1、浙江海洋學院航 海 類 專 業 專 題 論 文題 目： 壁式控制箱的鉸鏈四桿機構式啟閉裝置設計學 院： 海運與港航建筑工程學院 學生姓名： 田恒國 專 業： 輪機工程 班 級： A11輪機3班 指導老師： 朱發新老師 起止日期：2015年1月18日2015年5月21日 2015 年 5月 21 日中 文 摘 要摘 要本文以AutoCAD為設計軟件，以壁式控制箱為研究對象，從壁式控制箱的技術規范要求和使用性能出發，針對現有壁式控制箱所存在的缺點和不足，設計出了新型的鉸鏈四桿機構式啟閉裝置，并簡單介紹了該裝置的工作原理、組成部件等方面的內容。最后并從結構可行性、技術及經濟可行性、操作可行性等方面論

2、證了設計出來的壁式控制箱的鉸鏈四桿機構式啟閉裝置。結果表明，該裝置是可行的。 關鍵詞：壁式控制箱；鉸鏈四桿機構；四桿機構；可行性 英 文 摘 要ABSTRACTIn this paper, based on AutoCAD design software to wall control box as the research object, from the wall to control the technical specification requirements and use performance of box, to the disadvantages of current wa

3、ll control box and the insufficiency, design a new type of hinge four-bar linkage type opening and closing device, and introduces the working principle of the device, components, etc. The practicability and from the structure, technical and economic feasibility, operation feasibility, demonstrates t

4、he designed wall control box hinge four-bar linkage type opening and closing device. The result shows that the device is feasible.Key Words: wall control box; Hinge four-bar linkage; Four-bar linkage; The feasibility 目 錄摘 要1ABSTRACT1第1章 緒論11.1 選題目的及意義1 選題目的1 選題意義11.2 國內外研究現狀21.3 主要研究內容3第2章 對現有壁式控制箱機

5、構的研究32.1 壁式控制箱結構特點32.2 分析現有壁式控制箱啟閉機構的優缺點4第3章 鉸鏈四桿機構及其演化機構簡介53.1 鉸鏈四桿機構基本類型53.2 鉸鏈四桿機構裝置的優缺點6第4章 壁式控制箱的四桿機構啟閉機構設計74.1 壁式控制箱的四桿機構啟閉機構的設計7 4.2 確定其結構組成及工作原理11第5章 可行性分析.115.1 結構可行性分析115.2 技術及經濟可行性分析.125.3 操作可行性分析.12結論與展望13參 考 文 獻14致 謝16第1章 緒論1.1 選題目的及意義 選題目的控制箱的應用，在我們的生活中隨處可見，控制箱適用于船舶、開廠礦、企業、商場、賓館、學校、機場、

6、港口、醫院、高層建筑、生活小區等場合，作為動力、照明配電及電動機控制之用，適合室內掛墻、戶外落地安裝的配電設備,是用來容納儀器儀表的箱體1-2。其啟閉裝置也多種多樣，傳統的臥式熱定型鍋的爐門啟閉機構采用絞鏈式,它的結構雖然簡單,但由于絞鏈支點是固定的,剛性較大,當存在制造誤差或發生變形時,爐門與機體端面很難真正密合3。一些啟閉裝置有的太過繁瑣、易損壞或者使用不方便，而事實上，工作時要求其啟閉機構應該開關靈活、密封良好、不易損壞4。相對而言，平面連桿機構在工程實際中的應用非常廣泛，不僅因其結構簡單、制造容易、工作可靠，還因為平面連桿機構能承受很大的載荷、能實現多種運動規律和運動軌跡5-6。為了實

