多功能機(jī)械手裝置的技術(shù)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)江發(fā)源于“世界屋脊”———青藏高原的唐古拉山脈各拉丹冬峰西南側(cè)，于崇明島以東注入東海，全長(zhǎng)約6300公里，是世界第三長(zhǎng)河流。長(zhǎng)江航線上標(biāo)志船數(shù)量需求巨大，如果標(biāo)志船的布設(shè)、檢查和維護(hù)得不到及時(shí)、可靠的保障，將對(duì)航道整體的公共安全構(gòu)成極大隱患。為促進(jìn)長(zhǎng)江航道現(xiàn)代化建設(shè)與發(fā)展，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高維護(hù)人員安全性，長(zhǎng)江武漢航道局開展了“標(biāo)志船鋼絲繩漂浮纏繞物清除裝置”研制項(xiàng)目。通過本項(xiàng)目的研究應(yīng)用，力求提高長(zhǎng)江航道維護(hù)作業(yè)效率、降低維護(hù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度和工作危險(xiǎn)程度，并為多功能機(jī)械手的全面應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。機(jī)械手具有抓力大、動(dòng)作靈活、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠、可實(shí)現(xiàn)遙控操作及智能化監(jiān)控等特點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域得到迅速發(fā)展和成功應(yīng)用。項(xiàng)目的核心是一部以液壓為動(dòng)力的多功能機(jī)械手裝置，安裝于長(zhǎng)江武漢航道局的110kW測(cè)量船上，用于清除錨纜纏繞物、轉(zhuǎn)運(yùn)航道維護(hù)物資及輔助拋錨等。1)作為一部安裝于船舶艏甲板的機(jī)械裝置，如何減輕自重和體積，以及降低臂架產(chǎn)2)液壓泵站等關(guān)鍵部件決定了裝置的最大承受載荷，是裝置能否實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目需求的關(guān)本文從臂架和液壓系統(tǒng)這兩方面入手，對(duì)多功能機(jī)械手裝置的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)的2多功能機(jī)械手裝置基本情況機(jī)械手裝置回轉(zhuǎn)角度：<180°(帶限位);抓手回轉(zhuǎn)角度：360°全回轉(zhuǎn)(±180°);2.2裝置動(dòng)作簡(jiǎn)介2.3多功能機(jī)械手裝置構(gòu)成部分(4)手部(末端執(zhí)行器):是機(jī)械手的作業(yè)工具。3臂架系統(tǒng)選型3.1臂架系統(tǒng)受力分析圖1吊臂截面型式吊臂的受力簡(jiǎn)圖如圖2所示。截面B的彎曲應(yīng)力為：其中：W為抗彎截面模數(shù)，mm3;B、H為截面外部尺寸，mm;b、h為截面內(nèi)部要想得到較大的抗彎截面模數(shù)，則截面外部尺寸應(yīng)盡量大，而截面內(nèi)部尺寸應(yīng)盡量小，這樣，吊臂的重量將增大。同時(shí)，不同材料的許用應(yīng)力，也決定了截面尺寸的大小。材料時(shí)，取1;n為安全系數(shù)，取1.5。由材料許用應(yīng)力公式可知，當(dāng)材料的屈服強(qiáng)度越大，則許用應(yīng)力越大，Q235、Q345和HG785D許用應(yīng)力對(duì)比如表1所示。材料材料抗拉強(qiáng)度σ,材料屈服極限σ材料屈強(qiáng)比β1安全系數(shù)n許用應(yīng)力[σ]由表1可知，HG785D的許用應(yīng)力約為Q235的3.3倍，約為Q345的2.2倍，所以，如果選擇HG785D材料，相同的彎矩條件下，可以有更小的截面尺寸。為了盡可能的減小吊臂重量，以便在盡可能高的工作負(fù)荷下，保證母船安全的浮態(tài)和穩(wěn)定性，因此，本文所述機(jī)械手的吊臂材料選擇為HG785D高強(qiáng)度鋼。3.2吊臂的強(qiáng)度校核和穩(wěn)定性校核折臂一、折臂二、臂架系統(tǒng)受力簡(jiǎn)圖分別如圖3、圖4、圖5所示。圖3折臂一受力簡(jiǎn)圖圖4折臂二受力簡(jiǎn)圖圖5臂架系統(tǒng)受力簡(jiǎn)圖根據(jù)臂架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式，在折臂一和折臂二根部所受的彎矩最大，即在圖2中B截面的彎矩最大。(1)折臂一的強(qiáng)度校核折臂一B截面的彎矩為：M={(G?+Fú?)×C'+[(F+F?)×V,+F??B處截面處的抗彎截面模數(shù)為：臂的彎曲應(yīng)力：材料的許用應(yīng)力為：(2)折臂二的強(qiáng)度校核通過同樣的計(jì)算方式得出折臂二的彎曲應(yīng)力：(3)穩(wěn)定性校核為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將吊臂當(dāng)成一個(gè)整體。