1、本科毕业设计（20届）组合式多用途救援工具设计推顶机构设计所在学院专业班级机械设计制造及其自动化学生姓名学号指导教师职称完成日期年月I摘要摘要本作品面向自然灾害及突发事故的应急破障、救援，采用液压机械复合式分级顶升技术，具有高效率实现大行程顶升、扩张以及辅助剪切和辅助水平调节等功能。作品由液压往复式驱动机构，推顶机构，剪切机构，辅助水平调节机构等组成。在液压驱动机构的往复式驱动下，推顶机构实现多级顶升，高效率地完成大行程的撑顶或扩张。液压驱动机构与辅助剪切机构组合，可用于不同材料的丝、筋、板条的剪切。底座辅助水平调节机构具有斜度调节功能，便于工具在斜坡上使用。本文考虑以液压装置作为动力传动部件
2、，重点针对该救援工具中推顶机构进行研究和设计。本文设计的推顶部件考虑以伸缩式的结构减小其未使用时的体积及质量，并在其使用时可以实现多级延伸撑顶功能，完成工具的大距离撑顶功能。关键词推顶机构；液压装置；多级顶升；组合式；救援工具IITHEDESIGNOFATOOLONCOMBINEDTYPEMULTIFUNCTIONTHEDESIGNOFPUSHINGINSTITUTIONSABSTRACTABSTRACTTHISTOOLISUSEDINNATURALDISASTERSANDEMERGENCYINCIDENTSTOBREAKBARRIERSANDRESCUE,USINGHYDRAULICMECH
3、ANICALLIFTINGCOMPOSITEGRADINGTECHNOLOGYWITHHIGHEFFICIENCYTOACHIEVELARGESTROKETHETOPUP,EXPANSIONANDSUPPORTINGSHEARANDSECONDARYLEVELOFREGULATIONANDOTHERFUNCTIONSTOOLSISMADEUPOFAHYDRAULICRECIPROCATINGDRIVEINSTITUTIONS,PUSHINGINSTITUTIONS,CUTTINGINSTITUTIONS,SUPPORTINGTHELEVELOFREGULATORYINSTITUTIONSAND
4、SOONBYTHERECIPROCATINGDRIVENOFHYDRAULICDRIVEINSTITUTIONS,PUSHINGINSTITUTIONSCANACHIEVETHEMULTILEVEL,HIGHEFFICIENCY,LARGESTROKEOFTHEPUSHINGOREXPANSIONAUXILIARYHYDRAULICDRIVEINSTITUTIONSCANBEUSEDFORSHEARINGDIFFERENTMATERIALS,LIKEWIRE,BARSANDSOONTHELEVELOFREGULATORYINSTITUTIONSINTHEBASEASSISTEDWITHSLOP
5、EADJUSTMENTFUNCTION,EASYTOUSETOOLSINTHESLOPEWECONSIDERAHYDRAULICDEVICEASATRANSMISSIONOFTHEPOWER,FOCUSINGONTHETOPOFTHERESCUETOOLSTOPUSHRESEARCHANDDESIGNINSTITUTIONSTHEPUSHINGINSTITUTIONSDESIGNEDTOCONSIDERTHESTRUCTUREOFRETRACTABLEWHENNOTINUSETOREDUCESTHEVOLUMEANDQUALITY,ANDINITSUSECANBEACHIEVEDWHENTHE
