张良，徐培炘，叶慧，王泽宇，黄鹏程

鱼缸提运装置的设计研究

张良，徐培炘，叶慧，王泽宇，黄鹏程

（苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104）

为解决家用大型鱼缸的搬运及清洁问题，研究设计一种鱼缸提运装置。通过分析鱼缸提运装置的研究现状、应用价值和市场前景，提出鱼缸提运装置方案设计的必要性及其优点。设计鱼缸提运装置的整体方案、装配方案，描述其使用方法。对鱼缸提运装置的主要部件进行选材及计算，并对结构进行设计，以保证鱼缸搬运过程中的安全性。

大型鱼缸；鱼缸提运装置；方案设计；选材及计算

随着时代的发展，人们对于生活品质的要求越来越高，很多人把养殖鱼类作为日常爱好之一[1]。在家中养殖观赏鱼类，必须用到鱼缸，而鱼缸作为家庭装饰品的一种，同样深受养鱼爱好者的喜爱。鱼缸多为玻璃材质，由于玻璃易碎，搬运过程中容易导致鱼缸破碎[2]。而家用鱼缸以圆形居多，不易提运，因此，鱼缸在家中往往都会摆放在固定的位置。如果需要变换大型家用鱼缸的位置，需要很多个人一起抬起，每个人所抬起的高度还必须一致，这样才能避免鱼缸的损坏。另外在对家里进行打扫时，往往需要移动鱼缸的位置，此时清洁人员需要配备一款鱼缸提运装置，便于鱼缸的搬运以及卫生清洁工作。

1 鱼缸提运装置的研究现状

目前，国内对于鱼缸提运装置的设计研究十分罕见，对于家用大型鱼缸的搬运工作，往往需要采用多人同时搬运的方式，这种陈旧的搬运方式，既耗费人力，又容易导致鱼缸的损坏。并且在搬运的过程中，需要先把鱼缸清空，费时又费力[3]。鱼缸提运装置能够有效解决这方面的问题。采用鱼缸提运装置搬运鱼缸时，仅需一名工作人员，即可搬运大部分型号的家用鱼缸，能够省下大部分的人力。在搬运鱼缸前，无需将鱼缸全部清空，并且能够保证鱼缸在搬运过程中的安全问题，不会导致鱼缸的破损[4]。因此，鱼缸提运装置具有十分良好的应用价值和市场前景。

2 鱼缸提运装置的方案设计及优点

2.1 鱼缸提运装置的方案设计

图1所示为鱼缸提运装置的设计示意图，图1中，部件1为手提架，能够单人进行鱼缸提运操作。部件2为接有手提架的鱼缸提运固定架本体，能够承受家用大型鱼缸的大部分重量。部件3为夹紧臂，用于夹紧圆形家用鱼缸，并承受部分鱼缸的重量。部件4为弹簧拉扣，部件5为拉伸弹簧，部件6、7为两个拉簧，部件8为渐开线锁死板，部件4—8用于锁紧夹紧臂，以适用不同大小的家用鱼缸。部件9为拉伸弹簧装置的盖板，防止操作人员在搬运过程中手部受伤。部件21为滑动槽，部件22为锁紧杆，部件23为限位板滑，部件31为动板，以上各部件使夹紧臂能够在滑槽中顺畅地调整位置，且能够限制夹紧臂的位置移动。部件32为固定轴，部件33为卡合框，部件41为触碰板。

1—手提架；2—提运固定架；3—夹紧臂；4—拉扣；5—弹簧；6—扭簧；7—拉簧；8—渐开线锁死板；9—盖板；21—滑动槽；22—锁紧杆；23—限位板滑；31—动板；32—固定轴；33—卡合框；41—触碰板。

装配时，以中间固定连接有手提框的固定架为本体，在手提框两侧的固定架上分别设置对称的滑动槽、锁紧杆以及固定在滑动槽两端的限位板；固定架下方设置有对称的夹紧臂，且夹紧臂的上方设有可在固定架上的滑动槽内配合滑动的方形滑动板；滑动板和手提框底部之间设置有拉簧，且拉簧两端分别与滑动板和手提框固定连接；滑动板上设有固定轴和与固定轴配合转动的渐开线锁死板以及扭簧；滑动板上设有弹簧和配合在弹簧内可压缩弹簧拉动的拉扣，且拉扣底部设有触碰板。

使用时，向手提框两侧拉动拉扣，滑动板板克服拉簧拉力在固定架的滑动槽内滑动，此刻拉扣上的触碰板压缩弹簧，触碰板开始低压渐开线锁死板；同时渐开线锁死板克服扭簧扭力绕固定轴转动，渐开线锁死板与锁紧杆分离；当夹紧臂张开距离大于鱼缸直径时，松开拉扣，滑动板在拉簧的拉动下向中间运动，夹紧臂向鱼缸靠拢；当夹紧臂上卡合框卡夹在鱼缸壁上时，滑动板停止运动，此时渐开线锁死板在扭簧的扭力下锁紧在锁紧杆上，然后握住手提框开始提运。

