兩種連桿機構在叉裝機上的應用與對比

黃志偉

（福建晉工機械有限公司，福建晉江 362261）

0 引言

輪式叉裝機由輪式裝載機演變而來，是將輪式裝載機前端的鏟斗換成貨叉的專用自行輪胎式機械。由裝載機工作裝置的自由度分析可知，工作裝置的連桿機構均為封閉運動鏈的單自由度平面運動機構。對裝載機工作裝置而言，桿數目越多越能實現復雜的運動，但同時鉸接點的數目也隨之增加，結構復雜程度越高，也就越難在動臂上進行布置。因此，實際的裝載機工作裝置連桿機構多為八桿以下機構。按輸入和輸出桿轉向不同，又可分為正轉和反轉機構。正轉機構是指輸入與輸出桿的轉向相同；反轉機構是指輸入與輸出桿的轉向相反。

由于叉裝機運輸的是塊狀物料，且物料重量較重，現有礦山市場上塊狀物料重量從10～50 t 不等。因此，叉裝機工作裝置的設計需要滿足：動臂油缸舉升力達到對應機型的額定載荷要求；轉斗油缸掘起力與機型額定載荷相匹配；具有較好的平移性；滿足各位置收卸斗角度要求。

1 反轉六連桿機構在叉裝機上的應用

反轉六連桿機構的組成如圖1 所示。貨叉總成利用叉尖對塊狀物料進行推撬，平端舉起物料，通過叉裝機整機運轉實現運輸轉移和堆垛。動臂通過動臂油缸的伸縮實現貨叉總成的舉升和下降；搖臂、拉桿通過轉斗油缸的伸縮實現貨叉總成收斗和卸料。

圖1 反轉六連桿機構

反轉六連桿機構的受力分析如圖2 所示。

圖2 反轉六連桿機構的受力分析

動臂油缸提供整套機構上升、下降的舉升力G1，計算公式為：

其中，F1為動臂油缸大腔提供的力；A1、A2為以動臂上鉸點為支撐點的力矩。

機構舉升過程中，掘起力必須與舉升力相匹配，避免出現動臂可以把物料舉高但卻無法收斗的問題，轉斗油缸掘起力G2的計算公式為：

其中，F2為轉斗油缸大腔提供的力；B1、B2以搖臂中心點為支撐點的力矩；B3、B4以動臂下鉸點為支撐點的力矩。

平移性指的是貨叉平放地面，保持轉斗油缸行程不變，動臂油缸工作將動臂舉升到最大舉升高度的過程中貨叉面與水平面的夾角變化。叉裝機要求貨叉在舉升過程中，貨叉架組件必須保持向后傾的狀態，而且這個角度應控制在20°以內。平移性主要是為了保證在舉升過程中物料沒有向下滑落的風險。

設計反轉六連桿機構需要復雜的軌跡驗算，工作裝置舉升力、掘起力、各位置收卸斗角度、平移性都需要綜合考慮。根據經驗，反轉六連桿機構叉裝機平移角度一般在15°～20°之間。

2 正轉八連桿機構在叉裝機上的應用

正轉八連桿機構的組成和受力分析如圖3、圖4 所示。

圖3 正轉八連桿機構

圖4 正轉八連桿機構受力分析

轉斗油缸掘起力的計算公式為：

其中，F3為轉斗油缸分力F3=F2×cosα；F2為轉斗油缸小腔提供的力；B1、B2為以動臂下鉸點為支撐點的力矩。

正轉八連桿機構是由多個平行四邊形組成的，本身具有很好的平移性能，設計時只需在其他性能參數滿足后做設計微調，即可實現較好的平移性能。根據經驗，正轉連桿機構叉裝機平移角度一般可以控制在5°～12°之間。

3 反轉六連桿機構與正轉八連桿機構對比

3.1 動臂油缸舉升力

兩種機構的動臂舉升力的計算和布置方式相同，動臂舉升力隨著動臂的舉升成遞減狀態；GB/T 36974—2018《土方機械輪胎式叉裝機技術條件》中規定叉裝機的額定載荷指的是叉裝機具備將物料提升到額定裝卸高度時的提升能力，并滿足裝卸工況穩定系數；額定裝卸高度不得小于1.8 m。

3.2 轉斗油缸掘起力

反轉六連桿機構在掘起作業時，轉斗油缸活塞桿向外推，大腔進油，配合合理的傳力比設計，可以獲得較大的掘起力。正轉八連桿機構在掘起作業時，轉斗油缸活塞桿向內縮短，小腔進油，而且掘起作業的力相當于是由轉斗油缸直接提供。相比兩種機構的計算方法，在掘起力相同時，正轉八連桿機構需要選擇缸徑更大的轉斗油缸。

反轉六連桿機構在動臂舉升過程中，掘起力逐步增大，到達中位后開始減小，整個過程掘起力變化相對較小。正轉八連桿機構在動臂舉升過程中，掘起力逐步增大，到達中位后開始減小，整個過程掘起力變化較大。

3.3 機構平移性

反轉六連桿機構需要復雜的軌跡驗算，尋找合適的機構鉸點來滿足平移性要求。正轉八連桿機構由于本身機構的特殊性，平移性能較好。

3.4 視野

叉裝機在工作中，駕駛員在駕駛室中需要頻繁地觀察貨叉叉尖位置，以便對準物料的叉裝縫隙，將貨叉插到物料的底部。駕駛員的視野對于叉裝機的整機使用的便利性非常重要。影響視野的主要因素是工作裝置機構的布置方式。

反轉六連桿機構轉斗油缸、搖臂、拉桿等構件布置如圖5a）所示，在兩塊動臂板中間位置，動臂板間距離受限于叉裝機前橋輪距，當大噸位叉裝機在布置時，轉斗油缸缸徑加大、搖臂尺寸加大，會遮擋駕駛員視線。轉八連桿機構轉斗油缸、搖臂、拉桿等構件布置如圖5b）所示，動臂板中間沒有多余構件遮擋，駕駛員視野更好。

圖5 機構布置對比

3.5 機構工藝性

反轉六連桿機構結構簡單、構件少、裝配工藝性較好，但因軌跡要求，動臂板和搖臂板外形弧度較大，需要合理排版套料來提高材料利用率。正轉八連桿機構結構復雜、構件多、裝配節點多，對比六連桿機構需要更長的裝配工時，但動臂板和搖臂板外形折角小，近乎直臂，材料利用率高，可節省材料。

4 結束語

本文分析研究了反轉六連桿機構和正轉八連桿機構的工作原理，對比兩種機構的優勢和劣勢，供相關設計人員根據實際需求選擇應用。