（轮机工程专业论文）修造船起重机新型夹轨器的研究.pdf

中文摘要 摘要 在修造船行业，大多数起重机是被安装在海江岸边、坞墙附近的轨道上，以 满足修造船行业起重作业之需。由于起重机本身迎风面积较大，加之其位置一般 均无其他建筑物遮挡，当受到飓风、台风、突然阵风的袭击时，会对起重机产生 很大的推力，推动起重机沿轨道无控制地加速运行，造成俗称的“跑车”现象。 发生“跑车”的起重机在碰撞阻挡物后会造成整体倾覆，或冲倒到水中，引起严 重安全事故 “跑车”现象发生后，靠人力是无法控制的，所造成的安全事故也是在起重 机事故中最严重的一种，除起重机整体损坏外，还会造成其它设备、设施、建筑 等的巨大经济损失，甚至造成重大人身伤亡事故。 安全可靠的起重机夹轨器是防止起重机发生“跑车”现象的重要装置。 本文根据作者单位的工作实际要求。对夹轨器进行了比较详细的调查、分析， 和研究，通过结构分析后研究出了一种合理的起重机夹轨器。并根据本单位的实 际起重机参数，给出了相应的起重机夹轨器参数，研制出手动、电动起重机夹轨 器各一款。所研究的起重机夹轨器克服了目前夹轨器不能自锁和夹持力不能随风 载荷而变化等不足，其性能及一些相关参数均高于现有夹轨器，并且成本和现有 夹轨器相当。 在夹轨器的研究基础上，本文也提出了对夹轨器今后发展的展望。 关键词：修造船设备，起重机，夹轨器，安全 英文摘要 t h er e s e a r c ho nn e wc r a n er a i l - c l a m pa n c h o ru s e di n s h i p - m a k i n ga n ds h i p r e p a i r i n g a b s t r a c t a r a i l c l a m pa n c h o ri st h en e c e s s a r yu n i tt h a tp r o v i d e ss e c u f i t yg u a r a n t e ea g a i n s t s t r o n gw i n df o rc r a n e ，e s p e c i a l l yf o rt h o s eu s e di ns h i p - m a k i n ga n ds h i p r e p a i r i n gf i e l d ， w h i c hu s u a l l ya r el o c a t e da ts e a s h o r ea n dw h i c ho f t e na r es u b j e c t e dt ot y p h o o n s ， c y c l o n eo rf l u r r y w h e nt h e ya r ea t t a c k e db yt h e s ek i n d so fs t r o n gw i n d sw i t h o u tt h e p r o t e c t i o no fr e l i a b l ea n c h o r st of i xt h e mw i t ht h er a i l s t h ec r a n e sw o u l dr u na l o n gt h e r a i l so u to fc o n t r o la n dl e a dt od e f i n i t e l ye c o n o m i ca n dl i f el o s t i th a sb e e np r o p o s e d s i g n i f i c a n t l yi nt h ec r a n es e c u r i t ys t i p u l a t i o nt h a tc r a r t e sw o r k i n go u t s i d e ，e s p e c i a l l y b e i n gl o c a t e da ts e a s h o r e w h i c hi ss u b j e c t e dt ot h eg r e a t e rw i n d - l o a d ，h a v et of i xa r a i l - c l a m pa n c h o r b a s e do nas e r i e si n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i s ，a n do nt h er e a lr e q u i r e m e n to ft h e a u t h o r sd e p a r t m e n t - 一ah a r b o r , t h ea u t h o rg i v e sac o m p a r ei nd e t a i lb e t w e e