安全角度下螺旋千斤顶螺杆的设计大学论文.doc

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1、毕业论文目 录前言21 起重机械的概述21.1起重机械在现代化生产中的作用31.1.1、起重机械在汽车工业生产中的作用31.1.2保证起重机械安全的重要性41.2. 国内外起重机械研究动态51.2.1国外起重机械研究动态51.2.2国内起重机械研究动态52 螺旋千斤顶的概述52.1螺旋千斤顶的工作原理62.2 螺旋千斤顶的示意图72.3螺旋千斤顶使用中影响安全的因素73千斤顶中螺杆的设计83.1螺杆设计应考虑的因素83.2千斤顶中螺杆的结构93.3 螺旋传动中螺杆的受力与计算93.4螺旋传动的设计和选材113.4.1螺旋机构耐磨性的计算123.4.2螺母螺纹牙的计算134螺杆强度和稳定性的校核

2、144.1强度的校核144.2稳定性的校核144.3自锁性的校核165举例说明螺旋千斤顶的螺杆设计175.1选择材料175.2耐磨性计算175.3螺杆零件图6使用千斤顶的注意事项197设计总结208致谢209参考文献21前 言本文是介绍安全角度下螺旋千斤顶螺杆的设计，通过学习让我们更细致的了解千斤顶的螺杆作用。通过查阅资料让我们对相关知识有一定的了解。全文共分六大点，第一点说明了起重机的概况、在国内外的研究动态、安全使用的重要性及现代化生产和汽车生产中的作用;第二点是简介螺旋千斤顶及其工作原理，并附图予以说明，重点介绍螺旋千斤顶使用中影响安全的因素；第三主讲螺旋千斤顶中螺杆的设计及其应考虑的因

3、素，并附图介绍其结构，详细介绍螺杆选材与计算公式；第四点介绍螺杆的强度、稳定性及自索性的校核情况；第五点就是举例并进行计算；第六点介绍使用千斤顶的注意事项。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，所以在日常生活得到广泛应用。因此其螺杆的设计就显的尤为重要。阐明了其结构组成，认真分析了其工作原理，并提出了相应的使用与注意事项。本论文在撰写的过程中得到了指导老师张爱荣老师帮助。在写作过程中参阅了有关书籍和文章、期刊等相关资料。其中绝大部分已在参考文献中注明，但仍有不尽之处，望见谅，同时在此一并表示感谢。1 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、

4、减轻繁重体力劳动、提高劳动生产率的重要工具和设备。现在在我国的国民经济中，已拥有大量的各式各样的起重机械。如在港口码头和铁路车站，没有起重机械，装卸工作就不能进行；在冶金生产中，起重机械已用于金属生产的全部过程；现代建筑工程，不能离开起重机械；在农业和林场，最困难、最费力的工作也由起重机械来完成。在核发电站中，采用特殊的起重机，用以代替人的操作去担当对人体健康有严重危害的作业。随着科学技术和生产的发展，起重机械在不断地完善和发展之中。先进的电气和机械设备逐渐在起重机上应用，其趋向是增加自动化程度，提高工作效率和使用性能，使其操作更加简化，更加安全可靠。这就要求起重机司机必须学习知识掌握新技术。

5、1.1起重机械在现代化生产中的作用 起重机械是一种空间运输工具，主要作用是完成物体的位移。它不仅可以减轻体力劳动，还将极大地提高劳动生产率。人们在长期生产实践过程中，利用杠杆原理和圆周运动迫使物体做地面运动和空间运动。在古代，人们依靠人力、畜力操纵简单的起重工具，使物体做单向的垂直位移。我国是使用起重工具最早的国家，我国劳动人民在公元前1765-1760年间发明了“杠杆”，在公元前1115-1679年间又发明了“辘轳”，至今现代起重机仍然利用这一原理。随着科学的进步和工业发展的需要，现代起重机械发展迅速，人们已制造出种类繁多的起重机械和设备，在国民经济各个部门起着重要作用。如一个较大港口要装备

