機(jī)械設(shè)計(jì)最后結(jié)果444

1、 深井救援托爪設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書姓 名：張 頂學(xué) 號(hào)：20101569班 級(jí)：機(jī)械十班指導(dǎo)老師：何朝明2013年6月24目 錄第1章 問(wèn)題的提出11.1項(xiàng)目背景11.1.1背景資料11.1.2解決方案1第2章 設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)22.1設(shè)計(jì)要求22.1.1具體要求22.2設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)22.2.1托爪式22.2.2傘柄式托爪32.2.3死點(diǎn)式托爪42.3三桿式托爪的幾何尺寸設(shè)計(jì)42.3.1死點(diǎn)式托爪的引入52.3.2死點(diǎn)式托爪的幾何尺寸設(shè)計(jì)5第3章 機(jī)構(gòu)選型設(shè)計(jì)93.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)想93.2技術(shù)原理103.3裝置操作113.4三桿式托爪113.4.1三桿式托爪113.4.2死點(diǎn)式托爪123.4.3雨傘柄式

2、托爪123.4.4自鎖式托爪123.5托爪設(shè)計(jì)方案的確定12第4章 機(jī)構(gòu)強(qiáng)度校核124.1三桿式托爪124.1.1三桿式托爪根部的設(shè)計(jì)與校核134.1.2三桿式托爪銷軸A的設(shè)計(jì)與校核134.1.3三桿式托爪支撐軸的設(shè)計(jì)與校核144.1.4支撐桿銷軸C的設(shè)計(jì)與校核154.2死點(diǎn)式托爪154.2.1死點(diǎn)式托爪根部的設(shè)計(jì)與校核164.2.2死點(diǎn)式托爪支撐桿的設(shè)計(jì)和校核174.2.3死點(diǎn)式托爪銷軸A的設(shè)計(jì)與校核174.2.4死點(diǎn)式托爪支撐桿銷軸C、D的設(shè)計(jì)與校核174.3主要零部件的設(shè)計(jì)尺寸、材料194.3.1圓盤194.3.2托爪19第5章 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與動(dòng)力分析205.1機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析205.2機(jī)構(gòu)

3、動(dòng)力分析22第6章 機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析25第7章 機(jī)構(gòu)建模257.1機(jī)構(gòu)建模257.1.1建模工具的選擇257.1.2各部件的建模267.1.3機(jī)構(gòu)的裝配27第8章 結(jié)論288.1288.1.1288.1.2288.229第9章 收獲與體會(huì)29第10章 致謝30參考文獻(xiàn)31第1章 問(wèn)題的提出1.1 項(xiàng)目背景1.1.1 背景資料近年來(lái)有關(guān)孩童掉入小徑深井（多為直徑2545cm水泥管機(jī)井）得不到有效及時(shí)的營(yíng)救而死亡的事故多發(fā)。由于深井直徑過(guò)小成年人無(wú)法進(jìn)入井下，營(yíng)救的方法多是動(dòng)用挖掘機(jī)等大型設(shè)備，此種方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)財(cái)且因救撈時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而無(wú)法保證井下孩童的生命安全，況且如果孩童掉入深度超過(guò)15m由于井下

4、集聚大量二氧化碳可能短時(shí)間內(nèi)造成兒童死亡，因此運(yùn)用挖掘機(jī)是無(wú)法及時(shí)進(jìn)行施救的。通過(guò)查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，全國(guó)各省每年不慎掉入機(jī)井、油井等小徑深井及深溝、山澗、樓體夾縫等的孩童事件高達(dá)幾千起，而掉入機(jī)械零部件、重要物品的情況則上萬(wàn)起。此種情況導(dǎo)致的生命和財(cái)產(chǎn)損失是不可忽視的。因此需要發(fā)展一種深井救援打撈設(shè)備。1.1.2 解決方案此機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)是用于在狹窄而又較深的空間中托取物體，可以用于救援、救災(zāi)、油田、水利、消防等方面。而通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有專門用于深井空間中作業(yè)的救援裝置。因此，開發(fā)這一類機(jī)械是有很大用武之地的，且極具市場(chǎng)價(jià)值，設(shè)計(jì)一種專用且安全可靠的深井救援機(jī)械是十分必要的。針對(duì)上