7、現啟閉裝置開關靈活、簡單以及使用更加方便的目的，在此文中我主要針對鉸鏈四桿機構的啟閉裝置進行了設計，以期能在多方面得到應用。 選題意義目前，現有的壁式控制箱的啟閉裝置有按鈕式、旋轉式、門鎖式和電子式等。現階段的啟閉裝置，每種啟閉裝置都有其自身的結構特點和一定的適用范圍。其水平參差不齊，制造要求也無法滿足所需，壽命普遍偏低。而對于許多船舶設備，包括船用泵、空壓機、舵機、起貨機、絞纜機、錨機、船舶輔鍋爐、造水機等，每一種船舶設備都有其對應的控制箱或控制操作臺。通過操作控制箱里的不同按鈕或旋鈕，可以實現船舶設備的起動、停車、手動自動操作方式切換、電動液壓驅動方式切換、輔助管路（油、水、氣、汽、電）的

8、動力設備起動或停車、安全報警裝置顯示等功能。由于海上船舶的搖晃等及人員不小心觸碰控制箱中的按鈕等原因，造成船舶設備意外操作（起動或停車等），導致意外情況或安全事故發生7。因此，為了防止此類事故發生，船舶設備控制箱都需要設置啟閉裝置用以保護控制箱里的各種按鈕或旋鈕，避免誤操作。而平面連桿機構，因其成本低，操作簡單，工作可靠，耐久性好，維護保養簡單，且能承受很大的載荷，又不受控制箱門框形狀及所處位置限制，完全可以用作對新式壁式控制箱啟閉裝置的設計依據。因此在此文中我主要針對四桿機構的啟閉裝置進行了設計，以期能夠獲得組成簡單、操作方便、鎖緊可靠的四連桿式啟閉裝置。 1.2 國內外研究現狀作為機構學中

9、的重要一員,連桿機構一直是學者研宄的重點課題。直到19世紀80年代,才陸續出現了連桿機構綜合方面的較成熟的文獻8。Euler、Bolbillier等學者是平面連桿機構研究的最早先驅者,主要研究其運動學特性,并提出了運動幾何學經典理論,為后來者平面連桿機構運動學研究提供了強大的理論支持9,10。以S.S.Bloch等人為代表的學者建立起了機構綜合的平方逼近、插值逼近以及最佳逼近等方法,實現了某些軌跡綜合11,12。美國的Freudenstein和Sandor利用計算機對平面連桿機構進行輔助設計,實現了四桿機構再現函數的最優綜合13。J.C.Wolford把Burmester曲率理論應用于鉸鏈四桿

10、機構連桿曲線的曲率分析,為曲率理論的連桿機構提供了理論基礎14。我國對平面四桿機構的研究較多,但較多的是剛性機構的動力學特性分析,對柔性鉸鏈四桿機構的研宄較少。2003年，劉遠偉、常勇15通過提出并證明含移動副平面四桿閉鏈中移動副之整轉性的若干命題、定理,得到了系統、完備的含單、雙移動副平面四桿機構的類型判定定理組,它對含移動副平面四桿機構的設計與研究具有一定的指導意義。丁昊昊、龔偉、蔣超猛等人于2011年，在基于matlab強大的數值計算功能的基礎上，借助fsolve函數，建立了一個平面四桿機構模型，并對此進行運動仿真，為平面四桿機構的尺寸優化設計和運動分析提供了一條簡單實用的捷徑18。20

11、11年蘭州理工大學機電工程學院的吳卓等人在柔性鉸鏈四桿機構變形分析及仿真一文中，采用偽剛體模型法，對具有集中柔度的全柔性鉸鏈四桿機構進行了分析,得出了外載荷和轉角的一般計算公式,給出了計算實例,并與有限元軟件ANSYS仿真結果進行了對比。 近年來,隨著計算機技術的應用,平面連桿機構的研究方法得到了很大進展,解決了很多以前復雜平面連桿機構不易解決的設計問題。連桿機構結構簡單、壓力較小、承載能力大、潤滑好、磨損小,且加工制造容易并同時能獲得較高精度,能滿足工程或產品生產過程中轉動、擺動、移動等平面或空間運動要求,因此作為機構學中的重要一員,連桿機構一直是學者研宄的重點課題。1.3 主要研究內容(1

