毕业设计 螺旋千斤顶的设计

毕业设计题目螺旋千斤顶的设计系别机电系专业班级姓名学号指导教师日期设计任务书设计题目螺旋千斤顶的设计设计要求1、设计一人力驱动的螺旋千斤顶，其轴向承载能力为F60000N,要求提升高度为H150MM；要求耐磨性好，螺母材料为ZCUSN101，采用梯形螺纹。2、使用AOUTCAD、SOLIDWORKS绘画装配图、零件图；设计进度要求第一周选择课题，勾勒基本的设计思路；第二周查找与其有关的资料；第三周进行螺旋传动的设计和计算；第四周进行千斤顶的设计；第五周绘制草图；第六周完善初稿及草图使其语言更加简练、布局更加合理；第七周整理电子稿；第八周再次修改论文，进行答辩。指导教师（签名）摘要螺旋千斤顶主要是有螺杆、手柄、底座、螺套、旋转杆、挡环、托杯的零部件组装而成的。在本次设计过程中对螺旋传动的计算和各零部件的设计与选材最为重要；并且重点运用了机械设计方面的知识，另外还运用了辅助绘图工具AOUTCAD、SOLIDWORKS等。本文从螺旋千斤顶的零部件的设计与选材等多方面，阐述了它设计的全过程。尤其在工艺规程设计中，运用了大量的科学加工理论及计算公式，对它进行了精确地计算。由于螺旋千斤顶是一种小型的起重设备，体积小方便携带，造价成本低，所以在日常生活中被广泛应用。本设计既是产品开发周期中的关键环节，有贯穿于产品开发过程的始终。设计决定了实现产品功能和目标的方案，结构和选材。制造方法以及产品运行，使用和维修方法。现代机械产品的要求不对传统机械产品高的多，因而在产品开发和改进过程中只有全面深入地运用现代设计理论，方法和技术才能满足社会对现代机械产品愈来愈苛刻的要求，提高其市场竞争能力。关键词螺旋传动，体积小，方便，成本低目录摘要II1起重机械的概述12千斤顶的概述221千斤顶的种类222千斤顶的结构和技术规格323千斤顶的工作原理53螺旋传动的设计与计算631螺旋传动的应用和类型632螺旋传动的结构和用途833螺旋传动的计算934螺旋传动的设计和选材1035螺旋机构耐磨性的计算1136螺母螺纹牙的计算1237螺杆强度和稳定性的校核13371强度的校核13372稳定性的校核1438自锁性的校核154千斤顶的设计1641选择材料1642耐磨性计算1743螺母外部尺寸计算1844手柄设计计算1945螺杆稳定性校核205螺旋千斤顶图形的绘制216使用千斤顶的注意事项237设计总结24致谢25参考文献261起重机械的概述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。起重机是机械化作业的重要物质基础，是一些工业企业中主要的固定资产。对于工矿企业、港口码头、车站仓库、建筑施工工地，以及海洋开发、宇宙航行等部门，起重机已成为主要的生产力要素，在生产中进行着高效的工作，构成合理组织批量生和机械化流水作业的基础，是现代化生产的重要标志之一。在某些关键岗位上增加一两台起重设备，劳动生产率就会成倍的增长。起重机的驱动多为电力，也可用内燃机，人力驱动只用于轻小型起重设备或特殊需要的场合。起重机械由运动机械、承载机构、动力源和控制设备以及安全装备、信号指示装备等组成；是一种以间歇作业方式对物料进行起升，下降和水平移动的搬运机械。起重机械的作业通常带有重复循环的性质。一个完整的作业循环一般包括取物、起升、平移、下降、卸载，然后返回原处等环节。起重机械广泛用于交通运输业、建筑业、商业和农业等国民经济各部门及人们日常生活中。起重机的驱动多为电力，也可用内燃机，人力驱动只用于轻小型起重设备或特殊需要的场合。