液压挖掘机机构结构创新设计方法的研究线此过得不题答生考课程代号：0104009液压挖掘机创新设计............ 潍坊学院 2011 -2012 学年第 2 学期一 摘要：本文结合液压挖掘机构中反铲装置，提出一套创新设计方 法并给出了液压挖掘机构反铲装置的一系列可行方案，该创新设计 方法为线订装《机械创新设计》试卷(论文类)考生姓名 学号 年级所在院系 专业 班级考生成绩 阅卷人(命题要求，内容要求，格式要求，其它要求，等等)1、 试卷完成时间：不得迟于 2012 年 6 月 29 号2、 考试方式、分制与分数解释采用提交设计/论文的方式，成绩按优秀、良好、中等、及格、不及格五级制评定3、 开卷考试要求：(1) 试卷采用 B4 纸质横向排版，论文或设计、字数不少于30002) 设计/论文必须横排3) 必须独立完成，若有雷同，均按零分处理4、 下列内容：(1) 运用创造原理与创新技法进行机构创新设计、结构创新设计(2) 反求设计与技术引进的应用(3) 原理方案的创新设计(4) 其他形式的创新设计或论文亦可回避已受专利保护的现有机构提供了强有力的工具与其它类 型的挖掘机相比这种类型的挖掘机因有良好通过性能应用最广， 对松软地面或沼泽地带还可采用加宽、加长以及浮式履带来降低接地比 压。
关键词：结构推理 运动链 创新设计 液压挖掘机 反铲装置二引言在机构设计过程中，最重要的阶段是机构方案构思一概念设计在 进行机构设计之初，设计者不但需要具有设计的知识，而且需要具有 相当的工程经验、创造与直觉的能力、及许多其他方面的条件，才能 够创造一种新型机构以完成所希望的功能这是一种发明行为，这不 仅是设计对过程中最富有创造性的部分， 也是机械设计过程中最为困 难的地方到目前为止，尚未有学者提出系统化的方法以引导设计者 有系统地进行创新机构然而，大多数的机械设计实例(大约占机械设 计实例的 70%)不是凭空创造新机构，而是在现有机构(该机构可能受 专利保护)的基础上进行修改，创造出结构不同的新型机构，以提高机 器的质量和性能，或者突破现有专利技术本文结合液压挖掘机构的 反铲装置，提出基于结构推理的机构方案创新设计方法基于结构推 理的机构方案创新设计是利用创造性发散原理，通过拓扑结构类型综 合的方法，对现有的机械方案从拓扑联接方面进行变异创新，尽可能 多的产生满足设计功能要求的结构变体，以便于寻找最优的功能载 体，尤其是创造新型机构以回避专利保护机构应用方面更是结构推理 之长。
三基于结构推理的方案创新设计过程模型与其它类型的挖掘机相比这种类型的挖掘机因有良好通过性 能应用最广，对松软地面或沼泽地带还可采用加宽、加长以及浮式履 带来降低接地比压由机构演化及编译原理可知，任何机构，包括齿 轮机构、槽轮机构、凸轮机构以及它们的组合，都可以视为连杆机构 的等效与变异，其原始型的构造皆可通过连杆机构的构造来获得许 多学者在机构结构类型综合方面作了大量的工作， 尤其是在非同构基本运动链的构造方面按他们提出的方法，由计算机很容易自动生成 满足给定设计任务要求的非同构运动链， 而这些非同构运动链基本运 动链是构造候选机构型的基础本文所提出的基于结构推理的方案创 新设计过程正是在这些研究基础上发展起来的 该方法可以划分四个阶段：首先是根据设计任务和要求确定相似的设计方案 (原始机械方案)，然后对该原始方案进行抽象化表示，即将机构方案一般化为运动链，在抽象化表示过程中记录设计约束；其次根据机构方案一般化运 动 作为液压挖掘机的三大组成部分之一，因用途不同，种类繁多，其中 主链，在运动链图谱库中找出与一般化运动链具有相同杆数、自由度 数以 要有反铲装置、正铲装置、挖掘装载装置、起重装置和抓斗装置等， 这及连杆类型相同的所有非同构的运动链，即运动链发散，并根据 设计约 里只研究应用最广泛的反铲装置。
