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电动升降机设计与机构分析

毕业设计（论文）报告

题目电动升降机设计与机构分析

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专业—

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指导教师

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东南大学毕业（设计）论文独创性声明

本人声明所呈交的毕业（设计）论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

论文作者签名：

日期：

年月日

东南大学毕业（设计）论文使用授权声明

东南大学有权保留本人所送交毕业（设计）论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。

除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。

论文的公布（包括刊登）授权东南大学教务处办理。

日期：

年—月—日日期：

—年—月—日

摘要1

关键词1

Abstract1

Keywords1

1•绪论7

1.1引言7

1.2背景8

1.3目的8

1.4设计任务8

2.设计项目之总体设计9

2.1总体设计9

2.2传动机构的选型10

2.3电动机的选择11

2.4传动比的计算与分配12

2.4.1计算总传动比12

2.5螺杆螺母（滑动丝杆）的选择12

2.5.1螺纹传动的类型12

2.5.2螺纹传动的结构结构12

2.6蜗轮蜗杆的选择13

2.6.1涡轮蜗杆的传动类型13

2.6.2蜗轮蜗杆的材料13

2.6.3确定蜗杆头数14

2.7箱体的安装工艺及总体结构选型14

2.8机构的电路图设计14

3.设计项目之机构零件设计15

3.1机构零件设计计算15

3.1.2蜗轮蜗杆的设计计算16

3.2滑动螺纹设计计算16

3.2.1螺纹的耐磨性计算16

3.2.2螺杆的强度计算17

3.2.3螺纹牙的强度校核18

3.2.4自锁性校核19

3.2.5压杆的稳定性计算19

3.2.6确定轴的最小直径20

3.3箱体的结构设计23

3.3.1箱体的毛坯和材料23

3.3.2箱体加工工艺23

3.3.3根据蜗轮蜗杆的尺寸设计下箱体尺寸23

3.3.4根据螺杆轴和蜗杆轴确定上箱体基本尺寸25

3.4联轴器选用27

341联轴器类型的选择27

342联轴器型号的选择27

3.5联接键选用及校核28

3.6轴承的选择28

4.零件和箱体的实体建模29

4.1螺杆螺母的实体建模过程29

4.2蜗轮蜗杆的实体建模过程31

4.3箱体的建模过程及实体图33

4.4箱体附件说明35

4.5滚动轴承的外部密封装置35

5•根据三维实体出二维工程图35

5.1工程图简介35

5.2零件工程图35

结论40

致谢41

参考文献42

电动升降机设计与机构分析

摘要：

千斤顶又叫举重器、顶重机、顶升机等，是一种用比较小的力就能把重物顶升、下降

或移位的简单起重机具，也可用来校正设备安装的偏差和构件的变形等。

千斤顶主要用于厂

矿、交通运输等部门作为车辆修理及其它起重、支撑等工作。

其结构轻巧坚固、灵活可靠，一人即可携带和操作。

千斤顶是用刚性顶举件作为工作装置，通过顶部托座或底部托爪在小

行程内顶升重物的轻小起重设备，千斤顶的顶升高度一般为400mm顶升速度一般为

10-35mm/min，起重能力最大可达500t。

千斤顶按其构造及工作原理的不同，通常分为机械式和液压式，机械式千斤顶又有齿条式与螺旋式两种，其中螺旋式千斤顶和液压式千斤顶较

为常用；由于起重量小，操作费力，所以螺旋千斤顶一般只用于机械维修工作，在修桥过程中不适用。

液压式千斤顶结构紧凑，工作平稳，有自锁作用。

其缺点是起重高度有限，起升速度慢。

齿条式千斤顶起重量一般不超过20吨，又因为在码头工作，空气中的水分湿气大，

暴露在空气中的部分容易氧化生锈保养维护困难，故不能满足设计要求。

液压千斤顶起重量

满足了要求，但是由于工作介质是液压油，易泄漏，不宜长时间支持重物否则会造成污染甚

至会导致危险事故发生。

所以也不能满足设计要求。

而螺旋千斤顶既能满足起重要求，也能

长时间支持重物，由于采用了涡轮蜗杆有自锁功能。

选择适当的密封箱体来隔绝空气。

故选

择螺旋千斤顶。

关键词：

螺旋千斤顶；自锁；千斤顶；保养维护；

Designandmechanismanalysisofelectriclifts

Abstract:

