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某型号起重机抓斗结构设计说明书1 绪论11抓斗的研究背景随着社会的日益发展，一些强度较大的体力劳动逐步被机械生产所替代，起重机则是其中运用最为广泛的工业机械，它对减轻劳动强度，节省人力，降低建设成本，提高生产质量，加快施工建设，实现工程施工机械化起着十分重要的作用。抓斗，是起重机装卸散料的一种取物装置，主要用于大量散粒物体的装卸工作。它的抓取和开卸都是由司机在司机室内操作，不需要辅助人员协助，因而工作效率高，广泛运用在港口、车站、矿场、料场等。抓斗的全部动作由起重机司机集中操作，只在特殊情况下，才需要增补做辅助工作的作业人员。尽管配备抓斗的起重机械在工作方式上具有非连续输送的各种缺点，但在规模较大或堆料较杂的货场上，为了从船舶和不能翻转的铁路车厢中卸载，以及对于特别难抓取的物料，仍然要使用抓斗。在水上运输和铁路运输部门中，常常使用抓斗为货船，驳船和铁路货车进行装卸作业和岸上仓的堆垛，转载作业。例如，在上海港务局所属的各装卸区，转运的各种散粒物料几乎都是用抓斗进行装卸的。抓斗起重机的产生避免了工人的繁重劳动，节省了辅助工作时间，大大提高了装卸效率，并且可以避免工人人身受到伤害事故，提高生产安全性。近些年，随着科学技术的进一步发展进步，以及我国工业建设规模的扩大，抓斗起重机也得到迅速发展，其功能范围也越来越大，设计要求也越来越高。采掘工业中，使用抓斗进行井下作业和露天矿场的剥离，装车作业等，也显示了其独特的优点。在建筑工地上，也收到了良好的效果。目前，抓斗在国内外的使用范围正在日益扩大，而且针对不同的使用部门和抓取对象，类型也逐渐增多，专门化的趋势也随之明显。例如，长撑杆双颚板抓斗被广泛地应用于抓取一般的散粒物料，多颚板抓斗用于抓取矿石等比重大和粒度大的物料，耙集式抓斗用于清理货舱和车厢。实践经验表明，抓斗作业具有以下四个突出优点:1 免除了繁重的体力劳动，使装卸过程机械化。2 生产效率高，装卸成本低。3 充分发挥起重机械的效率。4 减少辅助工人。可以肯定，在我国经济飞速发展的今天，抓斗在我国国民经济生产甲的使用范围将日益扩大，具有较好的经济效益，广阔的发展前景。1.2国内外抓斗的发展现状抓斗根据其抓取散物容量可分为轻型抓斗、中型抓斗、重型抓斗、特重型抓斗等；按其开闭方式又可分为单绳抓斗、双绳抓斗和马达抓斗等。而双绳抓斗因其具有稳定性好、工作效率高、结构简单等优点得到广泛应用。1.2.1国外发展现状国外吊装业已非常成熟与完善,其吊装用起重机也随之得到了长足发展。抓斗的最早出现，至少可以追溯到欧洲的文艺复兴时代。当时，意大利著名的艺术家兼科学家达.芬奇(Leonardo Da Vinci 1452-1519)曾经设计出一艘装有抓斗的挖泥船而阐述抓斗性能的第一篇论文似乎应该是德国的普范尔(Pfahl)于1912年发表的“自动抓斗中力的分配与抓取”。在这篇文章里，普范尔叙述了影响抓斗抓取性能的各项因素及其影响关系，并提出了确定这些因素的方法和取值范围。后来，A.Ni mnerA,P. T. Ro bin和Niemann等人研究了抓斗的工作过程及受力情况补充了普范尔的理论，初步完成了抓斗的理论分析工作。但是，由于他们的理论不大符合抓斗抓取过程中发生的实际现象，因而除了使人们在设计抓斗时能够稍有依据地选取几个结构参数外，事先对抓斗的实际工作过程中将遇到的抓取阻力是不清楚的，以致常常达不到预期的效果。在这种情况下，人们只能依靠实际使用抓斗的经验，不断地改进抓斗的结构来满足自己的要求。第二次世界大战以后，世界各国有关抓斗的理论仍未形成，很多专家继续研究抓取过程中发生的现象，以建立符合实际的抓取阻力计算方法的区仍在进行。先后出现的有苏联的从能量观点计算抓取阻力的方法，以及B.A. Ta y6 e p的抓取阻力计算方法等。这些方法，有的着重于工程应用，有的侧重理论探讨，各有特点。同时，在德国，北美，法国，日本等工业发达的国家，也进行了研究工作，取得了一定的研究成果。他们非常重视实际应用方面的研究，这是值得提倡的。目前，工程起重机的设计与制造主要集中在德国、美国和日本等发达国家。例如，轮式起重机的主要生产公司有德国的利勃海尔，德马格美国的格鲁夫， 13本的多田野，住友建机加藤等。履带起重机的生产厂家有德国的利勃海尔、德马格、森尼波根，美国的马尼托瓦克起重集团、林克贝尔特、P&H，日本的神钢、日立住友、石川I岛等等。