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四绳散货抓斗结构及虚拟样机设计,散货,抓斗,结构,虚拟,样机,设计
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四绳散货抓斗结构及虚拟样机设计STRUCTURE OF FOUR ROPE BULK GRAB AND DESIGN OF VIRTUAL PROTOTYPE 摘要本文主要介绍四绳抓斗的整体设计过程和设计理论,其中重点对四绳抓斗的结构进行设计。四绳抓斗是一种作循环、间歇运动的抓取装置，其主要由撑杆、颚板、横梁组成。其运动过程包含：空抓斗下降，装载物料，满载抓斗上升和卸下物料四个过程。根据抓斗的发展现状，结合使用中存在的问题，首先要对影响抓斗抓取能力因素的分析与计算抓斗的各项参数，并且对其进行受力分析和强度计算。选择相应的滑轮组与钢丝绳，并且进行受力分析，然后通过计算得出参数，通过使用solid works软件对四绳抓斗各个零部件进行三维建模，并且将各个零部件进行装配。最后将装配好的四绳抓斗导入到仿真软件，对四绳抓斗虚拟样机仿真，测试各部分参数。关键词 组成；运动过程；计算；建模；仿真AbstractThis paper mainly introduces the whole design process and design theory of four rope grab, it is the key to design the structure of four rope grab. Four rope grab is device for a kind of circulation and the intermittent motion, it is mainly composed of poles, jaw plate, beam. It is process of movement include four processes of empty bucket fell, the loading of material, carrying grab up and unload material. According to present situation of grab , combining with the problems that exist in the reality, first of all, analyzes and calculates the factors that affect the ability of the grab bucket of each parameter, and carries on the stress analysis and strength calculation. Choosing pulley block and wire rope of correspondence and analyzing force, and then calculating parameters, we use the software of solid words 3d modeling for every parts and components in the four rope grab, and the various components are assembled. Finally, the four rope grab have been assembled that lead into the simulation software, virtual prototype of the four rope grab simulate, and test parameters of each part.Keywords Construction Process of movement Calculation Modeling Simulation II目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 背景及意义11.2国内抓斗的发展现状11.3抓斗发展趋势11.4抓斗的设计要求21.5研究内容22 抓斗的设计方案42.1抓斗的分类42.1.1单绳抓斗42.1.2四绳抓斗42.1.3耙式抓斗52.1.4剪式抓斗62.1.5钳式抓斗62.1.6多颚板抓斗62.2 四绳抓斗方案的确定72.2.1抓斗的选型72.2.2四绳抓斗的结构72.2.3四绳抓斗的工作原理82.3抓斗的结构设计方案92.3.1抓斗同步约束装置92.3.2刃口的结构型式92.3.3抓斗支撑杆102.3.4抓斗的上下承梁112.3.5抓斗的颚板112.4影响抓斗抓取能力的因素122.4.1 散料特性122.4.2抓斗结构尺寸122.4.3 