抓钢机.docx

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抓钢机

自动抓钢机工作装置的结构优化设计

摘要

抓钢机就是抓钢料的机器。

抓钢机的工作臂俗称“抓料臂”，其前端是抓钢器。

其主要作用是进行废旧金属、工业废料、碎石、建筑垃圾、生活垃圾各种物料的抓取、装载作业，可以根据客户的需求设计不同型号的抓钢机。

本文参考SGMC品牌抓钢机的动臂结构，设计一抓钢机动臂并对其结构和材料进行优化设计。

解决工作装置的强度不够，易断裂、长时间工作后噪音大的问题。

根据液压抓钢机承载能力和工作性能进行受力分析，使用UGNX7.5软件对其进行建模，运用UG对动臂与其重要部件进行有限元分析，得出应力和变形云图，用来检验动臂设计是否合理，并做出相应的改进。

关键字：

SGMC结构设计优化设计受力分析有限元分析

Theworkdevicestructureofautomaticsteel-graspingmachineofoptimizationdesign

Abstract

Steel-graspingmachineistograspthesteelmachine.Steel-graspingmachineworkingarmknownas"catcharm",itsfrontendissteelgrabbingdevice.Itsmainroleistoscrapmetal,industrialwaste,gravel,constructionwaste,wastematerialsofallkindsofgrab,loadingoperations,canbedesignedaccordingtocustomerdemandfordifferenttypesofsteelgrabbingmachine.

WithreferencetoSGMCbrandgraspingsteelmotorarmstructure,designagraspingsteelboomanditsstructureandmaterialdesign.Solvethedeviceofinsufficientstrength,easybreakage,longtimeworkafterthenoiseproblem.Accordingtothehydraulicsteel-graspingmachinebearingcapacityandperformanceoftheforceanalysis,usingtheUGNX7.5softwaretocarryonthemodeling,theuseofUGontheboomanditskeycomponentsforfiniteelementanalysisofstressanddeformation,thatcloud,inspectionboomdesignisreasonable,andmakecorrespondingimprovement.

Keywords:

SGMCstructuredesignoptimizationstressanalysisfiniteelementanalysis

第一章绪论

1.1背景及目的

1.1.1液压抓钢机简介

液压抓钢机是一种广泛应用于钢铁厂、冶炼厂、港口、码头和废钢转运等行业的特种工程机械，配备不同的抓具（如梅花抓斗、贝壳抓斗、圆木抓具、钢坯抓具、液压剪、液压钳等）能满足不同客户不同工况对废钢、矿石、煤炭、散化肥、黄沙装卸的需求。

1.1.2设计背景

作为国民经济支柱同时又是节能减排重点行业之首的钢铁工业，无疑将在其中担当主要角色。

从生产源头考虑，优化原料结构，合理采用铁矿石，增大载能、环保的废钢铁原料的使用比例，是我国钢铁工业实现低碳生产的重要途径。

“钢铁产业调整和振兴规划”指出：

2009年粗钢产量将达到5.3亿吨左右，废钢应用量将超过7600万吨，其中进口废钢将超过1000万吨。

按照现行炼钢工艺的要求，无论是钢企生产线上自产废钢或是社会采购废钢和进口废钢，都不能直接入炉使用，必须经过专业化的分选、加工和配送。

庞大的废钢加工市场为加工设备产业的发展提高广阔的应用市场和发展契机，我国废钢加工行业前景看好。

对于质优价廉、适合中国国情、具有环保功能的废钢加工设备市场容量将十分巨大。

淘汰落后、追求先进、提倡环保；鼓励多元化发展，规范行业管理，提倡技术创新，这将是废钢加工设备今后一个时期的发展方向。

1.1.3国内研究状况

国内外相关产品与技术现状，国内已取得的最新阶段成果和达到的技术水平；现阶段抓钢机主要存在的问题：

工作装置的强度不够，易断裂、长时间工作后噪音大，也就是本设计主要解决的问题。

本设计根据抓钢机的基本参数，设计一抓钢机动臂，并解决工作装置的强度不够，易断裂、长时间工作后噪音大的问题，最后利用有限元分析检验产品的合理性。

1.2研究的主要方法及目的

参考SGMC品牌的抓钢机动臂结构，设计一抓钢机动臂并对其结构和材料进行优化设计。

根据液压抓钢机承载能力和工作性能进行受力分析，使用UGNX7.5软件对其进行建模，运用UG对动臂与其重要部件进行有限元分析，得出应力和变形云图，检验动臂设计是否合理，并做出相应的改进。