各大制造公司的产品历经几十年的风雨都已形成系列化。其产品覆盖率大，做工细致，以投放市场。与此同时，诸如格鲁夫和利勃海尔等公司先后开发新技术，最大限度的使用起重机，使其既能满足大起重要有，又能满足作业空间的需要。其抓斗的设计也更倾向于轻便化、多功能化和自动化。1.2.2国内发展现状我国工程起重机研制起步于20世纪五六十年代，经历了七十年代末至八十年代的引进、吸收以及九十年代以来的自主开发阶段，目前,整体吊装工程越来越普遍,这就要求吊装用起重机的起重能力、作业幅度和高度越来越大。国内大型吊装用起重设备已由过去单一的抱杆方式,逐步扩大发展成为以高性能、更安全可靠的大型移动式起重机为核心的吊装设备。我国的抓斗设计则受技术限制，更多的是功能单一，体积较大，自动化程度低的机械式抓斗。近些年，在无数技术人员的努力研究设计下，我国在抓斗领域也取得了一些突破，如侧面定位的戟叉式启闭机构、斗齿与刃口板的连接机构、液压缸闭环串联的异步启闭多颚板抓斗、车站货场卸码原木用的旋转定位装置，以及对长撑杆抓斗有重大改进的扭矩撑推式抓斗等。1.3抓斗发展趋势随着工业生产规模的扩大，机械自动化程度的提高，作为物料搬运重要设备的起重机在现代化生产过程中应用越来越广，作用愈来愈大，对起重机及其抓斗的要求也越来越高。起重机抓斗正经历着一场巨大的变革。起重机正经历着以下变革：1.大型化和专用化由于工业生产规模的不断扩大，生产效率日益提高，以及产品生产过程中物料装卸搬运费用所占比例逐渐增加，促使大型或高速起重机的需求量不断增长工业生产方式和用户需求的多样性，使专用起重机及其抓斗的市场不断扩大，品种也不断更新，以特有的功能满足特殊的需要，发挥出最佳的效用。 2.轻型化和简便化有相当批量的起重机是在通用的场合使用，工作并不很繁重。这类起重机批量大、用途广，考虑综合效益，要求起重机尽量降低外形高度，简化结构，减小自重和轮压，也可使整个建筑物高度下降，建筑结构轻型化，降低造价。而抓斗的质量在起重机总重中占有很大比例，所以未来抓斗的发展必定会采取新型的轻便材料及先进的结构设计，以实现抓斗轻型化，用以实现最广泛的用途。 3.自动化和智能化抓斗的更新和发展，在很大程度上取决于电气传动与控制的改进。将机械技术和电子技术相结合，将先进的计算机技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现抓斗的自动化和智能化。4.新型化和实用化结构方面采用薄壁型材和异形钢、减少结构的拼接焊缝，提高抗疲劳性能。采用各种高强度低合金钢新材料，提高承载能力，改善受力条件，减轻自重增加美观。采用新的技术设施使起重机及其抓斗更加人性化和科学化，以适应不断发展的制造业。1.4研究内容近年来随着我国经济的飞速发展，物流业、建筑业、采矿等行业得以迅速发展，一大批港口、电厂相继建成并投入使用。大量的散货需要进行抓斗起重机进行装卸，作为卸船机的主要部件抓斗的研究也引起人们的注意，抓斗的性能直接影响着抓斗装卸散货的效率。以往抓斗的设计往往是根据经验进行设计，存在自重大、抓取比小等众多问题。目前国内外都对抓斗进行大量的研究，希望能够提高抓斗的作业效率，提高抓斗的抓取性能。本文通过对抓斗本身及被抓散物的力学物理性能两方面的分析，建立了抓斗的空间尺寸模型，在保证抓斗结构强度的情况下，修正以往依靠经验设计的抓斗的关键参数，提高了抓斗的抓取力矩，从而提高了抓斗的抓取性能和效率。2 抓斗方案确定2.1常见抓斗形式随着现代重工业的持续发展，起重机的发展越来越快，为适应各种各样的工作环境和工作目的，抓斗的形式也越来越多。根据被抓取散料的容量分为：轻型抓斗、中型抓斗、重型抓斗、特重型抓斗。通常抓斗按开闭方式分成三类：单绳抓斗、双绳抓斗和马达抓斗。其中双绳抓斗发展较快，除常用的长撑杆抓斗和多颚板抓斗外，还有剪式抓斗、耙式抓斗和钳式抓斗等。2.1.1单绳抓斗单绳抓斗只有支撑绳，供其升降，而颚板的闭合必须由卸料机构配合完成。卸料机构的种类较多，能在空中完成卸料动作的有卸料钟式和拉绳脱锁式；触地卸料的重锤偏心块式、中心导杆摇齿式和翻版式等。缺点：单绳抓斗生产效率低，应用范围受到限制。图2.1 单绳抓斗2.1.2长撑杆抓斗长撑杆抓斗是抓斗的基本形式，属于双绳抓斗的一种。其组成是由由颚板、上承梁、下承梁、支撑绳和闭合绳等五部分组成。