6、TOPFEATURESMULTILEVELEXTENSIONOFSTAYTOCOMPLETESUPPORTINGFROMTHETOPOFTHEBIGFEATURESKEYWORDSPUSHINGINSTITUTIONSHYDRAULICDEVICEMULTISTAGEJACKUPCOMBINEDTYPETHERESCUETOOLSIII目录摘要IABSTRACTII目录III1研制背景和意义12常见液压撑顶工具221液压千斤顶的工作原理222液压千斤顶的结构和原理223缺陷33推顶机构的改进方案431卡盘式推顶机构432伸缩式推顶机构5321工作原理6322顶升步骤7323机构的特点和优势84
7、总结10参考文献11致谢错误未定义书签。IV11研制背景和意义目前市场上存在的撑顶工具主要以液压类的设备为主，液压传动装置具有推力大、重量轻、结构紧凑、工作平稳可靠，并且液压装置的应用使工具的体积和重量缩减了许多，所以目前在涉及到有关顶升的机构设计时均采用液压装置。但这些常见的液压撑顶类工具或存在自身工作效率低、操作费力、功能单一，或由于存在起升高度不足导致使用不便且效率不高，或由于存在体积重量方面的原因导致携带和使用不便等问题，而专业扩张工具虽然形式多样，但也存在体积与重量大，价格高，携带不便，不利于普及等问题，效率、体积、携带和使用的方便性等方面存在的矛盾，限制了这些工具在灾害或事故救援中
8、的应用。针对如上的缺陷及问题，本文旨在研究发明一种新型的救援工具，使其成为一种体积小巧，同时动力强劲，功能多样，具备大距离撑顶功能，以填补上述传统撑顶工具的缺陷和不足。本作品面向自然灾害及突发事故的应急破障、救援，采用液压机械复合式分级顶升技术，具有高效率实现大行程顶升、扩张以及辅助剪切和辅助水平调节等功能。作品由液压往复式驱动机构，推顶机构，剪切机构，辅助水平调节机构等组成。在液压驱动机构的往复式驱动下，推顶机构实现多级顶升，高效率地完成大行程的撑顶或扩张。液压驱动机构与辅助剪切机构组合，可用于不同材料的丝、筋、板条的剪切。底座辅助水平调节机构具有斜度调节功能，便于工具在斜坡上使用。本文考虑
9、以液压装置作为动力传动部件，重点针对该救援工具中推顶机构进行研究和设计。本文设计的推顶部件考虑以伸缩式的结构减小其未使用时的体积及质量，并在其使用时可以实现多级延伸撑顶功能，完成工具的大距离撑顶功能。下文即为传统的液压撑顶工具的结构原理和本设计的结构和原理及其之间的一些对比。22常见液压撑顶工具21液压千斤顶的工作原理以最常见的液压千斤顶为例，其工作原理和结构如下。液压千斤顶是一个典型的液压传动系统，同其他的液压传动系统一样，其在工作中依据的基本工作原理是“帕斯卡原理”，是利用密封工作容腔内液体的压力能来实现能量的传递和转换的。22液压千斤顶的结构和原理液压千斤顶的结构如图1所示，主要包括了大
10、、小缸体和大、小活塞以及单向阀、截止阀、油箱、吸油管、管道、杠杆手柄等部分。1杠杆手柄2小缸体3小活塞4、7单向阀5吸油管6、10管道8大活塞9大缸体11截止阀12油箱图1液压千斤顶结构示意图具体来说，液压千斤顶的大缸体、小缸体、油箱以及他们之间的连接管道构成一个密封的容腔，里面充满着液压油，在截止阀关闭的情况下，当向上抬起杠3杆手柄时，小缸体的活塞上移，使小缸体内工作容积增大，形成部分真空，油箱里的液压油在大气压力作用下，通过单向阀4进入小缸体内；向下压下杠杆手柄时，小缸体内的活塞下移，挤压其下腔的液压油液，一部分液压油便顶开单向阀7进入大缸体，推动大活塞，从而顶起重物。综上所述，活塞便为千
11、斤顶中简单的推顶机构，经液压装置的推动，使推顶机构向上顶升，顶起重物。当连续不断地抬起和压下杠杆手柄时，小缸体不断交替进行着吸油和排油过程，液压油不断进入大缸体，将重物一点点地顶起。当需要放下重物时，打开截止阀，大缸体的活塞便在重物作用下下移，将大缸体中的液压油挤回油箱。23缺陷虽然传统液压千斤顶体积小巧、操作方便，但是也存在着不少缺点。首先传统千斤顶的推顶机构过于简陋，只有一级活塞杆组成，则千斤顶受活塞杆长度的限制，起升行程很小，使用时所能实现的撑顶距离十分有限。再次该推顶机构是由液压力实现支承的，所以只能做临时支承用，不能作长时间的支承，以免因漏油而发生意外事故。本文所设计的推顶机构极大地