Jackalsoknownasweightliftingdevices,topheavymachinery,lifting,etc,isarelativelysmallforcewiththeheavyliftingwillbeableto,declineordisplacementofasimplecranecanalsobeusedtocorrectthedeviationandcomponentinstallationthedeformation.Jackismainlyusedinfactories,mines,transportationandotherdepartmentsasvehiclerepairandotherlifting,supportandsoon.Thestructureoflight,solid,flexibleandreliable,onepersoncancarryandoperate.Jackisheldbythetoppieceasarigidattachment,throughthetoporbottombracketclawsjackinginasmallstrokewithinthesmall,lightweightliftingequipment,jacksandliftingheightisgenerally400mm,liftingspeedisgenerally10-35mm/min,liftingcapacityupto500t.Jackaccordingtothedifferentstructureandworkingprinciple,isusuallydividedintomechanicalandhydraulic,mechanicalrackandthescrewjackstherearetwokinds,ofwhichscrewjacksandhydraulicjacksaremorecommon;fromtheweightofthesmall,theoperationeffort,sothescrewjackisgenerallyusedformechanicalmaintenanceworkinbuildingbridgesprocessdoesnotapply.Compacthydraulicjack,smooth,withself-lockingeffect.Thedisadvantageisthelimitedliftingheight,liftingslow.Rackjackfromtheweightofnotmorethan20tons,anditisindockwork,thewatermoistureintheairlargepartexposedtotheaireasilyoxidizedrustmaintenancedifficulties,theycannotmeetthedesignrequirements.Fromtheweightofthehydraulicjacktomeettherequirements,butasaresultofthemediumishydraulicoil,easytoleak,notlongsupporttheweightwillcausepollutionorevenleadtodangerousaccidents.Soitcannotmeetthedesignrequirements.Thescrewjackcanmeettheliftingrequirements,butalsoalongtimetosupportheavyloads,theuseofaself-lockingworm.Selecttheappropriateboxtocutofftheairseal.Soselectthescrewjack.

Keywords:

Screwjack;self-locking;jack;maintenance;

