平衡吊的结构设计本科毕业设计说明书.docx
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平衡吊的结构设计本科毕业设计说明书
毕业设计说明书
GraduateDesign
设计题目：
平衡吊的结构设计
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2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装
订
摘要
在工厂车间里搬运重物，往往都是采用起重机、电葫芦、工业机械手等。
但对于需要频繁吊装、作业时间短的场合，如机床上下工件，装配工作吊装零部件，流水线上的定点工作等等；对于要求比较精确定位的场合，如铸造中的下芯、合箱等等，一般起重设备常不适用，工业机械手多用于生产自动线上或单一的重复操作，而且成本较高，目前，一般车间使用较少。
近年来，出现的一种新型的定点起重设备“平衡吊”，适用于几十到几百千克工件的定点频繁吊运，在工业生产中起到了极其重要的作用，平衡吊的结构简单，操作灵活，吊重后除能作上下升降外，能在
水平面内作360度回转运动，只需要轻轻推拉，就可使吊物随时稳稳地停留在意欲停留的位置上，做到随遇平衡。
本文阐述了平衡吊的基本原理，并对其平衡条件及杆系的平衡方法进行了分析和研究，对平衡吊的结构进行了设计计算。
关键词：
平衡吊；原理应用；力学分析；结构设计
Abstract
Transportstheheavyiteminthefactoryworkshop,oftenallisusesthehoistcrane,thetelpher,theindustrymanipulatorandsoon.Butregardingneedsthefrequenthoisting,theworktimeshortsituation,likeaboutenginebedworkpiece,installationworkhoistingsparepart,inassemblylinefixed-pointworkandsoon;Regardingtherequestquitepinpointingsituation,likeinthecastingundercore,gathersboxandsoon,thegeneralhoistingequipmentsarenotoftensuitable,theindustrymanipulatorusesinproducingfromthegeneratrixinorthesolerepetitionoperation,moreoverthecostishigh,thegeneralworkshopuseareatpresentfew.Inrecentyears,appearedonekindofnewfixedpointhoistingequipment“thebalaneehung”,wassuitableinliftsfrequentlyseveraldozenstoseveralhundredkilogramworkpiecefixedpoints,playedtheextremelyvitalroleintheindustrialproduction,thestructurewhichthebalancehunghasbeensimple,theoperationwasnimbleabout,afterthecranebesidescoulddorisesandfalls,couldmake360degreegyroscopicmotionsinthehorizontalplane,onlyneededgentlyonrollers,mightcausetohangthethingsteadilytopauseasnecessaryinthepositionwhichcaredfortopause,achievedtheindifferentequilibrium.Thisarticleelaboratedthebalancehangsthebasicprinciple,andhascarriedontheanalysisandtheresearchtoitsequilibriumconditionandthepoledepartment'sbalaneedmethod,hungthestructuretothebalancetocarryonthedesigncalculation.
KeyWords:
Thebalancehangs,Principleapplication,Mechanicsanalysis,Structuraldesign
1平衡吊的工作原理及平衡条件3
1.1平衡吊的结构和工作原理3
1.2平衡吊的平衡条件4
2平衡吊的运动分析8
3平衡吊的结构尺寸设计11
3.1工作条件的确定11
3.2滚道C和丝杠螺母A的位置尺寸的确定11
3.2.1丝杠螺母A的上下极限位置的确定11
3.2.2滚轮C的左右极限位置的确定12
3.3初定各杆长度13
3.4不计自重时，各杆截面尺寸的设计14
3.4.1FED干截面尺寸的设计14
