清煤挖掘機的設計與運動學分析

張道秋 樊 磊 劉豐瑞

(山東帝盟重工機械有限公司 山東德州 251210)

1 前言

隨著我國經濟的快速發展，國內工程機械的應用范圍越來越廣。在內蒙古等嚴寒地區，冬天最低溫度能達到零下40℃，煤炭公司卸煤后煤炭會在火車廂內壁凍結，凍結厚度為200mm至300mm，翻車機將運煤車翻轉后四周凍煤均不會脫落，必須將車廂開出去后由挖掘機清理，費時費力，清理完后還需長距離開回原地進行卸煤作業，工作效率低[1]。因此，需要設計能夠在現場進行清煤作業的清煤挖掘機，以提高作業效率。

2 清煤挖掘機原理

清煤挖掘機由底盤上的同步電機驅動實現在軌道上的移動，通過回轉支撐與回轉減速機連接實現上部平臺的回轉。工作裝置由支撐臂、伸縮臂、斗桿、鏟斗以及對應控制油缸組成，通過調整液壓油缸實現單獨或復合動作。如圖1所示為清煤挖掘機的結構示意圖。工作時，翻車機調整火車廂的角度，清煤挖掘機在同步電機驅動下從停放位置運行至工作位置，調整支撐臂、伸縮臂、斗桿、鏟斗的對應油缸到達工作初始位置，調整各油缸開始清理動作。清理順序為火車廂側面、地面、另一側面，由移動清煤挖掘機在軌道上的位置完成清理順序，直至完成整節車廂的清理工作。

3 清煤挖掘機的設計

3.1 底盤設計

清煤挖掘機是在固定軌道上移動的，因此選用現有火車導軌，經差齒后設計成專用齒條，固定在地面基礎之上作為清煤挖掘機的行走軌道。底架中部兩側安裝兩臺同步電機，并裝備專用減速裝置，保證行走扭矩和速度。前后兩側設計四個帶防脫裝置的行走輪，保證行走穩定性。圖2所示為底盤的結構圖。

圖1 清煤挖掘機結構示意圖

圖2 底盤結構圖

3.2 工作裝置設計

3.2.1 主臂和伸縮臂設計

綜合考慮挖掘高度和制造成本的要求，采用伸縮臂的設計。為實現伸縮臂在主臂上滑動的設計，將主臂和伸縮臂外形設計為矩形狀，主臂的兩個側板內測各切出25mm×20mm的矩形長條作為伸縮臂伸縮的軌道。圖3所示為主臂的結構圖。伸縮臂兩側板外側彎折出25mm×20mm的矩形長條嵌入主臂軌道。圖4所示為伸縮臂結構圖。

圖3 主臂結構圖

圖4 伸縮臂結構圖

3.2.2 鏟斗設計

鏟斗作業過程中，經常發生齒尖磨損情況，須及時更換齒尖和側齒。設計時將鏟斗尾部內縮、口部外擴，減少鏟斗尾部磨損程度，同時減少鏟斗設計深度，保證操作空間更大，清理更徹底。圖5所示為鏟斗結構圖。

圖5 鏟斗結構圖

4 清煤挖掘機運動學分析及仿真

4.1 清煤挖掘機的運動學分析

清煤挖掘機的工作裝置是由主臂和伸縮臂、斗桿、鏟斗前后相連的串聯機構。運用D-H法[2]建立其連桿坐標系，并列出相應的連桿參數與關節變量，代入連桿坐標變換矩陣公式，最終得到鏟斗齒尖坐標系的變換公式[3]。如圖6所示為清煤挖掘機連桿坐標系簡圖。以回轉中心線垂線與地面的交點O0建立基坐標系{O0}，并分別在鉸接點O1、O2、O3、O4處分別建立桿件坐標系{O1}、{O2}、{O3}、{O4}。

連桿坐標變換矩陣公式為：

(1)

D-H參數表中對于相鄰坐標系的位置描述包括di、θi、ai、αi四個參數[4]，根據已經建立的清煤挖掘機連桿坐標系，得到如表1所示的連桿參數表。其中，l2為伸縮臂伸出的長度。

表1 D-H參數表

圖6 清煤挖掘機連桿坐標系簡圖

根據位姿變換矩陣的運算法則，得到鏟斗齒尖坐標系{O4}相對于基坐標系{O0}的變換公式，如式(2)所示。

(2)

式中：

Si=sinθi;Sij=sin(θi+θj);Sijk=sin(θi+θj+θk);

Ci=cosθi;Cij=cos(θi+θj);Cijk=sin(θi+θj+θk)。

由于清煤挖掘機在清理過程中，θ1保持不變，鏟斗方向角θw=θ2+θ3+θ4。

根據D-H法定義可得，鏟斗位姿向量為：

(3)

4.2 清煤挖掘機運動學仿真

Solidworks是一款功能強大、易學易用的三維設計軟件，集CAD設計、CAE有限元分析、CAM數控編程模塊等功能，對虛擬樣機技術的發展提供了技術支持[5]。因此應用其插件motion[6]實現三節臂挖掘機的運動學仿真。

清煤挖掘機的清煤過程是依靠液壓油缸的伸縮來驅動，在各液壓油缸處添加線性馬達模擬清煤挖掘機的工作過程，并采用STEP函數控制液壓油缸的伸縮[7]。表2所示為各液壓油缸的STEP函數。

表2 各液壓油缸STEP函數

在鏟斗齒尖創建測量點進行路徑跟蹤和線性位移檢測，通過運動仿真即可得圖7所示的鏟斗齒尖位移曲線圖。

圖7 鏟斗齒尖位移曲線圖

圖7中可以看出：隨著主臂和伸縮臂的伸出，X方向和Y方向的位移呈上升趨勢，到達準備清理的階段，隨后斗桿配合鏟斗動作進行清煤工作，隨著鏟斗油缸活塞桿收回，X方向位移平緩下降，Y方向位移增加。同時可看出清煤挖掘機的最大挖掘高度可達7000mm以上。

5 結論

充分考慮到嚴寒地區清煤過程的難點，在Solidworks環境下設計一種清煤挖掘機，并對其進行運動學分析和仿真，通過軟件模擬實際清煤作業，可以得到最大挖掘高度為7m以上，符合實際場地清煤作業的要求，可為進一步的設計改進提供參考。