摘要：本文結(jié)合液壓挖掘機(jī)構(gòu)中反鏟裝置，提出一套創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。并給出了液壓挖掘機(jī)構(gòu)反鏟裝置的一系列可行方案，該創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法為回避已受專利保護(hù)的現(xiàn)有機(jī)構(gòu)提供了強(qiáng)有力的工具。

　　關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)推理　運(yùn)動(dòng)鏈　創(chuàng)新設(shè)計(jì)　液壓挖掘機(jī)　反鏟裝置

1　引言

　　在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，最重要的階段是機(jī)構(gòu)方案構(gòu)思一概念設(shè)計(jì)。在進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)者不但需要具有設(shè)計(jì)的知識(shí)，而且需要具有相當(dāng)?shù)墓こ探?jīng)驗(yàn)、創(chuàng)造與直覺的能力、及許多其他方面的條件，才能夠創(chuàng)造一種新型機(jī)構(gòu)以完成所希望的功能。這是一種發(fā)明行為，這不僅是設(shè)計(jì)對(duì)過程中最富有創(chuàng)造性的部分，也是機(jī)械設(shè)計(jì)過程中最為困難的地方。到目前為止，尚未有學(xué)者提出系統(tǒng)化的方法以引導(dǎo)設(shè)計(jì)者有系統(tǒng)地進(jìn)行創(chuàng)新機(jī)構(gòu)。然而，大多數(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)例(大約占機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)例的70%)不是憑空創(chuàng)造新機(jī)構(gòu)，而是在現(xiàn)有機(jī)構(gòu)(該機(jī)構(gòu)可能受專利保護(hù))的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，創(chuàng)造出結(jié)構(gòu)不同的新型機(jī)構(gòu)，以提高機(jī)器的質(zhì)量和性能，或者突破現(xiàn)有專利技術(shù)。本文結(jié)合液壓挖掘機(jī)構(gòu)的反鏟裝置，提出基于結(jié)構(gòu)推理的機(jī)構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法�；�于結(jié)構(gòu)推理的機(jī)構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)是利用創(chuàng)造性發(fā)散原理，通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型綜合的方法，對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械方案從拓?fù)渎?lián)接方面進(jìn)行變異創(chuàng)新，盡可能多的產(chǎn)生滿足設(shè)計(jì)功能要求的結(jié)構(gòu)變體，以便于尋找最優(yōu)的功能載體，尤其是創(chuàng)造新型機(jī)構(gòu)以回避專利保護(hù)機(jī)構(gòu)應(yīng)用方面更是結(jié)構(gòu)推理之長。

2　基于結(jié)構(gòu)推理的方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程模型

　　由機(jī)構(gòu)演化及編譯原理可知，任何機(jī)構(gòu)，包括齒輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)以及它們的組合，都可以視為連桿機(jī)構(gòu)的等效與變異，其原始型的構(gòu)造皆可通過連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)造來獲得。許多學(xué)者在機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型綜合方面作了大量的工作，尤其是在非同構(gòu)基本運(yùn)動(dòng)鏈的構(gòu)造方面。按他們提出的方法，由計(jì)算機(jī)很容易自動(dòng)生成滿足給定設(shè)計(jì)任務(wù)要求的非同構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈，而這些非同構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈基本運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)菢?gòu)造候選機(jī)構(gòu)型的基礎(chǔ)。本文所提出的基于結(jié)構(gòu)推理的方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程正是在這些研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。該方法可以劃分四個(gè)階段：首先是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求確定相似的設(shè)計(jì)方案(原始機(jī)械方案)，然后對(duì)該原始方案進(jìn)行抽象化表示，即將機(jī)構(gòu)方案一般化為運(yùn)動(dòng)鏈，在抽象化表示過程中記錄設(shè)計(jì)約束；其次根據(jù)機(jī)構(gòu)方案一般化運(yùn)動(dòng)鏈，在運(yùn)動(dòng)鏈圖譜庫中找出與一般化運(yùn)動(dòng)鏈具有相同桿數(shù)、自由度數(shù)以及連桿類型相同的所有非同構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈，即運(yùn)動(dòng)鏈發(fā)散，并根據(jù)設(shè)計(jì)約束和適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)方法進(jìn)行篩選；第三，對(duì)評(píng)價(jià)篩選后的每個(gè)非同構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行機(jī)構(gòu)識(shí)別、驅(qū)動(dòng)副識(shí)別以及桿組識(shí)別，形成用連桿表達(dá)的準(zhǔn)可行機(jī)械方案元型，即運(yùn)動(dòng)鏈再生；最后一個(gè)階段是將準(zhǔn)可行機(jī)械方案元型根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要，基于設(shè)計(jì)約束規(guī)則以及用戶交互式方法進(jìn)行類型替代，形成待評(píng)價(jià)的候選方案集轉(zhuǎn)入下一階段，并進(jìn)行用戶交互式模糊評(píng)價(jià)，產(chǎn)生最優(yōu)方案。結(jié)構(gòu)推理過程模型如圖1所示。

