多功能机械手装置的技术设计

长江发源于“世界屋脊”———青藏高原的唐古拉山脉各拉丹冬峰西南侧，于崇明岛以东注入东海，全长约6300公里，是世界第三长河流。长江航线上标志船数量需求巨大，如果标志船的布设、检查和维护得不到及时、可靠的保障，将对航道整体的公共安全构成极大隐患。为促进长江航道现代化建设与发展，降低劳动强度，提高维护人员安全性，长江武汉航道局开展了“标志船钢丝绳漂浮缠绕物清除装置”研制项目。通过本项目的研究应用，力求提高长江航道维护作业效率、降低维护人员劳动强度和工作危险程度，并为多功能机械手的全面应用奠定基础。机械手具有抓力大、动作灵活、传动平稳、结构紧凑、安全可靠、可实现遥控操作及智能化监控等特点，在多个领域得到迅速发展和成功应用。项目的核心是一部以液压为动力的多功能机械手装置，安装于长江武汉航道局的110kW测量船上，用于清除锚缆缠绕物、转运航道维护物资及辅助抛锚等。1)作为一部安装于船舶艏甲板的机械装置，如何减轻自重和体积，以及降低臂架产2)液压泵站等关键部件决定了装置的最大承受载荷，是装置能否实现项目需求的关本文从臂架和液压系统这两方面入手，对多功能机械手装置的设计过程进行了详细的2多功能机械手装置基本情况机械手装置回转角度：<180°(带限位);抓手回转角度：360°全回转(±180°);2.2装置动作简介2.3多功能机械手装置构成部分(4)手部(末端执行器):是机械手的作业工具。3臂架系统选型3.1臂架系统受力分析图1吊臂截面型式吊臂的受力简图如图2所示。截面B的弯曲应力为：其中：W为抗弯截面模数，mm³;B、H为截面外部尺寸，mm;b、h为截面内部要想得到较大的抗弯截面模数，则截面外部尺寸应尽量大，而截面内部尺寸应尽量小，这样，吊臂的重量将增大。同时，不同材料的许用应力，也决定了截面尺寸的大小。材料时，取1;n为安全系数，取1.5。由材料许用应力公式可知，当材料的屈服强度越大，则许用应力越大，Q235、Q345和HG785D许用应力对比如表1所示。材料材料抗拉强度σ,材料屈服极限σ材料屈强比β1安全系数n许用应力[σ]由表1可知，HG785D的许用应力约为Q235的3.3倍，约为Q345的2.2倍，所以，如果选择HG785D材料，相同的弯矩条件下，可以有更小的截面尺寸。为了尽可能的减小吊臂重量，以便在尽可能高的工作负荷下，保证母船安全的浮态和稳定性，因此，本文所述机械手的吊臂材料选择为HG785D高强度钢。3.2吊臂的强度校核和稳定性校核折臂一、折臂二、臂架系统受力简图分别如图3、图4、图5所示。图3折臂一受力简图图4折臂二受力简图图5臂架系统受力简图根据臂架系统结构型式，在折臂一和折臂二根部所受的弯矩最大，即在图2中B截面的弯矩最大。(1)折臂一的强度校核折臂一B截面的弯矩为：M={(G₂+Fú₂)×C'+[(F+F₂)×V,+F₄₁B处截面处的抗弯截面模数为：臂的弯曲应力：材料的许用应力为：(2)折臂二的强度校核通过同样的计算方式得出折臂二的弯曲应力：(3)稳定性校核为了简化计算，将吊臂当成一个整体。整体稳定性校核：板的局部屈曲稳定性：因>0.75o,=0.75×763=572MPa,应计算折减屈曲临界应力：屈曲许用应力：式中：n=1.5,为安全系数，。局部屈曲稳定性校核结论：4系统关键部件的计算与选型根据上述基本参数，部件及系统计算，系统选型如下：4.1结构、各零部件质量载荷及重心4.2各种载荷(1)质量载荷起升载荷：(3)船舶倾斜(横倾与纵倾)所产生的起升载荷水平分力为F₂在横倾5°,纵倾2°的情况下，起重机最大综合倾斜角度约为：θ=arctgJiga²+1gβ²≈5.3820F₂=F×sinθ=0.094×F₁=0.0(4)船舶倾斜(横倾与纵倾)所产生的吊臂质量载荷水平分力F32=G₂×sinθ=0.094×G₂=0.0(5)其他最不利的水平力(回转加速度产生的惯性力)回转时起升载荷的水平惯性力：回转时吊臂质量载荷的水平惯性力：F₄₂=0.15G₂a=0.15×342(6)风载荷作用在起升载荷上的风力：作用在起重机回转构件上的风力：同向于臂：Fw₂=CqA=1.82×245.2A≈450A=45垂直于臂：4.3回转支承的选取本装置回转支承选用徐州罗特艾德回转支承有限公司产品。F=F+G₂=4100+3420=7520N(3)倾覆力矩(4)当量轴向负荷(5)当量倾覆力矩M'=f×1.225M=53405N.m(6)回转支承选型根据上述计算的F和M',按供方提供的回转式减速机承载力矩图，选取回转式减速器(含回转支承)型号为：SE14A-85-25H-L-100。采用10.9级M16高强度螺栓联结。4.4回转机构的计算(1)回转支承的摩擦力矩按《起重机设计手册》计算：式中：γ为滚动体的压力角，取45°。式中：K为与滚动体形状和滚道刚度有关的系数，取5。(2)倾斜造成的等效旋转阻力矩(3)风力造成的等效旋转阻力矩(4)回转加速度产生的惯性力矩M₄=F₄₁R+F₄₂C=1312N.m(5)总的回转阻力矩M=M₁+M₂+M₃+M₄=6994N.m(6)回转式减速器传动比：i=85(7)回转式减速器所需输入扭矩(8)回转液压马达的选取输出扭矩：200N.m;(9)回转油马达的进出口最大压差(10)回转液压马达工作所需流量4.5液压系统计算(1)液压油泵流量的确定考虑系统可能存在的泄漏，液压油泵的流量按不小于回转液压马达流量的1.2倍确定，(2)油泵工作压力的确定选取油泵工作压力：(3)所选取的液压油泵输出参数如下排量：10ml/r;14.4L/min,工作压力31.5MPa大于计算工作压力17MPa,满足系统设计要求。4.6电功率计算本装置电功率主要供应液压油泵和控制系统，其中，液压油泵电动机为主要的电力需求设备。根据液压油泵的参数，电动机功率按如下公式计算：根据计算，本装置选用电动机参数如下：电制：3ph,AC380V,50Hz;启动方式：星三角。其中，所选用电动机的功率大于计算功率，预留约20%的余量，要求母船提供一路电制为3phAC380V50Hz的电源至本装置星三角启动控制箱，电缆规格不低于3x4。本装置的机旁控制箱、电动机等用电设备均由启动控制箱供电。在船检验船师的参与下，长江武汉航道局组织进行了装置的台架试验，试验结果如表2所示。表2台架试验记录工作负载实际负载试验项目回转速度(s/r)工作压力电流(A)左右空载试验00变幅4回转5负载试验3