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抓料機(jī)小臂及抓爪設(shè)計(jì)
摘要
所謂抓料機(jī)機(jī)械臂，就是將機(jī)械臂安裝在一個(gè)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(guò)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(dòng)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(lái)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(jì)主要是關(guān)于抓料機(jī)小臂及抓斗的設(shè)計(jì)，小臂及抓斗是直接完成抓取物料任務(wù)的裝置，對(duì)其進(jìn)行全面的通用性設(shè)計(jì)研究對(duì)推動(dòng)國(guó)內(nèi)抓料機(jī)發(fā)展具有十分重要的意義。
本設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)外抓料機(jī)小臂及抓斗設(shè)計(jì)的資料，對(duì)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(jì)要求。分別對(duì)小臂、抓斗及鏈接機(jī)構(gòu)進(jìn)行了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)，這其中就包括了各部分尺寸的計(jì)算及與選型。最后對(duì)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(jì)
Abstract
The 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
目 錄
摘要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1 設(shè)計(jì)選題的意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外液壓抓料機(jī)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究現(xiàn)狀 1
1.2.1 國(guó)外液壓抓料機(jī)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究現(xiàn)狀 1
1.2.2 國(guó)內(nèi)液壓抓料機(jī)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究現(xiàn)狀 2
1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及目標(biāo) 3
1.3.1 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 3
1.3.2 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題 3
1.3.3 設(shè)計(jì)過(guò)程中的已知參數(shù) 3
第二章 總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1 機(jī)型選擇及特點(diǎn)分析 4
2.1.1 所用機(jī)型的適用范圍 4
2.2 小臂及抓斗構(gòu)成 4
2.3 各組成結(jié)構(gòu)形式的初選 6
2.3.1 小臂結(jié)構(gòu)形式的初選 6
2.3.2 抓斗結(jié)構(gòu)形式的初選 6
2.3.3 小臂及抓料部分鏈接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的初選 7
2.4 原始幾何參數(shù)的確定 8
第三章 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 10
3.1 小臂的運(yùn)動(dòng)分析 10
3. 2 連接機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 10
3. 3 抓爪的運(yùn)動(dòng)分析 12
第四章 參數(shù)的計(jì)算及校核 14
4.1 小臂基本參數(shù)的確定 14
4.1.1 小臂參數(shù)的計(jì)算及選擇應(yīng)考慮的因素 14
4.1.2 小臂液壓缸的最大作用力臂及的計(jì)算 14
4.1.3 小臂其它相關(guān)尺的計(jì)算 15
4.2 小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核 15
4.2.1 小臂的受力分析 15
4.2.2 小臂受最大彎矩工況位置的受力分析 16
4.2.4 小臂內(nèi)力圖的繪制 23
4.2.5 小臂寬度、鋼板厚度、許用應(yīng)力的選取 24
4.2.6 小臂危險(xiǎn)截面處高度h的計(jì)算 25
4.3抓斗基本參數(shù)的確定 26
4.3.1 抓斗主要參數(shù)的計(jì)算 26
4.3.2 爪形尺寸的計(jì)算 27
4.3.3轉(zhuǎn)角范圍確定 27
4.4 小臂與抓斗部分鏈接機(jī)構(gòu)參數(shù)確定 28
4.5抓斗旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)確定 29
4.5.1旋轉(zhuǎn)器總成的選用 29
4.5.2抓斗上下盤尺寸確定 29
4.6抓斗翻轉(zhuǎn)油缸參數(shù)確定 30
4.6.1油缸缸工作壓力計(jì)算 30
4.6.2 液壓缸主要參數(shù)的確定 31
4.6.3 液壓缸強(qiáng)度的較核 32
4.7銷軸與襯套的設(shè)計(jì) 32
4.7.1銷軸的設(shè)計(jì) 32
4.7.2 襯套的設(shè)計(jì) 33
總結(jié) 34
參考文獻(xiàn) 35
致謝 36
附錄： 37
42
第一章 緒論
1.1 設(shè)計(jì)選題的意義
我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，在遼闊的國(guó)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(jiàn)，隨著國(guó)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(zhǎng)。今后幾年我國(guó)液壓抓料機(jī)行業(yè)將會(huì)有一個(gè)很大的發(fā)展，液壓抓料機(jī)的年產(chǎn)量將會(huì)以高于20％的速度增長(zhǎng)。
