夹爪结构的设计与分析

张小珍, 沈嵘枫, 周成军， 周新年， 林　曙， 吴传宇

(福建农林大学交通与土木工程学院，福建 福州 350002)



夹爪结构的设计与分析

张小珍, 沈嵘枫, 周成军， 周新年， 林曙， 吴传宇

(福建农林大学交通与土木工程学院，福建 福州 350002)

为了加强夹爪的结构，提高其承载能力，使用SolidWorks软件建立夹爪的三维模型，并分析夹爪满载时液压缸和钳口的受力情况，阐述模型静力学分析的边界条件.通过HyperWorks软件对模型进行有限元分析，对钳口的强度进行校验.通过分析钳口的应力云图，对模型进行改进和重新设计，并对新模型进行验证.结果表明，改进模型2(增大侧板外弧半径)的结构设计比改进模型1(增加侧板厚度)的更加合理.

夹爪; 建模; 有限元分析; 可靠性

锯木厂对木头的搬运主要是借助夹爪，夹爪是木材装载机中的重要机械设备，夹爪性能的好坏直接影响着木材抓取工作效率.因此，夹爪尺寸参数设计合理才能满足承载性能.夹爪在工作中要承受复杂的工作载荷，为防止夹爪在工作时出现应力应变不足，导致结构断裂，借助计算机进行辅助设计.利用SolidWorks软件建立三维模型，然后在HyperWorks软件中搭建有限元模型，对模型进行静力分析，验证模型的应力应变，保证了模型设计的合理性[1,2].借助HyperWorks软件对产品进行设计、分析、仿真，既可以提高设备的性能，又可以大大缩短研究的周期和成本[3].本研究利用SolidWorks软件建立夹爪的三维模型，并导入到HyperWorks软件中，对夹爪进行有限元分析，通过研究其刚度和强度是否满足要求来验证其可靠性，旨在为产品的结构优化设计提供依据.

1　夹爪三维建模

夹爪主要由两部分组成，即框架和钳口，其作用是用于拾取、捡起并移动木材.钳口的运动主要依靠液压缸控制，确保张开和闭合的运动.SolidWorks作为三维造型设计软件，已成为三维实体框架模型的一种设计系统[4].对夹爪各部件进行三维设计，再通过三维建立模型SolidWorks软件对夹爪关键部件进行实体建模，体现实体特征；通过各个零部件的组合，装配成夹爪样机，结果如图1所示.

2　受力分析

钳口在工作时，因不同状态下受到的力不同，所以只对钳口在满载时进行计算.钳口满载时，即钳口闭合时，液压缸作用在钳口的推力FZ最大，钳口下端最大夹持力FP，如图2所示.

2.1液压缸受力分析

图3为钳口开/关时作用的轴向力，通过计算出活塞的面积来得到轴向力.计算过程表示如下：

(1)关闭钳口时的活塞面积：

(1)

(2)打开钳口时的活塞面积：

(2)

(3)关闭钳口时的轴向力：

FZ=Pmax·SPZ=20×1 963=3.926×104N

(3)

(4)打开钳口时的轴向力：

茶染所用染料来源于茶叶，其在服饰设计中的应用主要取决于染料和面料的结合效果，通过实践证明茶染适用于所有天然纤维面料，在部分再生纤维面料上也具有良好的效果，如牛奶蛋白纤维面料等[9-10]。由于面料本身的结构与性能不同，茶染色泽上会有丰富的变化。

PO=Pmax·SPO=20×1 347=2.694×104N

(4)

式中：Pmax表示液压回路中的最大压力，取值20 N；DP表示活塞直径，取值50 mm；dPI表示活塞杆直径，取值28 mm.

2.2钳口受力分析

钳口满载时，受到关闭钳口时的轴向力FZ，计算出钳口的最大夹持力FP.在长度Lh和LP是固定的条件下，假设平衡力矩的点为滑动套筒轴线上的点，计算过程表示如下：

∑MA=0

FZ·Lh=FP·LP

(5)

根据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　强度分析

3.1液压缸强度

夹爪动力主要是由液压缸提供，液压缸活塞杆的稳定性决定了夹爪的稳定性，需要对活塞杆强度进行验算.活塞杆材料是C45E钢，强度为340 MPa.活塞的小径为28 mm，长度为360 mm.活塞杆的惯性二次力矩表示如下：

(7)

活塞杆的横截面积：

(8)

式中，dPI表示活塞杆直径，为28 mm.

长细杆特征值：

(9)

式中：l0表示杆的长度；JZ表示活塞杆的惯性二次力矩；SPI表示活塞杆的横截面积.

临界应力的计算：

σkr=335-0.62·λ=335-0.62×51.5=303 MPa

(10)

因σkr=303 MPa≤[σ]=340 MPa，即活塞杆满足强度设计，表明活塞杆设计合理.

