可调节公路监测杆机构安全设计.docx
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可调节公路监测杆机构安全设计
机械设计基础课程设计
说明书
中国计量学院——安全工程专业
一、设计题目............................................3
二、设计要求............................................3
三、设计步骤............................................3
1、结构设计...........................................3
1.1、旋转水平横杆.....................................3
1.1.1、旋转筒.......................................3
1.1.2、凸台.........................................3
1.1.3、螺栓.........................................4
1.2、1.5米可旋转机构.................................4
1.2.1、销...........................................4
1.2.2、柄...........................................4
1.2.3、法兰.........................................5
1.2.4、螺栓.........................................6
1.2.5、1/2配对支承架................................6
1.3、维修支撑架结构...................................6
1.3.1、套筒.........................................6
1.3.2、螺栓.........................................6
1.3.3、支撑架.......................................6
1.4、起落加载结构.....................................6
1.4.1、绳索.........................................6
1.4.2、轴...........................................6
1.4.3、轴承........................................6
1.4.4、手轮........................................6
1.4.5、螺栓........................................6
1.4.6、压盖........................................6
2、强度计算..........................................7
2.1、单人拉手轮力计算................................7
2.2、1.5m米处可旋转机构强度核算......................7
2.2.1、风载荷.......................................7
2.2.2、上杆强度核算................................9
2.2.3、上杆螺栓核算.................................9
2.3、地脚螺栓强度计算.................................10
2.3.1、风载荷.......................................10
2.3.2、下杆强度核算.................................10
2.3.3、地脚螺栓核算.................................10
2.4、维修支撑架根部弯矩核算...........................11
2.5、轴的弯矩、扭矩强度核算...........................12
2.5.1、弯矩.........................................12
2.5.2、扭矩.........................................12
四、设计结语............................................12
五、参考文献............................................13
一、设计题目
可调节公路监测杆机构安全设计
国内目前所使用的公路监测杆机构如图所示，安装后不可调节。
在城市公路上安装的监测摄像装置维修时，必须使用带有升降装置的维修车辆，车辆停留在公路影响交通；在农村公路上安装的监测摄像装置时，由于路面宽度较小，维修车辆进入时，将严重影响交通，其他维修车辆无法行走。
为了解决这一问题，试设计一可调节型公路监测杆机构，保证摄像装置能自由旋转至人行道，监测杆可竖直旋转至水平位置，以便维修。
二、设计要求：
