摘 要：計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展給機(jī)械設(shè)計(jì)方法提供了全新的方式，以挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)為例，綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)二維制圖、三維建模、計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真、計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)及輔助計(jì)算等技術(shù)，旨在提升機(jī)械設(shè)計(jì)的效率、可靠性。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；挖掘機(jī)工作裝置；機(jī)械設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.108

0 引言

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是指工程技術(shù)人員在人和計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)中以計(jì)算機(jī)為工具，輔助人類(lèi)完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、繪圖等工作，并達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本的目的[1]。

液壓挖掘機(jī)是一種以開(kāi)挖土石方為主要用途的建筑機(jī)械設(shè)備，在工程中對(duì)節(jié)省人力、縮短工期、降低工程造價(jià)和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率具有非常重要的作用[2]。

1 工作裝置運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

液壓挖掘機(jī)工作裝置有正鏟和反鏟兩種，反鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗以及動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸組成。動(dòng)臂和動(dòng)臂油缸組成四桿機(jī)構(gòu)，斗桿和斗桿油缸組成四桿機(jī)構(gòu)，鏟斗機(jī)構(gòu)是由鏟斗、鏟斗油缸連桿及搖桿組成的六桿機(jī)構(gòu)。整個(gè)工作裝置共有11個(gè)活動(dòng)件、15個(gè)低副，其自由度為F=3X11-2X15=3[3]。

1.1 工作裝置設(shè)計(jì)已知參數(shù)

設(shè)計(jì)機(jī)重：G

鏟斗斗容：q10.04G[4]

根據(jù)斗容q，可大致確定鏟斗半徑。

1.2 工作裝置運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前主流的三維設(shè)計(jì)軟件有UG，PRO/E，KATIA，SOLIDWORKS等，工作裝置運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用PRO/E進(jìn)行三維數(shù)模的設(shè)計(jì)。工作裝置運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，按以下步驟進(jìn)行：

建立整機(jī)坐標(biāo)系：以水平停機(jī)面為XY平面，挖掘機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閅軸，回轉(zhuǎn)中心為Z軸，以右手法則建立坐標(biāo)系；

步驟1：

最大挖掘高度H1：動(dòng)臂油缸9全伸（動(dòng)臂仰角最大），斗桿油缸2全縮且鏟斗油缸4全縮時(shí)斗齒尖V距基準(zhǔn)地平面Y軸的垂直距離。

根據(jù)最大挖掘高度定義，在PRO/E軟件草繪界面，繪制出最大挖掘高度姿態(tài)，其中Hmax、LCF（動(dòng)臂長(zhǎng)度）、LFQ（斗桿長(zhǎng)度）、LQV（鏟斗半徑）為已知，在此姿態(tài)下，可初選動(dòng)臂油缸的傾角及最大行程；可初選斗桿油缸的安裝距、鏟斗油缸的安裝距；可初選鏟斗的仰角及轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，進(jìn)而初選鏟斗四連桿機(jī)構(gòu)的尺寸。

步驟2：

最大卸載高度H4：動(dòng)臂油缸全伸，斗桿油缸全縮，鏟斗上Q、V連線(xiàn)垂直于基準(zhǔn)地平面，此時(shí)斗齒尖距停機(jī)面的垂直距離即為最大卸載高度。

按最大卸載高度定義放置鏟斗，此步驟可校核 長(zhǎng)度。

步驟3：

最大挖掘半徑H3：斗桿油缸全縮，CQ距離最大且C、Q、V共線(xiàn)并平行基準(zhǔn)地平面，此時(shí)斗齒尖距回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)的距離。

此步驟可校核LQV的尺寸。

步驟4：

最大挖掘深度H2：指動(dòng)臂油缸全縮（動(dòng)臂仰角最?。現(xiàn)、Q、V三點(diǎn)一線(xiàn)并垂直于基準(zhǔn)地面（XY軸平面）時(shí)，斗齒尖距基準(zhǔn)地平面的垂直距離。

在PRO/E草繪里，繪制最大挖掘深度姿態(tài)，此時(shí)可大致確定動(dòng)臂油缸的傾角及安裝距。此步驟可校核H4、LCF 、LFQ、LQV 的尺寸。

經(jīng)過(guò)前述四個(gè)步驟，可以繪制出如圖1所示的工作裝置機(jī)構(gòu)作業(yè)范圍圖。

步驟5

在PRO/E草繪里，繪制圖2姿態(tài)：動(dòng)臂油缸全伸，斗桿油缸全伸，鏟斗油缸全伸。此姿態(tài)可初選斗桿油缸2的最大行程，鏟斗油缸4的最大行程。確定鏟斗7的最大轉(zhuǎn)角，可以校核搖桿5、連桿6、鏟斗LQV的長(zhǎng)度。

步驟6

經(jīng)過(guò)前述步驟，挖掘機(jī)工作裝置作業(yè)范圍大致符合設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)軟件PRO/E里，按裝配關(guān)系將各部分?jǐn)?shù)字模型進(jìn)行裝配，進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析，調(diào)整結(jié)構(gòu)干涉部分，工作裝置運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完成。

2 結(jié)束語(yǔ)

文章需要進(jìn)一步的研究工作有：

（1）基于計(jì)算機(jī)有限元分析的挖掘機(jī)工作裝置校核；

（2）基于計(jì)算機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]寧汝新，趙汝嘉.CAD/CAM技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]陳國(guó)俊.液壓挖掘機(jī)（原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、計(jì)算）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2012.

[3]陳進(jìn)，龐曉平.單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置關(guān)鍵技術(shù)研究[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[4]林慕義，史青錄.單斗液壓挖掘機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

作者簡(jiǎn)介：魏智慧（1986-），女，碩士，講師，研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)與多媒體技術(shù)。