重载夹持装置承载能力评价及拓扑构型研究.pdf

分类号 UDC 密级 编号 幸I 初大学 C E N T RA I ．S o U T HU N 舰R S I T Y 硕士学位论文 论文题目⋯重粒尉蘸j 陋戴能挪确曜麦醴腾趔硪⋯⋯ 学科、专业机械设计及其理论 研究生姓名娄丙民 导师姓名及 专业技术职务⋯⋯⋯⋯⋯氲竟．飞⋯剐熬攮⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名 日期巡年么月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络 向社会公众提供信息服务。 作者签名导师签名期趔年』月兰日 ● 中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 目前，针对重载夹持机构承载能力的研究只局限于分析个别因素 对其影响，并未系统的评价夹钳承载能力，因此各影响因素对夹钳承 载能力的影响权重不分明。这就使得设计者无法找出影响权重较大的 影响因子，进而不能明确的提高其承载能力。因此系统的分析影响夹 钳承载能力的所有影响因子，并针对重点影响因子进行详细研究对提 高夹持装置承载能力有着十分重要意义。论文的主要研究内容如下 文中系统的分析了影响夹钳承载能力的各种因素，提出了评价重 载夹钳承载能力的新方法一改进层次分析法，并针对夹钳设计、生 产和应用过程中所涉及的承载能力影响参数做了细致研究，建立一套 完整的夹钳承载能力评价体系。 在评价研究成果之上，针对重点影响重载夹持装置承载能力的拓 扑新机构，以原始模型为基础进行基于拓扑图的同构演化，然后对以 减小整体转化装置自由度、提高整体力封闭性能为目的重载夹持装置 拓扑变元优化方法进行了研究，并对新旧机构在垂直位置的夹持力封 闭性能进行了分析判断。 根据不同构型夹持装置的特点及实验要求，本文以常用的压杆式 夹持机构为雏形，通过M A T L A B 结构参数优化，设计出承载能力1 T ， 夹持力矩为2 T ，M 的夹持装置，根据M A T L A B 优化出的参数结果建 立理论仿真模型，并对优化前后夹持装置在是否考虑摩擦的情况下的 承载能力进行理论分析计算。 利用A D A M S 虚拟样机仿真软件，对拓扑变元优化前后的夹持装 置在是否考虑摩擦的情况下的承载能力进行虚拟仿真分析，最后对拓 扑变元优化前后的夹持装置推杆推力进行现场测试实验。通过对比分 析现场实验结果与仿真结果，发现两种结论基本吻合，表明变元优化 后的夹持装置在垂直位置的承载能力的确有了很大的提高，进一步验 证了采用改进层次分析法对夹钳承载能力进行评价结果的合理性和 可行性，也为重载夹持装置构型设计及优选提供了可靠的理论基础。 摘要 承载能力，改进层次分析法，评价指标体系， 构演化，力封闭 I I 中南大学硕士学位论文A B S T R A C T A b s t r a c t A tp r e s e n t ，t h e r ea r ef e ws t u d i e sa b o u tt h ei n f l u e n c ef a c t o r sf o r c a r r y i n gc a p a b i l i t y o fh e a v yc l a m p i n gd e v i c e ．T h ee x i s t e dr e s e a r c h c o n f i n et oa n a l y s i so fi n d i v i d u a lf a c t o r sf o rt h ec a r r y i n gc a p a b i l i t yo f h e a v yc l a m p i n gd e v i c e ，w h i c hd i d n ’te v a l u a t et h ec a r r y i n gc a p a b i l i t y s y s t e m a t i c a l l y ．T h e r e f o r e ，t h ew e i g h to fv a r i o u sf a c t o r si n f l u e n tc a r r y i n g c a p a b i l i t yi sn o tc l e a r ．1 1 1 i sm a k e st h ed e s i g n e r su n a b l et oc o n s i d e ra l l f a c t o r st oi m p r o v et h ec a r r y i n gc a p a b i l i t ys y s t e m a t i c a l l y , t h u sc a nn o tb e i n c r e a s et h e i rc a r r y i n g c a p a b i l i t yc l e a r l y ．T h e r e f o r e ，t h e r ei s ag r e a t s i g n i f i c a n c et oa n a l y s i sa l lt h ei n f u e n e ef a c t o r sa n ds t u d yo ft h ek e y f a c t o r st o i m p r o v et h ec a r r y i n gc a p a b i l i t yo fh e a v yc l a m p i n gd e v i c e s y s t e m a t i c a l l y ．