基于慧魚組件的多功能物料運(yùn)輸車機(jī)器人設(shè)計起升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)部分設(shè)計【履帶式災(zāi)害救援機(jī)器人設(shè)計】,履帶式災(zāi)害救援機(jī)器人設(shè)計,基于慧魚組件的多功能物料運(yùn)輸車機(jī)器人設(shè)計起升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)部分設(shè)計【履帶式災(zāi)害救援機(jī)器人設(shè)計】,基于,組件,多功能,物料,運(yùn)輸車,機(jī)器人,設(shè)計,機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu),部分,部份,履帶式,災(zāi)害 第 34 頁 共 34 頁 1 引言 對我們?nèi)珖腥藖碚f，說到5月12號這一天，大家應(yīng)該都不會忘記，我國遭遇了特大的自然災(zāi)害——汶川地震，房屋倒塌，許多人流離失所，那場景觸目驚心。根據(jù)災(zāi)難發(fā)生的時間，災(zāi)難救援可以分為災(zāi)前救援、災(zāi)時救援與災(zāi)后救援三個階段[l]。而災(zāi)害事故具有突發(fā)性、災(zāi)難性、破壞性等特點(diǎn)，因此三個階段在災(zāi)難發(fā)生時通常沒有明確的界限，但是各個階段救援工作都面臨著兩個問題：環(huán)境的復(fù)雜性和環(huán)境的危險性。它的危害嚴(yán)重，以地震后災(zāi)區(qū)環(huán)境為例，地震后存在易二次倒塌建筑物的現(xiàn)場，施救人員無法深入進(jìn)行偵察或施救，而人們又急于探知災(zāi)難現(xiàn)場的內(nèi)部險情，但又不敢或無法接近或進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場，而且災(zāi)后災(zāi)區(qū)物資的匱乏是也是其中一個難題，因此物資的及時運(yùn)輸是災(zāi)后救援的一大重要工程。 1.1 項目的研究意義 　　在世界各地，由于自然災(zāi)害、恐怖活動和各種突發(fā)事故等原因，災(zāi)難經(jīng)常發(fā)生。在災(zāi)難救援中，救援人員只有非常短的時間(約48小時)用于在倒塌的廢墟中尋找幸存者，否則發(fā)現(xiàn)幸存者的幾率幾乎為零。在這種緊急而危險的環(huán)境下，多功能物料運(yùn)輸車可以為救援人員提供幫助。因此，將具有自主智能的在危險和復(fù)雜的災(zāi)難環(huán)境下“搜索和營救”(SAR)幸存者，是起重運(yùn)輸機(jī)械學(xué)中的一個新興而富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域[l]。 我國前段時間遇到的災(zāi)難汶川地震，不安全因素很多，房屋倒塌嚴(yán)重，還連帶著許多小的余震等，災(zāi)害事故危害嚴(yán)重，傷害人員多。各類災(zāi)害事故存在突發(fā)性、災(zāi)難性、破壞性等特點(diǎn)。因此，研究廢墟搜救新裝備是一項緊迫任務(wù)。目前，救災(zāi)方式只是根據(jù)事故的類型確定救災(zāi)的方案，一般救護(hù)人員無法進(jìn)入危險區(qū)域，只能通過一些特殊設(shè)備進(jìn)入災(zāi)區(qū)，然后再搜救遇險災(zāi)民。這種方式危險性大，傷亡人數(shù)多，救災(zāi)周期長，往往效率低。隨著科技的發(fā)展，物料運(yùn)輸機(jī)械將被應(yīng)用到廢墟救災(zāi)領(lǐng)域。物料運(yùn)輸車?yán)米陨淼膬?yōu)點(diǎn)，能迅速找到遇險災(zāi)民的位置，降低事故危害性，對提高救災(zāi)效率具有重大意義，具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)[19]: 第一多功能物料運(yùn)輸車具有靈活性好、機(jī)動性強(qiáng)的特點(diǎn)，有較好的爬坡和越障能力，能適應(yīng)現(xiàn)場各種各樣的地理環(huán)境。比如，蛇形救災(zāi)機(jī)器人能適應(yīng)任何的復(fù)雜環(huán)境，在礦井下能自由運(yùn)動； 第二當(dāng)多功能物料運(yùn)輸車順利的越過障礙后，能迅速將物品運(yùn)放到指定的位置。以便遇險災(zāi)民更好的得到救助； 第三多功能物料運(yùn)輸車具有為遇險災(zāi)民投放小包食品、藥物和通訊裝置等輔助功能，并合理分配，能有效地減少遇險災(zāi)民的傷亡人數(shù)； 第四可以連續(xù)的執(zhí)行乏味的搜索救援任務(wù)，而不會像人一樣感到疲倦； 第五不怕火、濃煙等危險和有害條件。 世界各國都在不斷加大物料運(yùn)輸機(jī)械的開發(fā)投入和研究力度，及時把微電子技術(shù)、自動化技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)以及新材料、新工藝等現(xiàn)代高新技術(shù)大量運(yùn)用于物料運(yùn)輸機(jī)械的生產(chǎn)、制造等領(lǐng)域，使物料運(yùn)輸機(jī)械的技術(shù)含量越來越高，在未來發(fā)展方向上呈現(xiàn)出許多新的特點(diǎn)。 1.2 國外物料運(yùn)輸機(jī)械的發(fā)展趨勢 在國外，物料運(yùn)輸機(jī)械的發(fā)展迅速，技術(shù)日益成熟，并進(jìn)入實用化階段，日本、美國、英國等已開始裝備使用[7]。在災(zāi)難現(xiàn)場中，物料運(yùn)輸車應(yīng)能迅速找到幸存者的位置。?起重運(yùn)輸機(jī)械作為后勤裝備保障的重要組成部分，其信息化程度如何，將直接影響軍需物資在起重、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的保障效能。為此，世界各國都在現(xiàn)有物料運(yùn)輸機(jī)械的基礎(chǔ)上，及時將全球定位技術(shù)、實時跟蹤技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)用于物料運(yùn)輸機(jī)械上。例如，在現(xiàn)代物料運(yùn)輸機(jī)械上，通過安裝車載接收器、數(shù)字化定位跟蹤儀、自診斷故障檢測儀以及遙感器等信息裝置，以實現(xiàn)對物料運(yùn)輸機(jī)械在日常作業(yè)、調(diào)度和管理上的實時、實地的動態(tài)控制[11]。另外，為了在惡劣的災(zāi)區(qū)無法到達(dá)的地區(qū)救援時，歐美等發(fā)達(dá)國家開始在一些物料運(yùn)輸機(jī)械上加裝自動探測器和一些智能型處理設(shè)備，并將紅外技術(shù)、遙感技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行綜合集成，使物料運(yùn)輸機(jī)械在進(jìn)行救援作業(yè)時一方面具有一定的自動判斷、偵察和識別能力；另一方面還能自動生成作業(yè)方案和自動修改作業(yè)參數(shù)，所有作業(yè)程序都是自動完成的。例如，美、英等國相繼開發(fā)和研制出的智能型物料運(yùn)輸機(jī)械，一旦在物料運(yùn)輸作業(yè)過程中遇到危險物、爆炸物時，則會通過無線電控制技術(shù)，指令機(jī)器人對物料運(yùn)輸機(jī)械進(jìn)行各類作業(yè)。這些對災(zāi)后救援工作找到幸存者非常有利。 1.3 未來物料運(yùn)輸機(jī)械的發(fā)展趨勢 災(zāi)害事故的突發(fā)性、驟然性、不確定性等因素增多，這些都對物料運(yùn)輸機(jī)械的性能提出了更高的要求，尤其是速度性能已成為當(dāng)今世界各國普遍追尋的目標(biāo)。目前，無論是橋、門式起重機(jī)，還是輪式物料運(yùn)輸機(jī)械，如各種軍用搬運(yùn)機(jī)械、裝載機(jī)或挖掘機(jī)，在追求作業(yè)穩(wěn)定性能的同時，也更關(guān)注起重、運(yùn)輸作業(yè)的速度性能。例如軍用裝載機(jī)和挖掘機(jī)，其機(jī)動速度由原來不足45 km／h，現(xiàn)已普遍提高到60 km／h～70 km／h，有的甚至更高。如澳大利亞產(chǎn)的ADI型多功能起重車，最高時速可達(dá)100 km／h；長距離行駛速度平均在80km/h。這種高速化的設(shè)備，一方面能夠滿足部隊快速編隊行進(jìn)的需要，另一方面還能滿足在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中大量軍需物資補(bǔ)給、消耗的需要[12]。