闭合滑轮组的上、下滑轮分别安装在上、下承梁上。抓斗上的铰点为减少磨损，大都采用滚动轴承及自动润滑套。优点：长撑杆抓斗对各类散料具有良好的适应性，且重心低，因而获得广泛的应用。缺点：颚板在抓斗闭合过程中，闭合力矩渐趋减小，这与抓斗作业要求相左，因而用长撑杆抓斗抓取大块度散料时，填充率明显不足。所以，长撑杆抓斗多试用于粒度较小的散物。图2.2 长撑杆抓斗2.1.3耙集式抓斗耙集式抓斗也是双绳抓斗的一种，其结构是由上承梁、下承梁、颚板、撑杆和滑轮组等五部分组成。当支撑绳拉紧、开闭绳放松时，撑杆撑开颚板，使抓斗打开。优点：耙集式抓斗的开度大，颚板在闭合过程中其刃口轨迹近似为水平直线，有良好的耙集性能，适宜于分层抓取散物，以及淸舱底作业等。缺点：它的不足之处是在闭合状态时，重心较高，容易倾倒。此外，颚板铰点与刃口之间的距离交大，抓斗的切入性能差。图2.3 耙集式抓斗2.1.4剪式抓斗剪式抓斗是按剪刀原理设计的叉铰结构，由平衡架（或称均衡架）、前臂、颚板、中心铰轴和滑轮组组成。剪式抓斗抓取能力大，特别适用于大容量的矿石，由于选用了较小的闭合滑轮组倍率，故开闭绳行程短，缩短了抓斗的闭合时间，提高了装卸效率，剪式抓斗在最大开度下的覆盖面积，具有耙集性能，且抓取深度均匀。剪式抓斗在悬空状态下颚板的开闭，其刃口几乎在一个水平面上移动，可以贴近料堆开闭斗，减少卸料时粉尘飞扬。优点：剪式抓斗的最大特点是斗闭合时挖掘力矩逐渐增大，闭合终了时达到最大值，保证抓斗有较高的填充率。缺点：但由于它出使抓取能力较低，不利于抓取较大块度散料。图2.4 剪式抓斗2.1.5钳式抓斗钳式抓斗由一字横梁、内、外斗壁、颚板、中心铰轴和增力滑轮组组成。优点：钳式抓斗具有很好的耙集性能，结构也较耙集式抓斗简单，抓取能力大，从抓斗闭合初期到终了时闭合力都较大，因而抓斗的填充率很高。与长撑杆抓斗进行对比试验表明，卸载效率高出44.7%。而且其自重轻，构造简单，重心低。图2.5 钳式抓斗2.1.6多颚板抓斗抓斗的颚板数超过2个的被称为多颚板抓斗。颚板头部铰接在下承梁上或浮动，以撑杆的铰点作支点，颚板绕其转动，实现抓斗的开闭运动。颚板数越多，则颚板宽度越窄，张开后易于插入散料堆中，适于装卸大块度矿石和废钢铁之类的物料。多颚板抓斗有挠性结构和刚性结构两种，脑型结构的特点是下滑轮组的每一个滑轮分别装在一块颚板的头部，开闭绳依次绕过各滑轮，这样颚板的开闭量各不相同，便于抓取形状不规则的大块物料。刚性多颚板抓斗的颚板与下承梁铰接在一起，随着下横梁的升降，每块颚板闭合或张开量相同。这种结构在抓取不规则物料时，容易出现颚板闭合不严实，有的颚板不受力。近年来，多采用液压多颚板抓斗，用液压缸代替撑杆。图2.6 多颚板抓斗2.1.7马达抓斗马达抓斗用本身动力和传动机构开闭斗，完成抓取和卸载动作，可以悬挂在任何一种吊钩起重机上作业，只要在起重机上安装一个与吊钩卷筒保持同步的电缆卷筒就可作业。马达抓斗能够在任意高度上开闭斗，并且开闭斗的动作可以与升降运动重合，因而装卸效率比单绳抓斗高。但自重大，重心高，电机容易过载，必须有可靠地过载保护装置。马达抓斗有两种结构形式：电动机械传动和液压传动抓斗。图2.7 马达抓斗2.1.8扭矩抓斗优点：结沟简单，较为理想的闭合特性。具有深挖的特性。能适应多种物料的装卸。图2.8扭矩抓斗2.2抓斗选择2.2.1抓斗选取要求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。目前使用的一些抓斗还不能完全满足装卸要求，剪式抓斗虽然应用广泛，但由于其具有闭合结束时闭合力呈减小趋势的致命弱点，影响抓取效果。其他类型的抓斗虽有使用，但不很普遍，也存在各自的缺点，故市场上希望有一种装卸效率高、作业快、功能全、适用广的散货抓斗。我从设计方法学和创造学的角度出发，通过对抓斗的功能分析，确定可变元素，列出形态矩阵表，组合出多种抓斗原理方案，在评价优择，从而得到符合设计要求的原理方案。根据实际工作需要，对抓斗的要求如下表（表2-1）：表2-1 抓斗设计要求要求内容1.功能方面1）抓取性能好，有较大的抓取力2）装卸效率高3）装卸性能好，空中任意位置颚瓣可闭合、打开4）闭合性能好，能防散漏5）适用范围广，即可住小颗粒物料，也可抓取大颗粒物料2.结构方面1）结构新颖2）结构简单、紧凑3.材料方面1）材料耐磨性能好2）价格便宜4.人机工程方面操作方便，造型美观5.