整體穩(wěn)定性校核：板的局部屈曲穩(wěn)定性：因>0.75o,=0.75×763=572MPa,應(yīng)計(jì)算折減屈曲臨界應(yīng)力：屈曲許用應(yīng)力：式中：n=1.5,為安全系數(shù)，。局部屈曲穩(wěn)定性校核結(jié)論：4系統(tǒng)關(guān)鍵部件的計(jì)算與選型根據(jù)上述基本參數(shù)，部件及系統(tǒng)計(jì)算，系統(tǒng)選型如下：4.1結(jié)構(gòu)、各零部件質(zhì)量載荷及重心4.2各種載荷(1)質(zhì)量載荷起升載荷：(3)船舶傾斜(橫傾與縱傾)所產(chǎn)生的起升載荷水平分力為F?在橫傾5°,縱傾2°的情況下，起重機(jī)最大綜合傾斜角度約為：θ=arctgJiga2+1gβ2≈5.3820F?=F×sinθ=0.094×F?=0.0(4)船舶傾斜(橫傾與縱傾)所產(chǎn)生的吊臂質(zhì)量載荷水平分力F32=G?×sinθ=0.094×G?=0.0(5)其他最不利的水平力(回轉(zhuǎn)加速度產(chǎn)生的慣性力)回轉(zhuǎn)時(shí)起升載荷的水平慣性力：回轉(zhuǎn)時(shí)吊臂質(zhì)量載荷的水平慣性力：F??=0.15G?a=0.15×342(6)風(fēng)載荷作用在起升載荷上的風(fēng)力：作用在起重機(jī)回轉(zhuǎn)構(gòu)件上的風(fēng)力：同向于臂：Fw?=CqA=1.82×245.2A≈450A=45垂直于臂：4.3回轉(zhuǎn)支承的選取本裝置回轉(zhuǎn)支承選用徐州羅特艾德回轉(zhuǎn)支承有限公司產(chǎn)品。F=F+G?=4100+3420=7520N(3)傾覆力矩(4)當(dāng)量軸向負(fù)荷(5)當(dāng)量?jī)A覆力矩M'=f×1.225M=53405N.m(6)回轉(zhuǎn)支承選型根據(jù)上述計(jì)算的F和M',按供方提供的回轉(zhuǎn)式減速機(jī)承載力矩圖，選取回轉(zhuǎn)式減速器(含回轉(zhuǎn)支承)型號(hào)為：SE14A-85-25H-L-100。采用10.9級(jí)M16高強(qiáng)度螺栓聯(lián)結(jié)。4.4回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的計(jì)算(1)回轉(zhuǎn)支承的摩擦力矩按《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》計(jì)算：式中：γ為滾動(dòng)體的壓力角，取45°。式中：K為與滾動(dòng)體形狀和滾道剛度有關(guān)的系數(shù)，取5。(2)傾斜造成的等效旋轉(zhuǎn)阻力矩(3)風(fēng)力造成的等效旋轉(zhuǎn)阻力矩(4)回轉(zhuǎn)加速度產(chǎn)生的慣性力矩M?=F??R+F??C=1312N.m(5)總的回轉(zhuǎn)阻力矩M=M?+M?+M?+M?=6994N.m(6)回轉(zhuǎn)式減速器傳動(dòng)比：i=85(7)回轉(zhuǎn)式減速器所需輸入扭矩(8)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)的選取輸出扭矩：200N.m;(9)回轉(zhuǎn)油馬達(dá)的進(jìn)出口最大壓差(10)回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)工作所需流量4.5液壓系統(tǒng)計(jì)算(1)液壓油泵流量的確定考慮系統(tǒng)可能存在的泄漏，液壓油泵的流量按不小于回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)流量的1.2倍確定，(2)油泵工作壓力的確定選取油泵工作壓力：(3)所選取的液壓油泵輸出參數(shù)如下排量：10ml/r;14.4L/min,工作壓力31.5MPa大于計(jì)算工作壓力17MPa,滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。4.6電功率計(jì)算本裝置電功率主要供應(yīng)液壓油泵和控制系統(tǒng)，其中，液壓油泵電動(dòng)機(jī)為主要的電力需求設(shè)備。根據(jù)液壓油泵的參數(shù)，電動(dòng)機(jī)功率按如下公式計(jì)算：根據(jù)計(jì)算，本裝置選用電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：電制：3ph,AC380V,50Hz;啟動(dòng)方式：星三角。其中，所選用電動(dòng)機(jī)的功率大于計(jì)算功率，預(yù)留約20%的余量，要求母船提供一路電制為3phAC380V50Hz的電源至本裝置星三角啟動(dòng)控制箱，電纜規(guī)格不低于3x4。本裝置的機(jī)旁控制箱、電動(dòng)機(jī)等用電設(shè)備均由啟動(dòng)控制箱供電。在船檢驗(yàn)船師的參與下，長(zhǎng)江武漢航道局組織進(jìn)行了裝置的臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。表2臺(tái)架試驗(yàn)記錄工作負(fù)載實(shí)際負(fù)載試驗(yàn)項(xiàng)目回轉(zhuǎn)速度(s/r)工作壓力電流(A)左右空載試驗(yàn)00變幅4回轉(zhuǎn)5負(fù)載試驗(yàn)3