12、改进了上诉缺点1推顶机构采用多级支承的方式，使得撑顶距离呈级数增长；2机构的推顶和支承采用了不同的方式来完成，在推顶时，采用液压顶升，而在支承时，使用纯机械的支承方式，使其可作长时间支承。下面详细介绍和阐述本文所设计的推顶机构的工作原理。43推顶机构的改进方案针对该推顶机构，共经历了两次方案的设计和改进，第一次为卡盘式推顶机构，此为参加浙江省机械设计大赛时的作品，由于此作品存在着许多的缺陷，因此进行了第二次方案的改进，即为伸缩式多级推顶机构，具体的原理和机构如下文所示。31卡盘式推顶机构卡盘式推顶机构包含了多级延伸套杆和多级顶升杆，多级顶升杆用于顶升重物，多级延伸套杆实现对重物的支撑，其三维的
13、组合视图如下。图2卡盘式推顶装置三维组合视图多级延伸装置之间相互嵌套利用了卡盘的原理，利用凸出的卡齿，将延伸套和延伸杆相互卡死，从而实现工具的大距离撑顶功能。多级延伸装置包含了多级延伸套杆与多级顶升杆，分别用螺纹连接与工具的主体部分相连。多级延伸套杆作用为在活塞杆顶至极限高度时，将其安装至工具上后，可以起到支撑所顶重物的作用，以便活塞杆快速回复，并安装上多级延伸杆，实现工具的多级延伸。工作时，顶升杆之间相互嵌套在一起，液压油推动顶升杆上升，当推顶至极限位置时，安装上相互嵌套在一起的多级延伸套杆，支撑起重物。顶升杆回复之多级顶升杆1多级顶升杆2多级延伸套杆1多级延伸套杆25后，手动地将顶升杆2从
14、顶升杆1中拉出来，旋转一定角度，利用顶升杆之间的卡齿相互卡死，实现第二次的延伸撑顶，与顶升杆类似，在顶升杆2被推顶至极限位置时，多级延伸套杆2也用类似的过程实现对重物的支撑，依次类推，便可实现工具的多级顶升。与常见的液压撑顶工具相比，其虽然能实现大距离的撑顶功能和长时的支撑功能，但是由于其操作复杂，自动性能不高，因此怎样设计一个推顶机构，使其既能满足大距离的撑顶要求，又能具有一定的自动化，便成了接下来设计的主要任务。32伸缩式推顶机构伸缩式多级推顶机构由四部分组成，分别为推顶部件、变间距顺序推顶部件、定位支撑部件、伸缩顶升部件，具体的的结构如下图所示。1第一级顶升杆2支撑杆3第二级顶升杆4活塞
15、杆5第三级顶升杆6支撑块7定位弹簧8扭簧图3推顶机构的结构示意图上图详细地描述了该推顶部件的结构示意图，由于本文重点在于推顶部件的设计，这里略去液压油路部分的相关结构。推顶部件即为图中的活塞杆，在液压6力的驱动下，推顶变间距顶升部件和顶升部件上升，从而实现撑顶功能。变间距顺序推顶部件由扭簧和支撑杆组成，变间距弹簧的弹力作用使得支撑杆一直成撑顶在顶升杆的内壁。变间距顺序自动推顶部件利用了扭簧的弹力将支撑杆自动弹开，靠在将要工作的顶升杆内壁，并支撑在上一级顶升杆下准备推顶。工作时，活塞杆推动变间距顺序自动推顶机构向前运动，进而推动上一级顶升杆向前运动，由于上一级顶升杆已通过定位支撑块连接，所以上一
16、级顶升杆向前运动会拉动下一级顶升杆向前运动，直到被拉动的顶升杆被定位在它的下一级顶升杆上。如此实现顺序推顶。定位支承部件由定位弹簧和支撑块组成，由于定位弹簧的弹力作用，支承块可撑顶在顶升杆的外壁。定位支撑部件利用的弹簧的弹性势能，当顶升杆上升至一定位置时，将原本顶压在定位槽中的定位支撑块部分弹出，顶入另一级顶升杆的支撑孔中，实现两级之间的定位支撑。这样，当活塞杆回复时，上一级顶升杆也因为有下一级顶升杆的支撑而不会回退，从而实现了逐级顶升。顶升部件由三级顶升杆组成，可实现两次顶升。上诉四个部件组合起来形成了推顶机构，可实现推顶部件的多级顶升功能321工作原理前已述及，本机构主要完成大行程顶升，由