6、几千台起重机械；一个大型钢铁联合企业要装备几千台起重机械。据统计，我国很多个重点矿山拥有矿山设备5000多台，其中70%是物料起重搬运机械。在铁路、机械制造业、建筑业、石油化工、电站、林业、商业等各行各业都装备着大量的起重机械设备。不仅如此，在食品加工、服务行业、旅游行业、医疗卫生业也都大量的使用着起重机械。现代化的起重吊装技术，已经不是单纯的减轻体力劳动强度的手段，而是现代化生产不可缺少的组成部分。根据生产系统的需要，应及时、迅速，有节奏地将原材料、零部件吊装到指定的工艺岗位上去，否则现代化生产就不可能实现。实践证明：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。世界各工业发

7、达国家十分重视物料吊装搬运系统的投资。生产规模越大，物料吊装搬运的重要性就越显著。良好的物料吊装搬运机械组成合理的吊装搬运系统，可以充分发挥生产能力，同时也能保证生产的安全。 1.1.1、起重机械在汽车工业生产中的作用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。汽车起重机是装在普通汽车底盘或特制汽车底盘上的一种起重机，其行驶驾驶室与起重操纵室分开设置。这种起重机的优点是机动性好，转移迅速。缺点是工作时须支腿，不能负荷行驶，也不适合在松软或泥泞的场

8、地上工作。汽车起重机的底盘性能等同于同样整车总重的载重汽车，符合公路车辆的技术要求，因而可在各类公路上通行无阻。此种起重机一般备有上、下车两个操纵室，作业时必需伸出支腿保持稳定。起重量的范围很大，可从8吨1000吨，底盘的车轴数，可从210根。是产量最大，使用最广泛的起重机类型。 千斤顶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。现在在我国的国民经济中，已拥有大量的各式各样的千斤顶。千斤顶按结构特征可分为齿条千斤顶、螺旋千斤顶和液压千斤顶。1.1.2保证起重机械安全的重要性据统计，机械、冶金、建筑、海港和铁路等产业，起重事故占这些产业事故的30

9、%左右。减少和避免起重机械事故，尽量避免严重的机毁人亡的恶性事故，应该是企业各级领导、劳动保护工作者和操作维修人员的职责。首先，各级领导必须把起重安全生产摆到重要位置，不断提高认识，加强责任感，加强劳动保护管理工作，确立安全生产责任制，开展安全教育，制订安全技术措施，建立安全检查制度，以及设备维护检修制度，严格执行安全操作规程等。其次，安全管理干部要把强化安全管理放到重要议事日程。据统计资料分析，大多数起重机械事故是由于违反操作规程，不遵守劳动纪律，忽视设备检修等人为因素造成的。因此，负责安全管理的干部应强化对起重机械设备的组织管理、教育起重机司机严格遵守安全操作技术规程，加强设备保养检修，充

10、分发挥人的作用，是可以避免和减少大部分事故的。我国目前颁布了国家标准起重机械安全规程（GB6067-85），国家标准起重机司机安全技术考核标准（GB572-86），均应严格遵守。技术、设备等部门要把加强对起重机械的安全管理作为己任，严把起重机械设计、制造关。总之，企业的各级领导、广大干部、工人都必须认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，高度重视安全生产，切实把加强起重安全放到第一位，严格执行起重安全技术规程，加强设备的保养检修，充分发挥人的作用，就可以避免和减少事故的发生。 1.2. 国内外起重机械研究动态1.2.1国外起重机械研究动态 早在20世纪40年代，卧式千斤顶就已经开始在国外的汽车维

