（机械设计及理论专业论文）长撑杆双瓣四索抓斗的优化研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 抓斗是一种自动取物的机械装置，它的抓取与卸料动作由起重机司机操纵， 不需要辅助人员协助，因而避免了繁重的人力劳动，同时也节省了辅助时间， 大大提高了装卸生产率。抓斗广泛应用于矿山、冶金厂、港口、车站、煤场及 其他散粒物料仓库，其中长撑杆双瓣四索抓斗在煤场抓斗卸船机中应用广泛， 其具有结构简单，使用方便，造价低，用途广等优点。 在抓斗工作时因为其工作环境十分恶劣，而且抓斗斗体、撑杆会受到动态 和静态的载荷，所以容易产生局部断裂现象，因此对抓斗受力过程进行模拟仿 真和优化设计具有重要的实际意义。 本文的主要内容是对长撑杆双瓣四索抓斗的优化仿真研究。本文从实际的 长撑杆双瓣四索抓斗出发，参照已有的长撑杆双瓣四索抓斗理论，通过深入的 分析研究，从提高抓取能力、提高结构强度、实现结构强度计算参数化三方面 入手优化已有的抓斗。通过对现场实物抓斗测绘数据与抓斗常规设计参数的比 较，建立了基于提高抓取能力的抓斗优化计算数学模型：参照已有的长撑杆双 瓣四索抓斗受力分析理论，通过对实物抓斗严密的分析，建立了常规工况下的 抓斗抓取数学模型，再利用a n s y s 有限元软件进行抓斗常规的受力分析；通 过对实物抓斗的实际损坏状况进行深入的调查研究，得出实物抓斗的破坏主要 是由非常规载荷引起的，并利用a n s y s 有限元软件模拟实际应变状态，反算 出非常规载荷，建立实际工况下的抓斗有限元分析模型；通过对抓斗主要结构 参数与抓斗结构强度之间的关系进行分析，确定了最终优化方案。 关键词：有限元，a n s y s ，优化，参数化，抓斗 v i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a 黟a bi sam e c h a n i c a ld e v i c ew h i c hi su s e dt op i c kt h i n g su po rt oc a p t u r e t h i n g s i ti su s u a l l yo p e r a t e db yc r a n ed r i v e rw i t h o u ta d d i t i o n a ls t a f fa s s i s t a n c e ； t h e r e f o r e ，i ts a v sal o to fh e a v yh u m a nl a b o ra n dt i m e ，a n di m p r o v e st h e p r o d u c t i v i t yo fl o a d i n g g r a bi sw i d e l yu s e di nm i n i n g ，m e t a l l u r g y , p o r t s ，r a i l w a y s t a t i o n s ，c o a ly a r d sa n do t h e rg r a n u l a rm a t e d a l sw a r e h o u s e o fw h i c ht h eg r a bw i t i l l o n gs t a yb a r , t w o - j a wa n df o u r - r o p ei sa d o p t e dw i l d l yi nt h eg r a bu n l o a d e ro fc o a l y a r d sd u et oi t sa d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，e a s yt ou s e ，l o wc o s t ，u s e dw i d e l yi n i n d u s t r y s i n c et h ew o r ke n v i r o n m e n to fg r a bi sv e r yb a d w h a ti sm o r e ，t h ei a w sa n dt h e r o du s u a l l yw o r ku n d e rb o t hd y n a m i ca n ds t a t i cl o a d s ；t h eg r a bi sp r o n et op a r t i a l f r a c t u r e t h u s ，i ti ss i g n i f i c a n tt oc a r r yo u tt h es i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h e c a p t u r ep r o c e s so fg r a b i nt h i sp a p e r , t h e 笋d bw i t hl o n gs t a yb a r , t w o - j a wa n df o u r - r o p ei si n v e