機(jī)械設(shè)計(jì)最后結(jié)果

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月第1章問題的提出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133.4.

2、3 雨傘柄式托爪133.4.4 自鎖式托爪133.5 托爪設(shè)計(jì)方案的確定13I第1章問題的提出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15m由于井下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

3、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。而通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上還沒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

4、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)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，

5、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)

6、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純，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（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

7、救撈物打撈上來(lái)。14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。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:Iab=200mm展=200防=28mm82.3.1 死點(diǎn)式托爪的引入

8、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

9、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)”的錢鏈四桿機(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P點(diǎn)的坐標(biāo)和連桿BC的軸線與x軸正向之間的夾角9來(lái)表不。(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

10、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xA、yA、xBi、yB1、xCryCi,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)過程中，動(dòng)錢鏈點(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進(jìn)行討論，運(yùn)動(dòng)約束2)的數(shù)學(xué)表達(dá)為：2222(Xbi-Xa)(yBi-yA)=(XBi-Xa)(yBi-Ya)i=2,3ll根據(jù)

11、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1P點(diǎn)位置表XPiyPieii=10-15090i=250-170135i=3180-30A45連桿從第1位置到第2位置的位移矩陣為%=“24550 -150sin 45 170+150cos 451cos45C-sin45D12=sin45cos4500連桿從第1位置到第3位置的位移矩陣為%=%=-45cos(45；)-sin(-45;)D13=sin(M5,)cos(-450)00180-150sin( -45)h-0 +150cos( -45)1xB2 =xB1cos45 yB

12、1 sin 45 50 150sin 45：yB2 =XBsin 45 yBcos45, 170 150cos45XB3 =XB1Cos(5：0 -yB1sin(-45:：) 180-150sin(-45) yB2 =xB1sin(-45：) yB1 cos(-45；) 一30 150cos(-45) 代入運(yùn)動(dòng)約束 2)的數(shù)學(xué)表達(dá)得：(xB1 cos452-yB1sin 45, 50 -150sin 45 ) -xA+ (xB1 sin 451P yB1 cos45 -170 150cos 45) 一 yA2. 2,.2二(XB1 - xa)(Yb1 - Ya)(xB1cos( Y5)- yb

13、1sin(-45；) 180 -150sin( -45 ) - xA2+ (xB1sin( 45) yB1 cos(-45 ) -30 150cos( 45) - yA/、2/、2三心- xa)( Yb1 - Ya)這兩個(gè)方程共有xA、yA、xB1、yB1四個(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xA = 0, yA = 0,xD = 0, yD =-200 ,聯(lián)立這兩個(gè)方程， 利用Matlab求解，程序見附件程序1,解出xB1 =112.9836,yB1 = 175.2396。從而才e爪 AB的幾何尺寸為 lab = J(xbi -xa)2 +(Ybi Ya)2 = 2

14、08.5mm。運(yùn)動(dòng)約束 1)的數(shù)學(xué)表達(dá)為：2222(xci -xbi)(Yci - Ybi) = (xCi -xbi)(Yci - Ybi ) i = 2,3,1錢鏈點(diǎn)C同樣滿足位移矩陣方程：xCi xC1 yCi = D1i yC1J j J jxC2 =xC1cos45 -yC1 sin45u 50-150sin45yC2 =xC1 sin45 yC1 cos45 770 150cos45xC3 -xC1 cos(-45) -yC1sin(-45u) 180-150sin(-45)錢鏈點(diǎn)B滿足位移矩陣方程：yC2=xC1sin(-451)yC1cos(-451)-30150cos(-45)

15、代入運(yùn)動(dòng)約束1)的數(shù)學(xué)表達(dá)可得：。42222二(xC 1 - xB1 )( yC1 _ yB1)(xC1cos45-yC1sin45,50150sin45)-xB1+(xC1sin45yC1cos45-170150cos45)-yB1-A,-2(xC1cos(M5,)yC1sin(H5)+180-150sin(-450)-xB1I、22- xB1)(yC1 - yB1 )2|(xC1sin(-45)yC1cos(45)-30150cos(-45,)-yB1=(xC1根據(jù)已求出xb1=112.9836,yB1=-175.2396,同樣利用Matlab編程求解可得xc1=12.3076,左1=70

16、.5878,從而連桿BC的幾何尺寸為Ibc=(%1Xbi)2+(yc1-Ybi)2=149.8mm,進(jìn)而求連架桿CD的幾何尺寸為lcd=.(XciXd)(yc1yD)=133.0mm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。

17、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)可調(diào)節(jié)托爪沿井壁插入打撈物下部后，可經(jīng)控制盤才$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

18、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)就可以開始打撈。3個(gè)托爪可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立動(dòng)作，通過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3.1.3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