长撑杆双瓣四索抓斗的结构设计与优化毕业论文终稿

本 科 毕 业 设 计（论 文）题目 长撑杆双瓣四索抓斗的结构设计与优化 学生姓名 石宵晨 学 号 1121030 指导教师 楼纪国 学 院 机电学院 专 业 机械设计制造及其自动化 交稿日期 2015 年 4 月 30 日 教务处制长撑杆双瓣四索抓斗的结构设计与优化- I -长撑杆双瓣四索抓斗的结构设计与优化摘 要抓斗的发明是人类历史上的一种进步，从使用大量劳动力来搬运物品到现在只需要一个起重机司机操作抓斗来抓取物品。节约额外的劳动力和卸货时间，还很大程度上提升了抓斗工作的效率。但是目前在使用的矿石抓斗的抓获效率不是很大，所以想要通过复合函数循环求解的方法改进参数，提升抓斗的抓获力，从而提高抓获效率。具体的方法是：先是根据实习工作中的经验和通过查阅一些相关资料，制定需要设计的抓斗的吨位和抓取物料，确定抓斗设计需要的一些主要参数，然后对抓斗主要的部件进行分析与设计，在设计过程中最主要的是散料的特性和抓斗本身的参数确定。再对主要部件，如轴，轴承，键，颚板等部件进行强度的校核。根据计算出来的抓斗的数据，用 INVENTOR 制图软件建立一套简易的抓斗模型。最后，编写程序，用 C 语言对抓斗的抓取力进行了研究，以抓斗闭合绳拉力生成的抓取力作为目标函数，将设计好的抓斗参数通过数学方法变成函数方程。为了避免抓斗结构强度不达标的情况发生，所以要改进四索抓斗的主要参数，改正了从前只通过工作经验来选取抓斗的参数，使抓斗抓取力比原方案提升 10%。根据优化之后的参数，再出抓斗主要图纸，如上下承梁，斗体，平衡架，撑杆的工程图和装配图。关键词：抓斗，参数化，模型，C 语言长撑杆双瓣四索抓斗的结构设计与优化- II -The Structural Design and Optimization of The Grab with Long Poles, Two-Jaw and Four-RopeAbstractThe invention of the grab bucket is a kind of progress in the history of mankind, from using a large amount of labor to carry items to only need a clamshell crane driver operation to grab objects now. Save the extra labor and auxiliary time, and also greatly improve the efficiency of loading and unloading. But I think the grab efficiency of the ore grab is not very big, So I want to improve grab grasping force through parameter optimization to improve the efficiency of scraping.The specific method is: First, it based on the internships that I work in the experience and access to some related information to formulate the tonnage and capture materials of the grab that I will design. To make sure some major parameters that grab design needs. Then analyze and design the main components of grab, In the design process，the most important things are the characteristics of bulk material and parameters determination of a grab itself. Afterwards, I check the strength of the main parts, such as shaft, bearing, key, jaw and so on. According to the grab data that calculated with，then using the inventor mapping software to establish a simple model of the grab bucket. At last, write a program and use MATLAB to analyze the grab force, To grab a closed rope tension produced by grasping force as objective function, front already will design the grab parameter transformed as the linear