5、述調(diào)查和分析，設(shè)計(jì)了一種可控式的深井抓取裝置，用于對(duì)不慎跌入小徑油井、機(jī)井的孩童實(shí)施安全快捷的救援，同時(shí)也可用于油田生產(chǎn)、水利建設(shè)等方面。該機(jī)械裝置的出現(xiàn)能夠提高這些深井作業(yè)的效率，而且能夠用于救援不慎掉入深井、山洞的兒童等，也能夠在狹小空間中進(jìn)行打撈作業(yè)。因此，此機(jī)械具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。該設(shè)備的應(yīng)用范圍也會(huì)很廣泛。 圖 1.1.1圖1.1.1是目前市場(chǎng)上較為常見(jiàn)的三爪起重器的抓取部分，它不能用于對(duì)兒童的救援。第2章 設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)2.1 設(shè)計(jì)要求2.1.1 具體要求考慮到救撈環(huán)境的復(fù)雜性、救援空間的狹小以及救援條件的限制，我們對(duì)所設(shè)計(jì)的救撈裝置提出以下要求：（1）該裝置不能對(duì)救援對(duì)

6、象造成傷害，因此不能用抓取的方式將救援對(duì)象強(qiáng)行拉起，而是用托舉的方式將救援對(duì)象托起。（2）該裝置的核心部位是與救撈目標(biāo)直接接觸的托取部分，由于托爪是直接進(jìn)入深井且對(duì)救撈目標(biāo)直接產(chǎn)生作用的機(jī)構(gòu)。所以，將托爪設(shè)計(jì)為尺寸可調(diào)節(jié)的以適應(yīng)不同救撈環(huán)境下不同大小的空間。（3）考慮到救撈的目標(biāo)很多情況下是兒童，抓取的力度不能對(duì)目標(biāo)造成2次傷害，同時(shí)托爪又要有足夠的強(qiáng)度來(lái)支撐救撈目標(biāo)的重量。（4）該裝置需要穩(wěn)定、輕便、易于操作和展開。2.2 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)2.2.1 托爪式確定設(shè)計(jì)要求后得出以下可能設(shè)計(jì)的機(jī)械模型，如下圖所示： 圖 2.2.1該裝置利用三根（或更多）托爪插入打撈物以下，控制托爪機(jī)構(gòu)托起打撈物以達(dá)到救

7、援和打撈目的。三個(gè)可調(diào)節(jié)托爪沿井壁插入打撈物下部后，可經(jīng)控制盤控制按情況所需改變與立桿的相對(duì)位置，形成鉤狀或一個(gè)平臺(tái)以托起打撈物。所以裝置的核心部件為裝置下端與救援與打撈目標(biāo)直接接觸的托爪機(jī)構(gòu)。該部件設(shè)計(jì)為“三桿式”，利用了桿件位置變換及三角形穩(wěn)定的原理，如圖2.2.1所示。當(dāng)提起鋼絲繩或利用液壓驅(qū)動(dòng)拉起AB桿時(shí)，托桿克服細(xì)彈簧的微小預(yù)拉力沿導(dǎo)槽運(yùn)動(dòng)達(dá)到頂部凹槽內(nèi)定位。此時(shí)托桿呈水平托起狀態(tài)，斜桿呈支撐作用。當(dāng)需要放下托桿時(shí)，操作人員再次提起鋼絲繩，托桿左端滾銷再次碰觸伸縮器舌，舌伸出，并堵死導(dǎo)槽頂部凹槽，托桿左端滾銷不能再進(jìn)入凹槽，托桿便在重力、細(xì)彈簧拉力作用下左端下行，同時(shí)斜桿恢復(fù)鉛垂位置

8、（補(bǔ)充：可在其上設(shè)計(jì)多個(gè)凹槽以調(diào)節(jié)托起的角度）。2.2.2 傘柄式托爪根據(jù)雨傘到達(dá)規(guī)定位置時(shí)可實(shí)現(xiàn)固定，可達(dá)到預(yù)定的目的，我們據(jù)此設(shè)計(jì)托爪，當(dāng)托爪的橫桿達(dá)到水平狀態(tài)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)固定，這樣才能安全、可靠地將救撈物打撈上來(lái)。 圖 2.2.2如圖 2.2.2所示，利用曲柄滑塊也能達(dá)到同樣的效果，但是該機(jī)構(gòu)不易于隨救援情況的改變而調(diào)節(jié)托舉的角度，并且不易于收回伸出的托桿。2.2.3 死點(diǎn)式托爪圖2-3 死點(diǎn)式托爪如圖2-3所示，這種托爪機(jī)構(gòu)利用的是類似飛機(jī)起落架的死點(diǎn)原理，如圖。當(dāng)操作員提起絲繩時(shí)，長(zhǎng)桿被拉到水平托起位置，2段短桿通過(guò)死點(diǎn)原理形成斜支撐桿，由于死點(diǎn)機(jī)構(gòu)具有自鎖功能，從而起到支撐作用。當(dāng)要

