螺旋起重机设计.doc

机械设计大作业

设计题目： 螺旋起重机
机械与自动控制院（系） 机械设计制造及其自动化专业
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指导教师：

目 录

1. 设计条件 1
2. 螺旋起重器的工作原理及其结构 1
3. 螺杆螺纹类型的选择 2
4. 螺杆和螺母材料 2
5. 螺杆设计与计算 3
5.1 确定螺杆直径 3
5.2 自锁验算 3
5.3 螺杆强度计算 4
5.4 稳定性计算 4
6. 螺母设计与计算 5
6.1 选取螺母材料 5
6.2 确定螺母高度及螺纹工作圈数 5
6.3 校核螺纹牙强度 6
6.4 螺母外径计算 7
6.5 螺母凸缘设计 7
7. 手柄设计与计算 7
7.1 手柄材料 7
7.2 手柄长度 7
7.3 手柄直径 8
8. 托杯设计 8
9. 底座设计 9
参考文献 10

1. 设计条件
起重量FQ=30kN
最大起重高度H=180mm
2. 螺旋起重器的工作原理及其结构
螺旋起重器（千斤顶）是一种人力起重的简单机械，主要用于起升重物。千斤顶一般由底座、螺杆、螺母、托杯、手柄等零件所组成。螺杆在固定螺母中旋转，并上下升降，将托杯上的重物举起或放落。

图 21螺旋起重器结构
3. 螺杆螺纹类型的选择
梯形螺纹的内外螺纹以锥面贴紧不易松动，工艺性好，牙根强度高，对中性好，所以选择梯形螺纹。
4. 螺杆和螺母材料
螺杆材料要有足够的强度和耐磨性，一般用45钢，再经调质处理。
查【2】，GB/T699-1999标准规定 =355 MPa，由，
得。
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系数小和耐磨，故选用ZCuSn10Pb1。
因螺杆—螺母材料为钢—青铜,查表 41和表 42得，滑动螺旋副的摩擦系数，选用；许用压力，选用。
表 41 滑动螺旋副材料的许用压力
螺杆—螺母的材料
滑动速度
许用压力
钢—青铜
低速
18~25
≤3.0
11~18
6~12
7~10
>15
1~2
淬火钢—青铜
6~12
10~13
钢—铸铁
<2.4
13~18
6~12
4~7
表 42 滑动螺旋副材料的摩擦系数
螺杆—螺母的材料
摩擦系数f
钢—青铜
0.08~0.10
淬火钢—青铜
0.06~0.08
钢—钢
0.11~0.17
钢—铸铁
0.12~0.15

5. 螺杆设计与计算
5.1 确定螺杆直径
滑动螺旋的磨损与许多因素有关，其中最主要的是螺纹工作表面上的压力，压力愈大，螺旋副间越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作表面上的压力，使其小于材料的许用压力。
对于梯形螺纹，耐磨性设计计算式为：
(5-1)
式中：F─螺杆所受轴向载荷，N；
─螺纹中径，mm；
[p]─螺旋副材料的许用压力，MPa。

对于整体螺母，由于磨损后不能调整间隙，为使受力分布比较均匀，螺纹工作圈数不宜过多，故取，选用，，=30kN，得。
根据GB/T 5796.3-1986标准，螺杆中径取，选取螺杆的公称直径，小径，螺距；螺母螺纹大径D=28.5mm，螺母螺纹中径，梯形螺纹牙型角为30°

5.2 自锁验算
校核螺旋副是否满足自锁条件，自锁条件，
(5-2)
(5-3)
式中：为螺纹升角；为当量摩擦角；n为线数；
。
∴
满足自锁条件。
5.3 螺杆强度计算
螺杆所受扭矩：
(5-4)
根据第四强度理论校核螺杆的强度：
(5-5)
其中
该螺杆满足强度要求。
5.4  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。
螺杆危险截面的惯性半径：
(5-6)
对起重器螺杆，可看作一端固定、一端自由，长度系数取
螺杆的工作长度：

