毕业论文-抓料机小臂及抓爪设计-文档精品

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 摘要 所谓抓料机机械臂，就是将机械臂安装在一个固定立柱上，立柱及驾驶室部分可以 360 旋转，机械臂可以随着立柱旋，通过机械臂末端的抓斗进行抓料作业。这种结构使 机械臂拥有更大的操作性和动作空间，使它具有更广阔的应用前景。目前抓料机正向着 人性化、小型化、多样化方向发展，其应用也越来越广泛，几乎渗透到所有领域。 抓料机主要由小臂、旋转机构、液压装置、抓斗等部分组成。本次设计主要是关于 抓料机小臂及抓斗的设计，小臂及抓斗是直接完成抓取物料任务的装置，对其进行全面 的通用性设计研究对推动国内抓料机发展具有十分重要的意义。 本设计本文介绍抓料机的小臂和抓抖部分研究意义、现状及发展。全面收集了国内 外抓料机小臂及抓斗设计的资料，对抓料机的各种工况进行了分析，总结了抓料机小臂 及抓斗的设计要求。分别对小臂、抓斗及链接机构进行了较为详细的设计，这其中就包 括了各部分尺寸的计算及与选型。最后对小臂在一些特殊工况下进行了校核。 关键字关键字：抓料机 小臂 抓斗 设计 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 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 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 目 录 摘要 . I Abstract II 第一章 绪论 1 1.1 设计选题的意义 . 1 1.2 国内外液压抓料机的发展动态和研究现状 . 1 1.2.1 国外液压抓料机的发展动态和研究现状 1 1.2.2 国内液压抓料机的发展动态和研究现状 2 1.3 本设计的主要内容及目标 . 3 1.3.1 设计的主要内容 3 1.3.2 设计的关键问题 3 1.3.3 设计过程中的已知参数 3 第二章 总体方案设计 4 2.1 机型选择及特点分析 . 4 2.1.1 所用机型的适用范围 4 2.2 小臂及抓斗构成 . 4 2.3 各组成结构形式的初选 . 6 2.3.1 小臂结构形式的初选 6 2.3.2 抓斗结构形式的初选 6 2.3.3 小臂及抓料部分链接机构结构形式的初选 7 2.4 原始几何参数的确定 . 8 第三章 运动学分析 10 3.1 小臂的运动分析 . 10 3. 2 连接机构的运动分析 10 3. 3 抓爪的运动分析 12 第四章 参数的计算及校核 14 4.1 小臂基本参数的确定 . 14 4.1.1 小臂参数的计算及选择应考虑的因素 14 4.1.2 小臂液压缸的最大作用力臂 9 l 及 8 l 的计算 14 4.1.3 小臂其它相关尺的计算 15 4.2 小臂的结构设计和强度校核 . 15 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.2.1 小臂的受力分析 15 4.2.2 小臂受最大弯矩工况位置的受力分析 16 4.2.4 小臂内力图的绘制 23 4.2.5 小臂宽度、钢板厚度、许用应力的选取 24 4.2.6 小臂危险截面处高度 h 的计算 25 4.3 抓斗基本参数的确定 26 4.3.1 抓斗主要参数的计算 26 4.3.2 爪形尺寸的计算 27 4.3.3 转角范围确定 . 27 4.4 小臂与抓斗部分链接机构参数确定 . 28 4.5 抓斗旋转机构参数确定 29 4.5.1 旋转器总成的选用 . 29 4.5.2 抓斗上下盘尺寸确定 . 29 4.6 抓斗翻转油缸参数确定 30 4.6.1 油缸缸工作压力计算 . 30 4.6.2 液压缸主要参数的确定 31 4.6.3 液压缸强度的较核 32 4.7 销轴与衬套的设计 32 4.7.1 销轴的设计 . 32 4.7.2 衬套的设计 33 总结 34 参考文献 35 致谢 36 附录： 37 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第一章 绪论 1.1 设计选题的意义 我国是一个发展中国家，在辽阔的国土上正在进行大规模的经济建设，这就需要大 量的土石方施工机械为其服务，而液压抓料机是最重要的一类土石方施工机械。因此， 可以肯定液压抓料机的发展空间很大。可以预见，随着国家经济建设的不断发展，液压 抓料机的需求量将逐年大幅度增长。