中國(guó)抓料機(jī)市場(chǎng)自1997年開(kāi)始已進(jìn)入了一個(gè)較快的發(fā)展時(shí)期， 2001年與2000年比較，全國(guó)抓料機(jī)的產(chǎn)、銷量分別增長(zhǎng)55％和56％。截止到2002年8月底全國(guó)抓料機(jī)的銷量已超過(guò)13000臺(tái)，超過(guò)了2001年全年的銷售數(shù)。2003年全國(guó)液壓抓料機(jī)的銷售量超過(guò)18000臺(tái)。顯然，抓料機(jī)在整個(gè)工程機(jī)械行業(yè)中是產(chǎn)、銷量增長(zhǎng)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(jì)，因?yàn)樽チ蠙C(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(jì)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(xiàng)目抓料機(jī)的機(jī)械臂（小臂）為研究對(duì)象。設(shè)計(jì)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(gè)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(guò)機(jī)械臂來(lái)實(shí)現(xiàn)一些動(dòng)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(dòng)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(lái)越廣泛，幾乎滲透到所有領(lǐng)域。
1.2 國(guó)內(nèi)外液壓抓料機(jī)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究現(xiàn)狀
抓料機(jī)在未來(lái)工業(yè)用途中，應(yīng)用將會(huì)越來(lái)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(shì)，通過(guò)對(duì)機(jī)械臂系統(tǒng)研制，積累了比較豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，相信經(jīng)過(guò)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(lái)的機(jī)械臂會(huì)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(guó)外液壓抓料機(jī)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究現(xiàn)狀
國(guó)外抓料機(jī)生產(chǎn)歷史較長(zhǎng)，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(guó)是世界上較早開(kāi)發(fā)研制抓料機(jī)的國(guó)家；美國(guó)是繼德國(guó)以后生產(chǎn)抓料機(jī)歷史最長(zhǎng)、數(shù)量最大、品種最多和技術(shù)水平處于領(lǐng)先地位的國(guó)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(lái)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(guò)大膽創(chuàng)新發(fā)展起來(lái)的；韓國(guó)是抓料機(jī)生產(chǎn)的后起之秀，20世紀(jì)70年代開(kāi)始引進(jìn)技術(shù)，由于產(chǎn)業(yè)政策進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)，并已擠入國(guó)際液壓抓料機(jī)的主要生產(chǎn)國(guó)之一。
當(dāng)前，國(guó)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(guó)內(nèi)液壓抓料機(jī)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究現(xiàn)狀
早在1958年國(guó)內(nèi)便開(kāi)始了抓料機(jī)的研制開(kāi)發(fā)工作，隨后開(kāi)發(fā)出一系列比較成熟的產(chǎn)品。當(dāng)時(shí)出于受配件如、液壓件及企業(yè)自身?xiàng)l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(guó)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(guó)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(shí)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(guó)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(yàn)，紛紛在工廠的技術(shù)改造、試驗(yàn)研究、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面下大功夫。有的新開(kāi)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(dòng)機(jī)，甚至于整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)都按照采用國(guó)外元件來(lái)設(shè)計(jì)，這種經(jīng)過(guò)改型或新設(shè)計(jì)開(kāi)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(guó)外的不少技術(shù)，在技術(shù)方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。
