夾爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析

張小珍, 沈嶸楓, 周成軍， 周新年， 林　曙， 吳傳宇

(福建農(nóng)林大學交通與土木工程學院，福建 福州 350002)

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夾爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析

張小珍, 沈嶸楓, 周成軍， 周新年， 林曙， 吳傳宇

(福建農(nóng)林大學交通與土木工程學院，福建 福州 350002)

為了加強夾爪的結(jié)構(gòu)，提高其承載能力，使用SolidWorks軟件建立夾爪的三維模型，并分析夾爪滿載時液壓缸和鉗口的受力情況，闡述模型靜力學分析的邊界條件.通過HyperWorks軟件對模型進行有限元分析，對鉗口的強度進行校驗.通過分析鉗口的應(yīng)力云圖，對模型進行改進和重新設(shè)計，并對新模型進行驗證.結(jié)果表明，改進模型2(增大側(cè)板外弧半徑)的結(jié)構(gòu)設(shè)計比改進模型1(增加側(cè)板厚度)的更加合理.

夾爪; 建模; 有限元分析; 可靠性

鋸木廠對木頭的搬運主要是借助夾爪，夾爪是木材裝載機中的重要機械設(shè)備，夾爪性能的好壞直接影響著木材抓取工作效率.因此，夾爪尺寸參數(shù)設(shè)計合理才能滿足承載性能.夾爪在工作中要承受復雜的工作載荷，為防止夾爪在工作時出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變不足，導致結(jié)構(gòu)斷裂，借助計算機進行輔助設(shè)計.利用SolidWorks軟件建立三維模型，然后在HyperWorks軟件中搭建有限元模型，對模型進行靜力分析，驗證模型的應(yīng)力應(yīng)變，保證了模型設(shè)計的合理性[1,2].借助HyperWorks軟件對產(chǎn)品進行設(shè)計、分析、仿真，既可以提高設(shè)備的性能，又可以大大縮短研究的周期和成本[3].本研究利用SolidWorks軟件建立夾爪的三維模型，并導入到HyperWorks軟件中，對夾爪進行有限元分析，通過研究其剛度和強度是否滿足要求來驗證其可靠性，旨在為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù).

1　夾爪三維建模

夾爪主要由兩部分組成，即框架和鉗口，其作用是用于拾取、撿起并移動木材.鉗口的運動主要依靠液壓缸控制，確保張開和閉合的運動.SolidWorks作為三維造型設(shè)計軟件，已成為三維實體框架模型的一種設(shè)計系統(tǒng)[4].對夾爪各部件進行三維設(shè)計，再通過三維建立模型SolidWorks軟件對夾爪關(guān)鍵部件進行實體建模，體現(xiàn)實體特征；通過各個零部件的組合，裝配成夾爪樣機，結(jié)果如圖1所示.

2　受力分析

鉗口在工作時，因不同狀態(tài)下受到的力不同，所以只對鉗口在滿載時進行計算.鉗口滿載時，即鉗口閉合時，液壓缸作用在鉗口的推力FZ最大，鉗口下端最大夾持力FP，如圖2所示.

2.1液壓缸受力分析

圖3為鉗口開/關(guān)時作用的軸向力，通過計算出活塞的面積來得到軸向力.計算過程表示如下：

(1)關(guān)閉鉗口時的活塞面積：

(1)

(2)打開鉗口時的活塞面積：

(2)

(3)關(guān)閉鉗口時的軸向力：

FZ=Pmax·SPZ=20×1 963=3.926×104N

(3)

(4)打開鉗口時的軸向力：

茶染所用染料來源于茶葉，其在服飾設(shè)計中的應(yīng)用主要取決于染料和面料的結(jié)合效果，通過實踐證明茶染適用于所有天然纖維面料，在部分再生纖維面料上也具有良好的效果，如牛奶蛋白纖維面料等[9-10]。由于面料本身的結(jié)構(gòu)與性能不同，茶染色澤上會有豐富的變化。

PO=Pmax·SPO=20×1 347=2.694×104N

(4)

式中：Pmax表示液壓回路中的最大壓力，取值20 N；DP表示活塞直徑，取值50 mm；dPI表示活塞桿直徑，取值28 mm.