3.4.2ABD杆截面尺寸的设计17
3.4.3EC杆和BC杆截面尺寸的设计20
4杆件自重对平衡的影响及其平衡办法22
4.1各杆件自重在C点处引起的失衡力的大小22
4.2消除各杆自重引起的失衡措施26
4.3估算各杆质量，计算配重27
4.3.1各杆质量的估算27
4.3.2用质量代换法计算配重28
5平衡吊传动部分的设计31
5.1滚珠丝杠副的选择31
5.2电动机的选择37
5.3减速器的选择41
5.4联轴器的选择43
6平衡吊回转机构的设计46
6.1滚动轴承的类型的选择46
6.2角接触球轴承和推力球轴承的型号选择47
6.3回转机构的结构图49
7平衡吊各铰链处的设计50
结论52
参考文献53
谢辞54
1平衡吊的工作原理及平衡条件
1.1平衡吊的结构和工作原理
平衡吊的结构如图1所示，主要分为传动、杆系和回转机构三个部分。
传动部分是完成起吊重物功能的机构，由电动机、减速器、联轴器等带动丝杠回转，驱使螺母升降，从而完成吊钩在垂直方向的升降运动。
该部分也可由气缸、油缸代替完成起重物的功能。
图1
杆系部分是一平行四连杆机构，它由ABD、DEF、BC、CE四杆组成，在B、C、D、E处用铰链连接，其中BC11=DE，BD//=CE。
在C点安装有滚轮，可以沿水平导轨滚动，当C点沿水平方向移动时，吊钩F
点作水平运动。
传动部分和杆系通过回转机构安装在立柱上，可以使吊钩绕立柱回转360°。
平衡吊的水平运动和绕立柱的回转运动，用手在吊钩处轻轻推动即可获得，而升降运动可以通过操作按钮由电机来完成
1.2平衡吊的平衡条件
平衡吊的平衡是指：
吊钩F点无论空载还是负载，运行到工作范围内的任何位置后都可以随意停下并保持静止不动，即达到随遇平衡状态。
由图I可知A点的运动是由传动部分控制的，当在一定高度时，可以将A点看作一个固定铰链支座，C点的水平移动是引起F点水平运动的原因，如果吊钩F在任何位置（起重或空载）时，F点、C点、A点只有垂直方向的反力且合力为零，那么支座C点的水平受力为零，平衡就可以得到。
为便于分析问题，假设杆系的自重及各铰链点之间的摩擦均忽略不计。
根据静力学的原理，平面力系中某一杆件同时受三力作用，则三力必交于一点，叫做三力杆。
某一杆件同时受二力作用且二力的作用点在两个端点，则二力必然大小相等方向相反，叫二力杆。
故CBCE为二力杆。
其受力方向沿铰链连线。
ABDDE为三力杆。
三力平衡时，其力必汇交于一点。
先分析DEF杆件。
在F点吊起重物G时，其方向垂直向下，CE杆通过铰链E压给
DEF杆的作用力P的方向为沿CE连线方向，G力与P交于K点，则第三个力Q，即
ABD杆通过铰链D作用于DEF杆的力，必通过D点交于K点方向可由力三角形得出,如图2所示。
其次再分析ABD杆件，根据作用与反作用的道理，显然，杆件DEF通过铰链D
给杆ABD以反作用Q',方向如图3所示。
二力杆BC通过铰链B给杆ABD的作用力S沿BC方向，Q'力与S力交于J点，则第三个力即固定铰链A对ABD杆的支反力R必然通过J点，其方向由力三角形提出，如图3所示。
图3
如前所述，平衡吊要达到平衡，支反力R必须为铅垂方向的力。
现在将这两个
构件的受力分析综合到一起来研究。
如图4所示，由于在力多边形中，G力与R力同为铅垂方向，S力与P力的水平
TT
投影是等长的，即S力与P的水平分力大小相等方向相反，处于平衡状态，故C点
无水平分力。
K
F
在什么条件下才能保证支反力
R保持铅垂方向，根据上述受力分析，只有当机
构在任意一个位置下，都能做到：
过F点做一条铅垂线FK与EC杆的延长线相交于K点，再连接K、D两点并延长与BC杆的延长线相交于J点，而J点正好过A点
所作的铅垂线上，才能使支反力R保持铅垂方向
要做到这一点，满足机构的几何条件为:
-△KEFs△ABJ
-△KDEs△DJB
相似三角形的对应边成比例关系，得到:
EF:
EK=BJ:
AB
-DE:
EK=BJ:
BD
由以上两式得到：
EF
假设：
ABD=
:
H，
DEF=
：
L,
L1
H1
则：
l
h
L
H
即：
—
l
h
DE=
=BD
:
AB
AB=
h，
BD=
H1
DE=
:
l，
EF=
L1
（L1
l）
或者
•
l
为放大系数
（H1h）
h
这就是说，只要杆系各杆件满足上述关系式，机构即可在任意位置达到平衡
同时，从图5中还可以看到另一个重要现象，即A,C,F三点共线。
证明如
下:
FE
L1
•••FE//BC
"BC
l
EC
H1
•••EC//AB
"BA
h
又•••/FEC
=/CBA
•••△FEC
s△CBA
Ef
CC
Bf
得到：
FC//CA
因为C点为FC和CA的共同点,所以FC与CA必须在同一直线上，即F,C,A三点共线
2平衡吊的运动分析
F面针对当A点升降和C点移动时，作钓钩F的运动分析。
1.当A点不动时，F点的运动规律
如图5,过C点作一条水平线MN,A点与F点在此水平线上的投影分别为
M、N两点。
假设此时C点平移至C'点，F点平移至F'点。
同样F'、C'、A三点共线。
F'点在MN线上的投影为N'点。
C点未移动时：
CEEFFC
ABBCCA
△FNCs△AMC
FN
AM
FC
AC
二FN=
（1）XAM
.
