机械设计大赛说明书

第四届全国大学生机械创新设计大赛决赛参赛作品

便携式万向千斤移设计说明书

目录

作品内容简介.......................................................3

1 研制背景及意义....................................................3

2 设计方案..........................................................4

2.1 总体结构.......................................................4

2.2 “零抬起”机构的设计...........................................5

2.3 动态水平支撑机构的设计.........................................5

2.4 可控双向棘轮设计...............................................6

3 理论设计计算......................................................6

3.1 轴的校核.......................................................6

3.2 撬头的校核 ....................................................7

3.3 三角板连接销校核:..............................................8

4 工作原理及性能分析................................................8

4.1 “零抬起”工作原理.............................................8

4.2 提升工作原理...................................................9

4.3 动态水平支撑工作原理..........................................10

4.4 移动重物工作原理——可控双向棘轮..............................10

4.5 性能分析......................................................11

5 创新点及应用.....................................................11

6 作品实物照片.....................................................11

参考文献..........................................................12

便携式万向千斤移设计说明书

作品内容简介

通过长期的调研、计算与实践，我们小组设计并制造了一台用于地震、泥石流等灾难的

救援排障工具，其名称为便携式万向千斤移。本作品体积小，携带方便，功能全面，工作效率高，主要用于排除障碍，可以将障碍物从紧贴地面抬起，而在抬起到合适的高度时可将重物进行移动，并且可向前、向后移动和顺时针、逆时针转动，可以很好地达到其排除障碍的目的。本作品创新点多并突出，主要体现在其对障碍物的“零抬起”功能及移动旋转障碍物功能。其实现功能的主要机构为：液压式千斤顶、可控双向棘轮机构、前轮锁紧机构、四杆稳定平面抬起机构以及各链轮传动机构。主要零件全为标准件和常用件，即降低成本又便于维护和更换。

该作品主要应用协助灾难现场的救援破障工作，它的便携性使它能在灾难发生时第一时间赶赴现场，其强大的救援排障功能若将来普遍使用可成为营救生命的第一先锋器械。

本作品已申请国家专利，专利申请号为：[1**********]0.9

联系人：孙学雁 联系电话：[1**********] Email:[email protected]

1 研制背景及意义

近年来，地震、泥石流等自然灾害频频发生，不但造成大量的人员伤亡与房屋坍塌，同时还造成公路桥梁损坏或被障碍物阻塞，使大型的排障救援车辆和工具无法第一时间赶赴灾难现场，人们只能通过简单的棍棒、铁具甚至徒手来进行救援与破障，其效率和安全性可想而知。

据调研相关资料后得知，震后20分钟获救的救活率达98%以上，震后一小时获救的救活率下降到63%，震后2小时还无法获救的人员中，窒息死亡人数占死亡人数的58%。他们不是在地震中因建筑物垮塌砸死，而是窒息死亡，如能及时救助，是完全可以获得生命的。而唐山大地震中就有几十万人被埋压在废墟中。

因此，目前我们极需一种小型便携、能在灾难发生时第一时间出现在现场的排障工具，并且需要这种工具能够使用方便、功能全面，能够应用于紧急情况，提高救援效率。所以，本小组研发并制造出了“便携式万向千斤移”。 2 设计方案

本小组经过调研发现，国内外现有的普通千斤顶须在重物与地面之间存在一定距离时使用，它的局限性令其不能很好的应用于灾难现场。于是，为了解决现有普通千斤顶使用局限性的缺点，我们设计了“零抬起”机构。并且，我们巧妙的利用了可控双向棘轮的特点，设计了平移和旋转重物的机构，该机构使本作品在处理灾难现场的障碍物时能发挥更大的作用。除此以外，考虑到千斤顶提升重物时的平稳性，我们设计了四杆水平提升机构，从而使本作品能更好的处理重物的重心。

