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      在大學(xué)生課外科技項(xiàng)目中靈活運(yùn)用多種機(jī)械原理機(jī)構(gòu)有效提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力

      2016-07-27 00:44蔡曉君郭麗峰張瑞徐林林
      大學(xué)教育 2016年7期
      關(guān)鍵詞:機(jī)械原理機(jī)構(gòu)

      蔡曉君+郭麗峰+張瑞+徐林林

      [摘 要]大學(xué)生課外科技活動(dòng),靈活運(yùn)用多種機(jī)械原理機(jī)構(gòu)有效提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力,設(shè)計(jì)完成一種雙向自動(dòng)爬管(桿)裝置,可以在該裝置中巧妙運(yùn)用變異曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、剎車(chē)機(jī)構(gòu)和交替卡緊機(jī)構(gòu)等多種機(jī)械原理機(jī)構(gòu)。裝置總體構(gòu)思巧妙,僅通過(guò)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)裝置在管(桿)上的雙向運(yùn)動(dòng),并實(shí)現(xiàn)交替卡住機(jī)架和上爪的剎車(chē)等操作,是一種很好的管道或桿件檢測(cè)、清潔、維護(hù)等操作工具。

      [關(guān)鍵詞]機(jī)械原理;機(jī)構(gòu);爬管裝置;曲柄滑塊;剎車(chē)塊結(jié)構(gòu)

      [中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437(2016)07-0128-02

      機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)是高等學(xué)校機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生在《機(jī)械原理》課程理論教學(xué)完成后進(jìn)行的一項(xiàng)重要的綜合性實(shí)踐教學(xué)訓(xùn)練活動(dòng)。學(xué)生通過(guò)機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步鞏固、掌握并初步運(yùn)用機(jī)械原理的知識(shí)和理論,培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)能力、解決實(shí)際問(wèn)題的能力以及機(jī)械開(kāi)發(fā)創(chuàng)新能力。在設(shè)計(jì)題目的設(shè)置時(shí),摒棄了由授課教師獨(dú)立確定題目的“一言堂”做法,教師、學(xué)生、家長(zhǎng)共同參與題目設(shè)定,并與實(shí)踐緊密結(jié)合。機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)題目由三部分組成:(1)封閉式題目——教師命題,保留多年來(lái)的經(jīng)典設(shè)計(jì)題目并作適當(dāng)擴(kuò)展;(2)半開(kāi)放式題目——結(jié)合學(xué)科競(jìng)賽、教師科研項(xiàng)目等實(shí)際需求,教師、學(xué)生共同提出項(xiàng)目功能目標(biāo),設(shè)定成果方式;(3)開(kāi)放式題目——主要由學(xué)生自主選題確定。學(xué)生自主選題主要考慮學(xué)生以及家庭研究淵源,學(xué)生長(zhǎng)期感興趣、有一定研究積累的特長(zhǎng),家長(zhǎng)在特定領(lǐng)域研究成果的拓展等。

      將機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)與大學(xué)生課外科技訓(xùn)練相結(jié)合,教師指導(dǎo)學(xué)生依據(jù)興趣選題,充分調(diào)動(dòng)社會(huì)、家庭參與研究訓(xùn)練的積極性,題目采用學(xué)生自選和教師指定相結(jié)合的原則,具有學(xué)生感興趣的諸多因素。如雙向管道爬行裝置的設(shè)計(jì)與制作、糕點(diǎn)切片機(jī)的設(shè)計(jì)與制作、具有逃生功能自動(dòng)窗的設(shè)計(jì)與制作等。

      在雙向管道爬行裝置的設(shè)計(jì)與制作中,學(xué)生首先對(duì)該裝置的實(shí)際運(yùn)用進(jìn)行了深入的調(diào)研。發(fā)現(xiàn)工程實(shí)際中存在大量的管道或者桿狀的結(jié)構(gòu),對(duì)于它們的維護(hù)、監(jiān)測(cè)、清潔的手段相對(duì)比較落后,基本靠人力手工完成。如能設(shè)計(jì)一種在管(桿)狀結(jié)構(gòu)上自動(dòng)靈活雙向移動(dòng)的裝置,實(shí)現(xiàn)方便、快捷、平穩(wěn)的爬動(dòng),將非常必要,而且可將該裝置作為一個(gè)平臺(tái),整合在其他的裝置上完成所需的既定動(dòng)作,在生產(chǎn)生活實(shí)際工作中將扮演多種運(yùn)送機(jī)械手的重要角色。

