張　林　蔡敢為　朱凱君　李俊明　王小純

廣西大學(xué)廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南寧，530004

基于圖論的可控裝載機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

張林蔡敢為朱凱君李俊明王小純

廣西大學(xué)廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南寧，530004

摘要：基于圖論相關(guān)理論對(duì)一種新型裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的構(gòu)型設(shè)計(jì)與研究。利用胚圖插點(diǎn)法對(duì)九桿以?xún)?nèi)只含單鉸轉(zhuǎn)動(dòng)副的平面閉環(huán)兩自由度機(jī)構(gòu)進(jìn)行了構(gòu)型綜合，得到了51種拓?fù)鋱D；根據(jù)可控裝載機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求、功能性要求、約束條件要求以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)原則對(duì)得到的拓?fù)鋱D進(jìn)行了拓?fù)渚C合，共篩選出了22種滿(mǎn)足構(gòu)型要求的拓?fù)鋱D；再根據(jù)提出的機(jī)架存在條件、鏟斗存在條件、動(dòng)臂存在條件對(duì)得到的所有拓?fù)鋱D進(jìn)行了特定化；最后提出可控裝載機(jī)構(gòu)優(yōu)選原則，對(duì)拓?fù)鋱D特定化方案進(jìn)行優(yōu)選和具體化，獲得了11種可控裝載機(jī)構(gòu)。通過(guò)樣機(jī)研制驗(yàn)證了構(gòu)型設(shè)計(jì)的合理性。

關(guān)鍵詞：裝載機(jī)；工作裝置；拓?fù)渑邎D；拓?fù)渚C合；可控裝載機(jī)構(gòu)

0引言

工作裝置是裝載機(jī)進(jìn)行鏟裝作業(yè)的主要部件，其設(shè)計(jì)直接決定了裝載機(jī)的作業(yè)性能和效率[1]。裝載機(jī)工作裝置由過(guò)去大量采用的反轉(zhuǎn)“Z”形連桿機(jī)構(gòu)、正轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)、正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu)發(fā)展到卡特彼勒公司的八桿平行結(jié)構(gòu)以及沃爾沃公司的TP連桿機(jī)構(gòu)，大幅改善了鏟斗平移性及舉升性能。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，對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品的性能要求不斷提高，小型化、智能化、節(jié)能環(huán)保型已成為裝載機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要方向，采用新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)進(jìn)行新型工作裝置研發(fā)設(shè)計(jì)已成為工程機(jī)械技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)[2-4]。

現(xiàn)有裝載機(jī)工作裝置普遍采用液壓系統(tǒng)，而液壓系統(tǒng)存在傳動(dòng)效率低、能耗大等缺陷[5-8],限制了純電動(dòng)技術(shù)在裝載機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用?？煽貦C(jī)構(gòu)輸出運(yùn)動(dòng)具有柔性、可控、可調(diào)的特點(diǎn)，為了克服現(xiàn)有裝載機(jī)工作裝置的不足，蔡敢為等[9]提出了一種應(yīng)用可控機(jī)構(gòu)原理的新型可控裝載機(jī)構(gòu)，該裝載機(jī)構(gòu)取消了液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，改由電傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了多自由度運(yùn)動(dòng)輸入，復(fù)雜軌跡輸出，既克服了傳統(tǒng)液壓裝載機(jī)能耗高、可靠性差等缺點(diǎn)，又克服了傳統(tǒng)機(jī)械式裝載機(jī)動(dòng)作單一、運(yùn)動(dòng)缺乏柔性等缺點(diǎn)，非常適用于小型全電動(dòng)裝載機(jī)。機(jī)構(gòu)拓?fù)鋭?chuàng)新是機(jī)械發(fā)明中最具挑戰(zhàn)性和發(fā)明性的核心內(nèi)容[10]，型綜合是進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新的有效手段，為了獲得滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的最佳構(gòu)型，現(xiàn)對(duì)可控裝載機(jī)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)型綜合研究。