T h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s A l lf a c t o r st h a ti n f l u e n tt h ec a r r y i n gc a p a b i l i t ys y s t e m a t i c a l l ya r e a n a l y z e d ，p r o p o s e san e wm e t h o dt oe v a l u a t et h ec a r r y i n gc a p a b i l i t yo f h e a v yc l a m p i n gd e v i c e i m p r o v e d 岫a n ds t u d i e sa b o u tt h e p a r a m e t e r sd e l i c a t e l yw h i c hi n f l u e n tt h ec a r r y i n gc a p a b i l i t yi nt h ed e s i g n p r o c e s so fc l a m p i n gp r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o n ，e s t a b l i s h i n gac o m p l e t e s e te v a l u a t i o ns y s t e ma b o u t c l a m p s ’c a r r y i n gc a p a b i l i t yo fc l a m p s ． I nt h ee v a l u a t i o no ft h er e s e a r c hr e s u l t s ，b yw o r k i n go nt h et o p o l o g y 一 一 一 一一 o fn e wa g e n c yt h a th a v ei n f l u e n c e dt h e c a r r y i n gc a p a b i l i t yo fh e a v y c l a m p i n gd e v i c e ，t h eh o m o g e n e o u se v o l u t i o ni sm a d ew h i c hb a s eo nt h e t o p o l o g i c a lg r a p ht h e o r yf r o mo r i g i n a lm o d e l ．A tt h es a m et i m es e v e r a l i s o m o r p h i s mo fs p e c i a l s h a p e dc l a m p i n gd e v i c e si sg o t t e n ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h er e s p e c t i v eW a sa n a l y z e d ．I no r d e rt om i n i m i z et h e f r e e d o ma n de n h a n c et h ec a r r y i n gc a p a b i l i t yo fh e a v yc l a m p i n gd e v i c e ， t h i sd i s s e r t a t i o nh a s p r e s e n t e d a t o p o l o g yo p t i m i z a t i o nm e t h o db y c h a n g i n gt h ee l e m e n t s ，e s t a b l i s h i n gt h et o p o l o g yo ft h en e wa g e n c ya f t e r o p t i m i z a t i o n ，a n dm a k i n gaj u d g m e n ta b o u tt h ej a wp e r f o r m a n c ei nf o r c e c l o s u r es i t u a t i o nf o rt h eo l da n dn e wi n s t i t u t i o n si nt h ev e r t i c a lp o s i t i o n ． A c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e q u i r e m e n t sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fd i f f e r e n tc l a m p i n gd e v i c e s ，t h ea u t h o ru s e st h et y p i c a lc o m p r e s s i o n b a r - s t y l ec l a m p i n gd e v i c e sa s t h e r u d i m e n t ，d e p e n d s o ns t r u c t u r a l p a r a m e t e r st h a to p t i m i z e db yM A - Ⅱ，A B ，d e s i g n sa1Tc a r r y i n gc a p a c i t y , I I I 2 T ／Mc l a m p i n gt o r q u eo ft h ec l a m p i n gd e v i c e ，a c c o r d i n gM A n ，A B o p t i m i z e sr e s u l t st oe s t a b l i s ht h et h e o r e t i c a ls i m u l a t i o nm o d e l ．t h e nt h e c a r r y i n gc a p a b i l i t y o f h e a v yc l a m p i n g d e v i c eb e f o r ea n da f t e r o p t i m i z a t i o ni Sc a l c u l a t e di nt h ec a s et oc o n s i d e rf i c t i o no rn o t ． n e c a r r y i n gc a p a b i l i t yo fh e a v yc l a m p i n gd e v i c ei ss i m u l a t e db y A D A M Sb e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no f w h e t h e rt o c o n s i d e rf i c t i o n ．