抓斗自重G122.4.5散货抓斗的容积133 抓斗结构分析与计算143.1抓斗设计计算143.1.1抓斗自重计算143.1.2抓斗自重分配143.1.3颚板宽度153.1.4抓斗其它几何参数153.1.5抓斗颚板的侧面形状163.2抓斗的受力分析173.3钢丝绳193.3.1钢丝绳拉力分析193.4抓斗各部分设计203.4.1抓斗斗体的设计203.4.2支撑杆的设计213.4.3上承梁的设计223.4.4下承梁及支撑件的设计243.4.5其他零部件设计263.4.6滑轮的设计273.5主要零件的校核273.5.1抓斗颚板与下承梁连接轴的校核283.5.2上承梁与支撑杆连接轴的校核283.5.3支撑杆强度的校核293.5.4滑轮轴的校核303.5.5颚板的校核304 三维建模过程及其仿真324.1 建模过程简述324.2 抓斗主要部件的实体建模324.2.1上承梁建模324.2.2支撑杆建模324.2.3下承梁建模334.2.4颚板建模334.2.5滑轮建模344.2.8抓斗装配体344.3四绳抓斗仿真354.3.1四绳抓斗仿真的意义354.3.2四绳抓斗仿真参数354.3.2抓斗仿真结果分析36总结37致谢38参考文献39361 绪论1.1 背景及意义尽管本世纪以来，人们研发了多种类型的散货装卸设备，但是由于抓斗的间歇式工作方式仍具有许多其他装载方式无法比拟的优点，所以到目前为止，抓斗仍然是卸货的主流设备。抓斗主要由颚板，上下承梁，支撑架组成，通过左右两个颚板的开闭，装卸散状物料，同时能够在各种恶劣的环境下取代纯人力劳动，例如从事黄砂、石头、垃圾、煤炭、矿粉、淤泥、散化肥等物料装卸生产活动。经过近些年生产科技的不断发展，抓斗功能和性能也在不断提高，抓斗也在更多的场合应用。由于抓斗在各个场合的使用，因此工人们的工作效率得到大幅度提高。抓斗在我国经历了多个阶段的发展，经过长期的发展与应用，逐渐开发出多个类型，技术也更加成熟。我国的抓斗技术不管从产品开发水平还是从商品化、市场化程度都已达到国际先进水平，与此同时我国根据经济建设需要，结合国情，开发具有自己特色的抓斗结构及其控制系统。因此本课题的研究从实际情况出发，研制出一批高速度、高效率、多功能，更加节能，技术含量高的新型抓斗，具有十分重要的历史意义。本课题涉及机械制图、计算机软件应用等众多知识，要将所学的各们专业课理论知识与实践知识有效结合在一起，开拓创新，积累广泛的工程经验，对个人能力的进一步提高和未来的发展起到了非常重要的作用。1.2国内抓斗的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抓斗发展趋势最近这些年来，由于经济危机的影响，工业发展严重滞后，但是随着经济危机的缓解工业生产状况的回温，作为货物装卸设备的抓斗社会发展中扮演着重要角色，作用愈来愈明显，对抓斗的需求量不断提高。伴随着抓斗频繁的使用率，对抓斗生产质量也比较重视。抓斗经过在实践的运用以及总结，正在经历着一个巨大的改变。以下是抓斗的趋改变势：专业使用化与大型化：因为随着工业生产状况的不断回升，生产效益的不断提高，商品生产过程中货物卸载花销比例的不断增加，工业生产方式的改进以及用户需求，使大型以及专用抓斗需求量的进一步提高，使专用抓斗的市场继续壮大，种类更加新颖，功能也更加强大，满足各个场合的使用。 简单便利化与轻型化：一般来说，很多的抓斗被使用在专用场合，通常工作不是很频繁。但是总的来说，这一类型的抓斗生产的批量比较大、用途也比较广泛，因为生产效益的原因，因而抓斗的高度要最大化的减小，简化抓斗的结构设计，减小抓斗各个零部件的质量，从而使整个抓斗的结构更加简单。降低抓斗的造价，抓斗结构所占总体的质量比较大，因此以后抓斗的进一步改进需要使用新型材料以及更加合理的结构，从而使抓斗的质量更加轻盈，以便在更多的场合中使用。人工智能化与自动化：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。实用化与新型化：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抓斗的设计要求 抓斗是使用在重型机械上的一种装载与卸货的装置，通常用在装卸大批量零散的货物，一般使用在工厂、集装箱港口、火车站、采石场、林场等地方。然而在一些场合所使用的抓斗还不能够实际情况的需要，虽然剪式抓斗在一些场合中应用广泛，但是当它在闭合结束时，它的闭合力仍在不断地减小，这个致命的弱点严重影响抓斗在抓取货物时的效果。目前，四绳散货抓斗也得到广泛的使用，在各个场合都能看到它的身影，它也有比较多的优点，例如它具有装卸效率高、作业快、功能全、抓取性能优越、安全性高、适用范围比较广、结构简单、维护方便、价格比较适中等优点。根据设计方法学与创造学的理论基础，经过对四绳散货抓斗的结构分析，计算各部分参数，分析出四绳抓斗结构的设计方案，最后得出四绳抓斗结构设计的方案。