基于多功能物料运输车机器人设计起升机构结构部分设计.doc

1 引言对我们全国所有人来说，说到5月12号这一天，大家应该都不会忘记，我国遭遇了特大的自然灾害汶川地震，房屋倒塌，许多人流离失所，那场景触目惊心。根据灾难发生的时间，灾难救援可以分为灾前救援、灾时救援与灾后救援三个阶段l。而灾害事故具有突发性、灾难性、破坏性等特点，因此三个阶段在灾难发生时通常没有明确的界限，但是各个阶段救援工作都面临着两个问题：环境的复杂性和环境的危险性。它的危害严重，以地震后灾区环境为例，地震后存在易二次倒塌建筑物的现场，施救人员无法深入进行侦察或施救，而人们又急于探知灾难现场的内部险情，但又不敢或无法接近或进入灾难现场，而且灾后灾区物资的匮乏是也是其中一个难题，因此物资的及时运输是灾后救援的一大重要工程。1.1 项目的研究意义在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因，灾难经常发生。在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间(约48小时)用于在倒塌的废墟中寻找幸存者，否则发现幸存者的几率几乎为零。在这种紧急而危险的环境下，多功能物料运输车可以为救援人员提供帮助。因此，将具有自主智能的在危险和复杂的灾难环境下“搜索和营救”(SAR)幸存者，是起重运输机械学中的一个新兴而富有挑战性的领域l。我国前段时间遇到的灾难汶川地震，不安全因素很多，房屋倒塌严重，还连带着许多小的余震等，灾害事故危害严重，伤害人员多。各类灾害事故存在突发性、灾难性、破坏性等特点。因此，研究废墟搜救新装备是一项紧迫任务。目前，救灾方式只是根据事故的类型确定救灾的方案，一般救护人员无法进入危险区域，只能通过一些特殊设备进入灾区，然后再搜救遇险灾民。这种方式危险性大，伤亡人数多，救灾周期长，往往效率低。随着科技的发展，物料运输机械将被应用到废墟救灾领域。物料运输车利用自身的优点，能迅速找到遇险灾民的位置，降低事故危害性，对提高救灾效率具有重大意义，具体表现为以下几点19:第一多功能物料运输车具有灵活性好、机动性强的特点，有较好的爬坡和越障能力，能适应现场各种各样的地理环境。比如，蛇形救灾机器人能适应任何的复杂环境，在矿井下能自由运动；第二当多功能物料运输车顺利的越过障碍后，能迅速将物品运放到指定的位置。以便遇险灾民更好的得到救助；第三多功能物料运输车具有为遇险灾民投放小包食品、药物和通讯装置等辅助功能，并合理分配，能有效地减少遇险灾民的伤亡人数；第四可以连续的执行乏味的搜索救援任务，而不会像人一样感到疲倦；第五不怕火、浓烟等危险和有害条件。世界各国都在不断加大物料运输机械的开发投入和研究力度，及时把微电子技术、自动化技术、人工智能技术、计算机技术、机器人技术以及新材料、新工艺等现代高新技术大量运用于物料运输机械的生产、制造等领域，使物料运输机械的技术含量越来越高，在未来发展方向上呈现出许多新的特点。1.2 国外物料运输机械的发展趋势在国外，物料运输机械的发展迅速，技术日益成熟，并进入实用化阶段，日本、美国、英国等已开始装备使用7。在灾难现场中，物料运输车应能迅速找到幸存者的位置。起重运输机械作为后勤装备保障的重要组成部分，其信息化程度如何，将直接影响军需物资在起重、运输等环节的保障效能。为此，世界各国都在现有物料运输机械的基础上，及时将全球定位技术、实时跟踪技术、计算机网络等信息技术用于物料运输机械上。例如，在现代物料运输机械上，通过安装车载接收器、数字化定位跟踪仪、自诊断故障检测仪以及遥感器等信息装置，以实现对物料运输机械在日常作业、调度和管理上的实时、实地的动态控制11。另外，为了在恶劣的灾区无法到达的地区救援时，欧美等发达国家开始在一些物料运输机械上加装自动探测器和一些智能型处理设备，并将红外技术、遥感技术、机器人技术、雷达技术进行综合集成，使物料运输机械在进行救援作业时一方面具有一定的自动判断、侦察和识别能力；另一方面还能自动生成作业方案和自动修改作业参数，所有作业程序都是自动完成的。例如，美、英等国相继开发和研制出的智能型物料运输机械，一旦在物料运输作业过程中遇到危险物、爆炸物时，则会通过无线电控制技术，指令机器人对物料运输机械进行各类作业。这些对灾后救援工作找到幸存者非常有利。1.3 未来物料运输机械的发展趋势灾害事故的突发性、骤然性、不确定性等因素增多，这些都对物料运输机械的性能提出了更高的要求，尤其是速度性能已成为当今世界各国普遍追寻的目标。目前，无论是桥、门式起重机，还是轮式物料运输机械，如各种军用搬运机械、装载机或挖掘机，在追求作业稳定性能的同时，也更关注起重、运输作业的速度性能。例如军用装载机和挖掘机，其机动速度由原来不足45 kmh，现已普遍提高到60 kmh70 kmh，有的甚至更高。如澳大利亚产的ADI型多功能起重车，最高时速可达100 kmh；长距离行驶速度平均在80km/h。