无动力集装箱自动吊具的运动学分析及仿真.docVIP

无动力集装箱自动吊具旋锁机构的运动学分析及仿真 摘要：无动力集装箱自动吊具旋锁机构由于涉及到繁难的空间连杆机构，设计者只能依赖于个人经验,通过试凑和在物理样机上的反复试验等落后手段完成产品设计。根据空间连杆机构的运动学原理，对该设计问题进行了深入解析，运用Matlab等软件工具揭示了其运动学和动力学性能与有关设计参数之间的关系，建立了基于Pro-E的虚拟样机模型，用直观的运动仿真动画证明了设计计算方法及运动规律分析的正确性。 关键词：机械设计；无动力集装箱自动吊具；旋锁机构；正置式空间四连杆机构；运动学分析；运动仿真 中图分类号: 引言 集装箱自动吊具由框架、旋锁操纵机构和其他辅助装置三部分组成。按照除起重机起升动力外是否有无其他动力源使吊具进行集装箱摘挂作业，集装箱自动吊具可分为有动力和无动力两类。无动力集装箱自动吊具不能通过液压或其他操纵装置直接驱动旋锁件转动，而只需利用与四根起升绳的汇集点处的起升和下降的同步运动为动力源，通过复杂的传动机构间接驱动旋锁完成开闭锁。由于这里的原动件和从动件的运动轨迹不在一个平面里，一般都不可避免地采用了并不常见的空间连杆机构，因而其机械设计高度抽象繁琐，是整个无动力集装箱自动吊具设计中的关键所在。本文在综合运用现有关于空间连杆机构的研究结果的基础上，充分考虑集装箱吊具的实际情况，并用计算机仿真的方法对实际的运动过程进行模拟，动态地考察机构的运动状况，验证解析算法的正确性和设计结果的合理性。 运动方案 本文研究的无动力集装箱自动吊具旋锁机构采用目前工程实际中应用较广的、具有代表性的运动方案。 旋锁机构运动功能总要求 运动轨迹要求 如图1所示，整个旋锁机构的运动输入为由吊钩的起落引起的、位于吊具中部的、与操纵绳通过弹簧相连的A点的间隙性上下运动。起升时，操纵绳随着起升绳的张紧而向上提升，A点从起始位置运动到A＇（准确地讲A A＇不在一条直线上，但每个运动运动循环中，其垂直高度差恒定不变），以垂直方向的运动分量计，吊具下降时的运动只起到回位的作用，不予利用。 图1 集装箱吊具与旋锁机构 运动速度要求 按照文献[2]给出的规定，旋销转动速度，要求在1.5秒内完成“闭锁”或“开锁”动作。 运动传递过程 为了满足上述运动功能要求，如图2所示，旋锁机构采用的运动传递方式是：首先把A点的运动输入到一个棘轮机构中的棘爪上，借助操纵绳与弹簧的挠性，每提升一次操纵绳，A点上升一个固定高度，使棘爪转动并带动棘轮转动90°；每次下放操纵绳，摇杆在重力作用下自动回位，而棘轮保持静止不动。然后将棘轮转轴上的运动通过一对齿轮传递另外一个转轴上，使得输入轴旋转90°时，输出轴旋转180°。接下来让这个输出轴上的旋转运动去驱动一个等同于空间曲柄摇杆机构的曲柄，而摇杆作为运动输出与旋销同轴刚接，且曲柄每旋转180°，摇杆在与曲柄运动轨迹垂直的平面上旋转90°或反向旋转90°回到原位。由此画出旋锁机构的运动循环图如表1 所示，可以看出其对旋锁机构的运动轨迹要求初步得到了满足。 图2 旋锁机构的运动简图 机构选型 如图2，该旋锁操纵机构由一个棘轮机构、一对齿轮副和四个相同的空间曲柄摇杆机构组成。四个相同的空间曲柄摇杆机构属于并列关系，它们并列后又与其它两个机构构成串联关系。从空间上齿轮副与棘轮机构位于吊具的中心位置，4个空间曲柄摇杆机构中的曲柄位于吊具两个纵梁的中部，而摇杆位于4个角上。 （1）棘轮机构 采用最常见的外啮合型式，确定其运动尺寸的主要依据是要满足最终的旋销对转动位移量和转动速度的要求。 （2）齿轮副 齿轮副只有将转速增加1倍的要求，即主动轮与从动轮的齿数之比要求为2：1，设计较为简单，不作讨论。 （3）空间曲柄摇杆机构 这是旋锁机构中最复杂的一个机构，经分析，它属于主、从动轴垂直交错的RSSR机构[3]，且要求从动件摇杆在作往复摆动时其正行程和反行程的位移量相同，不能有急回特性，行程速度变化系数K=1，否则不能实现上一节制定的运动方案。符合这样要求的RSSR机构称之为正置式空间曲柄摇杆机构[3]，目前已有多种方法求解了相关运动参数之间的解析方程式以进行运动尺寸设计和运动性能分析。在实际应用中，考虑到球面副的制造难度与成本较高，使用时润滑比较困难，所以此RSSR机构中的两个球面副往往用其它类型的低运动副替代。设计时，先以采用正常的RSSR机构进行运动参数进行求解，然后求解被替代后的机构的参数，本文暂不研究替代的问题。 运动尺寸设计 棘轮机构 如图，从运动功能要求出发，需要控制的尺寸包括两个：（1）摆杆运动的起始位置与终止位置；（2）摆杆与操纵绳连接的铰点A至旋转中心的距离RA。其他运动参数的设计参见有关手册。 图3 几轮机构的运动参数设计 （1）摆杆运动的起始位置与终止位置 摆杆运动的起始位置与终止位置的夹角要求