除了這些，物料運(yùn)輸車還應(yīng)具備多功能化，例如，由澳大利亞研制生產(chǎn)的ADI型多功能起重車，除了裝有前置裝貨機(jī)和助耕機(jī)外，還可選裝夯土機(jī)、大地螺絲鉆、巖石破碎機(jī)、絞盤以及雪犁等工作裝置，以完成各種軍事野外工程和后勤保障任務(wù)。美國山貓公司生產(chǎn)的多功能物料搬運(yùn)車，除了能夠在倉庫、碼頭、岸灘等不同場地作業(yè)外，還能通過更換屬具的方式，實現(xiàn)起重、運(yùn)輸、堆碼垛、裝卸載以及高空作業(yè)等多種功能。再如，由法國曼尼妥公司為北約部隊設(shè)計生產(chǎn)的多功能懸臂式維修起重機(jī)，既能在軍港碼頭進(jìn)行高、低空維修作業(yè)，也能在機(jī)動港和岸灘展開作業(yè)。另外，統(tǒng)一起重運(yùn)輸機(jī)械底盤，做到一種底盤多種車型則是多功能化的另一種發(fā)展模式。如美軍的裝甲型起重運(yùn)輸機(jī)械，大多采用主戰(zhàn)坦克的底盤；車身則采用抗打擊能力極強(qiáng)的防護(hù)材料，以實現(xiàn)起重運(yùn)輸機(jī)械在各種復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的保障能力和戰(zhàn)場的生存能力。這些朝著多功能化方向發(fā)展的軍用起重運(yùn)輸機(jī)械，其作業(yè)適應(yīng)能力和范圍都將得到大幅度的提高[18]。 1.4 設(shè)計產(chǎn)品的目的 我們都知道災(zāi)后道路毀壞，普通車輛難以進(jìn)行正常運(yùn)輸，空投物資雖然能夠及時準(zhǔn)確的進(jìn)行物資補(bǔ)給，但是代價高昂。因此能不能有這樣一種運(yùn)輸車？它既能在崎嶇的地形上正常運(yùn)行，越過重重障礙物，而且又能方便快捷的將物資運(yùn)送到需要的地區(qū)，以解燃眉之急。因此本文設(shè)計了一款多功能物料運(yùn)輸車，多功能物料運(yùn)輸車的參與可以有效地提高救援的效率和減少施救人員的傷亡，它們不但能夠幫助工作人員執(zhí)行救援工作，而且能夠代替工作人員執(zhí)行搜救任務(wù)，在災(zāi)難救援中起著重要的作用，其中我們設(shè)計的這款多功能物料運(yùn)輸車是根據(jù)目前市場上的履帶式起重機(jī)進(jìn)行改進(jìn)的，我們都知道起重機(jī)是能在一定的范圍內(nèi)垂直提升和水平搬運(yùn)重物的多動作起重機(jī)械，又稱為吊車，我們都知道吊車主要用是來吊運(yùn)成件物品的，在配備適當(dāng)?shù)蹙吆笠部傻踹\(yùn)散狀物料和液態(tài)物料，因此我們設(shè)計的這款多功能物料運(yùn)輸車將不僅僅在救災(zāi)上起到很大的作用[15]，或許將來可以替代起重機(jī)進(jìn)行作業(yè)，因此結(jié)合以上所述，我們知道該產(chǎn)品在災(zāi)害時非常實用，面對受災(zāi)人員，竭力救援，而且該產(chǎn)品容易推廣使用，具有很好的市場前景！而我在本次設(shè)計中主要負(fù)責(zé)的就是多功能物料運(yùn)輸車的起升機(jī)構(gòu)部分，往下會加以具體說明。 2 總體方案設(shè)計 2.1 模型實物圖 分析多功能物料運(yùn)輸車的功能結(jié)構(gòu)，根據(jù)它的工作原理，來設(shè)計它的結(jié)構(gòu)。 利用慧魚模型組合包來組建多功能物料運(yùn)輸車的模型，如下圖1所示就是慧魚模型組建的多功能物料運(yùn)輸車的模型。 圖1 多功能物料運(yùn)輸車模型 2.2 多功能物料運(yùn)輸車救援工作的優(yōu)點(diǎn) 我們的多功能物料運(yùn)輸車救援工作中所具有的優(yōu)勢： (1)具有靈活性好、機(jī)動性強(qiáng)的特點(diǎn)，有較好的爬坡和越障能力，能適應(yīng)現(xiàn)場各種各樣的地理環(huán)境； (2)能迅速將物品運(yùn)放到指定的位置； (3)具有投放食品、藥物等功能，并合理分配； (4)可以連續(xù)執(zhí)行乏味的搜索救援任務(wù), 而不會像人一樣感到疲倦； (5)不怕火、濃煙等危險和有害條件[6]。 2.3 多功能物料運(yùn)輸車的功能與實用性能指標(biāo) 2.3.1 功能分析 目前我們現(xiàn)實生活中的履帶式起重機(jī)只能進(jìn)行挖土、夯土打樁等多種作業(yè)。但因行走速度緩慢，功能單一等特點(diǎn)都被局限了。它的轉(zhuǎn)移工地需要其他車輛協(xié)助。我們設(shè)計的多功能運(yùn)輸車采用了特殊設(shè)計，首先它利用履帶式結(jié)構(gòu)作為車子前進(jìn)的主導(dǎo)力，通過電機(jī)的驅(qū)動使履帶穩(wěn)定運(yùn)行前進(jìn)，履帶式運(yùn)動系統(tǒng)在碎石堆上可以快速前進(jìn), 遇到小的坡度和凹凸地時也可以輕松翻越, 在遇到不能通過的障礙時還可以在很狹小的范圍內(nèi)完成轉(zhuǎn)彎等動作。運(yùn)輸車采用這種運(yùn)動形式。與其他運(yùn)動形式相比, 履帶式運(yùn)動系統(tǒng)具有較快的速度和較大的轉(zhuǎn)距，它的技術(shù)比較成熟。我們的儲運(yùn)結(jié)構(gòu)則設(shè)計巧妙，底板利用蝸桿鉸鏈機(jī)構(gòu)合理結(jié)合在一起，它就是利用蝸桿傳動實現(xiàn)底板的伸出縮進(jìn)，儲運(yùn)門則是通過鉸鏈機(jī)構(gòu)平面與底板栓連在一起，實現(xiàn)底板伸出門開，底板縮回門關(guān)上。就不需要用到救援人員親自去開門卸貨，安全又方便。說到起落架機(jī)構(gòu)也很巧妙，同樣采用渦桿傳動，同樣的一個結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了不同的作用，靠電機(jī)的驅(qū)動使螺桿來回移動帶動了輪子的收起和放下，讓它在工作的時候撐在高的地方抬起前車身，利于越障，而在不工作的時候就自動收起。車頂?shù)钠鹬貦C(jī)結(jié)構(gòu)則用處不小，它利用渦輪桿的嚙合傳動來控制吊鉤的吊速，它主要考慮的是結(jié)構(gòu)緊湊及運(yùn)行平穩(wěn)在它正上方裝有2只照明燈以便工作環(huán)境的需要，使之更符合救援的需要。這個起吊機(jī)構(gòu)屬于起重機(jī)械的一種，屬于循環(huán)、間歇運(yùn)動式的性質(zhì)。它的一個工作循環(huán)包括取物裝置從取物地把物品提起，然后水平移動到指定地點(diǎn)降下物品，接著進(jìn)行反向運(yùn)動，使取物裝置返回原位，以便進(jìn)行下一次循環(huán)。 2.3.2 實用性能指標(biāo) 我們的多功能救援車實用性還是很高的。該機(jī)構(gòu)基本實現(xiàn)越障功能，在救援地方的環(huán)境比我們想象的要復(fù)雜，底座的履帶能夠越過30mm以下垂直障礙（形狀不規(guī)則的石頭）；因助力機(jī)構(gòu)的關(guān)系，能夠越過高于30mm～50mm的障礙；系統(tǒng)估計越障時間需10秒左右，運(yùn)輸機(jī)構(gòu)額定承載1500g的重量；起重機(jī)構(gòu)額定承吊1500g的重物。樣機(jī)的整體三維效果圖如圖2所示。 圖2 樣機(jī)的整體三維效果圖 2.4 底盤運(yùn)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計 底盤的主要功能為支撐、固定和連接其它四個功能裝置，是多功能物料運(yùn)與輸車的移動及支撐部分，在底部采用兩個紅色9V大功率驅(qū)動電機(jī)通過小齒輪與大齒輪之間的嚙合來實現(xiàn)左右鏈帶的傳動。采用履帶式的機(jī)構(gòu)設(shè)計是為了更好的滿足在震后災(zāi)區(qū)復(fù)雜的路面，因為它的履帶表面接觸面積大，自然受到的壓強(qiáng)就會減小。用輪子就容易沉受不住壓力，導(dǎo)致爆胎。而大電機(jī)可以實現(xiàn)有級調(diào)速，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的快慢來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，底盤采用鋼軸能很好的支撐起整個車身，這樣轉(zhuǎn)彎的時候強(qiáng)度就有足夠的保障，不會出現(xiàn)驅(qū)動軸產(chǎn)生疲勞強(qiáng)度出現(xiàn)軸彎曲的現(xiàn)象。