1、本科毕业设计（20届）组合式多用途救援工具设计斜度调节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1作品总体设计11设计背景我国是地震、泥石流、滑坡等自然灾害多发的国家，自然灾害不仅会产生巨大的经济损失，而且还会造成大量的人员伤亡。自然灾害的产生，往往伴随着道路损坏，电力供应中断等情形，导致在自然灾害发生初期，大型救援设备难以到达救援现场，部分救援装备也会因为缺少电源而无法工作，而此时又是生命救援的黄金时间。所以，携带和使用方便、工作高效的破障、救援工具对于灾害发生初期的应急救援具有十分重要的作用和意义。另外，在一些常见的突发事故，如比较严重的交通事故中，
2、若有合适的破障、救援工具在现场立即展开救援，无疑可减少人员伤亡和财产损失。撑顶类工具作为应急破障、救援的常见工具，在灾害救援尤其是灾害发生初期往往能发挥重要作用，但目前市场上常见的撑顶类工具或存在自身工作效率低、操作费力、顶升行程不足、功能单一，或由于工作行程/本体高度比过小不适合用于狭小空间的大行程顶升或扩张，或由于存在体积重量方面的原因导致携带和使用不便，遇斜坡地形时容易翻倒等问题。12设计思路首先，为了解决撑顶类工具工作行程/本体高度比过小不适合狭小空间的大行程顶升或扩张问题，我们设计了伸缩式多级顶升机构，变间距顺序自动推顶机构，自动定位支撑机构。在动力驱动机构的驱动下，通过变间距顺序自
3、动推顶机构顺序逐级推顶，使顶升杆逐级延伸并自动定位支撑，即可实现工具大行程顶升。其二，为了解决撑顶类工具体积重量方面的原因所导致的携带和使用不便问题，我们选择了液压式往复驱动机构，主要由抬压机构、可控单向调节阀、弹簧式快速复位机构等组成。此机构采用液压原理，操作简单，体积小、重量轻，还可快速回复，效率较高。其三，为了解决撑顶类工具功能单一问题，我们设计了辅助剪切机构，它主要由刀架、刀片、连接头等组成，将辅助剪切机构与液压式驱动机构组合，可用于破障与救援时，不同材料的丝、筋、板条的剪切。其四，针对撑顶类工具遇斜坡地形时易翻到问题，我们设计了棘轮式水平调节机构，它主要2由直齿条和止回棘爪组成，通过
4、止回棘爪和直齿条之间的相互调节，实现工具在斜坡上的水平调节。作品总体结构如图11所示图11作品整体机构13功能简介功能一、伸缩式多级延伸撑顶扩张液压多级式破障工具动力机构多级延伸撑顶机构辅助性机构液压往复式驱动机构伸缩式多级延伸机构变间距自动推顶机构自动定位支撑机构辅助剪切机构辅助水平调节机构3图12伸缩机构在液压机构的往复式活塞驱动下，伸缩式多级延伸机构，变间距顺序自动推顶机构、自动定位支撑机构可以快速实现多级延伸，高效率地完成大行程的撑顶或扩张。如图12所示功能二、剪切图13剪切机构液压推顶机构与辅助剪切机构组合，可用于不同材料的丝、板条的剪切。如图13功能三、斜度调节图14斜度调节利用棘
5、轮单向运动原理，根据坡度调节角度，使作品始终保持水平状态而不会翻倒。如图14。14作品特点4图15作品整体图作品中的变间距顺序自动推顶技术、自动定位支撑技术、往复式驱动技术以及基于这些技术构成的液压机械复合式多级顶升技术，可以高效率完成大行程顶升、扩张或狭小空间的大行程撑顶作业，具有鲜明的技术特点。除了高效率完成大行程撑顶，本作品在各级顶升的极限位置不需要液压力的支持，此时需要的起升驱动力恒定，其液压油用量与顶升级数无关，多级工作时的液压油用量与单级时相同，从而可以减少工具的体积与重量，增加其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