功能方面：抓取性能好，有较大的抓取力，装卸效率高，装卸性能好，空中任意位置颚瓣可闭合、打开，闭合性能好，能防散漏，适用范围广，即可住小颗粒物料，也可抓取大颗粒物料；结构方面：结构新颖，结构简单、紧凑；材料方面：材料耐磨性能好，价格便宜；经济、使用安全等方面：尽量能在各种起重机、挖掘机上配套使用，维护、安装方便，工作可靠，使用安全，总成本低廉。1.5研究内容改革开放以来，伴随着我国经济的全面腾飞，尤其是在港口、各种类型的矿场等场合。大量的散货需要使用抓斗进行装卸，抓斗作为装载场合的主要装载工具，引起了很多人的关注，抓斗的装载性能关系到抓斗的在抓取散货时的工作效率，因此对抓斗的研究也应运而生。本课题主要研究四绳双颚板抓斗的结构设计、三维实体建模，并通过机械动力学仿真软件进行虚拟设计和优化。根据已给定的参数，已知四绳抓斗的最大起重量25t，抓斗的斗容17m3，最大开度4785mm，钢丝绳直径32mm，滑轮直径720mm， 散货密度0.7-1.0t/m3，粒度30mm。根据已给定参数，并依据相关国家标准，对散装抓斗进行设计。首先， 通过分析抓斗各个部分的负载，计算抓斗结构强度，从而对抓斗的结构进行优化，提高四绳抓斗的抓取散货能力，强化抓斗的抓取性能以及工作效率。2 抓斗的设计方案2.1抓斗的分类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。单绳抓斗见图2-1。 图2-1 单绳抓斗2.1.2四绳抓斗四绳抓斗是双绳抓斗的一种类型。四绳抓斗通常主要由闭合绳以及支撑绳、下承梁、上承梁、颚板等几个部分组成。四绳抓斗的滑轮组的滑轮分别安装在上承梁和下承梁上。四绳抓斗上的铰合处一般采用自动润滑套与滑动轴承来降低相互间的消耗。四绳抓斗见图2-2。图2-2 四绳抓斗2.1.3耙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。耙式抓斗见图2-3。图2-3 耙式抓斗2.1.4剪式抓斗剪式抓斗一般采用剪刀原理进行设计，剪式抓斗主要由前臂、中心铰轴、平衡架（或称均衡架）、滑轮组以及颚板等部件组成。剪式抓斗在抓取散货过程中工作性能突出，一般适合在装卸大容量货物的场合。因为选择了比较小滑轮的倍率，所以颚板的闭合时间比较短，提高了抓斗在抓取货物时的工作效率，剪式抓斗的覆盖面积相对比较大，耙集性能比较强大，并且抓取深度较深。剪式抓斗一般在半空中颚板打开，剪式抓斗的刃口正常在一个水平面上运动，并且紧贴散货开闭颚板，极大的降低了卸料过程中粉尘飞扬的场面。剪式抓斗见图2-4。图2-4 剪式抓斗2.1.5钳式抓斗钳式抓斗主要包含一个中心铰轴、内斗壁、外斗壁、横梁以及斗体等零部件组成。钳式抓斗见图2-5。图2-5 钳式抓斗2.1.6多颚板抓斗一般超过2个颚板的抓斗为多颚板抓斗。多颚板抓斗颚板一般都安装下承梁，支撑杆的下端被用来作为支撑点，斗体围绕支撑点旋转，进一步实现抓斗的张开与闭合运动。多颚板抓斗的颚板数目越多，颚板的宽度就会越小，抓斗完全张开后便于进入散料堆中，一般都用于装卸大块的石块与废品之类的散货。多颚板抓斗见图2-6。图2-6 多颚板抓斗2.2 四绳抓斗方案的确定2.2.1抓斗的选型单绳抓斗的工作效率比较低下，在抓取散货的过程中，抓斗的闭合力逐渐在变小，单绳抓斗的使用范围比较小，因此使用单绳抓斗在抓取散货过程中，装载的填充量比较低。而耙式抓斗的优点是抓斗的开度比较大，颚板闭合时它的刃口接近水平，有很好的抓取性能，便于有效的抓取散货，和淸舱底作业。耙式抓斗也有自身的缺点，在闭合时重心比较高，比较容易倾斜。另外，如果抓斗颚板的铰点与颚板的刃口之间的距离过大，则抓斗在抓取散货时的效率将会降低。剪式抓斗比较突出的特点是抓斗在闭合过程中刃口所受到的力逐渐增大，抓斗完全闭合后，刃口的力达到最大值，钳式抓斗最突出的特点是抓取力比较大，钳式抓斗与耙式抓斗相比，结构更加简单，并且钳式抓斗从开始闭合到闭合完毕后，闭合力都比较大，抓斗填充量因而较大。对四绳抓斗的研究表明，四绳抓斗与钳式抓斗相比，工作效率约高出45%。钳式抓斗的自身重量相对较轻，结构比较单一，重心较低。并且剪式抓斗在抓取散货时的效率相对较低，因而不用作大容重散货的抓取。通常四绳抓斗抓取的散货容重都比较小。四绳抓斗的优点是抓斗不论哪种类型的散料，都具有优良的适应性，以及重心比较低，抓取能力较强，所以得到广泛的使用。根据上述抓斗优缺点的对比，四绳抓斗更符合此次设计的要求，因此这次抓斗设计选用四绳抓斗。2.2.2四绳抓斗的结构四绳抓斗是由颚板1，下承梁2，支撑杆3，上承梁4，滑轮和钢丝绳5组成。支撑绳用来升降抓斗，支撑绳的一端固定在抓斗的上承梁上，另外一端则固定在卷筒上。闭合钢丝绳用来控制抓斗的开与闭，钢丝绳连接在下承梁上，并且绕在上下两个滑轮上，最后连接在另一个卷筒上。滑轮组倍率一般为2-6倍。抓斗的组成见图2-7。图2-7 抓斗的组成2.2.3四绳抓斗的工作原理抓斗主要任务就是抓取和卸载物料，其运动过程为：空抓斗下降装料满载抓斗上升卸货。