基于图论的新型变胞挖掘机构构型综合研究

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1、基于图论的新型变胞挖掘机构构型综合研究唐锴唐剑波蔡敢为广西大学机械工程学院本文基于图论理论，首先对传统挖掘机构进行结构分析，得出了新型可控连杆式挖掘机的设计要求;采用杆件类配综合法得到新型挖掘机构所有的构件组合方案，再利用胚胎插点法在拓扑胚图上进行插点，获得挖掘机构的所有基本构型。然后根据传统挖掘机的结构特点和工作性能要求，提出丫挖掘机构拓扑图功能性判定准则，以便从获得的拓扑图中获得最合适的构型;根据现实可行性和机构工作可靠性对筛选出的挖掘机构进行改进，并为了减少驱动元件的数量，提出一种主动变胞方法，得到木文的新型变胞挖掘机构，并对其进行了三维建模;采用邻接矩阵法对该新型变胞机构进行拓

2、扑结构变换分析，并对计算了各构态的自由度，然后对该新型变胞挖掘机构的各工况进行/分析，初步证明丫利用主动变胞方法减少主动杆数量的可行性。关键词：挖掘机;变胞机构;图论法;拓扑型综合;主动变胞;0引言挖掘机是土木工程建设的重要工程机械之一，主要任务是对土方进行挖掘、搬运等操作。随着我国城镇化建设的进一步发展，现在的大部分交通管道、市政工程的建设都是在离居民区很近的地方进行，而现有工程机械，如挖掘机、装载机等,均采用柴油机作为动力源，工作装罝普遍采用液压系统。由于柴油机的噪声大，且对周围环境污染较大，而液压系统对液压元件的制造精度和装配精度不仅要求高，II维修时难度大，液压油液受温度变化的

3、影响也较大，此外油液的泄露也是让人头疼的问题［1］。本文基于图论理论，利用胚胎插点法得出符合传统挖掘机工作需求的拓扑结构，再筛选出最优构型，将可控机构与变胞原理相结合，得到一种新型变胞挖掘机构，该机构可由纯电力驱动，对周围环境影响小、安全、低污染，可以在道路维修和市政设施维护中发挥其特有的优越性。1传统挖掘机构构型分析根据传统挖掘机工作装罝可両出机构简图。为了便于对传统挖掘机构进行杆件类配综合，对其铲斗结构进行简化处理，简化后的工作装置为含9个转动副和3个移动副的平面10杆机构，如图1所示。根据平而机构的g-k公式m，可得到简化后的传统挖掘机工作装置自由度：式中M表示机构的自由度;n表

4、示伍括机架的构件数目；g表示运动副的数目，其中复合铰链按两个转动副计算;fi表示第i个运动副的自由度；U是机构中过约束的总数。图1传统挖掘机简化后工作装置简图通过上式计算可知，为了保证让挖掘机满足作业要求，该新型挖掘机构的自由度应为3。2新型挖掘机构构型综合2.1杆件类配方案对杆件数目等于10的平面闭环三自由度连杆机构的运动链进行杆件类配综合，共得到4种杆件类配方案，如表1所示，其中川表示含i个运动副的构件数。表1可控挖掘机构运动链杆件类配方案2.2平面闭环三自由度机构结构类型综合利用胚图插点法［3,4］按表1屮的杆件类配方案对平面闭环三自由度连杆机构进行结构类型综合，可得到78种结构

5、类型，具体结构见表2。为便于后续分析，表2中的71种拓扑图进行统一编号为:N-X.Y.Z。其中，N表示拓扑图中构件的总数;X表示杆件类配方案编号;Y表示相应杆件类配方案的拓扑胚图类型;Z表示相应拓扑胚图通过胚图插点法所得的拓扑图编号。2.3新型挖掘机构拓扑综合基础为了筛选出较好的结构类型。现对以下拓扑阁的基本概念及其功能性判定准则进行阐述。2.3.1基本概念(1)拓扑图功能点:在拓扑图中，代表必要不可缺少iL决定了机构功能完整性的构件的点被称为拓扑图的功能点。(2)拓扑图非功能点:在拓扑图屮，除功能点以外的代表机构连杆等构件的点，被称为拓扑阁的非功能点。2.3.2挖掘机构拓扑图功能性判

6、定准则现根据传统挖掘机构的结构特点和工作性能要求，总结各关键构件的存在条件，即挖掘机构拓扑图功能性判定准则，从而对平面闭环三自由度连杆机构的71种拓扑图进行筛选。表2平面闭环三自由度连杆机构的71种拓扑阁(1)机架存在条件。为了减少挖掘机构工作装置的重量及艽转动惯量，现将挖掘机构的三个主动杆全部安装在机架上，因此机架与三个主动杆和动臂连接，即代表机架的构件所含运动副i叟4。即在拓扑图屮必须存在度d叟4的点，才能存在机架功能点。(2)动臂-斗杆存在条件。动臂应与一主动杆、机架以及斗杆连接，即意味代表动臂的构件所含运动副i叟3。根据挖掘机构的约束条件，斗杆应与一主动杆、动臂以及铲斗连接，即

7、意味代表斗杆的构件所含运动副i叟3。即在拓扑图中必须至少存在两个度d叟3的点，并且这两个点是邻接关系，拓扑图屮才存在动臂和斗杆功能点。(3)铲斗存在条件。根据挖掘机构的自由度要求(1),铲斗为二副构件;根据挖掘机构的约朿条件，铲斗与机架之间应经过斗杆、动臂进行连接。即在拓扑图中铲斗功能点的度d=2;铲斗功能点与机架功能点之间应存在斗杆功能点和动臂功能点。(4)主动杆存在条件。根据挖掘机构的结构要求(2)和(3),可知三个主动杆全部安装在机架上，