专用粮食抓斗的设计

摘    要
1.  研究背景及意义
　　物流设备是物流系统中的物质基础。随着我国基础设施建设的加强，尤其是受电力、石油、化工、运输等行业迅速发展的拉动，国内起重机的市场需求增长显著。各国都纷纷发觉到抓斗作为起重机运作装卸环节中的核心，同时也是提高整体物流运作的效率、降低运作成本和增大企业利润等方面的关键性因素。自50年代中期，抓斗就已在我国较大规模地应用于散货的装卸作业。经过近40年的进一步发展，抓斗的使用范围已经遍及了我国交通运输和厂矿企业等国民经济的各个部门。因此如若能够深化抓斗创新工作的研究，使起重机功能多样化，以适应更加广泛的市场需求，从而达到提升物流行业价值，推动市场前进步伐的目的。
　　抓斗是一种靠颚板开闭抓取和卸出散状物料的取物装置，主要与起重机械配合使用，用来装卸大宗散装物料。抓斗虽然只是起重机械中的小小一部分，但由于其装货与卸货过程完全是由起重机司机操纵并依靠机械的力量自动进行，避免了繁重的人力劳动，节省劳动力，同时节省了辅助时间，大大提高了装卸效率。抓斗被广泛应用于船舶、港口和矿山等不规则散货的装卸工作，同时也是沙砾、矿粉、粮食、黄沙等小颗粒散货用于装卸过程中的理想工具。抓斗根据应用场合分类可分为木材抓斗、废钢抓斗和垃圾抓斗等，适应于木材厂、钢厂、垃圾储运等场合。它同样在大豆、菜籽和小米等谷类散货装卸过程中起重要作用，从而在粮食储运工作部门中也得到普遍应用。
　　通过研究抓斗的背景及意义不难发现，加强抓斗装置的创新研究工作不仅对起重机的工作效率有进一步提高，而且对于物流行业的发展都是有很高的研究价值的。
2.  研究方法的确定
　　　在抓斗设计方案确定过程中，一般是先平面，后立体；先静止，而后运动；先有一个模糊的轮廓，然后形成清晰的形象。并且可以先设想几种不同的设计方案，经过比较，确定一个最佳方案。抓斗的设计方案确定后，就可以进行抓斗的总体设计。
　　　抓斗的总体设计的核心在于首先要确定抓斗的工作原理，因为它是实现机器职能的基本依据。抓斗的职能是运输大宗物料，要达到运输过程中所需要的动力有很多种驱动方式，在本课题里涉及到的就是一种电动驱动方式。工作原理确定后就可以着手进行抓斗的运动设计，确定抓斗运行部分所需的运动条件和动力配备，并由此选用电动机的类型与性能参数，对抓斗的运行机构进行设计，即把电动机的运动转变为运行部分的机械动作。根据抓斗的运行特性，工作速度和传动部分的总效率等各种因素，计算出机器所需的驱动功率，并结合初步设想的机器的工作情况，选定适合的驱动装置进行驱动。
　　抓斗的工作原理与驱动装置一经确定，抓斗的总体设计的设想也已基本初步完成。然后把抓斗各部分之间的运动和动力关系，各个机构和主要零件在抓斗中的大体位置，用规定的符号简明地表示在图纸上，得到抓斗的机构运动示意图。随后根据具体结构数据对总装配图、以及部件图与主要零件图进行绘制。最后撰写论文得出结论。
3.  具体研究内容
　　本课题是对专用粮食抓斗的设计，主要搬运货物为粮食作物等，起重量Q = 2 t，抓斗容积V = 1.5 m3，物料比重为0.7 t / m3。抓斗的组成结构包括上下承梁、撑杆、颚板、滑轮组以及驱动装置，正是由于相似的组成结构，其工作原理也基本相同，基本都是通过一定的钢丝绳缠绕方式将上下承梁相连接，通过支持绳和闭合绳的相互配合完成开闭动作。虽然抓斗的工作原理基本相同外，但仍有两方面因素决定了应用于各个场合不同抓斗的异同之处。一方面是由于抓取具有不同物料特性的货物造成抓斗的结构特征的不同，另一方面是由于驱动方案的不同而不同。
　　在抓斗的结构特征方面：抓斗凭借其特有的属性特点，在物流各个领域里均崭露头角显示出它的优势。例如在木材厂，专用于抓取木材的木材抓斗有着与其他抓斗颚爪不同的形状特征，木材抓斗的颚爪数目一般设计为多颚爪，颚爪形状也相应设计为圆形，进而与木材的外形特征更加匹配，有效地增加了抓取空间，尽可能更稳更多的抓取木材，提高了搬运效率。本课题中涉及到的是一种在粮食储运系统中广泛利用的粮食抓斗。由于抓取的货物类型为粮食作物，这类货物具有流动性极强、颗粒微小和粘结度小的物料特征，在运输过程中难免随处飘洒造成浪费。针对粮食作物这样的物料特征，专门设计为运输此类散货的粮食抓斗，在它设计过程中重视颚板的闭合密封性能，加装防漏装置，从而有效地解决了粮食货物的运输效率问题。
　　在选择驱动方案方面：主要有绳索驱动、电动马达驱动以及气液压驱动三种形式。在对专用粮食抓斗的设计中，选择的是利用电动马达做为其驱动形式。选择电动马达作为其驱动形式虽然自重较大，效率比不上四绳抓斗，但电动马达抓斗能够在任意高度下开斗卸料或闭合且其开、闭斗的运动可以和起升、下降运动相重叠，故工作方式比单绳抓斗完善，比单绳的装卸效率高。
4.  具体设计内容
　　抓斗研究设计流程包括设计计算、构建三维模型和绘制二维图纸。在设计计算过程中，主要是对工作机构和驱动机构进行了设计。
　　设计工作机构首先是对抓斗外形参数的确定，包括颚板最大开度的计算、颚板厚度的计算、刃口板厚度的计算、颚板侧面尺寸的计算以及主要外形尺寸的计算。根据所要抓取散货的物料特征，故在考虑颚板结构时应注重防漏装置的设计。常见的防漏装置型式主要包括斜齿啮合型、三瓣全防漏型和交错式防漏型等，各种形式均有各自的特点。在权衡利弊后，本课题选择的结构是左颚板和右颚板分别在外侧和内侧设计齿状突起物，左颚板较右颚板稍小，闭合时满足左颚板套嵌与右颚板之中，以减少运输途中的浪费，达到提高运输效率的目的。其次以中型抓斗自重作为重量基数，利用修正系数计算专用粮食抓斗的总重量参数，并根据抓斗自重分配系数对抓斗各个部位的重量给予合理分配。最后主要对抓斗颚板在闭合和开启的瞬间所受的作用力，包括开闭绳最大拉力、上下承梁滑轮合力、颚板受力与撑杆受力等力进行力学分析，以及确保抓斗在运行过程中的可行性而进行的相应力的力的校核工作。
　　由于专用粮食抓斗选择的是电动马达作为其驱动方式，因此驱动机构一般由电动机、减速器、联轴器、轴承座、卷筒和轴等零部件所组成。供机构运行过程中通过电动机提供所需要的原动力，而卷筒则是通过减速器与电动机的间接性连接而运转，带动与其相连的钢丝绳，利用钢丝绳的拉力来完成下承梁的起升动作。设计具体过程首先根据预定的运行速度、受力以及考虑效率问题后对功率进行计算，随后对电动机的型号进行选型。然后根据传动比的确定以及减速器计算功率的计算选择合适的减速器型号。其次是对卷筒轴部件中的轴进行设计。在估算出轴的最小直径后，具体再对轴各段得轴径进行分配，并通过画轴的弯矩转矩图来对轴进行强度校核，以保证机构能够安全顺利运行。卷筒的设计主要包括卷筒的直径、长度和卷筒壁厚的设计。最后对联轴器、滑动轴承和键等标准件进行选型与校核，完成驱动机构的设计工作。
