平面擺動(dòng)式手柄操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

段克軍，涂群章，林加堃，鄭偉杰

（中國人民解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京210007）

工程機(jī)械在搶險(xiǎn)救災(zāi)、危房拆卸、隧道施工、高溫爐渣的清除等危險(xiǎn)環(huán)境下使用較為廣泛，為了減少危險(xiǎn)環(huán)境對(duì)施工人員的傷害，設(shè)計(jì)出一套機(jī)構(gòu)代替人對(duì)工程機(jī)械各操縱桿進(jìn)行操作很有必要。在各種工程機(jī)械裝備中，平面擺動(dòng)式手柄應(yīng)用較多，本文以某型挖掘機(jī)平面擺動(dòng)式手柄為例，設(shè)計(jì)一種五連桿機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行仿真分析。

1 平面擺動(dòng)式手柄操縱機(jī)構(gòu)工作原理

圖1所示為平面擺動(dòng)式手柄操縱機(jī)構(gòu)，采用五連桿機(jī)構(gòu)，其中1是主動(dòng)桿，2是連桿，3是擺動(dòng)手柄，M端連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸，D點(diǎn)為擺動(dòng)手柄與連桿的鉸接點(diǎn)，N是手柄在駕駛室中的安裝基點(diǎn)，等腰直角三角形PBC是一個(gè)三副元素構(gòu)件。主動(dòng)桿1在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下順時(shí)針或逆時(shí)針擺動(dòng)，經(jīng)連桿2帶動(dòng)擺動(dòng)手柄3運(yùn)動(dòng)。

圖1 平面擺動(dòng)式手柄操縱機(jī)構(gòu)

為了方便操縱機(jī)構(gòu)在駕駛室內(nèi)的安裝布置，初步設(shè)定 PM=AB=400 mm，AM=PB=PC=150mm，DC=700mm，∠MAB=∠NDC=90°，CN=200 mm.各構(gòu)件的尺寸和相互之間的裝配關(guān)系確定之后，進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能的分析。

2 運(yùn)動(dòng)性能分析

根據(jù)實(shí)際測量得到，手柄的擺動(dòng)角度范圍為±30°，操作力為 30 N.由于 PM=AB，AM=PB 且∠MAB=90°，所以四邊形 MABP 為矩形，故 ωMA= ωPB，又因?yàn)镻BC是等腰直角三角形，所以ωPB=ωPC，故ωPC=ωMA.平面擺動(dòng)式手柄操縱機(jī)構(gòu)中ωDN與ωMA關(guān)系可以用圖2來分析。

圖2 連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

在圖2中建立XNY坐標(biāo)系，由零件長度和初始裝配關(guān)系可知 N，D1、C1、P 點(diǎn)的坐標(biāo)，即 N（XN=0，YN=0），P（XP=700，YP=50），D1（XD1=0，YD1=200），C1（XC1=700，YC1=200），假設(shè)當(dāng)PC1擺動(dòng)β角度到達(dá)新位置PC2時(shí)，ND1擺動(dòng)α角度到達(dá)新位置ND2，可得D2的坐標(biāo)值：

和C2點(diǎn)的坐標(biāo)：

將各點(diǎn)坐標(biāo)和式（1~4）代入式（5）并化簡，利用MATLAB繪制α與β的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 手柄擺動(dòng)角度與主動(dòng)桿擺角的關(guān)系曲線

根據(jù)實(shí)際情況，由于手柄擺動(dòng)角度范圍是±30°，所以在設(shè)定的尺寸條件下，平面擺動(dòng)式手柄操縱機(jī)構(gòu)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為圖3中的加粗曲線部分，由圖可知，當(dāng) α ＝ 30°時(shí)，β ＝ 42°，當(dāng) α ＝ -30°時(shí)，β ＝ 318°即為β＝-42°.即當(dāng)主動(dòng)桿MA向某方向擺動(dòng)42°時(shí)，擺動(dòng)手柄就同方向擺動(dòng)至極限位置。平面擺動(dòng)式手柄操縱機(jī)構(gòu)在某型挖掘機(jī)上的安裝如圖4所示。

圖4 平面擺動(dòng)式手柄操縱機(jī)構(gòu)安裝圖

利用MATLAB的Sum of Sin Functions Fitting工具，得到手柄擺動(dòng)角度α與電機(jī)輸出軸回轉(zhuǎn)角度β之間的多項(xiàng)式關(guān)系式：其中 a1＝6 413，b1＝0.05 931，c1＝ 0.02 404，a2＝ 6 377，b2 ＝ 0.05 945，c2 ＝ -3.117.式（6）（7）分別表示主動(dòng)桿與手柄的角度關(guān)系正解和反解，據(jù)此可對(duì)平面擺動(dòng)式手柄操縱機(jī)構(gòu)的角度進(jìn)行控制。

3 動(dòng)力學(xué)仿真

為分析機(jī)構(gòu)重要關(guān)節(jié)處的受力情況，并且對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選型，需要對(duì)平面擺動(dòng)式手柄操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)仿真。

利用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS建立平面擺動(dòng)式手柄操縱機(jī)構(gòu)模型并添加正確的約束類型，在主動(dòng)桿處設(shè)置MOTION，完成動(dòng)力學(xué)模型的初步建立，如圖5所示。然后在手柄與groud的接觸點(diǎn)處設(shè)置阻力轉(zhuǎn)矩FRICTION為6 000 N·mm.由于擺動(dòng)式手柄操縱機(jī)構(gòu)的操作力較小，故選用鋁制連桿，將所有連桿的密度設(shè)置為鋁的密度。最后，將主動(dòng)桿轉(zhuǎn)速規(guī)律設(shè)置為先加速再勻速最后減速的工況，將總的仿真時(shí)間設(shè)置為2 s，運(yùn)行仿真。

圖6 所示為MOTION處的轉(zhuǎn)矩即驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的變化曲線。

圖6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線

由圖6可知，在起始的加速過程中，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不斷增大，某時(shí)刻達(dá)到轉(zhuǎn)矩峰值2 986 N·mm.根據(jù)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩峰值，本操縱機(jī)構(gòu)選擇以上海四宏電機(jī)有限公司型號(hào)為57BYGH255-3004A的步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，搭配減速比為4:1的行星減速器，電機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 57BYGH255-3004A型步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的五連桿操縱機(jī)構(gòu)本身結(jié)構(gòu)簡單，形狀狹長，特別適合在各種工程裝備駕駛室內(nèi)的安裝和尺寸調(diào)整。通過運(yùn)動(dòng)性能分析和動(dòng)力學(xué)仿真得到了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和擺動(dòng)手柄擺動(dòng)角度的關(guān)系，為以后電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)

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