工程機械臂系統結構動力學及特性的分析

汪一舟，趙 征

（西北工業大學動力與能源學院，陜西 西安 710129）

工程機械臂系統結構動力學及特性的分析

汪一舟，趙 征

（西北工業大學動力與能源學院，陜西 西安 710129）

隨著科學技術的不斷進步，機械產品在先進技術的引導下逐漸向環保、優質方向發展。工程機械臂作為重要元件應用于機械工程中，在實際應用中充分發揮動力學性能，這不僅會促進工作穩定進行，還會提高機械工程的經濟效益。首先介紹了研究現狀，然后分析了動力學特點。

工程機械臂；系統結構；動力學；特性

如今，機械工程生產活動對自動化要求逐漸提高，工程機械臂作為生產、建設的主要工具，應不斷優化其系統結構，全面分析其特點，這對工程機械臂應用效果優化、應用范圍擴大具有重要意義。希望本文能為相關人員提供經驗借鑒。

1 研究現狀

1.1 模型構建和仿真研究

機械工程系統發揮應用優勢的過程中，關鍵構件——工程機械臂在其中起著不可替代的作用，因此，該構件的設計合理性、自身質量與機械工程應用效果息息相關。該系統是多體系統的一種，系統深入研究的過程中，應通過模型構建的方式來進行，在此期間，還應引進多體動力學這一方式。首先，選擇適合的方法——拉格朗日法制作模型；其次，借助動力學方程完成坐標系建立；最后，設計完成液壓挖掘機結構模型。模型構建后，工程機械臂在實際工作中的運動特點分析能夠得到依據支持。

在這一裝置仿真研究的過程中，要想優化仿真研究效果，應借助動力學軟件予以分析，將軟件分析得到的仿真曲線成功繪制，進而能夠為動力學特點分析奠定可靠的理論基礎。

1.2 多體系統動力學現狀

從上述介紹中能夠看出，該系統與多體系統存在直接聯系，因此，在了解工程機械臂系統之前，應對多體系統作大致了解。所謂“多體系統”，即針對運動規律作具體分析，內部組成系統（多剛體系統和多柔體系統）間關系見圖1[1].

無論是外國學者，還是國內學者，均對多體系統動力學做了相關研究，但在此方面的研究效果不是十分顯著，對比來講，多剛體系統動力學的研究成果較豐富，并且理論體系相對完善。多體系統內部多柔體系統存在建模復雜、計算方式煩瑣等限制，并且實際模型構建中存在一定的問題，因此，研究學者在這方面受到了較大阻力，同時，說明多柔體系統存在較大的研究空間，工程機械臂研究工作仍需深入。下面主要對這一系統的動力學特點予以分析，希望能為相關學者提供參考依據，開拓研究思路。

圖1 多體系統動學內部組成系統間關系圖

2 動力學特點分析

目前，工程機械臂承受的載荷較多，并且工作環境十分復雜，分析動力學特點，能夠提高工作效率，優化工程質量，同時，還能夠促進工程機械臂向良好的方向發展，這對機械工程行業持續發展、我國社會穩定運行具有重要作用。下面主要從運動、結構優化2方面分析，具體介紹如下。

2.1 運動分析

挖掘機設備實際應用過程中，往往需要工程機械臂輔助，二者協作配合完成工程任務，在開采工程、建筑施工工程中，工程機械臂具有較高的應用率，并且在其中發揮著重要作用。該裝置中起重要作用的構件即機械臂，因此，需要對其進行性能優化，同時，具備良好運動優勢的機械臂還能間接顯示設計能力、設計水平，本文主要以單斗反鏟液壓挖掘機為例進行運動分析。

該設備主要由鏟斗液壓缸、動力臂、控制系統、鏟斗、斗桿以及動臂液壓缸等系統組成，實際工作期間，首先控制系統有序運行；接下來動力臂在壓力作用下持續轉動，其中，壓力主要來源于動臂液壓缸；然后斗桿液壓缸會發揮壓力作用，對斗桿進行擺動操作；鏟斗壓力缸也會提供動力支持，確保鏟斗和連桿能夠共同發揮動能優勢，促使鏟斗持續轉動。這一設備在原有構件的基礎上添置了鏟斗轉角，這對設備靈活運動、有序工作具有重要的輔助作用[2]。這一設備仍屬于多體系統，進而在實際應用中能夠擴大工作范圍，并且設備具備應用靈活、操作便捷等優勢，這在一定程度上能優化設備應用效果。挖掘工作之所以能夠順利開展，機械臂在其中起到的動能作用不容忽視，從中可知，分析機械臂受力情況及運動效果是極為必要的，能夠根據分析結果檢驗動力學特征，這在一定程度上能夠間接顯示挖掘水平、工作質量。

2.2 結構設計

工程機械臂在實際工作中要想優化工作效果，充分發揮其在工程中的應用優勢，應首先優化設計工程結構，即根據相關要求和質量標準進行結構設計，大大提升工程機械臂的性能，以免其在具體工作中出現設備損壞、設備暫停應用等現象，這對機械工程活動順利進行具有重要作用，同時，機械工程質量也能得到保證。由于工程機械臂組成結構較復雜，并且實際工作內容較多、工作強度較大，如果內部結構問題長時間得不到解決，結構養護工作不到位，那么機械工程的安全性得不到保障，機械工程任務在規定時間內不能及時完成，因此，針對結構進行優化設計是十分迫切的。優化設計之前，應首先明確設計目標，然后進行設計結果檢驗，同時，應用相關方法進行優化求解，以此進行全面的動態化分析，一旦優化設計中遇到了些許問題，應在短時間內將問題及時解決，這對后續機械臂應用故障減少、應用性能提升具有重要作用[3]。

3 結論

綜上所述，在了解多體系統動力學研究現狀的基礎上，有針對性地分析工程機械臂結構動力學及特點，不僅能夠增強機械設備整體性能，還能夠提高機械臂實際應用的安全性和穩定性，這對機械工程自動化發展具有重要意義。此外，相關研究學者還應創新研究方法，借鑒外國先進研究經驗，在工程機械臂動力學研究方面不斷深入。

［1］孫敦元.工程機械臂系統結構動力學及特性研究［J］.中小企業管理與科技（下旬刊），2017（01）：176-177.

［2］郭振鋒，金國光，暢博彥.剛-柔性機械臂動力學建模及其動力學特性研究［J］.天津工業大學學報，2013，32（01）：70-74.

［3］許行之，高亞奎，章衛國.考慮助力器動力學的舵系統結構非線性顫振特性分析［J］.西北工業大學學報，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〕