9、實(shí)現(xiàn)托爪自動(dòng)收縮時(shí)，只需在連架桿上施加一驅(qū)動(dòng)力矩即可。2.3 三桿式托爪的幾何尺寸設(shè)計(jì)為了方便第4章中對(duì)三桿式托爪的校核，初定尺寸如下： 2.3.1 死點(diǎn)式托爪的引入在三桿式托爪的基礎(chǔ)上，我們反復(fù)推敲，在圖3-2飛機(jī)起落架的結(jié)構(gòu)上得到了啟發(fā)：圖3-2 飛機(jī)起落架結(jié)構(gòu) 在飛機(jī)起落架的結(jié)構(gòu)中，主要運(yùn)用了機(jī)械原理中的死點(diǎn)原理，經(jīng)過(guò)研究設(shè)計(jì)，把死點(diǎn)原理運(yùn)用到了托爪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)當(dāng)中。2.3.2 死點(diǎn)式托爪的幾何尺寸設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)方法：位移矩陣法求解：Matlab編程求解設(shè)計(jì)過(guò)程如下：圖3-4 死點(diǎn)式托爪考慮到救撈環(huán)境的復(fù)雜、救援空間的狹小，并避免救撈裝置對(duì)打撈物形成干涉，造成傷害，死點(diǎn)式托爪可從打撈物下方緩慢

10、調(diào)整至打撈狀態(tài)，即托爪出于水平狀態(tài)時(shí)，即可上升進(jìn)行打撈動(dòng)作。托抓機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：機(jī)構(gòu)的類型選擇：從安全方面考慮，托爪的機(jī)構(gòu)必須為單自由度機(jī)構(gòu)，另一方面，托爪要求達(dá)到水平的同時(shí)出現(xiàn)“死點(diǎn)”，所以確定要設(shè)計(jì)一個(gè)會(huì)出現(xiàn)“死點(diǎn)”的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)各桿件的運(yùn)動(dòng)尺寸設(shè)計(jì)方法選擇：我們所設(shè)計(jì)的死點(diǎn)式托爪是一個(gè)平面四桿機(jī)構(gòu)屬于平面連桿機(jī)構(gòu)。利用位移矩陣法進(jìn)行死點(diǎn)式托爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體步驟如下：（1） 如圖建立平面直角坐標(biāo)系，如下圖3-5所示，圖3-5 機(jī)構(gòu)坐標(biāo)圖在連桿上選擇一固定點(diǎn)，以點(diǎn)的坐標(biāo)和連桿的軸線與軸正向之間的夾角來(lái)表示。 （2）確定機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量，以銷軸點(diǎn)B、C、D的坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變

11、量，進(jìn)而可求出各桿件的長(zhǎng)度。（3）根據(jù)機(jī)構(gòu)的活動(dòng)副在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中受到的約束，建立位置約束方程。（4）由設(shè)計(jì)要求給出的精確點(diǎn)或精確位置寫出位移矩陣，并建立中間變量與設(shè)計(jì)變量的位移矩陣方程。（5）利用位移矩陣將位置約束方程中的中間變量消去，導(dǎo)出設(shè)計(jì)變量的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方程。（6）利用Matlab進(jìn)行方程的求解。以下是具體的設(shè)計(jì)過(guò)程：圖3-5所示為死點(diǎn)式托爪機(jī)構(gòu)，取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量為，設(shè)計(jì)變量確定之后，機(jī)構(gòu)所有的運(yùn)動(dòng)幾何尺寸都可以確定出來(lái)。機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)鉸鏈點(diǎn)B、C的運(yùn)動(dòng)約束是：1）從連桿BC上看，點(diǎn)B、C之間的距離保持不變；2）從連架桿AB上看，點(diǎn)B到點(diǎn)A的距離保持不變。運(yùn)動(dòng)約束1）將在后面用位移矩陣

12、進(jìn)行討論，運(yùn)動(dòng)約束2）的數(shù)學(xué)表達(dá)為： 根據(jù)救撈空間的嚴(yán)格要求，考慮現(xiàn)實(shí)情況，我們?cè)谶B桿上選定一點(diǎn)P，設(shè)計(jì)要求就是連桿要精確實(shí)現(xiàn)一下三組位置，如表1所示：表1 P點(diǎn)位置表連桿從第1位置到第2位置的位移矩陣為 連桿從第1位置到第3位置的位移矩陣為鉸鏈點(diǎn)B滿足位移矩陣方程： 從而可得：代入運(yùn)動(dòng)約束2）的數(shù)學(xué)表達(dá)得： 這兩個(gè)方程共有四個(gè)未知數(shù)，所以可以任意假設(shè)其中的兩個(gè)，根據(jù)我們建立的坐標(biāo)系，取，聯(lián)立這兩個(gè)方程，利用Matlab求解，程序見(jiàn)附件程序1，解出。從而托爪AB的幾何尺寸為 。運(yùn)動(dòng)約束1）的數(shù)學(xué)表達(dá)為： 鉸鏈點(diǎn)C同樣滿足位移矩陣方程：代入運(yùn)動(dòng)約束1）的數(shù)學(xué)表達(dá)可得：根據(jù)已求出，同樣利用Matl

