起重夹钳设备的总体设计设计说明书(DOC毕业设计论文).doc

摘 要本文首先对起重夹钳技术的发展及应用情况、国内外的发展状况及发展趋势，通过对50kg起重机的设计方案的确定，包括针对本设计选取起重机的型号，确定为臂架式起重机，然后对起重机结构的各个部件进行设计，包括夹持机构、吊臂、钳臂、轴、自动开关装置和设备稳定性分析等等的设计。采用了机械设计的一般设计方法，机械设计辅助软件AutoCAD和Pro/e，设计制作出起重夹钳设备，吊起重量达50Kg，起升速度达0.1m/s,运行速度达0.5m/s,搬运物体快速便捷，无卡壳，设备运行良好。通过了解学习掌握夹钳装置的工作原理，对起重夹钳装置的结构进行分类与分析，通过分析从而确定起重机设计方案夹钳装置的设计，传动装置方案的设计以及分析设备的稳定性。关键字：起重机；起重夹钳；机构设计；自动开关装置；稳定性ABSTRACTThis paper firstly lifting clamp technology development and application, domestic and foreign development and development trend of 50kg crane, through the design scheme based on the determination of design, including selecting the model, determine crane for arm, then to pose crane components of the crane structure design, including holding mechanism, the arm, clamp arm, axle, automatic switch devices and equipment stability analysis and so on design. Adopted the general design method of mechanical design, mechanical design support software AutoCAD and Pro/e, design a lifting clamp device, lift the weight of hoisting speed, 50Kg of 0.1 m/s, operation speed reaches 0.5 m/s, handling objects without jam, fast and convenient, equipment operation is good. By understanding learn clamp devices working principle, the structure of the crane clamp device classified and analysis, through the analysis to determine crane design scheme clamp device design, transmission device scheme design and analysis equipment stability. Keywords: Lifting appliance； Clamping devices； Design of structure； Automaticcontrol device； Stability目 录摘 要IABSTRACTII1 起重机简介11.1现代起重机的特征和发展趋向11.2国产起重机与国外产品的差距52起重夹钳简介72.1 国内外起重夹钳发展状况72.2 常用夹钳装置的发展与应用72.3.1 螺杆夹紧式82.3.2 夹钳自重夹紧式92.3.3 夹钳装置自重夹紧式122.3.4 钢绳张力附加夹紧式133 设计目的及主要内容153.1 设计的基本内容153.2 设计目的154 50kg 起重机的设计方案的确定154.1 50kg起重机的设计思想154.2 50kg起重机种类的选择与确定154.3 臂架式起重机的工作原理164.4 50kg起重机电机的选择174.5 50kg起重机的传动装置方案的设计174.5.1功率与效率174.5.2速度184.5.3外廓尺寸、质量和成本184.6 50kg起重机结构的设计方案194.6.1起重机构件的材料选择194.6.2 起重机构件的设计方案205 50 kg起重夹钳主机的总体设计215.1 起重夹钳设计思想215.2 50kg起重夹钳工作原理225.3 起重夹钳的夹持机构225.4 吊臂的设计225.4.1吊臂的材料的选择235.4.2吊臂的尺寸计算235.5 钳臂的设计235.5.1钳臂的材料的选择235.5.2钳臂1的设计235.5.3钳臂2的设计245.6 轴的设计275.6.1轴的材料选择275.6.2主轴的设计285.6.3轴1的设计295.6.4轴2的设计305.6.5吊轴的设计306 起重夹钳主要部件的工艺316.1 吊臂的工艺316.2 钳臂的工艺316.3 轴的工艺317 自动开关装置的设计327.1自动开关装置的材料选择327.2自动开关装置的结构设计328 设备的稳定性分析348.1温度对系统稳定性的影响348.2机械加工及整体装配对系统稳定性的影响349 润滑剂的选择3510 结论及前景3610.1 结论2410.2 前景25参考文献37致 谢381. 