魚缸提運裝置的設計研究

張良，徐培炘，葉慧，王澤宇，黃鵬程

魚缸提運裝置的設計研究

張良，徐培炘，葉慧，王澤宇，黃鵬程

（蘇州市職業大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104）

為解決家用大型魚缸的搬運及清潔問題，研究設計一種魚缸提運裝置。通過分析魚缸提運裝置的研究現狀、應用價值和市場前景，提出魚缸提運裝置方案設計的必要性及其優點。設計魚缸提運裝置的整體方案、裝配方案，描述其使用方法。對魚缸提運裝置的主要部件進行選材及計算，并對結構進行設計，以保證魚缸搬運過程中的安全性。

大型魚缸；魚缸提運裝置；方案設計；選材及計算

隨著時代的發展，人們對于生活品質的要求越來越高，很多人把養殖魚類作為日常愛好之一[1]。在家中養殖觀賞魚類，必須用到魚缸，而魚缸作為家庭裝飾品的一種，同樣深受養魚愛好者的喜愛。魚缸多為玻璃材質，由于玻璃易碎，搬運過程中容易導致魚缸破碎[2]。而家用魚缸以圓形居多，不易提運，因此，魚缸在家中往往都會擺放在固定的位置。如果需要變換大型家用魚缸的位置，需要很多個人一起抬起，每個人所抬起的高度還必須一致，這樣才能避免魚缸的損壞。另外在對家里進行打掃時，往往需要移動魚缸的位置，此時清潔人員需要配備一款魚缸提運裝置，便于魚缸的搬運以及衛生清潔工作。

1 魚缸提運裝置的研究現狀

目前，國內對于魚缸提運裝置的設計研究十分罕見，對于家用大型魚缸的搬運工作，往往需要采用多人同時搬運的方式，這種陳舊的搬運方式，既耗費人力，又容易導致魚缸的損壞。并且在搬運的過程中，需要先把魚缸清空，費時又費力[3]。魚缸提運裝置能夠有效解決這方面的問題。采用魚缸提運裝置搬運魚缸時，僅需一名工作人員，即可搬運大部分型號的家用魚缸，能夠省下大部分的人力。在搬運魚缸前，無需將魚缸全部清空，并且能夠保證魚缸在搬運過程中的安全問題，不會導致魚缸的破損[4]。因此，魚缸提運裝置具有十分良好的應用價值和市場前景。

2 魚缸提運裝置的方案設計及優點

2.1 魚缸提運裝置的方案設計

圖1所示為魚缸提運裝置的設計示意圖，圖1中，部件1為手提架，能夠單人進行魚缸提運操作。部件2為接有手提架的魚缸提運固定架本體，能夠承受家用大型魚缸的大部分重量。部件3為夾緊臂，用于夾緊圓形家用魚缸，并承受部分魚缸的重量。部件4為彈簧拉扣，部件5為拉伸彈簧，部件6、7為兩個拉簧，部件8為漸開線鎖死板，部件4—8用于鎖緊夾緊臂，以適用不同大小的家用魚缸。部件9為拉伸彈簧裝置的蓋板，防止操作人員在搬運過程中手部受傷。部件21為滑動槽，部件22為鎖緊桿，部件23為限位板滑，部件31為動板，以上各部件使夾緊臂能夠在滑槽中順暢地調整位置，且能夠限制夾緊臂的位置移動。部件32為固定軸，部件33為卡合框，部件41為觸碰板。

1—手提架；2—提運固定架；3—夾緊臂；4—拉扣；5—彈簧；6—扭簧；7—拉簧；8—漸開線鎖死板；9—蓋板；21—滑動槽；22—鎖緊桿；23—限位板滑；31—動板；32—固定軸；33—卡合框；41—觸碰板。

裝配時，以中間固定連接有手提框的固定架為本體，在手提框兩側的固定架上分別設置對稱的滑動槽、鎖緊桿以及固定在滑動槽兩端的限位板；固定架下方設置有對稱的夾緊臂，且夾緊臂的上方設有可在固定架上的滑動槽內配合滑動的方形滑動板；滑動板和手提框底部之間設置有拉簧，且拉簧兩端分別與滑動板和手提框固定連接；滑動板上設有固定軸和與固定軸配合轉動的漸開線鎖死板以及扭簧；滑動板上設有彈簧和配合在彈簧內可壓縮彈簧拉動的拉扣，且拉扣底部設有觸碰板。

使用時，向手提框兩側拉動拉扣，滑動板板克服拉簧拉力在固定架的滑動槽內滑動，此刻拉扣上的觸碰板壓縮彈簧，觸碰板開始低壓漸開線鎖死板；同時漸開線鎖死板克服扭簧扭力繞固定軸轉動，漸開線鎖死板與鎖緊桿分離；當夾緊臂張開距離大于魚缸直徑時，松開拉扣，滑動板在拉簧的拉動下向中間運動，夾緊臂向魚缸靠攏；當夾緊臂上卡合框卡夾在魚缸壁上時，滑動板停止運動，此時漸開線鎖死板在扭簧的扭力下鎖緊在鎖緊桿上，然后握住手提框開始提運。

