螺旋千斤顶设计文档格式.docx

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在某些关键岗位上增加一两台起重设备，劳动生产率就会成倍的增长。

起重机械由运动机械、承载机构、动力源和控制设备以及安全装备、信号指示装备等组成；

是一种以间歇作业方式对物料进行起升，下降和水平移动的搬运机械。

起重机械的作业通常带有重复循环的性质。

一个完整的作业循环一般包括取物、起升、平移、下降、卸载，然后返回原处等环节。

起重机械广泛用于交通运输业、建筑业、商业和农业等国民经济各部门及人们日常生活中。

在实际生产中，我们总是会遇到一些将重物如机床﹑笨重的箱子﹑井下的轨道等在没有起吊设备的情况下移动或抬起的情况，仅靠工人操作是很难实现的，这时我们就需要用到千斤顶。

千斤顶与我们的生活息息相关，在各行各业如建筑﹑铁路﹑汽车维修等部门均得到广泛的应用，因此千斤顶技术的发展将直接或间接影响到这些部门的正常运转和工作，而螺旋千斤顶又是千斤顶的一种，螺旋千斤顶是由人力通过螺旋副传动，其结构紧凑，成本较低，使用携带较为方便；

能长期支持重物，最大起重量已达100吨，应用广泛。

通过研究螺旋千斤顶的内部结构，工作原理，使我们对千斤顶有进一步的了解，使我们更加科学合理的应用千斤顶。

第二章千斤顶的概述

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。

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。

千斤顶的种类

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。

液压式千斤顶结构紧凑，工作平稳，有自锁作用，故使用广泛。

但液压千斤顶传动的缺点是：

（1）液压千斤顶系统中的漏油等因素，影响运动的平稳性和正确性，使得液压千斤顶传动不能保证严格的传动比。

（2）液压千斤顶传动对油温的变化比较敏感，温度变化时，液体粘性变化，引起运动特性的变化，使得工作的稳定性受到影响，所以它不宜在温度变化很大的环境条件下工作。

（3）为了减少泄漏，以及为了满足某些性能上的要求，液压元件的配合件制造精度要求较高，加工工艺较复杂。

（4）液压千斤顶传动要求有单独的能源，不像电源那样使用方便。

（5）液压千斤顶系统发生故障不易检查和排除。

螺旋千斤顶的主轴外表用铬处理可增加使用寿命；

其高度低，适用于一般窄小空间之作业需求，杨程短，可多次的垫高使用，它是由人力通过螺旋副传动，其结构紧凑，成本较低，使用携带较为方便；

能长期支持重物，最大起重量已达100吨，使用更为广泛。

液压千斤顶主要由油室、油泵、储油腔、活塞和摇把等组成，工作时，用千斤顶的手动摇把驱动油压泵，将工作油压入油室，推动活塞上升或下降，进而顶起或下落重物。

在工程施工时，YQ型手动液压千斤顶（或称移溜千斤顶）是一种内回液双作用的液压机构。

使用较多。

这种千斤顶质量轻，效率高，使用和搬运也比较方便，它又可以分为通用和专用两类。

专用液压千斤顶使专用的张拉机具，在制作预应力混凝土构件时，对预应力钢筋施加张力。

专用液压千斤顶多为双作用式。

常用的有穿心式和锥锚式两种。

绝大时候使用穿心式。

穿心式千斤顶适用于张拉钢筋束或钢丝束，它主要由张拉缸、顶压缸、顶压活塞及弹簧等部分组成。

它的特点是：

沿拉伸机轴心有一穿心孔道，钢筋（或钢丝）穿入后由尾部的工具锚固。

螺旋式千斤顶又分为：

固定式螺旋式千斤顶、固定式LQ型螺旋千斤顶和移动式螺旋千斤顶三大类。

（1）固定螺旋式千斤顶有普通式和棘轮式两种，在作业时，未卸载之前不能作平面移动；

（2）固定式LQ型螺旋千斤顶结构紧凑、轻巧，使用方便。

