張良，徐培炘，葉慧，王澤宇，黃鵬程

魚缸提運裝置的設(shè)計研究

張良，徐培炘，葉慧，王澤宇，黃鵬程

（蘇州市職業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104）

為解決家用大型魚缸的搬運及清潔問題，研究設(shè)計一種魚缸提運裝置。通過分析魚缸提運裝置的研究現(xiàn)狀、應(yīng)用價值和市場前景，提出魚缸提運裝置方案設(shè)計的必要性及其優(yōu)點。設(shè)計魚缸提運裝置的整體方案、裝配方案，描述其使用方法。對魚缸提運裝置的主要部件進行選材及計算，并對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，以保證魚缸搬運過程中的安全性。

大型魚缸；魚缸提運裝置；方案設(shè)計；選材及計算

隨著時代的發(fā)展，人們對于生活品質(zhì)的要求越來越高，很多人把養(yǎng)殖魚類作為日常愛好之一[1]。在家中養(yǎng)殖觀賞魚類，必須用到魚缸，而魚缸作為家庭裝飾品的一種，同樣深受養(yǎng)魚愛好者的喜愛。魚缸多為玻璃材質(zhì)，由于玻璃易碎，搬運過程中容易導致魚缸破碎[2]。而家用魚缸以圓形居多，不易提運，因此，魚缸在家中往往都會擺放在固定的位置。如果需要變換大型家用魚缸的位置，需要很多個人一起抬起，每個人所抬起的高度還必須一致，這樣才能避免魚缸的損壞。另外在對家里進行打掃時，往往需要移動魚缸的位置，此時清潔人員需要配備一款魚缸提運裝置，便于魚缸的搬運以及衛(wèi)生清潔工作。

1 魚缸提運裝置的研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)對于魚缸提運裝置的設(shè)計研究十分罕見，對于家用大型魚缸的搬運工作，往往需要采用多人同時搬運的方式，這種陳舊的搬運方式，既耗費人力，又容易導致魚缸的損壞。并且在搬運的過程中，需要先把魚缸清空，費時又費力[3]。魚缸提運裝置能夠有效解決這方面的問題。采用魚缸提運裝置搬運魚缸時，僅需一名工作人員，即可搬運大部分型號的家用魚缸，能夠省下大部分的人力。在搬運魚缸前，無需將魚缸全部清空，并且能夠保證魚缸在搬運過程中的安全問題，不會導致魚缸的破損[4]。因此，魚缸提運裝置具有十分良好的應(yīng)用價值和市場前景。

2 魚缸提運裝置的方案設(shè)計及優(yōu)點

2.1 魚缸提運裝置的方案設(shè)計

圖1所示為魚缸提運裝置的設(shè)計示意圖，圖1中，部件1為手提架，能夠單人進行魚缸提運操作。部件2為接有手提架的魚缸提運固定架本體，能夠承受家用大型魚缸的大部分重量。部件3為夾緊臂，用于夾緊圓形家用魚缸，并承受部分魚缸的重量。部件4為彈簧拉扣，部件5為拉伸彈簧，部件6、7為兩個拉簧，部件8為漸開線鎖死板，部件4—8用于鎖緊夾緊臂，以適用不同大小的家用魚缸。部件9為拉伸彈簧裝置的蓋板，防止操作人員在搬運過程中手部受傷。部件21為滑動槽，部件22為鎖緊桿，部件23為限位板滑，部件31為動板，以上各部件使夾緊臂能夠在滑槽中順暢地調(diào)整位置，且能夠限制夾緊臂的位置移動。部件32為固定軸，部件33為卡合框，部件41為觸碰板。

1—手提架；2—提運固定架；3—夾緊臂；4—拉扣；5—彈簧；6—扭簧；7—拉簧；8—漸開線鎖死板；9—蓋板；21—滑動槽；22—鎖緊桿；23—限位板滑；31—動板；32—固定軸；33—卡合框；41—觸碰板。