这种高速化的设备，一方面能够满足部队快速编队行进的需要，另一方面还能满足在现代战争中大量军需物资补给、消耗的需要12。除了这些，物料运输车还应具备多功能化，例如，由澳大利亚研制生产的ADI型多功能起重车，除了装有前置装货机和助耕机外，还可选装夯土机、大地螺丝钻、岩石破碎机、绞盘以及雪犁等工作装置，以完成各种军事野外工程和后勤保障任务。美国山猫公司生产的多功能物料搬运车，除了能够在仓库、码头、岸滩等不同场地作业外，还能通过更换属具的方式，实现起重、运输、堆码垛、装卸载以及高空作业等多种功能。再如，由法国曼尼妥公司为北约部队设计生产的多功能悬臂式维修起重机，既能在军港码头进行高、低空维修作业，也能在机动港和岸滩展开作业。另外，统一起重运输机械底盘，做到一种底盘多种车型则是多功能化的另一种发展模式。如美军的装甲型起重运输机械，大多采用主战坦克的底盘；车身则采用抗打击能力极强的防护材料，以实现起重运输机械在各种复杂战场环境下的保障能力和战场的生存能力。这些朝着多功能化方向发展的军用起重运输机械，其作业适应能力和范围都将得到大幅度的提高18。1.4 设计产品的目的我们都知道灾后道路毁坏，普通车辆难以进行正常运输，空投物资虽然能够及时准确的进行物资补给，但是代价高昂。因此能不能有这样一种运输车？它既能在崎岖的地形上正常运行，越过重重障碍物，而且又能方便快捷的将物资运送到需要的地区，以解燃眉之急。因此本文设计了一款多功能物料运输车，多功能物料运输车的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡，它们不但能够帮助工作人员执行救援工作，而且能够代替工作人员执行搜救任务，在灾难救援中起着重要的作用，其中我们设计的这款多功能物料运输车是根据目前市场上的履带式起重机进行改进的，我们都知道起重机是能在一定的范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械，又称为吊车，我们都知道吊车主要用是来吊运成件物品的，在配备适当吊具后也可吊运散状物料和液态物料，因此我们设计的这款多功能物料运输车将不仅仅在救灾上起到很大的作用15，或许将来可以替代起重机进行作业，因此结合以上所述，我们知道该产品在灾害时非常实用，面对受灾人员，竭力救援，而且该产品容易推广使用，具有很好的市场前景！而我在本次设计中主要负责的就是多功能物料运输车的起升机构部分，往下会加以具体说明。2 总体方案设计2.1 模型实物图分析多功能物料运输车的功能结构，根据它的工作原理，来设计它的结构。利用慧鱼模型组合包来组建多功能物料运输车的模型，如下图1所示就是慧鱼模型组建的多功能物料运输车的模型。图1 多功能物料运输车模型2.2 多功能物料运输车救援工作的优点我们的多功能物料运输车救援工作中所具有的优势：(1)具有灵活性好、机动性强的特点，有较好的爬坡和越障能力，能适应现场各种各样的地理环境；(2)能迅速将物品运放到指定的位置；(3)具有投放食品、药物等功能，并合理分配；(4)可以连续执行乏味的搜索救援任务, 而不会像人一样感到疲倦；(5)不怕火、浓烟等危险和有害条件6。2.3 多功能物料运输车的功能与实用性能指标2.3.1 功能分析目前我们现实生活中的履带式起重机只能进行挖土、夯土打桩等多种作业。但因行走速度缓慢，功能单一等特点都被局限了。它的转移工地需要其他车辆协助。我们设计的多功能运输车采用了特殊设计，首先它利用履带式结构作为车子前进的主导力，通过电机的驱动使履带稳定运行前进，履带式运动系统在碎石堆上可以快速前进, 遇到小的坡度和凹凸地时也可以轻松翻越, 在遇到不能通过的障碍时还可以在很狭小的范围内完成转弯等动作。运输车采用这种运动形式。与其他运动形式相比, 履带式运动系统具有较快的速度和较大的转距，它的技术比较成熟。我们的储运结构则设计巧妙，底板利用蜗杆铰链机构合理结合在一起，它就是利用蜗杆传动实现底板的伸出缩进，储运门则是通过铰链机构平面与底板栓连在一起，实现底板伸出门开，底板缩回门关上。就不需要用到救援人员亲自去开门卸货，安全又方便。说到起落架机构也很巧妙，同样采用涡杆传动，同样的一个结构实现了不同的作用，靠电机的驱动使螺杆来回移动带动了轮子的收起和放下，让它在工作的时候撑在高的地方抬起前车身，利于越障，而在不工作的时候就自动收起。车顶的起重机结构则用处不小，它利用涡轮杆的啮合传动来控制吊钩的吊速，它主要考虑的是结构紧凑及运行平稳在它正上方装有2只照明灯以便工作环境的需要，使之更符合救援的需要。这个起吊机构属于起重机械的一种，属于循环、间歇运动式的性质。它的一个工作循环包括取物装置从取物地把物品提起，然后水平移动到指定地点降下物品，接着进行反向运动，使取物装置返回原位，以便进行下一次循环。2.3.2 实用性能指标 我们的多功能救援车实用性还是很高的。该机构基本实现越障功能，在救援地方的环境比我们想象的要复杂，底座的履带能够越过30mm以下垂直障碍（形状不规则的石头）；因助力机构的关系，能够越过高于30mm50mm的障碍；系统估计越障时间需10秒左右，运输机构额定承载1500g的重量；起重机构额定承吊1500g的重物。