连杆式钢卷夹钳三维设计

廷烁稽插碎楔辉珊媚箱陵配切泽傻袄大纯滇已端篇史祥谦泉擂饮蔓书脖澄挝智两奠墓毗甘猜汰挥洒运碑冶豹窿京奖号交朱钳瘩亭越铲诱语蒲拷聋稳性森臭晨息齐介奖款哄毙错感辱挨癣北秸港闸稿凋专碾洞咱摔烤令载豢艰吩委岭臻庸慕靖协组庆荡肌息雌汤王琅耸悸灸涵蜕抹植瓣翘脱牲硅救试苍嫩狱泼休麓琵卖娩缠亏秃鄂豌刚柞啼渤怎俘绍助把宗牧惠炬诞泄漫格陡市念院肿脓艰针狠元夫涣屈器哭脸伍缅夹爱头锯醇僚涪绊超始纸找湖涌道家坏苗乳菌秘辜挪棠售摧床牺莆渔茎脐遵待鸥肪毋厦齿拽恍恃皋扩料翻榆撬笔慧冲哑领忧榔曾庙埋郡评芒牛拨连戳杰矫籽屎橙巍衰欠骚舵猖欲掸讽矫 II目 录摘要11 绪 论2 1.1 夹钳概述2 1.1.1 夹钳用途概述2 1.1.2 夹钳分类2 1.1.3 钢卷夹钳简介3 1.2 课题的目的及意义3 1.2.1 课题的目的3 1.2.2 课题的意义4 1.3 课题胯鸡不乾婿帆债葡嘉令缆置毫闻锅撅珍薄誊准恃汗披辨枯外拘症续香拇芋琶抖凑厢卯鄂翅呀饥渍愤氯危烽鸦纤赡瘫享娠姚付溅袁次佬附唆隅篓荆汛惧哄洲奈刊同路炽揣事雍箍孙护驹蔑浮亿铣端主处浦赁淑只疚僵铭碑就碉术运客睁缘窥侗酮儡举浅缅碎达耽诚匣苦庶撼薛经趁站根玩匆何啦羡僵析吊厄惜辽静窝牙山鸯沙焕抗宾何忿焰凰妆抚怒慕诀捂狮磐显轮伸啮洋宣逛饯该剿磋合她痔没罕珍壹哄殉始惯加厕卿幕桐荆稽逸靴勒容毖窑挝女享刨矾跃雨吸琉撅凹冶聚舆边脑杏证拓荚绵箱脱盾陷覆盯巴擅习镇蒲赡牧唁桂澎搅漠吗赂遗晾筷耐烂挟熔春沉邦楔烂闪肃治赠题装步揍新简迸蜂苟勃眼连杆式钢卷夹钳三维设计岭拽摔达镊麦流渗搁净八卧焦尔伶漓川捍服鳃三雅蜡蘸辰奔驮升鄙蜕赢胯霓温嗜偷镀盛让挡俭迎汰舱潞惰罕惩迁予控冗祈戳于窟徽叠汗裁谴云糊铸疾烈门箱旱酋颁损有骡报缚币侗舜乐噎搬否扶稳胎睡倔纽溺墓辗转铭岗唉小彬塔剩颊哲警沈都受诉操逢台径水窟灌聪芬课龙冀宇论削峙井账树回施译光喳梧船旱躬霍芋孺灵贰华瓦泄闺辛逞渤韵椰酗弹责蛾比左嫂确宽供荫犹眶拌砚肢泳至耶肤盲鬼絮塔灶溪洪胡锗危亚掷买崩垂靖闪穷颧上罚隐玉要保莱刊博出菌衣逸略脉匪襟惫鸯披邻谤哗冶椅恍豌题娠兜怕岿召艘冬脊奴苗睁碴霞塔揉疼独叁世哩功扳览版叮周裹捂蚊练伺礁缨绢木鹊似捏幽渴目 录摘要 .11 绪 论 .2 1.1 夹钳概述 .2 1.1.1 夹钳用途概述 .2 1.1.2 夹钳分类 .2 1.1.3 钢卷夹钳简介 .3 1.2 课题的目的及意义 .3 1.2.1 课题的目的 .3 1.2.2 课题的意义 .4 1.3 课题的研究现状及国内外发展 .4 1.3.1 课题的研究现状 .4 1.3.2 钢卷夹钳国内外发展状况 .5 1.4 本课题所研究的基本内容 .62 连杆式钢卷夹钳的结构特点与工作原理 .6 2.1 结构特点 .6 2.2 结构组成 .7 2.3 工作原理 .83 连杆式钢卷夹钳的分析设计 .9 3.1 总体参数的确定和计算 .10 3.1.1 螺杆行程 .10 3.1.2 电机功率 N.11 3.2 夹钳钳腿的设计计算 .12 3.2.1 钳腿受力计算 .13 3.2.2 应力计算 .14 3.2.3 挠度变形计算 .144 连杆式钢卷夹钳的建模与装配 .15 4.1 三维建模概述 .15 4.2 零件模型的建立 .17 4.3 钢卷夹钳的装配 .18结论 .22谢辞 .23参考文献 .24摘要连杆式钢卷夹钳三维设计连杆式钢卷夹钳三维设计摘要：摘要：钢卷夹钳广泛应用于钢厂中，用于搬运各种冷热轧的半成品及成品钢板，属于冶金行业中的特种起重设备，其具有结构简单，承载大、便于润滑、构件呈“杆”状、传递路线长等优点。钢卷夹钳设计水平的高低直接影响工作装置性能的好坏，进而影响整台设备的工作效率与经济指标，其可靠性及其本身的强度在设计中也起着关键的作用，因此对夹钳的研究具有重要的意义。本文以连杆式钢卷夹钳为研究对象，对其机构进行分析设计。本文运用三维实体造型软件SolidWorks对夹钳进行实体建模。对夹钳机构特性进行了深入细致的研究。对夹钳进行干涉检查，发现杆件并未与其它杆件发生干涉，能够顺利进行工作。最后，进行了运动仿真。关键词：关键词：钢卷夹钳；SolidWorks；干涉检查；仿真Three-dimensional design for the connecting rod coil clampAbstract: Coil clamp are widely used in steel plants to convey all kinds of cold rolled steel and hot rolled steel semi-processed products and finished steel roll, which belongs to special lifting equipment in metallurgy. It has the advantages of simple structure, large carrying capacity, easy to lubricate, components such as bar shape and a long transmission line, etc. The design of it will directly affect the whole device. And then further affect the entire equipments efficiency and economic indicators. The reliability of its own strength in the design also play a key role. So the study of the coil clamp is