为螺母高度，H为最大起重高度
∴螺杆的柔度，需要进行稳定性校核 ，
(5-7)
(5-8)
E为螺杆材料的拉压弹性模量，；
螺杆的稳定性条件为：
(5-9)
F=30kN，，计算得=3.48
=0.57%5%
螺杆满足稳定性要求。
6. 螺母设计与计算
6.1 选取螺母材料
螺母选用青铜ZCuSn10Pb1，材料的许用切应力，许用应力为。
6.2 确定螺母高度及螺纹工作圈数
螺母高度：
=51mm (6-1)
螺纹工作圈数：
(6-2)
螺纹工作圈数不宜超过10圈，
=2%5%
螺纹圈数满足工程要求。
6.3 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。
查表 61，青铜螺母=40~60，，取=40MPa，。
表 61 滑动螺旋副材料
螺旋副材料
许用应力(MPa)
[σ]
[σ]b
[τ]
螺杆
钢
σs/(3~5)

螺母
青铜

40~60
30~40
铸铁

40~55
40
钢

(1.0~1.2) [σ]
0..6[σ]
注：1）σs为材料屈服极限。
2）载荷稳定时，许用应力取大值。

螺纹牙危险截面的剪切应力为：
(6-3)
∴满足要求
螺纹牙危险截面的弯曲强度条件为
(6-4)
∴满足要求    
式中：
l为弯曲力臂, l=(D-D2)/2；
b为螺纹牙根部的厚度,对于梯形螺纹，b=0.65P；
D为螺母螺纹大径。
6.4 螺母外径计算
由经验公式得，螺母外径 D21.5d=1.528 mm=42mm
6.5 螺母凸缘设计
由经验公式，
螺母凸缘外径D31.4 D2 =58.8 mm,取D3=59mm。
螺母凸缘厚b’=(0.2~0.3)=(0.2~0.3)51mm =10.2~15.3 mm，取 b’=12 mm 。
螺母凸缘根部抗剪切强度较大，剪断很少发生，强度计算可从略。
7. 手柄设计与计算
7.1 手柄材料
手柄材料选用Q235钢。
7.2 手柄长度
加在手柄上的力需要克服螺纹副之间相对转动的阻力矩和托杯支撑面间的摩擦力矩。L为手柄长度，则
F’L= T1 + T2
式中：
T1 ──螺旋副螺纹牙间的摩擦力矩，；
T2──螺杆与托杯底面间的摩擦力矩，Nmm；
F’为加于手柄上一个人的臂力，间歇工作时，约为150～250N，工作时间较长时为100～150N，选。

(7-1)
(7-2)
由经验公式，
D’=(1.6~1.8) d = (1.6~1.8)×28mm=44.8~50.4mm。取D’=45mm
D1=(0.6~0.8) d = (0.6~0.8)×28mm=16.8~22.4mm 。取D1=20mm
式中：
F为螺杆所受轴向载荷，N

托杯材料选铸铁，手柄材料选Q235，摩擦因数f＝0.12，计算得

L== mm = 477.392 mm
取L=500 mm。
7.3 手柄直径
把手柄看成一个悬臂梁，按弯曲强度确定手柄直径dp，其强度条件为 ：
(7-3)
故

可以取 。

8. 托杯设计
托杯用来承托重物，可用铸铁HT200铸成。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。
由经验公式，

9. 底座设计
底座材料常用铸铁（HT150及HT200），铸件的壁厚不应小于8～12mm，
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。
螺杆下落到地面，再留20~30 mm的空间。

D5由结构设计确定

取D5 = 100mm。D4=1.4D5=1.4×100 = 140mm，
结构确定后校核地面的挤压应力:
(9-1)
底座材料选择铸铁HT150，查【2】，当铸件壁厚=10~20 mm时，b145MPa，[p]=(0.4~0.5)145MPa=58~72.5MPa
p[p]，满足设计要求。
由经验公式，

S取20mm。

参考文献
【1】 濮良贵、纪名刚.机械设计[M].8版.北京:高等教育出版社，2006.
【2】 机械设计手册

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