束和适当的评价方法进行筛选；第三，对评价筛选后的每个非 同构的运 如图 2(a)所示，液压挖掘机反铲装置由动臂 1、斗杆 2、铲斗 3动链进行机构识别、驱动副识别以及杆组识别，形成用连杆 表达的准可 以及动臂油缸 4、斗杆油缸 5、铲斗油缸 6 和连杆机构 7 等组成其 构造行机械方案元型，即运动链再生；最后一个阶段是将准可 行机械方案元型根据实际设计需要， 基于设计约束规则以及用户交互 式方法进行类型特点是各部件之间的联系全部采用铰接，通过油缸的伸缩来实现 挖掘过程中的各种动作挖掘作业时，将反铲装置转到挖掘地点，操 纵臂油缸替代，形成待评价的候选方案集转入下一阶段，并进 行用户交互式模糊 4，使动臂下降至铲斗接触挖掘面，然后操纵斗杆油缸 5 和评价，产生最优方案结构推理过程模型如图铲斗油缸 6,使铲斗进行挖掘工作铲斗装满后，将其转到卸载地点 卸载，然后进行第二次循环挖掘工作由于油缸可以简化为两个串联 在一起的二副杆，这两个二副杆的中间铰为驱动副(驱动副用两个同心 圆表示)，因此图 2(a)中的反铲装置可以转化为图 2(b)所示的平面运动 链型式此得题生线过不答⑷(b)图 2 反铲装置的基本删图 1 基干结构推建的方案创新设计过程欖型四液压挖掘机机构方案创新设计 (2) 再生运动链和创新运动链(1) 液压挖掘机基本结构及其抽象化表示 ①反铲装置的工作要求液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的 为了下面讨论方便，先定义几个概念：机械，它由工作装置、上部转台和行走装置三大部分组成。
工作装置 定义 1 分离杆：如果自由度为 F 的平面运动链中存在某个杆， 把此杆“切”为两块，该平面运动链则被分解成自由度分别为 F1、F2 的两个子平面运动链，并且 F=F1 F2,则称此杆为分离杆定义 2 分离自由度：如果自由度为 F 的平面运动链中至少存在 一个杆，把此杆“切”为两块，该平面运动链则被分解成自由度分别 为F1、F2 的两个子平面运动链，并且 F=F1 F2,那么该平面运动链第2页共 3 页线此过得不题答生考I 的自由度类型为分离自由度定义 3 驱动副：作动力源的运动副称为驱动副分析图 2(b)中所示的反铲装置的平面运动链，可以发现，该装置 是一个自由度为 3 的 12 杆机构，其自由度类型为分离自由度，并且 具有二个分离杆，即动臂 1 和斗杆 2反铲装置的工作要求是，能够控制挖掘高度、卸载高度、 挖掘深度和挖掘半径为了保证最大的挖掘范围，反铲装置必须具有两个分 离杆具有两个分离杆的机构，其自由度一定大于或等于 3所以反铲装置机构结构的最基本要求是：自由度大于或等于 3,并且具有两个分离杆随着自由度和杆数的增加，机构的复杂程度将大大增加， 因此作者只研究能满足基本要求的自由度等于 3、杆数不大于 12 的 反铲装置。
②满足要求的连杆组合由于分离杆的副数应大于或等于 4，因此反铲装置至少应有两个 副数大于或等于 4 的多副杆自由度等于 3、杆数不大于 12,并至少 应有两个 4 副以上杆的连杆组合有下列几种1)N=10, N2=8， N3=0, N4=2， N5=0, N6=0(2)N=12， N2=10, N3=0, N4=1, N5=0, N6=1(3)N=12, N2=10, N3=0, N4=0, N5=2, N6=0(4)N=12, N2=9, N3=1, N4=2, N5=0, N6=0(5)N=12, N2=9, N3=0, N4=3, N5=0, N6=0(6)N=12, N2=8, N3=2, N4=2, N5=0, N6=0 其中：N 为杆数NI 为具有 I 个运动副的杆数③满足要求的运动链对于以上六种连杆组合，具有分离自由度的平面运动链数目 分别是 2、5、2、42、12 和 103 共 166 种，经计算，其中只有 25 个 平面运动链具有两个分离杆又自由度为 3 的反铲装置被两个分离杆 分解成三个子平面运动链，每个子平面运动链都含有一个驱动副， 也就是说，每个子平面运动链中都得有一个油缸。
