基于折展式拆裝機械動力研究

陳 宇，王鳳華

（齊齊哈爾大學(xué)美術(shù)與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，齊齊哈爾 161006）

在諸多大型工程設(shè)計以及實驗室建設(shè)過程中折展式拆裝機都有著廣泛的應(yīng)用，同時該設(shè)備也逐漸滲透到重載高精度設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域中進行應(yīng)用，例如，在船舶、航天器等設(shè)計中應(yīng)用也體現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢。其不僅可以滿足大型設(shè)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(xué)，能夠在我國工業(yè)化不斷發(fā)展與進步的同時，使更多大型設(shè)備、機械、高精度構(gòu)件的應(yīng)用成為可能，因此現(xiàn)實意義十分重大。

1 折展式拆裝機機械設(shè)計

（1）機械原理。鑒于折展式拆裝機工作環(huán)境以及工作條件較為復(fù)雜，日常工作中需要服務(wù)較大的工作范圍，持續(xù)性處于高強度、高剛度的工作狀態(tài)，在大型機械設(shè)備中的應(yīng)用，對折展式拆裝機提出了結(jié)構(gòu)精巧、重量小、靈活性強的要求。因此，為了滿足應(yīng)用要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)盡量通過伸縮、折疊功能等形式來實現(xiàn)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(lián)布置液壓缸實現(xiàn)其折疊功能。其中機構(gòu)主要由伸縮臂、動臂、液壓缸等部分構(gòu)成，當(dāng)機械處于折疊狀態(tài)時，伸縮臂以及伸縮臂液壓缸處在長度最長狀態(tài)，而動臂以及動臂液壓缸處在壓縮狀態(tài)，機械整體高度最小可實現(xiàn)600mm；當(dāng)機械處于伸展?fàn)顟B(tài)時，動臂以及動臂液壓缸處在長度最長狀態(tài)，而伸縮臂與伸縮臂液壓缸處在壓縮狀態(tài)，從而可實現(xiàn)機械整體最高高度3000mm以上[1]。當(dāng)狀態(tài)不同時，高度比可達到5.0以上，從而使應(yīng)用中機械整體狀態(tài)更加靈活。但當(dāng)在實際應(yīng)用過程中，伸縮臂與動臂需要通過角度的調(diào)換，實現(xiàn)構(gòu)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(zhǔn)，才能夠精準(zhǔn)的進行構(gòu)件的安裝與拆卸。其中伸縮臂在液壓缸的控制下可以實現(xiàn)仰俯的調(diào)整，動臂在液壓缸的控制下可以實現(xiàn)擺動狀態(tài)的調(diào)整，機械運行過程中，兩者液壓缸為耦合關(guān)系，但是在平面上卻處于并聯(lián)狀態(tài)[2]。

（2）機械結(jié)構(gòu)。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(tài)運動實現(xiàn)對構(gòu)件的拆裝，但伸縮臂與動臂在運動過程中仍然需要轉(zhuǎn)臺、車體、驅(qū)動輪系、支腿等輔助設(shè)施的支持，從而形成一個完整的整體。根據(jù)拆裝機運行的要求，其需要具有6個自由度，實現(xiàn)對拆裝構(gòu)件的全方位調(diào)整。

2 折展式拆裝機機械建模分析

2.1 運動學(xué)建模分析

本文論述的折展式拆裝機在應(yīng)用過程中主要通過相對運動實現(xiàn)其功能，對運動規(guī)律的掌握十分重要。研究其運動學(xué)規(guī)律主要針對伸縮臂末端點位置，該位置關(guān)系到機構(gòu)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(xué)規(guī)律，以期能夠與伸縮臂之間保持和諧狀態(tài)。

簡單來講，在使用拆裝機過程中，拆裝機的運動效果會出現(xiàn)不穩(wěn)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(xué)上對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行完善，應(yīng)對啟動過程進行改進[3]。

2.2 動力學(xué)建模分析

大型重載機械設(shè)備在使用過程中，無論是自身荷載應(yīng)力帶來的慣性影響，還是外部荷載作用力導(dǎo)致動載荷的增強，都會導(dǎo)致機械設(shè)備反應(yīng)與執(zhí)行操作上出現(xiàn)錯誤，因此，動荷載系數(shù)的研究十分重要。通過動力學(xué)建模分析，總結(jié)液壓缸在使用過程中受力情況的變化規(guī)律，在結(jié)合靜力與運動學(xué)的分析，實現(xiàn)對液壓缸的動載系數(shù)優(yōu)化。