2.1 总体结构

总体由抬起机构、提升机构、传动机构和控制机构四部分组成。图1为本作品整体结构图。

2.2 “零抬起”机构的设计 图1 整体结构图

实现该机构功能的主要零件为：撬头、曲形提扣、提升架、液压缸和操作杆，如图2所示。当操作杆往复按压液压缸时，提升架上升，曲形提扣拉动撬头像上翘起。

图2 抬起机构简图

2.3 动态水平支撑机构的设计

实现该机构功能的主要零件有：提升轮、平衡轮、提升架、三角板和长条杆，如图3所示。其中三角板、长条杆、提升架和机架组成的四杆机构可使提升轮和平衡轮保持水平上升。

2.4 可控双向棘轮设计 图3 提升机构简图

该设计由两个可控制的双向棘轮制作而成，其完成效果见图4，通过分别控制两棘轮方向可实现两提升轮的转向，固图中蓝色开关即为该装置的转向控制开关。

图4 可控双向棘轮零件效果图

3 理论设计计算

3.1 轴的校核

C轴(零起传动机构轴)的直径为d20mm，长度为40mm，材料为45钢。其承受重物重量为G10000N。

做出梁的计算图:

图5 梁计算图

做出剪力图和弯矩图：

图6 剪力图

图7 弯矩图

得:G2F

M1FL1.0105 N·mm

WD3

203

785mm3

3232

maxM

1.0105

785127MPa

已知120MPa 因此 max接近，所以该轴满足强度条件。

3.2 撬头的校核

该机构材料为Q345B钢，L38mm,h10mm,d45mm

MFd1.0104454.5105Nmm

GFt1.0105N

T1Ft

A1.010426.3

13810MPa

W1bh2138102407mm3 66

TM4.5105

2W2407186.9MPa maxT1T226.3186.9213.2MPa钢体的安全系数为St = 2.5

.2

max213

2.585.28

所以该撬头能满足使用要求。

3.3 三角板连接销校核:

此销轴材料为45钢，截面直径d12mm

由动态水平支撑机构可知:

F11100002500N4

F170F238

得:F24605.26N

根据切应力计算公式得：

F24605.2640.7100MPa 2A3.146

此销轴合格。

4 工作原理及性能分析

4.1 “零抬起”工作原理

将撬头放入重物与地面之间的缝隙，如图8所示。当按动操作杆令液压缸工作推动提升架上升时，撬头受提升架的拉动而往上顶起如图9所示。此时重物一端被翘起并随撬头像前运动直至接触提升轮，此时须停止液压缸的操作。

图8 “零抬起”工作原理示意图a

4.2 提升工作原理

该机构的主要作用在于可以将“零抬起”机构所提起的重物承接托起，进而进行大幅度的提升工作。具体工作原理如图10所示。当往复按动插于可控双向棘轮套筒上的操作杆时，链传动机构带动提升轮顺时针旋转，并由于提升轮与重物底面的高摩擦促使重物向上移动，直至落于提升轮的上方。

图9 “零抬起”工作原理示意图b

图10 提升工作原理示意

4.3 动态水平支撑工作原理

图11 动态水平支撑工作原理示意图

如图11所示，该机构为由提升架（杆1）、三角板（杆2)、长条杆（杆3）和机架组成的四杆机构。其中杆1和杆3长度相等，机架上两支点AE距离与杆2短边CD长度相等，ACDE构成了一个平行四边形。在提升架上升的过程中，由于CD永远平行于AE，因此BC将永远保持水平。

4.4 移动重物工作原理——可控双向棘轮

图12 移动重物工作原理示意图

如图12所示，当重物位于提升轮上方时，通过改变两棘轮各自的转向即可控制分别控制两提升轮的转向。当两轮转向相同时，重物做前移或后移动作；当两轮转向不同时，重物做原地旋转动作。

4.5 性能分析

通过计算和校核撬头及各轴的强度，并对实践进行分析，该装置最大能承受重量能力超过1吨。而在处理重物的过程中，能平稳地完成提升、移动和旋转动作。由于制作时考虑到排障负荷大强度高，所以该装置大部分零件采用了现有的标准件和常用件，如有损坏可方便更换。