國(guó)內(nèi)抓料機(jī)行業(yè)近年來(lái)雖有很大發(fā)展，但與國(guó)外抓料機(jī)行業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在許多不足，其原因除了國(guó)內(nèi)抓料機(jī)加工水平落后之外，抓料機(jī)設(shè)計(jì)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比也有較大的差距，尤其是一些先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)的掌握和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)眾多的研究人員和單位對(duì)抓料機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行了不少研究，開(kāi)發(fā)了其設(shè)計(jì)軟件，他們的研究基本上局限于解決某些問(wèn)題，即工作裝置的幾何參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和力參數(shù)等的解決。關(guān)于工作裝置設(shè)計(jì)參數(shù)分析和在CAD上其自動(dòng)設(shè)計(jì)的綜合研究文獻(xiàn)還沒(méi)有。因此，開(kāi)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(wèn)題的解決，對(duì)工程機(jī)械這個(gè)行業(yè)不具有通用性。特別是國(guó)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(jì)。雖然部分軟件也有一定的分析計(jì)算能力，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到設(shè)計(jì)需要，對(duì)液壓抓料機(jī)進(jìn)行分析的大型通用軟件目前市場(chǎng)上還很少。經(jīng)過(guò)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(guò)程中。目前研究液壓抓料機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于，為了使抓料機(jī)設(shè)計(jì)人員從繁忙的計(jì)算中解脫出來(lái)，現(xiàn)有工作裝置機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，即大多數(shù)的液壓抓料機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)出一個(gè)專業(yè)的工作裝置設(shè)計(jì)工具和軟件顯得非常的重要。
1.3 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及目標(biāo)
1.3.1 設(shè)計(jì)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(jì)，具體包括以下幾個(gè)方面：
（1）計(jì)算小臂的強(qiáng)度、剛度；
（2）計(jì)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(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題
（1）關(guān)于抓料機(jī)總體設(shè)計(jì)，就是各種整體參數(shù)和局部參數(shù)的計(jì)算，這中間就 包括動(dòng)臂，小臂及挖斗的主要參數(shù)的計(jì)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(dòng)臂和小臂的選型。其次就是動(dòng)臂，小臂和挖斗的油缸的布置如何確定。第三就是各個(gè)鉸鏈點(diǎn)如何確定。
（3）作用力的計(jì)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(dòng)臂的校核尤為重要，還有小臂的強(qiáng)度校核。
1.3.3 設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)作業(yè)幅度： 2.5m
電動(dòng)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(hào)規(guī)格：
（1）液壓泵：PVC80RC06
（2）多路閥： KYB株式會(huì)社
（3）回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)：200-A-T8-6
（4）油缸
主臂油缸：Ф125/Ф80x752-1163
副臂油缸：Ф125/Ф80x1196-1700
抓斗翻轉(zhuǎn)油缸：Ф100/Ф55x996-1350
第二章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)型選擇及特點(diǎn)分析
本設(shè)計(jì)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(dòng)并以一個(gè)抓斗進(jìn)行抓取作業(yè)機(jī)械，它是機(jī)械傳動(dòng)單斗挖掘機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)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(lái)發(fā)展迅速，在中小型抓料機(jī)中，已取代了機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)，完成抓取、提升和卸土等動(dòng)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(duì)小臂及抓爪進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)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(jiǎn)圖2.2所示。進(jìn)一步簡(jiǎn)化圖如2.3所示。
圖2.2小臂及抓斗的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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
圖2.3 小臂及抓斗結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖
抓料機(jī)的小臂及抓斗經(jīng)上面的簡(jiǎn)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(zhǎng)度L5、抓爪油缸長(zhǎng)度L12、L12’、小臂油缸長(zhǎng)度L14，當(dāng)L5、L12、L12’、L14為某一確定的值時(shí)，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(jì)中由于不需要調(diào)節(jié)小臂的長(zhǎng)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(lái)就地裝卸大量散粒物料，用于河口、港口、車站、礦山、林場(chǎng)等處。
