抓料機小臂及抓爪設計I摘要所謂抓料機機械臂，就是將機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)，機械臂可以隨著立柱旋，通過機械臂末端的抓斗進行抓料作業(yè)。這種結(jié)構使機械臂擁有更大的操作性和動作空間，使它具有更廣闊的應用前景。目前抓料機正向著人性化、小型化、多樣化方向發(fā)展，其應用也越來越廣泛，幾乎滲透到所有領域。抓料機主要由小臂、旋轉(zhuǎn)機構、液壓裝置、抓斗等部分組成。本次設計主要是關于抓料機小臂及抓斗的設計，小臂及抓斗是直接完成抓取物料任務的裝置，對其進行全面的通用性設計研究對推動國內(nèi)抓料機發(fā)展具有十分重要的意義。本設計本文介紹抓料機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)外抓料機小臂及抓斗設計的資料，對抓料機的各種工況進行了分析，總結(jié)了抓料機小臂及抓斗的設計要求。分別對小臂、抓斗及鏈接機構進行了較為詳細的設計，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行了校核。關鍵字：抓料機 小臂 抓斗 設計抓料機小臂及抓爪設計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抓料機小臂及抓爪設計III目 錄摘要 .IAbstract II第一章 緒論 .11.1 設計選題的意義 11.2 國內(nèi)外液壓抓料機的發(fā)展動態(tài)和研究現(xiàn)狀 11.2.1 國外液壓抓料機的發(fā)展動態(tài)和研究現(xiàn)狀 .11.2.2 國內(nèi)液壓抓料機的發(fā)展動態(tài)和研究現(xiàn)狀 .21.3 本設計的主要內(nèi)容及目標 31.3.1 設計的主要內(nèi)容 .31.3.2 設計的關鍵問題 .31.3.3 設計過程中的已知參數(shù) .3第二章 總體方案設計 .42.1 機型選擇及特點分析 42.1.1 所用機型的適用范圍 .42.2 小臂及抓斗構成 42.3 各組成結(jié)構形式的初選 62.3.1 小臂結(jié)構形式的初選 .62.3.2 抓斗結(jié)構形式的初選 .62.3.3 小臂及抓料部分鏈接機構結(jié)構形式的初選 .72.4 原始幾何參數(shù)的確定 8第三章 運動學分析 .103.1 小臂的運動分析 103. 2 連接機構的運動分析 .103. 3 抓爪的運動分析 .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抓料機小臂及抓爪設計IV4.1.3 小臂其它相關尺的計算 .154.2 小臂的結(jié)構設計和強度校核 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構參數(shù)確定 284.5 抓斗旋轉(zhuǎn)機構參數(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 液壓缸強度的較核 .324.7 銷軸與襯套的設計 .324.7.1 銷軸的設計 324.7.2 襯套的設計 .33總結(jié) .34參考文獻 .35致謝 .36附錄： .37抓料機小臂及抓爪設計1第一章 緒論1.1 設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行大規(guī)模的經(jīng)濟建設，這就需要大量的土石方施工機械為其服務，而液壓抓料機是最重要的一類土石方施工機械。因此，可以肯定液壓抓料機的發(fā)展空間很大。可以預見，隨著國家經(jīng)濟建設的不斷發(fā)展，液壓抓料機的需求量將逐年大幅度增長。今后幾年我國液壓抓料機行業(yè)將會有一個很大的發(fā)展，液壓抓料機的年產(chǎn)量將會以高于 20％的速度增長。中國抓料機市場自 1997 年開始已進入了一個較快的發(fā)展時期， 2001 年與 2000 年比較，全國抓料機的產(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 年全國液壓抓料機的銷售量超過 18000 臺。顯然，抓料機在整個工程機械行業(yè)中是產(chǎn)、銷量增長最快的機種之一。而在抓料機中最為重要的就是關于工作裝置設計，因為抓料機的工作裝置能夠最為明顯的體現(xiàn)機器的工作能力和工作壽命，所以設計工作可靠，性能好，成本低，效率高，維護使用方便的工作裝置就顯得格外重要。本文以實際項目抓料機的機械臂（小臂）為研究對象。設計抓料機的小臂的結(jié)構。所謂抓料機機械臂，就是將機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)，機械臂可以隨著立柱旋，通過機械臂來實現(xiàn)一些動作如抓取，可以在機械臂的末端的抓抖進行抓料作業(yè)。這種結(jié)構使機械臂擁有更大的操作性和動作空間，使它具有更廣闊的應用前景。目前抓料機正向著人性化、小型化、多樣化方向發(fā)展，其應用也越來越廣泛，幾乎滲透到所有領域。