空抓斗下降：抓斗在空载下降的过程中，闭合绳慢慢地松弛，直到完全接触到散货。此时，抓斗的全部重量都由支持绳承受，抓斗完全放松。与此同时抓斗的闭合绳以及支持绳必须同时下降，空载的抓斗保持此状态，直到接触到散货。装料：空载抓斗降落到散货上，支持绳不断放松，抓斗在自身的重量下，抓取散货。然后收紧闭合绳，使两个颚板逐渐靠近，直到闭合抓取货物。满载抓斗上升：抓斗在抓取散货结束后，抓斗的闭合绳逐渐收紧，与此同时闭合绳以及支持绳同时收紧。此时，装载货物的抓斗开始向货物的上方移动。四绳抓斗离开货物的瞬间，抓斗及货物的全部重量都将由闭合绳独自承受，支持绳不停的收紧，抓斗及货物的重量将由支持绳和闭合绳共同承受。卸货：装满货物的抓斗到达相应地点以后，闭合绳逐渐松开，此时，满载货物的抓斗，支持绳承受抓斗与货物的重量。负载的四绳抓斗在货物重量、下承梁以及颚板的相互作用下，卸下散货。2.3抓斗的结构设计方案2.3.1抓斗同步约束装置在抓斗的设计过程中，抓斗的每个部分必须保持一个自由度，以此来保证抓斗在抓取货物的过程中，发生两个颚板在没有遇到足够大的阻力下没法完全的闭合，影响抓斗的工作效率的情况。并且，为了杜绝抓斗在上升与下降的过程中发生碰撞、抖动的现象，提高抓的闭合效率。因而，一般在抓斗的上承梁与支撑杆的结合处，使用同步约束装置将两个支撑杆连接起来，从而使两侧的支撑杆与上承梁有一个相应的自由度。同时，在下承梁的连接处，也要添加同步约束装置，一般使用扇形齿轮连接和单铰连接。见图 2-9抓斗常见的几种约束装置。图2-9 抓斗支撑杆同步约束装置a表示两侧支撑杆采用凸轮连接，结构复杂，结构精度较高；b表示上承梁与右边的支撑杆采用刚性连接，撑杆受力不均匀，支撑杆要有高的强度；c d表示结构刚性比较好，受力比较均匀，要求支撑杆具有较大的刚度；e表示上承梁与两边的支撑杆使用单铰连接，增大抓斗的高度，要么就要增大支撑杆的倾角。2.3.2刃口的结构型式当抓斗在抓取表面比较光滑、颗粒比较细小的货物，例如，像沙粒，化肥等散货时，密封较好的颚板是最值得使用的。在抓取散货时，一般要注意抓斗具有良好的刚性外，对抓斗刃口的设计也是不容忽视的。好的刃口当抓斗变形时，能够避免抓斗大量的泄漏。见图2-10抓斗的刃口结构型式。图2-10 抓斗的刃口结构型式a表示标准型的刃口结构；b表示装有耐磨件的标准刃口结构；c表示抓斗两块颚板刃口不对称结构。2.3.3抓斗支撑杆抓斗的支撑杆与颚板间通常采用铰接的连接方式，一般情况下颚板的一侧可以装有一个或者两个支撑杆。四根支撑杆通常承受很大的压力，所以支撑杆应该具备比较大的截面面积，因此通常使用厚壁管或槽钢焊成的支撑杆，以此来保证支撑杆的平稳。而使用框架结构的支撑杆，所承受的压力相对较小，框架结构的支撑杆通常使用圆管连接两边的支撑杆，可以提高抓斗平稳性能以及撑杆的横向稳定性，提高结构强度。同时加大支撑杆的整体重量，进一步提高抓斗在抓取货物时的抓取能力，因此支撑杆通常使用实心圆钢或者方钢焊接制作。抓斗支撑杆见图2-11。图2-11 抓斗支撑杆2.3.4抓斗的上下承梁抓斗的上承梁结构形式，见下图2-12所示，图a上承梁结构是单铰双绳抓斗，撑杆安装在抓斗上承梁的箱体上，滑轮轴安装在箱体的下方。图b一般使用双铰双绳抓斗上承梁，上滑轮轴安装在箱体下方的轴上。四绳抓斗的上承梁上安装不平衡拉力均衡装置，图b与图c都有安装。图2-12 抓斗上承梁结构形式抓斗下承梁结构形式，见下图2-13，图a与图b是抓斗下承梁和颚板采用单铰连接型式，图c是下承梁和颚板采用双铰连接型式。单铰连接型式下承梁使用圆形的截面抓斗一般都安装在夹套里，使用螺栓将夹套安装在上承梁上。图2-13 抓斗下承梁结构形式2.3.5抓斗的颚板颚板主要都使用Q235以及A3钢。一般情况下抓斗的下承梁与颚板通常使用销孔来连接。为了满足颚板刚度与强度的设计要求，一般在颚板外边缘采用较强刚度与强度的钢板，而且在颚板的内部添加纵向以及横向的筋板。抓斗的刃口使用ZGMN13制造，使用热处理，生成奥氏体，从而使抓斗的刃口具有较高的耐磨性，增长抓斗的使用寿命，通常在抓斗上安装坚硬的齿，经过螺栓连接以及焊接把齿装配到水平刃口上。抓斗颚板形式见图2-14 。图2-14 抓斗颚板形式2.4影响抓斗抓取能力的因素2.4.1 散料特性一般情况下，抓斗抓取的物料通常都由各类矿产、碎石、各类垃圾、沙、粮食、木料、煤碳等组成。在抓斗的设计过程中，对散货密度比较轻视，但是经过最近一些年的研究显示，散货粒度对抓斗的设计具有重要影响。货物的粒度在计算抓斗容积的过程中经常出现，把货物的粒度按照散货的种类分为多个等级，将各个部分质量乘以相对应部分的散货粒度后相加，再除以货物的总重量，最后能够得出每个部分的散货粒度。2.4.2抓斗结构尺寸抓斗所抓取的货物重量伴随着两块颚板张开的开度，抓取的货物也在不断增加。抓斗的开度不断变大，但是受到自身重量、钢丝绳等等原因的限制，使抓斗的抓取能力受到限制。