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1、图书分类号：密 级：摘要螺旋起重机又称为螺旋升降机，它的原型就是我们所常见的千斤顶。它具有结构紧凑、体积小、重量轻、动力源广泛、无噪音、安装方便、使用灵活、功能多、配套形式多、可靠性高、使用寿命长等许多优点。可以单台或组合使用，能大致控制调整提升的高度，可以用电动机或其他动力直接带动，也可以手动。电动螺旋起重机基本原理是利用电机，通过减速器减速后，带动螺母旋转，转化为丝杆的轴向运动，从而推动物体上升。主要内容如下：对千斤顶的原理和螺旋起重的原理、方法进行了研究；设计螺旋起重机构；选择电动机；设计减速机构；控制电路的设计；简要阐述在流水线作业中，螺旋千斤顶的动作原理等。关键词 千斤顶；电动；螺旋
2、传动全套图纸，加153893706AbstractThe spiral crane is also known as the spiral screw lift crane .Its prototype is the jack as we common see. Its advantages as follows: small size, light weight, extensive power source, no noise, ease of installation, flexible, multi-function, supporting forms, high reliabilit
3、y and long service life, and so on. It can be used single or in combination, and can generally control the height. Motor can be used directly or other power driven, besides ,it can also be manually.And the basic principle is that the motor drives the rotary nut through the deceleration agencies, scr
4、ew into the axial campaign, and then lift the objects .The main contents as follows: research the principle of spiral jack and the principles and methods of the spiral lifting, design the agencies of spiral lifting; motor choice; design deceleration agencies; select keys and bearings, design the con
5、trol circuit; describe the principle of the screw jack on the assembly line operation.Keywords Spiral jack Electrical Spiral driveII目 录1 绪论11.1千斤顶的发展现状11.2千斤顶的分类22 设计方案的确定32.1螺旋传动设计方案32.1.1螺旋传动概述32.1.2螺旋传动方案的确定42.2减速传动机构设计方案53 传动系统的设计63.1螺旋传动部分计算63.1.1螺杆直径的计算63.1.2螺纹部分强度计算63.2电机的选择83.2.1电动机功率计算93.2.
6、2传动效率93.2.3确定电机转速103.3减速机构的设计113.3.1材料的选择113.3.2蜗轮蜗杆传动基本尺寸123.3.3强度校核153.3.4蜗轮蜗杆传动中的作用力分析153.3.5实际传动动力参数164 辅助装置的设计184.1轴承的选择184.1.1轴承的选择因素184.1.2轴承的型号确定194.1.3轴承校验194.2键的选择224.3联轴器的设计与计算235 控制电路及过载保护系统的设计255.1 过载及最大行程保护元件255.1.1 热继电器255.1.2 行程开关265.2电器控制基本电路设计286 系统的改进与优化306.1力学传感器306.1.1电阻应变片力传感器3