1.2 國內(nèi)外液壓抓料機的發(fā)展動態(tài)和研究現(xiàn)狀抓料機在未來工業(yè)用途中，應用將會越來越廣。不止是工業(yè)，其他的一些領域的應用將是發(fā)展的必然趨勢，通過對機械臂系統(tǒng)研制，積累了比較豐富的設計經(jīng)驗，相信經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進，抓料機將走向成熟和使用化。未來的機械臂會有更優(yōu)的性能質(zhì)量比；更強的環(huán)境適應能力；更高的智能性。1.2.1 國外液壓抓料機的發(fā)展動態(tài)和研究現(xiàn)狀國外抓料機生產(chǎn)歷史較長，液壓技術的不斷成熟使抓料機得到全面的發(fā)展。德國是世界上較早開發(fā)研制抓料機的國家；美國是繼德國以后生產(chǎn)抓料機歷史最長、數(shù)量抓料機小臂及抓爪設計2最大、品種最多和技術水平處于領先地位的國家；日本抓料機制造業(yè)是在二次大戰(zhàn)后發(fā)展上起來的，其主要特點是在引進、消化先進技術的基礎上，通過大膽創(chuàng)新發(fā)展起來的；韓國是抓料機生產(chǎn)的后起之秀，20 世紀 70 年代開始引進技術，由于產(chǎn)業(yè)政策進入國際市場，并已擠入國際液壓抓料機的主要生產(chǎn)國之一。當前，國際上抓料機的生產(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)量遠未達到應有的水平，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)達國家液壓抓料機技術水平得到了迅速的提高，突出表現(xiàn)在追求高效率(同一機重的抓料機功率普遍提高，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操作的舒適性。國內(nèi)原有的數(shù)家抓料機專業(yè)生產(chǎn)廠為了生存和發(fā)展，利用自身的實力和豐富的抓料機生產(chǎn)經(jīng)驗，紛紛在工廠的技術改造、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，干脆采用了進口的液壓件和發(fā)動機，甚至于整個傳動系統(tǒng)都按照采用國外元件來設計，這種經(jīng)過改型或新設計開發(fā)的抓料機其工作可靠性和作業(yè)效率得到很大的提高。這樣，引進和消化國外的不少技術，在技術方面都有了長足的進步。國內(nèi)抓料機行業(yè)近年來雖有很大發(fā)展，但與國外抓料機行業(yè)發(fā)達國家相比仍存在許多不足，其原因除了國內(nèi)抓料機加工水平落后之外，抓料機設計水平與發(fā)達國家相比也有較大的差距，尤其是一些先進設計技術的掌握和應用。國內(nèi)眾多的研究人員和單位對抓料機工作裝置設計進行了不少研究，開發(fā)了其設計軟件，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)、運動參數(shù)和力參數(shù)等的解決。關于工作裝置設計參數(shù)分析和在CAD上其自動設計的綜合研究文獻還沒有。因此，開發(fā)出的軟件缺少通用性，不能使用于抓料機工作裝置的一些通用問題的解決，對工程機械這個行業(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，當然也有部分企業(yè)用CAD進行空間布置設計。雖然部分軟件也有一定的分析計算能力，但是遠遠不能達到設計需要，對液壓抓料機進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)果已進入實際應用過程中。目前研究液壓抓料機工作裝置設計的重點在于，為了使抓料機設計人員從繁忙的計算中解脫出來，現(xiàn)有工作裝置機構的計算機輔助計算和優(yōu)化設計，即大多數(shù)的液壓抓料機工作裝置設計研究在現(xiàn)有機構的基礎上局限進行的，在這種情況下開抓料機小臂及抓爪設計3發(fā)出一個專業(yè)的工作裝置設計工具和軟件顯得非常的重要。1.3 本設計的主要內(nèi)容及目標1.3.1 設計的主要內(nèi)容本課題主要研究抓料機的機械臂小臂及抓抖的設計，具體包括以下幾個方面：（1）計算小臂的強度、剛度；（2）計算液壓支點；（3）小臂及抓料部分的鏈接機構；（4）抓抖的旋轉(zhuǎn)機構。1.3.2 設計的關鍵問題（1）關于抓料機總體設計，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）液壓抓料機工作裝置各主要機構結(jié)構方案的確定，這包括幾方面的內(nèi)容，首先就是關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）各種強度的校核。其中動臂的校核尤為重要，還有小臂的強度校核。