双柱式升降机设计

双柱式升降机设计,双柱式,升降机,设计 毕业设计报告(论文) 报告(论文)题目： 双柱式升降机设计 作者所在系部： 机电工程学院 作者所在专业： 机械设计制造及其自动化 作者所在班级： B13113 作 者 姓 名 ： 胡晓斌 作 者 学 号 ： 20134011306 指导教师姓名： 贺俊杰 完 成 时 间 ： 2017.06.01 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院毕业论文 摘 要 升降机是通过支撑物体的底部或者物体的某一部分来使物体达到垂直高度上的升降。其按驱动类型可分为机械式与液压式两类，本次设计主要是针对机械式双柱升降机来开展工作。 机械式双柱升降机主要由两个举升柱、两个升降滑架、两个托臂和两个轨道式托板组成。通过带传动和丝杠的螺旋传动将电机的动能传递给托板来实现被载物体的上升或下降。本次设计首先确定了升降机的结构、传动方法以及锁紧机构等设计方案；然后进行了详细的计算和分析来保证升降机各部分的应力校核，使其能够正常工作：最后为了使设计成果更加简单明了地表达，绘制了总装配图、主要部件零件图和三维装配图。 关键字： 升降机；螺旋传动；带传动；丝杠 北华航天工业学院毕业论文 Abstract The lift is an object that reaches the bottom of the object or a part of the object to lift the object up to the vertical height. According to the type of drive can be divided into mechanical and hydraulic type two, this design is mainly for mechanical double column lift to carry out the work. The mechanical double column lift consists mainly of two lifting columns, two lifting carriages, two brackets and two rail pallets. Through the belt drive and screw screw drive the kinetic energy of the motor to the pallet to achieve the object to rise or fall. This design first determines the structure of the lift, transmission methods and locking mechanism and other design; and then carried out a detailed calculation and analysis to ensure that the various parts of the elevator stress check to make it work properly: Finally, in order to make the design more Simple and clear expression, drawing the assembly map, the main parts of the parts and three-dimensional assembly map. Keywords: Lift; Screw drive; Belt drive; Screw I 北华航天工业学院毕业论文 目 录 摘 要 I Abstract II 第1章 绪论 1 1.1 升降机的简介及发展概况 1 1.2 升降机的分类 1 第2章 升降机设计任务和总体方案设计 3 2.1升降机设计任务 3 2.2举升机总体方案设计 3 第3章 原动机的选择 5 3.1选择原动机类型和结构 5 3.2确定原动机的转速及功率 5 第4章 带传动的设计 6 4.1带传动简介及类型选择 6 4.2带传动设计计算 6 第5章 举升机构的设计 9 5.1举升机构的选择 9 5.2滑动螺旋副的设计计算 10 第6章 支撑机构结构的设计 14 6.1 支撑机构的结构 14 6.2 支撑机构的应力校核 15 