12、)分析壁式控制箱結構特點，查找壁式控制箱啟閉裝置設計相關資料，確定壁式控制箱啟閉機構的設計要求。 (2)從鉸鏈四桿機構基本類型、優缺點、特性等內容進行分析，為壁式控制箱的四桿機構啟閉機構設計提供理論支持。 (3）分析現有壁式控制箱啟閉機構的優缺點，以某一種壁式控制箱（空壓機控制箱）為研究實例，利用Auto CAD軟件設計壁式控制箱的四桿機構啟閉機構，確定其結構組成及工作原理。 （4）從結構、技術、操作性以及經濟性等方面分析該裝置的可行性。第2章 常用壁式控制箱啟閉裝置2.1 按鈕式壁式控制箱啟閉裝置 控制箱的應用十分廣泛，其啟閉機構的好壞也將直接或間接的影響其使用性能、壽命和普及情況。現簡單介

13、紹幾種常見啟閉裝置如圖2.1所示的緊急消防設備的啟閉裝置，其啟閉裝置主要是按壓式的，雖然方便，但是其按壓觸頭是塑料制品，嚴重影響其使用壽命，在長期使用后，按壓觸頭容易破裂，導致啟閉裝置失靈。圖2.1緊急消防設備存放箱及其啟閉裝置Figure 2.1 emergency fire fighting equipment storage tank and its opening and closing device 2.2 旋鈕式壁式控制箱啟閉裝置 控制箱的應用十分廣泛，其啟閉機構的好壞也將直接或間接的影響其使用性能、壽命和普及情況。現簡單介紹幾種常見啟閉裝置，如圖2.1所示的緊急消防設備的啟閉裝置

14、，其啟閉裝置主要是按壓式的，雖然方便，但是其按壓觸頭是塑料制品，嚴重影響其使用壽命，在長期使用后，按壓觸頭容易破裂。還有船舶電站的控制箱，其啟閉容易損壞中間的固定桿。如圖2.2所示，中間固定桿容易受到損壞，時間長了有可能折斷，從而影響其打開速度，在緊急情況下易造成不便。如圖2.3所示為網絡數據控制箱，其啟閉裝置是門鎖式結構，簡單、操作方便，長時間鑰匙會損壞或不小心遺失，這種內置鎖也經常會遇到鎖內卡簧壞掉，無法開啟的情況，以致對開啟帶來不便。 圖2.1緊急消防設備存放箱及其啟閉裝置Figure 2.1 emergency fire fighting equipment storage tank

15、and its opening and closing device 圖2.2船舶電站的控制箱啟閉裝置 圖2.3網絡數據控制箱啟閉裝置Figure 2.2 the ship power station control Figure 2.3 network data control box opening box opening and closing device and closing device 2.3 插銷式壁式控制箱啟閉裝置第3章 鉸鏈四桿機構及其演化機構簡介 3.1 鉸鏈四桿機構基本類型 鉸鏈四桿機構：由轉動副聯接四個構件而形成的機構，稱為鉸鏈四桿機構。鉸鏈四桿機構的組成：機架、連

16、架桿、連桿、曲柄、搖桿。鉸鏈四桿機構的基本形式：曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構。 (1）曲柄搖桿機構具有一個曲柄和一個搖桿的鉸鏈四桿機構稱為曲柄搖桿機構。 運動特性：假設曲柄為原動件，作勻速轉動；那么搖桿為從動件，作變速往復擺動。例如汽車前窗刮雨器與攪拌機均為曲柄搖桿機構的應用。（2）雙曲柄機構具有2個曲柄的鉸鏈四桿機構稱為雙曲柄機構。運動特性：兩個連架桿都是曲柄，都可以作整圈運動。平行四邊形機構主動曲柄每回轉一周，兩曲柄與連桿出現兩次共線，此時會產生從動曲柄運動的不確定現象。機車車輪聯動機構，就是平行雙曲柄機構的具體應用，它能保證被聯動的各輪與主動輪作相同的運動。 （3）雙搖桿機構具有

