工程機械換擋手柄操作機構的設計與仿真

張恒根，涂群章，何繼賢，潘明，鄭燁，丁喬

(解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇南京210007)

0 引言

近年來，地震、臺風、核泄露等災害頻繁發生，在搶險救災特別是道路、建筑物、山體滑坡等工程搶通搶建中，工程機械起著極其重要的作用。而在這些工作環境異常惡劣和危險的場合下作業，為保證操作者的身體健康和生命財產安全，采用作業的自動化裝置或遙控裝備，將人(操作手)從各種危險的作業現場中解放出來，已成為重要途徑之一。為實現工程機械的自動或遙控駕駛，采用置于駕駛室內對各種操縱桿進行自動或遙控操作的機器手，是實現工程機械的無人或遙控操作最有效途徑之一。

挖掘機是目前在工程搶修搶建中最為典型的裝備之一，要實現對其進行遙控或自動操作，實現自動換擋是重要的一步。目前挖掘機主要采用手動換檔，要在不改變機械原有結構的基礎上，實現自動或遙控換檔，就必須設計合理的換檔驅動機構和相應的控制器。本文通過對某型挖掘機的換擋機構的研究，設計了一種操縱換擋手柄的機構，并通過建模、分析，驗證了其換檔操作的有效性，為該機械自動換擋系統的實現打下基礎。

1 建立模型

根據對換擋手柄的結構、位置和運動的分析，該型挖掘機的換檔手柄主要包括兩個前進檔和一個倒檔。前進1檔為低速檔，2檔為高速檔，手柄的換擋運動是空間運動，為了簡便直觀地進行分析，建立如圖1所示的直角坐標系中，選取手柄與底座的鉸接點為坐標原點，手柄在空擋位置時處于豎直方向(z軸)，手柄由空擋進2檔時的前進方向為x軸。這樣，手柄檔位及工作位置關系如圖1所示。

圖1 換擋手柄工作流程圖

根據對換擋手柄運動分析，換擋手柄的運動可分解為平面內的直線運動和繞軸回轉運動。直線運動可采用電動機驅動曲柄滑塊機構來實現，回轉運動采用電動機驅動回轉副來實現。

如圖2所示，將一個沿手柄桿上下滑動的滑塊套在手柄桿上，滑塊固定在一個指定的距離坐標原點距離為R的平面上，當滑塊運動產生行程L時，手柄的轉角就可以由R和L確定出來，即因此，把研究手柄的運動來轉化為研究滑塊的運動，下面將以滑塊為主要研究對象。

圖2 滑塊與手柄的位置關系圖

根據前面的敘述，復合機構的運動簡圖如圖3所示:

圖3 復合機構運動簡圖

曲柄長度L1，角位移θ1，角速度ω1；連桿長度L2，角位移θ2，角速度 ω2；電動機的轉角為 θ3，角速度 ω3；滑塊的位移 L，行程S，速度υc。以電動機軸為z軸，滑塊所在水平面為xoy平面，建立直角坐標系，當下側電動機轉角為0時有:

由式(2)可得:

即:

式(2)對時間t一次求導，得:

即:

當下側電動機驅動整個曲柄滑塊機構繞z軸的轉角為 θ3時，

滑塊在x軸的行程分量:Sx=(S-L3)cosθ3

滑塊在y軸的行程分量:Sy=(S-L3)sinθ3

比如，一些自媒體從業者通過互聯網社交平臺發表批評地方政府或者地方政府官員的意見，引起地方官員或者企業負責人注意，于是這些地方官員或者企業負責人為了消除負面影響，主動支付費用，以換取批評者撤回有關稿件。對這種情況，司法機關一般按照敲詐勒索處理。其實，在司法實踐中，這種行為性質非常復雜。

滑塊始終在xoy平面上，Sz=0

根據實際操作中手柄運動的具體參數，可以轉化為滑塊的行程和電動機的轉角，再根據滑塊的行程，計算出復合機構的運動參數，就可以實現通過復合機構最終驅動換擋手柄至需要的位置。

