抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計I摘要所謂抓料機(jī)機(jī)械臂，就是將機(jī)械臂安裝在一個固定立柱上，立柱及駕駛室部分可以 360°旋轉(zhuǎn)，機(jī)械臂可以隨著立柱旋，通過機(jī)械臂末端的抓斗進(jìn)行抓料作業(yè)。這種結(jié)構(gòu)使機(jī)械臂擁有更大的操作性和動作空間，使它具有更廣闊的應(yīng)用前景。目前抓料機(jī)正向著人性化、小型化、多樣化方向發(fā)展，其應(yīng)用也越來越廣泛，幾乎滲透到所有領(lǐng)域。抓料機(jī)主要由小臂、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、液壓裝置、抓斗等部分組成。本次設(shè)計主要是關(guān)于抓料機(jī)小臂及抓斗的設(shè)計，小臂及抓斗是直接完成抓取物料任務(wù)的裝置，對其進(jìn)行全面的通用性設(shè)計研究對推動國內(nèi)抓料機(jī)發(fā)展具有十分重要的意義。本設(shè)計本文介紹抓料機(jī)的小臂和抓抖部分研究意義、現(xiàn)狀及發(fā)展。全面收集了國內(nèi)外抓料機(jī)小臂及抓斗設(shè)計的資料，對抓料機(jī)的各種工況進(jìn)行了分析，總結(jié)了抓料機(jī)小臂及抓斗的設(shè)計要求。分別對小臂、抓斗及鏈接機(jī)構(gòu)進(jìn)行了較為詳細(xì)的設(shè)計，這其中就包括了各部分尺寸的計算及與選型。最后對小臂在一些特殊工況下進(jìn)行了校核。關(guān)鍵字：抓料機(jī) 小臂 抓斗 設(shè)計抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計IIAbstractThe so-called feeder grasping manipulator, the robotic arm is mounted on a fixed column , the column and the cab section can be rotated 360 ° , with the robotic arm can spin column , by the end of the robotic arm grab be caught feeding operations. This structure allows the robot arm has greater maneuverability and action space , it has a broader application prospects. Currently grab feeder is toward humane , miniaturization, the direction of diversification , its application more widely , into almost all fields.Feeder caught mainly by the arm, rotating mechanism , hydraulic equipment , grab other components. This design is mainly about grasping arm and grab feeder design , arm and grab the device directly to complete the task of fetching materials , its comprehensive study of universal design to promote the development of domestic feeder great catch significance.This paper describes the design of feeder arm grab and grip portion shaking significance, status quo and development. A comprehensive collection of domestic feeder arm and grab grab design information on the feeder to catch various conditions were analyzed , summarized and grab grab feeder arm design requirements . Respectively, arm , grab and link organizations for a more detailed design , and these include the size of each part of the calculation and the selection. Finally, in some special conditions on the forearm was checked .Keywords: Grab feeder Arm Grab Design抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計III目 錄摘要 .IAbstract II第一章 緒論 .11.1 設(shè)計選題的意義 11.2 國內(nèi)外液壓抓料機(jī)的發(fā)展動態(tài)和研究現(xiàn)狀 11.2.1 國外液壓抓料機(jī)的發(fā)展動態(tài)和研究現(xiàn)狀 .11.2.2 國內(nèi)液壓抓料機(jī)的發(fā)展動態(tài)和研究現(xiàn)狀 .21.3 本設(shè)計的主要內(nèi)容及目標(biāo) 31.3.1 設(shè)計的主要內(nèi)容 .31.3.2 設(shè)計的關(guān)鍵問題 .31.3.3 設(shè)計過程中的已知參數(shù) .3第二章 總體方案設(shè)計 .42.1 機(jī)型選擇及特點(diǎn)分析 42.1.1 所用機(jī)型的適用范圍 .42.2 小臂及抓斗構(gòu)成 42.3 各組成結(jié)構(gòu)形式的初選 62.3.1 小臂結(jié)構(gòu)形式的初選 .62.3.2 抓斗結(jié)構(gòu)形式的初選 .62.3.3 小臂及抓料部分鏈接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的初選 .72.4 原始幾何參數(shù)的確定 8第三章 運(yùn)動學(xué)分析 .103.1 小臂的運(yùn)動分析 103. 