　　设计计算完成后，根据已有的数据利用Inventor 9 软件对抓斗零件的三维模型进行构建，通过装配工作，得到抓斗的部件图以及总装配图。在三维工程图环境下生成CAD二维总装配图纸，再从总装配图中拆画部件图以及主要零件图，完成专用粮食抓斗的设计。
5.  结论：
    通过对专用粮食抓斗的设计，得到了以下结论：
物流设备是物流系统中的物质基础，而抓斗装备对于物流设备的发展有很高研究价值。
在考虑到运送成本的环节，不难发现抓斗作为起重机机械的附加装备为提高工作效率起到了关键作用，而其驱动装置和抓斗本身的内在特征成为了提高工作效率的根本因素。
由于专业知识以及精力的不足，设计难免有不足和缺陷，例如在驱动装置的设计上考虑不够周全，即为了保证运行中的安全，应该在电动机与减速器之间加装制动器。制动器具有减速、停止和支持等功能，所以在驱动装置上设计制动器是必要的，在今后的学习中应该重视此类问题的设计。
　　　  
　　　
关键词：粮食抓斗；设计；计算校核；图纸设计
The Design of Special Grain-Grab
Abstract
　　　Logistics equipment is the material basis of the logistics system. With the development of infrastructure construction of our nation, especially the rapid development of the electronic power, petroleum, chemical industry, transportation and other industries, the demand of domestic crane market increases significantly. If the grab bucket can be innovated (which is the lifting attachment), the crane can be more functional and will better meet the demand of the market. Meanwhile, the value of the logistics industry will also be realized.
　　The grab bucket is a fetching device, it can fetch and get the bulk materials with the opening and closing of the jaw plate, which is mainly used to handle large bulk materials. Although it is only a small part of the lifting machinery, the work of loading and unloading of the cargo is entirely controlled by the driver of the lifting machine and the work is automatically completed with the mechanical strength of the machine, which can avoid heavy manual labor and at the same time save the time and make the work more efficient. The application of the grab bucket can be divided into the timber grab, metal scrap grab and the garbage grab ect, which can be used in the lumber mills, steel mills and the dumping site ect. It is also the ideal machine for loading and unloading the bulk materials such as grain, for example, the soybean, seed and millet. And so it can be widely used in the department of the food storage.
　　My study mainly focuses on the design of the grain-grab. The component of the grab bucket structure will be designed according to the technical parameters and the load conditions as well as the intensity check will be calculated. The driving device choose will combine the electrical motor, decelerator and the roll as depended on the practical experience and finally the whole assemble diagram will be completed. We can finally come to a conclusion that the study of grab bucket equipment is very important to the development of the logistics equipment.
　　

Key words: Grain-Grab; design; check the dates; design the diagram pape