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抓料机 小臂 设计 18 CAD 图纸 文档 全套 资料

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抓料机小臂及抓爪设计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：抓料机 小臂 抓斗 设计AbstractThe 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 目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 设计选题的意义11.2 国内外液压抓料机的发展动态和研究现状11.2.1 国外液压抓料机的发展动态和研究现状11.2.2 国内液压抓料机的发展动态和研究现状21.3 本设计的主要内容及目标31.3.1 设计的主要内容31.3.2 设计的关键问题31.3.3 设计过程中的已知参数3第二章 总体方案设计42.1 机型选择及特点分析42.1.1 所用机型的适用范围42.2 小臂及抓斗构成42.3 各组成结构形式的初选62.3.1 小臂结构形式的初选62.3.2 抓斗结构形式的初选62.3.3 小臂及抓料部分链接机构结构形式的初选72.4 原始几何参数的确定8第三章 运动学分析103.1 小臂的运动分析103. 2 连接机构的运动分析103. 3 抓爪的运动分析12第四章 参数的计算及校核144.1 小臂基本参数的确定144.1.1 小臂参数的计算及选择应考虑的因素144.1.2 小臂液压缸的最大作用力臂及的计算144.1.3 小臂其它相关尺的计算154.2 小臂的结构设计和强度校核154.2.1 小臂的受力分析154.2.2 小臂受最大弯矩工况位置的受力分析164.2.4 小臂内力图的绘制234.2.5 小臂宽度、钢板厚度、许用应力的选取244.2.6 小臂危险截面处高度h的计算254.3抓斗基本参数的确定264.3.1 抓斗主要参数的计算264.3.2 爪形尺寸的计算274.3.3转角范围确定274.4 小臂与抓斗部分链接机构参数确定284.5抓斗旋转机构参数确定294.5.1旋转器总成的选用294.5.2抓斗上下盘尺寸确定294.6抓斗翻转油缸参数确定304.6.1油缸缸工作压力计算304.6.2 液压缸主要参数的确定314.6.3 液压缸强度的较核324.7销轴与衬套的设计324.7.1销轴的设计324.7.2 衬套的设计33总结34参考文献35致谢36附录：3742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。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: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。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+ l92-2COS2l8l92 = COS-1（L22- l82-l92）/2l8l9 (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）/2l15l1430 = HGN = COS-1（L32+ l152- l142）/2L3l1432 = GMN = - MNG - MGN = -22-30 (3-11)在三角形HNQ中l 272 = l142 + l212 + 2COS23l14l21HNQ = COS-1（l212+l142- l272）/2l21l14 (3-12)在三角形QHK中27 = QHK= COS-1（l292+l272-L242）/2l29l27 (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r1r1 = l13Sin32 (3-15)连杆HK对N点的作用力臂r2r2 = l13Sin NHK (3-16)而由r3 = l24，r4 = l3 有3连杆机构的总传动比i = （r1r3）/（r2r4） (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）/2l21l2 (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)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 - 2COSDCFl1l6 (3-23)l62 = l82 + l12 - 2COS3l1l8 3 = COS-1（l82+l12l62）/2l1l8 (3-24)在三角形DEF中L22 = l82 + l92 - 2COS2l8l9 图3-4 抓爪坐标方程推导简图则可以得小臂瞬间转角2 2 = COS-1（l82+l92- L22）/2l8l9 (3-25)4、6在设计中确定。