7、06.2位置传感器326.3连续控制分析34结论35致谢36参考文献37附录38附录138附录249551 绪论1.1千斤顶的发展现状千斤顶起源于20世纪初的英、美、德等国家，在逐步发展中工艺逐渐成熟，因其具有抗腐蚀、耐高温，强度高、表面精美、百分之百可回收等无与伦比的良好性能，被广泛应用于建筑、交通、能源、石化、环保、城市景观、医疗、餐饮等各个领域，逐渐被人们所接受，也越来越多地走进寻常百姓的日常生活。我国千斤顶产业发展进步较晚，建国以来到改革开放前，我国千斤顶的需求主要是以工业和国防尖端使用为主。改革开放后，国民经济的快速发展，人民生活水平的显著提高，拉动了千斤顶的需求。进入上世纪九十年代
8、后，我国千斤顶产业进入快速发展期，千斤顶需求的增速远高于全球水平。1990年以来，全球千斤顶表观消费量以年均6%的速度增长，而九十年代的十年间，我国千斤顶表观消费量年均增长率达到17.73%，是世界年均增长率的2.9倍。进入二十一世纪，我国千斤顶产业高速增长。2000年2004年，我国千斤顶消费量从188万吨增长到447万吨，增加了2.3倍，年平均增长率在27%以上。其中，2001年，我国千斤顶表观消费量达到225万吨，超过美国成为世界第一千斤顶消费大国。同时，千斤顶进口也大幅度增加。1998年，我国千斤顶进口100万吨，由此成为世界上最大的千斤顶进口国。2004年与1998年比，千斤顶进口增
9、长幅度年均达到27.14%。预计2005年，中国千斤顶表观消费量将达到500万吨，进口仍将保持在300万吨左右。伴随着千斤顶市场的快速发展，我国千斤顶产量也结束了长期徘徊的局面，实现了高速增长。我国千斤顶产量从2000年的46万吨增长到2004年的236万吨，年平均增长率在82.6%，占国内市场需求的比重也由2000年的24.47%提高到2004年的52.80%。而同期，世界千斤顶产量则仅以6%左右的速度增长。从九十年代后期起，我国太钢、宝钢以及宝新、张浦等国有和合资企业通过引进和技术改造，先后建成了一系列千斤顶生产线，千斤顶工艺技术装备达到国际先进水平，千斤顶生产初具规模。千斤顶品种结构也发
10、生了积极的变化，千斤顶产品质量迅速提高。特别是国内千斤顶冷轧板增长迅速，2003年，国内冷轧板产量达到170万吨，首次超过进口量,自给率达到66%；2004年，国内冷轧板产量达到200万吨，自给率达到70%以上。从2004年底到2005年底，国内冷轧千斤顶产能将增加约150万吨，基本满足国内市场需求。到2007年，我国将成为千斤顶的净出口国。从总体上看，我国千斤顶正在经历由规模小、水平低、品种单一、严重不能满足需求到具有相当规模和水平、品种质量显著提高和初步满足国民经济发展要求的深刻转变，千斤顶需求将逐步实现自给。1.2千斤顶的分类千斤顶有多种形式。如电动式，液压式，手动式（即一般意义上的千斤
11、顶）等等。电动式千斤顶如图1-1所示。它的基本动力源是电机，由电机通过减速器带动螺母旋转，转化为丝杆的轴向运动，从而推动物体上升。它解放了人类的体力劳动，只需操纵按钮即可完成起重。可有效的避免了重物砸伤等事故。该形式的起重器也是本设计所讨论的。图1-1液压千斤顶，又称为油压千斤顶。它的基本工作原理图如图1-2所示。其基本原理是利用封闭管路里液体的压强来工作的。当人以力F向下压手柄时，液体内部产生一定的压强，从而推动重物上升。图1-21-小液压缸，2-排油单向阀，3-吸油单向阀，4-油路，5-截止阀，6-大液压缸手动式千斤顶也即一般普通的千斤顶，它是出现的最早的千斤顶，是所有千斤顶的鼻祖。手摇其
12、手柄，带动螺母旋转，如图1-3所示图1-32 设计方案的确定2.1螺旋传动设计方案2.1.1螺旋传动概述螺旋传动是利用螺杆和螺母的啮合来传递动力和运动的机械传动。主要用于将旋转运动转换成直线运动，将转矩转换成推力。按工作特点，螺旋传动用的螺旋分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋。（1）传力螺旋：以传递动力为主,它用较小的转矩产生较大的轴向推力,一般为间歇工作，工作速度不高，而且通常要求自锁，例如螺旋压力机和螺旋千斤顶上的螺旋。（2）传导螺旋：以传递运动为主，常要求具有高的运动精度，一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高，如机床的进给螺旋（丝杠）。（3）调整螺旋：用于调整并固定零件或部件之间的相对