起重机械简介起重机械是现代工业企业中实现生产过程机械化、自动化、减轻繁重体力劳动、提高劳动生产率的重要工具和设备。如在港口码头和铁路车站，没有起重机械，装卸工作就不能进行；在冶金生产中起重机械已用于金属生产的全部过程；现代建筑工程，不能离开起重机械；在农业和林场，最困难、最费力的工作也由起重机械来完成；在核发电站中，采用特殊的起重机，用以代替人的操作去担当对人体健康有严重危害的作业。随着科学技术和生产的发展起重机械在不断地完善和发展之中。1.1现代起重机的特征和发展趋向随着现代科学技术的迅速发展，工业生产规模的扩大和自动化程度的提高，起重机在现代化生产过程中应用越来越广，作用愈来愈大，对起重机的要求也越来越高。尤其是电子计算机技术的广泛应用，促使了许多跨学科的先进设计方法出现，推动了现代制造技术和检测技术的提高。激烈的国际市场竞争也越来越依赖于技术的竞争。这些都促使起重机的技术性能进入崭新的发展阶段，起重机正经历着一场巨大的变革。我国正以前所未有的速度进入全球化国际竞争市场，中国的起重机制造业面临着机遇与挑战并存的新形势。因此起重机的不断发展和创新是关键。现根据国内外起重机的新理论、新技术和新动向，结合实例，简要论述现代起重机的特征和发展趋向。1、重点产品大型化、高速化、耐久化和专用化由于工业生产规模不断扩大，生产效率日益提高，以及产品生产过程中物料装卸搬运费用所占比例逐渐增加，促使大型或高速起重机的需求量不断增长。起重量越来越大，工作速度越来越高，并对能耗和可靠性提出更高的要求。起重机已成为自动化生产流程中的重要环节。起重机不但要好用，容易维护，操作方便，而且安全性要好，故障要少，平均无故障工作时间要长。可靠性是国际市场产品竞争的焦点，国外许多大公司都制定了可靠性内控标准。我国起重机的性能要赶超世界先进水平，最关键的是要提高可靠性，使起重机具有优异的耐久性、无故障性、维修性和使用经济性。目前世界上最大的浮游起重机起重量6500t，最大的履带起重机起重量3000t，最大的桥式起重机起重量1200t，自动化立体仓库堆垛起重机最大运行速度达240mmin。工业生产方式和用户需求的多样性，使专用起重机的市场不断扩大，品种也不断更新，以特有的功能满足特殊的需要，发挥出最佳的效用。冶金专用起重机，防爆、防腐、绝缘起重机和铁路、船舶、车辆专用起重机的功能不断增加，性能不断提高，适应性比以往更强。德国德马格公司研制出一种飞机维修保养专用起重机，在国际市场上打开了销路。这种起重机跨度大，起升高度大，停准精度高。在起重小车下面安装有可伸缩回转的维修平台，可到达飞机任一部位。随着世界核电站的迅速发展，核电站专用起重机也得到相应发展，如反应堆室内的环形桥式起重机在放射性环境中工作，用于起吊压力容器顶盖及堆内构件等危险载荷，要求可靠性高，安全性好，能自动精确定位和缓慢下放物品等，并有多种保护装置和特殊安全装置。2、系列产品模块化、组合化、标准化和实用化许多起重机是成系列成批量的产品，采用系统多目标整体优化方法进行起重机系列设计已成为发展重点，通过全面考虑性能、成本、工艺、生产管理、制造批量和使用维护等多种因素对系列主参数进行合理匹配，以达到改善整机性能降低制造成本，提高通用化程度，用较少规格数的零部件组成多品种、多规格的系列产品，充分满足用户需求。用模块化设计代替传统的整机设计方法，将起重机上功能基本相同的构件、部件和零件制成有多种用途，有相同联接要素和可互换的标准模块，通过不同模块的组合，形成不同类型和规格的起重机。对起重机进行改进，只需针对某几个模块。设计新型起重机，只需选用不同模块重新进行组合。由于提高了通用化程度，可使单件小批生产的产品改换成具有相当批量的模块生产，实现高效率的专业化生产，降低制造成本。能以较少的模块形式，组合成多品种多规格的起重机，满足市场需求，增加竞争能力。德国德马格公司生产的桥式起重机充分考虑了模块化和组合化，使系列、整机、机构、部件和零件互相之间的参数匹配，能力分布达到最为经济合理的搭配效果。利用起重量与起升速度的乘积为常数的方法使起升机构主要部件达到最大限度的通用。再通过滑轮倍率的变化派生出更多的规格。5125t桥式起重机系列，多种工作级别，只需4种基型的起重小车。该公司开发的标准车轮箱模块系列，上面有多组联接孔，可选装不同型号的驱动单元，可组装成台车，可与金属结构件组合后用作各种桥式、门式起重机，巷道堆垛起重机或其它轨行式起重运输机械的运行机械，其车轮有多种踏面形式可供选用。由于不受基距限制，组合灵活，用途广泛。该公司的端梁标准模块系列已经商品化，与主梁之间采用摩擦环和高强度螺栓的连接方式，提高了互换性和尺寸精度，减少了接合面的加工量。