機械式平衡吊設(shè)計【含11張CAD圖紙+文檔全套】
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摘 要
在工廠車間里搬運重物，往往都是采用起重機、電葫蘆、工業(yè)機械手等。但對于需要頻繁吊裝、作業(yè)時間短的場合，如機床上下工件，裝配工作吊裝零部件，流水線上的定點工作等等；對于要求比較精確定位的場合，如鑄造中的下芯、合箱等等，一般起重設(shè)備常不適用，工業(yè)機械手多用于生產(chǎn)自動線上或單一的重復操作，而且成本較高，目前，一般車間使用較少。近年來，出現(xiàn)的一種新型的定點起重設(shè)備“平衡吊”，適用于幾十到幾百千克工件的定點頻繁吊運，在工業(yè)生產(chǎn)中起到了極其重要的作用，平衡吊的結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活，吊重后除能作上下升降外， 能在水平面內(nèi)作360度回轉(zhuǎn)運動，只需要輕輕推拉，就可使吊物隨時穩(wěn)穩(wěn)地停留在意欲停留的位置上，做到隨遇平衡。本文闡述了平衡吊的基本原理，并對其平衡條件及桿系的平衡方法進行了分析和研究，對平衡吊的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計計算。
關(guān)鍵詞：平衡吊；原理應用；力學分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計
Abstract
Transports the heavy item in the factory workshop, often all is uses the hoist crane, the telpher, the industry manipulator and so on. But regarding needs the frequent hoisting, the work time short situation, like about engine bed work piece, installation work hoisting spare part, in assembly line fixed-point work and so on; Regarding the request quite pinpointing situation, like in the casting under core, gathers box and so on, the general hoisting equipments are not often suitable, the industry manipulator uses in producing from the generatrix in or the sole repetition operation, moreover the cost is high, the general workshop use are at present few. In recent years, appeared one kind of new fixed point hoisting equipment “the balance hung”, was suitable in lifts frequently several dozens to several hundred kilogram work piece fixed points, played the extremely vital role in the industrial production, the structure which the balance hung has been simple, the operation was nimble about, after the crane besides could do rises and falls, could make 360 degree gyroscopic motions in the horizontal plane, only needed gently on rollers, might cause to hang the thing steadily to pause as necessary in the position which cared for to pause, achieved the indifferent equilibrium. This article elaborated the balance hangs the basic principle, and has carried on the analysis and the research to its equilibrium condition and the pole department's balanced method, hung the structure to the balance to carry on the design calculation.
Keywords：The balance hangs;Principle application;Mechanics analysis;Structural design
目 錄
摘 要 I
1 前 言 1
2 概 論 2
3平衡吊概述 3
3.1 平衡吊簡介 3
3.2 平衡吊的分類 3
3.3 平衡吊的產(chǎn)品型號 6
3.4 設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù) 6
4平衡吊的總體設(shè)計 9
4.1 平衡吊的組成及結(jié)構(gòu)簡介 9
4.1.1平行四連桿機構(gòu) 10
4.1.2 桿系自質(zhì)量平衡裝置 11
4.1.3 驅(qū)動裝置 11
4.2 平衡吊的運動分析及平衡方法 12
4.2.1 平衡吊的工作原理 12
4.2.2 平衡吊平衡的條件 13
4.2.3 平衡吊的運動分析 17
4.2.4 桿件自重失衡問題 19
5平衡吊的四桿機構(gòu)設(shè)計 25
5.1桿系與立柱的受力分析 25
5.1.1機構(gòu)簡圖與作業(yè)位置編號 25
5.1.2受力分析 26
5.2 各桿件及立柱的強度計算與截面尺寸的確定 29
5.2.1 Ⅰ、Ⅱ桿截面的高度比的確定 29
5.2.2 Ⅰ、Ⅱ桿截面的尺寸確定 31
5.3 配重質(zhì)量的計算 37
6 平衡吊的升降裝置設(shè)計 40
6.1 概述 40
6.2 螺旋副的設(shè)計計算 40
6.2.1 選用材料 40
6.2.2 按耐磨性計算螺紋中徑 41
6.2.3 驗算自鎖 42
由于為單頭螺紋，導程mm 42
6.2.4 螺母螺紋強度驗算 42
