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机械创新设计论文

发布人: 菠菜导航 来源: 菠菜导航网站 发布时间: 2020-07-09 09:51

  机械创新设计论文 系别 姓名 班级 学号 液压挖掘机机构结构创新设计方法的研究 一 摘要: 本文结合液压挖掘机构中反铲装置, 提出一套创新设计方法。 并给出了液压挖掘机构 反铲装置的一系列可行方案, 该创新设计方法为回避已受专利的现有机构提供了强有力 的工具。 关键词:结构推理 运动链 创新设计 液压挖掘机 反铲装置 二 引言 在机构设计过程中,最重要的阶段是机构方案构思一概念设计。在进行机构设计之初,设 计者不但需要具有设计的知识,而且需要具有相当的工程经验、创造与直觉的能力、及许多 其他方面的条件,才能够创造一种新型机构以完成所希望的功能。这是一种发明行为,这不 仅是设计对过程中最富有创造性的部分, 也是机械设计过程中最为困难的地方。 到目前为止, 尚未有学者提出系统化的方法以引导设计者有系统地进行创新机构。 然而, 大多数的机械设 计实例(大约占机械设计实例的 70%)不是凭空创造新机构,而是在现有机构(该机构可能受 专利)的基础上进行修改,创造出结构不同的新型机构,以提高机器的质量和性能,或 者突破现有专利技术。 本文结合液压挖掘机构的反铲装置, 提出基于结构推理的机构方案创 新设计方法。 基于结构推理的机构方案创新设计是利用创造性发散原理, 通过拓扑结构类型 综合的方法, 对现有的机械方案从拓扑联接方面进行变异创新, 尽可能多的产生满足设计功 能要求的结构变体, 以便于寻找最优的功能载体, 尤其是创造新型机构以回避专利机构 应用方面更是结构推理之长。 三 基于结构推理的方案创新设计过程模型 由机构演化及编译原理可知,任何机构,包括齿轮机构、槽轮机构、凸轮机构以及它们 的组合, 都可以视为连杆机构的等效与变异, 其原始型的构造皆可通过连杆机构的构造来获 得。 许多学者在机构结构类型综合方面作了大量的工作, 尤其是在非同构基本运动链的构造 方面。 按他们提出的方法, 由计算机很容易自动生成满足给定设计任务要求的非同构运动链, 而这些非同构运动链基本运动链是构造候选机构型的基础。 本文所提出的基于结构推理的方 案创新设计过程正是在这些研究基础上发展起来的。 该方法可以划分四个阶段: 首先是根据 设计任务和要求确定相似的设计方案(原始机械方案),然后对该原始方案进行抽象化表示, 即将机构方案一般化为运动链, 在抽象化表示过程中记录设计约束; 其次根据机构方案一般 化运动链, 在运动链图谱库中找出与一般化运动链具有相同杆数、 度数以及连杆类型相 同的所有非同构的运动链,即运动链发散,并根据设计约束和适当的评价方法进行筛选;第 三,对评价筛选后的每个非同构的运动链进行机构识别、驱动副识别以及杆组识别,形成用 连杆表达的准可行机械方案元型, 即运动链再生; 最后一个阶段是将准可行机械方案元型根 据实际设计需要, 基于设计约束规则以及用户交互式方法进行类型替代, 形成待评价的候选 方案集转入下一阶段,并进行用户交互式模糊评价,产生最优方案。结构推理过程模型如图 1 所示。 四 液压挖掘机机构方案创新设计 (1)液压挖掘机基本结构及其抽象化表示 液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械, 它由工作装置、 上 部转台和行走装置三大部分组成。 工作装置作为液压挖掘机的三大组成部分之一, 因用途不 同,种类繁多,其中主要有反铲装置、正铲装置、挖掘装载装置、起重装置和抓斗装置等, 这里只研究应用最广泛的反铲装置。 如图 2(a)所示,液压挖掘机反铲装置由动臂 1、斗杆 2、铲斗 3 以及动臂油缸 4、斗杆 油缸 5、铲斗油缸 6 和连杆机构 7 等组成。其构造特点是各部件之间的联系全部采用铰接, 通过油缸的伸缩来实现挖掘过程中的各种动作。挖掘作业时,将反铲装置转到挖掘地点,操 纵臂油缸 4,使动臂下降至铲斗接触挖掘面,然后斗杆油缸 5 和铲斗油缸 6,使铲斗进 行挖掘工作。铲斗装满后,将其转到卸载地点卸载,然后进行第二次循环挖掘工作。由于油 缸可以简化为两个在一起的二副杆,这两个二副杆的中间铰为驱动副(驱动副用两个同 心圆表示),因此图 2(a)中的反铲装置可以为图 2(b)所示的平面运动链型式。 (2)再生运动链和创新运动链 ①反铲装置的工作要求 为了下面讨论方便,先定义几个概念: 定义 1 分离杆:如果度为 F 的平面运动链中存在某个杆,把此杆“切”为两块, 该平面运动链则被分解成度分别为 F1、F2 的两个子平面运动链,并且 F=F1 F2,则称 此杆为分离杆。 