本科毕业设计--破障钳设计说明书.doc

襄樊职业技术学院编号鄂创新-10-2010年湖北省高校大学生机械创新设计大赛暨第四届全国大学生机械创新设计大赛湖北分区预赛破障钳设计说明书2010年湖北省高校大学生机械创新设计大赛暨第四届全国大学生机械创新设计大赛湖北分区预赛作品报名表参赛作品名称破障钳作品类别救援、破障类、逃生、避难类是否属慧鱼组：是/否所在学校襄樊职业技术学院邮政编码441050参赛学校领队老师通讯地址襄樊职业技术学院机械电子信息工程学院机械教研室领队电话手机Email参赛学生序号姓名性别专业班级联系方式（联系电话、通讯地址及邮编、邮箱，留一个同学的即可）1男机制0802襄樊职业技术学院机械电子信息工程学院机械设计与制造0802T2男机制08023男机制0802指导教师序号姓名性别职称联系方式（联系电话、通讯地址及邮编、邮箱，留一位老师的即可）1男讲师2女副教授作品内容简介（限200字以内）经过大量调研，发现消防队使用的大型破障器材（如液压剪扩器）过于沉重、不易单人携带且在特殊环境（如高空等）内不易操作；小型的破障器材（如绝缘剪）剪切力小，不能直接扩张等缺点。在此情况下设计了多功能破障钳。 本作品采用直齿圆锥齿轮减速增力机构放大手摇力，并通过丝杠螺母机构的螺母沿丝杠轴线移动实现钳口的剪切与破障的功能。 经计算钳口的最大张力为0.8吨，最大张口为200mm，距中心销40月牙形剪口处最大剪力为2.2吨.可以剪断材料为Q235 =12圆柱型钢筋。此破障器主要针对复杂环境下的破障救援，如地震、车祸现场和狭小的作业环境等大型的液压破障器材使用受限的情况下，发挥它小巧轻便的优势，实施快速救援。目 录设计背景1一 主要功能及工作原理2二 设计方案4三 方案对比7四 运动轨迹分析7五 创新点8六 作品市场前景和运用价值8七 参数计算10八 设计心得与体会26九 设计参考文献27襄樊职业技术学院设计背景随着环境不断恶化和机动车保有量持续增长，近几年自然灾害和道路交通事故频发。场景1：高速公路上，两辆车相撞。车体严重变形，人员被困，其中有人出血较多，有人报警，等待救援。此时若车上备有专业设备剪开汽车变形蒙皮或破开车门，将人员救出，由其它车辆送往医院，将最大程度的节省时间，挽救生命。场景2：一高楼失火，人员被困。消防队员通过绳索爬到着火事故的门前，但苦于没有合适工具而无法撬开房门。消防队员被迫由窗户进入房间，但防盗窗有一定强度，随身携带的绝缘剪不能将其快速有效剪断，因此耽搁不少宝贵的救援时间。场景3：汶川地震，很多人被困在废墟下面，虽然断裂的预制板钢筋已经暴露出来，但是藕断丝连的钢筋却令被困者由于没有剪切或扩张器材而无计可施。外面的人同样苦于没有合适的工具而无法将被困人员快速救起。在这些灾害现场，如果有一些方便携带而又承载能力大的破障器材，就可以在最短的时间内为保障人身生命以及财产安全起到极为有力的作用，最大限度减小损失。因此以消防队为突破口进行调研。在调研中发现对于破障器材的使用存在这样一个问题：1.大型破障器材（如液压剪扩器）过于沉重、不易单人携带、高空随身携带更为困难、另外，像液压剪扩器等大型破障器材属于专业器材，价钱昂贵普及率极低，不能更好的在发生灾害时扩大救援主体。 a. 液压剪扩器 b. 液压剪扩器动力液压剪扩器2.小型的破障器材（如绝缘剪）又存在剪切力小、不能扩张等缺点，另外高空使用需要寻找支点，不易操作且对人员体力消耗大。绝缘剪以这些问题为切入点设计了简单轻便、成本低，可以大量普及的破障钳。一 主要功能及工作原理1 主要功能：1）张开破障：钳口前端的破障点可分开或破开障碍物（如汽车框架结构、防盗窗等），最大可提供8KN的破障力2） 闭合剪切：钳口闭合可以剪断钢筋防护栏杆、汽车、火车车厢等金属或非金属结构，距离钳口40毫米的月牙形剪口处最大剪切力为22KN，即最大可以剪断的建筑用钢筋。图1 破障钳结构简图1-刃口 2钳口；3连杆；4丝杠螺母 ；5丝杠 ；6大直齿圆锥齿轮； 7小直齿圆锥齿轮； 8中心销； 2 工作原理：当手摇动摇臂时齿轮减速增力机构首次放大手摇力，丝杠螺母机构再次放大手摇力，被放大的手摇力借助丝杠螺母的轴向位移通过连杆作用于钳口，使钳口绕中心销转动，当螺母远离中心销时钳口张开，实现扩张功能，当螺母靠近中心销时，钳口闭合，实现剪切功能，通过改变手柄旋转方向即可实现破障钳扩张与剪切功能。