清煤挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

張道秋 樊 磊 劉豐瑞

(山東帝盟重工機(jī)械有限公司 山東德州 251210)

1 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)工程機(jī)械的應(yīng)用范圍越來越廣。在內(nèi)蒙古等嚴(yán)寒地區(qū)，冬天最低溫度能達(dá)到零下40℃，煤炭公司卸煤后煤炭會(huì)在火車廂內(nèi)壁凍結(jié)，凍結(jié)厚度為200mm至300mm，翻車機(jī)將運(yùn)煤車翻轉(zhuǎn)后四周凍煤均不會(huì)脫落，必須將車廂開出去后由挖掘機(jī)清理，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，清理完后還需長(zhǎng)距離開回原地進(jìn)行卸煤作業(yè)，工作效率低[1]。因此，需要設(shè)計(jì)能夠在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行清煤作業(yè)的清煤挖掘機(jī)，以提高作業(yè)效率。

2 清煤挖掘機(jī)原理

清煤挖掘機(jī)由底盤上的同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在軌道上的移動(dòng)，通過回轉(zhuǎn)支撐與回轉(zhuǎn)減速機(jī)連接實(shí)現(xiàn)上部平臺(tái)的回轉(zhuǎn)。工作裝置由支撐臂、伸縮臂、斗桿、鏟斗以及對(duì)應(yīng)控制油缸組成，通過調(diào)整液壓油缸實(shí)現(xiàn)單獨(dú)或復(fù)合動(dòng)作。如圖1所示為清煤挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。工作時(shí)，翻車機(jī)調(diào)整火車廂的角度，清煤挖掘機(jī)在同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)下從停放位置運(yùn)行至工作位置，調(diào)整支撐臂、伸縮臂、斗桿、鏟斗的對(duì)應(yīng)油缸到達(dá)工作初始位置，調(diào)整各油缸開始清理動(dòng)作。清理順序?yàn)榛疖噹麄?cè)面、地面、另一側(cè)面，由移動(dòng)清煤挖掘機(jī)在軌道上的位置完成清理順序，直至完成整節(jié)車廂的清理工作。

3 清煤挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)

3.1 底盤設(shè)計(jì)

清煤挖掘機(jī)是在固定軌道上移動(dòng)的，因此選用現(xiàn)有火車導(dǎo)軌，經(jīng)差齒后設(shè)計(jì)成專用齒條，固定在地面基礎(chǔ)之上作為清煤挖掘機(jī)的行走軌道。底架中部?jī)蓚?cè)安裝兩臺(tái)同步電機(jī)，并裝備專用減速裝置，保證行走扭矩和速度。前后兩側(cè)設(shè)計(jì)四個(gè)帶防脫裝置的行走輪，保證行走穩(wěn)定性。圖2所示為底盤的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 清煤挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 底盤結(jié)構(gòu)圖

3.2 工作裝置設(shè)計(jì)

3.2.1 主臂和伸縮臂設(shè)計(jì)

綜合考慮挖掘高度和制造成本的要求，采用伸縮臂的設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)伸縮臂在主臂上滑動(dòng)的設(shè)計(jì)，將主臂和伸縮臂外形設(shè)計(jì)為矩形狀，主臂的兩個(gè)側(cè)板內(nèi)測(cè)各切出25mm×20mm的矩形長(zhǎng)條作為伸縮臂伸縮的軌道。圖3所示為主臂的結(jié)構(gòu)圖。伸縮臂兩側(cè)板外側(cè)彎折出25mm×20mm的矩形長(zhǎng)條嵌入主臂軌道。圖4所示為伸縮臂結(jié)構(gòu)圖。

圖3 主臂結(jié)構(gòu)圖

圖4 伸縮臂結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 鏟斗設(shè)計(jì)

鏟斗作業(yè)過程中，經(jīng)常發(fā)生齒尖磨損情況，須及時(shí)更換齒尖和側(cè)齒。設(shè)計(jì)時(shí)將鏟斗尾部?jī)?nèi)縮、口部外擴(kuò)，減少鏟斗尾部磨損程度，同時(shí)減少鏟斗設(shè)計(jì)深度，保證操作空間更大，清理更徹底。圖5所示為鏟斗結(jié)構(gòu)圖。