通過(guò)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(duì)可變?cè)剡M(jìn)行變換(即尋找作用效應(yīng))，建立理論上，中任意兩個(gè)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?cè)刂挥蠥、B兩個(gè)，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(jiàn)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。
方案評(píng)價(jià)過(guò)程是一個(gè)方案優(yōu)化的過(guò)程，希望所設(shè)計(jì)的方案能最好地體現(xiàn)設(shè)計(jì)務(wù)書(shū)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(píng)價(jià)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(dòng)力源采用液壓和氣壓的抓斗性能比較
液壓傳動(dòng)相比氣壓傳動(dòng)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，液壓傳動(dòng)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(rùn)滑，易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制。氣壓傳動(dòng)明顯的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)使用方便，成本低，工作壽命長(zhǎng)，工作介質(zhì)(壓縮空氣)的傳輸簡(jiǎn)單，且易獲得。 對(duì)于抓斗設(shè)計(jì)，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(guò)分析比較，權(quán)衡主次，選擇液壓傳動(dòng)作為控制動(dòng)力源較優(yōu)。
經(jīng)過(guò)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(jiǎn)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(gè)或二個(gè)以上液壓缸。
A2B3組合為液壓長(zhǎng)撐桿雙穎板或多穎板抓斗，只需一個(gè)液壓缸。
A3B3組合為液壓剪式抓斗，二個(gè)液壓缸。
通過(guò)以上的分析，經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)、篩選確定了這三種抓斗原理方案。對(duì)這三種方案，可以對(duì)照設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)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(jì)要求，其不足是結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜;A2B3無(wú)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(jì)方案。
2.3.3 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(dòng)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(dòng)作有更大的操作空間，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是通過(guò)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(dòng)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(guò)渡連接抓爪油缸的管路避免抓手旋轉(zhuǎn)時(shí)管路纏繞限制回轉(zhuǎn)角度。本設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)器總成直接從市場(chǎng)采購(gòu)不需單獨(dú)設(shè)計(jì)。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(zhǎng)度比K1
由于所設(shè)計(jì)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，K1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(shū)中已經(jīng)給出：q =2~5 m3
按經(jīng)驗(yàn)公式和比擬法初選：l3=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(yàn)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(yàn)公式初選各油缸全伸長(zhǎng)度與全縮長(zhǎng)度之比：λ1=λ2=λ3=1.6。參照任務(wù)書(shū)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。
第三章 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
3.1 小臂的運(yùn)動(dòng)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(xiàn)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(duì)于大臂的運(yùn)動(dòng)，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(jì)算簡(jiǎn)圖
在三角形DEF中
L22 = l82+ l92-2×COSθ2×l8×l9
θ2 = 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(shí)θ2 = COS-1（l9/l8），L2 = sqr（l82-l92）
3. 2 連接機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析
