毕业设计论文长撑杆双瓣四索抓斗的结构设计与优化

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1、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 学 号 指导教师 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

2、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

3、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 cl

4、amshell 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 i

5、mprove 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.

6、Then analyze and designthe 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

7、 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 gr

8、ab parameter transformed as the linear equation. Under the condition of ensure the structural strength of grab, optimizing thekey parameters ofgrab with long poles double jaw plate. Revised the key parameters ofgrab design that based on the experience in the past ,and improve the grasping force of 2

9、0% 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- IV -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

10、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Lm83.2.1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

11、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214.2.4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

12、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501.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

13、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

14、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

15、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。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

16、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

17、；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

18、，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

19、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

20、，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

21、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512.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

22、钢丝绳挂在上承梁的导绳装置上，称为支持绳，另外两根钢丝绳称为闭合绳，它的工作原理是穿过上承梁，再穿过上下承梁的滑轮组后，固定在下承梁上，所以需要两台分离的卷扬机构。图2.1 长撑杆双瓣四索抓斗2.2抓斗的工作原理当两台卷扬机构以相同的绳速同向运动时，抓斗在没有改变其各个部件之间相对位置的状态下起升或者下降；当驱动支持绳的卷扬机构静止不动，驱动闭合绳的卷扬机构电动机被接通之后，则据闭合绳的运动方向，抓斗或者闭合，或者张开。如果两卷扬机构使支持绳和闭合绳以不同的方向和绳速运动，则抓斗的绝对运动与其各部件的相对运动重叠。下面以图片的形式说明抓斗抓取散货的四个工作过程：（1）空抓斗下降在空抓斗还没有下

23、降之前，闭合绳就已经放松，此时空抓斗的重量基本都由支持绳来承受，因此抓斗处于完全张开状态。同时要求支持绳和闭合绳开始按照同一速度下降，则抓斗将维持打开的样子停留在散料上，见图2.2a）。（2）抓货空抓斗降落到散料上之后，还在不停地放松着支持绳，以便颚板刃口在抓斗自身重量的受力下，顺利切入散料中。随后收紧闭合绳，使上、下 承梁互相接近，则抓斗逐渐闭合并抓取散货，见图2.2b）。（3）满载抓斗上升当抓斗闭合终了时，立即收紧闭合绳，以便支持绳能够与闭合绳同步上升，于是满载抓斗即离开料堆向上运动。在满载抓斗离开料堆瞬间，其全部重量由闭合绳承受，然后随着收紧支持绳，满载抓斗的重量由支持绳和闭合绳共同承受

24、，见图2.2c）。（4）卸货满载抓斗到达卸货点以后，放松闭合绳。同一瞬间，满载抓斗的所有的吨位都是由支撑绳来承受。抓斗在斗体重量、下承梁和散货重量的共同作用下，斗体会自动的打开，并把物料都释放出来，见图2.2的d）。图2.2 抓斗抓取货物的循环过程按顺序经历上文中的四个过程，抓斗即做完了一个完整的循环，并恢复到循环开始前的形态，时刻准备投了再次的工作状态。表2.1说明了抓斗整个工作循环中支撑绳与闭合绳的受力状况。表2.1 抓斗工作循环过程中支持绳与闭合绳运动情况抓斗状态空抓斗下降抓货满载抓斗上升卸货支持绳收紧放松收紧收紧闭合绳放松收紧收紧放松2.3抓斗的方案制定起重机的起重量是16吨。抓斗的自

25、重加上容重16吨。抓取物是矿石3抓斗的总体设计由于抓斗的类型和规格大小很多样，所以在设计时需要重点思考货物的堆积密度和起重机的起重量这两个方面。因为设计的抓斗主要用在采石场抓取矿石，所以用长撑杆抓斗比较合适。矿石，不像粮食什么的需要用专用的封闭式斗体的抓斗，所以采取双颚板。用四绳是因为选用的起重机的起重量是16吨，根据抓斗的常规设计，2吨以下的采用单绳抓斗，10吨以下的采用双绳抓斗。10吨以上的采用四绳的，四绳是两根支持绳和两根闭合绳对称分布，可以增加抓斗的稳定性。矿石的相对密度（容重）是。3.1抓斗自重的确定及其分配对于优秀的抓斗设计来讲，能够使抓斗的抓获能力达到最佳，一定要依据货物的堆积密

