一种破碎与抱抓一体的救援属具设计

摘要：为缩短救援时间、提高救援效率，提出将破碎与抱抓功能进行融合，设计一种集破碎与抱抓为一体的新型多功能救援属具。首先，利用Solidworks建立救援属具的三维模型，并建立关键零部件参数化的三维模型，然后利用Solidworks与Workbench的无缝连接将参数化的三维模型导入到Workbench进行静力分析。仿真结果表明，设计的救援属具满足其可靠性要求，对应急救援具有一定的参考意义。

关键词：救援效率；破碎；抱抓；救援属具

0 引言

地震作为突发性极强的自然灾害，其不可预测性和破坏性始终威胁着人类社会安全。据联合国减灾署统计数据显示，近年地震灾害造成的经济损失和人员伤亡数量巨大[1-3]。在灾后"黄金72小时"救援窗口期内，救援装备的功能性直接决定着生命抢救成功率。然而现行救援装备普遍存在功能模块化程度过高的问题：破碎装置、抓取器械、剪切工具等专用属具需频繁更换，仅属具切换过程就消耗有效救援时间[4]。这种低效操作模式不仅加剧了救援人员的工作强度，更在复杂废墟环境中形成多重安全隐患。针对这一技术瓶颈，本文提出设计一种集成破碎与抱抓的救援属具，缩短救援时间，提高救援效率。这种技术创新不仅符合现代救援装备智能化发展趋势，更为多任务协同作业提供了新的工程解决方案。

1. 破碎与抱抓一体的救援属具设计

利用Solidworks建立属具的三维模型，其主要由上活动鄂、液压缸、下固定鄂、液压破碎锤以及一些连接部分。与传统的抱抓属具不同的是，将传统的抱抓属具下方由弯曲改为直板，方便液压破碎锤与其配合使用，并在上下抓取受力部位改为锯齿状增加其受力点和摩擦力，在下固定鄂下方配有传统的液压破碎锤。主要工作原理是上活动鄂在活塞杆的作用下绕着连接轴进行抱抓功能，用液压系统控制液压破碎锤进行破碎作业，具体三维模型如图1所示。

2. 救援属具关键零部件有限元分析

2.1 上活动鄂有限元分析

将在Solidworks画好的上活动鄂模型导入到Workbench中进行有限元分析，在进行划分网格时，网格的合理划分对于计算结果起着重要的影响。本文设计的末端属具主要应用于抢险救援这样工作环境比较恶劣的地方，所以所用零件用碳钢45#调质，其材料各项性能如表1所示。

采用Workbench对上活动鄂进行网格划分，其含有78831个节点，42025网格单元数量。在上活动鄂上表面处施加固定约束，在齿面施加10000N的力模拟抓取1t重物的工作情况，通过Workbench静力学分析得到如图2所示，分别为上活动鄂变形云图、应力云图。

分析仿真结果可知，在抓取重物施加10KN力的情况下，上活动鄂的最大位移为0.16941mm，发生在齿面，这是因为齿面是主要的受力部位，最大应力为223.74MPA，安全系数为1.4541，根据以上分析结果，可以得出上活动鄂齿面的应力较小，在极限工作情况下不会产生变形，齿面的应力较小，远小于所选材料的屈服强度，这个结果表明在设计合理，能满足工作要求。

2.2下固定鄂有限元分析

下固定鄂也是末端属具的关键部位，在抱抓过程中主要受力部件，同样的对下固定鄂进行简化处理，去除一些圆角、安装孔以提高网格划分质量。完成三维模型后导入Workbench中进行有限元分析，同样选择45号碳钢进行调质处理，材料属性与上活动鄂相同，用Workbench自动划分网格功能划分51227个节点和27488个网格单元。

下固定鄂是末端属具主要受力部位，在底板处施加固定约束，在齿面垂直向下施加10KN的力，然后进行应力和总变形求解，得到结果如图3所示。