其底座效果圖如圖3所示： 圖3 三維底盤效果圖 2.5 動力機(jī)構(gòu)的設(shè)計 動力結(jié)構(gòu)采用自帶蓄電池和減速箱的驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動電機(jī)圖如圖4所示，其主要參數(shù)為下表1所示： 表1 驅(qū)動電機(jī)的主要參數(shù) 型號 齒輪軸 圓軸 主要參數(shù) 60YR06GV22 60YR06DV22 輸出功率KW 1.5 電壓V 直流9V 電流A 0.11、0.1 額定轉(zhuǎn)速r/min 600、750 起動轉(zhuǎn)矩 19、20 額定轉(zhuǎn)矩 25、20 運(yùn)行電容 0.7F/50V 圖4 驅(qū)動電機(jī)圖 底部的動力機(jī)構(gòu)采用9V紅色交流電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)小巧，動力強(qiáng)勁滿足了我們帶有運(yùn)輸救災(zāi)物資的動力，裝在底座下面結(jié)構(gòu)緊湊，勻稱滿足了動力的要求. 2.6 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計 多功能物料運(yùn)輸車的傳動機(jī)構(gòu)有多處，鏈傳動是主要的動力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它是一種撓性機(jī)構(gòu)，由鏈條和鏈輪（大齒輪和小齒輪）組成通過鏈輪輪齒與鏈條鏈節(jié)的嚙合來傳遞運(yùn)動和動力，它與摩擦型的帶傳動相比，鏈傳動無彈性滑動和整體打滑現(xiàn)象，它能保持準(zhǔn)確的平均傳動比，傳動效率高，而且它的制造與安裝精度要求較低，成本也低，其主要特點(diǎn)低速重載，適應(yīng)惡劣環(huán)境滿足了我們的救災(zāi)需求。該傳動機(jī)構(gòu)主要將動力傳給多功能物料運(yùn)輸車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由履帶圍繞在多個齒輪軸上組成履帶輪，采樣履帶傳動機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)越障，爬坡的功能，采用履帶行走，就像給多功能物料運(yùn)輸車鋪了一道無限延長的軌道一樣，使它能夠平穩(wěn)、迅速、安全地通過各種復(fù)雜路況。由于接地面積大，所以增大了多功能物料運(yùn)輸車在松軟、泥濘路面上的通過能力，增大接觸面積，降低了下陷量。由于履帶板上有花紋并能安裝履刺，所以在雨、雪、冰或上坡等路面上能牢牢地抓住地面，不會滑轉(zhuǎn)。除了底盤上的履帶傳動機(jī)構(gòu)，還有是起吊裝置處的蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)是利用蝸輪蝸桿傳動帶動轉(zhuǎn)盤使起重機(jī)吊鉤實行360度的轉(zhuǎn)動，以達(dá)到搬運(yùn)貨物的效果[13]。具體如圖5所示： 圖5 履帶傳動機(jī)構(gòu)圖 2.7 蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu) 我們的起重機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用了蝸輪蝸桿來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動工作。這種傳遞方式在我們的現(xiàn)實生活中使用是十分廣泛。它的傳動是通過兩軸間的傳遞運(yùn)動和動力的一種結(jié)構(gòu)，兩軸線之間的角度一般為90度，蝸桿在每旋轉(zhuǎn)一周，蝸輪只轉(zhuǎn)過一個齒距，就是說它有很大的傳動比，同時蝸輪蝸桿在嚙合時沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲小，符合鋼絲繩慢慢滑動。這些優(yōu)點(diǎn)滿足了我們帶有一定高度的起重機(jī)的安全工作[3]。 2.7.1 蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)的種類 根據(jù)蝸桿形狀的不同，蝸桿傳動可以分為圓柱蝸桿傳動，環(huán)面蝸桿傳動和錐蝸桿傳動等。我們在這里采用的是圓柱蝸桿傳動，而圓柱蝸桿傳動又包括普通圓柱蝸桿傳動和圓弧圓柱蝸桿傳動兩類[10]。 2.7.2 蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)的區(qū)別 圓弧圓柱蝸桿傳動和普通圓柱蝸桿傳動相似，只是齒廓形狀有所區(qū)別。圓弧圓柱蝸桿的螺旋面是用刃邊為凸圓弧形的刀具切制的，而蝸輪是用范程法制制造的。在中間平面上，蝸桿的輪廓為凹弧形，而與之相配合的輪廓為凸弧形。所以，圓弧圓柱蝸桿傳動時一種凹弧齒廓相嚙合的傳動，也是一種線接觸的嚙合傳動。其主要特點(diǎn)為：效率高，一般可達(dá)90%以上；承載能力高，一般可較普通圓柱蝸桿傳動高出50%～150%；體積小，質(zhì)量?。唤Y(jié)構(gòu)緊湊。這種傳動已廣泛用到冶金、礦山、化工、建筑、起重等機(jī)械設(shè)備的減速機(jī)構(gòu)中[10]。 2.7.3 采用圓弧圓柱蝸桿傳動的優(yōu)點(diǎn) 圓弧圓柱蝸桿傳動和其他蝸桿傳動一樣，可以實現(xiàn)交錯軸之間的傳動，蝸桿能安裝在蝸輪的上、下方或側(cè)面。它的主要特點(diǎn)有： (1)傳動比范圍大，可實現(xiàn)1:100的大傳動比傳動； (2)蝸桿與蝸輪的齒廓呈凸凹嚙合，接觸線與相對滑動速度方向間的夾角大，有利于潤滑10%～20%； (3)當(dāng)蝸桿主動時，嚙合效率可達(dá)95%以上，比普通圓柱蝸桿傳動的嚙合效率提高10%～20%； (4)傳動的中心距難以調(diào)整，對中心距誤差的敏感性較強(qiáng)。 在這我們選擇圓弧圓柱蝸桿傳動，而且圓弧圓柱蝸桿傳動是一種新型的蝸桿傳動。實踐證明，這種蝸桿傳動比普通圓柱蝸桿傳動的承載能力大，傳動效率高，使用壽命長，因此圓弧圓柱蝸桿傳動有逐漸代替普通圓柱蝸桿傳動的趨勢[10]。 2.8 多功能物料運(yùn)輸車執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計 多功能物料運(yùn)輸車執(zhí)行機(jī)構(gòu)由越障機(jī)構(gòu)、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)、起重機(jī)構(gòu)、助力傳動機(jī)構(gòu)和運(yùn)輸傳送機(jī)構(gòu)五大部分組成，共同完成了越障運(yùn)輸救援功能。 2.8.1 前端提升機(jī)構(gòu)設(shè)計 前端提升機(jī)構(gòu)主要為底座的履帶式齒輪傳動和助力傳動，它可以通過起降式的升降機(jī)構(gòu)支撐起前輪一個角度來滿足越坡，使履帶在越過直角坡時候不至于有死角。助力機(jī)構(gòu)采用螺桿機(jī)構(gòu)，將車輪升起到達(dá)障礙物的高度，給鏈輪一個有利于前進(jìn)的斜坡角度，從而達(dá)到越障的功能越過障礙之后就自動進(jìn)行左轉(zhuǎn)，它利用自生設(shè)計的助力機(jī)構(gòu)可以進(jìn)入更為復(fù)雜的地區(qū)，不致因為道路問題而出現(xiàn)救災(zāi)困難或延誤問題，具體見圖6。 圖6 前端提升機(jī)構(gòu)圖 2.8.2 運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的設(shè)計 運(yùn)輸機(jī)構(gòu)是我們多功能物料運(yùn)輸車的一大特色，一般的運(yùn)輸機(jī)構(gòu)都是物品送到目的地，然后打開車門，由人工卸貨，而我們所設(shè)計結(jié)構(gòu)是通過螺桿傳動將救災(zāi)物資分給災(zāi)民，在推出救災(zāi)物資的同時，利用鉸鏈機(jī)構(gòu)帶動門推開，將救災(zāi)物資推出，當(dāng)推出救災(zāi)物資以后再利用螺桿傳動和鉸鏈機(jī)構(gòu)將門關(guān)上。它實現(xiàn)開門出貨自動化。這個運(yùn)輸機(jī)構(gòu)主要保證災(zāi)民能夠第一時間得到良好的救助，避免因為災(zāi)后受傷而帶來傷口感染，當(dāng)然我們這個運(yùn)輸箱不單單是運(yùn)輸醫(yī)藥用品，還可以運(yùn)輸生活用品等等，確保災(zāi)民得到最好的照顧。具體如圖7所示。 