1、變支點交替支撐式撬杠設計者：鄧學威，張擴指導教師：鄭春祿，嚴國慶（滄州職業技術學院，滄州 061001）摘要 ：變支點交替支撐式撬杠雙桿聯動交替工作，增加了操作的協調性和穩定性，縮短了撬動或移動重物的時間，可以一人完成交替撬動過程，提高工作效率，為救災爭取了寶貴的時間。變支點交替支撐式撬杠由兩根撬杠及一個支座組成，撬杠在支座套筒內滑動，實現支點的變化。在使用撬杠撬動或移動重物時，根據需要撬動重物大小，可由一人或多人操作，撬杠也可根據需要加長。關鍵詞 ：撬杠；雙桿交替；變支點1、 引言在日常工作或救援等需要移動重物的現場，因地形環境，普通撬杠常常會有找不到合適的支點，或需要多撬杠共同協作完成時，

2、普通撬杠很不方便，受地形和地理位置的影響較大，于是我們設計了雙撬杠、支點可變且一人可完成普通撬杠雙人才能完成任務的新型工具。采用杠桿原理，把兩根撬杠組合安裝在一個支架上，以去除普通撬杠滑動滾落的危險。結構如圖1所示：圖1 撬杠工作示意圖2、研究概況普通撬杠存在支點不穩，撬動連續性差,而且單人難以完成，變支點交替支撐式撬杠在普通撬杠基礎上把兩根撬杠組合安裝在一個支架上，以消除撬杠滑動滾落的危險。并且可由一人同時操作兩根撬杠，工作穩定，撬動連續，協調性好。2.1 支座設計支座為整個作品的支撐部分，由支架和底座組成，為了保證工作穩定，底座需要有一定的占地面積和質量。在不影響正常操作和搬運的前提下，適

3、當增加底座自重可以保證工作時不會發生底座晃動和離地的情況。同時增大底座占地面積可以使工作時底座陷入土中的可能性減小，使作品適用的工作環境更廣泛。將底板尺寸設計成400×400（mm）的正方形并且使支架焊接在底板的前半部，這樣可以有效的防止工作時支架向后翻轉。底板可用花紋鋼板，增加和地面的摩擦力。支架連接底座和套筒，是重要的支撐部位，支架的尺寸決定了撬杠的活動范圍，所以支架厚度為40mm，開深度60mm，寬22mm的凹槽。兩支架的間隔為300mm這樣兩個撬杠交替工作時不會互相干擾，而且在特殊情況需要雙人配合工作時兩人之間有合適的間隔。支架的高度如果太高會影響支撐的穩定性，太矮則影響撬杠

4、活動量。根據經驗和試驗，總結出支架高度為300mm。支架最后尺寸如圖2所示。圖2 支座示意圖2.2撬杠設計為了能滿足是日常生活和救災時的要求，現以撬起一塊預制板為例，分析杠桿受力情況如下：已知：如圖3，預制板的外形尺寸為3.6×0.6×O.15m，密度1500kg/m3，又由支座的設計可知最小阻力臂xmin=0.3m，阻力臂最小時杠桿和水平面的夾角。進行預制板對杠桿的反作用力W的分析如下：圖 3 預制板受力分析圖根據已知預制板的外形尺寸計算其重量G=4860N。當杠桿以W從一端撬起預制板時，預制板自身為以O為支點的杠桿結構，則G×L/2=W×L×

5、;cos，即W=，撬杠施加給預制板的力W與預制板施加給撬杠的力W是一對相互作用力，即，當=0時，重物對撬杠的反作用力為最大值，由于支座限制杠桿活動，杠桿的極限角度max=60°，那么預制板施加給杠桿的壓力。圖 4 杠桿受力簡圖經查閱相關資料，人手臂對桿的主動力P約為600N，則支撐點向上的力R= W+P=1815N，設桿長l。杠桿受力簡圖如圖4所示，那么P×(l-x)=W×x（1）得 l=0.9m，因為撬杠要在套筒內滑動，實現支點的改變，在單人操作兩根撬杠時更方便省力，所以增加理論桿長，實際桿長l=1.8-2.0m為宜。圖 5 彎矩圖強度分析：由彎矩圖可知Mmax