1可控裝載機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合方案

可控裝載機(jī)構(gòu)采用平面閉環(huán)低副機(jī)構(gòu)，平面機(jī)構(gòu)常用的構(gòu)型綜合方法有阿蘇爾桿組法[11-12]、圖論法[13-14]和基于螺旋理論、李代數(shù)等現(xiàn)代數(shù)學(xué)的型綜合方法[15-16]?，F(xiàn)有的構(gòu)型綜合方法通常針對(duì)特定條件下基本運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行綜合，而在運(yùn)動(dòng)鏈特定化方面，目前尚缺少有效的特定化方法，難以獲得全部可行機(jī)構(gòu)構(gòu)型。為了獲得全部滿(mǎn)足裝載機(jī)功能要求的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)提出一種基于圖論相關(guān)理論[14，17-20]的可控裝載機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合方案，如圖1所示。

圖1　可控裝載機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合方案

2可控裝載機(jī)構(gòu)構(gòu)型分析

2.1構(gòu)型分析

用點(diǎn)表示運(yùn)動(dòng)鏈中的構(gòu)件，線(xiàn)來(lái)表示運(yùn)動(dòng)副，將運(yùn)動(dòng)鏈中的構(gòu)件連接關(guān)系表示成點(diǎn)和線(xiàn)的連接關(guān)系，便得到了運(yùn)動(dòng)鏈的拓?fù)鋱D，拓?fù)鋱D與機(jī)構(gòu)具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；若去掉拓?fù)鋱D中表示二副構(gòu)件的點(diǎn)，便得到了運(yùn)動(dòng)鏈的拓?fù)渑邎D。

將液壓缸視為由移動(dòng)副連接而成的兩桿運(yùn)動(dòng)鏈，則現(xiàn)有裝載機(jī)工作裝置均為平面閉環(huán)兩自由度機(jī)構(gòu)，構(gòu)件數(shù)目主要有7，9，…。圖2a所示為現(xiàn)有裝載機(jī)最常用的九桿兩自由度反轉(zhuǎn)工作裝置，圖2b所示為其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖 2　現(xiàn)有工作裝置構(gòu)型分析

2.2構(gòu)型設(shè)計(jì)要求

為了便于構(gòu)型設(shè)計(jì)和綜合，結(jié)合現(xiàn)有裝載機(jī)工作裝置構(gòu)型以及可控機(jī)構(gòu)式工程機(jī)械特點(diǎn)，針對(duì)可控裝載機(jī)構(gòu)提出以下構(gòu)型要求：①根據(jù)裝載機(jī)工作原理和運(yùn)動(dòng)要求，可控裝載機(jī)構(gòu)應(yīng)為平面閉環(huán)兩自由度機(jī)構(gòu)；②為提高裝載機(jī)工作裝置可靠性，降低能耗，可控裝載機(jī)構(gòu)各構(gòu)件間運(yùn)動(dòng)副應(yīng)避免使用移動(dòng)副，而應(yīng)采用可靠性、傳動(dòng)效率更高的轉(zhuǎn)動(dòng)副；③在滿(mǎn)足作業(yè)要求的情況下，為降低制造成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，可控裝載機(jī)構(gòu)構(gòu)件數(shù)目應(yīng)控制在九桿以?xún)?nèi)。

3平面機(jī)構(gòu)綜合

3.1類(lèi)配方案

為了獲得九桿以?xún)?nèi)可控裝載機(jī)構(gòu)各構(gòu)件組合類(lèi)型，根據(jù)平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式對(duì)桿件數(shù)目小于9的平面閉環(huán)兩自由度連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了桿件類(lèi)配，共得到了7種桿件類(lèi)配方案，如表1所示(表中n表示構(gòu)件總數(shù)，ni表示含i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的構(gòu)件數(shù)目)。