它有棘轮组、大小锥齿轮、升降套筒、锯齿形螺杆、主架等组成；

当往复搬动手柄时，撑牙推动棘轮组间歇回转，小锥齿轮带动大锥齿轮，使锯齿形螺杆旋转，从而使升降套筒上升或下降。

由于推力轴承转动灵活，摩擦力小，因而操作灵敏，工作效率高。

（3）移动式螺旋千斤顶是一种在顶升过程中可以移动的千斤顶，在作业时，它的移动主要是靠其底部的水平螺杆转动，从而使顶起或下降的重物连同千斤顶一同做水平移动。

因此，移动式螺旋千斤顶在设备安装施工中使用起来就很方很。

如右图：

千斤顶的结构和技术规格

油压千斤顶按其结构、用途分为如下两种：

①立式螺纹连接结构的油压千斤顶，其代号的表征字母为qyl。

②立卧两用油压千斤顶，其代号的表征字母为qw。

螺旋千斤顶按其结构和使用场所分为：

①普通型螺旋千斤顶，其代号的表征字母为ql。

②普通高型螺旋千斤顶，其代号的表征字母为qlg。

③普通低型螺旋千斤顶，其代号的表征字母为qld。

④钩式螺旋千斤顶,其代号的表征字母为qlg。

⑤剪式螺旋千斤顶,其代号的表征字母为qlj。

⑥自落式螺旋千斤顶,其代号的表征字母为qlz。

千斤顶的工作原理

千斤顶有机械千斤顶和液压千斤顶等几种，原理各有不同。

从原理上来说，液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是说，液体各处的压强是一致的，这样，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小，而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。

所以通过液体的传递，可以得到不同端上的不同的压力，这样就可以达到一个变换的目的。

我们所常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递。

螺旋千斤顶是通过往复扳动手柄，拔爪即推动棘轮间隙回转，小伞齿轮带动大伞齿轮、使举重螺杆旋转，从而使升降套筒获得起升或下降，而达到起重拉力的功能，它是由人力通过螺旋副传动，其结构紧凑，成本较低，使用携带较为方便；

第三章螺旋传动的设计与计算

螺旋传动的应用和类型

螺旋传动是利用螺杆（丝杠）和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。

它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。

它具有结构紧凑、转动均匀、准确、平稳、易于自锁等优点，在工业中获得了广泛应用。

（1）按螺杆与螺母的相对运动方式，螺旋传动可以有以下四种运动方式：

①螺母固定不动，如图（a）螺杆转动并往复移动，这种结构以固定螺母为主要支承，结构简单，但占据空间大。

常用于螺旋压力机、螺旋千斤顶等。

②螺母转动，如图（b）螺杆做直线移动，螺杆应设防转机构，螺母转动要设置轴承均使结构复杂，且螺杆行程占据尺寸故应用较少。

③螺母旋转并沿直线移动，如图（c）由于螺杆固定不动，因而二端支承结构较简单，但精度不高。

有些钻床工作台采用了这种方式。

④螺杆转动，如图（d）螺母做直线运动，这种运动方式占据空间尺寸小，适用于长行程螺杆。

螺杆两端的轴承和螺母防转机构使其结构较复杂。

车床丝杠、刀架移动机构多采用这种运动方式。

（a）（b）

（c）（d）

（c）（d）

图运动方式

本次设计的剪式千斤顶是运用了上图（d）的运动方式。

（2）按照用途不同，螺旋传动分为三种类型。

①传力螺旋以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，一般为间歇性工作，工作速度较低，通常要求具有自锁能力，下图螺旋压力机均为传力螺旋。