第7章 导轨结构的设计 17 7.1导轨类型分析选择 17 7.2 直线运动系统载荷计算 18 7.3 滚动直线导轨副寿命计算 19 第8章 锁紧机构的设计 21 8.1 锁紧机构的必要性 21 8.2 锁紧机构的原理分析 21 8.3 锁紧机构的选择 22 8.4 锁紧机构的校核 22 第9章 螺栓连接件的校核 24 9.1 升降台与剖分式螺母套的螺纹校核 24 9.2 箱体与地基的螺纹校核选择 25 结论 27 致 谢 28 参 考 文 献 29 北华航天工业学院毕业论文 第1章 绪论 1.1 升降机的简介及发展概况 随着我国经济的不断发展，科技水平的提高。升降机被广泛地用于厂房、宾馆、大厦、商场、车站、施工现场等场所。一般升降机用于承载物体，例如：汽车举升机、施工升降机等。生活中常用的电梯也属于升降机的一种，当然也可用于油漆装修、清洁保养、电力线路、照明机器、高架管道等安装维护场所。是一种理想的高空作业设备。因此，升降机在生活中已然成为了一种必不可少的工具，是各行各业中重要的机械设备[1]。 在中国古代人们通常使用人力、畜力、水力等来实现物体的垂直运输，慢慢地出现了一些升降机的雏形，比如一些简单的滑轮机构。直到十九世纪第一次工业革命蒸汽机被发明之后，现代升降机开始出现。1845年，出现了第一部工业水压式的升降机，这是液压式升降机的鼻祖。1854年，美国工匠奥蒂斯发明了棘轮机械装置，极大地提高了升降机的安全性能。1857年，首部客运升降机在美国纽约的一家商场安装，开创了升降机载人的先河。自此之后，升降得到了广泛的利用和推广，并在实践当中不断地进行改进和优化。但是，当时的升降机都是以蒸汽为动力，使用的限制条件较多。直到1880年，德国人西门子发明了电动的升降机，真正的升降机终于诞生了！ 中国现代的升降机发展较晚，在20世纪初才在公共租界内的饭店安装了首部升降机。从20世纪90年代开始，中国的升降机才开始慢慢普及。国内外生产的升降机品牌已达到了近百个，国外的一些大品牌升降机虽然较贵，但是凭借其高品质的质量、稳定的性能以及简单的操作受到了绝大部分人的青睐。目前，国内生产的升降机型号各异，也都基本上都符合现代各行业的需求。但因为其产品设计、技术开发及性能上的一些不成熟导致了销量的呆滞。当然在性价比、销售网络、售后服务等方面，国产升降机也有着一定的优势[1]。因此，如何提高产品的性能和产品的市场的竞争力成为国内厂商最为关心的问题。这次设计的内容也就变得很有意义。 1.2 升降机的分类 升降机的类型繁多, 根据其结构类型一般可分为双柱式升降机、四柱式升降机、剪式升降机等。其主要的优缺点参考表1-1。由表可知，双柱式升降机由于占地面积小、同步性好等优点还是被广泛的使用；四柱式升降机只有在运载超重的物体时才会被运用；而剪式升降机虽然优点十分明显，但因为其精度要求太高使得只有在科技水平达到一定程度时才能够被广泛使用[2]。 表1-1 根据结构方式分类 种类名称 优点 缺点 双柱式举升机 同步性好，占地面积较小 机械式机械磨损较大；液压是成本高； 四柱式举升机 适合四轮定位结构的使用 占地面积较大 剪式举升机 安全性高，操作简单；空间利用率高 精度要求较高，易发生举升平台不平衡，单边升降 根据升降机的驱动类型分类，升降机大体上可分为机械式和液压式两类。其主要的优缺点参考表1-2。机械式升降机主要有单电机驱动的螺纹传动升降机和双电机驱动的螺纹传动升降机，其结构简单、价格便宜，但也易发生危险，所以需要经常性的维护。液压传动升降机由于其性能优势逐渐成为主流的升降机。但其成本较高，需要一定的经济能力。 表1-2 根据驱动类型分类 种类名称 优点 缺点 机械式升降机 结构简单, 价格便宜 机械磨损大易发生危险 液压式升降机 安全性能好、运行平稳、维护简单、工作效率高 成本高 第2章 升降机设计任务和总体方案设计 2.1升降机设计任务 本次设计课题为教师自拟课题，具体设计要求见表2-1。 表2-1 双柱式升降机设计要求 项目 数据 额定升降质量 3000kg 升降高度 1800mm 全程上升/下降时间 ≤1min 动力来源 电机驱动 传动方式 丝杠传递 2.2举升机总体方案设计 2.2.1拟定设计方案 1、 电机配置方案 1）单电机方案：传动路线为电机-带传动-螺旋传动-同步机构-螺旋传动。此方案预选电机功率为4kw，同步机构占用空间使物体不方便搁置，结构复杂，可靠性不高。 2）双电机方案：两边立柱上各有一电动机。