基于折展式拆裝機械動力研究

陳 宇，王鳳華

（齊齊哈爾大學美術與藝術設計學院，齊齊哈爾 161006）

在諸多大型工程設計以及實驗室建設過程中折展式拆裝機都有著廣泛的應用，同時該設備也逐漸滲透到重載高精度設備等工業領域中進行應用，例如，在船舶、航天器等設計中應用也體現出了極大的優勢。其不僅可以滿足大型設備對安裝高精度的要求，也具有重載、運輸靈活等特點，因此，探究折展式拆裝機械動力學，能夠在我國工業化不斷發展與進步的同時，使更多大型設備、機械、高精度構件的應用成為可能，因此現實意義十分重大。

1 折展式拆裝機機械設計

（1）機械原理。鑒于折展式拆裝機工作環境以及工作條件較為復雜，日常工作中需要服務較大的工作范圍，持續性處于高強度、高剛度的工作狀態，在大型機械設備中的應用，對折展式拆裝機提出了結構精巧、重量小、靈活性強的要求。因此，為了滿足應用要求，在結構設計過程中應盡量通過伸縮、折疊功能等形式來實現拆裝機的功能與作用，通常可以選擇二級伸縮作為伸縮臂，并聯布置液壓缸實現其折疊功能。其中機構主要由伸縮臂、動臂、液壓缸等部分構成，當機械處于折疊狀態時，伸縮臂以及伸縮臂液壓缸處在長度最長狀態，而動臂以及動臂液壓缸處在壓縮狀態，機械整體高度最小可實現600mm；當機械處于伸展狀態時，動臂以及動臂液壓缸處在長度最長狀態，而伸縮臂與伸縮臂液壓缸處在壓縮狀態，從而可實現機械整體最高高度3000mm以上[1]。當狀態不同時，高度比可達到5.0以上，從而使應用中機械整體狀態更加靈活。但當在實際應用過程中，伸縮臂與動臂需要通過角度的調換，實現構件的起升，這也就表明拆裝機在使用過程中需要較大的空間與場地，保障其伸縮角度的精準，才能夠精準的進行構件的安裝與拆卸。其中伸縮臂在液壓缸的控制下可以實現仰俯的調整，動臂在液壓缸的控制下可以實現擺動狀態的調整，機械運行過程中，兩者液壓缸為耦合關系，但是在平面上卻處于并聯狀態[2]。

（2）機械結構。從拆裝機運行原理可以看出，其主要依靠伸縮臂與動臂的動態運動實現對構件的拆裝，但伸縮臂與動臂在運動過程中仍然需要轉臺、車體、驅動輪系、支腿等輔助設施的支持，從而形成一個完整的整體。根據拆裝機運行的要求，其需要具有6個自由度，實現對拆裝構件的全方位調整。

2 折展式拆裝機機械建模分析

2.1 運動學建模分析

本文論述的折展式拆裝機在應用過程中主要通過相對運動實現其功能，對運動規律的掌握十分重要。研究其運動學規律主要針對伸縮臂末端點位置，該位置關系到機構整體運行情況能否達到空間可達性的需求；并探究動臂運動學規律，以期能夠與伸縮臂之間保持和諧狀態。

簡單來講，在使用拆裝機過程中，拆裝機的運動效果會出現不穩定的情況，尤其在初始階段以及運行較長一段時間后，所以，從動力學上對結構設計進行完善，應對啟動過程進行改進[3]。

2.2 動力學建模分析

大型重載機械設備在使用過程中，無論是自身荷載應力帶來的慣性影響，還是外部荷載作用力導致動載荷的增強，都會導致機械設備反應與執行操作上出現錯誤，因此，動荷載系數的研究十分重要。通過動力學建模分析，總結液壓缸在使用過程中受力情況的變化規律，在結合靜力與運動學的分析，實現對液壓缸的動載系數優化。