二 设计方案针对在消防队的调研情况设计了四套方案1 方案一采用液压式千斤顶的液压缸直接和钳口相连，以减少费力传动杆件的使用，达到扩大剪切与扩张力减轻重量缩小体积降低生产成本的效果。如图1所示：图1 以液压千斤顶为增力装置的破障钳2 方案二 采用机械式千斤顶的齿条部分与连杆相连接，以达到在无电气、液压泵的条件下也能实现剪切与扩张，如图2所示：图2 以减速器为增力装置的破障钳3 方案三采用双曲柄机构，通过连杆把与齿轮相连曲柄的旋转运动传到与双向螺母相连的曲柄达到剪切与扩张功能。如图2所示：图3 以减速器和双曲柄机构为增力装置的破障钳4 方案四采用滑动螺旋传动和齿轮减速机构两次放大手摇力，并通过轴向位移的螺母推动连杆实现钳口剪切与扩张功能。如图4所示：图4 采用滑动螺旋转传动和减速锥齿轮为增力装置的破障钳齿轮减速机构放大手摇力，曲柄滑块机构中滑块（丝杠螺母）作为主动件通过连杆驱动曲柄（钳身），实现钳口的剪切与破障的功能互换。该破障钳设计小巧，操作简单轻便，不需要液压电气等动力源，单人就可操作。适用于无电气等动力源、 操作环境狭小、人员紧缺、又急需破障的场合。该破障钳构造简洁紧凑，制造成本低，宜于广泛推广。该破障钳可在灾难降临的第一时间实施自救或临近人员就此施救，而不会由于缺少救援工具等待专业救援而延误或错失最佳时机。当发生火灾，交通事故，地震等灾害时，该产品可快速有效地剪断防盗门窗、钢筋防护栏杆、汽车、火车车厢等金属或非金属结构，来救护被困于受限环境中的受害人或抢救处于危险环境中的受害物，达到救护或救灾的目的。是消防队、交警队、工矿企业以及其他救灾抢险部门必备的破拆工具。三 方案对比1 方案一有如下缺点：1）液压千斤顶的使用受方向性限制，如不能倒置使用。2）对液压缸的刚性要求较高。3）对小角度范围内的障碍物无法进行张开破障操作。2 方案二有如下缺点：1）机械式齿条千斤顶使用的齿轮减速机构复杂且制造成本较高。2）需要小而精密的部件，另外效率不高。如，当摇杆转动四转，齿条轴向位移仅为15mm。3 方案三有如下缺点：1）双曲柄机构结构制造复杂安装精度要求高。2）与螺母相配合的曲柄运动和钳口发生干涉。4 方案四有以下特点：1）采用滑动螺旋传动与齿轮减速机构两次放大手摇力使钳口剪切与扩张更加有力，传递效率适中钳身整体刚性好，部件较少，结构简洁紧凑。2）产品的设计从实用性、制造成本、传递效率等因素考虑，方案四可操作性和实用性、制造成本都优于前三个方案，考虑到我们设计产品的创新点实现，方案四更加可行。四 运动轨迹分析机构的运动简图如下图所示C（手柄）为齿轮机构的主动件，其运动轨迹是以F为圆心C为半径的圆，当C顺时针转动时，齿轮转动滑块B在丝杠做上下运动，此时钳口在B的带动下绕O（销钉）转动，使钳口张开或闭合，当B滑到B1的时候D1与D2的距离为最大破障尺寸200mm（即钳口的最大开口）。图5 机构传动及运动轨迹简图五 创新点 1、采用齿轮减速机构和丝杠螺母机构两次放大手摇力实现强力剪切扩张功能，达到救援目的。2、 一钳多用，钳口前端的大圆弧刃口用于剪开板材，钳口后端月牙形刃口用来剪断棒材，四方形钳口部分用来扩张。3、钳口设计中的刃口采用防滑设计防止圆钢滑脱，刃口楔角既保证了足够强度又保证了锋利程度。六 作品市场前景和运用价值目前市场上大型的液压器材属于专业性器材普及率低，需要专人使用，如消防队员，在发生灾害的需要救援的情况下只有等消防队到达进行救援，不能实施自救。小型的破障器材虽然普及但是人力难以产生很大的剪切力。我们的优势是：1.该破障钳设计小巧，操作简单轻便，制造成本低，维护简单，不需要液压电气等动力源，单人就可操作。2.最大手摇力仅为10Kg，可广泛推广，扩大潜在救援主体，在发生灾害的情况下可直接实施自救和临近非专业人员施救，最大限度节省救援时间保障人身财产安全；3. 是消防队、交警队、工矿企业以及其他救灾抢险部门必备的破拆工具。七 参数计算项目计算公式结果1.