13、位置，一般不经常转动，要求自锁，有时也要求很高精度，如机器和精密仪表微调机构的螺旋。按螺纹间摩擦性质，螺旋传动可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。滑动螺旋传动又可分为普通滑动螺旋传动和静压螺旋传动。1）滑动螺旋传动通常所说的滑动螺旋传动就是普通滑动螺旋传动。滑动螺旋通常采用梯形螺纹和锯齿形螺纹，其中梯形螺纹应用最广，锯齿形螺纹用于单面受力。矩形螺纹由于工艺性较差强度较低等原因应用很少；对于受力不大和精密机构的调整螺旋，有时也采用三角螺纹。一般螺纹升程和摩擦系数都不大，因此虽然轴向力F相当大，而转矩T则相当小。传力螺旋就是利用这种工作原理获得机械增益的。升程越小则机械增益的效果越显著。滑动螺旋传动
14、的效率低，一般为3040%，能够自锁。而且磨损大、寿命短，还可能出现爬行等现象。2）静压螺旋传动 螺纹工作面间形成液体静压油膜润滑的螺旋传动。静压螺旋传动摩擦系数小，传动效率可达99%，无磨损和爬行现象，无反向空程，轴向刚度很高，不自锁，具有传动的可逆性，但螺母结构复杂，而且需要有一套压力稳定、温度恒定和过滤要求高的供油系统。静压螺旋常被用作精密机床进给和分度机构的传导螺旋。这种螺旋采用牙较高的梯形螺纹。在螺母每圈螺纹中径处开有36个间隔均匀的油腔。同一母线上同一侧的油腔连通，用一个节流阀控制。油泵将精滤后的高压油注入油腔，油经过摩擦面间缝隙后再由牙根处回油孔流回油箱。当螺杆未受载荷时，牙两侧
15、的间隙和油压相同。当螺杆受向左的轴向力作用时，螺杆略向左移，当螺杆受径向力作用时，螺杆略向下移。当螺杆受弯矩作用时，螺杆略偏转。由于节流阀的作用，在微量移动后各油腔中油压发生变化，螺杆平衡于某一位置，保持某一油膜厚度。3）滚动螺旋传动用滚动体在螺纹工作面间实现滚动摩擦的螺旋传动，又称滚珠丝杠传动.滚动体通常为滚珠，也有用滚子的。滚动螺旋传动的摩擦系数、效率、磨损、寿命、抗爬行性能、传动精度和轴向刚度等虽比静压螺旋传动稍差，但远比滑动螺旋传动为好。滚动螺旋传动的效率一般在90%以上。它不自锁，具有传动的可逆性；但结构复杂，制造精度要求高，抗冲击性能差。它已广泛地应用于机床、飞机、船舶和汽车等要求
16、高精度或高效率的场合。滚动螺旋传动的结构型式，按滚珠循环方式分外循环和内循环。外循环的导路为一导管,将螺母中几圈滚珠联成一个封闭循环。内循环用反向器，一个螺母上通常有24个反向器，将螺母中滚珠分别联成24个封闭循环，每圈滚珠只在本圈内运动。外循环的螺母加工方便，但径向尺寸较大。为提高传动精度和轴向刚度，除采用滚珠与螺纹选配外，常用各种调整方法以实现预紧。常用的载重螺旋有矩形，梯形和锯齿形等。矩形螺纹传动效率高，但螺纹强度较低，精确制造较困难，对中准确性较差，磨损后无补偿，因此应用受限制，矩形螺纹无标准。梯形螺纹加工容易，强度较大，但效率较低。锯齿形螺纹矩形螺纹效率高，梯形螺纹强度大的特点，一般
17、用于承受单向压力，常用在压力机上。螺杆材料应具有足够的强度和耐磨性，以及良好的加工性能，不经热处理的螺杆一般选用Q275，35，45号钢，重要的经热处理的螺杆可以选用65Mn，40Cr或20C rMnTi钢。精密传动螺杆可用9MnV，CrMn，38CrMoAl钢等。螺母材料除要有足够的强度外，还要求在与螺杆材料配合时摩擦系数小和耐磨。常选用铸造青铜ZQSn6-6-3，ZQSn10-1，速度低，载荷较小时，也可选用高强度铸造铝青铜或铸造黄铜，重载时可用铸铁，耐磨铸铁。尺寸大的螺母可用钢或铸铁做外套，内部浇注青铜。高速螺母可浇注巴氏合金。螺旋传动用矩形，梯形或锯齿形螺纹，其失效形式多为螺纹磨损。而