折展式拆裝機由不同類型的構件單元共同組成，而構件單元中同樣包含著多種不同的構件類型，在使用過程中，構件不僅要承受自身運動的作用力與慣量影響，還要受到外部動荷載所產生作用力的影響。利用建模軟件，構建出折展式拆裝機機構模型，如圖1所示，根據構件單元將動臂、伸縮臂后半段、伸縮臂前半段設定為第一、二、三單元，拆裝機運動的主要驅動力為液壓缸，將其長度分別記為D1與D2，由于拆裝機需要形成協調的配合，所以，結構設計過程中保障了其每個構件單元都具備6個自由度。在一單元中，通過機架與其進行連接，限制其對應平衡兩個自由度；通過平動自由耦合方式連接二單元與三單元，將每個節點作為坐標原點，可以在機構中建立起12個坐標系，分析過程中先將伸縮臂的俯仰角與動臂的擺動角作為中間坐標，經過分析逐步進行中間坐標的調換，這需要在中間坐標基礎上，建立過渡坐標與廣義坐標，明確中間坐標與廣義坐標的關系，總結出三階轉換陣矩的表達形式[4]。

圖1 折展式拆裝機機構計算模型

但需要注意的是，由于質量分布上存在較大的差異，差異也處于變化中，需要基于科學的原則對動荷載進行等效處理，從而能夠在簡化系統組裝基礎上，精準的計算出荷載分布系數，從而能夠確定組件質量與轉動慣量的凝聚點，將凝聚點帶入到轉換陣矩的表達式中，能夠直觀的分析出慣性矩對轉動慣量產生最小影響的狀態，如果影響較小，可以直接忽略此影響[5]。再通過計算系統與單元之間的關聯數據，得到組裝系統質量的陣矩表達式，根據表達式可以推導出設備剛體動力方程，這樣可以帶入設備運動過程中的任意一點，分析其動力情況以及運動情況。

3 折展式拆裝機并聯平面機構設計優化分析

在實際應用過程中，對折展式拆裝機動力學的探究主要是了解其設計結構以及運動規律，全方位衡量在設備使用過程中需要考慮的指標范圍，從而選擇最優的方案進行機構設計改進，但目前在我國的實際應用中，拆裝機的優化往往依靠設計人員的設計經驗進行判斷，導致其優化效果始終無法達到理想狀態。而從上述內容可以了解到拆裝機的運行原理，從而明確其結構的實質在平面上是并聯的機構，那么對平面并聯機構的設計進行優化，可以有效降低液壓缸的載荷，滿足工況的實際需要。

折展式拆裝機使用過程中，其伸縮臂液壓缸的受力始終大于動臂的液壓缸，因此，本文的分析主要圍繞伸縮臂液壓缸受力情況。對于并聯平面機構設計的優化，需要綜合考量多個目標，所以，構建模型應為多目標優化數學模型，根據拆裝機使用過程中的變量與向量，列出目標函數，解出函數方程。利用極值法對拆裝機在使用過程中各種極限工況情況下的受力情況進行分析，再基于并聯機構運動學原理構建的數學模型，求解出處于最優狀態下組件運動點的位置，從而調整平面機構的尺寸，這樣可以降低極限工況下組件的負載。如，當設備進行裝載組件過程中，對空間具有一定的要求，將其末端可能達到的位置帶入到坐標中，判斷其是否存在約束條件，如果出現了約束條件，應考慮是由整體體積大小導致的約束，還是由于機械結構相關特性導致的約束，從而列出每種條件下的參數范圍，根據方程式的計算，確定處于極限狀態下設計變量的范圍[6]。這種優化方法在優化折展式拆裝機并聯平面機構設計過程中，能夠得出精準的參數，對液壓缸類型、具體型號選擇以及機構設計都有著重要的幫助。而且從設備耗能角度進行考慮，實現機構的合理優化，不僅能夠提升設備使用過程中的工作效率，在一定程度上降低能耗，能夠為使用創造更為豐富的效益。

4 結束語

綜上所述，隨著社會的發展，大型重載機械設備在社會發展領域中的應用越來越廣泛，應用的要求也越來越高，需要一種靈活的拆裝設備保障組件安裝與拆卸的精準性。而折展式拆裝機的出現恰好滿足了這一需要，但是在目前的應用過程中，折展式拆裝機的結構設計并不完善，不能保障其在應用過程中實現效益最大化。因此，文章通過對折展式拆裝機總體結構設計、運行原理、動力學規律、運動學規律等方面的分析，探究了優化拆裝機構設計的策略，希望能夠為相關研究提供幫助。同時也希望廣大同仁在研究過程中，能夠在動力學剛體系統研究、構件彈性、機構模態研究等方面取得突破，從而實現該領域的進一步發展。