s t i g a t e d f o ro p t i m i z a t i o nd e s i g n a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a l 可a ba n dt h ep r e v i o u sr e s e a r c h w o r k , t h eg r a bw i t l ll o n gs t a yb a r , t w o j a wa n df o u r - r o p ei so p t i m i z e db yi n d e p t h a n a l y s i sf o rt h es t r e n g t h e no ft h ec a p t u r ec a p a b i l i t y , i m p r o v e m e n to fs t r u c t u r a l s t r e n g t ha n dt h er e a l i z a t i o no fp a r a m e t e r i z a t i o no fs t r u c t u r a ls t r e n g t hc a l c u l a t i o n t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fo n - s i t ep r a c t i c a lm a p p i n gd a t aa n dc o n v e n t i o n a ld e s i g n p a r a m e t e r so fg r a b ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fo p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o nf o r s t r e n g t h e n o ft h e g r a bc a p t u r ec a p a b i l i t yw a sc r e a t e d t h ec o n v e n t i o n a l m a t h e m a t i c a lm o d e lo fg r a bc a p t u r e p r o c e s sw a sc f e a t e db a s e do nt h ep r e v i o u ss t r e s s a n a l y s i st h e o r ya n da n a l y s i so fp r a c t i c a lg r a b t h e nt h ec o n v e n t i o n a ls t r e s sa n a l y s i s w a sc o n d u c t e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d sw i t ha n s y s ；i ti sf o u n dt h a tt h ed a m a g e o fg r a bi sm a i n l yc a u s e db yt h eu n c o n v e n t i o n a li o a dv i ai n d e p t hi n v e s t i g a t i o na n d s t u d yo fa c t u a lp h y s i c a ld a m a g es i t u a t i o n w i t ht h es i m u l a t i o no ft h ea c t u a ls t r a i nb y a n s y s t h ei r r e g u l a rl o a di sc a l c u l a t e dt oe s t a b l i s ht h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fg r a b u n d e ra c t u a ll o a d s ；t h ef i n a lo p t i m i z a t i o nd e s i g nw a sd e t e r m i n e db yt h es t u d yo ft h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a j o rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r a ls t r e n g t h i na d d i t i o n , t h ep a r a m e t e r i z a t i o no fs t r u c t u r a ls t r e n g t hc a l c u l a t i o ni si m p l e m e n t e df o rt h es a m e t o