抓斗相對(duì)于XOY坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)是L1、L2、L3的函數(shù)，現(xiàn)討論抓斗相對(duì)于小臂的運(yùn)動(dòng)，如圖3-5所示，G點(diǎn)為抓斗油缸與小臂的鉸點(diǎn)，F(xiàn)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(dòng)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[（l152+l142-L32）/2×l15×l14]
α30 = ∠HGN = COS-1[（L32+ l152- l142）/2×L3×l14]
α32 = ∠GMN = π - ∠MNG - ∠MGN =π -α22-α30 (3-11)
在三角形HNQ中
l 272 = l142 + l212 + 2×COSα23×l14×l21
∠HNQ = COS-1[（l212+l142- l272）/2×l21×l14] (3-12)
在三角形QHK中
α27 = ∠QHK= COS-1[（l292+l272-L242）/2×l29×l27] (3-13)
在四邊形KHQN中
∠NHK=∠NHQ+∠QHK (3-14)
抓斗油缸對(duì)N點(diǎn)的作用力臂r1
r1 = l13×Sinα32 (3-15)
連桿HK對(duì)N點(diǎn)的作用力臂r2
r2 = l13×Sin ∠NHK (3-16)
而由r3 = l24，r4 = l3 有[3]
連桿機(jī)構(gòu)的總傳動(dòng)比
i = （r1×r3）/（r2×r4） (3-17)
顯然3-17式中可知，i是抓斗油缸長(zhǎng)度L3的函數(shù)，用L3min代入可得初傳動(dòng)比i0，L3max代入可得終傳動(dòng)比iz。
（2） 抓斗相對(duì)于小臂的擺角φ3
抓斗的瞬時(shí)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[（l212+l22- l162）/2×l21×l2] (3-19)
α10暫時(shí)未定，其在后面的設(shè)計(jì)中可以得到。
當(dāng)抓斗油缸長(zhǎng)度L3分別取L3max和L3min時(shí)，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:φ3 = θ3-θ3min (3-20)
抓斗的擺角范圍: φ3 = θ3max-θ3min (3-21)
圖3-3 抓斗連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比計(jì)算簡(jiǎn)圖
3. 3 抓爪的運(yùn)動(dòng)分析
見(jiàn)圖3-4所示，抓爪V點(diǎn)的坐標(biāo)值XV和YV，是L1 、L2、L3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(jì)確定，在∠DCF確定后則有：
l82 = l62 + l12 - 2×COS∠DCF×l1×l6 (3-23)
l62 = l82 + l12 - 2×COSα3×l1×l8
α3 = COS-1（l82+l12–l62）/2×l1×l8 (3-24)
在三角形DEF中
L22 = l82 + l92 - 2×COSθ2×l8×l9
圖3-4 抓爪坐標(biāo)方程推導(dǎo)簡(jiǎn)圖
則可以得小臂瞬間轉(zhuǎn)角θ2
θ2 = COS-1[（l82+l92- L22）/2×l8×l9] (3-25)
α4、α6在設(shè)計(jì)中確定。
由三角形CFN知：
l28 = Sqr（l162 + l12 - 2×COSα32×l16×l1） (3-26)
由三角形CFQ知：
l23 = Sqr（l22 + 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[（l232+l32- l12）/2×l23×l3] (3-29)
在三角形NHQ中：
l132 = l272 + l212 - 2×COSα24×l27×l21
α24 =∠NQH=COS-1[l272+l212 -l132）/2×l27×l21] (3-30)
在三角形HKQ中：
l292 = l272 + l242 - 2×COSα26×l27×l24
α26 =∠HQK=COS-1[l272+l242–l292）/2×l27×l24] (3-31)
在四邊形HNQK：
∠NQH =α24 +α26 (3-32)
α20 = ∠KQV，其在后面的設(shè)計(jì)中確定。
在列出以上的各線段的長(zhǎng)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(jì)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(jì)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(lái)說(shuō)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(shí)的作用力矩應(yīng)足以支撐滿載斗和小臂靜止不動(dòng)；液壓缸作用力臂最大時(shí)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(duì)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(shí)必須注意轉(zhuǎn)斗抓取時(shí)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(duì)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(shuō)小臂愈長(zhǎng)，其擺角也可稍小。當(dāng)小臂液壓缸和轉(zhuǎn)斗液壓缸同時(shí)伸出最長(zhǎng)時(shí)，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(jì)算
根據(jù)小臂抓取阻力計(jì)算，并參考國(guó)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(gè)小臂為研究對(duì)象，可得小臂油缸最大作用力臂的表達(dá)式為：
=
=643 mm
圖4.1 小臂機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)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弦函數(shù)，則存在以下式子。
可見(jiàn)已定時(shí)愈大，和就愈小，即平均抓取力就越小。要得到較大的的平均抓取力，就要盡量減少，初取=
由圖4.1的幾何關(guān)系有：
=
=1712.92 mm
而 =1.61712.92=2740.67 mm
