叠加Ⅱ级杆组的正铲液压挖掘机工作机构型综合

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2022.16.005

摘要/Abstract

摘要： 提出了一种正铲液压挖掘机工作机构型综合方法——Ⅱ级基本杆组叠加法。针对正铲液压挖掘机工作机构的自由度数目、性质和驱动单元，将其结构分解为基本结构和辅助连杆，并给出了8条构型综合约束条件，进而根据辅助连杆上的运动副数目，分5种情况添加Ⅱ级基本杆组RRR对正铲液压挖掘机工作机构进行了型综合，获得了一系列12杆构型。从中选取了3种构型，针对其多环耦合的结构特点，采用拆杆-等效法分析了其自由度，并建立了相应的仿真模型，开展了运动仿真分析，验证了构型综合方法的可行性。

关键词: Ⅱ级基本杆组, 叠加法, 正铲液压挖掘机, 工作机构, 型综合

Abstract: A method of configuration synthesis for the working mechanisms of face-shovel hydraulic excavators was proposed， that was the superposition method based on Ⅱ-class basic bar group. Considering the number and property of degree of freedom（DOF）and driving elements of the working mechanisms of a face-shovel hydraulic excavator， the structure was divided into basic structure and auxiliary links. Eight constraints for configuration synthesis were given. Then， according to the number of joints on the auxiliary links， Ⅱ-class basic bar group RRR was added in five cases to carry out configuration synthesis of the working mechanisms of face-shovel hydraulic excavators， and a series of configurations with 12 links were obtained. Three configurations were selected from them， and in view of the multi-loop coupling structural characteristics of those three configurations， their DOFs were analyzed by using the link-demolishing and equivalent method. Further， the simulation models of three working mechanisms were established， and the motion simulation was carried out， which verified the feasibility of the proposed method.

Key words: Ⅱ-class basic bar group, superposition method, face-shovel hydraulic excavator, working mechanism, configuration synthesis

中图分类号:

TH112

刘文兰, 于海霞, 瞿怀宇, 马鹏飞, 高小钧, 王建森. 叠加Ⅱ级杆组的正铲液压挖掘机工作机构型综合[J]. 中国机械工程, 2022, 33(16): 1919-1927.

LIU Wenlan, YU Haixia, QU Huaiyu, MA Pengfei, GAO Xiaojun, WANG Jiansen. Configuration Synthesis of Working Mechanisms of Face-shovel Hydraulic Excavators by Adding Ⅱ-class Basic Bar Group[J]. China Mechanical Engineering, 2022, 33(16): 1919-1927.

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: http://www.cmemo.org.cn/CN/10.3969/j.issn.1004-132X.2022.16.005

