2-2 自锁脚轮 1 16 图 3.3.2-3 自锁脚轮 2 综合考虑上述两种功能，后轮脚轮江北实际为带有转向和手动锁轮功能，如下图所示 17 图 3.3.2-4 自锁万向轮以图为例，这种模型不但具有万向轮功能，而且在轮轴上带有一个手动柄的锁轮功能，动手动柄处于图位置是，轮子可以正常旋转：如果转动手动柄，将手动柄上两个凸起旋转到轮子两边的金属框上，由于凸起的挤压作用，使得金属轮框发生形变，从而挤压到轮子，是金属轮框与轮子之间产生较大摩擦，实现锁轮功能。另外，万向轮用合叶固定在梯子上面，当不用的时候，它可以通过合叶靠在梯子的内侧。方便收纳和美观。 18 3.4 3.4 桌子部分的设计桌子部分的设计图 3.4-1 桌子如图所示，加上长为 1300mm，宽为 470mm，厚为 15mm 的塑料板，就可以当桌子用了，这个是另外选购的。吃桌子高 760mm。符合国家规定的高度要求。 3.4 四种形态的实现 3.4.1 直梯形态将梯子的三个关节开关全部打开，然后张开关节，当关节成 180 度是，就是直梯的形态。 3.4.2 人字梯形态：将上半部分梯子往下折，当道一定角度的时候，就成人字梯 3.4.3 将第二个关节打直，第一个和第三个关节呈 90 度，然后再加上板子，桌子的部分就完成了。 3.4.4 将左边的第一节梯子转到 0 度放在第二节梯子的上面。然后将右端的适当的调整。再把贴在杆上面的万向轮通过合叶拉出来，放在地上。就是推车了。 19 第第 4 4 章章各形态的受力分析各形态的受力分析 4.1 4.1 梯子时的受力分析梯子时的受力分析在直梯子的形态下，1500N 物品放置于梯子中间，梯子与墙成 30 度角，杆长 2800，现计算弯曲应力： M (Fa/l) (1500600)/1300 W 从上面计算可以看出，在这种状态下，此梯子的承受能力达到要求。而从结构来看，不轮人字梯，还是桌子的承受能力都要大于直梯时的力。因此，本产品的承受能力达到要求。 20 结结论论毕业设计师对大学期间所学知识的一次总的检验和巩固，是一次很好的理论联系实际的锻炼，相比以前的几次课程设计，毕业实际对所学基础知识和专业知识的涉及面更加广泛，是知识与实践的有机结合。做好本次毕业设计可以为以后的工作打下坚实的基础和积累丰富的经验，因此本次毕业设计具有很重要的意义。本次毕业设计的主要任务是设计日常生活的一种多功能用品多功能推车梯子。毕业设计说明书对多功能推车梯子做了简单介绍。多功能推车梯子的设计师为了解决目前人们日常生活中对于搬运货物中经常遇到的问题。而桌子、凳子可以在平时不用的时候，可以节约空间，在房间里既可以当写字台用，也可以放在电视机旁边当凳子坐，肯定会用的上的。再设计过程中，遇到了很多前所未有的问题，提高了自己独立解决问题的能力。通过设计，学到了很多新的知识，熟悉了 solidworks、AutoCAD 等设计软件的运用，对利用软件进行机械图样的设计的方式基本掌握。提高了自身技术水平，运算能力及运用计算机识图、制图和查阅手册，使用国家标准和信息资源。在设计前，采纳了关于人性化设计等方面的建议，对本设计的实用性方面有很大的帮助，让我确定了结构简单化、功能多样化、以人为本的设计理念，这对我今后的设计有很大的帮助。 21 致致谢谢本论文是在指导老师姜胜强老师的悉心指导下完成的。在本设计过程中，多次经姜胜强老师的耐心指导和帮助，并一次次地给我讲解，使我的设计思路明确、豁然开朗，同时指出设计中出现的问题而深入浅出地给我解答。老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律已、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标，掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多道理。在此谨向老师们表示崇高的敬意和衷心的感谢！本论文的顺利完成，还离不开各位同学和朋友的关心和帮助，在此向罗意明等同学表示深深的感谢！由于经验和水平都是极大的制约因素，所以在设计中难免有诸多错误和不足之处，望能得到各位老师和同学的指点和帮助，提出宝贵意见，给予批评指正！ 22 参考资料 1、成大先机械设计手册（第三版第一卷）（M）化学工业出版社,2001.4 2、成大先机械设计手册（第三版第二卷）（M）化学工业出版社,2001.4 3、成大先机械设计手册（第三版第三卷）（M）化学工业出版社,2001.4 4、成大先机械设计手册（第三版第五卷）（M）化学工业出版社,2001.4 5、孙恒，陈作模，葛文杰机械原理（M）高等教育出版社，2006.5 6、濮良贵，纪明刚机械设计（第八版）（M）高等教育出版社，2006.5 7、吴宗泽，罗圣国机械设计课程设计手册（M）高等教育出版社，2006.5 8、周良得，朱泗芳现代工程图学（M）湖南科学技术出版社，2000.9 9、哈尔滨工业大学理论力学教研室理论力学（I）（第 7 版）（M）高等教育出版社，2009.7 10、刘鸿文，材料力学 I （第 5 版）（M）高等教育出版社，2011.5 23 附录：译文及原文矿山装载机动臂开裂的计算与实验分析 E. Rusiski，J. Czmochowski，P. Moczko 弗罗茨瓦夫理工大学机械设计和操作研究院，Lukasiewicza 6/7 51-370 弗罗茨瓦夫，波兰通讯作者邮件地址：eugeniusz.rusinskipwr.wroc.pl 收录时间 15.03.2006，接受修订的时间为 2006 年 4 月 30 日。分析和建模摘要：目的：本文的主要目的是考论挖机在井下工作设计的问题与研究地下矿机在工作时的开裂原因设计/方法/方式：主要采用了数值模拟和实验的方法。采用有限元法用于数值模拟。对材料的评价运用了断口微观评价，化学分析，硬度实验的方法。其实现的方法是通过破解装载机动臂，标本材料的评价和两者共同对比的结果的数值模拟分析得出。结果是主要通过数值实验、离散起重臂和预定义边界条件的模型来确定的。对于起重臂的有限元分析对应力分布的极端负载条件提供了信息。这项研究包括采用显微镜做宏观和断口检查，起重臂材料的硬度试验。然后从两种方法得出结论。调查结果：发现地下铜矿用装载机起重臂损坏的原因。实践意义：本研究为理论设计和制造工艺之间的过程中，在设计到对象的过程提供了广泛的观点方法。独创性/价值：本文用评估和测试结果的信息，解释说明的动臂断裂的原因的关系。实验和数值分析显示设计和机器的制造过程的关系。这可以为设计师和研究员在调查过程或如何防止同类机器的故障时提供有力的帮助。关键字：CAD/CAM;材料；金属学；介绍地下采矿机械包括以下：井架，屋顶，抽苔机，装载机，运输车辆以及其它一般用于矿石开采，装载和运输的设备（即最为基本挖掘任务的设备）1。在生产实践中探索与试验证明地下工作的设备以及作为其子组件的要求与地表运行的机器不同。通常情况下开采条件更为苛刻。由于他们的特点的使用过程，他们所受到差的工作条件，和多变的操作条件，同时经常受到载荷冲击。（图 1）图 1 自走式屋顶翻录车在地下矿井期间的工作。矿山机械的设计需要使用快速构造函数，准确的计算方法。此设计还应该有可靠的结构，能承受要求的负荷，同时还应具有经济性2。利用现代集成的 CAD / FEM 系统的方式可以实现此要求。在设计目标和取得负载运行条件的过程中也可以采用其他的方法3,4。尽管现代设计方法已被使用，但我们我们仍然观察到机器的承载元件的损坏。