摘 要 本设计是受日常生活启发而设计，在日常生活中，砍伐的树木在装车时几乎全是靠人力将树木一根一根的抬上车去。费时又费力，而且效率非常低。因此，想设计一种简单的吊装机执行机构来实现这一过程，以机械力替代人力，从而减小人的劳动强度，同时也能节约更多的成本。该小型吊装机同时可运用在其抱合，起重范围以内的整体物件的起吊安装。设计该小型吊装机综合运用了机械原理，机械设计，理论力学，材料力学等学科知识。其执行起吊机构是这次设计的主题，总体要求执行机构有足够的刚度和强度，实用范围尽量广。 【关键词】执行机构、设计、刚度、强度 Abstract This design is designed by the daily life inspired。In daily life，the trees which be hewed in loading is almost entirely by men carried them onto the truck， Slow and arduous, and efficiency is very low Accordingly, want to design a simple hoisting machine actuators to achieve this process，To replace mechanical force of human, thus reduce labor intensity，Also can save more cost。This small hoisting machine also can be used in its embrace range，Lifting the whole thing within the hookon installation。Design the small hoisting machine comprehensive use of the mechanical theory，Mechanical design，Theoretical mechanics，The mechanics of materials, and other disciplines knowledge。The theme execution of this design agency is crane-vehicle，General requirements actuators have enough stiffness and strength, practical scope。 【Key words】Actuators；Design；Stiffness；Strength CAD图纸 加Q 目 录 摘要 ……………………………………………………………………………… 1 1 前言 ………………………………………………………………………………2 2 小型吊装机执行机构设计 ………………………………………………………2 2.1设计参数…………………………………………………………………………2 2.2设计原理…………………………………………………………………………2 2.3功能分析…………………………………………………………………………3 2.4零件设计…………………………………………………………………………3 2.4.1设计分析………………………………………………………………………3 2.4.2抱紧机构零件建模……………………………………………………………3 2.4.3抱紧机构上液压缸设计计算…………………………………………………10 2.4.4起重机构建模…………………………………………………………………12 （一）零件建模………………………………………………………………………12 （二）起重机构分析…………………………………………………………………17 （三）起重机构上液压缸行程及压力计算…………………………………………19 2.5零件校核…………………………………………………………………………22 3 液压缸设计和计算…………………………………………………………………30 3.1液压缸整体设计…………………………………………………………………30 3.2强度校核………………………………………………………………………… 31 总结与体会……………………………………………………………………………33 致谢词…………………………………………………………………………………34 参考文献………………………………………………………………………………35 1前言 随着经济的发展，科技的进步，传统的人力劳动正渐渐的被机械劳动替代。但在远离城市的乡村，基本都是人力劳动为主，最实在的例子就是在将砍伐的树木装车车时几乎全是靠人力抬。