液壓并聯機構在工程機械中的發展與應用

寧博　聶朝瑞

摘要：對串聯機構及并聯機構的特點及應用進行了介紹，闡述了液壓并聯機構在工程機械中的應用，對并聯機構的特點進行了分析。針對挖掘機和鑿巖鉆機的結構進行了介紹，并對工程機械中所存在的液壓并聯機構進了說明，分析了液壓并聯機構在工程機械中的特點。通過國外鑿巖機與國內鑿巖機中液壓并聯機構應用的對比，得出了液壓并聯機構在工程機械中應用的可行性。

關鍵詞：液壓并聯機構；機械；應用；全液壓鑿巖鉆機

前言

當前，工程機械被廣泛應用于冶金、礦山、鐵路、公路、水電、港口碼頭、城鄉建設以及林業、農業等國民經濟和國防軍工等部門，是各種建設工程綜合機械化施工不可缺少的技術裝備。利用工程機械施工可縮短工期.降低工程造價，大大提高勞動生產率。可在惡劣環境下承擔各種特殊作業任務，可提高工程質量.又可節省大量勞動力等等。由于工程機械在各類工程建設中的高質量、高速度、低成本和高效益，各工業發達國家都十分重視發展工程機械.特別是第二次世界大戰以后，經濟建設處于穩定發展時期，工程機械的發展就更加迅速。

使用液壓驅動的串聯機構廣泛應用于工程機械，如泵車、挖掘機、汽車起重機等。其原因主要是串聯機構具有結構簡單、工作空間大、靈活性好和可重構性好，同時使用液壓系統及液壓油缸進行驅動占用空間小，輸出力大，工作穩定可靠，響應速度快，因而在工程機械中一直采用液壓串聯機構。

近些年，由于受到工程機械施工工況要求及工程機械結構限制，部分少自由度液壓并聯機構出現在工程機械中。對于困難的地下工程，如土方挖掘、煤礦開采，也可以采用這種強力的液壓并聯機構。Arai等1991年提出將并聯機構裝于履帶式或步行式可移動的小車上，挖掘頭裝于并聯機構的上平臺，強有力的并聯機構可以承受巨大的挖掘力。

本文闡述了串聯機構和并聯機構的特點及其應用，通過挖掘機和國內外鑿巖鉆機中液壓并聯機構的應用，說明了少自由度液壓并聯機構在工程機械應用的可行性。最后對液壓并聯機構在工程機械中的應用前景做了分析。

1.串聯機構與并聯機構概述

1.1串聯機構的特點及應用

由于串聯機構具有結構簡單、工作空間大和靈活性好等優點，所以串聯機構廣泛應用于各種工程機械結構中，例如，挖掘機是一個4自由度的串聯機構，混凝土泵車是一個6自由度串聯機構，隨車起重機、叉裝車等是帶平移自由度的串聯機構。

1.2并聯機構的特點及應用

并聯機構相比于串聯機構具有以下特點：

（1）并聯機構運動平臺由多桿支承，與串聯結構相比剛度大、結構穩定：

（2）與串聯結構相比，在相同自重與體積下承載能力高；

（3）并聯機構末端件沒有串聯結構末端件的誤差積累和放大作用，誤差小、精度高；

（4）基于并聯機構的機械很容易將電機置于機座上，運動負荷比較小，而基于串聯機構的機械其電機及傳動系統都放在運動件上，增加了系統的慣性，惡化了動力性能；

（5）在運動學求解上，并聯機構正解困難、逆解非常容易，而串聯機構的正解容易、逆解十分困難，由于在實時控制這些機構時要計算逆解，故并聯機構在這方面很有優勢。

并聯機構的出現，擴大了機器人的應用范圍。隨著對并聯機器人研究的不斷深入，其應用領域也越來越廣闊。

2.液壓并聯機構在工程機械中的應用

由于施工工況的特殊要求，并聯機構具有串聯機構所沒有的優點，所以在工程機械中已經出現了少自由度的液壓并聯機構。目前主要是在挖掘機，煤礦鑿巖機等設備中出現了液壓并聯機構。

2.1挖掘機中液壓并聯機構的應用

從外觀上看，挖掘機由工作裝置，上部轉臺，行走機構三部分組成。 根據其構造和用途可以區分為：履帶式、輪胎式、步履式、全液壓、半液壓、全回轉、非全回轉、通用型、專用型、鉸接式、伸縮臂式等多種類型。

