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机械设计课程大作业

机械设计课程大作业螺旋千斤顶设计计算说明书

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1 螺杆的设计与计算

1.1 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,牙行角。

30=α,梯形

螺纹的内外螺纹以锥面贴紧不易松动。矩形螺纹牙强度低,锯齿形螺纹牙为不等腰梯形,加工成本高。故选用梯形螺纹,它的基本牙形按GB/T5796.1-2005的规定。 1.2 选取螺杆材料

螺杆材料要有足够的强度和耐磨性,一般用45号钢,经调质处理,220~250HBS 。

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因数小和耐磨,可用ZCuAl10Fe 3、ZCuAl10FeMn2等。此处选用45钢。

1.3 确定螺杆直径

按耐磨性条件确定螺杆中径d 2

。求出

d 2

后,按标

准选取相应公称直径

d 2

、螺距P 及其它尺寸。

根据规定,对于整体螺母,由于磨损后不能调整间隙,卫视受力比较均匀,螺纹工作圈数不宜过多,故取=φ 1.2~2.5,此处取=φ 1.4。螺杆--螺母材料分别为钢—青铜,滑动速度为低速,得许用压力[p]为18~25MPa 。取[p]=20MPa ,F=25kN 。

d 2≥0.8

]

[p F

φ=0.8

MPa

N

204.1k 25?≈23.9 mm

查表,取得: d=28mm P=5mm, d 2=D 2=25.5mm D 4=28.5mm d 1=22.5mm D 1=23.0mm

1.4 自锁验算

滑动螺旋起重器必须保证可靠的自锁性,自锁的条件为:

v ?ψ

≤= arctan β

cos f

为保证自锁,螺纹中径处升角至少要比当量摩擦角小10。 式中: ψ--螺纹升角;

f --螺旋副材料的摩擦因数,此处取f=0.1; β牙型半角,β=α/2=150

ψ= arctan 2d s ∏= arctan 2

d nP ∏= arctan 25.5

4.1351??=3.570

v

?= arctan β

cos f = arctan 015cos 0.10=5.910

故, ψ=3.570≤v ?-10=4.910 所以自锁性可以保证。 式中: s —导程

n —螺纹的螺纹线

1.5 求圈数 u=H/P=ψ d

2/P=1.4×25.5/5=7.14<10

所以满足要求,取圈数u=8

1.6螺杆强度计算

对受力较大的螺杆应根据第四强度理论校核螺杆 的强度。得

[]σπτσσ≤????

?

?+???? ??=+=2

312

212

2

2.0343d T d F ca

其中扭矩

T=Ftan(ψ+v ?)×2

2d =25×103N ×tan(3.570+5.910)×

mm 2

.5

25=52.22Nm 式中:ψ为螺纹中径处升角,v ?为当量摩擦角。

查手册GB/T699—1999,45钢的s σ=355MPa ,安全系数3~5,取3

[σ]=3

s σ=3

355=128.33MA

由上得,d 1=22.5mm ,故,

()

()

[]MPa MPa 33.128.73910.5222.02.25231022.514.3102542

332

233=≤=???

?

?

???+????

?

?????--σ满足要求。

1.7稳定性计算

细长的螺杆工作时受到较大的轴向压力可能失稳,为此应按稳定性条件验算螺杆的稳定性。

F cr / F ≥ 2.5 ~ 4

螺杆的临界载荷F cr 与柔度λs 有关,λs =μ l /i ,μ为螺杆的长度系数,与螺杆的端部结构有关,l 为举起重物后托杯底面到螺母中部的高度,可近似取l=H+ (1.8~2)d 1,i 为螺杆危险截面的惯性半径,危险截面面积2

14

d A π=

,则

4

1

d A I i ==

(I 为螺杆危险截面的轴惯性矩)

当螺杆的柔度λs <40时,可以不必进行稳定性校核。计算时应注意正确确定。 1.7.1计算柔度

(1)计算螺杆危险截面的轴惯性矩I 和i

I=

644

1d π=()

