工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及特性的分析

汪一舟，趙 征

（西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安 710129）

工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及特性的分析

汪一舟，趙 征

（西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安 710129）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)械產(chǎn)品在先進(jìn)技術(shù)的引導(dǎo)下逐漸向環(huán)保、優(yōu)質(zhì)方向發(fā)展。工程機(jī)械臂作為重要元件應(yīng)用于機(jī)械工程中，在實(shí)際應(yīng)用中充分發(fā)揮動(dòng)力學(xué)性能，這不僅會(huì)促進(jìn)工作穩(wěn)定進(jìn)行，還會(huì)提高機(jī)械工程的經(jīng)濟(jì)效益。首先介紹了研究現(xiàn)狀，然后分析了動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)。

工程機(jī)械臂；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；動(dòng)力學(xué)；特性

如今，機(jī)械工程生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)自動(dòng)化要求逐漸提高，工程機(jī)械臂作為生產(chǎn)、建設(shè)的主要工具，應(yīng)不斷優(yōu)化其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，全面分析其特點(diǎn)，這對(duì)工程機(jī)械臂應(yīng)用效果優(yōu)化、應(yīng)用范圍擴(kuò)大具有重要意義。希望本文能為相關(guān)人員提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 模型構(gòu)建和仿真研究

機(jī)械工程系統(tǒng)發(fā)揮應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的過程中，關(guān)鍵構(gòu)件——工程機(jī)械臂在其中起著不可替代的作用，因此，該構(gòu)件的設(shè)計(jì)合理性、自身質(zhì)量與機(jī)械工程應(yīng)用效果息息相關(guān)。該系統(tǒng)是多體系統(tǒng)的一種，系統(tǒng)深入研究的過程中，應(yīng)通過模型構(gòu)建的方式來進(jìn)行，在此期間，還應(yīng)引進(jìn)多體動(dòng)力學(xué)這一方式。首先，選擇適合的方法——拉格朗日法制作模型；其次，借助動(dòng)力學(xué)方程完成坐標(biāo)系建立；最后，設(shè)計(jì)完成液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)模型。模型構(gòu)建后，工程機(jī)械臂在實(shí)際工作中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分析能夠得到依據(jù)支持。

在這一裝置仿真研究的過程中，要想優(yōu)化仿真研究效果，應(yīng)借助動(dòng)力學(xué)軟件予以分析，將軟件分析得到的仿真曲線成功繪制，進(jìn)而能夠?yàn)閯?dòng)力學(xué)特點(diǎn)分析奠定可靠的理論基礎(chǔ)。

1.2 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)現(xiàn)狀

從上述介紹中能夠看出，該系統(tǒng)與多體系統(tǒng)存在直接聯(lián)系，因此，在了解工程機(jī)械臂系統(tǒng)之前，應(yīng)對(duì)多體系統(tǒng)作大致了解。所謂“多體系統(tǒng)”，即針對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律作具體分析，內(nèi)部組成系統(tǒng)（多剛體系統(tǒng)和多柔體系統(tǒng)）間關(guān)系見圖1[1].

無論是外國學(xué)者，還是國內(nèi)學(xué)者，均對(duì)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)做了相關(guān)研究，但在此方面的研究效果不是十分顯著，對(duì)比來講，多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究成果較豐富，并且理論體系相對(duì)完善。多體系統(tǒng)內(nèi)部多柔體系統(tǒng)存在建模復(fù)雜、計(jì)算方式煩瑣等限制，并且實(shí)際模型構(gòu)建中存在一定的問題，因此，研究學(xué)者在這方面受到了較大阻力，同時(shí)，說明多柔體系統(tǒng)存在較大的研究空間，工程機(jī)械臂研究工作仍需深入。下面主要對(duì)這一系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)予以分析，希望能為相關(guān)學(xué)者提供參考依據(jù)，開拓研究思路。

圖1 多體系統(tǒng)動(dòng)學(xué)內(nèi)部組成系統(tǒng)間關(guān)系圖

2 動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)分析

目前，工程機(jī)械臂承受的載荷較多，并且工作環(huán)境十分復(fù)雜，分析動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，能夠提高工作效率，優(yōu)化工程質(zhì)量，同時(shí)，還能夠促進(jìn)工程機(jī)械臂向良好的方向發(fā)展，這對(duì)機(jī)械工程行業(yè)持續(xù)發(fā)展、我國社會(huì)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。下面主要從運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化2方面分析，具體介紹如下。