折展式拆裝機由不同類型的構(gòu)件單元共同組成，而構(gòu)件單元中同樣包含著多種不同的構(gòu)件類型，在使用過程中，構(gòu)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(chǎn)生作用力的影響。利用建模軟件，構(gòu)建出折展式拆裝機機構(gòu)模型，如圖1所示，根據(jù)構(gòu)件單元將動臂、伸縮臂后半段、伸縮臂前半段設(shè)定為第一、二、三單元，拆裝機運動的主要驅(qū)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(xié)調(diào)的配合，所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中保障了其每個構(gòu)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(yīng)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(jié)點作為坐標(biāo)原點，可以在機構(gòu)中建立起12個坐標(biāo)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(biāo)，經(jīng)過分析逐步進行中間坐標(biāo)的調(diào)換，這需要在中間坐標(biāo)基礎(chǔ)上，建立過渡坐標(biāo)與廣義坐標(biāo)，明確中間坐標(biāo)與廣義坐標(biāo)的關(guān)系，總結(jié)出三階轉(zhuǎn)換陣矩的表達形式[4]。

圖1 折展式拆裝機機構(gòu)計算模型

但需要注意的是，由于質(zhì)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(xué)的原則對動荷載進行等效處理，從而能夠在簡化系統(tǒng)組裝基礎(chǔ)上，精準(zhǔn)的計算出荷載分布系數(shù)，從而能夠確定組件質(zhì)量與轉(zhuǎn)動慣量的凝聚點，將凝聚點帶入到轉(zhuǎn)換陣矩的表達式中，能夠直觀的分析出慣性矩對轉(zhuǎn)動慣量產(chǎn)生最小影響的狀態(tài)，如果影響較小，可以直接忽略此影響[5]。再通過計算系統(tǒng)與單元之間的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，得到組裝系統(tǒng)質(zhì)量的陣矩表達式，根據(jù)表達式可以推導(dǎo)出設(shè)備剛體動力方程，這樣可以帶入設(shè)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(lián)平面機構(gòu)設(shè)計優(yōu)化分析

在實際應(yīng)用過程中，對折展式拆裝機動力學(xué)的探究主要是了解其設(shè)計結(jié)構(gòu)以及運動規(guī)律，全方位衡量在設(shè)備使用過程中需要考慮的指標(biāo)范圍，從而選擇最優(yōu)的方案進行機構(gòu)設(shè)計改進，但目前在我國的實際應(yīng)用中，拆裝機的優(yōu)化往往依靠設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗進行判斷，導(dǎo)致其優(yōu)化效果始終無法達到理想狀態(tài)。而從上述內(nèi)容可以了解到拆裝機的運行原理，從而明確其結(jié)構(gòu)的實質(zhì)在平面上是并聯(lián)的機構(gòu)，那么對平面并聯(lián)機構(gòu)的設(shè)計進行優(yōu)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(lián)平面機構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，需要綜合考量多個目標(biāo)，所以，構(gòu)建模型應(yīng)為多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，根據(jù)拆裝機使用過程中的變量與向量，列出目標(biāo)函數(shù)，解出函數(shù)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(lián)機構(gòu)運動學(xué)原理構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，求解出處于最優(yōu)狀態(tài)下組件運動點的位置，從而調(diào)整平面機構(gòu)的尺寸，這樣可以降低極限工況下組件的負(fù)載。如，當(dāng)設(shè)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(biāo)中，判斷其是否存在約束條件，如果出現(xiàn)了約束條件，應(yīng)考慮是由整體體積大小導(dǎo)致的約束，還是由于機械結(jié)構(gòu)相關(guān)特性導(dǎo)致的約束，從而列出每種條件下的參數(shù)范圍，根據(jù)方程式的計算，確定處于極限狀態(tài)下設(shè)計變量的范圍[6]。這種優(yōu)化方法在優(yōu)化折展式拆裝機并聯(lián)平面機構(gòu)設(shè)計過程中，能夠得出精準(zhǔn)的參數(shù)，對液壓缸類型、具體型號選擇以及機構(gòu)設(shè)計都有著重要的幫助。而且從設(shè)備耗能角度進行考慮，實現(xiàn)機構(gòu)的合理優(yōu)化，不僅能夠提升設(shè)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(chuàng)造更為豐富的效益。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著社會的發(fā)展，大型重載機械設(shè)備在社會發(fā)展領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，應(yīng)用的要求也越來越高，需要一種靈活的拆裝設(shè)備保障組件安裝與拆卸的精準(zhǔn)性。而折展式拆裝機的出現(xiàn)恰好滿足了這一需要，但是在目前的應(yīng)用過程中，折展式拆裝機的結(jié)構(gòu)設(shè)計并不完善，不能保障其在應(yīng)用過程中實現(xiàn)效益最大化。因此，文章通過對折展式拆裝機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、運行原理、動力學(xué)規(guī)律、運動學(xué)規(guī)律等方面的分析，探究了優(yōu)化拆裝機構(gòu)設(shè)計的策略，希望能夠為相關(guān)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(xué)剛體系統(tǒng)研究、構(gòu)件彈性、機構(gòu)模態(tài)研究等方面取得突破，從而實現(xiàn)該領(lǐng)域的進一步發(fā)展。