6、和使用方便，性价比高，不需要电源，便于普及等特点。如图15所示15分工合作在总体方案基本设计完成后，我们对如何加工和制造出整个作品，进行了探讨。为了提高工作效率，我们采用了份工合作的方式，即我们把整个作品主要分成三个部分，每个人负责其中一项，但是如果在制作过程中遇到了问题，可以相互讨论，相互帮助，最后经过调试装配成整体。我主要负责斜度调节机构的制作和调试。52斜度调节机构设计思路和原理21斜度调节机构设计思路首先针对市场上常见的救援工具。目前，我们常见的救援工具一般都需要到放在平地上才能起作用，而遇到斜坡时就会发生倾倒、不稳固等现象，因此需要使用一些辅助物作为支撑，这不仅使救援工作变得更加繁琐
7、，而且也增加了救援工作的时间，有时候还可能因为地形原因而导致无法使用救援工具，这些对于救援工作来说都是非常不利的。我们的作品采用伸缩式多级顶升与自动定位等技术，能够高效率完成与顶升杆级数成正比的大行程撑顶或扩张，尤其是狭小空间的大行程撑顶作业，所设计的液压往复式驱动机构与变间距顺序自动推顶机构，可以有效地实现多级顶升杆的分级有序顶升。辅助剪切机构可用于剪切各种钢筋或硬物。可以说我们的作品具有效率高、体积小、重量轻、成本低，携带方便，性价比高等特点。正因为我们的作品具有这么多的优点，所以我们希望能尽可能多的使用它，扩大它的普及性，但是它与其他市场上常见的救援工具一样有个问题，在不平整或者斜坡上不
8、能使用或者需要借助辅助物。所以为了解决这个问题，我们就需要设计一个斜度调节机构。此机构需要具有质量轻，体积小（最好能与机构结合起来），操作简单等特点。为了操作简单，考虑采用棘轮式水平调节的方法，这种方法需要解决顺序多角度调节，较大承重能力等问题。为了扩大工具的应用范围，使之能适应各种坡度的斜面，需要解决调节机构的多角度调节问题。因为此作品主要用于扩张或撑顶重物，所以水平调节机构必须能承受较大压力，而不会出现断裂的问题。为了减小体积和质量，采用铰链机构，将水平调节机构与作品连接起来，使之成为一个整体。主要思路合上铰链机构，水平调节结构保持水平，打开铰链之后，便可随意调节水平机构的角度。22棘轮式
9、水平调节工作原理221传统棘轮机构工作原理6图21外啮合式棘轮机构棘轮机构（RATCHETANDPAWL），由棘轮和棘爪组成的一种单向间歇运动机构。棘轮机构常用在各种机床和自动机中间歇进给或回转工作台的转位上，也常用在千斤顶上。图示为机械中常用的外啮合式棘轮机构，它由主动摆杆，棘爪，棘轮、止回棘爪和机架组成。主动件空套在与棘轮固连的从动轴上，并与驱动棘爪用转动副相联。当主动件顺时针方向摆动时，驱动棘爪便插入棘轮的齿槽中，使棘轮跟着转过一定角度，此时，止回棘爪在棘轮的齿背上滑动。当主动件逆时针方向转动时，止回棘爪阻止棘轮发生逆时针方向转动，而驱动棘爪却能够在棘轮齿背上滑过，所以，这时棘轮静止不动
10、。因此，当主动件作连续的往复摆动时，棘轮作单向的间歇运动。222棘轮式水平调节机构原理棘轮式水平调节机构主要由两根类似棘轮的直齿条，铰链，两条止回棘爪和后盖组成。通过两条止回棘爪与直齿条之间的相互调节，实现工具在斜坡上的水平调节。其工作过程与原理如下（1）图12为水平调节机构非工作状态，此时后盖闭合止回棘爪放在卡槽内，不与直齿条接触，由后盖两边的凸台支撑。（2）遇到斜坡时，后盖打开，止回棘爪沿着两根直齿条滑动，后盖与底座的角度逐渐增大，停止滑动时，止回棘爪卡在直齿条的齿槽中，这时棘轮机构卡死不动。根据坡度的大小调节止回棘爪的卡位，使工具始终保持水平。如图13所示图12非工作状态7图13工作状态