I nt h ee n d ，e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n et ot e s tt h et h r u s t o fp u s hr o da b o u th e a v yc l a m p i n gd e v i c eb e f o r ea n da f t e ro p t i m i z a t i o n ． ●_ _ 一 ●●‘ l h r o u g h t h e c o m p a r a t i v ea n a l y s i se x p e r i m e n tr e s u l t sa n dv i r t u a l s i m u l a t i o nr e s u l t s ，i ti n c l u d e st h a tt h et w or e s u l t sa r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n t ． s h o w st h a tt h e o p t i m i z e dh e a v yc l a m p i n gd e v i c ec a ni m p r o v et h e c a r r y i n gc a p a b i l i t yw h e nt h ec l a m p i n gd e v i c ei si nt h ev e r t i c a lp o s i t i o n ， a n dt h er e s u l tf u r t h e rv e r i f i e dt h er a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t yo fu s i n gt h e i m p r o v e d 艘t oe v a l u a t et h ec a r r y i n gc a p a b i l i t yo fh e a v yc l a m p i n g d e v i c e ，a n da l s op r o v i d ear e l i a b l et h e o r e t i c a lb a s i sf o rc o n f i g u r a t i o n d e s i g na n do p t i m i z a t i o no fh e a v yc l a m p i n gd e v i c e ． ． K E YW O R D SH e a v y c l a m p i n gd e v i c e ，C a r r y i n gc a p a b i l i t y , T h e i m p r o v e d 触毋E v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m ，T o p o l o g y o p t i m i z a t i o n ， H o m o g e n e o u se v o l u t i o n ，F o r c ec l o s u r e I V 中南大学硕士学位论文目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。V 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题的来源及研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 锻造操作机概述及夹持机构的形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 锻造操作机的概述及发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 锻造操作机的基本动作和结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．3 锻造操作机夹持机构的结构形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 锻造操作机夹持机构承载能力研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．4 机构性能评价研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．5 本文研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．6 本文研究的意义和价值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 第二章基于改进层次分析法的重载夹钳承载能力影响因素评价研究⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1O 2 ．2 层次分析法的改进⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．1 传统层次分析法的原理及缺陷⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．2 改进的层次分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 ．3 改进层次分析法评价重载夹钳装置承载能力影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．1 拉杆式夹钳结构及工作原理简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 ．2 重载夹钳承载能力评价指标体系的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 ．3 三标度法建立重要性定性排序一致性标度矩阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 ．