（1）对动臂进行整体的结构和尺寸设计。

（2）选着动臂材料，对材料和结构进行优化。

（3）解决工作装置的强度不够，易断裂、长时间工作后噪音大的问题。

（4）完成动臂与重要部件的有限元仿真分析。

（5）设计的基本参数

机重38000kg

抓斗斗容0.75m3

最大作业半径7200mm

最大作业高度5100mm

最远处额定抓重3500kg（包含抓斗）

回转速度10.8rpm

行走速度4.67km/h---3km/h

爬坡能力70%

接地比压68kpa

第二章动臂的设计与优化

2.1自动抓钢机工作动臂的整体结构设计

2.1.1动臂尺寸及结构设计

参考SGMC品牌抓钢机的动臂结构和尺寸，初步设计设计抓钢机动臂及其结构尺寸。

图2.1初步设计草图及尺寸（单位mm）

其优点是结构简单，质量轻而刚度大。

多用于长期作业条件相似的抓钢机机上。

结构简单、质量轻、制造方便。

缺点是更换的工作装置少，通用性较差。

本文主要解决解决工作装置的强度不够，易断裂、长时间工作后噪音大的问题。

（1）把上图简化成由四个点A、B、C、D和三根杆组成的简图。

A、B、C、D分别为动臂铰接孔的中心。

图2.2简化草图（单位mm）

其中AB和BC的夹角固定为135度。

（2）设计动臂1和动臂2的转动范围即整个东臂的运动范围。

以A为坐标原点建立直角坐标系，其中AB与所建坐标系的最小夹角为30度，最大夹角为75度，所以AB的运动范围为45度，也就是所动臂1的运动范围为45度。

（3）为了防止动臂1和动臂2发生干涉，设计动臂2的转动范围为75度，即BC与CD的最小夹角为49度，最大夹角为124度。

以就是所臂1和臂2的最小夹角为49度，最大夹角为124度。

图2.3动臂旋转角度范围草图

2.2动臂材料的选择

参照《材料及其成型技术基础》，为了满足对功能、寿命、工艺、成本及环保的要求，必须遵循使用性能原则、工艺性原则、经济性原则。

抓刚机的材料应该在机构钢中选择。

机构钢是各种工程构件（如桥梁、钻井架、电线塔、车辆构件等）和机器零（如轴、齿轮等）件用钢。

在结构钢中，碳素结构钢等级较低，难以满足重要工程结构对性能的要求。

在碳素结构钢基础上加入少量合金元素形成的低合金高强度钢HSLA（HighStrenghLowAlloySteel）,其强度等级较高，塑性好，加工工艺性能良好，可满足桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道等大型重要钢结构对性能的要求，并且能减轻结构自重、节约钢材、降低成本。

低合金高强度钢中的合金元素主要有Mn、Si、Ni、Cr、V、Nb、Ti、Mo及稀土RE等，其中Mn、Si、Cr。

Ni等元素起固溶强化作用，同时可通过增强珠光体的数量来提高钢的强度，Ni还使塑性、韧性明显提高；V、Ti、Nb等元素均为强碳化物形成元素，可形成细小弥散分布的碳化物，并可细化晶粒，从而通过弥散强化和细晶强韧化提高钢的强度、塑性、和韧性;Mo能显著提高强度和高温抗蠕变及抗氢腐蚀能力；加入少量稀土，可脱硫、去气，使韧性提高。

结合《机械设计》可知，机械零件常用的材料有金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料，而对于抓钢机来说，金属材料和和复合材料为优先考虑之选。