与任一主梁都可快速有效相接。有适用于单梁或双梁两种形式的端梁模块，根据起重量及跨度就可确定出适用的端梁型号。3、通用产品小型化、轻型化、简易化和多样化有相当批量的起重机是在一般的车间仓库使用，要求并不很高，工作并不十分繁重。如何提高这些起重机的适用性，降低制造成本，是市场竞争能否获胜的关键。考虑综合效益，要求起重机尽量降低外形高度，简化结构，减小自重和轮压，也可使整个建筑物高度下降，建筑结构轻型化，降低造价和使用维护费用。因此电动葫芦桥式起重机和轻型梁式起重机会有更快的发展，并将大部分取代中小吨位一般用途桥式起重机。用户的需求性促进了起重机的多样性。起重机的系列参数范围进一步扩大，功能选择进一步增加，一机多用产品进一步得到发展，以增强应变能力。在一般使用场合采用无线遥控操作的比例也将逐步增多。德国德马格公司经过长期的开发和创新，已形成一个轻型组合式标准起重机系列。整个系列由组合式工字形单梁、悬挂箱形单梁、角形小车箱形单梁和箱形双梁多个品种组成。主梁与端梁相接共有15种形式，可适合不同建筑物和不同起吊物的要求。每种规格起重机都有三种单速及三种双速可供任意选择。操纵方式有地面手电门自行移动、手电门随小车移动、手电门固定、远红外或无线电遥控、司机室固定、司机室随小车移动、司机室自行移动等7种选择，外加不同的导电形式，不同的电控形式，通过不同的组合，可搭配成百上千种起重机，充分满足用户不同的需求。这种起重机的另一最大优点是轻型化，与国内产品相比较，起重量32t，跨度25.5m，国内双梁桥式起重机自重为46.4t，电动葫芦桥式起重机自重为28.3t，而德马格电动葫芦桥式起重机的自重只有18.5t，比国内产品分别轻60和35。随着起重机的不断发展，我们公司的产品，能够适应行业的发展，我们公司的智能超载限制器及科蓝安控系统，作为起重机安全运行的保护神，可异地、远程、实时监控起重机的运行。4.产品性能自动化、智能化、集成化和高效化起重机的更新和发展,很大程度上取决于电气传动与控制的改进。将自动化技术和机械传动技术相结合,将先进的微电子技术、电力电子技术、光缆通讯技术、液压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统,实现自动化和半自动化。使起重机组成的物料搬运系统具有更高的柔性,以适应未来多批次少批量的柔性生产模式。 大型高效起重机的新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。主要由全数字化控制驱动装置、可编程序控制器PLC、故障诊断及数据管理系统、数字化操纵给定检测等设备组成。它赋于起重机以信息功能,可进行信息传递、处理及动力控制,大大提高了综合自动化水平。目前控制方面重点发展吊具防偏防摇技术,取物装置自动取、卸物技术,位置检测及自动位置控制技术,故障自诊断监控技术等。5.产品组合成套化、系统化、复合化和信息化在起重机单机自动化的基础上,通过计算机把各种起重运输机械组成一个物料搬运集成系统,通过中央控制室的控制,能与生产设备有机结合,能与生产系统协调配合。这类起重机自动化程度较高,具有信息处理功能,可将传感器检测出来的各种信息实施存贮、运算、逻辑判断、变换等处理加工,进而向执行机构发出控制指令。这类起重机还具有较好的信息输入输出接口,实现信息全部、准确、可靠地在整个物料搬运系统中的传输。起重机通过系统集成,能形成不同机种的最佳匹配和组合,取长补短,发挥最佳效用。目前重点发展的有工厂生产搬运自动化系统,商业货物配送集散系统,集装箱装卸搬运系统,交通运输和邮电部门行包货物的自动分拣与搬运系统等。生产工程机械的美国卡特皮勒公司金属结构厂购置了一条以桥式起重机为主的物料自动搬运系统,用以钢板喷丸处理、自动切割和出入库的自动装卸运输作业,比原先采用单机操作工作效率提高65%。日本东芝浜川崎工厂采用由全自动桥式起重机组成的物料输送系统来搬运柔性加工线上的夹具和工件,为机床运送毛坯或将加工好的零件送到下一工序或仓库。这些在空间移动的搬运起重机代替了过去通常在地面行驶的自动导向搬运车,使车间地面面积得到充分利用。6.产品设计微机化、精确化、快速化和全面化随着电子计算机技术的广泛应用和系统工程、优化工程、价值工程、可靠性工程、创造工程和人机工程等现代设计理论的不断发展,促使许多跨学科的现代设计方法出现,使起重机的设计进入创新、高质量、高效率的新阶段。目前,计算机辅助设计(CAD)已逐步深入到设计的各个阶段和设计工作所涉及的各个领域。不仅能利用计算机运算速度快、计算精度高、存储信息量大和逻辑推理能力强等优点代替人工进行方案选择、计算分析与绘图,而且还能通过人机交互,最大限度地发挥设计人员的创造力和经验。美国、德国、日本等一些起重机公司都广泛应用CAD,彻底抛弃了传统的图板。并且还与计算机辅助工艺规划(CAPP)和计算机辅助制造(CAM)相衔接,做到了无图化生产。起重机是在复杂工况下工作的大型结构系统,其动态性能受多种因素影响,运动参数与载荷不能用一个简单的数学模型描述。以往多以静态设计为主,局限性很大。