2 連接機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析 .103. 3 抓爪的運(yùn)動分析 .12第四章 參數(shù)的計算及校核 .144.1 小臂基本參數(shù)的確定 144.1.1 小臂參數(shù)的計算及選擇應(yīng)考慮的因素 .144.1.2 小臂液壓缸的最大作用力臂 及 的計算 149l8抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計IV4.1.3 小臂其它相關(guān)尺的計算 .154.2 小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度校核 154.2.1 小臂的受力分析 .154.2.2 小臂受最大彎矩工況位置的受力分析 .164.2.4 小臂內(nèi)力圖的繪制 .234.2.5 小臂寬度、鋼板厚度、許用應(yīng)力的選取 .244.2.6 小臂危險截面處高度 h 的計算 .254.3 抓斗基本參數(shù)的確定 .264.3.1 抓斗主要參數(shù)的計算 .264.3.2 爪形尺寸的計算 .274.3.3 轉(zhuǎn)角范圍確定 274.4 小臂與抓斗部分鏈接機(jī)構(gòu)參數(shù)確定 284.5 抓斗旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)確定 .294.5.1 旋轉(zhuǎn)器總成的選用 294.5.2 抓斗上下盤尺寸確定 294.6 抓斗翻轉(zhuǎn)油缸參數(shù)確定 .304.6.1 油缸缸工作壓力計算 304.6.2 液壓缸主要參數(shù)的確定 .314.6.3 液壓缸強(qiáng)度的較核 .324.7 銷軸與襯套的設(shè)計 .324.7.1 銷軸的設(shè)計 324.7.2 襯套的設(shè)計 .33總結(jié) .34參考文獻(xiàn) .35致謝 .36附錄： .37抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計1第一章 緒論1.1 設(shè)計選題的意義我國是一個發(fā)展中國家，在遼闊的國土上正在進(jìn)行大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，這就需要大量的土石方施工機(jī)械為其服務(wù)，而液壓抓料機(jī)是最重要的一類土石方施工機(jī)械。因此，可以肯定液壓抓料機(jī)的發(fā)展空間很大?？梢灶A(yù)見，隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，液壓抓料機(jī)的需求量將逐年大幅度增長。今后幾年我國液壓抓料機(jī)行業(yè)將會有一個很大的發(fā)展，液壓抓料機(jī)的年產(chǎn)量將會以高于 20％的速度增長。中國抓料機(jī)市場自 1997 年開始已進(jìn)入了一個較快的發(fā)展時期， 2001 年與 2000 年比較，全國抓料機(jī)的產(chǎn)、銷量分別增長 55％和 56％。截止到 2002 年 8 月底全國抓料機(jī)的銷量已超過 13000 臺，超過了 2001 年全年的銷售數(shù)。2003 年全國液壓抓料機(jī)的銷售量超過 18000 臺。顯然，抓料機(jī)在整個工程機(jī)械行業(yè)中是產(chǎn)、銷量增長最快的機(jī)種之一。而在抓料機(jī)中最為重要的就是關(guān)于工作裝置設(shè)計，因為抓料機(jī)的工作裝置能夠最為明顯的體現(xiàn)機(jī)器的工作能力和工作壽命，所以設(shè)計工作可靠，性能好，成本低，效率高，維護(hù)使用方便的工作裝置就顯得格外重要。本文以實(shí)際項目抓料機(jī)的機(jī)械臂（小臂）為研究對象。設(shè)計抓料機(jī)的小臂的結(jié)構(gòu)。所謂抓料機(jī)機(jī)械臂，就是將機(jī)械臂安裝在一個固定立柱上，立柱及駕駛室部分可以360°旋轉(zhuǎn)，機(jī)械臂可以隨著立柱旋，通過機(jī)械臂來實(shí)現(xiàn)一些動作如抓取，可以在機(jī)械臂的末端的抓抖進(jìn)行抓料作業(yè)。這種結(jié)構(gòu)使機(jī)械臂擁有更大的操作性和動作空間，使它具有更廣闊的應(yīng)用前景。目前抓料機(jī)正向著人性化、小型化、多樣化方向發(fā)展，其應(yīng)用也越來越廣泛，幾乎滲透到所有領(lǐng)域。1.2 國內(nèi)外液壓抓料機(jī)的發(fā)展動態(tài)和研究現(xiàn)狀抓料機(jī)在未來工業(yè)用途中，應(yīng)用將會越來越廣。不止是工業(yè)，其他的一些領(lǐng)域的應(yīng)用將是發(fā)展的必然趨勢，通過對機(jī)械臂系統(tǒng)研制，積累了比較豐富的設(shè)計經(jīng)驗，相信經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進(jìn)，抓料機(jī)將走向成熟和使用化。未來的機(jī)械臂會有更優(yōu)的性能質(zhì)量比；更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力；更高的智能性。1.2.1 國外液壓抓料機(jī)的發(fā)展動態(tài)和研究現(xiàn)狀國外抓料機(jī)生產(chǎn)歷史較長，液壓技術(shù)的不斷成熟使抓料機(jī)得到全面的發(fā)展。德國是世界上較早開發(fā)研制抓料機(jī)的國家；美國是繼德國以后生產(chǎn)抓料機(jī)歷史最長、數(shù)量抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計2最大、品種最多和技術(shù)水平處于領(lǐng)先地位的國家；日本抓料機(jī)制造業(yè)是在二次大戰(zhàn)后發(fā)展上起來的，其主要特點(diǎn)是在引進(jìn)、消化先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過大膽創(chuàng)新發(fā)展起來的；韓國是抓料機(jī)生產(chǎn)的后起之秀，20 世紀(jì) 70 年代開始引進(jìn)技術(shù)，由于產(chǎn)業(yè)政策進(jìn)入國際市場，并已擠入國際液壓抓料機(jī)的主要生產(chǎn)國之一。