机械零件所使用的材料是多种多样的，但是金属材料，尤其是黑色金属材料应用的最多最广，其中尤以合金钢应用得最广，其之所以被大量采用，除了由于它们具有较好的力学性能（如强度、塑性、韧性）外，还因价格相对便宜和获得，而且能满足多种性能和用途的要求。

表2-1常见的低合金高强度钢的牌号、成分、力学性能与应用

新标准

旧标准

主要特性

应用举例

Q295

09MnV

具有良好的塑性和较好的韧性、冷弯性、焊接性及一定的耐蚀性

冲压用钢、用于制造冲压件或结构件；也可制造拖拉机轮圈、螺旋焊管、各类容器

09MnNb

09Mn2

塑性、韧性、可焊性均好，薄板材料冲压性能和低温性能均好

低压锅炉锅简、钢管、铁道车辆、输油管道、中低压化工容器、各种薄板冲压件

12Mn

与09Mn2性能相近。

低温和中温力学性能也好

低压锅炉板、船、车辆的结构件。

低温机械零件

Q345

18Nb

含Nb镇静钢，性能与14MnNb钢相近

起重机、鼓风机、化工机械等

09MnCuFri

耐大气腐蚀用钢，低温冲击韧性好，可焊性、冷热加工性能都好

潮湿多雨地区和腐蚀气氛环境的各种机械

12MnV

工作温度为-70°C低温用钢

冷冻机械，低温下工作的结构件

14MnNb

性能与18Nb钢相近

工作温度为-20～450°C的容器及其他结构件

16Mn

综合力学性能好，低温性能、冷冲压性能、焊接性能和可切削性能都好

矿山、运输、化工等各种机械

16MnRE

性能与16Mn钢相似，冲击韧性和冷弯性能比16Mn好

同16Mn钢

Q390

10MnPNbRE

耐海水及大气腐蚀性好

抗大气和海水腐蚀的各种机械

15MnV

性能优于16Mn

高压锅炉锅筒、石油、化工容器、高应力起重机械、运输机械构件

15MnTi

性能与15MnV基本相同

与15MnV钢相同

16MnNb

综合力学性能比16Mn钢高，焊接性、热加工性和低温冲击韧性都好

大型焊接结构，如容器、管道及重型机械设备

Q420

14MnVTiRE

综合力学性能、焊接性能良好。

低温冲击韧性特别好

与16MnNb钢相同

15MnVN

力学性能优于15MnV钢。

综合力学性能不佳，强度虽高，但韧性、塑性较低。

焊接时，脆化倾向大。

冷热加工性尚好，但缺口敏感性较大

大型船舶、桥梁、电站设备、起重机械、机车车

其中Q390（15MnV）综合力学性能高，焊接性、热加工性和低温冲击韧性好.适合用于高压锅炉锅筒、石油、化工容器、高应力起重机械、运输机械构件，适用于制造动臂，选择15MnV为动臂材料。

其中它的屈服极限

=390MPa,承受的最大应力

=490~650MPa，延伸率

为百分之20

，常温下的许用应力157MPa。

【屈服点】（σs/MPa）

厚度（直径、边长）|mm

≤16

>16~35

>35~50

>50~100

Σs|MPa

≥390

≥370

≥350

≥330

2.3各铰接点的连接方式

2.3.1铰接部件材料的选择

机械零件所使用的材料是多种多样的，但是金属材料，尤其是黑色金属材料应用的最多最广，其中尤以合金钢应用得最广，其之所以被大量采用，除了由于它们具有较好的力学性能（如强度、塑性、韧性）外，还因价格相对便宜和获得，而且能满足多种性能和用途的要求。

而复合材料是有两种或两种以上具有明显不同的物理和力学性能的材料复合制成的，不同的材料可分别作为材料的集体相和增强相。

其主要的优点是具有较高的强度和弹性模量，而质量又特别小；此外，由于复合材料的制造过程比较复杂，组成的一些材料比较难获得，其制造成本相对于传统的金属材料来说比较高。