圖7 運(yùn)輸結(jié)構(gòu)圖 2.8.3 起重機(jī)構(gòu)的設(shè)計 起重機(jī)構(gòu)主要為越障機(jī)構(gòu)做輔助，因為災(zāi)后的道路是非常惡劣的，甚至于越障功能達(dá)到了他的極限，越不過去，但是如果另選一條道路又比較費(fèi)時的時候，有時候還受到條件的不允許。因而我們可以利用起重機(jī)把大型石頭一類的障礙物用吊機(jī)通過綁在鋼絲繩等一類輔助工具上來把重物搬開，從而避免了道路堵塞的問題，起重機(jī)構(gòu)采用了蝸輪蝸桿嚙合傳動，采用這種傳動的方式我們組要考慮了它的特點(diǎn)傳動比大,結(jié)構(gòu)緊湊，最主要的是運(yùn)行平穩(wěn),成本低,效率高。為了更好搬開重物的同時，不給后來的救災(zāi)車輛造成麻煩，所以采用了360度旋轉(zhuǎn)，位置堆放可以由我們自己控制。具體見圖8。 圖8 起重機(jī)構(gòu)圖 2.8.3.1 起重機(jī)械的工作特點(diǎn) 起重機(jī)是以間歇、重復(fù)的工作方式，通過起重吊鉤或其他吊具起升、下降，或升降與運(yùn)移物料的機(jī)械設(shè)備。它在搬運(yùn)物料時，經(jīng)歷上料、運(yùn)送、卸料及返回原處的過程，工作范圍較大[11]。 起重機(jī)械通常具有龐大和比較復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，能完成一個起升運(yùn)動、一個或幾個水平運(yùn)動。所吊運(yùn)的重物多種多樣，載荷是變化的。有的重物重達(dá)幾百噸乃至上千噸，有的物體長達(dá)幾十米，形狀很不規(guī)則。大多數(shù)起重機(jī)械，需要在較大的范圍內(nèi)運(yùn)行，有的要裝設(shè)軌道和車輪，有的要裝設(shè)輪胎或履帶在地面上行走（如汽車吊、履帶吊等），還有的需要在鋼絲繩上行走（如客運(yùn)、貨運(yùn)架空索道），活動空間較大，一旦造成事故影響的面積也較大。有些起重機(jī)械，需要直接載運(yùn)人員在導(dǎo)軌、平臺或鋼絲繩上做升降運(yùn)動（如電梯、升降平臺等），其可靠性直接影響人身安全。 起重機(jī)械的工作特點(diǎn)如下： (1)吊物一般具有很大的質(zhì)量和很高的勢能，被搬運(yùn)的物料個大體重（一般物料均幾噸重以上）、種類繁多、形態(tài)各異（包括成件、散料、液體、固液混合等物料），起重搬運(yùn)過程是重物在高空中的懸吊運(yùn)動。 (2)起重作業(yè)時多種運(yùn)動的組合，起重機(jī)的金屬機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)和控制裝置等機(jī)構(gòu)組成多維，大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動各異的金屬機(jī)構(gòu)給作業(yè)安全帶來了潛在的危險。速度多變的可動零部件，形成起重機(jī)械的危險點(diǎn)多且分散的特點(diǎn)，給安全防護(hù)增加難度。 (3)作業(yè)范圍大，金屬結(jié)構(gòu)橫跨車間或作業(yè)場地，高居其他設(shè)備、設(shè)施和施工人群之上，起重機(jī)帶載可以部分或整體在較大范圍內(nèi)移動運(yùn)行，使危險的影響范圍加大。 (4)多人配合的群體作業(yè)，起重作業(yè)的程序是地面司索工捆綁吊物、掛鉤；起重司機(jī)操縱起重機(jī)將物料吊起，按地面指揮，通過空間運(yùn)行，將吊物放到指定位置摘鉤、卸料。每一次吊運(yùn)循環(huán)，都必須是多人合作完成，無論哪個環(huán)節(jié)出問題，都可能發(fā)生意外。 (5)作業(yè)條件復(fù)雜多變，在車間內(nèi)，地面設(shè)備多，人員集中；在室內(nèi)，受氣候、氣象條件和場地限制的影響，特別是流動式起重機(jī)還涉及地形和周圍環(huán)境等多因素的影響。 (6)暴露的、活動的零部件較多，在起重作業(yè)現(xiàn)場，大量機(jī)構(gòu)與作業(yè)人員直接接觸（如吊鉤、鋼絲繩等），容易對人身安全造成傷害。 總之，重物在空間的吊運(yùn)、起重機(jī)的多機(jī)構(gòu)組合運(yùn)動、龐大金屬結(jié)構(gòu)整機(jī)移動性，以及大范圍、多環(huán)節(jié)的群體運(yùn)作，使起重作業(yè)的安全問題尤其突出。 2.8.3.2 起重機(jī)械今后的發(fā)展方向 近年來隨著建設(shè)工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，起重安裝工程量越來越大，尤其是現(xiàn)代化大型石油、化工、冶煉、電站、大型室內(nèi)體育館以及高層建筑的安裝作業(yè)逐年增多。因此，對大功率的工程起重機(jī)需要量日益增加，隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，各種新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝在工程起重機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有工程起重機(jī)產(chǎn)品和技術(shù)資料分析，近年來起重機(jī)械的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面[5]。 (1)廣泛應(yīng)用液壓技術(shù)。由于也發(fā)傳動具有體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊、能無級調(diào)速、操縱簡便輕巧、運(yùn)輸平穩(wěn)和工作安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此國內(nèi)外各種類型的工程起重機(jī)廣泛采用液壓傳動。液壓技術(shù)尤其適合中小型起重機(jī)械。 (2)大型化。為了滿足大型石油、化工、冶煉設(shè)備和高層建筑、大型板材、構(gòu)件的安裝，起重機(jī)必須向大型化發(fā)展。 (3)多用途、高效率。由于建筑規(guī)模、使用場合條件的復(fù)雜多變，各國開始注意一機(jī)多用途、高效能的問題。即轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)要快，能配多種工作裝置（吊鉤、抓斗、拉鏟、電磁吸盤、抓取器、打樁設(shè)備等）；裝有各種先進(jìn)的安全警報、遙控、新式傳動裝置、工業(yè)電視及采用電子計算機(jī)等最新技術(shù)，從而極大提高了機(jī)械的工作效率。 (4)提高“三化”程度，實行專業(yè)生產(chǎn)。提高“三化”程度，在不同程度上擴(kuò)大了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)尺寸規(guī)格化（系列化）、零部件通用化的范圍，為起重機(jī)械制造的機(jī)械化、自動化、連續(xù)作業(yè)提供了方便的條件。中國對橋式起重機(jī)、輪胎式起重機(jī)和塔式起重機(jī)分別制定了基本參數(shù)系列，統(tǒng)一了產(chǎn)品型號和等級，并制定了技術(shù)條件標(biāo)準(zhǔn)。國外有的國家甚至廢除了本國標(biāo)準(zhǔn)而直接采用國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO）。 2.8.3.3 起重機(jī)械的主要參數(shù) 起重機(jī)的技術(shù)參數(shù)是說明起重機(jī)工作性能的指標(biāo)，表征起重機(jī)的作業(yè)能力，也是設(shè)計的依據(jù)。起重機(jī)的主要參數(shù)有：起重量（起重力矩）、起升高度、跨度（橋式類型起重機(jī)）、幅度（臂架類型起重機(jī)）、各機(jī)構(gòu)的工作速度及生產(chǎn)率。 (1)額定起重量Q和起重力矩M 起重機(jī)在正常工作時允許起吊的物品重量和可以從起重機(jī)上取下的取物裝置重量之總和稱為額定起重量?；蚱鹬貦C(jī)正常工作時一次起升的最大質(zhì)量稱為額定起重量。額定起重量不包括吊鉤、吊環(huán)之類吊具的重量，但包括抓斗、起重電磁鐵、料罐、盛鋼桶、真空吸盤之類吊具的重量。某些旋轉(zhuǎn)臂架類型起重機(jī)，如塔式起重機(jī)、汽車起重機(jī)、輪胎起重機(jī)、履帶起重機(jī)、鐵路起重機(jī)以及門座起重機(jī)等，除起重量外還有起重力矩M這個參數(shù)，它是起吊重物的重量Q和臂架幅度R的乘積，這個參數(shù)決定了起重機(jī)工作過程中抗傾覆穩(wěn)定性的能力。