equation. Under the condition of ensure the structural strength of grab, optimizing the key parameters of grab with long poles double jaw plate. Revised the key parameters of grab design that based on the experience in the past ,and improve the grasping force of 20% more than the original plan. According to the data after the optimization, draw a grab main components, such as upper and lower beam, the bucket body, balance, poles of engineering drawing and assembly drawing.Key Words: Grab, Parameter, Model, C language长撑杆双瓣四索抓斗的结构设计与优化- III -目 录1.绪论.11.1 抓斗的概述.11.2 国内外的研究现状.21.2.1 国外研究现状.21.2.2 国内研究现状.22.抓斗的总体分析.42.1 抓斗的结构组成.42.2 抓斗的工作原理.42.3 抓斗的方案制定.63抓斗的总体设计.73.1 抓斗自重的确定及其分配.73.2 确定抓斗的颚板宽度 B 和最大开度 Lm .83.2.1 颚板宽度 B 的确定 .83.2.2 最大开度 Lm 的确定 .93.3 抓斗的其他几何参数.93.4 确定颚板的侧面形状和尺寸.103.4.1 颚板的底倍角.103.4.2 颚板侧板的上缘边线与水平线夹角 .103.4.3 颚板侧板的面积.103.4.4 侧板形状作图.103.5 确定开闭滑轮组倍率.123.6 选择钢丝绳.123.7 确定并绘制抓斗总体结构尺寸的简图（闭合状态和张开状态）.133.8 运动学分析.153.9 主要参数汇总.164抓斗主要部件的结构设计.174.1 撑杆的结构设计.174.1.1 强度计算.174.1.2 撑杆铰与轴套验算.194.2 斗体的结构设计.194.2.1 水平刃口板厚度.204.2.2 斗底板厚度.204.2.3 水平刃口板宽度.21长撑杆双瓣四索抓斗的结构设计与优化- IV -4.2.4 大弯板.214.2.5 斗体面板的强度验算.224.3 上承梁的设计与强度校核.234.3.1 滑轮组设计.234.3.2 轴承的选择固定及寿命计算.254.3.3 轴的计算.264.3.4 销轴的选择及强度计算.294.3.5 下承梁的设计.304.4 抓斗三维模型的建立.314.4.1 上承梁.314.4.2 下承梁.314.4.3 平衡架.334.4.4 撑杆.334.4.5 斗体.344.4.6 抓斗的总装.345.抓斗优化.365.1 设计变量.365.2 目标函数.365.3 约束条件.375.4 优化结果.38结 论.42参 考 文 献.43附录 A 优化程序 .44致 谢.50长撑杆双瓣四索抓斗的结构设计与优化11.绪论自改革开放以来，我国港口的装卸行业得到了迅速的发展，陆续建成了北伦港矿石中转码头，宝钢主、副原料码头等一大批现代化的散货，矿石专用码头。现如今，抓斗卸货船的使用率最高，作为卸货船最重要的零件-抓斗，大家对它进行了越来越多的探究。因为抓斗的很多参数会直观地反映到装载、卸载矿石、煤炭等颗粒货物的工作效率。国内目前使用的抓斗种类有很多，剪式抓斗有着抓取比大的有点，可以在相同的时间内抓取更多的散货，但是它闭合后外形尺寸较大，使抓取散货的空间受到限制；多瓣抓斗适合抓取块状或形状不规则的物料，它不仅在抓取物料的时候有良好的切入性，而且多瓣的耐磨性也比较好，但是多瓣抓斗基本都是靠液压或者电动的，不适合用在大吨位上；长撑杆双瓣抓斗的整体结构设计轻盈，闭合力强，物料充填率高，所以被广泛的运用在了港口装卸散货上。抓斗从前的设计都是直接依靠经验来制造的，所以存在抓取比太小，抓取效率低等许多问题。1.1 抓斗的概述抓斗，用于抓取散装物料的一种自动取物装置，多用于工程机械中，常安装在吊车悬臂的末端。其抓取散货及卸料的过程完全是由起重机司机操纵并通过卷扬机拉放绳索以及抓斗的自重，所以不需要人去不断的布置挂钩和挂网，节约了大量劳动力，与此同时也节约了工人操作的时间，提高了装卸生产效率。所以，抓斗在港口，码头，矿石场等需要装货和卸货的作业中得到了非常广泛的使用。明确货物装货和卸货的批量处理任务,确认运输颗粒货物的路线后,起重机吊升装置的吨位和抓斗的工作情况可以决定抓斗起重机的装卸效率。经济性优良，效率高的装货和卸货工作，必须对散货的密度，起重机的起重量和卷扬机构，滑轮组等部件的转动速度有一个精准的抉择。与抓斗起重机装卸效率息息相关的是抓斗的获取值,起重机的吊装吨位一定要大于等于抓斗抓取货物的数量和它自身的重量。因此设计首先要明确的方向是在综合思考操作的情况下，怎样才能设计出抓斗自身重量小而抓取量多的起重机抓斗，满足抓斗的斗体充分的填充。