5 创新点及应用

三核心机构成为了本作品最主要的创新点。

1）“零抬起”传递机构：置于机构前方的撬头可以将紧贴地面的物体撬起，并将重物一端放到提升移动轮上，从而进行下一步提升工作。

2）动态水平支撑机构：该机构通过四杆机构设计，可将重物水平放置并使其平稳上升。

3）可控双向棘轮机构：可控制两侧提升移动轮的旋转方向，从而达到可令重物前移、后移和旋转的功能。

其余，我们还采用了许多巧妙地细节设计。

① 应用撬头，实现自锁的特性，使撬头协助油压缸承载重物的压力。 ② 装置前轮加装制动螺栓，令装置更平稳提升重物而不前后滑动。

③ 两个刹车制动螺栓和一个油压缸控制螺栓的松紧度可用一个操作杆来控制，使用起来更加方便，更加人性化。

④ 装置两侧分别是操作杆的夹套和把手，使用完便可将操作杆夹于夹套上，而把手则使整台装置可单手提起，便于携带。

本作品属救援破障工具。目前使用在突发灾难现场的工作少之又少，本作品的出现弥补了该领域的空白，它的便携特点与设计巧妙的机构在将来必获得广泛的应用。

6 作品实物照片

参考文献

[1] 蔡春源 主编 《简明机械零件手册》 冶金工业出版社1996.3

[2] 东北工学院《机械零件设计手册》编写组编写.机械零件设计手册[M].北京：冶金工业

出版社，1983

[3] 杨可桢，程光蕴，李仲生 主编 《机械设计基础（第五版）》 高等教育出版社2006.5

[4] 金嘉琦 主编 《几何量精度设计与检测》 沈阳：东北大学出版社，1998

[5] 刘鸿文 主编 《材料力学》第四版 高等教育出版社，2004.1

[6] 北京科技大学，东北大学 主编《工程力学-静力学》第四版 高等教育出版社 2008.1

第四届全国大学生机械创新设计大赛决赛参赛作品

便携式万向千斤移设计说明书

目录

作品内容简介.......................................................3

1 研制背景及意义....................................................3

2 设计方案..........................................................4

2.1 总体结构.......................................................4

2.2 “零抬起”机构的设计...........................................5

2.3 动态水平支撑机构的设计.........................................5

2.4 可控双向棘轮设计...............................................6

3 理论设计计算......................................................6

3.1 轴的校核.......................................................6

3.2 撬头的校核 ....................................................7

3.3 三角板连接销校核:..............................................8

4 工作原理及性能分析................................................8

4.1 “零抬起”工作原理.............................................8

4.2 提升工作原理...................................................9

4.3 动态水平支撑工作原理..........................................10

4.4 移动重物工作原理——可控双向棘轮..............................10

4.5 性能分析......................................................11

5 创新点及应用.....................................................11

6 作品实物照片.....................................................11

参考文献..........................................................12

便携式万向千斤移设计说明书

作品内容简介

通过长期的调研、计算与实践，我们小组设计并制造了一台用于地震、泥石流等灾难的

救援排障工具，其名称为便携式万向千斤移。本作品体积小，携带方便，功能全面，工作效率高，主要用于排除障碍，可以将障碍物从紧贴地面抬起，而在抬起到合适的高度时可将重物进行移动，并且可向前、向后移动和顺时针、逆时针转动，可以很好地达到其排除障碍的目的。本作品创新点多并突出，主要体现在其对障碍物的“零抬起”功能及移动旋转障碍物功能。其实现功能的主要机构为：液压式千斤顶、可控双向棘轮机构、前轮锁紧机构、四杆稳定平面抬起机构以及各链轮传动机构。主要零件全为标准件和常用件，即降低成本又便于维护和更换。