（1）
C点移动后:
E'C'
s△C'B'A
ABBC
△F'N'C'
s△AMC'
FNFC
AMAC
•••F'N'
（1）XAM
...
（2）
由
（1）、
（2）式得出：
F'N'=FN
即证明C点水平移动时，F点在水平方向上作水平移动。
•••△AFF's△ACC'
FFAF
CCAC
CC'
•••FF'
即F点的水平移动速度为C点的倍，如果C点作匀速运动，F点也作匀速运动。
2.当电机带动A点运动时，F点的运动规律
此时将C点看作一个固定铰链支座，见图6。
当A点移至A'点时，A'
C、F'三点共线（道理同上）。
过C点作水平
线NM，FN丄NM
同理:
由上述可以得到:
•••△FECs△CBA
EFFCL1“
1
BCCAI
•••△FNCs△AMC
CNFCL1,
.1
CMACI
△CNF's△CMA'
（3）
（4）
NF'//MA
故知F点在垂直方向上运动，其大小可由△CNF's△CMA
得到:
FF
AA
L1
T
1
（5）
即F点的垂直移动速度为A点的运动。
1倍，如果A点作匀速运动，F点也作匀速
3平衡吊的结构尺寸设计
3.1工作条件的确定
在一般工厂车间里，通常加工的零件的重量都在100kg以下，且机床和机床之
间的距离3〜5m左右，平衡吊应放置在两机床之间，保证两边的上下工件工作都能满足。
现初定平衡吊的工作条件如下：
额定起吊重量：
G
100
kk
取大回转半径：
Rmax2500
水平变幅：
b
1900
最大起吊高度：
h
2000
垂直变幅：
S
1800
提升速度：
v
6m/min
杆件材料：
Q235
3.2滚道C和丝杠螺
母
A的位置尺寸的确疋
根据平衡吊的力学平衡原理分析已知：
A、C、F三点共线。
且有这样的关系
FFL1,FFAF
（处取=10）
1
AAI'CCAC
即有：
1•当A点固定不动时，滚轮C的水平移动使重物G在水平方向移动，且重物
的移动距离与滚轮C的移动距离呈
倍的关系。
由水平变幅为1900伽可以得出滚
道的理论长度为190伽
2.当C点固定不动时，丝杠螺母A的竖直方向的移动使重物G上升或下降。
同样有重物移动的距离是A的移动距离的
（1）倍。
由竖直变幅为1800mm可以
得出丝杠螺母的移动距离为200伽。
3.2.1丝杠螺母A的上下极限位置的确定以A、C、F点作为研究对象。
如图7所示，设滚轮C固定不动，F点随丝杠螺母A的移动而移动。
F'、F、
A、A'、分别为上下极限位置。
图中过C点作水平线交FF'于P点，交AA'于
Q点，交立柱中心线于0点。
贝UFF'=S=1800伽，AA'=200伽
•••△FF'Cs△AA'C
令:
得:
即以滚轮
FC:
AC=
F'P=630m，
（1）：
1=9:
1
PF=1170m
AQ=130m，
C所在平面为基准时，丝杠螺母能到的极限位置为上
QA'=70mm
130mm，下70
mm。
F'
3.2.2滚轮C的左右极限位置的确定
由于C点的左右移动只引起钓钩F点的水平移动，而已知平衡吊的水平变幅为1900m,所以如图8所示，设丝杠螺母A固定不动，F、F'、C、C'分别为左右极限位置，图中过C点作水平线，过A点作竖直线，二者交于P点。
过FF'作水平线交立柱中心线于0'点交AP延长线于Q点。
则有：
FF'=1900m，FO'=2500m，CC'=190m
•••△AC'Ps△AF'Q
FQAF
CPAC
即:
（6）
F'Q=C'P
又由图可知：
F'O'FO—FF'=2500伽一1900mm=600mm
O'Q=OP=OC+C'P
设CP=X，则有：
F'OkOC+X=X
600+OC+X=X
600+OC=9X
令：
