基于抗震救灾便携式多用途铁锹设计

徐 青 刘凤国 刘利鹏 李华云 张亚鸣 张苗苗

(江苏师范大学机电工程学院，江苏 徐州221116)

1 设计方案及结构说明

1.1 设计思想

本文以普通剪式千斤顶、砍刀、短锯、药品存储柜为对象对铁锹进行设计改造，使之既能做铁锹又可以起到千斤顶还可以作为砍刀、短锯以及存储急救药品作用。

1.2 结构说明

下面介绍主锹与副锹的组成部分

（1）主锹由主锹锹面、套筒、锹尾丝杠组成。主锹、丝杠实体建模图形如图1所示。

图1 主锹、丝杠图

（2）副锹由副锹面、下端连接部件、中间支撑部件、药品存储空间以及尾部组成。

副锹实体建模图形如图2所示。

图2 副锹实体建模图形

（3）锹面两边设计成刀面与锯齿状，起到砍刀与短锯作用。锹面实体建模图形如图3所示。

图3 铁锹面图

（4）药品存储空间主要存放绷带、止血药、速效救心丸、创可贴、医用胶带等。局部组成件实体建模如图4所示。

图4 局部部件图包含

1.3 使用方法

作为铁锹使用时，与普通军用铁锹相同。遇到伤员需要急救药品时旋下副锹尾部就可以取出存放在套筒里边的急救药品对伤员进行救援。

作为千斤顶需要撑开物体时，先从主锹旋出丝杠。旋转活动销钉拆掉两把副锹锹面，旋转副锹中间套筒，露出副锹折叠支撑铰链，将两把副锹的锹尾和前端进行首尾相连接，最后将丝杠旋入首尾两端，就构成了剪式千斤顶。旋转丝杠尾部就可以调整千斤顶高低的升降，撑开物体，拆卸的时候先卸下丝杠，然后按照顺序组装[1]。

急行军遇到乱树阻碍作为砍刀或短锯使用时，救援人员双手握住铁锹套筒对障碍物进行砍削、锯削，起到快速投放利用作用。

本产品适合地震先遣救援人员使用。每三把铁锹为一小组，在非紧急状态下，铁锹可以作为普通军用铁锹分开单独使用，由抗震救援先遣队员分开背负，不增加额外负重；当到达震后灾区，需要顶起压载物救援伤员时，救援人员可以把铁锹快速组装成为一个普通剪式千斤顶。

2 性能与技术指标

2.1 物理尺寸与性能指标

主锹参数：主锹全长1000mm、铁锹套筒直径Φ=35mm、梯形丝杠直径Φ=12mm。

副锹参数：铁锹套筒直径Φ=35mm、壁厚2.0mm、全长800mm。

质量参数：铁锹主体部分选取Q235钢，连接部分采用45钢，第一把主锹的质量为1.8kg，两把副锹的质量为1.6kg。

工作行程：200—450mm

理论计算工作需用承压：1600kg

实际安全系数：3

实际设计承压：600kg

2.2 理论计算

2.2.1 理论参数

支撑杆材料采用Q235钢，直径Φ=35mm，壁厚2.0mm；梯形丝杠材料选用调制的45钢，外径为12mm，螺距为p=2mm；连接部分均选用45钢。主锹的质量参数为1.8kg，两把副锹的质量参数为1.6kg[2]。

2.2.2 理论参数校核

首先根据支撑杆和连接部件的参数计算出千斤顶可承受的最大载荷量，然后校核在该载荷下梯形丝杠是否满足设计要求，如满足要求则设计产品合格。下面先计算千斤顶最大载荷[3]。

1）根据剪式千斤顶支撑杆作为拉压杆的强度条件计算最大载荷量。

支撑杆部分制作材料为Q235钢。查机械设计手册得Q235钢的强度极限为σb=480MPa，弹性模量E=200GPa，许用应力［σ］=240MPa。

支撑杆尺寸D=35mm，d=31mm，

可确定支撑杆最大载荷为：

2）根据支撑杆的压杆稳定性计算最大载荷量

根据支撑杆的理论设计尺寸计算知，支撑杆是中小柔度杆，故采用中小柔度杆的计算公式进行校核。支撑杆长度l=210mm，惯性半径

由于压杆柔度小于极限值λ，则采用Q235钢压杆的抛物线经验公式计算其临界压力[3]，即：

可据此确定支撑杆最大载荷

3）根据上下两端连接件的强度计算最大载荷量

①根据剪切强度计算

销钉直径D=15mm，所以剪切面面积

②根据挤压强度计算

第一计算销钉可承受支撑杆对它的最大挤压力。

挤压面积A1=6×15=90mm2，所以许用挤压力为。

即可承受来自支撑杆的最大载荷量

第二计算销钉可承受的直接来自支撑物体对它的挤压应力。挤压面积A2=4×15=60mm2，所以许用挤压力

可承受的来自支撑物的最大载荷量

因为此时是直接承受支撑物的重量，所以可直接求出此时可承受的最大载荷

4)根据左右两端连接件的强度数值计算最大载荷

①根据剪切强度计算

销钉直径D=20mm，所以剪切面面积为

45钢的许用切应力为［τ］=300MPa，据此可以计算最大载荷量

②根据挤压强度计算

此时销钉只承受来自支撑杆对它的最大压应力。挤压面积A=2×2×20=80mm2，所以许用挤压力为

即可承受来自支撑杆的最大载荷量

根据力的相互作用原理可知：支撑杆对销钉的力等于支撑杆所承受的力，所以综合对比支撑杆销钉可承受的最大载荷量，取其中最小值即得可承受的最大载荷量。

由此时受力关系可以求出可承受的支撑物的最大重量为

即最大承重1600kg。

综上，千斤顶可承受最大载荷为1600kg,理论设计安全系数3，最终实际承压为600kg。

下面我们根据已经得出的最大载荷量对梯形丝杠校核。

5）对螺母螺纹校核牙根处的剪切强度和弯曲强度

牙根危险剖面的剪切强度条件为：

3 功能特点

本产品主要用于震后初期的紧急救援行动，携带方便，同时携带药品，功能较多，可以起到临时千斤顶、短锯、砍刀等作用，对伤员可以快速救援。

4 产品创新

4.1 携带方便，质量轻，短小可以方便拆卸。

4.2 药品储存、千斤顶作用，功能多用，交换方便。

4.3 可以起到短锯、砍刀作用，用于清除障碍。

［1］毛泽兵，龙诗东，梁骁，孟凡提，罗安治,朱逸颖.抗震救灾多功能组合铁锹设计[J].机械,2011(04).

［2］徐敬.机械设计手册[M]2版.北京：机械工业出版社，2000.

［3］理论力学（Ⅰ）[M].7版.高等教育出版社,2009,07.

［4］刘鸿文.材料力学[M].5版.北京：高等教育出版社,2011,01.