13、ab編程求解可得，從而連桿BC的幾何尺寸為 ，進(jìn)而求連架桿CD的幾何尺寸為至此，死點(diǎn)式托爪的幾何尺寸就設(shè)計(jì)完畢。第3章 機(jī)構(gòu)選型設(shè)計(jì)3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)想根據(jù)第1章1.2節(jié)所提出的設(shè)計(jì)要求，考慮到可操作性和實(shí)用性，我們所設(shè)計(jì)的救撈裝置的整體結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，定名為“可控式救撈裝置”。圖3.1.1 可控式救撈裝置整體構(gòu)想圖3.2 裝置原理該裝置利用三根托爪插入打撈物以下，控制托爪機(jī)構(gòu)托起打撈物以達(dá)到救援和打撈目的。它主要由圓盤、可調(diào)節(jié)立桿、可調(diào)節(jié)托爪、電器箱、繩索、控制盤組成。圓盤是安裝（或支撐）其他零部件的非固定機(jī)架；三根可調(diào)節(jié)立桿靠伸縮長(zhǎng)度以適應(yīng)井徑和打撈物大小的需要；三個(gè)可

14、調(diào)節(jié)托爪沿井壁插入打撈物下部后，可經(jīng)控制盤控制隨時(shí)變到與立桿成90°的水平位置，形成“鉤狀”，以托起打撈物；密封的電器箱內(nèi)裝有照明燈、攝像頭以及氧氣管，以清晰地向控制盤的顯示器傳輸井下圖像及輸氧；操作人員通過(guò)控制繩索來(lái)控制整個(gè)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)任意角度并承受推力，燈線、電纜線、氧氣管、提拉繩均與繩索并聯(lián)并進(jìn)行安放。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)捷，操作方便，功能可靠，節(jié)能環(huán)保。3.3 裝置操作如圖3.1.1所示：裝置下井時(shí)，可控式救撈裝置下井時(shí)，3個(gè)托爪在扭轉(zhuǎn)彈簧的作用下與立桿呈鉛垂線狀態(tài)，豎直下插。當(dāng)托爪達(dá)到被打撈物下面后，由操作人員提起提拉繩，托爪向內(nèi)翻轉(zhuǎn)90°，達(dá)到水平狀態(tài)，即打撈位置，這時(shí)就可以

15、開始打撈。3個(gè)托爪可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立動(dòng)作，通過(guò)控制提拉繩控制托爪的動(dòng)作。托爪的轉(zhuǎn)動(dòng)與控制是由其工作部件實(shí)現(xiàn)的。3.4 核心機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.4.1 三桿式托爪圖3.1.2 三桿式托爪該部件設(shè)計(jì)為“三桿式”，利用了桿件位置變換及三角形穩(wěn)定的原理，如圖3.1.2所示。當(dāng)人工提起絲繩時(shí)，托桿克服細(xì)彈簧的微小預(yù)拉力沿導(dǎo)槽頂部凹槽內(nèi)定位。此時(shí)托桿呈水平托起狀態(tài)，斜桿呈支撐作用。當(dāng)需要放下托桿時(shí)，操作人員再次提起絲繩，托桿左端滾銷再次碰觸伸縮器舌，舌伸出，并堵死導(dǎo)槽頂部凹槽，托桿左端滾銷不能再進(jìn)入凹槽，托桿便在重力、細(xì)彈簧拉力作用下左端下行，同時(shí)斜桿恢復(fù)鉛垂位置。3.4.2 死點(diǎn)式托爪圖3.1.3 死點(diǎn)式托爪如圖3.

16、1.3所示，這種托爪機(jī)構(gòu)利用的是類似飛機(jī)起落架的死點(diǎn)原理，如圖。當(dāng)操作員提起絲繩時(shí)，長(zhǎng)桿被拉到水平托起位置，2段短桿通過(guò)死點(diǎn)原理形成斜支撐桿，由于死點(diǎn)機(jī)構(gòu)具有自鎖功能，從而起到支撐作用。當(dāng)要實(shí)現(xiàn)托爪自動(dòng)收縮時(shí)，只需在連架桿上施加一驅(qū)動(dòng)力矩即可。3.4.3雨傘柄式托爪根據(jù)雨傘到達(dá)規(guī)定位置時(shí)可實(shí)現(xiàn)固定，可達(dá)到預(yù)定的目的，我們據(jù)此設(shè)計(jì)托爪，當(dāng)托爪的橫桿達(dá)到水平狀態(tài)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)固定，這樣才能安全、可靠地將救撈物打撈上來(lái)。3.4.4自鎖式托爪機(jī)械自鎖：由于摩擦的存在和其他條件，一個(gè)原為靜止的機(jī)械，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力（炬）從零增加到無(wú)窮大時(shí)，若機(jī)械的受力件總不能發(fā)生運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為自鎖。有些機(jī)械的工作需要具有自鎖的