经济、使用安全等方面1）尽量能在各种起重机、挖掘机上配套使用2）维护、安装方便，工作可靠，使用安全3）总成本低廉由现有抓斗可知，抓斗的主要特点是颚板运动，结合设计任务书，得抓斗的功能树如图2.9所示。总功能抓取功能容料功能升降功能卸放功能安全功能颚板启开颚板闭合加压功能支撑容料自锁功能上升功能下降功能停顿功能颚板开启防散漏过载保护自锁功能图2.9 抓斗功能树抓斗的功能结构图如图2.10所示。所谓功能结构图是一种徒刑，它包括了对系统的输入及输出的适当描述，为实现其总功能所具有的分功能和功能元以及它们之间的顺序关系。物料信息能量抓放物料搬运物料卸放物料抓取物料容纳物料提升物料安全、维护再生启开闭合加压支承自锁上升、下降、停顿信息：实现各种运动的控制、调整信号能量：实现无聊抓放、搬运所需的能量转化物料：指抓放搬运的物料图2.10抓斗功能结构图根据本设计的要求，结合目前的主流抓斗，选择长撑杆双绳抓斗进行设计建模。2.2.2抓斗结构长撑杆双绳抓斗是由颚板1，下承梁2，撑杆3，上承梁4，支撑绳5和闭合绳6组成。支持绳5用来升降抓斗，它的一端固定在横梁上，另一端则连在相应的驱动卷筒上。开闭绳6用来操纵抓斗的开闭，它以滑轮组的形式绕于上、下横梁之间，而后通向另一个驱动卷筒。滑轮组的倍率通常为26倍。图2.11抓斗结构简图2.2.3抓斗工作原理起重机抓斗主要实现物料的抓取和卸载，其运动过程为：下斗装料上升卸料。（a）开斗下降到物料堆上，这时闭合绳5和支撑绳6以同样的速度下降，此时只有闭合绳5受力；（b）闭斗取物，这时松弛状态下的支持绳6保持不动，闭合绳5上升，迫使颚板闭合而装入物料；（c）满载升斗，这时支持绳5和开闭绳以同样速度上升到预定高度；（d）开斗卸料，这时支持绳5保持不动，开闭绳6下降使颚板因自重及物料重而张开卸料。图2.12抓斗工作过程3 抓斗结构设计及计算31影响抓斗抓取能力的因素抓斗的抓取两Gt由下式确定：Gt=Q-Gd式中 Q起重机的起重量（t）Gd抓斗自重（t）起重量一定时，若要抓取量大，则必须减轻抓斗的自重（在保证抓都有足够的强度和刚度的条件下），抓斗的评价指标可通过抓斗起重的起重量利用率表示：g= D称为抓斗的抓取能力系数。研究表明，影响抓取能力的因素有很多，主要有两个方面：一是被抓散料的特性，如散料容重、粒度S和自然坡度角B等因素；二是抓斗本身的几何尺寸和结构形式，如抓斗的最大开度LM、颚板的宽度B、颚板的底背角S和抓斗自重Gd等。3.1.1 散料特性常用抓斗作业的散料有矿石、碎石、煤、沙、谷物、矿渣等。以往设计抓斗只重视物料容重，近年来研究表明，散料粒度也不容忽视。散料粒度在计算中以计算粒度出现，即将散料天然粒度的统计值，按粒度大小分级，各分级部分质量乘以相应部分的平均粒度后相加，再除以散料总质量，即为该分级散料的计算粒度。3.1.2抓斗结构尺寸抓斗的抓取量随着颚板的开度和切口的切入力的增加而增大。图3-1是一个模型抓斗在不同最大开度Lm时的抓取曲线和抓取量。从图上可以看出，抓斗的开度增大可提高抓取能力是有限度的，存在极限值。抓斗颚板宽度B对切入阻力的影响较大，抓斗颚板较易切入料堆，若太宽则侧壁的阻力就会相随增大，抓取能力反而下降。通常采用抓斗的颚板宽度B与最大开度LM之比来表征抓斗的结构特性。=0.35为窄型抓斗；=0.45为标准型抓斗；=0.55为宽型抓斗。当抓取松散物料时，又增达到0.7以上的趋势。通常用颚板宽度与最大开度之比表征抓斗的结构特性。颚板底背角一般取10一15，若太大，则增加抓斗的闭合阻力，若太小，又增加刃口插入料堆的阻力。根据物料性质，可选择合适的角度。图3.1 最大开度Lm对抓取量的影响3.1.3 抓斗自重G抓斗自重是影响抓取能力的重要因素。因为其自重大，抓取散料时的垂直压力大，抓取的散料量也多，设计抓斗时必须保障有足够的自重。通常抓斗自重应与所抓取散料的质量相近，即Gt=*Vt（为散料容量、Vt为散料容积）当用自重轻的抓斗抓取容重大的散料时，可在抓斗上附加质量。实践证明，增加抓斗上承梁和秤杆的质量最有效，在铰点附近增加额板的质量也有效，在铰点附近增加额板的质量也有效。试验表明，在下承梁上增加质量，对抓斗的抓取能力影响甚微。综上，抓斗自重、颚板宽度与最大开度的比值、颚板底背角和散料计算粒度对抓取能力都有显著影响。3.1.4设计意见通过实例推理提出修改意见是关键问题。