同樣由圖4.1所示可知，由余弦定律知：
=
=2311 mm
4.1.3 小臂其它相關(guān)尺的計(jì)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——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)因素分析，可初選=。
4.2 小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)計(jì)算。根據(jù)分析和以往的實(shí)驗(yàn)表明，在抓斗進(jìn)行抓取時(shí)，產(chǎn)生小臂最大彎矩的工況為抓取最大重物WK同時(shí)重物離小臂與大臂的鉸接點(diǎn)最遠(yuǎn)時(shí)（此時(shí)重物最重，力臂最長(zhǎng)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。
圖4.2 小臂最大彎矩工況時(shí)的小臂及抓斗簡(jiǎn)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(jiǎn)圖如圖4.2所示，取小臂及抓斗為研究對(duì)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，包括切向阻力，法向阻力，側(cè)向阻力。
HK-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(shí)，由圖4.3可知以下的角度關(guān)系。
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可以表示為：
向量
=
圖4.3 F點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算簡(jiǎn)圖
由前面的計(jì)算結(jié)果可知，，
在中=
通過(guò)上式可解得=
同樣在前面我已經(jīng)確定了 在四邊形CDEF中
=
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：
則取正值就是
向量 FV=
=3580.86
連桿機(jī)構(gòu)的總傳動(dòng)比為r，抓斗油缸對(duì)N點(diǎn)的作用力臂為； 連桿HK對(duì)N點(diǎn)的作用力臂為； 連桿對(duì)Q點(diǎn)的作用力臂為； 抓斗對(duì)Q點(diǎn)的作用力臂；
則可得此時(shí)抓斗的理論抓取力：
切向阻力：
抓斗的重心到Q點(diǎn)的水平距離為
=
取抓斗為研究對(duì)象，如圖4.3所示，并對(duì)Q點(diǎn)取矩，則有：
代入數(shù)值可得：
法向阻力的求解：
小臂及抓斗所受重力對(duì)C點(diǎn)的力矩有：
把，，的值代入上式得：
到C點(diǎn)的距離為：
=
=2808.89 mm
到C點(diǎn)的距離為：
法向阻力決定于大臂油缸閉鎖力，
取整個(gè)小臂及抓斗為研究對(duì)象，則有：
即
把以上求得的數(shù)值全部該式可求得：
N
小臂油缸作用力的求解：
向量FQ在X軸上的模量：
=
=
如圖4.2所示，取小臂（帶斗和連桿機(jī)構(gòu)）為研究對(duì)象，則有：
將已知量代入數(shù)值可得：
解得： =2.3N
而些時(shí)的小臂閉鎖力為：
，略大于說(shuō)明閉鎖力中夠
橫向抓取力的求解：
橫向抓取力由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)器所承受，即的最大值決定于回轉(zhuǎn)平臺(tái)的制動(dòng)力矩，故先要計(jì)算出制動(dòng)力矩。
地面附著力矩：
=
=
在所設(shè)計(jì)的液壓抓料機(jī)中采用的是液壓制動(dòng)，由經(jīng)驗(yàn)公式求得回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的最制動(dòng)力矩：
Q點(diǎn)作用力與作用力矩，，，的求解：
取連桿機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，如圖4.5所示，則有：
NH-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(jì)算簡(jiǎn)圖
即
即
其中
將這些數(shù)值代入到上式中就可以得到：
解上兩式得：
如圖4.4所示，取整個(gè)抓斗為研究對(duì)象，以V點(diǎn)為新坐標(biāo)的原點(diǎn)，VQ為軸，過(guò)V點(diǎn)與VQ垂直的直線為，建立坐標(biāo)，則有：
即
代入數(shù)值得：
解得：
即
代入數(shù)值得：
解得：
即
代入數(shù)值得：
解得：
即
代入數(shù)值得：
解得：
N點(diǎn)的作用力與力矩，及的求解：
取曲柄和連桿為研究對(duì)象，如圖4.6所示：則有：
NH-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(méi)HK方向的作用力
圖4.6 曲柄和連桿的受力圖
即
代入數(shù)值得：
如圖可知：
同樣根據(jù)圖可知：
代入數(shù)值得：
F點(diǎn)作用力與作用力矩的求解：
以小臂為研究對(duì)家，進(jìn)行受力分析計(jì)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：
即
即
另外
代入數(shù)值得：
同樣由圖可知：
=
=
=
=
則總力矩M：
=
=
4.2.4 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(duì)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）
圖4.9 最大彎矩工況下小臂圖
最大彎矩工況下小臂的圖，如圖4.10（單位：）
圖4.10 最大彎矩工況下小臂的
由前面的受力分析知，在通過(guò)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(xiǎn)截面，故首先要對(duì)該截面進(jìn)行計(jì)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(yàn)統(tǒng)計(jì)和其它同斗容機(jī)型的測(cè)繪，取小臂寬度
抓料機(jī)所用的鋼板的厚度在我國(guó)一般為8——15 mm，初選底板厚度
側(cè)板厚度 如圖4.13所示
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：
4.2.6 小臂危險(xiǎn)截面處高度h的計(jì)算
危險(xiǎn)截面的有效面積為：
=
= （4.1）
該截面對(duì)Z軸的慣性矩
（4.2）
=
該截面對(duì)Y軸的慣性矩：.