2.1 運(yùn)動(dòng)分析

挖掘機(jī)設(shè)備實(shí)際應(yīng)用過程中，往往需要工程機(jī)械臂輔助，二者協(xié)作配合完成工程任務(wù)，在開采工程、建筑施工工程中，工程機(jī)械臂具有較高的應(yīng)用率，并且在其中發(fā)揮著重要作用。該裝置中起重要作用的構(gòu)件即機(jī)械臂，因此，需要對(duì)其進(jìn)行性能優(yōu)化，同時(shí)，具備良好運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢(shì)的機(jī)械臂還能間接顯示設(shè)計(jì)能力、設(shè)計(jì)水平，本文主要以單斗反鏟液壓挖掘機(jī)為例進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。

該設(shè)備主要由鏟斗液壓缸、動(dòng)力臂、控制系統(tǒng)、鏟斗、斗桿以及動(dòng)臂液壓缸等系統(tǒng)組成，實(shí)際工作期間，首先控制系統(tǒng)有序運(yùn)行；接下來動(dòng)力臂在壓力作用下持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，其中，壓力主要來源于動(dòng)臂液壓缸；然后斗桿液壓缸會(huì)發(fā)揮壓力作用，對(duì)斗桿進(jìn)行擺動(dòng)操作；鏟斗壓力缸也會(huì)提供動(dòng)力支持，確保鏟斗和連桿能夠共同發(fā)揮動(dòng)能優(yōu)勢(shì)，促使鏟斗持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。這一設(shè)備在原有構(gòu)件的基礎(chǔ)上添置了鏟斗轉(zhuǎn)角，這對(duì)設(shè)備靈活運(yùn)動(dòng)、有序工作具有重要的輔助作用[2]。這一設(shè)備仍屬于多體系統(tǒng)，進(jìn)而在實(shí)際應(yīng)用中能夠擴(kuò)大工作范圍，并且設(shè)備具備應(yīng)用靈活、操作便捷等優(yōu)勢(shì)，這在一定程度上能優(yōu)化設(shè)備應(yīng)用效果。挖掘工作之所以能夠順利開展，機(jī)械臂在其中起到的動(dòng)能作用不容忽視，從中可知，分析機(jī)械臂受力情況及運(yùn)動(dòng)效果是極為必要的，能夠根據(jù)分析結(jié)果檢驗(yàn)動(dòng)力學(xué)特征，這在一定程度上能夠間接顯示挖掘水平、工作質(zhì)量。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工程機(jī)械臂在實(shí)際工作中要想優(yōu)化工作效果，充分發(fā)揮其在工程中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，應(yīng)首先優(yōu)化設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)，即根據(jù)相關(guān)要求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大大提升工程機(jī)械臂的性能，以免其在具體工作中出現(xiàn)設(shè)備損壞、設(shè)備暫停應(yīng)用等現(xiàn)象，這對(duì)機(jī)械工程活動(dòng)順利進(jìn)行具有重要作用，同時(shí)，機(jī)械工程質(zhì)量也能得到保證。由于工程機(jī)械臂組成結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并且實(shí)際工作內(nèi)容較多、工作強(qiáng)度較大，如果內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題長(zhǎng)時(shí)間得不到解決，結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)工作不到位，那么機(jī)械工程的安全性得不到保障，機(jī)械工程任務(wù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不能及時(shí)完成，因此，針對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分迫切的。優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，應(yīng)首先明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，然后進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)果檢驗(yàn)，同時(shí)，應(yīng)用相關(guān)方法進(jìn)行優(yōu)化求解，以此進(jìn)行全面的動(dòng)態(tài)化分析，一旦優(yōu)化設(shè)計(jì)中遇到了些許問題，應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)將問題及時(shí)解決，這對(duì)后續(xù)機(jī)械臂應(yīng)用故障減少、應(yīng)用性能提升具有重要作用[3]。

3 結(jié)論

綜上所述，在了解多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地分析工程機(jī)械臂結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及特點(diǎn)，不僅能夠增強(qiáng)機(jī)械設(shè)備整體性能，還能夠提高機(jī)械臂實(shí)際應(yīng)用的安全性和穩(wěn)定性，這對(duì)機(jī)械工程自動(dòng)化發(fā)展具有重要意義。此外，相關(guān)研究學(xué)者還應(yīng)創(chuàng)新研究方法，借鑒外國先進(jìn)研究經(jīng)驗(yàn)，在工程機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)研究方面不斷深入。

［1］孫敦元.工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及特性研究［J］.中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2017（01）：176-177.

［2］郭振鋒，金國光，暢博彥.剛-柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模及其動(dòng)力學(xué)特性研究［J］.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，32（01）：70-74.

［3］許行之，高亞奎，章衛(wèi)國.考慮助力器動(dòng)力學(xué)的舵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非線性顫振特性分析［J］.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，33（03）：472-477.

TU603

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.20.081

2095－6835（2017）20－0081－02

〔編輯：劉曉芳〕