由三角形CFN知：l28 = Sqr（l162 + l12 - 2COS32l16l1） (3-26)由三角形CFQ知：l23 = Sqr（l22 + l12 - 2COS32l2l1） (3-27)由Q点知：35= CQV= 233-24-10 (3-28)在三角形CFQ中：l12 = l232 + l32 - 2COS33l23l3 33 = COS-1（l232+l32- l12）/2l23l3 (3-29)在三角形NHQ中：l132 = l272 + l212 - 2COS24l27l21 24 =NQH=COS-1l272+l212 -l132）/2l27l21 (3-30)在三角形HKQ中：l292 = l272 + l242 - 2COS26l27l24 26 =HQK=COS-1l272+l242l292）/2l27l24 (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。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及的计算 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，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： = =643 mm 图4.1 小臂机构参数计算简图如图4.1所示，小臂液压缸初始力臂与最大力臂之比是小臂摆角的余弦函数，则存在以下式子。可见已定时愈大，和就愈小，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，初取= 由图4.1的几何关系有： = =1712.92 mm而 =1.61712.92=2740.67 mm同样由图4.1所示可知，由余弦定律知： = =2311 mm4.1.3 小臂其它相关尺的计算 小臂上取决于结构因素和工作范围（如图2.2），一般在之间，初定=，同样的大臂上的也是结构尺寸，并按结构因素分析，可初选=。4.2 小臂的结构设计和强度校核4.2.1 小臂的受力分析 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。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；作用在抓斗上的抓取力，包括切向阻力，法向阻力，侧向阻力。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。 根据前面的已知的角度可求得：=，由图4.2所示可知，向量CF可以表示为： 向量 =图4.3 F点坐标计算简图由前面的计算结果可知，在中= 通过上式可解得=同样在前面我已经确定了 在四边形CDEF中=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： 则取正值就是 向量 FV= =3580.86连杆机构的总传动比为r，抓斗油缸对N点的作用力臂为； 连杆HK对N点的作用力臂为； 连杆对Q点的作用力臂为； 抓斗对Q点的作用力臂； 则可得此时抓斗的理论抓取力： 切向阻力： 抓斗的重心到Q点的水平距离为 =取抓斗为研究对象，如图4.3所示，并对Q点取矩，则有： 代入数值可得： 法向阻力的求解：小臂及抓斗所受重力对C点的力矩有： 把，的值代入上式得：到C点的距离为： = =2808.89 mm到C点的距离为：法向阻力决定于大臂油缸闭锁力， 取整个小臂及抓斗为研究对象，则有： 即 把以上求得的数值全部该式可求得： N 小臂油缸作用力的求解： 向量FQ在X轴上的模量： = =如图4.2所示，取小臂（带斗和连杆机构）为研究对象，则有： 将已知量代入数值可得：解得： =2.3N而些时的小臂闭锁力为：，略大于说明闭锁力中够横向抓取力的求解： 横向抓取力由回转机构制动器所承受，即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： = =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： Q点作用力与作用力矩，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-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 