国内外近年来在起重机设计中采用了动态仿真设计新方法,用计算机对机构与结构在各种工况下承受载荷进行运动状态及随时间变化过程的仿真模拟,得到仿真输出参数和结果,以此来估计和推断实际运行的各种数据。人机工程学把起重机、人和作业环境作为整个系统来研究,创造一种人与起重机最佳相互作用状态。人机工程学在起重机上的应用主要体现在司机室的设计,包括司机室的合理布置,减轻司机疲劳和提高工作效率的措施,加强环境保护,减少灰尘和废气污染,减少司机室的振动和噪声等。随着起重机的高速化和大型化,还需进一步深入开展对起重机载荷变化规律、动态特性和疲劳特性的研究。进一步开展对起重机整机及零部件的可靠性试验研究,提供起重机新的设计方法和数据。极限状态设计、优化设计、可靠性设计、有限元法、模块化设计、反求工程设计、疲劳设计和健壮设计会更深入全面地得到应用。7.产品构造新型化、美观化、宜人化和综合化结构方面采用薄壁型材和异型钢,减少结构的拼接焊缝,提高抗疲劳性能。采用各种高强度低合金钢新材料,提高承载能力,改善受力条件,减轻自重和增加外形美观。桥式类型起重机桥架大多采用箱形四梁结构,主梁与端梁采用高强度螺栓联接,便于加工、运输与安装。在机构方面进一步开发新型传动零部件,简化机构。“三合一”运行机构由于结构紧凑、拆装方便、调整简单并运行平稳,将成为起重机运行机构的主流,减速器壳体、卷筒及滑轮等的制造都以焊代铸,能减轻自重、增加承载能力和改善加工制造条件。减速器齿轮采用硬齿面,以减小体积,提高承载能力,增加使用寿命。在电控方面开发性能好、成本低、可靠性高的调速系统和电控系统,发展半自动和全自动操纵。采用机、电、仪、液一体化技术,提高使用性能和可靠性,增加起重机的功能。有专家指出,未来的起重机驱动技术,由于变频调速系统越来越多地得到应用,交流鼠笼电动机将会重新受到重视并被广泛采用。今后会更加注重起重机的安全性,研制新型安全保护装置和故障自动显示装置,并重视司机工作条件的改善。8.产品制造柔性化、灵捷化、精益化和规模化在激烈的市场竞争条件下,要提高起重机的市场占有率,确保起重机的高性能高质量,并不断推出新产品,生产企业必须具备市场变化的适应能力和快速反应能力。包括提高生产效率,提高和保持产品质量的一致性,降低生产成本,缩短生产周期,加速产品的更新换代等。生产制造的柔性化是使工艺装备与工艺路线能适用于生产各种产品的需要,从适应当前单品种大批量生产方式向多品种小批量生产方式的转变。生产制造的灵捷化是使产品生产与推向市场的准备时间缩为最短,使企业机制能灵活向。生产制造的精益化是使生产过程劳动生产率不断提高,保持产品质量稳定,强调企业各部门相互密切合作。良好的生产机制和管理机制是企业发展的前提。起重机制造时广泛采用计算机辅助工艺规划(CAPP)、计算机辅助制造(CAM)和柔性制造系统(FMS)。采用挤压成型、冲压成型、精密铸造等少、无切削工艺,采用光电跟踪切割技术、焊接机器人技术。充分利用加工中心和全自动数控机床,提高加工制造的自动化水平。制造手段的现代化是保持质量稳定,提高劳动生产率的前提。1.2国产起重机与国外产品的差距近些年来，伴随着我国固定资产投资的飞速增长、基础设施建设和大型项目的不断上马，使得我国工程机械行业获得了空前的发展，也受到了人们越来越多的关注。近期炒得沸沸扬扬的“徐工收购案”更是吸引了众多业内外人士的目光。那么，我国工程机械行业的竞争力究竟如何？同国外的对手相比，孰优孰劣？有关专家以起重机产品为例，从四个方面进行了分析对比。技术实力应该说，我国起重机的制造技术还是位于世界前列的，众多产品也在国内外拥有广阔的市场。然而，与欧美日等发达地区相比，我们的技术实力还是有一定差距的。根据数据显示，级别超过200吨的履带式起重机、超过100吨的汽车起重机大多要进行国际招标采购，这说明目前国内在这方面尚不具备大量生产的能力。欧洲起重机的平均吨位在800吨，而我国目前这一数字却不到200。徐州重型机械公司的QUY300型履带式起重机重臂最大起重量可达300吨，QAY200型全路面起重机额定起重量为200吨，这已是目前国内之最，与利渤海尔、马尼托瓦克等国际起重机行业巨头在技术方面还有很大差距。产品结构由于技术能力所限，我国起重机在产品结构上也不够完善，难以同国外匹敌。中国国际招标网的资料显示，技术要求较高的全路面起重机和履带式起重机这两种产品在我国产能较低，目前只有徐州重机等少数几家行业内的龙头企业具备一定的生产能力。而这两种产品是起重机众多类别当中吨位最大的，其价格也远远高于普通的汽车或轮胎式起重机，这一领域国内产能的匮乏使得我们不得不付给国外厂商更多的成本。产业链条决定产品竞争能力的不只是技术研发的实力，处于产业链下游的制造业必将受制于上游产业的影响。在我国，钢铁企业的技术缺陷也给下游的工程机械行业发展造成了一定程度的制约，钢材的硬度、弹性、延展性等质量标准直接关系到技术能否实现。同时，汽车工业的发展与起重机的关联也十分密切，汽车底盘技术的成熟会对起重机承载能力的提高起到决定性的作用。然而，我国在这方面显然不能同欧美日等发达国家相比。另外，下游的工程机械租赁产业尚处于发育阶段，这也给起重机生产企业把握市场动向、完善售后服务带来了更多的成本消耗。