張 林，蔡敢為

(1.廣西大學(xué)土木工程學(xué)院，廣西 南寧 530004;2 廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

0 前言

隨著施工建設(shè)由過(guò)去的大拆大建向精細(xì)化施工發(fā)展，以及“數(shù)控一代”裝備創(chuàng)新工程的實(shí)施，傳統(tǒng)工程機(jī)械設(shè)備因?yàn)樵胍舸蟆⒛芎母?、污染?yán)重、維護(hù)保養(yǎng)成本高等問(wèn)題［1－4］以很難適應(yīng)大環(huán)境的發(fā)展，這給傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備即帶來(lái)了帶來(lái)了換代升級(jí)所面臨的各種挑戰(zhàn)也帶來(lái)了巨大的機(jī)遇。廣西大學(xué)蔡敢為首先提出了將可控機(jī)構(gòu)技術(shù)［5－11］應(yīng)用到工程機(jī)械領(lǐng)域的設(shè)想，并進(jìn)行了相關(guān)研究，獲得了許多研究成果［12－14］。應(yīng)用可控機(jī)構(gòu)技術(shù)的可控機(jī)構(gòu)式工程機(jī)械［15－16］不僅解決了液壓傳動(dòng)工程機(jī)械面臨的諸多問(wèn)題，也解決了傳統(tǒng)機(jī)械式工程機(jī)械輸出運(yùn)動(dòng)缺乏柔性、傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜等問(wèn)題，可控機(jī)構(gòu)式工程機(jī)械具有智能化程度高、全車電控、零排放、低噪音、電傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械效率高等特點(diǎn)，并且易實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械自動(dòng)化、遠(yuǎn)程操控等，特別適合未來(lái)現(xiàn)代化施工需要。

為了獲得可控裝載機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，方便驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型，現(xiàn)根據(jù)達(dá)朗貝爾原理對(duì)可控裝載機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)逆問(wèn)題進(jìn)行建模求解。

1 力學(xué)問(wèn)題簡(jiǎn)化

可控裝載機(jī)構(gòu)的受力分析如圖1 所示，構(gòu)件i(i=2，3，…，9)的質(zhì)心用Si表示，負(fù)載的質(zhì)心用SL表示;主動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)力矩用Mi(i=1，2)表示。為了便于進(jìn)行力學(xué)分析，在允許存在較小誤差的前提下，根據(jù)可控裝載機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特性，作如下假設(shè):

(1)各桿件i(i≠1，4，5，7)的質(zhì)心Si在對(duì)應(yīng)桿長(zhǎng)的中心位置。

(2)動(dòng)臂的質(zhì)心S4在鉸孔D 點(diǎn)處。

(3)鏟斗的質(zhì)心S5在鉸孔E 與斗尖L 的連線上，且距離鉸孔E 的距離為

(4)搖臂的質(zhì)心S7在鉸孔H 與斗尖I 的連線上，距離鉸孔H 距離為

(5)為較全面的考慮到各種作業(yè)工況，特別將負(fù)載的質(zhì)心SL選定在斗尖L 處。

圖1 可控裝載機(jī)構(gòu)受力分析Fig.1 Stress analysis of controllable loading mechanism

2 動(dòng)態(tài)靜力分析與建模

2.1 動(dòng)態(tài)靜力分析

構(gòu)件i(i=2，3，…，9)的質(zhì)量用mi表示，mL表示負(fù)載的質(zhì)量;鉸孔Θ 受到的約束反力表示為FRΘ;構(gòu)件i(i=2，3，…，9)的重力表示為FGi，其中負(fù)載的重力表示為FGL，在垂直方向負(fù)載對(duì)鏟斗的慣性力記為FI5，重力加速度用g表示。可控裝載機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的受力情況如圖2 所示。可控裝載機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力學(xué)問(wèn)題可概括為:已知各桿件矢量Li的角位移φi以及模li;動(dòng)臂、鏟斗、搖臂角度參數(shù)θi(i=1，2，…，5)，桿件質(zhì)心Si(i=2，3，…，9)以及負(fù)載質(zhì)心SL的位置，桿件質(zhì)量mi(i=2，3，…，9)以及負(fù)載質(zhì)量ml，鏟斗垂直加速度為α5，重力加速度g。求在上限舉升工況下，各鉸點(diǎn)約束反力和兩主動(dòng)桿的驅(qū)動(dòng)力矩。

