机械设计最后结果

1、深井救援托爪设计计算说明书姓名：张顶学号：20101569班级：机械十班指导老师：何朝明2013年6月第1章问题的提出11.1 项目背景11.1.1 背景资料11.1.2 解决方案1第2章设计要求与设计数据22.1 设计要求22.1.1 具体要求22.2 设计数据22.2.1 托爪式22.2.2 伞柄式托爪32.2.3 死点式托爪42.3 三杆式托爪的几何尺寸设计42.3.1 死点式托爪的引入52.3.2 死点式托爪的几何尺寸设计5第3章机构选型设计93.1 整体结构设想93.2 技术原理103.3 装置操作113.4 三杆式托爪113.4.1 三杆式托爪113.4.2 死点式托爪133.4.

2、3 雨伞柄式托爪133.4.4 自锁式托爪133.5 托爪设计方案的确定13I第1章问题的提出1.1 项目背景1.1.1 背景资料近年来有关孩童掉入小径深井（多为直径2545cm水泥管机井）得不到有效及时的营救而死亡的事故多发。由于深井直径过小成年人无法进入井下，营救的方法多是动用挖掘机等大型设备，此种方法费时、费力、费财且因救捞时间过长而无法保证井下孩童的生命安全，况且如果孩童掉入深度超过15m由于井下集聚大量二氧化碳可能短时间内造成儿童死亡，因此运用挖掘机是无法及时进行施救的。通过查阅相关资料发现，全国各省每年不慎掉入机井、油井等小径深井及深沟、山涧、楼体夹缝等的孩童事件高达几千起，而掉入

3、机械零部件、重要物品的情况则上万起。此种情况导致的生命和财产损失是不可忽视的。因此需要发展一种深井救援打捞设备。1.1.2 解决方案此机械装置的设计是用于在狭窄而又较深的空间中托取物体，可以用于救援、救灾、油田、水利、消防等方面。而通过调查发现，目前市场上还没有专门用于深井空间中作业的救援装置。因此，开发这一类机械是有很大用武之地的，且极具市场价值，设计一种专用且安全可靠的深井救援机械是十分必要的。针对上述调查和分析，设计了一种可控式的深井抓取装置，用于对不慎跌入小径油井、机井的孩童实施安全快捷的救援，同时也可用于油田生产、水利建设等方面。该机械装置的出现能够提高这些深井作业的效率，而且能够用

4、于救援不慎掉入深井、山洞的儿童等，也能够在狭小空间中进行打捞作业。因此，此机械具有巨大的经济和社会效益。该设备的应用范围也会很广泛。图1.1.1图1.1.1是目前市场上较为常见的三爪起重器的抓取部分，它不能用于对儿童的救援。第2章设计要求与设计数据2.1 设计要求2.1.1 具体要求考虑到救捞环境的复杂性、救援空间的狭小以及救援条件的限制，我们对所设计的救捞装置提出以下要求：(1)该装置不能对救援对象造成伤害，因此不能用抓取的方式将救援对象强行拉起，而是用托举的方式将救援对象托起。(2)该装置的核心部位是与救捞目标直接接触的托取部分，由于托爪是直接进入深井且对救捞目标直接产生作用的机构。所以，

5、将托爪设计为尺寸可调节的以适应不同救捞环境下不同大小的空间。(3)考虑到救捞的目标很多情况下是儿童，抓取的力度不能对目标造成2次伤害，同时托爪又要有足够的强度来支撑救捞目标的重量。(4)该装置需要稳定、轻便、易于操作和展开。2.2 设计数据2.2.1 托爪式确定设计要求后得出以下可能设计的机械模型，如下图所示:图2.2.1该装置利用三根（或更多）托爪插入打捞物以下，控制托爪机构托起打捞物以达到救援和打捞目的。三个可调节托爪沿井壁插入打捞物下部后，可经控制盘控制按情况所需改变与立杆的相对位置，形成钩状或一个平台以托起打捞物。所以装置的核心部件为装置下端与救援与打捞目标直接接触的托爪机构。该部件设