今后几年我国液压抓料机行业将会有一个很大的发 展，液压抓料机的年产量将会以高于 20的速度增长。 中国抓料机市场自 1997 年开始已进入了一个较快的发展时期， 2001 年与 2000 年 比较，全国抓料机的产、销量分别增长 55和 56。截止到 2002 年 8 月底全国抓料机 的销量已超过 13000 台，超过了 2001 年全年的销售数。2003 年全国液压抓料机的销售 量超过 18000 台。 显然， 抓料机在整个工程机械行业中是产、 销量增长最快的机种之一。 而在抓料机中最为重要的就是关于工作装置设计，因为抓料机的工作装置能够最为 明显的体现机器的工作能力和工作寿命，所以设计工作可靠，性能好，成本低，效率高， 维护使用方便的工作装置就显得格外重要。 本文以实际项目抓料机的机械臂（小臂）为研究对象。设计抓料机的小臂的结构。 所谓抓料机机械臂， 就是将机械臂安装在一个固定立柱上， 立柱及驾驶室部分可以 360 旋转，机械臂可以随着立柱旋，通过机械臂来实现一些动作如抓取，可以在机械臂的末 端的抓抖进行抓料作业。这种结构使机械臂拥有更大的操作性和动作空间，使它具有更 广阔的应用前景。目前抓料机正向着人性化、小型化、多样化方向发展，其应用也越来 越广泛，几乎渗透到所有领域。 1.2 国内外液压抓料机的发展动态和研究现状 抓料机在未来工业用途中，应用将会越来越广。不止是工业，其他的一些领域的应 用将是发展的必然趋势，通过对机械臂系统研制，积累了比较丰富的设计经验，相信经 过不断的发展和改进，抓料机将走向成熟和使用化。未来的机械臂会有更优的性能质量 比；更强的环境适应能力；更高的智能性。 1.2.1 国外液压抓料机的发展动态和研究现状 国外抓料机生产历史较长，液压技术的不断成熟使抓料机得到全面的发展。德国是 世界上较早开发研制抓料机的国家； 美国是继德国以后生产抓料机历史最长、 数量最大、 品种最多和技术水平处于领先地位的国家；日本抓料机制造业是在二次大战后发展上起 来的，其主要特点是在引进、消化先进技术的基础上，通过大胆创新发展起来的；韩国 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 是抓料机生产的后起之秀， 20 世纪 70 年代开始引进技术， 由于产业政策进入国际市场， 并已挤入国际液压抓料机的主要生产国之一。 当前，国际上抓料机的生产正向大型化、微型化、多能化和专用化的方面发展。 1.2.2 国内液压抓料机的发展动态和研究现状 早在1958年国内便开始了抓料机的研制开发工作，随后开发出一系列比较成 熟的产品。当时出于受配件如、液压件及企业自身条件的影响，其质量和产量远未达到 应有的水平，与国外同类产品相比也存在较大差距。 到了80年代末和90年代初，世界各工业发达国家液压抓料机技术水平得到了迅速的 提高，突出表现在追求高效率(同一机重的抓料机功率普遍提高，液压系统流量增大作 业循环时间减小，作业效率大大提高)；高可靠性和追求司机操作的舒适性。 国内原有的数家抓料机专业生产厂为了生存和发展，利用自身的实力和丰富的抓料 机生产经验，纷纷在工厂的技术改造、试验研究、新产品开发方面下大功夫。有的新开 发的产品(也包括某些已生产多年的老产品)为了提高作业的可靠性，干脆采用了进口的 液压件和发动机，甚至于整个传动系统都按照采用国外元件来设计，这种经过改型或新 设计开发的抓料机其工作可靠性和作业效率得到很大的提高。这样，引进和消化国外的 不少技术，在技术方面都有了长足的进步。 国内抓料机行业近年来虽有很大发展，但与国外抓料机行业发达国家相比仍存在许 多不足，其原因除了国内抓料机加工水平落后之外，抓料机设计水平与发达国家相比也 有较大的差距，尤其是一些先进设计技术的掌握和应用。国内众多的研究人员和单位对 抓料机工作装置设计进行了不少研究，开发了其设计软件，他们的研究基本上局限于解 决某些问题，即工作装置的几何参数、运动参数和力参数等的解决。关于工作装置设计 参数分析和在CAD上其自动设计的综合研究文献还没有。因此，开发出的软件缺少通用 性，不能使用于抓料机工作装置的一些通用问题的解决，对工程机械这个行业不具有通 用性。特别是国内，CAD在许多企业还停留在辅助制图的程度上，当然也有部分企业用 CAD进行空间布置设计。虽然部分软件也有一定的分析计算能力，但是远远不能达到设 计需要， 对液压抓料机进行分析的大型通用软件目前市场上还很少。 经过近十年的研究， 获得了一些成果，但是研究还不够深入，有些研究结果已进入实际应用过程中。