进出口结构从起重机的进出口结构来看，我国起重机行业总体上以出口为主，贸易顺差较大，尤其在亚洲有着非常广阔的市场。尽管在技术上与欧美等国的竞争对手有一定差距，但是这并不影响我们成为起重机的制造大国。在中低端市场上，由于价格上的优势，我们拥有更多的市场份额，也涌现出了徐工，中联浦沅这样优秀的民族品牌。我国的起重机制造商与欧美的竞争对手相比在技术上还存在着差距，在产业链条，产品结构方面也存在着一定的劣势，但这并非遥不可及。更主要的是，我国在这一领域从未放弃过自主研发，而且已经具备了相当大的产业规模，创造了几个蜚声全球的知名品牌。这也就是为什么凯雷对徐工的收购会引来如此大的反响，作为很有希望的民族产业，我们当然不可能拱手相让。2 起重夹钳简介2.1 国内外起重夹钳发展状况夹钳作为一种起重作业机具被广泛应用于冷、热轧薄板厂，用来搬运各种半成品及成品钢卷，是一种工作效率很高、适应性极强、用途非常广泛的起重设备，属于冶金行业中的特种设备。按夹钳在夹持物料的过程中有无辅助外力，可将其分为外力辅助式夹钳和重力式夹钳。外力辅助式央钳是靠辅助外力实现对物料的夹持，不管货物的尺寸如何，只要辅助设备工作得当，这种夹钳就能轻易地对其实现夹紧，它具有操作简单、生产效率高、夹持力可调等特点。相对于外力辅助式夹钳，重力式夹钳只能靠夹钳和物料的自重实现对物料的夹持，它具有安全可靠、结构简单、制造方便、成本低廉、不消耗动力能源、寿命较长等特点，因此得到了广泛的应用。目前我国应用较多的是重力式夹钳，由于其初始夹紧力的产生是靠夹钳和物料的自重实现的，如何用合适的力夹取物料，做到既能安全实现夹取，又避免钳体的受力太大而导致钳臂或物料的破坏就显得非常重要了。以带卷夹钳为例，如果钳口产生的夹持力不够大，夹钳夹持带卷就不可靠；如果产生的夹持力太大，钳臂的受力会很大，各钳臂的强度也会要求很高，导致钳体笨重：而且在夹持高温带卷时，夹持力太大时带卷接触面容易出现较大的塑性变形，而使其表面产生较深的压痕，破坏了带卷表面的完整性，给它的进一步加工带来不必要的麻烦。在我国，在吊夹装置、液压钢卷夹钳、重力式板坯夹钳、电动平移式板坯夹钳等方面进行过研究工作。相比对于国外，我们国家在夹钳上的研究还是非常有限。德国、美国、俄罗斯等国家，在央钳的研究方面做得很好，这些国家很早就对各种钳式取物装置进行了理论和实验研究。在我国，在吊夹装置、液压钢卷夹钳、重力式板坯夹钳、电动平移式板坯夹钳等方面进行过研究性工作。相对于国外，我们国家在夹钳上的研究还是非常有限，特别是在重力式带卷夹钳上，很少进行系统性的研究。2.2 常用夹钳装置的发展与应用夹钳装置是夹钳起重机的取物装置，它与起重机的几个工作机构配合，可从铸锭车上拧断汤道，夹取钢锭，将钢锭装入均热炉，再从均热炉取出加热后的钢锭送进运锭车或直接放到棍道上运往初轧机。此外，夹钳起重机还可用来拨移钢锭车或夹上清炉耙清理炉底。夹钳起重机在完成上述工艺程序时，由于运行速度较快，振动大，夹持的又往往是红热的钢锭，因此夹钳装置的各个零部件除应有足够的强度外，还应有良好的夹持性能，保证夹持的钢锭不至从钳口脱落。夹钳装置夹持钢锭的工作可靠性通常用夹紧系数K表示。K为夹钳钳尖对钢锭侧面的两个水平作用力(央紧力)之和对钢锭自重的比值，K值越大，钢锭越不会从夹钳中脱落下来。为了加大夹紧系数K，除应提高夹钳装置的强度与刚性外，还应设法寻求最为合理舶结构形式，以免过多地增大夹钳装置的几何尺寸和自重，影响起升机构的电机功率或起升速度。因此合理地选择及改进央钳装置的结构形式是减小设备自重和提高夹钳装置工作可靠性的重要环节。2.3.1 螺杆夹紧式夹钳装置有4个起升动滑轮2， 每两根钢绳由起升卷筒经起升动滑轮成对地固定到小车架上的平衡杠杆或平衡轮上。央钳开圃机构的驱动装置设在上方， 由电机通过立式减速机瓤伞齿轮对传动垂直螺杆4， 由具有内螺纹可上下移动的套筒带动拉杆， 使夹钳启闭。拉杆向上时夹钳闭合，拉杆向下时，夹钳在自重的作用下开启。亦可设计成使拉杆带动夹钳上方的连杆， 当拉杆向上时夹钳闭合， 拉杆向下时夹钳张开如图2.3.1的右边小图。为了保持央钳对钢锭的稳定夹持力， 在开闭机构自 底座上方装有弹簧装置，弹簧的压力越大，夹钳对钢锭的夹紧力就越大。为了防止机构过载， 在立式减速机上设有极限力矩保护装置。在确定弹簧压力时， 除应根据电机功率、传动装置的传动比， 螺杆螺纹导角、夹钳钳杆的传动比及传动效率等因素外， 还与各运动物件运动时的惯量有关。此外， 它还应根据极限力矩保护装置的设计值及其在使用过程中的稳定性决定。螺杆夹紧式夹钳装置的夹钳钳杆自重对夹紧力的影响甚小。在不同的钳口开度， 钢锭的自重对夹紧力虽有一定影响，但占的比重不大。这种夹钳装置的夹紧力主要是由机构传动在螺杆中产生轴向力带动夹钳钳杆产生的。夹钳的回转机构装于夹钳装置翼架的下方， 通过啮合齿轮带动夹钳回转。为了防止机构在刮渣时过载， 机构也设有极限力矩保护装置。其结构形式如图2.3.1。此处省略NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN字，主要从载荷和工作速度两方面。