當(dāng)前，國際上抓料機(jī)的生產(chǎn)正向大型化、微型化、多能化和專用化的方面發(fā)展。1.2.2 國內(nèi)液壓抓料機(jī)的發(fā)展動態(tài)和研究現(xiàn)狀早在1958年國內(nèi)便開始了抓料機(jī)的研制開發(fā)工作，隨后開發(fā)出一系列比較成熟的產(chǎn)品。當(dāng)時出于受配件如、液壓件及企業(yè)自身條件的影響，其質(zhì)量和產(chǎn)量遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)有的水平，與國外同類產(chǎn)品相比也存在較大差距。到了80年代末和90年代初，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家液壓抓料機(jī)技術(shù)水平得到了迅速的提高，突出表現(xiàn)在追求高效率(同一機(jī)重的抓料機(jī)功率普遍提高，液壓系統(tǒng)流量增大作業(yè)循環(huán)時間減小，作業(yè)效率大大提高)；高可靠性和追求司機(jī)操作的舒適性。國內(nèi)原有的數(shù)家抓料機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠為了生存和發(fā)展，利用自身的實(shí)力和豐富的抓料機(jī)生產(chǎn)經(jīng)驗，紛紛在工廠的技術(shù)改造、試驗研究、新產(chǎn)品開發(fā)方面下大功夫。有的新開發(fā)的產(chǎn)品(也包括某些已生產(chǎn)多年的老產(chǎn)品)為了提高作業(yè)的可靠性，干脆采用了進(jìn)口的液壓件和發(fā)動機(jī)，甚至于整個傳動系統(tǒng)都按照采用國外元件來設(shè)計，這種經(jīng)過改型或新設(shè)計開發(fā)的抓料機(jī)其工作可靠性和作業(yè)效率得到很大的提高。這樣，引進(jìn)和消化國外的不少技術(shù)，在技術(shù)方面都有了長足的進(jìn)步。國內(nèi)抓料機(jī)行業(yè)近年來雖有很大發(fā)展，但與國外抓料機(jī)行業(yè)發(fā)達(dá)國家相比仍存在許多不足，其原因除了國內(nèi)抓料機(jī)加工水平落后之外，抓料機(jī)設(shè)計水平與發(fā)達(dá)國家相比也有較大的差距，尤其是一些先進(jìn)設(shè)計技術(shù)的掌握和應(yīng)用。國內(nèi)眾多的研究人員和單位對抓料機(jī)工作裝置設(shè)計進(jìn)行了不少研究，開發(fā)了其設(shè)計軟件，他們的研究基本上局限于解決某些問題，即工作裝置的幾何參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)和力參數(shù)等的解決。關(guān)于工作裝置設(shè)計參數(shù)分析和在CAD上其自動設(shè)計的綜合研究文獻(xiàn)還沒有。因此，開發(fā)出的軟件缺少通用性，不能使用于抓料機(jī)工作裝置的一些通用問題的解決，對工程機(jī)械這個行業(yè)不具有通用性。特別是國內(nèi)，CAD在許多企業(yè)還停留在輔助制圖的程度上，當(dāng)然也有部分企業(yè)用CAD進(jìn)行空間布置設(shè)計。雖然部分軟件也有一定的分析計算能力，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到設(shè)計需要，對液壓抓料機(jī)進(jìn)行分析的大型通用軟件目前市場上還很少。經(jīng)過近十年的研究，獲得了一些成果，但是研究還不夠深入，有些研究結(jié)果已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用過程中。目前研究液壓抓料機(jī)工作裝置設(shè)計的重點(diǎn)在于，為了使抓料機(jī)設(shè)計人員從繁忙的計算中解脫出來，現(xiàn)有工作裝置機(jī)構(gòu)的計算機(jī)輔助計算和優(yōu)化設(shè)計，即大多數(shù)的液壓抓料機(jī)工作裝置設(shè)計研究在現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上局限進(jìn)行的，在這種情況下開抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計3發(fā)出一個專業(yè)的工作裝置設(shè)計工具和軟件顯得非常的重要。1.3 本設(shè)計的主要內(nèi)容及目標(biāo)1.3.1 設(shè)計的主要內(nèi)容本課題主要研究抓料機(jī)的機(jī)械臂小臂及抓抖的設(shè)計，具體包括以下幾個方面：（1）計算小臂的強(qiáng)度、剛度；（2）計算液壓支點(diǎn)；（3）小臂及抓料部分的鏈接機(jī)構(gòu)；（4）抓抖的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。1.3.2 設(shè)計的關(guān)鍵問題（1）關(guān)于抓料機(jī)總體設(shè)計，就是各種整體參數(shù)和局部參數(shù)的計算，這中間就 包括動臂，小臂及挖斗的主要參數(shù)的計算。（2）液壓抓料機(jī)工作裝置各主要機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案的確定，這包括幾方面的內(nèi)容，首先就是關(guān)于動臂和小臂的選型。其次就是動臂，小臂和挖斗的油缸的布置如何確定。第三就是各個鉸鏈點(diǎn)如何確定。（3）作用力的計算，這其中包括油缸的作用力，還有各種挖掘力。（4）各種強(qiáng)度的校核。其中動臂的校核尤為重要，還有小臂的強(qiáng)度校核。1.3.3 設(shè)計過程中的已知參數(shù)最大額定起重量： 3t最大起重力矩： 110KN.m最大起重量時作業(yè)幅度： 2.5m電動機(jī)功率： 75Kw最大回轉(zhuǎn)速度： 3.0r/min可配抓斗容積（視物料而定）： 2~5m3主要液壓件的型號規(guī)格：（1）液壓泵： PVC80RC06（2）多路閥： KYB 株式會社（3）回轉(zhuǎn)驅(qū)動： 200-A-T8-6（4）油缸主臂油缸：Ф125/Ф80x752-1163副臂油缸：Ф125/Ф80x1196-1700抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計4抓斗翻轉(zhuǎn)油缸：Ф100/Ф55x996-1350第二章 總體方案設(shè)計2.1 機(jī)型選擇及特點(diǎn)分析本設(shè)計中，我選的是TZ06-DGZ70機(jī)固定式抓料機(jī)，是一種采用液壓傳動并以一個抓斗進(jìn)行抓取作業(yè)機(jī)械，它是機(jī)械傳動單斗挖掘機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，是目前抓料機(jī)中重要的品種。