目前研 究液压抓料机工作装置设计的重点在于，为了使抓料机设计人员从繁忙的计算中解脱出 来，现有工作装置机构的计算机辅助计算和优化设计，即大多数的液压抓料机工作装置 设计研究在现有机构的基础上局限进行的，在这种情况下开发出一个专业的工作装置设 计工具和软件显得非常的重要。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 1.3 本设计的主要内容及目标 1.3.1 设计的主要内容 本课题主要研究抓料机的机械臂小臂及抓抖的设计，具体包括以下几个方面： （1）计算小臂的强度、刚度； （2）计算液压支点； （3）小臂及抓料部分的链接机构； （4）抓抖的旋转机构。 1.3.2 设计的关键问题 （1）关于抓料机总体设计，就是各种整体参数和局部参数的计算，这中间就 包 括动臂，小臂及挖斗的主要参数的计算。 （2）液压抓料机工作装置各主要机构结构方案的确定，这包括几方面的内容，首 先就是关于动臂和小臂的选型。其次就是动臂，小臂和挖斗的油缸的布置如何确定。第 三就是各个铰链点如何确定。 （3）作用力的计算，这其中包括油缸的作用力，还有各种挖掘力。 （4）各种强度的校核。其中动臂的校核尤为重要，还有小臂的强度校核。 1.3.3 设计过程中的已知参数 最大额定起重量： 3t 最大起重力矩： 110KN.m 最大起重量时作业幅度： 2.5m 电动机功率： 75Kw 最大回转速度： 3.0r/min 可配抓斗容积（视物料而定） ： 25m 主要液压件的型号规格： （1）液压泵：PVC80RC06 （2）多路阀： KYB 株式会社 （3）回转驱动：200-A-T8-6 （4）油缸 主臂油缸： 125/ 80x752-1163 副臂油缸： 125/ 80x1196-1700 抓斗翻转油缸： 100/ 55x996-1350 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第二章 总体方案设计 2.1 机型选择及特点分析 本设计中，我选的是TZ06-DGZ70机固定式抓料机，是一种采用液压传动并以一个 抓斗进行抓取作业机械，它是机械传动单斗挖掘机的基础上发展而来的，是目前抓料机 中重要的品种。 2.1.1 所用机型的适用范围 在建筑工程， 交通工程， 露天工程， 水利施工及现代军事工程中都广泛采用， 是各种土石方施工中重要的机械设备。由抓料机在构造和性能上有较多的优越性，因此 近年来发展迅速，在中小型抓料机中，已取代了机械传动抓料机，成为工程机械的主要 机种。 2.2 小臂及抓斗构成 铰接式反铲是单斗液压抓料机最常用的结构型式，大臂、小臂和抓斗等主要部件彼 此铰接，在液压缸的作用下各部件绕铰点摆动，完成抓取、提升和卸土等动作，图2.1 为抓料机最常用的小臂及抓斗构成 1小臂；2-抓斗翻转油缸；3-连杆；4-摇杆；5-抓斗上盘连接板；6-回转机构； 7-抓斗下盘连接板；8-抓爪油缸；9-抓斗；10-小臂油缸；11-大臂； 图2.1 小臂及抓斗构成图 抓料机的小臂是变截面的箱梁结构，抓斗是由钢板与圆钢焊接而成。各油缸可看作 是只承受拉压载荷的杆。根据以上特征，不考虑抓爪的旋转可以对小臂及抓爪进行适当 简化处理。则可知液压抓料机的小臂与链接机构是由小臂，连杆、摇杆、抓斗上盘、抓 斗翻转油缸组成的具有一自由度的四杆机构，而抓爪前后爪均是由抓爪、抓爪油缸、抓 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 斗下盘组成的具有一自由度的摇杆机构，处理具体简图2.2所示。进一步简化图如2.3所 示。 图 2.2 小臂及抓斗的结构简图 1-小臂 2-抓斗翻转油缸 3-摇杆 4-连杆 5-连接盘 6-抓爪油缸 7-抓爪 8-小臂油缸 9-大臂 图 2.3 小臂及抓斗结构简化图 抓料机的小臂及抓斗经上面的简化后实质是一组平面连杆机构，自由度是 4，即抓 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 斗与抓爪的几何位置由抓斗翻转油缸油缸长度 L5、抓爪油缸长度 L12、L12、小臂油缸 长度 L14，当 L5、L12、L12、L14 为某一确定的值时，小臂、抓斗、抓爪的位置也就 能够确定。 2.3 各组成结构形式的初选 2.3.1 小臂结构形式的初选 小臂也有整体式和组合式两种，大多数抓料机采用整体式小臂。在本设计中由于不 需要调节小臂的长度，故也采用整体式直小臂。 2.3.2 抓斗结构形式的初选 抓斗是重型机械的一种取物装置，主要用来就地装卸大量散粒物料，用于河口、港 口、车站、矿山、林场等处。 