17、特征，可以巧妙利用自鎖的特性達(dá)到指定的要求。在我們的設(shè)計(jì)中就想利用自鎖使橫桿達(dá)到水平狀態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)自鎖，托起打撈物上升，實(shí)現(xiàn)救援。3.5 托爪設(shè)計(jì)方案的確定通過(guò)對(duì)前面提出的四種托爪設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究、分析和比較，得出以下結(jié)論：三桿式托爪：靈活簡(jiǎn)便，易于操作，但其底部加工導(dǎo)槽會(huì)影響其剛度。死點(diǎn)式托爪：設(shè)計(jì)巧妙，不會(huì)對(duì)打撈物形成干涉，但是若要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，需在連架桿上施加一個(gè)驅(qū)動(dòng)力矩。雨傘柄式托爪：原理簡(jiǎn)單，安全可靠，但托爪不易實(shí)現(xiàn)反復(fù)自動(dòng)調(diào)整，需增加驅(qū)動(dòng)裝置。自鎖式托爪：設(shè)計(jì)巧妙，但自動(dòng)控制難以實(shí)現(xiàn)，且安全因素存在一定隱患。綜上所述，三桿式托爪和死點(diǎn)式托爪較其它兩種托爪結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單實(shí)用，靈活的利用了機(jī)

18、械原理中的知識(shí)，設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇了三桿式和托爪和死點(diǎn)式托爪進(jìn)行了一些探討，但由于在死點(diǎn)式托爪中比較巧妙的運(yùn)用了死點(diǎn)的概念，而且該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、體積較小。因此選取此機(jī)構(gòu)即死點(diǎn)式托爪進(jìn)行設(shè)計(jì)。第4章 機(jī)構(gòu)強(qiáng)度校核4.1 三桿式托爪圖4-1 三桿式托爪平面圖三桿式托爪主要零部件的形狀、尺寸、材料以及各種參數(shù)的確定：說(shuō)明：該機(jī)構(gòu)的受力危險(xiǎn)部位發(fā)生是托爪根部（即懸臂梁固定端）、托爪銷軸、支撐桿及斜拉桿銷軸處，其余部分因受力（含彎、扭矩等）較輕、且截面較大，故無(wú)需校核。在三桿式托爪設(shè)計(jì)過(guò)程中，在設(shè)計(jì)提升能力為25Kg情況下，主要零部件危險(xiǎn)界面的設(shè)計(jì)與校核、計(jì)算歸納如下：4.1.1 三桿式托爪根部的

19、設(shè)計(jì)與校核托爪主要受力為彎矩。按托爪最大長(zhǎng)度l=200mm、單爪托起最大重量25Kg(250N)計(jì)(考慮承重不均)，托爪根部（斜拉桿下部）最大彎矩為：W=50000N·mm，由于托爪軸比套管抗彎能力強(qiáng)，故主設(shè)計(jì)套管尺寸。套管材料采用Q235普通碳鋼，其屈服極限為235MPa，取安全系數(shù)，則許用彎應(yīng)力235/1.5=157MPa 。鋼套管抗彎模量=50000/157=318， 取截面尺寸為大徑D=15mm,小徑d=12mm之鋼套管，其抗彎模量 所設(shè)計(jì)套管抗彎能力足夠，可用，尺寸為大徑D=15mm,小徑d=12mm。4.1.2 三桿式托爪銷軸A的設(shè)計(jì)與校核托爪銷軸A主要受力為剪力。由于銷

20、軸A受力和的作用，根據(jù)實(shí)際情況，本文近似假定托爪的受力主要集中在托爪的中點(diǎn)處。托爪受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)下圖4-2。圖4-2 托爪受力分析圖托爪受力為，將沿水平和鉛垂方向分解，則代入數(shù)值，計(jì)算得：，“-”號(hào)表示方向與相反，水平向左。銷軸材料為Q235,由于銷軸受剪，取安全系數(shù)，銷軸的許用切應(yīng)力 。銷軸所受剪力為取直徑為5mm的標(biāo)準(zhǔn)螺栓作為銷軸，則最大剪應(yīng)力， 螺栓抗剪強(qiáng)度足夠，可用，取的標(biāo)準(zhǔn)件銷軸。4.1.3 三桿式托爪支撐桿的設(shè)計(jì)和校核如圖4-3所示，為了打撈之便，取與托爪橫軸之間的夾角為，對(duì)A點(diǎn)求矩得，則 圖4-3 托爪受力分析圖取支撐桿的材料為Q235鋼，圓形截面，取安全系數(shù)為， 則，則支撐桿的最小