26、度来确定抓斗的关键尺寸。一般来说，依据抓获的货物密度的不一样，可以将抓斗划分成以下的四种形式，具体划分就根据下面的范围来决定：按被抓取物料的容重来分：以下者定位轻型；定位中型；定位重型；以上者定位特重型。因为矿石的密度为，所以要设计的抓斗是第三种类型,重型抓斗。抓斗自重可按下式确定： （3.1） 式中Q 起重机的额定起重量（t） Grab的自重系数，根据表3.1取此式中表3.1 抓斗自重系数散料容重（）0.630.81.01.251.62.02.53.2抓斗自重系数0.4340.430.4260.420.4160.410.4080.4取散料容重则抓斗自身重量的确定是可能对抓斗抓获能力的增加起到

27、关键因素：自身重量越大，抓获力就会越大。但自重太大还会导致起重机功率过多的浪费，使它的额定起重量下降和使抓斗超载。抓斗每个部分的重量划分可以按照下面的式子来得出： （3.2）式中 抓斗各部分对应的自身重量（t） 抓斗自重分配系数.可由表3.2中选取表3.2 抓斗自重分配系数颚板上承梁下承梁撑杆0.450.210.180.16颚板自重： 上承梁自重： 下承梁自重： 撑杆自重： 3.2确定抓斗的颚板宽度B 和最大开度Lm3.2.1颚板宽度B的确定近年来，国内、外在对抓斗进行设计时，对它的颚板宽度的确定有逐渐变长的趋势。因为增大颚板的宽度从而增加抓斗打开后对货物的覆抓取面积，在满足抓斗填充量的首要条

28、件下，相应地减小了抓斗闭合时的挖掘深度，从而降低挖掘阻力。颚板宽度B可由下式计算 （3.3）式中 抓斗容积（） （3.4）其中： 抓斗抓取量 散料容积 颚板宽度系数，可由表3.3中选取表3.3 颚板宽度系数散料容重（）0.630.801.001.251.602.002.503.20颚板宽度系数1.51.421.421.341.341.341.261.186取散料容重则 颚板宽度 3.2.2最大开度Lm的确定抓斗的最大开度由下式计算： （3.5）式中表示抓斗的最大张开角度的系数，可从表3-4中得知=2.379表3.4 抓斗最大开度系数散料容重（）0.630.801.001.251.602.002

29、.503.20抓斗最大开度系数1.7741.9241.9242.0862.1942.2502.3792.516则 3.3抓斗的其他几何参数通过对上述计算式计算，可以计算出抓斗的其余相关参数。（1）抓斗张开的覆盖面积 （3.6）（2）抓斗抓取货物时的平均挖掘深度 （3.7）（3）抓斗挖掘深度系数 （3.8）（4）抓斗鄂板宽度B与最大开度Lm之比 （3.9）3.4确定颚板的侧面形状和尺寸颚板侧面形状应该与它需要抓取的货物密度相吻合。比如说膨松的小颗粒货物，如煤炭，粮食，小矿石等适合用圆弧形颚板。再者说大中块货物，如大矿石等，适合用形状光滑，有棱角的颚板。3.4.1颚板的底倍角根据实习公司中工程师的

30、经验取底倍角；3.4.2颚板侧板的上缘边线与水平线夹角 一般情况会选择与货物自由滚动情况下的自然坡度角一样的值，此设计中取；3.4.3颚板侧板的面积颚板侧面板块面积的设计一定确保抓斗能够达到规定的容量和体积，因此可以根据公式3.10求出颚板侧面板块的面积F为： （3.10）3.4.4侧板形状作图 颚板侧面板块的表面积是由扇形COD和梯形ABOC叠加而成的，然而切削角的角度很小，所以能够准确地取；则，由梯形ABOC中可求得几何关系并将这个式子中的值带入之前的式子中，通过整理可以得出下式： （3.11）取，则 公式中：颚板侧面形状进行绘图时，取=1.1m，容积越大，越大。因为是圆弧形的颚板侧面板块