通过查阅资料，收集到抓斗形态矩阵图如下： 运用各种创造技法，对可变元素进行变换(即寻找作用效应)，建立理论上，中任意 两个元素的组合就形成了某一种抓斗的工作原理方案。尽管可变元素只有 A、B 两个， 但理论上可以组合出 5 X 5=25 种理方案， 其中包括明显不能组合在一起的方案。 经分析 得出明显不能组合在一起的方案:A2B22、 A4B1、 A 4B 22、 A4B3、 A4B4、 A5B1、 A5B21、 A5B3、A5B4，把这些方案排除，剩 16 种方案，而常见的一些抓斗工作原理方案基本包 含在这 16 种内，A1B1 组合，就是耙集式抓斗的工作原理方案。除此之外，这 16 种方 案中包含一些创新型的抓斗。 方案评价过程是一个方案优化的过程，希望所设计的方案能最好地体现设计务书要 求，并将缺点消除在萌芽状态，为此，从矩阵表中抽象出抓斗的评价准则为: 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 A抓取力大，适应难抓物料 B可在空中任一位置启闭 C装卸效率高 D技术先进 E结构易实现 F经济性好，安全可靠 动力源采用液压和气压的抓斗性能比较 液压传动相比气压传动具有明显的优点，液压传动的抓斗功率密度大，结构紧凑， 重量轻，调速度性能好，运转平稳、可靠，能自行润滑，易实现复杂控制。气压传动明 显的优点是:结构简单，维护使用方便，成本低，工作寿命长，工作介质(压缩空气)的传 输简单，且易获得。 对于抓斗设计，要求抓取能力强，重量轻，结构紧凑，经济性好， 维护方便。通过分析比较，权衡主次，选择液压传动作为控制动力源较优。 经过筛选，剩三种方案，即 A1B3、A2B3、A3B3。将这三种方案大概构思，画出 其简图分别如图 A、图 B、图 C 所示。 A1B3 组合为液压双颖板或多颖板抓斗，需二个或二个以上液压缸。 A2B3 组合为液压长撑杆双颖板或多颖板抓斗，只需一个液压缸。 A3B3 组合为液压剪式抓斗，二个液压缸。 通过以上的分析，经过评价、筛选确定了这三种抓斗原理方案。对这三种方案，可 以对照设计任务书作进一步定性分析。 A1B3、A2B3、A3B3 性能比较： A1B3 能较好地满足设计要求，其不足是结构稍复杂;A2B3 无法防止散漏这至关重 要的性能要求; A3B3 液压缸行程大，这在技术上很难实现，故最后确定 A1B3 为最佳原 理设计方案。 2.3.3 小臂及抓料部分链接机构结构形式的初选 本方案中采用六连杆的布置方式，相比四连杆布置方式而言在相同的抓斗油缸行程 下能得到较大的抓斗转角，改善了机构的传动特性。该布置 1 杆与 2 杆的铰接位置虽然 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 使抓斗的转角减少但保证能得到足够的抓斗平均翻转力和抓取力。如图 2.5 所示。 1-抓斗 2-旋转器 3-抓斗上盘 4-连杆 5-摇杆 6-小臂 图 2-5 抓斗与小臂连接布置图 小臂以及抓抖的链接机构可以进行 360旋转，使得抓料动作有更大的操作空间， 旋转机构是通过中间的旋转器总成连接抓斗上下盘实现旋转，旋转器总成内包含有液压 马达、旋转轴承以及回转油阀。其中液压马达用于驱动回转，旋转轴承用于支撑抓斗及 抓取的货物，回转油阀用于过渡连接抓爪油缸的管路避免抓手旋转时管路缠绕限制回转 角度。本设计的旋转器总成直接从市场采购不需单独设计。如图 2.6 所示。 1-抓斗上盘 2-旋转器 3-抓斗下盘 图 2-6 抓斗与小臂连接的旋转机构 2.4 原始几何参数的确定 （1）大臂与小臂的长度比 K1 由于所设计的挖机适用性较强，一般不替换小臂及抓斗，故取中间比例方案，K1 取在 1.52.0 之间，初步选取 K1=1.8，即 l1/l2=1.8。 （2） 抓斗斗容与主参数的选择 斗容在任务书中已经给出：q =25 m 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 按经验公式和比拟法初选：l3=1600mm （3） 小臂及抓斗液压系统主参数的初步选择 各工作油缸的缸径选择要考虑到液压系统的工作压力和“三化“要求。初选大臂油 缸内径 D1=140mm，活塞杆的直径 d1=90mm。小臂油缸的内径 D2=140mm，活塞杆的直径 d2=90mm。抓斗油缸的内径 D3=110mm，活塞杆的直径 d3=80mm。又由经验公式和其它机型 的参考初选大臂油缸行程 L1=1000mm，小臂油缸行程 L2=1500mm，抓斗油缸行程 L3=1300mm。