重载锻造操作机钳杆夹持机构优化设计*

邵珠杰, 吴正海, 杨晋

(1.兰州职业技术学院, 甘肃 兰州 730070; 2.兰州交通大学 机电工程学院,甘肃 兰州 730070)

重载锻造操作机钳杆夹持机构优化设计*

邵珠杰1, 吴正海2, 杨晋2

(1.兰州职业技术学院, 甘肃 兰州 730070; 2.兰州交通大学 机电工程学院,甘肃 兰州 730070)

钳杆夹持机构能否安全稳定的工作是锻造操作机设计是否合理的关键。建立夹持机构传力比和钳口夹持力的数学计算模型，并通过ADAMS软件对80t锻造操作机钳杆机构虚拟样机进行参数化建模，以夹持力最大为优化目标，建立约束条件对机构参数进行优化分析。通过分析钳杆机构中每个参数变化对夹持力的影响程度，确定影响夹持力相对较大的参数进行机构的优化设计。对优化后机构的夹持性能进行验证分析，结果表明其性能显著提高。

锻造操作机；钳杆机构；传力比；优化设计

Abstract: If the gripping mechanism of clamp lever can work safely and steadily is the key to the forging manipulator design. The mathematical models of the gripping force and force transmission ratio for the gripping mechanism are set up, and the parametric model of the virtual prototype for the clamp mechanism of the 80t forging manipulator is set up through the ADAMS software. Taking maximizing the gripping force as the optimization goal, constraint conditions on the parameters for optimization analysis is established. Through analyzing the degree of influence of each parameter in the clamp mechanism on holding force, the parameter that affects the gripping force is conformed for the mechanism optimization design. The performance analysis of the optimized gripping mechanism is verified, the results show that its performance is improved significantly.

Key words: forging manipulator; clamp mechanism; force transmission ratio; optimization design

0 引 言

重载锻造操作机是大型锻件精准制造的基本设备，与大型锻造液压机配合完成各种锻造工艺时，能极大地提高锻件制造质量、精度和效率，降低生产成本，减轻劳动强度，改善生产环境[1-2]。钳杆夹持装置是锻造操作机的关键组成部分，也是操作机的执行机构，其结构特性对操作机整体性能有着重要的影响[3-5]。操作机在进行升降、旋转、制动及工件锻压等工况时，由于夹持工件和整体设备的质量、惯性巨大，钳杆机构会承载一定的振动和冲击载荷，所以经常会出现零部件失效[6]，因此有必要对钳杆机构进行优化设计。

我说：“教育本是朴素而实在的。彼时，全世界只有老师、学生与文本。这三者，或许交相辉映，其乐融融；或许互相争鸣，和而不同。不求流光溢彩，光怪陆离，只求学有所得，学有所创，教有所悟。把更多的话语权给孩子，教师理当惜言如金。一旦开口，说出来的话就该是点石成金，春风化雨，给孩子以唤醒、引领和激发。很多时候，我们怕课时不够，急于赶进度，嘚吧嘚吧卸货了事，至于孩子会不会，会多少，能不能举一反三，能不能运用知识，能不能在现有知识的基础上进一步创新，根本没有考虑—这是错误的。”

笔者以80t锻造操作机钳杆机构为研究对象，根据其机构特点和参数，建立计算钳口夹持力和传力比的数学模型，并通过ADAMS软件对钳杆机构样机进行参数化建模和优化分析。

1 钳杆夹持机构传力比

钳杆夹持机构是用来传递夹紧缸液压力、操控钳口夹紧和张开的机构。如图1所示，钳杆夹持装置主要由夹紧缸、连杆、钳臂、钳口和钳壳等零部件组成。夹持机构在操作机工作时必须能够保证有效的夹持力，稳定的夹持性能，可靠的承载能力。

图1 钳杆夹持装置 1.尾架 2.液压马达 3.啮合齿轮 4.夹紧缸 5.连杆 6.钳臂 7.钳口

钳杆机构的传力比为夹紧缸输出力与钳口夹持力的比值。机构中夹紧缸、连杆、钳臂等组件的结构尺寸以及被夹持工件的直径尺寸都会影响到传力比的大小。由于夹持机构为对称布置，简化后的夹持机构如图2所示。根据图2可知，夹紧装置的连杆和钳臂受力如图3所示。

图2 夹持机构简图

图3 钳杆各零件受力分析图

由图3(a)可知：

(1)

F3·L5=F2·L6

式中:F1=F0/2;F0为夹紧缸输出力；钳臂受力如图3(c)所示，对C点列力矩平衡方程如下：

(2)

