基于抗震救災便攜式多用途鐵鍬設計

徐 青 劉鳳國 劉利鵬 李華云 張亞鳴 張苗苗

(江蘇師范大學機電工程學院，江蘇 徐州221116)

1 設計方案及結構說明

1.1 設計思想

本文以普通剪式千斤頂、砍刀、短鋸、藥品存儲柜為對象對鐵鍬進行設計改造，使之既能做鐵鍬又可以起到千斤頂還可以作為砍刀、短鋸以及存儲急救藥品作用。

1.2 結構說明

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、藥品存儲空間以及尾部組成。

副鍬實體建模圖形如圖2所示。

圖2 副鍬實體建模圖形

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

圖3 鐵鍬面圖

（4）藥品存儲空間主要存放繃帶、止血藥、速效救心丸、創可貼、醫用膠帶等。局部組成件實體建模如圖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，與普通軍用鐵鍬相同。遇到傷員需要急救藥品時旋下副鍬尾部就可以取出存放在套筒里邊的急救藥品對傷員進行救援。

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

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

本產品適合地震先遣救援人員使用。每三把鐵鍬為一小組，在非緊急狀態下，鐵鍬可以作為普通軍用鐵鍬分開單獨使用，由抗震救援先遣隊員分開背負，不增加額外負重；當到達震后災區，需要頂起壓載物救援傷員時，救援人員可以把鐵鍬快速組裝成為一個普通剪式千斤頂。

2 性能與技術指標

2.1 物理尺寸與性能指標

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

副鍬參數：鐵鍬套筒直徑Φ=35mm、壁厚2.0mm、全長800mm。

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

工作行程：200—450mm

理論計算工作需用承壓：1600kg

實際安全系數：3

實際設計承壓：600kg

2.2 理論計算

2.2.1 理論參數

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。主鍬的質量參數為1.8kg，兩把副鍬的質量參數為1.6kg[2]。

2.2.2 理論參數校核

首先根據支撐桿和連接部件的參數計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計要求，如滿足要求則設計產品合格。下面先計算千斤頂最大載荷[3]。

1）根據剪式千斤頂支撐桿作為拉壓桿的強度條件計算最大載荷量。

支撐桿部分制作材料為Q235鋼。查機械設計手冊得Q235鋼的強度極限為σb=480MPa，彈性模量E=200GPa，許用應力［σ］=240MPa。

支撐桿尺寸D=35mm，d=31mm，

可確定支撐桿最大載荷為：

2）根據支撐桿的壓桿穩定性計算最大載荷量

根據支撐桿的理論設計尺寸計算知，支撐桿是中小柔度桿，故采用中小柔度桿的計算公式進行校核。支撐桿長度l=210mm，慣性半徑

由于壓桿柔度小于極限值λ，則采用Q235鋼壓桿的拋物線經驗公式計算其臨界壓力[3]，即：

可據此確定支撐桿最大載荷

3）根據上下兩端連接件的強度計算最大載荷量

①根據剪切強度計算

銷釘直徑D=15mm，所以剪切面面積

②根據擠壓強度計算

第一計算銷釘可承受支撐桿對它的最大擠壓力。

擠壓面積A1=6×15=90mm2，所以許用擠壓力為。

即可承受來自支撐桿的最大載荷量

第二計算銷釘可承受的直接來自支撐物體對它的擠壓應力。擠壓面積A2=4×15=60mm2，所以許用擠壓力

可承受的來自支撐物的最大載荷量

因為此時是直接承受支撐物的重量，所以可直接求出此時可承受的最大載荷

4)根據左右兩端連接件的強度數值計算最大載荷

①根據剪切強度計算

銷釘直徑D=20mm，所以剪切面面積為

45鋼的許用切應力為［τ］=300MPa，據此可以計算最大載荷量

②根據擠壓強度計算

此時銷釘只承受來自支撐桿對它的最大壓應力。擠壓面積A=2×2×20=80mm2，所以許用擠壓力為

即可承受來自支撐桿的最大載荷量

根據力的相互作用原理可知：支撐桿對銷釘的力等于支撐桿所承受的力，所以綜合對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。

由此時受力關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,理論設計安全系數3，最終實際承壓為600kg。

下面我們根據已經得出的最大載荷量對梯形絲杠校核。

5）對螺母螺紋校核牙根處的剪切強度和彎曲強度

牙根危險剖面的剪切強度條件為：

3 功能特點

本產品主要用于震后初期的緊急救援行動，攜帶方便，同時攜帶藥品，功能較多，可以起到臨時千斤頂、短鋸、砍刀等作用，對傷員可以快速救援。

4 產品創新

4.1 攜帶方便，質量輕，短小可以方便拆卸。

4.2 藥品儲存、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，龍詩東，梁驍，孟凡提，羅安治,朱逸穎.抗震救災多功能組合鐵鍬設計[J].機械,2011(04).

［2］徐敬.機械設計手冊[M]2版.北京：機械工業出版社，2000.

［3］理論力學（Ⅰ）[M].7版.高等教育出版社,2009,07.

［4］劉鴻文.材料力學[M].5版.北京：高等教育出版社,2011,01.