在大學(xué)生課外科技項(xiàng)目中靈活運(yùn)用多種機(jī)械原理機(jī)構(gòu)有效提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力

蔡曉君+郭麗峰+張瑞+徐林林

[摘 要]大學(xué)生課外科技活動(dòng)，靈活運(yùn)用多種機(jī)械原理機(jī)構(gòu)有效提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，設(shè)計(jì)完成一種雙向自動(dòng)爬管（桿）裝置，可以在該裝置中巧妙運(yùn)用變異曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、剎車(chē)機(jī)構(gòu)和交替卡緊機(jī)構(gòu)等多種機(jī)械原理機(jī)構(gòu)。裝置總體構(gòu)思巧妙，僅通過(guò)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)裝置在管（桿）上的雙向運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)交替卡住機(jī)架和上爪的剎車(chē)等操作，是一種很好的管道或桿件檢測(cè)、清潔、維護(hù)等操作工具。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械原理；機(jī)構(gòu)；爬管裝置；曲柄滑塊；剎車(chē)塊結(jié)構(gòu)

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）07-0128-02

機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)是高等學(xué)校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生在《機(jī)械原理》課程理論教學(xué)完成后進(jìn)行的一項(xiàng)重要的綜合性實(shí)踐教學(xué)訓(xùn)練活動(dòng)。學(xué)生通過(guò)機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步鞏固、掌握并初步運(yùn)用機(jī)械原理的知識(shí)和理論，培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)能力、解決實(shí)際問(wèn)題的能力以及機(jī)械開(kāi)發(fā)創(chuàng)新能力。在設(shè)計(jì)題目的設(shè)置時(shí)，摒棄了由授課教師獨(dú)立確定題目的“一言堂”做法，教師、學(xué)生、家長(zhǎng)共同參與題目設(shè)定，并與實(shí)踐緊密結(jié)合。機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)題目由三部分組成：（1）封閉式題目——教師命題，保留多年來(lái)的經(jīng)典設(shè)計(jì)題目并作適當(dāng)擴(kuò)展；（2）半開(kāi)放式題目——結(jié)合學(xué)科競(jìng)賽、教師科研項(xiàng)目等實(shí)際需求，教師、學(xué)生共同提出項(xiàng)目功能目標(biāo)，設(shè)定成果方式；（3）開(kāi)放式題目——主要由學(xué)生自主選題確定。學(xué)生自主選題主要考慮學(xué)生以及家庭研究淵源，學(xué)生長(zhǎng)期感興趣、有一定研究積累的特長(zhǎng)，家長(zhǎng)在特定領(lǐng)域研究成果的拓展等。

將機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)與大學(xué)生課外科技訓(xùn)練相結(jié)合，教師指導(dǎo)學(xué)生依據(jù)興趣選題，充分調(diào)動(dòng)社會(huì)、家庭參與研究訓(xùn)練的積極性，題目采用學(xué)生自選和教師指定相結(jié)合的原則，具有學(xué)生感興趣的諸多因素。如雙向管道爬行裝置的設(shè)計(jì)與制作、糕點(diǎn)切片機(jī)的設(shè)計(jì)與制作、具有逃生功能自動(dòng)窗的設(shè)計(jì)與制作等。

在雙向管道爬行裝置的設(shè)計(jì)與制作中，學(xué)生首先對(duì)該裝置的實(shí)際運(yùn)用進(jìn)行了深入的調(diào)研。發(fā)現(xiàn)工程實(shí)際中存在大量的管道或者桿狀的結(jié)構(gòu)，對(duì)于它們的維護(hù)、監(jiān)測(cè)、清潔的手段相對(duì)比較落后，基本靠人力手工完成。如能設(shè)計(jì)一種在管（桿）狀結(jié)構(gòu)上自動(dòng)靈活雙向移動(dòng)的裝置，實(shí)現(xiàn)方便、快捷、平穩(wěn)的爬動(dòng)，將非常必要，而且可將該裝置作為一個(gè)平臺(tái)，整合在其他的裝置上完成所需的既定動(dòng)作，在生產(chǎn)生活實(shí)際工作中將扮演多種運(yùn)送機(jī)械手的重要角色。

一、爬管（桿）裝置總體設(shè)計(jì)思路

為了實(shí)現(xiàn)裝置在管上自由爬動(dòng)，而且運(yùn)行平穩(wěn)安全，結(jié)合機(jī)械原理已知各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，最終選擇變異曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為主體爬行機(jī)構(gòu)，而鎖緊機(jī)構(gòu)確定為轉(zhuǎn)動(dòng)的剎車(chē)橡膠塊機(jī)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

在圖1變異曲柄滑塊主體機(jī)構(gòu)中，A為裝置工作時(shí)依附的管（桿）構(gòu)件，B為上爪，套在管A上，C為連桿，連接上爪和曲柄，D為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的曲柄，可以整周轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在機(jī)架上。E為滑動(dòng)擺桿，能在曲柄的帶動(dòng)下左右擺動(dòng)，F(xiàn)為機(jī)架，可套在管A上。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄D，在曲柄D驅(qū)動(dòng)下，滑塊機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)裝置在管構(gòu)件上的上下爬動(dòng)的要求，而鎖緊機(jī)構(gòu)則整合在上爪B和機(jī)架F上，實(shí)現(xiàn)上爪和機(jī)架的交替鎖緊，從而達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