定义 2 分离度:如果度为 F 的平面运动链中至少存在一个杆,把此杆“切” 为两块, 该平面运动链则被分解成度分别为 F1、 的两个子平面运动链, F2 并且 F=F1 F2, 那么该平面运动链的度类型为分离度。 定义 3 驱动副:作动力源的运动副称为驱动副。 分析图 2(b)中所示的反铲装置的平面运动链,可以发现,该装置是一个度为 3 的 12 杆机构,其度类型为分离度,并且具有二个分离杆,即动臂 1 和斗杆 2。 反铲装置的工作要求是,能够控制挖掘高度、卸载高度、挖掘深度和挖掘半径。为了保 证最大的挖掘范围,反铲装置必须具有两个分离杆。具有两个分离杆的机构,其度一定 大于或等于 3。所以反铲装置机构结构的最基本要求是:度大于或等于 3,并且具有两 个分离杆。随着度和杆数的增加,机构的复杂程度将大大增加,因此作者只研究能满足 基本要求的度等于 3、杆数不大于 12 的反铲装置。 ②满足要求的连杆组合 由于分离杆的副数应大于或等于 4,因此反铲装置至少应有两个副数大于或等于 4 的多 副杆。度等于 3、杆数不大于 12,并至少应有两个 4 副以上杆的连杆组合有下列几种。 (1)N=10,N2=8,N3=0,N4=2,N5=0,N6=0 (2)N=12,N2=10,N3=0,N4=1,N5=0,N6=1 (3)N=12,N2=10,N3=0,N4=0,N5=2,N6=0 (4)N=12,N2=9,N3=1,N4=2,N5=0,N6=0 (5)N=12,N2=9,N3=0,N4=3,N5=0,N6=0 (6)N=12,N2=8,N3=2,N4=2,N5=0,N6=0 其中:N 为杆数 NI 为具有 I 个运动副的杆数 ③满足要求的运动链 对于以上六种连杆组合,具有分离度的平面运动链数目分别是 2、5、2、42、12 和 103 共 166 种,经计算,其中只有 25 个平面运动链具有两个分离杆。又度为 3 的反 铲装置被两个分离杆分解成三个子平面运动链, 每个子平面运动链都含有一个驱动副, 也就 是说, 每个子平面运动链中都得有一个油缸。 又因为在平面运动链中油缸可用两个的二 副杆来代替,因此反铲装置的每个子平面运动链至少应有一的二副杆。如图 3 所示的 12 种运动链为满足上述要求的运动链。 ④运动链评价与筛选 根据挖掘机的用途,为了尽量增大挖掘作业范围,其机架杆必须在平面运动链的一端, 而不应位于平面运动链的中间。另外,反铲装置的底座得承受较大的载荷,要求由机架、动 臂及动臂油缸组成一个四杆的子平面运动链。编号为 1、2、3、9、10 的五个平面运动链中, 可以作为机架的四个杆 1、3、4、6,它们互为同位杆,因此可用任一杆作机架,假设杆 3 是机架,编号为 4、5、6 的三个平面运动链中,机架可以是杆 3 或杆 6,但是若杆 3 为机架, 铰①、⑨、⑤为驱动副,得到反铲装置,其中油缸的支撑点铰⑩在挖掘过程中很可能后移, 从而影响反铲装置的工作性能,因此机架只能是杆 6。编号为 7、8、11、12 的四个平面运 动链中,机架是杆 3。 编号为 1、2 的平面运动链,杆 3 为机架,铰①、⑨、⑤为驱动副,可以看出,这两个 平面运动链中铲斗 6 的工作情况完全一样, 因此可以抛弃编号为 2 的平面运动链。 编号为 9、 10 的两个平面运动链,杆 3 为机架,铰①、⑨、⑤为驱动副,斗杆油缸的支承点铰⑩在挖 掘过程中后移;编号为 11、12 的两个平面运动链,杆 3 为机架,铰①、⑧、⑤为驱动副, 铲斗油缸的支承点铰⑦在挖掘过程中后移。因此编号为 9、10、11、12 这四个平面运动链得 到的反铲装置,其工作性能不佳。 (3)创新机构结构方案 通过以上分析,只有编号为 1、3、4、5、6、7、8 的平面运动链可作为反铲装置的结构 型式,这七种反铲装置见表 1。其中,编号 7 是现有反铲装置,其余六种是新型反铲装置。 与现有反铲装置进行比较,编号 1 最简单,能增大挖掘力,但其铲斗摆角较小;编号 3、4、 5、6 能增大斗杆摆角;编号 8 的铲斗油缸直接驱动铲斗,因此挖掘力较大。 将编号 1、3、4、5、6、8 的平面运动链分别画成驱动机构形式,如图 4 所示。在图 4 中,1 是动臂、2 是斗杆、3 是铲斗、4 是动臂油缸、5 是斗杆油缸、6 是铲斗油缸。 五 结束语 本文结合液压挖掘机构中的反铲装置, 提出基于结构推理的机构方案创新设计方法。 该方 法通过对原始机构一般化运动链的拓扑特征的提取, 进行运动链结构类型综合, 以达到运动 链再生,经过对运动链评价筛选型,形成创新运动链,再将创新运动链为机构形成可行 的创新机构方案。该创新设计方法为回避已受专利的现有机构提供了强有力的工具。

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