在起重力矩一定的前提下，這類起重機(jī)的起重量是隨幅度變化的，這時的額定起重量是指最小幅度時的最大起重量。額定起重量系列國家標(biāo)準(zhǔn)及國際標(biāo)準(zhǔn)見表2所示[2]。 表2 額定起重量系列國家標(biāo)準(zhǔn)（GB783-87）及國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO2374：1983） 0.1 0.125 0.16 0.2 0.25 0.32 0.4 0.5 0.63 0.8 1 1.25 1．6 2 2.5 3.2 4 5 6.3 8 10 （11.2） 12．5 （14） 16 （18） 20 （22.5） 25 （28） 32 （36） 40 （45） 50 （56） 63 （71） 80 （90） 100 （112） 125 （140） 160 （180） 200 （225） 250 （280） 320 （360） 400 （450） 500 （560） 630 （710） 800 （900） 1000 - - - - - - - - - 注：應(yīng)避免需要括號中的起重量數(shù)值 (2)起升高度H 起升高度是指從地面或起重機(jī)運(yùn)行軌道頂面到取物裝置最高起升位置的鉛垂距離（吊鉤取鉤口中心，當(dāng)取物裝置使用抓斗時，則指至抓斗最低點(diǎn)的距離），以H表示，單位為m。當(dāng)取物裝置可以放到地面或軌道頂面以下時，其下方距離稱為下放深度。起升高度和下放深度之和稱為總起升高度。在確定起重機(jī)的起升高度時，除考慮起吊物品的最大高度以及需要越過障礙主高度外，還應(yīng)考慮吊具所占的高度[2]。 表3列出了30～2500KN電動橋式起重機(jī)起升高度系列，即GB791-65。抓斗橋式起重機(jī)的起升高度為16m和22m。表4為輪胎和汽車起重機(jī)的起升高度標(biāo)準(zhǔn)。 表3 30～2500KN電動橋式起重機(jī)起升高度系列（GB791-65） 主鉤起重量/×10KN 3～50 80 100 125 160 200 250 起升高度/m 主鉤 12 16 20 30 20 30 20 30 24 30 19 30 16 30 副鉤 14 18 22 30 22 32 22 32 26 32 21 32 18 32 表4 輪胎和汽車起重機(jī)的起升高度標(biāo)準(zhǔn) 起重量/×10KN 3 5 8 12 16 25 40 65 100 起升高度/m 基本臂作業(yè) 5.5 6.5 7 7.5 8 8.5 9 10 11 最長主臂作業(yè) - - 11 12 18 25 30 34 36 (3)跨度L 起重機(jī)運(yùn)行軌道軸線間的水平距離稱為跨度，以L表示，單位為m。橋式起重機(jī)的跨度L依廠房的跨度而定。表5示出了GB790-65規(guī)定的30～2500KN電動橋式起重機(jī)跨度的標(biāo)準(zhǔn)值。龍門起重機(jī)的跨度，一般多由工作需要和場地決定。 表5 30～2500KN電動橋式起重機(jī)跨度的標(biāo)準(zhǔn)值（GB790-65） 廠房跨度Lc/m 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 起重機(jī)跨度L/m Q=30～500kn 7.5 10.5 13.5 16.5 19.5 22．5 25.5 28.5 31.5 — 7 10 13 16 19 22 25 28 312 — Q=800～2500KN — — — 16 19 22 25 28 31 34 (4)幅度R 對于旋轉(zhuǎn)臂架式起重機(jī)，幅度及時起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心線至取物裝置中心鉛垂線之間的距離，用R表示，單位為m。對于非旋轉(zhuǎn)臂架式起重機(jī)常用有效幅度表示，有效幅度是指臂架所在平面內(nèi)的起重機(jī)內(nèi)側(cè)輪廓與取物裝置鉛垂線之間的距離。如輪胎起重機(jī)是指在使用支腿側(cè)向工作時吊鉤中心線至該支腿中心線的水平距離。 (5)工作速度V 起重機(jī)的工作速度包括起升、變幅、旋轉(zhuǎn)和運(yùn)行四個機(jī)構(gòu)的工作速度。對伸縮臂架式起重機(jī)還包括吊臂伸縮速度和支腿收放速度[6]。 (a)起升速度，是指取物裝置的上升速度（或下降速度），單位為m/s。 (b)變幅速度，是指臂架式起重機(jī)的取物裝置從最大幅度到最小幅度的平均線速度，單位為為m/s。 (c)旋轉(zhuǎn)速度，是指起重機(jī)旋轉(zhuǎn)時每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)，單位為r/min。 (d)運(yùn)行速度，是指橋式類型起重機(jī)大車、小車的運(yùn)行速度，單位為為m/s[4]。 表6列出了常用起重機(jī)的工作速度。 表6 常用起重機(jī)的工作速度 起重機(jī)的工作速度 起重機(jī)類型 工作速度/m·s-1 起升速度 一般用途起重機(jī) 0.1～0.417 裝卸用起重機(jī) 0.667～1.5 安裝用起重機(jī) ﹤0.016 運(yùn)行速度 橋式起重機(jī)與龍門起重機(jī)小車 0.733～0.833 裝卸橋小車 3～4 橋式起重機(jī)大車 1.5～2 龍門起重機(jī)大車 0.667～1 門座起重機(jī)及裝卸橋大車 0.333～0.5 輪胎起重機(jī) 10～20Km/h 汽車起重機(jī) 50～65Km/h 變幅速度 門座起重機(jī)（工作性） 0.667～1 浮式起重機(jī)（工作性） 0.417～0.667 汽車及輪胎起重機(jī)（調(diào)整性） 0.167～0.5 旋轉(zhuǎn)速度 門座起重機(jī) n≈2r/min 汽車及輪胎起重機(jī) n≈2～3.5r/min 浮游起重機(jī) n≈0.5～2r/min (6)生產(chǎn)率 起重機(jī)在一定的工作條件下，單位時間內(nèi)完成的物品作業(yè)量稱為生產(chǎn)率。 2.8.3.4 起重機(jī)的工作機(jī)構(gòu) 起重機(jī)有四個工作機(jī)構(gòu)：起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)。因為在本次設(shè)計中只是引用了起重機(jī)的部分機(jī)構(gòu)，在這里只有采用起升機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。 2.8.3.4.1 起升機(jī)構(gòu) (1)起升機(jī)構(gòu)的組成 起重機(jī)多采用單卷筒單軌式的起升機(jī)構(gòu)，由電動機(jī)、制動器、減速器、卷筒、鋼絲繩、滑輪組、吊鉤等組成，如圖1所示。電動機(jī)、減速器、卷筒多布置在塔身下部的卷揚(yáng)機(jī)房里，通過鋼絲繩與起重臂頂端的滑輪組相聯(lián)系。帶有平衡臂的運(yùn)行小車式（如自升附著式）的起升機(jī)構(gòu)布置在平衡臂上[6]。 (2)起升機(jī)構(gòu)的工作原理 如圖9所示。升降吊鉤時，需打開制動器4，使電動機(jī)1輸出的動力經(jīng)聯(lián)軸器2和減速器3驅(qū)動起升卷筒6旋轉(zhuǎn)，收放鋼絲繩10帶動吊鉤7升降；當(dāng)升降到預(yù)定高度后則停止電機(jī)轉(zhuǎn)動，同時制動器4制動，使傳動軸減速并最終停止轉(zhuǎn)動，吊鉤及重物就可以停止在空中，完成起升運(yùn)動。減速箱上的操縱手柄5撥到另一位置時，動力改由卷筒6輸出，實現(xiàn)架設(shè)繩的收放。 圖9 起升機(jī)構(gòu)簡圖 1—電動機(jī)；2—離合器；3—聯(lián)軸器；4—制動器；5—減速器； 6—卷筒；7—吊鉤；8—滑輪組；9—導(dǎo)向滑輪；10—鋼絲繩 (3) 起升機(jī)構(gòu)的起吊貨物的過程 起升機(jī)構(gòu)工作是，由地面起吊貨物的過程，可以分為三個階段： 第一階段，開動起升機(jī)構(gòu)，卷筒卷繞松弛的起升繩，知道起重繩被拉直但仍不受力，此時起升機(jī)構(gòu)可認(rèn)為已處于穩(wěn)定運(yùn)動狀態(tài)[6]。 第二階段，起升機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)動，起升繩開始受力且發(fā)生了彈性伸長，金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移和振動。此時貨物仍處于靜止?fàn)顟B(tài)。