（机械制造及其自动化专业论文）无动力集装箱吊具操纵机构虚拟设计及动态仿真.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着国际工业性集装箱运输系统在沿海各港口普及，全国各中小港口、公 路和铁路的内陆中转站的集装箱运输业也突飞猛进的发展起来。这无疑使得设 备设计与制造投资少，运行、维修简易的无动力集装箱吊具获得了广泛的应用 前景与领域。 无动力集装箱吊具是除起重机起升动力外不通过液压控制系统或其它主动 装置驱动旋锁件转动，而是借助于四根起吊绳汇集点处吊钩的起升运动作为驱 动动力，通过繁杂的传动机构驱动旋锁完成闭、开锁的。可以看出是将吊钩的 间歇性上下运动转化成旋锁件的闭、开锁转动，主、从动部分的运动分别在互 相垂直的两个平面内，这就不可避免要利用不常见的空间机构来满足主、从动 件的运动要求。可见，这种高度繁乱抽象的空间机构，是整个集装箱吊具操纵 机构的关键所在，而其空间运动轨迹难于实现。本文利用连杆机构中空间的正 置r s s r 机构实现两个构件分别在互相垂直的两个面内运动，这一稳定的机构完 全符合无动力集装箱吊具的运动轨迹要求，且不存在上述间隙性运动，在安全 性、可靠性等方面更符合其设计、制造与工作的准则。 随着虚拟样机技术在工程实际中应用广泛，本文采用虚拟样机技术对整套 操纵机构进行设计、装配及分析。基于c a d c a e 主流软件，不仅提供良好的人 机交流交互式工作界面，而且在输入各项参数后用户根据需要可以自行调整或 处理系统分析结果。避免诸多人为因素，这样提高了设计分析的可靠性和效率， 这不但大大降低人为在设计方面的工作量，而且大幅度缩短产品研发周期和削 减了设计与制造的成本。 本文主要内容如下： 1 ) 通过对集装箱吊具整个运动过程分析，设计出一套能实现功能需求的无动力 集装箱吊具的机构。 2 ) 利用当量平面机构法对机构涉及到的极其复杂的空间连杆机构进行设计分 析，并利用数学软件m a t l a b 输出理论分析结果。 3 ) 利用机械系统动力学a d a m s 软件对空间连杆机构进行运动学分析与后处理 ( p o s t p r o c e s s o r ) ，同时验证是否达到设计目的。 4 ) 运用三维建模软件p r o e n g i n e e r 对操纵机构进行建模，利用其m e c h a n i s m 模 块对机构模型进行机构运动分析。 武汉理工大学硕士学位论文 5 ) 借助专业的公差分析系统c e t o l 6 0 软件，对无动力集装箱吊具操纵机构设 计中的复杂公差分配问题进行了公差分析。 关键词：无动力集装箱吊具，r s s r ，运动学分析，虚拟设计，运动仿真，c e t o l 6 0 ， 公差分析 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lt h ep o p u l a r i t yo ft h ei n t e r n a t i o n a li n d u s t r i a lc o n t a i n e rt r a n s p o r ts y s t e mi n t h ec o a s t a lp o r t s ，t h ei n l a n dc o n t a i n e rt r a n s p o r to ft h en a t i o n a lp r i m a r y 、s e c o n d a r y p o r t sa n dt h er a i l w a yi sa l s or a p i dd e v e l o p m e n t t h e r ei sn od o u b tt h a ti tm a k e st h e u n p o w e r e dc o n t a i n e rs p r e a d e r o ft h el o wi n v e s t m e n ti ne q u i p m e n td e s i g na n d m a n u f a c t u r i n g ，a n dt h es i m p l eo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c eh a sa 晰d er a n g eo f p r o s p e c t sa n df i e l d s w i t h o u tt h ep o w e rp r o v i d e db yt h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e ma n do t h e ra c t i v e d e v i c e se x c e p tg r a v i t y ，t h eu n p o w e r e dc o n t a i n e rs p r e a d e rd r i v et h er o t a r yl o c kp i e c e r o t a t i o nb ym e a n so ft h el i f t i n gm o v e m e n to ft h eh o o kw h i c hi sa tt h ec o l l