張恒根，涂群章，何繼賢，潘明，鄭燁，丁喬

(解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇南京210007)

0 引言

近年來，地震、臺風、核泄露等災(zāi)害頻繁發(fā)生，在搶險救災(zāi)特別是道路、建筑物、山體滑坡等工程搶通搶建中，工程機械起著極其重要的作用。而在這些工作環(huán)境異常惡劣和危險的場合下作業(yè)，為保證操作者的身體健康和生命財產(chǎn)安全，采用作業(yè)的自動化裝置或遙控裝備，將人(操作手)從各種危險的作業(yè)現(xiàn)場中解放出來，已成為重要途徑之一。為實現(xiàn)工程機械的自動或遙控駕駛，采用置于駕駛室內(nèi)對各種操縱桿進行自動或遙控操作的機器手，是實現(xiàn)工程機械的無人或遙控操作最有效途徑之一。

挖掘機是目前在工程搶修搶建中最為典型的裝備之一，要實現(xiàn)對其進行遙控或自動操作，實現(xiàn)自動換擋是重要的一步。目前挖掘機主要采用手動換檔，要在不改變機械原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)自動或遙控換檔，就必須設(shè)計合理的換檔驅(qū)動機構(gòu)和相應(yīng)的控制器。本文通過對某型挖掘機的換擋機構(gòu)的研究，設(shè)計了一種操縱換擋手柄的機構(gòu)，并通過建模、分析，驗證了其換檔操作的有效性，為該機械自動換擋系統(tǒng)的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

1 建立模型

根據(jù)對換擋手柄的結(jié)構(gòu)、位置和運動的分析，該型挖掘機的換檔手柄主要包括兩個前進檔和一個倒檔。前進1檔為低速檔，2檔為高速檔，手柄的換擋運動是空間運動，為了簡便直觀地進行分析，建立如圖1所示的直角坐標系中，選取手柄與底座的鉸接點為坐標原點，手柄在空擋位置時處于豎直方向(z軸)，手柄由空擋進2檔時的前進方向為x軸。這樣，手柄檔位及工作位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 換擋手柄工作流程圖

根據(jù)對換擋手柄運動分析，換擋手柄的運動可分解為平面內(nèi)的直線運動和繞軸回轉(zhuǎn)運動。直線運動可采用電動機驅(qū)動曲柄滑塊機構(gòu)來實現(xiàn)，回轉(zhuǎn)運動采用電動機驅(qū)動回轉(zhuǎn)副來實現(xiàn)。

如圖2所示，將一個沿手柄桿上下滑動的滑塊套在手柄桿上，滑塊固定在一個指定的距離坐標原點距離為R的平面上，當滑塊運動產(chǎn)生行程L時，手柄的轉(zhuǎn)角就可以由R和L確定出來，即因此，把研究手柄的運動來轉(zhuǎn)化為研究滑塊的運動，下面將以滑塊為主要研究對象。

圖2 滑塊與手柄的位置關(guān)系圖

根據(jù)前面的敘述，復(fù)合機構(gòu)的運動簡圖如圖3所示:

圖3 復(fù)合機構(gòu)運動簡圖

曲柄長度L1，角位移θ1，角速度ω1；連桿長度L2，角位移θ2，角速度 ω2；電動機的轉(zhuǎn)角為 θ3，角速度 ω3；滑塊的位移 L，行程S，速度υc。以電動機軸為z軸，滑塊所在水平面為xoy平面，建立直角坐標系，當下側(cè)電動機轉(zhuǎn)角為0時有:

由式(2)可得:

即:

式(2)對時間t一次求導，得:

即:

當下側(cè)電動機驅(qū)動整個曲柄滑塊機構(gòu)繞z軸的轉(zhuǎn)角為 θ3時，

滑塊在x軸的行程分量:Sx=(S-L3)cosθ3

滑塊在y軸的行程分量:Sy=(S-L3)sinθ3

比如，一些自媒體從業(yè)者通過互聯(lián)網(wǎng)社交平臺發(fā)表批評地方政府或者地方政府官員的意見，引起地方官員或者企業(yè)負責人注意，于是這些地方官員或者企業(yè)負責人為了消除負面影響，主動支付費用，以換取批評者撤回有關(guān)稿件。對這種情況，司法機關(guān)一般按照敲詐勒索處理。其實，在司法實踐中，這種行為性質(zhì)非常復(fù)雜。

滑塊始終在xoy平面上，Sz=0

根據(jù)實際操作中手柄運動的具體參數(shù)，可以轉(zhuǎn)化為滑塊的行程和電動機的轉(zhuǎn)角，再根據(jù)滑塊的行程，計算出復(fù)合機構(gòu)的運動參數(shù)，就可以實現(xiàn)通過復(fù)合機構(gòu)最終驅(qū)動換擋手柄至需要的位置。