样机的整体三维效果图如图2所示。图2 样机的整体三维效果图2.4 底盘运动机构的设计底盘的主要功能为支撑、固定和连接其它四个功能装置，是多功能物料运与输车的移动及支撑部分，在底部采用两个红色9V大功率驱动电机通过小齿轮与大齿轮之间的啮合来实现左右链带的传动。采用履带式的机构设计是为了更好的满足在震后灾区复杂的路面，因为它的履带表面接触面积大，自然受到的压强就会减小。用轮子就容易沉受不住压力，导致爆胎。而大电机可以实现有级调速，通过调节电机的快慢来实现转弯，底盘采用钢轴能很好的支撑起整个车身，这样转弯的时候强度就有足够的保障，不会出现驱动轴产生疲劳强度出现轴弯曲的现象。其底座效果图如图3所示：图3 三维底盘效果图2.5 动力机构的设计动力结构采用自带蓄电池和减速箱的驱动电机，驱动电机图如图4所示，其主要参数为下表1所示：表1 驱动电机的主要参数型号齿轮轴圆轴主要参数60YR06GV2260YR06DV22输出功率KW1.5电压V直流9V电流A0.11、0.1额定转速r/min600、750起动转矩19、20额定转矩25、20运行电容0.7F/50V图4 驱动电机图底部的动力机构采用9V红色交流电机，它的结构小巧，动力强劲满足了我们带有运输救灾物资的动力，装在底座下面结构紧凑，匀称满足了动力的要求.2.6 传动机构设计 多功能物料运输车的传动机构有多处，链传动是主要的动力执行机构，它是一种挠性机构，由链条和链轮（大齿轮和小齿轮）组成通过链轮轮齿与链条链节的啮合来传递运动和动力，它与摩擦型的带传动相比，链传动无弹性滑动和整体打滑现象，它能保持准确的平均传动比，传动效率高，而且它的制造与安装精度要求较低，成本也低，其主要特点低速重载，适应恶劣环境满足了我们的救灾需求。该传动机构主要将动力传给多功能物料运输车的执行机构，由履带围绕在多个齿轮轴上组成履带轮，采样履带传动机构可以实现越障，爬坡的功能，采用履带行走，就像给多功能物料运输车铺了一道无限延长的轨道一样，使它能够平稳、迅速、安全地通过各种复杂路况。由于接地面积大，所以增大了多功能物料运输车在松软、泥泞路面上的通过能力，增大接触面积，降低了下陷量。由于履带板上有花纹并能安装履刺，所以在雨、雪、冰或上坡等路面上能牢牢地抓住地面，不会滑转。除了底盘上的履带传动机构，还有是起吊装置处的蜗轮蜗杆传动机构是利用蜗轮蜗杆传动带动转盘使起重机吊钩实行360度的转动，以达到搬运货物的效果13。具体如图5所示：图5 履带传动机构图2.7 蜗轮蜗杆传动机构 我们的起重机旋转机构采用了蜗轮蜗杆来实现转动工作。这种传递方式在我们的现实生活中使用是十分广泛。它的传动是通过两轴间的传递运动和动力的一种结构，两轴线之间的角度一般为90度，蜗杆在每旋转一周，蜗轮只转过一个齿距，就是说它有很大的传动比，同时蜗轮蜗杆在啮合时冲击载荷小，传动平稳，噪声小，符合钢丝绳慢慢滑动。这些优点满足了我们带有一定高度的起重机的安全工作3。2.7.1 蜗轮蜗杆传动机构的种类根据蜗杆形状的不同，蜗杆传动可以分为圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动和锥蜗杆传动等。我们在这里采用的是圆柱蜗杆传动，而圆柱蜗杆传动又包括普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动两类10。2.7.2 蜗轮蜗杆传动机构的区别圆弧圆柱蜗杆传动和普通圆柱蜗杆传动相似，只是齿廓形状有所区别。圆弧圆柱蜗杆的螺旋面是用刃边为凸圆弧形的刀具切制的，而蜗轮是用范程法制制造的。在中间平面上，蜗杆的轮廓为凹弧形，而与之相配合的轮廓为凸弧形。所以，圆弧圆柱蜗杆传动时一种凹弧齿廓相啮合的传动，也是一种线接触的啮合传动。其主要特点为：效率高，一般可达90%以上；承载能力高，一般可较普通圆柱蜗杆传动高出50%150%；体积小，质量小；结构紧凑。这种传动已广泛用到冶金、矿山、化工、建筑、起重等机械设备的减速机构中10。2.7.3 采用圆弧圆柱蜗杆传动的优点圆弧圆柱蜗杆传动和其他蜗杆传动一样，可以实现交错轴之间的传动，蜗杆能安装在蜗轮的上、下方或侧面。它的主要特点有：(1)传动比范围大，可实现1:100的大传动比传动；(2)蜗杆与蜗轮的齿廓呈凸凹啮合，接触线与相对滑动速度方向间的夹角大，有利于润滑10%20%；(3)当蜗杆主动时，啮合效率可达95%以上，比普通圆柱蜗杆传动的啮合效率提高10%20%；(4)传动的中心距难以调整，对中心距误差的敏感性较强。在这我们选择圆弧圆柱蜗杆传动，而且圆弧圆柱蜗杆传动是一种新型的蜗杆传动。实践证明，这种蜗杆传动比普通圆柱蜗杆传动的承载能力大，传动效率高，使用寿命长，因此圆弧圆柱蜗杆传动有逐渐代替普通圆柱蜗杆传动的趋势10。