n n a g eo fd i f f e r e n tg e o m e t r i c a lg r a b s k e y w o r d s ：f i n i t ee l e m e n t ，a n s y s ，o p t i m i z a t i o n ，p a r a m e t e r i z a t i o n , g r a b i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：蛭日期：塑星丝_ 6 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：缉导师签名：召q 汹一日期：蚴 n i 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论弟一早z 有化 本课题来源于上海远电电力实业有限公司的长撑杆双瓣四索抓斗优化设 计项目( 横向计划) 。 1 2 课题研究的目的和意义 长撑杆双瓣四索抓斗作为一种抓放形式装卸散粒物料的取物装置，辅助起 重机完成货物装卸工作，因其抓取性能优良和结构合理得以广泛应用于港口、 煤炭码头、电厂等地。在抓斗工作过程中，抓斗的工作环境极其恶劣，抓斗斗 体、撑杆会受到动态和静态的载荷，产生局部断裂现象，对抓斗受力过程进行 模拟仿真和优化设计具有重要的经济意义。 学术上已有对疏浚抓斗【l 】、耙剪式抓斗的优化研究【2 】，但对长撑杆双瓣四索 抓斗的优化研究还处于未完善状态，仅有上海海事大学对此类抓斗斗底板进行 过有限元方法的分析与研刭3 1 ，而对长撑杆双瓣四索抓斗的其他部位还未进行 全面的优化，因此本课题所涉及的研究内容将弥补这一领域的空白。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 目前的资料显示抓斗作为起重机械的装卸工具，尚未专门的研究机构。只 在一些生产起重机械的公司对抓斗有所研究，美国b r a d l e y 公司，德国d e m a g 公司，p e i n e r 国外公司，日本真砂株式会社等。但设计规范方面各国都没有统 一，美国有美国国家标准局的a s m e 3 0 2 0 设计规范，德国的各个厂家也有各自 的参考数据，而且对这些数据是怎样产生的，较少有资料和论文有介绍。 上海大学硕士学位论文 1 3 2 国内研究概况 在我国主要以抓斗大王包起帆及肖乾信以及孙鸿范、畅启仁四位为代表对 国内外抓斗进行研究，对我国的抓斗发展做出了巨大的贡献。 在相关资料搜集中，对抓斗进行模拟仿真的论文有1 9 9 8 年太原重机厂设计 研究院的吴天昌的四绳抓斗抓取过程仿真，解决了用计算机仿真技术直接检 验抓斗抓取性能的问题，但没解决利用计算机仿真技术提高抓斗强度延长抓斗 寿命的问题【4 】。1 9 9 4 年上海海运学院倪骏的长撑杆双颚板散货抓斗挖掘过程 计算机模拟，开发了长撑杆双颚板散货抓斗实际挖掘过程计算机模拟系统，理 论上解决了为抓斗设计者提供合理的抓斗总体性能参数的问题，但仅仅用平衡 方程来模拟抓取过程，没涉及在复杂的受力环境下利用计算机仿真技术模拟抓 斗抓取过程的问题【5 】。因此，利用强大的有限元软件a n s y s 模拟仿真抓斗的工 况显得非常有必要。 对抓斗的设计工作，在可查资料中有：上海海运学院畅启仁的大型长撑 杆散货抓斗的设计，解决了在抓斗设计中正确选取影响抓斗抓取性能的各项参 数及合理的结构型式的问题。实践证明，合理选取抓斗参数，保证部件的强度 条件和制造质量是提高大型长撑杆散贷抓斗抓取性能和使用寿命的根本保证 【6 】。1 9 9 6 年华北工学院专科学校刘申全、梁雅琴的抓斗的原理方案创新设计， 提出了创新设计法，为设计师提供了抓斗原理方案设计的新思路【7 1 。太原重型 机械设计研究院牛聪民的提高长撑杆抓斗抓取性能的合理设计通过抓斗机 构设计参数的合理匹配、斗形的合理选择和自重及自重分配比例的合理设计， 解决了在抓取性能方面合理进行设计的问题【8 】o2 0 0 5 年武汉理工大学物流工程 学院李然、王少梅的基于实例推理的抓斗智能设计研究，解决了如何在 s o l i d w o r k s 软件平台上用从上至下的设计方法实现基于实例推理的抓斗产品 设计的问题 9 】。因此，我国的关于抓斗设计的核心问题基本上得到了解决。 对抓斗的材料选用方面，有大连起重机器厂胡永祺、张永朴的抓斗刃口 板的新材料，对进口抓斗刃口板进行实际检验，分析化学成分，解决了推出可 用于抓斗刃口板的新型材料的问题【l o 】。大连起重机器厂胡永棋、高新华的抓 斗刃口板材质的选用中通过推出适于用在抓斗刃口板的z g m n l 3 高锰钢、淬 2 上海大学硕士学位论文 火低碳马氏体组织的高强度合金钢、o x a r 钢、2 5 m n c r m o b 钢等材料，解决 了通过改变材料提高抓斗刃口板强度的问题【1 1 】。长航安庆港机厂姜斌和武汉水 利电力大学贺小明的耐磨材料在抓斗上的应用解决了针对抓斗各磨损部位 的不同情况，选用不同的耐磨材料及不同的加工工艺，提高抓斗使用寿命的问 题【1 2 1 。