這一階段終了時，起升繩的總拉力正好等于貨物的重力，金屬結(jié)構(gòu)的位移等于y1。 第三階段，貨物離開地面，結(jié)構(gòu)處于振動狀態(tài)。 2.8.3.4.2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) (1)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的定義 起重機(jī)能將起重物送到指定工作范圍的任意空間位置，重物垂直位移依靠起升機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，回轉(zhuǎn)運(yùn)動則是實現(xiàn)水平位移的方法之一。起重機(jī)的回轉(zhuǎn)部分都是全回轉(zhuǎn)，不受方向限制。但是對于不同的供電方法，起重機(jī)的回轉(zhuǎn)可分為任意回轉(zhuǎn)和任一方向回轉(zhuǎn)720°兩種。在實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動時，塔機(jī)的回轉(zhuǎn)部分與非回轉(zhuǎn)部分之間的傳力裝置稱為回轉(zhuǎn)支承裝置，驅(qū)動部分則稱為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，有時也把這兩部分稱為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。本次設(shè)計的起重機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是仿照塔式起重機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用蝸輪減速器驅(qū)動，其傳動系統(tǒng)一般都有制動器和極限力矩限制器，使起重機(jī)能停在指定位置上和限制回轉(zhuǎn)力矩，避免在事故中損壞起重機(jī)的結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)[7]。 (2)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的特性 起重機(jī)由于起重臂長，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動慣量大，因此要求回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具備下列特性： (a)回轉(zhuǎn)速度慢，一般為0.5～1.2r/min； (b)啟動和制動過程平穩(wěn)，啟動和制動時間一般為4～10s； (c)機(jī)構(gòu)應(yīng)有極限力矩限制系統(tǒng)，防止超載； (d)正常工作狀態(tài)能準(zhǔn)確就位，不被工作風(fēng)壓吹轉(zhuǎn)； (e)機(jī)構(gòu)應(yīng)裝有止動器，以便在工作時保證塔式起重機(jī)的吊臂能逆風(fēng)停止于任意位置，而不會被大風(fēng)所刮動。 3 運(yùn)動分析部分 3.1 蝸輪蝸桿傳動（起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部分） 帶動蝸桿旋轉(zhuǎn)電機(jī)扭矩[4]：T =9550×=9550×=0.0318Nm=3.18Ncm（式1） 傳動比：i ===14.5（式2） 蝸桿頭數(shù)（即為齒數(shù)）：Z1 =4 蝸輪齒數(shù)：Z2 =58 模數(shù)：m =1.5 壓力角：20° 導(dǎo)程角：tanγ======0.32（式3） γ≈17.74°在3°～33.5°范圍之間 a =(d1+d2)= (q+Z2)= ×(12.5+58)=52.875mm（式4） (其中q為蝸桿直徑系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計師手冊可q =12.5) 蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)的中心距：52.875mm 3.2 蝸輪蝸桿傳動（起重機(jī)起吊繩索部分） 帶動蝸桿旋轉(zhuǎn)電機(jī)扭矩：T =9550=9550=0.0238Nm=2.38Ncm（式1） 傳動比：i ===5.2（式2） 蝸桿頭數(shù)（即為齒數(shù)）：Z1 = 6 蝸輪齒數(shù)：Z2 = 30 模數(shù)：m =1.25 壓力角：20° 導(dǎo)程角：tanγ======0.375（式3） γ≈22.84° 在3°～33.5°范圍之間 a =(d1+d2)= (q+Z2)= ×(16+30)=28.75mm（式4） (其中q為蝸桿直徑系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計師手冊可q=16) 蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)的中心距：28.75 mm 3.3 起升機(jī)構(gòu)受力分析 圖10 起升機(jī)構(gòu)受力圖 假設(shè)起吊的貨物重G2=4KN，機(jī)臂自重G1=1KN，α=30°，β=14°, 機(jī)臂長L=158mm，支點(diǎn)到拉桿的垂直距離AB=41mm，拉桿所受的拉力為T，則由以上受力分析圖可知: G2×LSinβ+T×AB= G1×Cosα+G2×LCosα(式5) 則T=Cosα+(Cosα-Sinβ) = ×Cos30°+(Cos30°-Sin14°) =12.1KN 故拉桿所承受的拉力為12.1KN。 4 改進(jìn)部分 4.1 起升機(jī)構(gòu)的改進(jìn) 4.1.1 影響起升機(jī)構(gòu)的幾個因素 （1）滑輪組的倍率 （2）卷筒的直徑 （3）聯(lián)軸器 （4）制動器 4.1.2 對影響起升機(jī)構(gòu)因素的改進(jìn) 根據(jù)本次對多功能物料運(yùn)輸車具體的設(shè)計情況，對起升機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響的只有卷筒的直徑，而卷筒是卷揚(yáng)機(jī)的一部分，因此只需要設(shè)計卷揚(yáng)機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸。 （1）卷揚(yáng)機(jī)的定義 卷揚(yáng)機(jī)（又叫絞車）是由人力或機(jī)械動力驅(qū)動卷筒、卷繞繩索來完成牽引工作的裝置?？梢源怪碧嵘?、水平或傾斜拽引重物。卷揚(yáng)機(jī)分為手動卷揚(yáng)機(jī)和電動卷揚(yáng)機(jī)兩種?，F(xiàn)在以電動卷揚(yáng)機(jī)為主。電動卷揚(yáng)機(jī)由電動機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、制動器、齒輪箱和卷筒組成，共同安裝在機(jī)架上。對于起升高度和裝卸量大工作頻繁的情況，調(diào)速性能好，能令空鉤快速下降。對安裝就位或敏感的物料，能用較小速度。 （2）卷揚(yáng)機(jī)的技術(shù)性能及計算 本次的設(shè)計中，采用的卷揚(yáng)機(jī)為電動卷揚(yáng)機(jī)，電動卷揚(yáng)機(jī)的技術(shù)性能如圖10所示。 圖11 電動卷揚(yáng)機(jī)的技術(shù)性能 其中該電動卷揚(yáng)機(jī)的電動機(jī)的功率PH =22KW，電動機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)nh =960r/min，如圖11所示有3對齒輪（滑動軸承），T1=30,T2=120,T3=22,T4=60,T5=16,T6=64，卷筒直徑為D =0.35m 傳動比i == i ==0.023 卷筒轉(zhuǎn)速nn = nn == =0.368r/s 鋼絲繩速度V =Dnn V =Dnn=3.14×0.35×0.368=0.404m/s 卷揚(yáng)機(jī)傳動機(jī)構(gòu)總效率η=η0×η1×η2×η3 式中η0為卷筒效率。當(dāng)卷筒裝在滑動軸承上時，η0=0.94；當(dāng)卷筒裝在滾動承受上時，η0=0.96； η1、η2、η3……ηn分別為第1、2組等機(jī)構(gòu)的效率，不同的傳動機(jī)構(gòu)有不同的效率，由表7所示。 