其原因包括以下： 1、设计错误-缺乏精确的计算方法（采用旧的设计），设计师忽略了一些因素，犯负载低估的简单错误，如多余应力，平均应力，类似的影响。在一些时候可以彻底改变结构的工作压力。这种情况中观察到的焊接，锻造，铸造件结构。 2、技术错误-在设计或制造阶段：不正确的技术，错误的配合连接，焊接不良差质量的焊接技术，材料缺陷如不正确的钢种，材料在张拉层压的连接。 24 3、开采错误-开采过程中过载所造成的或不可预知的环境下出现的机械故障。通过精确的分析可以更好的了解开采过程中损坏故障的情况与原因，从而改善未来设计的对象。在广大的地下操作机器中，我们着重考虑装载机。这种类型的机器常见的故障是铲斗和切割刀片损坏。还有就是构架和载臂相关的损坏。在地下采铜矿机械中，起重臂常常受到损坏，图 2 所示。里面包括起重臂的截面断裂，导致完全从机器的前部与余部分的悬臂的分离。此故障常发生在铲斗的过载运行。图 2 损坏的载铲在本设计中为了以确定的吊杆损伤，判断其原因，采用 CAD / FEM 对起重臂的数值应力进行评估。此外，还进行详细的材料分析，以检查可能的物质和技术故障，这也可能是造成这种损伤的原因。数值试验起重臂的几何模型是用来创建一个离散模型。采用有限元法 6，7 和 8 进行数字假设： 1、使用shell元素的钣金建模 2、使用连接器，执行器，车轴和螺栓/引脚建模修改横梁的元素， 3、使用 RBE3 类型的元素承载节点建模 4、铲斗模型采用硬类型元素起重臂的数字建模如图 3 所示。 25 图 3 起重机的吊臂的离散模型根据装载机的技术参数的分析设定了起重臂的四个位置。其中一个假设如图 4 所示。采用了 18种方法进行分析。每个这些假定的铲斗的一个固定位置，承受致动器所产生的应力负荷。作为简化，假设铲斗有一个非常坚固的结构，以同样的假设作为它的自己旋转轴9。图 4 副臂的位置图和负荷图对于起重臂的应力计算采用了 I -DEAS 10系统的有限元分析。样品的应力计算如图 5 所示 26 图 5 根据胡伯-米塞斯理论采用等高线表示臂的应力水平计算出来的三维图显示了起重臂应力的压力大小和形变，主要取决于上的载荷的大小和几何结构。这实例的具有代表性。在这种情况下最大组合应力压力主要集中在造成铲斗结构缺口处的驱动器的接点上。在这个接点上，同时也有一个改变起重臂的侧带材的刚性引起的衬套的致动机构的安装螺栓上。这也是那里的起重臂开裂发起点。 3.材料评估损坏的起重臂和它是由材料使用以下方法评估11: 1、肉眼目视检查，以及体视显微镜检查使用放大倍数可达 30 倍。 2、采用扫描电子显微镜，进行断口评价。 3、化学分析 4、微观评价 5、硬度测试 3.1 宏观的断口评价对骨折运行起重臂的整个横截面进行臂的测试（图 6）根据断口的分析可以得出该骨折是脆性断裂，如图（6）所标记的 A 和 B 点所位于 S1 焊缝熔合材料的杆。分析该断裂点的表面形貌 A 和 B 用扫描电子显微镜显示出平滑的表面，其特征是对骨折始发点。在点 A 和 B 的断裂可能起源已在或焊后不久，最终导致立即脆性吊臂断裂。它也可能焊接骨折导致小区域的疲劳。在 A 点所观察到表面形态如图 7 所示。执行了焊接接头的宏观评价的 S2 角焊缝交叉显微如图 8 所示。焊缝表面可用阿德勒的蚀刻液（ Ma11Fe ）蚀刻。图 6 断裂带形态 27 图 7 为图 6 中 A 点表面形态的 SEM 图像观察证明不完整的角焊缝在焊接熔深的底部。这两种焊接以及焊缝熔合线中还存在着许多焊接错误而产生的气泡。焊缝的宏观检查关节也透露，在扁棒，起重臂各种结构和焊接接头材料以及焊接热影响区（热影响区）内。焊缝关节的宏观检查透漏出扁棒，起重臂各种结构和焊接接头材料以及焊接在热影响区（热影响区）内。图 8 扁钢和起重臂之间的焊接接头 3.2 微观评价对于焊接接头的连接点微观评测优于宏观评价。在Mi1Fe蚀刻后得出结论为起重臂焊接接头的外部材料的微观结构是的ferriticperlite结构，存在轻微的 Widmannsttten 特性结构（图 9）。在这种类型材料的化学成的结构导致了削弱力学参数的，并且还引起焊接的不均匀。焊缝区的贝氏体的地方出现珍珠岩状（伪共）结构。该焊接点的伪共结构表明，焊接是使用中碳钢焊条进行焊接的。热影响区表现出中小板珍珠岩结构以及马氏体结构，其中热影响区是区硬化的，从而导致形成脆性裂纹。当比较起重臂材料和热影响区时在起重臂 HAZ 和焊接接头的铁素体 - 珠光体结构之间的的珍珠岩结构存在明显差异。这种快速变化的结构导致焊接材料和焊接接头的连接的参数在显著变化。这也表明，这是使用不当焊条进行焊接时，具有与本焊接材料显著不同的组合物。焊缝，热影响区的微观结构和焊接误差如图 10 所示。 28 9 起重臂材料的微观结构图 10 焊缝的显微组织 - 热影响区和焊缝 3.3 硬度测试根据波兰标准 PN- EN 1043-1 采用维氏的方法检测硬度。该测试显示，热影响区在焊接接头显著硬化与起重臂材料与材料的局部淬火，从而导致发生脆性断裂。 4 结论本文的主要目的是讨论设计地下采矿用机械的问题，并在其基础上分析了挖掘机杆的断裂问题的原因，和它表面遭受损害如图 2 所示。数值和实验方法的使用，是从更广泛的角度看发生在这种类型的机器的这样的事故。基于所执行的热潮材料测试，分析了与润滑槽的扁钢之间的断裂，焊接接头以及起重臂侧的片，以及在 MES 应力分析，发现了： 1、使用 Mi1Fe 片段的显微镜评价蚀刻，证明了焊缝的外起重臂的材料已经呈现出轻微的证据铁素体 - 珠光体结构出现了 Widmannsttten 结构特征。这种结构由于热处理不当和锻造，意味着，用于起重臂的金属是不充分轧并具有较低的机械强度。 2、根据波兰 PN-86/H-84018 的标准，碳当量计算，基于该钢在测试过程中确定的化学组成，在0.453 和接近到 0.46 的容许值之间。然而，评价表明吊臂景气钢可焊性较差，应考虑到进行任意的焊接修理前的说明。 3、为各种各样负载的进行了有限元分析证明了脆性断裂发生在一个结构缺口，造成应力集中在一点。在起重臂经受例合并应力达到最大，扭转力为 29 4、可以得出结论，没有直接的焊接信息进行（这只能是通过实验室材料分析获得）确定： Widmannsttten 结构的存在 CE 边缘碳当量值造成额外引入的残余和局部应力改变材料特性（材料硬化）。这反过来加速脆性断裂的发生。 5、因为材料的缺陷与结构不合理所造成起重臂断裂是不可避免的，装载机起重臂负荷运行，限制了其使用期。参考文献 1 K. Pieczonka: Scoop Loaders (in Polish), Wroclaw University of Technology Publishing House, Wroclaw 1988. 2 T. Smolnicki, E. Rusinski, J. Czmochowski: Some aspects of load carying structures of mining machines, Mechanical Review, 1/2004 p. 32. 