一種新型裝載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)仿真及理論分析

楊麗華，胡 明，陳偉雄

（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，湖南長沙410082）

0 前言

裝載機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于施工建設(shè)工程，主要用于裝鏟泥土，碎石等散裝物料，對于建筑工程施工有著重要意義[1]。利用可控機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的裝載機(jī)構(gòu)能夠避免傳統(tǒng)機(jī)械裝載機(jī)構(gòu)的一些問題。國內(nèi)外研究者對可控機(jī)構(gòu)、裝載機(jī)構(gòu)做了大量的研究，對裝載機(jī)新技術(shù)有了新的展望[2]。國內(nèi)學(xué)者張林[3]對新型裝載機(jī)構(gòu)進(jìn)行了型綜合研究，得出了符合機(jī)構(gòu)拓?fù)湟蟮耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，并且優(yōu)選出具有開發(fā)潛能的可控裝載機(jī)構(gòu)。Chuenchom T[4]等對可調(diào)機(jī)構(gòu)的綜合問題進(jìn)行了研究。裝載機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的實(shí)用性能，具有良好的研究前景。

1 裝載機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 裝載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作要求

工作裝置是裝載機(jī)很重要的部件之一，主要由鏟斗以及連桿、拉桿、動臂、鏟斗托架等組成。裝載機(jī)在工作中要具有較強(qiáng)的鏟掘、運(yùn)載、卸載等作業(yè)能力。合理的裝載結(jié)構(gòu)能夠是各個(gè)構(gòu)件受力均衡，保證各構(gòu)件的壽命和強(qiáng)度，使其具有更好的工作性能。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該滿足工作要求[5]。

（1）鏟斗作為裝載機(jī)構(gòu)的容器，鏟斗的容積越大，裝載機(jī)構(gòu)的工作效率越高。但是過大的鏟斗尺寸也會增大阻力，不利于裝載機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝載，卸料等工作，是機(jī)器的整體工作效果達(dá)不到最佳狀態(tài)。因此合理的鏟斗尺寸對于裝載機(jī)構(gòu)是非常重要的。

（2）保證機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)與協(xié)調(diào)性能，鏟斗在完成鏟掘到舉升等一系列運(yùn)輸工況時(shí)應(yīng)盡保持作“平移運(yùn)動”。在工作過程中，避免由于鏟斗的不穩(wěn)定性導(dǎo)致物料灑落。各構(gòu)件間的轉(zhuǎn)角差必須在一定的范圍內(nèi)，通常要求鏟斗的轉(zhuǎn)角差不超過15°.工作裝置應(yīng)該合理設(shè)計(jì)長度和高度，減小工作裝置重心和整機(jī)重心的距離。

（3）裝載機(jī)構(gòu)的工作裝置包括連桿機(jī)構(gòu)，在裝載機(jī)做作業(yè)時(shí)避免構(gòu)件“死點(diǎn)”、“干涉”現(xiàn)象。在滿足綜合性能的條件下，盡量增大各個(gè)機(jī)構(gòu)的傳動比。

1.2 裝載機(jī)構(gòu)理論分析

本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)底座和三角連接桿為三副桿，動臂為四副桿，剩余的七個(gè)構(gòu)件均為二副桿。合理安排運(yùn)動鏈桿件并且具體化就可以得到相應(yīng)的機(jī)構(gòu)簡圖。機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示：

圖1 新型裝載機(jī)機(jī)構(gòu)簡圖

運(yùn)動鏈特定化是根據(jù)設(shè)計(jì)要求和整個(gè)機(jī)構(gòu)來分配構(gòu)件和運(yùn)動副，包括機(jī)架、桿組的判定。雙色拓?fù)鋱D是一種表示運(yùn)動鏈運(yùn)動副和構(gòu)件聯(lián)結(jié)關(guān)系的拓?fù)鋱D。在雙色拓?fù)鋱D中，黑色實(shí)心點(diǎn)代表構(gòu)件，白色空心點(diǎn)代表運(yùn)動副，當(dāng)構(gòu)件和運(yùn)動副相關(guān)聯(lián)是用一條邊聯(lián)結(jié)起來。該裝載機(jī)構(gòu)運(yùn)動鏈簡圖和雙色拓?fù)鋱D如圖2所示：

圖2 運(yùn)動鏈簡圖和雙色拓?fù)鋱D

設(shè)有運(yùn)動鏈的拓?fù)鋱D表示為G（v，e），則其相應(yīng)的關(guān)聯(lián)矩陣定義為：

根據(jù)上圖所示的雙色拓?fù)鋱D，該機(jī)構(gòu)的關(guān)聯(lián)矩陣為：

根據(jù)裝載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)出裝載機(jī)的基本構(gòu)型和各個(gè)構(gòu)件的基本尺寸。用Slidworks軟件畫出各個(gè)零部件，其裝配好的三維圖如圖3所示：

