蔡曉君+郭麗峰+張瑞+徐林林

[摘 要]大學生課外科技活動，靈活運用多種機械原理機構(gòu)有效提高學生的設(shè)計能力，設(shè)計完成一種雙向自動爬管（桿）裝置，可以在該裝置中巧妙運用變異曲柄滑塊機構(gòu)、剎車機構(gòu)和交替卡緊機構(gòu)等多種機械原理機構(gòu)。裝置總體構(gòu)思巧妙，僅通過控制電機正反轉(zhuǎn)即可實現(xiàn)裝置在管（桿）上的雙向運動，并實現(xiàn)交替卡住機架和上爪的剎車等操作，是一種很好的管道或桿件檢測、清潔、維護等操作工具。

[關(guān)鍵詞]機械原理；機構(gòu)；爬管裝置；曲柄滑塊；剎車塊結(jié)構(gòu)

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）07-0128-02

機械原理課程設(shè)計是高等學校機械類專業(yè)學生在《機械原理》課程理論教學完成后進行的一項重要的綜合性實踐教學訓練活動。學生通過機械原理課程設(shè)計可以進一步鞏固、掌握并初步運用機械原理的知識和理論，培養(yǎng)學生機械系統(tǒng)運動方案設(shè)計能力、解決實際問題的能力以及機械開發(fā)創(chuàng)新能力。在設(shè)計題目的設(shè)置時，摒棄了由授課教師獨立確定題目的“一言堂”做法，教師、學生、家長共同參與題目設(shè)定，并與實踐緊密結(jié)合。機械原理課程設(shè)計題目由三部分組成：（1）封閉式題目——教師命題，保留多年來的經(jīng)典設(shè)計題目并作適當擴展；（2）半開放式題目——結(jié)合學科競賽、教師科研項目等實際需求，教師、學生共同提出項目功能目標，設(shè)定成果方式；（3）開放式題目——主要由學生自主選題確定。學生自主選題主要考慮學生以及家庭研究淵源，學生長期感興趣、有一定研究積累的特長，家長在特定領(lǐng)域研究成果的拓展等。

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

在雙向管道爬行裝置的設(shè)計與制作中，學生首先對該裝置的實際運用進行了深入的調(diào)研。發(fā)現(xiàn)工程實際中存在大量的管道或者桿狀的結(jié)構(gòu)，對于它們的維護、監(jiān)測、清潔的手段相對比較落后，基本靠人力手工完成。如能設(shè)計一種在管（桿）狀結(jié)構(gòu)上自動靈活雙向移動的裝置，實現(xiàn)方便、快捷、平穩(wěn)的爬動，將非常必要，而且可將該裝置作為一個平臺，整合在其他的裝置上完成所需的既定動作，在生產(chǎn)生活實際工作中將扮演多種運送機械手的重要角色。

一、爬管（桿）裝置總體設(shè)計思路

為了實現(xiàn)裝置在管上自由爬動，而且運行平穩(wěn)安全，結(jié)合機械原理已知各個運動機構(gòu)，最終選擇變異曲柄滑塊機構(gòu)為主體爬行機構(gòu)，而鎖緊機構(gòu)確定為轉(zhuǎn)動的剎車橡膠塊機構(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構(gòu)中，A為裝置工作時依附的管（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為電機驅(qū)動的曲柄，可以整周轉(zhuǎn)動，安裝在機架上。E為滑動擺桿，能在曲柄的帶動下左右擺動，F(xiàn)為機架，可套在管A上。

電機驅(qū)動曲柄D，在曲柄D驅(qū)動下，滑塊機構(gòu)能實現(xiàn)裝置在管構(gòu)件上的上下爬動的要求，而鎖緊機構(gòu)則整合在上爪B和機架F上，實現(xiàn)上爪和機架的交替鎖緊，從而達到設(shè)計目的。

二、變異曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，所爬的管（桿）機構(gòu)直徑在50～100mm范圍內(nèi)，其余各運動機構(gòu)的尺寸均按該要求設(shè)計。根據(jù)實際裝置的尺寸，計算選擇曲柄D的長度為Ld=100mm，曲柄D與連桿C的尺寸比設(shè)計為1∶3，故連桿Lc=300mm，擺桿E設(shè)計為與連桿C等長，即搖擺LE=300mm。為確保裝置在管（桿）構(gòu)件上平穩(wěn)運行，選擇其平均爬行速度為v=10mm / s，曲柄轉(zhuǎn)動一周裝置爬行400mm，用時40s，所以曲柄角速度ω=1.5r / min。圖2為設(shè)計完成的裝置整體三維模擬圖。