由于抓刚机必须承受较重的负载，结合铰接系统零部件的使用性能、结构尺寸和加工工艺性，选择金属材料作为零部件材料，由于合金钢的性能优良，因而采用合金钢来制造抓钢机铰接部件。

参照《工程材料及其技术成形基础》表4-7选用40cr作为铰接部件的制造材料。

其屈服极限σs=785MPa，选择其安全系数S=1.5故许用应力：

[

]=

2.3.2两动臂间的铰接

2.4动臂间的铰接部件

其中铰接轴穿过臂1和臂2间的孔，即铰接轴穿过C点和C`点，铰接轴和其右边端盖连为一体，右边端盖打有两个直径为20的螺钉孔，用于直接将铰接部件固定在动臂1上。

在右边端盖与动臂接触出加入厚度为0.8mm的垫圈，防止铰接与动臂发生过大的摩擦。

2.3.3液压缸铰接部件设计

图2.5铰接部件由两部分组成

左图为深度为30mm，厚30mm的盖子，铰接时左端和右端用直径为20mm的螺钉连接，其中和动臂接触的最左端和左右端加入厚度0.8mm，内径100mm（铰接杆直径）,外径130mm（端盖外径）的垫片。

2.3.4效核铰接销轴的的强度

图2.6动臂2的受力

设抓钢机的抓取重量3.5t（包括爪重），动臂2的重量273.45kg,即F1=3500×9.8=34300N。

臂重F2=273.45×9.8=2186.62N

设计抓钢机提起钢材时的加速度为0.5m/s^2，则动载荷F3=（F2+F3）×0.5×9.8=18243.31N。

则铰接轴受到的压力F4=F1+F2+F3=54131.62N，其所受应力δ=F4／S

S=100×300=30000mm^

则δ=1.82MPa远小于许用应力，符合要求。

2.4动臂具体结构的设计

2.4.1用UGNX7.5画出动臂1的三维图

图2.7动臂2的三维图

CD=40000mm,臂厚300mm。

其中臂是由腔体组成，表面臂厚先取40mm。

2.4.2动臂2的质量属性

利用UG检测动臂2的质量属性测量质量属性：

表2.2动臂2的质量属性

体积

34920342.600115553mm^3

面积

17421225.321157791mm^2

质量

273.448631578kg

重量

2681.617442230N

图2.5动臂1三维图

其中C和C~为动臂1和动臂2的铰接孔，用直径为100mm，长度为415mm的轴铰接，臂是由腔体组成，表面臂厚先取40mm。

2.4.3动臂1的质量属性

利用UG分析动臂1的质量属性值：

表2.3动臂1的质量属性

体积

2144440050.357916800mm^3

面积

86080206.174544916mm^2

质量

16792.338035935kg

重量

164676.730371968N

重量

164676.730371968N

值心

199.998041240,3216.267424653,2434.726831846mm

图2.6动臂装配图

2.5液压缸的设计

2.5.1液压缸的行程设计

根据图2.3动臂的运动范围，利用UG作图求得液压缸的压缩时的最短距离和伸长时的最长距离。

其中臂1和臂2的链接液压缸的的最长距离L1=3828.4mm，最短距离L2=2924.2.

则连接两动臂油缸的行程S1=L1-L2=904.2mm

两个动臂缸的最长距离L3=3699.9mm，最短距离L4=3153.2mm。

则动臂缸的行程S2=L4-L3=546.7mm.

图2.7液压缸行程设计草图

2.5.2液压缸型号的选择

PC系列液压缸具有工作压力高、性能可靠、拆装方便易于维修,可带缓冲装置等特点。

本设计选择PC系列液压缸。

2.5.3油缸内部结构图

图2.8油缸内部结构图

2.5.4液压缸性能参数及连接形式

图2.9PC系列液压缸性能参数及连接形式

2.6估算液压缸的工作压力

图2.10动臂2的极限受力情况

当动臂2处于图2.10情况下时力臂最长，此时液压缸的推力最大为Fa。

有Fa×L1=Fb×L2，其中L1=868.26mm,L2=4000mm,Fb取为F4=54131.62N。

算得Fa=271724.95N，液压缸的杆径选为110mm。

则液压缸的工作压力

P=F÷S=F÷πr^=28.61MPa根据工作压力、杆径和油缸行程选着PC300--G20型号的液压缸为连接动臂1和动臂2的液压缸PC40--G11和PC40--G12型液压缸为分别为动臂的两个液压缸。