并按经验公式初选各油缸全伸长度与全缩长度之比：1=2=3=1.6。参照任 务书的要求选择小臂及抓斗液压系统的工作压力 P=31.4MPa，闭锁压力 Pg=34.3MPa。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第三章 运动学分析 3.1 小臂的运动分析 如下图 3-2 所示，D 点为小臂油缸与大臂的铰点点，F 点为大臂与小臂的铰点，E 点为小臂油缸与小臂的铰点。 小臂的位置参数是 L2， 这里只讨论小臂相对于大臂的运动， 即只考虑 L2的影响。 O-小臂油缸与大臂的铰点点 A-大臂与小臂的铰点 B-小臂油缸与小臂的铰点 -小臂摆角. 图 3-2 小臂机构摆角计算简图 在三角形 DEF 中 L22 = l82+ l92-2COS2 l8 l9 2 = COS-1（L22- l82-l92）/2 l8 l9 (3-8) 由上图的几何关系知 2max =2 max-2min (3-9) 则小臂的作用力臂 e2 =l9SinDEF (3-10) 显然小臂的最大作用力臂 e2max = l9，此时 2 = COS-1（l9/l8） ，L2 = sqr（l82-l92） 3. 2 连接机构的运动分析 抓斗相对于 XOY 坐标系的运动是 L1、L2、L3 的函数，现讨论抓斗相对于小臂的 运动，如图 3-5 所示，G 点为抓斗油缸与小臂的铰点，F 点为小臂与大臂的铰点 Q 点为 抓斗与小臂的铰点，v 点为抓斗的抓爪点，K 点为连杆与抓斗的饺点，N 点为曲柄与小 臂的铰点，M 点为抓斗油缸与曲柄的铰点，H 点为曲柄与连杆的铰点1。 （1） 抓斗连杆机构传动比 i 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 利用图 3-3，可以知道求得以下的参数： 在三角形 HGN 中 22 = HNG = COS-1（l152+l142-L32）/2 l15 l14 30 = HGN = COS-1（L32+ l152- l142）/2 L3 l14 32 = GMN = - MNG - MGN = -22-30 (3-11) 在三角形 HNQ 中 l 272 = l142 + l212 + 2COS23 l14 l21 HNQ = COS-1（l212+l142- l272）/2 l21 l14 (3-12) 在三角形 QHK 中 27 = QHK= COS-1（l292+l272-L242）/2 l29 l27 (3-13) 在四边形 KHQN 中 NHK=NHQ+QHK (3-14) 抓斗油缸对 N 点的作用力臂 r1 r1 = l13Sin32 (3-15) 连杆 HK 对 N 点的作用力臂 r2 r2 = l13 Sin NHK (3-16) 而由 r3 = l24，r4 = l3 有3 连杆机构的总传动比 i = （r1 r3）/（r2 r4） (3-17) 显然 3-17 式中可知，i 是抓斗油缸长度 L3的函数，用 L3min代入可得初传动比 i0， L3max代入可得终传动比 iz。 （2） 抓斗相对于小臂的摆角 3 抓斗的瞬时位置转角为 3 =7+24+26+10 (3-18) 其中，在三角形 NFQ 中 7 = NQF= COS-1（l212+l22- l162）/2 l21 l2 (3-19) 10暂时未定，其在后面的设计中可以得到。 当抓斗油缸长度 L3分别取 L3max和 L3min时， 可分别求得抓斗的最大和最小转角 3max 和 3min，于是得抓斗的瞬间转角:3 = 3-3min (3-20) 抓斗的摆角范围: 3 = 3max-3min (3-21) 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图 3-3 抓斗连杆机构传动比计算简图 3. 3 抓爪的运动分析 见图 3-4 所示，抓爪 V 点的坐标值 XV和 YV，是 L1 、L2、L3的函数只要推导出 XV和 YV的函数表达式，那么整机作业范围就可以确定，现推导如下: 由 F 点知： 32= CFQ= 3-4-6-2 (3-22) 在三角形 CDF 中：DCF 由后面的设计确定，在DCF 确定后则有： l82 = l62 + l12 - 2 COSDCF l1 l6 (3-23) l62 = l82 + l12 - 2COS3 l1 l8 3 = COS-1（l82+l12l62）/2 l1 l8 (3-24) 在三角形 DEF 中 L22 = l82 + l92 - 2COS2 l8 l9 图 3-4 抓爪坐标方程推导简图 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 则可以得小臂瞬间转角 2 2 = COS-1（l82+l92- L22）/2 l8 l9 (3-25) 4、6在设计中确定。 