1.3.3 設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抓料機小臂及抓爪設計4抓斗翻轉(zhuǎn)油缸：Ф100/Ф55x996-1350第二章 總體方案設計2.1 機型選擇及特點分析本設計中，我選的是TZ06-DGZ70機固定式抓料機，是一種采用液壓傳動并以一個抓斗進行抓取作業(yè)機械，它是機械傳動單斗挖掘機的基礎上發(fā)展而來的，是目前抓料機中重要的品種。2.1.1 所用機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械設備。由抓料機在構造和性能上有較多的優(yōu)越性，因此近年來發(fā)展迅速，在中小型抓料機中，已取代了機械傳動抓料機，成為工程機械的主要機種。2.2 小臂及抓斗構成鉸接式反鏟是單斗液壓抓料機最常用的結(jié)構型式，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擺動，完成抓取、提升和卸土等動作，圖2.1為抓料機最常用的小臂及抓斗構成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)機構；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 小臂及抓斗構成圖抓料機的小臂是變截面的箱梁結(jié)構，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行抓料機小臂及抓爪設計5適當簡化處理。則可知液壓抓料機的小臂與鏈接機構是由小臂，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構，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構，處理具體簡圖2.2所示。進一步簡化圖如2.3所示。圖 2.2 小臂及抓斗的結(jié)構簡圖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-大臂抓料機小臂及抓爪設計6圖 2.3 小臂及抓斗結(jié)構簡化圖抓料機的小臂及抓斗經(jīng)上面的簡化后實質(zhì)是一組平面連桿機構，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 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)構形式的初選2.3.1 小臂結(jié)構形式的初選小臂也有整體式和組合式兩種，大多數(shù)抓料機采用整體式小臂。在本設計中由于不需要調(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)構形式的初選抓斗是重型機械的一種取物裝置，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：運用各種創(chuàng)造技法，對可變元素進行變換(即尋找作用效應)，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。抓料機小臂及抓爪設計7方案評價過程是一個方案優(yōu)化的過程，希望所設計的方案能最好地體現(xiàn)設計務書要求，并將缺點消除在萌芽狀態(tài)，為此，從矩陣表中抽象出抓斗的評價準則為:A—抓取力大，適應難抓物料 B—可在空中任一位置啟閉C—裝卸效率高 D—技術先進E—結(jié)構易實現(xiàn) F—經(jīng)濟性好，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，液壓傳動的抓斗功率密度大，結(jié)構緊湊，重量輕，調(diào)速度性能好，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、可靠，能自行潤滑，易實現(xiàn)復雜控制。氣壓傳動明顯的優(yōu)點是:結(jié)構簡單，維護使用方便，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。 對于抓斗設計，要求抓取能力強，重量輕，結(jié)構緊湊，經(jīng)濟性好，維護方便。通過分析比較，權衡主次，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，可以對照設計任務書作進一步定性分析。A1B3、A2B3、A3B3 性能比較：A1B3 能較好地滿足設計要求，其不足是結(jié)構稍復雜;A2B3 無法防止散漏這至關重要的性能要求; A3B3 液壓缸行程大，這在技術上很難實現(xiàn)，故最后確定 A1B3 為最佳原理設計方案。抓料機小臂及抓爪設計82.3.3 小臂及抓料部分鏈接機構結(jié)構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，改善了機構的傳動特性。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構可以進行 360°旋轉(zhuǎn)，使得抓料動作有更大的操作空間，旋轉(zhuǎn)機構是通過中間的旋轉(zhuǎn)器總成連接抓斗上下盤實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)器總成內(nèi)包含有液壓馬達、旋轉(zhuǎn)軸承以及回轉(zhuǎn)油閥。