②传导螺旋以传递运动为主，这类螺旋常在较长的时间内连续工作且工作速度较高，传动精度要求较高，下图为机床进给机构的螺旋。

③调整螺旋用于调整并固定零件间的相对位置，一般不经常转动，要求能自锁，有时也要求很高精度，如带传动张紧装置、机床卡盘和精密仪表微调机构的螺旋等。

本次设计的剪式千斤顶就是运用了传力螺旋这种传动类型。

螺旋传动的结构和用途

按照螺旋副摩擦性质的不同，螺旋传动又可分为滑动摩擦螺旋传动（简称滑动螺旋）、滚动摩擦螺旋传动（简称滚动螺旋）和静压滑动螺旋传动（简称静压螺旋）。

滚动螺旋也称滚珠丝杠，其特点是摩擦阻力小，传动效率高（90%以上）；

运转平稳，低速时不爬行，启动时无抖动；

螺旋副经调整和预紧可实现高精度定位精度和重复定位精度；

传动具有可逆性，如果运用于禁止逆转的场合，需要加设防逆转机构；

不易摩擦，使用寿命长。

缺点为结构复杂，制造困难；

抗冲击能力差。

应用于精密和数控机床、测试机械、仪器的传动和调整螺旋，车辆、飞机上的传动螺旋。

滚动螺旋传动特点：

传动效率高，传动精度高，起动阻力矩小，传动灵活平稳，工作寿命长。

滚动螺旋传动应用于机床、汽车、拖拉机、航空军工等制造业。

滚动螺旋传动按滚珠循环方式分为：

内循环：

滚珠始终和螺杆接触，两个封闭循环回路有两个反向器，三个封闭循环回路有三个反向器。

特点：

流动性好，效率高，经向尺寸小。

外循环：

分离，工艺性好，分为螺旋式，插管式，挡珠式。

静压螺旋传动螺杆与螺母被油膜隔开，不直接接触。

具有摩擦阻力小，传动效率高（达99%）；

螺母的结构复杂；

运转平稳，无爬行现象；

传动具有可逆性（不需要时应加设防逆转机构）；

反向时无空行程，定位精度高，轴向刚力大；

磨损小，寿命长等优点。

其缺点为结构复杂，制造较难，需要一套压力稳定，供油系统要求高。

应用于精密机床的进给、分度机构的传动螺旋。

滑动螺旋传动又分为普通滑动螺旋传动和静压螺旋传动，且应用较广，其特点是结构简单，制造方便，成本低;

易于实现自锁：

运转平稳。

缺点在于当低速或进行运动微调时可能出现爬行现象;

摩擦阻力大，传动效率低（一般为30%~50%）;

螺纹通常采用梯形螺纹和锯齿形螺纹）有侧向间隙，反向时有空行程；

磨损较大。

传动螺纹也属于普通滑动螺旋传动，按牙型的不同可分为矩形螺纹，梯形螺纹，锯齿型螺纹。

矩形螺纹牙型为正方形，牙型角

其传动效率较其他螺纹高，但牙跟强度弱，螺旋副磨损后，间隙难易修复和补偿，传动精度降低。

梯形螺纹牙型为等腰梯形，牙型角

。

内外螺纹以锥面贴紧不易松动。

与矩形螺纹相比，传动效率略低，但工艺性好，牙根强度高对中性好。

如用剖分螺母，还可以调整间隙。

图锯齿型螺纹

锯齿型螺纹为不等腰梯形螺纹，工作面的牙侧角为

，非工作面的牙侧角为

外螺纹旋合后，大径处无间隙，便于对中。

这种螺纹兼有矩形螺纹传动效率高、梯形螺纹牙型根强度高的特点，但只能用于单向德螺纹连接或螺旋传动中，如螺旋压力机。

此次剪式千斤顶的设计采用梯形螺纹传动。

螺旋传动的计算

在螺旋传动中，结构最简单应用最广泛的是滑动螺旋，滑动螺旋副工作时，主要承受转矩和轴向拉力（或压力）的作用，由于螺杆和螺母的旋合螺纹间存在着较大的相对滑动，因此，其主要失效形式是螺纹牙破损。

滑动螺旋的基本尺寸通常根据耐磨条件确定。

对于传力螺旋还应校核螺杆危险截面的强度；

对于青铜或铸铁螺母以及承受重载的调整螺旋应校核其自锁性；

对于精度传动螺旋应该校核螺杆的刚度；

对于受压螺杆，当其长径比很大时，应校核其稳定性；

对于高速长螺杆，应校核其临界转速；

要求自锁时，多采用单线螺纹，要求高效时，多采用多线螺纹。

（1）一般螺旋机构的计算

一般螺旋机构当螺杆转Ψ角（rad）时，螺母轴向移动的位移L（mm）为:

L=SΨ/2π（机械原理第七版）（式

则式中S为螺旋线导程（mm）。

如果螺杆的转速为n（r/min）时，则螺母移动速度v（mm/s）为:

V=Sn/60（机械原理第七版）（式

（2）差动螺旋机构与复式螺旋机构的计算

1-机架2-螺杆3-螺母4-导向杆

图差动螺旋机构

上图的螺旋机构中，螺杆1上有A、B两段螺旋，A段螺旋导程为SA（mm），B段螺旋导程为SB（mm），两者旋向相同，则当螺杆转Ψ角（rad）时，螺母轴向移动的位移L（mm）为：