nd i f f e r e n t s c h e m e s ，c h o o s et o wo ft h e mt od e s i g nw i t ht r a d i t i o n a lm e t h o d s ，a n dp r e s e n tam a n u a l o p e r a t e dr a i l c l a m pa n c h o ra n d8 1 1 e l e c t r i c a ld r i v e no n e t h ep a r a m e t e r sa n dt h e s t r u c t u r e so ft h ea n c h o ra r ea i m e da tt h er e a lr e q u i r e m e n t t h ed e s i g n e dr a i l - c l a m p a n c h o r sh a v eab e t t e rp e r f o r m a n c e ，s u c ha se n a b l i n gt oa d j u s tt h e i r a n c h o r _ f o r c e f o l l o w i n gw i n d _ l o a da n dh a v i n gt h es e l f - l o c ka b i l i t y s o m ee x p e c t a t i o n so f r e s e a r c ha r ep r o p o s e df o rf u t u r e k e ) rw o r d s ：c r a n e ；r a i l - c l a m pa n c h o r ；s e c u r i t y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写 成博士顾士学位论文! 修造殷起重扭堑型去熟墨的班究 ：除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作 学位论文版权使用授权书 俾9 罗月2 。日 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“4 ”) 论文作者 师签名： 每。其 修造船用起重机新型夹轨器的研究 引言 随着经济增长，海运行业近几年蒸蒸日上，因此，也带动修造船行业突飞猛进 地发展修造船业使用的起重机械是该行业生产装备的关键设备。以大连中远船 务工程有限公司为例，近二年来增加的起重设备约7 0 余台，总价值约两亿元人民 币。为使起重机械能可靠地在生产中发挥最大的作用，仅靠设备的一般配置是不 够的，尤其是在室外使用的修造船用龙门起重机、门座式起重机，其能否可靠地 工作受天气影响很大。近十多年来，全世界温室效应显著，飓风、台风和突然强 阵风相对频繁，室外起重机械被风“刮跑”现象时有发生，造成起重设备和其它 损坏等巨大损失，甚至发生重大人身伤亡事故 1 - 2 1 。例如，2 0 0 4 年营口港价值七仟 万元人民币的两台岸边集装箱门式起重机在正常天气情况下，突遇强阵风，将该 设备刮动，沿着起重机轨道飞速行走，直至轨道终点后倾翻至海中，共造成约1 4 亿元人民币的损失。大连造船厂、大连港等也均发生过类似设备事故。发生这类 事故除造成设备本身损坏外，还会造成其它设备以及建筑设施损失和人身伤亡事 故，同时给企业事故后的生产造成困难，影响修造船的周期，造成企业因拖延周 期违约被罚款。 为避免类似事故，除设备操作人员按正常操作使用外，还需安装可靠的夹轨器 以保证设备安全。 起重机夹轨器是目前保障起重机安全生产的重要装置。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 夹轨器在修造船行业起重机中的应用 夹轨器是一种轨道运行设备中使用的安全装置。它可在设备停止行走或停止作 业时，使设备与轨道固定，确保设备不致因风力造成意外移动的安全辅助装置。 室外使用的起重机，如修造船用门座起重机、龙门起重机等均在轨道上行走，在 室外使用时均有可能因风力造成车轮在轨道上滚动或滑动。因此，配用参数合理、 性能可靠的夹轨器是十分必要的1 3 羽。 1 2 起重机对夹轨器的要求 为了保证起重机械不因风力原因被“刮跑”而不可控制，夹轨器必须要保证在 非工作状态最大风力情况下，能可靠地将起重机固定在轨道上，使车轮不应在轨 道上滚动或滑动( 因机械间隙除外，下同) 。突遇阵风时，起重机在超出正常工 作速度时，夹轨器应立即工作，能将起重机制动并可靠地固定在轨道上。同时， 还应保证不能因安装夹轨器后影响起重机的正常使用。 对于海边作业的起重机，其非工作状态下的最大风载荷为6 0 0 1 0 0 0 n m 2 ，正常 工作速度2 5 - 3 0 m m i n t t l 。 