推拉器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

王賢虎， 劉志峰， 林錦超

（安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥 231603）

推拉器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

王賢虎， 劉志峰＊， 林錦超

（安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥 231603）

推拉器用于搬運(yùn)置于滑板上的貨物。以先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks為工具，對(duì)其中主要零部件進(jìn)行力學(xué)分析，最終生產(chǎn)出實(shí)物，是CAD／CAE／CAM技術(shù)在現(xiàn)代企業(yè)的典型應(yīng)用。

推拉器；Solidworks；CAD／CAE／CAM

1 研究意義

由于集裝箱運(yùn)輸量大，單件運(yùn)輸成本較低等特性，集裝箱運(yùn)輸在人們的生產(chǎn)生活中經(jīng)常見到。然而不熟練的工人在裝箱過程中發(fā)現(xiàn)空間不夠時(shí)，常常會(huì)不顧貨物的受損而把剩余的貨物胡亂塞進(jìn)集裝箱中。如果使用紙托板，裝箱之前會(huì)先計(jì)算貨物的總?cè)萘浚@樣就能避免上述情況的發(fā)生。如何將紙托板上的貨物放置于集裝箱內(nèi)，這就需要一種設(shè)備推拉器。推拉器與叉車配合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)紙托板上的貨物進(jìn)行裝卸，方便快捷。

2 基本原理

推拉器裝卸的貨物較重，并要求均勻用力。可以選用油缸作為動(dòng)力源，同時(shí)也可保證推拉器的使用壽命。其結(jié)構(gòu)主要包括后架、后腿、前腿、后腿導(dǎo)向、前腿導(dǎo)向、油缸、前架臺(tái)零部件。利用Solidworks2010先進(jìn)、快速的三維造型功能將所有零件建立并裝配。推拉器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 推拉器結(jié)構(gòu)示意圖

其工作原理為：通過左右兩個(gè)油缸活塞桿在油缸中的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)前后腿導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)前后腿運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)前架沿著直線方向運(yùn)動(dòng)，推拉器處于壓縮和擴(kuò)張狀態(tài)。配合叉車，即可實(shí)現(xiàn)推拉器的上下方向運(yùn)動(dòng)，從而保證將貨物搬運(yùn)到所需位置［1－2］。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 油缸的設(shè)計(jì)

油缸是推拉器的關(guān)鍵零部件，活塞桿強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求，是整個(gè)設(shè)備成功的關(guān)鍵。假設(shè)額定載荷為3t，系統(tǒng)壓力14MPa，計(jì)算油缸相關(guān)尺寸。

3.1.1.缸筒的計(jì)算

缸筒材料為45＃鋼，查手冊(cè)可得；

缸筒材料的屈服強(qiáng)度σs＝360MPa；缸筒材料的抗拉強(qiáng)度σb＝610MPa；缸筒材料的許用應(yīng)力

其中，n＝5是選取的安全系數(shù)。

3.1.1.1.液壓缸的效率

油缸的效率η由以下3種效率組成：

1）機(jī)械效率ηm。由各運(yùn)動(dòng)件摩擦損失所造成，在額定壓力下可取ηm＝0.9。

2）容積效率ηv。由各密封件泄露所造成，通常ηv≈1。

3）作用力效率ηd。由出油口背壓所產(chǎn)生的反作用力造成，ηd＝0.9。

3.1.1.2.液壓缸缸徑的計(jì)算液壓缸的負(fù)載為推力：式中：F推液壓缸實(shí)際使用推力；

φ液壓缸的負(fù)載率，一般取φ＝0.5～0.7；

η液壓缸的總效率，一般取η＝0.7～0.9；

P液壓缸的供油壓力。

3.1.1.3.缸筒壁厚的計(jì)算

缸筒壁厚可以使用下式進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)δ／D≤0.08時(shí)（可用薄壁缸筒的實(shí)用計(jì)算式）式中：Pmax最高允許壓力，一般是額定壓力的1.5倍；

