段克軍，涂群章，林加堃，鄭偉杰

（中國人民解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京210007）

工程機械在搶險救災(zāi)、危房拆卸、隧道施工、高溫爐渣的清除等危險環(huán)境下使用較為廣泛，為了減少危險環(huán)境對施工人員的傷害，設(shè)計出一套機構(gòu)代替人對工程機械各操縱桿進(jìn)行操作很有必要。在各種工程機械裝備中，平面擺動式手柄應(yīng)用較多，本文以某型挖掘機平面擺動式手柄為例，設(shè)計一種五連桿機構(gòu)，并進(jìn)行仿真分析。

1 平面擺動式手柄操縱機構(gòu)工作原理

圖1所示為平面擺動式手柄操縱機構(gòu)，采用五連桿機構(gòu)，其中1是主動桿，2是連桿，3是擺動手柄，M端連接驅(qū)動電機輸出軸，D點為擺動手柄與連桿的鉸接點，N是手柄在駕駛室中的安裝基點，等腰直角三角形PBC是一個三副元素構(gòu)件。主動桿1在驅(qū)動電機的帶動下順時針或逆時針擺動，經(jīng)連桿2帶動擺動手柄3運動。

圖1 平面擺動式手柄操縱機構(gòu)

為了方便操縱機構(gòu)在駕駛室內(nèi)的安裝布置，初步設(shè)定 PM=AB=400 mm，AM=PB=PC=150mm，DC=700mm，∠MAB=∠NDC=90°，CN=200 mm.各構(gòu)件的尺寸和相互之間的裝配關(guān)系確定之后，進(jìn)行機構(gòu)運動性能的分析。

2 運動性能分析

根據(jù)實際測量得到，手柄的擺動角度范圍為±30°，操作力為 30 N.由于 PM=AB，AM=PB 且∠MAB=90°，所以四邊形 MABP 為矩形，故 ωMA= ωPB，又因為PBC是等腰直角三角形，所以ωPB=ωPC，故ωPC=ωMA.平面擺動式手柄操縱機構(gòu)中ωDN與ωMA關(guān)系可以用圖2來分析。

圖2 連桿機構(gòu)運動分析

在圖2中建立XNY坐標(biāo)系，由零件長度和初始裝配關(guān)系可知 N，D1、C1、P 點的坐標(biāo)，即 N（XN=0，YN=0），P（XP=700，YP=50），D1（XD1=0，YD1=200），C1（XC1=700，YC1=200），假設(shè)當(dāng)PC1擺動β角度到達(dá)新位置PC2時，ND1擺動α角度到達(dá)新位置ND2，可得D2的坐標(biāo)值：

和C2點的坐標(biāo)：

將各點坐標(biāo)和式（1~4）代入式（5）并化簡，利用MATLAB繪制α與β的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 手柄擺動角度與主動桿擺角的關(guān)系曲線

根據(jù)實際情況，由于手柄擺動角度范圍是±30°，所以在設(shè)定的尺寸條件下，平面擺動式手柄操縱機構(gòu)實際轉(zhuǎn)動范圍為圖3中的加粗曲線部分，由圖可知，當(dāng) α ＝ 30°時，β ＝ 42°，當(dāng) α ＝ -30°時，β ＝ 318°即為β＝-42°.即當(dāng)主動桿MA向某方向擺動42°時，擺動手柄就同方向擺動至極限位置。平面擺動式手柄操縱機構(gòu)在某型挖掘機上的安裝如圖4所示。

圖4 平面擺動式手柄操縱機構(gòu)安裝圖

利用MATLAB的Sum of Sin Functions Fitting工具，得到手柄擺動角度α與電機輸出軸回轉(zhuǎn)角度β之間的多項式關(guān)系式：其中 a1＝6 413，b1＝0.05 931，c1＝ 0.02 404，a2＝ 6 377，b2 ＝ 0.05 945，c2 ＝ -3.117.式（6）（7）分別表示主動桿與手柄的角度關(guān)系正解和反解，據(jù)此可對平面擺動式手柄操縱機構(gòu)的角度進(jìn)行控制。

3 動力學(xué)仿真

為分析機構(gòu)重要關(guān)節(jié)處的受力情況，并且對驅(qū)動電機進(jìn)行選型，需要對平面擺動式手柄操縱機構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的動力學(xué)仿真。

利用多體動力學(xué)軟件ADAMS建立平面擺動式手柄操縱機構(gòu)模型并添加正確的約束類型，在主動桿處設(shè)置MOTION，完成動力學(xué)模型的初步建立，如圖5所示。然后在手柄與groud的接觸點處設(shè)置阻力轉(zhuǎn)矩FRICTION為6 000 N·mm.由于擺動式手柄操縱機構(gòu)的操作力較小，故選用鋁制連桿，將所有連桿的密度設(shè)置為鋁的密度。最后，將主動桿轉(zhuǎn)速規(guī)律設(shè)置為先加速再勻速最后減速的工況，將總的仿真時間設(shè)置為2 s，運行仿真。

圖6 所示為MOTION處的轉(zhuǎn)矩即驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩的變化曲線。

圖6 驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩曲線

由圖6可知，在起始的加速過程中，電機的輸出轉(zhuǎn)矩不斷增大，某時刻達(dá)到轉(zhuǎn)矩峰值2 986 N·mm.根據(jù)電機輸出轉(zhuǎn)矩峰值，本操縱機構(gòu)選擇以上海四宏電機有限公司型號為57BYGH255-3004A的步進(jìn)電機作為動力源，搭配減速比為4:1的行星減速器，電機主要參數(shù)如表1所示。

表1 57BYGH255-3004A型步進(jìn)電機技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)束語

設(shè)計的五連桿操縱機構(gòu)本身結(jié)構(gòu)簡單，形狀狹長，特別適合在各種工程裝備駕駛室內(nèi)的安裝和尺寸調(diào)整。通過運動性能分析和動力學(xué)仿真得到了電動機轉(zhuǎn)動角度和擺動手柄擺動角度的關(guān)系，為以后電控系統(tǒng)的設(shè)計提供了依據(jù)

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