6、计为“三杆式”，利用了杆件位置变换及三角形稳定的原理，如图2.2.1所示。当提起钢丝绳或利用液压驱动拉起AB杆时，托杆克服细弹簧的微小预拉力沿导槽运动达到顶部凹槽内定位。此时托杆呈水平托起状态，斜杆呈支撑作用。当需要放下托杆时，操作人员再次提起钢丝纯，托杆左端滚销再次碰触伸缩器舌，舌伸出，并堵死导槽顶部凹槽，托杆左端滚销不能再进入凹槽，托杆便在重力、细弹簧拉力作用下左端下行，同时斜杆恢复铅垂位置（补充：可在其上设计多个凹槽以调节托起的角度）。2.2.2 伞柄式托爪根据雨伞到达规定位置时可实现固定，可达到预定的目的，我们据此设计托爪，当托爪的横杆达到水平状态时，可实现固定，这样才能安全、可靠地将

7、救捞物打捞上来。14图2.2.2如图2.2.2所示，利用曲柄滑块也能达到同样的效果，但是该机构不易于随救援情况的改变而调节托举的角度，并且不易于收回伸出的托杆。2.2.3 死点式托爪图2-3死点式托爪如图2-3所示，这种托爪机构利用的是类似飞机起落架的死点原理，如图。当操作员提起丝绳时，长杆被拉到水平托起位置，2段短杆通过死点原理形成斜支撑杆，由于死点机构具有自锁功能，从而起到支撑作用。当要实现托爪自动收缩时，只需在连架杆上施加一驱动力矩即可。2.3 三杆式托爪的几何尺寸设计为了方便第4章中对三杆式托爪的校核，初定尺寸如下:Iab=200mm展=200防=28mm82.3.1 死点式托爪的引入

8、在三杆式托爪的基础上，我们反复推敲，在图3-2飞机起落架的结构上得到了启发：图3-2飞机起落架结构在飞机起落架的结构中，主要运用了机械原理中的死点原理，经过研究设计，把死点原理运用到了托爪机构的设计当中。2.3.2 死点式托爪的几何尺寸设计：设计方法：位移矩阵法求解：Matlab编程求解设计过程如下：图3-4死点式托爪考虑到救捞环境的复杂、救援空间的狭小，并避免救捞装置对打捞物形成干涉，造成伤害，死点式托爪可从打捞物下方缓慢调整至打捞状态，即托爪出于水平状态时，即可上升进行打捞动作。托抓机构运动设计内容包括以下几个方面：机构的类型选择：从安全方面考虑，托爪的机构必须为单自由度机构，另一方面，托

9、爪要求达到水平的同时出现“死点”，所以确定要设计一个会出现“死点”的钱链四杆机构。机构各杆件的运动尺寸设计方法选择：我们所设计的死点式托爪是一个平面四杆机构属于平面连杆机构。利用位移矩阵法进行死点式托爪机构设计的具体步骤如下：(1)如图建立平面直角坐标系，如下图3-5所示，图3-5机构坐标图在连杆上选择一固定点,以P点的坐标和连杆BC的轴线与x轴正向之间的夹角9来表不。(2)确定机构的设计变量，以销轴点B、C、D的坐标作为设计变量，进而可求出各杆件的长度。(3)根据机构的活动副在机构运动中受到的约束，建立位置约束方程。(4)由设计要求给出的精确点或精确位置写出位移矩阵，并建立中间变量与设计变量

10、的位移矩阵方程。(5)利用位移矩阵将位置约束方程中的中间变量消去，导出设计变量的机构设计方程。(6)利用Matlab进行方程的求解。以下是具体的设计过程：图3-5所示为死点式托爪机构，取机构的设计变量为xA、yA、xBi、yB1、xCryCi,设计变量确定之后，机构所有的运动几何尺寸都可以确定出来。机构在运动过程中，动钱链点B、C的运动约束是：1)从连杆BC上看，点B、C之间的距离保持不变；2)从连架杆AB上看，点B到点A的距离保持不变。运动约束1)将在后面用位移矩阵进行讨论，运动约束2)的数学表达为：2222(Xbi-Xa)(yBi-yA)=(XBi-Xa)(yBi-Ya)i=2,3ll根据