起重机械的工作特点（1）起重机械通常结构庞大，机构复杂，能完成一个起升运动、一个或几个水平运动；（2）所吊运的重物多种多样，载荷是变化的；（3）大多数起重机械，需要在较大的空间范围内运行，有的要装设轨道和车轮，有的要装上轮胎或履带在地面上行走，有的需要在钢丝绳上行走（4）有的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；（5）暴露的、活动的零件较多，且常与吊运作业员直接接触，潜在安全隐患；（6）作业环境复杂；（7）作业中常常需要多人配合，共同进行；起重机械的上述工作特点，决定了它与安全生产的关系很大。如果对起重机械的设计、制造、安装使用和维修等环节上稍有疏忽，就可能造成伤亡或设备事故。一方面造成人员的伤亡，另一方面也会造成很大的经济损失。而千斤顶又属于起重机械的一种。千斤顶是一种起重高度小小于1的最简单的起重设备。参考文献42千斤顶的概述千斤顶又叫举重器、顶重机、顶升机等，是一种用比较小的力就能把重物顶升、下降或移位的简单起重机具，也可用来校正设备安装的偏差和构件的变形等。千斤顶主要用于厂矿、交通运输等部门作为车辆修理及其它起重、支撑等工作。其结构轻巧坚固、灵活可靠，一人即可携带和操作。千斤顶是用刚性顶举件作为工作装置，通过顶部托座或底部托爪在小行程内顶升重物的轻小起重设备，千斤顶的顶升高度一般为400MM，顶升速度一般为1035MM/MIN，起重能力最大可达500T。21千斤顶的种类千斤顶按其构造及工作原理的不同，通常分为机械式和液压式，机械式千斤顶又有齿条式与螺旋式两种，其中螺旋式千斤顶和液压式千斤顶较为常用；由于起重量小，操作费力，所以螺旋千斤顶一般只用于机械维修工作，在修桥过程中不适用。液压式千斤顶结构紧凑，工作平稳，有自锁作用，故使用广泛。其缺点是起重高度有限，起升速度慢。液压千斤顶主要由油室、油泵、储油腔、活塞和摇把等组成，工作时，用千斤顶的手动摇把驱动油压泵，将工作油压入油室，推动活塞上升或下降，进而顶起或下落重物。在工程施工时，YQ型手动液压千斤顶使用较多。这种千斤顶质量轻，效率高，使用和搬运也比较方便，它又可以分为通用和专用两类。专用液压千斤顶使专用的张拉机具，在制作预应力混凝土构件时，对预应力钢筋施加张力。专用液压千斤顶多为双作用式。常用的有穿心式和锥锚式两种。穿心式千斤顶适用于张拉钢筋束或钢丝束，它主要由张拉缸、顶压缸、顶压活塞及弹簧等部分组成。它的特点是沿拉伸机轴心有一穿心孔道，钢筋或钢丝穿入后由尾部的工具锚固。螺旋式千斤顶又分为固定式螺旋式千斤顶、LQ型固定式螺旋千斤顶和移动式螺旋千斤顶三大类。（1）固定螺旋式千斤顶有普通式和棘轮式两种，在作业时，未卸载之前不能作平面移动；（2）LQ型固定螺旋式千斤顶结构紧凑、轻巧，使用方便。它有棘轮组、大小锥齿轮、升降套筒、锯齿形螺杆、主架等组成；当往复搬动手柄时，撑牙推动棘轮组间歇回转，小锥齿轮带动大锥齿轮，使锯齿形螺杆旋转，从而使升降套筒上升或下降。由于推力轴承转动灵活，摩擦力小，因而操作灵敏，工作效率高。（3）移动式螺旋千斤顶是一种在顶升过程中可以移动的千斤顶，在作业时，它的移动主要是靠其底部的水平螺杆转动，从而使顶起或下降的重物连同千斤顶一同做水平移动。因此，移动式螺旋千斤顶在设备安装施工中用来就位便很使用。如下图21螺旋千斤顶齿条千斤顶主要由齿条和棘轮等组成，工作时，由12人转动千斤顶上的手柄，利用齿条的顶端顶起高处的重物。同时，也可用齿条的下脚，顶起低处的重物。另外，在千斤顶的手柄上备有制动时需要的齿轮。千斤顶已实施出口产品质量许可制度，未取得和质量许可证的产品不准出口。22千斤顶的结构和技术规格油压千斤顶按其结构、用途分为如下两种立式螺纹连接结构的油压千斤顶，其代号的表征字母为QYL。立卧两用油压千斤顶，其代号的表征字母为QW。螺旋千斤顶按其结构和使用场所分为普通型螺旋千斤顶，其代号的表征字母为QL。普通高型螺旋千斤顶，其代号的表征字母为QLG。