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液压并联机构在工程机械中的发展与应用

时间:2020-02-06 05:20:05

摘要:对串联机构及并联机构的特点及应用进行了介绍,阐述了液压并联机构在工程机械中的应用,对并联机构的特点进行了分析。针对挖掘机和凿岩钻机的结构进行了介绍,并对工程机械中所存在的液压并联机构进了说明,分析了液压并联机构在工程机械中的特点。通过国外凿岩机与国内凿岩机中液压并联机构应用的对比,得出了液压并联机构在工程机械中应用的可行性。
  关键词:液压并联机构;机械;应用;全液压凿岩钻机
  前言
  当前,工程机械被广泛应用于冶金、矿山、铁路、公路、水电、港口码头、城乡建设以及林业、农业等国民经济和国防军工等部门,是各种建设工程综合机械化施工不可缺少的技术装备。利用工程机械施工可缩短工期.降低工程造价,大大提高劳动生产率。可在恶劣环境下承担各种特殊作业任务,可提高工程质量.又可节省大量劳动力等等。由于工程机械在各类工程建设中的高质量、高速度、低成本和高效益,各工业发达国家都十分重视发展工程机械.特别是第二次世界大战以后,经济建设处于稳定发展时期,工程机械的发展就更加迅速。
  使用液压驱动的串联机构广泛应用于工程机械,如泵车、挖掘机、汽车起重机等。其原因主要是串联机构具有结构简单、工作空间大、灵活性好和可重构性好,同时使用液压系统及液压油缸进行驱动占用空间小,输出力大,工作稳定可靠,响应速度快,因而在工程机械中一直采用液压串联机构。
  近些年,由于受到工程机械施工工况要求及工程机械结构限制,部分少自由度液压并联机构出现在工程机械中。对于困难的地下工程,如土方挖掘、煤矿开采,也可以采用这种强力的液压并联机构。Arai等1991年提出将并联机构装于履带式或步行式可移动的小车上,挖掘头装于并联机构的上平台,强有力的并联机构可以承受巨大的挖掘力。
  本文阐述了串联机构和并联机构的特点及其应用,通过挖掘机和国内外凿岩钻机中液压并联机构的应用,说明了少自由度液压并联机构在工程机械应用的可行性。最后对液压并联机构在工程机械中的应用前景做了分析。
  1.串联机构与并联机构概述
  1.1串联机构的特点及应用
  由于串联机构具有结构简单、工作空间大和灵活性好等优点,所以串联机构广泛应用于各种工程机械结构中,例如,挖掘机是一个4自由度的串联机构,混凝土泵车是一个6自由度串联机构,随车起重机、叉装车等是带平移自由度的串联机构。
  1.2并联机构的特点及应用
  并联机构相比于串联机构具有以下特点:
  (1)并联机构运动平台由多杆支承,与串联结构相比刚度大、结构稳定:
  (2)与串联结构相比,在相同自重与体积下承载能力高;
  (3)并联机构末端件没有串联结构末端件的误差积累和放大作用,误差小、精度高;
  (4)基于并联机构的机械很容易将电机置于机座上,运动负荷比较小,而基于串联机构的机械其电机及传动系统都放在运动件上,增加了系统的惯性,恶化了动力性能;
  (5)在运动学求解上,并联机构正解困难、逆解非常容易,而串联机构的正解容易、逆解十分困难,由于在实时控制这些机构时要计算逆解,故并联机构在这方面很有优势。
  并联机构的出现,扩大了机器人的应用范围。随着对并联机器人研究的不断深入,其应用领域也越来越广阔。
  2.液压并联机构在工程机械中的应用
  由于施工工况的特殊要求,并联机构具有串联机构所没有的优点,所以在工程机械中已经出现了少自由度的液压并联机构。目前主要是在挖掘机,煤矿凿岩机等设备中出现了液压并联机构。
  2.1挖掘机中液压并联机构的应用
  从外观上看,挖掘机由工作装置,上部转台,行走机构三部分组成。 根据其构造和用途可以区分为:履带式、轮胎式、步履式、全液压、半液压、全回转、非全回转、通用型、专用型、铰接式、伸缩臂式等多种类型。
  工作装置是直接完成挖掘任务的装置。它由动臂、斗杆、铲斗等三部分铰接而成。动臂起落、斗杆伸缩和铲斗转动都用往复式双作用液压油缸进行驱动和控制。为了适应各种不同施工作业的需要,挖掘机可以配装多种工作装置,如起重、装载、平整、夹钳、推土、冲击锤等多种作业机具。
  挖掘机的工作装置中动臂所需要的输出力比较大,并且惯性也较大,液压并联机构在其中得到了很好的应用,挖掘机的动臂机构中有两个液压缸作动力,输出一个自由度,这样增加了其稳定性,提高了动作的准确性,并在一定程度上提高了可靠性。
  2.2 凿岩机械中液压并联机构的应用
  隧道、洞室开挖是现代交通、能源、采掘、建筑等大规模基本建设中的一项难度大、耗资耗时多、劳动条件差但又十分重要、十分关键的施工作业。早期的液压凿岩设备全都是由人工操作的液压凿岩台车,其施工效率和施工精度完全取决于操作人员的熟练程度,而且,随着断面增大、线路弯曲,超欠挖程度也要加大。
  凿岩工况复杂多变,多数施工工况狭小,普通的串联机构,难以满足要求,近些年,发展出了液压驱动的并联机构代替串联机构。
  国外方面,钻机主要生产厂家阿特拉斯、英格索兰、古河等都对凿岩机械中液压并联机构进行了研究。其中阿特拉斯的boomer 104,boomer 281,boomer S1均采用了液压并联机构。
  阿特拉斯的凿岩钻机boomer 104的驱动钻臂结构采用了液压并联机构,有两个液压缸组成一个驱动结构,两个液压缸共同驱动钻臂,使得臂架上仰和下俯,且能够在一定范围内摆动,属于2自由度液压并联机构。具有两个输入和两个输出,这种结构紧凑钻臂布局小,而且在凿岩的过程中,具有串联机构无法比拟的稳定性。
  国内方面,我国自1972年已经开始对凿岩钻机进行研究,并有一定的成果,但是都采用串联机构。直到1998年凿岩钻机被列入国家863计划以后,中南大学在参考国外先进设备的基础上,开始研制具有液压并联机构的凿岩钻机。
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