2.8 多功能物料运输车执行机构的设计多功能物料运输车执行机构由越障机构、运输机构、起重机构、助力传动机构和运输传送机构五大部分组成，共同完成了越障运输救援功能。2.8.1 前端提升机构设计前端提升机构主要为底座的履带式齿轮传动和助力传动，它可以通过起降式的升降机构支撑起前轮一个角度来满足越坡，使履带在越过直角坡时候不至于有死角。助力机构采用螺杆机构，将车轮升起到达障碍物的高度，给链轮一个有利于前进的斜坡角度，从而达到越障的功能越过障碍之后就自动进行左转，它利用自生设计的助力机构可以进入更为复杂的地区，不致因为道路问题而出现救灾困难或延误问题，具体见图6。图6 前端提升机构图2.8.2 运输机构的设计运输机构是我们多功能物料运输车的一大特色，一般的运输机构都是物品送到目的地，然后打开车门，由人工卸货，而我们所设计结构是通过螺杆传动将救灾物资分给灾民，在推出救灾物资的同时，利用铰链机构带动门推开，将救灾物资推出，当推出救灾物资以后再利用螺杆传动和铰链机构将门关上。它实现开门出货自动化。这个运输机构主要保证灾民能够第一时间得到良好的救助，避免因为灾后受伤而带来伤口感染，当然我们这个运输箱不单单是运输医药用品，还可以运输生活用品等等，确保灾民得到最好的照顾。具体如图7所示。 图7 运输结构图2.8.3 起重机构的设计起重机构主要为越障机构做辅助，因为灾后的道路是非常恶劣的，甚至于越障功能达到了他的极限，越不过去，但是如果另选一条道路又比较费时的时候，有时候还受到条件的不允许。因而我们可以利用起重机把大型石头一类的障碍物用吊机通过绑在钢丝绳等一类辅助工具上来把重物搬开，从而避免了道路堵塞的问题，起重机构采用了蜗轮蜗杆啮合传动，采用这种传动的方式我们组要考虑了它的特点传动比大,结构紧凑，最主要的是运行平稳,成本低,效率高。为了更好搬开重物的同时，不给后来的救灾车辆造成麻烦，所以采用了360度旋转，位置堆放可以由我们自己控制。具体见图8。图8 起重机构图2.8.3.1 起重机械的工作特点起重机是以间歇、重复的工作方式，通过起重吊钩或其他吊具起升、下降，或升降与运移物料的机械设备。它在搬运物料时，经历上料、运送、卸料及返回原处的过程，工作范围较大11。起重机械通常具有庞大和比较复杂的机构，能完成一个起升运动、一个或几个水平运动。所吊运的重物多种多样，载荷是变化的。有的重物重达几百吨乃至上千吨，有的物体长达几十米，形状很不规则。大多数起重机械，需要在较大的范围内运行，有的要装设轨道和车轮，有的要装设轮胎或履带在地面上行走（如汽车吊、履带吊等），还有的需要在钢丝绳上行走（如客运、货运架空索道），活动空间较大，一旦造成事故影响的面积也较大。有些起重机械，需要直接载运人员在导轨、平台或钢丝绳上做升降运动（如电梯、升降平台等），其可靠性直接影响人身安全。起重机械的工作特点如下：(1)吊物一般具有很大的质量和很高的势能，被搬运的物料个大体重（一般物料均几吨重以上）、种类繁多、形态各异（包括成件、散料、液体、固液混合等物料），起重搬运过程是重物在高空中的悬吊运动。(2)起重作业时多种运动的组合，起重机的金属机构、传动机构和控制装置等机构组成多维，大量结构复杂、运动各异的金属机构给作业安全带来了潜在的危险。速度多变的可动零部件，形成起重机械的危险点多且分散的特点，给安全防护增加难度。(3)作业范围大，金属结构横跨车间或作业场地，高居其他设备、设施和施工人群之上，起重机带载可以部分或整体在较大范围内移动运行，使危险的影响范围加大。(4)多人配合的群体作业，起重作业的程序是地面司索工捆绑吊物、挂钩；起重司机操纵起重机将物料吊起，按地面指挥，通过空间运行，将吊物放到指定位置摘钩、卸料。每一次吊运循环，都必须是多人合作完成，无论哪个环节出问题，都可能发生意外。(5)作业条件复杂多变，在车间内，地面设备多，人员集中；在室内，受气候、气象条件和场地限制的影响，特别是流动式起重机还涉及地形和周围环境等多因素的影响。(6)暴露的、活动的零部件较多，在起重作业现场，大量机构与作业人员直接接触（如吊钩、钢丝绳等），容易对人身安全造成伤害。总之，重物在空间的吊运、起重机的多机构组合运动、庞大金属结构整机移动性，以及大范围、多环节的群体运作，使起重作业的安全问题尤其突出。2.8.3.2 起重机械今后的发展方向近年来随着建设工程规模的不断扩大，起重安装工程量越来越大，尤其是现代化大型石油、化工、冶炼、电站、大型室内体育馆以及高层建筑的安装作业逐年增多。因此，对大功率的工程起重机需要量日益增加，随着现代科学的发展，各种新技术、新材料、新结构、新工艺在工程起重机上得到广泛的应用。根据国内外现有工程起重机产品和技术资料分析，近年来起重机械的发展趋势主要体现在以下几个方面5。(1)广泛应用液压技术。由于也发传动具有体积小、质量小、结构紧凑、能无级调速、操纵简便轻巧、运输平稳和工作安全可靠等优点，因此国内外各种类型的工程起重机广泛采用液压传动。液压技术尤其适合中小型起重机械。(2)大型化。