4 因素集权重定量确定原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．4 夹钳各因素层权重的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．4 ．1 准则层应用改进的层次分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．4 ．2 因素集的权重确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．4 ．3 各因素组合权重综合计算及排序⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l8 2 ．4 ．4 权重排序结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 第三章夹持装置拓扑图同构演化和变元优化方法的构型研究及力封闭性能分析 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 1 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 拉杆式夹持装置的转化机构及拓扑图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 V 中南大学硕士学位论文目录 3 ．3 典型重载夹持装置同构演化及变元优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．3 ．1 机构构型拓扑图同构演化的一般步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．3 ．2 典型拉杆式重载夹持装置运动链拓扑图的同构演化⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．3 ．3 重载夹持装置的变元优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．4 变元优化前后重载夹持机构承载能力及钳口力封闭性能分析⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 ．1 机构变元优化前后垂直位置时承载能力及力封闭性分析⋯⋯⋯．3 2 3 ．4 ．2 机构变元优化前后水平位置时承载能力及力封闭性分析⋯⋯⋯．3 7 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 第四章重载夹持装置结构优化设计与承载能力仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 压杆式夹持装置结构参数设计及M A T L A B 优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．2 ．1 典型压杆式夹钳装置承载能力建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 9 4 ．2 ．2 重载夹持机构结构参数仿真优化步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 4 ．2 ．3 优化参数设置与仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l 4 ．31 T 夹持装置变元优化前后实体建模及承载能力比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．1 基于M A T L A B 结构参数优化结果的1 T 夹持装置实体建模⋯⋯4 3 4 ．3 ．21 T 新型夹持装置仿真计算模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 4 4 ．3 ．3 拓扑增元新机构与摩擦对承载能力影响对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 第五章夹持装置承载能力A D A M S 仿真分析与实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5l 5 ．2 A D A M S 夹持装置建模及承载能力仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 1 5 ．2 ．1A D A M S 夹持装置建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．2 ．2A D A M S ／V i e w 摩擦与接触参数的设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 5 ．2 ．3A D A M S N i e w 参数化设计与优化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 5 ．2 ．4 夹持装置承载能力A D A M S 仿真运算结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．3 夹持装置承载能力实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 5 ．3 ．1 实验原理及目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 8 5 ．3 ．2 实验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 8 5 ．3 ．3 实验装置结构参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 9 5 ．3 ．4 测量结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．