e c t i o n p o i n to ft h ef o u rl i f t i n gs l i n g s ，a n dd r i v et w i s tl o c k st ob ec l o s e da n du n l o c k e d t h r o u g ht h ec o m p l e xt r a n s m i s s i o n i tc a nb es e e nt h a ti tc o n v e y st h ei n t e r m i t t e n t l yu p a n dd o w nm o v e m e n to ft h eh o o ki n t ot h et w i s tl o c kr o t a t i o n ，a n dt h em o v e m e n t p l a n e so ft h em a i nd r i v e np a r ta n dt h ef o l l o w e ra r ep e r p e n d i c u l a r , w h i c hi si n e v i t a b l e t om a k eu s eo fl e s sc o m m o ns p a c ea g e n c i e st om e e tt h em o v e m e n tr e q u i r e m e n t so f t h ed r i v i n g ，t h ef o l l o w e r v i s i b l yt h ek e yt ot h ee n t i r ec o n t a i n e rs p r e a d e ro p e r a t i n g m e c h a n i s mi st h i sh i g h l yc o m p l e xa n da b s t r a c ts p a c em e c h a n i s m ，a n di t ss p a c e t r a j e c t o r yi st o od i f f i c u l tt oa c h i e v e t h i sp a p e rs e t st y p es p a t i a lc r a n ka n dr o c k e r r s s rm e c h a n i s mt oa c h i e v et h et w oc o m p o n e n t sm o v e m e n ti nt w op e r p e n d i c u l a r p l a n e s ，w h i c hm e e t sf u l l yt h et r a j e c t o r yo ft h eu n p o w e r e dc o n t a i n e rs p r e a d e r ，a n d t h e r ei sn oi n t e r m i t t e n tm o v e m e n t i t sm o r ei nl i n e 、衍t ht h eg u i d e l i n e so ft h ed e s i g n , m a n u f a c t u r ea n dw o r ki ns e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y ，e t c w i t ht h ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yw i d e l yu s e di nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e ， t h i sa r t i c l eu s e st h ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yi n t ot h ed e s i g n ，a s s e m b l ya n d a n a l y s i so ft h ee n t i r eo p e r a t i n gm e c h a n i s m b a s e do nt h ec a d c a em a i n s t r e a m s o f t w a r e ，n o to n l yt op r o v i d eag o o dh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i v ei n t e r f a c e ，b u ta l s o t h eu s e rc a na d j u s to rd e a lb yt h e m s l v e s 、析t 1 1t h er e s u l t so fs y s t e ma n a l y s i sw h e nt o e n t e rt h ep a r a m e t e r s b e c a u s eo fa v o i d i n gm a n yh u m a nf a c t o r s ，t h a ti m p r o v e st