丝杠及其附件的设计计算3.齿轮设计计算4.销钉部分的计算5.轴的设计计算键的设计计算（1） 受力示意图 当时当时（2）螺旋传动螺杆中直径 F-轴向载荷（N） 滑动螺旋副的许用压强 Mpa 梯形螺纹 =7.513 Mpa整体螺母 =1.22.5 取（3）螺母高度H： (4)旋合圈数Z： (5)螺纹工作高度h：(6)工作压强P：=7.513Mpa(7)螺纹升角： (8)当量应力： 螺杆材料的许用应力 T螺杆传递扭矩 =60120Mpa(9)驱动转矩： 为螺纹力矩N·M 为轴承摩擦力矩N·M 取1(10)螺纹牙底宽度： （11）螺杆的剪切强度：Mpa（12）螺杆的弯曲强度： （13）螺母的剪切强度： （14）螺母的弯曲强度:（15）临界载荷： 因为 L螺杆的最大工作长度 长度系数故采用 （未淬火钢） 满足使用条件故不用增加（16）轴向载荷使导程产生的变形： =2.7 钢（17）转矩使导程产生的变形 ： G螺杆材料的切变模量，对于钢 （18）导程的总变形量： (19)当轴向载荷与运动方向相反时取“+”号 (20)效率： 轴向载荷与运动方向相反时取“+” 即该螺旋传动的效率为28%，符合螺旋传动的效率较低，一般在20%50%的取值范围（21）螺杆材料及选用材料热处理应用45、50Y40Mn轻载、低速、转动不高的传动45正火170200HBS；调质220250HBS中等精度的传动由于该处螺旋传动的丝杠虽传动精度不高，但受力面积较大，故采用45#正火+调质钢。（1）齿形角、齿高系数、齿高系数顶隙系数根据渐开线圆锥齿轮的常用齿形制可知直齿圆锥齿轮的参数 齿形角 齿高系数 顶隙系数=0.2假设手摇转速为（即小齿轮转速），大齿轮转速，小齿轮转速的转矩轴交，均采用表面淬火。工况系数，由工况系数表得接触强度的齿向载荷分布系数由齿向载荷分布系数表可得（2）齿数比初定小齿轮大端分度圆直径 初定小齿轮分度圆直径（3）小齿轮齿数确定小齿大端模数确定小齿轮直径复算小齿轮分度圆直径（4）分锥角：°（5）锥距R：齿宽系数 齿宽b:取齿宽系数所以取b=15mm（6）平均分度圆直径 （7）中锥距： （8）平均模数 （9）齿顶高: （10）齿根高： （11）齿根角 （12）齿顶角 （13）顶锥角 （14）根据锥角： （15）齿顶圆直径 （16）大端分度圆齿厚： （17）大端分度圆弦齿厚： （18）大端分度圆弦齿高： （19）当量齿数 (20)变位系数 (21)标准圆锥齿轮传动的最小齿数即不产生根切，可以不变位 即分度圆上的圆周： (22)动载系数 （5级系数） (23)齿轮受到的径向力：(24)齿轮受的轴向力：(25)齿根弯曲强度校核： 调质钢表面淬火52HRC （1）销钉部分（连接连杆的部分）销钉选择45#钢许用剪切应力许用挤压应力 令 即半径 令 即 所以取 即（2）中心销的强度计算：（3）对中心销的受力分析当为最大值时 即中心销剪力已知中心销为45#钢 令 令 所以取（1）选择轴的材料破障器功率不大，又无特殊要求，故选用45号钢并正火处理。由轴的材料及其主要理学性能表可知 又 由轴的许用弯曲应力表可得（2）按转矩 做轴的最小直径，由做轴的直径 由轴常用材料的的值和C值得C=118又轴的标准直径（GB/T2822-1981）由于两个轴上有键槽，应加大5% 取 (3)校核强度 计算齿轮作用力圆周力 径向力轴向力=36.365N计算垂直面内的约束反力和并做出垂直面内的计算垂直面内的约束反力和，水平面内的弯矩计算合成弯矩并作出合成弯矩M 计算转矩作出转矩T根据查轴的常用材料的故得计算当量弯矩，当量弯矩校核轴的危险截面处的轴径所以的最小截面处为13mm，取为15。