变支点交替支撑式撬杠设计说明书.doc

变支点交替支撑式撬杠设计者：邓学威，张扩指导教师：郑春禄，严国庆（沧州职业技术学院，沧州 061001）摘要 ：变支点交替支撑式撬杠双杆联动交替工作，增加了操作的协调性和稳定性，缩短了撬动或移动重物的时间，可以一人完成交替撬动过程，提高工作效率，为救灾争取了宝贵的时间。变支点交替支撑式撬杠由两根撬杠及一个支座组成，撬杠在支座套筒内滑动，实现支点的变化。在使用撬杠撬动或移动重物时，根据需要撬动重物大小，可由一人或多人操作，撬杠也可根据需要加长。关键词 ：撬杠；双杆交替；变支点1、 引言在日常工作或救援等需要移动重物的现场，因地形环境，普通撬杠常常会有找不到合适的支点，或需要多撬杠共同协作完成时，普通撬杠很不方便，受地形和地理位置的影响较大，于是我们设计了双撬杠、支点可变且一人可完成普通撬杠双人才能完成任务的新型工具。采用杠杆原理，把两根撬杠组合安装在一个支架上，以去除普通撬杠滑动滚落的危险。结构如图1所示：图1 撬杠工作示意图2、研究概况普通撬杠存在支点不稳，撬动连续性差,而且单人难以完成，变支点交替支撑式撬杠在普通撬杠基础上把两根撬杠组合安装在一个支架上，以消除撬杠滑动滚落的危险。并且可由一人同时操作两根撬杠，工作稳定，撬动连续，协调性好。2.1 支座设计支座为整个作品的支撑部分，由支架和底座组成，为了保证工作稳定，底座需要有一定的占地面积和质量。在不影响正常操作和搬运的前提下，适当增加底座自重可以保证工作时不会发生底座晃动和离地的情况。同时增大底座占地面积可以使工作时底座陷入土中的可能性减小，使作品适用的工作环境更广泛。将底板尺寸设计成400400（mm）的正方形并且使支架焊接在底板的前半部，这样可以有效的防止工作时支架向后翻转。底板可用花纹钢板，增加和地面的摩擦力。支架连接底座和套筒，是重要的支撑部位，支架的尺寸决定了撬杠的活动范围，所以支架厚度为40mm，开深度60mm，宽22mm的凹槽。两支架的间隔为300mm这样两个撬杠交替工作时不会互相干扰，而且在特殊情况需要双人配合工作时两人之间有合适的间隔。支架的高度如果太高会影响支撑的稳定性，太矮则影响撬杠活动量。根据经验和试验，总结出支架高度为300mm。支架最后尺寸如图2所示。图2 支座示意图2.2撬杠设计为了能满足是日常生活和救灾时的要求，现以撬起一块预制板为例，分析杠杆受力情况如下：已知：如图3，预制板的外形尺寸为3.60.6O.15m，密度1500kg/m3，又由支座的设计可知最小阻力臂xmin=0.3m，阻力臂最小时杠杆和水平面的夹角。进行预制板对杠杆的反作用力W的分析如下：图 3 预制板受力分析图根据已知预制板的外形尺寸计算其重量G=4860N。当杠杆以W从一端撬起预制板时，预制板自身为以O为支点的杠杆结构，则GL/2=WLcos，即W=，撬杠施加给预制板的力W与预制板施加给撬杠的力W是一对相互作用力，即，当=0时，重物对撬杠的反作用力为最大值，由于支座限制杠杆活动，杠杆的极限角度max=60，那么预制板施加给杠杆的压力。图 4 杠杆受力简图经查阅相关资料，人手臂对杆的主动力P约为600N，则支撑点向上的力R= W+P=1815N，设杆长l。杠杆受力简图如图4所示，那么P(l-x)=Wx（1）得 l=0.9m，因为撬杠要在套筒内滑动，实现支点的改变，在单人操作两根撬杠时更方便省力，所以增加理论杆长，实际杆长l=1.8-2.0m为宜。