表 1　運(yùn)動(dòng)鏈桿件類(lèi)配方案

3.2基于胚圖插點(diǎn)法的平面機(jī)構(gòu)綜合

胚圖插點(diǎn)法[19]主要步驟可概括為：首先根據(jù)類(lèi)配方案構(gòu)件中所含運(yùn)動(dòng)副大于2的構(gòu)件數(shù)量，通過(guò)圖論相關(guān)方法[18]獲得拓?fù)渑邎D方案，再根據(jù)二副構(gòu)件數(shù)量在拓?fù)渑邎D中插入二度點(diǎn)，最后利用拓?fù)鋱D同構(gòu)判斷的相關(guān)方法[20]，刪除同構(gòu)和含消極子鏈的拓?fù)鋱D，便得到所類(lèi)配方案對(duì)應(yīng)的所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。表1對(duì)應(yīng)的拓?fù)渑邎D共有10種，具體如表2所示。

根據(jù)各類(lèi)配方案中二副構(gòu)件數(shù)量，在表2所示拓?fù)渑邎D中插入二度點(diǎn)，并去掉同構(gòu)及含消極子鏈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，便得到了所有51種平面五、七、九桿機(jī)構(gòu)拓?fù)鋱D，如表3所示。表3中，N.X.Y表示胚圖代碼，其中N表示桿件數(shù)目，X表示類(lèi)配方案，Y表示胚圖類(lèi)型。

表2　拓?fù)渑邎D類(lèi)型

表3　平面五、七、九桿機(jī)構(gòu)拓?fù)鋱D

為了便于識(shí)別各拓?fù)鋱D，對(duì)各胚圖對(duì)應(yīng)的拓?fù)鋱D從左向右，從上往下依次用數(shù)字i(i=1,2,…,16)進(jìn)行標(biāo)號(hào)，并用代碼N.X.Y.i表示拓?fù)鋱D；例如9.Ⅴ.a.1表示拓?fù)渑邎D9.Ⅴ.a對(duì)應(yīng)的第一幅拓?fù)鋱D。

4可控裝載機(jī)構(gòu)拓?fù)渚C合

表3所示51種平面五、七、九桿拓?fù)鋱D中，并非每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都滿(mǎn)足可控裝載機(jī)構(gòu)需要，也并非一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只對(duì)應(yīng)一種裝載機(jī)構(gòu)類(lèi)型，所以無(wú)法直接進(jìn)行運(yùn)動(dòng)鏈及特定化轉(zhuǎn)換，為獲得滿(mǎn)足可控裝載機(jī)構(gòu)需要的拓?fù)鋱D及特定化方案，現(xiàn)基于裝載機(jī)工作裝置功能要求以及可控裝載機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)渚C合。

4.1拓?fù)渚C合基礎(chǔ)

為了方便可控裝載機(jī)構(gòu)拓?fù)渚C合研究，現(xiàn)提出一些基本概念，以及可控拓?fù)鋱D功能性構(gòu)件存在條件。

4.1.1基本概念

(1)拓?fù)鋱D功能點(diǎn)。拓?fù)鋱D中，代表不可或缺構(gòu)件且對(duì)機(jī)構(gòu)功能的完整性起決定作用的點(diǎn)稱(chēng)為拓?fù)鋱D的功能點(diǎn)。在拓?fù)鋱D中代表可控裝載機(jī)構(gòu)機(jī)架、鏟斗、主動(dòng)桿和動(dòng)臂的點(diǎn)稱(chēng)為可控裝載機(jī)構(gòu)的功能點(diǎn)。

(2)拓?fù)鋱D非功能點(diǎn)。拓?fù)鋱D中，除功能點(diǎn)外，其他代表機(jī)構(gòu)連桿等構(gòu)件的點(diǎn)稱(chēng)為非功能點(diǎn)。如代表可控裝載機(jī)構(gòu)連桿、拉桿、搖臂等構(gòu)件的點(diǎn)稱(chēng)為非功能點(diǎn)。

(3)拓?fù)鋱D等價(jià)點(diǎn)、等價(jià)支鏈、等價(jià)回路。在拓?fù)鋱D中，一些位置的點(diǎn)是完全等價(jià)的，這樣的點(diǎn)稱(chēng)為拓?fù)鋱D等價(jià)點(diǎn)，由等價(jià)點(diǎn)構(gòu)成的支鏈稱(chēng)為等價(jià)支鏈，由等價(jià)支鏈構(gòu)成的回路稱(chēng)為等價(jià)回路。