2.1.1 所用機(jī)型的適用范圍在建筑工程，交通工程，露天工程，水利施工及現(xiàn)代軍事工程中都廣泛采用，是各種土石方施工中重要的機(jī)械設(shè)備。由抓料機(jī)在構(gòu)造和性能上有較多的優(yōu)越性，因此近年來發(fā)展迅速，在中小型抓料機(jī)中，已取代了機(jī)械傳動抓料機(jī)，成為工程機(jī)械的主要機(jī)種。2.2 小臂及抓斗構(gòu)成鉸接式反鏟是單斗液壓抓料機(jī)最常用的結(jié)構(gòu)型式，大臂、小臂和抓斗等主要部件彼此鉸接，在液壓缸的作用下各部件繞鉸點(diǎn)擺動，完成抓取、提升和卸土等動作，圖2.1為抓料機(jī)最常用的小臂及抓斗構(gòu)成1－小臂；2-抓斗翻轉(zhuǎn)油缸；3-連桿；4-搖桿；5-抓斗上盤連接板；6-回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；7-抓斗下盤連接板；8-抓爪油缸；9-抓斗；10-小臂油缸；11-大臂；圖2.1 小臂及抓斗構(gòu)成圖抓料機(jī)的小臂是變截面的箱梁結(jié)構(gòu)，抓斗是由鋼板與圓鋼焊接而成。各油缸可看作是只承受拉壓載荷的桿。根據(jù)以上特征，不考慮抓爪的旋轉(zhuǎn)可以對小臂及抓爪進(jìn)行抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計5適當(dāng)簡化處理。則可知液壓抓料機(jī)的小臂與鏈接機(jī)構(gòu)是由小臂，連桿、搖桿、抓斗上盤、抓斗翻轉(zhuǎn)油缸組成的具有一自由度的四桿機(jī)構(gòu)，而抓爪前后爪均是由抓爪、抓爪油缸、抓斗下盤組成的具有一自由度的搖桿機(jī)構(gòu)，處理具體簡圖2.2所示。進(jìn)一步簡化圖如2.3所示。圖 2.2 小臂及抓斗的結(jié)構(gòu)簡圖1-小臂 2-抓斗翻轉(zhuǎn)油缸 3-搖桿 4-連桿 5-連接盤6-抓爪油缸 7-抓爪 8-小臂油缸 9-大臂抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計6圖 2.3 小臂及抓斗結(jié)構(gòu)簡化圖抓料機(jī)的小臂及抓斗經(jīng)上面的簡化后實(shí)質(zhì)是一組平面連桿機(jī)構(gòu)，自由度是 4，即抓斗與抓爪的幾何位置由抓斗翻轉(zhuǎn)油缸油缸長度 L5、抓爪油缸長度 L12、L12’、小臂油缸長度 L14，當(dāng) L5、L12、L12’ 、L14 為某一確定的值時，小臂、抓斗、抓爪的位置也就能夠確定。2.3 各組成結(jié)構(gòu)形式的初選2.3.1 小臂結(jié)構(gòu)形式的初選小臂也有整體式和組合式兩種，大多數(shù)抓料機(jī)采用整體式小臂。在本設(shè)計中由于不需要調(diào)節(jié)小臂的長度，故也采用整體式直小臂。2.3.2 抓斗結(jié)構(gòu)形式的初選抓斗是重型機(jī)械的一種取物裝置，主要用來就地裝卸大量散粒物料，用于河口、港口、車站、礦山、林場等處。通過查閱資料，收集到抓斗形態(tài)矩陣圖如下：運(yùn)用各種創(chuàng)造技法，對可變元素進(jìn)行變換(即尋找作用效應(yīng))，建立理論上，中任意兩個元素的組合就形成了某一種抓斗的工作原理方案。盡管可變元素只有 A、B 兩個，但理論上可以組合出 5 X 5=25 種理方案，其中包括明顯不能組合在一起的方案。經(jīng)分析得出明顯不能組合在一起的方案:A2B22、A4B1 、A 4B 22、A4B3 、A4B4、A5B1、A5B21、 A5B3、A5B4 ，把這些方案排除，剩 16 種方案，而常見的一些抓斗工作原理方案基本包含在這 16 種內(nèi)，A1B1 組合，就是耙集式抓斗的工作原理方案。除此之外，這 16 種方案中包含一些創(chuàng)新型的抓斗。抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計7方案評價過程是一個方案優(yōu)化的過程，希望所設(shè)計的方案能最好地體現(xiàn)設(shè)計務(wù)書要求，并將缺點(diǎn)消除在萌芽狀態(tài)，為此，從矩陣表中抽象出抓斗的評價準(zhǔn)則為:A—抓取力大，適應(yīng)難抓物料 B—可在空中任一位置啟閉C—裝卸效率高 D—技術(shù)先進(jìn)E—結(jié)構(gòu)易實(shí)現(xiàn) F—經(jīng)濟(jì)性好，安全可靠動力源采用液壓和氣壓的抓斗性能比較液壓傳動相比氣壓傳動具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，液壓傳動的抓斗功率密度大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，調(diào)速度性能好，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、可靠，能自行潤滑，易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制。氣壓傳動明顯的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)使用方便，成本低，工作壽命長，工作介質(zhì) (壓縮空氣)的傳輸簡單，且易獲得。 對于抓斗設(shè)計，要求抓取能力強(qiáng)，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，經(jīng)濟(jì)性好，維護(hù)方便。通過分析比較，權(quán)衡主次，選擇液壓傳動作為控制動力源較優(yōu)。經(jīng)過篩選，剩三種方案，即 A1B3、A2B3、A3B3。將這三種方案大概構(gòu)思，畫出其簡圖分別如圖 A、圖 B、圖 C 所示。A1B3 組合為液壓雙穎板或多穎板抓斗，需二個或二個以上液壓缸。A2B3 組合為液壓長撐桿雙穎板或多穎板抓斗，只需一個液壓缸。A3B3 組合為液壓剪式抓斗，二個液壓缸。通過以上的分析，經(jīng)過評價、篩選確定了這三種抓斗原理方案。對這三種方案，可以對照設(shè)計任務(wù)書作進(jìn)一步定性分析。