连杆机构在机械装备上的应用情况.docx

重庆大学硕士论文 连杆机构在机械装备上的应用情况1 连杆机构在机械装备上的应用情况 在工程中应使用比较普遍的连杆机构有:活塞发动机、挖掘机械、医疗机械、焊装夹具等。连杆机构不仅机构简单、易于制造、工作可靠，而且能实现多种运动规律和轨迹。连杆机构早在13世纪前期就已经得到广泛的应用，四杆机构是最简单也是最早出现的一种连杆机构。早在18世纪，著名发明家瓦特就对连杆机构进行了研究。1784年，瓦特将四杆机构应用到他发明的蒸汽机里，为活塞提供近似直线运动。1下面，让我们来了解一下连杆机构在机械装备上的具体应用情况。1.1 集装箱双面吊 集装箱双面吊的主体部分是吊装机构，如图1.1，由前后两组功能完全相同的吊装机构组成，主要包括吊臂连杆机构、Z型架和支腿。为满足不工作时运输行驶不超限，采用吊臂连杆机构折叠收缩设计。图1.1集装箱双面吊工作示意图Fig1.1 Schematic diagram of the container double-side loading/unloading trailer图1.2吊臂连杆机构展开时的结构简图Fig1.2 The structure of the deployable hoisting boom linkage mechanism吊臂连杆机构2采用双四连杆联动展收设计，主要由端臂、短连杆、长连杆、拉杆、中间臂、撑杆、推杆、液压缸等组成。图1.2所示为吊臂连杆机构展开时的状态，吊臂连杆机构的展开过程:推杆在液压缸的推动下，推动撑杆，撑杆推动中间臂绕Z型架连接的固定点转动，在中间臂、长短连杆和拉杆的共同作用下，带动端臂运动，以T型架为中心向两侧完全展开。1.2 槽式熨平机槽式熨平机是专门用来熨平和烘干布草的。槽式熨平机3的工作原理是:加热槽作为施热元件，通过在加热槽腔中通入蒸汽使槽床受热，每个槽床上放置驱动辊筒，织物在槽床与驱动辊筒之间熨烫，如图1.3所示。为了提升设备的生产效率，设计一种连杆机构，使辊筒对加热槽的压力在一定的范围内得到缓冲，起到均衡压力，提高熨烫质量的效果。图1.3槽式熨平机熨烫原理示意图Fig1.3 Schematic diagram of the groove type ironing machine1. 前加热槽 2.后加热槽 3.前辊（辊筒外抱有弹簧和毛毡）4.后辊（辊筒外抱有弹簧和毛毡） 5.进布装置1.2.1 结构对比介绍 如图1.4所示，老式的槽式熨平机通过调整加热槽水平位置来实现对心，调整后加热槽固定不动。静态时，该设计对加热槽施加的压力是均衡的，但是当机器运转以后这种均衡压力就被破坏。辊筒自转产生的摩擦力、在水平方向上的分力将不可避免地作用在加热槽单侧和辊筒两侧的摆板上;而且毛毡接口的粘接使辊筒在圆周上产生一定宽度的突起，并随着辊筒的转动，每次进入加热槽时在突起产生周期性的冲击。这种结构不能够对各种冲击、震动进行缓冲，也就不能均衡辊筒对加热槽的压力。图1.4老式的辊筒对加热槽的压力分布示意图Fig1.4 The distribution diagram of the pressure of the old roller on the heating tank设计一种可实现压力均衡调节的的连杆机构，该机构将辊筒和加热槽连成一体，配合倾斜气缸的倾斜方向，通过对各种冲击和震动进行缓冲，使辊筒对加热槽均衡施压，而且零部件数量少、加工容易、生产周期短，如图1.5所示。图1.5采用连杆机构的辊筒对加热槽的压力分布示意图Fig1.5 The distribution diagram of The pressure of the heating tank by the roller of the link 通过应用该连杆机构，在提高熨烫质量、降低制造成本方面都取得了很好的效果。通过技术100%的转化，采用该机构的槽式熨平机已经获得非常满意的市场占有率。1.3 焊装夹具1.3.1 四杆机构在焊装夹具中的应用实例杠杆机构组合夹具(如图1.6所示)显示的是夹紧状态，该套夹具的开夹动作步骤是:部件2伸出，部件1绕杠杆又点转动，部件1压头往下转动一定距离。部件4缩回，部件3绕杠杆支点转动，部件1随部件3转动离开零件区域。部件6缩回，部件5绕杠杆支点转动打开。关夹动作与开夹动作顺序相反。四连杆机构夹具4(如图1.7所示)显示的分别为夹紧状态和打开状态，该套夹具的开夹、关夹动作分别都只有1步。图1.6杠杆机构组合夹具Fig1.6 Lever mechanism combination fixture1.托板 2.方形气缸 3.摆杆 4.圆柱气缸1 5.压板 6.圆柱气缸2图1.7 连杆机构夹具(夹紧状态和打开状态)Fig1.7 Four-bar mechanism fixture (clamped and open)从表1.1的数据可以看出，在该处应用四连杆机构夹具在时间和成本上都比用杠杆机构具有很大的优势。表1.1 杠杆机构组合夹具与四连杆机构央具动作时间、制造成本比较Table1.1 Comparison of operating time and manufacturing cost between the lever mechanism combination fixture and the four - link mechanism 杠杆机构组合夹具 四杆机构夹具 比较求差 关夹动作步骤 3 1 开夹动作步骤 3 1 气缸数量 3 1开关合计耗时（s） 12 4 8 气缸总价（元） 9000 3000 60001.3.2 六杆机构在焊装夹具中的应用实例 当确认四杆机构无法满足夹具的需求时可考虑采用六杆机构。