扩张器扩展臂的受力特性研究

扩张器扩展臂的受力特性研究

赵爱新

法国博克专业消防装备有限公司北京市 100000

摘要：本文主要是针对救援工具市场上扩张器扩张臂的受力特性,进行从整体到零件的逐层分析.以三角函数/力平衡/力矩平衡等理论为基础,介绍了完整的扩张臂受力的分析思路。

关键词：夹持点，四连杆机构，输出特性,CATIA有限元分析

中图分类号：C35文献标识码： A

序言

扩张器在现代的交通事故救援,地震救援等救援活动中得到了广泛的应用.液压传动和机械传动原理的有利结合,使其具备体积小、能耗低、便携带、承载能力强等优点,从而使救援能力和效率大大加强.扩张臂作为扩张器的重要动作部件,其受力形式十分复杂,其结构尺寸和材料决定了它的扩张能力.本文以国内某著名品牌的某型号的扩张器为例,从整体结构出发向大家介绍扩张臂的受力情况.因为扩张和夹持为相反的动作,所以我们仅以扩张器的夹持动作作为重点。

1、扩张臂的疑惑

分析对扩张臂受力有影响的所有零件,以扩张臂为中心,可以得到如图1所示的扩张器的简化图。

图1--扩张器的简化图

很多人认为,既然研究的中心在扩展臂(先把扩张臂和扩张头看作整体),那么必然是以三力平衡(连杆通过销轴III作用在扩张臂上的力,联轴节通过销轴II作用在扩张臂上的力和被夹持物通过夹持点作用在扩张臂上的力)和三处力矩平衡(销轴III中心点,销轴II中心点和夹持点处)为理论基础,而切入点必然是活塞联轴节施加给扩张臂的力,因为活塞力是动力源.而此力的关键是力的方向(简单的三力平衡问题).这里不再一一介绍此力方向的猜测,因为它根本就是没有规则的方向(有兴趣的朋友可以测试一下)。

2、扩张臂受力的切入点

因为扩张臂受力的特殊性,扩张臂的受力情况应当扩展到扩张头、弹性销、扩张臂、销轴III、销轴II、连杆和活塞,这样就可以得到图2所示的整体受力图。

从图中看出,通过水平受力平衡,很容易可以计算出销轴I施加在连杆上的作用力F销I,而其受力方向则转变为我们要确定的首要参数。

3、四连杆结构

仔细分析所有关节部位的动作特点,我们可以得到如图3所示的四连杆结构图,

图3--四连杆结构图

即五边形ABCDE,通过C点作垂直于AE的CF线,可以简化为四边形FCDE.图中,a为销轴I中心到水平轴的距离;b为销轴II中心到水平轴的距离;c为销轴III和II的装配中心距离;d为销轴I和III的装配中心距离;x为两销轴II中心连线到两销轴I中心连线的距离,也就是我们定义的行程.很显然,

根据图2的整体受力分析,结合图3的四连杆结构图,可以得到

式中,P为液压油的作用压强,s为活塞的作用面积4扩张臂(含扩张头)输出特性分析F销I力的大小和方向求出来以后,我们就可以对扩张臂进行受力分析了,如图4.其中,销轴II施加在扩张臂上的作用力F销II的方向和大小未知;F夹力方向已知,大小未知.所以,只有求出了F夹力的大小,才能求得F销II力,利用F销I力和F夹力对销轴II中心的力矩平衡,是唯一的求解途径.但是,要想与四连杆机构结合起来,必须作如图5所以示的动作机构一体图,即将设计夹持过程中的固定位置(距离前端25毫米)简化为点G.通过点G作出F夹力的作用线,过销轴II中心C分别作ED和F夹作用线的垂线,得到h1和h2。

由方程F夹*h2=F销I*h1,求得

因为求得的F夹过于复杂,所以我们按表1--国内某著名品牌的某型号的”扩张器参数表”把已知参数带入表达式,简化方程式得

将上面的F夹和F扩力的表达式转换为EXCELL函数,并利用图表工具得到如图6所示的扩张器输出特性曲线。

5、F销II力的大小与方向

根据图4―扩张臂受力分析图,设F销II力在X轴负向上的力为FX和在Y轴负向上的力为FY,

将上面的表1中的参数代入F销II和α的表达式,并将其转换为EXCELL函数,并利用图表工具得到图7所示的联轴节销轴力和α角度图。

6、结论

从整体结构出发,逐层剥茧式的方法清楚明了的说明了扩张臂的受力情况.使用此种理论和设计计算方法,可以最大限度地提高设计性能和结构的合理性,提高设计和改进产品性能的工作效率,并且对工具的使用有很强的指导意义。