11、（3）为了减小工具底座的厚度，可以将后盖从工具上拆除，依靠工具底座两边的凸台支撑地面，十分方便。83主要零件的设计加工与装配31直齿条和棘爪的设计直齿条和止回棘爪是调节角度和传递力的作用的零件，它们必须有足够的强度和刚度。该零件要承受大部分的压力，因此，直齿条和止回棘爪设计的好坏将直接影响整个产品的寿命和可靠性。棘轮机构的设计主要应考虑棘轮齿形的选择、齿数的确定、齿面倾斜角的确定。由于承受载荷较大，因而选择不对称梯形，根据调节角度的要求，齿数选择为10，为使棘爪推顶棘轮的过程中始终紧压齿面滑向齿根部，齿面倾斜角选为60。311原材料的选用直齿条和棘爪，因载荷较大通常采用35CRMO合金结构钢制
12、造。因为直齿条和棘爪耐磨并具有防锈性能，故活齿条棘、爪表面需镀锌。直齿条和棘爪都采用Q235合金结构钢，经调质热处理后，已经能够满足要求。312制造要求（1）对齿条齿部和棘爪头部进行渗氮，氮化层深度为0203MM，表面硬度为6265HRC，以提高其强度。（2）齿条和棘爪进行表面抛光后镀锌以提高防腐。313加工工艺分析（1）直齿条和棘爪在使用过程中需要承受较大载荷，直齿条的齿部和棘爪的头部摩擦频繁，所以该处要求较高的硬度和耐磨度。（2）直齿条精度要求较低，但齿形不好加工，需采用仿形车削棘爪只需要采用一般的车削即可。（3）在仿形车削加工中，当刀片从工件中心向外移动时，切屑厚度变薄，切刀深度增加，切
13、屑控制恶化。一个解决方法就是将一次走刀分为两次走刀，将向外的进给换成向中心的进给，以获得最终的廓形。直齿条属于薄壁细长零件难以装夹，切削力可能引起工件变形和极差的表面粗糙度甚至使零件报废，所以切削时采用较大正前角的刀具。32主要零件的加工9底座对于厚度为10MM长宽为250MM150MM铁板，我们采用了线切割，主要是因为激光切割或其他切割方式很难找到加工地点（批量生产时可采用激光切割）。在铁板上打四个直径为65MM的孔，然后攻丝（M8）两块垫块为了减轻工具的重量和加工的方便，我们采用了木块，直接用锯条将木条锯成两块厚度为40MM长宽为50MM150MM的木块，然后在其上面打4个M8的螺纹孔。四
14、个凸台首先用线切割方式切割出凸台形状，然后车床在每个凸台上车出一宽为6MM的槽，最后在其中两个凸台上打一个大小为5MM的孔（生产时可采用车削加工）。后盖对于厚度为5长宽为250MM100MM只需要使用线切割的方法切割出来（生产时可采用激光切割）。33零件的装配需要将底座与工具底部固定在一起，且不需要拆卸，所以采用满焊的方式。底座与两垫块采用螺栓连接。把四个凸台焊接在后盖上，两条止回棘爪用M4的螺栓固定在其中两个凸台槽内，后盖与底座的连接采用铰链连接（直接从市场上购买）。10总结在制作本作品过程中，方案设计是最关键也是最重要的一步。万事开头难，而方案设计正是制作整个作品的开始。在设计作品方案时，
15、首先，必须明确自己想要实现的目标或者达到的效果，然后思考可以通过哪些途径实现，接着要通过请教老师，查阅资料来论证这些方法的可行性，并从中选择一个最优的办法，接下来就是加工制造了，在加工过程中在保证质量的情况下应尽可能的降低成本，采取有效的加工方法，最后是调试。例如在设计本作品方案时，起初，我们设计了四杆结构和棘轮机构相结合的方式，虽然此方案可以实现斜度调节，但是当我们制作出成品后，发现操作过程很麻烦，且使工具的原始高度增加了很多，减小了工具的应用范围，所以此方法是不可行的，这浪费了我们许多时间，消耗了很多资金。加工制造过程中，应尽可能自己加工操作，既可以锻炼自己的动手能力，对作品的制作过程也有