17、兩個搖桿的鉸鏈四桿機構稱為雙搖桿機構。運動特性：兩個連架桿都是搖桿，都只能作一定角度的擺動。例如起重機、飛機起落架即為雙搖桿機構的應用。3.2 鉸鏈四桿機構裝置的優缺點 鉸鏈四桿機構是應用很廣的一種連桿機構，連桿機構的最基本形式是平面四桿機構，它是其它連桿機構的基礎，四連桿機構的設計是支架架體設計的核心。 連桿機構之所以能被廣泛地應用于各種機械及儀表中，這是由于它具有顯著的優點：在不同的機構中，選擇不同的連桿曲線，幾乎可以完成任何平面動作10。由于運動副元素為圓柱面和平面而易于加工、安裝并能保證精度要求，且因各構件之間為面接觸而壓強小，便于潤滑，故其磨損小且承載能力大，兩構件之間的接觸是靠其本

18、身的幾何封閉來維系的，它不象凸輪機構有時需利用彈簧等力來保持接觸。 然而，連桿機構也有其不足之處：連桿機構的運動綜合較為繁難，一般情況下只能近似地實現給定的運動規律與運動軌跡的要求；由于連桿機構通常具有較長的運動鏈，加上運動副元素表面的磨損，因而將產生較大的運動累積誤差；由于連桿機構的慣性力不能得到完全平衡，因而不宜用于高速傳動中；連桿機構的性能受機構上繁多的幾何參數的影響，呈復雜的非線性關系，無論從性能分析上還是性能綜合上都是一個比較困難的工作11-13。盡管如此，連桿機構仍不失為一種基本的、主要的機構，且其應用越來越廣泛。 第4章 壁式控制箱的四桿機構啟閉機構設計4.1 鉸鏈四桿機構啟閉裝

19、置的工作原理為了克服現有的控制箱啟閉裝置存在的通用性差、易損壞、耐久性差等技術問題，本次設計提供了一種船舶設備控制箱的鉸鏈四桿機構式啟閉裝置，以下為四連桿機構設計的幾個要點:1）四連桿下鉸點不宜太低，太低會使安裝困難。2）前后連桿的長度要適當，減少支架輪廓尺寸，并對連桿受力有改善。3）前后連桿夾角越大，則連桿受力越小，所以前后連桿上鉸點越接近越好，以不影響連桿運動為原則。具體設計現附圖說明 圖4.1為船舶設備控制箱關閉狀態下的平圖面。圖4.1 船舶設備控制箱關閉狀態Figure 4.1 Marine equipment control box closed 在圖4.1中，1-控制箱；2-控制箱

20、門栓；3-控制箱門框；4-控制箱箱門；5-箱門轉軸。圖4.2為船舶設備控制箱開啟狀態下的平面圖。圖4.2 船舶設備控制箱開啟狀態Figure 4.2 Marine equipment control box open 在圖4.2中，1-控制箱；2-控制箱門栓；3-控制箱門框；4-控制箱箱門；5-箱門轉軸。圖4.3為船舶設備控制箱的鉸鏈四桿機構式啟閉裝置關閉狀態圖。圖4.3 船舶設備控制箱的鉸鏈四桿機構式啟閉裝置關閉狀態圖Figure 4.3 Marine equipment control box hinge four-bar linkage type opening and closing

21、device is closed在圖4.3中，A-連架桿上的連接銷；B-手柄上的連接銷；C-機架上的連接銷；D-機架上的連接銷；2-控制箱門栓；6-機架；7-手柄；8-連桿；9-連架桿；10-螺母；11-螺栓；12-螺母。圖4.4為船舶設備控制箱的鉸鏈四桿機構式啟閉裝置開啟狀態圖。圖4.4 船舶設備控制箱的鉸鏈四桿機構式啟閉裝置開啟狀態圖Figure 4.4 Marine equipment control box hinge four-bar linkage type opening and closing device open graph 在圖4.4中，A-連架桿上的連接銷；B-手柄上的