1.绪论

1.1引言

毕业设计是对我们大学四年综合专业学习状况的考察，也是锻炼同学自主创新、设计及

思考的一项重要课题。

本次毕业设计的主题为“电动升降机设计与机构分析”，在设计过程中涉及到了很多在过去的四年中我们所学到的知识，例如齿轮、螺旋千斤顶、轴和与它们相关的专业知识。

这次是我们第二次接触实际进行设计，相信无论对于我们知识的强化还是创新能力、思考能

力又是一次新的锻炼和挑战。

某石化总厂煤码头依江而建，长江的水位随季节会产生变化，码头与岸边连接的皮带输

送机因为码头趸船随潮水的起伏造成倾角过大，给煤的输送造成不利影响。

如图1-1所示。

图1-1煤码头皮带输送机示意图

在皮带输送机的设计过程中，设计者将皮带输送机设计成分段式，并有意识的在靠近水

面的一端增加一趸船装置，将其设计成会随着水位的变化而进行自动调节。

但是在安装使用

后却出现了意想不到的情况。

由于靠近水面的一端会随着水位的变化而自动调节，在长江流

域的枯水期时节，由于水位太低，导致皮带输送机的第一段倾斜角度过大，造成货物在皮带

上的下滑力过大而不断下滑，影响了皮带输送机在日常工作中的效率。

1.3目的

综合运用机械设计基础、机械制造基础的知识和SolidWorks绘图技能，完成传动装

置的测绘、分析和校核，通过这一过程全面了解一个机械产品所涉及的结构、强度、制造、装配以及表达等方面的知识，培养综合分析、实际解决工程问题的能力。

1.4设计任务

1、皮带输送机升降机构总装配图，A3,1张。

2、皮带输送机升降机构零件图，A4,若干。

3、编写毕业设计综合实践报告。

2.设计项目之总体设计

2.1总体设计

（1）机构选型：

根据要求，判断出选择合适的千斤顶

（2）电机的选择：

首先根据要求算出工作端需要的功率，在找出从电动机到工作端之间的总效率。

算出电动机最少需要的效率，查手册即可得到合适的电动机和其相关的参数。

（3）传动比的分配：

a.初步给定梯形螺纹的螺距，根据要求转化为螺杆转速。

b.求出整个机构的传动比。

c.根据表来确定减速器和涡轮蜗杆的传动比。

（4）螺杆螺母的选择

a.螺旋传动的类型：

螺杆螺母按摩擦状态选滑动螺旋，按用途属于传力螺旋。

又因为

受到双向载荷不能选择锯齿形螺纹，所以应选梯形螺纹。

b.螺旋传动的结构：

需要额外支撑座安放止推轴承顶住受到轴向力的垂直于地面的螺

杆。

螺杆回转，螺母在槽里做上下的直线运动。

c.螺旋传动的选材：

螺杆螺母的材料不但要有足够的强度和耐磨性，而且在旋和后还应

具有较小的摩擦系数。

螺杆一般采用45钢，对于重载低速的传动，螺母应选择铸铝

ZCuA19Fe4Ni4Mn2以保证其强度和耐磨性。

（5）蜗轮蜗杆的选择

a.蜗杆的传动类型：

根据GB/T10085-1988推荐，采用渐开线圆柱蜗杆传动

b.蜗轮蜗杆材料的选择：

蜗轮蜗杆的材料不仅要求具有足够的强度，更重要的是具有良好的

跑和性能、耐磨性能和抗胶合性能。

蜗杆用45钢，考虑效率高些，耐磨性好些，蜗杆螺旋

面进行表面淬火，硬度为45-55HRG蜗轮采用铸锡青铜ZCuSn10Pb1金属模铸造，为节省

贵重金属，仅齿圈采用青铜铸成，轮芯用铸铁HT150制造。

（6）箱体的安装工艺及总体结构选型

考虑到机构工作地点较为潮湿，制造箱体的金属材料容易发生腐蚀，导致机构的使用寿

命的缩短，且箱体为铸造成型。

为克服这个困难，故在箱体的选材上我确定使用高硅耐蚀铸铁，其牌号为：

STSi15Gr4R。

2.2传动机构的选型

减速器再通过联轴器传递给

传动方案：

电动机通过联轴器把运动和动力输入到减速器。

蜗杆，蜗杆带动涡轮，螺杆回转螺母向上运动。

从而顶起重物。

如图2-1所示。

图2-1传动方案简图

2.3电动机的选择

根据公式（2-2）可以得到n总=0.982*0.96*0.43*0.982*0.5=0.19

所以,

错误！

未找到引用源。

=p工作/n总=2.7kw

（2-3）

依照错误！

未找到引用源。

选择Y100L2-4封闭式三项异步电动机所以得到错误！

未找到引用源。

=3.0kw

满载转速ne=1430r/min

电动机的输出转矩Td=9550*错误！

未找到引用源。

/ne=20nm

2.4传动比的计算与分配

2.4.1计算总传动比

由于末端是螺旋传动，在计算传动比之前先要知道梯形螺纹的导程来进行转化。