3 G. Wszolek: Vibration analysis of the excavator model in GRAFSIM program on the basis of a block diagram method. Journal of Materials Processing Technology 157/158 (2004) 268-273 4 A. Buchacz, A. Machura, M. Pasek, Hypergraphsinmodelling and analysis of complex mechanical systems, Systems Analysis Modelling Simulation, (2003), Taylor & Francis, New York. 5 A. Krukowski, J. Tutaj: Deformational connections. National Scientific publications, 1987. 6 E. Rusinski, J. Czmochowski, T. Smolnicki: Advanced Finite Element Method for Load-carrying Structures of Machines (in Polish), Wroclaw University of Technology Publishing House, Wroclaw 2000. 7 E. Rusinski: Finite Element Method; System COSMOS/M”(in Polish), WKL, Warsaw 1994 8 O.C. Zienkiewicz, R.L. Taylor: The finite element method. Vol. 1, Vol. 2. McGraw-Hill Bool Company, London 1991 9 E. Rusinski, K. Kanczewski, P. Moczko, W. Dudzinski, M. Lachowicz: Determination of causes of fracture of loader jib boom LK-2NCC. Report No. S-019/2005, Institute of Machine Design and Operation at the Wroclaw University of Technology. 10 Structural Dynamic Research Corporation: Exploring IDEAS Design. 11 W. Dudzinski and others: Structural materials in machines design, Wroclaw University of Technology Publishing House, Wroclaw 1994. Copyright by International OCSCO World Press. All rights reserved. 2006VOLUME 17ISSUE 1-2July-August2006Short paper273of Achievements in Materialsand Manufacturing Engineeringof Achievements in Materialsand Manufacturing EngineeringNumerical and experimental analysis of a mines loader boom crackE. Rusiski*, J. Czmochowski, P. MoczkoInstitute of Machines Design and Operation, Wroclaw University of Technology,ul. Lukasiewicza 7/9 51-370 Wroclaw, Poland * Corresponding author: E-mail address: eugeniusz.rusinskipwr.wroc.plReceived 15.03.2006; accepted in revised form 30.04.2006Analysis and modellingAbstrActPurpose: The main purposes of the paper are to discuss designing problems of machines used in underground mining and investigation of its reasons based on cracked boom of underground mine machine.Design/methodology/approach: Numerical and experimental approach was considered. The finite element method was used for numerical simulation. Fractographic and microscopic evaluation, chemical analysis, hardness tests were used to perform material evaluations. The objectives are achieved by numerical simulation of cracked loader boom, material evaluations of specimens and comparison of results achieved from both approaches. These were determined through a numerical experiment, based on a discrete model of the jib boom and predefined boundary conditions. The finite element analysis for the jib boom provided information about stress distribution for extreme load conditions. The study included macroscopic and fractographic inspection, microscopic evaluation as well as hardness tests of the material used for the jib boom. Conclusions from both approaches were drawn then.Findings: The causes of damage of a loader jib boom used at an underground copper mine were found.Practical implications: The study provides practical implication into designing process of mentioned objects by wider view of relationships between theoretical design and manufacturing process.Originality/value: The