1 3 夹轨器技术现状 目前广泛使用的夹轨器主要有手动式、电动弹簧式、电动重锤式、电动液压 等几种主要类型，各类型的夹轨器特点如下： 1 3 1 手动夹轨器【8 9 1 手动夹轨器的主要优点是构造简单，一般只能在设备停止工作时，由人工进行 操作实施夹轨固定。手动夹轨器夹轨动作慢、夹轨力受人为操作影响较大，夹紧 力有限，夹紧动作慢，不具备应对正常工作情况下遇强阵风的能力，安全性较差， 仅在中小型起重机上使用。 1 3 2 电动弹簧式夹轨烈1 0 , 1 1 , 1 2 3 1 电动弹簧式夹轨器的主要结构一般由一对增力杠杆和一组压缩的套叠弹簧构 成。弹簧的弹力经杠杆放大后使钳口产生夹持力。这种夹轨器的夹紧力可通过组 配弹簧进行调解，故夹紧力可较大。电动机的作用通常是解锁。通过电气连锁， 使起重机运行机构停止作业或系统掉电时，夹轨器便能自动发挥作用，安全性较 第一章绪论 好。另外这种夹轨器也可做成手动、电动两用。其缺点是：当所需的夹持力较大 时，套叠弹簧制造与调整不方便，安装时钳口与轨道不易对中，这会影响夹紧力。 1 3 3 电动重锤式夹轨器【1 3 ，4 1 大型龙门起重机与门座起重机上多数采用电动重锤式夹轨器。其优点是：夹轨 器是自动作用的，即起重机遇到大风或起重机不工作时，起重机断电而夹轨器自 动作用，将起重机牢靠地固定住。其缺点是：自重和体积均较大，因设备空间限 制不易安装，楔形重锤和重量能达到起重机总重的2 - 3 ，重锤与滚轮接触易使后 者磨损。 1 3 4 电动液压夹轨器【1 2 , 1 4 电动液压夹轨器的优点是：起重机断电时，夹钳在弹簧作用下能自动夹紧于轨 道上，工作安全较可靠。夹轨器的开启靠压力油进入液压缸推动活塞丽实现。这 种夹轨器适用于大型龙门起重机、装卸桥与门座起重机上。其缺点是：液压系统 元件加工要求较高。 1 3 5 电动液压夹轮器【4 5 】 电动液压夹轮器与夹轨器具有相同的功能，它是靠液压油缸制动车轮两侧的制 动片来停止起重机的。该夹轮器尺寸小、重量轻，制动力矩尚可，最大缺点是不 能限制车轮在轨道上的滑动，如风载荷大于起重机在轨道上的摩擦力时，起重机 仍在可能被“刮跑”因此，该夹轮器只适用于受风面积与自重比值较小的起重 机上 1 4 目前所用夹轨器的缺陷 1 4 1 夹轨器的夹持力不能随风载荷的变化而调整 耳前所使用的夹轨器一般夹持力都是恒定的，如果固定安装调整间隙过大，其 夹持力达不到额定要求。如果调整间隙过小，会在起重机正常工作时发生夹轨器 与轨道刮碰现象，影响起重机的正常行走。并且夹持力对因夹轨器夹钳的磨损造 成间隙非常敏感【6 】。 1 4 2 无自锁功能 目前使用的夹轨器一般无自锁功能，因此，很难保证在风载荷很大的情况下用 夹轨器将起重机可靠地固定的轨道上，车轮与轨道间可能发生滚动和滑动。 第一章绪论 1 4 3 尺寸大、重量大、夹持力小 目前使用的夹轨器夹持力与重量比值相对较小，尺寸大，相对造价高，存在安 装、维修不方便等问题【3 1 。 综上所述，设计开发新型夹轨器是必要的。 第二章研究、设计的内容 第二章主要研究的内容 2 1 研究夹轨器设计参数与操作形式 2 1 1 参数 起重机承受的风载荷4 0 t ，每台起重机共安装四套夹轨器，每套夹轨器的额定 工作载荷为l o t 。 2 1 2 外形尺寸 根据作者单位现有修起重机具体参数，给出如下外形尺寸：长宽x 高不超过 8 0 0 r a m 6 0 0 r a m 1 0 0 0 m m 2 1 3 具备自锁和自适应功能 因为施加给夹轨器的外力撤消后，要防止夹轨器机构部件自动复位，使夹轨 器钳口与轨道分开，因此，要有自锁功能，并保证夹钳的夹持力能随风载荷的增 加而增加。 2 1 4 具备误差补偿功能 由于起重机运动过程中的各种误差累积，起重机会与轨道之间产生横向窜动， 最大可能有2 0 r a m 左右【引，为使夹轨器作用的时候始终位于轨道上方，在设计中应 该有补偿横向窜动的装置，补偿量大约为2 0 m m 。根据轨道现场安装精度，在垂直 方向上，走轮和轨道的接触误差，会引起起重机在垂直方向上的大约l o m m 的窜 动量，为使夹轨器能够准确地夹紧轨道，在设计过程中，需要设计补偿垂直方向 误差的方案。 2 1 5 操作方式 2 。1 5 1 手动操作 通过手动操作形式的论证，选择一种可靠的手动夹轨器，为今后用于小型室外 起重机做技术准备。 2 1 5 2 电动操作 通过电动操作形式的论证，选择一种可靠的电动夹轨器，为今后用于大型室外起 重机做技术准备。 