一種新型氣壓傳動挖掘機結(jié)構(gòu)的設(shè)計

王新海+陳志華

摘 要：基于傳統(tǒng)工業(yè)上的挖掘機靈感并結(jié)合現(xiàn)有工業(yè)挖掘機的抽象性。設(shè)計了一款新型迷你氣動挖掘機裝置，該裝置創(chuàng)新點和優(yōu)點在于有效的結(jié)合教學，巧妙運用四連桿機構(gòu)傳動，從抽象化轉(zhuǎn)變具體化。介紹了挖掘機整體結(jié)構(gòu)及自由度分析，對挖掘機末端伸縮設(shè)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(xiàn)良好，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：氣壓；四連桿；機構(gòu)；自由度；Solidworks

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

0 引言

在國家大力發(fā)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(xiàn)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(tǒng)計，教育教具市場如此廣闊，需要我們?nèi)ヌ剿鬟@個領(lǐng)域，對于教學教具我們有以下幾點考慮的地方：（1）在質(zhì)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(shè)備需在安全電壓范圍內(nèi)來控制，設(shè)計過程中應(yīng)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(yè)老師來說，氣壓傳動[1] 、連桿機構(gòu)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(shè)計著力為機械專業(yè)教學工作提供幫助。

本文主要是對挖掘機結(jié)構(gòu)進行設(shè)計、計算、選材，并且對整個運行過程進行了系統(tǒng)的描述，實驗結(jié)果達到預(yù)期的目的。

1 傳動挖掘機組成結(jié)構(gòu)

機構(gòu)原理分析：

如圖1.1是挖掘機結(jié)構(gòu)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(xiàn)底座旋轉(zhuǎn)；氣缸10的伸縮，實現(xiàn)大臂5的升降；氣缸6的伸縮，實現(xiàn)小臂4的升降；氣缸3的伸縮，帶動連桿2的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)挖斗1的動作。

該氣動挖掘機由機身、氣動系統(tǒng)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(tǒng)部分包括氣缸3，氣缸6、7、10。各部分均采用輕巧、經(jīng)濟、環(huán)保材料制作而成。各單元的運動由電氣動系統(tǒng)加以控制，以實現(xiàn)底座的旋轉(zhuǎn)、大臂和小臂伸縮及鏟斗的抓放等預(yù)定動作。

該挖掘機機構(gòu)有14個活動構(gòu)件其中低副（轉(zhuǎn)動副、移動副）個數(shù)為19個，高副個數(shù)為零，因此該機構(gòu)自由度數(shù)，其中，，。得：。

所以該機構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 機械機構(gòu)尺寸設(shè)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(wěn)定，因此只有設(shè)計好各機構(gòu)的尺寸，才能完美實現(xiàn)挖掘機的整個動作[2]。

（1）大臂尺寸：根據(jù)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(shè)計為半徑為280mm，圓心角為75°，厚度為40mm的彎桿，并在適當?shù)奈恢昧舫鲞B接孔。

（2）小臂尺寸：根據(jù)連桿機構(gòu)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(shè)計為長度為324mm，厚度為20mm的直桿。

（3）挖斗尺寸：根據(jù)挖掘機整體尺寸的協(xié)調(diào)以及外形的美觀及工作需求，挖斗設(shè)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(xiàn)連接，根據(jù)三角形的穩(wěn)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(gòu)，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(xiàn)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(zhuǎn)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(jié)

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

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

（2）將工程實際應(yīng)用轉(zhuǎn)化為迷你教具模型，易于學生理解液壓與氣壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和工作特點。

（3）結(jié)構(gòu)巧妙，造型美觀，采用環(huán)保材料制作，性價比高，易于實現(xiàn)科研成果的轉(zhuǎn)化。

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

參考文獻：

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[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.

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[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(yè)出版社，2007.

[7]李金城.三菱PLC功能指令應(yīng)用詳解[M].北京：電子工業(yè)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(yè)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。