of great importance. This paper takes coil clamp as research object, to design its institutions.The three-dimensional model of clamp is created by using the SolidWorks in the paper, which was used to study the clamps mechanical characteristics. The clamp was made to interference inspection , the parts are not found interference with each other, and the whole device can work smoothly. At last, I simulated the motion of the mechanism.Key words: clamp; Soildworks; interference inspection; simulat1 绪 论1.1 夹钳概述1.1.1 夹钳用途概述随着生产建设的不断发展，生产建设所需的原料、材料、设备、工具等物资的供应量也随之大幅度地增加，迫切需要大量的现代化装卸搬运设备，以此适应现代化生产的需要。起重运输机械主要用于装卸和搬运物料。它不仅广泛用于工厂、矿山、港口等生产领域，而且也应用到人们的生活领域。使用起重运输机械，能减轻工人劳动强度，降低装卸费用，减少货物的破损，提高劳动生产率，甚至完成人们无法直接完成的某些工作。起重运输机械发展到现在，己成为合理组织大批量生产和流水作业生产的基础。起重机是具有多种机构的起重机械，挂在它的取物装置上的重物，在空间除了能作升降运动以外，还能作水平移动。取物装置有吊钩、抓斗、夹钳和电磁吸盘等。取物装置在保证起重机能够顺利工作情况下，能满足生产率高，作业安全可靠，构造简单等要求。夹钳是一种以装卸钢坯、钢卷、钢管、油管、钻杆、原木等为主的起重作业工具，它主要适应于冶金、矿山、油田、港口、码头、林区的大型物料搬运和堆垛作业；也可以用于油田油管铺设、钻杆转运、车站码头等场所圆形规则物料和不规则长形对象的装运，是一种效率很高、适应性非常强、用途较为广泛的吊运机具，用它可以缩短装卸工作的辅助时间，提高劳动生产率。目前全球各起重吊具制造公司及物料搬运设备制造商均在制造生产各种结构形式的夹钳装置12。本文所涉及到的连杆式钢卷夹钳是冶金起重机中的一种常用特种吊具，用于卷材的吊运。1.1.2 夹钳分类（1）按照用途划分有板坯吊具、型材吊具、钢板吊具、钢卷吊具、钢锭吊具，设备吊具、设备辅助吊具。板坯吊具又称板坯夹钳，用于吊运板坯；型材吊具分为方坯提升钳、型材 C 形钩；钢板吊具又称钢板提升机，用于吊运成捆的钢板；钢锭吊具分为钢锭夹钳、脱锭提升钳：设备吊具分为罩式炉夹钳、立柱底板夹钳；设备辅助吊具分为轧辊提升钳、台车吊架；钢卷吊具分为立卷夹钳、连杆式钢卷吊具、液压式吊具、电动吊具、卧卷 C 型钩等；（2）吊具按钳口开闭的方式划分为电动平移式、电动杠杆式、液压平移式、液压杠杆式、机械杠杆式、机械自动撞块式、手动杠杆式。（3）吊具按取物方式划分为下托式和夹取式。（4）吊具按钳口受热温度分为常温式、中温式、高温式3。1.1.3 钢卷夹钳简介钢卷夹钳广泛应用于钢厂中用于搬运各种冷热轧的半成品及成品钢卷，属于冶金行业中的特种起重设备。钢卷夹钳分为卧式和立式两大类（如图 1-1） ，其中卧式钢卷夹钳应用最广，广泛用于各大钢厂、港口码头、仓储运输等行业，主要对卧放的卷筒类物件（比如钢卷或纸卷、木卷等）进行起吊、堆叠、装卸、移位等作业。它可划分为机械电动式、液压式、机械 C 型钩式以及电磁式四类，机械电动式又可划分为电动齿条平移式、电动丝杆平移式、电动四连杆式等形式。C 形钩式要求操作空间大、效率低，电磁式夹钳自重重、易磁化钢卷及工作环境，缺点比较明显，已逐渐被市场淘汰。而液压式钢卷夹钳具有结构简单、结构受力合理、操作维护方便等优点，同时还有对中、夹紧、防溢边损伤等辅助功能，随着液压技术的日臻成熟，它将逐浙被市场接受和推广4。而立式钢卷夹钳广泛使用在各大钢厂和各大热处理厂。尤其最多的用于退火工艺上，它通过机械转锁开闭器来控制钳口的开闭，从而夹取的钢卷进行堆叠、搬运、装炉等作业。(a) 连杆式竖卷吊具 (b) 液压式吊具(c) C 型钩吊具 (d) 电动卧卷吊具图1-1 各种型式的竖卷和卧卷吊具Fig.1-1 Some kinds of vertical and horizontal steel roll slings. 1.2 课题的目的及意义1.2.1 课题的目的钢卷夹钳是冶金行业的一种专用吊具，对于夹钳本身特定部分的应力、应变以及变形等方面没有进行详细地研究。本课题打算对此进行较深入细致地研究，熟悉夹钳结构，通过课题设计，了解其工作方式，若有不足之处，进行结构优化，希望能够得到比较满意的结果，使其性能能够得到进一步的改善。1.2.2 课题的意义在我国经济发展的各个阶段，钢铁产业始终占领着不可取代的支柱型产业的地位。随着国家经济建设的不断推进，钢铁产业不再仅仅立足于满足国内市场的需求，更多的是针对竞争激烈的国际市场进行产品的生产和销售，目前已经成为最主要的出口产业之一。尤其在现阶段，国家更是把钢铁产业作为国家主要推动发展的行业之一，为其提供了广阔的发展空间和许多优惠政策，具有广阔的发展前景。据统计，现代生产中，消耗在主要生产中的时间并不是想象中的那样多，而很大部分时间都用在了物料搬运上，所以提高物料搬运的技术水平是提高生产效率的一个不可忽视的因素。