      一、爬管(桿)裝置總體設(shè)計(jì)思路

      為了實(shí)現(xiàn)裝置在管上自由爬動(dòng),而且運(yùn)行平穩(wěn)安全,結(jié)合機(jī)械原理已知各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),最終選擇變異曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為主體爬行機(jī)構(gòu),而鎖緊機(jī)構(gòu)確定為轉(zhuǎn)動(dòng)的剎車(chē)橡膠塊機(jī)構(gòu),具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

      在圖1變異曲柄滑塊主體機(jī)構(gòu)中,A為裝置工作時(shí)依附的管(桿)構(gòu)件,B為上爪,套在管A上,C為連桿,連接上爪和曲柄,D為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的曲柄,可以整周轉(zhuǎn)動(dòng),安裝在機(jī)架上。E為滑動(dòng)擺桿,能在曲柄的帶動(dòng)下左右擺動(dòng),F(xiàn)為機(jī)架,可套在管A上。

      電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄D,在曲柄D驅(qū)動(dòng)下,滑塊機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)裝置在管構(gòu)件上的上下爬動(dòng)的要求,而鎖緊機(jī)構(gòu)則整合在上爪B和機(jī)架F上,實(shí)現(xiàn)上爪和機(jī)架的交替鎖緊,從而達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

      二、變異曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

      根據(jù)設(shè)計(jì)要求,所爬的管(桿)機(jī)構(gòu)直徑在50~100mm范圍內(nèi),其余各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸均按該要求設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際裝置的尺寸,計(jì)算選擇曲柄D的長(zhǎng)度為L(zhǎng)d=100mm,曲柄D與連桿C的尺寸比設(shè)計(jì)為1∶3,故連桿Lc=300mm,擺桿E設(shè)計(jì)為與連桿C等長(zhǎng),即搖擺LE=300mm。為確保裝置在管(桿)構(gòu)件上平穩(wěn)運(yùn)行,選擇其平均爬行速度為v=10mm / s,曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一周裝置爬行400mm,用時(shí)40s,所以曲柄角速度ω=1.5r / min。圖2為設(shè)計(jì)完成的裝置整體三維模擬圖。

      如圖2所示,工作時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在機(jī)架F上,隨著電機(jī)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄D轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)機(jī)架F夾緊時(shí),曲柄D轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿C的上爪B移動(dòng);當(dāng)上抓B加緊時(shí),曲柄D轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可帶動(dòng)連桿C及機(jī)架F移動(dòng)。這樣上爪B與機(jī)架F交替加緊、移動(dòng),可以完成裝置在管(桿)上的平穩(wěn)滑動(dòng)。

      為保證裝置能夠具有一定負(fù)重,并且在管(桿)構(gòu)件上平穩(wěn)滑動(dòng),如圖3、圖4所示,上爪B和機(jī)架F均由三個(gè)可調(diào)滑輪G壓緊在裝置依附的管道上。

      三、轉(zhuǎn)動(dòng)剎車(chē)塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

      為保證上抓B和機(jī)架F能夠平穩(wěn)、連續(xù)交替夾緊管(桿)構(gòu)件,特別設(shè)計(jì)制作了用于夾緊的轉(zhuǎn)動(dòng)剎車(chē)塊結(jié)構(gòu),如圖5所示。

      如圖5所示轉(zhuǎn)動(dòng)剎車(chē)塊設(shè)計(jì)成中間凹狀結(jié)構(gòu),便于箍緊管(桿)構(gòu)件,為有效增大摩擦阻力,材料可選用橡膠等非金屬材料。作為裝置的關(guān)鍵零件,運(yùn)動(dòng)時(shí)剎車(chē)塊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)到一定位置時(shí)能保證在管(桿)構(gòu)件上卡緊上爪B或機(jī)架F,從而達(dá)到裝置交替爬動(dòng)的目的。