6.2.5 螺桿強度驗算 43
6.2.6 螺桿的穩(wěn)定性驗算 44
6.2.7 螺桿的效率 44
6.2.8 螺桿的剛度和臨界轉(zhuǎn)速 45
7 平衡吊的傳動裝置設(shè)計 45
7.1 傳動的選擇及擬定傳動方案 45
7.1.1 傳動類型選擇的依據(jù) 45
7.1.2 工作機狀況 46
7.1.3 動力機的選擇及其性能比較 47
7.1.4 傳動類型的選擇 47
7.1.5 傳動的分配 49
7.1.6 擬定傳動方案 49
7.2 電動機的選擇及運動參數(shù)的計算 49
7.2.1 電動機的選擇 49
7.2.2 確定傳動裝置的效率η 50
7.2.3 選擇電動機 50
7.2.4 總傳動比的計算及傳動比的分配 51
7.2.5傳動裝置運動參數(shù)和動力參數(shù)的計算 51
7.3傳動零件的設(shè)計計算 53
7.3.1 齒輪傳動的設(shè)計計算 53
7.3.2 蝸輪蝸桿傳動設(shè)計 58
8 平衡吊的回轉(zhuǎn)部分設(shè)計 63
8.1 回轉(zhuǎn)機構(gòu)的組成及支撐裝置 63
8.2 回轉(zhuǎn)座（法蘭）的設(shè)計 64
8.2.1 概述 64
8.2.2 灰鑄鐵法蘭 65
8.2.3 法蘭的選用 67
9 吊鉤組的設(shè)計 68
9.1 吊鉤形式，特點及機械性能 68
9.1.1 吊鉤形式及特點 68
9.1.2 吊鉤的機械性能，起重量 68
（1) 機械性能 68
9.2 吊鉤組零件材料及主要尺寸 68
9.2.1 吊鉤組零件材料 68
9.2.2 吊鉤的主要尺寸 69
9.2.4 止推軸承的選擇 71
9.2.5 吊鉤橫梁的設(shè)計 72
10 平衡吊的底座設(shè)計 74
10.1 概述 74
10.2 底座的基本結(jié)構(gòu) 74
10.3 底座的結(jié)構(gòu)特性 74
10.4 底座的穩(wěn)定性校核 75
結(jié) 論 77
參考文獻 79
1前 言
畢業(yè)設(shè)計是四年大學學習生活的最后一個環(huán)節(jié)，也是我們對所學專業(yè)知識進行鞏固的一次機會。本次畢業(yè)設(shè)計就是在全面鞏固和學習機械專業(yè)知識的基礎(chǔ)上，廣泛查閱有關(guān)資料，完成設(shè)計任務，從而對四年的學習做一個全面系統(tǒng)的總結(jié)。
本次設(shè)計著重于平衡吊主要零部件的設(shè)計，如四桿機構(gòu)，平衡吊驅(qū)動裝置，吊鉤等，并使設(shè)計盡可能詳盡，合理，便于制造和操作。另一方面，本設(shè)計中有大量的插圖和公式，以使得本設(shè)計易于理解和老師評審。
通過這次設(shè)計，不僅使我們以前所學的專業(yè)課知識，比如：機械原理，機械零件，機械制圖，材料力學，理論力學等專業(yè)知識得到鞏固和提高，而且也使得我們把在校所學的各方面的知識全面，系統(tǒng)地與生產(chǎn)實踐結(jié)合起來來解決實際問題，從而提高我們分析問題和解決問題的能力，為以后的學習和工作打下了堅實的基礎(chǔ)。本次設(shè)計題目為《機械式平衡吊的結(jié)構(gòu)設(shè)計》，通過設(shè)計一臺特殊的起重機，綜合應用了幾乎機械專業(yè)各方面的專業(yè)知識，使我們不僅學會了整部機器的設(shè)計方法，而且也熟悉了零件的工藝性，機器的裝配和安全技術(shù)等方面的知識。
為了搞好這次畢業(yè)設(shè)計，順利完成設(shè)計任務，本設(shè)計在設(shè)計過程中得到了張昌娟老師的悉心指導，并參考了大量的有關(guān)資料，旨在綜合考慮各方面因素的條件下，設(shè)計出合理，操作簡單的平衡吊。但由于本人知識水平有限，錯誤與不合理之處在所難免，敬請各位老師和同學給予批評指正。
本次畢業(yè)設(shè)計得到了張昌娟老師的精心指導，也得到了同學們的大力幫助，在此謹表謝意。
2 概 論
本次設(shè)計通過設(shè)計一臺特殊的起重機，進一步提高機械設(shè)計的能力和鞏固所學過的機械零件和機械原理等課程的理論知識。在設(shè)計中不僅要求學會整部機器的設(shè)計方法，并且要求熟悉零件的工藝性，機器的裝配和安全技術(shù)等方面的知識，提高分析問題和解決問題的能力。
在設(shè)計之前，已經(jīng)學過了機械制圖，理論力學，材料力學，機械原理和機械零件及其課程設(shè)計等，基本上掌握了一般機器零部件的設(shè)計方法；現(xiàn)在通過本次設(shè)計，綜合運用了以前所學的這些理論知識，對整體起重機的主要部分進行設(shè)計。本設(shè)計的研究范圍有：平衡吊的總體設(shè)計，四桿機構(gòu)設(shè)計計算，傳動部分（即減速器）的設(shè)計計算，螺桿的設(shè)計計算以及吊鉤的設(shè)計計算。平衡吊是一種簡易的起重設(shè)備，其應用原理簡單但卻巧妙，因此它可以加深我們對機械機構(gòu)的理解，培養(yǎng)靈活運用機械機構(gòu)的能力。平衡吊的工作量較少，因此一個人可以獨立完成。平衡吊的設(shè)計涉及到了連桿機構(gòu)設(shè)計，減速器設(shè)計，電氣原理等，可以培養(yǎng)綜合運用知識的能力。畢業(yè)設(shè)計是我們大學的學習生活的最后的一項重要學習任務；是對四年所學知識的總結(jié)和靈活運用；是我們重溫已學知識和加深對其理解，為我們深造和走上工作崗位打下深厚基礎(chǔ)的一次重要機會，其意義重大；我們必須把握這次機會。通過這一過程，我們要達到以下目的：
（1） 鞏固、擴大和深化我們以前所學的基礎(chǔ)課、專業(yè)課知識；
（2） 通過此次的畢業(yè)實習和設(shè)計我們要達到對機械設(shè)計的過程有一定的認識和理解的目的；
（3） 培養(yǎng)我們綜合分析、理論聯(lián)系實際的能力；
（4） 培養(yǎng)我們調(diào)查研究，正確熟練運用國家標準、手冊、圖冊等資料、工具的能力；
（5）鍛煉自己的設(shè)計計算、數(shù)據(jù)處理、編寫技術(shù)資料、繪圖等獨立工作能力；
3平衡吊概述
3.1 平衡吊簡介
平衡吊是一種以平衡桿系為主要結(jié)構(gòu)特征的吊運裝置。采用伺服傳動系統(tǒng)的平衡吊則稱為伺服平衡吊。該吊運裝置主要由立柱、頭架、手臂及傳動部分組成，結(jié)構(gòu)緊湊，造型美觀。其主要特點是運用桿系的平衡原理和放大尺原理，操作者只需用幾公斤力，就能使幾十至上千公斤的重物在上下、前后、水平回轉(zhuǎn)三維空間輕巧自如地吊裝，且運行可靠，是生產(chǎn)線、機床等設(shè)備工件上、下料的理想吊運裝置。它的成功研制，填補了我國一項空白，屬國內(nèi)首創(chuàng)。