普通低型螺旋千斤顶，其代号的表征字母为QLD。钩式螺旋千斤顶,其代号的表征字母为QLG。剪式螺旋千斤顶,其代号的表征字母为QLJ。自落式螺旋千斤顶,其代号的表征字母为QLZ。表21移动式螺旋千斤顶技术规格轻重量（T）顶起高度（MM）螺杆落下最小高度（MM）水平移动距离（MM）自重（KG）82505101754010280540300801253006603008515345660300100175350660360120203606803601452536069037016530360730370225表22齿条千斤顶的技术规格型号01型02型静负荷1515起重量（T）动负荷1010最大起重高度（MM）280330钩面最低高度（MM）5555机座尺寸（长宽,MM）260166260166外形尺寸（长宽高，MM）370166525414166550自重（KG）262523千斤顶的工作原理千斤顶有机械千斤顶和液压千斤顶等几种，原理各有不同。从原理上来说，液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是说，液体各处的压强是一致的，这样，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小，而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。所以通过液体的传递，可以得到不同端上的不同的压力，这样就可以达到一个变换的目的。我们所常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递。螺旋千斤顶是通过往复扳动手柄，拔爪即推动棘轮间隙回转，小伞齿轮带动大伞齿轮、使举重螺杆旋转，从而使升降套筒获得起升或下降，而达到起重拉力的功能，但不如液压千斤顶简易。此部分参考文献4和53螺旋传动的设计与计算31螺旋传动的应用和类型螺旋传动是利用螺杆（丝杠）和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。它具有结构紧凑、转动均匀、准确、平稳、易于自锁等优点，在工业中获得了广泛应用。（1）按螺杆与螺母的相对运动方式，螺旋传动可以有以下四种运动方式螺母固定不动，如图A螺杆转动并往复移动，这种结构以固定螺母为主要支承，结构简单，但占据空间大。常用于螺旋压力机、螺旋千斤顶等。螺母转动，如图B螺杆做直线移动，螺杆应设防转机构，螺母转动要设置轴承均使结构复杂，且螺杆行程占据尺寸故应用较少。螺母旋转并沿直线移动，如图C由于螺杆固定不动，因而二端支承结构较简单，但精度不高。有些钻床工作台采用了这种方式。螺杆转动，如图D螺母做直线运动，这种运动方式占据空间尺寸小，适用于长行程螺杆。螺杆两端的轴承和螺母防转机构使其结构较复杂。车床丝杠、刀架移动机构多采用这种运动方式。ABCD图31运动方式本次设计的螺旋千斤顶是运用了上图（A）的运动方式，即螺母固定不动。（2）按照用途不同，螺旋传动分为三种类型。传力螺旋以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，一般为间歇性工作，工作速度较低，通常要求具有自锁能力，下图32螺旋压力机均为传力螺旋。图32螺旋压力机传导螺旋以传递运动为主，这类螺旋常在较长的时间内连续工作且工作速度较高，传动精度要求较高，下图33为机床进给机构的螺旋。图33传导螺旋调整螺旋用于调整并固定零件间的相对位置，一般不经常转动，要求能自锁，有时也要求很高精度，如带传动张紧装置、机床卡盘和精密仪表微调机构的螺旋等。本次设计的螺旋千斤顶就是运用了传力螺旋这种传动类型。