此方案预选电机功率为2.2kw，通过电机的通断来控制悬臂的同步运动，省去中间同步传动环节，结构简单，可靠性高。 2、升降机构 1）齿条传动齿条传动，采用以齿条为承载轨道进行同步升降。机械能转化率高，但承载较次。 2）滚珠丝杠传动，采用以旋转运动转化为直线运动，平稳轻便快捷，机械能转化率低。 3）滑动螺旋传动，采用以旋转运动转化为直线运动，平稳承载能力强，机械能转化率低。 4）液压传动，传动平稳，承载能力大，也简化了机械结构，但制造精度高，成本高，使用维护严格。 3、 单电机方案中同步机构 升降机左右两立柱上的四个托架(与滑套相联接)，必须要达到同步才能进行升降。经分析有以下三种方案可进行选择: 1）螺旋副——锥齿轮——长轴——锥齿轮——螺旋副机械传动结构。此方案可以很好的实现升降的同步性，不过其结构较为复杂，长轴虽可采用无缝钢管与短轴头焊接措施替代，但结果依旧不理想，因为重量过大。 2）选用外转性相近的两个电动机与加工精度相近的在装配时进行调整选配的两个螺旋副.分别驱动的传动结构。 3）链传动结构。同步性可靠，结构简单，自重小，结构安全可靠传动效率较高，但需要安装张紧装置和托板。 4）同步带传动。同步性可靠，结构简单，传动效率较高，但两带轮间距过大，需要设置张紧装置，且同步带传动使用维护严格。 4、锁紧保险装置 除了运用螺旋传动的自锁特性和双螺母完成预定高度的锁紧，升降机还需要另外设置锁紧保险装置，使悬臂不会因为一些外界原因而使在运载物体的过程中发生物体的掉落或剧烈的抖动。现有以下两种方案： 1）包含电磁铁、弹簧或制动板的自锁保险装置。 2）采用适用于固定Z轴（垂直轴）上使用的导轨钳制器。 2.2.2确定总体设计方案 方案一：原动机采用一个电机，电机通过普通V带传动将运动和力矩传递到右侧螺杆，螺旋传动将右侧螺杆的旋转运动转化为螺母的直线运动，左侧螺杆的转动通过传动比为1的链传动传递到右侧螺杆，实现左右螺杆的同步运动，即右侧螺杆将转动转化为螺母的直线运动。 方案二：原动机为分别安装在左右立柱上的两电机，通过两电机的通断电实现左右螺杆的同步运动，螺杆把转动转变为直线运动，从而是螺母同步上下运动，实现汽车升降。 总结，根据以上分析发现，方案一结构较复杂，可靠性较低，而方案二可以省去机械的同步运动机构，简化了机械结构，并且耗电量上两方案区别不大，因此，本双柱机械式汽车举升机选择方案二。 第3章 原动机的选择 3.1选择原动机类型和结构 原动机选择最常见的Y系列三相异步电动机，它是按国际电工委员会（IEC）标准设计的。其中Y系列（IP44）电动机为笼型封闭式结构，能防止灰尘、水滴侵入电机内部，自扇冷却；可采用全压或降压启动，B级绝缘[13]。 3.2确定原动机的转速及功率 考虑到升降机的上升速度，选择滑动螺旋副的转速为240r/min，又因为立柱箱体尺寸，选定带传动传动比为i = 4，则电动机的转速选择为6级，同步转速1000r/min，满载转速约为960r/min。根据升降机设计要求，F = 22050N。 根据滑动螺旋传动的驱动转矩 则滑动螺旋副所需功率，电动机的功率为。传动装置的总效率，其中，η1为带传动效率，取0.96；η2轴承效率，取0.98。 综上，电动机的功率P=2.2kw。 根据机械设计手册选择Y112M-6，其各项参数如表3-1。 表3-1 电机Y112M-6各项参数 电机型号 额定功率 kw 满载转速r/min 启动转矩 N.m 最大转矩 N.m Y112M-6 2.2 960 2.0 2.2 第4章 带传动的设计 4.1带传动简介及类型选择 带传动是运用绷紧在带轮上的传动带，利用带和带轮之间间的摩擦或啮合来传递力的。带传动由于其结构简单、成本低、传动稳定、不需要润滑等优点，在工业以及生活中被广泛的应用。根据带形状的不同，带传动可分为平带传动，V带传动和同步带传动[3]。 带传动具有轴承摩擦损失、滞后损失、空气阻力和滑动损失这四种功率损失方式。由于以上功率损失的产生，带传动的效率大概在80%到98%之间，不同种类的带的传递效率不同，具体效率见下表4-1[3]。 表4-1 各类带传动的效率 带的种类 效率（％） 平带 83~98 有张紧轮的平带 80~95 普通V带 帘布结构 绳芯结构 87~92 92~96 窄V带 90~95 多楔带 92~97 同步带 93~98 根据电机的容量、传动的效率以及带的成本，最终选择较为普遍的普通V带传动，结构为绳芯结构。这种结构的V带有着当量摩擦因数较大、工作面与轮槽粘附着好、传动比大、预紧力小，曲挠疲劳性好等优点。 