圖1　基于結(jié)構(gòu)推理的方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程模型

3　液壓挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)

　　(1)液壓挖掘機(jī)基本結(jié)構(gòu)及其抽象化表示
　　 液壓挖掘機(jī)是一種采用液壓傳動(dòng)并以一個(gè)鏟斗進(jìn)行挖掘作業(yè)的機(jī)械，它由工作裝置、上部轉(zhuǎn)臺(tái)和行走裝置三大部分組成。工作裝置作為液壓挖掘機(jī)的三大組成部分之一，因用途不同，種類繁多，其中主要有反鏟裝置、正鏟裝置、挖掘裝載裝置、起重裝置和抓斗裝置等，這里只研究應(yīng)用最廣泛的反鏟裝置。
　　 如圖2(a)所示，液壓挖掘機(jī)反鏟裝置由動(dòng)臂1、斗桿2、鏟斗3以及動(dòng)臂油缸4、斗桿油缸5、鏟斗油缸6和連桿機(jī)構(gòu)7等組成。其構(gòu)造特點(diǎn)是各部件之間的聯(lián)系全部采用鉸接，通過油缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)挖掘過程中的各種動(dòng)作。挖掘作業(yè)時(shí)，將反鏟裝置轉(zhuǎn)到挖掘地點(diǎn)，操縱臂油缸4，使動(dòng)臂下降至鏟斗接觸挖掘面，然后操縱斗桿油缸5和鏟斗油缸6，使鏟斗進(jìn)行挖掘工作。鏟斗裝滿后，將其轉(zhuǎn)到卸載地點(diǎn)卸載，然后進(jìn)行第二次循環(huán)挖掘工作。由于油缸可以簡化為兩個(gè)串聯(lián)在一起的二副桿，這兩個(gè)二副桿的中間鉸為驅(qū)動(dòng)副(驅(qū)動(dòng)副用兩個(gè)同心圓表示)，因此圖2(a)中的反鏟裝置可以轉(zhuǎn)化為圖2(b)所示的平面運(yùn)動(dòng)鏈型式。

　　　　　　　　　(a)　　　　　　　(b)
　　　　　　　 圖2　反鏟裝置的基本結(jié)構(gòu)

　　(2)再生運(yùn)動(dòng)鏈和創(chuàng)新運(yùn)動(dòng)鏈
　　 ①反鏟裝置的工作要求
　　 為了下面討論方便，先定義幾個(gè)概念：
　　 定義1　分離桿：如果自由度為F的平面運(yùn)動(dòng)鏈中存在某個(gè)桿，把此桿“切”為兩塊，該平面運(yùn)動(dòng)鏈則被分解成自由度分別為F₁、F₂的兩個(gè)子平面運(yùn)動(dòng)鏈，并且F=F₁+F₂，則稱此桿為分離桿。
　　 定義2　分離自由度：如果自由度為F的平面運(yùn)動(dòng)鏈中至少存在一個(gè)桿，把此桿“切”為兩塊，該平面運(yùn)動(dòng)鏈則被分解成自由度分別為F₁、F₂的兩個(gè)子平面運(yùn)動(dòng)鏈，并且F=F₁+F₂，那么該平面運(yùn)動(dòng)鏈的自由度類型為分離自由度。
　　 定義3　驅(qū)動(dòng)副：作動(dòng)力源的運(yùn)動(dòng)副稱為驅(qū)動(dòng)副。
　　 分析圖2(b)中所示的反鏟裝置的平面運(yùn)動(dòng)鏈，可以發(fā)現(xiàn)，該裝置是一個(gè)自由度為3的12桿機(jī)構(gòu)，其自由度類型為分離自由度，并且具有二個(gè)分離桿，即動(dòng)臂1和斗桿2。
　　 反鏟裝置的工作要求是，能夠控制挖掘高度、卸載高度、挖掘深度和挖掘半徑。為了保證最大的挖掘范圍，反鏟裝置必須具有兩個(gè)分離桿。具有兩個(gè)分離桿的機(jī)構(gòu)，其自由度一定大于或等于3。所以反鏟裝置機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的最基本要求是：自由度大于或等于3，并且具有兩個(gè)分離桿。隨著自由度和桿數(shù)的增加，機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度將大大增加，因此作者只研究能滿足基本要求的自由度等于3、桿數(shù)不大于12的反鏟裝置。
　　 ②滿足要求的連桿組合
　　 由于分離桿的副數(shù)應(yīng)大于或等于4，因此反鏟裝置至少應(yīng)有兩個(gè)副數(shù)大于或等于4的多副桿。自由度等于3、桿數(shù)不大于12，并至少應(yīng)有兩個(gè)4副以上桿的連桿組合有下列幾種。
　　 (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為桿數(shù)
　　 N_I為具有I個(gè)運(yùn)動(dòng)副的桿數(shù)
　　 ③滿足要求的運(yùn)動(dòng)鏈
　　 對(duì)于以上六種連桿組合，具有分離自由度的平面運(yùn)動(dòng)鏈數(shù)目分別是2、5、2、42、12和103共166種，經(jīng)計(jì)算，其中只有25個(gè)平面運(yùn)動(dòng)鏈具有兩個(gè)分離桿。又自由度為3的反鏟裝置被兩個(gè)分離桿分解成三個(gè)子平面運(yùn)動(dòng)鏈，每個(gè)子平面運(yùn)動(dòng)鏈都含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)副，也就是說，每個(gè)子平面運(yùn)動(dòng)鏈中都得有一個(gè)油缸。又因?yàn)樵谄矫孢\(yùn)動(dòng)鏈中油缸可用兩個(gè)串聯(lián)的二副桿來代替，因此反鏟裝置的每個(gè)子平面運(yùn)動(dòng)鏈至少應(yīng)有一串聯(lián)的二副桿。如圖3所示的12種運(yùn)動(dòng)鏈為滿足上述要求的運(yùn)動(dòng)鏈。