抓斗颚板的宽度B会增大抓斗抓取物料时的切入阻力，如果颚板宽度较小,抓斗的颚板比较容易插入物料中，如果抓斗的颚板比较宽会加大抓斗的侧壁阻力，进而造成抓斗的抓取能力大幅度下降。一般情况下通过抓斗的最大开度与抓斗颚板的宽度B的比值，去表示抓斗的结构。当他们的比值 =0.35为窄型抓斗； 比值为0.45是标准型抓斗； 比值为0.55是宽型抓斗。如果抓斗所抓取的货物是散货粒度较小的货物时，他们之间的比值将会增加到0.7以上。人们通常使用抓斗的颚板宽度与抓斗的最大开度比值来表述抓斗的结构性能。抓斗在设计时，颚板底背角 10一15是最合适的，如果过大，抓斗闭合的阻力将会加大，如果比较小，抓斗刃口插入料堆的阻力将会加大。因此，在设计抓斗过程中需要依据货物的粒度，选择合适的角度。2.4.3 抓斗自重G抓斗的自身重量对于抓斗抓取货物的能力有着重要的影响。因为抓斗的设计重量越大，抓斗在抓取散货时的工作效率就会下降，因此所抓取的货物总量将变少，因此抓斗自身重量在抓斗设计时是必要的。一般情况下抓斗所抓取的物料质量与抓斗的自身重量相差不大，因此在抓取物料时所使用的抓斗质量较轻，可以在抓斗的两侧加上附加重物。通过实践证明，一般加大抓斗支撑杆以及上承梁的质量效果比较明显，在各个铰接点附近增大颚板的重量效果也比较明显。经过实验论证表明，在下承梁上加大重量，不会对抓斗所抓取的货物重量有太大的影响。综上所述，抓斗的自重、颚板的宽度与抓斗最大开度比值、颚板的底背角以及物料粒度对抓取能力都有着较大的影响。2.4.5散货抓斗的容积总的来说，散货抓斗的容重一般比较容易地去确定，然而要想精确的测量出货物的坡脚是有非常大的难度，由于同一种货物因为粒度与湿度等种种因素，它的自然坡度会出现非常大的不同。然而，一般抓斗的容积是通过货物的自然坡度来确定的。所以对不同货物去确定抓斗的容积，也出现了一些具体的问题。根据一些货物的物理性质，合理的分析出抓斗一些几何参数，因此这里谈到的容积应被理解为实际容积。因此抓斗的一些参数要放在一定理想的前提下，被称为额定容积。 式（2-1）式中：VP表示抓斗额定的容积 VW表示抓斗处于闭合状态时，抓斗斗体所围成水平的容积； VK表示抓斗处于闭合状态时，抓斗水平的容积作为底平面，货物的自然坡度作为等边锥形的边，所围成的容积。3 抓斗结构分析与计算3.1抓斗设计计算抓斗依照所抓取货物的容重,分为特轻型、轻型、中型、重型、特重型等种类抓斗。本次设计的抓斗起重量为25t，取所抓取散货密度为0.7-1.0t/m3的散货，例如：硫磺、盐、石膏、化肥、硼砂等，它的粒度取值为30mm。3.1.1抓斗自重计算抓斗的自身重量的确定见式（3.1）：式（3.1）Q表示抓斗的额定起重量；K1表示抓斗自重系数,可以见表3-1查找。散货密度t/m30.630.81.01.251.62.02.53.2抓斗自重系数k10.3340.3720.4260.4200.4130.4100.4050.400表3-1 抓斗自重系数已知抓斗的额定起重重量为25t，散货容重为0.7-1.0t/m3，因此选取抓斗自重系数k1=0.372，所以抓斗的自重为9.3t。3.1.2抓斗自重分配抓斗每个部分的重量所占比例对抓斗的抓取性能有很大的影响。抓斗每个零部件的重量分配见式（3.2）。式（3.2）Gd表示四绳抓斗的理论重量；Gt表示四绳抓斗各部件理论重量；K2表示抓斗自重分配系数，见表3-2所示。表3-2 抓斗自重分配系数 抓斗自重分配系数颚板上承梁下承梁撑杆K20.450.210.180.16由此，可以计算出四绳抓斗的理论重量：抓斗的颚板重：抓斗的上承梁重：抓斗的下承梁重：抓斗的支撑杆重：3.1.3颚板宽度最近这些年来，国内以及国外在设计抓斗时，加大抓斗颚板的宽度比较常见。这是由于增加颚板的宽度，可以在抓斗张开的过程中增大它的覆盖面积，从而可以在抓取货物时，可以抓取更多的货物。减少了抓斗在抓取货物时的切入深度，降低了抓取货物的阻力。抓斗的颚板宽度系数见表3-3。颚板的宽度见式（3.3）：B=KB式（3.3）在以上式子中：表示抓斗的容积，单位m3 表示抓斗的填充量，单位t 表示货物的容重，单位t/m3 B表示颚板的宽度，单位m KB表示颚板宽度系数。 表3-3 颚板宽度系数KB散料容重s（t/m3）0.630.801.001.251.602.002.503.20颚板宽度系数KB1.51.421.421.341.341.341.261.186可以求出抓斗颚板宽度B=KB=3400mm3.1.4抓斗其它几何参数根据已知的抓斗最大开度以及已求出的抓斗颚板宽度B，可以求出抓斗的其他参数。1.抓斗张开所覆盖的面积=B*2L=KB*K2L=A=16.269 m2式（3.4）在以上式子中：表示抓斗张开所覆盖的面积，单位m2A表示抓斗张开所覆盖的面积系数，A=B*2L2.抓斗最大挖掘深度ff=1.045m式（3.5）3.抓斗最大开度2L和抓斗挖掘深度f的比值A/2L=(1/A)=1/(A*K2L)=0.218式（3.6）在使用过程中，容重小的货物，抓斗所抓取的深度较深，当抓取容重大的货物时，所抓取的深度较浅。