32螺旋传动的结构和用途按照螺旋副摩擦性质的不同，螺旋传动又可分为滑动摩擦螺旋传动（简称滑动螺旋）、滚动摩擦螺旋传动（简称滚动螺旋）和静压滑动螺旋传动（简称静压螺旋）。滑动螺旋传动又分为普通滑动螺旋传动和静压螺旋传动，且应用较广，其特点是结构简单，制造方便，成本低；易于实现自锁；运转平稳。缺点在于当低速或进行运动微调时可能出现爬行现象；摩擦阻力大，传动效率低（一般为3050）；螺纹（通常采用梯形螺纹和锯齿形螺纹）有侧向间隙，反向时有空行程；磨损较大。广泛应用于机床的进给、分度、定位等机构，如此次设计过程中千斤顶的传力螺旋。滚动螺旋也称滚珠丝杠，其特点是摩擦阻力小，传动效率高（90以上）；运转平稳，低速时不爬行，启动时无抖动；螺旋副经调整和预紧可实现高精度定位精度和重复定位精度；传动具有可逆性，如果运用于禁止逆转的场合，需要加设防逆转机构；不易摩擦，使用寿命长。缺点为结构复杂，制造困难；抗冲击能力差。应用于精密和数控机床、测试机械、仪器的传动和调整螺旋，车辆、飞机上的传动螺旋。滚动螺旋传动特点传动效率高，传动精度高，起动阻力矩小，传动灵活平稳，工作寿命长。滚动螺旋传动应用于机床、汽车、拖拉机、航空军工等制造业。滚动螺旋传动按滚珠循环方式分为内循环滚珠始终和螺杆接触，两个封闭循环回路有两个反向器，三个封闭循环回路有三个反向器。特点流动性好，效率高，经向尺寸小。外循环分离，工艺性好，分为螺旋式，插管式，挡珠式。静压螺旋传动螺杆与螺母被油膜隔开，不直接接触。具有摩擦阻力小，传动效率高（达99）；螺母的结构复杂；运转平稳，无爬行现象；传动具有可逆性（不需要时应加设防逆转机构）；反向时无空行程，定位精度高，轴向刚力大；磨损小，寿命长等优点。其缺点为结构复杂，制造较难，需要一套压力稳定，供油系统要求高。应用于精密机床的进给、分度机构的传动螺旋。33螺旋传动的计算在螺旋传动中，结构最简单应用最广泛的是滑动螺旋，滑动螺旋副工作时，主要承受转矩和轴向拉力（或压力）的作用，由于螺杆和螺母的旋合螺纹间存在着较大的相对滑动，因此，其主要失效形式是螺纹牙破损。滑动螺旋的基本尺寸通常根据耐磨条件确定。对于传力螺旋还应校核螺杆危险截面的强度；对于青铜或铸铁螺母以及承受重载的调整螺旋应校核其自锁性；对于精度传动螺旋应该校核螺杆的刚度；对于受压螺杆，当其长径比很大时，应校核其稳定性；对于高速长螺杆，应校核其临界转速；要求自锁时，多采用单线螺纹，要求高效时，多采用多线螺纹。（1）一般螺旋机构的计算一般螺旋机构当螺杆转角（RAD）时，螺母轴向移动的位移L（MM）为LS/2（式31）则式中S为螺旋线导程（MM）。如果螺杆的转速为NR/MIN时，则螺母移动速度VMM/S为VSN/60（式32）（2）差动螺旋机构与复式螺旋机构的计算1机架2螺杆3螺母4导向杆图34差动螺旋机构上图的螺旋机构中，螺杆1上有A、B两段螺旋，A段螺旋导程为SA（MM），B段螺旋导程为SB（MM），两者旋向相同，则当螺杆转角（RAD）时，螺母轴向移动的位移L（MM）为L（SASB）/2（式33）如果螺杆的转速为NR/MIN时，则螺母移动速度VMM/S为L（SASB）N/60（式34）由上式可知当A、B两螺旋的导程SA、SB接近时，螺母可得到微小位移，这种螺旋机构称为差动螺旋机构（又称微动螺旋机构），常用于分度机构、测微机构等。如果两螺旋的旋向相反，则螺母轴向移动的位移L为L（SASB）/2（式35）移动速度为V（SASB）N/60（式36）这种螺旋机构称为复式螺旋机构，适合于快速靠近或离开的场合。滑动螺旋传动工作时，螺杆和螺母主要承受转矩和轴向载荷（拉力或压力）的作用，同时在螺杆和螺母的旋合螺纹间有较大的相对滑动。滑动螺旋传动的主要失效形式是螺纹磨损。因此，通常根据螺旋副的耐磨性条件，计算螺杆中径及螺母高度，并参照螺纹标准确定螺旋的主要参数和尺寸，然后再对可能发生的其他失效逐一进行校核。