裝配時，以中間固定連接有手提框的固定架為本體，在手提框兩側(cè)的固定架上分別設(shè)置對稱的滑動槽、鎖緊桿以及固定在滑動槽兩端的限位板；固定架下方設(shè)置有對稱的夾緊臂，且夾緊臂的上方設(shè)有可在固定架上的滑動槽內(nèi)配合滑動的方形滑動板；滑動板和手提框底部之間設(shè)置有拉簧，且拉簧兩端分別與滑動板和手提框固定連接；滑動板上設(shè)有固定軸和與固定軸配合轉(zhuǎn)動的漸開線鎖死板以及扭簧；滑動板上設(shè)有彈簧和配合在彈簧內(nèi)可壓縮彈簧拉動的拉扣，且拉扣底部設(shè)有觸碰板。

使用時，向手提框兩側(cè)拉動拉扣，滑動板板克服拉簧拉力在固定架的滑動槽內(nèi)滑動，此刻拉扣上的觸碰板壓縮彈簧，觸碰板開始低壓漸開線鎖死板；同時漸開線鎖死板克服扭簧扭力繞固定軸轉(zhuǎn)動，漸開線鎖死板與鎖緊桿分離；當夾緊臂張開距離大于魚缸直徑時，松開拉扣，滑動板在拉簧的拉動下向中間運動，夾緊臂向魚缸靠攏；當夾緊臂上卡合框卡夾在魚缸壁上時，滑動板停止運動，此時漸開線鎖死板在扭簧的扭力下鎖緊在鎖緊桿上，然后握住手提框開始提運。

2.2 魚缸提運裝置的設(shè)計優(yōu)點

魚缸提運裝置的設(shè)計方案較為人性化，其技術(shù)優(yōu)點主要有以下幾點：①夾緊臂中設(shè)有橢圓形卡合框，橢圓形卡合框可卡夾在魚缸兩側(cè)，能夠配合各種型號的家用魚缸；②鎖緊桿置于固定架上方，且鎖緊桿與固定架中間的空隙形成矩形狀，滑動槽扭簧兩端分別抵壓在漸開線鎖死板和滑動板上，扭簧使?jié)u開線鎖死板始終有逆時針旋轉(zhuǎn)的力，防止搬運過程中夾緊臂無法完全鎖緊，導致魚缸意外滑落的問題；③滑動板上設(shè)有可拆卸的蓋板拉動拉扣，觸碰板通過中間部分抵壓漸開線鎖死板，漸開線鎖死板與鎖緊桿配合鎖死，結(jié)構(gòu)巧妙，使用便捷。

3 魚缸提運裝置的零部件選擇與計算

3.1 零件材料的選擇

魚缸提運裝置主要由本體、夾緊裝置、復(fù)位裝置、拉伸機構(gòu)、固定把手及各個關(guān)節(jié)處的螺栓銜接等幾部分組成。

彈簧：夾緊裝置中的彈簧是最核心的零件，其物理性能對提運裝置整體性能影響最大。魚缸提運裝置為對稱結(jié)構(gòu)，彈簧分布排列時，應(yīng)保證彈簧過孔中心到邊緣距離大于外徑，與其他零件保持有5 mm以上實體壁厚。對于螺旋拉伸彈簧，應(yīng)當優(yōu)先選用經(jīng)過強化處理的鋼絲、鉛浴等溫冷拔鋼絲和油淬火回火鋼絲，具有較高的強度和良好表面質(zhì)量，疲勞性能高于普通淬火回火鋼絲，加工簡單，工藝性好，質(zhì)量穩(wěn)定。因此，優(yōu)先選用油淬火回火鋼絲。

本體：本體是魚缸提運裝置最基本的結(jié)構(gòu)，是所有零件裝配的載體，決定了所提運魚缸尺寸的大小，是功能實現(xiàn)的的基礎(chǔ)。此外，本體還要承擔固定支撐和實現(xiàn)調(diào)節(jié)的作用。由于本體是主要的質(zhì)量來源，因此合理地選擇材料尤為重要，在不影響其性能的條件下，盡可能地選擇輕質(zhì)量、高強度、高硬度的材料。考慮其經(jīng)濟性，45號鋼是最優(yōu)選擇，但是這是一種中碳鋼，淬火性能并不好，本體需要較高的硬度，又希望發(fā)揮45號鋼優(yōu)越的機械性能，因此在加工工藝過程中將45號鋼表面滲碳淬火，這樣就能得到更高的表面硬度，大大提高裝置的穩(wěn)定性。