OC=120m,则有：
X=80mm,CO=70m
即是以柱中线为基准时，滚轮C能到的理论极限位置为左70m,右120m,丝杠螺母与立柱中心的水平距离为200m。
A
C__
OCP
FF'O'Q
3.3初定各杆长度
各杆长度必须满足能够使F点到达最高，最低，最左，最右四种极限位置。
又由平衡吊的原理可以知道/FDA随着ACF长度的增大而增大，且有关系:
10
AF
AC
即ACF直线随AC长度的变化而变化，当AC最大时/FDA最大。
由3.2中确定的尺寸可知当A在最高点，C在最左边时AC取得最大值：
ACmax=13022702〜299.7m
所以ACF的最大值为：
ACFmax=10ACmax=2997m
由三角形原理有：
三角形的任意两边之和必须大于第三边。
ACFmax
令:
则:
在杆满足长度条件的同时为了保证不能因/
FDA太大而导致杆件受力太大，取
ACFmax
杆长H=L=1700m。
2H
此时：
/FDAmax=2XarcsinACFmax=2Xarcsin2997〜123.6°
3400
综上，初定杆长为:
H=L=1700mm,h=l=170mm
Hi=L1=1530mm
3.4不计自重时，各杆截面尺寸的设计
3.4.1FED杆截面尺寸的设计
如图2所示，杆FED受到吊重G,CE杆的支撑力P和ABD杆的拉力Q的共同
作用，由受力图易知杆的弯矩图如下：
Mnax
图9FED杆的弯矩图
由弯矩图可以看出，最大弯矩出现在E截面，且有
M=G?
|EF=GXsin/KFExEF
当/KFE=90°时，M=Mmax=Gx|EF=980NX1.53m=1499.4Nm
（7）
即当FED杆处于水平位置时，受到的弯矩最大，最大值出现在E截面处，E截
面为危险截面。
横力弯曲时，弯矩随截面位置变化，一般情况下，最大正应力cmax发生在弯
矩最大的截面上，并且离中性轴最远处。
公式为：
MmaxYmax
ermax=
Iz
（8）
式中:
Mmax杆所受到的最大弯矩。
Ymax截面上距中性轴最远距离。
Iz――截面对Z轴的惯性距。
设杆件的截面尺寸为“工”字型，相关尺寸如图则截面对Z轴的惯性距为：
10所示:
100mm
Iz=
12
3
（40mm）+
100mm
12
（40mm）3+50mm（60mm）3
12
236
12
105mm4
代入最大正应力公式中有:
iFh
二I
r
/jT
X
/
\jF
z
XjF
jTjT
jF
jFXxx
X
jF
f/
jTz
_x
■F
o
Z
M
KJ
/jFX
¥/
/
1
MmaxYmax
o-max=
Iz
=1499.4Nm70mm12
图10FED杆的截面尺寸
最大弯曲正应力求出后，就要校核杆件的强度。
弯曲强度条件为：
（Tmax<[（T]
式中[c]为杆件材料的弯曲许用应力。
杆件所用材料为Q235是塑性材料，塑性材料到达屈服时的应力是屈服极限cs，为保证构件有足够的强度，在载荷作用下构件的实际应力c,显然应该低于极限应力。
强度计算中，以大于1的因数除极限应力，所得到的结果即为许用应力。
对于塑性材料来说：
（9）
[c]=
式中n为安全系数。
选择安全系数应考虑的一般因素为：
构件破坏可能导致的伤亡事故，构件破坏可能造成的停产损失和修理费用；材料强度的分散性和不确定性，载荷的不确定性，如使用过程中有超载、动载或冲击载荷的可能性等等。
安全系数的选取经验一般如下：
1.对于可靠性很强的材料（如常用的中低强度高韧性结构钢，强度分散性小）
载荷恒定。
设计时以减低结构重量为重要出发点时，取n=1
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