套缸式高空作業(yè)車擺臂機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)綜合分析

車仁煒，陸念力，周建成，薛 淵

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，150001哈爾濱 crw8790@163.com)

套缸式高空作業(yè)車是靶場(chǎng)光電控制系統(tǒng)輔助系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要功能是將工作人員送至靶室內(nèi)并為其對(duì)靶室進(jìn)行維護(hù)提供一個(gè)工作平臺(tái).對(duì)此高空作業(yè)車的使用要求是:把設(shè)備維護(hù)人員送至靶室中心，同時(shí)作為工作裝置的擺臂機(jī)構(gòu)，在回轉(zhuǎn)和變幅的同時(shí)作用下，使吊籃中的工作人員可對(duì)靶球的全部?jī)?nèi)表面實(shí)施維護(hù).由于工作環(huán)境特殊，此設(shè)備工作空間非常狹窄，還要滿足靶室內(nèi)部高潔凈的要求，因此，作為高空作業(yè)車工作裝置的擺臂機(jī)構(gòu)的構(gòu)型、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和傳動(dòng)的高效性對(duì)設(shè)備的使用性能影響非常重大，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)擺臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)綜合分析十分必要[1－4].

本文根據(jù)剛體平面運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，按給定的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)要求，針對(duì)已知連桿機(jī)構(gòu)各鉸點(diǎn)的起始坐標(biāo)、主動(dòng)搖桿的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角、機(jī)架長(zhǎng)度等平面綜合鉸鏈機(jī)構(gòu)的各設(shè)計(jì)變量間的關(guān)系，對(duì)套缸式高空作業(yè)車擺臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行了機(jī)構(gòu)綜合，給出了機(jī)構(gòu)多種可能的構(gòu)型，并以滿足機(jī)構(gòu)設(shè)備空間位置要求和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)效率高為目標(biāo)，得出了最優(yōu)解，為對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)[5－7].

1 擺臂機(jī)構(gòu)構(gòu)型分析

套缸式高空作業(yè)車最大上升高度11 m，經(jīng)過的靶球頸部口徑1.4 m，工作裝置變幅半徑為3 m，回轉(zhuǎn)角度為168°，所經(jīng)過路徑空間狹窄，工作范圍大.因此，擺臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須滿足環(huán)境空間要求和工作位置要求，設(shè)計(jì)難度很大.

擺臂機(jī)構(gòu)由一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)和一個(gè)六桿機(jī)構(gòu)組成.考慮工作人員工作時(shí)的舒適性以及工作半徑的可達(dá)性，吊籃應(yīng)一直處于水平狀態(tài)，因此，平行四邊形機(jī)構(gòu)的尺寸已確定.對(duì)擺臂機(jī)構(gòu)的工作和使用性能的主要影響，集中在六桿機(jī)構(gòu)[8－10].

1.1 再生運(yùn)動(dòng)鏈與新機(jī)構(gòu)的構(gòu)建

構(gòu)建新機(jī)構(gòu)時(shí)，利用再生運(yùn)動(dòng)鏈法，配置原則為:

1)確定原始機(jī)構(gòu)，分析該機(jī)構(gòu)的自由度、運(yùn)動(dòng)副類型和數(shù)目以及基于使用功能的約束數(shù)目和方式;

2)按一般化原則處理原始機(jī)構(gòu)，將其還原成為基本運(yùn)動(dòng)鏈的形式;

3)重新組合運(yùn)動(dòng)鏈，找出具有相同構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)但結(jié)構(gòu)形式卻不相同的一組運(yùn)動(dòng)鏈;

4)通過合理布置其輸入、輸出構(gòu)件，合理選擇機(jī)架，滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)要求，提高機(jī)構(gòu)效率;

5)按使用功能要求選擇系列化運(yùn)動(dòng)鏈，按功能約束對(duì)其進(jìn)行特定化處理，搭建新機(jī)構(gòu).