48-4

3106.2164

10.52214.3m ?=??-

4

1

d A I i ==

=33

103.654

1022.5--?=? (2)求起重物后托杯底面到螺母中部的高度l h 1=(1.8~2)d=2*28=56mm

D 大杆=(1.6~1.8)d=1.7*32=47.6mm l =H+ 1.8d 1=250+40.5=290.5mm (3) 计算柔度

查教材,μ取2(一端固定,一端自由) 查手册表,E 取200GPa

400.210310

3.65102902 =3

3

s >=???=--i l

μλ 所以需要校核。

1.7.2稳定性计算

(1)计算临界载荷F cr

()()

KN l EI F cr 73.610.52902106.211020014.32

38

-9222=??????==-μπ (2) 稳定性计算

4 ~ 2.5.9210

251073.633=≥=??=st cr n F F 稳定性满足要求。

2. 螺母设计与计算

2.1选取螺母材料

螺母材料一般可选用青铜,对于尺寸较大的螺母可采用钢或铸铁制造,其内孔浇注青铜或巴氏合金。

此处选青铜ZC u S n10Pl 。

2.2确定螺母高度H '及螺纹工作圈数u

螺母高度H=φd 2=1.4*25.5mm=35.7mm , 螺纹工作圈数4.175

.7

35u ==

=P H

,考虑退刀槽的影响,实际螺纹圈数u ' = u+1.5(u '应圆整)。考虑到螺纹圈数u 越多,载荷分布越不均,故u 不宜大于10。 2.2.1求螺母高度H ' H=φd 2=1.4*25.5mm=35.7mm 2.2.2螺纹工作圈数u

4.175

.535u ===

P H u ' = u+1.5 =8.64 u '应圆整, u '取9。 2.2.3 螺母实际高度H '

H '= u 'P=9×5=45mm

2.3校核螺纹牙强度

一般螺母的材料强度低于螺杆,故只校核螺母螺纹牙的强度。螺母的其它尺寸见图。必要时还应对螺母外径D 3进行强度验算。

2.3.1螺纹牙的剪切强度和弯曲强度计算 螺纹牙的剪切强度和弯曲强度条件分别为: 螺纹牙危险截面的剪切强度条件为 []τπτ≤=

D b u

F

螺纹牙危险截面的弯曲强度条件为 []b u

Db Fl

σπσ≤=2

6 (b ——螺纹牙根的厚度,且b=0.65P ;D ——螺母的螺纹大径;

l ——弯曲力, 2

2

D D l -=

查表,b=0.65p (梯形螺纹),h=0.5p

[]τ取30-40Mpa , []b σ取40-60Mpa

故,[]τπτ≤=?????==

MPa Dbu F 74.108

565.0.52814.310253

[]b MPa u Db Fl σπσ≤=????-?

??==5.7298

)565.0(.52814.32.5

25.5281025662

32 皆满足要求。

2.4安装要求

螺母压入底座上的孔内,圆柱接触面间的配合常采用

7

8r H 或

7

8n H 等配合。为了安装简便,需在螺母下端和底座孔上端做

出倒角。为了更可靠地防止螺母转动,还应装置紧定螺钉,紧定螺钉直径常根据举重量选取,一般为6~12mm 。 2.4.1 螺母的相关尺寸已得:D=d+1=28.5mm

内螺纹小径D

= 23.0mm

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D3= 1.5d =1.5×28=42mm

D4= 1.4D3 =1.4×42=58.8mm

H′=45mm;;

a=(0.2~0.3)H′=0.25*45=11.25mm

3. 托杯的设计与计算

3.1托杯的尺寸计算

托杯用来承托重物,可用铸钢铸成,也可用Q235钢模锻制成,取材料为Q235。其结构尺寸见图。为了使其与重物接触良好和防止与重物之间出现相对滑动,在托杯上表面制有切口的沟纹。为了防止托杯从螺杆端部脱落,在螺杆上端应装有挡板。