如圖2所示，工作時驅(qū)動電機安裝在機架F上，隨著電機運動帶動曲柄D轉(zhuǎn)動，當機架F夾緊時，曲柄D轉(zhuǎn)動帶動連桿C的上爪B移動；當上抓B加緊時，曲柄D轉(zhuǎn)動時可帶動連桿C及機架F移動。這樣上爪B與機架F交替加緊、移動，可以完成裝置在管（桿）上的平穩(wěn)滑動。

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

三、轉(zhuǎn)動剎車塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為保證上抓B和機架F能夠平穩(wěn)、連續(xù)交替夾緊管（桿）構(gòu)件，特別設(shè)計制作了用于夾緊的轉(zhuǎn)動剎車塊結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

如圖5所示轉(zhuǎn)動剎車塊設(shè)計成中間凹狀結(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，運動時剎車塊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)到一定位置時能保證在管（桿）構(gòu)件上卡緊上爪B或機架F，從而達到裝置交替爬動的目的。

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

同理，如圖7所示，曲柄轉(zhuǎn)動D，滑動擺桿E隨之擺動，剎車塊H與擺桿E固連，剎車塊H也隨擺桿E轉(zhuǎn)動，由于轉(zhuǎn)動剎車塊結(jié)構(gòu)形狀的特殊性，其會在一定位置下帶動機架F卡緊在管（桿）上。圖8、9、10、11為剎車塊工作狀態(tài)示意圖。

以裝置上行為例，當機架F上的滑動擺桿E帶動剎車塊轉(zhuǎn)到圖8位置時，剎車塊把機架F卡緊在管（桿）上，此時上爪B剎車塊處于松開狀態(tài)如圖9所示，由于電機轉(zhuǎn)動，連桿會推動上爪B向上移動；而當機架F剎車塊轉(zhuǎn)到圖10位置松開時，上爪B剎車塊則轉(zhuǎn)到圖11位置卡緊狀態(tài)，電機轉(zhuǎn)動此時會拉動機架F向上移動，這種周而復始的運動，完成整個裝置沿管（桿）穩(wěn)步上行。只要改變電機轉(zhuǎn)向，裝置可實現(xiàn)平穩(wěn)下行，裝置下行原理相同。

由于剎車塊是橡膠材料，加工方便，其工作時靠摩擦力來鎖緊上爪B或者機架F，所以其尺寸需要根據(jù)工作依附面的具體情況來選材及設(shè)計尺寸。

四、結(jié)論

雙向自動爬管（桿）裝置，主要由曲柄、連桿、滑動擺桿、上爪、機架、電機、銷釘、螺栓、螺母、剎車塊、滑輪零部件組成。電機帶動曲柄滑塊裝置運行，并通過整合在其上的剎車塊的轉(zhuǎn)動，上爪和機架交替卡緊，從而使得裝置實現(xiàn)上爬或下爬。整個機構(gòu)設(shè)計獨特，構(gòu)思巧妙，能最安全便捷的實現(xiàn)在管狀物體上的平穩(wěn)移動，為工程中的管道檢測維護實現(xiàn)自動化提供了一個很好的平臺。

通過理論與實踐教學活動、課外科技活動、科學研究等途徑，在指導學生深入學習理論知識的前提下，將教學與大學生課外科技活動有機結(jié)合，通過項目驅(qū)動的方法貫穿始終，使學生受益匪淺。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 申永勝.機械原理教程[M].北京：清華大學出版社，2006：50-120.

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

[3] 緊固件連接設(shè)計手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008：10-150.

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

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

[6] 江洪.Solidworks動畫演示與運動分析實例解析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006：10-140.

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

[8] 蔡曉君，傅水根，竇艷濤.依托教學實驗基地構(gòu)建工程實踐教學新體系[J].實驗技術(shù)與管理，2007（9）：125-127.

[9] 蔡曉君，劉湘晨，竇艷濤.加強實踐教育 提高學生的工程素質(zhì)與能力[J].實驗室研究與探索，2009（1）：136-138.

[責任編輯：張 雷]