基于抗震救災(zāi)便攜式多用途鐵鍬設(shè)計(jì)

徐 青 劉鳳國(guó) 劉利鵬 李華云 張亞鳴 張苗苗

(江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州221116)

1 設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)說(shuō)明

1.1 設(shè)計(jì)思想

本文以普通剪式千斤頂、砍刀、短鋸、藥品存儲(chǔ)柜為對(duì)象對(duì)鐵鍬進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，使之既能做鐵鍬又可以起到千斤頂還可以作為砍刀、短鋸以及存儲(chǔ)急救藥品作用。

1.2 結(jié)構(gòu)說(shuō)明

下面介紹主鍬與副鍬的組成部分

（1）主鍬由主鍬鍬面、套筒、鍬尾絲杠組成。主鍬、絲杠實(shí)體建模圖形如圖1所示。

圖1 主鍬、絲杠圖

（2）副鍬由副鍬面、下端連接部件、中間支撐部件、藥品存儲(chǔ)空間以及尾部組成。

副鍬實(shí)體建模圖形如圖2所示。

圖2 副鍬實(shí)體建模圖形

（3）鍬面兩邊設(shè)計(jì)成刀面與鋸齒狀，起到砍刀與短鋸作用。鍬面實(shí)體建模圖形如圖3所示。

圖3 鐵鍬面圖

（4）藥品存儲(chǔ)空間主要存放繃帶、止血藥、速效救心丸、創(chuàng)可貼、醫(yī)用膠帶等。局部組成件實(shí)體建模如圖4所示。

圖4 局部部件圖包含

1.3 使用方法

作為鐵鍬使用時(shí)，與普通軍用鐵鍬相同。遇到傷員需要急救藥品時(shí)旋下副鍬尾部就可以取出存放在套筒里邊的急救藥品對(duì)傷員進(jìn)行救援。

作為千斤頂需要撐開(kāi)物體時(shí)，先從主鍬旋出絲杠。旋轉(zhuǎn)活動(dòng)銷釘拆掉兩把副鍬鍬面，旋轉(zhuǎn)副鍬中間套筒，露出副鍬折疊支撐鉸鏈，將兩把副鍬的鍬尾和前端進(jìn)行首尾相連接，最后將絲杠旋入首尾兩端，就構(gòu)成了剪式千斤頂。旋轉(zhuǎn)絲杠尾部就可以調(diào)整千斤頂高低的升降，撐開(kāi)物體，拆卸的時(shí)候先卸下絲杠，然后按照順序組裝[1]。

急行軍遇到亂樹(shù)阻礙作為砍刀或短鋸使用時(shí)，救援人員雙手握住鐵鍬套筒對(duì)障礙物進(jìn)行砍削、鋸削，起到快速投放利用作用。

本產(chǎn)品適合地震先遣救援人員使用。每三把鐵鍬為一小組，在非緊急狀態(tài)下，鐵鍬可以作為普通軍用鐵鍬分開(kāi)單獨(dú)使用，由抗震救援先遣隊(duì)員分開(kāi)背負(fù)，不增加額外負(fù)重；當(dāng)?shù)竭_(dá)震后災(zāi)區(qū)，需要頂起壓載物救援傷員時(shí)，救援人員可以把鐵鍬快速組裝成為一個(gè)普通剪式千斤頂。

2 性能與技術(shù)指標(biāo)

2.1 物理尺寸與性能指標(biāo)

主鍬參數(shù)：主鍬全長(zhǎng)1000mm、鐵鍬套筒直徑Φ=35mm、梯形絲杠直徑Φ=12mm。

副鍬參數(shù)：鐵鍬套筒直徑Φ=35mm、壁厚2.0mm、全長(zhǎng)800mm。

質(zhì)量參數(shù)：鐵鍬主體部分選取Q235鋼，連接部分采用45鋼，第一把主鍬的質(zhì)量為1.8kg，兩把副鍬的質(zhì)量為1.6kg。

工作行程：200—450mm

理論計(jì)算工作需用承壓：1600kg

實(shí)際安全系數(shù)：3

實(shí)際設(shè)計(jì)承壓：600kg

2.2 理論計(jì)算

2.2.1 理論參數(shù)

支撐桿材料采用Q235鋼，直徑Φ=35mm，壁厚2.0mm；梯形絲杠材料選用調(diào)制的45鋼，外徑為12mm，螺距為p=2mm；連接部分均選用45鋼。主鍬的質(zhì)量參數(shù)為1.8kg，兩把副鍬的質(zhì)量參數(shù)為1.6kg[2]。

