―种手动剪扩破拆器的设计

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随着 地震 、火 灾 、车 祸等 灾 害频 发 ，破拆 器 作 为打通生命通道的工具在破障逃生 、抗灾救援中显得十分 重要 。 目前 常 用 的破拆 器 分动 力 破拆 、手 工 破拆和化学破拆三类。动力破拆器主要采用电、气、液作为 动 力源 ，化 学 破拆 器 以弹 药爆 炸所 产 生 的高 压气体 为 动力 源 。这 两类 破拆 威 力 大 ，但 均 需要 相 对应 的动力源 ，设备笨重 。手动破拆器以操作者 自身的力量来完成救援工作 ，不需要任何能源 。目前常用 的手 动破拆 器 有撬 斧 、撞 门器 、消 防 腰 斧 、镐 、锹 、刀 、斧 、绝缘 剪 ，结构 比较 简单 ，功能单 - 。针 对这 -情况 ，我们设计了-种手动剪扩破拆器 ，单兵操作 ，具 备 剪 断 钢 筋 、剪 切 钢 板 、扩 开 预 制 板 功 能 ，为 破障 、逃 生提供 -种 多功 能 的救 援装 备 。

-、 结构原 理通 过调研 ，分析现有破拆器结构 ，并结合试 验结 果 ，设 计 了如 图 1所 示 的手 动剪 扩 破 拆 器 ，其 工作原 理如 下 。[1摇动摇臂 1使之旋转 ，通过齿轮减速机构 2带动丝 杠 3旋 转 ，丝杠 螺母 副 4将 旋 转运 动 转变 成 直线 运 动 ，螺 母 副 4推 动 或者 拉 动 连 杆 5作 推拉 运动，带动钳 口 6以中心销为支点旋转 ，实现钳 口 6剪切 与扩 张功 能 。摇臂 上 的手摇 力通过 齿轮 减速 机构 、丝 杠 螺母 、连 杆 逐 次放 大 ，达 到 足够 的剪 、扩力来 剪切 钢板 ，剪 断钢筋 及扩 开 障碍物 。

收稿 日期 ：2012-12-22基金项目：襄阳市科技局工业引导计划项目(2010GG1B37)作者简介：涂家海(1968-)，男，湖北仙桃人。副教授，研究方向：机械电子。

201.摇臂 2.齿轮减速机构 3.丝杠 4.丝杠螺母 5.连杠6.钳口 7.中心销 8.角轴承 9.向心轴承图 1 手动剪扩破拆器整体设计二、部件设计(- )连杆机构如 图 1所 示 ，手动 剪扩 破拆 器 中的钳 口 1、中心销 7、连杆 5和丝杠 螺母 4组 成 了-个 曲柄 滑块 机构 。曲柄 滑块 机 构- 般是 以 曲柄 为 主动 件 ，通 过连杆驱动滑块 ，把曲柄的旋转运动转变成滑块的往复直 线 运动 ，实 现 两种 不 同运 动方 式之 间的转 换 。这里 以丝 杠 螺母 (相 当于滑 块 )作 为主 动件 ，螺母 往 复运动 ，通过连杆驱动钳 口(相当于曲柄 )绕 中心销在- 定 范 围内往 复转 动 ，实现钳 口的张开 闭合 。

(二)齿轮减速机构如 图 2所示 ，由 2个直齿圆锥齿轮构成齿 轮减- 种手动剪扩破 拆器的设 计速 机 构 ，两 个齿 轮旋 转 轴垂 直相 交 。齿 数 比 2，初定 小 齿 轮 大 端分 度 圆直 径 d。40 mm，小 齿 轮 齿 数l10，小 齿 轮 大 端 模 数 m4 mm，大 齿 轮 分 度 圆 直径 d：80 mm，分 锥 角 6126.6。，艿263.4。，锥 距 R44.7 mm，齿 宽 b15 mm，，平 均 分 度 圆直 径 34mm，中锥 距 R 38.0 17/，7/，，平 均 模 数 M 3.4 71，m，齿顶高 a4 mm，齿 根 高 h14.8 mm，齿 根 角 o/5.6。，齿顶 角 oa5.1。，顶锥 角 。31.7。，6a268.5。。根 据 锥 角20.9o和 57.8o，齿 顶 圆 直 径 da 47.2 mm 和da383.6 m，tn，大端分度 圆齿厚 S6.3 mm，大端分度圆弦 齿厚 S 6.2/7/，/7/，和 5：6.3 irnm，大 端分 度 圆弦 齿高 ha4.2 mm，当量齿数 。1 1和 ：44。齿轮材料选 用 调质 钢表 面淬 火 52HRC。21图2 齿轮参数图齿轮减速机构 的作用-是将摇臂力矩 放大传递到丝杠 ，二是改变输人扭矩 的方向以达到稳定整个钳身便于操作的 目的。若摇臂位于丝杠后端 ，手摇力的分力则产生 -个使整个 钳体沿钳身轴线旋转的趋势 ，使得操作很难把握 。当摇臂位于钳身侧面 时 ，相 当 于钳 口和 主 把 手 两 点 固定 ，操 作 过 程 较为平 稳 。