      結(jié)合上述討論的變異曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),如圖6、圖7所示為轉(zhuǎn)動(dòng)剎車(chē)塊結(jié)構(gòu)工作原理示意圖。在圖6中曲柄D轉(zhuǎn)動(dòng),連桿C隨之?dāng)[動(dòng),剎車(chē)塊H與連桿C固連,所以剎車(chē)塊H也能隨著連桿C轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)由于轉(zhuǎn)動(dòng)剎車(chē)塊結(jié)構(gòu)形狀的特殊性,其會(huì)在一定位置時(shí)帶動(dòng)上爪B卡緊在管(桿)上。

      同理,如圖7所示,曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)D,滑動(dòng)擺桿E隨之?dāng)[動(dòng),剎車(chē)塊H與擺桿E固連,剎車(chē)塊H也隨擺桿E轉(zhuǎn)動(dòng),由于轉(zhuǎn)動(dòng)剎車(chē)塊結(jié)構(gòu)形狀的特殊性,其會(huì)在一定位置下帶動(dòng)機(jī)架F卡緊在管(桿)上。圖8、9、10、11為剎車(chē)塊工作狀態(tài)示意圖。

      以裝置上行為例,當(dāng)機(jī)架F上的滑動(dòng)擺桿E帶動(dòng)剎車(chē)塊轉(zhuǎn)到圖8位置時(shí),剎車(chē)塊把機(jī)架F卡緊在管(桿)上,此時(shí)上爪B剎車(chē)塊處于松開(kāi)狀態(tài)如圖9所示,由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),連桿會(huì)推動(dòng)上爪B向上移動(dòng);而當(dāng)機(jī)架F剎車(chē)塊轉(zhuǎn)到圖10位置松開(kāi)時(shí),上爪B剎車(chē)塊則轉(zhuǎn)到圖11位置卡緊狀態(tài),電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)此時(shí)會(huì)拉動(dòng)機(jī)架F向上移動(dòng),這種周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng),完成整個(gè)裝置沿管(桿)穩(wěn)步上行。只要改變電機(jī)轉(zhuǎn)向,裝置可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)下行,裝置下行原理相同。

      由于剎車(chē)塊是橡膠材料,加工方便,其工作時(shí)靠摩擦力來(lái)鎖緊上爪B或者機(jī)架F,所以其尺寸需要根據(jù)工作依附面的具體情況來(lái)選材及設(shè)計(jì)尺寸。

      四、結(jié)論

      雙向自動(dòng)爬管(桿)裝置,主要由曲柄、連桿、滑動(dòng)擺桿、上爪、機(jī)架、電機(jī)、銷(xiāo)釘、螺栓、螺母、剎車(chē)塊、滑輪零部件組成。電機(jī)帶動(dòng)曲柄滑塊裝置運(yùn)行,并通過(guò)整合在其上的剎車(chē)塊的轉(zhuǎn)動(dòng),上爪和機(jī)架交替卡緊,從而使得裝置實(shí)現(xiàn)上爬或下爬。整個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特,構(gòu)思巧妙,能最安全便捷的實(shí)現(xiàn)在管狀物體上的平穩(wěn)移動(dòng),為工程中的管道檢測(cè)維護(hù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。

      通過(guò)理論與實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)、課外科技活動(dòng)、科學(xué)研究等途徑,在指導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)理論知識(shí)的前提下,將教學(xué)與大學(xué)生課外科技活動(dòng)有機(jī)結(jié)合,通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方法貫穿始終,使學(xué)生受益匪淺。

      [ 參 考 文 獻(xiàn) ]

      [1] 申永勝.機(jī)械原理教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006:50-120.

      [2] 韓曉娟.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:20-100.

      [3] 緊固件連接設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008:10-150.

      [4] 蒲良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2015:10-220.

      [5] 陸鳳儀.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011:30-100.

      [6] 江洪.Solidworks動(dòng)畫(huà)演示與運(yùn)動(dòng)分析實(shí)例解析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:10-140.

      [7] 楊魏.機(jī)械原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012:20-190.

      [8] 蔡曉君,傅水根,竇艷濤.依托教學(xué)實(shí)驗(yàn)基地構(gòu)建工程實(shí)踐教學(xué)新體系[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2007(9):125-127.

      [9] 蔡曉君,劉湘晨,竇艷濤.加強(qiáng)實(shí)踐教育 提高學(xué)生的工程素質(zhì)與能力[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009(1):136-138.

      [責(zé)任編輯:張 雷]

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