2.6.1液压缸的外型安装尺寸

图2.11、液压缸的外型安装尺寸

图2.12液压缸的具体安装尺寸

2.6.2动臂的整体装配图

图2.13动臂的整体装配图

第三章动臂的优化设计

3.1动臂的损坏及优化

3.1.1侧板产生裂纹的原因

由于张时间工作，抓钢机动臂侧板会产生裂纹，裂纹产生的主要原因有

（1）抓钢机动臂用15Mn钢板焊接组成，有时原焊缝本身有气泡、夹渣和微小龟裂。

检查抓钢机动臂侧板焊缝锈蚀裂纹时需要将焊缝表面漆层、锈蚀刮掉或打磨干净，观察时用小锤轻击焊缝，必要时可以使用放大镜观察。

（2）在抓钢机超负荷工作时，原焊缝处会产生微小裂纹并慢慢扩大：

焊接时焊条与板材的性能不符而产生裂纹：

因抓钢机动臂体积较大，难以采用可靠有效的加热保温措施，焊后未能彻底除去焊缝周边母材淬硬区，导致焊缝强度下降：

抓钢机作业过程中振动冲击较大，焊缝处受力不均使焊缝开裂。

3.1.2修复及优化

动臂左侧和右侧边缘焊接上宽50mm，厚20mm的加强筋（45钢）来优化，加强动臂的强度。

对裂纹的焊前准备工作：

用手砂轮将原焊缝裂纹处的油污、油漆、锈蚀等清除干净。

用气刨机将焊缝裂纹刨割掉，刨割至侧板的本体，并将以往焊接的母材淬硬区清除干净。

刨割后用角砂轮将切口打磨平整（内侧接口打磨出V形坡口），清洗、粉色检查后，确认裂纹已全部找到并清除干净。

根据现有维修条件，选用Φ5mm型号为E5015（J507）或E5016（J506）焊条，在350℃温度下烘烤2h，再在100℃保温，防止焊条吸潮，随用随取；焊接电流190～230A。

由抓钢机侧板厚度较大，焊接前应将焊接的部位预热至150～250℃；在焊接过程中，可采用分段、对称、倒退法施焊；在焊缝冷却过程中应不断用手锤对焊缝金属进行敲击，以消除应力；在侧板转角处施焊时，为避免、起落弧缺陷，宜连续施焊，以改善连接处的受力状况。

焊接结束后，彻底清除飞溅物、焊渣和焊瘤等，焊缝余高不得大于2.5mm。

对焊缝进行磁粉探伤检查，不允许有裂纹等缺陷。

3.1.3防焊缝锈蚀措施

将焊缝彻底打磨、除锈并涂以防锈漆。

在挖掘施工现场，对于已有的锈蚀焊缝，可根掘实际情况选择手工除锈，缺点是工人劳动强度较大，人工费用较高；亦可采用酸洗除锈方式，即以有机酸为主要基科，配以缓蚀剂、表而活性剂、除锈剂、防锈剂和成膜剂等复合材料，调制成具有除锈、防锈和底漆功能的酸洗溶液，通过清洗达到除锈和防锈目的。

　　此外，在使用过程中，还应注意使挖掘机经常处于清洁和干燥的环境中，保持通风良好，及时排除侵蚀性气体和湿气。

3.2铰接销轴材料的优化

抓钢机铰接点是主要受力接触点，容易磨损，因此最好不要选择与动臂相同的材料。

3.2.3液压缸铰接销轴材料的选择

45Cr与40Cr钢相比，钢的强度、耐磨性及淬透性均较高，在油中临界淬透直径达12～45mm，在水中临界淬透直径达26～71mm，但韧性却较低；中碳调制钢，冷镦模具钢。