该论文设计的起重机用来配合5 0k g 起重夹钳来进行工作，所以起吊速度不能太快，结合实际经验工作速度取0.1m /s较为合理。根据已知条件由计算得知工作机所需有效功率： 通过电机机械手册查表得：有4 0w 6 0w 的电机，例如YS5614就是一个50 W的电机。4.5 50kg起重机的传动装置方案的设计根据工作原理的不同,可将传动分为两类：机械传动；电传动。本论文所涉及的是机械传动,具体可以分为带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动。当设计传动时，如传递的功率P 、传动比i和工作条件已定，则不同类型的传动各有其优缺点。选择传动类型时所依据的主要指标是：效率高、外廓尺寸小，质量小，运动性能良好及符合生产条件（生产可能性、预期的生产率及生产成本）等。至于在具体情况下，究竟选择哪种传动类型，只有综合对比若干方案技术经济指标后才能做出结论。4.5.1功率与效率各类传动所能传递的功率取决于其传动原理、承载能力、载荷分布、工作速度、制造精度、机械效率和发热情况等因素。一般地说，啮合传动传递功率的能力高于摩擦传动；蜗杆传动工作的发热情况较为严重，因而传递的功率不宜过大；摩擦轮传动由于必须具有足够的压紧力，故在传递同一圆周力时，其压轴力要比齿轮传动的大几倍，因而一般不宜用于大功率的传动；链传动和带传动为了增大传递功率的能力，必须增大链条和带的截面面积或排数（根数），这就要受到载荷分布不均的限制；齿轮传动在较多的方面优于上述各种传动，因而应用也就最广。不断提高传动的效率，就能节约动力，降低运转费用。效率的对立面是传动中的功率损失。在机械传动中，功率的损失主要由于轴承摩擦、传动零件间的相对滑动和搅动润滑油等原因，所损失的能量绝大部分转化热。为如果损失过大，将会使工作温度超过允许的限度，导致传动的失效。因此，效率低的传动装置一般不宜用于大功率的传动。各种传动传递功率的范围及效率概值见表1。表4.5.1 各种传动传递功率的范围及效率概值 传动类型功率P/k W效率(未计入轴承中摩擦损失)使用范围常用范围闭式传动开式传动圆柱齿轮及锥齿轮传动极小60 0000.96 0.99 0.92 0.95蜗杆传动可达80020 50自锁的0.400.45 0.30 0.35 非自锁的，蜗杆头数为：z 1=1、224、60.70 0.80 0.60 0.70 0.80 0.85 0.85 0.92 链传动可达4 000 100以下0.97 0.98 0.90 0.93 带传动：平带V带同步带 摩擦轮传动13 500 20 30 0.940.98可达1 000 50 100 0.920.97可达300 10 以下0.95 0.98 很少至200 20 左右0.900.96 0.80 0.88 4.5.2速度速度是传动的主要运动特性之一。提高传动速度是机器的重要发展方向。表示传动速度的参数是最大圆周速度和最大转速。传动速度的提高，在不同传动形式中要受到不同因素的限制，例如载荷、传动的热平衡条件、离心力及振动稳定性等。表4.5.3中给出了各类传动一般的速度范围，以供参考。4.5.3外廓尺寸、质量和成本传动的外廓尺寸和质量与功率和速度的大小密切相关,也与传动零件材料的力学性能有关。但当这些条件一定时，传动装置的外廓尺寸和质量基本上取决传动的形式。在大传动比的多级传动中，传动比的分配对外廓尺寸有着很大的影响。传动比是传动的运动特性之一。各类传动用于单级减速及单级增速时的传动比（主动轮与从动轮的转速比）参考值见表2。表4.5.3 各类传动的最大允许速度、转速与传动比（参照值）传动类型最大允许速度最大允许转速减速传动比普通平带传动25 (30 )3(5)高质量皮革带传动35 40 7 000 8 000 5特殊高质量的织造的平带传动到 60 0005钢带传动80 100 5V带传动普通V带窄V带25 30 12 0008(15 )35 40 15 000 8(15 )同步带传动50 100 20 000 10 (20 )链传动4 0 8000 10000 6(10)(滚子)1 5(齿形)6级精度直齿圆柱齿轮传动到20 30 0005(8)6级精度非直齿圆柱齿轮传动到50 30 000 5(8)5级精度直齿圆柱齿轮传动到120 30 000 5(8)蜗杆传动1 53 40 (80 )摩擦轮传动15 25 5(15 )综上所述，从效率、外廓尺寸，质量，运动性能及生产条件等方面来考虑在50kg 起重机中选择V带传动较为合理。由于电机的额定速度较大，而工作速度较小，可以采用多级V带传动来减速而达到所需速度。4.6 5 0kg起重机结构的设计方案4.6.1起重机构件的材料选择任何设计都是与材料离不开的，在设计起重机结构与部件之前，我们先要选择一种比较合适的材料。首先我们要介绍一下各类材料的性能和材料的一些基本知识。普通碳素结构钢又称普通碳素钢。与优质碳素钢相比，对含碳量、性能范围以及磷、硫和其他残余元素含量的限制较宽。