在日本，1985年墨田区建成的相扑摔跤竞技场成为著名的大规模雨水利用设施。这个竞技场里的建筑物屋顶是雨水利用系统的集水面，集水面积达8 400 m2，收集的雨水被导入地下存储罐中用于冲洗厕所和清洗空调。在社区层面，一个被称为“Rojison”的简单和独特的雨水收集利用设施，已在东京地区的居民住宅屋顶普遍推广开来，所收集的雨水被用于浇花、消防和紧急情况下的饮用。截至目前，东京大约有750处私人和公共建筑物上安装了雨水收集和利用系统。

(3)

式中：e=S2-S1。

(4)

(5)

(6)

根据图上几何关系可知：

过去，国内多数企业实施企业资金成本的把控主要通过管理部门来完成，如财务部门和审计部门，但从目前的经济发展环境来看，很多传统的财务管理理念已经不适合当前社会的发展，甚至出现矛盾。为了解决经济管理的问题，企业要强化内部的管理，要建立起十分有效的经济管理方式来提升企业管理水平。

(7)

L5=L2sinβ2

(8)

(9)

(10)

为保证油缸在达到极限位置时钳口夹持到最小直径的工件。建立约束关系如下：

F2=f(α,L1,L2,L3,L4,S1,S2)F1

(11)

则钳杆机构的传力比i为：

The surface potential ψsλin GSGCDMT-SON MOSFET can be calculated by solving a three dimensional Poisson’s equation [21] given by

一要加强农田水利工程管理体制改革，建立建管并重的管理新模式，确保工程建得成、管得好、用得起、长受益。重点推进小型农田水利工程管理改革，加快市级国营泵站标准化建设，推进集体泵站产权改革，鼓励集体所有制的水利工程采用承包、租赁、拍卖等灵活多样的方式，搞活经营权，落实管理权。要稳步推进农田水利体制改革，事业性质的水管单位按照精简高效和事企分开的要求，推行管养分离；企业性质的水管单位按照现代企业制度的要求，完善公司法人治理结构，实行自主经营、自我约束、自负盈亏、自我发展。

(12)

2 钳杆夹持机构优化设计[7-10]

2.1 钳杆夹持机构参数化建模

案例1门楣涉及官员存在时代冲突，这在当地并非孤例，如位于黎川县城人民路“进士第”（图14）门楣分别将正德、正统和万历的3个知县题刻上去，以表追思先贤之意。据江西省进贤县文物管理所所长文先国考证，“昼锦”二字为明初名臣解缙手书[19]，但永乐年间解缙沦为罪臣[20]，故当时不敢将他的题字刻在牌坊上，推断为第三类——先立后题：永乐八年立坊，门楣空白，宣德之后，高旭主持重新题刻门楣，并将永乐22年进贤知县佘耀加刻上去，直至今日（“昼锦”已由当地文物部门佐证建于永乐八年）。

根据上述分析，影响夹持力的参数有a、L1、L2、L3、L4、S1、S2。在ADAMS软件中建立钳杆样机的参数化模型时，需定义4个设计点，对应图2中的A、B、C、D四个关节点，根据式(4)～(7)中各点坐标值的关系式，建立各点的参数表达式如表1所示。

表1 各关节点坐标的参数表达式

采用ADAMS优化分析的结果如图4所示，图中横坐标为参数变化百分比，纵坐标为夹持力。对比图中各曲线的斜率大小，可以发现设计变量α、L1、L2对夹持力的影响比较显著，其余变量影响相对较小。

表2 设计变量参数设置

2.2 钳杆机构参数分析

为使钳杆机构能够稳定的夹持工件，优化分析的目的则是保证钳杆机构的传力比最小。即，在夹紧缸输出力一定时，应以机构钳臂末端输出最大夹持力为目标，即：

f=F2max

1019 Clinical analysis of 11 stroke warning syndrome patients treated with alteplase intravenous thrombolysis

(14)

联立上述方程，可得夹持力F2与力F1的关系式为：

g1=yB1-L1-S1≤0

(15)

式中：yB1为夹持最小直径工件时B点纵坐标值。

在优化过程中为了控制夹紧缸推进行程的大小，建立如式(16)约束条件，要求优化后的行程不大于1 000 mm。式中xA1、xA2分别为夹持工件直径最小和最大时，油缸输出端A点的横坐标值。

g2=(xA1-xA2)-1000≤0

(16)

优化时夹持机构应夹持最大直径的工件，即L4=998.59 mm。为避免优化后的整体尺寸过大，其余变量的最大值按初始值的110%确定，最小值按照初始值的80%确定。各设计变量参数设置如表2所示。