L=（SA-SB）Ψ/2π（机械原理第七版）（式

如果螺杆的转速为n（r/min）时，则螺母移动速度v（mm/s）为：

V=（SA-SB）n/60（机械原理第七版）（式

由上式可知：

当A、B两螺旋的导程SA、SB接近时，螺母可得到微小位移，这种螺旋机构称为差动螺旋机构（又称微动螺旋机构），常用于分度机构、测微机构等。

如果两螺旋的旋向相反，则螺母轴向移动的位移L为：

L=（SA-SB）Ψ/2π（机械原理第七版）（式

移动速度为：

V＝（SA-SB）n/60（机械原理第七版）（式

这种螺旋机构称为复式螺旋机构，适合于快速靠近或离开的场合。

滑动螺旋传动工作时，螺杆和螺母主要承受转矩和轴向载荷（拉力或压力）的作用，同时在螺杆和螺母的旋合螺纹间有较大的相对滑动。

滑动螺旋传动的主要失效形式是螺纹磨损。

因此，通常根据螺旋副的耐磨性条件，计算螺杆中径及螺母高度，并参照螺纹标准确定螺旋的主要参数和尺寸，然后再对可能发生的其他失效逐一进行校核。

螺旋传动的设计和选材

滑动螺旋的结构包括螺杆、螺母的结构形式及其固定和支承结构形式。

螺旋传动的工作刚度与精度等和支承结构有直接关系，当螺杆短而粗且垂直布置时，如起重及加压装置的传力螺旋，可以采用螺母本身作为支承的结构。

当螺杆细长且水平布置时，如机床的传导螺旋（丝杠）等，应在螺杆两端或中间附加支承，以提高螺杆工作刚度。

螺母结构有整体螺母、组合螺母和剖分螺母等形式。

整体螺母结构简单，但由磨损而产生的轴向间隙不能补偿，只适合在精度要求较低的场合中使用。

对于经常双向传动的传导螺旋，为了消除轴向间隙并补偿旋合螺纹的磨损，通常采用组合螺母或剖分螺母结构。

利用螺钉可使斜块将其两侧的螺母挤紧，减小螺纹副的间隙，提高传动精度。

传动用螺杆的螺纹一般采用右旋结构，只有在特殊情况下采用左旋螺纹。

螺杆和螺母材料应具有较高的耐磨性、足够的强度和良好的工艺性。

表螺杆与螺母常用的材料

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

9Mn2VGrWMn38GrMoAl

精密传导螺旋传动。

材料需经热处理

螺母

ZcuSn10P1ZcuSn5Pb5Zn5

一般传动

ZcuAL10Fe3ZcuZn25AL6Fe3Mn

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

螺旋机构耐磨性的计算

磨损多发生在螺母，把螺纹牙展直后相当于一根悬臂梁。

耐磨性的计算在于限制螺纹副的压强P，其校核公式为：

P＝

=Fp/πd2hH≤[P]（机械设计第四版）（式

式中，F为轴向工作载荷（N）；

A为螺纹工作表面投影到垂直于轴向力的平面上的面积（mm²

）；

d2为螺纹中径（mm）；

p为螺距（mm）；

h为螺纹工作高度（mm），矩形与梯形螺纹的工作高度h=,锯齿形螺纹高度h=；

z=H/p为螺纹工作圈数，H为螺纹高度（mm），[p]为许用压强（MPa）。

为便于推导设计公式，令ø

=H/d2，代入整理后得螺纹中径的设计公式为：

d2≥

（机械设计第四版）（式）

对矩形、梯形螺纹，h=，则：

（机械设计第四版）（式）

对锯齿形螺纹，h=，则

d2≥

表滑动螺旋传动的许用压强

螺纹副材料

滑动副速度/（m·

min-1）

许用压强/MPa

钢对青铜

低速

<

6~12

>

15

18~25

11~18

7~10

1~2

钢-耐磨铸铁

6~8

钢-灰铸铁

13~18

4~7

钢-钢

~13

淬火钢-青铜

10~13

注：

ø

或人力驱动时，[p]可提高20%；

螺母为剖分式时，[p]应降低15%-20%。

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ø

=～；

对于剖分式螺母或螺母兼作支承而受力较大，可取ø

传动精度高或要求寿命长时，允许ø

=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和螺距p。

由于旋合各圈螺纹牙受力不均，故z不宜大于10。

螺母螺纹牙强度的计算

螺纹牙多发生剪切与弯曲破坏。

由于一般情况下螺母材料的强度比螺杆低，因此只需校核螺母螺纹牙的强度。

假设载荷集中作用在螺纹中径上，可将螺母螺纹牙视为大径D处展开的悬臂梁，螺纹牙根部的弯曲强度校核公式为：

=3Fh/πDb²

z≤[

]（机械设计第四版）（式）

剪切强度校核公式为：

τ=F/πDbz≤[τ]（机械设计第四版）（式

式中D为螺母螺纹的大径（mm）；

b为螺母螺纹牙底宽度（mm）；

可由国家标准查得，也可取矩形螺纹b=，梯形螺纹b=，锯齿形螺纹b=；

[

]、[τ]分别为螺母螺纹牙的许用弯曲应力和许用切应力（MPa）。

表滑动螺旋副材料的许用应力

项目

许用应力/MPa

钢制螺杆

[σ]=σS/3~5σS为材料的屈服极限/MPa

螺母

许用弯曲应力[σb]