我国和某些国家根据交货的保证条件，把普通碳素钢分为三类：甲类钢（A类钢），只保证力学性能，不保化证学成分；乙类钢（B类钢），只保证化学成分不保证力学性能；特类钢（C类钢），既保证化学成分，又保证力学性能。特类钢常于制造较重要的结构件。一、碳钢牌号的表示方法(1)碳素结构钢碳素结构钢的牌号由屈服点“屈”字汉语拼音第一个字母Q、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z）等四部分依次按顺序组成。其中质量等级按A、B、C、D顺序依次增高，F代表沸腾钢，b代表镇静钢，代表镇静钢等。如Q235 -AF表示屈服强度为235M p a的A级沸腾碳素结构钢。(2)优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示。这两位数字代表钢中的平均含碳量的万分之几。例如4 5钢，表示平均含碳量为0.4 5%的优质碳素结构钢08 钢，表示平均含碳量为0.08 %的优质碳素结构钢。(3)碳素工具钢碳素工具钢的牌号是用碳字汉语拼音字头T和数字表示。其数字表示钢的平均含碳量的千分之几。若为高级优质，则在数字后面加“A”。例如，T 12 钢表示平均含碳量为1.2%的碳素工具钢。T 8钢，表示平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。T 12 A ，表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。二、碳钢的用途举例Q195、Q215 ，用于铆钉、开口销等及冲压零件和焊接构件。Q235、Q255 ，用于螺栓、螺母、拉杆、连杆及建筑、桥梁结构件。Q275，用于强度较高转轴、心轴、齿轮等。Q345，用于船舶、桥梁、车辆、大型钢结构。根据以上介绍，起重机的材料宜选择45号钢。4.6.2 起重机构件的设计方案如图4.5起重机的总体装配图可知，底座5设计成圆形，底座上的支架采用焊接成型为了提高该设备的适用性，支柱7采用可升降式。因为该设备是配套电气设备使用，为了有利于线路的布置，所以支柱7和吊臂4采用45号空心圆柱钢管较合理，所使用的导可以通过支柱的中间，这样既合理又显得美观。5 50 kg起重夹钳主机的总体设计5.1 起重夹钳设计思想本论文对重力式板坯夹钳做了结构设计及加工工艺设计,设计方案确定如下:（1）根据夹钳的使用要求，选择夹钳的类型为重力式夹钳；（2）根据夹钳的工作要求，计算作用在夹钳各部件上的载荷；（3）根据夹钳整个部件的类型，结构和所受载荷,分析夹钳各部件可能的实效形式,从而确定夹钳各部件的设计准则；（4）根据夹钳各部件的工作条件及对夹钳各部件的特殊要求(例如高温或在腐蚀性介质中工作等),选择适当的材料；（5）根据设计准则进行有关的计算,确定夹钳各部件的基本尺寸；（6）根据工艺性标准等原则进行夹钳各部件的结构设计；（7）细节设计完成后，必要时进行详细的校核计算，以判定结构的合理性；（8）画出夹钳各部件的工作图，并写出计算说明书。5.2 50kg起重夹钳工作原理本文所要介绍的夹钳的主要组成部分由：吊臂、主钳臂、副钳臂、轴、自动控制装置等主要部件组成，结构如下图5.2所示。1-钳口 2-吊臂 3-主钳臂1 4-副钳臂2 5-主机 6-轴1 7-轴2 8-轴3 9-旋转开关装置图5.2 夹钳装置的装配图我们先介绍该夹钳的动作原理：先是夹钳处于空载状态，当欲夹起一重物，则缓缓下降至重物高度位置。在夹钳钳口碰及重物时，夹钳结构四边形由于自重作用而发生变形，钳口变宽，四边形变扁。此时若被吊物已位于钳口中，若往上拉，夹钳同样由自重，其结构发生变形，钳口变小则可夹住重物。于是夹钳可开始上升，当被吊物放到目的地时，整个夹钳继续向下放，由于自重作用，从而使钳口放开重物，开口继续变大。此时结构四边形发生变形，宽度变大，由于自动控制装置的作用，开口不再变小，于是夹钳便可以脱离重物，这样就完成了一次运作。 5.3 起重夹钳的夹持机构起重钳的夹持机构是根据起吊物件形状不同分为单转动钳板和双转动钳板起重钳；根据夹持和起吊方式的不同又分为竖式夹持和横式夹持结构的起重钳。对工字钢、钢轨等形状对称的起吊物，采用双转动钳板起重钳，如图2起重夹钳的结构，对形此处省略NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNN字制造轴尤为广泛，其中最常用的是45 钢。合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。必须指出：在一般工作温度下（低于20 0摄氏度），各种碳钢和合金钢的弹性模均相差不多，因此在选择钢的种类和决定钢的热处理方法时，所根据的是强度与耐性，磨而不是轴的弯曲或扭转刚度。但也应当注意，在既定条件下，有时也可选择强度较低的钢材，而用适当增大轴的截面面积的办法来提高轴的刚度。各种热处理（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等）以及表面强化处理（如喷丸、滚压等），对提高轴的抗疲劳强度都有着显著的效果。