paper provides information backed by evaluation and test results, stating the nexus of causes of the boom failure. The experimental and numerical approaches show relationship between designing and manufacturing process of machines. This can be helpful for the designers and researchers looking for reasons, methods of investigations or how to prevent failures of similar machines.Keywords: CAD/CAM; Materials; Metallography1. Introduction Machines used in underground mining, such as: derricks, roof bolting machines, loaders, transportation vehicles as well as others are generally used for ore exploitation, loading and transportation, i.e. basic mining tasks 1. Construction design practice, exploitation and tests prove that such machines as well as their sub-components are subject to requirements radically different from machines operating on the surface. In general exploitations conditions are much heavier. Considering their specific application, they are subject to adverse operating conditions, variable operating conditions and are often subject to percussive loads (fig. 1). Fig. 1. SWB (Self-propelled roof ripping vehicles) during operation at an underground mine Design of mining machines requires from the constructor to use quick and accurate calculation methods. The design should 1. Introduction30Short paper274Journal of Achievements in Materials and Manufacturing EngineeringE. Rusiski, J. Czmochowski, P. Moczko Volume 17 Issue 1-2 July-August 2006result in a reliable construction, withstanding the required loads, whilst also being economical 2. This can be achieved through the use of modern integrated CAD/FEM systems. Other approaches can be also used for the designing purpose and in order to achieve loads coming from operational conditions 3, 4. Even though modern design methods are already employed, we still observe damage of load bearing elements of machines. Some of the reasons for this include: ?design errors lack of precise calculation methods (older construction), load underestimate, simple mistakes made by designer, neglecting influence of some factors such as residual stresses, mean stress, fits influence 5, which in certain circumstances can drastically change stress effort of structures. This situation is observed in welded structures, forged and cast parts, ?technological errors during the design or production stage: incorrect technology, wrong fits in connection, bad welds quality and wrong welding technology, material faults incorrect steel grade, lamination of material in tensioned connections,?exploitation errors overloads caused by improper exploitation or by unpredicted circumstances, exploitation with mechanical failures. A precise analysis of damage occurring during exploitation allows for better understanding of circumstances and causes of faults, thus allowing for improvement of design of future objects. Among the vast number of machines operating in underground mines, we would like to concentrate on loaders. A common fault, which is found in machines of this type is damage to the scoop bucket and the cutting blade. There are also cases related to damage of the