http://www.cmemo.org.cn/CN/Y2022/V33/I16/1919

参考文献

［1］祖琪，赵元，刘征，等. 一种新型正铲液压挖掘机的运动学分析［J］. 机床与液压， 2020， 48（2）：114-118.
ZU Qi， ZHAO Yuan， LIU Zheng， et al. Kinematics Analysis of a New Face-shovel Hydraulic Excavator in Mining［J］. Machine Tool & Hydraulics， 2020， 48（2）：114-118.
［2］DING H， HAN L， YANG W， et al. Kinematics and Dynamics Analyses of a New Type Face-shovel Hydraulic Excavator［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part C：Journal of Mechanical Engineering Science， 2017， 231（5）：909-924.
［3］蔡敢为，黄一洋，田军伟，等. 一种新型正铲液压挖掘机工作机构的研究［J］. 机械工程学报， 2021， 57（13）：132-143.
CAI Ganwei， HUANG Yiyang， TIAN Junwei， et al. Research on a New Working Mechanism of Face-shovel Hydraulic Excavator［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2021， 57（13）：132-143.
［4］FRIMPONG S， HU Y， INYANG H. Dynamic Modeling of Hydraulic Shovel Excavators for Geomaterials［J］. International Journal of Geomechanics， 2008， 8：20-29.
［5］SHE Y N， NING X B， LIN Q. Kinematics Performance Simulation and Optimization of Large Face-shovel Hydraulic Excavator Working Device Based on ADAMS［C］∥3rd International Conference on Frontiers of Manufacturing and Design Science（ICFMD 2012）. Hong Kong， 2012：996-1000.
［6］徐弓岳，丁华锋，孙玉玉. 基于改进非支配排序遗传算法的正铲挖掘机工作装置优化设计［J］. 机械工程学报， 2016， 52（21）：35-43.
XU Gongyue， DING Huafeng， SUN Yuyu. Optimization of Face-shovel Excavators Attachment Based on Improved NSGA-Ⅱ［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2016， 52（21）：35-43.
［7］宁晓斌，刘亚冉，李颉，等. 基于拓扑优化方法的大型液压挖掘机斗杆新型结构［J］. 中国机械工程， 2017， 28（16）：1936-1942.
NING Xiaobing， LIU Yaran， LI Jie， et al. New Stick Structures of Large Hydraulic Excavators Using Topology Optimization Method［J］. China Mechanical Engineering， 2017， 28（16）：1936-1942.
［8］朱小晶，权龙，王新中，等. 大型矿用正铲液压挖掘机水平推压特性联合仿真［J］. 农业机械学报， 2011， 42（5）：30-34.
ZHU Xiaojing， QUAN Long， WANG Xinzhong， et al. Co-simulation of Flat-pushing Characteristics of Large Mining Face-shovel Hydraulic Excavator［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2011， 42（5）：30-34.
［9］朱小晶，权龙，王新中，等. 大型液压挖掘机工作特性联合仿真研究［J］. 农业机械学报， 2011， 42（4）：27-32.
ZHU Xiaojing， QUAN Long， WANG Xinzhong， et al. Co-simulation Analysis of Working Characteristic for Large Hydraulic Excavator［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2011， 42（4）：27-32.
［10］王永进，权龙，杨敬，等. 大型正铲挖掘机工作装置液压系统仿真及试验［J］. 中国公路学报， 2016， 29（1）：135-142.
WANG Yongjin， QUAN Long， YANG Jing， et al. Hydraulic System Simulation and Experiment on Working Device of Large Face-shovel Excavator［J］. China Journal of Highway and Transport， 2016， 29（1）：135-142.
［11］王永进，权龙，杨敬. 大型正铲液压挖掘机斗杆升降回路及特性［J］. 机械工程学报， 2014， 50（20）：180-187.
WANG Yongjin， QUAN Long， YANG Jing. Arm Lifting Circuit and Features of Large Face-shovel Hydraulic Excavator［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2014， 50（20）：180-187.
［12］周全，李光，吕晓林，等. 基于多学科仿真的大型正铲液压挖掘机工作装置动态强度研究［J］. 机电工程， 2015， 32（3）：333-337.
ZHOU Quan， LI Guang， LYU Xiaolin， et al. Dynamic Strength of Hydraulic Excavator Attachment Based on Multidisciplinary Simulations［J］. Journal of Mechanical & Electrical Engineering， 2015， 32（3）：333-337.
［13］陈进，李秋波，张石强，等. 正铲液压挖掘机挖掘性能图谱叠加分析法［J］. 中国工程机械学报， 2011， 9（1）：32-37.
CHEN Jin， LI Qiubo， ZHANG Shiqiang， et al. Atlas Overlay Analysis on Digging Performance for Hydraulic Face-shovels［J］. Chinese Journal of Construction Machinery， 2011， 9（1）：32-37.
［14］HUANG P， DING H F， YANG W， et al. An Automatic Method for the Connectivity Calculation in Planar Closed Kinematic Chains［J］. Mechanism and Machine Theory， 2017， 109（3）：195-219.
［15］DING H F， HUANG P， LIU J， et al. Automatic Structural Synthesis of the Whole Family of Planar 3-degrees of Freedom Closed Loop Mechanisms［J］. Journal of Mechanisms and Robotics， 2013， 5（4）：1585-1606.
［16］DING H F， HUANG P， ZI B， et al. Automatic Synthesis of Kinematic Structures of Mechanisms and Robots Especially for Those with Complex Structures［J］. Applied Mathematical Modelling， 2012， 36（12）：6122-6131.
［17］DING H F， HUANG P， YANG W， et al. Automatic Generation of the Complete Set of Planar Kinematic Chains with Up to Six Independent Loops and Up to 19 Links［J］. Mechanism and Machine Theory， 2016， 96：75-93.
［18］SUNKARI R P， SCHMIDT L C. Structural Synthesis of Planar Kinematic Chains by Adapting a Mckay-Type Algorithm［J］. Mechanism and Machine Theory， 2006， 41（9）：1021-1030.
［19］LU Y， DING L， LI S， et al. Derivation of Topological Graphs of Some Planar 4DOF Redundant Closed Mechanisms by Contracted Graphs and Arrays［J］. Journal of Mechanisms and Robotics， 2010， 2（3）：031011.
［20］NIE S， LIAO A， QIU A， et al. Addition Method with 2 Links and 3 Pairs of Type Synthesis to Planar Closed Kinematic Chains［J］. Mechanism and Machine Theory， 2012， 58（12）：179-191.
［21］张林，蔡敢为，朱凯君，等. 基于图论的可控装载机构构型设计及其应用［J］. 中国机械工程， 2016， 27（4）：488-493.
ZHANG Lin， CAI Ganwei， ZHU Kaijun， et al. Configuration Design and Applications of Controllable Loader Mechanism Based on Graph Theory［J］. China Mechanical Engineering， 2016， 27（4）：488-493.
［22］朱立红，张良，赵韩，等. 一种具有可拓展性解空间的平面杆组机构运动综合方法［J］. 中国机械工程， 2015， 26（19）：2590-2594.
ZHU Lihong， ZHANG Liang， ZHAO Han， et al. A Novel Motion Synthesis Approach with Enlargeable Error Space Allowance for Planar Linkages［J］. China Mechanical Engineering， 2015， 26（19）：2590-2594.
［23］PEISAKH E E. An Algorithmic Description of the Structural Synthesis of Planar Assur Groups［J］. Journal of Machinery Manufacture & Reliability， 2007， 36（6）：505-514.
［24］CHU J， ZOU Y. Topological Graph Descriptions and Structural Automatic Synthesis of Planar Multiple Joint and Geared-linkage Kinematic Chains［J］. Mechanisms and Machine Science， 2016， 36：85-94.
［25］马鹏飞. 正铲液压挖掘机工作装置构型综合与优化设计［D］. 兰州：兰州理工大学， 2021.
MA Pengfei. Configuration Synthesis and Optimization Design of Working Device of the Face-shovel Hydraulic Excavator［D］. Lanzhou：Lanzhou University of Technology， 2021.
［26］陈进，张石强，李世六，等. 正铲液压挖掘机四边形机构牵连运动分析［J］. 中国工程机械学报， 2007， 5（1）：1-4.
CHEN Jin， ZHANG Shiqiang， LI Shiliu， et al. Interlocking Movement Analysis of Quadrangular Mechanism in Hydraulic Face-shovel［J］. Chinese Journal of Construction Machinery， 2007， 5（1）：1-4.
［27］许允斗，刘文兰，陈亮亮，等. 构架式可展天线机构自由度分析：拆杆等效法［J］. 航空学报， 2017， 38（9）：321-332.
XU Yundou， LIU Wenlan， CHEN Liangliang， et al. Mobility Analysis of a Deployable Truss-antenna Mechanism：Method Based on Link-demolishing and Equivalent Idea［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2017， 38（9）：321-332.