高强度铸铁和球墨铸铁容易作成复杂形状，且具有价廉、良发的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，可用于制成外形复杂的轴。根据上述45 号钢的特性选用轴的使用材料为45 号钢。5.6.2主轴的设计主轴弯矩的计算：根据平面力系平衡方程，确定主轴两端所受的力，由上述知图5.6.2.1 主轴的受力分析图图5.6.2.2 主轴的力矩分析图根据平面力系平衡方程，得：可得： 解得： 取截面11：取截面22：取截面33：得：根据弯曲强度条件，设计主轴的直径d，由上述=237MPa得：为了方便设计和实际需要，取最小直径d=18mm。主轴在与钳臂连接处还受到了剪力的作用根据45钢的特性，查表得剪切疲劳极限，取安全系数t=1.5。可以计算得：根据前面计算结果所得已知条件：故： 显然，计算出来的。 下面来校核钳臂1圆孔处的强度：现在既然已经确定了主轴的最小直径d=18mm，那么我们就可以根据主轴的最小直径来确定钳臂1上端圆孔的直径。由于轴与孔壁之间的相对速度很慢，但相互作用力很大。因此，配合间隙的选择，对保证轴与孔内壁的润滑非常重要。5.6.3轴1的设计根据45 号钢的特性，查表得剪切疲劳极限，取安全因素n=1.5。根据疲劳极限得出45 号钢的许用剪切应力如下： 根据剪切强度条件：，设计轴1的截面积A。根据设计与实际需要取 d=80mm 。如下图：5.6.4轴2的设计由轴1的设计计算得出，根据剪切强度条件：，设计轴2的截面积A ：（已知轴2受力）实际需要取d=45mm 。5.6.5吊轴的设计考虑到夹钳装置的自重需要和设计的需要，吊轴的设计与上面轴的设计方法是一样的，这里暂取D=10mm 。6 起重夹钳主要部件的工艺一个合格的产品，除了对各个零部件的结构和强度进行设计外，对其工艺设计分析也是必不可少的。现对该装置主要部件进行简要的工艺分析。6.1吊臂的工艺吊臂的上端与吊轴连接，故吊臂上端应采用与吊轴过盈配合，其具体形位公差已于附件的CA D图中标出。吊臂的下端与主轴连接，具体连接方式为焊接。焊接时选用二氧化碳气体保护焊，热源集中，熔深大，焊接变形小，直接反接，提高效率和焊缝表面质量。焊接时推荐选用焊丝匹配，直径1.2，不预热焊接。本夹钳装置对主轴的要求比较高，所以吊臂与主轴焊接在一起之后，先进行完全退火，然后再进行淬火以增强主轴的强度和刚度。6.2钳臂的工艺钳臂的孔的工艺处理与吊臂的孔的处理不同，因为与钳臂相连接的轴与钳臂上的孔相互之间是滑动的，所以它们之间的配合为间隙配合。按照前述所提过的孔与轴的配合方法确定钳臂各个孔的大小和公差，孔内壁的表面粗糙度为Ra 0.32 ，具体形位公差已于附件的C AD 图中标出。6.3轴的工艺轴类零件是机械装置中经常遇到的典型零件之一。4 5钢经过调质后，可得到较高的强度和任性等综合机械性能。在本装置中共有五种轴，其中吊轴和主轴主要承受弯矩和剪力，轴1和轴2只承受剪力。光轴是自动控制装置里面的受力很小，可以不考虑其力学性能。由于各个轴的情况不一样，所以他们的工艺也有所不一样。吊轴与吊臂相配合，采用过盈配合。其它轴都与连接孔的接触面处的表面粗糙度为Ra 0 .32 。主轴的工艺要求较高，与吊臂焊接在一起之后，先进行完全退火，然后再进行淬火以增强主轴的强度和刚度。各轴的具体形位公差已于附件的C AD 图中标出。7 自动开关装置的设计自动开关装置是本夹钳装置技术含量最高的部件。夹钳装置能否顺利的工作和自动控制装置有着密切的关系，所以这里主要介绍一下自动控制装置的工作原理。7.1自动开关装置的材料选择根据受力分析可知此结构受力不大，只须随夹钳自重即可。所以选择自动控制装置的材料为普通碳素结构钢（牌号为Q235A）。7.2自动开关装置的结构设计旋转开关装置的总体结构设计如图2所示，具体的功能介绍将会在下面进行。图7.2 旋转开关装置总体设计图根据工作需要，要求此夹钳具有自动控制功能，主要实现如下三种状态：该结构主要是通过吊杆机构放下拉起再放下再拉起的动作循环，从而使齿轮自动旋转控制开关控制杠杆机构，利用重力实现夹钳自动夹坯，放坯以及空车运行的动作。1、完成自动夹坯的过程夹钳工作之前处于空车状态，此时控制装置位于空车状态位置，夹钳欲夹起一重物，则缓缓下降至第一重物高度位置。当夹钳钳口碰及重物时，夹钳外形由于自重作用而发生变形，钳口变宽，外形变扁，夹钳上臂下降至下极限位置，夹钳下臂张开致最大位置；吊杆机构拉起，上臂随之上升带动齿轮自动旋转开关上座上升，上座与卡座脱开，夹钳处于夹坯状态。2、完成自动放坯的过程当被吊物放到目的地时，整副夹钳继续向下放，由于自重作用，从而使钳口放开重物，开口继续变大。此时夹钳外形发生变形，宽度变大，夹钳上臂带动齿轮自动旋转控制开关上座上升，上座与卡座连结，夹钳上臂处于中间位置，放坯动作完成。完成一次从夹起重物到释放重物的过程，此即夹钳自动控制装置的自动控制过程。图7.2.2 夹钳的CAD和实体模型3、空车运行，夹钳上臂处于中间位置，夹钳随吊杆机构空车运行至夹物目的地。8 设备的稳定性分析系统稳定性的好坏最终将评价一个装置是否一个合格的产品。本文探讨的夹