令∑FiX(i=2，3，…，9)表示構(gòu)件i 所受到的力在X 軸方向的投影之和;∑FiY(i=2，3，…，9)表示構(gòu)件i 所受到的力在Y 軸方向的投影之和;∑MiΘ(i=2，3，…，9)表示構(gòu)件i 所受到的力和力矩對(duì)鉸孔Θ 的力矩之和?，F(xiàn)應(yīng)用達(dá)朗貝爾原理，建立可控裝載機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的動(dòng)態(tài)靜力學(xué)平衡方程:

圖2 各構(gòu)件受力分析Fig.2 Stress analysis of each component

2.2 建立動(dòng)態(tài)靜力模型

將式(1)至(8)整理成矩陣形式，有:

上式中，矩陣E 和矩陣G為已知參數(shù)矩陣，矩陣F為待求參數(shù)矩陣。

對(duì)式(9)兩端同乘以矩陣E 的逆矩陣，可得:

通過(guò)上述動(dòng)態(tài)靜力分析，便獲得了可控裝載機(jī)構(gòu)主動(dòng)桿的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

3 輸入功率預(yù)估

根據(jù)功率計(jì)算公式，在已知兩主動(dòng)桿的輸入轉(zhuǎn)矩、角速度的情形下，便可得到各主動(dòng)桿瞬時(shí)輸入功率，而各主動(dòng)桿的輸入功率P0i(i=1，2)應(yīng)為瞬時(shí)輸入功率的最大值，即:

(1)第一主動(dòng)桿輸入功率:

(2)第二主動(dòng)桿輸入功率:

4 動(dòng)態(tài)靜力仿真

利用Pro/E 建立可控裝載機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型，并導(dǎo)入ADAMS 中進(jìn)行仿真分析。可控裝載機(jī)構(gòu)額定載荷為200kg，考慮到裝載機(jī)在實(shí)際作業(yè)中存在過(guò)載及各種復(fù)雜載荷情形，在鏟斗斗尖位置，加載一個(gè)大小為2700N，沿重力方向的力，運(yùn)行仿真，通過(guò)軟件自帶測(cè)量工具對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理，得到了第一、二主動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)力矩和功率，分別如圖3～6 所示。

根據(jù)圖3～4 所示仿真結(jié)果可知，第一主動(dòng)桿最大負(fù)載力矩為1092.7 N·m，第二主動(dòng)桿最大負(fù)載力矩為1290.2 N·m。從圖5～6 可知，第一主動(dòng)桿最大驅(qū)動(dòng)功率為1.0 kW，第二主動(dòng)桿最大驅(qū)動(dòng)功率為0.97 kW。

圖3 第一主動(dòng)桿負(fù)載力矩Fig.3 Load torque of the first active rod

圖4 第二主動(dòng)桿負(fù)載力矩Fig.4 Load torque of the second active rod

圖5 第一主動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)功率Fig.5 Drive power of the first active rod

圖6 第二主動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)功率Fig.6 Drive power of the second active rod

5 電傳動(dòng)系統(tǒng)搭建及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

在該款可控裝載機(jī)構(gòu)電傳動(dòng)系統(tǒng)功率評(píng)估前工廠已采購(gòu)有105SZD02-DZ 系列直流電機(jī)和130SZD01-DZ 系列直流電機(jī)，以及KA67R37、K77R37 系列斜齒－螺旋錐齒輪減速機(jī)，現(xiàn)根據(jù)仿真結(jié)果，搭建可控裝載機(jī)構(gòu)電傳動(dòng)系統(tǒng)，如表1 所示。

表1 電傳動(dòng)系統(tǒng)搭配Tab.1 Electric drive system of the controllable loading mechanism