4.2带传动设计计算 4.2.1带传动设计初始条件 根据第三章所确定的电机型号，来确定带传动的初始值。可知电机功率为2.2kw，大带轮转速为960r/min，小带轮转速为240r/min。 V带的主要失效形式主要有：带在带轮上打滑，不能传递动力；带由于疲劳产生脱层、撕裂和拉断；带的工作面磨损。因此，V带传动设计的主要内容为保证带传动在工作中不打滑，并具有一定的疲劳强度和使用寿命。 4.2.2带传动设计计算 1、 设计功率 式中 KA——工况系数，因升降机每日该工作时间不会多于10小时查表取1.1 P——工传递的功率， P = 2.2 ×0.96 = 2.11kw 2、 选定带型 根据设计功率Pd和小带轮带速n1，选取带型为A型。 3、 传动比 4、 小带轮基准直径 为提高V带的寿命，原则上宜选取较大的直径，但由于立柱空间的限制， 现选择小带轮基准直径。 5、 大带轮基准直径 ，按机械设计手册选取大带轮基准直径标准值。 6、 带速 dp1 ——工大带轮的节圆直径，通常带轮的节圆直径可视为基准直径 对于普通V带，，满足条件。 7、 初定轴间距 ，所以 8、 所需基准长度 ，其中， 按机械设计手册选取基准长度 9、 实际轴间距 安装时所需最小轴间距： 10、 小带轮包角 11、 单根V带传递额定功率 根据带型、dd1和n1查表线性插求得。 12、 传动比i ≠ 1的额定功率增量 根据带型、dd1和n1查表线性插求得。 13、 V带根数 ，取4根V带 式中 Ka——工小带轮包角修正系数，查表取0.85， KL——带长修正系数，查表取0.93。 4.2.4 带轮结构设计 1、 带轮设计要求 设计带轮时，应考虑其结构是否简单，质量分布是否均匀，重量不易过大，并尽可能避免由于铸造而产生的内应力。速度大于5m/s时要进行静平衡，V速度大于25m/s时则应进行动平衡。为了最大地减少V带的磨损，轮槽的工作表面应尽可能光滑[4]。 2、 带轮材料 带轮材料常采用灰铸铁、钢、铝合金等。其中灰铸铁应用最广，当速度的小于等于30m/s时用HT200，速度的大于等于25-45m/s，则宜采用孕育铸铁或铸钢，也可采用钢板冲压-焊接带轮。小功率传动可用铸铝或塑料[7]。 3、 带轮的结构 带轮的主要组成部分有轮缘、轮辐和轮毂。其中轮辐部分分为实心、孔板和椭圆轮辐三种。 通过查阅机械设计手册，最终确定小带轮为实心轮，大带轮为孔板轮，材料均为HT200。 第5章 举升机构的设计 5.1举升机构的选择 根据设计要求的规定本次设计需要采用丝杠传递，即螺旋传动。螺旋传动的主要组成部分是螺杆（丝杠）和螺母，基本原理是通过螺杆和螺母的旋合传递运动和动力[8]。将旋转运动变成直线运动，可以将较小的力矩转化为较大的推力。 螺旋传动根据其螺纹副摩擦性质的差异，可以分为滑动螺旋传动、滚动螺旋传动和静压螺旋传动三类，其对应的特点和应用可见下表5-1。 表5-1 各类螺旋传动的特点和应用 种类 滑动螺旋传动 滚动螺旋传动 静压螺旋传动 特点 1. 摩擦阻力大，传动效率低 2. 结构简单，加工方便 3. 易于自锁 4. 运转平稳，但低速或微调时可能出现爬行 5. 螺纹有侧向间隙，反向时有空程 6. 磨损快 1. 摩擦阻力小，传动效率高 2. 结构复杂，制造困难 3. 具有传动可逆性 4. 运转平稳，起动时无颤动，低速时不爬行 5. 抗冲击性能较差 6. 工作寿命长，不易发生故障 1. 摩擦阻力极小，传动效率高 2. 螺母结构复杂 3. 具有传动可逆性 4. 工作平稳，无爬行现象 5. 反向时无空程 6. 磨损小，寿命长 7. 需要一套压力稳定、温度恒定、过滤要求较高的供油系统 应用举例 金属切削机床的进给、分度机构的螺旋传动，摩擦压力机，千斤顶的传力螺旋 金属切削机床、测试机械、仪器的传动螺旋和调整螺旋等 精密机床的进给、分度机构的传动螺旋 根据双柱式升降机的应用行业和工作条件及螺旋传动的特点和应用，经分析确定滑动螺旋传动作为升降机的升降机构。 