圖4是用Pro/E軟件對換擋手柄的操縱機構進行了建模。

圖4 換擋手柄操縱機構模型

電動機1驅動連桿，連桿通過與滑動桿的連接，實現了由電動機的回轉運動到直線運動的轉換；而滑動桿通過一個銷釘和滑套與換擋手柄相連，采用銷釘和滑套的目的是滿足換擋手柄運動自由度需要，避免出現卡死的現象；轉槽將電動機1、連桿、滑動桿連成一個整體，并通過轉槽與電動機2相連。根據上文的分析，可以將換擋手柄的運動分解為平面內的擺運和回轉運功。現在，根據所建立的模型可知，電動機1實現直線運動，而電動機2則實現回轉運動。

2 機構運動仿真

2.1 系統運動分析和參數設置

根據對換擋手柄運動的研究可知，該型挖掘機的換擋手柄的操作力為25N，每個換擋方向的最大行程為200mm，滑塊距離手柄鉸接點的垂直距離350mm，1檔2檔與倒檔之間的軌跡夾角均為30°，每次換擋時間不超過3s，手柄運動分析圖如圖5所示。

圖5 手柄運動分析

設連桿1長度為L1，連桿2長度為L2，則根據設置的初始位置有:L2=L1sin30°，系統運行至最終位置時，連桿1和連桿2均處于水平狀態，換擋手柄的最大行程為200mm，則有:L1+L2-L1cos30°=L1+L1sin30°-L1cos30°=200mm，可解得連桿1的長度為315.5mm，連桿2的長度為158mm。

圖6 電動機特性設置

2.1 動態仿真及結果分析

為驗證機構設計的可行性，在Pro/E中，進行分析定義如圖7所示，在運動仿真時，根據該變速手柄實際運動的規律，對一個全換擋過程描述如下:

1)0s時在初始位置；

2)1s時開始換1檔，運行時間3s；

3)5s時開始換2檔，順序為1檔至初始位置至2檔，運行時間5s；

4)12s時回初始位置，運行時間2s；

5)15s時開始換倒檔，運行時間3s；

6)19s時回初始位置，運行時間3s，共計運行時間22s。

圖7 分析定義設置

對手柄進行運動分析，取滑塊為研究對象，對其位移和速度進行分析，結果如圖8-圖10所示。

圖8 位移模量

圖9 位移x方向分量

從圖8中可以看出，三次換擋的位移的模都是相等的，經過矢量分解后，可以得出每次運動時沿運動方向的位移值都接近200mm，這是因為雖然換擋過程中加入了回轉運動，但是對于每次換擋來說，在相應方向的位移都是200mm，說明該機構可很好地實現換擋行程設計的要求。

從圖9中可以看出，中間的一次換擋(從初始位置到2檔的最終位置)的x方向的位移為200mm，這是因為本次換擋的手柄運動方向就是x方向；但是其他兩次的位移x分量都不足200mm，這是因為這兩次的換擋的手柄運動方向與x方向有30°的偏角，經過計算，在誤差允許范圍內，這兩次的位移x分量都近似等于200mm×cos30°。因此可以認為，該機構在換擋運動行程方面和轉角方面都基本滿足了設計要求。

圖10 速度模量

從圖10中可以看出，因為采用了曲柄滑塊機構，手柄的速度變化不規則，但是可以看出，在1s-2s的時間段速度是恒定的，這是由于電動機2在調整角度時做勻速回轉運動；在2s-4s的時間段內，電動機1驅動曲柄滑塊運動，可以看出速度的模的最大值不是出現在初始位置(2s初)，而在第4s末，手柄運動至檔位的最終位置時速度降為0，減少了沖擊。

3 結論

通過對某型號挖掘機換擋手柄的結構和運動分析，設計了采用一種手柄操縱機構，通過Pro/E軟件對該機構進行了建模和運動仿真，通過對結果的分析，該機構基本滿足了設計要求。為后續對該挖掘機換擋手柄的自動控制，以實現自動換擋提供了一種可行的驅動機構。

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