系统将抓斗方面的专家设计经验归纳后，包含了不同类型抓斗各主要部件的设计经验公式及数据，整体几何参数修改建议以及相关的推理计算公式。根据影响抓斗抓取能力的因素，本设计提出如下几点:(1) 抓斗自重抓斗抓取物料的能力是靠抓斗的自重载荷产生的。因此，抓斗自重是影响抓斗抓取能力的主要因素。物料的密度、块度与内摩擦系数等性质对于抓斗的抓取能力有很大的影响。密度大、块度大或内摩擦系数大的物料难抓取，应当采用自重大的抓斗。(2) 抓斗自重分配抓斗各部分重量对于抓取能力的影响是不同的，应力求把重量分配到对于抓取能力最有利的部分上。理论与实践都指出，头部与撑杆的重量最有效，斗体次之，加大横梁重量效果最差。虽然头部重量对于抓斗抓取能力很有效，但是它使抓斗重心提高，容易使抓斗在工作中翻到，影响生产。因此最合理的分配是把重量尽量放在鄂板的铰点附近。(3) 斗体宽度斗体宽度窄可以使抓斗较容易插入物料，但太窄抓斗两侧壁阻力就相对增大，也会使抓取能力降低。(4) 抓斗最大开度增大开度可以提高抓取能力，但开度过大时，抓取深度却急剧降低，在斗体闭合的后一阶段内，由于己抓取的物料阻力增加，使开闭力急剧增加，甚至将抓斗提起，使刃口离开料堆.反而吐出了原先己经收集的物料。降低抓斗抓取量。(5)斗体形状对于细粒的、内摩擦系数小的物料采用圆底抓斗，对于大中块及内摩擦系数大的物料采用平底抓斗，以减少抓取阻力。32抓斗设计计算抓斗根据被抓取的散物容量（ _D_Dd_），中性抓斗（ _D2.0 t/），重型抓斗（ _2.6 t/），特重型抓斗（ _D）。本次设计的抓斗起重机起重量为5t，取所抓取物料为容重为的物质（如无烟煤、焦炭、干燥熔渣、小块及中块碎砖、各种标号煤炭等），且散料分级为二级，取其计算粒度为43。3.2.1抓斗自重的确定抓斗自重可按以下公式确定：=*Q 式中 Q抓斗起重机额定起重量（t）抓斗自重系数，可由表31查出表3-1抓斗自重系数散料容重（t/）0.630.81.01.251.62.02.53.2抓斗自重系数0.4340.4290.4260.4200.4130.4100.4050.400本次设计为抓取煤炭等散物，根据常用散料特性表可以查出，煤炭的散料容重为 _D_Dd_，抓斗额定轻重重量为5t，则：=*Q=0.426*5t=0.426*5t=2.13t3.2.2抓斗自重分配抓斗的各部分重量的分配对抓取性能又跟大的影响。抓斗各部分重量分配可参考以下公式：=*式中 _D_Dd_抓斗自重分配系数，可由表3-2选取表3-2 抓斗自重分配系数颚板上承梁下承梁撑杆0.45 0.210.18 0.16由此，计算出抓斗各部件的理论重量为：颚板自重：=0.45*2.13=0.959t上承梁：=0.21*2.13=0.447t下承梁：=0.18*2.13=0.383t撑杆：=0.16*2.13=0.341t3.2.3颚板宽度近几年来，抓斗的颚板宽度有增大的倾向，这样可以增大抓斗张开后的覆盖面积。从而在满足抓斗填充量的前提下，相应的减小了抓斗闭合时在物料中的挖掘深度，使抓取阻力降低。颚板宽度B可以由以下公式计算： B= 式中抓斗容积（）=其中抓斗的抓取量（t）散料容重（t/）颚板宽度系数，由表3-3选取表3-3 颚板宽度系数散料容量（t/）0.630.801.001.251.602.002.503.20颚板宽度系数1.51.421.421.341.341.341.261.186根据散物容量，选取=1.42=2.87颚板宽度B= =1.42*=2.018m3.2.4抓斗最大开度抓斗最大开度=式中抓斗最大开度系数，由表3-4选取表3-4 抓斗最大开度系数散物容重（t/）0.630.801.001.251.602.002.503.20抓斗最大开度系数1.7741.9241.9242.0862.1942.2502.3792.516查表，取1.924=1.924*=2.734m3.2.5抓斗的其他几何参数按以上公式计算出颚板的宽度B和最大开度后，可导出抓斗的其他几何参数。.抓斗张开的覆盖面积A=B*=2.018*2.734=5.517.抓斗在抓取过程中的平均挖掘深度 H=0.520m.抓斗挖掘深度系数=0.1902.抓斗颚板长度B与最大开度之比=0.7383.2.6抓斗颚板的侧面形状抓斗颚板侧面面积为： F=（1-5）式中 抓斗容积（）通常用作图法确定颚板侧面积，并与上式计算出的F相比，若不相等可调整Nb，直到与F相等。