22、連接銷；C-機架上的連接銷；D-機架上的連接銷；2-控制箱門栓；6-機架；7-手柄；8-連桿；9-連架桿；10-螺母；11-螺栓；12-螺母。圖4.5為機架結構圖；圖4.5 機架結構圖Figure 4.5 frame structure 在圖4.5中，6-機架；C、D-機架上的連接銷。圖4.6為連桿結構圖。圖4.6 連桿結構圖Figure 4.6 connecting rod structure 在圖4.6中，8-連桿；13、14、15、16-連桿上的銷孔。圖4.7為手柄的結構圖。圖4.7 手柄的結構圖Figure 4.7 handle structure 在圖4.7中，7-手柄；17、18、

23、19、20-手柄上的銷孔。圖4.8為連架桿的結構圖。圖4.8連架桿的結構圖Figure 4.8 even frame pole structure 在圖4.8中，9-連架桿；21、22-連架桿上的銷孔；23-螺栓孔。4.2 主要組成部件 本次設計的啟閉裝置由機架、手柄、連桿、連架桿、螺母、螺栓、連接銷等組成，其中機架、手柄、連桿和連架桿組成鉸鏈四桿機構。工作原理：通過手動上抬手柄，帶動鉸鏈四桿機構運動，使得連架桿上的螺栓離開門栓，船舶設備控制箱可以被打開。手動下壓手柄，帶動鉸鏈四桿機構運動，使得連架桿上的螺栓壓緊門栓，船舶設備控制箱被關閉。使用一段時間后，如果螺栓端部或控制箱門栓被磨損變薄后，

24、可以旋動螺栓上的螺母，使得螺栓端部剛好壓緊在控制箱門栓上，此時可以保證控制箱關閉嚴密，防止控制箱產生晃蕩，影響其使用壽命14。第5章 可行性分析5.1 結構可行性分析本啟閉裝置比現有的啟閉裝置有很大的優越性，在結構方面具有如下優點： 1）裝置的結構設計具有很強的實用性和經濟性，所用的組件如連桿、螺栓、把手都是常見而且易于制造的； 2）結構的強度可以通過強度硬度校核，并且對于使用環境的不同可以適當調整桿件材料的厚度，以滿足不同條件下正常使用要求； 3）結構的安全性通過人性化設計來保障，把手安裝了絕緣絕熱材料，保障操作人員和設備的安全； 4）設計的鉸鏈四桿機構式啟閉裝置安全可靠、結構簡單、操作方便

25、。易于工作人員操作或者檢查和檢修控制箱內的設備。其大小可以根據控制箱的大小來調整，可以適應各種型號的控制箱。5.2 技術及經濟可行性分析在解決技術問題時，此次設計的壁式控制箱啟閉裝置采用的是鉸鏈四桿機構，技術方案為：通過鉸鏈四桿機構的轉動機構與工作特性，制造一種安全可靠、勞動強度低，主要是能使工作人員操作方便，以便達到更快捷的啟閉效果的壁式控制箱鉸鏈四桿機構式啟閉裝置。機架、手柄、連桿和連架桿組成鉸鏈四桿機構，通過手動上抬手柄，帶動鉸鏈四桿機構運動，使得連架桿上的螺栓離開門栓，船舶設備控制箱可以被打開。手動下壓手柄，帶動鉸鏈四桿機構運動，使得連架桿上的螺栓壓緊門栓，船舶設備控制箱被關閉。在經濟