17、于单级完成大行程顶升或扩张将会使撑顶工具的高度、重量、体积大幅增加，为了尽可能降低撑顶工具的高度、重量、体积、成本，方便携带和使用，考虑采用液压机械复合式多级顶升方法实现大行程顶升或扩张，这种方法需要解决顺序逐级推顶、各级最大允许行程处的自动定位支撑两个主要问题。顺序逐级推顶的具体问题是，顶升杆截面是圆环形的，且各级顶升杆的直径并不相同，如何实现逐级顺序推顶，而不会产生漏推、错推。由于各级顶升杆在不到最大允许行程处时，有液压力的支撑，所以级间的自动定位支撑中的具体问题是顶升杆前进到最大允许行程处后，如何自动实现可靠定位与支撑而不会在撑顶时产生回退。由于顺序逐级推顶时，推顶部件推送的顶升杆截面是
18、直径变化的圆环，且此时本级顶升杆底部间隙很小，推顶部件无法直接推送，因而推顶部件的间距必须能自动适应顶升杆截面直径的变化，并利用拉的方式实现本级顶升杆的顶升，基于这一思路，设计了变间距顺序自动推顶机构。其利用了扭簧的弹力将支撑杆自动弹开，靠在将要工作的顶升杆内壁，并支撑在上一级顶升杆下准备推顶。工作时，活塞杆推动变间距顺序自动推顶机构向前运动，进而推动上一级顶升杆向前运动，由于上一级顶升杆已通过定位支撑块连接，所以上一级顶升杆向前运动会7拉动下一级顶升杆向前运动，直到被拉动的顶升杆被定位在它的下一级顶升杆上。如此实现顺序推顶。为了使顶升杆在到达预定最大允许行程处后不产生回退，考虑定位槽弹簧定位
19、支撑块支撑孔的结构，定位支撑块和弹簧片被安放在顶升杆底部外侧的定位槽内，弹簧在内支撑块在外，如图3所示。当顶升杆处于初始位置时，弹簧被压缩，支撑块紧贴下一级顶升杆内侧，两级顶升杆之间有导向装置，防止两级顶升杆之间产生相对转动，当顶升杆到达预定最大允许行程处时，由于下一级顶升杆上侧相应位置有一定位孔，定位支撑块的一部分被弹簧推入定位孔中，可以实现定位与支撑。这样，当活塞杆回复时，上一级顶升杆也因为有下一级顶升杆的支撑而不会回退，从而实现了逐级顶升。322顶升步骤推顶机构在四部分的组合下实现其多级顶升的功能，其详细的顶升步骤和各部间的动作顺序如下图所示。图4未顶升时示意图图5第一级顶升示意图8图6
20、第一级顶升完毕示意图图7第二级顶升完毕示意图（1）如图3为伸缩定位机构部分的未撑顶和扩张时的示意图，此时变间距顺序自动推顶机构的支撑杆支撑在第一级顶升杆顶部，自动定位机构的定位支撑块卡在第二级顶升杆的定位槽中。（2）利用帕斯卡原理推动活塞杆上升，在活塞杆的推顶下，第一级顶升杆顶至如图4所示位置，此时自动定位机构工作，将定位支撑块通过弹簧的弹力自动弹出，卡在第二级顶升杆的的通孔中。（3）开放回油阀，活塞杆快速回复；之后推动活塞杆再次上升，至变间距顺序自动推顶机构的支撑杆支撑在第一级底部（如图5），通过不断推顶，第一级顶升杆以定位机构带动第二级顶升杆的上升，实现作品的第二级顶升或扩张功能，直至推顶
21、到第二级顶升杆上的自动定位机构工作将第二级顶升杆定位在第三级顶升杆上。（4）重复上述过程，即可实现推顶机构的多级大行程顶升功能，适用于不同的破障和救援环境。323机构的特点和优势与常见的撑顶工具中的简陋的推顶部机构相比，本机构具有推顶部件、变间距推顶部件、顶升部件和定位部件组成，分别为完成不同的功能，相互组合完成9机构的多级顶升。机构中的变间距顺序自动推顶技术、自动定位支撑技术以及基于这些技术构成的液压机械复合式顶升技术，可以高效率完成大行程顶升或扩张，具有鲜明的技术特点。相较于前面的卡盘式延伸方式的推顶机构，又具有鲜明的自动顶升、自动支承的优势，级间的各种操作，都由机械结构自动完成，无需手动