圖5 鏟斗結(jié)構(gòu)圖

4 清煤挖掘機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真

4.1 清煤挖掘機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

清煤挖掘機(jī)的工作裝置是由主臂和伸縮臂、斗桿、鏟斗前后相連的串聯(lián)機(jī)構(gòu)。運(yùn)用D-H法[2]建立其連桿坐標(biāo)系，并列出相應(yīng)的連桿參數(shù)與關(guān)節(jié)變量，代入連桿坐標(biāo)變換矩陣公式，最終得到鏟斗齒尖坐標(biāo)系的變換公式[3]。如圖6所示為清煤挖掘機(jī)連桿坐標(biāo)系簡(jiǎn)圖。以回轉(zhuǎn)中心線垂線與地面的交點(diǎn)O0建立基坐標(biāo)系{O0}，并分別在鉸接點(diǎn)O1、O2、O3、O4處分別建立桿件坐標(biāo)系{O1}、{O2}、{O3}、{O4}。

連桿坐標(biāo)變換矩陣公式為：

(1)

D-H參數(shù)表中對(duì)于相鄰坐標(biāo)系的位置描述包括di、θi、ai、αi四個(gè)參數(shù)[4]，根據(jù)已經(jīng)建立的清煤挖掘機(jī)連桿坐標(biāo)系，得到如表1所示的連桿參數(shù)表。其中，l2為伸縮臂伸出的長(zhǎng)度。

表1 D-H參數(shù)表

圖6 清煤挖掘機(jī)連桿坐標(biāo)系簡(jiǎn)圖

根據(jù)位姿變換矩陣的運(yùn)算法則，得到鏟斗齒尖坐標(biāo)系{O4}相對(duì)于基坐標(biāo)系{O0}的變換公式，如式(2)所示。

(2)

式中：

Si=sinθi;Sij=sin(θi+θj);Sijk=sin(θi+θj+θk);

Ci=cosθi;Cij=cos(θi+θj);Cijk=sin(θi+θj+θk)。

由于清煤挖掘機(jī)在清理過程中，θ1保持不變，鏟斗方向角θw=θ2+θ3+θ4。

根據(jù)D-H法定義可得，鏟斗位姿向量為：

(3)

4.2 清煤挖掘機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

Solidworks是一款功能強(qiáng)大、易學(xué)易用的三維設(shè)計(jì)軟件，集CAD設(shè)計(jì)、CAE有限元分析、CAM數(shù)控編程模塊等功能，對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)支持[5]。因此應(yīng)用其插件motion[6]實(shí)現(xiàn)三節(jié)臂挖掘機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

清煤挖掘機(jī)的清煤過程是依靠液壓油缸的伸縮來驅(qū)動(dòng)，在各液壓油缸處添加線性馬達(dá)模擬清煤挖掘機(jī)的工作過程，并采用STEP函數(shù)控制液壓油缸的伸縮[7]。表2所示為各液壓油缸的STEP函數(shù)。

表2 各液壓油缸STEP函數(shù)

在鏟斗齒尖創(chuàng)建測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行路徑跟蹤和線性位移檢測(cè)，通過運(yùn)動(dòng)仿真即可得圖7所示的鏟斗齒尖位移曲線圖。

圖7 鏟斗齒尖位移曲線圖

圖7中可以看出：隨著主臂和伸縮臂的伸出，X方向和Y方向的位移呈上升趨勢(shì)，到達(dá)準(zhǔn)備清理的階段，隨后斗桿配合鏟斗動(dòng)作進(jìn)行清煤工作，隨著鏟斗油缸活塞桿收回，X方向位移平緩下降，Y方向位移增加。同時(shí)可看出清煤挖掘機(jī)的最大挖掘高度可達(dá)7000mm以上。

5 結(jié)論

充分考慮到嚴(yán)寒地區(qū)清煤過程的難點(diǎn)，在Solidworks環(huán)境下設(shè)計(jì)一種清煤挖掘機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真，通過軟件模擬實(shí)際清煤作業(yè)，可以得到最大挖掘高度為7m以上，符合實(shí)際場(chǎng)地清煤作業(yè)的要求，可為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考。