二、變異曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所爬的管（桿）機(jī)構(gòu)直徑在50～100mm范圍內(nèi)，其余各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸均按該要求設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際裝置的尺寸，計(jì)算選擇曲柄D的長(zhǎng)度為L(zhǎng)d=100mm，曲柄D與連桿C的尺寸比設(shè)計(jì)為1∶3，故連桿Lc=300mm，擺桿E設(shè)計(jì)為與連桿C等長(zhǎng)，即搖擺LE=300mm。為確保裝置在管（桿）構(gòu)件上平穩(wěn)運(yùn)行，選擇其平均爬行速度為v=10mm / s，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周裝置爬行400mm，用時(shí)40s，所以曲柄角速度ω=1.5r / min。圖2為設(shè)計(jì)完成的裝置整體三維模擬圖。

如圖2所示，工作時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在機(jī)架F上，隨著電機(jī)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄D轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)架F夾緊時(shí)，曲柄D轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿C的上爪B移動(dòng)；當(dāng)上抓B加緊時(shí)，曲柄D轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可帶動(dòng)連桿C及機(jī)架F移動(dòng)。這樣上爪B與機(jī)架F交替加緊、移動(dòng)，可以完成裝置在管（桿）上的平穩(wěn)滑動(dòng)。

為保證裝置能夠具有一定負(fù)重，并且在管（桿）構(gòu)件上平穩(wěn)滑動(dòng)，如圖3、圖4所示，上爪B和機(jī)架F均由三個(gè)可調(diào)滑輪G壓緊在裝置依附的管道上。

三、轉(zhuǎn)動(dòng)剎車(chē)塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為保證上抓B和機(jī)架F能夠平穩(wěn)、連續(xù)交替夾緊管（桿）構(gòu)件，特別設(shè)計(jì)制作了用于夾緊的轉(zhuǎn)動(dòng)剎車(chē)塊結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

如圖5所示轉(zhuǎn)動(dòng)剎車(chē)塊設(shè)計(jì)成中間凹狀結(jié)構(gòu)，便于箍緊管（桿）構(gòu)件，為有效增大摩擦阻力，材料可選用橡膠等非金屬材料。作為裝置的關(guān)鍵零件，運(yùn)動(dòng)時(shí)剎車(chē)塊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)到一定位置時(shí)能保證在管（桿）構(gòu)件上卡緊上爪B或機(jī)架F，從而達(dá)到裝置交替爬動(dòng)的目的。

結(jié)合上述討論的變異曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖6、圖7所示為轉(zhuǎn)動(dòng)剎車(chē)塊結(jié)構(gòu)工作原理示意圖。在圖6中曲柄D轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿C隨之?dāng)[動(dòng)，剎車(chē)塊H與連桿C固連，所以剎車(chē)塊H也能隨著連桿C轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)由于轉(zhuǎn)動(dòng)剎車(chē)塊結(jié)構(gòu)形狀的特殊性，其會(huì)在一定位置時(shí)帶動(dòng)上爪B卡緊在管（桿）上。

同理，如圖7所示，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)D，滑動(dòng)擺桿E隨之?dāng)[動(dòng)，剎車(chē)塊H與擺桿E固連，剎車(chē)塊H也隨擺桿E轉(zhuǎn)動(dòng)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)剎車(chē)塊結(jié)構(gòu)形狀的特殊性，其會(huì)在一定位置下帶動(dòng)機(jī)架F卡緊在管（桿）上。圖8、9、10、11為剎車(chē)塊工作狀態(tài)示意圖。

以裝置上行為例，當(dāng)機(jī)架F上的滑動(dòng)擺桿E帶動(dòng)剎車(chē)塊轉(zhuǎn)到圖8位置時(shí)，剎車(chē)塊把機(jī)架F卡緊在管（桿）上，此時(shí)上爪B剎車(chē)塊處于松開(kāi)狀態(tài)如圖9所示，由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿會(huì)推動(dòng)上爪B向上移動(dòng)；而當(dāng)機(jī)架F剎車(chē)塊轉(zhuǎn)到圖10位置松開(kāi)時(shí)，上爪B剎車(chē)塊則轉(zhuǎn)到圖11位置卡緊狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)此時(shí)會(huì)拉動(dòng)機(jī)架F向上移動(dòng)，這種周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)，完成整個(gè)裝置沿管（桿）穩(wěn)步上行。只要改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，裝置可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)下行，裝置下行原理相同。

由于剎車(chē)塊是橡膠材料，加工方便，其工作時(shí)靠摩擦力來(lái)鎖緊上爪B或者機(jī)架F，所以其尺寸需要根據(jù)工作依附面的具體情況來(lái)選材及設(shè)計(jì)尺寸。

四、結(jié)論

雙向自動(dòng)爬管（桿）裝置，主要由曲柄、連桿、滑動(dòng)擺桿、上爪、機(jī)架、電機(jī)、銷(xiāo)釘、螺栓、螺母、剎車(chē)塊、滑輪零部件組成。電機(jī)帶動(dòng)曲柄滑塊裝置運(yùn)行，并通過(guò)整合在其上的剎車(chē)塊的轉(zhuǎn)動(dòng)，上爪和機(jī)架交替卡緊，從而使得裝置實(shí)現(xiàn)上爬或下爬。整個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特，構(gòu)思巧妙，能最安全便捷的實(shí)現(xiàn)在管狀物體上的平穩(wěn)移動(dòng)，為工程中的管道檢測(cè)維護(hù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。

通過(guò)理論與實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)、課外科技活動(dòng)、科學(xué)研究等途徑，在指導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)理論知識(shí)的前提下，將教學(xué)與大學(xué)生課外科技活動(dòng)有機(jī)結(jié)合，通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方法貫穿始終，使學(xué)生受益匪淺。

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[責(zé)任編輯：張 雷]