一種新型氣壓傳動挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

王新海+陳志華

摘 要：基于傳統(tǒng)工業(yè)上的挖掘機(jī)靈感并結(jié)合現(xiàn)有工業(yè)挖掘機(jī)的抽象性。設(shè)計(jì)了一款新型迷你氣動挖掘機(jī)裝置，該裝置創(chuàng)新點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在于有效的結(jié)合教學(xué)，巧妙運(yùn)用四連桿機(jī)構(gòu)傳動，從抽象化轉(zhuǎn)變具體化。介紹了挖掘機(jī)整體結(jié)構(gòu)及自由度分析，對挖掘機(jī)末端伸縮設(shè)計(jì)計(jì)算，并且利用Solidworks軟件進(jìn)行三維建模。加工出來的整體效果及功能實(shí)現(xiàn)良好，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：氣壓；四連桿；機(jī)構(gòu)；自由度；Solidworks

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.094

0 引言

在國家大力發(fā)展教育的這幾年里，無論是中小學(xué)還是大學(xué)里都缺少生動形象的教具。從市場角度來看，現(xiàn)在全國的高校就有2000多所，還不包括對初中及高中的一個統(tǒng)計(jì)，教育教具市場如此廣闊，需要我們?nèi)ヌ剿鬟@個領(lǐng)域，對于教學(xué)教具我們有以下幾點(diǎn)考慮的地方：（1）在質(zhì)量上要輕，便于提攜。（2）在組裝和拆卸方面，要簡單。（3）教具需長期使用，耐用性強(qiáng)。（4）教具在學(xué)生面前展示，所以安全尤為重要，設(shè)備需在安全電壓范圍內(nèi)來控制，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)進(jìn)行盡可能的考慮到安全。

教具能增強(qiáng)學(xué)生對知識的理解，也能提高學(xué)生知識的興趣。而對于機(jī)械專業(yè)老師來說，氣壓傳動[1] 、連桿機(jī)構(gòu)等方面的知識卻是他們授課時很難用語言和圖紙表達(dá)清楚的，本次迷你氣動挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)著力為機(jī)械專業(yè)教學(xué)工作提供幫助。

本文主要是對挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算、選材，并且對整個運(yùn)行過程進(jìn)行了系統(tǒng)的描述，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期的目的。

1 傳動挖掘機(jī)組成結(jié)構(gòu)

機(jī)構(gòu)原理分析：

如圖1.1是挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)圖，包括了基座，大臂，小臂，連桿，挖斗，氣缸。通過氣缸7推力作用，實(shí)現(xiàn)底座旋轉(zhuǎn)；氣缸10的伸縮，實(shí)現(xiàn)大臂5的升降；氣缸6的伸縮，實(shí)現(xiàn)小臂4的升降；氣缸3的伸縮，帶動連桿2的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)挖斗1的動作。

該氣動挖掘機(jī)由機(jī)身、氣動系統(tǒng)部分組成。機(jī)身部分包括底座9、大臂5、小臂4和鏟斗1；氣動系統(tǒng)部分包括氣缸3，氣缸6、7、10。各部分均采用輕巧、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保材料制作而成。各單元的運(yùn)動由電氣動系統(tǒng)加以控制，以實(shí)現(xiàn)底座的旋轉(zhuǎn)、大臂和小臂伸縮及鏟斗的抓放等預(yù)定動作。

該挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)有14個活動構(gòu)件其中低副（轉(zhuǎn)動副、移動副）個數(shù)為19個，高副個數(shù)為零，因此該機(jī)構(gòu)自由度數(shù)，其中，，。得：。

所以該機(jī)構(gòu)需要四個動力來源，因此我們選擇四個氣缸。

2 傳動挖掘機(jī)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

此作品的一大特點(diǎn)在于大臂，小臂，末端之間動作的流暢與穩(wěn)定，因此只有設(shè)計(jì)好各機(jī)構(gòu)的尺寸，才能完美實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的整個動作[2]。

（1）大臂尺寸：根據(jù)挖掘機(jī)大臂主流外形以及滿足氣壓缸行程及其基本尺寸的要求，我們將大臂設(shè)計(jì)為半徑為280mm，圓心角為75°，厚度為40mm的彎桿，并在適當(dāng)?shù)奈恢昧舫鲞B接孔。

（2）小臂尺寸：根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)尺寸要求和氣壓缸行程需求以及工作強(qiáng)度的要求，我們將小臂設(shè)計(jì)為長度為324mm，厚度為20mm的直桿。

（3）挖斗尺寸：根據(jù)挖掘機(jī)整體尺寸的協(xié)調(diào)以及外形的美觀及工作需求，挖斗設(shè)計(jì)下面工程圖以給出。

（4）連接件尺寸：為了使大臂及氣壓缸與底座實(shí)現(xiàn)連接，根據(jù)三角形的穩(wěn)定性好。我們在底座上安裝一個底邊為30mm，高為30mm的等腰三角形連接件。

2.2 底座運(yùn)動分析與計(jì)算

如圖2已知桿、分別代表氣壓缸伸出和縮回的長度，、代表底座圓盤半徑R，AC代表氣缸固定端到圓盤圓心的距離。

所以最大擺角=∠ACBˊ-∠ACB=45°

2.3 挖斗運(yùn)動分析與計(jì)算

運(yùn)動類似于圖3四連桿運(yùn)動，滿足“（最短AB+最長AC） ﹤（其它兩桿長度之和）”[2-4]，為雙曲柄機(jī)構(gòu)，相對桿AB固定，桿AC左右擺動，通過連桿CD推動桿BD左右擺動，從而促使末端伸縮。

已知桿AC是通過氣缸伸縮，實(shí)現(xiàn)左右擺動，從而推動挖斗的伸縮。

BD代表氣壓缸回程過程中帶動挖斗伸直時位置（圖3），代表氣壓缸從伸出過程中推動挖斗轉(zhuǎn)動的最大行程角度。

由已知條件可知：AB=3.5cm，AC=6.0cm，CD=5.5cm，BD=4.0cm，BC=7.5cm，=3.4cm

3 總結(jié)

本篇論文針對挖掘機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用CAD軟件會出機(jī)構(gòu)二維圖，并且進(jìn)行了計(jì)算，同時利用Solidworks對三維模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和我們理論分析一致，設(shè)計(jì)過程完全符合要求，同時該產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)：

（1）設(shè)計(jì)理念獨(dú)特，樣式新穎，有效的結(jié)合課堂教學(xué)，將PLC控制、氣壓傳動、連桿機(jī)構(gòu)、控制法工作原理從抽象化轉(zhuǎn)變具體化，不僅幫助學(xué)生理解知識，更可以調(diào)動其積極性。

（2）將工程實(shí)際應(yīng)用轉(zhuǎn)化為迷你教具模型，易于學(xué)生理解液壓與氣壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和工作特點(diǎn)。

（3）結(jié)構(gòu)巧妙，造型美觀，采用環(huán)保材料制作，性價(jià)比高，易于實(shí)現(xiàn)科研成果的轉(zhuǎn)化。

（4）可作為開放性實(shí)驗(yàn)平臺，拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，今后給其加配PLC控制[5-8]或單片機(jī)組件實(shí)現(xiàn)自動化控制。

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作者簡介：王新海（1989-），男，江西九江人，學(xué)士，助教，主要從事機(jī)械制造研究。