(三 )丝杠 螺母丝杠 与螺母形成螺旋 副 ，丝杠旋转使螺母形成往 复直 线 动动 。丝杠 是 整 个 破拆 器受 力 的 中心 ，丝杠安装方式对整个破拆器整体受力有重要 的影响 ，选择 合 理安装 方 式可 以增 加钳 身 牢 固性 。在 图 1所示 的设 计 中采 用 了-端 固定 -端 支 撑 的安 装 方式 ，在靠 钳 口端 ，采 用面 对 面安 装 的 2个角 轴 承 8，是 固定端 ；另-端采用 1个 向心球轴承 9，是支撑端。丝杠轴 向荷 载均 集 中在靠 钳 口-端 ，整 体 上 使破 拆 器更加 牢 固 。

(四 )钳 口钳 口集 剪 扩 - 体 ，- 钳 多 用 ，刃 口设 计 考 虑 防滑 。钳 口前端 四方 形部 分 用 于 扩张 ，大 圆弧 刃 口处用 于剪 切 板材 ，月牙 形 刃 口处 剪 切棒 料 。月牙 形 设计防止 了圆钢滑脱 ，起到防滑作用。钳 口集合 了扩张钳 和绝 缘剪 的扩 张 与剪 切 功 能 ，使 用 过 程无 需 拆卸组合 ，方便快捷且质量较轻 。刃 口楔角角度选择适 当 ，既保证 了刃 口具有-定 的强度 ，又保证 了刃口具有 足够 的韧 性 。

钳 口材料及 热 处理 直 接决定 了钳 口强度 。常 用的建筑类钢筋硬度-般在 13～18HRC之间 ，所 以，钳 口的硬 度不 应 该小 于 55HRC，钳 口刃要 具有 较 强的淬透 性 。钳 口经过 最终 热处 理 具备外 部 坚硬 内部柔韧 的特点 。在 机械 加工 前 ，钳 口毛坯 的硬 度在 30～35HRC之间。根据以上要求 ，钳 口材料我们选用含有 高 Cr的工 具 钢 ，这样 ，就 可保 证 毛胚 经 过 退 火 处理具有较高 的机械加工性能 ，最后 ，经 过表面渗碳处 理获 得较 高 的硬 度 。[31三、增力倍数计算在 设 计 中力 放 大 的措 施 主要 有 齿 轮 减速 增 力 、螺 旋增 力 和杠 杆IN.理增 力 。

设计中，齿轮减速比为 2：1，丝杆的螺旋升角约为 3.5-3.8。，丝 杆 直 径 d24 mm，摇 臂 长 度 约 为200-250 m，n。

(2)螺旋增力培数计算 。螺旋线是直角三角形的斜边 在 园柱 上形 成 的 曲线 ，斜边 的升 角 为螺 旋 升角 0，摩 擦 角 为 ，受 力 分 析 如 图 3所 示 ，FWtan( )。

图 3 受力分析图(3)摇 臂 、减 速齿 轮及 螺 旋形 成增 力 培数 计算 。

摇 臂 上 力 矩 通 过 齿 轮 放 大 后作 用 在 丝 杠 上 ，为 摇 臂 的 长 度 ，则 作 用 的 摇 臂 上 的力 ： F：tan(Oq)。

齿 轮放 大倍 数 为 2， 2 帆 ( )帆 ( )，通 过 (1)、(2)计 算 知 ，摇臂 、减 速齿 轮及 螺 旋 增力倍数为 ： L，即 180。

连杆 ED是将螺母 的推 拉力 传 递给钳 口的D端 ，设有 效 力 为 ，其受 力 分 析 如 图 ，FeWCOS(O)SlN(O)，力 放 大 倍 数 为 ： cos(0)siN(o)，三角形三边有二边分别为 130 mm、1 10 mm，第三边范围(滑 块 活动边 的范 围 )值 为 140 mm 至 221 mm，根据三角函数公式得 0在 22。至 58。之 间 ， 在 45。到21涂家海，张国豪，张晓红 ，苗典武106。之 间 ，放 大倍 数在 0.65至 0.45之 间 。

钳 口杠杆增力下面分扩张 、剪钢 、筋剪板三种情 况说 明 。

扩 张 时 ：钳 口以 c点旋 转 ，则 DCA 形 成 杠 杆 ，其臂分 别是 Lcd、Lca， 盟 ，即 0.72。

r d L CA剪钢筋时 ：力作用点在 B点 ，杠杆臂长分别是Lcd、Lcb， ，即 3.3。

综上述计算 ，破拆器整体力 的放大倍 数计算可归纳 成表 1。

四、结论根 据设 计 制 作 的手 动 剪 扩 器 在 工 地 现 场 使 用效果显著 。在-建筑物拆 除现场 ，用试制的手动破拆 器 较轻 易 地剪 断建 筑 18 mm钢 筋 ，剪 断 3 am钢 板 ，扩 张预 制板 ，扩破 钢筋 窗体 ，效果 明显 。如 图 4所示。 -表 1 破拆器力放大倍数理论计算表图4 剪扩效果图