由三角形 CFN 知： l28 = Sqr（l162 + l12 - 2COS32 l16 l1） (3-26) 由三角形 CFQ 知： l23 = Sqr（l22 + l12 - 2COS32 l2 l1） (3-27) 由 Q 点知： 35= CQV= 233-24-10 (3-28) 在三角形 CFQ 中： l12 = l232 + l32 - 2COS33 l23 l3 33 = COS-1（l232+l32- l12）/2 l23 l3 (3-29) 在三角形 NHQ 中： l132 = l272 + l212 - 2COS24 l27 l21 24 =NQH=COS-1l272+l212 -l132）/2 l27 l21 (3-30) 在三角形 HKQ 中： l292 = l272 + l242 - 2 COS26 l27 l24 26 =HQK=COS-1l272+l242l292）/2 l27 l24 (3-31) 在四边形 HNQK： NQH =24 +26 (3-32) 20 = KQV，其在后面的设计中确定。 在列出以上的各线段的长度和角度之间的关系后，利用矢量坐标我们就可以得到各 坐标点的值。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第四章 参数的计算及校核 4.1 小臂基本参数的确定 4.1.1 小臂参数的计算及选择应考虑的因素 第一：保证小臂液压缸有足够的斗齿抓取力。一般来说希望液压缸在全行程中 产生的斗齿抓取力始终大于正常抓取阻力；液压缸全伸时的作用力矩应足以支撑满载斗 和小臂静止不动；液压缸作用力臂最大时产生的的最大斗齿抓取力大于要求克服的最大 抓取阻力。 第二：保证小臂液压缸有必要的闭锁能力。对于以转斗抓取力为主的中小型反 铲，选择小臂机构参数时必须注意转斗抓取时小臂液压缸的闭锁能力，要求在主要抓取 区内转斗液压缸的抓取力能得到充分的发挥。 第三：保证小臂的摆角范围。小臂的摆角范围大致在105125之间。大在 满足工作范围和运输要求的前提下此值应尽可能小些，对以小臂抓取为主的中型机更应 注意到这一点。一般说小臂愈长，其摆角也可稍小。当小臂液压缸和转斗液压缸同时伸 出最长时，抓斗前壁与大臂之间的距离应大于 10cm。 4.1.2 小臂液压缸的最大作用力臂 9 l 及 8 l 的计算 根据小臂抓取阻力计算，并参考国内外同型机器小臂抓取力值，按要求的最 大抓取力确定小臂液压缸的最大作用力臂 9 l，取整个小臂为研究对象，可得小臂油缸最 大作用力臂的表达式为： m a x23 2 m a x9 2 () G Pll el P = 33 626 78 10(2132.86 1448) 10 10346010 =643 mm 图 4.1 小臂机构参数计算简图 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 如图 4.1 所示，小臂液压缸初始力臂 20 e与最大力臂 2max e之比是小臂摆角 2max 的余 弦函数，则存在以下式子。 2max 8 202max 2max9 cos 2 cos 2 l e el 可见 9 l已定时 2max 愈大， 2 e和 20 e就愈小，即平均抓取力就越小。要得到较大的的 平均抓取力，就要尽量减少 2max ，初取 2max =90 由图 4.1 的几何关系有： 2 m a x 2 m i n22 m i n9 2 m a x 9 2 m i n 2 2s i n () 2 2s i n () 2 1 LLl l L = 90 2 726.73 sin 2 1.6 1 =1712.92 mm 而 2 m a x2 m i n2 LL=1.61712.92=2740.67 mm 同样由图 4.1 所示可知，由余弦定律知： 2 2 m a x 82 m i n92 m i n9 2c o s () 2 lLlLl = 22 18090 1712.92726.732 1712.92 726.73 cos() 2 =2311 mm 4.1.3 小臂其它相关尺的计算 小臂上EFQ取决于结构因素和工作范围（如图 2.2） ，一般在130170 之间，初定EFQ=150，同样的大臂上的DFZ也是结构尺寸，并按结构因素分析， 可初选DFZ=10。 