21、面積，取，從而支撐桿的強(qiáng)度足夠。4.1.4支撐桿銷軸C的設(shè)計(jì)與校核此軸銷主要受力為剪力。支撐桿受力為，結(jié)合圖5，由作用力和反作用力得，支撐桿銷軸所受剪力與大小相等，方向相反。銷軸材料為Q235,取安全系數(shù)為， ，銷軸截面積，取銷軸直徑為，則其截面積，所以此銷軸可用。4.2 死點(diǎn)式托爪托爪的受力危險(xiǎn)零部件發(fā)生在托爪根部（即懸臂梁固定端）、托爪銷軸、支撐桿，其余部分因受力（含彎、扭矩等）較輕、且截面較大，故無(wú)需校核。在死點(diǎn)式托爪設(shè)計(jì)過(guò)程中，在設(shè)計(jì)提升能力為25Kg情況下，主要零部件危險(xiǎn)界面的設(shè)計(jì)與校核、計(jì)算歸納如下：圖4-4 死點(diǎn)式托爪平面圖4.2.1 死點(diǎn)式托爪根部的設(shè)計(jì)與校核托爪主要受力為彎矩

22、。按托爪最大長(zhǎng)度l=200mm、單爪托起最大重量25Kg(250N)計(jì)(考慮承重不均)，托爪根部（斜拉桿下部）最大彎矩為：W=50000N·mm，由于托爪軸比套管抗彎能力強(qiáng)，故主設(shè)計(jì)套管尺寸。套管材料采用Q235普通碳鋼，其屈服極限為235MPa，取安全系數(shù)，則許用彎應(yīng)力235/1.5=157MPa 。鋼套管抗彎模量=50000/157=318， 取截面尺寸為大徑D=15mm,小徑d=12mm之鋼套管，其抗彎模量 所設(shè)計(jì)套管抗彎能力足夠，可用，尺寸為大徑D=15mm,小徑d=12mm。4.2.2 死點(diǎn)式托爪支撐桿的設(shè)計(jì)和校核如圖4-5所示，為了打撈之便，取與托爪橫軸之間的夾角為，對(duì)A

23、點(diǎn)求矩得，則 圖4-5 托爪受力分析圖取支撐桿的材料為Q235鋼，圓形截面，取安全系數(shù)為， 則，則支撐桿的最小面積，取，從而支撐桿的強(qiáng)度足夠。4.2.3 死點(diǎn)式托爪銷軸A的設(shè)計(jì)與校核托爪銷軸A主要受力為剪力。由于銷軸A受力和的作用，根據(jù)實(shí)際情況，本文近似假定托爪的受力主要集中在托爪的中點(diǎn)處。托爪受力簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4-6。圖4-6 托爪受力分析圖托爪受力為，將沿水平和鉛垂方向分解，則代入數(shù)值，計(jì)算得：，“-”號(hào)表示方向與相反，水平向左。銷軸材料為Q235,由于銷軸受剪，取安全系數(shù)，銷軸的許用切應(yīng)力 。銷軸所受剪力為取直徑為5mm的標(biāo)準(zhǔn)螺栓作為銷軸，則最大剪應(yīng)力， 螺栓抗剪強(qiáng)度足夠，可用，取的標(biāo)準(zhǔn)件銷軸

24、。4.2.4 死點(diǎn)式托爪支撐桿銷軸C、D的設(shè)計(jì)與校核此軸銷主要受力為剪力。支撐桿受力為，結(jié)合圖7，由作用力和反作用力得，支撐桿銷軸所受剪力與大小相等，方向相反。銷軸材料為Q235,取安全系數(shù)為， ，銷軸截面積，取銷軸直徑為，則其截面積，所以2個(gè)銷軸可用。4.3 主要零部件的設(shè)計(jì)尺寸、材料4.3.1 圓盤設(shè)計(jì)尺寸如圖4-7所示為：高60mm，外徑250mm，內(nèi)臺(tái)階孔徑150mm，深50mm，中間通孔徑40mm，相隔1200的3個(gè)橫桿插孔孔徑15mm。材料：聚酰胺、尼龍等工程塑料。4.3.2 托爪尺寸：總長(zhǎng)200mm，以適應(yīng)伸縮的需要；前端需特殊處理，以減輕對(duì)打撈物的沖頂；爪身尺寸以校核為準(zhǔn)。材料