当螺杆转动时,托杯和重物都不作相对转动。因此在起重时,托杯底部与螺杆和接触面间有相对滑动,为了避免过

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快磨损,一方面需要润滑,另一方面还需要验算接触面间的压力强度。

[]p F

p ≤-=4

)

D D (211212π 式中:[p ]——许用压强,应取托杯与螺杆材料[p ]的小者。 Q235:[p ]杯= 225MPa ; 45钢:[p ]杆=570MPa 取[p ]杯。 D 10=(2.4~2.5)d =2.45?28=68.6mm D 11=(0.6~0.8)d=0.7?28=19.6mm D 13=(1.7~1.9)d=1.8?28=50.4mm D 12=D 13 - (2~4)=50.4-3=47.4mm h 1=(1.8~2)d=2*28=56mm 故

4

)D D (2

11212-=

πF

p ≤[

p ]

[]p MPa p ≤=-?=.1174

)

0196.00474.0(14.31025223

托杯厚度δ=8~12mm ,此处取δ=10mm

杯底厚度为 1.3δ=13mm ;沟纹宽度为1.5δ=15mm ; 沟纹深度为δ/2=5mm ;托杯高度为1.8*d=1.8*32=57.6mm ; 为保证托杯可以转动,螺杆顶端的垫片与托杯底部留有间

隙,间隙值为

3~4mm ,因承受力不大,故取值为3mm 。

4. 手柄设计与计算

4.1手柄材料

常用Q235和Q215。选择Q235。

4.2手柄长度p L

板动手柄的力矩:'

12P K L T T ?=+

则K T T L 2

1p '

+=

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式中:K ——加于手柄上一个工人的臂力,间歇工作时,约为150~250N ,工作时间较长时为100~150N 。考虑一般为间歇工作,工作时间较长机会不多,故取为200N 。

T 1——螺旋副间的摩擦阻力矩,

1T =25×103

tan(3.570

+5.910

) ×3102

.5

25-?=53.22N ·m T 2——托杯与轴端支承面的摩擦力矩,

T 2 = (D 12+D 11) f F /4。 (f 查手册取0.06

)

2

)tan(2

1d F T v ?

+=ρψ

2T =(47.4+19.6) ×0.06×25/4=25.125N ·m

39.17mm

200

25

.1252.25321p '=+=+=

K T T L 手柄计算长度p L 是螺杆中心到人手施力点的距离,考虑螺杆头部尺寸及工人握手距离,手柄实际长度还应加上

2

D 13

+(50~150)mm 。手柄实际长度不应超过千斤顶,使用

时可在手柄上另加套管。因此,手柄实际长度L =++='1002

.450p p L 164.37mm

4.3手柄直径p d

把手柄看成一个悬臂梁,按弯曲强度确定手柄直径p d ,其强度条件为 []F p

d KL σσ≤=3p

F 1.0

故 p d m KL f P 014.010

1201.010

7.3164200][1.036

3

3=????=≥-σ

p d 取

14mm

式中:[σF ]——手柄材料许用弯曲应力, 当手柄材料为Q235时,[σF ]=120Mpa 。 4.4挡圈

手柄插入螺杆上端的孔中,为防止手柄从孔中滑出,在手柄两端面应加上挡圈,并用螺钉固定。

手柄直径为14mm,由GB891-86查得

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D=20mm H=4mm d=5.5mm

d

1=2.1mm D

1

=11mm c=0.5mm M5×12

5. 底座设计

底座材料常用铸铁HT150及HT200,选用HT150。铸件的壁厚δ不应小于8~12mm,取δ=15mm。为了增加底座的稳定性,底部尺寸应大些,因此将其外形制成1∶10的斜度。底座结构及尺寸如图

S=(1.5~2)δ=1.5*15=22.5mm

H1=L+(14~28)mm =250+20=270mm

H’-a45-18=27mm

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D3=48mm

D5= D3+2δ=48+2*15+4=82mm D6=D3+4mm =48+4=52mm

D7=D6+2* =52+ =111mm

D8=1.4D7=1.4*111=155.4mm