抗台风，满足强度要求，可调节，可单人操作。
三、设计步骤
1、结构设计（思路）
1.1、旋转水平横杆：
1.1.1、旋转筒：
将监测杆与上杆固定连接在一起，便于监测杆旋转。
1.1.2、凸台：
起支撑作用，防止套筒掉落。
1.1.3、螺栓：
起固定作用，类型为双头螺柱，规格M8，孔径9mm。
1.2、1.5米可旋转机构：
1.2.1、销：
查机械设计手册GB/T882-2000可知，当d=16mm时，取l=100mm合理。
1.2.2、柄：
a上柄:
厚度20mm，长123mm，孔径16mm
主视图：
侧视图：
b下柄：
厚度16mm，长48mm，孔径16mm
主视图：
侧视图：
1.2.3、法兰：
查《机械设计手册》第四卷第二版表9-2-21可知,法兰外径200mm，内径120mm，厚8mm。
1.2.4、螺栓：
由表9-2-21可知，螺栓中心所在圆直径l=175mm,孔径10mm，螺栓数n=8。
1.2.5、1/2配对支承架：
高125mm，厚12mm，内外径依法兰尺寸而定。
1.3、维修支撑架结构：
1.3.1、套筒：
高200mm，外径173mm，内径165mm，宽度19.5mm，厚度8mm。
1.3.2、螺栓：
规格M10，孔径取11mm。
1.3.3、支撑架：
a两平行钢板:
选用45钢，板竖直高度1350mm，板间平行距离100mm，厚度8mm。
b钢筋条：
三条固定焊接在钢板上，长度84mm。
1.4、起落加载结构：
1.4.1、绳索：
材料为钢丝，长10m。
1.4.2、轴：
选用45钢，长190mm，大径25mm，小径20mm。
1.4.3、轴承：
选用角接触球轴承，内径20mm,外径47mm，厚度14mm。
1.4.4、手轮：
查《机械设计手册》第四卷第二版表9-1-17可知，外径200mm，内径164mm，小径18mm。
1.4.5、螺栓：
规格M16，孔径18mm。
1.4.6、压盖：
轴承两边分别用轴承压盖固定，防止轴承窜动。
2、强度计算
2.1、单人拉手轮力计算
上杆的重量
G=πD2δl2ρg
=3.14*11.4*0.4*450*7.85*9.8
=495.88N
∴G选取为588N（60*9.8=588）
手轮离上杆水平时的垂直距离h取1m
水平距离l取2.5m（l>（l2+d）/2=2.2625m）
θ=arctan（h/l）=arctan（1/2.5）=21.8°
由力矩平衡得Gl=Fhcosθ
解得F=Gl/hcosθ=（588*2.5）/（1*cos21.8°）=1587.6N
手轮力F′≈（1/10~1/5）F=（1/10~1/5）*1587.6
=（158.76~317.52）N，力在人的承受范围内
∴所以设计合理。
2.2、1.5m米处可旋转机构强度核算（单位：
kg、cm、s制）
2.2.1、风载荷：
经查表可知45钢与Q235A的密度均近似为7.85*103kg/m3
重量:
Q1=πD1δ1（H1-H2）ρ=3.14*16.5*（16.5-15.3）/2*150*7.85=36.6kg
Q2=πD2δ2H2ρ=3.14*11.4*（11.4-10.6）/2*450*7.85=50.6kg
惯性矩：
I1=π/64（D14-d14）=3.14/64（16.54-15.34）=948.5㎝4
I2=π/64（D24-d14）=3.14/64（11.44-10.64）=209.3㎝4
自振周期：
Tc1=0.116√1/（2.1*106）*（H3/I1+H23/I2-H23/I1）[Q1（h1/H）4+Q2（h2/H）4]
=0.116√1/（2.1*106）*（6003/209.3+4503/948.5-4503/209.3）*
[36.6（75/600）4+50.6（375/600）4]=0.168s
动荷系数ζ
TC1
<0.25
0.5
1.0
1.5
20
……
ζ
1
1.4
1.7
2.0
2.3
……
由表可知，当自振周期Tc1=0.168s<0.25s时，动载荷系数ζ取1
风压脉动系数m
距地高度
≤20
40
60
……
m
0.35
0.32
0.38
……
由表可知，当距地面高度H=6m<20m时，风压脉动系数m
取0.35
已知K1=0.7（圆柱面），Ki=1+mζ
∴K1=0.7，K2=1+mζ=1.35
风压修正系数fi
计算段中心距地面高度
5
10
15
20
fi
0.78
1.0
1.15
1.25
由表可知，当计算段中心距地面高度h1<5m,h2<5m时，风压修正系数fi取0.78
又因为杭州地区基本风压（近50年）
q0=30kgf/㎡=30*10-4kgf/㎝2
∴风的当量载荷：
P1=K1K2fiq0（H1-H2）D1=0.7*1.35*0.78*30*10-4*150*16.5=5.5kgf
P2=K1K2fiq0H2D2=0.7*1.35*0.78*30*10-4*450*11.4=11.3kgf
风弯矩M：
1-1截面弯矩：
Mw1-1=Mp2=P[h2-（H1-H2）]=11.3*（3.75-1.5）=25.4kgfm
0-0截面弯矩：
Mw2-2=Mp1+Mp2=P1h1+p2h2=5.5*0.75+11.3*3.75=46.5kgfm
2.2.2上杆强度核算
W2=I2/（D2/2）=209.3/（11.4/2）=36.7㎝3
∴σmax=Mw1-1/W2=2540/36.7=69.2kgf/㎝2=7.06MPa<[σ]=113MPa
∴上杆强度满足设计要求。
2.2.3、上杆螺栓核算
已知：
上杆d1=114mm,下杆d2=165mm
经查表知：
满足规格的法兰l=175mm.