(1)键与键连接计算 采用平键连接 键的公称尺寸每120mm质量（）键槽尺寸轴径dbhcrL轴槽深t毂槽深圆角半径r公称尺寸偏差公称尺寸偏差minmax> 12-17550.25-0.414-560.023.0+0.102.3+0.100.160.25> 17-22660.25-0.414-700.0283.5+0.102.8+0.100.160.25(2)键的强度计算：经验证键的设计满足使用要求F的最大值为15.69KN最小值为10.46KN取螺杆传动螺杆中直径取螺母高度H=42mm取螺母旋合圈数Z=10.5mm取螺母旋合高度h=2mm螺纹工作压强=11.33Mpa螺纹升角当量摩擦角螺杆材料选择45#钢螺纹力矩取螺纹牙底宽度2.6mm螺杆承受的剪切强度满足使用要求螺纹承受的剪切强度满足使用要求螺纹承受的弯曲强度满足使用要求螺杆承受的载荷满足使用要求初定小齿轮直径为小齿轮齿数大齿轮齿数分锥角：=26.565°和=63.435°锥距R=44.7327平均分度圆直径中锥距平均模数齿顶高齿根角齿顶角顶锥角和根据锥角 和齿顶圆直径 和大端分度圆齿厚大端分度圆弦齿厚大端分度圆弦齿高当量齿数=18.18068和44.7727变位系数=0.335标准圆锥齿轮传动的最小齿数=15动载系数齿轮受到的径向力=289.735N和144.867N齿轮受的轴向力=144.867N和289.735N齿根弯曲强度校核=94.569Mpa<=57.2846Mpa<确定连杆销钉直径为8mm确定中心销最大受力为13.5KN确定R=5mm材料为45#钢直径=12mm确定齿轮圆周力为179.1N径向力66.47N轴向力为36.365N确定约束反力=37.5N =29N=2400N·mm=1856N·mm=89.6N=5734.4mm八 设计心得与体会通过参加此次机械创新设计大赛，不仅使我们收获很多，明白很多，更加使我们懂得很多。收获了许多课本以外的很多知识，明白什么叫温故而知新，懂得什么叫团队，什么叫坚持。1、在设计过程中，我们将所学的知识重新提炼并运用到真正的实践中，明白学以致用的真谛，并掌握了机械设计技能和要求。2、我们体会了设计者的艰辛，了解设计过程中遇到的种种困难，因为这也是我们设计过程中所遇到的，而在面对艰辛与困难，我们要做的不是逃避而是勇敢的去面对，有勇气做到坚持到底，千万不能行百步而止于九十步，我们懂得做事一定要有团队精神，因为真正的团队是紧紧抱在一起的，否则那只能称作人群不叫团队。九 设计参考文献1张晓红·机械设计基础.武汉：华中师范大学出版社。2 杨晓辉·简明机械实用手册.科学出版社。3 张黎骅·郑严·新编机械设计手册.人民邮电出版社。4 周开勤·机械零件手册.高等教育出版社。5 王少怀·机械设计师手册.电子工业出版社。学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者（本人签名）： 年 月 日学位论文出版授权书本人及导师完全同意中国博士学位论文全文数据库出版章程、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程(以下简称“章程”)，愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊（光盘版）电子杂志社”在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库中全文发表和以电子、网络形式公开出版，并同意编入CNKI中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。论文密级：公开保密（_年_月至_年_月）(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)作者签名：_ 导师签名：_年_月_日 _年_月_日独 创 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 二一年九月二十日 毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定） 作者签名: 二一年九月二十日致 谢时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。最后，我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。- 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