四杆机构在炉门开闭机构上的设计和仿真
2020-03-17蔡雪，张纹
蔡 雪，张 纹
（镇江高等职业技术学校，江苏 镇江 212000）
四杆机构是平面连杆机构中最常见的形式，通过简单的转动副连接，可实现一定的运动转换、特定的运动轨迹和动作要求，广泛应用于各种机械和仪表中，实验电炉正是使用四杆机构完成炉门打开和关闭动作（如图1所示）。本文通过Auto CAD软件和Inventor软件对炉门开闭机构进行设计和仿真。
1 平面四杆机构的应用设计要点
平面四杆机构设计的主要任务是：根据机构的工作要求和设计条件选定机构形式及确定构件的尺寸参数。一般可归纳为两类问题：
1.1 实现给定的运动规律
例如要求满足给定的行程速比系数以实现预期的急回特性或实现连杆的几个预期的位置要求。
1.2 实现给定的运动轨迹
例如要求连杆上的某点具有特定的运动轨迹，如起重机中吊钩的轨迹为一水平直线、搅面机上E点的曲线轨迹等。本文中实验电炉炉门开闭机构的设计就属于此类问题。
常用的设计方法有图解法、解析法和实验法。3种方法各有特点，图解法和实验法直观、简单，但精度较低，可满足一般设计要求；解析法精度高，适用于计算机计算。
2 基于Auto CAD软件图解法设计
采用Auto CAD软件对炉门开闭机构图解法设计，在设计前，已知炉门BC长度为50 mm,如图2所示，实验电炉炉门关闭的位置B1C1，保持炉门关闭时为图示垂直状态，打开的位置B2C2，保持炉门打开时为图示水平状态，且温度高的一面不朝向操作者。根据四杆机构的运动特点,如图3所示，连接B1B2和C1C2，分别作B1B2和C1C2的中垂线mm、nn。根据实验电炉的结构在mm和nn上选取合适的A、D点，即两个固定铰链的位置，可得到AB=60 mm，CD=60 mm，AD=90 mm。
综上所述，采用AutoCAD软件和图解法设计杆件参数，无须测量和计算，提高了设计效率；采用动画仿真的方式可以模拟炉门的开闭运动轨迹，检验是否符合要求，是否有运动干涉，直观方便。
3 基于Inventor软件的炉门开闭机构的仿真
Inventor软件可以对各种运动副连接的刚体进行建模与仿真,实现与机构系统进行分析设计的目的。使用杆件尺寸，对杆件建模，设置运动参数，对炉门开闭机构进行运动仿真，得到仿真动画。
图4中1杆即为炉门，为炉门打开状态（图2中B2C2位置），打开时水平，热面不朝向操作者；图5中炉门为关闭状态（图2中B1C1位置），垂直，热面不朝向操作者，符合要求。