许用切应力[τ]

青铜

40~60

30~40

耐磨铸铁

50~60

40

铸铁

45~55

钢

（~）[σ]

[σ]

静载荷许用应力取大值。

若螺杆与螺母的材料相同，由于螺杆螺纹的小径d1小于螺母螺纹的大径D，故应校核螺杆螺纹牙的强度，这时公式中的D应改为d1。

螺杆强度和稳定性的校核

强度的校核

螺杆受轴向力F及转矩T的作用，危险截面上受拉（压）应力σ和扭转切应力τ。

根据第四强度理论，螺杆危险截面的强度校核公式为：

=

（机械设计第四版）（式

式中d1为螺杆螺纹的小径（mm）；

[σ]为螺杆材料的许用应力（MPa），T为螺杆所受转矩（N·

m）T=

；

稳定性的校核

对于长径比大的受压螺杆，当轴向力F超过某一临界载荷FC时，螺杆可能会突然产生侧向弯曲而丧失稳定。

因此，对细长螺纹应进行稳定性校核。

螺杆的稳定性条件为：

（机械设计第四版）（式）

式中S为稳定性安全系数，对于传力螺旋取S=～5；

对于传导螺旋取S=～4；

对于精密螺杆或水平螺杆取S>

4。

临界载荷FC与螺杆的柔度γ及材料有关，根据Υ=

的大小选用不同的公式计算。

表长度系数μ的选择

螺杆端部结构

μ

两端固定

一端固定，一端不完全固定

一端固定，一端自由（如千斤顶）

2

一端固定，一端铰支（如压力机）

两端铰支（如传导螺杆）

1

用下列办法确定螺杆端部的支撑情况：

采用滑动支承时：

lo为支承长度，do为支承孔直径，lo/do<

铰支；

lo/do=～3不完全固定；

lo/do>

3固定。

采用滚动支承时：

只有径向约束时为铰支；

径向和轴向都有约束为固定。

当Υ≥85～90时，根据欧拉公式计算，即：

（式）

当Υ<

85～90时；

对σb≥380MPa的碳素钢（如Q235、Q275）

Fc=（304/Υ）

85～90时，对σb≥470MPa的优质碳素钢（如355、45）

Fc=（461/Υ）

40时，无需进行稳定性计算。

式中:

FC————临界载荷（N）；

E——螺杆材料的弹性模量（MPa），对于钢E=×

105；

I——危险截面的惯性矩（mm4），I=

，d1为螺杆螺纹内径（mm）；

μ——长度系数，与螺杆端部结构有关；

L——螺杆最大受力长度（mm）；

i——螺杆危险截面的惯性半径（mm），i=

自锁性的校核

对于要求自锁的螺旋传动，应校核是否满足自锁条件，即：

式中，fV为螺纹副的当量摩擦系数

表螺旋传动螺旋副的当量摩擦系数fV（定期润滑）

螺旋副材料

钢和青铜

钢和耐磨铸铁

钢和铸铁

钢和钢

淬火钢和青铜

ƒν

～

第四章千斤顶的设计

已知轴向载荷F=15000N,最大举升高度100mm.方案图如下所示。

图千斤顶总装图

螺杆的设计计算

4.1.1.选择材料

前面已做分析，此次设计选用梯形螺纹，基本牙型按GB/的规定。

考虑到千斤顶转速较低，单个作用面受力不大，螺杆材料常用Q235，275，40，45，55等，此处螺杆选常用的45钢。

由手册查σ=360Mpa；

为了提高耐磨性，螺母选较软的材料锡青铜为ZCuSn10P-1，由上表知钢对青铜低速时，对人力驱动[p]可提高20%，即[p]=

，[p]=25MPa，螺母为整体螺母由于磨损后不能调整间隙，可视受力比较均匀，螺纹工作圈数不宜过多，此处取

4.1.2.确定螺杆直径

按耐磨性条件确定螺杆中径d2,求出d2后，按标准选取相应的公称直径d2，螺距p及其他尺寸。

根据规定对整体螺母，由于磨损后不能调整间隙，可视受力比较均匀，螺纹工作圈数不宜过多，故取

，此处取

螺杆——螺母材料分别取为钢——青铜，查表滑动速度为低速，对人力驱动[p]可提高20%，即[p]=

，[p]=25MPa，（摩擦系数起动时取大值，校核是为安全起见，应以起动时为准。

由f值，应取f=,代入F=8660N

梯形螺纹，h=05p,已知取

，则计算d2

则d2=

根据GB/,200