实在没人力劳动时所用的吊机也是以绳子为主，但是绳子需要人为装卸，效率比较低。因此想设计一种吊机的执行机构，这种吊机只需要一个操作人员操作，简单方便，能大大的提高工作效率。 2小型吊装机执行机构设计 2.1 设计参数 本设计结合实际需要，初步预设计起吊物件最大质量M=500Kg，最大起吊高度H=3m，起吊物件最大直径D=500mm,起吊物件最长L=4m 2.2 设计原理 该设计原理主要是运用机械原理知识，其机构设计原理图如图1 图1 执行机构原理图 如图所示：由液压缸1带动连杆3上下做直线也是由转动副连接。因此当连杆3上下运动时。便能带动连杆4张合运动，其中，当连杆3向上运动时，连杆4张开运动，反之，当连杆3向下运动时，连杆4合拢运动，因此能抱紧所要提升的物件。连杆5左端与液压缸1固定件用转动副连接，连杆5右端与液压缸3连接。连杆5同时又与连杆6通过转动副连接。因此，当液压缸3伸缩时候便可带动连杆3转动，左端固定件则可以上下移动。液压缸2也通过转动副连接，最大的作用是保持左端固定件保持垂直。连杆右端与固定架通过转动副连接，液压缸4与连杆6及固定架通过转动副连接，因此在液压缸4在伸缩运动时便可带动连杆6旋转，最终达到左端固定件升的更高的要求。 2.3 功能分析 该起吊机构在起吊一些类似树木，钢材的圆形物件时，相比较传统的绳索起吊机构有较大优势。首先，在传统的绳索起吊机构中，需要人为的将物件装上起吊机构，在放下物件时候也需要人为的去卸载，而且传统的绳索起吊机构在起吊物件时候不能限制物件转动，左右移动，同时在卸下物件时候也需要人为参与，轻易造成安全事故的发生。其次，传统的以绳索起吊机构多以电机实现对物件的起吊运动，若遇到超载现象轻易造成电机烧坏。 而该执行机构相比传统的绳索吊装机构有明显的优势。首先，在人力上只需要一个人便能完成，而且安全系数更高。其次，该机构采取了液压系统做起吊的输出力，这样做才能够使整个机构在起吊运动过程中更加平稳。其次，该机构限制物件在起吊时的转动和左右移动的自由度，从而能够保证机构运动时更加平稳。再次，采用液压系统来驱动机构运动可以有效的保证电机等元件的安全，在超载的情况下可以在液压系统中通过安全阀来控制。 2.4 零件设计 2.4.1 设计分析 设计参数中要求起吊物件最大质量M=500Kg，最大起吊高度H=3m，起吊物件直径D=500mm，最长L=4m 根据设计原理图，机构所用材料除液压缸部分外全部采用20钢。 20钢性能如下： 牌号：20钢 标准：GB/T699-1988 力学性能： 抗拉强度 屈服强度 伸长率 断面收缩率 硬度：未热处理， 密度：7.85 2.4.2 抱紧机构零件建模 根据设计原理图，采用三维软件UG建立抱紧机构的模型 建立模型1如图3 图3 模型1 建立模型2如图4 图4 模型2 建立模型如图5 图5 模型3 建立模型4如图6 图6 模型4 建立模型5如图7 图7 模型5 建立模型6如图8 图8 模型6 建立模型7如图9 图9 模型7 建立模型8如图10 图10 模型8 建立模型9如图11 图11 模型9 建立模型10如图12 图12 模型10 抱紧机构各个零件建模完成后，将各个零件进行装配，其装配模型如图13 图13 抱紧机构装配模型 接下来对抱紧机构进行运动分析，其分析如下： 抱紧机构中的抱杆套接 在挂杆上，两两抱杆中间通过套筒隔开，这样能够保证两两抱杆之间有一定的间距。在起吊物件时也能更能在某些特定的程度上保证起吊物件的平衡性。 由液压缸上下运动带动滑槽内的圆柱销上下移动，而两侧的连杆套接在圆柱销上，圆柱销在滑槽内上下移动时可以带动两侧的连杆转动，进而实现 抱杆的张合运动，其中抱杆的张合程度大小与圆柱销在滑槽内的行程和两侧连杆的长度有关。其关系有两种：1、当两侧的连杆长度一定时，通过改变滑槽的行程，能改变抱杆的张合程度，而滑槽长度一定，而通过改变滑槽的 最高点和最低点的位置时也能改变抱杆的张合程度。当连杆长度和滑槽行程一定时，滑槽最高点位置越高则抱杆张开距离越大，同时抱杆合拢距离也将增大。但正常的情况下要求抱杆的最小 抱合距离应该尽量的小，这样更能 抱紧物件，使物件在起吊过程中更加平稳，更安全。因此在连杆长度一定的时候，应使滑槽的最低点尽量靠近主悬臂梁。2、当滑槽的行程距离一定的时候，能改变两侧的连杆长度来改变抱杆的张合距离，当滑槽行程的最高点和最低点都定的情况下，在都达到滑槽的最高点时，连杆越长的抱杆张开距离比连杆较短的抱杆张开距离要小，在滑槽的最低点连杆长的使抱杆合拢距离比连杆较短的使抱杆合拢距离更小。因此要需要考虑滑槽的行程和连杆的长度。 在确定滑槽的行程和连杆的长度时要考虑每个方面的因素，例如，如果连杆太长，而要保证满足设计参数，则必须要求滑槽行程的 最高点和最点点都距离主悬臂梁表面更远，这样将增加抱紧机构的整体高度，进而将增加整个吊机的尺寸。 