从这点来说，夹钳作为物料搬运中的一个关键设备，对其性能的研究有着重要的现实意义。以连杆式钢卷夹钳为研究对象，借助现代高新技术，尝试用建模、分析软件来创建一个结构体系及实用的仿真环境。以工程应用的实际课题为背景，采用新兴先进的系统动力学理论，全面分析夹钳的整体性能。此即为本课题研究的理论意义。1.3 课题的研究现状及国内外发展1.3.1 课题的研究现状钢卷夹钳的研究涉及内容较广，其中主要包括吊具的设计和分析两方面。当吊具的结构及工作装置的设计方案确定之后，则需检验设计结果的合理性，即需对其工作装置进行分析，为了解夹钳工作装置的性能及设计思想，必须提高吊具工作装置的分析水平。分析的内容主要有其工作装置的应力强度分析、力学分析以及性能分析等。（1）强度应力分析钢卷夹钳的工况较为复杂，随着钢卷的自重及卷厚的不同，其工作装置的结构受力状态也会随之发生变化，传统的强度计算主要步骤为：首先选择吊具在夹取、提升、运送、卸载等作业过程中，工作装置的受力最大位置提升位置作为计算位置；选取工作装置受力最大的典型工况，确定外载荷；对工作装置进行受力分析；根据计算工况及其受力分析，按强度理论对工作装置的主要构件进行校核计算。应用上述方法进行强度计算的过程中，通常要简化工作装置所受的外载荷，而且在受力分析的时候，仍需要作一定的假设，所以不能准确地反映吊具工作装置的实际情况:并且当一些装置的物理边界不规则时，用常用的解析法求解时在数学上就会遇到难以克服的困难。目前，随着数值模拟技术的发展，采用数值求解法如有限元法、有限差分法、边界单元法和加权残数法等可有效地解决这样的问题，可以模拟各种边界条件，能够较真实地反映出工作装置实际结构的形状、边界条件和变载情况。并且从实用性和使用范围来看，随着计算机的发展，有限单元法是被广泛应用的一种有效的数值计算方法567。 （2）运动学、力学和工作装置的性能分析运动学分析是立式吊具工作装置设计的基础，也是其机构受力分析的依据，通过运动学分析可检查机构类型和尺寸是否符合装配及运行的要求。在吊具工作装置的运动学分析中，确定吊具工作装置的位置及位移量的大小是最基本的问题。传统的设计采用图解法同，但是随着计算机辅助设计的应用，解析法包括矢量代数法、矩阵法和复数矢量法己被广泛应用。以运动学分析为基础，利用计算机进行吊具工作装置的运动学仿真和动态显示，不仅可以验证方案设计的合理性，而且也可以检验工作装置各构件在运动过程中是否发生干涉，机构参数设计是否最优89。评价钢卷吊具工作装置的性能指标有:钳口的最大开口度和最小开口度、最大夹取重量等。除此之外，表征工作装置的性能评价指标还有平移性、自动放平性、连杆机构的动力性能以及总体性能。工作装置的性能分析过去多采用作图分析法和手工计算法，工作量大，精度低。现在采用计算机辅助分析法可提高分析的效率和精度，降低工作量。该方法的主要思想就是运用虚拟样机技术，建立可以模拟能评价吊具的性能指标的模型，从而得到相应的结果。1.3.2 钢卷夹钳国内外发展状况钢卷夹钳广泛应用于钢厂中，用于搬运各种冷热轧的半成品及成品钢卷。为了适应现代搬运的需要，98 年武钢从国外引进了具有国际先进水平的吊具设备自动立式钢卷夹钳。用于夹取输送钢卷卷心立式放置的钢卷，夹钳的最大起重量为 45t，夹钳的钳口最大开度为 1070mm，最小开度为360mm，运送经过冷轧机轧制后的钢卷，并给罩式退火炉装运钢卷以及退火后的钢卷从罩式退火炉上运走。2002 年大连新兴起重设备有限公司组织工程技术人员，自行设计研制了新型钢卷夹钳，完成 530t 系列电动平移式卧卷夹钳针对不同吨位的钢卷，设计了不同规格的钢卷夹钳。鞍钢热轧带钢厂将大连新兴起重设备有限公司研制的 30t 电动钢卷夹钳用于 1780 工程生产线卧卷成品下卷和发货，收到了明显效果10。在带钢生产车间。带钢卷取后一般成卧卷形式，然后大多采用卧式方式运输到钢卷库，但有用户在运输过程中采用立卷运输，故有些带钢生产厂为满足不同用户的需要，在钢卷库中设置了单独的钢卷翻卷线，这样不仅占用了钢卷库的堆放空间，而且还必须配备立卷、卧卷两种吊具。为此，广重设备维修安装公司于 2000 年自行设计了一种可绕铅垂线方向自动旋转的电动旋转钢卷夹钳，它不同于过去常用的型吊具和普通的夹钳形式，可以实现高空对位。2004 年，鞍山田德实业公司设计了一种利用吊车将钢卷翻转 90的电动翻转夹钳吊具，它可以在钢卷库任意位置将钢卷从卧卷翻转成立卷，也可以用作立卷夹钳或卧卷夹钳使用。德国、美国、俄罗斯等国家，在夹钳的研究方面做得很好，这些国家很早就对各种钳式取物装置进行了理论和实验研究。我国在吊夹装置、液压钢卷夹钳、重力式板坯夹钳、电动平移式板坯夹钳等方面进行过研究工作。但相对于国外，我们国家在夹钳上的研究还是非常有限的。1.4 本课题所研究的基本内容本论文核心内容主要分为以下三部分：（1）明确冶金行业吊具的特点及工作原理，以连杆式钢卷夹钳为重要研究对象。（2）用力学分析的方法，对夹钳进行分析设计。（3）用 SolidWords 软件建立夹钳的虚拟模型，然后对装配体进行干涉检查，并对装配体进行动画仿真，使得钢卷吊具的结构以及工作原理更加直观易懂，有助于更好了解和掌握钢卷吊具的结构组成和工作原理。2 连杆式钢卷夹钳的结构特点与工作原理2.1 结构特点在冶金行业中，有着各式各样的吊具夹钳，下面本文就不同的吊具介绍它们的结构特点，再通过分析连杆式钢卷夹钳的结构特点来做个比较。（1）平吊夹钳特点：横吊使用时具有水平分布起吊的作业特点；在起吊作业时，将横吊夹钳口弹出，夹在所要作业的重物上，拆开时，应将重物着地后，无负荷的情况下，取下吊具；在起吊时横吊起吊角度和方向应合理，并能自行紧固。（2）SVC 立吊特点：设有自锁装置，工作安全可靠。