圖4是用Pro/E軟件對換擋手柄的操縱機構(gòu)進行了建模。

圖4 換擋手柄操縱機構(gòu)模型

電動機1驅(qū)動連桿，連桿通過與滑動桿的連接，實現(xiàn)了由電動機的回轉(zhuǎn)運動到直線運動的轉(zhuǎn)換；而滑動桿通過一個銷釘和滑套與換擋手柄相連，采用銷釘和滑套的目的是滿足換擋手柄運動自由度需要，避免出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象；轉(zhuǎn)槽將電動機1、連桿、滑動桿連成一個整體，并通過轉(zhuǎn)槽與電動機2相連。根據(jù)上文的分析，可以將換擋手柄的運動分解為平面內(nèi)的擺運和回轉(zhuǎn)運功。現(xiàn)在，根據(jù)所建立的模型可知，電動機1實現(xiàn)直線運動，而電動機2則實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。

2 機構(gòu)運動仿真

2.1 系統(tǒng)運動分析和參數(shù)設(shè)置

根據(jù)對換擋手柄運動的研究可知，該型挖掘機的換擋手柄的操作力為25N，每個換擋方向的最大行程為200mm，滑塊距離手柄鉸接點的垂直距離350mm，1檔2檔與倒檔之間的軌跡夾角均為30°，每次換擋時間不超過3s，手柄運動分析圖如圖5所示。

圖5 手柄運動分析

設(shè)連桿1長度為L1，連桿2長度為L2，則根據(jù)設(shè)置的初始位置有:L2=L1sin30°，系統(tǒng)運行至最終位置時，連桿1和連桿2均處于水平狀態(tài)，換擋手柄的最大行程為200mm，則有:L1+L2-L1cos30°=L1+L1sin30°-L1cos30°=200mm，可解得連桿1的長度為315.5mm，連桿2的長度為158mm。

圖6 電動機特性設(shè)置

2.1 動態(tài)仿真及結(jié)果分析

為驗證機構(gòu)設(shè)計的可行性，在Pro/E中，進行分析定義如圖7所示，在運動仿真時，根據(jù)該變速手柄實際運動的規(guī)律，對一個全換擋過程描述如下:

1)0s時在初始位置；

2)1s時開始換1檔，運行時間3s；

3)5s時開始換2檔，順序為1檔至初始位置至2檔，運行時間5s；

4)12s時回初始位置，運行時間2s；

5)15s時開始換倒檔，運行時間3s；

6)19s時回初始位置，運行時間3s，共計運行時間22s。

圖7 分析定義設(shè)置

對手柄進行運動分析，取滑塊為研究對象，對其位移和速度進行分析，結(jié)果如圖8-圖10所示。

圖8 位移模量

圖9 位移x方向分量

從圖8中可以看出，三次換擋的位移的模都是相等的，經(jīng)過矢量分解后，可以得出每次運動時沿運動方向的位移值都接近200mm，這是因為雖然換擋過程中加入了回轉(zhuǎn)運動，但是對于每次換擋來說，在相應(yīng)方向的位移都是200mm，說明該機構(gòu)可很好地實現(xiàn)換擋行程設(shè)計的要求。

從圖9中可以看出，中間的一次換擋(從初始位置到2檔的最終位置)的x方向的位移為200mm，這是因為本次換擋的手柄運動方向就是x方向；但是其他兩次的位移x分量都不足200mm，這是因為這兩次的換擋的手柄運動方向與x方向有30°的偏角，經(jīng)過計算，在誤差允許范圍內(nèi)，這兩次的位移x分量都近似等于200mm×cos30°。因此可以認為，該機構(gòu)在換擋運動行程方面和轉(zhuǎn)角方面都基本滿足了設(shè)計要求。

圖10 速度模量

從圖10中可以看出，因為采用了曲柄滑塊機構(gòu)，手柄的速度變化不規(guī)則，但是可以看出，在1s-2s的時間段速度是恒定的，這是由于電動機2在調(diào)整角度時做勻速回轉(zhuǎn)運動；在2s-4s的時間段內(nèi)，電動機1驅(qū)動曲柄滑塊運動，可以看出速度的模的最大值不是出現(xiàn)在初始位置(2s初)，而在第4s末，手柄運動至檔位的最終位置時速度降為0，減少了沖擊。

3 結(jié)論

通過對某型號挖掘機換擋手柄的結(jié)構(gòu)和運動分析，設(shè)計了采用一種手柄操縱機構(gòu)，通過Pro/E軟件對該機構(gòu)進行了建模和運動仿真，通過對結(jié)果的分析，該機構(gòu)基本滿足了設(shè)計要求。為后續(xù)對該挖掘機換擋手柄的自動控制，以實現(xiàn)自動換擋提供了一種可行的驅(qū)動機構(gòu)。

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