2.2.2 理論參數(shù)校核

首先根據(jù)支撐桿和連接部件的參數(shù)計(jì)算出千斤頂可承受的最大載荷量，然后校核在該載荷下梯形絲杠是否滿足設(shè)計(jì)要求，如滿足要求則設(shè)計(jì)產(chǎn)品合格。下面先計(jì)算千斤頂最大載荷[3]。

1）根據(jù)剪式千斤頂支撐桿作為拉壓桿的強(qiáng)度條件計(jì)算最大載荷量。

支撐桿部分制作材料為Q235鋼。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得Q235鋼的強(qiáng)度極限為σb=480MPa，彈性模量E=200GPa，許用應(yīng)力［σ］=240MPa。

支撐桿尺寸D=35mm，d=31mm，

可確定支撐桿最大載荷為：

2）根據(jù)支撐桿的壓桿穩(wěn)定性計(jì)算最大載荷量

根據(jù)支撐桿的理論設(shè)計(jì)尺寸計(jì)算知，支撐桿是中小柔度桿，故采用中小柔度桿的計(jì)算公式進(jìn)行校核。支撐桿長(zhǎng)度l=210mm，慣性半徑

由于壓桿柔度小于極限值λ，則采用Q235鋼壓桿的拋物線經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其臨界壓力[3]，即：

可據(jù)此確定支撐桿最大載荷

3）根據(jù)上下兩端連接件的強(qiáng)度計(jì)算最大載荷量

①根據(jù)剪切強(qiáng)度計(jì)算

銷釘直徑D=15mm，所以剪切面面積

②根據(jù)擠壓強(qiáng)度計(jì)算

第一計(jì)算銷釘可承受支撐桿對(duì)它的最大擠壓力。

擠壓面積A1=6×15=90mm2，所以許用擠壓力為。

即可承受來(lái)自支撐桿的最大載荷量

第二計(jì)算銷釘可承受的直接來(lái)自支撐物體對(duì)它的擠壓應(yīng)力。擠壓面積A2=4×15=60mm2，所以許用擠壓力

可承受的來(lái)自支撐物的最大載荷量

因?yàn)榇藭r(shí)是直接承受支撐物的重量，所以可直接求出此時(shí)可承受的最大載荷

4)根據(jù)左右兩端連接件的強(qiáng)度數(shù)值計(jì)算最大載荷

①根據(jù)剪切強(qiáng)度計(jì)算

銷釘直徑D=20mm，所以剪切面面積為

45鋼的許用切應(yīng)力為［τ］=300MPa，據(jù)此可以計(jì)算最大載荷量

②根據(jù)擠壓強(qiáng)度計(jì)算

此時(shí)銷釘只承受來(lái)自支撐桿對(duì)它的最大壓應(yīng)力。擠壓面積A=2×2×20=80mm2，所以許用擠壓力為

即可承受來(lái)自支撐桿的最大載荷量

根據(jù)力的相互作用原理可知：支撐桿對(duì)銷釘?shù)牧Φ扔谥螚U所承受的力，所以綜合對(duì)比支撐桿銷釘可承受的最大載荷量，取其中最小值即得可承受的最大載荷量。

由此時(shí)受力關(guān)系可以求出可承受的支撐物的最大重量為

即最大承重1600kg。

綜上，千斤頂可承受最大載荷為1600kg,理論設(shè)計(jì)安全系數(shù)3，最終實(shí)際承壓為600kg。

下面我們根據(jù)已經(jīng)得出的最大載荷量對(duì)梯形絲杠校核。

5）對(duì)螺母螺紋校核牙根處的剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度

牙根危險(xiǎn)剖面的剪切強(qiáng)度條件為：

3 功能特點(diǎn)

本產(chǎn)品主要用于震后初期的緊急救援行動(dòng)，攜帶方便，同時(shí)攜帶藥品，功能較多，可以起到臨時(shí)千斤頂、短鋸、砍刀等作用，對(duì)傷員可以快速救援。

4 產(chǎn)品創(chuàng)新

4.1 攜帶方便，質(zhì)量輕，短小可以方便拆卸。

4.2 藥品儲(chǔ)存、千斤頂作用，功能多用，交換方便。

4.3 可以起到短鋸、砍刀作用，用于清除障礙。

［1］毛澤兵，龍?jiān)姈|，梁驍，孟凡提，羅安治,朱逸穎.抗震救災(zāi)多功能組合鐵鍬設(shè)計(jì)[J].機(jī)械,2011(04).

［2］徐敬.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［3］理論力學(xué)（Ⅰ）[M].7版.高等教育出版社,2009,07.

［4］劉鴻文.材料力學(xué)[M].5版.北京：高等教育出版社,2011,01.