见表3-4根据抓斗抓取货物的密度，列出抓斗挖掘深度。表3-4 抓斗深度系数散料容重s（t/m3）0.630.801.001.251.602.002.503.20挖掘深度系数（A/2L）0.2120.190.190.17160.15610.14150.1400.13324.抓斗的颚板宽度B与抓斗最大开度2L的比值=0.738式（3.7）已知散货的容重0.7-1.0t/m3，抓斗的最大开度为4785mm，抓斗的颚板宽度为3400mm，所以根据以上公式与下面的表格，可以求出抓斗的颚板宽度与最大开度的比值。见表3-5颚板宽度与最大开度的比值。表3-5 颚板宽度与最大开度的比值散料容重s（t/m3）0.630.701.001.251.602.002.503.20颚板宽度与抓斗的比值0.80110.7380.7380.04250.6110.69570.52950.47143.1.5抓斗颚板的侧面形状颚板的侧面积F: F= 式（3.8） = 令 M= 则 所以 半个颚板的侧面长度为： 四绳抓斗的宽度 B=KB=3400mm半个颚板的侧面长度为： 式（3.9）1.860mm图3-1 四绳抓斗侧面截图表示四绳抓斗颚板的底背角，取值；表示四绳抓斗颚板的侧背角，取值；表示四绳颚板闭合后，抓斗内最后物料滑移角，取值；表示散货的自然坡角；表示撑杆饺位置角，取值。当在以上表格中，没有相对应的货物自然坡角时，我们可以根据相对应的密度，在下列表格中查找自然坡角。见表3-6。表3-6 散货容重与货物密度相对应的自然坡角散料容重s（t/m3）0.630.801.001.251.602.002.503.20货物的自然坡角454040353027.52522.53.2抓斗的受力分析根据对四绳散货抓斗的受力分析，抓斗抓取的阻力一般主要由摩擦阻力以及切入阻力两个模块组成。因为四绳抓斗的对称性，抓斗在受力分析时，只对抓斗的半个结构分析即可。抓斗在抓取的过程中所作用在抓斗的惯性力，因为它的数值较小，因此忽略不计。见图3-2，简要描述了抓斗的受力情况。图3-2 半个抓斗的受力分析R1表示抓斗刃口的切入阻力（KN）；R2表示抓斗刃口两侧的切割阻力（KN）；R3表示抓斗水平推压阻力（KN）；R4表示抓斗内外侧板的摩擦阻力（KN）；R5表示底板内外两侧的摩擦阻力（KN）；R6表示颚板内外侧的摩擦阻力（KN）；G1表示抓斗承梁的重量（KN）；G2表示抓斗的重量（KN）。四绳抓斗的计算：抓斗刃口的切入阻力为： 式（3.10） 式中：表示物料内摩擦系数； A表示散货的平均块度 (cm)； 表示抓斗刃口的厚度(cm)； y表示散货的高度； B表示颚板的宽度。取值： ， ，。抓斗刃口两侧的切入阻力为：式（3.11）3.3钢丝绳钢丝绳是四绳抓斗重要的零件之一，因为它具有较高的强度，挠性比较好而且自身重量较轻，所以经常用在起重机、抓斗等装卸设备上。钢丝绳的受力情况比较复杂：弯曲应力、拉应力、挤压应力经常使钢丝绳发生疲劳。故在抓斗的起升过程中钢丝绳扮演着重要的角色，因此为了要保正钢丝绳的使用寿命必须要做到：钢丝绳弯曲的次数的减少；钢丝绳三种主要的应力的减小；选择轮滑和卷筒比较大的直径。本次设计的四绳抓斗一般使用在装卸各种恶劣的场合，所以一般使用滚动轴承，因此起重机设计手册2中可以查到钢丝绳破断拉力的公式： 式（3.12） 式中 表示钢丝绳的破断拉力； 表示钢丝的直径； 表示钢丝绳总根数； 表示钢丝抗拉的强度； 表示钢丝断面的面积； 表示受载不均匀的系数。由起重机设计与实例1中表4-17可知，当机构工作级别为M5时，安全系数，所以计算破断拉力：根据起动机计算实例的附录12选用直径为32mm规格的绳，滑轮组倍率为4，得出钢丝绳的允许拉力为： 式（3.13）P表示钢丝绳的允许拉力；3.3.1钢丝绳拉力分析 装满散货的抓斗到达卸货的地点以后，闭合绳慢慢地松开，此刻，装满货物的抓斗，支持绳完全承受抓斗以及货物的重量。装满散货的四绳抓斗在货物重量、抓斗的下承梁以及颚板的一起作用下，抓斗慢慢地张开，直到货物全部卸下。抓斗在空载下降的过程中，闭合绳慢慢地松弛，直到最后抓斗完全张开。与此同时抓斗所有的重力都由支持绳承受，所以此时的闭合绳完全处于的放松状态。支持绳迅速地下降，闭合绳保持此刻的状态，直到抓斗降落到散货上。抓斗空载状况下支撑绳拉力的计算，见下式 式（3.14）表示抓斗空载状况下钢丝绳拉力；表示抓斗的空载重量；支撑绳不断地下降，直达抓斗完全降落到散货上，同时不断地放松支持绳，从而使抓斗在自身的重量下，抓取货物。其次收紧闭合绳，使两块颚板慢慢地接近，直到完全闭合抓取散货。抓斗在抓取散货完毕以后，抓斗的支持绳以及闭合绳同步收紧。此刻，装满散货的抓斗逐渐向货物正上方移动。在抓斗离开散货的刹那间，抓斗以及货物全部的重量完全由闭合绳承受，由于支持绳不断地收紧，抓斗以及货物的全部重量，将由闭合绳以及支持绳共同承受。