11、修部门使用，但由于当时设计和使用上的原因，其尺寸较大，承载量较低。后来随着社会需求量的增大和千斤顶本身技术的发展，在90年代初国外绝大部分用户已以卧式千斤顶代替了历史千斤顶。 在90年代后期国外研制出了充气千斤顶和便携式液压千斤顶等新型千斤顶。重启千斤顶是有保加利亚一汽车运输研究所发明的。它用有弹性而又非常坚固的橡胶制成。使用时，用软管将千斤顶连在汽车的排气管上，经过1520秒，汽车将千斤顶鼓起，成为圆柱体。这种千斤顶可以把1.5t重的汽车顶起70cm。Power-RiserII型便携式液压千斤顶则可以用于所有类型的铁道车辆，包括装运三层汽车的货车、联运车以及高车顶车辆。同时它具有一个将负载定

12、位的机械锁定环，一个三维机械手，一个全封闭构架以及一个用于防止杂质进入液压系统的外置过滤器。另一种名为Truck Jack 的便携式液压千斤顶则可以用于对已断裂的货车转向架弹簧进行快速的现场维修。该千斤顶能在现场从侧面对70125t级转向架的大多数卸载货车进行维修，并能完全由转向架侧架支撑住。它使用车间或轨道上无需使用钢轨道碴或轨枕作承。 1.2.2国内起重机械研究动态 我国千斤顶技术起步较晚，由于历史的原因，知道1979年才接触到类似于国外卧式千斤顶这样的产品。但是经过全面改进和重新设计，在外形美观，使用方便，承载力大，寿命长等方面，都超过了国外的同类产品，并且迅速打入欧美市场。经过多年设计

13、与制造的实践，出了卧式千斤顶以外，我国还研制出了新型折叠式液压千斤顶、快速升降千斤顶等多种千斤顶。目前我国出口的千斤顶已达到门类、规格齐全，形成系列产品。2 螺旋千斤顶的概述 螺旋千斤顶又称机械式千斤顶，是由人力通过螺旋副传动，螺杆或螺母套筒作为顶举件。普通螺旋千斤顶靠螺纹自锁作用支持重物，构造简单，但传动效率低，返程慢。自降螺旋千斤顶的螺纹无自锁作用，装有制动器。放松制动器，重物即可自行快速下降，缩短返程时间，但这种千斤顶构造较复杂。螺旋千斤顶能长期支持重物，最大起重量已达 100吨，应用较广。下部装上水平螺杆后，还能使重物做小距离横移。机械式千斤顶又有齿条式与螺旋式两种，由于起重量小，操作

14、费力，一般只用于机械维修工作，在修桥过程中不适用。2.1螺旋千斤顶的工作原理 螺旋千斤顶的壳体内装置了螺母套筒、螺杆和平型齿轮传动机构等。螺旋千斤顶的螺杆部分只转动，不升降，在套筒上铣有定向的键槽，套筒只升降，不转动。在工作时，扳动摇把，转动伞齿轮，使螺杆转动，螺杆旋转时，套筒沿着壳体上部的链条升降，在伞形齿轮外部放有挫折摇把的地方，装有一换向扳钮，可以控制伞形齿轮的正反转，带动螺杆倒、顺转。使套筒升降，伞形齿轮的底部与底座之间，装有推力轴承，以减少螺杆底部的摩擦，螺旋千斤顶的起重量约为30500kN，顶升高度可达250400mm2.2 螺旋千斤顶的示意图（如图1所示）图1螺旋千斤顶示意图（1

15、底座 2螺柱 3螺母 4手柄 5托环） 2.3螺旋千斤顶使用中影响安全的因素 螺旋千斤顶使用中影响安全的因素最主要的是螺杆的自锁性。自锁现象在机械工程中得到了广泛的应用。如图2所示，螺旋千斤顶，就是由丝杆A和螺纹槽B组成的，如图1所示推动手柄D，可使螺杆A升上，顶起重物后不会下降，这是因为螺纹槽B相当与斜面，螺杆A和重物相当于放在斜面上的重物，当螺纹的倾角Q小于摩擦角A时产生的自锁，因此在中的物体也不会掉落图2螺旋千斤顶工作图3千斤顶中螺杆的设计3.1螺杆设计应考虑的因素1）螺杆螺纹类型的选择 螺纹有矩形、梯形与锯齿形，常用的是梯形螺纹。 梯形螺纹牙型为等腰梯形，牙形角=30?，梯形螺纹的内外