日照港机修厂尹衍新和许崇华的散货抓斗的失效分析及改进对策，通 过将原机构的z g 3 5 材料改为1 6 m n ，在轴套和销轴磨损部位堆焊硬质合金层的 方法提高了抓斗的寿命【l3 1 。南昌铁路局宜春车务段任美珍的抓斗半轴的防磨 损处理及工艺中，通过给下承梁两端插入的两根4 5 号钢材料制成的半轴上套 轴承钢( g c r l 5 ) 材料制成的内、外轴套的方法提高了半轴的使用寿命，有效 防止了脱轴、断轴、换轴的现象【1 4 1 。因此，我国的关于抓斗材料的核心问题基 本上得到了解决。 对抓斗的优化改进方面，有镇海发电厂何兆达的从煤炭抓斗的使用实践 谈抓斗的改进设计，解决了如何对轻型煤炭抓斗主要部件进行改进设计，但没 解决重型系列煤炭抓斗的改进设计【1 5 】。天津铁路分局丰润车务段刘志平的双 颚板四绳抓斗结构的改进，解决了通过改换轴承、改变两撑杆位置及在下横梁 底部增设缓冲器的方法进行改进设计的问题，但没解决从增强材料的强度方面 入手进行改进的问题【l6 1 。1 9 9 8 年韶钢第一焦化厂娥春刚的抓斗部分结构改造 中，解决了从四条撑杆、上横梁挡绳轮、头部刀边转角处的故障情况入手进行 改进设计的问题，但没解决如何利用计算机模拟减少设计经费的问题【1 7 】。湖北 省荆州地区装卸协会车治昌的长撑杆双颚板抓斗的改进及其效果中，解决 了对体鳄板开闭转动轴套的改进、在闭合时间和抓取率方面的改进、鳄板套筒 结构的改进的问题，但同样没解决如何利用计算机模拟减少设计经费的问题【1 8 1 。 凌源钢铁公司机动部的鞠广新、边久涣的装卸桥抓斗的改造及应用中，根 据经验设计方法对抓斗进行增容、增重、改进结构局部，虽增加了设备的作业 效率及使用寿命，但因未通过现代计算机仿真技术进行理论分析而无法使抓斗 达到最优化状态【l9 1 。秦皇岛港务集团公司第八分公司罗世东的抓斗使用中的 改造实践中，通过对平衡梁机构进行改进，解决了节省维修时间、简化维修 程序的问题，但仅仅涉及平衡梁、轴座及轴，而未涉及抓斗最容易受破坏的颚 上海大学硕士学位论文 板和撑杆的改进问题 2 0 1 。因此，我国的关于抓斗优化改进的问题需要进一步的 解决与完善。 对抓斗的结构受力性能分析方面，有大连起重机器厂研究所孙友伶的抓 斗撑杆的结构改型与受力分析，解决了如何通过在撑杆上加二力杆，减少其截 面尺寸，节省材料，减轻抓斗总重，提高抓斗抓取比的问题【2 1 1 。太原重型机械 研究所李国杰的联邦德国s m a g 公司抓斗结构特点与性能分析中结合我国 四绳双颚板抓斗现状，对德国s m a g 公司s s z 系列抓斗进行了分析介纠2 2 1 。 上海海运学院硕士学位论文抓斗斗底板有限元方法的分析与研究，通过有限 元软件a n s y s ，解决了对抓斗斗底板这个受力情况最为复杂的部位进行有限元 分析的问题，但没解决对抓斗整体及抓斗其他部位进行有限元分析的问题【。 因此，我国的关于抓斗结构受力性能分析研究的问题需要进一步的解决与完善。 对抓斗的管理维护方面，有宁波港务局林国华的大型抓斗刃口板的耐磨 堆焊修复，解决了用特种耐磨焊条z d 3 对磨损较快的刃口板进行堆焊修复与 防护的问题【2 3 1 。烟台港一公司王冈的抓斗撑杆的断裂及其修复工艺，解决了 如何正确选型及失效后如何尽快修复等一系列撑杆问题【2 4 1 。上海宝钢水运部机 动科王建新的抓斗刃口硬质耐磨堆焊工艺，解决了用堆焊工艺在不必更换刃 口板的情况下进行补焊的问题【2 5 1 。宁波港务局顾国贤的单索抓斗常见故障及 处理，解决了处理抓斗开闭机构故障、开闭机构中偏心板及导管变形、抓斗防 漏结构和斗体故障的问题【2 6 1 。上海宝钢运输部王建新的抓斗的管理与维护， 用“点检定修制 解决了抓斗的管理和维护问题。因此，我国的抓斗管理维 护基本上已无可改进之处【2 7 1 。 综上所述我国对抓斗的研究已经起步，基本上各个方面都涉及到了，但在 长撑杆双瓣四索抓斗方面还没有完全形成体系，欠缺的是对整个抓斗的整体受 力分析和对抓斗每个部位的优化，比如说对除了斗底板以外的其他诸如斗体侧 板部分和撑杆端面中部在实践中也发现了故障现象。这就需要借助强大的有限 元分析软件a n s y s 的帮助，通过有限元软件可以对抓斗进行仿真模拟，进一 步进行优化。 4 上海大学硕士学位论文 1 4 论文的主要研究内容 可以从调整长撑杆双瓣四索抓斗主要结构尺寸参数方面入手，提高强度和 刚度，从而完成抓斗的结构改进优化设计。 1 根据理论设计要求，以1 2 吨抓斗为例，导出主要的设计尺寸参数，建 立长撑杆双瓣四索抓斗理论设计模型。用a u t oc a d 技术建立长撑杆双瓣四索 抓斗的二维模型，再用u g 三维建模软件建立长撑杆双瓣四索抓斗的三维模型， 研究其构造特征和工作原理。 2 通过对长撑杆双瓣四索抓斗在常规工况下受到的力进行研究分析，建立 长撑杆双瓣四索抓斗受力分析模型。 3 建立长撑杆双瓣四索抓斗有限元分析模型，通过在a n s y s 环境下加载 常规载荷到长撑杆双瓣四索抓斗，确定是否在常规载荷作用下出现危险工况。 4 加载长撑杆双瓣四索抓斗危险部位的位移载荷到长撑杆双瓣四索抓斗， 反算出所受到的非常规危险载荷。 