M1-1=F1*l1
∴F1=M1-1/l1=25.4/0.175=145.14kgf=1422.372N
已知：
S=8、暂取5.6级，[σ]=σs/s=37.5MPa
∴d1≥√（4*F1/π/[σ]）=√（4*1422.372/π/37.5）=6.95mm＜8.376mm
∴取M10螺栓合理。
2.3地脚螺栓强度计算
2.3.1、风载荷：
同1.5m米处可旋转机构强度核算风载荷
2.3.2下杆强度核算：
已知：
[σ]=113MPa
I=I1=984cm4,W1=I/（1/2*D）=948/（1/2*16.5）=114.9cm3
σmax=M0-0/W=4650/114.9=40.5kgf/cm2=4.13MPa≤[σ]
∴下杆强度满足设计要求。
2.3.3、地脚螺栓核算：
∵M0-0=F0*l0
∴F0=M0-0/l0=46.5/0.26=178.85kgf=1752.7N
已知：
S=8、暂取4.6级，[σ]=σs/s=30MPa
∴d1≥√（4*F0/π/[σ]）
=√（4*1752.7/π/30）=8.62mm<20.752mm
∵给定的地脚孔径为26mm，选取M24螺栓合理。
2.4、维修支撑架根部弯矩核算：
已知：
[σ]=113MPa;
MAB=F*l’
F=162*9.8=1587.6N
l’=1450-100=1350mm=1.35m
∴MAB=F*l’=1587.6*1.35=2143.26N.m
I=1/12*b*h3=1/12*0.008*0.13=6.7*10-7m4
σ=M*y/I=[M*（1/2*h）]/I=（2143.26*0.5*0.1）/（6.7*10-7）=160MPa
σ0=1/2*σ=80MPa≤[σ]
∴满足强度条件。
2.5、轴的弯矩、扭矩强度核算：
查表知：
45钢：
[σ]=70MPa,[τ]=30MPa;
2.5.1弯矩：
M=F*l0=162*9.8*（0.12/2）=95.3N.m
抗弯截面系数：
Wz=π*D3/32=1.5*10-6m3
σ=M/Wz=95.3/（1.5*10-6）=62.1MPa≤70MPa
∴满足强度条件。
2.5.2、扭矩：
T=F*D/2=162*9.8*（0.025/2）=19.8N.m
抗扭截面系数：
Wp=π*D3/16=3.07*10-6m3
τ=T/Wp=19.8/（3.07*10-6）=6.5MPa≤30MPa
∴满足强度条件。
四、设计结语
本次可调节公路检测杆机构的设计，由于是初次设计，没有设计经验，且时间略微紧迫，所以设计存在许多缺点，比如在螺栓的尺寸选择、1.5米处可旋转机构的强度核算、法兰和套筒尺寸的选择上等等可能存在缺陷，精度不够准确，带有一定主观的想法，还请老师帮忙进行指导与改正。
通过这次课程设计，我熟悉了机械设计的基本方法及流程，了解了如何根据各部分结构特点进行强度校核和相应构件的尺寸计算和选择，我的思维变得更严谨，思考问题时不再受传统观念的局限，同时，计算能力与查阅资料的能力也有了一定提高，更重要的是，我懂得了团队合作的重要性——与同学一同讨论问题，能够发现被自己忽略掉的细节，不同想法的碰撞与摩擦产生了更好的交流结果，这是一个人没有办法实现的。
我相信，这次课程设计能够使我在以后进行相关设计中避免很多不必要的工作，设计出结构更紧凑、构件更精确、传动更稳定、性能更优越的设备。
五、参考文献
【1】成大先.《机械设计手册（第四版第2卷）》.北京：
化学工业出版社，2002.1.
【2】王文斌.《机械设计手册（单行本）—连接与紧固》.北京：
机械工业出版社，2007.3
【3】杨可桢，程光蕴，李仲生.《机械设计基础（第五版）》.北京：
高等教育出版社，2006.5.
【4】单辉祖，谢传锋.《工程力学（静力学与材料力学）》.北京：
高等教育出版社，2004.1.
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