A1B3、A2B3、A3B3 性能比較：A1B3 能較好地滿足設(shè)計要求，其不足是結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜;A2B3 無法防止散漏這至關(guān)重要的性能要求; A3B3 液壓缸行程大，這在技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)，故最后確定 A1B3 為最佳原理設(shè)計方案。抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計82.3.3 小臂及抓料部分鏈接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的初選本方案中采用六連桿的布置方式，相比四連桿布置方式而言在相同的抓斗油缸行程下能得到較大的抓斗轉(zhuǎn)角，改善了機(jī)構(gòu)的傳動特性。該布置 1 桿與 2 桿的鉸接位置雖然使抓斗的轉(zhuǎn)角減少但保證能得到足夠的抓斗平均翻轉(zhuǎn)力和抓取力。如圖 2.5 所示。1-抓斗 2-旋轉(zhuǎn)器 3-抓斗上盤 4-連桿 5-搖桿 6-小臂圖 2-5 抓斗與小臂連接布置圖小臂以及抓抖的鏈接機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行 360°旋轉(zhuǎn)，使得抓料動作有更大的操作空間，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是通過中間的旋轉(zhuǎn)器總成連接抓斗上下盤實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)器總成內(nèi)包含有液壓馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)軸承以及回轉(zhuǎn)油閥。其中液壓馬達(dá)用于驅(qū)動回轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸承用于支撐抓斗及抓取的貨物，回轉(zhuǎn)油閥用于過渡連接抓爪油缸的管路避免抓手旋轉(zhuǎn)時管路纏繞限制回轉(zhuǎn)角度。本設(shè)計的旋轉(zhuǎn)器總成直接從市場采購不需單獨(dú)設(shè)計。如圖 2.6 所示。1-抓斗上盤 2-旋轉(zhuǎn)器 3-抓斗下盤圖 2-6 抓斗與小臂連接的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2.4 原始幾何參數(shù)的確定（1）大臂與小臂的長度比 K1由于所設(shè)計的挖機(jī)適用性較強(qiáng)，一般不替換小臂及抓斗，故取中間比例方案，K 1抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計9取在 1.5～2.0 之間，初步選取 K1=1.8，即 l1/l2=1.8。（2） 抓斗斗容與主參數(shù)的選擇斗容在任務(wù)書中已經(jīng)給出：q =2~5 m3按經(jīng)驗公式和比擬法初選：l 3=1600mm（3） 小臂及抓斗液壓系統(tǒng)主參數(shù)的初步選擇各工作油缸的缸徑選擇要考慮到液壓系統(tǒng)的工作壓力和“三化“要求。初選大臂油缸內(nèi)徑 D1=140mm，活塞桿的直徑 d1=90mm。小臂油缸的內(nèi)徑 D2=140mm，活塞桿的直徑 d2=90mm。抓斗油缸的內(nèi)徑 D3=110mm，活塞桿的直徑 d3=80mm。又由經(jīng)驗公式和其它機(jī)型的參考初選大臂油缸行程 L1=1000mm，小臂油缸行程 L2=1500mm，抓斗油缸行程L3=1300mm。并按經(jīng)驗公式初選各油缸全伸長度與全縮長度之比： λ1=λ2=λ3=1.6。參照任務(wù)書的要求選擇小臂及抓斗液壓系統(tǒng)的工作壓力 P=31.4MPa，閉鎖壓力Pg=34.3MPa。抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計10第三章 運(yùn)動學(xué)分析3.1 小臂的運(yùn)動分析如下圖 3-2 所示，D 點(diǎn)為小臂油缸與大臂的鉸點(diǎn)點(diǎn)， F 點(diǎn)為大臂與小臂的鉸點(diǎn)，E點(diǎn)為小臂油缸與小臂的鉸點(diǎn)。小臂的位置參數(shù)是 L2，這里只討論小臂相對于大臂的運(yùn)動，即只考慮 L2 的影響。O-小臂油缸與大臂的鉸點(diǎn)點(diǎn) A-大臂與小臂的鉸點(diǎn) B-小臂油缸與小臂的鉸點(diǎn) θ-小臂擺角.圖 3-2 小臂機(jī)構(gòu)擺角計算簡圖在三角形 DEF 中L22 = l82+ l92-2×COSθ2×l8×l9θ2 = COS-1[（ L22- l82-l92） /2×l8×l9] (3-8)由上圖的幾何關(guān)系知φ2max =θ2 max-θ2min (3-9)則小臂的作用力臂e2 =l9Sin∠DEF (3-10)顯然小臂的最大作用力臂 e2max = l9，此時 θ2 = COS-1（l 9/l8） ，L 2 = sqr（l 82-l92）抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計113. 2 連接機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析抓斗相對于 XOY 坐標(biāo)系的運(yùn)動是 L1、L2、L3 的函數(shù)，現(xiàn)討論抓斗相對于小臂的運(yùn)動，如圖 3-5 所示，G 點(diǎn)為抓斗油缸與小臂的鉸點(diǎn)， F 點(diǎn)為小臂與大臂的鉸點(diǎn) Q 點(diǎn)為抓斗與小臂的鉸點(diǎn)，v 點(diǎn)為抓斗的抓爪點(diǎn)，K 點(diǎn)為連桿與抓斗的餃點(diǎn)， N 點(diǎn)為曲柄與小臂的鉸點(diǎn)，M 點(diǎn)為抓斗油缸與曲柄的鉸點(diǎn)，H 點(diǎn)為曲柄與連桿的鉸點(diǎn) [1]。