2.2鉗口受力分析

鉗口滿載時，受到關(guān)閉鉗口時的軸向力FZ，計算出鉗口的最大夾持力FP.在長度Lh和LP是固定的條件下，假設(shè)平衡力矩的點為滑動套筒軸線上的點，計算過程表示如下：

∑MA=0

FZ·Lh=FP·LP

(5)

根據(jù)力的作用是相互作用、相互平衡，得到：

∑Fy=0

FC=FZ+FP

FC=39 260+5 499=4.475 9×104N

(6)

3　強度分析

3.1液壓缸強度

夾爪動力主要是由液壓缸提供，液壓缸活塞桿的穩(wěn)定性決定了夾爪的穩(wěn)定性，需要對活塞桿強度進行驗算.活塞桿材料是C45E鋼，強度為340 MPa.活塞的小徑為28 mm，長度為360 mm.活塞桿的慣性二次力矩表示如下：

(7)

活塞桿的橫截面積：

(8)

式中，dPI表示活塞桿直徑，為28 mm.

長細桿特征值：

(9)

式中：l0表示桿的長度；JZ表示活塞桿的慣性二次力矩；SPI表示活塞桿的橫截面積.

臨界應(yīng)力的計算：

σkr=335-0.62·λ=335-0.62×51.5=303 MPa

(10)

因σkr=303 MPa≤[σ]=340 MPa，即活塞桿滿足強度設(shè)計，表明活塞桿設(shè)計合理.

3.2鉗口強度

在現(xiàn)代機械裝備的研發(fā)過程中，傳統(tǒng)的研究方法復雜、成本高、花費時間長，已不適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計，虛擬仿真設(shè)計提高了研究效率，具有一定的擴展性、兼容性和前瞻性，是裝備研發(fā)的一個重要手段[5].產(chǎn)品的設(shè)計過程包括方案設(shè)計、初步設(shè)計、驗證設(shè)計3個階段.其中驗證階段是至關(guān)重要的，采用HyperWorks軟件驗證模型，可直接在界面上改變產(chǎn)品的設(shè)計參數(shù)、材料等，大大減少了設(shè)計的時間和成本[6].HyperMesh是一個高質(zhì)量高效率的有限元前處理器，可以利用高度交互的可視化環(huán)境建立夾爪有限元模型，并應(yīng)用其強大的幾何清理功能來修正夾爪幾何模型中的錯誤，從而提升建模效率[7].采用HyperWorks軟件對夾爪進行靜力學分析，主要過程如圖4所示.模型驗證的主要過程是在SolidWorks軟件中建立三維模型，并導入到HyperWorks軟件中.首先進行模型的幾何清理，再進行有限元網(wǎng)格劃分，定義夾爪的材料屬性、約束，最后通過Optistruct求解器求解出夾爪的應(yīng)力應(yīng)變[8].應(yīng)力應(yīng)變反映出模型的破壞情況，因此通過應(yīng)力應(yīng)變對模型進行結(jié)構(gòu)改進.

4　模型的改進

通過鉗口的有限元分析，對鉗口在臨界條件下，即夾爪滿載時，采用HyperWorks軟件分析鉗口的應(yīng)力.由圖6可知，鉗口受到的應(yīng)力大多數(shù)出現(xiàn)在4個側(cè)板邊緣上，為175.7 MPa，超出了國家標準中的許用應(yīng)力(113 MP).因此，對4個側(cè)板采取加強措施，如使用較高強度的材料，對一些部件結(jié)構(gòu)進行改進.改進后的模型見表2.

對上面改進后的鉗口重新建立模型，進行有限元分析，并對其進行靜力學分析，得到的結(jié)果如表3所示.由表3可知，通過對改進后模型強度的校驗，結(jié)果表明當4個側(cè)板厚度加大，改進后鉗口的最大應(yīng)力為85.2 MPa，低于國家標準[9]中的許用應(yīng)力(113 MPa)，滿足要求.當4個側(cè)板外弧半徑加大，最大應(yīng)力值為95.4 MPa，也低于國家標準[9]中的許用應(yīng)力(113 MPa)，故也滿足條件.