h e r e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h ed e s i g na n a l y s i s ，i tn o to n l yw i l lr e d u c el a r g e l yt h e i i i 武汉理工大学硕士学位论文 a r t i f i c i a lw o r k l o a di nd e s i g n ，b u ta l s os u b s t a n t i a l l ys h o r tp r o d u c tr & dc y c l ea n dc u t t h ec o s to ft h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft h ep a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 ) b yt h ea n a l y s i so ft h ee n t i r er a t ep r o c e s so fc o n t a i n e rs p r e a d e r ，d e s i g nas e to f m e c h a n i s mt om e e tf u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t so ft h eu n p o w e r e d c o n t a i n e r s p r e a d e r ； 2 ) u s i n gt h ee q u i v a l e n tp l a n em e c h a n i s m a c tt od e s i g ne x t r e m e l yc o m p l e xs p a t i a l l i n k a g ew h i c hi s r e l a t e dt ot h eo r g a n i z a t i o n ，a n do u t p u t t i n gt h er e s u l t so f t h e o r e t i c a la n a l y s i sb yt h em a t h e m a t i c a ls o f t w a r em a t l a b ； 3 ) u s i n g a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m sa d a m ss o f t w a r et o m a k e s p a c el i n k a g e m e c h a n i s mk i n e m a t i c a n a l y s i s a n d p o s t - p r o c e s s i n g ( p o s t p r o c e s s o r ) ，a n dm e a n t i m ev e r i f y i n gw h e t h e rt h ed e s i g np u r p o s e i s a c h i e v e d ； 4 ) u s i n g3 dm o d e l i n gs o f t w a r ep r o e n g i n e e rt of i n i s h t h em o d e lo ft h e o p e r a t i n gm e c h a n i s m ，a n dc o n d u c tt h em e c h a n i s mk i n e m a t i ca n a l y s i sb yi t s m e c h a n i s mm o d u l e ； 5 ) w i t ht h ep r o f e s s i o n a lt o l e r a n c ea n a l y s i ss y s t e mc e t o l 6 0s o f t w a r e ，f i n i s h i n g t h et o l e r a n c ea n a l y s i so ft h ec o m p l e xt o l e r a n c ea l l o c a t i o np r o b l e mi n t h e o p e r a t i n gm e c h a n i s md e s i g no fu n p o w e r e dc o n t a i n e rs p r e a d e r k e yw o r d s ：u n p o w e r e da u t o m a t i cc o n t a i n e rs p r e a d e r ，r s s r ，k i n e m a t i c s ，v i r t u a l d e s i g n ，s i m u l a t i o n ，c e t o l 6 0 ，t o l e r a n c ea n a l y s i s w 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题简介 1 1 1 问题的提出 第1 章绪论 随着国际港口运输系统的普及带动内地中转站运输业的飞速发展，作为集 装箱装卸专用工具的集装箱吊具的质量与可靠性直接影响着港口、中转站的吞 吐能力，间接影响整个社会交流与发展进程，所以对其提出了越来越高的安全 性与稳定性要求。