即 即其中 将这些数值代入到上式中就可以得到： 解上两式得： 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为轴，过V点与VQ垂直的直线为，建立坐标，则有： 即 代入数值得：解得： 即代入数值得：解得： 即代入数值得：解得： 即代入数值得：解得：N点的作用力与力矩，及的求解：取曲柄和连杆为研究对象，如图4.6所示：则有： NH-摇臂 HK-连杆 F3-抓斗油缸推力RK-连杆沿HK方向的作用力 RNy-摇臂没HK方向的作用力图4.6 曲柄和连杆的受力图 即 代入数值得： 如图可知： 同样根据图可知： 代入数值得： F点作用力与作用力矩的求解： 以小臂为研究对家，进行受力分析计算，以F为原点，FN为X轴，以垂直FN的FY为Y轴进行分析： 即 即 另外 代入数值得： 同样由图可知： = = = = 则总力矩M： = = 4.2.4 小臂内力图的绘制 根据最大弯矩工况所求出的小臂所受到的力和力矩，可以分别绘制出在最大弯矩工况下内力图。对于最大弯矩工况，小臂的内力图包括横向力，小臂平面内外的弯矩和剪力；最大弯矩工况下小臂的轴向力N图，如图4.8（单位：N）图4.8 最大弯矩工况下小臂N图最大弯矩工况小臂的图，如图4.9（单位：N）图4.9 最大弯矩工况下小臂图最大弯矩工况下小臂的图，如图4.10（单位：）图4.10 最大弯矩工况下小臂的由前面的受力分析知，在通过F点且与小臂下底板垂直的截面所受到的应力最大，是危险截面，故首先要对该截面进行计算，然后以此为基础再求解其它尺寸。4.2.5 小臂宽度、钢板厚度、许用应力的选取由经验统计和其它同斗容机型的测绘，取小臂宽度抓料机所用的钢板的厚度在我国一般为815 mm，初选底板厚度侧板厚度 如图4.13所示如图4.13 小臂截面 在抓料机选用的结构钢材一般选16Mn，其有足够的屈服极限和良好的机械性能，其屈服极限，在小臂中安全系数，则小臂的许用应力为： 4.2.6 小臂危险截面处高度h的计算 危险截面的有效面积为： = = （4.1）该截面对Z轴的惯性矩 （4.2） =该截面对Y轴的惯性矩：. （4.3） =横截面的总面积： （4.4）该横截面受到的最大正应力： （4.5）该截面受到最大的弯曲正应力，。 （4.6） （4.7）则截面所受到轴向拉应力与弯曲应力合成后有： （4.8）由于剪应力的大小相对于弯矩所产生的弯曲正应力要上得多，为简化计算，在计算中简应力忽略不计，仅在校核中用，则有： （4.9）由式4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9可解得： 有了危险截面的结构尺寸，再结合前面的基本心尺寸，就可以利用软件小臂绘制出。这样小臂的所有尺寸就已经基本确定。4.3抓斗基本参数的确定4.3.1 抓斗主要参数的计算 抓斗的主要参数包括抓斗的宽度b，转动半径（抓爪开闭时绕抓爪销转动的半径）。这两个参数都可以用经验公式进行计算： 抓斗宽度的计算： 抓斗转动半径的计算： 4.3.2 爪形尺寸的计算 根据抓斗主要参数可进一步设计计算爪形其它的结构尺寸，如图5.3所示图5.3抓斗爪形计算尺寸图中三角形OGE为等腰三角形，OA段直线，AB弧为抛物线，A点到直线EB的距离为H，抛物线定点高度为L，一般取H=L，根据一般的取值范围，斗尖角=斗侧臂角，包角。计算的抓料机抓斗的各种参数。 4.3.3转角范围确定由最大抓取高度和最大卸载高度的分析，可以得到初始转角 代入数值得： 解得：最大转角，其不易太大，太大会使斗齿平均抓取力降低，初选=4.4 小臂与抓斗部分链接机构参数确定图4.4 抓斗连接机构计算简图 -摇臂的长度，-连杆的长度；-抓斗的长度；-小臂的长度；F-小臂的下铰点；G-抓斗油缸的下铰点；N-摇臂与小臂的铰接点；K-抓斗的上铰点；Q-抓斗的下铰点。 其中由设计经验可知： 则有：和的确定 抓斗的最大抓取力阻力应该等于小臂的最大抓取力，即 粗略的计算小臂抓取平均阻力 抓取阻力所做的功： = （5.1）由图5.4可知，抓斗油缸推力所做的功： = （5.2）由功能守恒知抓斗油缸推力所做的功应该等于抓斗抓取阻力所做的功； （5.3） 将式5.1和式5.2代入5.3中计算可得： 则： 剩余未选定的基本尺寸大部分为连杆机构尺寸，其应满足以下几个条件： 在三角形GFN中利用余弦定律：代入数值得：4.5抓斗旋转机构参数确定第二章以进行过说明，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。本设计的旋转器总成直接从市场采购不需单独设计。下面主要对旋转机构中抓斗上下盘的尺寸进行设计说明。4.5.1旋转器总成的选用旋转器总成直接从市场采购不需单独设计，型号为SE25-50。