16、进一步的了解，且可以从中发现问题。如果是请外面师傅加工的，应及时做好联系交流工作，因为在加工过程会出现很多问题，而这些问题可能会导致整个作品的失败。我们在加工作品时，如果是其他人帮我们加工的，我们一般都会把图纸交给他，并与他讨论图纸是否有问题，然后互相交换联系方式，一旦发现问题可及时沟通。最后的调试过程也很重要，因为在调试过程中，会遇到很多之前无法预见的问题，需要不断地改进，使各个零件达到最好的配合。比如，我们在调试过程中就发现，我们制作的棘轮爪太长，导致可调节的坡度范围很小，所以我们一点一点的减小棘轮爪的长度，最终使棘轮爪与直齿条达到了最好的配合。参考文献1FRANCISERYDER,STE
17、PHENPLISAKHEADLIGHTAIMINGANDLEVELINGDEVICEPUNITEDSTATESPATENT4802067,JAN31,19892THOMASNMASTERSAUTOMATICLEVEINGDEVICEFORHEMODYNAMICPRESSUREMEASURINGSYSTEMUNITEDSTATESPATENT4669484,JUN2,19873WENPEISUNG，MINGHSIANGSHIHTESTINGANDMODELINGFORENERGYDISSIPATIONBEHAVIOROFVELOCITYANDDISPLACEMENTDEPENDENTHYDRAU
18、LICDAMPERTSINGHUASCIENCETECHNOLOGY，2008，13（1）164GJGRUNDLEHNERSYSTEMATICMODELTESTSONAHARSHENVIRONMENTJACKUPINELEVATEDCONDITIONMARINESTRUCTURES，1997，10（24）159180115JUSTINCLARK，RAFAELFIERROMOBILEROBOTICSENSORSFORPERIMETERDETECTIONANDTRACKINGISATRANSACTIONS，2007，46（1）3136江新红一种水平调节装置P中国专利2008202046989，20
19、0812087刘丁任拖拉机座椅的左、右水平调节器P中国专利022591001，200212198濮良贵，纪名刚机械设计北京高等教育出版社，20059郭世永，仪蕾，张生汽车电动座椅水平调节自动控制的仿真研究青岛理工大学学报，2007，28（3）4810郝子军螺旋千斤顶的设计计算J筑路机械与施工机械化，1998，（2）424511孙恒傅则绍机械原理，北京高等教育出版社,200512徐正保、杜盛强提高液压千斤顶地震救援效率的创新J，液压与气动，2001（10）353713张安荣四点支撑水平调节的讨论J火控雷达技术,1995,241424614何仁生，张家振，应花胡一种新型的水平调节装置湖南大学学报，2008，35（11）323515唐瑜，朱瑞祥，孙向楠农机驾驶座椅自适应水平调节系统设计与实现农机化研究，2010，（1）788016赵立军，庞贺伟，崔俊峰卫星热试验平台水平调节控制系统设计航天器环境工程，2006,（04）17韩晓翠基于AT89S52的自动升降系统的设计机械制造与自动化,2009,0518TR默累P尼米特荣斯库尔小CF瓦拉RN温德特GA格鲁伯水平调节及紧固装置P中国专利00128665X，20000908