对于投资少、吞吐量不大的中小港口和公路、铁路的内地中 转站，满足其基本要求且低成本的无动力集装箱吊具是它们的首要选择。 在与武汉大学合资的武汉市亢德自控设备技术有限公司合作设计无动力集 装箱吊具操纵机构时，因为无动力集装箱吊具是除起重机起升动力外不通过液 压控制系统或其它主动装置驱动旋锁件转动，而是借助于四根起吊绳汇集点处 吊钩的起升运动作为驱动动力，通过繁杂的传动机构驱动旋锁完成闭、开锁的。 这里可以看出是将吊钩的间歇性上下运动转化成旋锁件的闭、开锁转动，主、 从动部分的运动分别在互相垂直的两个平面内，这就不可避免要利用不常见的 空间机构来满足主、从动件的运动要求。故这种高度繁乱抽象的空间机构，是 整个集装箱吊具操纵机构设计的关键所在，且其空间运动轨迹很难人为做出来。 综上所述，要完成整套操纵机构的设计，满足其安全性与稳定性要求，必 须要借助当前虚拟设计工具，建立其虚拟样机，对其进行运动学仿真。 1 1 2 解决的方案 任何转化为独具竞争力的产品的科技成果，其设计定起到关键性作用。在 国内制造业的生产实际中，大量调查与试验数据资料显示，产品的故障率高低 与设计存在密切的联系。自引入c a d c a m 综合计算机应用技术i l l 后，使得现代 产品设计与制造迈进了一个崭新的领域，设计工作实现集成化、网络化和智能 化，解决传统设计与制造过程中诸多弊端，给机械工程带来新的跳跃。 由于无动力集装箱吊具操纵机构设计过程中存在比较复杂且人为难以预想 的运动状态以及安置在整个吊具框架上与之位置关系也不易控制，且在传统设 武汉理工大学硕士学位论文 计过程中依赖经验作为计算设计和类比的对象的方法，不仅使产品整个设计周 期长，而且质量难以保证。 综上两点，以计算机为载体、以c a d c a m 等相关计算机辅助技术为主导 的虚拟设计技术是处理这类问题行之有效的设计手段与方法。 1 2 课题研究目的和意义 无动力集装箱吊具设计的核心问题是如何将提升绳周期性上、下运动转化成 对应旋销的闭、开锁，其运动的实现直接影响到吊具能否正常进行装卸作业。 长期以来，此机构的运动实现一直困扰着设计者，通常运用二级连杆【2 】处理空间 异面运动这个问题，虽然满足操纵机构的周期性运动，然而二级连杆在空间的 运动是存在间隙性的，间隙性运动使整套机构运动存在不可预知的不稳定性， 且维修频繁。另外，一个运动机构存在3 个通过2 个转动副铰接的连杆，也使 的整个机构强度大大被削弱，从而在其结构的可靠性、稳定性等方面更难以保 证。 再者，当前将虚拟技术运用到该机构设计上鲜为人见，传统经验设计很难使 机构在安全性、稳定性等方面得以保证，试验阶段中物理样机无疑增加设计成 本与周期。 本文运用连杆机构【3 】中空间的正置r s s r 机构 4 1 实现两个构件分别在互相垂 直的两个面内运动，这一稳定的机构完全符合无动力集装箱吊具的运动轨迹要 求，且不存在上述间隙性运动，在安全性、可靠性等方面更符合其设计、制造 与工作的准则。 在以往经验设计过程中，首先是概念设计和方案论证，然后才进行产品设计。 在这个设计过程完成后，再进行验证设计，即制造物理实验样机来验证其是否 满足安全性、稳定性等各个方面的要求。这种传统的设计方法，就是不断地制 造物理实验样机来验证其实用性，得到最理想的结果来完成全部设计工作。可 见，这些工作不仅增加了设计实际耗花的成本，而且大大提高了设计周期。 本文借助当前虚拟设计技术，来解决传统设计与制造过程的弊端。采用该技 术，就是利用c a d 与c a m 软件所提供各零部件的物理信息及几何信息，在计 算机上定义零部件的装配约束关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得能取 代传统物理样机的机械系统的虚拟样机【引。然后对虚拟样机进行机构仿真，具有 在制造物理样机之前预先评估设计的作用与功效。 2 武汉理工大学硕士学位论文 我国的c a d 技术起步于2 0 世纪7 0 年代初，近几十年的推广与应用，才追 赶上世界潮流。由c a d 技术的发展带动的虚拟设计与虚拟样机技术( v i r t u a l p r o t o t y p i n g , v v ) 的汇入，给机械工程带来了新的飞跃。本文在此背景下，不仅起 到推广虚拟设计与虚拟样机技术的作用，而且在机构设计方法与验证设计方面 上为设计者更改设计提供可靠依据。 1 3 与课题相关的国内外研究状况 随着港口运输的迅速发展，内地陆路、水路中转站运输也逐步成长起来， 而港口使用的液压控制驱动的集装箱吊具并不能完全满足内地中转站的要求， 譬如成本少、操纵方便、维修简单，所以国内外一些研究设计者将其目光投向 基本满足上述要求的无动机自动集装箱吊具上来。 无动力集装箱吊具是除起重机起升动力外，没有外加其他动力驱动源( 包 括液压缸、其他外界驱动力等) 驱使吊具进行集装箱摘挂作业，而只能利用吊 具的自重，以及承载四条钢丝绳与吊钩下的控制绳在起升时产生的垂直方向上 高度差，通过一系列机构传动来进行集装箱的摘挂作业的【6 1 。