4.5.2抓斗上下盘尺寸确定根据前述关于小臂与抓斗链接机构、抓斗相关尺寸的计算配比得出抓斗上下盘尺寸确定如下：图4.5 抓斗上下盘计算简图4.6抓斗翻转油缸参数确定4.6.1油缸缸工作压力计算手爪要能抓起工件必须满足： （4-6）式中，-为所需夹持力；-安全系数，通常取1.22；-为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机械手在搬运工件过程的加速度，为重力加速度；-方位系数，查表选取；-被抓持工件的重量 3000；带入数据，计算得： ；理论驱动力的计算： （4-7）式中，-为柱塞缸所需理论驱动力；-为夹紧力至回转支点的垂直距离；-为扇形齿轮分度圆半径；-为手指夹紧力；-齿轮传动机构的效率，此处选为0.92；其他同上。带入数据，计算得 计算驱动力计算公式为： （4-8）式中，-为计算驱动力；-安全系数，此处选1.2；-工作条件系数，此处选1.1；其他同上。带入数据，计算得： 而液压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有 （4-9）式中，-为柱塞缸工作油压；-为柱塞截面积；经计算，所需的油压约为： 4.6.2 液压缸主要参数的确定 针对本设计是一个机械手的特点考虑，机械手系统的刚度及其稳定性是很重要的。因此，先从刚度角度进行液压缸缸径的选择，以尽量优先保证机械手的结构和运动的稳定性、安全性。至于液压缸的工作压力和缸的工作速度，放在液压系统设计阶段，通过外部的液压回路、采用合适的调速回路和元件来实现。经过仔细分析，综合考虑各方面的因素，初步确定液压缸的基本参数如下；表3-2 抓斗油缸缸参数缸内径壁厚直径行程工作压力1001055354（9961350）15254.6.3 液压缸强度的较核（1）缸筒壁厚的较核 当 D/时，液压缸壁厚的较核公式如下： （4-10）式中，-为缸筒内径；-为缸筒试验压力，当缸的额定压力时，取为；-为缸筒材料的许用应力，为材料抗拉强度，经查相关资料取为650，为安全系数，此处取； 带入数据计算，上式成立。因此液压缸壁厚强度满足要求。（2）活塞杆直径的较核活塞杆直径的较核公式为 （4-11）式中， -为活塞杆上作用力；-为活塞杆材料的许用应力，此处；带入数据，进行计算较核得上式成立，因此活塞杆的强度能满足工作要求。4.7销轴与衬套的设计4.7.1销轴的设计由于销轴与衬套的配合间隙较小，故以剪应力强度作为销轴的基本尺寸的设计，抗压强度与抗弯强度用于校核用。 由于则 （4.1）在设计计算时，应以所有工况中销轴所受到的剪应力最大值对销轴进行设计。在本设计中，销轴所选用的材料为40CrMnMo，其耐磨，在热处理后有着良好的综合机械性能。销轴设计成一端带轴肩，另一端设计成成带有内螺纹盲孔，与六角法兰式螺栓连接，由于销轴在重载的较恶劣工况中工作，故选择=160MPa。代入到式6.1中得：小臂各销轴的尺寸： 抓斗各销轴的尺寸：六角法兰式螺栓选用由销轴的直径进行选择。销轴的设计如图6.1所示：图4.10 销轴4.7.2 衬套的设计为使衬套耐磨，减震与润滑性能好，选择衬套的材料为铜基合金。衬套的厚度为5mm与销轴和圆筒分别采用间隙和过盈配合。则各销轴的尺寸为： 小臂各衬套的尺寸：抓斗各衬套的尺寸： 总结本次设计基本完成了抓料机小臂及抓斗各个部分的设计，并且也对其中重要机构进行了各种校核。设计中主要进行了抓料机总体结构方案的设计，液压抓料机主要参数的确定，另外对抓料机各个组成部分的参数进行了计算及校核，这其中主包括了大臂的选型，大臂参数的计算及校核；小臂机构的选型，小臂机构参数的计算及校核；挖斗机构的各种尺寸参数的计算。同时也包括了大臂，小臂，挖斗驱动装置的设计。通过本次设计，一方面巩固和加深了所学的理论知识，提高了对理论知识的综合和应用能力及计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时对各科相关课程有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。也培养了自我的创新意识，在创新能力方面得到了一定的锻炼和提高。由于抓料机反铲装置的合理设计问题至今尚未理想的解决。以往多按经验，采取统计和作图试凑的方法，所以本次设计也不例外，在计算中和校核中有很多地方采用了经验公式大或者是与相同斗容的抓料机进行类比的方法，这样就造成了很多的计算出来的数据不是很准确，但是必须是满足校核的要求，其实以上的缺陷也可以通过一定的方法进行改进，那就是在设计的过程中应尽可能的采用数解分析方法，并利用电子计算机辅助设计。这样就可以大的提高设计精度，各种计算数据的准确性也会很大的提高。通过本次毕业设计，我感到自己应用基础知识及专业知识解决问题的能力有了很大的提高，并且这次毕业设计的选题，是一个非常典型的工程机械，因此，是在我即将工作之前，一次很重要的演练。