见图3.23.2长撑杆抓斗侧面截图F=1.422F=(+)+=令M=则=（1-M）故=M+（1-M）M+tan+颚板侧形半长为： =又抓斗宽B=故抓斗闭合后，颚板侧形半长为：=上式中可查表3-5得=0.840表3-5颚板侧形半长散料密度（容量）t/0.630.801.001.251.602.002.503.20抓斗颚板侧形系数0.7960.8400.8400.8850.9300.9540.9791.004抓斗颚板底背角； -抓斗颚板侧背角； _货物自然坡脚。根据起重机设计手册表7.9与7.10可以取以上各值：=40，=13， ()=1.00m=1.00*=0.268m= =0.220m=-=1.00-0.268*=0.850m F=(+)+=（1.00+0.850）*0.217+=1.41所计算值与理论值接近，故取=1.00m3.2.7滑轮组倍率增加滑轮组倍率可以降低开闭绳在抓取过程中的张力，使挖掘压力增大，提高了抓取能力。但滑轮组倍率增加会引起开闭绳磨损加剧，也使闭合行程和闭合时间加长。因而应当综合考虑将这些情况来确定滑轮组的倍率。双绳抓斗的滑轮组倍率推荐值如下表3-6表3-6 滑轮组比率推荐值轻型抓斗中型抓斗重型抓斗特重型抓斗滑轮组倍率233 4566所以，根据实际要求取滑轮组倍率m=3.3.3抓斗受力分析对于散货抓斗，受力分析时，抓取阻力主要由切入阻力、摩擦阻力和推压阻力三部分构成。抓斗是一个对称机构，研究时通常取半个抓斗进行讨论，受力情况如下图:图3.3 抓斗机构受力图R1-颚铲水平刃口的切入阻力（kN）R2-颚铲两侧倾斜切割刃的切割阻力（kN）R3-水平推压阻力（kN）R4-抓斗侧板内外两侧受到的摩擦阻力（kN）R5-底板内外两侧受到的摩擦阻力（kN）R6-犁板内外受到的摩擦阻力（kN）G1-承梁重量（kN）G2-抓斗重量（kN）1铲刃切割阻力倾斜额铲刃切割阻力与颚铲的切割周边有关，而颚铲切割周边也由不变的水平切割刃(等于颚铲宽度)和颚铲两侧的倾斜切割刃(依照颚铲挖掘深度而变化)组成2物料沿颚铲底部滑动的阻力,它与进入颚铲底部的物料沿着倾角变化的底板运动有关。3摩擦阻力，它与物料的粒度和颗粒的表面情况有关，这些摩擦阻力包括被颚铲推动的物料与剩余的物料及额铲侧壁的内、外表面与物料之间的摩擦引起的阻力。抓取过程中作用于抓斗上的惯性力，由于数值很小，一般忽略不计。受力计算：水平颚铲切割阻力为：N式中fo-物料内摩擦系数a-物料的平均块度(粒度) (cm)-刃口板厚度(cm)取fo =0.6 =20cm a=5cm额铲两侧倾斜切割刃的阻力为：被抓取的物料沿颚铲底板形成的斜面滑动时所产生的阻力R得 R=2021.7N式中-物料的内摩擦角a-颚铲底板与水平线所形成的角度-经验系数-物料颗板底板之间摩擦角-物料滑移角-额板初始插入深度cm)颚铲两侧壁外表面受散体被动压力产生的摩擦阻力R得 R=756619N3.4抓斗各部分具体参数3.4.1颚板具体参数颚板多采用Q235、A3或16Mn钢板焊接而成。颚板与下承梁连接的销孔要求镗削，以保证装配时对中性。为满足颚板强度与横向刚度的要求，在颚板边缘处用厚钢板加强，并在颚板内部加设纵筋与横向支撑。颚板具体尺寸：1.左右颚板结合处加强板宽100mm，高约为820mm，厚20mm，其余部分宽50mm。2.颚板厚度30mm；3.颚板与撑杆连接处两连接板宽70mm，厚30mm，其轴孔半径为48mm，外圆半径140mm；4.颚板与下承梁连接处轴孔直径为80mm，外缘圆直径为200mm。其外缘处加有挡块，具体尺寸见零件图。5.颚板边缘过度圆弧半径为500mm，其厚度为均匀30mm。3.4.2撑杆具体参数撑杆与颚板间均采取铰接连接。在没测颚板上可以装有两根撑杆。撑杆为受压杆件，故应具有足够大的截面尺寸，所以一般采用厚壁管或槽钢拼焊成的方管制作撑杆，以保证撑杆的稳定性。又因为增加撑杆的重量可以显著提高抓斗的抓取能力，所以撑杆常常采用实心圆钢或方钢制作。根据抓斗撑杆外形尺寸及主要参数，选取军运管厚度宽度的撑杆。撑杆各项数据如下：轴孔中心距：2000mm ；宽： 140mm；连接处厚：70mm，其他约为66mm；外圆：r=70mm；孔外缘宽：7.1mm ；与颚板连接处长度约为150mm；抗弯界面系数：91.3 ；重量：90kg ；轴孔：48mm左右边缘位移差：709mm3.4.3上承梁具体参数上承梁与撑杆采用铰接形式，其中一根光轴用来安装滑轮。