[1]	陈剑, 许畅, 徐庭亮, . 基于位错叠加法和改进概率神经网络的离心泵故障诊断方法[J]. 中国机械工程, 2023, 34(23): 2854-2861.
[2]	张彦斌, 王科明, 芦风林, 魏雪敏, 王科峰. 含有恰约束分支的无耦合两转动并联机构型综合[J]. 中国机械工程, 2022, 33(01): 54-61.
[3]	符升平1;黄瀚林2;明伟2. 拓扑特征演化分析下行星变速机构构型综合[J]. 中国机械工程, 2020, 31(21): 2557-2565.
[4]	朱伟;李寒冰;沈惠平;刘家宏;马致远. 一种平面张拉整体机构运动学、刚度及动力学分析[J]. 中国机械工程, 2020, 31(11): 1296-1305.
[5]	孙驰宇, 沈惠平, 朱小蓉, 杨廷力. 基于方位特征方法的串联机构型综合的计算机自动生成[J]. 中国机械工程, 2017, 28(07): 813-822.
[6]	葛姝翌, 曹毅, 周睿, 朱景原, 丁泽华, . 三平移混联机构型综合[J]. 中国机械工程, 2017, 28(03): 258-266.
[7]	贾先, 赵升吨, 范淑琴, 谭栓斌. 双动压力机用压边滑块串联四连杆工作机构的优化[J]. 中国机械工程, 2016, 27(09): 1223-1228.
[8]	陈海, 秦友蕾, 曹毅, . 三转一移解耦并联机构型综合[J]. 中国机械工程, 2016, 27(09): 1243-1250.
[9]	秦友蕾, 曹毅, , , 陈海, . 两移动三转动混联机构型综合[J]. 中国机械工程, 2016, 27(08): 1001-1006.
[10]	陈海, 曹毅, 秦友蕾. 无耦合完全各向同性1T1R并联机器人机构构型综合[J]. 中国机械工程, 2016, 27(05): 589-595.
[11]	彭春江, 胡燕平, 程军圣, 沈意平. 海上浮式风电机组刚柔耦合结构动力学建模与分析[J]. 中国机械工程, 2016, 27(04): 461-468.
[12]	邸立明, 赵永生, 杜丹阳. 可变动力传动机构型综合分析方法研究[J]. 中国机械工程, 2016, 27(03): 315-322.
[13]	陈海, 秦友蕾, 曹毅, . 基于螺旋理论的3T1R完全解耦并联机构型综合[J]. 中国机械工程, 2015, 26(24): 3282-3288.
[14]	黄华, 靳岚, 芮执元, 苟卫东. 基于多零件工序族工艺规划的机床产品构型综合设计[J]. 中国机械工程, 2014, 25(5): 608-613.
[15]	刘平安, 槐创锋, 胡长锋. 利用约束螺旋理论综合的空间对称2-DOF并联机构[J]. 中国机械工程, 2014, 25(18): 2506-2510.