以表1 所述電傳動(dòng)系統(tǒng)為可控裝載機(jī)構(gòu)的動(dòng)力系統(tǒng)，新型電動(dòng)裝載機(jī)研制完成后，順利進(jìn)行了輕度場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)，分別在工地進(jìn)行了200 kg、300 kg 建筑廢料舉升實(shí)驗(yàn)和400 kg 鐵塊舉升實(shí)驗(yàn)，分別如圖7～9。

圖7 新型裝載機(jī)舉升實(shí)驗(yàn)—200 kg 土塊Fig.7 New type loader lift test-200kg clod

圖8 新型裝載機(jī)舉升實(shí)驗(yàn)—300 kg 土塊Fig.8 New type loader lift test-300kg clod

圖9 新型裝載機(jī)舉升實(shí)驗(yàn)－400 kg 鐵塊Fig.9 New type loader lift test－400kg iron slab

6 總結(jié)

本文針對(duì)一種型裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)建立可控裝載機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)靜力模型，求解了各鉸點(diǎn)約束反力和主動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)力矩，并進(jìn)行了主動(dòng)桿輸入功率預(yù)估，動(dòng)態(tài)靜力模型的建立為可控裝載機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能研究提供了理論基礎(chǔ)。通過(guò)可控裝載機(jī)構(gòu)樣機(jī)研制與場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)，一方面驗(yàn)證了可控裝載機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析研究的準(zhǔn)確性;另一方面驗(yàn)證了將可控裝載機(jī)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用于微小型工程機(jī)械領(lǐng)域的可行性。該研究將為可控機(jī)構(gòu)式工程機(jī)械研發(fā)設(shè)計(jì)起到一定的參考借鑒作用。

［1］彭熙偉，陳建萍.液壓技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向［J］.液壓與氣動(dòng)，2007(3):1－5.

［2］蔣真平，朱喜林.ZL50G 型輪式裝載機(jī)噪聲測(cè)試與頻譜分析［J］.工程機(jī)械，2007，38(12):15－20.

［3］杜博聰.節(jié)能減排 中國(guó)工程機(jī)械企業(yè)任重道遠(yuǎn)［J］.今日工程機(jī)械，2007(10):50－51

［4］權(quán)龍，高有山，程珩.提高工程機(jī)械能量利用率的技術(shù)現(xiàn)狀及新進(jìn)展［J］，液壓與氣動(dòng)，2013(4):1－9

［5］Chuenchom T，Kota S.Synthesis of programmable mechanisms using adjustable dyads［J］.ASME Journal of Mechanical Design，1997(02):232－237.

［6］Erdman A.G.Modem Kinematics:Developments in the Last Forty Years［C］.New York:John Wiley＆Sons Inc.，1993.

［7］HONG B，ERDMAN A G.A method for adjustable planar and spherical four-bar linkage synthesis［J］.Journal of Mechanical Design，2005，127(3):456－463.

［8］Hongsen Yan，Guojhih Yan.Integrated control and mechanism design for the variable input-speed servo four-bar linkages［J］.Mechatronics，2009，19(2):174－285.

［9］張新華，張策，田漢民.混合驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)建模的理論依據(jù)［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2001，(6):857－859.

［10］李瑞琴，鄒慧君.可控機(jī)構(gòu)的分類及研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2002，18(4):17－20.

［11］周洪.可控機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論及其應(yīng)用研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2000.

［12］張林，蔡敢為，王小純，等.九桿兩自由度可控機(jī)構(gòu)式裝載機(jī)工作裝置的正解分析［J］.礦山機(jī)械，2015，43(3):49－53.

［13］潘雨辰，蔡敢為，王紅州，等.具有變胞功能的電動(dòng)裝載機(jī)構(gòu)構(gòu)態(tài)進(jìn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析與基因建模［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50(1):38－46.

［14］蔡敢為，張林，王小純，等.多自由度可控裝載機(jī)構(gòu)的構(gòu)型設(shè)計(jì)與綜合研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015 (4):1－4.

［15］蔡敢為，張林，潘宇晨，等.一種多連桿裝載機(jī)構(gòu):中國(guó)，201110189561.7［P］.2011－12－28.

［16］白勇軍.大型重載伺服機(jī)械壓力機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)驗(yàn)研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2012.