上承梁整体呈长方体，其具体参数如下：长：720mm；宽：500mm；高：350mm；两段连接撑杆轴轴间距：340mm；连接撑杆处宽为70mm边缘厚度为：20mm；边缘处长为：200mm3.4.4下承梁具体参数下承梁与颚板的链接采用双铰连接的结构形式，抓斗的两个颚板通过销孔分别装在刚性结构端部伸出的两对轴颈上。抓斗下滑轮装在专门的夹套里，然后用螺栓再把夹套固定在下承梁上。长：1898mm ；宽：500mm；高：250mm；轴孔直径：80mm深：3.4.5滑轮支撑件具体参数底板尺寸为800*400*50，板上支撑件轴心距为200mm，轴径50mm，外缘半径为80mm，支撑件间距76mm。绳索固定件尺寸为100*100*20，顶为半径为50mm的半圆，中心轴孔为直径50mm圆，与顶圆同心。3.4.6钢丝绳选择为解决钢丝绳的选用问题，首先必须计算钢丝绳所承受的最大静拉力，根据公式：=式中，Q起升载荷：m滑轮组倍率，取m=3:滑轮组效率，根据m值大小确定。根据过程起重机查表得0.98，=6.0=8503N 根据工程起重机钢丝绳选用普通结构6W（19）型钢丝，其破断拉力换算系数 _D_Dd_为：=*8503=60000N选择6W（19）钢丝绳，根据工程起重机手册，公称抗拉强度1700N/m直径为d=9.2mm 其钢丝破断拉力总和为 故钢丝绳选取6W（19）-9.2-1700- _ _3.4.7滑轮组选择材料采用45号钢，A3或铸铁，滑轮组的尺寸主要是滑轮直径D 轮毂宽度B 和绳槽尺寸。起重机常用铸造滑轮，其尺寸已经标准化，滑轮尺寸可以按钢丝绳的直径进行选择工作滑轮尺寸： D式中 D工作尺寸：与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数，根据起重机设计手册表3-2-1，可以查得=22.4， D _D_Dd_由起重运输机械计算选取D=250mm，外径 285mm 根据起重机设计手册表3-2-2，滑轮尺寸如下（见图3.4）：R=5.5 H=17.5 B1=32 E1=21 C=1.0 R1=10 R2=8 R3=2 R4=2.5 M=6 N=0 S=8滑轮与轴承支撑两侧间各保持3mm间距图3.4 滑轮尺寸滑轮安装尺寸如下（见图3.5）：=50mm =60mm =90mm =115mm =60mm =70mm =53mm =50mm =20mm =10mm图3.5滑轮装配尺寸3.4.8其他零件参数 A.上承梁与撑杆采用M48 L200的铰制螺栓连接，其光杆长为90mm。B.颚板与撑杆采用M48 L260铰制螺栓连接，其光杆长为130mm。C.下承梁采用直径80mm长200mm轴。D.上滑轮轴采用轴径50mm长540mm的轴。E.下滑轮轴采用轴径50mm长176mm的轴。F.颚板与撑杆连接螺母为m48。3.5抓斗验算3.5.1抓取能力验算在抓斗的主要参数确定后，可由下式进行验算：演算出的抓斗填充量2.7与按抓斗自重系数K1算出的抓斗填充量2.87差异不大。3.5.2颚板强度校核抓斗颚板是开口箱型结构，底边为刃口部分，受力大，应适当加强。颚板可以近似按均布载荷作用下的简支梁计算，刃口中部单位长度的弯曲力矩计算公式为：式中 K0-系数，按颚板底板长度比A/B，由表3.9选取。 q0-底板上的均布压力，按下式计算： K7-物料分布不均匀系数，取K7=1.2表3-9 系数K0A/B0.50.60.70.80.9K00.060.0740.0880.0970.107A/B1.01.11.21.31.4K00.1120.120.1260.1320.133由A/B=1.0查表得K0=0.06颚板底板的弯曲强度校核：=19354MPa=100MPa式中-底板厚度；-许用应力，材料Q235=100MPa校核结果：此抓斗符合强度要求。3.5.3抓斗颚板与下承梁连接轴校核为了简化校核过程，只需分析连接轴最大受力时的载荷情况，即抓斗在满载情况下只有闭合绳受力，此时颚板受到自身重力、散物重以及颚板轴上力。由抓斗颚板重=0.959t 物料重G=2.87t 轴径d=0.08m可求得其剪切应力为：=*2*=3.181MPa轴采用45钢，其许用切应力为=335MPa所以，颚板与下承梁连接轴满足强度要求。3.5.4连接螺栓M48强度校核因为上下承梁的连接均采用M48螺栓，所以分析受力最大的上承梁连接螺栓。螺栓材料为45钢，现对其进行校核。