整个结构的核心就 是这部分机构传动，所以机构设计的优劣直接影响整个集装箱吊具的整套机构 是否能投入使用。 迄今为止，在无动力集装箱吊具方面的研究，国内外的文献当中鲜有研究 讨论，真真做到细致入微的极少。在国内文献中有，无动力集装箱吊具设计【7 j 一文中已经从结构设计与机构设计两个方面阐述了承载钢丝绳的吊点位置对吊 具的影响( 主要是对轻型吊具) ，由于原动件与从动件的运动轨迹是分别处于相 互垂直的两个平面内，必须采用空间曲柄摇杆机构进行自动摘挂作业；无动力 集装箱自动吊具【8 】一专利文献中，采用了新型的凸轮推杆定位机构，三级连杆传 动机构、旋锁的二个位置双向保险机钩及由刚、弹性的长、短装置组成的导向 定位系统，使集装箱的装卸趋于合理；无附加动力自动转锁集装箱简易吊具【9 】 一专利文献中，由“i i ”字形框架、自动转锁及联锁保护机构等组成；无动力集装 箱吊具用转锁控制装置【1 0 】一专利中是将普通的棘轮棘爪传动机构换成更简易的 三角架来完成周期性的间歇式运动过程，采用曲柄摇杆机构进行自动摘挂作业。 上述这些文献主要是从机构设计来讨论完成自动摘挂作业的可行性，由于当时 的设计方法所约束没能完整地研究机构设计在实际运作中克服了那些弊端，且 其结构设计上合理性并没有谈及到，这些都是与当前设计理念相背的。 3 武汉理工大学硕士学位论文 在国外文献中有，自动借自重驱动集装箱吊具序列i l i 】一文中借组液压缸控 制旋锁闭开，其驱动力是借助集装箱和吊具的自重，整套控制操纵装置看似比 较有条有序，但是整体上控制结构相当复杂，如果控制装置发生故障，检修起 来比较麻烦，在集装箱摘卸作业过程中四个液压缸同步运动带动旋锁同步运动 这使得整个设计制造过程变得异常繁冗；自动集装箱吊具【1 2 】中运用转位锁紧机 构，来实现间歇性周期运动的，通过联接机构达到控制转锁的闭、开锁旋转与 自锁，整套机构很简易，但是其核心部分位于起升绳索与吊具框架之间的转位 锁紧机构，故障率高，维修更换起来非常不易。 综上所述，在机构设计方面还存在一些问题，首先不能很好地满足集装箱 装卸安全性及终端用户经济性的要求，其次操纵机构运动过程中存在的间隙性 运动会造成整个操纵系统不稳导致产品故障率高，又没有虚拟设计及虚拟样机 技术的辅助，想依赖人为经验设计达到最优化机构与结构设计是很难实现的， 最终没能揭示整个无动力集装箱吊具机构设计过程中的运动学和动力学性能与 有关设计参数之间的关系，为实现优化设计提供可靠的理论基础。 1 4 课题的研究内容及主要关键性问题 1 4 1 本文研究的主要内容 本论文以无动力集装箱吊具为研究对象，运用虚拟设计和虚拟样机技术对 无动力集装箱吊具整个运行机构的设计，利用系统动力学仿真软件a d a m s 对 无动力集装箱吊具中空间机构进行运动学仿真，获悉空间连杆机构的运动特性， 然后借助三维建模软件p r o e n g i n e e r 对无动力集装箱吊具整体机构进行建模和 运动学仿真，检测其空间运动是否存在碰撞与干涉的问题。随后，再利用专业 的公差分析系统c e t o l 6 s 软件，对无动力集装箱吊具的p r 0 e 模型进行复杂公 差分配问题进行求解与分析，为该机构整体设计参数与工作性能是否能满足要 求提供可靠的判断依据。 1 4 2 拟解决的关键问题 1 ) 由于吊具操纵机构涉及到极其复杂的空间连杆机构，所以采取了当量平 面机构法对该机构进行位移、速度及加速度的分析；并且利用数学软件m a t l a b 将运行的结果曲线图输出出来，以便更好的分析机构的运动过程。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 借助机械系统动力学a d a m s 软件建立空间连杆机构的虚拟样机，并进 行动态仿真与后处理( p o s t p r o c e s s o r ) ，将抽象的信息图像化得到研究者易理解 的信息，同时验证是否达到设计目的。 3 ) 利用其p r o e n g i n e e r 机构功能模块对机构模型进行机构运动分析，检 测其空间运动是否存在碰撞与干涉的问题。并借助能与p r o e 进行无缝通讯的公 差分析系统c e t o l 6 s 软件，对无动力集装箱吊具操纵机构设计中的复杂公差分 配问题进行了求解，发现了该机构的功能公差与主要设计尺寸的关联情况，消 除了对该机构可能由于不当的公差设计导致整体工作性能达不到要求的顾虑。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无动力集装箱吊具的运动分析与机构选型 2 1 运动过程分析 2 1 1 运动功能总要求 本吊具整个运动过程中存在三个运动轨迹的转换：首先是吊钩竖直方向上 的上升运动转换为弹簧的伸长；然后是弹簧的伸长转换为棘轮的转动；最后是 主动轮与棘轮同旋转中心的齿轮副的转动转换为旋锁的转动。 在无动力集装箱吊具设计过程中需要满足的关键结果是：( 1 ) 在吊具起吊集 装箱前的一瞬间，旋锁要安全地闭锁上；( 2 ) 在起重机运输集装箱到堆场或是货 车的整个途中，确保旋锁不产生滑移导致脱钩；( 3 ) 吊具到达目的地后，卸载集 装箱时旋销要处于安全的开锁状态。 1 运动轨迹要求 无动力集装箱吊具只需利用与四根起吊绳的汇集点处的起升和下降的同步 运动为动力源，通过复杂的传动机构间接驱动旋锁完成闭开锁。