图 5 弯矩图强度分析：由弯矩图可知Mmax=Wx=12150.3=364.5N/m （2）为了采购方便，撬杠采用2寸低碳钢厚壁管，查手册得厚壁管外径D=50.8mm，内径d=47.05mm，由 （3）可得Wz=3240.08mm3则弯曲应力= （4）为了保证工作安全，弯曲应力应当小于等于许用应力，查手册20#钢许用应力=420MPa，,即撬杠选用2寸厚壁管满足强度要求。刚度计算：杆的刚度条件为 （5）式中，y为许用挠度，由经验确定为y=0.02。根据公式 （6）得max=0.010经比较，满足所以选用2寸厚壁管满足刚度要求。2.3 销轴设计 因为销轴在工作过程中承担强大的载荷，所以销轴应尽可能增大横截面积并尽可能缩短长度。销轴主要受力由图 6所示：图6 销轴受力分析销轴所受剪切力：Fa=Fb=Fc/2。所以销轴的剪切应力应小于或等于许用剪切应力即:=F/A（7） A=d2/4 （8）A：销轴危险截面面积（mm2）d: 销轴直径（mm）若销轴采用45#钢查表得其=30MPa，若撬杠撬起重量G=4860N的预制板，那么Fa=R/2=908N,从而得d6.2mm, 考虑制造工艺和棒料尺寸以及变形影响正常转动，所以取销轴直径d=30mm。3、 制作过程与创新考虑到参赛时要长距离运输，决定制作一个样品(成本为60元)，制作过程如下：3.1套筒套筒与支架通过销轴连接，套筒实现了撬杠的支点可变，同时保证了工作中撬杠不滑脱，最初的套筒结构如图7所示：图7 原套筒示意图但是在样品试验中发现套筒左右摆动的很明显，轴和孔的摩擦剧烈，轴的损耗大。于是经过修改和试验，套筒采用单片钢板支撑，如图 8 所示：图 8 新套筒示意图3.2支座为了样品制作方便，节约成本，支架采用两片型钢为一组，先用螺栓作为销轴把套筒和一组支架固定在一起，然后再底座相应位置焊接。这样避免了支架的位置偏差，导致套筒和销轴的不能正常安装。使用同样方法，焊接另一组支架于底座上。 3.3撬杠 2寸厚壁管，长度在1.8-2.0米间。为了能插入与地面间小缝隙重物,将撬杠一端压平,同时加工成锯齿型,以增加摩擦力。撬杠另一端处理光滑，以防划伤。3.4创新特色、通过撬杠在套筒内滑动，实现支点变换。、两根撬杠通过绞链套筒式支架，可以实现交替撬动或同时撬动。可以实现一人同时操作两根撬杠，突破了普通撬杠只能一人操纵一根撬杠的局限性。由于两根撬杠是连接在同一支架上，且一人操作，所以连续性、协调性和稳定性好。、支架底座稳定，适用于各种地面状态，使用可靠。4 、预期应用前景本工具结构简单，由7个零件组成，工作可靠，成本低廉、制作容易，零件的精度要求不高，加工工艺简单，容易加工制造，一般焊工都可制作。材料为机械制造中广泛应用的型钢。其特有的支座可以保证撬杠在工作时具备稳定的支撑点，这样可以在救灾时的复杂地势中发挥出普通撬杠难以发挥的作用，在日常的货物撬动中，建筑工地中也可发挥明显优势，所以本作品可以广泛应用于物体撬动场所，无论是灾难救援，还是日常货物撬动都是首选工具。致谢在作品完成之际，衷心希望这棵嫩芽通过我们辛勤汗水的浇灌，能茁壮成长，虽然我们的能力有限，但我们还是认真的对待。在此我们谨向我们的指导老师以及在设计过程中给予我们帮助的老师、同学们致以最诚挚的谢意！在这段时间里，我们利用课余时间，查阅了大量技术文献，这对顺利完成设计与制作起到至关重要的作用，感谢专家、教授的辛勤劳动，才能让我们如鱼得水，畅游在知识的海洋中。感谢学院各级领导的大力支持，为我们的工作提供设备、工具器械、材料物资等后勤保障。感谢国家和省里各位专家老师，组织这次机械创新设计大赛，能让我们有机会展示自己的作品，有机会面对面向专家老师请教各种问题，特别感谢专家老师的精彩点评，让我们增长见识、开阔眼界、获得新知识，我们将按照专家老师的指导意见，进一步修改我们的作品，使之更完善、更实用，真诚的希望我们的作品在创建和谐社会中