（1） 抓斗連桿機(jī)構(gòu)傳動比 i利用圖 3-3，可以知道求得以下的參數(shù)：在三角形 HGN 中α22 = ∠HNG = COS -1[（l 152+l142-L32）/2×l 15×l14]α30 = ∠HGN = COS -1[（L 32+ l152- l142）/2×L 3×l14]α32 = ∠GMN = π - ∠MNG - ∠MGN =π -α22-α30 (3-11)在三角形 HNQ 中l(wèi) 272 = l142 + l212 + 2×COSα23×l14×l21∠HNQ = COS-1[（l 212+l142- l272）/2×l 21×l14] (3-12)在三角形 QHK 中α27 = ∠QHK= COS -1[（l 292+l272-L242）/2×l 29×l27] (3-13)在四邊形 KHQN 中∠NHK=∠NHQ+∠QHK (3-14)抓斗油缸對 N 點(diǎn)的作用力臂 r1r1 = l13×Sinα32 (3-15)連桿 HK 對 N 點(diǎn)的作用力臂 r2r2 = l13×Sin ∠NHK (3-16)而由 r3 = l24，r 4 = l3 有 [3]連桿機(jī)構(gòu)的總傳動比i = （r 1×r3）/（r 2×r4） (3-17)顯然 3-17 式中可知，i 是抓斗油缸長度 L3 的函數(shù)，用 L3min 代入可得初傳動比i0，L 3max 代入可得終傳動比 iz。（2） 抓斗相對于小臂的擺角 φ3抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計12抓斗的瞬時位置轉(zhuǎn)角為φ3 =α7+α24+α26+α10 (3-18)其中，在三角形 NFQ 中α7 = ∠NQF= COS -1[（l 212+l22- l162）/2×l 21×l2] (3-19)α10 暫時未定，其在后面的設(shè)計中可以得到。當(dāng)抓斗油缸長度 L3 分別取 L3max 和 L3min 時，可分別求得抓斗的最大和最小轉(zhuǎn)角θ3max 和 θ3min，于是得抓斗的瞬間轉(zhuǎn)角:φ 3 = θ3-θ3min (3-20)抓斗的擺角范圍: φ 3 = θ3max-θ3min (3-21)圖 3-3 抓斗連桿機(jī)構(gòu)傳動比計算簡圖3. 3 抓爪的運(yùn)動分析見圖 3-4 所示，抓爪 V 點(diǎn)的坐標(biāo)值 XV 和 YV，是 L1 、L 2、L 3 的函數(shù)只要推導(dǎo)出XV 和 YV 的函數(shù)表達(dá)式，那么整機(jī)作業(yè)范圍就可以確定，現(xiàn)推導(dǎo)如下:由 F 點(diǎn)知：α32= ∠CFQ= π –α3-α4-α6-θ2 (3-22)在三角形 CDF 中：∠DCF 由后面的設(shè)計確定，在∠DCF 確定后則有：l82 = l62 + l12 - 2×COS∠DCF×l 1×l6 (3-23)l62 = l82 + l12 - 2×COSα3×l1×l8 α3 = COS-1（l 82+l12–l62） /2×l1×l8 (3-24)在三角形 DEF 中L22 = l82 + l92 - 2×COSθ2×l8×l9 抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計13圖 3-4 抓爪坐標(biāo)方程推導(dǎo)簡圖則可以得小臂瞬間轉(zhuǎn)角 θ2 θ2 = COS-1[（ l82+l92- L22）/2×l 8×l9] (3-25)α 4、α 6 在設(shè)計中確定。由三角形 CFN 知：l28 = Sqr（l 162 + l12 - 2×COSα32×l16×l1） (3-26)由三角形 CFQ 知：l23 = Sqr（l 22 + l12 - 2×COSα32×l2×l1） (3-27)由 Q 點(diǎn)知：α35= ∠CQV= 2π–α33-α24-α10 (3-28)在三角形 CFQ 中：l12 = l232 + l32 - 2×COSα33×l23×l3 α33 = COS-1[（l 232+l32- l12）/2×l 23×l3] (3-29)在三角形 NHQ 中：l132 = l272 + l212 - 2×COSα24×l27×l21 α24 =∠NQH=COS -1[l272+l212 -l132）/2×l 27×l21] (3-30)在三角形 HKQ 中：l292 = l272 + l242 - 2×COSα26×l27×l24 α26 =∠HQK=COS -1[l272+l242–l292）/2×l 27×l24] (3-31)在四邊形 HNQK：抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計14∠NQH =α 24 +α26 (3-32)α20 = ∠KQV，其在后面的設(shè)計中確定。在列出以上的各線段的長度和角度之間的關(guān)系后，利用矢量坐標(biāo)我們就可以得到各坐標(biāo)點(diǎn)的值。第四章 參數(shù)的計算及校核4.1 小臂基本參數(shù)的確定4.1.1 小臂參數(shù)的計算及選擇應(yīng)考慮的因素第一：保證小臂液壓缸有足夠的斗齒抓取力。一般來說希望液壓缸在全行程中產(chǎn)生的斗齒抓取力始終大于正常抓取阻力；液壓缸全伸時的作用力矩應(yīng)足以支撐滿載斗和小臂靜止不動；液壓缸作用力臂最大時產(chǎn)生的的最大斗齒抓取力大于要求克服的最大抓取阻力。第二：保證小臂液壓缸有必要的閉鎖能力。對于以轉(zhuǎn)斗抓取力為主的中小型反鏟，選擇小臂機(jī)構(gòu)參數(shù)時必須注意轉(zhuǎn)斗抓取時小臂液壓缸的閉鎖能力，要求在主要抓取區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)斗液壓缸的抓取力能得到充分的發(fā)揮。第三：保證小臂的擺角范圍。小臂的擺角范圍大致在 —— 之間。大105?2在滿足工作范圍和運(yùn)輸要求的前提下此值應(yīng)盡可能小些，對以小臂抓取為主的中型機(jī)更應(yīng)注意到這一點(diǎn)。一般說小臂愈長，其擺角也可稍小。當(dāng)小臂液壓缸和轉(zhuǎn)斗液壓缸同時伸出最長時，抓斗前壁與大臂之間的距離應(yīng)大于 10cm。4.1.2 小臂液壓缸的最大作用力臂 及 的計算9l8抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計15根據(jù)小臂抓取阻力計算，并參考國內(nèi)外同型機(jī)器小臂抓取力值，按要求的最大抓取力確定小臂液壓缸的最大作用力臂 ，取整個小臂為研究對象，可得小臂油缸9l最大作用力臂的表達(dá)式為：max232max9()GPlel??=3 36267810(.814)0????