自1974年第一合100公斤機械式平衡吊研制成功后，為平衡吊系列化產(chǎn)品開發(fā)打下了良好的理論計算和實際制作基礎(chǔ)，從70年代中到80年代初，先后完成含蓋以機械、液壓、氣動為傳動方式，額定吊運載荷為50、100、200、300、500、500、1000公斤的平衡吊系列產(chǎn)品及其派生產(chǎn)品，并形成批量生產(chǎn)。
平衡吊有以下幾個方面的優(yōu)點：1、結(jié)構(gòu)簡單，體積??；2、操作方便，工作效率高；3、作業(yè)范圍大。它比起重機，電動葫蘆準確，直觀，比機械手簡易靈活，通用性強。
3.2 平衡吊的分類
按平衡臂形式分為單臂式（又稱基型）和復臂式（復型）；按傳動方式又可分為機械傳動式（電動），液壓傳動和氣壓傳動式；按桿系自質(zhì)量平衡裝置形式分為彈簧式和配重式；按支撐裝置形式可分為立柱式，懸掛式，附壁式和行星式。
立柱式如圖3-1所示，又可分為立柱固定式，立柱移動式和立柱升降式。
圖3-1 立柱式平衡吊
懸掛式如圖3-2所示，又可分為懸掛固定式和懸掛移動式。
懸掛固定式 懸掛移動式
圖3-2 懸掛式平衡吊
附壁式如圖3-3所示，又可分為附臂固定式和附臂移動式。
圖3-3 附壁式平衡吊
行星式如圖3-4所示，將平衡吊的立柱固定在可旋轉(zhuǎn)360°的懸臂架上，從而擴大了作業(yè)范圍。
圖3-4 行星式平衡吊
3.3 平衡吊的產(chǎn)品型號
由平衡吊代號P，安裝方式代號（固定高型為D；矮型為A；壁式為B；懸掛式為X），傳動方式代號（機械式為J；液壓式為Y；氣動式為Q），額定起重量（除起重量為50㎏用0表示外，其他均以額定起重量的1/100表示，如1000㎏用10表示），最大工作半徑（以㎜數(shù)的1/100表示，如2500用25表示），桿系類別（復臂代號為F，單臂不標注）和特殊定貨代號（配套電機為錐形用T1；防爆電機用T2；直流電機用T3；變頻電機用T4；立柱要求加高用T11；變短用T12；速度要求增大用T13）組成。其表示方法如圖3-5：
圖3-5 平衡吊的表示方法
3.4 設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù)
基本參數(shù)應符合如下表1規(guī)定。
本設(shè)計的基本參數(shù)如下：
重量G
(Kg)
最大回轉(zhuǎn)半徑Rmax
(mm)
水平變幅 b(mm)
最大起吊高度
Hmax
(mm)
提升
幅度
S(mm)
重錘擺動最大半徑Rp(mm)
工作狀態(tài)最大高度Hg
(mm)
電機功率（KW）
提升
速度(m/min)
回轉(zhuǎn)角度°
500
2000
2000
2027
1500
1500
4000
3
10
360
4平衡吊的總體設(shè)計
4.1 平衡吊的組成及結(jié)構(gòu)簡介
平衡吊是一種新型吊運設(shè)備，適用于多品種生產(chǎn)之中上下料及流水作業(yè)線上，其結(jié)構(gòu)新穎緊湊 ，使用安全可靠，吊裝重物是通過3種運動合成而實現(xiàn)：
（1）垂直升降—機動；
（2）繞機身切向旋轉(zhuǎn)—手動；
（3）徑向水平移動—手動
平衡吊由機身、平行四連桿機構(gòu)臂系、機械（或液壓）驅(qū)動系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)等4個基本部分組成（見圖4-1）。
圖4-1 平衡吊基本組成
1. 平行四連桿2. 機械（液壓）驅(qū)動3. 機身4. 電器控制系統(tǒng)
4.1.1平行四連桿機構(gòu)
由吊重臂、大臂、連桿、支撐桿、平衡錘等組成。平衡吊的平行四連桿臂系由吊重臂、大臂、連桿、支撐桿、平衡錘等組成,如圖4-2 所示：
（1）平行四連桿機構(gòu)臂系具有比例放大特性。桿系的C處只做垂直運動，B處只做水平運動。整個平行四連桿機構(gòu)可看作一個杠桿，當B處固定不動時，C處垂直上、下運動，A處按臂長比被比例放大后做反向垂直下、上移動；當C處固定不動時，B處水平左、右運動，A處還是按臂長比被比例放大后做水平左、右移動，平衡吊正是巧妙地利用平行四連桿機構(gòu)進行臂系的垂直和水平運動的比例放大作用。
圖4-2 平衡吊臂系簡圖
(2)平行四連桿機構(gòu)臂系具有隨遇平衡特性。所謂“隨遇平衡”即物體的平衡狀態(tài)不隨時間和坐標的變化而變化。可以證明，平行四連桿機構(gòu)臂系實現(xiàn)隨遇平衡的條件是：桿長滿足的關(guān)系。需說明的是與、與可相等，也可不相等，但是，只有、，平衡吊臂系成為平行四連桿機構(gòu)時，平衡吊起重后各桿之間伸縮和旋轉(zhuǎn)作用力最小。平衡吊正是利用了這一點。所以平衡吊具有操作省力、運動自如、輕巧靈活、定位準確的優(yōu)點。
4.1.2 桿系自質(zhì)量平衡裝置
桿系自質(zhì)量平衡裝置是為解決桿系自質(zhì)量對平衡的影響而設(shè)置的，通常采用重錘和拉簧兩種方式。因拉簧的計算誤差較大，彈簧的制造工藝不穩(wěn)定。當彈簧拉力過大時，平衡臂處于被拉緊狀態(tài)；當彈簧力不足時，彈簧就處于被平衡質(zhì)量拉伸的狀態(tài)。因此目前以采用重錘式較多。
4.1.3 驅(qū)動裝置
驅(qū)動裝置帶動平衡臂的一端使重物升降。常用電動、氣動或液壓傳動，但以電動方式較多。由于蝸輪蝸桿傳動平穩(wěn)，可改善平衡吊啟動及制動時的抖動現(xiàn)象，故被常用做減速機構(gòu)。也有采用絲桿傳動，如圖4-3所示。電動機的正反轉(zhuǎn)使螺母支架帶動平衡臂起升或下降。
圖4-3 驅(qū)動裝置圖
該機械平衡吊驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)包括電動機1、傳動箱2、副油箱6、升降絲桿7、傳動絲母8、保險螺母10、蝸桿5、蝸輪9及傳動齒輪3和4。副油箱與傳動箱內(nèi)腔相通，使?jié)櫥陀兔娼档?，但齒輪副、蝸輪副、螺旋副仍能浸泡在油中，讓所有運動副都能得到很好的潤滑和冷卻，從而減少運動副的磨損， 提高傳動效率，延長壽命，且使?jié)櫥筒灰诐B漏，還減少注油麻煩。傳動螺母與保險螺母分別設(shè)置在傳動箱上下兩端。保險螺母的設(shè)置不但能起防止絲桿滑脫的保險作用，而且對絲桿上部有扶持和導向作用，提高了絲桿升降的穩(wěn)定性，使吊臂升降平穩(wěn)，安全可靠。
4.2 平衡吊的運動分析及平衡方法
4.2.1 平衡吊的工作原理
圖4-4 平衡吊的工作原理簡圖
平衡吊的結(jié)構(gòu)如圖4-4所示,主要分為傳動、桿系和回轉(zhuǎn)機構(gòu)三個部分。傳動部分是完成起吊重物功能的機構(gòu),由電動機、減速器帶動絲杠回轉(zhuǎn), 驅(qū)使絲母升降,從而完成吊鉤在垂直方向的升降運動。該部分也可由氣缸、油缸代替完成起重物的功能。桿系部分是一平行四連桿機構(gòu),它由ABD 、DEF 、BC、CE 四桿組成,在B 、C、D、E 處用鉸鏈連接其中BC=DE,BD=CE .