16、螺纹以锥面贴紧不易松动；它的基本牙形按GB/T5796.12005的规定。2）螺杆材料的选取 螺杆材料常用Q235、Q275、40、45、55等。 3）螺杆直径的确定 按耐磨性条件确定螺杆中径d2。求出d2后，按标准选取相应公称直径d、螺距t及其它尺寸。 4）螺杆自锁验算 自锁条件是yrv 式中：y为螺纹中径处升角；v为当量摩擦角（当量摩擦角v=arctanv，为保证自锁，螺纹中径处升角至少要比当量摩擦角小1。3.2千斤顶中螺杆的结构如图3所示为千斤顶的螺杆结构零件图 图3千斤顶的螺杆结构零件图3.3 螺旋传动中螺杆的受力与计算 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

17、，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: L=S/2 （式3.1） 则式中S为螺旋线导程（mm）。 如果螺杆的转

18、速为n(r/min)时，则螺母移动速度v(mm/s)为: V=Sn/60 （式3.2） 2）差动螺旋机构与复式螺旋机构的计算图4所示的的螺旋机1-机架 2-螺杆 3-螺母 4-导向杆 如图4所示的的螺旋机构中，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=（SA-SB）/2 （式3.3） 如果螺杆的转速为n(r/min)时，则螺母移动速度v(mm/s)为： L=（SA-SB）n/60 （式3.4） 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

19、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=（SA-SB）/2 （式3.5） 移动速度为： V（SA-SB）n/60 （式3.6） 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。3.4螺旋传动的设计和选材 滑动螺旋

20、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

21、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。螺杆材料的选取常用Q235、Q275、40、45、55等，如表3-1所示。表3.1 螺杆与螺母常用的材料螺纹副材料应用场合螺杆Q235 Q275 45 50轻载、低速传动。材料不热处理40Gr 65Mn 20GrMnTi重载、较高速。材料需经热处理，以提高耐磨性9Mn2V GrWMn 38GrMoAl精密传导螺旋传动。材料需经热处理螺母ZcuSn10P1 ZcuSn5Pb5Zn5一般传动ZcuAL10Fe3 ZcuZn25AL6Fe3Mn重载、低速传动。尺寸较小或轻载高速传动，螺

22、母可采用钢或铸铁制造，内空浇铸巴士合金或青铜3.4.1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3.7） 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h=0.5P,锯齿形螺纹高度h=0.75P；z=H/P为螺纹工作圈数，H为螺纹高度(mm)，p为许用压强(MPa)。表3.2 滑动螺旋传动的许用压强螺纹副材料滑动副速度/(mmin-1)许用压强/MPa钢对青铜低速1518251

23、11871012钢-耐磨铸铁61268钢-灰铸铁2.4612131847钢-钢低速7.513 淬火钢-青铜6121013注：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计算。当8590时，根据欧拉公式计算，即： （式3.15）当8590时；对b380MPa的碳素钢（如Q235、Q275） Fc=(304/1.12) （式3.16）当8590时，对b470MPa的优质碳素钢（如355、45）Fc=(461/2.57) （式3.17）当40时，无需进行稳定性计算。式中FC为临界载荷（N）；E为螺杆材料的弹性模量（MPa），对于钢E=2.06105；I为危险截面的惯性矩（mm4

24、），I=，d1为螺杆螺纹内径(mm)；为长度系数，与螺杆端部结构有关，L为螺杆最大受力长度(mm)；i为螺杆危险截面的惯性半径(mm)，i=。 （式3.18）表3.4 长度系数的选择螺杆端部结构两端固定0.5一端固定，一端不完全固定0.6一端固定，一端自由（如千斤顶）2一端固定，一端铰支（如压力机）0.7两端铰支（如传导螺杆）1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。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