夾緊臂：夾緊臂是魚缸提運裝置的主要結(jié)構(gòu)，夾緊臂需要實現(xiàn)一定的固定夾緊的功能，且要有一定的強度要求。其物理性能對裝置實現(xiàn)其功能起決定性作用，決定了所提運魚缸的尺寸大小，夾緊臂需要反復(fù)使用，因此應(yīng)選擇高耐磨性、高硬度的復(fù)合材料，例如耐磨合金鋼系列中、低、高碳多元金合鋼（ZG40SiMnCrMO和ZG35Cr2MoNiRe）等。

拉扣：拉扣與彈簧銜接，在工作過程中需要克服彈簧的彈力，在夾緊過程中需反復(fù)使用到拉扣，因此，其強度與硬度應(yīng)滿足工作要求，在夾緊過程中，使用者需要接觸拉扣，考慮到其操作的舒適性與反復(fù)使用性，拉扣的材料應(yīng)選用合金鋼，設(shè)計時拉扣的尺寸不應(yīng)過大。材料的尺寸越大，由于各種冷加工和熱加工工藝所造成的缺陷可能性越高，產(chǎn)生表面缺陷的可能性也越大，這都會導致疲勞性能下降，從而影響魚缸提運裝置的整體性能。

3.2 彈簧參數(shù)的計算

在夾緊裝置中，由于彈簧的拉力提供夾緊力，夾緊時，需考慮尺寸條件限制。彈簧設(shè)計中，旋繞比（彈簧指數(shù)）是最重要的參數(shù)之一，=2/，彈簧指數(shù)愈小，其剛度愈大，彈簧愈硬，彈簧內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力相差愈大，材料利用率低；反之彈簧愈軟。

假設(shè)彈簧拉力為50 N，則強度計算公式為[5-6]：

式（1）中：為曲線系數(shù)；為載荷；為彈簧指數(shù)（亦稱旋繞比），=2/；[]為彈簧材料的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

查表得45鋼[]=30～40 MPa，取10。通過計算得≥5.08 mm。所以取為6 mm。

由圓柱彈簧受載后的軸向變形量得：

當今市面上大魚缸尺寸為1 000 mm，故設(shè)計夾緊臂身長尺寸為1 500 mm。

則彈簧的圈數(shù)為：

式（2）中：為彈簧有效圈數(shù)；為彈簧材料的切變模量，查表切變模量=79 GPa；為單側(cè)彈簧軸向變形量，=750 mm。

計算得彈簧的圈數(shù)為57圈，因此彈簧圈數(shù)取60圈即滿足工作要求。

4 結(jié)語

在魚缸提運裝置的設(shè)計研究中，分析了國內(nèi)研究現(xiàn)狀和市場應(yīng)用前景，設(shè)計了魚缸提運裝置的整體方案及裝配方法，對魚缸提運裝置的主要部件材料做了選擇，計算了彈簧的參數(shù)，完成了魚缸提運裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。魚缸提運裝置機構(gòu)簡單、操作便捷、空間占用小，并且能夠保證魚缸搬運過程中的安全性，因此，該魚缸提運裝置具有一定的應(yīng)用價值。

［1］范靜，趙萍萍，王婷.智能魚缸環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計［J］.信息系統(tǒng)工程，2018（10）：107.

［2］劉偉，林開司，劉安勇.基于物聯(lián)網(wǎng)的魚缸智能控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.淮海工學院學報（自然科學版），2016（12）：1-4.

［3］唐韜.魚缸（暖山）［P］.中國專利：2019300032260，2019-01-04.

［4］陳勤亞.魚缸［P］.中國專利：2018101155879，2018-02-06.

［5］聞邦椿.機械設(shè)計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［6］邱宣懷.機械設(shè)計［M］.北京：高等教育出版社，2004.

S969.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.026

2095－6835（2020）08－0066－02

〔編輯：王霞〕