34螺旋传动的设计和选材滑动螺旋的结构包括螺杆、螺母的结构形式及其固定和支承结构形式。螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系，当螺杆短而粗且垂直布置时，如起重及加压装置的传力螺旋，可以采用螺母本身作为支承的结构。当螺杆细长且水平布置时，如机床的传导螺旋（丝杠）等，应在螺杆两端或中间附加支承，以提高螺杆工作刚度。螺母结构有整体螺母、组合螺母和剖分螺母等形式。整体螺母结构简单，但由磨损而产生的轴向间隙不能补偿，只适合在精度要求较低的场合中使用。对于经常双向传动的传导螺旋，为了消除轴向间隙并补偿旋合螺纹的磨损，通常采用组合螺母或剖分螺母结构。利用螺钉可使斜块将其两侧的螺母挤紧，减小螺纹副的间隙，提高传动精度。传动用螺杆的螺纹一般采用右旋结构，只有在特殊情况下采用左旋螺纹。螺杆和螺母材料应具有较高的耐磨性、足够的强度和良好的工艺性。表31螺杆与螺母常用的材料螺纹副材料应用场合Q235Q2754550轻载、低速传动。材料不热处理40GR65MN20GRMNTI重载、较高速。材料需经热处理，以提高耐磨性螺杆9MN2VGRWMN38GRMOAL精密传导螺旋传动。材料需经热处理ZCUSN10P1ZCUSN5PB5ZN5一般传动螺母ZCUAL10FE3ZCUZN25AL6FE3MN重载、低速传动。尺寸较小或轻载高速传动，螺母可采用钢或铸铁制造，内空浇铸巴士合金或青铜35螺旋机构耐磨性的计算耐磨性计算尚无完善的计算方法，目前是通过限制螺纹副接触面上的压强作为计算条件，其校核公式为PP（式37）Z2HD/FA式中，F为轴向工作载荷（N）；A为螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的面积（MM）；D2为螺纹中径MM；P为螺距MM；H为螺纹工作高度MM，矩形与梯形螺纹的工作高度H05P,锯齿形螺纹高度H075P；ZH/P为螺纹工作圈数，H为螺纹高度MM，P为许用压强MPA。表32滑动螺旋传动的许用压强螺纹副材料滑动副速度/MMIN1许用压强/MPA钢对青铜低速151825111871012钢耐磨铸铁61268钢灰铸铁4。临界载荷FC与螺杆的柔度及材料有关，根据的大小选用不同的公式IL计算。当8590时，根据欧拉公式计算，即（式315）2CLEIF）（当3固定。采用滚动支承时只有径向约束时为铰支；径向和轴向都有约束为固定。注用下列办法确定螺杆端部的支撑情况采用滑动支承时LO为支承长度，DO为支承孔直径，LO/DO3固定。采用滚动支承时只有径向约束时为铰支；径向和轴向都有约束为固定。38自锁性的校核对于要求自锁的螺旋传动，应校核是否满足自锁条件，即（式319）VARTNF式中，FV为螺纹副的当量摩擦系数表35螺旋传动螺旋副的当量摩擦系数FV（定期润滑）螺旋副材料钢和青铜钢和耐磨铸铁钢和铸铁钢和钢淬火钢和青铜0080100100120120150110170060084千斤顶的设计已知轴向载荷F60000N,最大举升高度为150MM方案图如下所示1托杯2手臂3销4手柄5挡环6螺套7螺杆8螺钉9底座图41千斤顶剖视图41选择材料由上表（螺杆与螺母常用的材料）选材料为45钢，由手册查360MPA；为了提高耐磨性，螺母选较软的材料锡青铜为ZCUSN10P1，由上表知钢对青铜低速时，对人力驱动可提高20，即，螺母为整体螺母。，2518MPA306210A25521取。选螺纹牙为梯形。42耐磨性计算（1）已知取，则计算D251（式41）MFD325160802由手册查得,32DMDDP36,40,2（2）计算螺母高H（式42）362（3）计算旋合圈数Z（式43）95P（4）校核螺纹副自锁性（式44）9823614ARCTNARCT2DP由上表查得，满足自锁条件。