滑动螺旋副常采用梯形螺纹、锯齿形螺纹或矩形螺纹等，三种主要螺纹的特点和应用见表5-2 表5-2 三种螺纹副的螺纹种类、特点和应用[4] 种类 特点 应用 梯形螺纹 牙根强度高，螺纹的工艺性好；内外螺纹以锥面贴合，对中性好，不易松动；采用剖分式螺母，可以调整和消除间隙；效率较低 用于传力螺旋和传动螺旋如金属切削机床的丝杆、载重螺旋式起重机 锯齿形螺纹 外螺纹牙根处有很大的圆角，使得应力集中变小、动载强度增大；大径处无间隙，便于对中；与梯形螺纹同样都有螺纹强度高、工艺性好的优点，但效率较高 用于单向受力的传力螺旋，如水压机的传力螺旋、火炮的炮栓机构 矩形螺纹 传动效率高，但精度要求很高；螺纹强度较低，对中性较差，螺纹副磨损后的间隙不易维修 用于传力螺旋和传动螺旋，如一般起重机 根据双柱式升降机的应用行业和工作条件及螺旋副的特点和应用，经分析确定以梯形螺纹作为滑动螺旋副的螺纹，为了使螺旋副具有自锁性能，以单头螺纹作为螺纹头数。 滑动螺纹传动的螺母分为整体螺母、组合螺母和剖分式螺母三类。其各自的结构特点见下表5-3。 表5-3 三种螺母结构的特点 种类 整体螺母 组合螺母 剖分式螺母 特点 结构简单，但由于磨损产生的轴向间隙不能补偿，只适用于精度较低的螺旋传动 结构复杂，但可以定期的调整，以消除轴向间隙，避免反向转动的空程 结构较复杂，但可以补偿旋合螺纹的磨损 虽然组合螺母和剖分式螺母的优点十分明确，但是因其结构太过复杂，本着设计结构尽可能简单的原则，最终确定升降机选择整体螺母。 综上所述，本次设计采用滑动螺旋传动，梯形螺纹和整体螺母作为升降机构。 5.2滑动螺旋副的设计计算 根据设计要求，确定滑动螺旋副采用梯形螺纹，整体螺母的构造，额定升降重量为3000kg，最大升降高度为2000mm，全程升降时间不超过1min。以下为滑动螺旋副的具体数值计算。 5.2.1耐磨性 为了使滑动螺旋副的螺纹磨损在可使用的范围内，也为了确定螺杆的直径与螺母的高度，因此需要进行耐磨性的计算。 1、螺杆中径 式中 ξ= 0.8； F——单柱轴向载荷，1.5为安全系数 [p]——许用压强，取15 Ψ——根据螺母的形式选定，整体母取2.5~3.5 为了使螺杆的耐磨性、自锁性、螺杆强度、螺纹牙强度、等达到设计要求，选取螺杆中径d2为35mm。根据算出的d2按螺纹的标准基本尺寸系列选取相应的d和P，确定直径d = 40mm和螺距 P = 10mm。 2、螺母高度 mm 3、旋合圈数 符合要求 4、螺纹的工作高度 梯形螺纹h = 0.5×P = 0.5×10 = 5mm 5、螺纹表面工作压强 MPa 5.2.2验算自锁性 当量摩擦角为： 螺纹升角为： 由上可知螺旋升角小于当量摩擦角，所以螺纹可以自锁。 5.2.3螺杆强度的校核 螺旋传动转矩为： 当量应力为； 许用应力[σ]经查表为：68-120MPa σ≤[σ]，螺杆的强度满足设计要求。 5.2.4螺纹牙强度的校核 1. 螺纹牙底宽度 梯形螺纹 2. 螺杆抗剪强度的校核 [τ]查表得：30-40，τ≤[τ]。 3. 螺杆抗弯强度 查表得：40-60，≤。 由于螺母的材料强度一般低于螺杆，所以只需校验螺母螺纹牙的强度即可保证螺纹牙的强度。综上所述，螺纹牙的强度足够，符合设计要求。 5.2.5螺杆的稳定性 螺杆的端部采用两端固定的结构，长度系数μ取0.5。螺杆的长度l= 2000mm。螺杆危险截面的轴惯性矩。螺杆危险截面的惯性半径。E为螺杆的弹性模量，取E=2.06e5。 当时,螺杆的临界载荷为： 则，满足条件。 5.2.6横向振动-验算临界转速 螺杆在高速旋转是会产生横向振动，所以还需校核其临界转速。 n = 240r/min ≤ 0.8nc = 255r/min ，满足条件。 式中 lc——螺杆两支承间的最大距离，取lc = 2300 mm μ1——系数，与螺杆的端部固定结构有关，查表取4.730 5.2.7驱动转矩和效率 驱动转矩为： 效率为： 第6章 支撑机构结构的设计 6.1 支撑机构的结构 本次设计的支撑机构是升降机的升降台悬臂部分。当成载物体进入到升降机的范围里时，升降机的整个工作范围的宽度就可以随着悬臂的角度和长度的改变而改变。本次设计的支撑机构为对称式悬臂，这样设计有利于保持承载物体的稳定性，使立柱中各机构的受力更均匀。具体工作如下图6-1所示： 图6-1 对称式悬臂的工作范围示意图 如图图中的阴影部分就是悬臂的工作范围，能够满足各种承载的宽度。 图6-2 悬臂结构图 悬臂由两段部分组成，可以根据实际情况来改变悬臂的长度，其伸缩范围为250mm，具体结构可参考上图6-2。 6.2 支撑机构的应力校核 6.2.1 校核弯曲切应力 弯曲切应力的计算公式为： 式中 Fs——横——截面上的剪力； b——截面宽度； Iz——整个截面对中性轴的惯性矩； S*z ——截面上距中性轴为y的横线以外部分面积对中性轴的静距。 计算Fs 由本举升机的设计要求，悬臂末端Fs = 7450N。 