6、=W×x=1215×0.3=364.5N/m （2）為了采購方便，撬杠采用2寸低碳鋼厚壁管，查手冊得厚壁管外徑D=50.8mm，內徑d=47.05mm，由 （3）可得Wz=3240.08mm3則彎曲應力= （4）為了保證工作安全，彎曲應力應當小于等于許用應力，查手冊20#鋼許用應力=420MPa，,即撬杠選用2寸厚壁管滿足強度要求。剛度計算：桿的剛度條件為 （5）式中，y為許用撓度，由經驗確定為y=0.02。根據公式 （6）得max=0.010經比較，滿足所以選用2寸厚壁管滿足剛度要求。2.3 銷軸設計 因為銷軸在工作過程中承擔強大的載荷，所以銷軸應盡可能增大橫截面積并盡可

7、能縮短長度。銷軸主要受力由圖 6所示：圖6 銷軸受力分析銷軸所受剪切力：Fa=Fb=Fc/2。所以銷軸的剪切應力應小于或等于許用剪切應力即:=F/A（7） A=d2/4 （8）A：銷軸危險截面面積（mm2）d: 銷軸直徑（mm）若銷軸采用45#鋼查表得其=30MPa，若撬杠撬起重量G=4860N的預制板，那么Fa=R/2=908N,從而得d6.2mm, 考慮制造工藝和棒料尺寸以及變形影響正常轉動，所以取銷軸直徑d=30mm。3、 制作過程與創新考慮到參賽時要長距離運輸，決定制作一個樣品(成本為60元)，制作過程如下：3.1套筒套筒與支架通過銷軸連接，套筒實現了撬杠的支點可變，同時保證了工作中撬

8、杠不滑脫，最初的套筒結構如圖7所示：圖7 原套筒示意圖但是在樣品試驗中發現套筒左右擺動的很明顯，軸和孔的摩擦劇烈，軸的損耗大。于是經過修改和試驗，套筒采用單片鋼板支撐，如圖 8 所示：圖 8 新套筒示意圖3.2支座為了樣品制作方便，節約成本，支架采用兩片型鋼為一組，先用螺栓作為銷軸把套筒和一組支架固定在一起，然后再底座相應位置焊接。這樣避免了支架的位置偏差，導致套筒和銷軸的不能正常安裝。使用同樣方法，焊接另一組支架于底座上。 3.3撬杠 2寸厚壁管，長度在1.8-2.0米間。為了能插入與地面間小縫隙重物,將撬杠一端壓平,同時加工成鋸齒型,以增加摩擦力。撬杠另一端處理光滑，以防劃傷。3.4創新特

9、色、通過撬杠在套筒內滑動，實現支點變換。、兩根撬杠通過絞鏈套筒式支架，可以實現交替撬動或同時撬動?？梢詫崿F一人同時操作兩根撬杠，突破了普通撬杠只能一人操縱一根撬杠的局限性。由于兩根撬杠是連接在同一支架上，且一人操作，所以連續性、協調性和穩定性好。、支架底座穩定，適用于各種地面狀態，使用可靠。4 、預期應用前景本工具結構簡單，由7個零件組成，工作可靠，成本低廉、制作容易，零件的精度要求不高，加工工藝簡單，容易加工制造，一般焊工都可制作。材料為機械制造中廣泛應用的型鋼。其特有的支座可以保證撬杠在工作時具備穩定的支撐點，這樣可以在救災時的復雜地勢中發揮出普通撬杠難以發揮的作用，在日常的貨物撬動中，建

10、筑工地中也可發揮明顯優勢，所以本作品可以廣泛應用于物體撬動場所，無論是災難救援，還是日常貨物撬動都是首選工具。致謝在作品完成之際，衷心希望這棵嫩芽通過我們辛勤汗水的澆灌，能茁壯成長，雖然我們的能力有限，但我們還是認真的對待。在此我們謹向我們的指導老師以及在設計過程中給予我們幫助的老師、同學們致以最誠摯的謝意！在這段時間里，我們利用課余時間，查閱了大量技術文獻，這對順利完成設計與制作起到至關重要的作用，感謝專家、教授的辛勤勞動，才能讓我們如魚得水，暢游在知識的海洋中。感謝學院各級領導的大力支持，為我們的工作提供設備、工具器械、材料物資等后勤保障。感謝國家和省里各位專家老師，組織這次機械創新設計大賽，能讓我們有機會展示自己的作品，有機會面對面向專家老師請教各種問題，特別感謝專家老師的精彩點評，讓我們增長見識、開闊眼界、獲得新知識，我們將按照專家老師的指導意見，進一步修改我們的作品，使之更完善、更實用，真誠的希望我們