该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。

正火可促进组织球化，改进硬度小于160HBS毛坯的切削性能。

在温度550~570℃进行回火，该钢具有最佳的综合力学性能。

该钢的淬透性高于45钢，适合于高频淬火，火焰淬火等表面硬化处理等。

用途与40Cr钢相似，主要用来制造较重要的零件，也可经高频表面淬火后作承载及耐磨性要求较高的各种零件，如齿轮，套筒、轴、销子等。

所以选择45Cr为铰接点的材料。

3.3动臂产生噪音的原因及应对策略

抓钢机动臂的噪音主要来源于液压系统，其产生的原因、排除方法如下：

3.3.1柱塞泵或马达的噪声

（1）液压泵吸空油液中若混入空气，易在高压区产生气蚀噪声，并以压力波的形式传播,造成油液振荡.原因：

①液压泵的滤油器、进油管堵塞或油液黏度过高，均可造成泵进油口处真空度过高，渗入空气;液压泵、先导泵轴端油封损坏，②进油管密封不良,也会造成空气进入；油箱油位过低，使液压泵进油管直接吸空.

（2）液压泵内部元件过度磨损①如柱塞泵的缸体与配流盘、柱塞与柱塞孔等配合件磨损、拉伤,使泵内泄严重，当泵输出高压、小流量油液时，将产生流量脉动，引发较高噪声。

②此时可适当加大先导系统变量机构的偏角，以改善内泄对泵输出流量的影响。

③液压泵伺服阀的阀芯、控制流量的活塞也会因局部磨损、拉伤，使活塞在移动中产生脉动，流量和压力波动进而导致在泵出口处产生较大的振动和噪声。

④此时，可对磨损、拉伤严重的元件进行刷镀、研配或更换.。

（3）液压泵配流盘磨损①在使用中配流盘因表面磨损或油泥沉积在卸荷槽开启处，都会使卸荷槽变短而改变卸荷位置,产生困油现象，继而引发较高噪声。

②修理时经平磨修复的配流盘也会出现卸荷槽变短的后果，此时如不及时将其适当修长，将产生较高噪声。

③装配时,配流盘的大卸荷槽一定要装在泵的高压腔，且其尖角方向与缸体的旋向须相对,否则也将给系统带来较高噪声。

3.3.2溢流阀的噪声溢流阀噪声主要是先导阀性能不稳定所致

.原因：

①油液中混入空气，在先导阀前腔内因压力高频振荡引起空气振动，引发高频噪声，须及时排尽空气并防止其再进入。

②使用中因针阀频繁开启而过度磨损,使其锥面与阀座不能密合，造成先导流量不稳定，产生压力波动引发噪声，应及时修理或更换。

③先导阀弹簧疲劳变形，使其调压功能不稳定，压力波动大，引发噪声，应更换弹簧。

3.3液压缸的噪声

原因：

①若油液中混有空气或液压缸中空气未完全排尽，在高压作用下产生气穴现象，引发较高噪声，须及时排尽空气。

②缸头油封过紧或活塞杆弯曲，在运动过程中也会因别劲而产生噪声，须及时更换油封或校直活塞杆。

管路噪声管路死弯过多或固定卡子松脱也能产生振动和噪声。

因此，布置管路时应尽量避免死弯,松脱的卡子须及时拧紧。

第四章动臂的受力分析及有限元分析

4.1工作装置简化模型的受力分析

抓钢机动臂工作时有两种极限工作状态：

a只有两个动臂缸工作,b动臂连接缸单独工作。

图4.1受力分析模型示意图

其中两种方式的受力分析相似

（1）两动臂缸工作，动臂1和动臂2的重力分别为G1和G2。

则有F1×a1=G1×A1+G2×A2,

动臂在第二章已经做过质量分析

通过质心计算得A1=2923.86mm,当动臂1和动臂2夹角最大时得

A2=9049.00mm，此时A2最大，即所求得F1最大。

a1=729.74

得出F1=692614.13