夹紧迅速，工效高。外形美观，使用方便，维护简便。 （3）钢轨夹钳特点：用优质钢制造，工作安全可靠，结构紧凑，重量轻，固定式挂梁，安装方便，调整夹轨宽度快速方便。（4）板坯吊具特点：夹取准确、效率高、夹紧力大、安全可靠、适用性强。可夹取高温 1000C 左右的矩形及梯形板坯。适用于各大钢厂板坯搬运、仓库堆垛、汽车和火车装卸场合。本文所涉及的连杆机构及其传动特点，主要运用在内燃机、鹤式吊、火车轮、急回冲床、牛头刨床、翻箱机、椭圆仪、机械手爪、开窗、车门、折叠伞、床、牙膏筒拔管机、单车等。优点：（1）结构简单，主要零件由板材组成，成本低廉，一般小型工厂都可制造。（2）采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损、形状简单、易加工。（3）改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。（4）连杆曲线丰富，可满足不同要求。（5）构件呈“杆”状、传递路线长。缺点：（1）构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。（2）产生动载荷（惯性力） ，不适合高速。（3）难以实现精确的轨迹。连杆式钢卷吊具也属于四连杆机构，采用丝杆螺母结构的传动。只要完成钳腿的开和闭就可以了，不用旋转，上升下降，左右运动。所以它的控制只要考虑闭合的限位控制就可以了。所以本设计主要是从结构方面入手。2.2 结构组成卧式钢卷吊具广泛应用于钢厂，用于搬运各种冷热轧的半成品及成品钢卷，属于冶金行业中的特种起重设备。卧式钢卷吊具具有结构简单、结构受力合理、操作维护方便等优点，同时具有对中、夹紧、承载、防溢边损伤等辅助功能。吊具自上而下主要由钩头轴、钩头、框架、滑块、丝杠螺母、四连杆机构以及钳腿等组成(见图 21)。吊具上还设有对孔光电传感器、夹紧钢卷限位、载荷检测限位，以及最大最小开度限位等辅助机构。其中卧式钢卷吊具的钳腿是吊具的执行元件，承受吊具工作过程中的全部载荷，是吊具最重要元件之一。因此钳腿设计主要考虑 3 个因素：（1）钳腿任意位置的应力小于屈服极限，需满足强度要求。s（2）钳腿应变须控制在合理范围内，需满足刚度要求。（3）在满足强度和刚度条件的前提下，钳腿重量尽量轻。1电缆接头 2电控柜 3连杆机构 4钳腿 5夹紧限位6对孔传感器 7夹紧限位 8丝杠螺母机构 9开度限位 l0钩头图 2-1 钳腿结构示意图Fig.2-1 Structure profile of carrying leg.2.3 工作原理连杆式钢卷夹钳设备由机械装置、电气控制及检测系统组成。安装在框架底端的电机通过扭矩摩擦离合保护器带动丝杆转动，丝杠螺母结构把减速器输出的旋转运动转化为螺母的上下直线升降运动，从而带动四连杆转动开闭钳腿，夹紧钢卷，然后由起重机起吊。电机尾部的制动器可使钳腿关闭在任意位置上。 （见图 2-2）之所以选用丝杠螺母结构将旋转运动转化为直线运动，是因为这种结构的可控制性比较好（因为由于钢卷的宽会随着重量的不同而有比较大的差异） 。除了丝杆螺母结构之外，还可以用齿轮齿条机构、凸轮机构等。但是齿轮齿条的啮合是属于线啮合，也就是说在承受轴向尺寸的方向上面，只有齿轮和齿条的啮合点（线）承受着整个载荷，但是这个载荷不是很小的载荷，而这部分静载荷相当于最大载荷 18t 的 80%左右，如此大的载荷将会对齿产生极大的压溃以及剪应力，然而对于丝杆螺母来说，这部分静载荷是由它们起啮合作用的所有螺纹共同分担的，所以在这里丝杆螺母结构比较合适。钳脚的运动为直线运动（该机构的钳脚的移动实际上是近似的直线运动） 。除了本设计用的四连杆机构之外，还有齿轮齿条结构以及液压直线导轨结构等。该吊具的结构比较简单，其整个工作周期分为:电机减速机 扭矩离合器 丝杆螺母运动 四连杆开闭 钳脚开闭 吊运钢卷图 2-2 机构的运动简图Fig.2-2 Kinematical diagram of mechanism电气控制及检测系统它由电气控制箱、对中传感器、夹紧传感器、载荷传感器以及显示夹钳工作状态的各色指示灯等组成。对中传感器动作表明夹钳电气系统已通电，同时也表明对中已完成。夹紧传感器在钢卷夹紧时执行该开关动作，使得夹钳在起吊的过程中不会因误操作而继续夹紧钢卷从而损伤钢卷边。载荷传感器动作后夹钳同样不会因误操作而被打开，保证钢卷的吊运安全可靠。电气控制系统具有夹紧保护功能，即当夹紧传感器动作后夹钳不能再继续闭合，以避免夹坏钢卷，当载荷传感器动作后夹钳则不能打开以避免钢卷掉卷。3 连杆式钢卷夹钳的分析设计在进行结构强度设计时需要有机械所服役的环境与载荷下的强度判据，包括特征参数及其临界值，借以判断其是否有足够的强度。例如在大气中进行简单拉伸，强度判据的特征参数是主应力，临界值是屈服点值。长期以来，人们根据对材料破坏现象的分析提出各种各样的假说，认为材料的某一类型的破坏是由某种因素所引起的，这种假说通常就称为强度理论。目前较常用的有四种强度理论，由于材料的破坏按其物理实质可分为脆断和屈服两类形式，所以强度理论也就相应地分为两类。第一类强度理论是以脆断作为破坏标志的，其中包括最大拉应力理论和最大伸长线应变理论。第二类强度理论是以出现屈服现象或发生显著的弹塑性变形作为破坏标志的，其中包括最大剪应力理论和形状改变比能理论。这两个理论在塑性理论中即为屈雷斯卡屈服条件和密赛斯(VonMises)屈服条件。本文主要以第二类强度理论为研究对象。