液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工程機(jī)械中的發(fā)展與應(yīng)用

寧博　聶朝瑞

摘要：對(duì)串聯(lián)機(jī)構(gòu)及并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行了介紹，闡述了液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工程機(jī)械中的應(yīng)用，對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。針對(duì)挖掘機(jī)和鑿巖鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，并對(duì)工程機(jī)械中所存在的液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)了說明，分析了液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工程機(jī)械中的特點(diǎn)。通過國外鑿巖機(jī)與國內(nèi)鑿巖機(jī)中液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用的對(duì)比，得出了液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工程機(jī)械中應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵詞：液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)；機(jī)械；應(yīng)用；全液壓鑿巖鉆機(jī)

前言

當(dāng)前，工程機(jī)械被廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、鐵路、公路、水電、港口碼頭、城鄉(xiāng)建設(shè)以及林業(yè)、農(nóng)業(yè)等國民經(jīng)濟(jì)和國防軍工等部門，是各種建設(shè)工程綜合機(jī)械化施工不可缺少的技術(shù)裝備。利用工程機(jī)械施工可縮短工期.降低工程造價(jià)，大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。可在惡劣環(huán)境下承擔(dān)各種特殊作業(yè)任務(wù)，可提高工程質(zhì)量.又可節(jié)省大量勞動(dòng)力等等。由于工程機(jī)械在各類工程建設(shè)中的高質(zhì)量、高速度、低成本和高效益，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都十分重視發(fā)展工程機(jī)械.特別是第二次世界大戰(zhàn)以后，經(jīng)濟(jì)建設(shè)處于穩(wěn)定發(fā)展時(shí)期，工程機(jī)械的發(fā)展就更加迅速。

使用液壓驅(qū)動(dòng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械，如泵車、挖掘機(jī)、汽車起重機(jī)等。其原因主要是串聯(lián)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作空間大、靈活性好和可重構(gòu)性好，同時(shí)使用液壓系統(tǒng)及液壓油缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)占用空間小，輸出力大，工作穩(wěn)定可靠，響應(yīng)速度快，因而在工程機(jī)械中一直采用液壓串聯(lián)機(jī)構(gòu)。

近些年，由于受到工程機(jī)械施工工況要求及工程機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，部分少自由度液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)在工程機(jī)械中。對(duì)于困難的地下工程，如土方挖掘、煤礦開采，也可以采用這種強(qiáng)力的液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)。Arai等1991年提出將并聯(lián)機(jī)構(gòu)裝于履帶式或步行式可移動(dòng)的小車上，挖掘頭裝于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的上平臺(tái)，強(qiáng)有力的并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以承受巨大的挖掘力。

本文闡述了串聯(lián)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及其應(yīng)用，通過挖掘機(jī)和國內(nèi)外鑿巖鉆機(jī)中液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，說明了少自由度液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工程機(jī)械應(yīng)用的可行性。最后對(duì)液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工程機(jī)械中的應(yīng)用前景做了分析。

1.串聯(lián)機(jī)構(gòu)與并聯(lián)機(jī)構(gòu)概述

1.1串聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用

由于串聯(lián)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作空間大和靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，所以串聯(lián)機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種工程機(jī)械結(jié)構(gòu)中，例如，挖掘機(jī)是一個(gè)4自由度的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，混凝土泵車是一個(gè)6自由度串聯(lián)機(jī)構(gòu)，隨車起重機(jī)、叉裝車等是帶平移自由度的串聯(lián)機(jī)構(gòu)。

1.2并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及應(yīng)用

并聯(lián)機(jī)構(gòu)相比于串聯(lián)機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

（1）并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由多桿支承，與串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定：

（2）與串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，在相同自重與體積下承載能力高；

（3）并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端件沒有串聯(lián)結(jié)構(gòu)末端件的誤差積累和放大作用，誤差小、精度高；

（4）基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)械很容易將電機(jī)置于機(jī)座上，運(yùn)動(dòng)負(fù)荷比較小，而基于串聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)械其電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)都放在運(yùn)動(dòng)件上，增加了系統(tǒng)的慣性，惡化了動(dòng)力性能；

（5）在運(yùn)動(dòng)學(xué)求解上，并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解困難、逆解非常容易，而串聯(lián)機(jī)構(gòu)的正解容易、逆解十分困難，由于在實(shí)時(shí)控制這些機(jī)構(gòu)時(shí)要計(jì)算逆解，故并聯(lián)機(jī)構(gòu)在這方面很有優(yōu)勢(shì)。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)，擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。隨著對(duì)并聯(lián)機(jī)器人研究的不斷深入，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣闊。

2.液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工程機(jī)械中的應(yīng)用

由于施工工況的特殊要求，并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有串聯(lián)機(jī)構(gòu)所沒有的優(yōu)點(diǎn)，所以在工程機(jī)械中已經(jīng)出現(xiàn)了少自由度的液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)。目前主要是在挖掘機(jī)，煤礦鑿巖機(jī)等設(shè)備中出現(xiàn)了液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

2.1挖掘機(jī)中液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

從外觀上看，挖掘機(jī)由工作裝置，上部轉(zhuǎn)臺(tái)，行走機(jī)構(gòu)三部分組成。 根據(jù)其構(gòu)造和用途可以區(qū)分為：履帶式、輪胎式、步履式、全液壓、半液壓、全回轉(zhuǎn)、非全回轉(zhuǎn)、通用型、專用型、鉸接式、伸縮臂式等多種類型。

