开题报告：PJ030平衡吊设计及有限元分析

附表4开题报告课题名称PJ030平衡吊设计及有限元分析课题来源指导教师职称学生姓名学号专业/班级一、研究的背景、目的和意义1.研究背景多品种、小批量生产的中等重量物件的搬运工作机械化,是长期以来存在的困难问题。过去通常采用吊车和电动葫芦等搬运设备,但这种机械难以实现生产线上机械化。效率低,不适于高精度操作,同时动作的方向性受到限制,所以在很多情况下不能满足生产的需要。六十年末,国外开发了一种新型的起重工具—平衡吊。它是一种能按操作者的意愿进行搬运中等重量的人机式机械。它的问世引起了一些工业发达国家的重视,特别是美国、日本在平衡吊的研制和创新方面有较高的水平,现在已有完善的系列产品。它们不但在国内广泛使用,而且已经远销国外。2.目的和意义通过此次设计更好地掌握平衡吊的工作原理，除考虑平衡吊自身结构简单、操作灵活、制造方便、高效率等优点外，还应考虑是否可以解决失横补偿的问题，为以后平衡吊的优化设计和制造提供一定的借鉴意义。平衡吊比机械手简易灵活，通用性强。广泛用于机床的上、下活件；中型零部件的装配和修理工序的起吊运输；流水生产线的衔接、转换工位；铸造车间的下芯、合箱；热处理车间的装炉、出炉等。是一种颇为理想的，把操作工人从频繁装卸的体力劳动中解放出来的省力工具。目前在汽车、拖拉机、柴油机、农用车、机床设备等机械制造及其它许多行业得到广泛的应用，因此该课题具有较好的社会效益。PJ平衡吊结构简单，构思巧妙，体积小，自重轻，造型美观大方，使用安全可靠，轻巧、灵活，维修简单、方便，制造成本低廉，具有良好的经济效益。2二、国内外文献综述1.平衡吊发展现状平衡吊是一种以平衡杆系为主要结构特征的吊运装置。该吊运装置主要由立柱、头架、手臂及传动部分组成，结构紧凑，造型美观。其主要特点是运用杆系的平衡原理和放大尺原理，操作者只需用几公斤力，就能使几十至上千公斤的重物在上下、前后、水平廻转三维空间轻巧自如地吊装，且运行可靠，是生产线、机床等设备工件上、下料的理想吊运装置。它的成功研制，填补了我国一项空白，属国内首创[4]。自1974年第一台100公斤机械式平衡吊研制成功后，为平衡吊系列化产品开发打下了良好的理论计算和实际制作基础，从70年代中到80年代初，先后完成含盖以机械、液压、气动为传动方式，额定吊运载荷为50、100、200、300、500、800、1000公斤的平衡吊系列产品及其派生产品，并形成批量生产[4]。在工厂车间里搬运重物，往往都是采用起重机、电葫芦、工业机械手等。但对于需要频繁吊装、作业时间短的场合，如机床上下工件，装配工作吊装零部件，流水线上的定点工作等等；对于要求比较精确定位的场合，如铸造中的下芯、合箱等等，一般起重设备常不适用，工业机械手多用于生产自动线上或单一的重复操作，而且成本较高，目前，一般车间使用较少[4]。图1平衡吊组成1.平行四连杆2.机械（液压）驱动3.机身4.电器控制系统图1平衡吊组成1.平行四连杆2.机械（液压）驱动3.机身4.电器控制系统首先我们来看PJ平衡吊的结构。PJ平衡吊的结构如图1所示,主要分为传动、杆系和回转机构三个部分。传动部分是完成起吊重物功能的机构,由电动机、减速器、离合器等带动丝杠回转,驱使丝母升降,从而完成吊钩在垂直方向的升降运动。该部分也可由气缸、油缸代替完成起重物的功能。杆系部分是一平行四连杆机构,可以沿水平导轨滚动。传动部分和杆系通过回转机构安装在立柱上,可以使吊钩绕立柱回转[8]。平衡吊的水平运动和绕立柱的回转运动,用手在吊钩处轻轻推动即可获得,而升降运动可以通过操作按钮由电机来完成[8]。3.平衡吊工作原理本人查阅了有关平衡吊的相关论文。PJ平衡吊与配重平衡吊类似，张金根先生在《一种简单的吊运工具—配重平衡吊》中对平衡吊的原理及平衡方程式的推导进行了以下阐述。（1)平移原理:平衡吊吊臂结构的力学模型图如图2所示。