兩種連桿機(jī)構(gòu)在叉裝機(jī)上的應(yīng)用與對(duì)比

黃志偉

（福建晉工機(jī)械有限公司，福建晉江 362261）

0 引言

輪式叉裝機(jī)由輪式裝載機(jī)演變而來(lái)，是將輪式裝載機(jī)前端的鏟斗換成貨叉的專用自行輪胎式機(jī)械。由裝載機(jī)工作裝置的自由度分析可知，工作裝置的連桿機(jī)構(gòu)均為封閉運(yùn)動(dòng)鏈的單自由度平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。對(duì)裝載機(jī)工作裝置而言，桿數(shù)目越多越能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，但同時(shí)鉸接點(diǎn)的數(shù)目也隨之增加，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度越高，也就越難在動(dòng)臂上進(jìn)行布置。因此，實(shí)際的裝載機(jī)工作裝置連桿機(jī)構(gòu)多為八桿以下機(jī)構(gòu)。按輸入和輸出桿轉(zhuǎn)向不同，又可分為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。正轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是指輸入與輸出桿的轉(zhuǎn)向相同；反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是指輸入與輸出桿的轉(zhuǎn)向相反。

由于叉裝機(jī)運(yùn)輸?shù)氖菈K狀物料，且物料重量較重，現(xiàn)有礦山市場(chǎng)上塊狀物料重量從10～50 t 不等。因此，叉裝機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)需要滿足：動(dòng)臂油缸舉升力達(dá)到對(duì)應(yīng)機(jī)型的額定載荷要求；轉(zhuǎn)斗油缸掘起力與機(jī)型額定載荷相匹配；具有較好的平移性；滿足各位置收卸斗角度要求。

1 反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)在叉裝機(jī)上的應(yīng)用

反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)的組成如圖1 所示。貨叉總成利用叉尖對(duì)塊狀物料進(jìn)行推撬，平端舉起物料，通過(guò)叉裝機(jī)整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸轉(zhuǎn)移和堆垛。動(dòng)臂通過(guò)動(dòng)臂油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)貨叉總成的舉升和下降；搖臂、拉桿通過(guò)轉(zhuǎn)斗油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)貨叉總成收斗和卸料。

圖1 反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)

反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)的受力分析如圖2 所示。

圖2 反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)的受力分析

動(dòng)臂油缸提供整套機(jī)構(gòu)上升、下降的舉升力G1，計(jì)算公式為：

其中，F(xiàn)1為動(dòng)臂油缸大腔提供的力；A1、A2為以動(dòng)臂上鉸點(diǎn)為支撐點(diǎn)的力矩。

機(jī)構(gòu)舉升過(guò)程中，掘起力必須與舉升力相匹配，避免出現(xiàn)動(dòng)臂可以把物料舉高但卻無(wú)法收斗的問(wèn)題，轉(zhuǎn)斗油缸掘起力G2的計(jì)算公式為：

其中，F(xiàn)2為轉(zhuǎn)斗油缸大腔提供的力；B1、B2以搖臂中心點(diǎn)為支撐點(diǎn)的力矩；B3、B4以動(dòng)臂下鉸點(diǎn)為支撐點(diǎn)的力矩。

平移性指的是貨叉平放地面，保持轉(zhuǎn)斗油缸行程不變，動(dòng)臂油缸工作將動(dòng)臂舉升到最大舉升高度的過(guò)程中貨叉面與水平面的夾角變化。叉裝機(jī)要求貨叉在舉升過(guò)程中，貨叉架組件必須保持向后傾的狀態(tài)，而且這個(gè)角度應(yīng)控制在20°以內(nèi)。平移性主要是為了保證在舉升過(guò)程中物料沒有向下滑落的風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)需要復(fù)雜的軌跡驗(yàn)算，工作裝置舉升力、掘起力、各位置收卸斗角度、平移性都需要綜合考慮。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)叉裝機(jī)平移角度一般在15°～20°之間。

2 正轉(zhuǎn)八連桿機(jī)構(gòu)在叉裝機(jī)上的應(yīng)用

正轉(zhuǎn)八連桿機(jī)構(gòu)的組成和受力分析如圖3、圖4 所示。

圖3 正轉(zhuǎn)八連桿機(jī)構(gòu)

圖4 正轉(zhuǎn)八連桿機(jī)構(gòu)受力分析

轉(zhuǎn)斗油缸掘起力的計(jì)算公式為：

其中，F(xiàn)3為轉(zhuǎn)斗油缸分力F3=F2×cosα；F2為轉(zhuǎn)斗油缸小腔提供的力；B1、B2為以動(dòng)臂下鉸點(diǎn)為支撐點(diǎn)的力矩。