31、可以取最大值。则=0.59（m）绘制颚板侧面形状简图的时候，通常可以依照颚板的侧面形状先画出圆弧的半径，再通过上面的式子求出及值，接着依据计算出来的尺寸，依据比例作出颚板侧面板块的大致图形，具体的绘制颚板步骤如图2.2所示：图2.2抓斗的侧板形状（1）在垂直线上取线段AB= ；（2）通过A点可以引出与水平线成角的射线；（3）通过B点可以引出与水平线成角的射线；（4）距AB直线为处的位置引出与直线AB交与O点和C点的射线，圆心即为圆点O；（5）由圆心O引出AC的垂直线OE，则OE即为圆弧的半径；（6）最后以O为圆心，以OE为半径作圆弧，便可画出抓斗的颚板侧板的几何图形；（7）图中颚板铰点O的距离

32、由下式确定：。3.5确定开闭滑轮组倍率在此抓斗开闭滑轮组的倍率m可以根据抓斗的工作类型和物料的容重r来选择，一般情况为： 当r=0.81.2时，取m=34； 当r=1.22.0时，取m=45； 当r=2.02.8时，取m=56； 当m=2.8以上时，取m=67。因为此设计中r=2.5,故取m=5.3.6选择钢丝绳抓斗在抓取货物闭合斗体后并升起的一瞬间，闭合绳承担其动载荷所能产生的最大作用力、抓斗的货物和自重，然而思考最大作用力能够保持的时间非常短暂，而且钢丝绳的损耗一大部分原因是疲劳应力，因此一般不需要通过其最大载荷计算，一般来说，钢丝绳能够承受的额定载荷可根据3.12来取： （3.12）式中

33、：抓斗抓取的货物重量，单位为tf； G起重机的额定起重量，单位为tf。 抓斗的闭合绳 抓斗的支撑绳钢丝绳是起重机的零件，它属于易损耗品，因此我们必须通过抓斗的工作强度来确定钢丝绳的直径。通俗的说，按照公式来确定钢丝绳的直径，它就可以满足合理的使用年限。式中：钢丝绳直径 (mm)； S钢丝绳最大工作静拉力 （N）； C选择系数。通过多次试验来确定，还与钢丝绳的强度，抓斗起升机构工作级别和绳索可不可以旋转相关。 此式中取C=0.09，S=96000，则所以取，故钢丝绳选为418-16-1770-光-右交 。3.7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）闭合状态的抓斗简图如下所示：图3

34、.1抓斗闭合状态图抓斗的滑轮直径取为D，则取；下承梁的滑轮中心距，则取；上下承梁滑轮间的最小距离，则取；又计算得：撑杆与竖直线段间的夹角，依据对市面上现有的长撑杆双瓣四索抓斗的分析，在上承梁和撑杆采取双铰孔连接的情况下，在中选取；当撑杆与上承梁采用单铰链连接时：在中选取；此设计中取。图示可近似的取为：，则，取；其中由作图决定。图中，则。上承梁两铰点间的距离： (3.13)代入数据计算得：。撑杆长度: (3.14) 代入数据计算得。根据上面所有尺寸明确后，就可以按照一定的比例画出抓斗张开机构简图和闭合结构简图。抓斗张开状态的简图如下所示：图3.2抓斗张开状态图 接着算出闭合绳的长度和抓斗关闭状态

35、下闭合绳绳子被抽出的长度： 闭合绳长度： (3.15)闭合绳抽出长度： (3.16)式中：m开闭滑轮组倍率； 分别为上、下承梁滑轮间的最大与最小距离。将所有数据代入钢丝绳长度的计算式中得：，由其他条件综合取：。 3.8运动学分析 从运动学的观点出发，可以将长撑杆双瓣四索抓斗当作一个简单的平面连杆机构。如下图所示：图2.6抓斗平面机构图自由度计算公式为：式中：杆件数量； 低副数量； 高副数量。其中，代入数据得：3.9主要参数汇总主要技术参数额定起重量16t物料容量抓斗容积3.789抓斗自重6528滑轮组倍率5滑轮底径595mm钢丝绳直径28mm斗体内宽1964mm抓斗最大张开度2811mm抓斗闭