4.1.2拓?fù)鋱D功能性判定準(zhǔn)則

拓?fù)鋱D中是否存在滿(mǎn)足可控裝載機(jī)構(gòu)功能性要求的功能點(diǎn)，是判斷拓?fù)鋱D是否滿(mǎn)足裝載機(jī)構(gòu)型要求的基本條件。為方便從51種拓?fù)鋱D中篩選并確定符合可控裝載機(jī)構(gòu)功能性要求的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)提出以下功能性條件。

(1)機(jī)架存在條件?？煽匮b載機(jī)構(gòu)機(jī)架同時(shí)與兩主動(dòng)桿、動(dòng)臂連接，機(jī)架構(gòu)件所含運(yùn)動(dòng)副數(shù)目不小于3。因此在拓?fù)鋱D中，存在機(jī)架功能點(diǎn)的條件是拓?fù)鋱D中必須存在度d≥3的點(diǎn)。

(2)主動(dòng)桿存在條件。兩主動(dòng)桿同時(shí)連接在機(jī)架上，為避免發(fā)生剛性破壞，由兩主動(dòng)桿構(gòu)成的回路自由度應(yīng)為2。因此在拓?fù)鋱D中，與機(jī)架功能點(diǎn)鄰接的點(diǎn)至少應(yīng)有三個(gè)，除一個(gè)代表動(dòng)臂功能點(diǎn)外，必須存在兩個(gè)主動(dòng)桿功能點(diǎn)，且兩主動(dòng)桿功能點(diǎn)構(gòu)成的任意回路自由度必須等于2。

(3)鏟斗存在條件。作為鏟斗的構(gòu)件應(yīng)為兩副構(gòu)件，為避免沖擊，鏟斗與機(jī)架之間應(yīng)連接有動(dòng)臂；鏟斗作為裝載機(jī)構(gòu)的執(zhí)行構(gòu)件，應(yīng)滿(mǎn)足裝載機(jī)對(duì)工作裝置的靈活度要求，即鏟斗的自由度必須等于2。因此在拓?fù)鋱D中，鏟斗功能點(diǎn)的度d=2；機(jī)架功能點(diǎn)與鏟斗功能點(diǎn)之間應(yīng)存在動(dòng)臂功能點(diǎn)；由機(jī)架功能點(diǎn)和鏟斗功能點(diǎn)構(gòu)成的任意回路自由度必須等于2。

(4)拓?fù)鋱D最簡(jiǎn)條件。為了降低制造成本和自重，可控裝載機(jī)構(gòu)中不應(yīng)存在由自由度為零的基本桿組構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)支鏈，可控裝載機(jī)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)最簡(jiǎn)要求。因此在拓?fù)鋱D中，除功能點(diǎn)外，任何回路中都不應(yīng)該存在兩個(gè)及兩個(gè)以上鄰接的非功能點(diǎn)。

拓?fù)鋱D必須同時(shí)滿(mǎn)足上述4項(xiàng)功能性條件，才可以作為可控裝載機(jī)構(gòu)的可行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4.2拓?fù)渚C合方案

拓?fù)渚C合一方面可以篩選出可行的拓?fù)鋱D，另一方面可以對(duì)可行拓?fù)鋱D進(jìn)行特定化，確定拓?fù)鋱D中的功能點(diǎn)?？煽匮b載機(jī)構(gòu)拓?fù)渚C合過(guò)程可概括為：首先對(duì)表3中各拓?fù)鋱D進(jìn)行賦權(quán)，再根據(jù)可控裝載機(jī)構(gòu)機(jī)架存在條件、鏟斗存在條件、主動(dòng)桿存在條件，對(duì)拓?fù)鋱D進(jìn)行特定化，再根據(jù)拓?fù)鋱D最簡(jiǎn)條件，對(duì)特定化后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行篩選，最終得到可控裝載機(jī)構(gòu)可行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案。拓?fù)渚C合過(guò)程如圖3所示。