在C點安裝有滾輪,可以沿水平導軌滾動,當C點沿水平方向移動時,吊鉤F點作水平運動。傳動部分和桿系通過回轉(zhuǎn)機構(gòu)安裝在立柱上,可以使吊鉤繞立柱回轉(zhuǎn)360度。
平衡吊的水平運動和繞立柱的回轉(zhuǎn)運動,用手在吊鉤處輕輕推動即可獲得,而升降運動可以通過操作按鈕由電機來完成。
4.2.2 平衡吊平衡的條件
平衡吊的平衡是指:吊鉤F點無論空載還是負載,運行到工作范圍內(nèi)的任何位置后都可以隨意停下并保持靜止不動,即達到隨遇平衡狀態(tài)。
由圖4-4可知A點的運動是由傳動部分控制的,當在一定高度時,可以將A點看作一個固定鉸鏈支座,C點的水平移動是引起F點水平運動的原因。如果吊鉤F在任何位置(起重或空載)時,F點、C點、A點只有垂直方向的反力且合力為零,那么支座C點的水平受力為零,平衡就可以得到。
為便于分析問題,假設(shè)桿系的自重及各鉸鏈點之間的摩擦均忽略不計。根據(jù)靜力學的原理,平面力系中某一桿件同時受三力作用,則三力必交于一點,叫做三力桿。某一桿件同時受二力作用且二力的作用點在兩個端點,則二力必然大小相等方向相反,叫二力桿。故CB、CE為二力桿。其受力方向沿鉸鏈連線。ABD、DEF為三力桿。三力平衡時,其力必匯交于一點。
先分析DEF桿件。在F點從吊起重物時，其方向垂直向下，CE桿通過鉸鏈E壓給DEF桿的作用力的方向為沿CE連線方向，力與交于K點，則第二個力，即ABD桿通過鉸鏈D作用于DEF桿的力，必通過D點交于K點方向可由力三角形得出，如圖4-5所示。
圖4-5桿DEF的受力分析
其次再分析ABD桿件，根據(jù)作用與反作用的道理，顯然，桿件DFF通過鉸鏈D給桿ABD以反作用，方向如圖4-6所示。二力桿VC通過鉸鏈B給桿ABD的作用力洞BC方向，力與力交于J點，則第三個力即固定鉸鏈A對ABD桿的支反力必然通過點，其方向由力三角形提出，如圖4-6所示。
圖4-6 桿ABD的受力分析
如前所述，平衡吊要達到平衡，支反力必須為鉛垂方向的力。現(xiàn)在將這兩個構(gòu)件的受力分析綜合到一起來研究。
如圖4-7所示，由于在力多邊形中，力與力同為鉛垂方向，力與力的水平投影是等長的，即力與的水平分力大小相等方向相反，處于平衡狀態(tài)，故C點從無水平分力。
圖4-7綜合受力分析
在什么條件下才能保證支反力保持鉛垂方向，根據(jù)上述受力分析，只有當機構(gòu)在任意一個位置下，都能做到：過F點從做一條鉛垂線FK與EC桿的延長結(jié)相交于K點，再連接K 、D兩點并延長與BC桿的延長線相交于J點，而J點正好過A點所作的鉛垂線上，才能使支反力保持鉛垂方向。
要做到這一點，滿足機構(gòu)的幾何條件為：
△KEF∽△ABJ
△KDE∽△DJB
相似三角形的對應邊成比例關(guān)系，得到：
EF：EK=BJ：AB （1）
DE：EK=BJ：BD （2）
由（1）、（2）式得到：
EF：DE=BD：AB
假設(shè) ABD=H，AB=h,
DEF=L, DE=l,
則
或者
即 為放大系數(shù)
這就是說，只要桿系各桿件滿足上述關(guān)系式，機構(gòu)即可在任意位置達到平衡。
同時，從圖4-7中可以看到另一個重要現(xiàn)象，即
A，C，F(xiàn)三點共線。證明如下：
∵FE∥BC ∴
∵EC∥AB ∴
因為C點為FC和CA的共同點，所以FC與CA必須在同一直線上，即F, C, A三點共線。
圖4-8 桿系平衡示意圖
4.2.3 平衡吊的運動分析
下面針對當A點升降和C點移動時，作吊鉤F的運動分析。
（1） 當A點不動時.F點的運動規(guī)律
如圖4-9，過C點作一條水平線MN，A點與F點在此水平線上的投影分別為M, N兩點。
假設(shè)此時C點平移至C′點, F點平移至F′點。
同樣F′、 C′ 、A三點共線。F′點在MN線上的投影為N′點。
C點未移動時:
∵△FEC ∽ △CBA
△FNC ∽ △AMC
∴
C點移動后；
∵△F′E′C′ ∽ △C′B′A
C′E′/A′B′=E′F′/B′C′=F′C′/C′A′=
△F′N′C ∽ △AMC′
F′C′/C′A=F′N′/AM=
∴F′N′=（）·AM
由(1) ,( 2)式得出F′N′=FN
故證明C點從水平移動時，F(xiàn)點在水平方向上作水平移動。
∵△AFF′∽ △AC′C′
∴FF′/CC′=AF/AC=
∴FF′=CC′
即F點的水平移動速度為C點的倍，如果C點作勻速運動，F(xiàn)點也作勻速運動。
（2）當電機帶動A點運動時F點的運動規(guī)律
此時將C點看作一個固定鉸鏈支座，見圖4-9.