36、合高度3630mm抓斗张开高度4113mm钢丝绳引出长度9350mm钢丝绳工作长度18345mm主要参数看表3.5：表3.5主要参数 4抓斗主要部件的结构设计4.1撑杆的结构设计颚板与撑杆之间的连接方式采用铰接连接。在每侧的颚板的连接中，可以选择单根撑杆或者双根撑杆。单根撑杆多数制成框架结构，少数由钢板或型钢焊成闭口或者开口截面的杆件。如为两根撑杆时，则每根撑杆可以是锻制的杆件，也可以使焊接的杆件。两根撑杆之间没有刚性连接，但有时在横向加有铰接的连杆。由于撑杆是承受压力的部件，因而应该保证它有很大的横截面，因此撑杆大多数选用多块板焊接而成空心管件，确保撑杆在使用过程中的安全。然而加大撑杆的重量

37、能够提升抓斗的抓货性能，所以经常能够看到选用方钢等材质制成的撑杆。设计的撑杆由面板和侧板焊接而成的一个空心的长方体，当中放了4到5块筋板来增加撑杆的强度。这样又能够减轻撑杆的自重，还可以保证撑杆的强度。撑杆中还包括了眼板和凹凸齿块，为了让左右两根撑杆能够更好的啮合。让抓斗的上承梁能够稳定。如图4.1所示：图4.1 左右撑杆啮合4.1.1强度计算（1）根据稳定性条件校核撑杆截面按照闭合绳在最大张力作用的情况下引起的载荷计算。在抓货时，支撑绳并不受力，所以在闭合绳支撑装满货物的抓斗时，闭合绳受到的张开力最大，能够得到的值为：。所以，撑杆承受的作用力可以达到最大。如前述，可以估计出每根撑杆与上承梁绞

38、点连接处承受的垂直方向作用力为（每侧有两根撑杆），力T用公式：计算。 （4.1）按强度条件验算按强度条件验算时需要满足 (4.2)式中：T撑杆在上承梁碰触位置承受的垂直方向的作用力，N； 轴心的受压部件的稳定性系数； F撑杆截面面积； k安全系数。其中，取k=1.5,则。查表得，将上面计算出来的数据放入强度验算中得出：所以，强度条件符合要求。按耐久性验算按耐久性条件对撑杆验算时，必须满足此式：。 (4.3)此式中，、F和k的意义及大小均同于上式。把上面计算出来的结果都放入耐久性条件公式得：。 所以，撑杆的耐久性也符合要求。 （2）刚度验算由于采用较低的许用应力，因此所选出的撑杆具有足够的刚度，

39、所以不必进行刚度校核。（3）纵向压缩与弯曲同时作用的应力此时，撑杆应该满足以下条件： (4.4)式中T和F的大小及意义与强度条件验算公式中的符号相同，即：。每根撑杆在与上承梁绞点的连接处所承受的垂直方向作用力为T/2=164732.5(N)，撑杆必须达到的有效长度l=2400mm,所以，撑杆的最大弯矩。抗弯横截面系数W必大于，将上面算出来数据代入纵向压缩与弯曲公式得：。根据计算，当纵向压缩和弯曲同时作用在撑杆上时，它的强度也能满足要求。4.1.2撑杆铰与轴套验算（1）撑杆铰验算撑杆是通过轴与斗体进行连接，此处销轴直径为100毫米，大于撑杆与头部连接处的销轴直径，且这两处销轴的材料及热处理方法相

40、同，故销轴的许用应力相同，与此同时，两处受力情况基本相同，头部连接处的销轴满足要求，所以此处的连接也一定满足要求。（2）轴套验算此轴套内径为102mm，外径为120mm，宽度为20mm，其技术要求为给油P值应能达到500；径向载荷65吨条件下工作寿命应达10000小时；扣除自润滑油孔面积后，应能达到机械设计手册中第二个条件的要求。结合撑杆的其它部分及工作条件，此轴套符合要求。4.2斗体的结构设计斗体颚板多数采用16Mn或A3的钢板焊接而成。颚板与下承梁绞点连接处的销孔需要用线切割割出来，为了确保在部件装配的对称度。为了保证斗体横向受力与面板强度的需要，所以在面板边线处采用强度更高的钢板，增加刃