为简化计算，只需要校核在抓斗空载时螺栓的强度。此时，上承梁受到四根撑杆的拉力及支撑绳的拉力。此时支撑绳拉力为G=2.13t根据受力平衡得：4Fcos=GF=6030N因为轴径d=0.048m其剪切应力为：=0.415MPa=335MPa所以，螺栓M48满足强度要求。3.5.5撑杆强度校核撑杆上受力与螺栓M48上受力相同，即F=6030N。撑杆截面面积为A=66.17*140=9264其剪切应力为：=*=0.65MPa3.5.6滑轮轴强度校核简化校核过程，因为是倍率为3的组合滑轮，所以轴上受力最大为满载荷时的2/3，即F=2/3*5*=33.3KN其剪切应力为：=*=26.68MPa=335MPa4 三维建模过程4.1建模过程简述使用solidworks进行参数化建模，首先应该根据设计的各零件具体尺寸绘制处零件草图；然后，根据零件的具体结构进行实体建模；其次，将各零部件进行装配，再次进行干涉分析，检查抓斗配合体存在错误；最后，设计出动态演示动画。4.2抓斗各零部件建模实体4.2.1上承梁建模上承梁主要承担抓斗撑杆的支撑旋转和钢丝绳的固定。首先绘制长方形并拉长为长方体，其次切割出两端的矩形槽，然后拉伸切割圆柱孔，最后在上承梁上端绘制绳索固定装置。其三维图如下：图4.2.1 上承梁4.2.2撑杆建模长撑杆结构较为简单，根据其侧视图尺寸绘制草图，然后进行拉伸，最后拉伸切除外缘和孔。其三维图如下:图4.2.2撑杆4.2.3下承梁建模下承梁结构也很简单，首先拉伸出长方体，其次根据计算尺寸拉伸切除所需圆孔，三维模型如下：图4.2.3 下承梁4.2.4颚板一建模颚板结构最为复杂，首先根据其侧视图形状绘制多边立体，其次进行抽壳3mm，然后添加颚板加强边及挡块，再次在两端加入撑杆固定装置，并拉伸切除到所需模型，最后修改检查各部件具体尺寸。其三维图如下：图4.2.4 颚板一4.2.5颚板二建模颚板二同颚板一建模方法，区别在颚板连接杆的中心处加入折弯，使其各板均向内侧缩进30mm，并且挡块较颚板一小，在建模过程中区别其尺寸。其三维图如下：图4.2.5 颚板二4.2.6滑轮支撑体建模滑轮支撑体较为简单，首先拉伸出长方体，其次在长方体上拉伸切除螺纹孔，然后拉伸并切除滑轮轴支撑的两个板，最后绘制绳索连接装置。其三维图如下：图4.2.6 滑轮支撑体4.2.7滑轮建模滑轮建模时，首先根据计算尺寸绘制草图，并检查其各线段的连接情况，然后旋转扫描出滑轮模型。其三维图如下：图4.2.7 滑轮4.2.8滑轮装配滑轮装配体共包含：滑轮、轴间挡圈两个轴承、两个轴承密封装置、两个轴端挡圈。装配时确定其合理的配合约束，完成滑轮的装配，滑轮三维图转配图如下：图4.2.8 滑轮装配体4.2.9抓斗装配体抓斗装配必须严格遵守各零部件的相互配合关系，进行合理约束，在装配结束后进行干涉检查，确保其尺寸合理，装配正确，最后进行运动的仿真与分析。图4.2.9抓斗装配体5 毕业设计总结本次毕业设计历时3个多月，在这几个月来我翻阅了很多相关书籍，并再次复习巩固了机械原理、机械设计、材料力学、工程制图、机械制造工艺学等方面的相关知识，对四年来的学习也进行了一次综合，巩固我的专业知识，提高了专业技能。总之，这次毕业设计让我受益匪浅。毕业设计之初，我首先认真分析了设计题目“某型号起重机抓斗结构设计”，确定自己的研究方向和内容。然后，我查阅很多起重机方面的资料，对起重机抓斗有了很全面的认识，也形成此次设计的抓斗雏形。其次，在确定了起重机抓斗的抓取参数后，便开始进行抓斗具体参数的分析与计算，在满足抓斗强度的前提下，完善抓斗的结构与细节问题。最后，进行抓斗的参数化建模，通过学习，我基本掌握了solidworks的建模方法，根据之前的抓斗参数，建立零件的实体模型，并进行装配及检查，做出动画模拟抓斗的工作过程。在本次毕业设计中，遇到了很多问题，比如选择何种抓斗形式、抓斗颚板间采取怎样的连接、紧固装置如何选择、如何solidworks建模等等，通过查阅资料和资讯老师，已经全部解决，而在解决问题的过程中自己也再次学到很多平时容易忽略的知识。如果用一句话总结这次设计就是“痛并快乐着”，有时候一个问题会让我举步维艰，好几天都没有进展，但解决问题后的喜悦却是无法言语的，那种成就感是值得这么多天的付出的。总之，这次毕业设计是刻骨铭心的，因为这是我第一次完整地独自进行的一次设计，其中的失败和成功是值得一生铭记的。由于自己的能力有限