夹钳装置设计过程中干涉问题的分析-工程机械动态-中国路面机械网

2007-08-16 23:37:03

夹钳装置是一种以装卸木材为主、在轮式装载机基础上开发的作业机具，适应于港口、林区的大型原木装卸、堆垛作业；也可以用于油田油管、钻杆的转运和铺设作业，以及车站、码头等场所圆形规则物料和不规则长形物件的装运，并可利用其进行起重、牵引等作业，是一种高效、适应性非常强、用途较为广泛的装载机变形机具。目前各装载机制造公司均能生产各种结构形式的夹钳装置，是一种销售数量和利润都较为可观的变形产品，因此各装载机制造商均投入一定的人力和物力来研究设计、制造各种形式的夹钳工作装置。
在设计夹钳工作装置时，必须分析夹钳装置在整个作业过程中，钳体总成件与装载机自身连杆机构及钳体总成中上下钳体、夹钳油缸之间可能出现的结构或运动干涉情况以及“死点”位置。夹钳工作装置的干涉情形比较复杂、同时也比较隐蔽，设计者往往考虑不周或容易忽略，从而给生产制造带来麻烦和浪费；若在设计时对其干涉问题不加以妥善解决，严重时将导致设计的失败。从夹钳装置与装载机连杆机构的位置关系来看，大体可归纳为两大类干涉情形：第一类是夹钳装置总成与装载机连杆机构的干涉；第二类是钳体装置总成中上下钳体、夹钳油缸之间的相互干涉。下面对这两类干涉进行简要分析。
１．夹钳装置总成与装载机连杆机构的干涉
１．１夹钳装置总成在下限收斗位置时，摇臂与下钳体上加强钢管的干涉。图１为夹钳装置在相对动臂处于极限后倾位置时摇臂中部与下钳体上加强钢管的干涉情形示意图，此时，避免干涉的条件为：
ＯＯ－ＯＤ－ｒ〉ε
式中ＯＯ—图示Ｏ、Ｏ两点间的距离；ｒ——下钳体上加强钢管的外径；
ＯＤ——图示摇臂中心０点到切点Ｄ的距离；
ε——在考虑制造安装条件下，人为给定摇臂最外端点与加强钢管的适当间隙；

１．２夹钳装置总成在下限收斗、上钳体张到最大开口位置时，摇臂上端圆弧（或转斗缸活塞杆杆头圆弧）与上钳体加强钢管的干涉。图２所示为夹钳装置在相对动臂处于极限后倾位置且上钳体张口最大（此时夹钳油缸达到最小安装距尺寸）时，摇臂或转斗缸活塞杆与上钳体加强钢管的干涉情形。此时，该装置不干涉的条件为：ＯＯ－ｒ－ｒ＞ε
式中ＯＯ——图示Ｏ、Ｏ两点间的距离；ｒ——上钳体加强钢管的外径；
ｒ——取摇臂上端圆弧与转斗缸活塞杆杆头圆弧外径的较大值；
ε——在考虑制造安装条件下，人为给定摇臂上端圆弧（或转斗缸活塞杆杆头圆弧）与加强钢管的适当间隙；

１．３上限卸载位置时，拉杆与夹钳缸硬钢管的干涉。由于要满足钳体结构的强度和刚度，具备足够的安全系数，在两铰接板之间焊接有加强钢板，液压支架和管路就布置在拉杆与加强钢板这个空间较为狭小的区域。图３所示为夹钳装置在高位卸载时，拉杆与夹钳缸硬钢管的干涉情形。此时，不干涉的条件为：ＯＯＳｉｎ（θ）－Ｄ／２－ｒ＞ε

式中ＯＯ——图示Ｏ、Ｏ两点间的距离；ｒ——夹钳缸硬钢管总成的最大外径；
θ——夹钳装置在上限卸载位置时，线段ＯＯ与拉杆中心线间夹角；
Ｄ——对应点Ｔ处的拉杆宽度；
ε——在考虑制造安装条件下，人为给定拉杆与钢管总成的适当间隙；
２．夹钳装置总成中上下钳体、夹钳油缸之间的相互干涉
２．１夹钳装置处于最小包圆直径时，夹钳油缸活塞杆与上下钳体铰接销轴的干涉。由于上下钳体铰接点、油缸安装点、油缸行程及缸径、夹钳装置其它特定参数等的特殊要求，在结构布置或详细设计时通常也会导致活塞杆与铰接销的干涉，同时该干涉情况也是最容易被设计者所忽视的。图４所示为该位置时的干涉情形，其不干涉的条件为：ＯＯＳｉｎ（θ）－Ｄ／２－ｒ〉ε
式中ＯＯ——图示Ｏ、Ｏ两点间的距离；ｒ——上下钳体铰接销轴的外径；
夹钳装置设计过程中干涉问题的分析
徐工研究院　徐东云　张永胜θ——夹钳为最小包圆直径（一般油缸为最大行程）时，线段ＯＯ与油缸中心线间夹角；
Ｄ对应点Ｐ处的活塞杆直径；
ε——在充分考虑保护活塞杆不划伤的前提下，人为给定活塞杆与销轴外径的适当间隙；

欲在此状态下保持主机各项性能参数和结构强度基本不变，通常可通过调节、优化上下钳体铰点及油缸安装位置，或在不影响用户使用效果的前提下改变某项特定参数的数值（如最小包圆直径大小）来达到避免干涉的目的。
２．２夹钳装置处于最小包圆直径时，上钳体铰接耳板与下钳体钳爪加强筋板之间的干涉。由于下钳体的两侧钳爪焊合件是整个夹钳装置最主要的承载部位，其强度必须得到充分保证，并具备足够的抗扭矩能力，因此每个钳爪中间的加强筋板设计就显得尤为重要和关键。从徐工前几年所销售的各种结构类型夹钳装置来看，用户和市场都有该处焊缝或母材开裂的故障反映，实际上通过计算机三维ＰＲＯ／Ｅ应力校核，该处也是应力最集中点。示图５为夹钳装置处于最小包圆状态时，上钳体铰接耳板与下钳体钳爪加强筋板干涉于点Ｂ。目前设计中通常采用在该加强板处开圆弧形豁口以避开铰接耳板，从而达到了既满足强度要求又避免运动干涉的理想状态。
２．３对于内错式夹钳，在整个运动作业过程中，当上钳体越过下钳体所处水平面时，上钳体外侧面也常与下钳体内侧加强连板发生干涉。设计过程中，在布置上下钳体铰接位置的横向空间时，有时考虑不周全，往往忽略整个作业过程中干涉性的检查，从而导致设计失误的不良后果。在示图６中，若尺寸Ｃ等于零或该数值很小，制造安装或经过用户强化作业后，钳体产生变形而影响该装置的继续使用。因此研发人员在最初设计总体方案时就应该对尺寸Ｃ留有足够的余量。

３．小结
以上仅仅列出了夹钳装置设计过程中几个通常易发生干涉而设计者又往往比较容易忽略的典型位置，实际上夹钳装置的干涉点还比较多而且大多较为隐蔽，特别是在装配液压管路及其附件后，各种情形的干涉更是让人意想不到，如：动臂与下钳体连接的铰耳与下钳体下加强钢管或连接夹钳油缸的硬管、接头可能发生干涉，从而影响卸载或收斗；在夹钳装置的整个回转运动范围内，拉杆与两铰接板之间的加强筋板或硬管、接头的干涉等等，在此不再赘述。故在确定夹钳装置总体方案后，运用三维实体或骨架模型来校核其各个运动位置的运动干涉性对提高其一次开发成功率、降低材料的浪费十分有必要。