frame or the loading jib. During exploitation of one of such machines in an underground copper mine, the jib suffered damage as shown in fig. 2. This consisted of a cross fracture of the jib boom, causing complete separation of the front part of the jib from the rest of the machine. The fault occurred during unloading of the scoop. Fig. 2. Damaged loader boom In order to determine the causes of the jib damage, a decision was made to verify the design of the machine, using CAD/FEM numerical stress assessment of the jib boom. Furthermore, detailed material analysis was also performed, to check for possible material and technological faults, which could also be plausible causes of this damage. 2. Numerical experiment The geometrical model of the jib boom was used to create a discrete model. Digitization was performed using the finite element method 6, 7 and 8 assuming: ?modeling of sheet metal using Shell elements, ?modeling of connectors, actuators, axles and bolts / pins using modified Beam elements, ?modeling of bearing nodes using RBE3 type elements, ?modeling of the scoop bucket and the boom using Rigid type elements. The digital model of the jib boom is shown in fig. 3. Fig. 3. Discrete model of the jib arm According to technical parameters of the loader the analysis assumed four positions of the jib boom. One of assumed position is shown in fig. 4. Stress analysis was performed for 18 different cases. Each of these assumed a fixed position of the scoop bucket, with the stress load being generated by the actuators. A simplifications was made, assuming the scoop bucket as an ideally rigid construction, similarly a same assumption was made for its rotation axis 9. Fig. 4. Diagram of jib boom positions and loads The stress calculations for the jib boom were performed using finite element analysis using the I-DEAS 10 system. Sample stress calculations are presented in fig. 5. 2. Numericalexperiment31275Analysis and modellingNumerical and experimental analysis of a mines loader boom crackFig. 5. Contour lines representing stress levels in the boom, according to the Huber-Mises theory The computations provided a 3D representation of the stress levels as well as show the deflection of the jib boom, depending on the load size and geometrical configuration. The most representative case was determined. The maximum combined stresses in this case are: ?MAX = 413 MPa Stress concentration is caused at a structural notch at the booms actuator mounting point. At this point there is also a change in the rigidity of the booms side strip caused by the bushing for the actuator mechanisms mounting bolt. This is also the point where the boom cracking was initiated. 3. Material evaluation The damaged jib boom as well the materials it is made of were evaluated using the following methods 11: ?macroscopic visual inspection as well as stereomicroscope inspection using magnifications up to 30x, ?fractographic evaluation - scanning electron microscope, ?chemical analysis, ?microscopic evaluation, ?hardness tests. 