4.2 小臂的结构设计和强度校核 4.2.1 小臂的受力分析 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 小臂要受到弯矩的作用，故要找出小臂的最大弯矩进行设计计算。根据分析 和以往的实验表明，在抓斗进行抓取时，产生小臂最大弯矩的工况为抓取最大重物 WK 同时重物离小臂与大臂的铰接点最远时（此时重物最重，力臂最长故小臂的所受弯矩最 大） ； 小臂所受最大弯矩工况位置，其满足以下条件： 1） 小臂中心线处于水平位置。 2） 抓斗中心线处于水平位置。 3） 抓爪与抓斗下盘铰点和抓爪最前端连线处于水平位置。 4） 抓斗抓取最大重物 k W。 图 4.2 小臂最大弯矩工况时的小臂及抓斗简图 4.2.2 小臂受最大弯矩工况位置的受力分析 在上述工况下小臂存在最大的弯矩，受到的应力也最大。 该工况的具体简图如图 4.2 所示，取小臂及抓斗为研究对象，如图 4.3 所示，在该 工况下存在的力有：小臂及抓斗各部件所受到的重力 i G；作用在抓斗上的抓取力，包括 切向阻力 1 W，法向阻力 2 W，侧向阻力 3 W。 HK-连杆 HN-摆杆 C-大臂下铰点 A-大臂油缸下铰点 B-大臂与大臂油缸的交点 F-大臂上铰点 D-小臂油缸上铰点 E-小臂油缸下铰点 G-抓斗油缸下铰点 Q-抓斗下铰 点 K-抓斗上铰点 V-抓斗抓爪 当处于以上位置时，由图 4.3 可知以下的角度关系。 2 01 1m i n 2 12 02 根据前面的已知的角度可求得： 21 =62，由图 4.2 所示可知，向量 CF 可以表示 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 为： 向量 3 8 3 9 c o s ( 6 2 )s i n ( 6 2 )CF =3581 cos62sin62 图 4.3 F 点坐标计算简图 由前面的计算结果可知，26.9ZFC， 8 2311DFlmm 在DEF中DEF=90 7 2 6 . 7 3 c o s0 . 3 1 7 9 9 2311 EF EFD DF 通过上式可解得EFD=71.5 同样在前面我已经确定了150EFQ 在四边形 CDEF 中 EFC=26.91071.5108.4 由以上的角度关系可表达出向量 FV,设向量 FV 与 X 轴的夹角为，则根据图 2.2 可知： 180180(360108.4150 )62 39.6 则取正值就是140.4 向量 FV= 23 () cos140.4sin140.4ll =3580.86cos140.4sin140.4 连杆机构的总传动比为 r，抓斗油缸对 N 点的作用力臂为 1 r； 连杆 HK 对 N 点的 作用力臂为 2 r； 连杆对 Q 点的作用力臂为 3 r； 抓斗对 Q 点的作用力臂 4 r； 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 11 33 2 23 2 32 4 43 sin533sin160182 sin533sin17.73162.35 424.4 1448 rlmm rlNHKmm rlmm rlmm 1 3 2 4 182 424.4 0.336 162.35 1448 rr i r r 则可得此时抓斗的理论抓取力： 34 130 100.3364.368 10 ODD FF iN 切向阻力 1 W： 抓斗的重心到 Q 点的水平距离为 2 r 2 r= 3 2 cos140.4 557.85 2 l rmm 取抓斗为研究对象，如图 4.3 所示，并对 Q 点取矩，则有： 1332 0 ()0 Q OD M FW lG r 代入数值可得： 5 1 ( 0 . 4 3 6 81 0)1 . 4 4 86 2 2 00 . 5 5 7 8 50W 5 1 0 . 4 1 2 81 0WN 法向阻力 2 W的求解： 小臂及抓斗所受重力对 C 点的力矩有： 1125233462 ()()0 . 