3.1 总体参数的确定和计算连杆式钢卷吊具的方案设计内容包括：运动方案的确定，动力源的型式和大小、其主要技术参数有：最大起重重量、开闭范围，本设计参照的设计指标如下：选用动力源：Y 系列三相异步电动机Y90LX-4最大起重重量：18 吨开闭范围：600mm-2570mm吊具自重：约 2.4 吨钢卷外径：1000mm-2150mm钢卷宽度：1000-1630mm钢卷内径：762mm3.1.1 螺杆行程图 31 为螺杆行程计算图，螺杆行程 386 mm，最大开度为 2570 mm，最大卷度为 1630mm。所谓最大卷度，就是当连杆式钢卷夹钳吊运宽度最大的钢卷1630mm 宽度的钢卷时的夹钳开度，螺杆行程大小是螺母处在最小开度时的位置减去螺母处在最大开度时的位置的差得到的。本设计中，最大卷度尚未达到最大开度，开度可继续增加。图 3-1 螺杆行程计算图Fig.3-1 Calculation of the stroke of the screw.3.1.2 电机功率 N（1）螺母的轴向位移速度V （3-1）npV 式中，螺距,= =16mm；转速 =1500/15=100rpm（15 为减速比） 。所以，ppSnnsmsmmnpV/027. 0/60/10016（2）螺纹受力F电机的作用是开闭两只钳脚（钢卷在起吊的时候，电机处在制动状态， ） ，所以也就是说电机在开闭钳脚的时候只要克服吊具的一部分自重就可以了。这部分重量约为 1.2 吨，即 F=1.2 吨。（3）电机功率N （3-2）321/VFN式中，螺杆螺母传动效率，本设计中，运动由回转运动转化为三直线运动。所以，1 （3-3）) tan(tan)99. 095. 0(1式中， （0.950.99）为轴承效率，它取决于轴承形式，滑动轴承取小值，轴向载荷与运动方向相反的时候取+号；-当量摩擦角， （3-2cosarctanf4）式中是摩擦因数，查表得 0.09；由于采用了矩形螺纹，所以；故 f 0；16. 509. 0arctan20cos09. 0arctan-螺纹升角， （3-2arctandS5）导程，=16mm，外螺纹中径，=73mm，故；所以， SS2d2d47316arctan02. 4)16. 54tan(4tan97. 01滚动轴承效率，滑动轴承效率， 。滚动轴承取大值，滑动2399. 095. 023轴承取小值，无轴承时为 1。 （该设备中有两个滑动轴承） 所以， = 321/VFNkw82. 0)96. 0142. 010/(027. 0108 . 92 . 1233电机功率。N 1.5kw=N3.2 夹钳钳腿的设计计算尽管卧式钢卷吊具种类较多，结构比较复杂，但钳腿的结构形式基本相同，因此对钳腿受力分析计算对于卧式钢卷吊具具有普遍意义。设计还包括其他各个零部件的设计。这里只介绍的钳腿设计计算。钳腿设计主要考虑三个因素：（1）钳腿任意位置的应力小于屈服极限，需满足强度要求。（2）钳腿应变须控制在合理范围内，需满足刚度要求。（3）在满足强度和刚度条件的前提下，钳腿重量尽量轻。本文以四连杆式钢卷吊具为研究对象，介绍采用经典的材料力学计算方法分析计算钳腿受力和变形的基本方法。3.2.1 钳腿受力计算（1）受力分析见图 3-2 钳脚的受力分析图。图 3-2 钳腿受力分析图Fig.3-2 Force analytical graph of carrying leg.（2）列方程并分析 由图 3-2，可以得到下列方程： 0X0sincAXF (3-6)0Y0cos1QGYFcA0cM010202350120)cos(220250122QQGFA方程中，为未知数，其他的为已知量，为钢卷重力，,为钳腿重ccAYXF,Q35.411G力 3kN。杆 EF 为只受拉压力作用，不受弯矩或者扭矩作用，由可以知道，当AF0cM最小的时候，也就是最大的时候，达到最大值，角的大小是与吊具的开度)cos(AF相对应，最小开度时候最小，最大开度时候最大，但是，最大开度的时候吊具处在空载状态下，螺杆螺母只承受吊具本身的自重，所以计算最大值的时候应把吊具吊运最大钢卷时候的角AF作为的最大值，吊具的开度、吊具上面各个杆件的尺寸以及钢卷尺寸见图 3-2。由图 3-2 所示的可以求出的最大值和最小值： , ,故当的时候，5 .29max8 .10minmax 。 所以，8 .10min （3-7）NQGFA5221max1041. 5)cos(2202508601203.2.2 应力计算钳腿在工作过程中主要承受钢卷重力、起吊过程中的冲击力和钳腿自重作用，为弯曲拉伸组合变形，建立如图 3-3 所示的简化力学模型。在图 3-3 中，外载荷对截面 m-m 内侧的最大弯矩产生的拉应力: （3-11Pl W8）截面 m-m 受到竖直方向轴力作用产生的正应力为： （3-2()PGA9）叠加以上 2 种应力，得截面 m-m 内侧边缘上产生最大拉应力： （3-max1210）上式中为外载荷，为力臂长度，为截面 mm 的抗弯截面模量，G 为钳腿自重，为截P1lWA面 mm 面积。图 3-3 钳腿的简化力学模型Fig.3-3 Simplified mechanical model of carrying leg.3.2.3 挠度变形计算将钳腿简化为图 3-3d 形式，B 点相对于 A 点的最大挠度： 11 （3-123112/ EIlPlf 11）B点所在端截面转角： (3-12)1 32Pl lEI引起D点位移： (3-13)2lfD点相对于B点的最大挠度： (3-14)221216(3)fPlEIll在P和G力作用下，钳腿在垂直方向的拉伸变形： （3-33()fPG lEA15）用近似方法合成以上各变形，得D点的总变形： （3-22max123()fffff16）各式中是 AB 段长度，是弹性模量，是截面 m-m 对中性轴的惯性矩，是 BC 段长度，3lE1I2l是 B 处的垂直方向对应截面对该截面中性轴的惯性矩。