圖3　可控裝載機(jī)構(gòu)拓?fù)渚C合方案

4.3拓?fù)渚C合

對(duì)表3所示51種拓?fù)鋱D進(jìn)行綜合，共篩選出了22種滿(mǎn)足可控裝載機(jī)構(gòu)構(gòu)型要求的拓?fù)鋱D(表4),其中七桿構(gòu)型有2種，九桿構(gòu)型有20種，并通過(guò)拓?fù)鋱D特定化，確定機(jī)架功能點(diǎn)、鏟斗功能點(diǎn)、動(dòng)臂功能點(diǎn)、主動(dòng)桿功能點(diǎn)，共獲得了59種拓?fù)鋱D特定化方案，其中七桿構(gòu)型2種，九桿構(gòu)型57種，在特定化代碼A.B.C(D.E)中，A表示機(jī)架功能點(diǎn)，B表示鏟斗功能點(diǎn)，C表示動(dòng)臂功能點(diǎn)，(D,E)表示兩主動(dòng)桿功能點(diǎn)。

表4　拓?fù)渚C合及特定化方案

5構(gòu)型擇優(yōu)

為了從眾多可行拓?fù)鋱D特定化方案中，選取最具開(kāi)發(fā)潛力的可控構(gòu)型方案，現(xiàn)根據(jù)可控裝載機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，從機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制角度提出以下優(yōu)選原則：

(1)可行拓?fù)鋱D對(duì)應(yīng)的特定化方案中，主動(dòng)桿功能點(diǎn)的度d=2。為了降低可控裝載機(jī)構(gòu)耦合程度，簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型，方便進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和桿件尺度綜合，應(yīng)盡量避免主動(dòng)桿與多個(gè)構(gòu)件連接。因此，只保留主動(dòng)桿功能點(diǎn)的度為2的方案。

(2)動(dòng)臂功能點(diǎn)的度d≥3，且機(jī)架功能點(diǎn)、動(dòng)臂功能點(diǎn)、鏟斗功能點(diǎn)以及一個(gè)非功能點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)四桿回路?？煽匮b載機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)主要依靠控制系統(tǒng)編程控制，動(dòng)臂和鏟斗運(yùn)動(dòng)的耦合程度決定了控制編程的難易。按動(dòng)臂和鏟斗運(yùn)動(dòng)的關(guān)聯(lián)程度分為低耦合型機(jī)構(gòu)和高耦合型機(jī)構(gòu)，兩類(lèi)裝載機(jī)構(gòu)的主要區(qū)別在于動(dòng)臂是否可以由某個(gè)主動(dòng)桿鎖死，且在此情形下，鏟斗是否可以獨(dú)立完成上限卸料工作。由于平面四桿機(jī)構(gòu)為最簡(jiǎn)單的單自由度閉環(huán)機(jī)構(gòu)，因此，當(dāng)主動(dòng)桿功能點(diǎn)、機(jī)架功能點(diǎn)、動(dòng)臂功能點(diǎn)和一個(gè)非功能點(diǎn)構(gòu)成四桿回路時(shí)，結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)且可實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂鎖定，此時(shí)拓?fù)鋱D中動(dòng)臂功能點(diǎn)的度d≥3。

根據(jù)上述兩條優(yōu)選原則，對(duì)表4中可控裝載機(jī)構(gòu)特定化方案進(jìn)行篩選，共得到11種最佳構(gòu)型方案，將其轉(zhuǎn)換為可控裝載機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如表5所示。

6樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證可控裝載機(jī)構(gòu)構(gòu)型方案的可行性，同時(shí)方便與現(xiàn)有裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行對(duì)比，從表5中選取與圖2具有相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特定化方案1.5.4(2,9)作為研究對(duì)象進(jìn)行了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，并以該構(gòu)型為基礎(chǔ)分別研制了一臺(tái)小型樣機(jī)，如圖4所示，對(duì)可控裝載機(jī)構(gòu)控制、運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

在小型樣機(jī)搭建基礎(chǔ)上，研制了一臺(tái)額定載重300kg，斗容0.2m3，舉升高度不小于1400mm的全尺寸小型裝載機(jī)，如圖5所示。該全尺寸小型裝載機(jī)與市場(chǎng)同類(lèi)型裝載機(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表6所示，通過(guò)參數(shù)對(duì)比可知，在性能參數(shù)近似的情形下，新型裝載機(jī)能耗大幅降低，在舉升工況最大額定載重下，可控裝載機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總功率僅為1.75kW。