第三章手动夹轨器 第三章手动夹轨器研制 3 1 手动夹轨器的论证及选择【1 5 】 3 1 1 手轮斜楔式( 方案一) 在图3 1 中，夹轨器机架1 与手轮2 固联的螺杆3 之间构成可相对转动但不 能相对移动的回转副，滑块4 与螺杆3 之间构成螺旋副而同时以与机架l 构成移 动副可作上、下移动，且分别与连杆5 、5 构成回转副；摆动臂6 、6 与连杆5 、 5 、摆臂6 、6 与托梁7 间亦通过回转副连接，同时托梁7 与机架1 构成移动副， 实现水平和垂直方向的小幅相对移动；摆臂6 、6 下端各安装两块斜楔式钳口摩 擦块8 ，依据具体设计，可分别采用移动副或回转副连接。9 为轨道。 1 - 机架，2 操作手轮，3 螺杆，4 滑块，5 、5 ，连杼 6 、6 - 摆臂7 ，托梁，8 轨道，9 楔块 图3 1 手轮斜楔式 f i g3 1s t y l ew i mh a n d - w h e e l d r i v i n gi n c l i n ew e d g e d 当起重机停止工作或出现故障需要停车时，通过手动来实现夹轨操作：转动 手轮使滑块下移，此时机构首先使夹钳整体下移，当托梁与轨道接触轨时，夹钳 第三章手动夹轨器 不再下移，而滑块继续下移，通过连杆带动摆臂上部外张，同时下部钳口合并， 使钳口夹紧轨道。若两侧钳口与轨道不对称，可通过托梁的水平移动进行补偿， 以保证两侧钳口受力均匀。 当起重机要开始工作前，手动实现放松夹轨器操作：转动手轮使滑块上移， 通过连杆带动摆臂上部内收，下部钳口与轨道松开。接前隧着滑块继续上移，机 构使夹钳整体上移，进而托梁与轨道脱开一定的距离，以保证夹轨器不影响起重 机的正常工作。 设计时，应保证在钳口处于夹紧位置时，连杆5 、5 与滑块4 的连接接近于死 点位置，即压力角小于摩擦角，所以增力比很大，在不用很大的力矩作用下会产 生较大的夹紧力实现预紧。且系统具有反向自锁关系。 当钳口预紧后，楔块9 与摆臂下端不论采用回转副连接还是移动副连接时， 如果风载荷使起重机沿轨道方向有微量移动，楔块会在轨道和摆臂下端间进一步 楔紧，从而实现夹持力随风载荷的增加而增加。设置四块楔块的目的是保证对任 意方向的风载荷均可发挥上述效果。 3 1 2 手柄偏心轮式( 方案- - ) 本方案主体结构与前一种类似，不同的是采用手柄施加力矩，齿轮齿条传动， 实现夹钳整体的下降夹紧和放开提升；在夹钳口处采用一个偏心圆轮，当有外界 载荷作用的时候起重机有运动趋势的时候，由摩擦作用使偏心轮转动，夹钳夹紧 1 手柄，2 齿条，3 齿轮，4 偏心可转动夹钳，5 平面夹钳 图3 2 手柄偏心轮式 f i g3 2s t y l ew i t hh a n d l ea n dp r e j u d i c i a ld i s k 第三章手动夹轨器 力增大，风载荷越大，偏心轮转动角度越大，两夹钳的闭合程度越大，实现的夹 紧力越大，实现对风载荷的自动适应。结构示意图如上图3 2 所示。 其动作过程描述如下： 夹紧作业时，手柄1 逆时针转动带动齿轮3 ，并使齿条2 下移，首先使夹钳整 体下降，当托梁与轨道接触后，连杆推动摆臂使夹钳4 、5 收拢夹住轨道，并施加 一定的预紧力。开启作业过程与夹紧作业过程相反。 钳口一侧设置的偏心圆轮，其作用与前一方案中的楔块相似。当风载荷使起 重机沿轨道有微量移动时，该钳口的转动使夹紧力变大，以适应风载荷的变化。 这种结构的优点是可用一个零件发挥前一方案中4 个楔块的功能，对前后两个方 向的风载荷都能很好适应。 3 1 3 侧面手轮式( 方案三) 手轮安装在夹轨器的侧面，将两个反向的螺纹套分别安装在两个夹钳臂上， 转动手轮，两侧夹钳同时靠近并夹紧轨道。其结构图3 - 3 所示： 3 。己 1 手轮，2 螺纹套，3 螺杆，4 拉杆，5 夹钳 图3 3 侧面手轮式 f i g3 3s t y l eo f l a t e r a lh a n dw h e e l 其动作过程描述如下： 在需要夹轨器工作的时候，转动手轮，因为螺纹套是两个相反旋向的，因此 将会同时使两侧夹钳夹紧轨道，这样夹钳的夹紧力比较均衡，不会出现一侧靠紧 而另一侧虚接触的情况。 第三章手动夹轨器 3 1 4 方案综合比较及选择 方案一的原动力部分采用螺纹传动，传动效率比较低。而且如果手轮直径比 较小的时候。要施加一定大小的力矩就需要较大的动力，但是手轮过大，又会使 结构笨重，此外，从螺纹的行程上考虑，一方面要使夹钳松开，另一方面还要提 升夹钳，这样螺纹的行程较大，就需要安装夹轨器的空间较大。这种结构的优点 是实现自锁比较容易，只要设计一定的螺纹升角就可以实现原动力部件的自锁。 夹钳作用面部分嚣要两对楔块作用以保证承受不同方向的载荷，而且在一个动作 的时候只有一对起作用另外一对处于空闲状态，因此利用率不高，而且夹钳主要 作用位置需要四根轴，在这种本身精度不高的设备中采用这样的结构会大幅增加 加工成本，加工部分经济性比较差。而且，在一个夹钳上布置两根轴，很难保证 轴以及安装轴的部位的刚度和承受载荷能力。 方案二的原动力部分选用手柄，这样可以使传动效率大大提高，而且稍微长 一些的手柄就会使增力比较大，在产生相同大小力矩的情况下，施加的力会比手 轮式的小，也就使工作省力一些，但是手柄过长有可能会在工作的过程中，手柄 的伸出部分和起重机两侧的物体干涉，因此，要合理设计手柄长度和作用位置。 