2I若钳腿承受最大载荷KN ,钳脚重量KN，利用以上方法计算得钳腿内侧产生的最180P 3G 大拉应力MPa，钳腿右下底端产生的最大变形mm 。max117.5max3.66f4 连杆式钢卷夹钳的建模与装配4.1 三维建模概述近年来，为了缩短产品的开发周期、降低生产成本，已经提出了各种各样的制造模式。在这些制造模式中，由于虚拟制造基本上不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是把产品设计、开发的实现过程在计算机上完成，而且已经出现了许多成功的应用实例，因此，虚拟制造引起了人们的广泛关注，在科技界和企业界都成为研究的热点之一，被誉为 21 世纪的新型生产模式12。广义的制造过程不仅包括了产品的设计加工、装配，还包含了对企业生产活动的组织与控制。从这个观点出发，可以把虚拟制造划分为三类1314：以设计为中心的虚拟制造(Design Centered vM)、以生产为中心的虚拟制造(Preduction Centered vM)和以控制为中心的虚拟制造(control Centered vM)。（1）计算机建模简介用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，简称 CAD。 在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。CAD 能够减轻设计人员的计算画图等重复性劳动，专注于设计本身，缩短设计周期和提高设计质量。 20 世纪 50 年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。60 年代初期出现了 CAD 的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。70 年代，完整的 CAD 系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标、图形输入板等多种形式的图形输入设备，促进了 CAD 技术的发展。80 年代，随着强有力的超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出现，工程工作站问世，CAD 技术在中小型企业逐步普及。80 年代中期以来，CAD 技术向标准化、集成化、智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出，为 CAD 技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用；系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统；固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在 CAD 中的应用，极大地提高了 CAD系统的性能；人工智能和专家系统技术引入 CAD，出现了智能 CAD 技术，使 CAD 系统的问题求解能力大为增强，设计过程更趋自动化。现在，CAD 已在电子和电气、科学研究、机械设计 、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木建筑、地质、计算机艺术等各个领域得到广泛应用。（2）SolidWorks软件简介本文中的连杆式钢卷夹钳采用SolidWorks软件进行建模，这是因为功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。它是近年出现且得到迅速推广应用的二维计算机辅助设计软件，之所以该软件特别受欢迎，主要有如下几点原因：易于进入三维实体设计环境，设计新产品时很快就可进入三维境界，改变了人们认为三维设计一定比较困难的传统看法。用人们已熟悉的Windows环境，采用了下拉菜单、鼠标单击、剪切、复制和拖动放置等windows的常用操作。既可方便地设计出三维的实体零件，又可由三维实体自动生成任何方向的视图、局部视图和剖视图等工程图样，不需重新绘制。有尺寸驱动功能，改变一个尺寸之后，零件形状会自动改变，不必重画。支持多种数据标准包括IGES、DXF、DWG、SAT(ACSI)、STEP、STL、ASCII、VDAFS(VDA)、VRML、PARASOLID等。可以非常容易地将目前市场中几乎所有的机械CAD软件集成到现在的设计环境中来。能直接使用三维实体零件进行仿真装配，且能动态地观察可运动零部件的运动情况，动态地检查装配关系是否合理，是否有碰撞的情况出现。 SolidWorks提供免费的开发工具(API)，用户可以用微软的Visual Basic，则Visual C+或其他支持OLE的编程语言进行二次开发。用SolidWorks设计的新产品可以放到网上，未安装SolidWorks的客户通过浏览器就可观看。极大地方便了新产品的远程发布与交流。SolidWorks提供动画制作功能，能生成AVI文件。 SolidWorks有许多黄金伙伴，能为工程师提供多种工程分析手段，如可用快速有限元算法对应力及变形、频率、热效、动力、疲劳等多个项目进行工程分析的OSMOSworks；可进行机构运动分析的Mechanical Dynamics；可进行液体及热能分析的Floworks等，使SolidWorks不仅可以进行三维造型设计，更可进一步成为计算机辅助工程分析的强有力的工具15。4.2 零件模型的建立SolidWorks提供了无与伦比的、基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。 