4 夹持装置承载能力仿真结果与实验结果对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 l 第六章全文总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 V I 中南大学硕士学位论文目录 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 论文发表情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 V I I 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 。1 课题的来源及研究背景 本论文的研究课题来源于国家9 7 3 重点基础研究发展计划项目“巨型重载操 作装备的基础科学问题“ 子课题“大尺度重型构件稳定夹持原理与夹持系统驱动 策略“ ，课题编号为“2 0 0 6 C B 7 0 5 4 0 4 “ 。 大型锻件制造业是一个国家重载装备制造业的基础性行业，随着全球工业化 进程不断快速的推进，对大型锻件的需求量与日俱增，因此大型锻造装备制造业 是关系到国家工业化快速发展的战略性行业，其发展水平是衡量一个国家工业水 平和国防实力的重要标志之一。然而要想提高大型锻件的生产能力，首先要解决 的问题是提高锻造生产装备的性能，如采用新型高吨位液压机、实现液压机计算 机控制、配备承载能力高且灵活的锻造操作设备、改进锻造工艺提高工艺水平等 措施。其中锻造操作机作为锻压机的必备的配套设施，是锻造车间实现锻造自动 化和机械化的重要设备。它主要用于夹持锻件来配合锻压机完成锻造加工工艺， 也可用于坯料的运输、堆放、进炉和出炉等操作，对减轻劳动强度，提高锻造设 备利用率和劳动生产率，提高锻件锻造的质量和降低整个企业的生产成本，都具 有非常重要的作用。现今国内大吨位的锻压机已经研制成功，然而高吨位的锻造 操作机研发设计能力还达不到已有的锻压机的吨位要求，大部分先进的锻造操作 设备还需要从国外引进，例如德阳第二重机厂锻造分厂引进日本的T M ．2 0 E O 全 液压式载重力矩为5 0 0 k N r n 的锻造操作机与水压机车间的31 5 0 0 k N 水压机配 套使用，第一重机厂也从S M S ．M e e r 公司引进了2 5 0 0 K N ，6 3 0 0 K N ／M 的有轨锻 造操作机。因此国内锻造操作机的发展相比国外发达国家来说有很大的差距，提 高大型锻造操作设备的研发生产能力，在一定程度上就相当于提高了一个国家的 锻造操作水平，所以对于我们一个发展中国家在迈进世界工业化的过程中研发先 进的操作设备是当前重要且紧迫的任务I l 卅。 6 0 年代，我国的锻造操作机研发生产才开始起步，开始只能设计制造一些 结构简单的机械式有轨锻造操作机，夹钳的开合与夹紧动作在夹持锻件时很不方 便。近年来，随着科学技术的迅猛发展，国内锻造操作设备的生产研究也有了很 大的进展，有许多研究机构和锻造操作机生产企业同时在不断的研制承载能力 高、结构简便、灵活性能好、生产成本低、控制性能好的全液压式锻造操作机。 比如青岛华东工程机械有限公司设计的国内首台达到世界先进水平的最大的全 液压式锻造操作机己达到5 0 t ，然而，到目前为止我国对于高吨位的先进锻造操 作机的设计制造能力还是相对不足，大部分锻造操作机还是中小吨位的机械式的 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 夹持动作，而国外比较先进的全液压式锻造操作机的承载能力可以达到2 5 0 T ， 载重力矩达到6 3 0 T ／M ，并且能够和高吨位锻压机实现联动，由此可见我国锻造 操作设备的发展与国外的先进锻造水平相比差距甚远【5 8 】。因此国内需要进一步 加大对大型锻造操作机的自主研发力度，通过利用当今先进的科学技术，实现大 型锻造操作设备的自主化及国有化，这将对提升我国重型装备制造业及关键零部 件的自主研发与生产能力、满足国家经济建设的需要、终结我国不能研发生产大 型锻造操作机的历史都具有极大的经济效益和社会意义。 1 ．2 锻造操作机概述及夹持机构的形式 1 ．2 ．1 锻造操作机的概述及发展趋势 锻造操作机作为锻压行业广泛采用的夹持操作设备，按运行方式、驱动方式 和夹钳的运动形式分类，可以归类成不同的结构形式，，但是它在对减轻工人工 作强度，提高锻造装备利用率和劳动生产率，提高锻件锻造的生产质量和降低整 个企业的运营生产成本，实现锻压操作机械化与自动化都起着非常重要的作用。 在锻造操作行业，根据各个国家的发展水平与经济实力不同，锻造操作机的 发展进程也体现出地域差异性，但整体发展趋势是相同的，那就是不断的改进结 构，向着提高夹持重型锻件的承载能力，实现自动化与智能化方向发展，到目前 为止我国制造出并投入生产实践中的最大的全液压式锻造操作机承载能力才达 到5 0 T ，其他的锻造操作机大部分还是机械式，而国外用于实践生产的全液压式 锻造操作机承载能力可以达到2 5 0 T ，载重力矩可以达到7 5 0 T ／M 。针对我国在重 载锻造操作设备方面与国外有很大差距，国家科技部于2 0 0 6 年设立国家9 7 3 重 点基础研究发展计划项目．巨型重载操作装备的基础科学问题。到目前为止，通 过国内多所著名高等院校共同努力，自主解决了我国重载装备制造中的一些关键 技术问题，使我国在锻造操作行业领域中有了快速的发展【1 2 】。此研究项目的成功 完成，为我国重载锻造操作设备的研发提供了丰富的理论基础，研发过程中成功 完成承载能力2 5 0 T ，载重力矩7 5 0 T ／M 的锻造操作机的设计制造研究，现在的 科研团队正在对3 0 0 T , 7 0 0 T ／M 的大型锻造操作机进行设计研究，相信不久的将 来，中国的锻压行业也会具有结构简单，承载能力高，实现自动化操作的巨型重 载锻造操作设备，迈入世界先进锻造水平行列【9 1 1 1 。 1 ．2 ．2 锻造操作机的基本动作和结构 为了满足锻造工艺的要求，锻造操作机一般具有以下五个基本动作 1 ．钳口夹紧与松开； 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 2 ．钳杆旋转； 3 ．夹钳平行升降及倾斜； 4 ．台架回转或夹钳摆移； 5 ．大车行走。 为了实现以上五个基本动作，操作机相应具有钳口夹紧机构、钳杆旋转机 构、夹钳平行升降及倾斜机构、台架回转或夹钳摆移机构和大车行走机构。 