如图2 1 、2 2 所示： 矿n 图2 1 无动力集装箱吊具正视简图 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 无动力集装箱吊具俯视简图 如图2 1 所示，整个旋锁机构运动是由四根起吊绳汇集点出吊钩的升降引 起的，由于吊具本身的自重，位于吊具中心位置、通过弹簧与提升绳相连的彳、 么两点间作间歇性上下运动所驱动的。起升时，起升绳随着起吊绳的张紧而被 向上拉升，借助弹簧将夹板从起始位置么点提升至彳点( 由图可知彳、么两点 连线州并不垂直吊具框架上平面，但每次集装箱装卸运动循环中，么、4 两 点在竖直方向上的距离彳么。是恒定不变的) ，以其垂直分量么么。作为分析对象， 可得如下关系式： a a 。= b c s i n a b a ( 2 一1 ) 吊具下降时，弹簧通过彳点联接的夹板依靠自身重力恢复到起始位置，这 里不予考虑。 2 运动速度要求 按照文献【1 3 】给出的规定，起升绳从彳点运动到彳点必须在1 5 s 内完成，所 以旋销旋转速度必须确保旋锁在1 5 s 内完成闭锁或开锁。 么一运动速度= 吊钩升速度 ( 2 2 ) 彳_ 彳运动加速度= 吊钩上升加速度口0 _ j 、 3 最终运动输出 整套操纵机构必须完整集装箱的装卸整个过程，旋锁在吊具起升与下降时 分别完成在安全许可范围内的开、闭锁。 所以，最终运动输出是：吊具上导板使得吊具与集装箱完成对位之后，吊 7 武汉理工大学硕士学位论文 具在提升集装箱之前必须与集装箱完成闭锁，即旋销正确地完成9 0 0 的旋转角 度；当起重机将集装箱运到卸载的目的地后，吊具再次起升时，必须与集装箱 完成开锁确保与其安全脱离，即旋销正确地回转9 0 0 至初试位置。 由此，旋锁工作时的运动循环的运动轨迹要求可以概括为： 表2 1 旋锁的运动轨迹要求 运动输入a _ a a _ aa _ a 7 a - a 运动输出旋销转动9 0 0保持静止旋销反向转动9 0 0保持静止 2 1 2 装卸集装箱运动过程及运动行程图 为了满足上小节叙述的运动功能要求，如图2 3 所示，结合图2 1 旋锁机构 采用的运动传递方式是：首先把么点的运动输入到棘轮机构中的夹板上，借助 提升绳与弹簧的挠性，吊钩每提升一次提升绳，么点上升么位置，使摇杆转动 并带动棘轮转动9 0 0 ：每次下放操纵绳，摇杆在重力作用下自动回位，而棘轮保 持静止不动。然后将棘轮转轴上的运动通过一对齿轮传递另外一个转轴上，使 得输入轴旋转9 0 0 时，输出轴旋转1 8 0 0 。接下来让这个输出轴上的旋转运动去驱 动一个等同于空间嗌柄摇杆机构的曲柄，而摇杆作为运动输出与旋销同轴刚接， 且衄柄每旋转1 8 0 0 ，摇杆在与曲柄运动轨迹垂直的平面上旋转9 0 0 或反向旋转 9 0 0 回到原位。由此画出旋锁机构的运动循环图如表2 所示，可以看出其对旋锁 机构的运动轨迹要求初步得到了满足。 ( 1 ) 弹簧( 2 ) 大齿轮( 3 ) 夹板( 4 ) 棘爪 ( 5 ) 棘轮( 6 ) 小齿轮 ( 7 ) 支座( 8 ) 轴承 ( 9 ) 小齿轮( 1 0 ) 小齿轮轴( 1 1 ) 偏心轮 ( 1 2 ) 连杆 ( 1 3 ) 销轴承( 1 4 ) 连杆 ( 1 5 ) 连杆 图2 3 操纵机构运动简图 8 武汉理工大学硕士学位论文 如图2 3 所示，为了满足绳索与旋锁之间异面运动的传递，构件1 2 是不可 或缺的，然后构件2 属于二级连杆，使得整个机构运动存在间隙运动会导致机 构的运动传递产生不稳的现象。于是，要实现这种异面运动的传递而又使整套 设备工作时更稳定，就不得不借助复杂的空间机构实现。 图2 _ 4 含空间连杆机构的操纵机构简图 利用空间连杆机构实现绳索与旋锁之间异面运动的传递，从而才能实现除 重力外无需任何外界动力源驱使实现旋锁的闭、开锁来完成集装箱装卸工作。 如图2 - 4 ，利用空间连杆机构代替图2 3 中的二级连杆机构，不仅从机构上看简 易很多从而使整个机构工作时的故障率大大下降，而且易于检测与维修；以往 空间连杆机构的设计是比较复杂的，不过借助当前的虚拟设计等方法很容易解 决这类问题。 通过以上所阐述的内容，得出更易理解的旋锁机构运动循环图表2 2 ，可以 看出其对旋锁的运动轨迹要求完全满足。 9 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 2 旋锁运动循环图 操纵绳末端的运动输入 a _ a a - a a _ a a - a 棘轮机构之摇杆 转9 0 0回位转9 0 0回位 棘轮机构 棘轮机构之棘轮保持保持 转9 0 0转9 0 0 齿轮副大齿轮 静止 静止 齿轮副 齿轮副小齿轮保持 保持 转1 8 0 0转1 8 0 0 空间曲柄 曲柄摇杆机构之曲柄静止 静止 摇杆机构 曲柄摇杆机构之摇杆保持旋销反向保持 转9 0 0 旋销上的运动输出 静止转动9 0 0 静止 2 2 机构选型 如图2 - 4 所示，该旋锁操纵机构由一个棘轮棘爪机构、一对齿轮副和四个相 同的空间曲柄摇杆机构组成。四个相同的空间曲柄摇杆机构属于并列关系，它 们并列后又与其它两个机构构成串联关系。从空间上齿轮副与棘轮棘爪机构位 于吊具的中心位置，4 个空间曲柄摇杆机构中的曲柄位于吊具两个纵梁的中部与 从动轮同旋转中心，而摇杆位于4 个角上与旋锁同旋转中心。 ( 1 ) 棘轮棘爪机构 采用最常见的外啮合型式，确定其运动尺寸的主要依据是要满足最终的旋 销对转动位移量和转动速度的要求。 ( 2 ) 齿轮副 因为设定摇杆部分往返一次曲柄要旋转一周，固齿轮副只需满足将从动轮 转角增加1 倍的要求，即主动轮与从动轮的齿数之比要求为2 ：1 ，设计较为简 单，不作讨论。 ( 3 ) 空间曲柄摇杆机构 这是旋锁机构中最复杂的一个机构，经分析，它属于主、从动轴垂直交错 的r s s r 机构，且要求从动件摇杆在作往复摆动时其正行程和反行程的位移量相 同，不能有急回特性，行程速度变化系数k = i ，否则不能实现上一节制定的运 动方案。符合这样要求的r s s r 机构称之为正置式空间曲柄摇杆机构，目前已有 多种方法求解了相关运动参数之间的解析方程式以进行运动尺寸设计和运动性 能分析。在实际应用中，考虑到球面副的制造难度与成本较高，使用时润滑比 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 较困难，所以此r s s r 机构中的两个球面副往往用其它类型的低运动副替代。 2 3 机构设计计算 2 3 1 弹簧的设计计算 ( 1 ) 弹簧材料及许用应力 此弹簧需要满足带动夹板旋转，其受力未知，保守估计弹簧受力3 0 0 n ，工 作行程为3 0 m m 。因本弹簧在一般载荷下工作，可根据其应力循环次数来选择材 料。零件总的应力循环次数n 按文献【1 3 】式4 1 2 9 计算 n = n h z ( 2 3 ) 式中：n 。零件每工作小时内的应力循环次数 b 零件的总设计寿命 根据文献 1 3 1 表4 1 2 1 ，吊具的工作级别为m ，故有 n h = n c l i ( 2 - 4 ) n 小机构每工作小时内起重机的工作循环次数，其平均值见表4 一l 一2 2 ， n d - - 2 0 次h ，假设此吊具工作年限为3 年，每天工作1 6 个小时，故 n = n h z = 2 0 x 3 x 3 6 0 x1 6 = 3 5 x1 0 5 小时 由于3 5 1 0 5 小时，故n = 1 0 3 1 0 5 ，选择c 级碳素弹簧钢丝。初估弹簧丝 直径为3 m m 左右。查表2 0 2 【1 4 1 ，可知： 【1 】_ 0 4 c r b ( 2 - 5 ) 抗拉强度下限值( g b 爪3 5 卜1 9 8 9 ) ，查表2 0 一3 可得c r b = 1 6 6 0 m p a 。 所以可得弹簧许用应力：【f t 】_ 0 4 0 8 = 0 4 x1 6 6 0 = 6 6 4 m p a ( 2 ) 弹簧直径d 及其有效工作圈数n 【1 4 】 根据表2 0 - 4 ，选c = 6 ，并根据式2 0 5 得， k _ 堂+ 4 c - 1 ：一0 6 1 5 + 塑：1 2 5 2 5 c4 c - 464 6 4 式中：c 一弹簧指数 又根据式2 0 6 得 d = 1 0 6 罂- 1 6 1 2 5 2 5 x3 0 0 x6 2 9 5 m m r r 】 f 6 6 4 与初估弹簧丝直径相近，按表2 0 4 取标准值d - - 3 m m ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 于是，弹簧的中径与外径分别为：d ，= c d = 6 x 3 = 1 8 m m ；d = d ，+ d = 1 8 + 3 = 2 1 m m 由式2 0 7 计算载荷f 作用下的变形量五 名= 百8 f d s 2 n = 警- 3 0 2 4m m ( 2 - 8 ) 8 0 0 0 0 x g d 4 3 4 式中：g 枷变模量，m p a d 一弹簧直径，m m 力圆柱弹簧受载后的轴向变形量，m l n 卜弹簧所受拉力，n d ，弹簧中径，m m 据表2 0 2 取 z l i m = 1 2 5 r 0 = 1 2 5 x6 6 4 = 8 3 0 m p a ( 2 - 9 ) 式中：弹簧的工作极限应力 再由式2 0 4 及c = d ，d 计算极限载荷为： f l i m：型k ：至壁! ! q ：3 9 0 1 5 n 8 k c8 1 2 5 2 5 6 与之对应的变形量为： i i i i ：8 f l i m d r 3 2 一n ：8 x 3 9 0 1 5 x 1 了8 3 x4 ：3 9 3 3 m m7 g d 48 0 0 0 0 3 4 。 ( 3 ) 弹簧其余尺寸设计及弹簧草图 弹簧节距： t = d = 3 m m 弹簧螺旋升角： 口：锄咖三一；卸咖土= 3 0 4 n d 2 刀- x 1 8 弹簧总圈数： n o ：玎【+ 2 = 1 4 + 2 = 1 6 弹射的钢丝间距： 8 = 0 弹簧的自由长度： h o = n o d + 2 ( d d ) = 1 6 3 + 2 ( 2 1 - _ 3 ) ：8 7 m m 弹簧丝长度： l - - - n d 2 n 。_ i - 2 ( d 垦) = 型! 坠! 