另外，齿轮齿条传动，本身并不能实现自锁，因此，就需要加一个外部结构实现 自锁，在这种手动式的精度不是很高的设备中，可以采用一个销挡住齿轮的转动 实现自锁。夹钳作用面的部分采用一侧偏心圆轮另一侧平面，起重机有任何一个 方向的运动趋势都会使偏心圆轮实现转动，从而使钳口更趋于闭合，使夹紧力增 大。由于在夹钳重要承载处只有一根轴，可以设计的粗壮一些，提高设备的安全 性。该机构的结构简单，经济性也比较好。 方案三在原动力传入上与方案一有相似之处，都用手轮。但是方案三中的手 轮安装在夹轨器的侧面，这样在工作中比较方便。而且，采用两个相反旋向的螺 纹套不仅可以提高工作的效率，还可以使夹紧力比较平均的分布在两个夹钳上。 但是这种结构中没有上述两种方案中可以把外界载荷转化为夹轨器原动力的增力 装置，而在这种载荷较大的安全设备中，只靠手动的施加原动力夹紧，很难能达 到安全的效果。 从消耗材料方面来看，因为前两种方案的夹钳臂以及连杆部分结构结构及尺 寸很相近，所以在消耗材料方面相差不大。从结构上可以看出，方案三的结构是 最简单，而且材料消耗也比上两种方案节省，但是，如上面各种功能的比较分析 中，方案三有诸多的不利之处，所以主要考虑l i 两种方案。对于前两种方案，主 第三章手动夹轨器 要根据结构的合理性和加工的经济性来考虑方案选择，综合两种方案优缺点的比 较，最终选择第二种方案为设计的主要方向，在具体的部分加以改进。 3 2 夹轨器结构分析 3 2 1 总体结构分析 具体方案示意图如下图3 4 所示； 1 - 手柄，2 齿条，3 - 拉杆，4 夹钳臂，5 偏心圆钳口，6 - 齿轮，7 拉板，8 平面钳口 图3 4 设计方案示意图 f i g3 4s c h e m eo f d e s i g n 方案中的动作过程如上面的分析，从工作原理上看，需要给夹轨器的原动力 实际上是为了保证夹钳转动的预压力，这个力不需要很大，由于设备本身的重量 比较大，可以利用设备本身的重力转化一部分的夹紧力。这样在夹紧的时候，只 要让夹轨器夹钳放在轨道上，再稍加预紧力，让夹钳与轨道不产生虚接触就可以 了。从降低工作强度方面考虑，在夹紧的时候，除了依靠夹钳本身重力之外，再 在适当部位安置一个弹簧，靠弹簧的弹力实现预紧，这样在夹紧的时候，只要放 下夹钳，就可以自动夹住轨道，可以达到省时省力的目的，更可以让设备工作安 全可靠。弹簧安装的位置将在设计过程中根据结构来布置。 第三章手动夹轨器 3 2 2 主要零件的材料选择【1 6 】 在工作中风载荷的变化会使起重机的机架对夹轨器产生一定的冲击，夹轨器 各部分体积也比较大，在选择的方案中夹钳臂以及拉杆的结构相对复杂，所以夹 钳臂以及拉杆采用铸钢毛坯，由于在某些地方需要焊接( 这将在后面的零件设计 中具体分析) ，所以选择焊接性能比较好的z g 3 1 0 5 7 0 。夹钳的接触面上以及转动 的夹钳，在工作中压力和摩擦力相当大，所以选择6 5 m n ，并且需要淬火然后回火。 结构需要精确连接的地方采用机械加工以保证连接的精度，所以材料还要有较好 的机械加工性。 3 2 3 构造设计 3 2 。3 1 拉杆 根据设计题目要求，夹钳提起的时候张开宽度要和相接触一侧的轨道有1 0 r a m 左右间隙，以保证工作时候不会因为夹钳下底面卡在轨道上面，使夹轨器不能夹 住轨道。而且，当夹钳张开的时候要向上提起，以防止在起重机运动时候夹钳下 底面与轨道上平面相刮碰，提起距离大约需要1 0 m m 。这些距离是由图3 4 中拉杆 3 的尺寸和作用位置决定，如下图3 5 所示：当夹轨器夹钳抬起的时候，拉杆角度 由1 8 0 。变化到1 2 0 。根据夹钳臂的尺寸关系，要使夹钳作用面张开1 0 m m ，就要 拉杆处收缩3 0 r a m ，由图3 5 中关系： l ( 1 - s i n 6 0 ”) = 3 0 r a m 解得l = 2 1 5 m m ，国缎 夹紧提升 图3 5 拉杆位置变化图 f i g3 ，5p o s i t i o n so f p u l l i n gs t a f f s 在实际设计中选择2 。m m ，这样，夹钳作用面张开宽度为型型学= 9 2 ( 衄) ，可以满足设计中的要求。因为在这个过程中，夹轨器夹钳只张开，所 第三章手动夹轨器 以为满足设计要求，在这之后，拉杆还要整体抬升1 0 m m ，以保证要求中的夹轨器 的下底面部分可以离开地面大约1 0 n l l n 。 3 2 3 2 夹钳臂以及拉板的计算 如下图3 6 所示夹钳臂的示意图，为降低拉杆部位的作用力，需要把夹钳臂设 计成具有一定增力比的杠杆形式，参考类似的夹轨器尺寸，初步设计尺寸如图中 所标注，增力比为3 。