22、操作。除了高效率完成大距离撑顶，本作品在各级顶升的极限位置不需要液压力的支持，此时，即使液压油产生泄漏，也不会影响工具的支撑功能，这一点极大的改进了传统液压千斤顶不能作长久支承这一缺点；另外，本机构的多级推顶技术也是传统液压千斤顶所不能比拟的，能实现多级顶升的功能，即在体积大小保持不变的情况下，实现机构的大距离顶升。除此之外，该机构能保持所需要的起升驱动力恒定，顶升活塞杆的液压油所需量与顶升级数无关，其液压油的所需量与单级时相同，可以减少体积与重量，增加携带与使用的方便性。与常见的撑顶工具或专业扩张工具相比，本作品具有效率高、体积小、重量轻、成本低，携带和使用方便，性价比高，不需电源等特点，便
23、于普及。104总结至2010年10月25号全国大学生机械创新设计大赛落下帷幕，我们小组为期六个月的机械竞赛生涯最终以荣获全国二等奖和浙江省一等奖而告终。参加本次的大赛，我付出了许多，收获也颇多，不仅获得了上诉的奖项，并且自己的专业技能和与人的交际能力也得到了很大的提升。在经过深思熟虑之后，我对于本次比赛做出了如下的总结。首先对于组员的态度问题，在整个过程中，组员们的态度还是值得高度肯定的，特别是在被遭学院否定后那种坚持不懈的精神更是难能可贵的。其次对于这次在全国比赛中的失利，我认为在客观方面有以下有如下几个原因1，作品本身设计原理方面的缺陷，本作品在设计过程中，可以实现作品的多级延伸撑顶，但是
24、并未考虑到作品在实现撑顶之后的有序缓慢回退。即作品在实现撑顶后，自动定位机构的定位键无法在受压下实现压缩，这个缺陷导致了作品在与其他竞赛作品的竞争中落入了下风；2，作品在制造过程中由于经费的缺失，并未能进行整体的设计和制造，因而导致作品在外观方面显得十分粗糙，这直接导致了专家们对于作品落下比较糟糕的第一印象。其他参赛作品大部分比较庞大，而且制造成本比较高昂，并且能制造出如此复杂的机械机构，离不开学校关于经费的支持和校加工中心的全力支持，这个他们具有我们不可比拟的优势；3我们的作品在与一等奖作品相比而言，个人觉得所缺的并非是创意和新意，只是先天方面可能存在着弱点，因为相对于小型实用工具而言，大多
25、数人在内心中更倾向于那种庞大复杂的机械作品。11参考文献1周福成新型遥控液压千斤顶的设计液压与气动，2009（3）40452戴志玉可长久支撑的液压千斤顶中国发明与专利,200810123433严桃平，王建胜液压千斤顶结构与油路的改进设计液压液力，2002（3）38394马笠高效液压千斤顶机床与液压，2001（4）82825肖学全，刘大宝，毛瑞年塔式起重机液压顶升机构的设计与改进中国特种设备安全，2009（10）476孟晓凤自升式塔式起重机顶升防脱安全装置建筑机械，2009（7）94957刘华仟塔式起重机顶升机构维普资讯，2009（6）18198赵海，郭爱东随车液压千斤顶的结构与工作原理及其正确
26、使用百科之窗，2010（7）31329尚久明，李国斌，赵歧华一种新型千斤顶的设计起重运输机械，2007，（12）10210310孙恒，傅则绍，机械原理M,7版，北京高等教育出版社，200515518911濮良贵，纪名刚，机械设计M，7版，北京高等教育出版社，200524726212VILLETAKALO,SALVADORESQUE,JOUNIMATTILA,MATTIVILENIUS,VALIDATIONOFDIVERTORCASSETTELOCKINGSYSTEMWITHAHYDRAULICJACKTOOLFUSIONENGINEERINGANDDESIGN,2009，8471113PFASSINA,MGUAGLIANO,LLAZZARI,LVERGANI,MVIMERCATIFAILUREANALYSISOFANONINTEGRALPIPELINECOLLETCONNECTOR,ENGINEERINGFAILUREANALYSIS,200559