我想，通过这次毕业设计，到了工作单位后，我将能够更快的适应工作岗位和工作要求。我对自己充满信心。总之，这次毕业设计对我而言是受益匪浅的。参考文献1 孔德文 赵克利 徐宁生 液压抓料机 北京 化工工业出版社2006。2 张铁 液压抓料机结构原理及使用 山东 石油大学出版社2002。3 黄东胜 邱斌 现代抓料机械 北京 人民交通出版社 20034 杨国平 龙国键 现代工程机械技术 北京 中国工业出版社20035 天津工程机械研究所 单斗液压抓料机 北京 中国建设筑工业出版社1977.6 吉林工业大学阎书文 机械式抓料机设计 北京 机械工业出版社 1982.7 同济大学 单斗液压抓料机 北京 中国建设筑工业出版社 1986.8 曹善华 单斗抓料机 北京 机械工业出版社 1989.9 刘本学 液压抓料机反铲小臂及抓斗的有限元分析 西安 长安大学出版社 200310 段鹏飞 毛君. 工程机械 北京 华侨出版社 200211 M-H.chiang Experimental implementation of complex path tracking control For large robotic hydraulic excavatorsJ Int J Adv Manuf Techno(2004) 23:126-13212 Operating and Maintenance Instructions UNC-060.V.Edition，1989.13 J.E.Shigley. Mechanical Engineering Design. McGraw-Hill，1997.14 Haug EJ.Arora JS. Applied Optimal Design. Awiley-Interscience Publi-Caterpillarion，1979.15 Johnson RC.Mechanica Design Synthesis with Optimization AppliCaterpillarions. VanNostrand Reinhold Company，1971.16 J.E.Shigley. Mechanical Engineering Design. McGraw-Hill，1997.致谢四年的大学生活即将结束，在这四年里我学会了不少的东西，无论在学习上、生活中、思想上都有很大的转变，从一开始带着父母的殷切希望，怀着充实自我，掌握一技之长，为以后找工作，实现自己的人生价值的目标作努力，到最后找工作进一步接触社会，学到一些从理论上学不到东西，增加了许多经验，这一切的成果都离不开众多可敬师长谆谆教导、不厌其烦的耐心讲解传授，以及许多同学、朋友的坦诚相见砥励共勉；加上自己对本专业有一定的兴趣，特别是在毕业设计期间，大家更是同心努力希望自己把设计搞好，因为这是四年大学生活最后的收尾工作，它是我们平时对我们所学的课程理解，接受能力，熟知程度，以及记忆能力的一个体现。在这四年中，从基础课到专业课四五十门，但这都是零散的，成块吸收，而最终的毕业设计就是把这些零散、成块的知识有条理、系统化，综合运用。达到检验所学程度的目的，既是对综合运用知识的能力的培养，又是为将来走上工作岗位的做的一次实战模拟。抓料机对我来说是陌生的，因为平时接触这方面的知识很少。在整个设计过程中，我学会了如何把所学的知识应用到设计中去，不是单一的设计一件东西，而是要灵活运用，举一反三，能运用到别的设计中去，不过，在设计上还有很多缺陷，需要进一步完善，希望各位领导和老师提出意见，批评指正，使以后不在犯同样的错误，不断成熟、进步，在此我感谢各位领导和老师的孜孜不倦的教悔和热心帮助。经过了近3个月的时间,我的毕业设计终于作完了,在整个设计过程中我尊敬的老师们和我的同学给予了我很大的帮助，在此我深表感谢，没有他们的帮助我很难将这次毕业设计做好。我更加感谢的我的指导老师陈少云老师，在我的整个设计过程中都给予了我很大的支持和帮助，在此,我对陈老师衷心的说一声谢谢。我还要感谢院里的领导，因为是他们为我提供了这次机会。谢谢!附录：液压传动简介液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，1795年英国约瑟夫布拉曼(Joseph Braman,1749-1814)，在伦敦用水作为工作介质，以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。1905年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。第一次世界大战(1914-1918)后液压传动广泛应用，特别是1920年以后，发展更为迅速。液压元件大约在 19 世纪末 20 世纪初的20年间，才开始进入正规的工业生产阶段。