综合考虑在这里说的是在抓斗的使用年限里,搞定货物的大部分输出值和抓斗自身的成本比值。当设计合理的状态下,抓斗的操作年限应该和材质的选择及其构成相关,还与它自身的吨位有关。尽可能发挥起重机吊装的能力,表示抓斗在抓获散装货物的操作中,应根据微小波动偏差来确定斗体的装载能力。品质优异的抓斗，不能仅仅拥有光鲜的理论装载能力，而在正常的使用过程下，必须实实在在的达到所标注的装载能力。斗容不足，意味着抓斗不能完全达到所标注的填充量，这将导致起重机的装卸效率大大降低，而斗容过量，则会使起重机超载，造成很多不安全的因素。在使用抓斗时，这些都是不希望的。长撑杆双瓣四索抓斗的结构设计与优化2所以必须要掌握影响抓斗填充量的关键因素，才能使抓斗抓取散货可以达到理论填充量。主要的影响因素有抓斗的底倍角，货物密度，货物的外形及其大小。抓斗依据开闭方式分类，分成单索抓斗，双索抓斗，四索抓斗，马达抓斗。单索抓斗常应用在带有挂钩的起重机上，方便装卸少见的，不规则的散装货物，但其构造与使用比较繁琐，生产效率低。双索抓斗需要装配定制的双卷筒在起重机上，但是它的生产效率高，可以抓获不同种类的货物，广泛使用。四绳抓斗相较于双绳抓斗多了一组闭合绳和支撑绳，可以使抓斗的结构更加稳定，不容易打转。马达抓斗设计本身就装有控制抓斗开闭的设备，不需要定制双卷筒起重机，只是需要附加带有电缆的卷筒。其中本文具体写的是四索抓斗。抓斗依据抓取物料密度可以分成轻便型抓斗，抓煤炭较多；中型抓斗，抓粮食等；重型抓斗，抓矿石等；特重型抓斗，抓巨大的矿石等，其中矿石属于第三种。抓斗根据颚瓣的数量可以分成双瓣抓斗和多瓣抓斗。其中双颚瓣抓斗抓取的是一般散粒物料，矿石就属于一般物料，所以适合用双颚板的抓斗。多瓣抓斗的颚瓣数量是指三个以上，大多数采用六个或者八个，抓取大块物料，废弃钢材和木料的效果比较好。1.2 国内外的研究现状1.2.1 国外研究现状随着现代工业飞速上升，使社会的生产力又飞跃了一个层次。当今世界的工业生产，基于社会需要的多样性，产品的加工和生产也从单一品种的大批量向着多样产品的方向发展。如今，世界的销售市场对起重机械的需要在不断的增长，但是目前所能看到的资料显示抓斗作为起重机械行业的重要配件，还没有专门针对抓斗研究的机构。只有从事、研究起重机械行业的公司，如德国的佩纳和德玛格，美国的罗克韦尔，日本的真砂株式会社等公司有所涉及。但是在抓斗的设计规范方面各个国家都没有相同的准则，德国的厂家有属于自己的企业准则，美国有自己国家标准局规定的设计规范，然而对于这些公司自己的标准如何得来的，没有明确的指出，让后人很难参照。1.2.2 国内研究现状众所周知，由于佩纳公司在抓斗设计行业起着很大的主导地位，导致中国主要市场上都是佩纳抓斗的身影。国内的科研机构和相关部门对抓斗的研发和改进也不是很重视。在我国的抓斗发展史上有过重大贡献的具体有四位，有着抓斗大王称号的包起帆，他致力于港口起重机械的装卸工具的发明创造 20 多年。上海海运学院的畅启仁先后在 1990 年发表的散货抓斗一书以及 1991 年在起重运输机杂志上发表的大型长撑杆散货抓斗的设计 ，解决了之前人们不知道如何选取合理的抓斗结构型式和不能长撑杆双瓣四索抓斗的结构设计与优化3确定影响抓斗的关键参数的问题。通过实践证明， 想要提高大型长撑杆散货抓斗的使用寿命和抓取性能，必须要选取合理的参数，还要保证抓斗各部件的强度校核和工艺方面的合理性。孙鸿范教授研发并制造了耙集式抓斗，为清除葛洲坝航道中的巨石起了很大的作用。肖乾信教授发明了钳式抓斗。他们为中国的抓斗行业的改革与创新提供了巨大的帮助。但从总体发展的水平来看，我国在抓斗生产的技术方面还是落后德国一大截的。除此之外，在抓斗的设计方面，可查资料中有：牛聪民的提高长撑杆抓斗抓取性能的合理设计 ，此论文中明确指出了抓斗的自重以及主要部件在自重上面的分配和抓斗抓取性能的关键参数，如抓斗斗体形状的选择等。华北工学院的梁雅琴、刘申全的抓斗的原理方案创新设计 ，在论文中提出了比较新颖的设计理念，为之后工程师提供了一种新思维在抓斗原理方案设计方面。肖乾信教授的钳式抓斗的抓获取性能与结构设计一文，对钳式抓斗展开了深层次的挖掘和剖析，对后人的设计提供很大的帮助。中国在抓斗设计的关键问题中一大部分都得以完善，能够保证港口顺利的进行装卸工作。在改善抓斗的性能问题上，有镇海发电厂的何兆达的发表了从煤炭抓斗的使用实践谈抓斗的改进设计的文章，主要解决了对轻型煤炭抓斗关键部件进行改进设计。大连起重电机厂研究所的孙友伶发表了抓斗撑杆的结构改型与受力分析 ，文章主要对撑杆进行了受力分析并对如何提升抓货能力做了细致的调查分析。天津铁路分局丰润车务段的刘志平发表了双颚板四绳抓斗结构的改进 ，通过改装轴承，在下承梁底部增设缓冲器，改变撑杆的结构和位置解决了部分问题，但没有从加强材料刚性要求的思路来改善问题。所以，我国在抓斗改进的方面必须要在加倍的努力和学习国外的技术长撑杆双瓣四索抓斗的结构设计与优化42.抓斗的总体分析2.1 抓斗的结构组成长撑杆双瓣四索抓斗如图 2.1 所示由斗体，上承梁，下承梁，撑杆和平衡架组成。双瓣就是指有 2 个相互对称的斗体。四索是指通过四根钢丝绳来控制抓斗的工作，其中两根钢丝绳挂在上承梁的导绳装置上，称为支持