VVVF,50T,08（5）螺母螺纹牙强度校核由上表查得青铜螺母螺纹牙许用弯曲应力许用剪切应力,604MPA；梯形螺纹螺纹牙根宽度MM；梯形螺纹螺纹MPA403935PB牙工作高度。则MH365弯曲强度校核合格（式45）,431940122DZBF剪切强度校核，合格（式46）63962MPAZ（6）螺杆强度校核由上表查得螺杆许用应力（式47）S1203螺杆所受转矩（式48）MNDFTV39468598TAN260TAN2螺杆强度校核合格（式49）MPADTDFCA628320343121243螺母外部尺寸计算（1）计算确定D3螺母悬置部分受拉伸和扭转联合作用，为计算简单，将F增大30，按拉伸强度计算得（式410）4312F式中，为螺母材料的许用拉伸应力，可取083B，由上表取B50MPA，因此083B415MPA。故D3（式M256340516F612411）取D365MM（2）确定D1和A按经验公式D1（1314）D3及A可求HD1（1314）6584591MM取D186MM（式412）A取A20MM（式3HM854413）（3）校核凸缘支承表面的挤压强度，强度条件为PP合格（式2314DF414）（4）校核凸缘根部弯曲强度PWMMPAAADF50152306514386/231所以合格（式415）（5）校核凸缘根部剪切强度，强度条件为（式ADF3416）式中，螺母材料的许用切应力35MPA故合格（式70142651430MPAADF417）44手柄设计计算（1）拖杯与手柄的结构确定手柄长度，则手柄上的工作转矩为TFHLHT1T2（式2032TANDDFDFC418）式中，T1、T2分别为螺纹副摩擦力矩及拖杯与接触面摩擦力矩（NMM）；FC015为拖杯与支承面的摩擦系数；D0为托杯底座与支承面接触部分外径（MM），由经验公式确定，取MM；D0为托杯底座与支承面接触部分D81606D内径（MM），取D020MM,FH为手作用在手柄上的力（N）,如一人连续工作，手作用力通常取FH150200N,取FH200N；LH为手柄有效长度（MM）。因此，200LH（式2306150324982TAN3621419）得LH177756MM取LH1778MM（2）确定手柄直径DK选手柄材料为45钢，S360MPA,许用弯曲应力140180MPA，251SB取B160MPA。手柄的弯曲强度条件为BBKHHDLFW32（式420）因此，DK,取DK30MM（式M381605723421）托杯其他部分尺寸为托杯高取H70MM（式422）DH861800铰支头高取H155MM（式423）MDK54245螺杆稳定性校核1计算柔度IL螺杆一端固定，一端自由，长度系数2；螺杆最大受力长度L由起重高度、1L螺母高H、铰支头高及螺杆轴向预留余量决定，其中。2LDL512因此，螺杆的工作长度，螺杆危险截面惯MHL37604151性半径I。MD84321（式IL75608243424）2计算临界载荷I（式425）641DM7651432因此FC47410168N（式426）2522703LEI79S4合格6047185螺旋千斤顶图形的绘制要绘制螺旋千斤顶的装配图，首先应当选定绘图比例和图幅后布置视图，先确定各视图的位置，画出主要轴线、中心线及基准线。然后开始画底图，按照“先主后次”的原则，沿装配轴线按装配关系依次画出底座螺套螺旋杆绞杠顶垫等零件。底图完成后，检查加深图线，还要进行尺寸标注，编注零件序号，填写明细栏、标题栏等，完成全图。同时要了解千斤顶的工作原理千斤顶是利用螺旋传动来顶举重物的一种起重或顶压工具，常用于汽车修理及机械安装中。工作时，重物压于顶垫之上，将手炳穿入螺旋杆上部的孔中，旋