5 在a n s y s 环境下把非常规危险载荷加载到长撑杆双瓣四索抓斗的相应 部位上，并调整主要的结构尺寸参数，敲定最终优化方案。 5 上海大学硕士学位论文 第二章抓斗理论设计模型的建立 2 1 抓斗的发展现状 抓斗是一种以抓放形式装卸散粒物料的取物装置【2 8 ，2 9 1 。根据颚板闭合和张 开的驱动方式不同，抓斗可分为绳索式抓斗和动力式抓斗两大类。绳索式抓斗 依靠钢丝绳闭合滑轮组产生闭合力达到抓取物料的目的，一般分为单索、双索 和四索三种，与相应类型的起升机构配套使用。动力式抓斗依靠外界的能源， 通过电动机驱动滑轮组、液压装置或气力装置等使颚板开闭。 1 长撑杆双瓣双索抓斗 绳索抓斗中最常用的结构形式是长撑杆双瓣双索抓斗，它通过两个独立的 钢丝绳分别与起升机构中的开闭卷筒和升降卷筒相连，由起升机构不同的运行 组合，实现抓斗的开闭与升降。 2 长撑杆双瓣四索抓斗 如果起重机的起升机构采用两组双联卷筒，则应使用四索抓斗。由于绳索 的分支增加，单支钢丝绳的直径减小，从而使抓斗的滑轮组结构更为紧凑，并 改善了抓斗工作的稳定性。 3 剪式抓斗 把两个颚板靠铰点的端部延长为绳索式加力臂，两臂共用一个中心铰，构 成剪式抓斗。它的开启动作依靠放松剪臂处滑轮组的钢丝绳，收紧支承绳来完 成；关闭动作依靠收紧滑轮组的钢丝绳，利用杠杆原理增力使颚板挖取物料， 关闭抓斗，其闭合力矩随着闭合过程逐渐增加，抓取能力优于长撑杆抓斗。剪 式抓斗一般设计成四索型式，多用在大型桥式卸船机上。 4 耙集式抓斗 抓斗颚板的张开度比较大，闭合过程中刃口几乎延水平线移动，适用于抓 取薄层散料，供清舱用。不足之处是抓斗的开闭绳与物料接触机会多且接触距 离长，受污染和磨损较为严重。 5 多瓣抓斗 6 上海大学硕士学位论文 多瓣抓斗有四瓣、五瓣、六瓣或八瓣多种，其中以六瓣最为常见。其颚板 刃口呈尖爪状，能抓取颗粒块度较大的石料、生铁块等，也可以抓取黏度大的 散料。多瓣抓斗也有单索、双索和四索等型式，通常其颚板铰支在同一下承梁 上，同步开闭，适宜抓取块度差异不大的物料。 6 异步启闭的多瓣抓斗 适用于抓取大小及形状不规则的物料，如废金属、石块等。它与传统多瓣 抓斗的区别在于将颚板铰支在一个滑移架上，这样，颚板既可绕抓斗中心转动， 又可沿滑移架上下移动，使得抓斗在遇到大小不一的块状物时可以异步启闭。 7 钳式抓斗 构造与功能与耙集式相似，但两个颚板绕一个中心铰转动，省去了抓斗许 多部件，结构简单，开度大，刃口几乎延水平线移动，是抓取容重较小物料的 理想工具。 8 单索抓斗 单索抓斗的开闭与升降用同一根钢丝绳，依靠抓斗本身的启闭机构完成取 物与卸料动作。单索抓斗可以与普通单卷筒的起升机构配套使用，其结构与操 作复杂，生产率较低。单索抓斗启闭机构的控制方法有曳绳式、自动开斗式和 无线遥控开斗式等多种方式。 9 动力式抓斗 液压抓斗在下承梁上安装了一套电动液压系统，通过液压缸的伸、缩使抓 斗开闭。抓斗的电缆收放通过设在起重机上的电缆卷绕系统实现。 绳索式抓斗的经济性好于动力式抓斗的经济性，双瓣抓斗的抓取比大于多 瓣抓斗的抓取比，四索抓斗的经济性好于双索和单索抓斗的经济性。因此在煤 场经常采用的是长撑杆双瓣四索抓斗【3 。 2 2 抓斗的构造特征 长撑杆双瓣四索抓斗如图2 2 1 所示由斗体、撑杆、平衡梁、上箱体、下箱 体组成【3 0 】。在平衡梁装有上箱体及闭合导向装置，在下箱体装有下滑轮。 颚板：长撑杆双瓣四索抓斗的颚板用钢板制成，为了增强刚性，边缘用厚 7 上海大学硕士学位论文 钢板加强。刃口用1 6 m n 低合金制成，通过热处理使它得到奥氏体组织，具有 高的韧性与耐磨性。 撑杆：长撑杆双瓣四索抓斗的撑杆是受压杆件，因之应有足够的断面尺寸。 长撑杆双瓣四索抓斗的撑杆用方钢制成。 图2 2 1 长撑杆双瓣四索抓斗组成图 撑杆与上箱体的连接：如果将撑杆与上箱体按图2 2 2 那样简单地铰接起来， 上箱体就没有稳定的位置，因为它构成了一个四连杆机构，具有一个自由度。 图2 2 2 撑杆与上箱体的铰接 为了达到上箱体稳定，长撑杆双瓣四索抓斗采用了如图2 2 3 所示的高副啮 合来消除这个自由度。 8 上海大学硕士学位论文 图2 2 3 撑杆与上箱体的高副啮合 颚板与下箱体的连接：颚板与下箱体的连接与撑杆与平衡梁的连接一样， 如果把两个颚板与下箱体用两个铰连接起来，就有闭合不好的可能( 图2 2 4 ) ， 这时也是多了一个自由度。但是长撑杆双瓣四索抓斗的撑杆与平衡梁已经使用 齿轮啮合消除了自由度，因此颚板与下箱体的连接产生的闭合不良可以小到忽 略不记。 图2 2 4 斗体与下箱体的铰接 上下滑轮的布置：上下滑轮的轴如果布置成平行的，那就要求上下滑轮轴 的距离不能太近，否则钢丝绳就会有较大的偏斜角，使钢丝绳的磨损加剧。长 撑杆双瓣四索抓斗采用了让下滑轮轴偏斜一个角度的方法，使钢丝绳上升下降 都没有多大的偏斜( 图2 2 5 ) 。 9 上海大学硕士学位论文 图2 2 5 上下滑轮组的布置 钢丝绳的平衡：长撑杆双瓣四索抓斗使用了两根起升绳和两根闭合绳如图 2 2 6 ，图2 2 7 所示。采用的是均衡滑轮和均衡杠杆，使两根绳的张力相等。 