清煤挖掘机的设计与运动学分析
2019-12-13张道秋刘丰瑞
张道秋 樊 磊 刘丰瑞
(山东帝盟重工机械有限公司 山东德州 251210)
1 前言
随着我国经济的快速发展，国内工程机械的应用范围越来越广。在内蒙古等严寒地区，冬天最低温度能达到零下40℃，煤炭公司卸煤后煤炭会在火车厢内壁冻结，冻结厚度为200mm至300mm，翻车机将运煤车翻转后四周冻煤均不会脱落，必须将车厢开出去后由挖掘机清理，费时费力，清理完后还需长距离开回原地进行卸煤作业，工作效率低[1]。因此，需要设计能够在现场进行清煤作业的清煤挖掘机，以提高作业效率。
2 清煤挖掘机原理
清煤挖掘机由底盘上的同步电机驱动实现在轨道上的移动，通过回转支撑与回转减速机连接实现上部平台的回转。工作装置由支撑臂、伸缩臂、斗杆、铲斗以及对应控制油缸组成，通过调整液压油缸实现单独或复合动作。如图1所示为清煤挖掘机的结构示意图。工作时，翻车机调整火车厢的角度，清煤挖掘机在同步电机驱动下从停放位置运行至工作位置，调整支撑臂、伸缩臂、斗杆、铲斗的对应油缸到达工作初始位置，调整各油缸开始清理动作。清理顺序为火车厢侧面、地面、另一侧面，由移动清煤挖掘机在轨道上的位置完成清理顺序，直至完成整节车厢的清理工作。
3 清煤挖掘机的设计
3.1 底盘设计
清煤挖掘机是在固定轨道上移动的，因此选用现有火车导轨，经差齿后设计成专用齿条，固定在地面基础之上作为清煤挖掘机的行走轨道。底架中部两侧安装两台同步电机，并装备专用减速装置，保证行走扭矩和速度。前后两侧设计四个带防脱装置的行走轮，保证行走稳定性。图2所示为底盘的结构图。
图1 清煤挖掘机结构示意图
图2 底盘结构图
3.2 工作装置设计
3.2.1 主臂和伸缩臂设计
综合考虑挖掘高度和制造成本的要求，采用伸缩臂的设计。为实现伸缩臂在主臂上滑动的设计，将主臂和伸缩臂外形设计为矩形状，主臂的两个侧板内测各切出25mm×20mm的矩形长条作为伸缩臂伸缩的轨道。图3所示为主臂的结构图。伸缩臂两侧板外侧弯折出25mm×20mm的矩形长条嵌入主臂轨道。图4所示为伸缩臂结构图。
图3 主臂结构图
图4 伸缩臂结构图
3.2.2 铲斗设计
铲斗作业过程中，经常发生齿尖磨损情况，须及时更换齿尖和侧齿。设计时将铲斗尾部内缩、口部外扩，减少铲斗尾部磨损程度，同时减少铲斗设计深度，保证操作空间更大，清理更彻底。图5所示为铲斗结构图。
图5 铲斗结构图
4 清煤挖掘机运动学分析及仿真
4.1 清煤挖掘机的运动学分析
清煤挖掘机的工作装置是由主臂和伸缩臂、斗杆、铲斗前后相连的串联机构。运用D-H法[2]建立其连杆坐标系，并列出相应的连杆参数与关节变量，代入连杆坐标变换矩阵公式，最终得到铲斗齿尖坐标系的变换公式[3]。如图6所示为清煤挖掘机连杆坐标系简图。以回转中心线垂线与地面的交点O0建立基坐标系{O0}，并分别在铰接点O1、O2、O3、O4处分别建立杆件坐标系{O1}、{O2}、{O3}、{O4}。
连杆坐标变换矩阵公式为：
(1)
D-H参数表中对于相邻坐标系的位置描述包括di、θi、ai、αi四个参数[4]，根据已经建立的清煤挖掘机连杆坐标系，得到如表1所示的连杆参数表。其中，l2为伸缩臂伸出的长度。
表1 D-H参数表
图6 清煤挖掘机连杆坐标系简图
根据位姿变换矩阵的运算法则，得到铲斗齿尖坐标系{O4}相对于基坐标系{O0}的变换公式，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)。
由于清煤挖掘机在清理过程中，θ1保持不变，铲斗方向角θw=θ2+θ3+θ4。
根据D-H法定义可得，铲斗位姿向量为：
(3)
4.2 清煤挖掘机运动学仿真
Solidworks是一款功能强大、易学易用的三维设计软件，集CAD设计、CAE有限元分析、CAM数控编程模块等功能，对虚拟样机技术的发展提供了技术支持[5]。因此应用其插件motion[6]实现三节臂挖掘机的运动学仿真。
清煤挖掘机的清煤过程是依靠液压油缸的伸缩来驱动，在各液压油缸处添加线性马达模拟清煤挖掘机的工作过程，并采用STEP函数控制液压油缸的伸缩[7]。表2所示为各液压油缸的STEP函数。
表2 各液压油缸STEP函数
在铲斗齿尖创建测量点进行路径跟踪和线性位移检测，通过运动仿真即可得图7所示的铲斗齿尖位移曲线图。
图7 铲斗齿尖位移曲线图
图7中可以看出：随着主臂和伸缩臂的伸出，X方向和Y方向的位移呈上升趋势，到达准备清理的阶段，随后斗杆配合铲斗动作进行清煤工作，随着铲斗油缸活塞杆收回，X方向位移平缓下降，Y方向位移增加。同时可看出清煤挖掘机的最大挖掘高度可达7000mm以上。
5 结论
充分考虑到严寒地区清煤过程的难点，在Solidworks环境下设计一种清煤挖掘机，并对其进行运动学分析和仿真，通过软件模拟实际清煤作业，可以得到最大挖掘高度为7m以上，符合实际场地清煤作业的要求，可为进一步的设计改进提供参考。