抓斗负载状况下闭合绳的最大拉力的计算，见下式 式（3.15）表示抓斗负载状况下闭合绳的最大拉力；表示抓斗最大起重重量；表示抓斗与货物总的重量；3.4抓斗各部分设计3.4.1抓斗斗体的设计抓斗的颚板一般情况下都采用Q235、A3或16Mn钢。一般情况下抓斗的下承梁与颚板通常使用销孔来连接。通常为满足横向刚度和颚板强度的要求，要在颚板边缘处使用比较厚的钢板进行加强，并且要在颚板内部增加横向与纵向的支撑筋。抓斗的刃口使用ZGMN13制造，使用热处理，生成奥氏体，从而使抓斗的刃口具有较高的耐磨性，增长抓斗的使用寿命，通常在抓斗上安装坚硬的齿，经过螺栓连接以及焊接把齿装配到水平刃口上。通过焊接与螺栓连接将齿安放在斗体的水平刃口上。见图3-3抓斗颚板的设计。图3-3 抓斗颚板的设计图3-3 抓斗颚板的设计颚板的高约为2445mm，颚板的闭合半长1860mm，颚板上挡块的倾斜角度为，厚度40mm。颚板与撑杆连接处两连接板宽223mm，连接处轴孔的直径为100H10，使用定位销定位，两块连接板的相距1600mm；抓斗的颚板和下承梁连接板处轴孔直径为200mm，连接板宽度为140mm。大弯板厚度20mm，侧板的厚度8mm；筋板的长度810mm，高度250mm，厚度25mm，其外缘处加有限位块，具体尺寸见颚板装配图。3.4.2支撑杆的设计抓斗的支撑杆与颚板间通常采用铰接的连接方式，一般情况下颚板的一侧可以装有两个支撑杆。支撑杆通常承受很大的压力，所以支撑杆应该具备比较大的截面面积，因此通常使用厚壁管或槽钢焊成的支撑杆，以此来保证支撑杆的平稳。因为增大支撑杆的重量可以显著提高抓斗在抓取货物时的能力，所以支撑杆通常使用实心圆钢或方钢焊接制作。根据抓斗撑杆外形尺寸及主要参数，选取框架式的支撑杆，见图3-4。图3-4 支撑杆的设计轴孔中心距：3390mm；宽度为80mm；厚度为110mm；撑杆上段中心距：798mm；内侧距离：678mm；外侧距离：918mm；下端中心距：1452mm；内侧距离：1332mm；外圆：d=190mm；孔外的缘宽为12.5mm ；支撑杆与颚板连接处长度约为330mm；抗弯界面系数：293 ；撑杆两端孔的直径：120mm； 支撑杆的每段横杆相距500mm；第一段长735mm；第二段长848mm；第三段长961mm； 第四段长1047mm；第五段长1188mm；第六段长1301mm；具体参数参考支撑杆装配图。3.4.3上承梁的设计抓斗的上承梁与支撑杆采用固定心轴形式连接，其中使用一根固定心轴用来安装滑轮。抓斗上承梁的俯视图外形为长方体，上承梁的详细设计参数见图3-5，具体参数参考上承梁二维图。图3-5 上承梁二维图抓斗的上承梁与支撑杆采用固定心轴形式连接，其中使用一根固定心轴用来安装滑轮。上承梁形状呈现为长方体，它的具体参数如下：滑轮侧板厚度16mm，长度1010mm，高度430mm，支撑杆连接轴孔直径100mm，两孔间距400mm，滑轮轴孔直径180mm，侧板下端半径200mm；重板厚度20mm，直径360mm，固定滑轮轴的采用螺纹孔大径；支撑绳固定块宽度360mm，总高度380mm，厚度25mm，固定块上边缘半径100mm，钢丝绳固定孔径80mm，两个固定块相距593mm，筋板厚度16mm，高度280mm，宽度110mm，固定上承梁与支撑杆固定心轴使用的螺栓固定；具体参数参考上承梁装配图。3.4.4下承梁及支撑件的设计四绳抓斗的颚板和下承梁的连接一般采用轴连接，并且通过销定位。四绳抓斗的两个斗体通过两对轴颈上分别装在下承梁的两端。四绳抓斗的下滑轮组通过使用固定心轴安装在下承梁的夹套中。见图3-6，下承梁及支撑件的设计。图3-6 下承梁及支撑件的设计侧板长为1400mm ；上端宽为500mm，下端宽度为：360mm，两块侧板相距320mm； 高为440mm；厚度为：20mm，轴通过定位螺纹孔中心距离1076mm；重板厚度20mm，直径340mm；面板上方筋板厚度12mm，高度230mm，长度443mm。侧板两侧的筋板厚度20mm，高度320mm；长度分别为55mm、90mm、125mm；滑轮侧板厚度16mm，宽度810mm，半径210mm，高度610mm，定位螺纹孔直径，每个孔相距180mm；端板的厚度60mm，宽度320mm，高度410mm；轴孔直径为180H10；下滑轮轴孔的直径180mm，下承梁总长度1476mm，具体参数参考下承梁装配图。3.4.5其他零部件设计A.抓斗的上承梁与支撑杆使用的上撑杆轴，它的直径为100mm ，长度为216mmB.抓斗的颚板与支撑杆使用的下撑杆轴长度为273mm，直径为100mm的轴，通过销定位连接。 C.抓斗的下承梁使用直径为180mm，长度为471mm的中心销轴； D.上承梁的滑轮轴使用直径为156mm ，长度为672mm的轴；E.下承梁的滑轮轴使用直径为156mm ，长度为620mm的轴，通过卡簧定位；F.固定心轴所使用定位块的螺栓直径为 M20 ；G.