表7 各種傳動機(jī)構(gòu)的效率表 項次 傳動機(jī)構(gòu)名稱 傳動效率 1 2 平皮帶傳動 三角皮帶傳動 0.92～0.97 0.90～0.94 3 4 卷筒 滑動軸承 滾動軸承 0.93～0.95 0.93～0.96 5 6 齒輪 (圓柱) 開式傳動 滑動軸承 滾動軸承 0.93～0.95 0.93～0.96 7 8 傳動 閉式傳動 （稀油潤滑） 滑動軸承 滾動軸承 0.95～0.97 0.96～0.98 9 10 11 12 蝸輪蝸桿傳動 單頭 雙頭 三頭 四頭 0.70～0.75 0.75～0.80 0.80～0.85 0.85～0.92 根據(jù)查表7，計算卷揚(yáng)機(jī)傳動機(jī)構(gòu)總效率η=η0×η1×η2×η3=0.94×0.93×0.93×0.93=0.756，取η=0.75 作用于卷筒上鋼絲繩的牽引力S= S===41658N （3）卷揚(yáng)機(jī)的特點(diǎn) 卷揚(yáng)機(jī)具有以下特點(diǎn)：通用性高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、起重大、使用轉(zhuǎn)移方便，被廣泛應(yīng)用于建筑、水利工程、林業(yè)、礦山、碼頭等的物料升降或平拖，還可作現(xiàn)代化電控自動作業(yè)線的配套設(shè)備。卷揚(yáng)機(jī)可以單獨(dú)使用，也可作為起重、筑路和礦井提升等機(jī)械中的組成部件，因操作簡單、繞繩量大、移置方便而廣泛應(yīng)用[3]。 （4）常見的卷揚(yáng)機(jī)噸位 卷揚(yáng)機(jī)有0.5噸~350噸，常見的卷揚(yáng)機(jī)噸位有：0.3T卷揚(yáng)機(jī) 0.5T卷揚(yáng)機(jī) 1T卷揚(yáng)機(jī) 1.5T卷揚(yáng)機(jī) 2T卷揚(yáng)機(jī) 3T卷揚(yáng)機(jī) 5T卷揚(yáng)機(jī) 6T卷揚(yáng)機(jī) 8T卷揚(yáng)機(jī) 10T卷揚(yáng)機(jī) 15T卷揚(yáng)機(jī) 20T卷揚(yáng)機(jī) 25T卷揚(yáng)機(jī) 30T卷揚(yáng)機(jī)等，分為快速和慢速兩種。其中高于20噸的為大噸位卷揚(yáng)機(jī),我們可根據(jù)需要進(jìn)行選用[18]。 （5）卷揚(yáng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)以上卷揚(yáng)機(jī)的一些技術(shù)性能和牽引力的一些計算，由于卷揚(yáng)機(jī)的技術(shù)比較成熟，因此在本次設(shè)計中采用了一款上海浦南減速器總廠生產(chǎn)的5噸的電動卷揚(yáng)機(jī)，。圖11為5噸調(diào)速卷揚(yáng)機(jī)實圖。圖12為5噸卷揚(yáng)機(jī)傳動系統(tǒng)圖。5噸電動卷揚(yáng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表8所示。 圖12 5噸調(diào)速卷揚(yáng)機(jī)實圖 圖13 5噸卷揚(yáng)機(jī)傳動系統(tǒng)圖 表8 5噸電動卷揚(yáng)機(jī)的相關(guān)參數(shù) 項目 參數(shù) 項目 參數(shù) 鋼絲繩額定拉力KN 50 電動機(jī) 型號 YZR200L-6 總傳動比i 74.23 功率Kw 22 鋼絲繩 規(guī)格直徑mm 6*37-21.5 轉(zhuǎn)速r/min 鋼絲繩 額定速度m/min 20 液壓推桿制動器 YWZ-300/45 卷筒 直徑長度mm ∮380*740 電磁鐵制動器 - 轉(zhuǎn)速r/min 13.07 外型尺寸mm 1545*1465*850 容量繩m 150 整機(jī)質(zhì)量kg 1200 減速器齒輪參數(shù) 第一級 模數(shù) 3 第二級 模數(shù) 4 第三級 模數(shù) 6 齒數(shù)比 69/28 齒數(shù)比 82/14 齒數(shù)比 72/14 4.2 取物裝置的改進(jìn) 4.2.1 取物裝置的的種類 取物裝置又稱為吊具，吊具是起重機(jī)械中吊取重物的裝置。吊取成件物品最常用的吊具是吊鉤，其他還有吊環(huán)、起重吸盤、夾鉗和貨叉等。起重吸盤、夾鉗和貨叉等可在起重機(jī)上作為專用吊具長久使用，也可作為可更換的輔助吊具掛在吊鉤上臨時使用，常用于多貨種倉庫和堆場，以提高作業(yè)效率。抓取散狀物料的吊具一般為顎板可開閉的抓斗，也可用電磁吸盤吸取如金屬切屑等導(dǎo)磁性物料。吊取流動性物料的吊具常用的有盛桶和吊罐、一般通過傾側(cè)或抽底塞等方式卸出鋼水或化學(xué)溶液，通過打開吊罐底門卸出混凝土等流動性物料[10]。 4.2.2 吊鉤 由于本次設(shè)計采用的是吊鉤，在此介紹一下吊鉤。吊鉤時起重機(jī)械中最常見的一種吊具。吊鉤常借助于滑輪組等部件懸掛在起升機(jī)構(gòu)的鋼絲繩上，吊鉤示意圖13。 圖14 吊鉤示意圖 （1）吊鉤的種類 吊鉤按形狀分為單鉤和雙鉤；按制造方法分為鍛造吊鉤和疊片式吊鉤。單鉤制造簡單、使用方便，但受力情況不好，大多用在起重量為80噸以下的工作場合；起重量大時常采用受力對稱的雙鉤。疊片式吊鉤由數(shù)片切割成形的鋼板鉚接而成，個別板材出現(xiàn)裂紋時整個吊鉤不會破壞，安全性較好，但自重較大，大多用在大起重量或吊運(yùn)鋼水盛桶的起重機(jī)上。吊鉤在作業(yè)過程中常受沖擊，須采用韌性好的優(yōu)質(zhì)碳素鋼制造。 吊鉤分類極廣，一般包括：卸扣、吊環(huán)、 圓環(huán) 、梨形環(huán)、 長吊環(huán)、 組合吊環(huán)、 S鉤、鼻吊鉤、 美式吊鉤 羊角吊鉤 、眼形滑鉤 、帶保險卡吊環(huán)螺釘 、鏈條卸扣、 具有獨(dú)特、新穎、質(zhì)優(yōu)、安全的特點(diǎn)，適用于工廠、礦山、石油、化工及船舶碼頭等。確保安全，質(zhì)量安全系數(shù)，靜載荷達(dá)到3倍，起重量從5噸～150噸。 （2）吊鉤的基本尺寸 根據(jù)卷揚(yáng)機(jī)的額定起重量，因此選用起重量為5噸的吊鉤，圖13為吊鉤的基本尺寸，經(jīng)查吊鉤構(gòu)造尺寸的國家標(biāo)準(zhǔn)，基本尺寸如圖14所示[3] [11]： S=50 mm D=63mm L1=481.5mm L2=33.5mm h=67mm 圖15 吊鉤的基本尺寸 4.2.3 取物裝置的改進(jìn) （1）改進(jìn)取物裝置的原因 由于本次設(shè)計的多功能物料運(yùn)輸車主要是用于抗震救災(zāi)的，而在災(zāi)區(qū)不管是環(huán)境、路況、天氣等等都是極其惡劣的，甚至有些地方是人所沒辦法到達(dá)的，因此我們應(yīng)該盡量使多功能物料運(yùn)輸車具備自動化的功能，而起重機(jī)本次設(shè)計采用的是吊鉤，吊鉤是屬于半自動機(jī)械，需要人工的輔助把貨物放在吊鉤上來進(jìn)行搬運(yùn)，因此我們需要對取物裝置的吊鉤進(jìn)行改進(jìn)，從而解決搬運(yùn)重物的問題。因為取物裝置搬運(yùn)是將物料搬運(yùn)然后放到前端提升機(jī)構(gòu)的傳送帶上，通過傳送帶將物料輸送進(jìn)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)中，從而達(dá)到運(yùn)輸物料的功能，因此需要將取物裝置和前端提升機(jī)構(gòu)的傳送帶配合好，這個也是需要改進(jìn)取物裝置的一大原因。 （2）搬運(yùn)機(jī)械取物裝置的優(yōu)缺點(diǎn) 搬運(yùn)機(jī)械的取物裝置常用的能實現(xiàn)自動化的有抓斗和夾鉗和電磁吸盤。其中抓斗是用來抓取物料塊粒的大小、松散程度、容重以及粘度大小等，主要是用來裝卸散料物品的自動取物裝置；夾鉗多用來搬運(yùn)成件物品。雖然都是依靠鉗口與物品之間的摩擦力來夾持和提前物品的，但它的構(gòu)造形式隨搬運(yùn)物品而有所不同，需要根據(jù)搬運(yùn)物品的形狀來設(shè)計夾鉗的形狀和尺寸；電磁盤用來抓取具有導(dǎo)磁性的黑色金屬材料。通電時，電磁鐵產(chǎn)生磁力，吸起物品，斷電時磁力消失而放下物品。電磁盤的主要優(yōu)點(diǎn)是裝卸物品可以自動進(jìn)行，不需要任何輔助的捆系工具和輔助人力，并可以解決某些物品不易懸掛的困難。缺點(diǎn)是自重大、消耗功率大；斷電時物品有墜落危險，因此在起重機(jī)上需要專門配備一套整流設(shè)備來供電。因此搬運(yùn)機(jī)械的取物裝置存在局限性，而且通過下表9將真空吸取裝置和機(jī)械搬運(yùn)、電磁搬運(yùn)進(jìn)行比較，從中可以看出真空搬運(yùn)的優(yōu)勢與特性，因此決定采用真空式的吸取裝置 [13]。 