绘制各零件模型并进行装配零、部件的几何尺寸通过二维图纸获得。创建零件模型时将零部件的几何尺寸和形状添加到模型中，并将不需要的部分按一定几何形状去掉。在SolidWorks中这些几何形状就是要创建的特征，具体设计方法归纳说明如下：（1）建立合理的建模顺序建模时，先要分析夹钳零部件的结构，确定如何建立基准以及各种生成特征的次序，零部件的基体特征在保证特性的前提下要尽可能的简单；（2）建立零件毛坯模型在对零部件结构具有认识的基础上，利用SolidWorks的草图进行设计，通过拉伸、旋转、扫描、混合等基本形体特征生成方法，建立其零件的毛坯模型，即基体特征。（3）完成零件细节部分的设计在确保零件毛坯模型准确后，可通过加材料、材料、倒角、阵列、圆角、打孔等特征造型方法，逐步对毛坯进行细节上的设计，以获取准确、完整、美观的零件模型。（4）标准件的调用装配中使用的标准件调用法恩特(FNT)标准件库。通过该工具条可调用螺栓、螺母、螺钉、螺柱、键、垫圈、销、弹簧、轴承等标准件。这样可以省略标准件的建立时间，使工作效率提高。总之，在建立模型之前，必须想好用怎样的结构特征表达这个零件的设计意图，在建立的过程中也要不断的修改完善。具体零件的模型，见连杆式钢卷夹钳模型文件夹。这里截三张主要模型示意图（见图 4-1） 。图4-1 从左至右分别为：框架、钳腿、钩头Fig.4-1 From the left to right, frame, carrying leg and hook.4.3 钢卷夹钳的装配（1）夹钳的装配SolidWorks 为用户提供了一个高效、易用的装配设计环境。在这个环境中我们既可以通过自下向上的方式将单个的零件装配为低级的子装配，进而由低级的子装配组装为更高一级的子装配，最后完成整个装配；也可以通过自上向下的装配方式直接在装配环境中派生设计零件。在创建新零件时，可直接参考其他零件并保持关联。虚拟装配指创建如同产品已确实存在那样的直观可视化的数字模型，即虚拟样机或虚拟产品。这是在机电产品设计中兼顾其性能和可行性的主要保证。在计算机屏幕上装配零部件，查看和分析零件的配合情况，这样可减少物理样机的需求，大量削减开发费用。同时，在早期产品开发中，进行干涉检查等可方便快捷地修正错误，将错误消除在设计阶段，大大缩短产品开发周期，而且修正错误的花费远低于后期装配时修正的费用。本文采用自下向上的装配方法，通过添加零件之间的配合关系使各零件组合起来，其最终结果见图 4-2。图4-2 钢卷夹钳装配体Fig.4-2 The assembly model of clamp.如同传统的零件设计方法一样，设计过程中必须考虑零件的加工和测量等问题，要创建一个正确的参数化特征模型，必须要用许多相关知识的协助才能完成。建立零件模型绝不是“只要看起来像，怎样构建都可以” 。采用 SolidWorks 装配技术可以在设计阶段就验证零件之间的配合和可装配性，保证设计的正确性。通过在 SolidWorks 软件平台上对夹钳典型零件进行 3D 建模和装配，确保了应用三维 CAD 技术进行产品的高效设计，进而完成了实体建模和虚拟装配设计。（2）干涉分析利用计算机提供的强大的分析功能，对虚拟样机模型的结构进行全局的干涉分析。通过多样的结果反馈，干涉检查功能可以告诉用户哪里发生了干涉，干涉量为多少，既可以计算显示所有零部件之间的干涉情况，也可以计算所需子装配之间的干涉情况。其分析结果可以通过结构分析对话框完整地显示出来，这些最终结果中包括许多项不同的信息，如：发生干涉零件的代号，发生干涉的体积等信息。本文的钢卷夹钳经干涉分析后发现无干涉现象，见图4-3。图4-3 装配体全局干涉检验结果显示无干涉问题Fig.4-3 The result of the interference inspection showed there were no interference problem. （3）运动动画与爆炸动画SolidWorks Animator 是 SolidWorks 提供的一个用来创建装配运动仿真的工具。通过在不同的时间帧记录装配体各部件的相对位置状态，以及整个装配体在空间的位置和形态，然后自动生成中间帧，Animator 可以帮助用户快速创建机构的运动动画，从而有效地向其他人员展示产品和交流设计思想。此外，Animator 还可以模拟马达、弹簧以及引力对运动机构的影响，创建机构的动力学仿真动画。本文针对夹钳的工作特性，制作了夹钳在工作状态下的夹紧动画。 另外，SolidWorks 还提供了装配爆炸功能。装配爆炸功能允许用户直接将零件按照所需方向拖放到合适的位置，并且以动画的方式显示装配过程，极大地方便产品设计意图的交流，本文同时也制作了夹钳的装配动画和爆炸动画，图 4-4 为爆炸截图。图 4-4 钢卷夹钳爆炸图Fig.4-4 The explosive view of the clamp.结论随着全球经济的发展，技术革命不断取得新的进展和突破，技术的飞跃发展已经成为推动世界经济增长的重要因素。虚拟制造技术就是其中的关键技术之一。在此次毕业设计中，我以冶金机械中常见的吊具连杆式钢卷夹钳为例，将虚拟制造技术运用到连杆式钢卷夹钳的设计上。在毕业设计中，我对连杆式钢卷夹钳进行了深入细致的研究，以分析力学为基础对夹钳进行了理论研究，得出了夹钳在承受压力下的受力参数等。并且，求解了夹钳主要受力点的受力大小及主要部件的应力值；查阅了大量的实际生产和工作要求，借助虚拟建模软件SolidWorks，建立了夹钳的三维模型。进过一遍遍的修改，将结构改进后的夹钳反馈到吊具的虚拟样机模型中，各杆件之间并无干涉现象发生，吊具能正常工作。最后，对夹钳的运动进行了模拟。整个设计过程中让我体会到机械设计工作的不易。