18、螺旋直径螺母的高度由耐磨性要求决定。传力较大时，应校验螺杆部分或其他危险部位强度，以及螺母，螺杆的螺纹牙的强度。要求自锁时，应检验螺纹副的自锁条件。对于长径比很大的受压螺杆，应检验其稳定性。因此，本设计中螺旋副材料选取钢青铜材料，螺杆选取45号钢。螺纹选用梯型螺纹，右旋单线。2.1.2螺旋传动方案的确定本设计的重点是如何将电机输出的回转运动转换为螺杆的直线运动。这也是整个传动系统设计的关键。根据机械设计等相关参考资料，可得到把回转运动转化为直线运动的四种方式：（1）螺杆转动，螺母移动（2）螺母转动，螺杆移动（3）螺母固定，螺杆转、移动（4）螺杆固定，螺母转、移动考虑到必须顶着重物上升，即与重物
19、接触，而起重部件与重物间不可发生相对运动，而且必须与重物充分接触，因此排除方案（1）、（4），而方案（3）又不方便输入传动方案的设计，因此选择方案（2）作为起重部分的传动方案。2.2减速传动机构设计方案减速传动机构通常有蜗轮蜗杆传动，齿轮传动，带传动，链传动，摩擦轮传动等等。考虑到本设计要求的传动紧凑，传动比较大，因此选用蜗轮蜗杆传动作为本设计的减速传动机构。蜗杆传动用于传递交错轴之间的回转运动。在绝大多数情况下，两轴在空间上是互相垂直的，轴交角为90度。它广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械以及其他机械制造部门中，最大传动功率可达到750千瓦，通常用在50千瓦以下；最高滑动速度
20、可达35m/s，通常用在15m/s以下。蜗杆传动的主要优点是结构紧凑，工作平稳，无噪声，冲击振动小以及能得到很大的单级传动比。在传递动力时，传动比一般为8100，常用的为550。在机床工作台中，传动比可达几百，甚至达到一千。这时，需采用导程角很小的单头蜗杆，但传动效率很低，只能用在功率很小的场合。在现代机械制造业中正力求提高蜗杆传动的效率，多头蜗杆的传动效率已经可达到98%。与多级齿轮传动相比，蜗杆传动零件数目少，结构尺寸小，重量轻。缺点是在制造精度和传动比相同的条件下，蜗杆传动的效率比齿轮传动低，同时蜗轮一般需用贵重的减磨材料制造。3 传动系统的设计3.1螺旋传动部分计算3.1.1螺杆直径的
21、计算 式（3.1）表 3-1滑动螺旋副许用比压P螺杆材料螺母材料许用比压速度范围钢青铜1825低速钢钢7.513低速钢铸铁13182.4m/min钢青铜11183.0m/min取钢青铜螺旋副p=20Mpa，f=0.080.1，最大负载F=25000N，代入式（3.1）得: 根据梯形螺纹国家标准，取螺纹为Tr其基本参数为：螺杆外径：，中径：，螺杆小径：，螺母小径：，螺母大径：，螺距：3.1.2螺纹部分强度计算梯形螺纹牙型角当量摩擦角 将螺纹部分展开，其受力图如图3-1所示， 图3-1作用在螺母上的扭矩螺杆受力如图3-2所示，由图可知，螺杆上与螺母旋合处扭矩最大，且图3-2根据第四强度理论，得：螺
22、杆危险截面的当量应力 表3-2螺杆与螺纹牙强度项目许用应力Mpa螺杆强度 为屈服极限螺纹牙强度材料剪切弯曲钢0.6（11.2）青铜30-404060铸铁404555耐磨铸铁405060蜗杆材料为45号钢，由表3-2可知，它的许用应力为=12072Mpa，满足要求。自锁条件：=12m/s26m/s和持续运转的工况，离心铸造的可得到致密的细晶粒组织，可取大值，沙型铸造的取小值。（2）铸铝青铜 适用于Vs=10m/s的工况，抗胶合能力差，蜗杆硬度应不低于45HRC。（3）铸铝黄铜 点蚀强度高，但磨损性能差，宜用于低滑动速度场合。（4）灰铸铁和球墨铸铁 适用于Vs=2.25转速系数：，弹性系数：根据蜗
23、轮副材料查表3-7得，寿命系数：设机器使用寿命，则寿命系数接触系数：由参考文献1图13.12I线查得接触疲劳极限：查参考文献表3-7得表3-7蜗轮材料 力学性能和设计数据蜗轮材料力学性能设计数据HBMpaMpa%MpaMpaMpam/s铸锡青铜22013080388.31472651151233017090488.314742519026铸锡青铜铸锡青铜240120701298.11523501651227014080798.115243019026铸铝青铜49018010013122.616425040010续表3-7 蜗轮材料力学性能设计数据HBMpaMpa%MpaMpaMpam/s铸铝青