其中液壓馬達用于驅(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。本設計的旋轉(zhuǎn)器總成直接從市場采購不需單獨設計。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)機構2.4 原始幾何參數(shù)的確定（1）大臂與小臂的長度比 K1由于所設計的挖機適用性較強，一般不替換小臂及抓斗，故取中間比例方案，K 1抓料機小臂及抓爪設計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。抓料機小臂及抓爪設計10第三章 運動學分析3.1 小臂的運動分析如下圖 3-2 所示，D 點為小臂油缸與大臂的鉸點點， F 點為大臂與小臂的鉸點，E點為小臂油缸與小臂的鉸點。小臂的位置參數(shù)是 L2，這里只討論小臂相對于大臂的運動，即只考慮 L2 的影響。O-小臂油缸與大臂的鉸點點 A-大臂與小臂的鉸點 B-小臂油缸與小臂的鉸點 θ-小臂擺角.圖 3-2 小臂機構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）抓料機小臂及抓爪設計113. 2 連接機構的運動分析抓斗相對于 XOY 坐標系的運動是 L1、L2、L3 的函數(shù)，現(xiàn)討論抓斗相對于小臂的運動，如圖 3-5 所示，G 點為抓斗油缸與小臂的鉸點， F 點為小臂與大臂的鉸點 Q 點為抓斗與小臂的鉸點，v 點為抓斗的抓爪點，K 點為連桿與抓斗的餃點， N 點為曲柄與小臂的鉸點，M 點為抓斗油缸與曲柄的鉸點，H 點為曲柄與連桿的鉸點 [1]。（1） 抓斗連桿機構傳動比 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 點的作用力臂 r1r1 = l13×Sinα32 (3-15)連桿 HK 對 N 點的作用力臂 r2r2 = l13×Sin ∠NHK (3-16)而由 r3 = l24，r 4 = l3 有 [3]連桿機構的總傳動比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抓料機小臂及抓爪設計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，其在后面的設計中可以得到。當抓斗油缸長度 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 抓斗連桿機構傳動比計算簡圖3. 3 抓爪的運動分析見圖 3-4 所示，抓爪 V 點的坐標值 XV 和 YV，是 L1 、L 2、L 3 的函數(shù)只要推導出XV 和 YV 的函數(shù)表達式，那么整機作業(yè)范圍就可以確定，現(xiàn)推導如下:由 F 點知：α32= ∠CFQ= π –α3-α4-α6-θ2 (3-22)在三角形 CDF 中：∠DCF 由后面的設計確定，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 抓料機小臂及抓爪設計13圖 3-4 抓爪坐標方程推導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：抓料機小臂及抓爪設計14∠NQH =α 24 +α26 (3-32)α20 = ∠KQV，其在后面的設計中確定。在列出以上的各線段的長度和角度之間的關系后，利用矢量坐標我們就可以得到各坐標點的值。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，選擇小臂機構參數(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輸要求的前提下此值應盡可能小些，對以小臂抓取為主的中型機更應注意到這一點。一般說小臂愈長，其擺角也可稍小。當小臂液壓缸和轉(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抓料機小臂及抓爪設計15根據(jù)小臂抓取阻力計算，并參考國內(nèi)外同型機器小臂抓取力值，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式為：max232max9()GPlel??=3 36267810(.814)0????=643 mm圖 4.1 小臂機構參數(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 的幾何關系有：2ax2in2in9m2min2si()1Ll?????=9076.3sin?=1712.92 mm而 =1.6 1712.92=2740.67 mm2maxin2L???抓料機小臂及抓爪設計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 小臂其它相關尺的計算小臂上 取決于結(jié)構因素和工作范圍（如圖 2.2） ，一般在 ——EFQ?130?