現(xiàn)有機(jī)構(gòu)經(jīng)一般化后得到一六桿機(jī)構(gòu)，但是，根據(jù)機(jī)構(gòu)的組成原理，六桿機(jī)構(gòu)具有多種構(gòu)型，即使構(gòu)件數(shù)、運(yùn)動(dòng)副數(shù)都相同，具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的六桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)也有多種.為了得到滿足相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)的構(gòu)型和使用要求，在特定的約束條件下，設(shè)計(jì)出運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能較高的靶室維護(hù)設(shè)備，本文運(yùn)用機(jī)構(gòu)再生運(yùn)動(dòng)鏈法對(duì)其進(jìn)行類型綜合.

根據(jù)擺臂機(jī)構(gòu)的工作性能、使用要求和已確定的約束情況，可由組合運(yùn)動(dòng)鏈衍生出新的一組運(yùn)動(dòng)鏈.而由得到的再生運(yùn)動(dòng)鏈，利用一般化原則的逆順序，將其還原為具體的機(jī)構(gòu).

圖1為擺臂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，其中，構(gòu)件1為機(jī)架，構(gòu)件2和3為液壓缸和活塞桿，構(gòu)件4為主動(dòng)搖桿，構(gòu)件5為連桿，構(gòu)件6為從動(dòng)搖桿，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)臂，帶動(dòng)吊籃轉(zhuǎn)動(dòng).其中，由構(gòu)件1、2、3、4、5、6 組成一個(gè)平面六桿機(jī)構(gòu)，由構(gòu)件 1、6、7、8組成一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)，整個(gè)機(jī)構(gòu)是一個(gè)平面綜合連桿機(jī)構(gòu).使用功能上的約束情況要求吊籃即工作平臺(tái)始終處于水平狀態(tài)，而且工作位置要覆蓋整個(gè)靶球內(nèi)表面，本文將對(duì)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的六桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)綜合.

將六桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行一般化處理，以一般桿替代液壓缸和活塞桿，且將由液壓缸和活塞桿組成的移動(dòng)副用轉(zhuǎn)動(dòng)副替代(P)，將機(jī)架1釋放，得到如圖2所示的擺臂機(jī)構(gòu)中六桿機(jī)構(gòu)的一般化運(yùn)動(dòng)鏈.

圖1 擺臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖2 六桿機(jī)構(gòu)的一般化運(yùn)動(dòng)鏈

1.2 約束條件

根據(jù)擺臂機(jī)構(gòu)的使用要求與工作要求，作為構(gòu)建新機(jī)構(gòu)類型的依據(jù)，確定約束條件如下:

1)連桿總數(shù)N和運(yùn)動(dòng)副總數(shù)F均保持不變，即 N=6，F(xiàn)=7;

2)必須有一個(gè)固定件作為機(jī)架;

3)機(jī)構(gòu)中含有一個(gè)液壓缸;

4)液壓缸本身作為機(jī)架或與機(jī)架鉸接;

5)必須有一與固定桿鉸接的雙副桿作為執(zhí)行件，且不能與活塞桿鉸接;

6)活塞桿一端與液壓缸組成移動(dòng)副，另一端不能與機(jī)架鉸接.

根據(jù)以上約束條件，可求得4種六桿組合運(yùn)動(dòng)鏈衍生出的再生運(yùn)動(dòng)鏈，其步驟如下:

步驟一，將液壓缸本身作為固定件，或者選固定桿的一端與液壓缸鉸接;

步驟二，選擇一個(gè)與機(jī)架鉸接的雙副桿作為輸出構(gòu)件，并使其不與活塞桿鉸接;

步驟三，活塞桿一端不能與機(jī)架鉸接，另一端與液壓缸組成移動(dòng)副.