7 CiF MGG XGGXG XG XG X 444 121 1 ()1.173 100.901 (0.6220.115) 10 ( cos62cos39.6 )0.622 10cos62 2 Ci MGlll 4 2123 11 cos39.60.622 10cos62(cos39.6cos39.6 ) 22 llll 把 1 l， 2 l， 3 l的值代入上式得： 5 ()0.38 10 Ci MGN 1 W到 C 点的距离为 0 r： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 023 c o srllC FC F V =14482132.863839.15 cos(360108.4150 ) =2808.89 mm 2 W到 C 点的距离为 1 r： 1 sin3839.15sin101.63760.74rCFCFVmm 法向阻力 2 W决定于大臂油缸闭锁力 1 F， 72265 1 3 . 7 41 0( 6 04 0 )1 02 . 3 51 0FN 取整个小臂及抓斗为研究对象，则有： 0 C M 即 111021 ()0 Ci F eMG WrW r 把以上求得的数值全部该式可求得 2 W： 5 2 0 . 2 51 0W N 小臂油缸作用力 2g P 的求解： 向量 FQ 在 X 轴上的模量： c o s ( 1 0 4 . 4 ) FN XFQ =2132.86cos104.4 =1643.40mm 如图 4.2 所示，取小臂（带斗和连杆机构）为研究对象，则有： 0 C M 2132322 1 ()0 2 gFNFN PEFW llG XrG X 将已知量代入数值可得： 344 2 1 0.72673 0.4128 102.13286 1.4480.622 10 (1.64340.55785)0.622 101.64340 2 g P 解得： 2g P =2.3 5 10N 而些时的小臂闭锁力为： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 72265 2 3.74 10(6040 ) 102.35 10PN ，略大于 2g P 说明闭锁力中够 横向抓取力 k W的求解： 横向抓取力 k W由回转机构制动器所承受， 即 k W的最大值决定于回转平台的制动 力矩，故先要计算出制动力矩。 地面附着力矩M： 4 3 5 0 0 0(0 . 5 )MG 其中 = 4 3 5000 0.5 20 = 5 1.35 10 N m 在所设计的液压抓料机中采用的是液压制动，由经验公式求得回转机构的最制动力 矩 B M： 5 0 . 60 . 8 21 0 B MMNm 5 5 0.82 10 0.57 10 1.432 B K V M WNm X Q 点作用力与作用力矩 Qx R， Qy R， Qx M， Qy M的求解： 取连杆机构为研究对象，如图 4.5 所示，则有： NH-摇臂 HK-连杆 G3-铲斗油缸推力 RK-连杆的作用力 RN-摇臂的作用力 RN G3 XY YZ N Q K H RK NH-摇臂 HK-连杆 G3-抓斗油缸推力 RK-连杆的作用力 RN-摇臂的作用力 图 4.5 连杆机构的计算简图 2 0X 即 3222 coscoscos0 NK PGHXRNHXRHKX 2 0Y 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 即 3222 sinsinsin0 NK PGHXRNHXRHKX 其中 7265 3 3.4 1040101.7805 10PN 2 4 . 5GHX 2 5 7 . 5N H X 1 1 . 5HK X 将这些数值代入到上式中就可以得到： 5 1 . 7 0 81 0 c o s4 . 5c o s 5 7 . 5c o s 1 1 . 50 NK RR 5 1 . 7 0 81 0 s i n4 . 5s i n 5 7 . 5s i n 1 1 . 50 NK RR 解上两式得： 5 0.3 10 N RN 5 1 . 91 0 K RN 如图 4.4 所示，取整个抓斗为研究对象，以 V 点为新坐标的原点，VQ 为 3 X轴，过 V 点与 VQ 垂直的直线为 3 Y，建立 33 3 X OY坐标，则有： 3 0X 即 2 cos11.50 Qxk WRR 代入数值得： 55 0.25 101.9 10 cos11.50 Qx R 解得： 5 1.61 10 Qx RN 3 0Y 即 1 sin11.50 Qyk RWR 代入数值得： 55 0.4128 101.9 10 sin11.50 Qy R 解得： 5 0.0342 10 Qy RN 3 0 Y M 即 332 1 0 2 Yk MW lW b 代入数值得： 55 3 0.57 101.448