根据题目要求，起重机承受风载荷为1 0 t ，夹轨器作用方 n1 式是夹钳的接触面和轨道之间的摩擦力，所以夹紧力f = 兰= 兰= 4 0 ( t ) ( 根据起 “u z ) 重机设计手册，夹轨器滚花钳口的摩擦系数可选择0 2 5 ) p j 。 4 竺叫g， 口 寸 ( 、 j 0 1 龠 一 1 。连接拉板的轴2 - 连接拉杆的轴 图3 , 6 计算模型 f i g3 6f o r c em o d e l 载荷集中在拉板的位置，因此，这根轴是整个工作过程中承受载荷最大的，需 要的尺寸最大，计算模型如下图3 7 所示： 根据材料力学知识，这种结构需要校核两个内容，即拉板的拉伸强度和轴的剪 切强度。首先根据拉板的强度公式： 肚志褥矿动扣詈 根据夹钳臂的长度分配关系，由理论力学知识计算得各部分受力大小如下图 3 7 所示，由图可见，轴1 处的受力最大，载荷q 是拉板承受的拉力，大小为5 3 3 t ， 即5 3 3 k n ；艿是材料的许用拉应力，大小为4 8 0 m p a 。 带入上述计算式中计算得：( 6 一d ) a = 5 5 5 ( m m2 ) 第三章手动夹轨器 所以在轴的截面处需要承载面积至少为5 5 5 m m = ，选择拉板的厚度为2 0 m m 。则 轴两侧的承载宽度为3 0 咖，即6 - d = 3 0 m 。( d 是销轴的直径) 。 根据销轴的强度公式，挤压强度： 占：旦，d a ：垒 d o 占 式中，q 同上： 占是材料的挤压强度，2 7 5 m p a ； j r 站潜站潜添忒 塑掣鼍霪 鹨缓 随 r 疑心心腻心蛙婚心砖 湖 j 涉 ， 4 b 、拉板的宽度d 、轴的直径a 、拉板的厚度 图3 7 计算模型 f i g3 7f o r c em o d e l 代入上面计算式子中得d a - - 9 6 9 耐 由口= 2 0 r a m ，则d = 5 0 r a m 。根据轴的剪切强度公式： f ：旦：鸳 2 a ，耐 式子中，d 是轴的直径，大小为5 0 r a m = f 是剪切应力； f 是材料许用剪切应力，大小为2 7 5 m p a ： 将数值代入上式子中，取安全系数2 ，计算得： f = 型坠坐婴_ 6 7 9 ( m p a ) 丝= 1 3 1 5 ( m p a ) i m p i 1 m f a )f2 = b ， 一o l j 2 x 3 1 4 5 0 2 2 第三章手动夹轨器 满足剪切强度，所以选择拉杆处的轴1 直径5 0 m m ，由此拉板的宽度理论计算 值为3 0 m m + 5 0 r m = 8 0 m m ，加上应力集中之类对强度的削减作用以及安全系数，选择 拉板宽度为1 2 0 r a m 。因为轴2 处的载荷约为轴l 处的载荷的三分之一，所以选择 轴直径4 0 m 能够达到强度要求。 3 2 4 夹轨器与起重机的连接 通常夹轨器是用小车封装，之后把小车连接到起重机上，设计中也选择这种 连接方式，由于小车只起到封装夹轨器的作用，本身并没有很大的载荷作用，所 以为降低成本，减轻设备的整体重量，小车采用型钢焊接骨架，外包一层薄钢板， 只起到防尘和支撑一部分轻小零件的作用，无需进行强度计算。小车如下图3 8 所 示。 图3 8 小车联接 f i g3 8c o n n e c t i o no f t h ed o l l y 小车与机架的连接采用滑槽的形式，而且要采用多个滑槽防止小车倾覆。滑槽 的具体布置如图3 9 所示。 图3 9 小车联接部件 昌昌 第三章手动夹轨器 f i g3 9c o n n e c t i n gs e c t i o no f t h ed o l l y 图3 9 中下部的一对孔是小车与车架主要承载位置连接，主要作用是传递载荷； 上面的一对孔是连接到车架上，主要作用是防止倾覆，所以承受的力比较小。设 计连接件截面为长方形，这样可以最主要的目的就是减轻小车的左右倾覆。连接 件截面尺寸为长4 5 m m ，宽3 8 m m ，这样，长度方向滑槽的2 5 r a m 间隙用来补偿小 车和机架之间的大约2 0 m m 的窜动，宽度方向只留有2 r a m 间隙，来保证连接部分 的活动自如，不至于被卡死。两个连接部件之间的距离是固定的，这样可以防止 在转弯的情况下，连接部件本身发生干涉，导致卡死。为此，两个连接件之间的 距离要保持在6 0 m m ，在这样的条件下，在水平方向上小车的最大倾斜角度为 1 a r c t g 去= 1 9 1 ；因为小车高度约1 米，这样的倾斜角在车顶部位已经使偏移量达到 o u 1 0 0 0 t 9 1 9 1 。f f i 3 3 3 m m ，可以明显看出偏移，在速度稍快的时候容易产生倾覆，而 且夹轨器作用时很容易夹偏。为了解决这个问题，在连车架的部位再接上一块竖 直钢板，同样用截面为长方形的连接件进行连接，两个长方形的连接件之间的距 离由6 0 m m 增大到l o o m m 。