变量S1与主缸端部连接连杆的位置有关，因安

装空间及液压缸直径尺寸影响，尺寸变小也受到一定限制；变量S2与钳臂旋转中心位置有关，因为夹持力与S2的变化趋势相同，S2增大会使钳壳及设备整体尺寸增大，L3为钳臂后端长度尺寸，减小该尺寸值，容易影响到钳口的使用。因此，选择α、L1、L2为设计变量进行夹持力的优化。

在图2中，以缸体轴线为x轴，y轴通过C点，建立坐标系。列A、B、C、D各点坐标关系式如下：

图4 仿真结果

2.3 钳口夹持力的优化

ADAMS优化分析(Optimization)模块提供的优化算法类型有广义梯度算法(GRG)和二次规划算法(SQR)。在本文中 ，选择SQR算法对参数α、L1、L2进行设计计算。优化结果如表3所列。

相关学者对“一带一路”金融支持风险开展了深入研究与分析，认为“一带一路”建设金融风险主要包括：(1)项目合作不到位引发的金融投资风险。(2)丝路沿线货币汇率波动较大，存在各类突发性风险因素。(3)投资回报周期长，增加金融风险因素。(4)沿线政治安全问题，增加金融风险。(5)沿线国家债务问题，会加剧我国地方政府债务风险。(6)法律漏洞加剧了“一带一路”项目建设金融风险，无法保障合作关系的合法性。部分研究成果虽说重视了金融风险，但未能深入分析，开展系统性的阐述。

表3 OPTDES-SQP算法优化结果

3 优化后机构夹持性能的分析

以上优化分析的结果表明夹持力有了很大的提高，但为保证夹持工件的稳定性，需要对优化后机构的夹持性能进行验证。

采用ADAMS设计研究模块来分析不同直径的工件对夹持力的影响，将参数L4作为设计变量，根据工件的夹持范围，确定设计变量的范围为435～1355，仿真结果如图5所示。

从图中可以看出，优化前的钳杆机构夹持小直径工件时产生的夹持力大，而在夹持大直径工件时产生的夹持力较小。所以在夹持小直径工件时夹持力过剩，钳臂内部产生的应力相应也会较高，容易使结构破坏；在夹持大直径工件时,又会因夹持力不足导致不稳定夹持，影响夹持性能。

（2）建筑工程管理中BIM技术应用推广对策。BIM技术作为项目信息和模型的集成，具有较强的应用前景和广阔的市场空间，应大力推广该项技术的应用：①组建专业服务公司。成立专门BIM技术服务公司，为建筑工程项目提供全方位优质高效服务。②监理公司扩展BIM业务。建议工程项目的监理公司在条件允许条件下大力开拓BIM咨询业务。

图5 夹持工件直径对夹持力的影响

而优化后的钳杆，夹持的工件直径越大，夹持力与实际所要求的夹持力呈同向变化，该结构在夹持小工件时不会造成夹持力过剩，由于得到的夹持力相对较小，能够保护钳臂不易破坏，夹持大工件时具有足够的夹持力，保证稳定夹持，因此，与优化前的钳杆机构相比，优化后的结构在承载性能、稳定性能方面有了较大的改善。

4 结 论

(1) 对锻造操作机钳杆机构特点进行分析，建立了钳口夹持力和传力比的数学计算模型；确定影响机构夹持力的钳杆机构参数，为钳杆机构的优化提供理论依据。

平台是物联网行业应用的基础，具备连接、数据管理及能力开放的能力，上层应用无需关心终端设备具体数据传输的实现方式。

(2) 通过ADAMS软件对钳杆机构虚拟样机进行参数化建模，确定影响夹持力的三个主要参数，即α、L1、L2，并对其进行优化设计；对优化后机构的夹持性能进行分析，结果表明其符合稳定夹持的要求，夹持力较优化前提高了26%。

(3) 分析被夹持工件直径的尺寸对优化前后机构夹持力的影响，进一步验证了优化后机构的夹持性能有很大的改善。

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Optimization Design of the Clamp Mechanism in the Heavy-duty Forging Manipulator

SHAO Zhu-jie1, WU Zheng-hai2, YANG Jin2

(1.LanzhouVocationalTechnicalCollege,LanzhouGansu730070,China; 2.SchoolofMechatronicEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,LanzhouGansu730070,China)

2014-07-02

国家自然科学基金资助项目(编号：51265022)

邵珠杰(1964-)，男，河南安阳人，工程师，研究方向：机械制造。

TG315

A

1007-4414(2014)04-0160-03