=643 mm圖 4.1 小臂機(jī)構(gòu)參數(shù)計算簡圖如圖 4.1 所示，小臂液壓缸初始力臂 與最大力臂 之比是小臂擺角 的余20e2maxe2max?弦函數(shù)，則存在以下式子。 2max820 2axmax9cossle??可見 已定時 愈大， 和 就愈小，即平均抓取力就越小。要得到較大的的l2ax2e0平均抓取力，就要盡量減少 ，初取 =max?2max9?由圖 4.1 的幾何關(guān)系有：2ax2in2in9m2min2si()1Ll?????=9076.3sin?=1712.92 mm而 =1.6 1712.92=2740.67 mm2maxin2L???抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計16同樣由圖 4.1 所示可知，由余弦定律知：2 2max8min92min9cos()lLll??????= 22 180917.6.731.76.3cos()2????=2311 mm4.1.3 小臂其它相關(guān)尺的計算小臂上 取決于結(jié)構(gòu)因素和工作范圍（如圖 2.2） ，一般在 ——EFQ?130?之間，初定 = ，同樣的大臂上的 也是結(jié)構(gòu)尺寸，并按結(jié)構(gòu)因素170?150?DFZ?分析，可初選 = 。DZ4.2 小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強(qiáng)度校核4.2.1 小臂的受力分析小臂要受到彎矩的作用，故要找出小臂的最大彎矩進(jìn)行設(shè)計計算。根據(jù)分析和以往的實(shí)驗表明，在抓斗進(jìn)行抓取時，產(chǎn)生小臂最大彎矩的工況為抓取最大重物WK 同時重物離小臂與大臂的鉸接點(diǎn)最遠(yuǎn)時（此時重物最重，力臂最長故小臂的所受彎矩最大） ；小臂所受最大彎矩工況位置，其滿足以下條件：1） 小臂中心線處于水平位置。2） 抓斗中心線處于水平位置。3） 抓爪與抓斗下盤鉸點(diǎn)和抓爪最前端連線處于水平位置。4） 抓斗抓取最大重物 。kW抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計17圖 4.2 小臂最大彎矩工況時的小臂及抓斗簡圖4.2.2 小臂受最大彎矩工況位置的受力分析在上述工況下小臂存在最大的彎矩，受到的應(yīng)力也最大。該工況的具體簡圖如圖 4.2 所示，取小臂及抓斗為研究對象，如圖 4.3 所示，在該工況下存在的力有：小臂及抓斗各部件所受到的重力 ；作用在抓斗上的抓取力，包iG括切向阻力 ，法向阻力 ，側(cè)向阻力 。1W23WHK-連桿 HN-擺桿 C-大臂下鉸點(diǎn) A-大臂油缸下鉸點(diǎn) B-大臂與大臂油缸的交點(diǎn) F-大臂上鉸點(diǎn) D-小臂油缸上鉸點(diǎn) E-小臂油缸下鉸點(diǎn) G-抓斗油缸下鉸點(diǎn) Q-抓斗下鉸點(diǎn) K-抓斗上鉸點(diǎn) V-抓斗抓爪當(dāng)處于以上位置時，由圖 4.3 可知以下的角度關(guān)系。201min2????根據(jù)前面的已知的角度可求得： = ，由圖 4.2 所示可知，向量 CF 可以表示216?為：向量 ??389cos()in(62)CF?????= 5162i抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計18圖 4.3 F 點(diǎn)坐標(biāo)計算簡圖由前面的計算結(jié)果可知， ，26.9ZC???8231Dlm?在 中 =DEF?90?7.cos0.79EF通過上式可解得 = 71.5?同樣在前面我已經(jīng)確定了 在四邊形 CDEF 中Q??=EFC?26.90.8.4???由以上的角度關(guān)系可表達(dá)出向量 FV,設(shè)向量 FV 與 X 軸的夾角為 ，則根據(jù)圖 2.2?可知： ??180(36018.450)62?????????則取正值就是39.??向量 FV= ??23()cos14.in0.4l??=3580.86 .s.?連桿機(jī)構(gòu)的總傳動比為 r，抓斗油缸對 N 點(diǎn)的作用力臂為 ； 連桿 HK 對 N 點(diǎn)1r的作用力臂為 ； 連桿對 Q 點(diǎn)的作用力臂為 ； 抓斗對 Q 點(diǎn)的作用力臂 ；2r 3r 4r132243sin5si16082n75.8l mHKrlm?????抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計1913248.40.366.51ri???則可得此時抓斗的理論抓取力：34810ODFi N??切向阻力 ：1W抓斗的重心到 Q 點(diǎn)的水平距離為 2r?=2r?3cos140.57.82lm???取抓斗為研究對象，如圖 4.3 所示，并對 Q 點(diǎn)取矩，則有：132()0QODMFWlGr???代入數(shù)值可得：51(0.468).486.5780????51.20N?法向阻力 的求解：2W小臂及抓斗所受重力對 C 點(diǎn)的力矩有：12523462()()0.7Ci FMGXGXX????4 41 1.730.9.6.)(coscs39.)062cos62i ll l????????42 12cos.0cs.o.2l l???把 ， ， 的值代入上式得：1l35()0.81CiMGN??到 C 點(diǎn)的距離為 ：1W0r23coslCFV???=148.6839.15cos(6018.450)????=2808.89 mm抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計20到 C 點(diǎn)的距離為 ：2W1r?1sin389.5sin0.637.4rFVm?????法向阻力 決定于大臂油缸閉鎖力 ，2 1F?726513.40(640)2.310N??????取整個小臂及抓斗為研究對象，則有：CM??即 11021()iFeGWr??把以上求得的數(shù)值全部該式可求得 ：2N52.??小臂油缸作用力 的求解：gP?向量 FQ 在 X 軸上的模量：cos(104.)FNQ???= 23.86.= m如圖 4.2 所示，取小臂（帶斗和連桿機(jī)構(gòu)）為研究對象，則有：0CM????21323221()0g FNFNPEFWlGXrX? ???????將已知量代入數(shù)值可得： ?3 4 42 10.76.480.6.48.(.63.578)0.621.30g???????解得： =2.3 NP?51而些時的小臂閉鎖力為：，略大于 說明閉鎖力中夠726523.40(640)12.30N???????2gP?