1925 年维克斯(F.Vikers)发明了压力平衡式叶片泵,为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。20 世纪初康斯坦丁尼斯克(GConstantimsco)对能量波动传递所进行的理论及实际研究;1910年对液力传动(液力联轴节、液力变矩器等)方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。第二次世界大战(1941-1945)期间,在美国机床中有30%应用了液压传动。应该指出,日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近 20 多年。在 1955 年前后 , 日本迅速发展液压传动,1956 年成立了“液压工业会”。近2030 年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。 动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。 执行元件(如液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。 控制元件(即各种液压阀)在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为益流阀(安全阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。 辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位油温计等。液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。 液压系统的作用就是帮助人类做工。主要是由执行元件把压力变成转动或往复运动。 液压系统由信号控制和液压动力两部分组成，信号控制部分用于驱动液压动力部分中的控制阀动作。液压动力部分采用回路图方式表示，以表明不同功能元件之间的相互关系。液压源含有液压泵、电动机和液压辅助元件；液压控制部分含有各种控制阀，其用于控制工作油液的流量、压力和方向；执行部分含有液压缸或液压马达，其可按实际要求来选择。在分析和设计实际任务时，一般采用方框图显示设备中实际运行状况。 空心箭头表示信号流，而实心箭头则表示能量流。基本液压回路中的动作顺序控制元件（二位四通换向阀）的换向和弹簧复位、执行元件（双作用液压缸）的伸出和回缩以及溢流阀的开启和关闭。 对于执行元件和控制元件，演示文稿都是基于相应回路图符号，这也为介绍回路图符号作了准备。根据系统工作原理，您可对所有回路依次进行编号。如果第一个执行元件编号为0，则与其相关的控制元件标识符则为1。如果与执行元件伸出相对应的元件标识符为偶数，则与执行元件回缩相对应的元件标识符则为奇数。 不仅应对液压回路进行编号，也应对实际设备进行编号，以便发现系统故障。DIN ISO1219-2标准定义了元件的编号组成，其包括下面四个部分：设备编号、回路编号、元件标识符和元件编号。如果整个系统仅有一种设备，则可省略设备编号。实际中，另一种编号方式就是对液压系统中所有元件进行连续编号，此时，元件编号应该与元件列表中编号相一致。 这种方法特别适用于复杂液压控制系统，每个控制回路都与其系统编号相对应与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点：1、液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。2、重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快。3、操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：1）。4、可自动实现过载保护。5、一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长；6、很容易实现直线运动/7、很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。液压系统的缺点：1、由于流体流动的阻力和泄露较大，所以效率较低。如果处理不当，泄露不仅污染场地，而且还可能引起火灾和爆炸事故。2、由于工作性能易受到温度变化的影响，因此不宜在很高或很低的温度条件下工作。3、液压元件的制造精度要求较高，因而价格较贵。4、由于液体介质的泄露及可压缩性影响，不能得到严格的传动比。5、液压传动出故障时不易找出原因；使用和维修要求有较高的技术水平。在液压系统及其系统中，密封装置用来防止工作介质的泄漏及外界灰尘和异物的侵入。其中