2.2 鱼缸提运装置的设计优点

鱼缸提运装置的设计方案较为人性化，其技术优点主要有以下几点：①夹紧臂中设有椭圆形卡合框，椭圆形卡合框可卡夹在鱼缸两侧，能够配合各种型号的家用鱼缸；②锁紧杆置于固定架上方，且锁紧杆与固定架中间的空隙形成矩形状，滑动槽扭簧两端分别抵压在渐开线锁死板和滑动板上，扭簧使渐开线锁死板始终有逆时针旋转的力，防止搬运过程中夹紧臂无法完全锁紧，导致鱼缸意外滑落的问题；③滑动板上设有可拆卸的盖板拉动拉扣，触碰板通过中间部分抵压渐开线锁死板，渐开线锁死板与锁紧杆配合锁死，结构巧妙，使用便捷。

3 鱼缸提运装置的零部件选择与计算

3.1 零件材料的选择

鱼缸提运装置主要由本体、夹紧装置、复位装置、拉伸机构、固定把手及各个关节处的螺栓衔接等几部分组成。

弹簧：夹紧装置中的弹簧是最核心的零件，其物理性能对提运装置整体性能影响最大。鱼缸提运装置为对称结构，弹簧分布排列时，应保证弹簧过孔中心到边缘距离大于外径，与其他零件保持有5 mm以上实体壁厚。对于螺旋拉伸弹簧，应当优先选用经过强化处理的钢丝、铅浴等温冷拔钢丝和油淬火回火钢丝，具有较高的强度和良好表面质量，疲劳性能高于普通淬火回火钢丝，加工简单，工艺性好，质量稳定。因此，优先选用油淬火回火钢丝。

本体：本体是鱼缸提运装置最基本的结构，是所有零件装配的载体，决定了所提运鱼缸尺寸的大小，是功能实现的的基础。此外，本体还要承担固定支撑和实现调节的作用。由于本体是主要的质量来源，因此合理地选择材料尤为重要，在不影响其性能的条件下，尽可能地选择轻质量、高强度、高硬度的材料。考虑其经济性，45号钢是最优选择，但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，本体需要较高的硬度，又希望发挥45号钢优越的机械性能，因此在加工工艺过程中将45号钢表面渗碳淬火，这样就能得到更高的表面硬度，大大提高装置的稳定性。

夹紧臂：夹紧臂是鱼缸提运装置的主要结构，夹紧臂需要实现一定的固定夹紧的功能，且要有一定的强度要求。其物理性能对装置实现其功能起决定性作用，决定了所提运鱼缸的尺寸大小，夹紧臂需要反复使用，因此应选择高耐磨性、高硬度的复合材料，例如耐磨合金钢系列中、低、高碳多元金合钢（ZG40SiMnCrMO和ZG35Cr2MoNiRe）等。

拉扣：拉扣与弹簧衔接，在工作过程中需要克服弹簧的弹力，在夹紧过程中需反复使用到拉扣，因此，其强度与硬度应满足工作要求，在夹紧过程中，使用者需要接触拉扣，考虑到其操作的舒适性与反复使用性，拉扣的材料应选用合金钢，设计时拉扣的尺寸不应过大。材料的尺寸越大，由于各种冷加工和热加工工艺所造成的缺陷可能性越高，产生表面缺陷的可能性也越大，这都会导致疲劳性能下降，从而影响鱼缸提运装置的整体性能。

3.2 弹簧参数的计算

在夹紧装置中，由于弹簧的拉力提供夹紧力，夹紧时，需考虑尺寸条件限制。弹簧设计中，旋绕比（弹簧指数）是最重要的参数之一，=2/，弹簧指数愈小，其刚度愈大，弹簧愈硬，弹簧内外侧的应力相差愈大，材料利用率低；反之弹簧愈软。

假设弹簧拉力为50 N，则强度计算公式为[5-6]：

式（1）中：为曲线系数；为载荷；为弹簧指数（亦称旋绕比），=2/；[]为弹簧材料的许用扭转应力。

查表得45钢[]=30～40 MPa，取10。通过计算得≥5.08 mm。所以取为6 mm。

由圆柱弹簧受载后的轴向变形量得：

当今市面上大鱼缸尺寸为1 000 mm，故设计夹紧臂身长尺寸为1 500 mm。

则弹簧的圈数为：

式（2）中：为弹簧有效圈数；为弹簧材料的切变模量，查表切变模量=79 GPa；为单侧弹簧轴向变形量，=750 mm。

计算得弹簧的圈数为57圈，因此弹簧圈数取60圈即满足工作要求。

4 结语

在鱼缸提运装置的设计研究中，分析了国内研究现状和市场应用前景，设计了鱼缸提运装置的整体方案及装配方法，对鱼缸提运装置的主要部件材料做了选择，计算了弹簧的参数，完成了鱼缸提运装置的结构设计。鱼缸提运装置机构简单、操作便捷、空间占用小，并且能够保证鱼缸搬运过程中的安全性，因此，该鱼缸提运装置具有一定的应用价值。

［1］范静，赵萍萍，王婷.智能鱼缸环境系统设计［J］.信息系统工程，2018（10）：107.

［2］刘伟，林开司，刘安勇.基于物联网的鱼缸智能控制系统设计与实现［J］.淮海工学院学报（自然科学版），2016（12）：1-4.

［3］唐韬.鱼缸（暖山）［P］.中国专利：2019300032260，2019-01-04.

［4］陈勤亚.鱼缸［P］.中国专利：2018101155879，2018-02-06.

［5］闻邦椿.机械设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［6］邱宣怀.机械设计［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

〔编辑：王霞〕