鱼+ 2 三) ：9 4 4 6 0 r a i n c o s 口 2c o s 3 0 4 、 2 7 1 2 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5 弹簧尺寸示意图 2 3 2 棘轮棘爪机构的设计计算 1 齿面倾斜角的选取 此棘轮需要满足的条件是：当弹簧完成一次上升运动同时夹板随之完成9 0 0 的旋转时，棘爪与夹板同步绕棘轮旋转轴完成9 0 0 的旋转。棘轮棘爪机构为标准 件，根据实际需求确定齿数即可。通常齿面倾斜角口为1 0 0 1 5 0 ，选用不对称 梯形，这里选1 5 0 。 2 齿数的选取 棘轮的齿数，如果系手摇绞车所用，大约为8 1 6 齿的范围。又因为旋锁需 要每次完成9 0 0 的旋转，故齿数应取4 的倍数，这里取其中间值z = 1 2 。 3 棘轮棘爪机构的运动尺寸设计 如图2 5 ，从运动功能要求出发，需要控制的尺寸包括两部分：摆杆运动的 起始位置与终止位置；摆杆与弹簧连接的铰点a 至旋转中心的距离r 。( 其他运 动尺寸参数的设计参见文献 1 4 】) 。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5 几轮机构的运动参数设计 ( 1 ) 摆杆运动的起始位置与终止位置 根据棘轮棘爪机构运动所需满足的条件，摆杆运动的起始位置与终止位置 的夹角为9 0 0 ，但是为了确保摆杆能在弹簧和其本身的重力作用下自动回到初始 位置为下一次工作行程做准备，摆杆的终止位置不能处于垂直状态，而应当与 水平位置成一定夹角，这里取7 5 0 如图2 5 所示的虚线所描绘的终止位置，所以 起始位置则在1 5 0 左右，即是如图2 5 所示的实线所描绘的起始位置。 ( 2 ) 摆杆与弹簧连接的铰点a 至其旋转中心的距离r 。 结合图2 1 所示，由平面几何关系可知，r a = 铰点a 在垂直方向的行程 a a 。 无动力集装箱吊具的运动过程分析中已经指出，旋销要求在1 5 秒内完成“闭 锁”或“开锁”动作，根据该旋锁机构的运动传递规律，旋销的每个“闭锁”或“开锁” 动作完成匀对应于摆杆与弹簧连接的铰点由a 点到a 点，而该铰点a 在垂直 方向又与起重机起升机构同步运动，忽略起升机构短暂的加速过程，假定a 点 以v o 的速度匀速上升，则 a a 7 = r 。( s i n 万+ c o s 万)( 2 1 4 ) r 。=s i n 6 七c o s 6 一s i n 6 七c o s s 1 4 ( 2 - 1 5 ) 武汉理工大学硕士学位论文 根据文献 1 3 1 ，v 0 最小可以按1 0m m i n ，则r as2 0 4 m i l l 考虑到r a 不能太小，否则棘轮无法被布置下，取r a 为2 0 0 m m 。 综上所述，依据文献 1 4 1 ，取棘轮机构模数m = 8 ，固可得棘轮机构总体尺寸如 下表2 3 ( 单位：r a m ) - 表2 3 棘轮机构总体几何尺寸 齿高 h = 0 7 5 m = 6齿顶弦厚 a = m = 8 齿槽夹角甲= 6 0 0 齿根角半径f 1 5 工作面边长 h i 。8 爪齿圆角半径 r l - - 2 齿形角 甲1 2 6 0 0 顶圆半径 r a = m z 2 = 4 8 根圆半径 r f 2 r a - h = 4 2 齿距p = n m = 2 5 12 轮宽 b = 2 m = 1 6棘爪长度 l = 2 p = 5 0 2 4 2 3 3 齿轮机构的设计计算 1 齿轮材料 在整个吊具工作过程中，齿轮的主要作用是实现与吊具上下同步的间歇式 周期性运动。于是，在确保其运动传递使得旋锁能在1 5 s 内完成闭锁或是开锁 的基础上，且在齿轮机构受力小的情况下，采用标准的直齿圆柱齿轮和采用普 通的q 2 3 5 材料。 2 齿轮机构尺寸计算 因为主动轮和棘轮共用一个旋转轴，因此齿轮机构中主动轮的齿数也是4 的倍数，这里取z l = 4 0 。又因传动比为1 ：2 ，故从动轮的齿数z 2 = 2 0 。 根据表9 - 3 t 15 1 ，取齿轮标准模数m = 4 ，可得如下表2 - 4 ( 单位为m m ) 齿轮的几 何尺寸： 表2 - 4 外啮合标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸 齿轮机构主动轮 从动轮 分度圆直径d 碣= 小z l = 1 6 0吐= m z z 5 8 0 齿顶高吃吃= 吃m = 4 齿根高乓珥= ( + c ) m = 5 全齿高h h = 吃+ 缉= 9 齿距p p 2 n m 2 1 2 5 6 齿厚j s = 万m 2 = 6 2 8 齿槽宽e e = 万，z 2 = 6 2 8 武汉理工大学硕士学位论文 续上表表2 4 外啮合标准直齿圆柱齿轮的几何尺寸 齿轮机构主动轮从动轮 中心距口 口气4 + d 2 ) 2 = 1 2 0 顶隙c c = c m = 1 基圆齿距忍只= 7 7 c o s a = l1 8 0 齿顶圆直径吃以l = 4 + 2 h a = 1 6 8如= d 2 + 2 h a = 8 8 齿根圆直径d f靠= 4 2 h f = 1 5 0如= d 2 2 h , = 7 0 基圆直径d b d b l = 碣c , o s 6 t = 1 5 0 3 5 1d b 2 = 畋c o s t ：t = 7 5 1 7 5 2 3 4 旋锁的设计计算 1 旋锁装置构造及材料选取 本吊具采用的是新型的浮动式