 

圖3　滿足要求的運(yùn)動(dòng)鏈 　　④運(yùn)動(dòng)鏈評(píng)價(jià)與篩選 　　 根據(jù)挖掘機(jī)的用途，為了盡量增大挖掘作業(yè)范圍，其機(jī)架桿必須在平面運(yùn)動(dòng)鏈的一端，而不應(yīng)位于平面運(yùn)動(dòng)鏈的中間。另外，反鏟裝置的底座得承受較大的載荷，要求由機(jī)架、動(dòng)臂及動(dòng)臂油缸組成一個(gè)四桿的子平面運(yùn)動(dòng)鏈。編號(hào)為1、2、3、9、10的五個(gè)平面運(yùn)動(dòng)鏈中，可以作為機(jī)架的四個(gè)桿1、3、4、6，它們互為同位桿，因此可用任一桿作機(jī)架，假設(shè)桿3是機(jī)架，編號(hào)為4、5、6的三個(gè)平面運(yùn)動(dòng)鏈中，機(jī)架可以是桿3或桿6，但是若桿3為機(jī)架，鉸①、⑨、⑤為驅(qū)動(dòng)副，得到反鏟裝置，其中油缸的支撐點(diǎn)鉸⑩在挖掘過程中很可能后移，從而影響反鏟裝置的工作性能，因此機(jī)架只能是桿6。編號(hào)為7、8、11、12的四個(gè)平面運(yùn)動(dòng)鏈中，機(jī)架是桿3。 　　 編號(hào)為1、2的平面運(yùn)動(dòng)鏈，桿3為機(jī)架，鉸①、⑨、⑤為驅(qū)動(dòng)副，可以看出，這兩個(gè)平面運(yùn)動(dòng)鏈中鏟斗6的工作情況完全一樣，因此可以拋棄編號(hào)為2的平面運(yùn)動(dòng)鏈。編號(hào)為9、10的兩個(gè)平面運(yùn)動(dòng)鏈，桿3為機(jī)架，鉸①、⑨、⑤為驅(qū)動(dòng)副，斗桿油缸的支承點(diǎn)鉸⑩在挖掘過程中后移；編號(hào)為11、12的兩個(gè)平面運(yùn)動(dòng)鏈，桿3為機(jī)架，鉸①、⑧、⑤為驅(qū)動(dòng)副，鏟斗油缸的支承點(diǎn)鉸⑦在挖掘過程中后移。因此編號(hào)為9、10、11、12這四個(gè)平面運(yùn)動(dòng)鏈得到的反鏟裝置，其工作性能不佳。 　　 (3)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案 　　 通過以上分析，只有編號(hào)為1、3、4、5、6、7、8的平面運(yùn)動(dòng)鏈可作為反鏟裝置的結(jié)構(gòu)型式，這七種反鏟裝置見表1。其中，編號(hào)7是現(xiàn)有反鏟裝置，其余六種是新型反鏟裝置。與現(xiàn)有反鏟裝置進(jìn)行比較，編號(hào)1最簡單，能增大挖掘力，但其鏟斗擺角較��；編號(hào)3、4、5、6能增大斗桿擺角；編號(hào)8的鏟斗油缸直接驅(qū)動(dòng)鏟斗，因此挖掘力較大。 表1　桿數(shù)不大于12的反鏟裝置 序 號(hào) 平面運(yùn)動(dòng)鏈 編　　　號(hào) 機(jī)架 桿號(hào) 動(dòng)臂 桿號(hào) 斗桿 桿號(hào) 鏟斗 桿號(hào) 動(dòng)臂油 缸鉸號(hào) 斗桿油 缸鉸號(hào) 鏟斗油 缸鉸號(hào) 1 1 3 9 10 6 ① ⑨ ⑤ 2 3 3 11 12 6 ① ⑨ ⑤ 3 4 6 12 11 3 ⑤ ⑨ ① 4 5 6 12 11 3 ⑤ ⑨ ① 5 6 6 12 11 3 ⑤ ⑨ ① 6 7 3 11 12 7 ① 11 ⑤ 7 8 3 11 12 9 ① ⑧ ⑤