图2 2 6 起升绳的布置 1 0 上海大学硕士学位论文 图2 2 7 闭合绳的布置 闭合绳的导路：为了减轻闭合绳穿过平衡梁时的磨损，长撑杆双瓣四索抓 斗采用了用耐磨材料制成的导辊( 图2 2 8 ) 。 2 3 抓斗的常规设计 图2 2 8 导辊的布置 抓斗的种类和规格繁多，设计时主要应考虑起重机的起重量、物料的堆积 密度等物理性质【3 1 1 。 煤炭抓斗多用于抓取散状煤料( 密度0 8 t m 3 ) ，设计时涉及的因素如下： 1 抓斗的自重 上海大学硕士学位论文 2 抓斗颚板几何形状、侧面尺寸及颚板各部分厚度 3 抓斗撑杆截面尺寸 9 抓斗的抓取能力 2 3 1 抓斗自重的确定 长撑杆双瓣四索抓斗按物料的堆积密度不同分为轻型、中型、重型和超特 重型( 见表2 3 1 1 ) 。 表2 3 1 1 抓斗类型表 物料堆积密度y( t m 3 ) 2 8 抓斗类型轻型中型重型特重型 目前普遍使用的火力发电厂焦煤密度为o 8 t m 5 ，因此根据表2 3 1 1 可确定 所要设计的抓斗类型属于轻型。 设拟设计的长撑杆双瓣四索抓斗自重为= 6 ( t ) ，因常规设计中抓斗自重 与抓取量通常取相近，而且抓取比大于1 ，因此在此次设计中初步设定抓取量 为m f 6 1 3 6 ( t ) 。 因散煤密度为o 8 t m 3 ，抓斗水平容积为 y = 等= 百6 1 3 6 7 6 7 ( 呐( 2 3 1 1 ) 抓斗自重在各部分的分配按下式进行： 他2如(2312) 式中：、强一抓斗及其相应部分质量，t ； j 一抓斗质量分配系数，其推荐值见表2 3 1 2 。 表2 31 2 抓斗质量分配系数如的推荐值 1 2 上海大学硕士学位论文 砟。= 堕 ， n h k f 3 = 坠 矿 m 4 a ，42 k f 2 2 m o 0 2 10 1 6o 1 80 4 5 根据表2 31 2 ，算出长撑杆双瓣四索抓斗各部分重量如下 平衡梁+ 上箱体：砚2 k f l ，20 2 1 6 = 1 2 6 ( t ) ， 撑杆：m 22 k f 2 2 0 1 6 6 = o 9 6 ( t ) ， 下箱体：n h2 砟3 m g 2 0 1 8 6 - 1 10 8 ( t ) ， 颚板：m 42 k f 4 m g2 0 4 5 x 6 = 2 7 ( 。 2 3 2 抓斗颚板几何形状、侧面尺寸及颚板各部分厚度的确定 ( 2 3 1 3 ) ( 2 3 1 4 ) ( 2 3 1 5 ) 抓斗颚板的几何形状应满足以下要求：物料向斗内填充时阻力要小而填充 率要大；卸料时要有良好的倒空性，抓斗装满离开料堆时，钢丝绳的动力载荷 要小。 对于小块粒( 6 0 m m ) 松散物料宜用图2 3 2 1 a 所示的半圆型颚板，对于中块 粒( 6 0 m m l o o m m ) 的松散物料宜用图2 3 2 1 b 所示的直线一大圆弧颚板，它们 常用于轻型抓斗上；对于大块粒( 1 0 0 m m ) 以及难以抓取的物料宜用图2 3 2 1 c 所示的直线- d , 圆弧颚板，它常用于中型或重型抓斗。长撑杆双瓣四索抓斗因 是轻型抓斗，而且煤料属于中块粒( 9 0 m m ) ，所以采用的颚板形状是直线大圆 弧形。 图2 3 2 1 颚板形状 上海大学硕士学位论文 a 半圆形b 直线大圆弧形c 直线小圆弧形 抓斗颚板侧面形状如图2 3 2 2 所示。由a b c d e f g h a 所围成的图形是总容 积侧面，a b c d f g h a 为水平容积侧面。 图2 3 2 - 2 抓斗颚板侧面尺寸 抓斗颚板的侧面积按下式计算： s = 兰= 2 ( s + 是+ 5 7 3 ) 式中： s 、蔓、岛一由a b h 、b c g h 、c d f g 围成的面积，m 2 ； y 一见式( 2 3 1 1 ) 。 e 一颚板宽度，见式( 2 3 2 3 ) 。 抓斗最大开度： d = k l 打 因此d = 吒痧= 1 9 2 4 痂3 8 ( m ) 式中：d 一抓斗最大开度，m ； v 一抓斗水平容积，见式( 2 3 1 1 ) ，m 3 ； i 吒一抓斗最大开度系数，其推荐值见表2 3 2 1 ，取吒：1 9 2 4 。 1 4 ( 2 3 2 1 ) ( 2 3 2 2 ) 上海大学硕士学位论文 斗体宽度： e = 矽d( 2 3 2 3 ) 因此e = 妒d = 0 7 3 8 3 8 2 8 ( m ) 式中：e 一斗体宽度，m ； d 一抓斗最大开度，m ； 一斗体宽度与抓斗最大开度之比，其推荐值见表2 3 2 1 ，取矽：0 7 3 8 。 