一種新型氣壓傳動挖掘機結構的設計

王新海+陳志華

摘 要：基于傳統工業上的挖掘機靈感并結合現有工業挖掘機的抽象性。設計了一款新型迷你氣動挖掘機裝置，該裝置創新點和優點在于有效的結合教學，巧妙運用四連桿機構傳動，從抽象化轉變具體化。介紹了挖掘機整體結構及自由度分析，對挖掘機末端伸縮設計計算，并且利用Solidworks軟件進行三維建模。加工出來的整體效果及功能實現良好，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：氣壓；四連桿；機構；自由度；Solidworks

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

0 引言

在國家大力發展教育的這幾年里，無論是中小學還是大學里都缺少生動形象的教具。從市場角度來看，現在全國的高校就有2000多所，還不包括對初中及高中的一個統計，教育教具市場如此廣闊，需要我們去探索這個領域，對于教學教具我們有以下幾點考慮的地方：（1）在質量上要輕，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。（4）教具在學生面前展示，所以安全尤為重要，設備需在安全電壓范圍內來控制，設計過程中應進行盡可能的考慮到安全。

教具能增強學生對知識的理解，也能提高學生知識的興趣。而對于機械專業老師來說，氣壓傳動[1] 、連桿機構等方面的知識卻是他們授課時很難用語言和圖紙表達清楚的，本次迷你氣動挖掘機的設計著力為機械專業教學工作提供幫助。

本文主要是對挖掘機結構進行設計、計算、選材，并且對整個運行過程進行了系統的描述，實驗結果達到預期的目的。

1 傳動挖掘機組成結構

機構原理分析：

如圖1.1是挖掘機結構圖，包括了基座，大臂，小臂，連桿，挖斗，氣缸。通過氣缸7推力作用，實現底座旋轉；氣缸10的伸縮，實現大臂5的升降；氣缸6的伸縮，實現小臂4的升降；氣缸3的伸縮，帶動連桿2的轉動，從而實現挖斗1的動作。

該氣動挖掘機由機身、氣動系統部分組成。機身部分包括底座9、大臂5、小臂4和鏟斗1；氣動系統部分包括氣缸3，氣缸6、7、10。各部分均采用輕巧、經濟、環保材料制作而成。各單元的運動由電氣動系統加以控制，以實現底座的旋轉、大臂和小臂伸縮及鏟斗的抓放等預定動作。

該挖掘機機構有14個活動構件其中低副（轉動副、移動副）個數為19個，高副個數為零，因此該機構自由度數，其中，，。得：。

所以該機構需要四個動力來源，因此我們選擇四個氣缸。

2 傳動挖掘機部分結構設計

2.1 機械機構尺寸設計

此作品的一大特點在于大臂，小臂，末端之間動作的流暢與穩定，因此只有設計好各機構的尺寸，才能完美實現挖掘機的整個動作[2]。

（1）大臂尺寸：根據挖掘機大臂主流外形以及滿足氣壓缸行程及其基本尺寸的要求，我們將大臂設計為半徑為280mm，圓心角為75°，厚度為40mm的彎桿，并在適當的位置留出連接孔。

（2）小臂尺寸：根據連桿機構尺寸要求和氣壓缸行程需求以及工作強度的要求，我們將小臂設計為長度為324mm，厚度為20mm的直桿。

（3）挖斗尺寸：根據挖掘機整體尺寸的協調以及外形的美觀及工作需求，挖斗設計下面工程圖以給出。

（4）連接件尺寸：為了使大臂及氣壓缸與底座實現連接，根據三角形的穩定性好。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 底座運動分析與計算

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 挖斗運動分析與計算

運動類似于圖3四連桿運動，滿足“（最短AB+最長AC） ﹤（其它兩桿長度之和）”[2-4]，為雙曲柄機構，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，實現左右擺動，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

本篇論文針對挖掘機整體結構設計，利用CAD軟件會出機構二維圖，并且進行了計算，同時利用Solidworks對三維模型進行了設計仿真，實驗結果和我們理論分析一致，設計過程完全符合要求，同時該產品具有以下特點：

（1）設計理念獨特，樣式新穎，有效的結合課堂教學，將PLC控制、氣壓傳動、連桿機構、控制法工作原理從抽象化轉變具體化，不僅幫助學生理解知識，更可以調動其積極性。

（2）將工程實際應用轉化為迷你教具模型，易于學生理解液壓與氣壓系統的結構、工作原理和工作特點。

（3）結構巧妙，造型美觀，采用環保材料制作，性價比高，易于實現科研成果的轉化。

（4）可作為開放性實驗平臺，拓展實驗內容，今后給其加配PLC控制[5-8]或單片機組件實現自動化控制。

參考文獻：

[1]徐福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2]于永泗，齊民.機械工程材料[M].大連：大連理工大學出版社，2007.

[3]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]孫桓，陳作模，葛文杰.西北工業大學機械原理及機械零件教研室編[M].北京：高等教育出版社，2006（05）.

[5]陽險峰.三菱FX系列PLC[M].北京：中國電力出版社，2015.

[6]徐福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業出版社，2007.

[7]李金城.三菱PLC功能指令應用詳解[M].北京：電子工業出版社，2011.

[8]向曉漢.三菱FX系列PLC完全精通教程[M].北京：化學工業出版社，2012.

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