螺旋顶升机螺母上升的速度V=450/5=90mm/min。

那么螺杆的转速为：

n螺杆=V/P=5r/min。

（2-4）

式中：

P――Tr型螺纹的螺距（mm；

总传动比i=ne/n螺杆=1430/5=286（2-5）

式中：

ne电动机转速（r/min）；

n螺杆螺杆的转速（r/min）；

2.4.2分配传动比

查表所得：

一级蜗杆减速器传动比10-40.所以i蜗杆=60

齿轮减速器传动比i减速器=i/i蜗杆=286/60=4.77（2-6）

由机械设计手册查得单级圆柱齿轮减速器的传动比范围小于7，因此所选齿轮减速器满件。

2.5螺杆螺母（滑动丝杆）的选择

2.5.1螺纹传动的类型

（1）三角螺纹粗牙螺纹用于一般连接，细牙螺纹因螺距小，升角小，自锁性好，故常用于薄壁零件连接和微调机构。

（2）矩行螺纹传动效率高，但齿根强度太低，不适合用于重载。

（3）梯形螺纹，牙根强度高，对中性能好，是应用最广泛的一种传动螺纹。

（4）锯齿形螺纹两侧牙型倾角分别为3=3度和P=30度。

3为工作面，30

为非工作面，用来增强牙根强度，这种传动效率高，但用于单向受载的螺旋传动。

根据设计要求，螺杆螺母按摩擦状态选滑动螺旋，按用途属于传力螺旋。

又

因为受到双向载荷所以应选梯形螺纹。

2.5.2螺纹传动的结构结构

如上面所画的机构传动图。

需要额外支撑座安放止推轴承顶住受到轴向力的垂直于地

面的螺杆。

螺杆回转，螺母在槽里做上下的直线运动。

3.滑动螺旋的材料

螺杆螺母的材料不但要有足够的强度和耐磨性，而且在旋和后还应具有较小的摩擦系数。

如表2-1所示，螺杆一般采用45、50钢（本设计应采用45钢）。

对于重载低速的传动,螺母应选择铸铝青铜ZCuA19Fe4Ni4Mn2和铸铝黄铜ZCuZn25AI6Fe3Mn3等，以保证其强度和耐磨性。

表2-1螺杆与螺母常用的材料表

螺纹副

材料

应用场合

螺杆

Q235Q2754550

轻载、低速传动。

材料不热处理

40Gr65Mn20GrMnTi

重载、较高速。

材料需经热处理，以提高耐磨

性

9Mn2VGrWMn38GrMoAI

精密传导螺旋传动。

材料需经热处理

螺母

ZcuSn10P1ZcuSn5Pb5Zn5

一般传动

ZcuAL10Fe3

ZcuZn25AL6Fe3Mn

重载、低速传动。

尺寸较小或轻载高速传动，

螺母可采用钢或铸铁制造，内空浇铸巴士合金

或青铜

2.6蜗轮蜗杆的选择

2.6.1涡轮蜗杆的传动类型

（1）普通圆柱蜗杆传动：

普通圆柱蜗杆的齿面可用直线刀刃的车工车削成形（ZK蜗杆除

外），根据刀具的加工位置不同，可以加工出不同齿廓曲面的蜗杆。

其中有a、阿基米德蜗

杆；b、渐开线蜗杆；c、法向直廓蜗杆d、锥面包络蜗杆。

（2）圆弧圆柱蜗杆传动：

他和普通圆柱蜗杆传动相似，只是齿廓形状有区别。

这种蜗

杆的螺旋面是用刃边凸圆弧形的刀具切制的，而涡轮是用范成法制造的。

根据GB/T10085-1988推荐，采用渐开线圆柱蜗杆传动（ZI）

2.6.2蜗轮蜗杆的材料

蜗轮蜗杆的材料不仅要求具有足够的强度，更重要的是具有良好的跑和性能、耐磨性能

和抗胶合性能。

（1）蜗杆一般是使用碳钢或合金钢制成高速重载的蜗杆常用渗碳钢，这样可以提高表

面硬度，增加耐磨性，表面硬度达58—63HRC也可以用45钢经调质表面淬火，硬度为45

—55HRC对于不太重要低速中载的蜗杆，可采用45钢，经调质处理，其硬度为255—270HBS

表面粗糙度Ra=6.3卩m

（2）蜗轮常用涡轮材料为铸造锡青铜（ZCuSn10Pb1ZCuSn5Pb5Zn5、铸造铝铁青铜

级灰铸铁等。

铸青铜耐磨性最好，但价格较高，用于滑动速度vs_3m/s的重要传动；铝铁

青铜的耐磨性较锡青铜差一些，但价格便宜一般用于滑动速度vs乞4m/s的传动；如果滑动速度不高，对效率要求也不高是，可采用灰铸铁。

为了防止变形，常对蜗轮进行时效处理。

综上所述蜗杆用45钢，考虑效率高些，耐磨性好些，蜗杆螺旋面进行表面淬火，硬度

为45-55HRG蜗轮采用铸锡青铜ZCuSnIOPbl,金属模铸造，为节省贵重金属，仅齿圈采用青铜铸成，轮芯用45钢制造。

2.6.3确定蜗杆头数

蜗杆的头数可根据要求的传动比和效率来选择，一般Zi=1—4.选择的原则是：

当要求传

动比较大或自锁时，取乙=1，但转动效率低；要求具有较高的传动效率或传动比不大时，可取乙=2—4。

