基于計算機輔助的挖掘機工作裝置設計

摘 要：計算機技術的發展給機械設計方法提供了全新的方式，以挖掘機工作裝置設計為例，綜合運用計算機二維制圖、三維建模、計算機運動仿真、計算機程序設計及輔助計算等技術，旨在提升機械設計的效率、可靠性。

關鍵詞：計算機輔助設計；挖掘機工作裝置；機械設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.108

0 引言

計算機輔助設計是指工程技術人員在人和計算機組成的系統中以計算機為工具，輔助人類完成產品的設計、分析、繪圖等工作，并達到提高產品設計質量、縮短產品開發周期、降低產品成本的目的[1]。

液壓挖掘機是一種以開挖土石方為主要用途的建筑機械設備，在工程中對節省人力、縮短工期、降低工程造價和提高勞動生產率具有非常重要的作用[2]。

1 工作裝置運動設計

液壓挖掘機工作裝置有正鏟和反鏟兩種，反鏟液壓挖掘機工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗以及動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸組成。動臂和動臂油缸組成四桿機構，斗桿和斗桿油缸組成四桿機構，鏟斗機構是由鏟斗、鏟斗油缸連桿及搖桿組成的六桿機構。整個工作裝置共有11個活動件、15個低副，其自由度為F=3X11-2X15=3[3]。

1.1 工作裝置設計已知參數

設計機重：G

鏟斗斗容：q10.04G[4]

根據斗容q，可大致確定鏟斗半徑。

1.2 工作裝置運動機構設計

目前主流的三維設計軟件有UG，PRO/E，KATIA，SOLIDWORKS等，工作裝置運動機構使用PRO/E進行三維數模的設計。工作裝置運動機構的設計，按以下步驟進行：

建立整機坐標系：以水平停機面為XY平面，挖掘機前進方向為Y軸，回轉中心為Z軸，以右手法則建立坐標系；

步驟1：

最大挖掘高度H1：動臂油缸9全伸（動臂仰角最大），斗桿油缸2全縮且鏟斗油缸4全縮時斗齒尖V距基準地平面Y軸的垂直距離。

根據最大挖掘高度定義，在PRO/E軟件草繪界面，繪制出最大挖掘高度姿態，其中Hmax、LCF（動臂長度）、LFQ（斗桿長度）、LQV（鏟斗半徑）為已知，在此姿態下，可初選動臂油缸的傾角及最大行程；可初選斗桿油缸的安裝距、鏟斗油缸的安裝距；可初選鏟斗的仰角及轉動范圍，進而初選鏟斗四連桿機構的尺寸。

步驟2：

最大卸載高度H4：動臂油缸全伸，斗桿油缸全縮，鏟斗上Q、V連線垂直于基準地平面，此時斗齒尖距停機面的垂直距離即為最大卸載高度。

按最大卸載高度定義放置鏟斗，此步驟可校核 長度。

步驟3：

最大挖掘半徑H3：斗桿油缸全縮，CQ距離最大且C、Q、V共線并平行基準地平面，此時斗齒尖距回轉中心線的距離。

此步驟可校核LQV的尺寸。

步驟4：

最大挖掘深度H2：指動臂油缸全縮（動臂仰角最小），F、Q、V三點一線并垂直于基準地面（XY軸平面）時，斗齒尖距基準地平面的垂直距離。

在PRO/E草繪里，繪制最大挖掘深度姿態，此時可大致確定動臂油缸的傾角及安裝距。此步驟可校核H4、LCF 、LFQ、LQV 的尺寸。

經過前述四個步驟，可以繪制出如圖1所示的工作裝置機構作業范圍圖。

步驟5

在PRO/E草繪里，繪制圖2姿態：動臂油缸全伸，斗桿油缸全伸，鏟斗油缸全伸。此姿態可初選斗桿油缸2的最大行程，鏟斗油缸4的最大行程。確定鏟斗7的最大轉角，可以校核搖桿5、連桿6、鏟斗LQV的長度。

步驟6

經過前述步驟，挖掘機工作裝置作業范圍大致符合設計要求，在設計軟件PRO/E里，按裝配關系將各部分數字模型進行裝配，進行動態運動分析，調整結構干涉部分，工作裝置運動機構設計完成。

2 結束語

文章需要進一步的研究工作有：

（1）基于計算機有限元分析的挖掘機工作裝置校核；

（2）基于計算機的運動機構優化。

參考文獻：

[1]寧汝新，趙汝嘉.CAD/CAM技術[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2]陳國俊.液壓挖掘機（原理、結構、設計、計算）[M].武漢：華中科技大學出版社，2012.

[3]陳進，龐曉平.單斗液壓挖掘機工作裝置關鍵技術研究[M].北京：科學出版社，2014.

[4]林慕義，史青錄.單斗液壓挖掘機構造與設計[M].北京：冶金工業出版社，2011.

作者簡介：魏智慧（1986-），女，碩士，講師，研究方向：計算機技術，網絡與多媒體技術。