41、口耐磨性，并需要在颚板内部结构中添加横向支撑和大弯板。这样可以是斗体的结构更加的稳固。颚板的刃口最好能够采用ZGMn13制造，通过热处理（加热温度10601100C，水中骤冷），使其获得奥氏体组织，以便具有较高的韧性与耐磨性。对用于抓取细粒，松散物料的抓斗，刃口也可用ZGMn65制造（淬火至HRC=5560）。刃口一般是平直的，并刨有刃口角。只有抓取大块或坚实物料的抓斗，才装上高猛钢铸成的齿，钢齿多用焊接或螺栓连接固定在颚板的水平刃口上。佩纳常在侧板刃口和斗底板刃口处采用hardox 400耐磨板。4.2.1水平刃口板厚度 颚板刃口的厚度，需要根据保证颚板刚度条件来确定，根据手册查到的经验公式

42、为： (4.5) 式中：w物料的颗粒系数。对于小颗粒物料取；对于大颗粒物料 取： ； r物料的容重。代入数据计算得： ，圆整得，即水平刃口板厚度为35mm。4.2.2斗底板厚度底板的厚度，一般取为，则。即底板厚度为10.5mm。图4.2简支梁的计算简图4.2.3水平刃口板宽度在切口上应有耐磨的电焊层。切口的宽度b，按简支梁的简图求得，并以一块颚板所受的等效集中载荷作用于梁的中部，根据弯曲强度条件，可求出切口的宽度为： (4.6)切口的计算厚度。如果刃口有焊接层及加固的筋，那么计算其厚度可取为： 强度计算的许用应力。其中代入其他数据得： ，根据工作情况取：b=255mm。4.2.4大弯板（1）受

43、力分析 下图为对大弯板进行的受力分析：图4.3大弯板的受力分析则竖直方向的受力大小为： （4.7）（2）强度验算当进行强度校验时，需要保证以下条件：。 (4.8)此式中：，l=530mm,。将前面计算出来的结果全部放入强度校核得：。所以，大弯板的强度符合条件。4.2.5斗体面板的强度验算 下图为对斗体面板进行的受力分析：图4.4面板的受力分析面板的强度需要满足： (4.9)其中将计算出来的结果全部放入强度校核式子中得： 所以，面板的强度符合设计中的理论值。4.3上承梁的设计与强度校核4.3.1滑轮组设计 通常滑轮组是由多个动滑轮和定滑轮配合构成。定滑轮需要和定滑轮组合，动滑轮和动滑轮组合，都需

44、要装在夹套里，在装到一根滑轮轴上。依据滑轮的作用，省力滑轮组和增速滑轮组共同构成了上承梁中的滑轮组。（1）工作滑轮的材料及结构选择 起重机不可或缺的配件之一就是滑轮，通常可分为保证平衡的与参加工作的两个不同的类型。HT15-33铸铁是大多数滑轮选取的材料，因为其价格相对低廉，而且可以保证钢丝绳的使用寿命，但它在工作中耐久度不高。所以对于工作量大的起重机和抓斗的闭合滑轮组中的滑轮多用ZG35II钢铸造。决定用热轧钢作为我想要的滑轮的材质，当滑轮的直径超过900mm，即称大型滑轮。（2）工作滑轮尺寸的选择 滑轮直径滑轮直径由下式确定： (4.10)式中：按钢丝绳计算的滑轮直径，； 钢丝绳直径，；

45、轮绳直径比系数，与钢丝绳结构和滑轮组工作级别有关。 查表，取，则，根据实际情况取 。 计算轮毂宽度 通常 (4.11)式中：滑轮轴径（mm）。代入数据： 滑轮槽尺寸的选择 各主要参数及其意义如下所示：图4.5滑轮截面图中：R绳槽半径； H槽的高度； W绳槽宽度； m边宽； d钢丝绳直径；查表得：d=40(mm), R=20(mm), H=63(mm), W=78(mm), m=11(mm)滑轮图形如下所示：图4.6滑轮图图中：D滑轮直径，mm； D1滑轮外径，mm； B轮毂宽度，mm； B1涨圈宽度，mm； D2轮毂直径。计算得:D=850(mm),B=100(mm)， , 。故滑轮选为 （3