24、铜54020011015122.616426550010铸铝青铜63025015716122.61645502701070030016013122.616466037710铸铝青铜67031016718122.6164250402107504001855122.616426550210注：表中每项第一行为砂型铸造，第二项为离心铸造接触疲劳最小安全系数： 取中心距：代入数据得：， 取标准值蜗杆头数：， 取蜗轮齿数：， 取模数： ， 取蜗杆分度圆直径：， 取标准值蜗轮分度圆直径：蜗杆导程角： 蜗轮宽度： ， 取蜗杆圆周速度： 蜗杆尺寸：齿顶圆直径 齿根圆直径 蜗杆螺纹长度 ， 取蜗轮尺寸：齿顶圆直
25、径齿根圆直径3.3.3 强度校核（1）齿面接触疲劳强度验算许用接触应力：最大接触应力： 满足条件（2）轮齿弯曲疲劳强度验算齿根弯曲疲劳极限弯曲疲劳最小安全系数许用弯曲疲劳应力轮齿最大弯曲应力 满足条件。3.3.4蜗轮蜗杆传动中的作用力分析在蜗杆传动中作用在齿面上的法向压力仍可分解为圆周力、径向力和轴向力。显然，作用于蜗杆上的轴向力等于蜗轮上的圆周力，蜗杆上的圆周力等于蜗轮上的轴向力；蜗杆上的径向力则等于蜗轮上的径向力。这些对应的力的数值相等，方向彼此相反。如图3-5所示。图3-5蜗轮蜗杆受力图蜗轮上作用力 3.3.5实际传动动力参数由于蜗轮蜗杆各基本尺寸需圆整为标准值，传动比最终确定为且蜗轮蜗
26、杆传动效率与估计值略有差别，因此，实际传动、动力参数如下：（1）各轴实际转矩：螺母：Nmm蜗轮：=54059/0.98=55162 Nmm蜗杆： Nmm电机轴： Nmm（2）各轴实际转速蜗杆：r/min蜗轮： r/min螺母： r/min螺杆：m/min（3）电机实际功率KWF，满足条件，因此下端轴承选用51111型。上端轴承受力比较小，因此只需考虑安装问题，结合自制螺母的直径，选用51108型平面推力轴承。（2）蜗杆轴承的选择根据蜗杆的受力图可知，蜗杆牙部分除受径向力外还受轴向力的作用，因此选用轴承时考虑优先选用能同时承受径向力和轴向力的圆锥滚子轴承，型号：30205。4.1.3轴承校验（1
27、）计算圆锥滚子轴承寿命图4-1 蜗杆及轴承受力分析已求得：蜗杆所受径向力,轴向力.查手册30205轴承主要性能参数：Cr=32.2KN，=37KN，=7000r/min，e=0.37，Y=1.6，=0.9，a=12.5所以，附加轴向力； 因为，所以，右端轴承被压紧，则：轴承轴向力, ，取=1，=0；，取=0.4，=0.4cot12.5=1.8考虑平稳运转，冲击载荷系数=1,当量动载荷 因为P1P2，只需计算右端轴承寿命，（2）静载荷计算：=0.5，=0.22cot12.5=0.99；当量静载荷： 两式取大值：； 两式取大值：，只需计算右端轴承。计算额度静载荷：由表4-1，取=2.5，合格。表4
28、-1 轴承静载荷安全系数S0(旋转轴承)使用要求或载荷性质球轴承滚子轴承对旋转精度及平稳性要求较高，或承受冲击载荷1.522.54正常使用0.5213.5对旋转精度及平稳性要求较低，没有冲击和振动0.5213（3）许用转速验算载荷系数 查得， 查得，载荷分布系数 查得： 查得许用转速许用转速均大于工作转速1390r/min。综上所述：所选轴承能满足寿命、静载荷与许用转速的要求。4.2键的选择键是标准件，分为两大类，1）平键和半圆键，构成松联结；2）斜键，构成紧联接。键的侧面是工作面。工作时，靠键与键槽的互压传递转矩。按用途， 平键分为普通平键，导向平键和滑键三种，导向平键简称平键。有一种键高较
29、小的普通平键称为薄型平键，可以用于薄壁零件。普通平键用于静联接，按结构分为圆头的，方头的和一端圆头一端方头的。导键联接和滑键联接都是动联接。导键固定在轴上，而毂可以沿着轴移动，滑键固定在毂上而随毂一同沿着轴上的键槽移动。键与键槽的滑动面应具有较低的粗糙度值，以减少移动时的摩擦阻力。设计键联接时，通常被联接键的材料，构造和尺寸已初步决定，联接的载荷也已求得。因此，可以根据联接结构的特点，使用要求和工作条件来选择键的类型，再根据轴径从标准件中选出键的截面尺寸，并参考毂长选出键的长度，然后用适当的校核计算公式做强度校核。对于平键联接，如果忽略摩擦，则当联接传递转矩时键轴一体时可能的失效形式有：较弱零件的工作面被压溃或磨损和键的剪断等。对于实际采用的材料组合和标准尺寸来说，压溃或磨损常是主要失效形式。因此，通常只做联接的挤压强度或耐磨性计算，但在重要