該裝載機(jī)構(gòu)主要由底座、三個(gè)主動桿、兩個(gè)連桿、動臂、三角連接桿、拉桿和鏟斗組成。主動桿由伺服電機(jī)驅(qū)動，在各個(gè)桿件共同作用下使得裝載機(jī)構(gòu)末端在控制下以一定的位姿到達(dá)一定的位置。底座、第一主動桿、第二主動桿、第一連桿和動臂構(gòu)成一個(gè)五邊形。動臂、拉桿、鏟斗和三角連接桿構(gòu)成四邊形，其作用可以增強(qiáng)機(jī)構(gòu)整體的穩(wěn)定性能和提高機(jī)構(gòu)的剛度，能更好地讓裝載機(jī)構(gòu)完成各種工況下的作業(yè)，使得裝載和卸料等作業(yè)更加平穩(wěn)的進(jìn)行。多自由度可控機(jī)構(gòu)的運(yùn)用可以使得以前單一的串聯(lián)機(jī)構(gòu)得到有效的改善。

2 裝載機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真

多體動力學(xué)仿真分析軟件ADAMS是對機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行仿真分析，在開發(fā)出真實(shí)的樣機(jī)出來之前，可以簡單的對產(chǎn)品進(jìn)行各種性能測試來降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本[6]。在三維軟件Solidworks中畫好三維模型后保存以Parasolid（*.x—t）的格式導(dǎo)入到Adams中，在Adams中進(jìn)行環(huán)境參數(shù)設(shè)置，對各個(gè)構(gòu)件材料設(shè)置，添加約束副，給主動構(gòu)件輸入驅(qū)動函數(shù)，通過軟件仿真，得到機(jī)構(gòu)末端的位移、速度、加速度曲線。在樣機(jī)仿真中用step函數(shù)進(jìn)行驅(qū)動控制，step函數(shù)[7]的格式為

step（x，x0，h1，x1，h2）。對于主動桿 1 的位移函數(shù)設(shè)置為：

step（time，0，0，1，10d）+step（time，1.0，0，2，-10d）+step（time，2，0，3，-15d）

主動桿2的驅(qū)動函數(shù)設(shè)置為：

step（time，1.5，0，2，10d）+step（time，2，0，2.5，35d）+step（time，2.5，0，3，15d）

設(shè)置好環(huán)境參數(shù)，設(shè)置仿真時(shí)間3 s，并且對主動桿設(shè)置驅(qū)動條件然后進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，得到的裝載機(jī)構(gòu)末端的位移、速度、加速度曲線如下：

圖4 鏟斗末端位移曲線

圖5 鏟斗末端速度曲線

圖6 鏟斗末端加速度曲線

從鏟斗的曲線圖可知，鏟斗位姿在工況下平穩(wěn)移動，完成舉升和卸料的基本循環(huán)動作，作業(yè)的總體過程基本符合實(shí)際運(yùn)動。結(jié)合位移曲線圖和加速度曲線圖，加速度在拐點(diǎn)處突然上升或者突然下降表示裝載機(jī)鏟斗末端在上升或者下降。通過仿真的得到的數(shù)值可以代入相關(guān)運(yùn)動學(xué)公式檢驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)是否具有合理性。在進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真后，通過Adams里面的review功能中的create treate spline命令，得到裝載機(jī)構(gòu)鏟斗的運(yùn)動軌跡曲線，如圖7所示。

圖7 鏟斗軌跡曲線圖

從上圖中可以看到，設(shè)計(jì)的裝載機(jī)構(gòu)在驅(qū)動程序下先往上舉升，然后往下卸料，再往上舉升，使裝載機(jī)構(gòu)完成一個(gè)簡單的循環(huán)動作。在不同的工作環(huán)境下，可以設(shè)置不同的驅(qū)動函數(shù)，得到多樣的輸出軌跡。

3 結(jié)論

利用可控桿件設(shè)計(jì)了一個(gè)構(gòu)型簡易的裝載機(jī)構(gòu)，分析其機(jī)構(gòu)簡圖、運(yùn)動鏈圖及雙色拓?fù)鋱D，得到其關(guān)聯(lián)矩陣。利用Adams建立樣機(jī)模型進(jìn)行仿真分析，得到鏟斗末端的位移、速度、加速度曲線以及末端軌跡曲線圖，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的可行性，其研究為可控裝載機(jī)構(gòu)提供了一定的基礎(chǔ)。