2.2 魚缸提運裝置的設計優點

魚缸提運裝置的設計方案較為人性化，其技術優點主要有以下幾點：①夾緊臂中設有橢圓形卡合框，橢圓形卡合框可卡夾在魚缸兩側，能夠配合各種型號的家用魚缸；②鎖緊桿置于固定架上方，且鎖緊桿與固定架中間的空隙形成矩形狀，滑動槽扭簧兩端分別抵壓在漸開線鎖死板和滑動板上，扭簧使漸開線鎖死板始終有逆時針旋轉的力，防止搬運過程中夾緊臂無法完全鎖緊，導致魚缸意外滑落的問題；③滑動板上設有可拆卸的蓋板拉動拉扣，觸碰板通過中間部分抵壓漸開線鎖死板，漸開線鎖死板與鎖緊桿配合鎖死，結構巧妙，使用便捷。

3 魚缸提運裝置的零部件選擇與計算

3.1 零件材料的選擇

魚缸提運裝置主要由本體、夾緊裝置、復位裝置、拉伸機構、固定把手及各個關節處的螺栓銜接等幾部分組成。

彈簧：夾緊裝置中的彈簧是最核心的零件，其物理性能對提運裝置整體性能影響最大。魚缸提運裝置為對稱結構，彈簧分布排列時，應保證彈簧過孔中心到邊緣距離大于外徑，與其他零件保持有5 mm以上實體壁厚。對于螺旋拉伸彈簧，應當優先選用經過強化處理的鋼絲、鉛浴等溫冷拔鋼絲和油淬火回火鋼絲，具有較高的強度和良好表面質量，疲勞性能高于普通淬火回火鋼絲，加工簡單，工藝性好，質量穩定。因此，優先選用油淬火回火鋼絲。

本體：本體是魚缸提運裝置最基本的結構，是所有零件裝配的載體，決定了所提運魚缸尺寸的大小，是功能實現的的基礎。此外，本體還要承擔固定支撐和實現調節的作用。由于本體是主要的質量來源，因此合理地選擇材料尤為重要，在不影響其性能的條件下，盡可能地選擇輕質量、高強度、高硬度的材料。考慮其經濟性，45號鋼是最優選擇，但是這是一種中碳鋼，淬火性能并不好，本體需要較高的硬度，又希望發揮45號鋼優越的機械性能，因此在加工工藝過程中將45號鋼表面滲碳淬火，這樣就能得到更高的表面硬度，大大提高裝置的穩定性。

夾緊臂：夾緊臂是魚缸提運裝置的主要結構，夾緊臂需要實現一定的固定夾緊的功能，且要有一定的強度要求。其物理性能對裝置實現其功能起決定性作用，決定了所提運魚缸的尺寸大小，夾緊臂需要反復使用，因此應選擇高耐磨性、高硬度的復合材料，例如耐磨合金鋼系列中、低、高碳多元金合鋼（ZG40SiMnCrMO和ZG35Cr2MoNiRe）等。

拉扣：拉扣與彈簧銜接，在工作過程中需要克服彈簧的彈力，在夾緊過程中需反復使用到拉扣，因此，其強度與硬度應滿足工作要求，在夾緊過程中，使用者需要接觸拉扣，考慮到其操作的舒適性與反復使用性，拉扣的材料應選用合金鋼，設計時拉扣的尺寸不應過大。材料的尺寸越大，由于各種冷加工和熱加工工藝所造成的缺陷可能性越高，產生表面缺陷的可能性也越大，這都會導致疲勞性能下降，從而影響魚缸提運裝置的整體性能。

3.2 彈簧參數的計算

在夾緊裝置中，由于彈簧的拉力提供夾緊力，夾緊時，需考慮尺寸條件限制。彈簧設計中，旋繞比（彈簧指數）是最重要的參數之一，=2/，彈簧指數愈小，其剛度愈大，彈簧愈硬，彈簧內外側的應力相差愈大，材料利用率低；反之彈簧愈軟。

假設彈簧拉力為50 N，則強度計算公式為[5-6]：

式（1）中：為曲線系數；為載荷；為彈簧指數（亦稱旋繞比），=2/；[]為彈簧材料的許用扭轉應力。

查表得45鋼[]=30～40 MPa，取10。通過計算得≥5.08 mm。所以取為6 mm。

由圓柱彈簧受載后的軸向變形量得：

當今市面上大魚缸尺寸為1 000 mm，故設計夾緊臂身長尺寸為1 500 mm。

則彈簧的圈數為：

式（2）中：為彈簧有效圈數；為彈簧材料的切變模量，查表切變模量=79 GPa；為單側彈簧軸向變形量，=750 mm。

計算得彈簧的圈數為57圈，因此彈簧圈數取60圈即滿足工作要求。

4 結語

在魚缸提運裝置的設計研究中，分析了國內研究現狀和市場應用前景，設計了魚缸提運裝置的整體方案及裝配方法，對魚缸提運裝置的主要部件材料做了選擇，計算了彈簧的參數，完成了魚缸提運裝置的結構設計。魚缸提運裝置機構簡單、操作便捷、空間占用小，并且能夠保證魚缸搬運過程中的安全性，因此，該魚缸提運裝置具有一定的應用價值。

［1］范靜，趙萍萍，王婷.智能魚缸環境系統設計［J］.信息系統工程，2018（10）：107.

［2］劉偉，林開司，劉安勇.基于物聯網的魚缸智能控制系統設計與實現［J］.淮海工學院學報（自然科學版），2016（12）：1-4.

［3］唐韜.魚缸（暖山）［P］.中國專利：2019300032260，2019-01-04.

［4］陳勤亞.魚缸［P］.中國專利：2018101155879，2018-02-06.

［5］聞邦椿.機械設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［6］邱宣懷.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2004.

S969.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.026

2095－6835（2020）08－0066－02

〔編輯：王霞〕