46、）滑轮组的设计目前，省力滑轮组是设计中最普遍采用的滑轮组。一般省力滑轮组都用在升降部件绳索的卷扬系统中，所以它能在绳索卷入卷扬系统的同一时刻，采用比之前小的拉力，拉起很重的散货。所以根据设计需求，我选用双排列省力滑轮组，它工作结构简易图如下图画出：图4.7滑轮组工作简图4.3.2轴承的选择固定及寿命计算选择滚动轴承支撑与上滑轮座的滑轮轴是为了能够提高滑轮的传动效率，改善滑轮的使用条件，另外，还需要思考如何帮轴承进行润滑和帮轴承防止灰尘。 综合上述思考的结果，所以我想选取NNF5125并采用油封的固定方式。此外，轴承与轴承之间不能够直接放置在一起，必须用左右滑轮挡板和轴套来起隔开作用。轴承的寿命

47、计算公式为：，其中，则：。 (4.12)式中： C额定动载荷计算值，N； P当量动载荷，N； 寿命因数； 速度因数； 力矩载荷因数； 冲击载荷因数； 温度因数。取预期计算时间为420000h，转速为1050h/min，通过查起重机设计手册得：。 (4.13)又因为此轴承为圆柱滚子轴承，所以取。代入以上数据得：根据上述结果，实际工作时间要远远超过之前预计的工作时间，所以轴承可以使用。4.3.3 轴的计算（1）滑轮轴的材料上下承梁中的轴叫做滑轮轴，因为这类轴一般施加弯矩作用而不产生扭矩，所以称这类轴为固定心轴。滑轮之间以隔套固定。此外，轴承与轴承之间不能够直接放置在一起。必须用左右滑轮挡板和轴套来

48、起隔开作用。滑轮轴工作时会承受很大的作用力，所以一般会采用42CrMo的材质再进行淬火加高温回火的工艺，粗加工尺寸为140毫米。（2）轴上零件的结构设置 四索抓斗的闭合增力滑轮组可以采用钢丝绳成角度的缠绕在上承梁和下承梁的滑轮轴上，下承梁的滑轮轴与上承梁的滑轮轴之间的倾斜角为。由 (4.14)得：式中：同轴上相邻两滑轮中心间的距离，mm； 滑轮直径，mm； 闭合绳直径，mm。（3）轴上载荷的确定思考有时货物会突然离地上升或者下降，一般载荷的叠加是货物会在垂直方向和连动机构生成动载荷，所以应该让起升载荷乘以起升动载系数。 下图为上承梁的受力图：图4.8上撑杆受力简图取动载系数，则依据上撑杆的受力

49、分析，力的平衡方程得：因为2,3,4,5为工作滑轮组，且分布对称，则；滑轮1和6为平衡滑轮，且分布对称，故其所受力的大小为；由上知：。剪力图和弯矩图如下所示： 图4.9上滑轮轴的剪力图和弯矩图 （4）轴的强度校核 一般来说，轴上所能够承受的弯矩极大的位置是中间，所以轴中间截面上的弯曲应力是：轴的强度条件为：所以轴的强度符合条件。 （5）轴的刚度校核 当外面的作用力施加在轴上时，它就可以产生弯曲变形。一旦形变值超出可以承受的范围，可能会使轴上所有的零件不能进行合理工作，安全会得不到保证，甚至会使抓斗失去所有的工作能力。所以，对有刚度要求的轴着手开始设计时，一定要对轴进行刚度检验。通常，轴的弯曲刚

50、度以挠度来度量。轴的刚度校核一般是计算出轴在受到载荷时产生的最大变形量，并保证其不能够超过允许值。轴的受力分析如下图所示：图4.10轴的受力分析 （4.15）则上承梁的最大扰度为：4.3.4销轴的选择及强度计算销轴一般起到零件间的承接作用，构成铰链孔连接。销轴通常是开口销的形式，因为它工作牢固，拆卸方便。连接销的类型可根据工作要求来进行设计，其尺寸可根据连接的结构特点按经验或公司标准确定，如有必要可用剪切和挤压强度条件进行校核计算。 （1）销轴的选择根据连接特点及实际工作经验，取销轴的直径d=160mm，长度取为250mm，并进行调质处理，使其表面硬度达到HRC5260。销轴的强度校核销轴的受