又因为在平面运动链中油缸可用两个串联的二副杆来代替，因此反铲装置的每个子平面运 动链至少应有一串联的二副杆如图 3 所示的 12 种运动链为满足上述要求的运动链的p7 >(11>03 满足萇求的运动链第3页共 3 页子平面运动链编号为 1、2、3、9、10 的五个平面运动链中， 可以作 1 1 n④运动链评价与筛选 表 1 杆数禾大于 12 的反铲装置根据挖掘机的用途，为了尽量增大挖掘作业范围，其机架杆必须 在平面运动链的一端，而不应位于平面运动链的中间另外，反铲装 置的 序 平面运动淮 机架 动臂斗杆 铲斗 动臂油 斗杆油 铲斗油□ 编 号 杆号 疟号杆号 缸汝号 粧校号底座得承受较大的载荷，要求由机架、动臂及动臂油缸组成一个 四杆的3 9 I 10 ①为机架的四个杆 1、3、4、6,它们互为同位杆，因此可用任一 杆作机 2 3 3 11 12 6 ① ⑨ ⑤架，假设杆 3 是机架，编号为 4、5、6 的三个平面运动链中， 机架可以3 4 6 12 11 3 ⑤ ⑨ ①是杆 3 或杆 6,但是若杆 3 为机架，铰①、⑨、⑤为驱动副， 得到反铲装6 6 12 I 11 nn ①运动链中，机架是杆 3。
6 7 3 11 I 127 6 3 11 I 12 ⑤4 5 6 12 I 11 j ⑤ ①置，其中油缸的支撑点铰⑩在挖掘过程中很可能后移，从 而影响反铲装置的工作性能，因此机架只能是杆 6编号为 7、8 11、 12 的四个平面 5T ① ⑤编号为 1、2 的平面运动链，杆 3 为机架，铰①、⑨、⑤为驱动副，可以看出，这两个平面运动链中铲斗 6 的工作情况完全一样，因 此可以抛弃编号为 2 的平面运动链编号为 9、10 的两个平面运动链， 杆 将编号 1、3、4、5、6、8 的平面运动链分别画成驱动机构形式，如 图3 为机架，铰①、⑨、⑤为驱动副，斗杆油缸的支承点铰⑩在挖掘 过程 4 所示在图 4 中，1 是动臂、2 是斗杆、3 是铲斗、4 是动臂油缸、 5中后移；编号为 11、12 的两个平面运动链，杆 3 为机架，铰①、 ⑧、 是斗杆油缸、6 是铲斗油缸⑤为驱动副，铲斗油缸的支承点铰⑦在挖掘过程中后移因此编 号为 五结束语9、10、11、12 这四个平面运动链得到的反铲装置，其工作性能 不佳。
经过一周的查阅资料以及学习相关知识，最终设计出来了本文结 合(3) 创新机构结构方案 液压挖掘机构中的反铲装置，提出基于结构推理的机构方案创新设 计方通过以上分析，只有编号为 1、3、4、5、6、7、8 的平面运 动链可作为 法该方法通过对原始机构一般化运动链的拓扑特征的提取，进 行运动反铲装置的结构型式，这七种反铲装置见表 1其中，编 链结构类型综合，以达到运动链再生，经过对运动链评价筛选 型，形成号 7 是现有反铲装置，其余六种是新型反铲装置与现有反铲装置进 行 创新运动链，再将创新运动链转化为机构形成可行的创新机 构方案该比较，编号 1 最简单，能增大挖掘力，但其铲斗摆角较小；编号 3、 创新设计方法为回避已受专利保护的现有机构提供了强有 力的工具4、5、6 能增大斗杆摆角；编号 8 的铲斗油缸直接驱动铲斗，因此挖 掘力较大 六参考文献：[1] 黄宗益•挖掘机工作装置轨迹控制[J].建筑机械,1988[2] 皮钧，姚斌.液压挖掘机轨迹智能控制的研究[J]•集美大学学报(自然科学版),2005[3] 许益民.电液比例控制系统分析与设计 [M].北京：机械工业出版社,2005.[4] 刘静.挖掘机器人虚拟样机建模技术及其应用研究 [D].浙江大学,2005此得题生线过不答第4页共 3 页。