该作品主要应用协助灾难现场的救援破障工作，它的便携性使它能在灾难发生时第一时间赶赴现场，其强大的救援排障功能若将来普遍使用可成为营救生命的第一先锋器械。

本作品已申请国家专利，专利申请号为：[1**********]0.9

联系人：孙学雁 联系电话：[1**********] Email:[email protected]

1 研制背景及意义

近年来，地震、泥石流等自然灾害频频发生，不但造成大量的人员伤亡与房屋坍塌，同时还造成公路桥梁损坏或被障碍物阻塞，使大型的排障救援车辆和工具无法第一时间赶赴灾难现场，人们只能通过简单的棍棒、铁具甚至徒手来进行救援与破障，其效率和安全性可想而知。

据调研相关资料后得知，震后20分钟获救的救活率达98%以上，震后一小时获救的救活率下降到63%，震后2小时还无法获救的人员中，窒息死亡人数占死亡人数的58%。他们不是在地震中因建筑物垮塌砸死，而是窒息死亡，如能及时救助，是完全可以获得生命的。而唐山大地震中就有几十万人被埋压在废墟中。

因此，目前我们极需一种小型便携、能在灾难发生时第一时间出现在现场的排障工具，并且需要这种工具能够使用方便、功能全面，能够应用于紧急情况，提高救援效率。所以，本小组研发并制造出了“便携式万向千斤移”。 2 设计方案

本小组经过调研发现，国内外现有的普通千斤顶须在重物与地面之间存在一定距离时使用，它的局限性令其不能很好的应用于灾难现场。于是，为了解决现有普通千斤顶使用局限性的缺点，我们设计了“零抬起”机构。并且，我们巧妙的利用了可控双向棘轮的特点，设计了平移和旋转重物的机构，该机构使本作品在处理灾难现场的障碍物时能发挥更大的作用。除此以外，考虑到千斤顶提升重物时的平稳性，我们设计了四杆水平提升机构，从而使本作品能更好的处理重物的重心。

2.1 总体结构

总体由抬起机构、提升机构、传动机构和控制机构四部分组成。图1为本作品整体结构图。

2.2 “零抬起”机构的设计 图1 整体结构图

实现该机构功能的主要零件为：撬头、曲形提扣、提升架、液压缸和操作杆，如图2所示。当操作杆往复按压液压缸时，提升架上升，曲形提扣拉动撬头像上翘起。

图2 抬起机构简图

2.3 动态水平支撑机构的设计

实现该机构功能的主要零件有：提升轮、平衡轮、提升架、三角板和长条杆，如图3所示。其中三角板、长条杆、提升架和机架组成的四杆机构可使提升轮和平衡轮保持水平上升。

2.4 可控双向棘轮设计 图3 提升机构简图

该设计由两个可控制的双向棘轮制作而成，其完成效果见图4，通过分别控制两棘轮方向可实现两提升轮的转向，固图中蓝色开关即为该装置的转向控制开关。

图4 可控双向棘轮零件效果图

3 理论设计计算

3.1 轴的校核

C轴(零起传动机构轴)的直径为d20mm，长度为40mm，材料为45钢。其承受重物重量为G10000N。

做出梁的计算图:

图5 梁计算图

做出剪力图和弯矩图：

图6 剪力图

图7 弯矩图

得:G2F

M1FL1.0105 N·mm

WD3

203

785mm3

3232

maxM

1.0105

785127MPa

已知120MPa 因此 max接近，所以该轴满足强度条件。

3.2 撬头的校核

该机构材料为Q345B钢，L38mm,h10mm,d45mm

MFd1.0104454.5105Nmm

GFt1.0105N

T1Ft

A1.010426.3

13810MPa

W1bh2138102407mm3 66

TM4.5105

2W2407186.9MPa maxT1T226.3186.9213.2MPa钢体的安全系数为St = 2.5

.2

max213

2.585.28

所以该撬头能满足使用要求。

3.3 三角板连接销校核:

此销轴材料为45钢，截面直径d12mm

由动态水平支撑机构可知:

F11100002500N4

F170F238

得:F24605.26N

根据切应力计算公式得：

F24605.2640.7100MPa 2A3.146

此销轴合格。

4 工作原理及性能分析

4.1 “零抬起”工作原理

将撬头放入重物与地面之间的缝隙，如图8所示。当按动操作杆令液压缸工作推动提升架上升时，撬头受提升架的拉动而往上顶起如图9所示。此时重物一端被翘起并随撬头像前运动直至接触提升轮，此时须停止液压缸的操作。

图8 “零抬起”工作原理示意图a

4.2 提升工作原理

该机构的主要作用在于可以将“零抬起”机构所提起的重物承接托起，进而进行大幅度的提升工作。具体工作原理如图10所示。当往复按动插于可控双向棘轮套筒上的操作杆时，链传动机构带动提升轮顺时针旋转，并由于提升轮与重物底面的高摩擦促使重物向上移动，直至落于提升轮的上方。

图9 “零抬起”工作原理示意图b

图10 提升工作原理示意

4.3 动态水平支撑工作原理

图11 动态水平支撑工作原理示意图

如图11所示，该机构为由提升架（杆1）、三角板（杆2)、长条杆（杆3）和机架组成的四杆机构。其中杆1和杆3长度相等，机架上两支点AE距离与杆2短边CD长度相等，ACDE构成了一个平行四边形。在提升架上升的过程中，由于CD永远平行于AE，因此BC将永远保持水平。

4.4 移动重物工作原理——可控双向棘轮

图12 移动重物工作原理示意图

如图12所示，当重物位于提升轮上方时，通过改变两棘轮各自的转向即可控制分别控制两提升轮的转向。当两轮转向相同时，重物做前移或后移动作；当两轮转向不同时，重物做原地旋转动作。

4.5 性能分析

通过计算和校核撬头及各轴的强度，并对实践进行分析，该装置最大能承受重量能力超过1吨。而在处理重物的过程中，能平稳地完成提升、移动和旋转动作。由于制作时考虑到排障负荷大强度高，所以该装置大部分零件采用了现有的标准件和常用件，如有损坏可方便更换。

5 创新点及应用

三核心机构成为了本作品最主要的创新点。

1）“零抬起”传递机构：置于机构前方的撬头可以将紧贴地面的物体撬起，并将重物一端放到提升移动轮上，从而进行下一步提升工作。

2）动态水平支撑机构：该机构通过四杆机构设计，可将重物水平放置并使其平稳上升。

3）可控双向棘轮机构：可控制两侧提升移动轮的旋转方向，从而达到可令重物前移、后移和旋转的功能。

其余，我们还采用了许多巧妙地细节设计。

① 应用撬头，实现自锁的特性，使撬头协助油压缸承载重物的压力。 ② 装置前轮加装制动螺栓，令装置更平稳提升重物而不前后滑动。

③ 两个刹车制动螺栓和一个油压缸控制螺栓的松紧度可用一个操作杆来控制，使用起来更加方便，更加人性化。

④ 装置两侧分别是操作杆的夹套和把手，使用完便可将操作杆夹于夹套上，而把手则使整台装置可单手提起，便于携带。

本作品属救援破障工具。目前使用在突发灾难现场的工作少之又少，本作品的出现弥补了该领域的空白，它的便携特点与设计巧妙的机构在将来必获得广泛的应用。

6 作品实物照片

参考文献

[1] 蔡春源 主编 《简明机械零件手册》 冶金工业出版社1996.3

[2] 东北工学院《机械零件设计手册》编写组编写.机械零件设计手册[M].北京：冶金工业

出版社，1983

[3] 杨可桢，程光蕴，李仲生 主编 《机械设计基础（第五版）》 高等教育出版社2006.5

[4] 金嘉琦 主编 《几何量精度设计与检测》 沈阳：东北大学出版社，1998

[5] 刘鸿文 主编 《材料力学》第四版 高等教育出版社，2004.1

[6] 北京科技大学，东北大学 主编《工程力学-静力学》第四版 高等教育出版社 2008.1