51、力分析图如下所示：图4.14销轴的受力分析一般先按剪切强度来进行检验，需满足此公式 （4.16）其中：，d为销轴的直径，其值为d=160（mm）。则将数据代入公式得：所以剪切强度符合要求。其次，当按挤压条件进行校核时，需要满足：此式中：b连杆头尺寸，mm； d销轴直径，mm； F大小同上式，为750KN。取b=3d=480(mm)，则将数据代入上式得：。所以，挤压强度亦满足要求。4.3.5下承梁的设计以上部分为上横梁的设计及强度校核，下横梁的设计与上横梁基本相同，不再赘述。除此，因为下横梁与上横梁结构及材料相同，且下横梁所受载荷小于上横梁的载荷，上横梁强度符合条件。因此，下横梁的强度亦符合使用

52、要求。4.4抓斗三维模型的建立三维模型的建立是根据实习公司所用的一些外形参数和前面确定的参数建模的，软件用的是INVENTOR。4.4.1上承梁根据之前实习单位的模型、参考资料以及前面计算出来的数据，建立了抓斗上承梁的三维模型。上承梁由上滑轮座，钢索保护罩，上滑轮轴，滑轮组等零部件组成。如图4.15上承梁所示。图4.15上承梁4.4.2下承梁下承梁的结构如图4.16与上承梁类似，也是由下滑轮轴，下滑轮座，钢索保护罩，滑轮组组成。不同的是，下横梁有一个横梁如图4.17，横梁的作用是与斗体相连的。横梁的面板是由一个长方形和一个正方形拼接而成的，其中错开了9度，就是为了让上下滑轮组不在一条直线上，防

53、止闭合绳掉落。还有一对平衡块，是与下滑轮轴相连的，平衡块顾名思义是起到平衡的作用，在平衡块上连接契套，然后放置闭合绳。这样的目的会使抓斗在抓取货物的时候更加稳定。如图4.18所示4.16下承梁4.17下承梁4.18平衡块4.4.3平衡架平衡架一端与上承梁连接，一端插入承重销轴，连接支撑绳，起到使抓斗在操作期间能够平衡的作用。我所画的是内置式平衡架，是根据起重机的吊钩的位置决定的。平衡架主要是由侧板，衬套，筋板，无缝钢管组成的，如图4.19所示4.19平衡架4.4.4撑杆撑杆是抓斗比较重要的部件之一，撑杆分为左撑杆和右撑杆两种。它们的区别就在于头部的齿块，一根装有凸齿块（如图4.20），一根装有

54、凹齿块（如图4.21）。凹凸齿块相互配合，减少自由度，起到稳定的作用。设计的撑杆是由面板，侧板，筋板组成的空心的长方体钢管，筋板增加了钢管的强度。使得设计的钢管占较小的自重比例。采用多实体的方法建立的撑杆，因为撑杆的面板，侧板是由钣金折弯而成的，不采用多实体画法的话，会导致撑杆装配不上。如图4.22 图4.20凸齿块 图4.21凹齿块图4.22左撑杆4.4.5斗体斗体是抓斗最重要的部件，左右斗体的容积之和就是抓斗的斗容了。一般抓斗的斗容和自重各一半，但是之前抓斗设计的很合理，巧妙的减轻了一点自重。所以设计的这个16t抓斗的自重是6.5t。设计的斗体是由侧板，筋板，刃口板，斗底板，斗底刃口板，大弯板，加强板，钢管，轭板等组成。设计的刃口板采用的是hardox 400的材质，加强了耐磨性。如图4.23所示图4.23斗体4.4.6抓斗的总装抓斗的总体装配中，主要还需要画出主销轴，上撑杆销轴，下撑杆销轴，平衡架销轴，承重销轴这五种轴，所用的材料是20#，比普通材质更耐磨。根据之前实习公司的经验，把抓斗的单边最大开度定为78度，这样可以使每次抓取货物时，能够满载。如图4.24抓斗闭合，4.25抓斗张开。4.24抓斗闭合