整體液壓俯仰型式臂式斗輪機伸縮油缸各個鉸點的幾何布局

王文龍 蘇士超

北方重工裝卸設備分公司

整體液壓俯仰型式臂式斗輪機伸縮油缸各個鉸點的幾何布局

王文龍 蘇士超

北方重工裝卸設備分公司

整體液壓俯仰型式的臂式斗輪堆取料機，是由油缸的伸縮來完成俯仰動作的。本文主要介紹伸縮油缸各個鉸點的幾何布局，這是完成俯仰運動的機構設計內容

俯仰型式臂式斗輪機;伸縮機構；油缸；幾何布局

在整體液壓俯仰型式的臂式斗輪堆取料機(以下簡稱為斗輪機)俯仰過程中，雖然運動是在空間完成。但就我們目前設計的斗輪機，其俯仰運動仍然是平面運動，只不過是在垂直的平面內運動而已。另外，從機構學來說，這種油缸的伸縮仍屬于曲柄搖塊機構，只是由于把搖塊換成了油缸，所以人們稱之為擺動式油缸機構(因為油缸的軸線是擺動的，不能稱之為曲柄滑塊機構)，設計者應當明白這普遍的物理概念。

1.油缸的布局

這種伸縮式油缸從油缸的軸線來分，有兩種形式，一種是對中式布置，即油缸的兩個鉸點都在油缸的軸線上；另一種是偏置式布置，即油缸的非活塞桿上的鉸點不在油缸的軸線上，而偏在油缸體的外側，我們一般應用前者。

因為斗輪機的大臂俯仰的角度是為挖取堆頂和堆底的物料服務的，所以將大臂上抬和下俯到堆頂和堆底之后才能布置油缸的各個鉸點，當各鉸點的幾何尺寸布置之后，應驗算這幾個鉸點及油缸的伸縮能否完成這仰與俯的兩個極限位置。

由于實際使用中，料堆可能整體下沉造成下俯角度加大，另外，還可能由于安裝制造誤差造成油缸的行程有可能不足，另外若活塞桿全部伸出，則導向性很差。這些實際中出現的問題是一個成熟的設計者應當考慮周全的。從從容地完成上仰和下俯的角度來看，油缸的行程(即伸縮量)是越大越好，但從油缸活塞桿的穩定性來看，行程是短些為好。所以，這幾個幾何鉸點的設計需要很精確和合理的，一般情況下，我們都是在行程正好滿足堆高和堆底的前提下，再上下各加一個50mm左右的行程。

2.油缸的長度

除了行程之外，油缸由于其自身結構的需要有一個剛性的長度(這個剛性長度主要包括耳環——我們稱為缸頭、活塞、前后端蓋、導向套等)，而且一般情況下這個剛性長度很難壓縮，即是一個定值。(見圖1)

圖1 《油缸的伸縮示意圖》

當油缸的活塞桿伸縮到最小的尺寸時，二耳環之間的距離為一個行程和剛性長度之和；當油缸的活塞桿伸出到最大尺寸時，二耳環之間的距離為二個行程和剛性長度之和。這就象自行車打氣筒一樣，當用打氣桿向下壓縮氣體到打氣筒的最底時，打氣筒要比(行程)長一些，這是因為有結構上的剛性長度的存在，當拔出打氣桿到最頂端時，打氣筒的總長是二個打氣桿的長度和剛性長度之和。但不論如何，后者除以前者都大于1而小于2。這其中的道理請列式即可解得。

為說明方便，令油缸這個結構剛性長度為L結長，根據2.1節最后的論述我們在油缸額定行程的兩端各加上50mm來考慮和分析問題。令上下各加上50mm后的油缸活塞桿伸出后兩鉸點的最大極限距離為L伸極，油缸活塞桿收縮后的兩鉸點的最小距離為L縮極，(在實際設計斗輪機的俯仰行程限位開關的時候，應將工作行程限位開關布置在上下未加上50mm的位置上，因為這上下50mm是留給料堆的下沉和增加活塞的導向性的)。

再令此時的油缸活塞的行程為L行極，很明顯，L行極=L伸極-L縮極。當然，在設計的CAD圖上時也還是要做出上下沒加上50mm時的圖形來，即理論額定兩鉸點的距離，其伸出額定距離為L伸額，其收縮后的額定距離為L縮額，此時，斗輪的輪斗在高位置緊貼物料的堆頂的上表面；在低位時斗輪輪斗的是緊貼地面(留200mm即可)的。

3.驗算各鉸點幾何尺寸

很明顯，油缸收縮到最小尺寸L縮極，要保證行程L行極，全部退回到油缸內并要保證不得壓縮L結長，所以，L縮極，充分和必要條件是：L縮極≥L行極+L結長——①

當油缸伸出到最大的尺寸L伸極時，即是從L縮極又伸出一個行程L行極的過程，即是①式的兩邊各加上一個L行極得過程，得：L縮極+L行極≥L行極+L行極+L結長

即得有：L伸極≥2L行極+L結長——②

這①，②兩式就是驗算幾何尺寸能否完成俯仰角度的關系式。式中L結長是油缸的參數，對應不同直徑的油缸，可在樣本中查到該尺寸，而其他三個尺寸是可以用作圖法得到的。

結語

整體液壓俯仰型式的臂式斗輪堆取料機是由油缸的伸縮來完成俯仰動作的。油缸只而一個執行元件， 對于斗輪機設計者來說應該掌握的內容除伸縮油缸各個鉸點的幾何布局還有以下五點

1.油缸的機構動力學的計算(如油缸活塞桿及搖桿的速度，角速度，傳動角及各個角度相互間的變化對各桿件受力的影響等)；2.斗輪機上部重量對伸縮油缸拉力和壓力的分配3.斗輪機上部重心的確定及各種構件的受力計算。(這部主要應用平面力系的彎矩平衡方程、力系平衡合力為零、杠桿原理來計算)。4.如何確定斗輪處的離地力或用流體壓差法確定離地力。5.液壓系統的原理設計。

[1]《斗輪堆取料機》化工工業出版社

[2]《機械設計手冊》化工工業出版社