传统的设计方法，是通过设计原理图来计算滑槽的行程和连杆的长度。但那样计算挺麻烦，费时又费力。而今有三维设计软件，在将模型建好并装配 好以后只需要修改零件的长度和滑槽的长度以及滑槽的最高点和最低点位置就能测出抱合距离的最大最小距离，如图13就是在连杆长度和滑槽行程一定的情况下圆柱销达到滑槽的最低位置时，抱杆的最小合拢距离，最小合拢距离为50mm,基本能达到抱紧起吊物件的要求。如图14就是圆柱销达到滑槽最高点时抱杆的张开距离，此时张开距离为508mm 图14 抱紧机构的最大张开距离 因此，利用三维设计软件很快的就可以设计出连杆的长度和滑槽的行程。滑槽的行程L=165mm，连杆的长度l=500mm因为圆柱销有厚度20mm,所以液压缸的行程应该在0—145mm。 2.4.3 抱紧机构上液压缸设计计算 （一）由上述可知抱紧机构上的液压缸行程在0—145mm之间，其简图如图15 图15 单杆液压缸简图 单杆液压缸仅在一侧有活塞杆。它主要由缸底、活塞、密封圈、缸体、活塞杆、导向套等组成。当无杆腔进压力油，有杆腔回油时活塞推力和运动速度分别为： F=Ap= V= 当有杆腔进压力油，无杆腔回油时，活塞推力F和运动速度V分别为： F=Ap= V= 式中，A为无杆 腔有效工作面积（m）为活塞（或缸体）运动速度m/s F为活塞（或缸体）上的作用力（N）；A为缸有杆腔有效工作面积（m）；V为活塞（或缸体）运动速度（m/s）为活塞 （或缸体）上的作用力（N）。 从上面的公式可知：VV、FF，即无 杆腔进压力油工作时，推力大，速度低。有杆腔进压力油工作时，推力小，速度高。因此，单出杆液压缸常用于一个方向有较大负载但工作速度较低，而另一个方向为空载快速退回运动的设备。单出杆液压缸两腔同时通入压力油时，由于无 杆腔工作 面积比有杆腔工作面积大，对活塞 向右的推力大于向左的推力，故其向右移动。液压缸的这中连接称为差动连接。差动连接时，对活塞的推力F为 F=（A-A）p=Ap= 若活塞的速度为V，则无杆腔的进油量为VA，有杆腔的出油量为VA，因而有下式 VA=QV+VA V= 抱紧机构上的液压缸在上下移动时，只承受抱紧机构的自重，其中抱杆的体积V，所以每一个抱杆的重量M=7850= 10.36kg，共八根抱杆，所以抱杆总重G，连杆体积V=0.00193m,因此，连杆总重M=7850，所以两根连杆总重G=302N。与连杆和抱杆连接的辅助装置体积V=0.00061m,两个辅助装置总重G=104N以此算出各个零件的重量，最后得到抱紧机构的总重G=1236N，因此设计液压缸的推力以极限值1500N来设计。 （二）液压缸压力计算 由于液压传动的用途不同，系统所需要的压力也不相同。为便于液压元件的设计、生产和使用将压力分为几个等级，如下表： 压力等级 低压 中压 中高压 高压 超高压 压力（MP） 2.5-8 8-16 16-32 32 根据抱紧机构的自重，液压缸推力按极限值1500N计算，无杆腔选用低压压力油，取p=1MP，因此根据公式 F=Ap= 计算得D 有杆腔选用低压压力油取P=1.5MP根据公式 F=Ap= 计算得d 结合实际设计需要，可以选取D=45mm，d=25mm来设计液压缸杆。 2.4.4 起重机构建模 （一）零件建模 （1）建立模型1如图16 图16 模型1 （2）建立模型2如图17 图17 模型2 （3）建立模型3如图18 图18 模型3 建立模型4如图19 图19 模型4 建立模型5如图20 图20 模型5 建立模型6如图21 图21 模型6 建立模型7如图22 图22 模型7 建立模型8如图23 图23 模型8 建立模型9如图24 图24 模型9 （11）将各个模型进行装配如图25 图25 装配总图 （二）起重机构分析 （1）在装配总图中，依次从左到右将各个液压缸编号为1、2、3、4。现将各个液压缸在该执行机构中的作用说明如下： 一号液压缸在抱紧机构上，主要是用来控制抱杆的张合运动即抱紧与松开作用。 二号液压缸在次起重臂上，它的最大的作用是控制抱紧机构保持垂直 三号液压缸在主起重臂上，它的最大的作用是带动次起重臂转动，进而起到提升物件的作用。 四号液压缸与机座铰接，它的作用是带动主起重臂转动，从而将所吊物件提升的更高。 （2起吊物件的最终高度是由3号液压缸和四号液压缸的行程共同决定。当三号液压缸的行程为0，四号液压缸的行程达到最大时，起吊物件能达到最大提升值，当三号液压缸的行程达到最大，四号液压缸的行程为0时，抱紧机构达到最低高度。抱紧机构达到最高位置时如图26 图26 抱紧机构达到最高位置 此时，抱紧机构离机座距离为2900mm 抱紧机构达到最低位置时如图27 图27 抱紧机构达到最低位置 此时，抱紧机构距离机座距离为-560mm 因此，抱紧机构最低点的升降范围在-560mm—2900mm之间，在设计参数要求起吊高度H=3m之内。 （三）起重机构上液压缸行程及压力计算 （1）各个液压缸行程计算 首先计算液压缸行程，4号液压缸与机座连接，当抱紧机构从最低位置到最高位置时，4号液压缸的行程刚好从0到最大位置，而三号液压缸的行程刚好与四号液压缸相反，3号液压缸的行程是从最大到0，2号液压缸和4号液压缸相同，也是从0到最大行程。 通过三维软件建模做多元化的分析，很容易得到4号液压缸的行程为0—200mm，三号液压缸行程为0—275mm，2号液压缸行程为0—280mm。其中各个液压缸中推杆的长度都以实际建模的长度为准，各个液压缸的安装的地方和长度均以实际建模长度为标准。 （2）各个液压缸的压力计算 1）首先，计算2号液压缸的压力，2号液压缸的最大的作用是保持抱紧机构垂直于地面，限制抱紧机构前后转动的自由度。所以，在抱紧机构下降高度抱紧物件之前，2号液压缸的有杆腔进压力油，无杆腔回油，保持抱紧机构垂直于地面。此时液压缸所承受的力比较小，只要能限制抱紧机构的前后转动自由度就可以。因此无杆腔能选用低压压力油取P=1MP，取F=1000N计算按公式 F=Ap= 可以计算得D 有杆腔选用压力油P=1.5MP，根据公式 F=Ap= 可以计算得d 因此，可以按D=35mm，d=20mm来设计液压缸。 2）其次，计算3号液压缸的压力，三号液压缸在起吊主臂上，其最大的作用是提升抱紧机构的高度。在起吊整个抱紧机构时，三号液压缸将承受，抱紧机构的自重和所吊物件的重量。通过三维软件可以测得并计算出抱紧机构的总自重G，，但为了安全起见，在设计三号液压缸时，按G=3000N设计液压缸。其中次吊臂受力简图如图28 图28 吊臂受力简图 左端F大小等于抱紧机构的自重与起吊物件的自重，F=8000N，F即为三号液压缸的拉力。根据公式 FL=FL 其中，L=1500mm，L=510mm 因此，可以计算得F=23529.411N，所以计算三号液压缸的拉力或者推力可以取F=24000N，无杆腔取中压压力油P=5MP进行液压缸的设计。根据公式 F=Ap= 可计算得D，有杆腔取中高压力油P=10MP，根据公式 F=Ap= 可以计算得d 因此能根据D=80mm,d=55mm来设计三号液压缸。 3）再次，计算四号液压缸的压力，四号液压缸与机座相连，其受力简图如图29 图29 四号液压缸受力简图 其中，四号液压缸的受力情况不是恒定的，它随着吊臂的旋转角度不同，所受的力也在一直在变化。为了能够更好的保证液压缸有足够的推力，现取液压缸受最大力的位置做计算，其所受最大力的位置应该与吊臂垂直，根据公式： F+F=F F（L+L）—FL=0 其中，F 由上述两个公式能共同解得 F 以上计算得到的力没有计算吊臂自身的重量，因此计算四号液压缸的最大推力以F=45000N计算 对于四号液压缸无杆腔可选用中高压力油P=9MP，根据公式 F=Ap= 计算得 对于有杆腔也选用中高压力油Ｐ＝15MP，根据公式 F=Ap= 可以计算得 由此，可以取，来设计四号液压缸。 2.5 零件的校核 1、主悬臂梁的强度校核（图3） 主悬臂梁将承受抱紧机构的自重和所起吊的物件重量，其中抱紧机构的自重计算如下。 1）如零件图30 图30 其体积V，计算得 2)如零件图31 图31 其体积V，计算得 3）如零件图32 图32 其体积V，计算得 主要零件的质量之和M=116.66kg，加上套筒等其他辅助零件的质量，所以抱紧机构的自重以M=130kg进行校核，起吊物件质量M最大为500kg,所以总质量M=630kg,其重力G=6300N。 4）计算材料的抗弯截面系数W，按公式 经计算得主悬臂梁的抗弯截面系数W= 5）计算主悬臂梁的弯矩 图33 主悬臂梁受力图 如图33为主悬臂梁的受力简图，根据力平衡原理列出下列计算式 F+F+2F=2F 其中，， 计算得=-， ，根据起受力图求出C截面和D截面的剪力分别为 2400N， 其剪力图如图34 图34 主悬臂梁剪力图 其弯矩图如图35 图35 主悬臂梁弯矩图 其最大弯矩M=2400，因此 所以主悬臂梁能满足强度要求。 2、两边挂杆强度校核（图6） 1）其受力图如图36 图36 挂杆受力简图 其中，因此根据力平衡原理计算得 2）其剪力图如图37 图37 挂杆剪力图 其弯矩图如图38 图38 挂杆弯矩图 其最大弯矩M=1466=117.28N 挂杆的截面为圆柱形，因此其抗弯截面系数，经计算得，根据公式 因此满足其强度要求。 3、2号起吊臂强度校核（图17） 1）其受力图如图39 图39 起吊臂受力简图 其中， 2）其剪力图如图40 图40 吊臂剪力图 3）其弯矩图如图41 图41 吊臂弯矩图 其最大弯矩，其抗弯

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