26、性方面：使用一段時間后，如果螺栓端部或控制箱門栓被磨損變薄后，可以旋動螺栓上的螺母，使得螺栓端部剛好壓緊在控制箱門栓上，此時可以保證控制箱關閉嚴密，防止控制箱產生晃蕩，影響其使用壽命。該裝置結構簡單、制造方便，提高了安全保障，延長了使用年限，提高了工作人員的作業效率，采用四桿機構節省了材料，而且一些關鍵部件的可替換性降低了換新成本，符合了經濟性要求。5.3 操作可行性分析 本裝置操作簡單，由于鉸鏈四桿機構的工作特性，操作人員只需要搬動把手使之到達匹配位置，就可以輕松方便的開啟或是關閉控制箱。在設計時,將中間鉸接點,略偏于其它兩鉸接點連線的內側,確保了在最大夾緊力的情況下,始終保持夾具機構鎖定在

27、穩定狀態而不松脫，大大增強了裝置的可靠性。可以避免在使用中,因外力負載變化和機械振動的影響。對于一些需要快速啟閉裝置的地方，該啟閉裝置完全可以勝任，既簡單方便，又具有很強的可靠性，所以無需擔心在關鍵時刻無法打開或是關閉的情況。 結論與展望本文介紹的鉸鏈四桿機構式啟閉裝置,相對于常見的啟閉裝置而言，結構簡單，安裝簡便，被夾緊工件裝卸快捷，操作方便。這種鉸鏈四桿式啟閉裝置適用于多種設備控制箱，且不受控制箱門框形狀及所處位置限制，成本低，操作簡單，耐久性好，維護起來也很方便，一些組成部分也具有可替換性，可以換用新部件，使用壽命大大增加，降低了成本。所有零件經電鍍防銹處理，表面光潔美觀。對重負荷的夾具

28、，其關鍵零件經熱處理工藝，使之具有較高的強度和耐磨性。在啟閉也更加方便靈活的同時，兼顧了密封良好的特性,可將之推廣到諸多設備上。 參 考 文 獻1常綠,尹明德,歐陽祖行.綜合運用解析法和實驗法設計平面四桿機構J.淮陰工學院學報.2002(01):11-14.2王文博.利用運動幾何學原理設計具有急回運動的四桿機構的簡便綜合法J.北京化纖工學院學報.1986(02):117-118.3孫曉斌,肖人彬,周濟. 變參數四桿機構的設計及應用J.華中科技大學學報.2000(12):22-24.4閆思江,李凡國.  變桿長參數化四桿機構的運動學仿真J. 機械傳動. 2011,1

29、2:33-36.5楊秀娟.  鉸鏈四桿機構“學做合一”實踐教學探析J. 中國校外教育. 2013(32):11-14.6李和勤.  繪制平面四桿機構連桿圖譜的新方法J. 煙臺大學學報(自然科學與工程版). 2000(04) :5-7.7王介心,林良明.  四桿機構用于假肢設計的研究J. 機械設計與研究. 1986(03):11-13.8方秀平,文學洙.基于ADAMS的平面四桿機構仿真實驗平臺研究J.機械傳動.2012(10):3-6.9SMITH S T. Flexures: Elements of elastic mechanism

30、s.New York: Gordon and Breach Science Publishers,2000:355-357.10SAGGEREL,KOTA S.Synthesis of planar, compliant four-bar mechanisms for compliant-segment motion generation. Journal of Mechanical Design,2001:117-120.11BD Jensen,LL Howell.Indentification of compliant pseudo-rigid-body four-link mechani

31、sm configurations resulting in Bistable behavior Journal of Mechanical Design,2003:33-37.12M Moallem,R V Patel,K Khorasani. Nonlinear Tip-Position Tracking Control of a Flexible-Link Manipulator: Theory and Experiments .Automatica, 2001,37 :1825-1834.13UnruhV,Kishnaswami P. A. Computer-Aided Design Technique for Semi-Automated Infinite Point Coupler Curve Synthesis of Four-Bar Linkages.Journal of Mechanical Design, 1