一种新型气压传动挖掘机结构的设计

王新海+陈志华

摘 要：基于传统工业上的挖掘机灵感并结合现有工业挖掘机的抽象性。设计了一款新型迷你气动挖掘机装置，该装置创新点和优点在于有效的结合教学，巧妙运用四连杆机构传动，从抽象化转变具体化。介绍了挖掘机整体结构及自由度分析，对挖掘机末端伸缩设计计算，并且利用Solidworks软件进行三维建模。加工出来的整体效果及功能实现良好，具有广泛的应用前景。

关键词：气压；四连杆；机构；自由度；Solidworks

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

0 引言

在国家大力发展教育的这几年里，无论是中小学还是大学里都缺少生动形象的教具。从市场角度来看，现在全国的高校就有2000多所，还不包括对初中及高中的一个统计，教育教具市场如此广阔，需要我们去探索这个领域，对于教学教具我们有以下几点考虑的地方：（1）在质量上要轻，便于提携。（2）在组装和拆卸方面，要简单。（3）教具需长期使用，耐用性强。（4）教具在学生面前展示，所以安全尤为重要，设备需在安全电压范围内来控制，设计过程中应进行尽可能的考虑到安全。

教具能增强学生对知识的理解，也能提高学生知识的兴趣。而对于机械专业老师来说，气压传动[1] 、连杆机构等方面的知识却是他们授课时很难用语言和图纸表达清楚的，本次迷你气动挖掘机的设计着力为机械专业教学工作提供帮助。

本文主要是对挖掘机结构进行设计、计算、选材，并且对整个运行过程进行了系统的描述，实验结果达到预期的目的。

1 传动挖掘机组成结构

机构原理分析：

如图1.1是挖掘机结构图，包括了基座，大臂，小臂，连杆，挖斗，气缸。通过气缸7推力作用，实现底座旋转；气缸10的伸缩，实现大臂5的升降；气缸6的伸缩，实现小臂4的升降；气缸3的伸缩，带动连杆2的转动，从而实现挖斗1的动作。

该气动挖掘机由机身、气动系统部分组成。机身部分包括底座9、大臂5、小臂4和铲斗1；气动系统部分包括气缸3，气缸6、7、10。各部分均采用轻巧、经济、环保材料制作而成。各单元的运动由电气动系统加以控制，以实现底座的旋转、大臂和小臂伸缩及铲斗的抓放等预定动作。

该挖掘机机构有14个活动构件其中低副（转动副、移动副）个数为19个，高副个数为零，因此该机构自由度数，其中，，。得：。

所以该机构需要四个动力来源，因此我们选择四个气缸。

2 传动挖掘机部分结构设计

2.1 机械机构尺寸设计

此作品的一大特点在于大臂，小臂，末端之间动作的流畅与稳定，因此只有设计好各机构的尺寸，才能完美实现挖掘機的整个动作[2]。

（1）大臂尺寸：根据挖掘机大臂主流外形以及满足气压缸行程及其基本尺寸的要求，我们将大臂设计为半径为280mm，圆心角为75°，厚度为40mm的弯杆，并在适当的位置留出连接孔。

（2）小臂尺寸：根据连杆机构尺寸要求和气压缸行程需求以及工作强度的要求，我们将小臂设计为长度为324mm，厚度为20mm的直杆。

（3）挖斗尺寸：根据挖掘机整体尺寸的协调以及外形的美观及工作需求，挖斗设计下面工程图以给出。

（4）连接件尺寸：为了使大臂及气压缸与底座实现连接，根据三角形的稳定性好。我们在底座上安装一个底边为30mm，高为30mm的等腰三角形连接件。

2.2 底座运动分析与计算

如图2已知杆、分别代表气压缸伸出和缩回的长度，、代表底座圆盘半径R，AC代表气缸固定端到圆盘圆心的距离。

所以最大摆角=∠ACBˊ-∠ACB=45°

2.3 挖斗运动分析与计算

运动类似于图3四连杆运动，满足“（最短AB+最长AC） ﹤（其它两杆长度之和）”[2-4]，为双曲柄机构，相对杆AB固定，杆AC左右摆动，通过连杆CD推动杆BD左右摆动，从而促使末端伸缩。

已知杆AC是通过气缸伸缩，实现左右摆动，从而推动挖斗的伸缩。

BD代表气压缸回程过程中带动挖斗伸直时位置（图3），代表气压缸从伸出过程中推动挖斗转动的最大行程角度。

由已知条件可知：AB=3.5cm，AC=6.0cm，CD=5.5cm，BD=4.0cm，BC=7.5cm，=3.4cm

3 总结

本篇论文针对挖掘机整体结构设计，利用CAD软件会出机构二维图，并且进行了计算，同时利用Solidworks对三维模型进行了设计仿真，实验结果和我们理论分析一致，设计过程完全符合要求，同时该产品具有以下特点：

（1）设计理念独特，样式新颖，有效的结合课堂教学，将PLC控制、气压传动、连杆机构、控制法工作原理从抽象化转变具体化，不仅帮助学生理解知识，更可以调动其积极性。

（2）将工程实际应用转化为迷你教具模型，易于学生理解液压与气压系统的结构、工作原理和工作特点。

（3）结构巧妙，造型美观，采用环保材料制作，性价比高，易于实现科研成果的转化。

（4）可作为开放性实验平台，拓展实验内容，今后给其加配PLC控制[5-8]或单片机组件实现自动化控制。

参考文献：

[1]徐福玲，陈尧明.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]于永泗，齐民.机械工程材料[M].大连：大连理工大学出版社，2007.

[3]濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]孙桓，陈作模，葛文杰.西北工业大学机械原理及机械零件教研室编[M].北京：高等教育出版社，2006（05）.

[5]阳险峰.三菱FX系列PLC[M].北京：中国电力出版社，2015.

[6]徐福玲，陈尧明.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2007.

[7]李金城.三菱PLC功能指令应用详解[M].北京：电子工业出版社，2011.

[8]向晓汉.三菱FX系列PLC完全精通教程[M].北京：化学工业出版社，2012.

作者简介：王新海（1989-），男，江西九江人，学士，助教，主要从事机械制造研究。