六杆机构在运动规律和连杆曲线变化方面，较四杆机构有许多特色。夹具要稳定、可靠地实现对车身零件的定位夹紧动作，必须要有确定的运动。六杆机构确定运动时机构的原动件数目应等于机构的自由度数目。在进行夹具设计时，从成本角度来考虑，动力输人源的数量越少越好，从减轻重量的角度来考虑也是这样。所以，设计时优先考虑原动件为1个，机构自由度为t。平面连杆机构自由度F的计算公式如下: F=3n-2P1-P2 P1单自由度低副数;P2双自由度高副数;n机构中可动构件总数。 单自由度的六杆机构比较常用的有下面2种运动链:瓦特型和斯蒂芬森型(见图1.8、图1.9)。 图1.8瓦特型六杆机构图图 1.9斯蒂芬森型六杆机构 Fig1.8 Watt six-bar mechanism Fig1.9 Stephenson six-bar mechanism 通过上面的自由度计算公式得出:F=35-27-0=1。 图1.10、图1.11所示是总拼焊装线上夹持定位尾灯流水槽翻边的夹具，要求夹具打开后能够完全让开零件，整套夹具机构可以从侧面退出。该套夹具采用的是瓦特型六杆机构，用1个气缸作动力源来驱动六杆机构，同时实现定位和夹紧2个动作。 图1.10 六杆机构夹具 图1.11六杆机构夹具运动分析图 Fig1.10 Six-bar mechanism fixture Fig1.11 Kinematics Analysis of Six - bar Mechanism 这里使用的六杆机构夹具与传统杠杆机构夹具相比，具有如下优势:夹具结构得以简化，减轻了夹具重量;气缸使用数量减少，降低了成本。1.4 五官科治疗椅 五官科治疗椅是耳鼻喉科室的重要治疗设备，见图1.12。它可以根据治疗的需要，随时改变治疗体位的变化。目前，国内医院大多配备欧美产品，由于欧美人群身高较长，平均180 cm，治疗椅最小高度一般在558 mm左右5，对于国人，平均身高170 cm，并不适合，因此适当降低座椅的最小高度，更加符合我国的实际使用情况。 图1.12五官科治疗椅图 1.13虚拟组装图 Fig1.12 Otolaryngology chair Fig1.13 Virtual assembly drawing 由于此次设计的五官科治疗椅的升降机构采用的是连杆机构，在运行的过程中，上升下降的连贯性，平稳性是必须要考虑的因素。连贯性主要是指在整个过程中不存在断点，可连续运行，而平稳性主要是指速度较恒定且加速度不大。经仿真分析，电动推杆速度V为20 mm/s的速度运行时，座椅的速度平均维持在35 mm/s。升降机构完成整个上升行程S1中，所需时间为8s，数据显示升降速度快速且平稳。见图1.14。 图1.14座椅速度曲线 Fig1.14 Speed curve of chair 加速度的大小，直接决定病人治疗过程中人体的舒适性，根据加速度曲线分析，整个上升过程中，其最大加速度不超过8 mm/s，适合人体的加速度范围，见图1.15。 图1.15座椅加速度曲线 Fig1.15 Acceleration curve of chair 此次设计中采用的连杆机构有诸多优点，例如咸本大幅度减低，最低高度明显降低至450 mm，更是合亚洲成人和儿童使用，扩大了使用范围。纵观五它科椅的发展，我们不难看出，简洁、美观、实用是其发展的主线，新的控制技术和材料的发展，推动了产品的更新换代。在不远的将来，我们会看到更加智献的五官科治疗椅，为病人带来更加舒适的治疗体验。1.5 发动机 曲柄连杆机构是发动机最重要的机构，就像人的心脏一样，曲柄连杆机构是发动机的心脏。其主要作用是将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动6，对外输出动力，同时也带动发动机本身的辅助装置工作。在发动机运转时，曲柄连杆机构的零部件需要承受高温、高压、高速摩擦和各种冲击负荷。发动机的曲柄连杆机构主要部件见图1.16。 图1.16发动机的曲柄连杆机构 Fig1.16 Crank - connecting rod mechanism of the engine 曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组三部分组成。 机体组(也叫气缸体与曲轴箱组)。由气缸体、曲轴箱、气缸盖、气缸套、气缸垫等不动部件组成。与发动机的气路、油路和水路有关。 活塞连杆组。由活塞、活塞环、活塞销、连杆等运动部件组成。与发动机力路、油路、和气路相关。曲轴飞轮组。由曲轴、飞轮等组成。与发动机动力的传递路线有关。1.6三铰点连杆挖掘机构 三铰点连杆机构在挖掘性能和结构设计方面有某些重要优点，可以用于大、中、小型挖掘机，尤其用于短斗杆、大斗容挖掘机上有明显优势。当今挖掘机为追求高生产率，提高斗杆挖掘力，短斗杆、大斗容设计是一种新趋势，尤显现于大、中型挖掘机上。另外，挖掘装载机行车时要求铲斗收拢后所占空间最小，有的要求铲斗总转角达1907,三铰点连杆机构很适合于铲斗大转角的设计。 图1.17 三铰点连杆挖掘机构 Fig1.17 excavatingmechanismwiththreehingepointslinkage参考文献1袁贵荣，罗凯等.连杆机构的应用研究及发展趋势综述J.机械设计与制造， 2008，(12)：3436.2 李立顺，刘辉等.集装箱双面吊吊臂连杆机构的设计与运动学分析M.天津： 军事交通学院，2010.272