平衡吊-力學(xué)平衡原理應(yīng)用一例

1、平衡吊力學(xué)平衡原理應(yīng)用一例王克在工廠車間里搬運重物，往往都是采用起重機、電葫蘆、工業(yè)機械手等。但對于需要頻繁吊裝、作業(yè)時間短的場合，如機床上下工件，裝配工作吊裝零部件，流水線上的定點工作等等；對于要求比較精確定位的場合，如鑄造中的下芯、合箱等等，一般起重設(shè)備常不適用，工業(yè)機械手多用于生產(chǎn)自動線上或單一的重復(fù)操作，而且成本較高，目前，一般車間使用較少。近20年來，出現(xiàn)的一種新型的定點起重設(shè)備“平衡吊”（Balance Arm），適用于幾十到幾百千克工件的定點頻繁吊運。它的結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活，特別適合于一人操作，直觀感覺好，制造、維修方便，在生產(chǎn)中已逐步得到推廣，受到工人的歡迎?！捌胶獾酢钡脑硇?/p>

2、穎，設(shè)計者巧妙地運用了力學(xué)中的平衡原理，圖1是一臺平衡吊的簡圖。掛在平衡吊吊鉤上的重物，用手扶著，可以隨意在吊裝高度的平面內(nèi)運動，控制升降的電鈕開關(guān)，裝在吊鉤處，通過電動機和傳動使重物升降。操整理一手扶著吊件，一手隨心所欲地操縱吊件升降、回轉(zhuǎn)、移動，好像一只放大了的手那樣，運用自如。當(dāng)然手上還是有一點力感，這是由于理論和實際不完全一致所帶來的。比如，工藝、安裝上的誤差，實際存在的變形和摩擦力等等。實踐中，這點力感很小，反而給操整理一點習(xí)慣的感受。圖1的平衡吊主要由傳動、桿系、回轉(zhuǎn)座和立柱等組成。立柱和回轉(zhuǎn)座的作用是顯而易見的。傳動是控制被吊物件升降的，常用的有機械傳動和液壓傳動。平衡吊為什么能

3、在空載或負載時，吊鉤在平面內(nèi)任一點處于平衡狀態(tài)，即力學(xué)中的隨遇平衡呢？這正是設(shè)計者在桿系設(shè)計中，巧妙地運用了力學(xué)中平衡的原理。桿系由ABD，DEF，BC，CE四桿鉸接組成一個平行四連桿機構(gòu)，其中在桿系的A，C處置兩個滾輪，安放在傳動箱的垂直和水平導(dǎo)槽內(nèi)，電機通過傳動使A輪升降，達到重物升降的動作。電機不工作時，A輪可以視為不動，猶如一個固定鉸鏈，此時桿系如圖2所示。先將桿系的桿件理想化為剛體，自重不計，尺寸無誤差，各節(jié)點處摩擦不考慮。可以看出，BC和CE兩桿皆為二力桿，靜平衡時，二力桿上的兩個力大小相等，方向相反且沿桿軸線作用。ABD和DEF兩桿則為三力桿，在靜平衡條件下，三力桿的三個力必交于

4、一點。拿整個桿系來分析，滾輪C的水平運動是引起吊鉤（重物）作水平變幅運動的原因。在不計摩擦的情形下，平衡吊的吊鉤（重物）在該水平的任意位置時，只要C點的水平反力（分力）為零，即C點只有垂直反力，平衡就可以達到。此時，由于系統(tǒng)中重力G和C點的反力RC都是垂直方向的力，系統(tǒng)中A點處的反力RA也必須是垂直的。桿系滿足什么條件，才能保證RA是垂直的呢？先看DEF桿，該桿在重力G和D，E鉸鏈對DEF桿的作用力TD和TE的作用下平衡。TE力的方向沿CE桿軸線，TD力則必沿D點和G與TE力交點K的連線方向。G，TE和TD的指向，可通過力三角形得到，示于圖2上。再看ABD桿，該桿也在三力作用下平衡。鉸鏈D給A

5、BD桿的作用力TD，大小與TD相等，指向相反。鉸鏈B給ABD桿的作用力TB，沿CB軸線方向。RA沿TD與TB兩力交點J的連線方向。三力的指向亦可以通過力三角形得出，示于圖2上。要使系統(tǒng)處于隨遇平衡狀態(tài)。RA要保持垂直，即圖2上的AJ為一垂線才行。設(shè)桿長如下：若要保證A點的反力沿垂直方向，必須AJFK此時顯然有KEFABJ，KDEDJB得到或即（l3-l4）l4=（l1-l2）l2或l3l4=l1l2只要桿系中各桿滿足上述關(guān)系，平衡吊即可在理想條件下，吊鉤（重物）處在水平的任意位置上達到隨遇平衡。因為這是理想條件下的關(guān)系式，叫做原型平衡條件。實際設(shè)計中，常取l1l3，l2l4。原型平衡條件下還有

6、一個有趣的幾何關(guān)系，即A，C，F(xiàn)位于一直線上。實際的平衡吊要復(fù)雜得多，因為桿件都有重量，存在變形，加工后尺寸會有誤差，摩擦處處存在，設(shè)計制造出的ABD和DEF桿的自重重心不能保證在軸線上等。要使實際的平衡吊真正在工程中得到應(yīng)用，做到隨遇平衡，這些問題應(yīng)該予以逐個解決。理論和實踐都證明了這諸多問題中，桿件自重的作用是使平衡吊失去平衡的最關(guān)鍵因素。通過力學(xué)分析，桿件自重引起吊鉤F（重物）失去平衡的作用，可以把它等效地歸化到任意一個桿件上，比如歸化到ABD桿上，參見圖3，以G表示。G不是整個桿系的重量，也不作用在桿系的重心處，它滿足這樣，只要在ABD桿的A點外，順延一段桿件AP，其長為lp，使GlGplp，就把這個問題解決了，見圖1的配重。這一看起來非常簡單的補償措施，是使平衡吊能付諸工程應(yīng)用的重大創(chuàng)舉，為設(shè)計者解決