25、為：木質(zhì)或工程塑料。圖 圖4-7 圓盤示意圖 第5章 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與動(dòng)力分析5.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析就是根據(jù)在機(jī)構(gòu)各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)尺寸已確定、且原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律（通常原動(dòng)件做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)）已知來(lái)確定其他構(gòu)件上某些點(diǎn)的軌跡、位移、速度和加速度（或某些構(gòu)件的位置、角位移、角速度、角加速度）等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。為了確定機(jī)構(gòu)工作過(guò)程的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能，往往要知道機(jī)構(gòu)構(gòu)件上某些點(diǎn)的速度、加速度及其變化規(guī)律。對(duì)于高速和重載機(jī)械，其運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的慣性力往往很大，因此，在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算、動(dòng)力特性分析和機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)（如機(jī)構(gòu)平衡）時(shí)常需要計(jì)算構(gòu)件慣性力。因而，也就要求首先對(duì)機(jī)構(gòu)的速度和加速度進(jìn)行分析。對(duì)于我們所設(shè)計(jì)的兩個(gè)機(jī)構(gòu)，我

26、們主要對(duì)死點(diǎn)式托爪用解析法進(jìn)行分析，同時(shí)，我們應(yīng)用pore軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模擬，從而繪制某些機(jī)構(gòu)構(gòu)件上某些點(diǎn)的位移、速度及加速度。平面上一個(gè)點(diǎn)的位置可以用該點(diǎn)的兩個(gè)坐標(biāo)表示，運(yùn)用解析法的關(guān)鍵是建立構(gòu)件上一些特殊點(diǎn)的位置方程，從而得到它們速度與加速度的變化規(guī)律，來(lái)分析構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)。分析過(guò)程如下：圖5-1 機(jī)構(gòu)坐標(biāo)圖如圖5-1中坐標(biāo)所示，以A點(diǎn)為原點(diǎn)（0，0），在上面MATLAB分析中，在托爪向上展開的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，AB桿和絲繩連接，所以AB為原動(dòng)件，已知原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)，就是已知AB桿繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位置為、角速度和角加速度，由于3個(gè)桿的尺寸約束， 、距離不變，所以可寫出B的位置方程為： (5-1)其中，

27、AB桿的角位置為，可立即計(jì)算出來(lái)，從而得到鉸接點(diǎn)B的位置將式（5-1）對(duì)時(shí)間t分別作一次、二次求導(dǎo)，可得到鉸接點(diǎn)B的速度和加速度方程如下： （5-2）其中。 （5-3）其中，根據(jù)已知的和，由式（5-2）和（5-3）就可以求出鉸接點(diǎn)B的速度和加速度。確定從動(dòng)件BC上點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)之后，必須再確定構(gòu)件BC上另一點(diǎn)C，才能確定構(gòu)件BC桿的運(yùn)動(dòng)，由于運(yùn)動(dòng)尺寸的約束，、的尺寸不變，其中，所以即D，則有C點(diǎn)的位置方程如下： (5-4) 其中由式（5-1）中，可求得，又因?yàn)椋?，所以由式?-4）可求得。 將式（1-4）進(jìn)行整理： (5-5) 對(duì)式（5-5）進(jìn)行對(duì)時(shí)間t的一階和二階導(dǎo)數(shù)，可以得到C點(diǎn)的速度方程

28、： (5-6) 其中，已經(jīng)由式（1-2）求出，只有，兩個(gè)未知數(shù)，可求出C點(diǎn)的速度。C點(diǎn)的加速度方程為：(5-7) 其中只有，兩個(gè)未知數(shù)，即可求出C點(diǎn)的加速度。 至此，B、C鉸接點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)都得到確定，BC桿的運(yùn)動(dòng)得以確定。5.2 機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析的主要內(nèi)容是確定實(shí)現(xiàn)設(shè)定的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所施加于機(jī)構(gòu)上的力，此力被稱為機(jī)構(gòu)的平衡力或平衡力矩。 確定機(jī)構(gòu)的平衡力（或平衡力矩）在工程上具有重要意義?？梢愿鶕?jù)確定出來(lái)的平衡力（或平衡力矩）選擇動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，確定機(jī)械裝置的工作能力等。在求解過(guò)程中還可以求出機(jī)構(gòu)中各個(gè)運(yùn)動(dòng)副的反力，為零件的強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)提供依據(jù)?？傊瑱C(jī)構(gòu)的動(dòng)力分析對(duì)于了解機(jī)構(gòu)的傳力性能、

29、進(jìn)行驅(qū)動(dòng)裝置的選擇。確定機(jī)械的工作能力等方面都是非常必要的。由于三桿式托爪涉及彈簧，仿真存在困難，所以我們只對(duì)死點(diǎn)式托爪進(jìn)行仿真，將死點(diǎn)式托爪簡(jiǎn)化為一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，在ADAMS中建模并仿真，并輸出仿真曲線，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，分析過(guò)程如下：圖5-2 托爪坐標(biāo)圖如圖5-2中坐標(biāo)所示，以A點(diǎn)為原點(diǎn)（0，0）， 其中，從而 設(shè)滿足，從而，曲線與正弦曲線類似。利用pore軟件進(jìn)行仿真，得到鉸鏈點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)曲線如下圖所示： 圖5-3 鉸鏈點(diǎn)BX方向的運(yùn)動(dòng)分析 圖5-4 鉸鏈點(diǎn)BY方向的運(yùn)動(dòng)分析 圖5-4鉸鏈點(diǎn)B的位移曲線 圖5-5 鉸鏈點(diǎn)B的速度曲線 圖5-6 鉸鏈點(diǎn)B的加速度曲線綜上分析：曲線變化基本與理論分析