3.2钳口强度

在现代机械装备的研发过程中，传统的研究方法复杂、成本高、花费时间长，已不适应现代设计，虚拟仿真设计提高了研究效率，具有一定的扩展性、兼容性和前瞻性，是装备研发的一个重要手段[5].产品的设计过程包括方案设计、初步设计、验证设计3个阶段.其中验证阶段是至关重要的，采用HyperWorks软件验证模型，可直接在界面上改变产品的设计参数、材料等，大大减少了设计的时间和成本[6].HyperMesh是一个高质量高效率的有限元前处理器，可以利用高度交互的可视化环境建立夹爪有限元模型，并应用其强大的几何清理功能来修正夹爪几何模型中的错误，从而提升建模效率[7].采用HyperWorks软件对夹爪进行静力学分析，主要过程如图4所示.模型验证的主要过程是在SolidWorks软件中建立三维模型，并导入到HyperWorks软件中.首先进行模型的几何清理，再进行有限元网格划分，定义夹爪的材料属性、约束，最后通过Optistruct求解器求解出夹爪的应力应变[8].应力应变反映出模型的破坏情况，因此通过应力应变对模型进行结构改进.

4　模型的改进

通过钳口的有限元分析，对钳口在临界条件下，即夹爪满载时，采用HyperWorks软件分析钳口的应力.由图6可知，钳口受到的应力大多数出现在4个侧板边缘上，为175.7 MPa，超出了国家标准中的许用应力(113 MP).因此，对4个侧板采取加强措施，如使用较高强度的材料，对一些部件结构进行改进.改进后的模型见表2.

对上面改进后的钳口重新建立模型，进行有限元分析，并对其进行静力学分析，得到的结果如表3所示.由表3可知，通过对改进后模型强度的校验，结果表明当4个侧板厚度加大，改进后钳口的最大应力为85.2 MPa，低于国家标准[9]中的许用应力(113 MPa)，满足要求.当4个侧板外弧半径加大，最大应力值为95.4 MPa，也低于国家标准[9]中的许用应力(113 MPa)，故也满足条件.

表2　钳口改进模型与原模型的比较

表3　原模型与改进后模型的对比分析

改进后2种模型都满足应变条件，但改进模型2(4个侧板外弧半径加大)的体积为9.30×106mm3，比改进模型1的体积小，而且改进模型2最大应力比较接近材料的许用应力值.通过将改进模型1与改进模型2进行对比分析(表3)，结果表明改进模型2的结构设计更合理.

5　小结

利用SolidWorks软件建立夹爪的三维模型，显示模型的特征，导入到HyperWorks软件中进行有限元分析.通过对模型进行网格化以及施加材料属性和边界条件，利用Optistruct求解器求得模型的应力应变，在应力应变云图中判断夹爪设计的合理性.通过加强4个侧板的厚度以及将4个侧板外弧半径加大，使钳口的应力满足要求，实现夹爪的合理设计.

[1] 陈英凯,闵令强,仪垂良,等.基于SolidWorks和ANSYS的抓木机动臂有限元分析[J].农业装备与车辆工程,2013,51(1):39-41.

[2] 龙剑群,沈微.基于Creo Simulate的木材抓具有限元分析与优化设计[J].黑龙江大学工程学报,2013,4(4):92-96.

[3] 沈嵘枫,周成军,周新年,等.YP2.0-A遥控跑车虚拟样机设计与仿真[J].福建林业科技,2014,2(41):67-69.

[4] 孙健.SolidWorks齿轮建模的方法研究及比较[J].机械工程师,2015(2):86-87.

[5] 沈嵘枫，张小珍，周新年，等.森林工程采运装备虚拟实验示范中心建设[J]．实验科学与技术，2015(5)：163-165．

[6] 夏勇,殷晨波,王宝家.基于HyperWorks的大型门式起重机静力学及固有频率特性研究[J].矿山机械,2015,43(1):44-47.

[7] 任润国,尉庆国,樊卓闻.基于HyperMesh的发动机零部件网格划分[J].内燃机与配件,2014(1):28-31.

[8] 陈勇棠,朱瑞丹.基于HyperWorks的行星搅拌机工作部件静力学分析[J].柳州师专学报,2015,30(2):136-138.

[9] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会.GB150-2011 压力容器[S]．北京：新华出版社，2011.

(责任编辑:叶济蓉)

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

福建农林大学教材与实践研究项目(111414044)；国家教育部创新科技计划项目(111ZC5040)；福建农林大学林业智能机械立体化教材项目(112515013)；福建农林大学交通运输类实验教学示范中心资助项目(01SJ10009)；福建农林大学高水平大学建设重点资助项目(113-612014018).

张小珍(1991-)，女，硕士研究生.研究方向：机械结构设计.Email：1027470976@qq.com.通讯作者沈嵘枫(1970-)，男，副教授，博士.研究方向：林业机械设计.Email：fjshenrf@163.com.

TK83

A

1671-5470(2016)03-0356-05

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