受力分析及材料选择

十、按对策实施：

经过与现场施工师傅的交流，以及向机械设备厂的相关专家请教，小组各成员各抒己见，最终一致认为：新型压缩波纹管机构包括两大部分，新型伸开波纹管机构也是包括两大部分。其中的组成部分的关系见下图。

1、 新型压缩波纹管机构设计

1.1模型确定

从结构形式上，有3个方案，其支撑结构及需要液压机数量分别如下图所示：

压缩波纹管机构一 压缩波纹管机构二

压缩波纹管机构三

三种结构对比分析 结构名称 调查分析 特点 结论 不采用 压缩波纹管（1）使用4个千斤顶优点：可缩短压缩时间 机构一 从4个相隔90°的 缺点： 角进行压缩波纹管 （1） 现场组装时间过长 （2）用时分析：现场（2） 使用4个千斤顶，需组装用时8min，压缩要步调一致才能实施，操作要时间9min，总时间求较高 17min。 （3） 波纹管的四个角落比（3）人员分析:需要较容易产生压缩偏差，导致法两个人同时操作 兰面不平，影响安装 （4）成本分析：7920（4） 所需总时间最长。 元 压缩波纹管（1）使用1个千斤顶优点： 在中间通过一条横跨（1） 现场组装时间短 采用

机构二 直径的槽钢进行压缩（2） 只使用一个千斤顶，波纹管 操作简单 （2）用时分析：现场（3） 波纹管的四个角落压组装用时3min，压缩时间12min，总时间15min （3）人员分析:需要两个人同时操作 （4）成本分析：2820元 缩偏差比较小，法兰面较平整，方便安装。 （4） 造价低。 缺点：因为只用了1个千斤顶，压缩时间稍慢。 压缩波纹管（1）使用1个千斤顶优点： 机构三 在中间通过一条横跨（1） 只使用1个千斤顶，操直径的槽钢进行压缩波纹管 作简单 （2） 波纹管的四个角落压不采用 （2）用时分析：现场缩偏差比较小，法兰面较平组装用时5min，压缩整，方便安装。 时间12min，总时间缺点： 17min （1） 造价也不是最低， （3）人员分析:需要（2） 所需总时间最长。 两个人同时操作 （4）成本分析：3620元 综上所述：用压缩波纹管机构二压缩一个波纹管所需的总工作时间最短，成本最低，所以选择压缩波纹管机构二为模型进行研发制作。 2、 材料选择

机构材料的选择。制作材料的选择主要从质量、安全性能考虑。经小组的讨论，决定从合金钢、锰铁合金、硅铁合金三种材料

中选择。各材料参数如下所示：

材料 项目 自身质量 承重能力 制造价格 13Kg ＞2t 285元 9Kg ＜2t 228元 中 否 8.1Kg ＞2t 410元 难 否 合金钢 锰铁合金 硅铁合金 制作难易程度 易 是否采用 是 考虑到合金钢焊接容易、制作方便，制作价格也不算高，且承重能力符合要求，所以选择合金钢。 3、

动力装置选择

经小组全体成员讨论，动力机具由机械式千斤顶与电动液压泵两者之中选择。

动力装置 项目 装置样式 机械式千斤顶 电动液压顶（带液压泵） 承重能力 起升高度 升起60mm高度用时 维护周期 参考价格 是否采用 ≤2T ≤80mm 10min 1年 39元 否 ≤10T ≤150mm 2.2min 1年 1500元 是 由于机械千斤顶的起升速度较慢，起升用时比较长，且使用不方便，

所以我们最终决定采用电动液压顶。液压千斤顶中与液压油接触的传动轴的直径为42mm，当液压泵输出的压力未70Mpa时，其输出压力F= p×S ( p是压强（单位为帕斯卡）、 F是压力（单位为牛顿）、S是受力面积（单位是平方米)），所以其输出压力是70×106×3.14×21×21÷106=96932N 4、

结构受力分析与材料选择

4.1 结构受力分析

4.1.1 压缩波纹管机构受力分析

机构如下图所示，由三种材料构成:工字钢、热镀锌水管、槽钢。此三种材料都是由Q235钢制造而成的。查国标得Q235钢的各许用应力如下： 许用弯曲应力[σ]=158MPa 许用剪切应力[τ]=98MPa 许用挤压应力[σ]p=240MPa