当丝杆不动时,D点相当一个固定铰支座，而O点相当一个滚动支座[2]。图2平衡吊吊臂结构力学模型图图3点移动至点平衡吊力学模型图同一条直线上，这只要证明当分别连接DO和OC时,∠DOC为“就行了。实际上,在△DEO和△OAC中,因DE;OA=EO:AC∠DEO=∠OAC∴△DEO～△OAC由此可知∠EOD=∠ACO又因∠EOA=∠OAC∴∠DOC=∠EOD+∠EOA+∠AOC=∠ACO十∠OAC十∠AOC=由此证得C、O、D三点连线必在同一直线上。当点移动到点位置时(图3),由作图可知,此时C、A、B、E各点将分别移至、、、点位置,如图中虚线所示。此时、、三点连线亦为一直线。∵∴∵∴即由此证得当滚轮O沿水平导槽运动时,C点将作水平直线运动,C点所吊重物Q也将作水平直线运动,其重心不发生升降,人的推拉力无须为此作功,由于钢轮与钢导槽的滚动摩擦系数极小(f二0.005),因此只要花费很小的力用来克服滚轮的滚动摩擦力和各铰链处的摩擦阻力,重物就能实现变幅运动。这就是平衡吊的平移原理[2]。图4四连杆机构组成(2)平衡原理:图4四连杆机构组成平衡吊是由运用比例放大尺原理构成的四连杆机构(臂系)组成,(见图3)ADEF为一平行四边形,它的杆件之间相互铰接,A处滚轮在水平导向槽内滚动,B处滚轮在垂直导向槽内滚动,C点装吊钩或其它夹持装置,重物吊装在C点,可跟随A点作平面移动,跟随B点作垂直升降运动。臂系在满足等式令的条件下,重物就能在臂系的整个作业区处于随迁平衡状态,操作时只要操作者握住C点处的把手,轻轻推拉就能在平面内任意移动,如欲升降,可同时按动按钮,就能达到高效率吊运和正确定位安置。平衡原理导:(图一)臂系以总体自由体考虑,在吊重W的作用下,在水平导向槽处的反作用力R。方向向上,垂直导向槽处的反作用力Rb方向向下[2]。若臂系处于随迁平衡有:件I对E点取力矩（1）臂系对B点取力矩（2）由1式得：（3）实际上就有由所产生的沿杆l方向的分力由2式得：（4）在三角形AHK中：（5)将3，4式代入5式:（6）式6是平衡吊在理论上能达到随迁平衡的必要条件,它与臂系在不同工作位置时的两个夹角a、日无关,且与吊重W无关[2]。在推导出平衡方程式时,臂系是以理想杆出现的,实际上臂系存在着自重,受力后会产生变形,铰接处亦有摩擦力,这些都是影响平衡吊随迂平衡的因素。所以在选用臂系结构时,应力求采用薄壁异形钢管,可以减轻自重,增加截面模数,提高刚度。至于各铰接处的摩擦力,它既有利亦有弊,如果摩擦力大,对平衡有利,但使操作力增加,不是人们所希望的,所以还是以滚动化较好[2]。最后为介决臂系自重引起的不平衡力矩,可求出各臂的自重和重心位置,运用平面内力的平移原则,计算出臂系的不平衡力矩,在杆I的延长线上,加一配重力矩与之相平衡,(实际重力矩为计算值的百分之七十左右)这样在实际使用时,可以在整个作业区的百分之八十以上范围内达到随迁平衡,不平衡区出现在作业区不经常使用的四周边角上[2]。4.PJ平衡吊运动分析分析了平衡吊的结构和动平衡原理后，接下来分析其运动情况。山西阳泉电工机械有限公司的工程师闫爱和在《平衡吊的运动分析及平衡方法》中对此有论述。观点如下：[8]图5PJ平衡吊机械结构简图如图5,过C点作一条水平线MN,A点与F点在此水平线上的投影分别为M、N两点。假设此时C点平移至Cc点,F点平移至Fc点。同样Fc、Cc、A三点共线。Fc点在MN线上的投影为Nc点。图5PJ平衡吊机械结构简图C点末移动时:∵∴C点移动后;∵由(1)、(2)式得出故证明C点水平移动时,F点在水平方向上作水平移动。∵即F点的水平移动速度为C点的K倍,如果C点作匀速运动,F点也作匀速运动。当电机带动A点运动时,F点的运动规律此时将C点看作一个固定铰链支座（见图6）。当A点移至Ac点时,、C、三点共线(道理同上)。