30、吻合，所以機(jī)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求。第6章 機(jī)構(gòu)動(dòng)力設(shè)計(jì) 由于該裝置與救撈環(huán)境和救撈場(chǎng)所密切相關(guān)，且由救撈人員操作，所以機(jī)構(gòu)的動(dòng)力是由操作人員提供，從而可控式救撈裝置的動(dòng)力是與救撈環(huán)境、救撈場(chǎng)所和操作人員相關(guān)的，并不能給出一個(gè)具有確定規(guī)律的動(dòng)力設(shè)計(jì)，要視現(xiàn)場(chǎng)條件以及操作人員而確定。第7章 機(jī)構(gòu)建模與VR展示7.1 機(jī)構(gòu)建模7.1.1 建模工具的選擇PTC公司的Pro/ENGINEER經(jīng)過(guò)10余年的發(fā)展，已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對(duì)大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER還提供了目前所能達(dá)到的最全面

31、、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。我們選用Pro/E進(jìn)行建模，一來(lái)可以體驗(yàn)Pro/E強(qiáng)大的功能，還能夠訓(xùn)練我們的軟件應(yīng)用能力。7.1.2 各部件的建模圓盤建模：利用拉伸工具和孔特征建立托爪座的圓盤模型，如圖6-1所示。圖7-1 圓盤模型圖 托爪建模：利用掃描工具、拉伸工具和孔特征等命令建立托爪的各個(gè)桿件，如圖7-27-5所示。圖7-2 托爪立桿模型圖 圖7-3 托爪支撐桿1模型圖 圖7-4托爪支撐桿2模型圖圖7-5 托爪橫桿模型圖7.1.3 機(jī)構(gòu)的裝配在完成了高位自卸汽車的各個(gè)零件的建模之后，接下來(lái)我們對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝配，托爪座圓盤與托爪橫桿之間定義為圓柱連接，各個(gè)桿件之間定義為銷釘連接，可自由轉(zhuǎn)動(dòng)

32、，最后添加材質(zhì)以及進(jìn)行渲染。裝配之后的可控式救撈裝置如7-6所示。圖7-6 可控式救撈裝置渲染圖7.1.3 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)第八章 結(jié)論8.1 方案特點(diǎn)8.11三桿式托爪和死點(diǎn)式托爪較其它兩種托爪結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單實(shí)用，靈活的利用了機(jī)械原理中的知識(shí)，設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇了三桿式和托爪和死點(diǎn)式托爪進(jìn)行了一些探討，但由于在死點(diǎn)式托爪中比較巧妙的運(yùn)用了死點(diǎn)的概念，該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、體積較小。8.12設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)在進(jìn)行該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要采用了位移矩陣法和一些常用的軟件。因此進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)比較簡(jiǎn)便，只需要對(duì)需要的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)通過(guò)軟件得到其運(yùn)動(dòng)規(guī)律即可。 由于該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單零部件簡(jiǎn)易，建模時(shí)比較容易得到單獨(dú)的零部件

33、，組裝時(shí)就比較困難，組裝完成后B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律容易得到。8.2設(shè)計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)尺寸如圖4-7所示為：高60mm，外徑250mm，內(nèi)臺(tái)階孔徑150mm，深50mm，中間通孔徑40mm，相隔1200的3個(gè)橫桿插孔孔徑15mm。托爪主要受力為彎矩。按托爪最大長(zhǎng)度l=200mm、單爪托起最大重量25Kg(250N)計(jì)(考慮承重不均)，托爪根部（斜拉桿下部）最大彎矩為：W=50000N·mm，第九章 收獲與體會(huì)通過(guò)這次機(jī)械綜合設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)了很多問(wèn)題，看到了自身的很多不足，同時(shí)也收獲了很多東西。經(jīng)過(guò)將近一個(gè)學(xué)期的努力，從“深井救撈托爪裝置”項(xiàng)目方案的提出，到托爪機(jī)構(gòu)以及零部件的設(shè)計(jì)、校核，再到可控式救撈裝置的運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)力設(shè)計(jì)以及仿真和VR展示，經(jīng)過(guò)一次又一次的分析比較，可控式救撈裝置的設(shè)計(jì)已基本完成。從目前社會(huì)上經(jīng)常發(fā)生的對(duì)兒童及較小部件不慎墜井、卡在樓體夾縫等事故救援或打撈不力的現(xiàn)象出發(fā)，結(jié)合所學(xué)