4.1.1.1 工字钢受力分析及材料选择

工字钢参数表

参考数值 尺寸/mm 型号 2 h 10 12.6 14 16 18 100 126 140 160 180 b 68 74 80 88 94 d 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 t 7.6 8.4 9.1 9.9 10.7 r 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 r1 3.4 3.5 3.8 4.0 4.3 14.345 18.118 21.516 26.131 30.756 Ix/cm4 245 488 712 1130 1660 截面面积/cmX～X Wx/cm3 ix/cm Ix:Sx 49 77.5 102 141 185 4.14 5.20 5.76 6.58 7.36 8.59 10.8 12.0 13.8 15.4 符号意义：

h—高度；r1—腿端圆弧半径；

b—腿宽度；l—惯性矩；

d—腰厚度；W—抗弯截面系数；t—平均腿厚度； i—惯性半径；C—形心；

r—内圆弧半径；S—半截面的静力矩。

工字钢受力图如下所示： F1 F21F22

F1是液压千斤顶对工字钢施加的压力，也是液压千斤顶的输出压力，所以F1=96932N。

F21及F22是热镀锌钢管对工字钢的拉力，因为液压千斤顶的受力点在工字钢的中间，所以F21=F22=1/2×F1=48466N.则工字钢的 剪切应力τ=F21其中SX是工字钢的横截面积,工字钢的剪切应力τ须少SX于或等于Q235钢的许用剪切应力[τ],即

τ=F21F2148466-622[τ],所以SX==494.610m4.946cmSX[τ]98106

由以上的工字钢参数表可知，#10工字钢的横截面积为14.345cm2,符合要求.

若选择#10工字钢，则工字钢的挤压应力

σpF1969321.53Mpa[σ]240Mpa,符合要求。 6hL63010010工字钢的弯曲力矩如下图所示

由上图可知，当x=1/2L时，弯曲力矩M（x最大，Mmax=1/2L

）F21=0.5×0.63×48466=15266.79N.m.因为σmax=所以WMmax15266.79N.m96.6cm3[σ]158Mpa

Mmax[σ]W

由工字钢参数表可查得#10工字钢的弯曲模量W=49cm3＜96.6cm3.所以#10工字钢不合适，需要选择#14工字钢，其弯曲模量W=102cm3＞96.6cm3，符合要求。

综上所述，压缩波纹管机构的工字钢需要选择#14工字钢。

4.1.1.2 热镀锌钢管受力分析及材料选择

普通热镀锌钢管参数表（GB3091、3092-2001）

公称口径 毫米 英寸 外径 公称尺寸 壁厚 +12.5% -12.5% （毫米） （毫米） 普通钢管 理论重量 （千克/米） 截面积（mm2） 6 1/8 8 1/4 10 3/8 15 1/2 20 3/4 25 1 32 11/4 40 11/2 50 2 65 21/2 80 3 100 4 125 5 150 6 10.0 13.5 17.0 21.3 26.8 33.5 42.3 48.0 60.0 75.5 88.5 114.0 140.0 165.0 2.00 2.25 2.25 2.75 2.75 3.25 3.25 3.50 3.50 3.75 4.00 4.00 4.50 4.50 2.25 1.75 2.53 1.97 2.53 1.97 3.09 2.41 3.09 2.41 3.66 2.84 3.66 2.84 3.94 3.06 3.94 3.06 4.22 3.28 4.50 3.50 4.50 3.50 5.06 3.94 5.06 3.94 0.39 0.62 0.82 1.26 1.63 2.42 3.13 3.84 4.83 6.64 8.34 10.85 15.04 17.81 50.24 92.82625 148.365 179.52165 249.8184 390.34125 600.75265 552.64 863.5 1158.07125 1124.31625 2351.86 3120.375 3709.125 热镀锌钢管只受到挤压应力，受力图如下所示：

F21 钢管挤压应力σpF3(Sy为钢管的横截面积)F21F2148466[σ]p,则Sy==201mm26Sy[σ]p24010

由普通热镀锌钢管参数表可知3/4英寸钢管的横截面积S=249.8184mm2≥201mm2,符合要求。

综上所述，压缩波纹管机构的热镀锌钢管需选择3/4英寸的普通热镀锌钢管。

4.1.1.3 槽钢受力分析及材料选择

槽钢参数表

型 号 5 6.3 8 10 12.6 14a 14b 16a 16 h 50 63 80 100 126 140 140 160 160 b 37 40 43 48 53 58 60 63 65 d 4.5 4.8 5 5.3 5.5 6 8 6.5 8.5 t 7 7.5 8 8.5 9 9.5 9.5 10 10 r 7 7.5 8 8.5 9 9.5 9.5 10 10 r1 3.5 3.75 4 4.25 4.5 4.75 4.75 5 5 尺寸/mm 截面 面积 /cm2 6.928 8.451 10.248 12.748 15.692 18.516 21.316 21.962 25.162

槽钢挤压应力、剪切应力，受力图如下所示： F3

F4

由受力平衡可知F3=F4=48466N

槽钢受到挤压应力的面积S1=Lh(L为槽钢的长度，h为槽钢高度)，则

槽钢的挤压应力σpF4F4F448466=[σ]p,所以h0.002mS1LhL[σ]p0.1240106

参数表中所有槽钢都符合要求。

槽钢的剪切应力作用于横截面积S2，而槽钢的剪切应力

τ=F4F448466[τ],所以S2494.6106m2=494.6mm26S2[τ]9810

参数表中所有槽钢都符合要求。

考虑到现场的仓库有#10槽钢库存，我们选择了#10槽钢。