为了满足大型石油、化工、冶炼设备和高层建筑、大型板材、构件的安装，起重机必须向大型化发展。(3)多用途、高效率。由于建筑规模、使用场合条件的复杂多变，各国开始注意一机多用途、高效能的问题。即转换工作状态要快，能配多种工作装置（吊钩、抓斗、拉铲、电磁吸盘、抓取器、打桩设备等）；装有各种先进的安全警报、遥控、新式传动装置、工业电视及采用电子计算机等最新技术，从而极大提高了机械的工作效率。(4)提高“三化”程度，实行专业生产。提高“三化”程度，在不同程度上扩大了产品标准化、参数尺寸规格化（系列化）、零部件通用化的范围，为起重机械制造的机械化、自动化、连续作业提供了方便的条件。中国对桥式起重机、轮胎式起重机和塔式起重机分别制定了基本参数系列，统一了产品型号和等级，并制定了技术条件标准。国外有的国家甚至废除了本国标准而直接采用国际标准（ISO）。2.8.3.3 起重机械的主要参数起重机的技术参数是说明起重机工作性能的指标，表征起重机的作业能力，也是设计的依据。起重机的主要参数有：起重量（起重力矩）、起升高度、跨度（桥式类型起重机）、幅度（臂架类型起重机）、各机构的工作速度及生产率。(1)额定起重量Q和起重力矩M起重机在正常工作时允许起吊的物品重量和可以从起重机上取下的取物装置重量之总和称为额定起重量。或起重机正常工作时一次起升的最大质量称为额定起重量。额定起重量不包括吊钩、吊环之类吊具的重量，但包括抓斗、起重电磁铁、料罐、盛钢桶、真空吸盘之类吊具的重量。某些旋转臂架类型起重机，如塔式起重机、汽车起重机、轮胎起重机、履带起重机、铁路起重机以及门座起重机等，除起重量外还有起重力矩M这个参数，它是起吊重物的重量Q和臂架幅度R的乘积，这个参数决定了起重机工作过程中抗倾覆稳定性的能力。在起重力矩一定的前提下，这类起重机的起重量是随幅度变化的，这时的额定起重量是指最小幅度时的最大起重量。额定起重量系列国家标准及国际标准见表2所示2。表2 额定起重量系列国家标准（GB783-87）及国际标准（ISO2374：1983）0.10.1250.160.20.250.320.40.50.630.811.251622.53.2456.3810（11.2）125（14）16（18）20（22.5）25（28）32（36）40（45）50（56）63（71）80（90）100（112）125（140）160（180）200（225）250（280）320（360）400（450）500（560）630（710）800（900）1000-注：应避免需要括号中的起重量数值(2)起升高度H起升高度是指从地面或起重机运行轨道顶面到取物装置最高起升位置的铅垂距离（吊钩取钩口中心，当取物装置使用抓斗时，则指至抓斗最低点的距离），以H表示，单位为m。当取物装置可以放到地面或轨道顶面以下时，其下方距离称为下放深度。起升高度和下放深度之和称为总起升高度。在确定起重机的起升高度时，除考虑起吊物品的最大高度以及需要越过障碍主高度外，还应考虑吊具所占的高度2。表3列出了302500KN电动桥式起重机起升高度系列，即GB791-65。抓斗桥式起重机的起升高度为16m和22m。表4为轮胎和汽车起重机的起升高度标准。表3 302500KN电动桥式起重机起升高度系列（GB791-65）主钩起重量/10KN35080100125160200250起升高度/m主钩1216203020302030243019301630副钩1418223022322232263221321832表4 轮胎和汽车起重机的起升高度标准起重量/10KN3581216254065100起升高度/m基本臂作业5.56.577.588.591011最长主臂作业-11121825303436(3)跨度L起重机运行轨道轴线间的水平距离称为跨度，以L表示，单位为m。桥式起重机的跨度L依厂房的跨度而定。表5示出了GB790-65规定的302500KN电动桥式起重机跨度的标准值。龙门起重机的跨度，一般多由工作需要和场地决定。表5 302500KN电动桥式起重机跨度的标准值（GB790-65）厂房跨度Lc/m9121518212427303336起重机跨度L/mQ=30500kn7.510.513.516.519.522525.528.531.5710131619222528312Q=8002500KN16192225283134(4)幅度R对于旋转臂架式起重机，幅度及时起重机回转中心线至取物装置中心铅垂线之间的距离，用R表示，单位为m。对于非旋转臂架式起重机常用有效幅度表示，有效幅度是指臂架所在平面内的起重机内侧轮廓与取物装置铅垂线之间的距离。如轮胎起重机是指在使用支腿侧向工作时吊钩中心线至该支腿中心线的水平距离。(5)工作速度V起重机的工作速度包括起升、变幅、旋转和运行四个机构的工作速度。对伸缩臂架式起重机还包括吊臂伸缩速度和支腿收放速度6。(a)起升速度，是指取物装置的上升速度（或下降速度），单位为m/s。(b)变幅速度，是指臂架式起重机的取物装置从最大幅度到最小幅度的平均线速度，单位为为m/s。