之間，初定 = ，同樣的大臂上的 也是結(jié)構尺寸，并按結(jié)構因素170?150?DFZ?分析，可初選 = 。DZ4.2 小臂的結(jié)構設計和強度校核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行設計計算。根據(jù)分析和以往的實驗表明，在抓斗進行抓取時，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最遠時（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抓料機小臂及抓爪設計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 A-大臂油缸下鉸點 B-大臂與大臂油缸的交點 F-大臂上鉸點 D-小臂油缸上鉸點 E-小臂油缸下鉸點 G-抓斗油缸下鉸點 Q-抓斗下鉸點 K-抓斗上鉸點 V-抓斗抓爪當處于以上位置時，由圖 4.3 可知以下的角度關系。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抓料機小臂及抓爪設計18圖 4.3 F 點坐標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???由以上的角度關系可表達出向量 FV,設向量 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.?連桿機構的總傳動比為 r，抓斗油缸對 N 點的作用力臂為 ； 連桿 HK 對 N 點1r的作用力臂為 ； 連桿對 Q 點的作用力臂為 ； 抓斗對 Q 點的作用力臂 ；2r 3r 4r132243sin5si16082n75.8l mHKrlm?????抓料機小臂及抓爪設計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 點的距離為 ：1W0r23coslCFV???=148.6839.15cos(6018.450)????=2808.89 mm抓料機小臂及抓爪設計20到 C 點的距離為 ：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（帶斗和連桿機構）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抓料機小臂及抓爪設計21橫向抓取力 由回轉(zhuǎn)機構制動器所承受，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?在所設計的液壓抓料機中采用的是液壓制動，由經(jīng)驗公式求得回轉(zhuǎn)機構的最制動力矩 ：B50.6.8210M????557143BKVWNmXQ 點作用力與作用力矩 ， ， ， 的求解：QxRyQxMy取連桿機構為研究對象，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 連桿機構的計算簡圖20X??即 3222coscoscos0NKPXXHX?????0Y?即 3222sinsinsin0NKGHRR其中 7653.41010.7810P????抓料機小臂及抓爪設計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 點為新坐標的原點， VQ 為 軸，3X過 V 點與 VQ 垂直的直線為 ，建立 坐標，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???抓料機小臂及抓爪設計23解得： 530.21XMNm????N 點的作用力與力矩 ， 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 點作用力與作用力矩的求解：以小臂為研究對家，進行受力分析計算，以 F 為原點，F(xiàn)N 為 X 軸，以垂直FN 的 FY 為 Y 軸進行分析：40X??即 2cosFxNxRPER????40Y即 2sinFyNyX?抓料機小臂及抓爪設計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抓料機小臂及抓爪設計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 點且與小臂下底板垂直的截面所受到的應力最大，是危險截面，故首先要對該截面進行計算，然后以此為基礎再求解其它尺寸。4.2.5 小臂寬度、鋼板厚度、許用應力的選取由經(jīng)驗統(tǒng)計和其它同斗容機型的測繪，取小臂寬度 210am?抓料機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?抓料機小臂及抓爪設計26如圖 4.13 小臂截面在抓料機選用的結(jié)構鋼材一般選 16Mn，其有足夠的屈服極限和良好的機械性能，其屈服極限 ，在小臂中安全系數(shù) ，則小臂的許用應力為：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