圖4-9 運動分析
當A點移至A′點時，A′ ,C ,F′三點共線（道理同上）。過C點作水平線NM , FN⊥NM
∵△CFE ∽ △ACB
∴CF/ A C=EF/ BC=/l=
同理∵△CNF ∽ △CMA
∴CN/CM=CF/AC=/l=
下面來證明F點的位置變化：
∵△CF′E′ ∽ △A′CB′
∴CF′/CA′=E′F′/B′C=/ l=
由上述可得到△CNF' ∽ △CMA′、NF′∥A′M
故知F點在垂直方向上運動，其大小可由
△CFF′∽ △CAA′
得到FF′/AA′=/ l=
即F點的垂直移動速度為A點的倍，如果A點作勻速運動，F(xiàn)點也作勻速運動。
在作上述問題的分析時，曾假設(shè)桿系的自重及各鉸鏈點的摩擦均忽略不計.得到L/l=H/h的平衡條件。但是實際上自重及摩擦力均是存在的。摩擦力對平衡是不起破壞作用，而自重則不然，除桿系在一特定的位置外，各桿件的自重都將在C點產(chǎn)生破壞平衡的影響一引起桿系滑動。
4.2.4 桿件自重失衡問題
我們將由于各桿件自重的影響在C點引起不平衡的水平分力定義為失衡力。
（1）各桿件自重在C點處引起的失衡力的大小
當F點作用負荷且滿足L /l = H/h的條件下，平衡吊的失衡只可能由自重引起。此時，將C點作為固定鉸鏈支座來對其進行受力分析。求出由于各桿件自重影響所產(chǎn)生的失衡力，根據(jù)疊加原理，可以求出它們的合力，即總的失衡力為。
現(xiàn)在根據(jù)靜力學原理分別就各桿自重對失衡的影響進行分析。
假設(shè)DEF桿的自重為（見圖4-10)，其余桿自重忽略不計，BC、CF桿為二力桿，DEF ,ABD為三力桿，畫出其力三角形了如圖，對D結(jié)點分析受力，。對C結(jié)點分析受力,顯然∑X≠0,則在X軸上投影的矢理之和即為由在C點引起的失衡力。其表達式為：
（3）
假設(shè)ABD桿的自重為 (見圖4-10,其余桿自重忽略不計,DEF桿和CE桿為“0”桿(內(nèi)力為“0”),BC桿為二力桿, ABD桿為三力桿,畫出其力三角形,對結(jié)點C分析受力, ∑X≠0,則由在C點引起的失衡力為在X軸上的投影。其表達式為：
（4）
圖4-10 桿DEF自重分析
圖4-11 桿ABD自重分析
假設(shè)CE桿的自重為（見圖4-11)，其余桿自重忽略不計，則BC桿、DEF的DE部分為二力桿，,ABD為三力桿受平行力系的作用，，可以得出, CE桿為二力桿，畫出其力三角形（如圖4-11） ,圖中為鉸鏈C.給CE桿的作用力。，對C結(jié)點分析受力，顯然∑X≠0，則在X軸上的投影的矢量之和即為由在C點引起的失衡力。
其表達式為:
圖4-12桿CE自重分析
假設(shè)BC桿的自重為（見圖4-12），其余桿自重忽略不計，則DEF桿和CE桿為“0”桿（內(nèi)力為“0”），ABD桿的AB部分為二力桿，，BC桿為三力桿，畫出其力三角形（如圖4-12），圖中為鉸鏈C給CE桿的作用力。，對C結(jié)點分析受力，顯然∑X≠0，那么由在C.點引起的失衡力為在X軸上的投影。
其表達式為：
綜合(1) ,( 2) ,( 3) ,( 4)式，總的失衡力為：
圖4-13 桿BC自重分析
（2）消除自重引起的失衡措施
上述分析看出由自重引起的失衡力是存在的。因此必須采取有效的措施來消除由于自重引起的失衡力。假設(shè)在ABD桿的適當延長部分上加一重量以平衡桿系自重，則由桿系的失衡就可能消除（如圖4-14)。
依據(jù)上述假設(shè)DEF、ABD、CE、BC四桿自重分別為由。根據(jù)平面機構(gòu)的質(zhì)量分配法，將分配到B、C兩點上， ，將:分配到E 、C點上，
將分配到D、F點上，
將分配到D、F點上，
將、:分配到D、F點上，
圖4-14平衡桿系自重分析
這樣就將在分配在D ,F ,B ,C點上，E點不受力。從第三部分的分析中，己經(jīng)知道作用在F,C,A點的垂直載荷對失衡是沒有影響的。因此只對ABD桿進行受力分析：
則有
∵，
∴分別將、代入上式，整理后得:
為配重的重量，為配重質(zhì)心距A點的距離。至此由平衡吊桿系自重引起的失衡問題完全解決了。
5平衡吊的四桿機構(gòu)設(shè)計
5.1桿系與立柱的受力分析
5.1.1機構(gòu)簡圖與作業(yè)位置編號
圖5.1 機構(gòu)簡圖
機構(gòu)簡圖如圖5.1所示。作業(yè)范圍在高度方向為1500毫米。水平方向2000毫米，為便于計算，可將作業(yè)范圍分割或若干方格，如圖所示沿高度方向分五等六個位置，沿水平方向分八等九個位置，故在整個作業(yè)區(qū)F點的作業(yè)位置可劃分為69=54個位置 ，每個位置以兩位數(shù)字編號，第一位數(shù)字表示該作業(yè)點所處的橫列位置，第二位數(shù)字表示該作業(yè)點所處的縱行位置，如圖示F點的位置編號應為0－0。
5.1.2受力分析
各桿件以及立柱的受力分析是桿系設(shè)計計算的基礎(chǔ)，各個桿件及立柱的截面依強度條件及穩(wěn)定條件確定的，需知各個桿件及立柱受力最大的位置以及受力的大小對系統(tǒng)的剛度指標以F點撓度來表示，而想計算Fmax也應該知道各種桿件及力柱所受到的力。此外根據(jù)以往平衡吊的使用經(jīng)驗證明系統(tǒng)的變形將對平衡吊在吊重狀態(tài)下的平衡產(chǎn)生相當大的影響，即使機構(gòu)失去平衡并產(chǎn)生嚴重的滑行。如果想解決這個問題就應綜合研究系統(tǒng)在整個作業(yè)區(qū)內(nèi)在吊重G的作用下所產(chǎn)生變形的變化規(guī)律，并采取適當?shù)拇胧?，以期消除變形對平衡的不良影響，有這些問題的解決，以系統(tǒng)在各個位置下的受力分析作為基礎(chǔ)的。