则在这个高度上的偏斜角度为a r c t g o 0 2 ，这个位置离 小车顶面高度为2 7 0 r a m ，这样反映在小车最顶端的偏移量只有 2 7 0 增伽辔0 0 2 = 5 4 m m ，对于这样的精度不是很高的设备，这样的偏移量不会影 响正常的工作。 3 3 零件质量估算 整个设备的所有零件均采用钢制零件，只是在个别零件或部件上选择的钢牌 号不一样。或是热处理不样，所以为计算方便，统一取密度为7 8 1 0 3 k g m 3 。 童3 1 夹钳臂质量 由于孔在装备的时候需要安装轴，所以在计算时当作实心体计算，而不再另 外计算轴的重量，以便简化计算。如图3 1 0 所示，可以将零件分解成四个单元计 算： m t f f i 2 x 8 8 x l o o x 2 9 0 x 7 8 x 1 0 。= 3 9 8 ( k g ) m 2 f f i 2 x 1 5 0 x 7 0 x2 7 0 x 7 8 x 1 0 。= 4 4 2 ( k g ) m 3 = 3 2 0 x1 2 5 x 2 5 0 x 7 8 x1 0 - 6 = 7 8 0 ( k g ) m = 2 8 4 3 0 3 2 0 x 7 8 x 1 0 - 6 = 3 0 1 ( k g ) 第三章手动夹轨器 m 2 m l - 姐2 斗m 3 恤4 = 3 9 8 + 4 4 2 + 7 8 o + 3 0 1 = 1 9 2 1 皿g ) 一 卜_ l 图3 1 0 夹钳臂质量估算 f i g3 1 0e s t i m a t et h em a s so f a r m so f t h ea n c h o r 夹钳臂约为1 9 2 k g 。两个夹钳臂结构基本对称，在估算质量的时候可以按相同 质量计算。 3 3 2 拉杆质量 拉杆形状如图3 1 1 所示，要把齿条安装在拉杆中间，保证齿条作用不会产生 偏载，把拉杆设计成叉形零件。拉杆根据零件图尺寸，如上述的方法，将拉杆分 解成l 、2 、3 三个部分计算： 第三章手动夹轨器 图3 1 l 拉杆质量估算 f i g 3 1 1e s t i m a t et h em a s so f p u l l i n gs t a f f so f t h ea n c h o r m ，- - 2 x 4 0 2 3 0 7 8 x 1 0 。= 0 8 ( k g ) m ，= 8 6 x 1 1 0 2 1 0 x 7 8 x 1 0 - 6 = 1 5 5 ( k g ) m ，= 8 0 7 5 x 7 6 x 7 8 1 0 “= 3 6 ( k g ) m - - m l + m 2 悃3 = o 8 + 1 5 5 + 3 6 = 1 9 9 ( k g ) 一个拉杆质量约为2 0 k g 。两个拉杆在结构上具有一定的对称性，两拉杆的重 量可以按照相同的计算。 3 3 3 可转动夹钳的质量 可转动夹钳如图3 1 2 所示，结构相对复杂，但是根据结构上本身凸凹的补偿 关系，可以近似地当作m 1 2 0 的圆柱进行计算， 圄亘 图3 1 2 可转动夹钳质量估算 f i g3 1 2e s t i m a t et h em a s so f h e a do f t h ea n c h o r m = 6 02 2 2 0 7 8 1 0 _ 6 = 1 9 4 ( k g ) 在夹轨器不作用的时候，夹钳臂相对垂直面有一定的倾斜角度，由于转动 夹钳的特殊结构，夹钳作用面一侧的重力偏大，这样保证夹轨器工作时总是夹钳 工作面与轨道侧面相对。 3 3 4 夹钳臂导向基座质量 夹钳臂导向基座如图3 1 3 所示，基座形状比较规则，其质量为： m = ( 1 1 3 x 8 3 0 x 3 0 0 3 2 4 x5 3 x 3 0 0 ) x 7 8 x 1 0 - 6 = 1 8 0 ( k g ) 两侧都需要导向基座，一方面是起导向，更重要是把起重机的载荷传到夹轨器上。 两侧的结构对称，质量相同。 第三章手动夹轨器 _ 图3 1 3 导向基座质量估算 f i g3 1 3e s t i m a t et h em a s so f l e a d i n gb a s e m e n t so f t h ea n c h o r 3 3 5 齿轮和齿条质量 根据齿条需要提升的总高度以及齿轮工作中转过的角度，初步设计齿轮直径 2 0 0 r a m ，厚度8 0 r a m ，模数5 m m ，齿条长度3 8 0 r a m ，截面尺寸为7 0 r a m x 8 0 r a m ， 因为，齿轮齿条的质量相对于整个设备的质量，只占有很小一部分，所以把齿轮 当作圆柱计算，把齿条当作矩形钢块计算。 齿轮质量为： m = 1 0 02 8 0 x 7 8 x1 0 。6 = 2 0 ( k g ) 齿条的质量为： m = 3 8 0 x 7 0 x 8 0 x 7 8 x1 0 。