工作裝置是直接完成挖掘任務的裝置。它由動臂、斗桿、鏟斗等三部分鉸接而成。動臂起落、斗桿伸縮和鏟斗轉動都用往復式雙作用液壓油缸進行驅動和控制。為了適應各種不同施工作業的需要，挖掘機可以配裝多種工作裝置，如起重、裝載、平整、夾鉗、推土、沖擊錘等多種作業機具。

挖掘機的工作裝置中動臂所需要的輸出力比較大，并且慣性也較大，液壓并聯機構在其中得到了很好的應用，挖掘機的動臂機構中有兩個液壓缸作動力，輸出一個自由度，這樣增加了其穩定性，提高了動作的準確性，并在一定程度上提高了可靠性。

2.2 鑿巖機械中液壓并聯機構的應用

隧道、洞室開挖是現代交通、能源、采掘、建筑等大規模基本建設中的一項難度大、耗資耗時多、勞動條件差但又十分重要、十分關鍵的施工作業。早期的液壓鑿巖設備全都是由人工操作的液壓鑿巖臺車，其施工效率和施工精度完全取決于操作人員的熟練程度，而且，隨著斷面增大、線路彎曲，超欠挖程度也要加大。

鑿巖工況復雜多變，多數施工工況狹小，普通的串聯機構，難以滿足要求，近些年，發展出了液壓驅動的并聯機構代替串聯機構。

國外方面，鉆機主要生產廠家阿特拉斯、英格索蘭、古河等都對鑿巖機械中液壓并聯機構進行了研究。其中阿特拉斯的boomer 104，boomer 281，boomer S1均采用了液壓并聯機構。

阿特拉斯的鑿巖鉆機boomer 104的驅動鉆臂結構采用了液壓并聯機構，有兩個液壓缸組成一個驅動結構，兩個液壓缸共同驅動鉆臂，使得臂架上仰和下俯，且能夠在一定范圍內擺動，屬于2自由度液壓并聯機構。具有兩個輸入和兩個輸出，這種結構緊湊鉆臂布局小，而且在鑿巖的過程中，具有串聯機構無法比擬的穩定性。

國內方面，我國自1972年已經開始對鑿巖鉆機進行研究，并有一定的成果，但是都采用串聯機構。直到1998年鑿巖鉆機被列入國家863計劃以后，中南大學在參考國外先進設備的基礎上，開始研制具有液壓并聯機構的鑿巖鉆機。

我國研制的液壓驅動雙三角十字鉸鉆臂結構的鑿巖鉆機，如同阿特拉斯的鑿巖鉆機一樣，鉆臂的俯仰與擺動受兩個變幅油缸的控制，推進器的俯仰與擺動也受兩個變幅油缸的控制，兩個雙三角十字結構協同控制，能夠實現鉆臂和推進器的協同擺動。

由油缸驅動的兩個雙三角分別是兩個液壓并聯機構。此種結構，使得鉆臂結構十分緊湊，并且增加了結構的穩定性，但是對控制技術提出了新的要求，四個液壓油缸的協同控制，需要有效的控制技術和手段。

與串聯機構相比，液壓并聯機構在鑿巖鉆機中具有以下特點：

（1）鉆臂的并聯機構運動平臺由兩個液壓缸支承，與串聯結構相比剛度大、結構穩定。

（2）與串聯結構相比，推進器重量相同，承載能力高；

（3）液壓并聯機構的采用，對于機架來說，運動負荷比較小；

（4）在鑿巖斷面的工作空間，與串聯結構工作空間相同。

（5）液壓并聯機構相比于串聯機構在控制方面更為復雜。

3.結論

本文的撰寫主要得到以下結論：

（1）并聯機構與串聯機構自由于各自的優缺點而具有不同的應用范圍。

（2）液壓并聯機構在工程機械中的應用較為少見，隨著技術的發展，液壓并聯機構的應用會得到進一步發展。

（3）液壓并聯機構在工程機械中的應用，對控制技術提出了新的要求。

參考文獻：

[1]李曉東.并聯機器人的特點及應用分析[J].科技信息，2009， 3（5）：36-38

[2]YANCY，GAO，F.Dynamic stability analysis of a novel forging manipulator[C].Intelligent Robotics and Application-First International Conference， ICIRA 2008，Proceedings.2008：449-458

[3]彭忠琦.并聯機構的發展與應用[J].光電信息，2011， 28（12）：45-47.

作者簡介：

寧博（1987.10-），男，學歷：碩士，職稱：助理工程師，研究方向：液壓技術應用。

聶朝瑞（1987.5-），男，學歷：碩士，職稱：助理工程師，研究方向：液壓技術應用。