表2 3 2 1 抓斗最大开度系数丘及比值的推荐值 散货堆积密度yt m 3 o 6 30 8 01 o o1 2 51 6 0 2 o o 2 5 03 2 0 k l 1 7 7 41 9 2 41 9 2 42 0 8 62 1 9 42 2 5 02 3 8 02 5 1 6 矽 0 8 4 60 7 3 80 7 3 8o 6 4 30 6 1 10 5 9 60 5 3 00 4 7 l 根据公式计算s = 善= i 7 6 虿7 2 7 4 ( 坍2 ) 取墨= o 1 6 ( m 2 ) ，是= o 7 6 ( m 2 ) ，岛= 0 4 5 ( m 2 ) ，使2 ( s + 岛+ s p = 2 7 4 ( m 2 ) ，取j l z l = 0 2 5 ( m ) ，如= 0 5 2 ( m ) ，吃= 0 3 2 ( m ) ( 2 3 2 4 ) 可得肌2 x i l _ s 1 = 罢- 1 2 8 ( 肌) ( 2 3 2 5 ) c g ：警一b h ：坚乩2 8 乩6 6 ( m ) ( 2 3 2 6 ) 反052 7 d f ：丝一c g ：旦一1 6 1 2 ( 掰) 鬼0 3 2 、 由式( 2 3 2 6 ) 确定抓斗闭合宽度为c = 2 xc g = 2 x 1 6 6 = 3 3 2 ( m ) ( 2 3 2 7 ) 下面确定斗体自重在各部分的分配情况。 斗体的重量由竖刃板、侧板、横刃板、底板、肋板、钢管重量组成。 设各部分重量为l ，m 4 2 ，? 1 4 3 ，m 4 4 ，t i t 4 5 ，。 斗体自雷存各部分的分配按下式进行： 上海大学硕士学位论文 m 4 f = x ：4 f 豫 式中：m 。、m 。，一斗体及其相应部分质量，t ； 心，一斗体质量分配系数，其推荐值见表2 3 2 - 2 。 表2 3 2 2 斗体质量分配系数e ，的推荐值 ( 2 3 2 8 ) 竖刃板 侧板横刃板底板 肋板钢管 矿一豫l k = 丝丘，= 塑如= m 4 4如= 监丘。= 监a 4 l 一 m 4m 4m 4m 4m 4 0 0 6o 1 50 0 80 3 3o 1 9o 1 9 根据表2 3 2 2 ，算出斗体各部分重量如f 竖刃板：m 4 l = 蜀ix m 4 = 0 0 6 x 2 7 1 6 2 ( k g ) ， 侧板：m 4 2 = 心x m 4 = o 1 5 x2 7 4 0 5 ( k g ) ， 横刃板：m 4 3 = 如xm 4 = 0 0 8 x 2 7 2 1 6 ( k g ) ， 底板：m 4 4 = 如x m 4 = 0 3 3 x 2 7 9 0 0 ( k g ) ， 肋板：m 4 5 = 丘5 x m 4 = o 1 9 x 2 7 5 0 8 ( k g ) ， 钢管：m 4 6 = k 4 6x m 4 = 0 1 9 2 7 5 0 8 ( k g ) 。 根据公式，各部分厚度参数确定如下 竖刃板厚度的确定： ”瓦瓦面m 4 1 鬲丽丽矗急而地0 2 ( m ) 式中。为竖刃板的厚度，m 4 ，为竖刃板的重量，户为材料的密度，厶。为竖 刃板的宽度， 啊，呜见式( 2 3 2 4 ) 。因传统设计里竖刃板的宽度与抓斗闭合宽 度的推荐比值段l 0 1 5 ，故竖刃板的宽度取l ：段l i c ：o 1 5 1 6 6 o 2 5 ( 历) 。 材料的密度取p = 7 8 5 0 k g m 3 。 侧板厚度的确定： 1 6 上海大学硕士学位论文 k = 瓦面两瓦m 4 2 丽碉丽面厄甭4 0 5 丽函而。1 2 ( m ) 式中f 4 2 为侧板的厚度，m 4 2 为侧板的重量，p 为材料的密度，4 1 为竖刃板的 宽度， s 为侧板面积， ，如，呜见式( 2 3 2 4 ) ，竖刃板的宽度取厶。o 2 5 ( m ) 。 横刃板厚度的确定： ，2 瓦丽1 7 1 4 3 万丽丽2 丽1 6 o 0 2 ( m ) 式中t 4 3 为横刃板的厚度，r n 4 3 为横刃板的重量，p 为材料的密度，f 4 2 为横 刃板的宽度，e 为颚板宽度，横刃板的宽度和竖刃板的宽度一致，取 如= 厶l 0 2 5 ( m ) 。 底板厚度的确定： 根据式( 2 3 2 5 ) 和( 2 3 2 6 ) ，结合图2 3 2 2 算出a h 和h g 的大小如下 朋= 屑五矛4 ( 0 2 5 ) 2 + ( 1 2 8 ) 2 1 3 0 4 ( ，1 ) h g = 4 ( c g - b h ) 2 + 、( 0 3 8 ) 2 + ( 0 5 3 ) 2 。0 6 5 2 ( ，1 ) 故底板厚度的近似计算公式如下 。瓦丙面丽m 4 4 万百丽i 两两丽9 0 石0 丽0 0 1 2 ( ，z ) 式中t 4 4 为底板厚度，m 4 4 为底板的重量，p 为材料的密度，如为横刃板的 宽度，e 为颚板宽度，横刃板的宽度和竖刃板的宽度一致取如= 。0 2 5 ( m ) 。 肋板厚度的确定： = 丽m 4 5 丽面5 0 8 而。1 6 ( 朋) 式中t 4 ，为肋板厚度，m 4 ，为肋板的重量，p 为材料的密度，为肋板的 面积，因传统设计中肋板的面积与颚板侧面积的推荐比值为三，故这里取 耻辩乩0 3 ( 聊2 ) 。 1 7 上海大学硕士学位论文 钢管内径尺寸的确定： ，=蹑92m 4 6 = 、蒿5 0 8 地抓砌 式中r 为钢管外径尺寸，为钢管内径尺寸，m 4 6 为钢管的重量，p 为材 料的密度， e 为颚板宽度，这里取r = 0 1 8 ( m ) 。 抓斗开闭绳滑轮组的倍率与抓斗闭合力成正比关系。倍率过小会造成闭合 力( 抓取力) 不足。