采用圖解法求桿件及立柱所承受的內(nèi)力，計算時忽略各自重的影響，忽略系統(tǒng)變形對受力的影響。
在圖紙上以適當?shù)谋壤⒏鶕?jù)F點在作業(yè)區(qū)內(nèi)所處的不同位置繪出機構(gòu)簡圖。
在F點作用吊重G=500KG然后用圖解靜力學方法計算個桿件所承受的內(nèi)力，現(xiàn)將具體步驟簡述如下：
（1）Ⅰ桿受力分析
圖5.2中Ⅰ桿為三力構(gòu)件在F點作用由吊重G；E點作用有Ⅲ桿對Ⅰ桿作用力TE；在D點作用Ⅱ桿對Ⅰ桿作用力TD,因Ⅲ桿為二力桿故TE的作用方向已知，應在Ee的延長線上，根據(jù)三力匯交原理可得G、TE、TD三力的匯交點“k”。連接kD,則可得TD的作用方向。
在kD、kE兩直線之間連接一鉛垂線段ab，按照適當?shù)谋壤筧b=500Kg,便可得以力三角形△kab,于是ka=」TD 」，kb=」TE」,故可求得TE與TD兩個力。
為了進行強度計算和變形計算，還應知道桿件所受到的內(nèi)力。
將G往DEF直線投影得Fa線段，F(xiàn)a即為Ⅰ桿件的EF段所承受的拉力NEF。即NEF=Fa。
將TD往DEF直線投影得jr,jr為Ⅰ桿件DE段所承受的拉[壓]力NDE，即NDE=jr
測量E、F兩點之間的水平距離l1,并以G=500Kg乘之，得到Ⅰ桿的E點所承受的彎矩ME，即ME=500*l1（kg*mm）。
（2）Ⅱ桿的受力分析 圖5.2
圖5.2 受力分析
Ⅱ桿為三力構(gòu)件，在D點作用有Ⅰ桿對Ⅱ桿的作用力TD=-TD；在A點作用有螺母對Ⅱ桿的約束反力RA，方向永遠朝下，且」RA」=（m-1）GDm為桿系的倍比。（本設(shè)計m=2000/400=5）;在B點作用有Ⅳ桿對Ⅱ桿的作用力TB，因Ⅳ桿為二力桿故TB的作用方向也是已知的，應在BC連線上。根據(jù)三力匯交原理，此三力匯交在“h”點。因RA的方向也是已知的，為鉛垂方向，故h點必須在A點所做的鉛垂線上。根據(jù)這個道理可利用這個條件來檢驗作圖的準確性。
按照一定的比例在kDh與hBc兩線之間連接一鉛垂線段mn=（m-1）G=(5-1)*500=3200kg,則可得一力三角形△hmn,hn=」TB」,km=」T’D」=」TD」, mn=」RA」。故TD的大小在Ⅰ桿的受力分析中求得，在這里重復出現(xiàn)，因而可利用這個條件來檢驗作圖的準確性。
將mn往ABD直線上投影kq ,kq即為Ⅱ桿在AB段所受的拉力（或壓力）NBD即NBD=kq。
測量AB兩點之間的水平距離l2，并以」RA」=(m-1)G=3200kg乘之，便得Ⅱ桿B點所承受的彎矩MB，即MB=3200*l2(kg*mm)。
（3）Ⅲ桿的受力分析
Ⅲ桿為二力桿，其所受到的內(nèi)力NEC=-TE可能是壓力（當α<90o時）也可能是拉力（當α>90o時）。
（4）Ⅳ桿的受力分析
Ⅳ桿是二力桿其所受的內(nèi)力NBC=-TB，永遠是壓力。(抗壓所以用兩根）
（5）立柱的受力分析
立柱承受的有軸向力，軸向力Nl=G+G自重，（G自重—桿系的重量）因此力對強度變形影響極小，故本設(shè)計中忽略不計。
立柱還承受有沿整個高度均勻分布的彎矩Ml=G*Xi
由圖5.1，Xi為F到立柱軸線的水平距離。
Ml僅于F點的水平位置有關(guān)，而與F點的垂直位置無關(guān).
5.2 各桿件及立柱的強度計算與截面尺寸的確定
5.2.1 Ⅰ、Ⅱ桿截面的高度比的確定
為了節(jié)省材料，提高剛度，Ⅰ、Ⅱ桿系用變截面桿的構(gòu)件方案其截面高度沿長度方向按照線性規(guī)律變化；而在寬度方向的基本保持不變，其垂直軸線方向的截面形狀為一空心矩形。
Ⅰ桿的E點，Ⅱ桿的B點所承受的彎矩最大，且軸向力對強度的影響極小，故先按強度條件確定ⅠⅡ桿在此兩點的截面尺寸，再按等重量的原則并考慮結(jié)構(gòu)上的需要適當增大彎矩處的截面高度，減小彎矩小處的高度而形成一個變截面的桿件。
首先按最大的抗彎矩的條件確定截面的高寬比K=值。
桿件均采用5毫米厚的45號鋼板焊接，高度為H，寬度為B，則其截面的軸慣性矩。
(1) （5.2a)
(2) （5.2b）
—鋼板厚度
—桿件截面對x—x軸的慣性矩
—桿件截面對x—x軸的抗彎矩
為保證在材料消耗相同的條件下，能得到具有最大的抗彎矩的截面則應能滿足在截面周長S不變的情況下 的極值條件。
若為常量，則以此條件代入（5.2b）得，
(3) （5.2c)
Wx的極值條件為
則有：
利用這個條件，并已知=5毫米，則有：
(） (5.2d)
面積:
() (5.2e)
5.2.2 Ⅰ、Ⅱ桿截面的尺寸確定
Ⅰ、Ⅱ桿是三力構(gòu)件，承受拉（壓）與彎曲的聯(lián)合作用，故其強度條件為：
(1) （5.2f)
式中 kd——動截系數(shù)。取kd=1.1
N——桿件危險截面的軸向力。
M——桿件危險截面的彎矩。
[]——許用應力，材料為45號鋼，[]=14kg/mm2
將(5.2d）、（5.2e)式代入（5.2f）得
Kd（+ ）≤[]
又將Kd、[]值代入，經(jīng)整理便可獲得一確定截面的H值的代數(shù)方程式為：
170H2—NH—4M≥0
解出H值得
H≥ （mm） (5.2g)
今Ⅰ桿受力最大的位置為0—0位置，在此位置
=622kg =806448kg*mm
代入(5.2g)式得 H≥140（mm） B≥=47（mm）
經(jīng)圓整后確定： =140mm =50mm
Ⅱ桿受力最大的位置為II桿水平，I桿的F點在0- 或8- 的時候，通過作圖法找到這兩個位置F1、F2，如圖5.3.