过C点作水平线NM,图6∵图6同理，∵下面来证明F点的位置变化:∵由上述可得到故知F点在垂直方向上运动,其大小可由得到即F点的垂直移动速度为A点的K-1倍,如果A点作匀速运动,F点也作匀速运动[8]。至此，本次设计课题的关键部分已论述完毕。为了本次毕业设计，我查阅了大量的文献资料，这些资料对我帮助很大，在这里对论文作者表示感谢！研究的主要内容和拟采用的研究方法1.平衡吊四杆机构设计工作条件如额定起重量、最大回转半径、水平变幅、垂直变幅等等确定；滚道及丝杠螺母位置尺寸的确定；各截面尺寸的确定。2.配重块的质量确定用质量代换法计算配重。3.各构件受力分析及强度校核初定各杆长度；各杆受力分析及强度校核。4.螺旋机构设计用杠杆平衡原理求四杆最大轴向力F；滑动螺旋副的耐磨性设计，中径，查表，许用比压，工作比压。5.立柱的设计压缩应力，截面的抗弯矩。6.减速器的设计首先根据传动比确定减速器的级数，再根据计算输入功率或计算输出转矩选择减速器。7.轴承的设计由于只受垂直方向的力，且要在水平接近的范围内做任意的运动，所以回转机构中应该用到滚动轴承。当量动载荷，查表，，根据值查手册选取角接触轴承或推力球轴承的型号。四、研究进度安排时间设计工作内容第1周—第2周20XX年12月14日～20XX年12月23日组织开题答辩，上交开题报告第3周20XX年01月17日～20XX年03月07日结合自己对课题的思考，形成个人观点，进行整理确定设计方案第4周20XX年3月09日～20XX年03月16日平衡吊动平衡原理分析。第5周20XX年3月17日～20XX年03月24日平衡吊四杆机构设计及平衡吊的运动分析第6周20XX年3月25日～20XX年04月11日配种原理及配种块质量确定第7周20XX年04月12日～20XX年04月27日各构件受力分析及强度校核第8周20XX年04月28日～20XX年05月20日中期检查，填写中期检查表第9周20XX年05月21日～20XX年05月26日螺旋机构的设计及立柱的设计第10周20XX年5月27日～20XX年05月31日减速器的设计、轴承的选择及机械结构有限元分析。第11周20XX年06月06日～20XX年05月31日使用AUTOCAD软件绘制零件图，毛坯图，夹具图，装配图第12周20XX年05月16日～20XX年05月22日完成设计初稿，呈指导教师审阅第14周20XX年5月30日～20XX年6月5日装订设计终稿，呈指导教师和评阅教师审阅；论文答辩五、主要参考文献[1]高中庸.液压平衡吊的机构分析和力分析[J].广西工学院学报,1996,03:44-48.[2]张金根.一种简易的吊运工具——配重平衡吊[J].装备机械,1979,03:54-57.[3]何全茂,何富贤.平行四连杆机构在平衡吊中的应用[J].煤矿机械,2010,10:196-197.[4]叶光均.新型的起重工具—平衡吊[J].机械工厂设计,1983,04:41-45.[5]袁钧,秦耀刚,胡显华.平衡吊的原理及平衡调整问题J].武汉水运工程学院报,1979,03:105-114[6]王克.平衡吊杆系自重重心偏离轴线时对平衡的影响[J].力学与实践,1988,04:38-40.[7]王庆方.平衡吊设计的研究[J].河北工学院学报,1979,02:53-65.[8]闫爱和,焦希润,张素青.平衡吊的运动分析及平衡方法[J].太原重型机械学院学报,2000,04:295-300.[9]詹传恕.平衡吊升降系统的改进[J].机械工人.冷加工,1991,09:51-53.[10]曹伟,郭伟,杨文珍.平衡吊切向和径向操作力的控制[J].装备制造技术,2011,02:144-149.[11]隋明阳.机械设计基础[M].北京：机械工业出版社.2008.[12]曾宗福.机械设计基础课程设计[M].北京:化学工业出版社.2009.[13]苏有良.机械设计基础[M].南京:东南大学出版社.20