(c)旋转速度，是指起重机旋转时每分钟的转数，单位为r/min。(d)运行速度，是指桥式类型起重机大车、小车的运行速度，单位为为m/s4。表6列出了常用起重机的工作速度。表6 常用起重机的工作速度起重机的工作速度起重机类型工作速度/ms-1起升速度一般用途起重机0.10.417装卸用起重机0.6671.5安装用起重机0.016运行速度桥式起重机与龙门起重机小车0.7330.833装卸桥小车34桥式起重机大车1.52龙门起重机大车0.6671门座起重机及装卸桥大车0.3330.5轮胎起重机1020Km/h汽车起重机5065Km/h变幅速度门座起重机（工作性）0.6671浮式起重机（工作性）0.4170.667汽车及轮胎起重机（调整性）0.1670.5旋转速度门座起重机n2r/min汽车及轮胎起重机n23.5r/min浮游起重机n0.52r/min(6)生产率起重机在一定的工作条件下，单位时间内完成的物品作业量称为生产率。2.8.3.4 起重机的工作机构起重机有四个工作机构：起升机构、变幅机构、回转机构和行走机构。因为在本次设计中只是引用了起重机的部分机构，在这里只有采用起升机构和回转机构。2.8.3.4.1 起升机构(1)起升机构的组成起重机多采用单卷筒单轨式的起升机构，由电动机、制动器、减速器、卷筒、钢丝绳、滑轮组、吊钩等组成，如图1所示。电动机、减速器、卷筒多布置在塔身下部的卷扬机房里，通过钢丝绳与起重臂顶端的滑轮组相联系。带有平衡臂的运行小车式（如自升附着式）的起升机构布置在平衡臂上6。(2)起升机构的工作原理如图9所示。升降吊钩时，需打开制动器4，使电动机1输出的动力经联轴器2和减速器3驱动起升卷筒6旋转，收放钢丝绳10带动吊钩7升降；当升降到预定高度后则停止电机转动，同时制动器4制动，使传动轴减速并最终停止转动，吊钩及重物就可以停止在空中，完成起升运动。减速箱上的操纵手柄5拨到另一位置时，动力改由卷筒6输出，实现架设绳的收放。图9 起升机构简图1电动机；2离合器；3联轴器；4制动器；5减速器；6卷筒；7吊钩；8滑轮组；9导向滑轮；10钢丝绳(3) 起升机构的起吊货物的过程起升机构工作是，由地面起吊货物的过程，可以分为三个阶段：第一阶段，开动起升机构，卷筒卷绕松弛的起升绳，知道起重绳被拉直但仍不受力，此时起升机构可认为已处于稳定运动状态6。第二阶段，起升机构继续运动，起升绳开始受力且发生了弹性伸长，金属结构产生位移和振动。此时货物仍处于静止状态。这一阶段终了时，起升绳的总拉力正好等于货物的重力，金属结构的位移等于y1。第三阶段，货物离开地面，结构处于振动状态。2.8.3.4.2 回转机构(1)回转机构的定义起重机能将起重物送到指定工作范围的任意空间位置，重物垂直位移依靠起升机构来实现，回转运动则是实现水平位移的方法之一。起重机的回转部分都是全回转，不受方向限制。但是对于不同的供电方法，起重机的回转可分为任意回转和任一方向回转720两种。在实现回转运动时，塔机的回转部分与非回转部分之间的传力装置称为回转支承装置，驱动部分则称为回转机构，有时也把这两部分称为回转机构。本次设计的起重机的回转机构是仿照塔式起重机的回转机构采用蜗轮减速器驱动，其传动系统一般都有制动器和极限力矩限制器，使起重机能停在指定位置上和限制回转力矩，避免在事故中损坏起重机的结构和机构7。(2)回转机构的特性起重机由于起重臂长，回转转动惯量大，因此要求回转机构具备下列特性：(a)回转速度慢，一般为0.51.2r/min；(b)启动和制动过程平稳，启动和制动时间一般为410s；(c)机构应有极限力矩限制系统，防止超载；(d)正常工作状态能准确就位，不被工作风压吹转；(e)机构应装有止动器，以便在工作时保证塔式起重机的吊臂能逆风停止于任意位置，而不会被大风所刮动。3 运动分析部分3.1 蜗轮蜗杆传动（起重机回转机构部分）带动蜗杆旋转电机扭矩4：T =9550=9550=0.0318Nm=3.18Ncm（式1）传动比：i =14.5（式2）蜗杆头数（即为齿数）：Z1 =4蜗轮齿数：Z2 =58模数：m =1.5压力角：20导程角：tan=0.32（式3）17.74在333.5范围之间a =(d1+d2)= (q+Z2)= (12.5+58)=52.875mm（式4）(其中q为蜗杆直径系数，查机械设计师手册可q =12.5)蜗杆蜗轮机构的中心距：52.875mm3.2 蜗轮蜗杆传动（起重机起吊绳索部分）带动蜗杆旋转电机扭矩：T =9550=9550=0.0238Nm=2.38Ncm（式1）传动比：i =5.2（式2）蜗杆头数（即为齿数）：Z1 = 6蜗轮齿数：Z2 = 30模数：m =1.25压力角：20导程角：tan=0.375（式3）22.84 在333.5范围之间a =(d1+d2)= (q+Z2)= (16+30)=28.75mm（式4）(其中q为蜗杆直径系数，查机械设计师手册可q=16)蜗杆蜗轮机构的中心距：28.75 mm3.3 起升机构受力分析图10 起升机构受力图假设起吊的货物重G2=4KN，机臂自重G1=1KN，=30，=14, 机臂长L=158mm，支点到拉杆的垂直距离AB=41mm，拉杆所受的拉力为T，则由以上受力分析图可知:G2LSin+TAB= G1Cos+G2LCos(式5)则T=Cos+(Cos-Sin)= Cos30+(Cos30-Sin14)=12.1KN故拉杆所承受的拉力为12.1KN。