圖5.3 II桿受力最大的位置圖
用按比例作圖法求出F1、F2兩位置時II桿所受到的軸向力，取最大值計算，
代入（5.2g）式可得
H≥181mm B≥=61mm
經(jīng)圓整后確定：
HⅡ=185mm BⅡ=65mm
如前所選，在保證桿件重量基本上不變的條件下，為提高剛度，可將桿件的截面高度適當調(diào)整一下，調(diào)整后的桿件外形尺寸圖5.4所示：
圖5.4 I、II桿外形圖
5.2.3 III、IV桿截面尺寸的確定
據(jù)I、II尺寸選取H=60mm,B=50mm.如圖5.5所示。
圖5
5.5 III桿結(jié)構(gòu)圖
III桿的受力分析如圖5.6。
圖5.6 III桿的受力分析
計算公式：
（5.2h）
F-截面面積
校核位置:函數(shù)無極大值,0-5,8-0為危險點，二力應力中最大者為校核值。
0-5位置時，α=28°，β=-14°；
8-0位置時，α=-9°，β=53°；
F=2*（B+H）*δ*2=2200mm2
=23.7Mpa<=355Mpa
所以三桿滿足強度要求，設(shè)計合理。
IV桿選取材料為45號鋼，長1600mm，也采取5mm厚鋼板焊接，等截面桿。根據(jù)I、II、III桿尺寸選取H=100mm,B=50mm.如圖5.7所示。
圖5.7 IV桿結(jié)構(gòu)示意圖
5.2.4 立柱強度驗算
立柱的結(jié)構(gòu)為一鑄鐵圓管，尺寸預定為：
外徑D=300mm 內(nèi)徑d=260mm 材料為:HT300
立柱的受力為偏心壓縮，故其截面承受壓縮與彎曲的聯(lián)合作用，但壓縮應力很小略去不計，則可按照純彎曲進行計算。
We—截面的抗彎矩
(5.2i)
立柱材料為HT300
安全系數(shù)
5.3 配重質(zhì)量的計算
由自重引起的失衡力是存在的，此時可以在桿二的適當延長部分LP上加一重量G以平衡桿系自重，則由桿系的自重引起的失衡就可能消失，配重質(zhì)量可以根據(jù)機構(gòu)的質(zhì)量分配法得出。
圖5.3a 桿系自重和配重
假設(shè)ABD=H，AB=h，BD=H1，DEF=L，DE=l，EF=L1。如圖5.3a所示。
將分配到B，C點上 ，
將分配到E，C點上 ，
將分配到D，F(xiàn)點上 ，
將分配到D，F(xiàn)點上 ，
因此：
=
=
這樣就將分配在D，F(xiàn)，B，C點上，E點不受力，而作用在F，C，A點的垂直載荷對失衡是沒有影響的。因此，只對ABD桿進行受力分析：
則有
因為 ，
分別將代入上式整理后得：
已知 ,,，,
把數(shù)據(jù)代入上式得
取 則G=83.67kg
6 平衡吊的升降裝置設(shè)計
6.1 概述
螺旋傳動是由絲桿（螺桿）和絲母組成的螺旋副來實現(xiàn)其傳動要求。它主要將回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，同時完成運動和動力的傳遞。螺旋傳動按螺旋副摩擦性質(zhì)的不同可分為滑動螺旋，滾動螺旋及靜壓螺旋，其特點及應用見上表。根據(jù)其特點及平衡吊的要求，本設(shè)計選用滑動螺旋傳動。
6.2 螺旋副的設(shè)計計算
滑動螺旋副工作時，主要承受轉(zhuǎn)矩及軸向拉力（或壓力）的作用，同時在螺桿和螺母的旋合螺紋間有較大的相對滑動，其主要失效形式是螺紋磨損，因此滑動螺旋的基本尺寸—螺桿中徑是根據(jù)耐磨性計算確定的。對青銅或鑄鐵以及承受重載的調(diào)整螺旋應校核螺紋牙的抗剪和抗彎強度。對有自鎖要求的螺旋應校核其自鎖性。對精密的螺旋傳動應校核螺桿的剛度（有時即按剛度定其直徑）。對受壓螺桿，其長徑比又很大時，易產(chǎn)生側(cè)向彎曲，應校核其穩(wěn)定性（或按穩(wěn)定性確定直徑）。對轉(zhuǎn)速高的長螺桿，易產(chǎn)生橫向振動，應校核其臨界轉(zhuǎn)速。總之，設(shè)計中應進行多項計算。
滑動螺旋副的螺紋多采用梯形螺紋，鋸齒形螺紋及矩形螺紋，有時對受沖擊和變載荷的傳力螺紋也有采用圓形螺紋。
6.2.1 選用材料
由表19—10選用螺桿的材料為45#鋼，調(diào)質(zhì),抗拉強度極限640，屈服強度極限355，剪切疲勞，許用彎曲應力；螺母為鑄造青銅ZCuSn10Pl，許用剪切應力[τ]=30～40，許用彎曲應力。
6.2.2 按耐磨性計算螺紋中徑
螺桿中徑
（6.2a)
軸向載荷F=（5-1）*500*9.8=31360N，
由表3.4-7得 許用應力[p]=15MPa，梯形螺紋=，整體式螺母取,
代入公式得
，取mm,
由標準中選?。? 公稱直徑 ，螺距，
小徑 ，
,大徑 .