蜗轮齿数的多少，影响运转的平稳性和承载能力，一般取Z2=27—80。

对于中小功率的

传动常取Z2=30—50。

因为要求顶升机长时间顶住皮带支撑架，所以蜗轮蜗杆应满足自锁要求，所以蜗杆头数

为1,i=30,Z1=1z2=30。

同时也满足蜗轮的平稳性和承载能力的要求。

2.7箱体的安装工艺及总体结构选型

1.总体结构选型：

在皮带轮支架下搭建混凝土平台，并在上面按照下箱体设计图纸（文

章中图1）中底座安装孔的位置

2.箱体的安装工艺：

考虑到机构工作地点较为潮湿，制造箱体的金属材料容易发生腐蚀，

导致机构的使用寿命的缩短，且箱体为铸造成型。

为克服这个困难，故在箱体的选材上我确定使用耐蚀铸铁，其牌号为：

STSi5R

2.8机构的电路图设计

该机构的升、降和停止动作是由电动机控制，即电机正反转和到极限位置使电动机停止工作。

如果工作人员在操作时没有控制好时间，很容易使螺母脱离螺杆或者螺杆和螺母卡死，所以要设计极限位置。

当螺母运动到极限位置时，碰到极限开关，强行按下SB1按钮断开。

从而电动机停止工作，保护整个机构的安全。

电路图设计如图2-2所示：

SB1为关机开关同时也是极限位置接触开关（即：

顶升机停止）

SB2为电机正转开关（即：

顶升机上升）

SB3为电机反转开关（即：

顶升机下降）

图2-2电动机工作的电路图

3.设计项目之机构零件设计

3.1机构零件设计计算

3.1.1螺杆螺母的设计计算

a.螺旋机构耐磨性的计算：

耐磨条件为：

p=F*P/（二d2*Hh）_[p]

弯曲强度条件:

e.自锁性的校核：

由于此传动机构不是通过螺纹进行自锁，而是利用涡轮蜗杆的自锁性

来实现自锁。

故这里不需要讨论螺旋传动的自锁。

3.1.2蜗轮蜗杆的设计计算

a.确定蜗杆的头数：

当要求传动比较大或自锁时，取乙=1，但转动效率低；要求具有较

高的传动效率或传动比不大时，可取乙=2—4。

蜗轮齿数的多少，影响运转的平稳性和承载

能力，一般取Z2=27—80。

对于中小功率的传动常取Z2=30—50。

因为要求顶升机长时间顶住

皮带支撑架，所以蜗轮蜗杆应满足自锁要求，所以蜗杆头数为1，i=60，Z1=1z2=60。

同时

也满足蜗轮的平稳性和承载能力的要求。

b.按齿面接触疲劳强度进行设计：

c.蜗轮蜗杆的主要参数和几何尺寸的确定：

m,q,z2,a,Px,丫。

3.2滑动螺纹设计计算

3.2.1螺纹的耐磨性计算

由于螺杆和螺母的材料是钢-青铜，滑动速度低速，根据查3-1表得[p]=18-25MPa。

令

屮=H/d2（屮为螺母高度系数=1.5）,并带入设计公式：

式中：

p——工作表面的压力（MPa；

F――作用在螺杆上的轴向力（N）;

d2——螺纹中径（mr）,

h螺纹工作高度（mr）i;对于梯形螺纹，h=0.5P。

H――螺母高度（mr）

P――螺距；

[p]――许用压力（MP3;按照表3-1取[p]=23MPa。

按公式（3-4）算出d2_80.4mm取d2=81mm

.值根据螺母的结构选取。

对于整体式螺母，磨损后间隙不能调整，通常用于轻载或精度

要求低的场合，为使受力分布均匀，螺纹工作圈数不宜过多，宜取'■=1.2〜2.5;对于剖分

式螺母或螺母兼作支承而受力较大，可取=2.5〜3.5;传动精度高或要求寿命长时，允许

=4。

根据公式计算出螺纹中径d2后，按国家标准选取螺纹的

公称直径d=90mm（d=d2+0.5P,d2=81mmac=1）;

螺距P=18mrp

小径d3=70mm（d3=d2-0.5P-2）

螺母高度H=：

、d2=1.581=121.5mm;

圈数z二H/P=121.5/18=6.75。

由于旋合各圈螺纹牙受力不均，故圈数z不宜大于10。

满足条件。

表3-1滑动螺旋副材料的许用压力表[p]

螺纹副材料

滑动副速度/（m/min-1）

许用压力/MPa

低速

18~25

钢-青铜

<3.0

11~18

6~12

7~10

>15

1~2

钢-耐磨铸铁

6~12

6~8

钢-灰铸铁

<2.4

13~18

6~12

4~7

钢-钢

低速

7.5~13

淬火钢-青铜

6~12

10~13

F（N）和转矩T的作用，故

3.2.2螺杆的强度计算

受力较大的螺杆需要进行强度计算。

螺