- - 1 6 6 ( k g ) 3 3 6 封装小车的外壳以及框架总质量 小车结构前文已经提到，小车使用型钢焊接骨架，外包装薄钢板的方式。框 架选择八根长度为4 6 0 r a m 的6 0 b 角钢、两根长度6 2 5 m m 的6 0 b 角钢，两根长度 4 0 0 m m 的1 6 b 槽钢，和一根长度6 2 5 m m 的2 0 b 槽钢焊接组成。外壳用5 m m 厚 的钢板用小螺钉紧固在框架上。钢架重量约为1 1 0 k g ，外包装钢板重量约为7 3 k g 。 3 4 主要零部件的强度校核【1 7 1 3 1 9 】 3 4 1 齿轮强度校核 在齿条行程计算中已经确定，齿轮分度圆直径d = 2 0 0 m m ，模数取5 m m ，计 算齿数为4 0 。在起重机械中一般选择齿轮精度为7 1 0 级，这里作为提供动力源的 齿轮选择精度7 级。齿轮材料选择4 5 钢调质，属于软齿面。作为开式齿轮，只要 第三章手动夹轨器 按照齿根弯曲强度进行校核，为方便计算，假设全部载荷作用在齿顶来计算齿根 的弯曲强度，把齿轮单个齿受力看成是一个近似的悬臂梁，受力情况如下图3 1 4 所示，齿根危险截面的弯曲强度满足下式： f 图3 1 4 轮齿力学模型 f i g 3 1 4f o r c em o d e lo f g e a rt e e t ho f g e a r 6 ，；笔当【6 ，】 d 埘 其中： k 齿轮工况系数k f k j k r k 。k 口 k 使用系数 查表1 0 - 2 1 2 0 n - - i 驭1 5 ； k ，动载系数查图l o 8 1 2 0 1 可取1 2 ； k m 齿间载荷分配系数，查表1 0 - 3 1 2 0 1 可取1 1 ； k m p = 1 1 2 + 0 1 8 x 垂62 + o 2 3 x 1 0 4 b 中。= 尝 b = 7 6 m ，d = 2 0 0 m m ；得中6 2 0 3 8 ，代入上面的计算式子中算得 k h p = 1 1 7 ； h = m ( h ：+ h j ) = 1 1 2 5 咖， 鲁2 7 k ，口查图1 0 - 1 3 1 2 1 可取i 1 6 。 k = k k pk nk 材= 1 5 1 2 1 1 x 1 1 6 - - 2 3 0 f ，齿顶所受的载荷，根据整个设备的工作过程以及工作原理可知，夹轨器 在抬起时需要完全依靠齿轮承受夹轨器上夹紧工作零件的所有重力和弹簧的作用 第三章手动夹轨器 力，弹簧的作用力相对夹钳臂重力比较小，粗略计算中可以忽略，因此，可以把夹 轨器的重力作为齿轮的载荷进行计算。那么，可得 f = 4 7 9 4 k g = 4 7 9 4 x 9 8 = 4 6 9 8 2 n ，在计算时候可以取4 7 k n 。 y f 。一齿形系数根据表l o 一5 【2 0 l ，齿数4 0 的情况下可取2 4 0 ： y s a - 应力校正系数根据表1 0 5 【2 0 1 ，可取1 6 7 6 f：盟一230 x47x103 x 2 4 0 x 1 6 7 1 1 4 m p a 【6 ， ，这个键的连接强度不够，所以要重新考 虑键的选择，由于其他零件尺寸已经确定，键的长度方向上还有空间，所以首先 考虑采取加大键长度的方法。选择键的长度7 0 m , 这样，再次带入上式中进彳亍计 算得6p = 1 3 4 m p a ，强度可以达到使用要求。所以在校核计算之后，对原来键的尺 寸进行修改，选择长度系列中的推荐值7 0 m m 。 第三章手动夹轨器 图3 1 5 键的受力模型 f i g3 1 5f o r c em o d e lo f t h ek e y 3 4 3 自锁销轴的校核 作为手动的设备，在各环节都选择比较简单的方式，因为从已经计算和选择 的齿轮尺寸来看，齿轮属于比较大的零件，所以在回程自锁方法上选择用销轴挡 住齿轮的反转。具体的方法是，在齿轮上钻一个孔，在齿轮轴支架的对应位置上 钻两个孔，之后齿轮转到规定位置的时候，将销轴插入孔中，挡住齿轮的反转。 销轴的直径选择2 0 r a m ，销轴的失效形式主要是在齿轮边缘处产生剪应力过大，发 生剪断的失效形式。在上面的过程中已经计算出，齿轮轴上的转矩为m = 4 7 0 1 03 n m m ，销轴和齿轮轴之间的距离为6 0 m m ，需要销轴承受的剪切方向的力大 小为7 8 k n ，根据： p f = 一 爿 其中，p 是销轴承受的剪切方向的力( ； a 是危险截面上销轴的承载面积( m m 2 ) 。 带入上式中计算得f = 2 3 8 m p a ，销轴的材料选择4 5 钢，远小于材料的许用剪切应 力，所以强度满足使用要求。 3 4 4 手柄的强度计算 在设计过程中，手柄的设计与最初的总体方案分析中所提的有较大的改进， 受其他部