11、救捞空间的严格要求，考虑现实情况，我们在连杆上选定一点P,设计要求就是连杆要精确实现一下三组位置，如表1所示：表1P点位置表XPiyPieii=10-15090i=250-170135i=3180-30A45连杆从第1位置到第2位置的位移矩阵为%=“24550 -150sin 45 170+150cos 451cos45C-sin45D12=sin45cos4500连杆从第1位置到第3位置的位移矩阵为%=%=-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) 代入运动约束 2)的数学表达得：(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)这两个方程共有xA、yA、xB1、yB1四个未知数，所以可以任意假设其中的两个，根据我们建立的坐标系，取xA = 0, yA = 0,xD = 0, yD =-200 ,联立这两个方程， 利用Matlab求解，程序见附件程序1,解出xB1 =112.9836,yB1 = 175.2396。从而才e爪 AB的几何尺寸为 lab = J(xbi -xa)2 +(Ybi Ya)2 = 2

14、08.5mm。运动约束 1)的数学表达为：2222(xci -xbi)(Yci - Ybi) = (xCi -xbi)(Yci - Ybi ) i = 2,3,1钱链点C同样满足位移矩阵方程：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)钱链点B满足位移矩阵方程：yC2=xC1sin(-451)yC1cos(-451)-30150cos(-45)

15、代入运动约束1)的数学表达可得：。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根据已求出xb1=112.9836,yB1=-175.2396,同样利用Matlab编程求解可得xc1=12.3076,左1=70

16、.5878,从而连杆BC的几何尺寸为Ibc=(%1Xbi)2+(yc1-Ybi)2=149.8mm,进而求连架杆CD的几何尺寸为lcd=.(XciXd)(yc1yD)=133.0mm至此，死点式托爪的几何尺寸就设计完毕。第3章机构选型设计3.1 整体结构设想根据第1章1.2节所提出的设计要求，考虑到可操作性和实用性，我们所设计的救捞装置的整体结构图如图2-1所示，根据结构特点，定名为“可控式救捞装置”。图3.1.1可控式救捞装置整体构想图3.2 装置原理该装置利用三根托爪插入打捞物以下，控制托爪机构托起打捞物以达到救援和打捞目的。它主要由圆盘、可调节立杆、可调节托爪、电器箱、绳索、控制盘组成。

17、圆盘是安装（或支撑）其他零部件的非固定机架；三根可调节立杆靠伸缩长度以适应井径和打捞物大小的需要；三个可调节托爪沿井壁插入打捞物下部后，可经控制盘才$制随时变到与立杆成90的水平位置，形成“钩状”，以托起打捞物；密封的电器箱内装有照明灯、摄像头以及氧气管，以清晰地向控制盘的显示器传输井下图像及输氧；操作人员通过控制绳索来控制整个装置转动任意角度并承受推力，灯线、电缆线、氧气管、提拉绳均与绳索并联并进行安放。装置结构简捷，操作方便，功能可靠，节能环保。3.3 装置操作如图3.1.1所示：装置下井时，可控式救捞装置下井时，3个托爪在扭转弹簧的作用下与立杆呈铅垂线状态，竖直下插。当托爪达到被打捞物下

18、面后，由操作人员提起提拉绳，托爪向内翻转90。，达到水平状态，即打捞位置，这时就可以开始打捞。3个托爪可实现独立动作，通过控制提拉绳控制托爪的动作。托爪的转动与控制是由其工作部件实现的。3.4 核心机构的设计3.4.1 三杆式托爪图3.1.2三杆式托爪该部件设计为“三杆式”，利用了杆件位置变换及三角形稳定的原理,如图3.1.2所示。当人工提起丝绳时，托杆克服细弹簧的微小预拉力沿导槽顶部凹槽内定位。此时托杆呈水平托起状态，斜杆呈支撑作用。当需要放下托杆时，操作人员再次提起丝绳，托杆左端滚销再次碰触伸缩器舌，舌伸出，并堵死导槽顶部凹槽，托杆左端滚销不能再进入凹槽，托杆便在重力、细弹簧拉力作用下左端下行，同时斜杆恢复铅垂位置。3.4.2 死点式托爪图3.1.3死点式托爪如图3.1.3所示，这种托爪机构利用的是类似飞机起落架的死点原理，如图。当操作员提起丝绳时，长杆被拉到水平托起位置，2段短杆通过死点原理形成斜支撑杆，由于死点机构具有自锁功能，从而