平面擺動式手柄操縱機構設計與仿真分析

段克軍，涂群章，林加堃，鄭偉杰

（中國人民解放軍理工大學野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京210007）

工程機械在搶險救災、危房拆卸、隧道施工、高溫爐渣的清除等危險環(huán)境下使用較為廣泛，為了減少危險環(huán)境對施工人員的傷害，設計出一套機構代替人對工程機械各操縱桿進行操作很有必要。在各種工程機械裝備中，平面擺動式手柄應用較多，本文以某型挖掘機平面擺動式手柄為例，設計一種五連桿機構，并進行仿真分析。

1 平面擺動式手柄操縱機構工作原理

圖1所示為平面擺動式手柄操縱機構，采用五連桿機構，其中1是主動桿，2是連桿，3是擺動手柄，M端連接驅動電機輸出軸，D點為擺動手柄與連桿的鉸接點，N是手柄在駕駛室中的安裝基點，等腰直角三角形PBC是一個三副元素構件。主動桿1在驅動電機的帶動下順時針或逆時針擺動，經(jīng)連桿2帶動擺動手柄3運動。

圖1 平面擺動式手柄操縱機構

為了方便操縱機構在駕駛室內的安裝布置，初步設定 PM=AB=400 mm，AM=PB=PC=150mm，DC=700mm，∠MAB=∠NDC=90°，CN=200 mm.各構件的尺寸和相互之間的裝配關系確定之后，進行機構運動性能的分析。

2 運動性能分析

根據(jù)實際測量得到，手柄的擺動角度范圍為±30°，操作力為 30 N.由于 PM=AB，AM=PB 且∠MAB=90°，所以四邊形 MABP 為矩形，故 ωMA= ωPB，又因為PBC是等腰直角三角形，所以ωPB=ωPC，故ωPC=ωMA.平面擺動式手柄操縱機構中ωDN與ωMA關系可以用圖2來分析。

圖2 連桿機構運動分析

在圖2中建立XNY坐標系，由零件長度和初始裝配關系可知 N，D1、C1、P 點的坐標，即 N（XN=0，YN=0），P（XP=700，YP=50），D1（XD1=0，YD1=200），C1（XC1=700，YC1=200），假設當PC1擺動β角度到達新位置PC2時，ND1擺動α角度到達新位置ND2，可得D2的坐標值：

和C2點的坐標：

將各點坐標和式（1~4）代入式（5）并化簡，利用MATLAB繪制α與β的關系曲線，如圖3所示。

圖3 手柄擺動角度與主動桿擺角的關系曲線

根據(jù)實際情況，由于手柄擺動角度范圍是±30°，所以在設定的尺寸條件下，平面擺動式手柄操縱機構實際轉動范圍為圖3中的加粗曲線部分，由圖可知，當 α ＝ 30°時，β ＝ 42°，當 α ＝ -30°時，β ＝ 318°即為β＝-42°.即當主動桿MA向某方向擺動42°時，擺動手柄就同方向擺動至極限位置。平面擺動式手柄操縱機構在某型挖掘機上的安裝如圖4所示。

圖4 平面擺動式手柄操縱機構安裝圖

利用MATLAB的Sum of Sin Functions Fitting工具，得到手柄擺動角度α與電機輸出軸回轉角度β之間的多項式關系式：其中 a1＝6 413，b1＝0.05 931，c1＝ 0.02 404，a2＝ 6 377，b2 ＝ 0.05 945，c2 ＝ -3.117.式（6）（7）分別表示主動桿與手柄的角度關系正解和反解，據(jù)此可對平面擺動式手柄操縱機構的角度進行控制。

3 動力學仿真

為分析機構重要關節(jié)處的受力情況，并且對驅動電機進行選型，需要對平面擺動式手柄操縱機構進行準確的動力學仿真。

利用多體動力學軟件ADAMS建立平面擺動式手柄操縱機構模型并添加正確的約束類型，在主動桿處設置MOTION，完成動力學模型的初步建立，如圖5所示。然后在手柄與groud的接觸點處設置阻力轉矩FRICTION為6 000 N·mm.由于擺動式手柄操縱機構的操作力較小，故選用鋁制連桿，將所有連桿的密度設置為鋁的密度。最后，將主動桿轉速規(guī)律設置為先加速再勻速最后減速的工況，將總的仿真時間設置為2 s，運行仿真。

圖6 所示為MOTION處的轉矩即驅動電機輸出轉矩的變化曲線。

圖6 驅動電機輸出轉矩曲線

由圖6可知，在起始的加速過程中，電機的輸出轉矩不斷增大，某時刻達到轉矩峰值2 986 N·mm.根據(jù)電機輸出轉矩峰值，本操縱機構選擇以上海四宏電機有限公司型號為57BYGH255-3004A的步進電機作為動力源，搭配減速比為4:1的行星減速器，電機主要參數(shù)如表1所示。

表1 57BYGH255-3004A型步進電機技術參數(shù)

4 結束語

設計的五連桿操縱機構本身結構簡單，形狀狹長，特別適合在各種工程裝備駕駛室內的安裝和尺寸調整。通過運動性能分析和動力學仿真得到了電動機轉動角度和擺動手柄擺動角度的關系，為以后電控系統(tǒng)的設計提供了依據(jù)

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