下承梁与颚板连接轴使用的螺栓直径为M38；H.上撑杆轴瓦长120mm，直径101mm，外径120mm；I.上滑轮中间轴瓦长110mm，直径161mm，外径180mm；J.下滑轮隔套长58mm，直径160mm，外径180mm；K.中心销轴轴套长70mm，直径181mm，外径200mm；L.下撑杆轴套长120mm，直径101mm，外径120mm；以上具体零件见零件图。3.4.6滑轮的设计根据已知的滑轮外径720mm，查阅散货抓斗设计手册，可知滑轮槽底部直径d=610mm，滑轮轴直径d2=160mm，轴承直径d3=240mm，轮毂直径d4=320mm，滑轮宽度b=83mm，轴承宽度b1=109mm，轮毂宽度b2=108mm，滑轮槽底部圆弧r=19mm。见图3-7滑轮及其配合组件。图3-7 滑轮及其配合组件3.5主要零件的校核3.5.1抓斗颚板与下承梁连接轴的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。受力分析图，剪力图，弯矩图见图3-8。由抓斗颚板重 4.2t 物料重 15.7t 轴径d=0.18m3-8受力分析图，剪力图，弯矩图式（3.16）轴的最大工作应力远小于它的许用应力，所以抓斗的颚板与下承梁连接轴满足强度要求。3.5.2上承梁与支撑杆连接轴的校核因为上下承梁均采用固定心轴的连接方式，轴的材料为45钢，现对其进行校核。为简化轴强度的计算，只需要校核在抓斗空载下降途中轴的强度。此时，上承梁受到撑杆的拉力及支撑绳的拉力。此时支撑绳拉力为G=9.3t。受力分析图，剪力图，弯矩图见图3-9。图3-9受力分析图，剪力图，弯矩图2F=G1+G3+G4=74000N式（3.17）F=37000N轴的最大工作应力远小于它的许用应力，因此直径为156mm轴的强度满足支撑杆与上承梁的连接要求。因为撑杆下端使用的轴与上端使用的轴径一致，所以下撑杆轴强度要求。3.5.3支撑杆强度的校核支撑杆的受力和螺栓直径为80mm的轴受力相同，即F=37000N。支撑杆的材料为45钢，现对其进行校核。支撑杆的中间部位的截面面积最大约为A=110mm300mm=31000支撑杆的剪切应力为Mpa式（3.18）所以支撑杆的剪切应力=1.23Mpa远小于它的许用应力（）=335Mpa，因此，支撑杆的强度满足连接要求。3.5.4滑轮轴的校核选取的滑轮轴直径为156mm，首先对滑轮轴的强度校核，又因为滑轮组的倍率为4倍，所以只需计算抓斗离开散货的一瞬间，滑轮轴所承受的最大载荷为满载荷时的1/4，轴的材料为45钢，对其校核。受力分析图，剪力图，弯矩图，见图3-10所示。3-10受力分析图，剪力图，弯矩图式（3.19）轴的最大工作应力远小于它的许用应力，因此直径为156mm的轴强度满足连接要求。3.5.5颚板的校核四绳抓斗的颚板比较复杂，抓斗底边的刃口部分，受力最大，应当相应的加强，颚板的材料为Q235钢，对它进行校核。抓斗的颚板部分可以按照均布载荷的简支梁的算法进行计算，刃口的单位长度的弯曲力矩计算公式如下：=（0.8:0.85）式（3.20）上式中 K0表示系数，按颚板的底板长度比值为A/B， 见表3-7所示。 q0表示底板上的均布压力，取 K7表示物料分布的不均匀系数，取K7=1.2表3-7 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因为A/B=1.0，可根据上表查出K0=0.112抓斗颚板的底板弯曲强度校核：式（3.21）上式中 表示底板厚度； B表示颚板的宽度 表示许用应力，材料Q235 =100MPa抓斗弯曲强度=100MPa校核结果：四绳抓斗强度符合规定要求。总结这次毕业设计花费了我三个月的时间，这几个月里我查询了几十本有关书籍，并且重新学习了机械原理、机械制图、金属材料学、机械设计、机械制造等相关专业知识，对这几年来学习的知识进行回炉，强化了我的专业水平，同时了强化了我实践经验。总的来说，经过这次毕业设计的洗礼，让我在未来的学习生活中，更加充满自信。毕业设计开始后，我首先开始撰写开题报告，对本次毕业设计也有了一个大概的了解。后期我仔细分析了我的毕业设计题目“四绳散货抓斗结构及虚拟样机设计”，制定了几条路线，并且明确本次设计的研究方向和设计的大概内容。然后，我查找了许多有关四绳抓斗起重机的资料，对四绳抓斗起重机也有了更加深入的认识，脑海中也有了四绳抓斗的初步模型。其次，我明确了抓斗的一些抓取参数，准备对抓斗的结构进行设计与计算，根据抓斗的散料密度与粒度计算抓斗的容积，改善四绳抓斗的结构及其他方面问题。最后，就是对四绳抓斗进行参数建模，经过自我的自学与老师的教导，我完全学会了使用UG的建模方式，根据前面计算得出的四绳抓斗的参数，画出草图并且进行拉伸，生成抓斗的实体图，并通过UG进行装配，最后对装配好的四绳抓斗进行虚拟仿真，得
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