螺母高度
旋合圈數(shù)
,取z=9〈10～12
螺紋的工作高度
校核工作壓強
(6.2b)
代入數(shù)據(jù)得p=12.75MPa﹤[P]=15MPa,故滿足要求。
6.2.3 驗算自鎖
由于為單頭螺紋，導程mm
故螺紋升
(6.2c)
代入數(shù)據(jù)得°
由表3.4-6鋼對青銅的螺旋副摩擦系數(shù)～，取
0.09，
梯形螺紋牙型角，
（6.2d）
，故自鎖滿足要求。
6.2.4 螺母螺紋強度驗算
因螺母強度低于螺桿，故只驗算螺母螺紋強度即可。
螺紋牙底寬度
，
基本牙型高
，
代入公式 (6.2e)
得τ=8.62MPa<[τ]=30-40MPa，
代入公式 (6.2f)
得 σb=19.89MPa﹤[]=40-60MPa,故螺紋強度滿足要求。
6.2.5 螺桿強度驗算
螺紋摩擦力矩
(6.2g)
代入數(shù)據(jù)得M=72834.34N*mm
代入公式
(6.2h)
得 σca=75.6MPa﹤，故螺桿強度滿足要求。
6.2.6 螺桿的穩(wěn)定性驗算
由于此螺桿為兩端固定，由表3.4-4得
由 （6.2i）
得i=7.25
又μ=0.6，l=375mm
所以 ﹤85，
因此 （6.2j）
代入數(shù)據(jù)得Fc=265718.76N
＞2.5,故穩(wěn)定性滿足要求。
6.2.7 螺桿的效率
回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的效率為：
η= (0.95～0.99) (6.2k)
取系數(shù)為0.96，則 =0.395
6.2.8 螺桿的剛度和臨界轉(zhuǎn)速
因為該螺桿的傳動精密度以及轉(zhuǎn)速都不高，所以其剛度和臨界轉(zhuǎn)速不用校核。至此，絲杠的設(shè)計計算完成。
7 平衡吊的傳動裝置設(shè)計
7.1 傳動的選擇及擬定傳動方案
7.1.1 傳動類型選擇的依據(jù)
選擇傳動類型時，應綜合考慮下列條件：
1)工作機的工況
2)動力機的機械特性和調(diào)速性能；
3)對傳動尺寸,重量和布置方便的要求；
4)工作環(huán)境。如對多塵，高溫，低溫，潮濕，腐蝕，易燃，易爆等惡劣環(huán)境的適應性，噪聲的限度等；
5）經(jīng)濟性。如工作壽命和傳動效率，初始費用，運轉(zhuǎn)費用。維修費用等；
6）操作方式和控制方式；
7）其它要求：如國家的技術(shù)政策（材料的選用，標準化和系列化等），現(xiàn)場的技術(shù)條件（能源，制造等，能力等），環(huán)境保護等。
7.1.2 工作機狀況
工作機的種類繁多，工況一般都比較繁雜，這里只闡述轉(zhuǎn)矩T（或力F），轉(zhuǎn)速n（或線速度V），功率P等主要工況參數(shù)的變化及其相互間的聯(lián)系。
1. 系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)
當工作機的運動形式為轉(zhuǎn)動時，其運動過程可用下列力矩方程式說明：
——轉(zhuǎn)化到某一構(gòu)件上的當量驅(qū)動轉(zhuǎn)矩
——轉(zhuǎn)化到某一構(gòu)件上的當量載荷轉(zhuǎn)矩，包括有效轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)的≠摩檫轉(zhuǎn)矩
I ——轉(zhuǎn)化到某一構(gòu)件上的當量轉(zhuǎn)動慣量
w——轉(zhuǎn)化構(gòu)件的角速度
dw/dt——轉(zhuǎn)化構(gòu)件的角加速度
驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和載荷轉(zhuǎn)矩平衡時，dw/dt=0，系統(tǒng)處于穩(wěn)定工況，否則dw/dt≠0，系統(tǒng)處于非穩(wěn)定工況。T1＞T2時，dw/dt為正值，產(chǎn)生加速運動，T1＜T2時，dw/dt為負值，產(chǎn)生減速運動。
非穩(wěn)定工況有兩類，其一是從一種穩(wěn)態(tài)到另一種穩(wěn)態(tài)的過度過程，如啟動時的加速，制動速，以及從一種工作轉(zhuǎn)速過渡到另一種工作轉(zhuǎn)速（同向或反向）等；另一類則是受控的非態(tài)運動，如按給定規(guī)律連續(xù)變速的傳動，某種伺服運動等。
2. 工作機的載荷特性
例如本設(shè)計中的n—T特性如下所示：
工況
n—T特性曲線
特性
恒轉(zhuǎn)矩
T
T=C
n
T=C為常數(shù)
7.1.3 動力機的選擇及其性能比較
動力機的選擇應根據(jù)下列條件：
1)現(xiàn)場的能源條件；2）工作機的機械特性和工作制度；3）對起動，平穩(wěn)，過載，調(diào)速和控制等方面的要求；4）工作可靠，操作容易，維修方便；5）初始費用，運轉(zhuǎn)維護費用低廉。
7.1.4 傳動類型的選擇
當動力機性能完全適合工作機的工況要求時，可以采用聯(lián)軸器直接連接。當動力機的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速，運動形式和輸出軸的幾何位置不適合工作機的需要時，則必須采用傳動裝置。
1.選擇的基本原則
1) 小功率傳動，應在滿足工作性能的需要下，選用結(jié)構(gòu)簡單的傳動裝置，盡可能降低初始費用；
2) 大功率傳動，應優(yōu)先考慮傳動的效率，節(jié)約能源，降低運轉(zhuǎn)和維修費用；
3) 當工作機要求變速時，若能與動力機調(diào)速比相適應，可直接連接或采用定傳動比；工作機要求變速范圍大時，用動力機調(diào)速不能滿足機械特性和經(jīng)濟性要求時，則采用變傳動比傳動；除工作機需要連續(xù)變速者外，盡量采用有級變速；
4) 當載荷變化；頻繁，且可能出現(xiàn)過載時，應考慮過載保護裝置；
5) 工作機要求與動力機同步時，應采用無滑動的傳動裝置；
6)傳動裝置的選用必須與制造技術(shù)水平相適應，應盡可能
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