计算Iz 应用SolidWorks截面参数命令得到的悬臂截面参数，由此可得： 计算S*z 由公式可知，要计算Sz，先要求出截面上距中性轴为y的横线以外部分面积和形心坐标。 计算可以利用组合法，见图6-3。由于截面关于Y轴对称，因此计算只计算Y轴左侧。 图6-3 组合法计算形心坐标 所以 化简可得： 所以悬臂的弯曲切应力为： 所以为y = 0时，＜0.6[σ]=141Mpa，符合要求。 6.2.2 校核弯曲正应力 悬臂的弯曲正应力计算公式为： ， 式中 Mmax——悬臂最大弯矩； W——抗弯截面系数，与截面的几何形状有关； Iz——整个截面对中性轴的惯性矩； y——截面上距中性轴为y的横线。 经计算可知，Iz = 3631840mm4；支撑悬臂的最长距离为1010mm，所以Mmax = 1010*7450 = 7524.5N·m。再通过上式可以得出悬臂的弯曲正应力为： ，符合要求。 第7章 导轨结构的设计 7.1导轨类型分析选择 直线导轨通常分为滑动直线导轨、滚动直线导轨和静压直线导轨三种，其各自的基本性能和特点如下表7-1可见[3]。 表7-1 直线运动导轨基本性能比较 运动形式 滑动导轨 滚动直线导轨 静压导轨 摩擦因数 μ=0.04-0.06 μ=0.003-0.005 μ=0.0005-0.001 运行速度 低速 低速~高速 中速~高速 刚度 高 较高 较低 寿命 三者相近 可靠性 高 较高 较差 根据本次设计的具体条件，选用滚动直线导轨。滚动直线导轨的类型繁多，具体类型有四方向等载荷型、轻载荷型、分离型、径向型等直线导轨副。本次设计选择四方向等载荷型。 图7-1为四方向等载荷型滚动直线导轨副结构简图。这种类型导轨具有以下优点：滚动体与圆弧沟槽为面接触，承载能力大，刚性好；摩擦因数小，仅为滑动导轨副的二十分之一到五十分之一，节省动力；由于接触方式为面接触故磨损小，寿命长，并结构简单安装、维修简便。精度高，即使进给量微小，也能精确地控制位置；导轨两侧安装有互为垂直的两列承载滚珠，所以其刚性好，可承受的冲击量较大。 图7-1 四方向等载荷型滚动直线导轨副结构简图 7.2 直线运动系统载荷计算 由于工件重力及重心位置的变化、驱动力F及工作阻力R作用位置的变化、启动及停止时加速或减速引起的速度变化等因素的影响而发生变化。直线运动系统所承受的载荷也会发生变化。下面为其计算方法。 图7-2 直线运动系统受载情况计算示意图 图7-2所示模型适用于立式导轨匀速运动或静止的受载计算，本次设计的升降机由于升降速度小，惯性力引起的载荷变化可以忽略不计，具体计算公式如下： 式中 W——外加载荷 P1、P2、...——垂直于运动平面的支反力 P1T、P2T、...——平行于运动平面且垂直于导轨的支反力，下同 F——驱动（推）力 根据设计要求，升降机的左右对称中心线与导轨中心线的距离为1515mm，计算出外加载荷作用线据导轨中心线的最长距离为690mm。图7-3为其直线运动载荷示意图。 图7-3直线运动载荷示意图 升降机的导轨设置为没个立柱都安装一根导轨，每根导轨两个滑块。根据直线运动系统受载计算公式可以求得： 7.3 滚动直线导轨副寿命计算 为了防止滚动元件与滚动轨道的疲劳点蚀与塑性变形所带来的一些安全隐患，应对滚动直线导轨副进行动（寿命）、静载荷计算。 7.3.1寿命计算的基本公式 直线运动滚动功能部件寿命计算的基本公式如下： 滚动体为球时： （7-1） 式中 L——额定寿命，km； C——基本额定动载荷，kN； P——计算载荷，kN； fH——硬度系数，fH均可取1； fT——温度系数； fC——接触系数； fW——载荷系数。 用小时数表示的额定寿命Lh为： （7-2） 式中 l——直线运动部件单向行程长度，m； n——直线运动部件每分钟往返次数，1/min。 7.3.2 滚动导轨副的寿命计算及选用规格 给定本次设计的双柱式升降机寿命为五年，按每年工作300天计算，则总工作小时数为： 根据公式（7-2）可得： 式中 l——直线运动部件单相行程长度，取l = 2m n——直线运动部件每分钟往返次数，根据实际情况，按一次修车15min 计算，则每分钟往返次数为1/15。 再根据公式（7-1）可得: 式中 fH——硬度系数，取值为1 fT——温度系数，工作温度≤100°，取值为1； fC——接触系数，每根导轨上两个滑块，取值为0.81； fW——载荷系数，无外部冲击或振荡的低速运动场合，取值为1.1。 