［σ］缸筒材料的許用應(yīng)力。

圖2 油缸

3.1.2.活塞桿的計(jì)算

選用45＃鋼作為活塞桿的材料。

3.1.2.1.活塞桿直徑的計(jì)算

活塞桿的直徑可以根據(jù)速度比來確定，公式如下：

式中：D缸筒內(nèi)徑；

φ速度比。

3.1.2.2.活塞桿強(qiáng)度的計(jì)算

活塞桿端部的負(fù)載連接點(diǎn)與液壓缸支撐之間的距離為L(zhǎng)B，如果：LB≤10d（顯然這個(gè)是成立的）就用下式計(jì)算活塞桿強(qiáng)度：

式中：

F液壓缸的最大推力；

根據(jù)式（4）得到活塞桿的直徑：d≥23mm。可知強(qiáng)度符合要求。

3.1.2.3.活塞桿彎矩穩(wěn)定性驗(yàn)算

當(dāng)液壓缸支承長(zhǎng)度LB≥（10～15）d時(shí)，需驗(yàn)算活塞桿彎曲穩(wěn)定性。這里L(fēng)B≤10d，所以不需要進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算［3］。

活塞桿如圖3所示。

圖3 活塞桿

3.2 應(yīng)力分析

利用Solidworks2010軟件中cosmos強(qiáng)大、簡(jiǎn)便的應(yīng)力分析功能對(duì)油缸、活塞桿進(jìn)行力學(xué)分析。應(yīng)力分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 應(yīng)力分析結(jié)果

由如圖4所示的分析結(jié)果可以得到，最大應(yīng)力在活塞桿端部，σmax≈23.8MPa，而45＃鋼的許用應(yīng)力［σ］＝72MPa，即σmax遠(yuǎn)小于［σ］，故活塞桿與缸筒的設(shè)計(jì)符合要求［4－5］。

4 結(jié) 語

如今推拉器的應(yīng)用愈來愈廣泛，與叉車配合即可實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的搬運(yùn)。不但大大提高裝卸效率，還大幅提高了貨物放置內(nèi)空間的利用率。一次性投資后，很短時(shí)間就能收回成本。企業(yè)在當(dāng)今激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中如何保持不敗，需要從時(shí)間（T）、質(zhì)量（Q）、成本（C）、售后服務(wù)（S）、研發(fā)（D）等方面進(jìn)行優(yōu)化；其中時(shí)間較為關(guān)鍵，必須在較短的時(shí)間推出質(zhì)量好、成本低的產(chǎn)品，CAD／CAM技術(shù)的應(yīng)用是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的需要。文中以先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks2010為設(shè)計(jì)工具對(duì)推拉器各零件進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，利用Solidworks

的CAE功能對(duì)關(guān)鍵零部件應(yīng)力分析。實(shí)踐證明，這不僅能大幅縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，同時(shí)能保證對(duì)產(chǎn)品各環(huán)節(jié)的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)修改，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品一次性成功［6］。

［1］王賢虎，賈蕓.機(jī)械CAD／CAM技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2010：170-220.

［2］王躍進(jìn).機(jī)械原理［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2009：100-180.

［3］范欽珊.工程力學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：180-320.

［4］王賢虎，陳雪輝.基于ProE的捏花刀盤的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（8）：15-16，22.

［5］田瑩，郝木明.基于Pro／E的機(jī)械密封摩擦副的參數(shù)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（8）：80-82.

［6］萬宏強(qiáng)，姚敏茹，解衛(wèi)斌，等.基于SolidWorks的三維夾具設(shè)計(jì)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2010（3）：69-72.

Design of a push-pull device

WANG Xian-hu， LIU Zhi-feng＊， LIN Jin-chao
（Anhui Vocational and Technical College of Water Resources and Hydropower，Hefei 231603，China）

The push-pull device is used to carry load on the board.With the advanced 3DSoftware Solidworks，the mechanical structure of the device is analyzed.The instrument is produced for application.

push-pull device；Solidworks；CAD／CAE／CAM.

TP 391.9

A

1674-1374（2014）01-0046-03

2013-10-28

安徽省質(zhì)量工程教學(xué)研究項(xiàng)目（2012jyxm736）

王賢虎（1974－），男，漢族，安徽合肥人，安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，主要從事機(jī)械CAD／CAM方向研究，E-mail：1481793683＠qq.com.＊通訊作者：劉志峰（1963－），男，漢族，安徽合肥人，合肥工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事綠色設(shè)計(jì)與綠色制造方向研究，E-mail：2977099811＠qq.com.