表9 真空吸取裝置和機(jī)械搬運(yùn)、電磁搬運(yùn)的比較 比較項目 搬運(yùn)方式 機(jī)械式吊車、叉車、升降機(jī) 電磁式 西芝起吊電磁石 真空式 西芝真空吸取裝置 對搬運(yùn)物的限制 沒有特殊限制 只限磁性金屬 只限可吸取物 掛繩吸取所需時間 數(shù)分 1秒弱 1秒弱 摘下所需時間 數(shù)分 1秒弱 1秒弱 所需人數(shù) 2～8 1～2 1～2 損傷、變形 有 有 無 自身重力 各種 重 輕 電源電機(jī)停止時 沒有掉下來的危險 用電池組保持電力 數(shù)十分鐘保持吸取力 維護(hù) 復(fù)雜 稍復(fù)雜 簡單 （3）真空吸取裝置 （a）真空吸取裝置的工作原理 吸取器的吸口與工件表面接觸密封，并能形成封閉的真空腔，通過真空閥門對吸取器抽氣時，吸取器與表面形成的腔處于真空狀態(tài)而形成真空腔，即處于空氣的剩余壓力狀態(tài)。真空吸取器的外界大氣壓力，與真空腔內(nèi)的剩余壓力形成壓力差，該壓力差做用在吸取殼體和工件上，稱為真空吸取力，真空吸取力將吸取器和工件結(jié)合為一體，從而實現(xiàn)吸取器吸取和吊運(yùn)工作的目的。當(dāng)把密閉空間和外面的大氣壓聯(lián)通是，真空吸盤就與物體分離開。吸取器的工作原理如圖16所示[9]。 圖16 吸取器的工作原理圖 （b）真空吸取器的特點(diǎn) 第一易損耗。由于它一般用橡膠制造，直接接觸物體，磨損嚴(yán)重，所以損耗很快。它是氣動易損件。正因如此，它才如此顯著地從眾多氣動元件中重點(diǎn)突出出來了。 第二易使用。不管被吸物體是什么材料做的，只要能密封，不漏氣，均能使用。電磁吸盤就不行，它只能用在鋼材上，其他材料的板材或者物體是不能吸的。 第三無污染。真空吸盤特別環(huán)保，不會污染環(huán)境，沒有光、熱，電磁等產(chǎn)生。 第四不傷工件。真空吸盤由于是橡膠材料所造，吸取或者放下工件不會對工件造成任何損傷。而掛鉤式吊具和鋼纜式吊具就不行。在一些行業(yè)，對工件表面的要求特別嚴(yán)格，他們只能用真空吸盤[13]。 （c）真空吸取器的結(jié)構(gòu)尺寸 真空吸取器的種類很多，其中根據(jù)吸口的機(jī)構(gòu)形式分為單吸口、雙吸口、三吸口、四吸口和多吸口，吸口的機(jī)構(gòu)形式對吸取器的適用性和可靠性有重要作用，甚至是吸取器能否工作的關(guān)鍵。在這根據(jù)需要和滿足使用要求的前提下，應(yīng)盡可能選用結(jié)構(gòu)較簡單的吸口形式，即為適用性原則，因此在這采用的是一個通用型開環(huán)形截面密封圈單吸口，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖16所示，該吸口適用于吊運(yùn)外球面、內(nèi)球面、平面型工件，屬于通用型吸口[13]。因為真空吸取器是根據(jù)物品的形狀來設(shè)計尺寸和結(jié)構(gòu)的，從某種意義上說也屬于專用型設(shè)備，在這里采用真空吸取器主要是為了搬運(yùn)救災(zāi)物資，為了符合經(jīng)濟(jì)性原則，故采用通用型開環(huán)形截面密封圈單吸口。 圖17 通用型開環(huán)形截面密封圈單吸口吸盤  結(jié) 束 語 2010年3月，我開始了我的畢業(yè)論文工作，時至今日，論文基本完成。從最初的茫然，到慢慢的進(jìn)入狀態(tài)，再到對思路逐漸的清晰，整個寫作過程難以用語言來表達(dá)。歷經(jīng)了幾個月的奮戰(zhàn)，緊張而又充實的畢業(yè)設(shè)計終于落下了帷幕?；叵脒@段日子的經(jīng)歷和感受，我感慨萬千，在這次畢業(yè)設(shè)計的過程中，我擁有了無數(shù)難忘的回憶和收獲。 3月初，在與導(dǎo)師的交流討論中我的題目定了下來，是：基于多功能物料運(yùn)輸車機(jī)器人設(shè)計起升機(jī)構(gòu)的起升結(jié)構(gòu)部分設(shè)計。當(dāng)審題表、任務(wù)書和開題報告定下來的時候，我當(dāng)時便立刻著手資料的收集工作中，當(dāng)時面對浩瀚的書海真是有些茫然，不知如何下手。我將這一困難告訴了導(dǎo)師，在導(dǎo)師細(xì)心的指導(dǎo)下，終于使我對自己現(xiàn)在的工作方向和方法有了掌握。 在搜集資料的過程中，我認(rèn)真準(zhǔn)備了一個筆記本。我在學(xué)校圖書館搜集資料，還在網(wǎng)上查找各類相關(guān)資料，將這些寶貴的資料全部記在筆記本上，盡量使我的資料完整、精確、數(shù)量多，這有利于論文的撰寫。然后我將收集到的資料仔細(xì)整理分類，及時拿給導(dǎo)師進(jìn)行溝通。 4月初，資料已經(jīng)查找完畢了，我開始著手論文的寫作。在寫作過程中遇到困難我就及時和導(dǎo)師聯(lián)系，并和同學(xué)互相交流，請教專業(yè)課老師。在大家的幫助下，困難一個一個解決掉，論文也慢慢成型。 4月底，論文的文字?jǐn)⑹鲆呀?jīng)完成。5月開始進(jìn)行相關(guān)圖形的繪制工作。為了畫出自己滿意的零件圖，裝配圖等，還把畫出的裝配圖進(jìn)行了運(yùn)動仿真，為了做運(yùn)動仿真，我仔細(xì)學(xué)習(xí)了Pro/e的仿真部分。運(yùn)動仿真是個比較頭疼的問題，因為以前沒有學(xué)過，自學(xué)的時候因為想做到最好，所以進(jìn)行了反復(fù)的嘗試。當(dāng)我終于完成了所有打字、繪圖、排版、校對的任務(wù)后整個人都很累，但同時看著電腦熒屏上的畢業(yè)設(shè)計稿件我的心里是甜的，我覺得這一切都值了。這次畢業(yè)論文的制作過程是我的一次再學(xué)習(xí)，再提高的過程。在論文中我充分地運(yùn)用了大學(xué)期間所學(xué)到的知識。 我不會忘記這難忘的幾個月的時間。畢業(yè)論文的制作給了我難忘的回憶。在我徜徉書海查找資料的日子里，面對無數(shù)書本的羅列，最難忘的是每次找到資料時的激動和興奮；親手設(shè)計的時間里，記憶最深的是每一步小小思路實現(xiàn)時那幸福的心情；為了論文我曾趕稿到深夜，但看著親手打出的一字一句，心里滿滿的只有喜悅毫無疲憊。這段旅程看似荊棘密布，實則蘊(yùn)藏著無盡的寶藏。我從資料的收集中，掌握了很多起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、真空吸盤等等知識，讓我對我所學(xué)過的知識有所鞏固和提高，在整個過程中，我學(xué)到了新知識，增長了見識。在今后的日子里，我仍然要不斷地充實自己，爭取在所學(xué)領(lǐng)域有所作為。 腳踏實地，認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)，實事求是的學(xué)習(xí)態(tài)度，不怕困難、堅持不懈、吃苦耐勞的精神是我在這次設(shè)計中最大的收益。我想這是一次意志的磨練，是對我實際能力的一次提升，也會對我未來的學(xué)習(xí)和工作有很大的幫助。 致 謝 大學(xué)生活一晃而過，回首走過的歲月，心中倍感充實，當(dāng)我寫完這篇畢業(yè)論文的時候，有一種如釋重負(fù)的感覺，感慨良多。 首先誠摯的感謝我的論文指導(dǎo)老師李連波和劉艷老師，她們在忙碌的教學(xué)工作中擠出時間來審查、修改我的論文；其次要感謝教過我的所有老師們，你們嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣，你們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪；最后感謝三年中陪伴在我身邊的同學(xué)、朋友，感謝他們?yōu)槲姨岢龅挠幸娴慕ㄗh和意見，有了他們的支持、鼓勵和幫助，我才能充實的度過了三年的學(xué)習(xí)生活。  參 考 文 獻(xiàn) [1] 黃大巍，李風(fēng)，毛文杰等編著.現(xiàn)代起重運(yùn)輸機(jī)械[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006. 3. [2] 卜一德，秦家順，喬治華編著. 起重吊裝計算及安全技術(shù)[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008. [3] 胡宗武編著. 起重機(jī)設(shè)計與實例[M]. 北京：機(jī)械工程出版社，2009. 6. [4] 張繼東編著. 機(jī)械設(shè)計常用公式速查手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.