（4.3）
=
橫截面的總面積：
（4.4）
該橫截面受到的最大正應(yīng)力：
（4.5）
該截面受到最大的彎曲正應(yīng)力，。
（4.6）
（4.7）
則截面所受到軸向拉應(yīng)力與彎曲應(yīng)力合成后有：
（4.8）
由于剪應(yīng)力的大小相對(duì)于彎矩所產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力要上得多，為簡(jiǎn)化計(jì)算，在計(jì)算中簡(jiǎn)應(yīng)力忽略不計(jì)，僅在校核中用，則有：
（4.9）
由式4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9可解得：
有了危險(xiǎn)截面的結(jié)構(gòu)尺寸，再結(jié)合前面的基本心尺寸，就可以利用軟件小臂繪制出。這樣小臂的所有尺寸就已經(jīng)基本確定。
4.3抓斗基本參數(shù)的確定
4.3.1 抓斗主要參數(shù)的計(jì)算
抓斗的主要參數(shù)包括抓斗的寬度b，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑（抓爪開(kāi)閉時(shí)繞抓爪銷轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑）。這兩個(gè)參數(shù)都可以用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：
抓斗寬度的計(jì)算：
抓斗轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的計(jì)算：
4.3.2 爪形尺寸的計(jì)算
根據(jù)抓斗主要參數(shù)可進(jìn)一步設(shè)計(jì)計(jì)算爪形其它的結(jié)構(gòu)尺寸，如圖5.3所示
圖5.3抓斗爪形計(jì)算尺寸
圖中三角形OGE為等腰三角形，OA段直線，AB弧為拋物線，A點(diǎn)到直線EB的距離為H，拋物線定點(diǎn)高度為L(zhǎng)，一般取H=L，根據(jù)一般的取值范圍，斗尖角=
斗側(cè)臂角，包角。
計(jì)算的抓料機(jī)抓斗的各種參數(shù)。
4.3.3轉(zhuǎn)角范圍確定
由最大抓取高度和最大卸載高度的分析，可以得到初始轉(zhuǎn)角
代入數(shù)值得：
解得：
最大轉(zhuǎn)角，其不易太大，太大會(huì)使斗齒平均抓取力降低，初選=
4.4 小臂與抓斗部分鏈接機(jī)構(gòu)參數(shù)確定
圖4.4 抓斗連接機(jī)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖
-搖臂的長(zhǎng)度，-連桿的長(zhǎng)度；-抓斗的長(zhǎng)度；-小臂的長(zhǎng)度；F-小臂的下鉸點(diǎn)；G-抓斗油缸的下鉸點(diǎn)；N-搖臂與小臂的鉸接點(diǎn)；K-抓斗的上鉸點(diǎn)；Q-抓斗的下鉸點(diǎn)。
其中由設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知：
則有：
和的確定
抓斗的最大抓取力阻力應(yīng)該等于小臂的最大抓取力，即
粗略的計(jì)算小臂抓取平均阻力
抓取阻力所做的功：
= （5.1）
由圖5.4可知，抓斗油缸推力所做的功：
= （5.2）
由功能守恒知抓斗油缸推力所做的功應(yīng)該等于抓斗抓取阻力所做的功；
（5.3）
將式5.1和式5.2代入5.3中計(jì)算可得：
則：
剩余未選定的基本尺寸大部分為連桿機(jī)構(gòu)尺寸，其應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件：
在三角形GFN中利用余弦定律：
代入數(shù)值得：
4.5抓斗旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)確定
第二章以進(jìn)行過(guò)說(shuō)明，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是通過(guò)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。本設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)器總成直接從市場(chǎng)采購(gòu)不需單獨(dú)設(shè)計(jì)。下面主要對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中抓斗上下盤的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明。
4.5.1旋轉(zhuǎn)器總成的選用
旋轉(zhuǎn)器總成直接從市場(chǎng)采購(gòu)不需單獨(dú)設(shè)計(jì)，型號(hào)為SE25-50。
4.5.2抓斗上下盤尺寸確定
根據(jù)前述關(guān)于小臂與抓斗鏈接機(jī)構(gòu)、抓斗相關(guān)尺寸的計(jì)算配比得出抓斗上下盤尺寸確定如下：
圖4.5 抓斗上下盤計(jì)算簡(jiǎn)圖
4.6抓斗翻轉(zhuǎn)油缸參數(shù)確定
4.6.1油缸缸工作壓力計(jì)算
手爪要能抓起工件必須滿足：
（4-6）
式中，-----為所需夾持力；
-----安全系數(shù)，通常取1.2~2；
-----為動(dòng)載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過(guò)程的加速度，，為重力加速度；
-----方位系數(shù)，查表選?。?