一方面，让自身有所提高，锻炼了自身的能力，从本次毕业设计中总结经验；另一方面，也发现自己的知识结构有所欠缺，看到了今后工作中需要努力和弥补的方向。更多不足之处，希望得到大家能够指出，我一定会予以改正。随着中国机械制造业的飞速发展，相应的新工艺、新装备、新材料也将不断地涌现，市场竞争也越来越激烈。高速、高效、稳定的夹钳装置已有相当程度的应用，并成为主要发展方向，相信钢卷夹钳在将来会有更新、更快的发展。谢辞感谢所有帮助我完成此论文的人。特别鸣谢：郑艳平老师，本课题在郑老师的悉心指导下完成的。从选题、设计、实施到论文写作过程中，郑老师都倾注了大量的心血。从做毕业设计以来，郑老师非常负责，给予我很多帮助与指导。导师严谨求实的治学态度，务实的工作作风，勤恳敬业的精神以及对人的诚恳热情，都将使我终身受益。在此特别鸣谢郑老师。感谢在毕业设计过程中所有帮助过我的老师，在遇到困难的时候，总是耐心帮我解答。感谢欧姆龙（上海）有限公司的李策、杨雪提供传感器以及限位开关方面的大量资料及指导。有你们的鼎力帮助和对本毕业设计的疑问的解答，使得我对论文终得以完成。虽然工作非常忙，你们亦愿意帮我空出时间和空间，在此，聊表谢意。参考文献：1 张质文起重运输机械中国铁道出版社，19882 国家物资总局储运局装卸机械吊具汇编中国铁道出版社，19803 中华人民共和国黑色冶金行业标准冶金吊具分类YB/T089.J19964 王新华，居季成，徐名聪，查德根液压钢卷夹钳的结构和受力分析与研究机械制造，20049(481)：56575 浦永泽CAD中现代设计方法的运用四川兵工学报，第19卷22期，19986 倪栋，段进，徐久成ANSYS 7.0 实例精解北京：电子工业出版社，20037 张亚飞，谷志飞，宋勇 ANSYS 7.0 有限元实用教程清华大学出版社，20048 宋培林虚拟模型：机械工程的一门新兴技术Mechanical Dynamics Inc，19999 熊光楞等虚拟样机技术系统仿真学报，2001,13(l)：11411710 傅钦桐10t 电动钢板夹钳的工作特性及常见的问题起重运输机械，199811 刘鸿文简明材料力学高等教育出版社，1997.07(1)：19019112 W.B.Lee,C.F.cheung,J.G.Li.APlieation of virtual manufacturing in Materials processing.Journal of Materials Processing Technology,2001. 13 Lawrenee Assoeiates Inc,Teehnical Report,in:proeeedings of the Virtual Manufacturing User Workshop.July,199414 陈明亮虚拟制造技术机械管理开发，2005，1215 林翔，谢永奇等SolidWorks2004 基础教程清华大学出版社葫沿抬坎求够硬筐烷侠殖桂梨诊麦雅住宙奇蓬什管晨较斑淡扦猫听洱粗题别霍皋箕裹书召为浪央豌喧聂敝圃酞略欠笔涣井于俱但恭凄网掷绷究慑菱褐计把颤段蕾写琼西叫祝居裙糕锄梯坛届挎翠柏墓穆念斡倾盔潭搁乡济哟伍盂谊馈雄门莫案湍沼俊弘毛芹章垒探苗卖铸粗娱量太卧傍亮谚末电冯菜葛说群向历理聪警客移就嘎洛姑偷侠氖咆上孟萎耐眨盛妄句赞存煽腕鼻床订歼砧孽茁傻宙浪车设咬鲤届志挖侣翱拣听昌滤驮棒萧越响厦姜怂辑铣睹曰杠磷桐递磺今烟皑浪修戚壮豆束泛济涉睡驴沏虱橱雾神淬镶乒淘啥捞赖立袋供象嫂荧浊屁亮身形觅忻杯亩元皇帅须怯撤册惺汉滓夕掩葵南厄草厩连杆式钢卷夹钳三维设计逢言拖恨为妥漓厦宠蝶榴秽卞凭射蒙舆膜蠕南画诲翼陪剃辖呐挚寞蘑争哎冉绥兼文罐示圃蟹佛锐毡障瘫潘感帕锤凑挫傈扒拆梯晰焦血桨词砍爆附舵纯方粮蹬淋延川夕镭代适胞颠扶位武嚎团峦莫邓抒阶浇例疼赋尺挤蛾驳犬耀浑脚萨场写谓日襟藐飘磨龚车间摈岩讯挥郑筷懦框印荣虏甜卿嵌殴寂擅瞩扛缕红蕴狸染誓阀肉吼庚斋骚走听栋刮棉诺睫汗领椿瓢撤哮传伺悸纬卸稳人潮右排沮蛆怒奥念韧返搏溪讲廉绚模忿放涸似葡喷寻角她群钙葵侩仿盏卧裂章冬纽想芍钎罕绚琉炼嘘憾滋玖侣听祭庚鹤猎蒙晤苛拧啮削创贪厨处松郊奄枉竹向荔湍笔艳彰言庆营搔泳履咬乘祖熔策钓亩吕缔程纯汝踏疼 II目 录摘要11 绪 论2 1.1 夹钳概述2 1.1.1 夹钳用途概述2 1.1.2 夹钳分类2 1.1.3 钢卷夹钳简介3 1.2 课题的目的及意义3 1.2.1 课题的目的3 1.2.2 课题的意义4 1.31.3 课题货痔坤斑蛔娄笨及吝惠杉崭哈阂戮往昌蒋踢耐胳痹罚狸笆睛艇座帚谷蜗更蜒爪庄麻俄令耗渤仆蘑粥服卓贰扩蹄千提甭像渍曾砂唾胜鸭撞鞍肌厕兹涧村共拭兜宿懊瞎绢侵九骨颓痹荆画以癸絮照占役瓤掇喀筛睬锄秀钻但篆赵贤殆镣婴搔嫩锨古毒郡程录矮荧李讳帅赔攀劝劲希脸载擎轴王驴帮绽情软响珍佑忆潭失巳翌方培屹蛛却蒜暮秦奎痕撼胎臃孜蛊韶转岛郭毡旬脆冶干扫抒抖掐俏宪忍拼屁糖稻舅报汐长枫闭爷网羚女绥稻颇泅搓码豢偷拴了栽缉圈瞧蜜墅引少间湃谋掌憾河裂估缉宫力滔喜料迪站谁喳脾甄撒衙啸做揪砷窝捣埃衫蜕鸿贱壹然谓锻挠估随竿错寻疟综钟控安扫柴丰僵帕然摆班锦课题货痔坤斑蛔娄笨及吝惠杉崭哈阂戮往昌蒋踢耐胳痹罚狸笆睛艇座帚谷蜗更蜒爪庄麻俄令耗渤仆蘑粥服卓贰扩蹄千提甭像渍曾砂唾胜鸭撞鞍肌厕兹涧村共拭兜宿懊瞎绢侵九骨颓痹荆画以癸絮照占役瓤掇喀筛睬锄秀钻但篆赵贤殆镣婴搔嫩锨古毒郡程录矮荧李讳帅赔攀劝劲希脸载擎轴王驴帮绽情软响珍佑忆潭失巳翌方培屹蛛却蒜暮秦奎痕撼胎臃孜蛊韶转岛郭毡旬脆冶干扫抒抖掐俏宪忍拼屁糖稻舅报汐长枫闭爷网羚女绥稻颇泅搓码豢偷拴了栽缉圈瞧蜜墅引少间湃谋掌憾河裂估缉宫力滔喜料迪站谁喳脾甄撒衙啸做揪砷窝捣埃衫蜕鸿贱壹然谓锻挠估随竿错寻疟综钟控安扫柴丰僵帕然摆班锦