4 改进部分4.1 起升机构的改进4.1.1 影响起升机构的几个因素（1）滑轮组的倍率（2）卷筒的直径（3）联轴器（4）制动器4.1.2 对影响起升机构因素的改进根据本次对多功能物料运输车具体的设计情况，对起升机构产生影响的只有卷筒的直径，而卷筒是卷扬机的一部分，因此只需要设计卷扬机的结构尺寸。（1）卷扬机的定义卷扬机（又叫绞车）是由人力或机械动力驱动卷筒、卷绕绳索来完成牵引工作的装置。可以垂直提升、水平或倾斜拽引重物。卷扬机分为手动卷扬机和电动卷扬机两种。现在以电动卷扬机为主。电动卷扬机由电动机、联轴节、制动器、齿轮箱和卷筒组成，共同安装在机架上。对于起升高度和装卸量大工作频繁的情况，调速性能好，能令空钩快速下降。对安装就位或敏感的物料，能用较小速度。（2）卷扬机的技术性能及计算本次的设计中，采用的卷扬机为电动卷扬机，电动卷扬机的技术性能如图10所示。图11 电动卷扬机的技术性能其中该电动卷扬机的电动机的功率PH =22KW，电动机的转数nh =960r/min，如图11所示有3对齿轮（滑动轴承），T1=30,T2=120,T3=22,T4=60,T5=16,T6=64，卷筒直径为D =0.35m传动比i =i =0.023卷筒转速nn =nn = =0.368r/s钢丝绳速度V =DnnV =Dnn=3.140.350.368=0.404m/s卷扬机传动机构总效率=0123式中0为卷筒效率。当卷筒装在滑动轴承上时，0=0.94；当卷筒装在滚动承受上时，0=0.96；1、2、3n分别为第1、2组等机构的效率，不同的传动机构有不同的效率，由表7所示。表7 各种传动机构的效率表项次传动机构名称传动效率12平皮带传动三角皮带传动0.920.970.900.9434卷筒滑动轴承滚动轴承0.930.950.930.9656齿轮(圆柱)开式传动滑动轴承滚动轴承0.930.950.930.9678传动闭式传动（稀油润滑）滑动轴承滚动轴承0.950.970.960.989101112蜗轮蜗杆传动单头双头三头四头0.700.750.750.800.800.850.850.92根据查表7，计算卷扬机传动机构总效率=0123=0.940.930.930.93=0.756，取=0.75作用于卷筒上钢丝绳的牵引力S=S=41658N（3）卷扬机的特点卷扬机具有以下特点：通用性高、结构紧凑、体积小、重量轻、起重大、使用转移方便，被广泛应用于建筑、水利工程、林业、矿山、码头等的物料升降或平拖，还可作现代化电控自动作业线的配套设备。卷扬机可以单独使用，也可作为起重、筑路和矿井提升等机械中的组成部件，因操作简单、绕绳量大、移置方便而广泛应用3。（4）常见的卷扬机吨位卷扬机有0.5吨350吨，常见的卷扬机吨位有：0.3T卷扬机 0.5T卷扬机 1T卷扬机 1.5T卷扬机 2T卷扬机 3T卷扬机 5T卷扬机 6T卷扬机 8T卷扬机 10T卷扬机 15T卷扬机 20T卷扬机 25T卷扬机 30T卷扬机等，分为快速和慢速两种。其中高于20吨的为大吨位卷扬机,我们可根据需要进行选用18。（5）卷扬机的结构设计根据以上卷扬机的一些技术性能和牵引力的一些计算，由于卷扬机的技术比较成熟，因此在本次设计中采用了一款上海浦南减速器总厂生产的5吨的电动卷扬机，。图11为5吨调速卷扬机实图。图12为5吨卷扬机传动系统图。5吨电动卷扬机的相关参数如表8所示。图12 5吨调速卷扬机实图图13 5吨卷扬机传动系统图表8 5吨电动卷扬机的相关参数项目参数项目参数钢丝绳额定拉力KN50电动机型号YZR200L-6总传动比i74.23功率Kw22钢丝绳规格直径mm6*37-21.5转速r/min钢丝绳额定速度m/min20液压推杆制动器YWZ-300/45卷筒直径长度mm380*740电磁铁制动器-转速r/min13.07外型尺寸mm1545*1465*850容量绳m150整机质量kg1200减速器齿轮参数第一级模数3第二级模数4第三级模数6齿数比69/28齿数比82/14齿数比72/144.2 取物装置的改进4.2.1 取物装置的的种类取物装置又称为吊具，吊具是起重机械中吊取重物的装置。吊取成件物品最常用的吊具是吊钩，其他还有吊环、起重吸盘、夹钳和货叉等。起重吸盘、夹钳和货叉等可在起重机上作为专用吊具长久使用，也可作为可更换的辅助吊具挂在吊钩上临时使用，常用于多货种仓库和堆场，以提高作业效率。抓取散状物料的吊具一般为颚板可开闭的抓斗，也可用电磁吸盘吸取如金属切屑等导磁性物料。