正轉(zhuǎn)八連桿機(jī)構(gòu)是由多個(gè)平行四邊形組成的，本身具有很好的平移性能，設(shè)計(jì)時(shí)只需在其他性能參數(shù)滿足后做設(shè)計(jì)微調(diào)，即可實(shí)現(xiàn)較好的平移性能。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，正轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)叉裝機(jī)平移角度一般可以控制在5°～12°之間。

3 反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)與正轉(zhuǎn)八連桿機(jī)構(gòu)對(duì)比

3.1 動(dòng)臂油缸舉升力

兩種機(jī)構(gòu)的動(dòng)臂舉升力的計(jì)算和布置方式相同，動(dòng)臂舉升力隨著動(dòng)臂的舉升成遞減狀態(tài)；GB/T 36974—2018《土方機(jī)械輪胎式叉裝機(jī)技術(shù)條件》中規(guī)定叉裝機(jī)的額定載荷指的是叉裝機(jī)具備將物料提升到額定裝卸高度時(shí)的提升能力，并滿足裝卸工況穩(wěn)定系數(shù)；額定裝卸高度不得小于1.8 m。

3.2 轉(zhuǎn)斗油缸掘起力

反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)在掘起作業(yè)時(shí)，轉(zhuǎn)斗油缸活塞桿向外推，大腔進(jìn)油，配合合理的傳力比設(shè)計(jì)，可以獲得較大的掘起力。正轉(zhuǎn)八連桿機(jī)構(gòu)在掘起作業(yè)時(shí)，轉(zhuǎn)斗油缸活塞桿向內(nèi)縮短，小腔進(jìn)油，而且掘起作業(yè)的力相當(dāng)于是由轉(zhuǎn)斗油缸直接提供。相比兩種機(jī)構(gòu)的計(jì)算方法，在掘起力相同時(shí)，正轉(zhuǎn)八連桿機(jī)構(gòu)需要選擇缸徑更大的轉(zhuǎn)斗油缸。

反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)在動(dòng)臂舉升過(guò)程中，掘起力逐步增大，到達(dá)中位后開始減小，整個(gè)過(guò)程掘起力變化相對(duì)較小。正轉(zhuǎn)八連桿機(jī)構(gòu)在動(dòng)臂舉升過(guò)程中，掘起力逐步增大，到達(dá)中位后開始減小，整個(gè)過(guò)程掘起力變化較大。

3.3 機(jī)構(gòu)平移性

反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)需要復(fù)雜的軌跡驗(yàn)算，尋找合適的機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)來(lái)滿足平移性要求。正轉(zhuǎn)八連桿機(jī)構(gòu)由于本身機(jī)構(gòu)的特殊性，平移性能較好。

3.4 視野

叉裝機(jī)在工作中，駕駛員在駕駛室中需要頻繁地觀察貨叉叉尖位置，以便對(duì)準(zhǔn)物料的叉裝縫隙，將貨叉插到物料的底部。駕駛員的視野對(duì)于叉裝機(jī)的整機(jī)使用的便利性非常重要。影響視野的主要因素是工作裝置機(jī)構(gòu)的布置方式。

反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)斗油缸、搖臂、拉桿等構(gòu)件布置如圖5a）所示，在兩塊動(dòng)臂板中間位置，動(dòng)臂板間距離受限于叉裝機(jī)前橋輪距，當(dāng)大噸位叉裝機(jī)在布置時(shí)，轉(zhuǎn)斗油缸缸徑加大、搖臂尺寸加大，會(huì)遮擋駕駛員視線。轉(zhuǎn)八連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)斗油缸、搖臂、拉桿等構(gòu)件布置如圖5b）所示，動(dòng)臂板中間沒有多余構(gòu)件遮擋，駕駛員視野更好。

圖5 機(jī)構(gòu)布置對(duì)比

3.5 機(jī)構(gòu)工藝性

反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、構(gòu)件少、裝配工藝性較好，但因軌跡要求，動(dòng)臂板和搖臂板外形弧度較大，需要合理排版套料來(lái)提高材料利用率。正轉(zhuǎn)八連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)件多、裝配節(jié)點(diǎn)多，對(duì)比六連桿機(jī)構(gòu)需要更長(zhǎng)的裝配工時(shí)，但動(dòng)臂板和搖臂板外形折角小，近乎直臂，材料利用率高，可節(jié)省材料。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析研究了反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)和正轉(zhuǎn)八連桿機(jī)構(gòu)的工作原理，對(duì)比兩種機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，供相關(guān)設(shè)計(jì)人員根據(jù)實(shí)際需求選擇應(yīng)用。