除了上述五个基本动作外，根据使用需要，操作及还可增加钳杆伸缩运动和 大车横向行走运动等动作【9 1 。 操作机的本体结构可分为夹钳、台架和大车三大部分；除本体机构以外，还 配有电器和液压系统作为驱动和控制装置，典型锻造操作机如图1 ．1 所示。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 4 短杠杆式 1 ．3 锻造操作机夹持机构承载能力研究 图1 - 5 滑块斜槽式 夹持机构作为巨型重载锻造操作设备的关键部件，其承载能力高低直接影响 锻造操作设备的可靠性与夹持稳定性。由于重载夹持装置承受及传递的力很大， 锻造准备过程中要满足锻造所需要的位置状态，要经常的移动、转动夹持装置， 为提高生产效率有时候还需要加速、达到所要求的锻造状态及位置以后需要及时 的制动，特别是与锻压机进行联机锻造的过程中，锻压机锻打在锻件上的力要传 递到夹持锻件的操作设备上，假如操作设备满足不了生产需要，就会出现夹持锻 件脱离夹持装置的失效事故，这种经常出现的锻件脱离夹持操作设备的失效问题 是造成巨大工业事故及经济损失的重要原因，因此通过提高夹持机构的承载能力 来保证锻造操作夹持过程中的稳定性和可靠性从而来提高锻件的安全生产质量 就显得极为重要。 夹持装置油缸驱动力与钳口夹持力关系的确定一直以来是其设计和研究过 程中的关键。大多通过简单的力矩平衡公式除以钳臂的力臂比，然后乘以驱动 力储备系数和夹持装置效率得到驱动力与所提供夹持力的关系，该方法忽略了夹 持装置的多样性以及各构件的重力、销轴摩擦力矩、惯性力等因素的影响且表现 出很大的局限性，无法满足油缸驱动力的实时控制要求。 目前，在课题的前阶段研究中已经对如何提高夹持装置承载能力这一问题进 行了初步的研究，并且提出了反作用力响应盲区的概念【”以4 1 ，并探讨了反作用 力响应盲区对夹持装置承载能力的影响。在重型夹持装置中，由于各个运动副之 间的摩擦不容忽视，当所需要的载荷增大时，无需增大液压缸的推 拉 力，夹 持机构自动通过变换各运动副摩擦圆相割的距离或各运动副反力的摩擦角，保持 夹紧锻件所需夹持力与液压缸提供的推 拉 力之间的平衡，保证了钳口的张开 量不变从而能够稳定夹持住锻件。因此，反作用力响应盲区对提高夹持机构的承 载能力有重要的影响程度，在很大程度上提高了夹持机构的可靠性与稳定性。同 时也提出了基于拓扑变元的新压杆式夹钳机构【1 5 l ，并在此基础上分析了优化后新 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 夹持机构对夹钳承载能力的影响，典型的夹持机构在垂直位置时通过钳口铰链上 的转动副摩擦来抵御锻件的倾覆力矩，而优化后的新型夹持装置由于约束杆的存 在，构成了一个平行四边形，改变了钳口原有的受力状况，使得夹持装置力封闭 性能大大提高，从而提高了夹钳的承载能力。除此之外文献[ 1 7 】以锻造操作机压 杆式夹持装置为研究对象，建立了考虑角速度、角位移、销轴摩擦系数和锻件半 径影响的动态夹持力模型，也没有全面的考虑所有因素，需进一步考虑拓扑结构、 工件特性对夹持装置稳定夹持锻件的承载能力影响。 对于当前的夹持装置，由于影响其承载能力的因素很多，且各影响因素之间 存在多重相关性和不确定性，使得各影响因素对夹钳承载能力的影响权重不分 明，已有的研究也只是针对个别的影响因子进行的探索，并未系统的来评价重载 夹钳承载能力，这就使得设计人员在想提高夹钳承载能力时无法系统的考虑所有 因素，从而不能最高限度的提高其承载能力。要使得夹持装置的承载能力得到全 面的提高，就需要在设计时全面考虑其影响因子及其相应的权重，因此我们需要 建立一个完整的夹钳承载能力评价体系，对其进行系统的全面的评价研究。 1 ．4 机构性能评价研究现状 性能评价是指对被研究对象的某一性能进行客观，公正，合理的全面综合评 ，．价。就机构系统来言，综合评价的目的就是比较出那种机构系统的综合性能最优， 那种最劣，根据评价结果来指导机械系统设计开发，提高机械产品的可靠与稳定 性，这是一类常见的多指标综合判断问题，对于有多个方案的决策系统来说，综 合性能评价是决策依据的理论基础，而正确的决策来源于科学的综合评价，因此， 科学的综合性能评价在系统工程、管理科学、管理信息系统、工业工程、工程管 理等领域中占有重要的地位，已成为上述领域中不可或缺的重要内容，且具有重 大的实用价值和广泛的应用前景。 在机械系统综合性能评价过程中，会涉及多种复杂的决策问题。因此，设定 正确的评价步骤及方法，建立一个产品多层次的综合性能评价模型，以及在模型 中反映产品主要决策目标，对提高产品的整体综合性能具有重要的意义【1 9 】。 综合性能评价主要有三个关键环节。 1 在进行综合评价时，首先要确定被研究对象的性能评价指标体系，这是 综合性能评价的基础。指标选择的合理与好坏及是否具有代表性对分析对象常有 至关重要的作用。一般来说一套完整的评价指标体系是由具有代表性又相对独立 且方便观测与度量的评价指标，按照相互的层析结构关系组建成的有机整体。一 套完整的评价指标体系是连接评价对象与专家的桥梁，也是联系评价对象与评价 方法的纽带。只有建立科学合理的并且完整的评价指标体系，才能得出科学准确 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 的综合评价结果【2 0 】。在实际应用中，专家调研法是一种常用的评价指标选择方法， 此种方法具有一定的主观性，曹利军的论文1 2 l 】在可持续发展评价指标体系建立过 程中提到了一种主客观判断相结合的主成分分析和独立性分析方法，使得指标的 选择更具有代表性与独立性，为一般评价指标体系的建立提供了有利的参考。 2 其次，在评价指标体系建立后，用选定的若干个指标进行综合性能评价时， 各个指标对评价对象的作用，从评价的目标来看，并不是同等重要的。为了体现 各个评价指标在评价指标体系中的重要地位以及作用程度，在完整的评价指标体 系建立以后，各个评价指标需要被赋予相应的影响程度权重系数。权重系数是以 特定的数量形式权衡、对比被评价事物整体中各个相应因素的相对重要程度的量 化值。对于同一组指标参数，如果有不一样的权重系数，则评价结果会截然不同 的甚至与事实相反，因此合理确定影响因素的权重对综合性能评价或决策有着至 关重要意义