橫向抓取力 的求解：kW抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計21橫向抓取力 由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動器所承受，即 的最大值決定于回轉(zhuǎn)平臺的制kWkW動力矩，故先要計算出制動力矩。地面附著力矩 ： M? 4350(0.5)G?????其 中= .2= 51.Nm?在所設(shè)計的液壓抓料機(jī)中采用的是液壓制動，由經(jīng)驗公式求得回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的最制動力矩 ：B50.6.8210M????557143BKVWNmXQ 點(diǎn)作用力與作用力矩 ， ， ， 的求解：QxRyQxMy取連桿機(jī)構(gòu)為研究對象，如圖 4.5 所示，則有：NH-搖 臂 HK-連 桿 G3-鏟 斗 油 缸 推 力RK-連 桿 的 作 用 力 RN-搖 臂 的 作 用 力RN G3XYYZNQ KHRKNH-搖臂 HK-連桿 G3-抓斗油缸推力 RK-連桿的作用力 RN-搖臂的作用力圖 4.5 連桿機(jī)構(gòu)的計算簡圖20X??即 3222coscoscos0NKPXXHX?????0Y?即 3222sinsinsin0NKGHRR其中 7653.41010.7810P????抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計2224.5GHX???257.NX??1.5HKX???將這些數(shù)值代入到上式中就可以得到：51.708cos.cos.cos.0NKR?????.in4.in57.in1.5?解上兩式得： 50.31NR?1.90K??如圖 4.4 所示，取整個抓斗為研究對象，以 V 點(diǎn)為新坐標(biāo)的原點(diǎn)， VQ 為 軸，3X過 V 點(diǎn)與 VQ 垂直的直線為 ，建立 坐標(biāo)，則有：3Y3XOY30X??即 2cos1.50QxkWR???代入數(shù)值得： 509s.???解得： 1.6QxN?30Y?即 1sin.5QykRW???代入數(shù)值得： 0.428.910sin.50???解得： 5.3QyN?30YM???即 321YkMWlb??代入數(shù)值得： 5530.71.480.21.0Y?????解得： .9Nm??30X?即 312XbMW??代入數(shù)值得： 530.41280.1X???抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計23解得： 530.21XMNm????N 點(diǎn)的作用力與力矩 ， 及 的求解：xRyNM取曲柄和連桿為研究對象，如圖 4.6 所示：則有： 3KHFNH-搖 臂 HK-連 桿 F3-鏟 斗 油 缸 推 力NRNyRNxRK-連 桿 沿 HK方 向 的 作 用 力 RNy-搖 臂沒 HK方 向 的 作 用 力RKNH-搖臂 HK-連桿 F3-抓斗油缸推力 RK-連桿沿 HK 方向的作用力 RNy-搖臂沒 HK 方向的作用力圖 4.6 曲柄和連桿的受力圖20X??即 3cos1.5NxkRP???代入數(shù)值得： 555.90cos1.7081.0Nx N?????如圖可知： tan.tan.241yFH?????同樣根據(jù)圖可知： 3()NkMRPK代入數(shù)值得： 551.9708.30.1Nm????F 點(diǎn)作用力與作用力矩的求解：以小臂為研究對家，進(jìn)行受力分析計算，以 F 為原點(diǎn)，F(xiàn)N 為 X 軸，以垂直FN 的 FY 為 Y 軸進(jìn)行分析：40X??即 2cosFxNxRPER????40Y即 2sinFyNyX?抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計24另外 25234603.841PN????代入數(shù)值得：555.cos.012.3810FxR N????3.8410in47y??同樣由圖可知：292cos5.YNxMPlR??= 3.8410.07.15023??= 5292sin.ZNyl???= 538410i.70.4213???= .76則總力矩 M： 2XY??= 5252(1.0)(1.3)?= N4.2.4 小臂內(nèi)力圖的繪制根據(jù)最大彎矩工況所求出的小臂所受到的力和力矩，可以分別繪制出在最大彎矩工況下內(nèi)力圖。對于最大彎矩工況，小臂的內(nèi)力圖包括橫向力，小臂平面內(nèi)外的彎矩和剪力；最大彎矩工況下小臂的軸向力 N 圖，如圖 4.8（單位：N ）圖 4.8 最大彎矩工況下小臂 N 圖最大彎矩工況小臂的 圖，如圖 4.9（單位：N）yQ抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計25圖 4.9 最大彎矩工況下小臂 圖yQ最大彎矩工況下小臂的 圖，如圖 4.10（單位： ）yMNm?圖 4.10 最大彎矩工況下小臂的 yM由前面的受力分析知，在通過 F 點(diǎn)且與小臂下底板垂直的截面所受到的應(yīng)力最大，是危險截面，故首先要對該截面進(jìn)行計算，然后以此為基礎(chǔ)再求解其它尺寸。4.2.5 小臂寬度、鋼板厚度、許用應(yīng)力的選取由經(jīng)驗統(tǒng)計和其它同斗容機(jī)型的測繪，取小臂寬度 210am?抓料機(jī)所用的鋼板的厚度在我國一般為 8——15 mm，初選底板厚度 10?側(cè)板厚度 如圖 4.13 所示10nm?抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計26如圖 4.13 小臂截面在抓料機(jī)選用的結(jié)構(gòu)鋼材一般選 16Mn，其有足夠的屈服極限和良好的機(jī)械性能，其屈服極限 ，在小臂中安全系數(shù) ，則小臂的許用應(yīng)力為：350sMPa??2.8n???23501.8sPan??4.2.6 小臂危險截面處高度 h 的計算危險截面的有效面積為 ：2S210()(0S??= 9h= （4.1）62(38)1m???該截面對 Z 軸的慣性矩 ZI（4.2）32010(2)hZIhydA???????= 3220()11h?該截面對 Y 軸的慣性矩 ：.yI（4.3）10532910(2)yIhzdA???????= 5h橫截面的總面積 ：1S