通过查找机械设计手册，选用规格为25，基本额定动载荷为17.7KN的四方向等载荷型直线导轨副。 第8章 锁紧机构的设计 8.1 锁紧机构的必要性 升降机的升降悬臂在升到所要求高度后, 为了使悬臂能够稳定的停留就必须采用锁紧装置, 使其不会因为一些原因产生物体掉落或者悬臂抖动的现象。因此升降机锁紧机构的设计对其在工作中和工作后悬臂停留的稳定性至关重要。现在通常采用的锁紧机构有以下几种： 1） 在设计产品上安装具有电磁铁、弹簧或制动板的锁紧机构。电磁铁锁紧装置,由于电磁铁在设计和生产当中会出现差异,所以在电磁铁工作当中会产生较大的噪音, 而且质量问题也不能得到保障, 会引发一系列的危险。 2） 带有弹簧的锁紧装置, 由于弹簧本身的一些性能，例如寿命不长等原因会大大降低升降机机锁紧性能， 在升降机上使用会产生巨大的安全隐患。 3） 在升降机立柱上每隔一定高度上安装一块止动板，并且在升降悬臂末端部安装有可以转动的锁钩，使其一一对应于安装的止动板。但是这种机构由于止动板和锁钩可能不能全部及时复位，所以隐患也较大。 8.2 锁紧机构的原理分析 由于上述锁紧机构或多或少都有一定的安全隐患，因此本次设计在经过查阅资料并询问老师后，采用一种不需要额外夹紧力就能使升降悬臂锁紧在适当位置的机构来进行升降机的锁紧。 在升降平台上额外安装了两个特殊的圆环元件，其通过简单物理接触产生的力来卡紧圆柱轴。当升降机工作时，内部的非金属圆环与圆柱轴之间有间隙，因此不会对升降机工作产生影响。具体结构如图8-1所示。 图8-1 平台升降时锁紧机构原理图 当托臂升到所需要的一定高度时，电机停止转动，托臂及其承载的全部重量都被施加在外圆环上，产生一个向下的压力，压力会给内部非金属环一个水平方向的力来夹紧圆柱轴，使托臂不会掉落。如图8-1所示。 托臂所承载的物体越重，其产生的水平夹紧力也就越大，所以不会产生夹紧力不够而使托臂下滑的现象。 8.3 锁紧机构的选择 在实际生活中已经有具备这种原理的机构出现，例如导轨（光轴）钳制器。本次设计的夹紧机构就是在一个固定的Z轴上运用导轨钳制器这一辅助配件，防止悬臂在工作停止时滑落。其制动的动力为气压，并且为常闭型。当电机停止工作时没有气压被供给，导轨钳制器便依靠特殊弹簧的作用夹紧轴，使托臂固定在所要求的位置。当电机工作时会供给给钳制器气压，弹簧便会松开不会对升降产生影响。其具体结构结构如图8-2所示。 图8-2 导轨钳制器结构图 根据本次设计的设计要求及导轨钳制器的型号表，选择型号为RBPS-2600的导轨钳制器。 8.4 锁紧机构的校核 本次设计将导轨钳制器安装在一个光轴（Z轴）上，其由于要和导轨钳制器进行配合，确定其直径为28mm。此光轴属于细长杆件，为了保证细长杆件在受压时不会发生压杆失稳的现象，所以需要对其稳定性进行校核。 1） 选择校核公式 光轴横截面惯性矩： 光轴横截面的惯性半径： 式中 A——横截面面积。 光轴的柔度： 式中 μ——压杆的长度因数，取μ = 0.5。 取弹性模量E = 206GPa，压杆的柔度极限值为： 因为光轴的压杆柔度大于其极限柔度，所以可使用欧拉公式对其进行校核。 2) 校核压杆稳定性 欧拉公式的普遍形式为： 式中 I——横截面的惯性矩； E——材料弹性模量； μ——压杆的长度因数，由压杆的约束条件决定。 对需校核的光轴应用欧拉公式可得： 根据机械设计手册得出，安全系数取3-5，所以直径为28mm的光轴满足条件。 第9章 螺栓连接件的校核 本次设计在许多元件的连接上采用了螺纹链接，所以对所有的螺纹连接进行校核是很有必要的，本次主要对升降台与剖分式螺母套的螺纹及箱体与地基的螺纹进行校核。 9.1 升降台与剖分式螺母套的螺纹校核 升降台与剖分式螺母的连接方式是铰制孔用螺栓进行链接，这种螺栓承受横向剪切载荷。这种螺栓杆与孔壁之间是过盈配合，接触表面承受挤压应力；而在连接接合面处，螺栓杆则承受剪切应力。因此，应该对其挤压和剪切强度分别进行计算。升降台与剖分式螺母螺纹的链接结构和受力如图9-1所示。 图9-1 螺纹连接示意图 螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为: 螺栓杆的剪切强度条件为： 式中 F ——螺栓所受的工作剪力，N； d0——螺栓剪切面的直径，mm； Lmin——螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度，mm。 