-----被抓持工件的重量 3000；
帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： ；
理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算： （4-7）
式中，----為柱塞缸所需理論驅(qū)動(dòng)力；
----為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離；
-----為扇形齒輪分度圓半徑；
-----為手指夾緊力；
---齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，此處選為0.92；
其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得
計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為：
（4-8）
式中，-----為計(jì)算驅(qū)動(dòng)力；
---安全系數(shù)，此處選1.2；
---工作條件系數(shù)，此處選1.1；
其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：
而液壓缸的工作驅(qū)動(dòng)力是由缸內(nèi)油壓提供的，故有
（4-9）
式中，---為柱塞缸工作油壓；
----為柱塞截面積；
經(jīng)計(jì)算，所需的油壓約為：
4.6.2 液壓缸主要參數(shù)的確定
針對(duì)本設(shè)計(jì)是一個(gè)機(jī)械手的特點(diǎn)考慮，機(jī)械手系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。因此，先從剛度角度進(jìn)行液壓缸缸徑的選擇，以盡量?jī)?yōu)先保證機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、安全性。至于液壓缸的工作壓力和缸的工作速度，放在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，通過(guò)外部的液壓回路、采用合適的調(diào)速回路和元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定液壓缸的基本參數(shù)如下；
表3-2 抓斗油缸缸參數(shù)
缸內(nèi)徑
壁厚
直徑
行程
工作壓力
100
10
55
354（996～1350）
15~25
4.6.3 液壓缸強(qiáng)度的較核
（1）缸筒壁厚的較核
當(dāng) D/時(shí)，液壓缸壁厚的較核公式如下：
（4-10）
式中，----為缸筒內(nèi)徑；
----為缸筒試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力時(shí)，取為；
----為缸筒材料的許用應(yīng)力，，為材料抗拉強(qiáng)度，經(jīng)查相關(guān)資料取為650，為安全系數(shù)，此處??；
帶入數(shù)據(jù)計(jì)算，上式成立。因此液壓缸壁厚強(qiáng)度滿足要求。
（2）活塞桿直徑的較核
活塞桿直徑的較核公式為
（4-11）
式中， -----為活塞桿上作用力；
-----為活塞桿材料的許用應(yīng)力，此處；
帶入數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算較核得上式成立，因此活塞桿的強(qiáng)度能滿足工作要求。
4.7銷軸與襯套的設(shè)計(jì)
4.7.1銷軸的設(shè)計(jì)
由于銷軸與襯套的配合間隙較小，故以剪應(yīng)力強(qiáng)度作為銷軸的基本尺寸的設(shè)計(jì)，抗壓強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度用于校核用。
由于
則 （4.1）
在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)以所有工況中銷軸所受到的剪應(yīng)力最大值對(duì)銷軸進(jìn)行設(shè)計(jì)。
在本設(shè)計(jì)中，銷軸所選用的材料為40CrMnMo，其耐磨，在熱處理后有著良好的綜合機(jī)械性能。銷軸設(shè)計(jì)成一端帶軸肩，另一端設(shè)計(jì)成成帶有內(nèi)螺紋盲孔，與六角法蘭式螺栓連接，由于銷軸在重載的較惡劣工況中工作，故選擇=160MPa。代入到式6.1中得：
小臂各銷軸的尺寸：
抓斗各銷軸的尺寸：
六角法蘭式螺栓選用由銷軸的直徑進(jìn)行選擇。銷軸的設(shè)計(jì)如圖6.1所示：
圖4.10 銷軸
4.7.2 襯套的設(shè)計(jì)
為使襯套耐磨，減震與潤(rùn)滑性能好，選擇襯套的材料為銅基合金。襯套的厚度為5mm
與銷軸和圓筒分別采用間隙和過(guò)盈配合。則各銷軸