2 擺臂機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)綜合

在運(yùn)動(dòng)鏈中，令符號(hào)G表示機(jī)架，C表示液壓缸活塞桿，P表示由液壓缸和活塞桿構(gòu)成的移動(dòng)副，E 表示輸出構(gòu)件[11]，由 No.1型六桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈(斯蒂芬遜型，兩個(gè)三副桿非直接鉸接)衍生出6種再生運(yùn)動(dòng)鏈，由No.2型(瓦特型，兩個(gè)三副桿直接鉸接)衍生出4種再生運(yùn)動(dòng)鏈，由No.3型(在No.1型或 No.2型的基礎(chǔ)上，使上面的3個(gè)連桿構(gòu)成復(fù)合鉸鏈)衍生出10種再生運(yùn)動(dòng)鏈，由No.4型(在No.3型基礎(chǔ)上，使下面的三根連桿構(gòu)成復(fù)合鉸鏈)衍生出1種再生運(yùn)動(dòng)鏈.

將由運(yùn)動(dòng)鏈再生獲得的21種擺臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈，利用一般化原則的逆推順序，還原為具體機(jī)構(gòu)，得到如表1所示的再生運(yùn)動(dòng)鏈和具體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖.刪掉原機(jī)構(gòu)后，生成了擺臂機(jī)構(gòu)的所有新構(gòu)型.

表1 再生運(yùn)動(dòng)鏈及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

將表1和圖1共21種機(jī)構(gòu)形式進(jìn)行分析比較，由于擺臂機(jī)構(gòu)要求的特殊性，六桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈的4種類型中后2種結(jié)構(gòu)更緊湊，滿足結(jié)構(gòu)緊湊性要求;去掉液壓缸倒置方案，滿足套缸式高空作業(yè)車由于伸縮臂機(jī)構(gòu)特定結(jié)構(gòu)形式的限制;去掉以液壓缸為機(jī)架的結(jié)構(gòu)類型，滿足高空作業(yè)車不希望液壓缸成為機(jī)架要求.另外，由于二副桿比三副桿的結(jié)構(gòu)剛度大，裝配可調(diào)性強(qiáng)，能用二副桿，就不用三副桿，使其自然尺寸更小，結(jié)構(gòu)更緊湊.因此，最終選擇圖3的構(gòu)型方案.

圖3方案采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，剛度高，驅(qū)動(dòng)力大，傳動(dòng)效率較高.原方案之一，采用電機(jī)絲杠傳動(dòng)，以絲杠驅(qū)動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)中吊籃大臂，效率低，傳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲，電機(jī)與絲杠皆在靶室內(nèi)部，潤(rùn)滑條件會(huì)給靶室造成污染，同時(shí)也不滿足潔凈度要求.原方案之二采用油缸直接驅(qū)動(dòng)大臂，在幾個(gè)特殊位置，傳動(dòng)角很小，運(yùn)動(dòng)性能很差，同時(shí)由于擺臂擺動(dòng)角度很大，還會(huì)導(dǎo)致液壓裝置復(fù)雜的問題.而圖3所示的最終方案，采用一個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)，且使液壓缸一端與機(jī)架鉸接，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)裝置的尺寸減小，液壓裝置簡(jiǎn)單，更有利于滿足設(shè)備特殊的工作要求，傳動(dòng)角比原方案二增大很多，且能滿足空間可達(dá)性要求，運(yùn)動(dòng)學(xué)性能很高，運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，傳動(dòng)效率更高.

圖3 最終方案

3 結(jié)論

1)本文針對(duì)擺臂機(jī)構(gòu)中六桿機(jī)構(gòu)各鉸點(diǎn)的起始坐標(biāo)、主動(dòng)搖桿的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角以及各構(gòu)件的長(zhǎng)度，根據(jù)剛體平面運(yùn)動(dòng)時(shí)各設(shè)計(jì)變量間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通過對(duì)六桿運(yùn)動(dòng)鏈連桿類配方案選擇，在此基礎(chǔ)上再生運(yùn)動(dòng)鏈，形成了20種新的機(jī)構(gòu)形式，完成了擺臂機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)綜合.

2)對(duì)原機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，得到了滿足使用要求和設(shè)備工作空間約束條件要求并提高了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能及傳動(dòng)效率的最優(yōu)解.

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