根据本次设计的总体设计要求，额定举升高度为3t，得到各个螺栓承受的工作剪力F为： 再由上述公式可得： 综上所述，预选螺栓的性能等级为4.6，屈服极限为240MPa。 螺纹连接件的许用切应力和许用挤压应力由以下公式所确定： 对于钢，，取根据《机械设计》的表5-10，安全系数分别取。 所以， 满足要求。 综上所述，升降台与剖分式螺母套之间的螺纹连接采用铰制孔螺栓M18×55，性能等级为4.6。 9.2 箱体与地基的螺纹校核选择 箱体与地基之间是采用普通螺栓连接的，因为箱体受力矩较大，为了防止箱体的最大受力处被压碎或产生一些间隙，所以需要对其进行校核，使受载后地基接合面应力的最大值不超过允许值，最小值不小于零。所以： ，代表受载前由于预紧力所受的挤压应力；A为接合面的面积；为加载后接合面上所产生的最大的附加挤压应力。由于地基刚性大，螺栓刚度相对较小，可用近似公式计算，式中，W是接合面的有效抗弯截面系数。其许用挤压应力如表9-1所示。 表9-1 连接接合面材料的许用挤压应力 材料 钢 铸铁 混凝土 砖 木材 /MPa 0.8 （0.4~0.5） 2.0~3.0 1.5~2.0 2.0~4.0 经分析，螺纹连接预选为M20，共需9个螺栓，其性能等级为5.6。 钢制螺栓连接的预紧力F0，可由下面公式计算得到： 碳素钢螺栓： 。螺栓性能等级选择5.6，屈服极限为300MPa。A1为螺栓危险截面面积，所以有： 这里F0取47100N。 箱体地面为一长方形，长为417mm，宽为390mm，抗弯截面系数为:。 根据设计要求的升降重量升降机的尺寸可以得到： 。 箱体与地基的接合面的有效面积A = 159896mm2。可得： 由上可知，螺栓的预紧力过大，不符合要求。因此取F0 = 20000N，再代入公式计算得： 满足条件。 综上所述，为了防止箱体的最大受力处被压碎或产生一些间隙，最终确定螺栓预紧力为 20000N。 结论 双柱式升降机设计主要内容是进行物体的设计。首先，需要对升降机进行大体上结构的设计，明确所要达到的具体目的；其次，要对其进行具体的尺寸计算以及各零部件的校核，保障在工作时不会遇到各种问题；最后，要运用CAD、SolidWorks等制图软件将所设计的物体以图纸的形式表达出来。在确定结构时，对其总体的结构、如何实现同步传动、升降机构、锁紧机构等进行了科学的选择，尽可能使所设计的机构简单且符合设计要求。在确定完各个零部件的尺寸之后，对每个需要校核的零件进行了校核，例如：对主要的承重部件进行了强度以及刚度的校核；对螺旋传动装置、皮带传动装置进行了校核计算，对重要螺纹连接进行了校核计算。此外，本次设计在查阅了多方资料后，采用了双电机驱动来保证升降的同步性；并且在锁紧机构的选择上并没有使用较为落后的包含电磁铁、弹簧或制动板的自锁保险装置，而是采用了导轨钳制器。这两点属于区别于普通升降机的设计。机械式的升降机虽然同步性较好运行平稳，但是其磨损损耗较大，维护成本较高。这也是机械式升降机的不足之处。 致 谢 时光飞逝，转眼间大学生活即将结束了。为了检验大学阶段的学习成果，也为了给自己的大学生活画上一个完美的句号，学校要求没个毕业生都要进行毕业设计。在经历了两个月的毕业设计阶段后，我满怀这对大学生活的留恋及对未来生活的憧憬写下了这篇致谢。 首先，我要特别感谢我的毕设指导老师何俊杰老师。在毕业设计的过程中，面对所遇到的一系列难题，贺老师给我提供了很大的帮助。在我每次去老师办公室询问时，无论是从最初的设计结构的确定，还是中期各种数据的计算，再到后期使用软件作图，老师总是不厌其烦的解答我遇到的每个问题，给予我悉心的指导。在此谨向贺老师表示深深的谢意。 其次，我还要感谢我的朋友庄鹤和梁梦然两位同学。在毕设中，他们不仅在毕设工作中帮助我，帮我结局了一些技术上的同时我们也在生活中、思想态度上互相鼓励、互相扶持。最终完成了毕业设计。 最后，感谢在大学生活中悉心教导过我的每一位老师。没有你们的传道受业，我们也学习不到这么多专业知识；没有你们的谆谆教导，我们也不会能够成为新时代的人才。 大学生活已然就要结束了，感谢在大学生活中陪伴在我身边的每一位老师、朋友、同学，有了你们我才能在大学当中慢慢成熟长大；有了你们我才能不忘初心，稳步向前；有了你们才有了我丰富多彩的大学生活！ 参 考 文 献 [1] 郭武，黄泽星，吴上生.汽车举升机的发展趋势分析[J].应用研究,2011:75-79. 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