25、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。4.3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3.19）式中，fV为螺纹副的当量摩擦系数表3.5 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0.080.100.100.120.120.150.110.170.060.085举例说明螺旋千斤顶的螺杆设计例已知轴向载荷F=60000N,最大举升高度为150mm.设计螺旋千斤顶的螺杆结构。5.1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

26、较软的材料锡青铜为ZCuSn10P-1，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。，取。选螺纹牙为梯形。5.2耐磨性计算（1）已知取，则计算d2 （式5.1） 由手册查得：（2）计算螺母高H： （式5.2）（3）计算旋合圈数z： （式5.3）（4）校核螺纹副自锁性： （式5.4）由上表查得，满足自锁条件。（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；梯形螺纹螺纹牙根宽度mm；梯形螺纹螺纹牙工作高度。则： 弯曲强度校核： 合格 （式5.5）剪切强度校核：，合格 （式5.6）（6）螺杆强度校核：由上表查得螺杆许用应力 （式5.7）螺杆所受转

27、矩：（式5.8）螺杆强度校核： 合格 （式5.9）5.3螺杆零件图螺 杆制图校核6使用千斤顶的注意事项 1.无论哪种千斤顶都不准超负荷使用，以免发生人身或设备故障。 2.千斤顶使用前，应检查各零件是否灵活可靠，有无损坏，油液是否干净，油阀、活塞、皮碗是否完好。 3.千斤顶工作时，要放在平整坚实的地面上，并要在其下面垫枕木、木板或钢板来扩大受压面积，防止塌陷。 4.千斤顶安放位置要摆正，顶升时，用力要均匀；卸载时，要检查重物是否支撑牢固。 5.几台千斤顶同时作业时，要动作一致，保证同步顶升和降落。 6.螺旋千斤顶和齿条千斤顶，在任何环境下都可使用。而液压千斤顶在高温和低温条件下不准使用。 7.螺

28、旋千斤顶和齿条千斤顶，应在工作面上涂上防锈油，以前少磨损避免锈蚀。液压千斤顶应按说明书要求，定时清洗和加油。 8.螺旋千斤顶和齿条千斤顶的内部要保持清洁，防止泥砂、杂物混入，增加阻力，造成过度磨损，降低使用寿命。同时转动不分要添加润滑油进行润滑。 9.液压千斤顶的储液器要保持洁净，如产生渣滓或液体混浊，都会使活塞顶升受到阻碍，致使顶杆伸出速度缓慢，甚至发生事故。 10.液压千斤顶不准作永久支承。如必须做长时间支撑时，应在重物下面增加支承部件，以保证液压千斤顶不受损坏。 11.齿条千斤顶放松时，不得突然下降，以防止其内部机构受到冲击而损坏，或使摇把跳动伤人。 12.各种千斤顶要定期进行维修养。存

29、放时，要将机体表面涂以防锈油，把顶升部分回落至最低位置，并放在库房干燥处，妥善保管。7设计总结在完成毕业设计的过程中，通过学习及查询各种资料让我对千斤顶及其螺杆有了深刻的认识，了解了千斤顶的工作原理，安全状态下我们应该注意的事项。 在本次设计过程中对螺旋传动的计算及其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，运用了大量的计算公式进行计算。如此才深深的认识到自己的不足以此才要在日后好好努力学习。脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮

30、助。8致谢 本文是在我们的指导老师悉心指导下完成的，在整个毕业设计过程中，我们得到指导老师的精心指导和帮助。老师渊博的知识及严谨的工作态度给予我们很大的帮助，此论文从选材到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！9参考文献1 黄景一,付荣伯.起重机械设计制造使用手册.安徽文化出版社,2002年2陈燕 欧阳加强千斤顶技术的研究现状与展望现代机械2002年第4期3孙光东自锁现象在螺旋千斤顶中的应用2001年第10期4 王定国.机械原理与机械零件.北京,高等教育出版社,1996年第十章第六节5 吴宗泽.机械零件.北京,广播电视大学出版社,1994年（第三章第八节）6 范祖尧.非标准机械设备实际手册.北京.机械工业出版社,1996年21