工作裝置是直接完成挖掘任務(wù)的裝置。它由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗等三部分鉸接而成。動(dòng)臂起落、斗桿伸縮和鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)都用往復(fù)式雙作用液壓油缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。為了適應(yīng)各種不同施工作業(yè)的需要，挖掘機(jī)可以配裝多種工作裝置，如起重、裝載、平整、夾鉗、推土、沖擊錘等多種作業(yè)機(jī)具。

挖掘機(jī)的工作裝置中動(dòng)臂所需要的輸出力比較大，并且慣性也較大，液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)在其中得到了很好的應(yīng)用，挖掘機(jī)的動(dòng)臂機(jī)構(gòu)中有兩個(gè)液壓缸作動(dòng)力，輸出一個(gè)自由度，這樣增加了其穩(wěn)定性，提高了動(dòng)作的準(zhǔn)確性，并在一定程度上提高了可靠性。

2.2 鑿巖機(jī)械中液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

隧道、洞室開挖是現(xiàn)代交通、能源、采掘、建筑等大規(guī)模基本建設(shè)中的一項(xiàng)難度大、耗資耗時(shí)多、勞動(dòng)條件差但又十分重要、十分關(guān)鍵的施工作業(yè)。早期的液壓鑿巖設(shè)備全都是由人工操作的液壓鑿巖臺(tái)車，其施工效率和施工精度完全取決于操作人員的熟練程度，而且，隨著斷面增大、線路彎曲，超欠挖程度也要加大。

鑿巖工況復(fù)雜多變，多數(shù)施工工況狹小，普通的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，難以滿足要求，近些年，發(fā)展出了液壓驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)代替串聯(lián)機(jī)構(gòu)。

國外方面，鉆機(jī)主要生產(chǎn)廠家阿特拉斯、英格索蘭、古河等都對(duì)鑿巖機(jī)械中液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究。其中阿特拉斯的boomer 104，boomer 281，boomer S1均采用了液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

阿特拉斯的鑿巖鉆機(jī)boomer 104的驅(qū)動(dòng)鉆臂結(jié)構(gòu)采用了液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)，有兩個(gè)液壓缸組成一個(gè)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)液壓缸共同驅(qū)動(dòng)鉆臂，使得臂架上仰和下俯，且能夠在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)，屬于2自由度液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)。具有兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出，這種結(jié)構(gòu)緊湊鉆臂布局小，而且在鑿巖的過程中，具有串聯(lián)機(jī)構(gòu)無法比擬的穩(wěn)定性。

國內(nèi)方面，我國自1972年已經(jīng)開始對(duì)鑿巖鉆機(jī)進(jìn)行研究，并有一定的成果，但是都采用串聯(lián)機(jī)構(gòu)。直到1998年鑿巖鉆機(jī)被列入國家863計(jì)劃以后，中南大學(xué)在參考國外先進(jìn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，開始研制具有液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)的鑿巖鉆機(jī)。

我國研制的液壓驅(qū)動(dòng)雙三角十字鉸鉆臂結(jié)構(gòu)的鑿巖鉆機(jī)，如同阿特拉斯的鑿巖鉆機(jī)一樣，鉆臂的俯仰與擺動(dòng)受兩個(gè)變幅油缸的控制，推進(jìn)器的俯仰與擺動(dòng)也受兩個(gè)變幅油缸的控制，兩個(gè)雙三角十字結(jié)構(gòu)協(xié)同控制，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆臂和推進(jìn)器的協(xié)同擺動(dòng)。

由油缸驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)雙三角分別是兩個(gè)液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)，使得鉆臂結(jié)構(gòu)十分緊湊，并且增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但是對(duì)控制技術(shù)提出了新的要求，四個(gè)液壓油缸的協(xié)同控制，需要有效的控制技術(shù)和手段。

與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)在鑿巖鉆機(jī)中具有以下特點(diǎn)：

（1）鉆臂的并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由兩個(gè)液壓缸支承，與串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（2）與串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，推進(jìn)器重量相同，承載能力高；

（3）液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)的采用，對(duì)于機(jī)架來說，運(yùn)動(dòng)負(fù)荷比較小；

（4）在鑿巖斷面的工作空間，與串聯(lián)結(jié)構(gòu)工作空間相同。

（5）液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)相比于串聯(lián)機(jī)構(gòu)在控制方面更為復(fù)雜。

3.結(jié)論

本文的撰寫主要得到以下結(jié)論：

（1）并聯(lián)機(jī)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)自由于各自的優(yōu)缺點(diǎn)而具有不同的應(yīng)用范圍。

（2）液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工程機(jī)械中的應(yīng)用較為少見，隨著技術(shù)的發(fā)展，液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。

（3）液壓并聯(lián)機(jī)構(gòu)在工程機(jī)械中的應(yīng)用，對(duì)控制技術(shù)提出了新的要求。

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作者簡介：

寧博（1987.10-），男，學(xué)歷：碩士，職稱：助理工程師，研究方向：液壓技術(shù)應(yīng)用。

聶朝瑞（1987.5-），男，學(xué)歷：碩士，職稱：助理工程師，研究方向：液壓技術(shù)應(yīng)用。