表5　最佳可控裝載機(jī)構(gòu)綜合

圖4　小型可控裝載機(jī)構(gòu)樣機(jī)

圖5　全尺寸可控機(jī)構(gòu)式裝載機(jī)

表6　新型裝載機(jī)與現(xiàn)有液壓裝載機(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)比

7結(jié)語(yǔ)

本文基于圖論相關(guān)理論對(duì)一種新型裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的構(gòu)型設(shè)計(jì)與研究，提出了可控裝載機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合方案。根據(jù)可控裝載機(jī)構(gòu)構(gòu)型要求，利用胚圖插點(diǎn)法對(duì)九桿以?xún)?nèi)平面閉環(huán)兩自由度連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了構(gòu)型綜合，獲得了全部51種拓?fù)鋱D；提出了可控裝載機(jī)構(gòu)拓?fù)渚C合方案，并定義了拓?fù)鋱D功能點(diǎn)、非功能點(diǎn)、等價(jià)點(diǎn)、等價(jià)支鏈、等價(jià)回路、特定化代碼等概念，給出了拓?fù)鋱D功能性判斷準(zhǔn)則，分析了機(jī)架、主動(dòng)桿、鏟斗存在條件以及拓?fù)鋱D最簡(jiǎn)條件，通過(guò)可控裝載機(jī)構(gòu)拓?fù)渚C合，共得到了59種可控裝載機(jī)構(gòu)可行方案；通過(guò)提出構(gòu)型優(yōu)選原則，最終獲得了11種最具開(kāi)發(fā)潛力的可控裝載機(jī)構(gòu)。最后通過(guò)對(duì)一款構(gòu)型進(jìn)行樣機(jī)試制，驗(yàn)證了可控裝載機(jī)構(gòu)的可行性，為該類(lèi)型的可控機(jī)構(gòu)式工程機(jī)械構(gòu)型研究分析提供了借鑒和指導(dǎo)。

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(編輯王艷麗)

ConfigurationDesignandApplicationsofControllableLoaderMechanismBasedonGraphTheory

ZhangLinCaiGanweiZhuKaijunLiJunmingWangXiaochun

GuangxiKeyLaboratoryofManufacturingSystem&AdvancedManufacturingTechnology,GuangxiUniversity,Nanning， 530004

Abstract：A comprehensive and systemic configuration design and reseach of a new type loader work equipment were completed based on graph theory and other related theory. Using the technique of embryo graph vertex insertion configuration synthesis was carried out on two-DOF plate closed-loop mechanism within 9 members and only one hinge revolute joint, and then 51 kinds of topology graphs were obtained. According to the controllable loading mechanism’s requirements of structures, functions and constraints, and principles of minimalist topology, topological synthesis was realized on those 51 topology graphs. 22 kinds of topology graphs meeting the configuration requirements were found. Then according to proposed existence conditions of frame, bucket and boom all topology graphs were specialized. In the end, the optimization principle of loading mechanism was proposed, the scheme of specializing topology graphs were prefered. So 11 kinds of controllable loading mechanisms were obtained. Through developing a prototype based on one kind of those mechanisms, its working performance meets design requirements. This study provides a configuration basis for design and developing a new type controllable machinery loader.

Key words：loader; work equipment; topological embryo graph; topological synthesis; controllable loader mechanism

收稿日期：2015-04-22

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51365004，51075077)；廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014GXNSFDA11833);廣西理工中心重點(diǎn)項(xiàng)目(T401440317); 廣西高?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助項(xiàng)目

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122;TU623.9

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.04.012

作者簡(jiǎn)介：張林,男,1987年生。廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)榭煽貦C(jī)構(gòu)、機(jī)器人。發(fā)表論文10余篇。蔡敢為，男，1961年生。廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院院長(zhǎng)、教授、博士研究生導(dǎo)師。朱凱君，男，1990年生。廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。李俊明，男，1982年生。廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院博士研究生。王小純，男，1957生。廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。