3.1. Macroscopic and fractographic evaluation The boom supplied for testing had a fracture running across the entire cross section of the boom (fig. 6). The fractographic analysis concluded that the fracture was an immediate brittle fracture, originating at points marked A and B in fig. 6, located along the S1 weld joint fusion with the boom material. Analyzing the surface topography of the fracture points A and B using a scanning electron microscope showed a smoothed surface, which is characteristic for fracture origination points. The fractures at points A and B probably originated already during or shortly after welding, and ultimately lead to an immediate brittle fracture of the jib boom. It is also probable that the welding fractures lead to a small fatigue zone. Surface morphology observed at point A is shown in fig. 7. Macroscopic evaluation of the weld joint was performed at the cross microsection of the S2 fillet weld (fig. 8). The weld surface was etched using Adlers etching solution (Ma11Fe). Fig. 6. Topography of the fracture zone Fig.7. Surface morphology at point A - fig.6. SEM image Observations proved incomplete weld penetration at the root of the fillet weld. Both welds as well as the weld fusion line also exhibited numerous welding errors in the form of interruptions as well as gas bubbles. The macrostructure examination of the weld joint also revealed various structures in the flat bar, jib boom and weld joint materials as well as within the HAZ (heat affected zone). Fig. 8. Weld joint between the flat bar and jib boom 3.2. Microscopic evaluation Microscopic evaluation was performed for the cross microsection of the weld joint, which was earlier subject of the macroscopic evaluation. After etching with Mi1Fe it was concluded that the jib boom material microstructure outside of the weld joint is a ferritic-perlite structure exhibiting slight characteristics of a Widmannsttten structure (fig. 9). This type of structure results in weakening of the mechanical parameters and also causes problems during welding, because of the non-homogeneous chemical composition of the material. The weld area has a perlite (pseudoeutectoid) structure with local occurrences of bainite. The pseudoeutectoid structure of the joint suggests that welding was performed using a medium carbon welding rod. The heat-affected zone exhibits small plate perlite structures as well as areas of martensite structure, where the HAZ was hardened, thus leading to formation of brittle cracks. When comparing the jib boom material and the HAZ there is a clear difference between the ferritic-perlite structure of the jib boom and the perlite structure of the HAZ and weld joint. This rapid change of structure leads to significant change of parameters at the connection of the welded material and weld joint. It suggests 3. Materialevaluation3.1. Macroscopicandfractographicevaluation3.2. Microscopicevaluation32Short paper276READING DIRECT: Journal of Achievements in Materials and Manufacturing EngineeringVolume 17 Issue 1-2 July-August 2006also, that the weld was performed using an improper welding rod, having a significantly different composition as compared to the w

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