吊取流动性物料的吊具常用的有盛桶和吊罐、一般通过倾侧或抽底塞等方式卸出钢水或化学溶液，通过打开吊罐底门卸出混凝土等流动性物料10。4.2.2 吊钩由于本次设计采用的是吊钩，在此介绍一下吊钩。吊钩时起重机械中最常见的一种吊具。吊钩常借助于滑轮组等部件悬挂在起升机构的钢丝绳上，吊钩示意图13。图14 吊钩示意图（1）吊钩的种类吊钩按形状分为单钩和双钩；按制造方法分为锻造吊钩和叠片式吊钩。单钩制造简单、使用方便，但受力情况不好，大多用在起重量为80吨以下的工作场合；起重量大时常采用受力对称的双钩。叠片式吊钩由数片切割成形的钢板铆接而成，个别板材出现裂纹时整个吊钩不会破坏，安全性较好，但自重较大，大多用在大起重量或吊运钢水盛桶的起重机上。吊钩在作业过程中常受冲击，须采用韧性好的优质碳素钢制造。吊钩分类极广，一般包括：卸扣、吊环、 圆环 、梨形环、 长吊环、 组合吊环、 S钩、鼻吊钩、 美式吊钩 羊角吊钩 、眼形滑钩 、带保险卡吊环螺钉 、链条卸扣、 具有独特、新颖、质优、安全的特点，适用于工厂、矿山、石油、化工及船舶码头等。确保安全，质量安全系数，静载荷达到3倍，起重量从5吨150吨。（2）吊钩的基本尺寸根据卷扬机的额定起重量，因此选用起重量为5吨的吊钩，图13为吊钩的基本尺寸，经查吊钩构造尺寸的国家标准，基本尺寸如图14所示3 11：S=50 mmD=63mmL1=481.5mmL2=33.5mmh=67mm图15 吊钩的基本尺寸4.2.3 取物装置的改进（1）改进取物装置的原因由于本次设计的多功能物料运输车主要是用于抗震救灾的，而在灾区不管是环境、路况、天气等等都是极其恶劣的，甚至有些地方是人所没办法到达的，因此我们应该尽量使多功能物料运输车具备自动化的功能，而起重机本次设计采用的是吊钩，吊钩是属于半自动机械，需要人工的辅助把货物放在吊钩上来进行搬运，因此我们需要对取物装置的吊钩进行改进，从而解决搬运重物的问题。因为取物装置搬运是将物料搬运然后放到前端提升机构的传送带上，通过传送带将物料输送进运输机构中，从而达到运输物料的功能，因此需要将取物装置和前端提升机构的传送带配合好，这个也是需要改进取物装置的一大原因。（2）搬运机械取物装置的优缺点搬运机械的取物装置常用的能实现自动化的有抓斗和夹钳和电磁吸盘。其中抓斗是用来抓取物料块粒的大小、松散程度、容重以及粘度大小等，主要是用来装卸散料物品的自动取物装置；夹钳多用来搬运成件物品。虽然都是依靠钳口与物品之间的摩擦力来夹持和提前物品的，但它的构造形式随搬运物品而有所不同，需要根据搬运物品的形状来设计夹钳的形状和尺寸；电磁盘用来抓取具有导磁性的黑色金属材料。通电时，电磁铁产生磁力，吸起物品，断电时磁力消失而放下物品。电磁盘的主要优点是装卸物品可以自动进行，不需要任何辅助的捆系工具和辅助人力，并可以解决某些物品不易悬挂的困难。缺点是自重大、消耗功率大；断电时物品有坠落危险，因此在起重机上需要专门配备一套整流设备来供电。因此搬运机械的取物装置存在局限性，而且通过下表9将真空吸取装置和机械搬运、电磁搬运进行比较，从中可以看出真空搬运的优势与特性，因此决定采用真空式的吸取装置 13。表9 真空吸取装置和机械搬运、电磁搬运的比较比较项目搬运方式机械式吊车、叉车、升降机电磁式西芝起吊电磁石真空式西芝真空吸取装置对搬运物的限制没有特殊限制只限磁性金属只限可吸取物挂绳吸取所需时间数分1秒弱1秒弱摘下所需时间数分1秒弱1秒弱所需人数281212损伤、变形有有无自身重力各种重轻电源电机停止时没有掉下来的危险用电池组保持电力数十分钟保持吸取力维护复杂稍复杂简单（3）真空吸取装置（a）真空吸取装置的工作原理吸取器的吸口与工件表面接触密封，并能形成封闭的真空腔，通过真空阀门对吸取器抽气时，吸取器与表面形成的腔处于真空状态而形成真空腔，即处于空气的剩余压力状态。真空吸取器的外界大气压力，与真空腔内的剩余压力形成压力差，该压力差做用在吸取壳体和工件上，称为真空吸取力，真空吸取力将吸取器和工件结合为一体，从而实现吸取器吸取和吊运工作的目的。当把密闭空间和外面的大气压联通是，真空吸盘就与物体分离开。吸取器的工作原理如图16所示9。图16 吸取器的工作原理图（b）真空吸取器的特点第一易损耗。由于它一般用橡胶制造，直接接触物体，磨损严重，所以损耗很快。它是气动易损件。正因如此，它才如此显著地从众多气动元件中重点突出出来了。第二易使用。不管被吸物体是什么材料做的，只要能密封，不漏气，均能使用。电磁吸盘就不行，它只能用在钢材上，其他材料的板材或者物体是不能吸的。第三无污染。真空吸盘特别环保，不会污染环境，没有光、热，电磁等产生。第四不伤工件。真空吸盘由于是橡胶材料所造，吸取或者放下工件不会对工件造成任何损伤。而挂钩式吊具和钢缆式吊具就不行。在一些行业，对工件表面的要求特别严格，他们只能用真空吸盘13。（c）真空吸取器的结构尺寸真空吸取器的种类很多，其中根据吸口的机构形式分为单吸口、双吸口、三吸口、四吸口和多吸口，吸口的机构