表2　鉗口改進模型與原模型的比較

表3　原模型與改進后模型的對比分析

改進后2種模型都滿足應(yīng)變條件，但改進模型2(4個側(cè)板外弧半徑加大)的體積為9.30×106mm3，比改進模型1的體積小，而且改進模型2最大應(yīng)力比較接近材料的許用應(yīng)力值.通過將改進模型1與改進模型2進行對比分析(表3)，結(jié)果表明改進模型2的結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理.

5　小結(jié)

利用SolidWorks軟件建立夾爪的三維模型，顯示模型的特征，導入到HyperWorks軟件中進行有限元分析.通過對模型進行網(wǎng)格化以及施加材料屬性和邊界條件，利用Optistruct求解器求得模型的應(yīng)力應(yīng)變，在應(yīng)力應(yīng)變云圖中判斷夾爪設(shè)計的合理性.通過加強4個側(cè)板的厚度以及將4個側(cè)板外弧半徑加大，使鉗口的應(yīng)力滿足要求，實現(xiàn)夾爪的合理設(shè)計.

[1] 陳英凱,閔令強,儀垂良,等.基于SolidWorks和ANSYS的抓木機動臂有限元分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2013,51(1):39-41.

[2] 龍劍群,沈微.基于Creo Simulate的木材抓具有限元分析與優(yōu)化設(shè)計[J].黑龍江大學工程學報,2013,4(4):92-96.

[3] 沈嶸楓,周成軍,周新年,等.YP2.0-A遙控跑車虛擬樣機設(shè)計與仿真[J].福建林業(yè)科技,2014,2(41):67-69.

[4] 孫健.SolidWorks齒輪建模的方法研究及比較[J].機械工程師,2015(2):86-87.

[5] 沈嶸楓，張小珍，周新年，等.森林工程采運裝備虛擬實驗示范中心建設(shè)[J]．實驗科學與技術(shù)，2015(5)：163-165．

[6] 夏勇,殷晨波,王寶家.基于HyperWorks的大型門式起重機靜力學及固有頻率特性研究[J].礦山機械,2015,43(1):44-47.

[7] 任潤國,尉慶國,樊卓聞.基于HyperMesh的發(fā)動機零部件網(wǎng)格劃分[J].內(nèi)燃機與配件,2014(1):28-31.

[8] 陳勇棠,朱瑞丹.基于HyperWorks的行星攪拌機工作部件靜力學分析[J].柳州師專學報,2015,30(2):136-138.

[9] 全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會.GB150-2011 壓力容器[S]．北京：新華出版社，2011.

(責任編輯:葉濟蓉)

Design and analysis on the structure of claw

ZHANG Xiaozhen, SHEN Rongfeng, ZHOU Chengjun， ZHOU Xinnian， LIN Shu， WU Chuanyu

(College of Transportation and Civil Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China)

To optimize the structure of claw for better bearing capacity and reinforcement, three-dimensional model of claw clip was established by SolidWorks software, and boundary condition of statics analysis was evaluated basing on the force of hydraulic pump and jaw when claw was fully loaded. Strength of the jaw was verified by finite element analysis via HyperWorks. Subsequently, the original jaw model was redesigned and modified basing on stress nephogram and followed by revalidation on the performance of the new model. The results showed that the structure design of the improved model 2 (an increase of side outer arc radius) was more reasonable than the improved model 1 (an increase of side plate thickness).

claw; modeling; finite element; reliability

2015-07-08

2015-12-15

福建農(nóng)林大學教材與實踐研究項目(111414044)；國家教育部創(chuàng)新科技計劃項目(111ZC5040)；福建農(nóng)林大學林業(yè)智能機械立體化教材項目(112515013)；福建農(nóng)林大學交通運輸類實驗教學示范中心資助項目(01SJ10009)；福建農(nóng)林大學高水平大學建設(shè)重點資助項目(113-612014018).

張小珍(1991-)，女，碩士研究生.研究方向：機械結(jié)構(gòu)設(shè)計.Email：1027470976@qq.com.通訊作者沈嶸楓(1970-)，男，副教授，博士.研究方向：林業(yè)機械設(shè)計.Email：fjshenrf@163.com.

TK83

A

1671-5470(2016)03-0356-05

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2016.03.020