增加滑轮组的倍率可以降低闭合绳在抓取过程中的张力足， 使挖掘压力b 增加，从而提高抓斗的抓取能力。抓斗的受力情况见图2 3 4 1 。 表2 3 2 3 列出有关抓斗的滑轮组倍率推荐值，本次计算中滑轮组倍率取较大值 表2 3 2 3 抓斗滑轮组倍率m 抓斗类型 轻型 中型 重型特重型 长撑杆双瓣四索抓斗 3 44 55 66 下面确定抓斗总体尺寸参数。图2 3 2 3 所示为长撑杆双瓣四索抓斗主要尺 寸示意图。图中a 为闭合高度，b 为鄂板最大开度时高度，c 为闭合宽度，d 为鄂板最大开度，e 为鄂板宽度，f 为撑杆下端部跨度。 图2 3 2 3 长撑杆双瓣四索抓斗主要尺寸示意图 抓斗主要尺寸的分配按下式进行： 上海大学硕士学位论文 厶=墨皿(2329) 式中：oe 一相互有分配关系的抓斗主要尺寸，m ； k 一抓斗主要尺寸分配系数，起重量近似等于1 2 吨，抓取比近似等于1 时，其推荐值见表2 3 2 - 4 。 表2 3 2 - 4 抓斗主要尺寸分配系数k 的推荐值 起重量抓取比鄂板最大开度d 鄂闭合宽度c 闭撑杆下端部跨度f 鄂撑轩长度h 闭 板最大开度时高度合高度a板宽度e合高度a b q = m g + m ， k ：生 矿 dc t ， f ，h 厶l2 百k 22 百k 32i k 。2 了乜 m o 1 2 ( t ) 10 7 9o 8 80 50 6 4 根据表2 3 2 - 4 ，代入式( 2 3 2 2 ) 、( 2 3 2 3 ) 、( 2 3 2 7 ) 中算出的c 、d 、e ，计 算其他主要尺寸如下 君：旦：翌4 8 ( m ) 鄂板最大开度： k 0 7 9 、， 么：旦：丝3 7 7 ( 柚 闭合高度： 曼0 8 8 ，(23210) 撑杆下端部跨度：f 2 局e = o 5 x 2 8 = 1 - 4 ( 川。 2 3 3 抓斗撑杆尺寸参数的确定 从式( 2 3 1 3 ) 中已知撑杆部分总重聊22 砗2 2 0 1 6 x6 = 0 9 6 ( t ) ，求得 单根撑杆部分重量为嬲：堕：0 2 4 ( t ) 一 4 下面确定撑杆自重在各部分的分配情况。 撑杆的重量由撑杆侧板、撑杆前板、撑杆连接杆重量组成。 设各部分重量为l ，m 2 2 ，研2 3 。 1 9 上海大学硕士学位论文 撑杆自重在各部分的分配按下式进行： m2f=kfm2(2331) 式中：以、他，一撑杆及其相应部分质量，t ； 疋，一撑杆质量分配系数，其推荐值见表2 3 3 - 1 。 表2 3 3 1 撑杆质量分配系数k ，的推荐值 侧板前板连接杆 p聊2 1 t ：= 孕 矿一m 2 3 a 2 3 一_五2 l 。 m 2m 2m 2 0 4 50 2 3o 3 2 根据表2 3 3 - 1 ，算出撑杆各部分重量如f 侧板：i5 k 2 1 2 0 4 5 x 0 2 4 1 0 8 ( k g ) ， 前板：他25 心2 m 2 2 0 2 3 0 2 4 5 5 ( k g ) ， 连接杆：鸭3 2 k 2 3 m 0 3 2 x 0 2 4 7 7 ( k g ) 。 长撑杆双瓣四索抓斗撑杆尺寸示意图如图2 3 3 1 所示。根据表2 3 2 - 4 ，代 入式( 2 3 2 1 0 ) 中算出来的a ，计算撑杆长度如下 h = k 4 a = 0 6 4 x 3 7 7 2 4 1 3 ( m ) 下面确定撑杆中截面和端截面的宽度和高度。 撑杆各截面的宽度和高度分配按下式进行： 形=bh(2332) 式中：形、日一撑杆各截面的宽高及撑杆长度，m ； k 埘一撑杆各截面宽高分配系数，其推荐值见表2 3 3 - 2 。 表2 3 3 2 撑杆各截面宽高分配系数k 谢的推荐值 中截面端截面 k 。= 鲁 矿一 暇 矿呢 a 屺一百 k w 32 音k 4 2 育- 上海大学硕士学位论文 根据表2 3 3 2 ，算出撑杆各截面的宽度和高度如下 中截面宽度：= k i 日= o 1 2 4 x2 4 1 3 o 3 ( 研) ， 中截面高度：呒= k w 2x h = o 0 5 x 2 4 1 3 o 1 2 ( m ) ， 端截面宽度：嵫= 如日= 0 0 7 2 x 2 4 1 3 o 1 7 4 ( m ) ， 端截面高度：呢= k 。4 日= 0 0 5 x 2 4 1 3 0 1 2 ( m ) 。 设计时撑杆侧板壁厚度取相等值岛= 气= 岛= 岛= 乞。，前板壁厚度取相等值 f l2 乞2 岛= 气= 乞。 则根据示意图2 3 3 1 中的各个尺寸参数的关系算出 日： 1 2 0 8 ( m ) 侧权厚度： f2-2万斋=正108丽00124(朋)=岛=岛=岛x f，=上一= ，m 、一，一，一，一， 2 1 p x ! 曼塑- t 7 8 5 0 x 0 4 7 4 x 2 4 1 3 7 v “尸3 叫4 - 7 叫8 前板厚度： f 2 2 2i赢2夏：55j丽0012pxh 47 8 5 012 0 801 2 ( m ) = = 乞= = 气 f=-：=l-一=：f 卅、! f 一，一f 一， 4 形 v ”71 25。6 故设计时撑杆截面壁厚度统一取f 0 0 12 ( m ) 。 2 1 上海大学硕