混凝土泵车臂架连杆机构创新设计.pdf

机械 研究 与应用 2 0 1 2 年 第5 期( 总 第1 2 1 期) 设计与制造 混凝土泵车臂架连杆机构创新设计 郭承志， 缪雄辉 ， 李建涛 ， 夏益民， 刘石 坚 ( 三一重工股份有限公司 ， 湖南 长沙4 1 0 1 0 0 ) 摘要： 采用机构型综合的创新构思法， 对现有混凝土泵车臂架系统连杆机构进行一般化处理， 归纳出4种运动链型， 通过不同构件的组合， 得到 1 3种新的非同构的机构型式， 其中3种非同构型式对实际应用具有参考价值。 关键 词 ： 泵车； 臂架 ； 连杆 ； 非 同构 型式 ； 创新设计 中图分类号： T H1 2 2 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 7 4 4 1 4 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 9 7 0 4 I n no v a t i v e de s i g n o f bo o m c o nne c t i ng r o ds o n c o nc r e t e pu m p t r uc k G u o C h e n g z h i ，Mi u X i o n g h u i ， L i J i a n t a o ， X i a Y i - mi n ， L i u S h i - j i a n ( S a n y h e a v y i n d u s t r y L t d C h a n g s h a H u n a n 4 1 0 1 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n t h e p a p e r ， a n e w r e p r e s e n t a t i o n me t h o d o f s t r u c t u r a l s y n t h e s i s i s a d o p t e d T h e g e n e r a l i z e d ma n a g e me n t s a r e c a r r i e d o u t o n t he bo o m c o nn e c t i n g r o ds o f t he c ur r e n t c o n c r e t e p ump t r u c k s，a n d f o u r t y p e s o f ki ne ma t i c c h a i n s c a n b e c o n c l ud e d b y c o mb i n g t h e d i f f e r e n t c o mp o n e n t s T h i e e n t y p e s o f n o n i s o mo r p h i c l a y o u t s a r e g o t ，a n d t h r e e t y p e s o f t h e m c o u l d b r i n g s o rt i e r e f e r e n c e v a l u e t o t h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n Ke y wo r d s：c o n c r e t e p u mp t r u c k；b o o m ；c o n n e c t i n g r o d；n o n i s o mo rp h i c l a y o u t ；i n n o v a t i v e d e s i g n 1 引 言 混凝土泵车的臂架系统一般 由4 7节臂架和其 相邻 的连杆机构组成 ， 图 1所示为 5节臂架系统完全 水平展开的情况。臂架之间的连杆机构 皆为平面连 杆机构 ， 一般采用液压油缸驱动 。臂架系统相 当于一 个巨型机械手臂 ， 由5个 自由度为 1的平面闭式链通 过臂架串联成一个 自由度为 5的平面开式链机构 J 。 臂架 系统的最 大优点是动作灵活 ， 在其工作 范围 内 ( 除臂架完全伸长的情况外 ) 臂架末端在某一点上工 作时， 臂架系统有无穷种姿态可以实现。实现这一点 需要臂架之间的转角要很大， 一般要求转角超过 1 8 0 。 ， 有的甚至超过 2 7 0 。 。臂架之间的连杆机构一般根据空 间限制、 转角需求选用不同类型的连杆机构。 I l ( b ) B 一土 一 3 _广 O G E I ( d ) 一 G、 ( e ) A C 。 基于现有臂架连杆机构的结构型式 ， 通过机构型 综合的创新构思法得到了 3种非 同构型式的连杆机 构 ， 对臂架连杆机构创新设计具有一定的参考价值 。 转 台臂 蔡 1 I t S 2 臂 辩I I 鬻 4 臂 槊 s 洼 杆 机 构 f 连 f 阳 连 杆 【缃连 扦 帆 j匈 I 连 杆 机 图 1 泵车臂架结构简图 2 现有泵车臂架系统连杆机构的一般化 机构一般化的 目的是把包 含不 同类型构件和运 动副的现有机构 ， 转化为只含有连杆和转动副的一般 化运动链 。 图2 臂架连杆机构的一般化 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 8 2 9 作者简介 ： 郭承志( 1 9 7 6 一) ， 男 ， 湖南长沙人 ， 工 程师 ， 研究 方向 ： 工程机 械， 机械设计 及分 析。 9 7 亭 q l骂 寥 设计与制造 2 0 1 2 年 第5 期( 总 第1 2 1 期) 机械 研究与应 用 对现有臂架 间和臂架与转 台间常用 连杆机构的 分析 比较 ， 有如 图 2( a ) 、 ( d ) 、 ( g ) 、 ( J ) 四种结构形 式 ， 其机构简图如图 2 ( b ) 、 ( e ) 、 ( h ) 、 ( k ) 所示 ， 通过 运动副一般化后 ， 可得到相对应的运动链如图 2 ( c ) 、 ( f ) 、 ( i ) 、 ( 1 ) 所示 。臂架 1和转台之间转动角度一般 只要求达到 9 0 。 即可 ， 一般化后得到 自由度为 1的四 杆运动链 。四杆运动链只有一个环 ， 结构型式只有一 种 ， 在此不做分析 。后三种臂架之间的连杆机构一般 化后 ， 得到三种不同的 自由度为 1的六杆运动链 ， 其 中图 2 ( f ) 为瓦特( Wa t t ) 型 ； 图 2 ( i ) 为含复合铰链 的 六杆运动链 ； 图 2 ( 1 ) 为斯蒂芬森 ( S t e p h e n s o n ) 型。 3 现有泵车臂架系统连杆机构的创新设计 六杆运动链有两个环 ， 不包含复合铰链的结构型 式只有如上所述的两种 ， 即瓦特 ( Wa t t ) 型和斯蒂芬 森 ( S t e p h e n s o n ) 型。 对于臂架之间的连杆机构 ， 设计要求如下 ： 需 要有一个臂架 1 ( b 1 ) 作为机架 ； 需 要有一根油缸 ( c l 、 c 2 ) ， 即必须有一对相邻 的两副件杆组 ； 需要 有一个臂架 2( b 2 ) 作为相邻 臂架 ， 位 置可与臂 架 1 b l。 f ( ) 现 有 结 构 D一 ( b 1 ) 互换 ； 臂架 1 ( b 1 ) 、 臂架 2 ( b 2 ) 、 油缸 ( c l 、 c 2 ) 必须是不同的构件。 根据上述的设计要求 ， 通过不同构件 的组合， 町 以得到多种不同的机构型式 ， 排除不适合的型式 ， 得 到新 的机构型式即为创新 的结构型式。 图 3所 示 为 瓦特 ( Wa t t ) 型 的机 构 创 新 ， 瓦特 ( Wa t t ) 型运动链 具有左右对称和上下对称 的特 性。 油缸必须有一对相邻的两副杆组 ， 可选取构件 5和 6 ( 或构件 2和 3 ) 作为油缸， 由于左右对称 的特性 ， 只 有一种型式。取不同构件作为臂架 1 时 ， 其非 同构 的 机构型式有两种 ， 即选取构件 1或构件 2作 为臂架 1 。臂架 l 选定后 ， 再选择不同的构件作为臂架 2 ， 其 非同构的机构型式共有 4种 ， 如图 3 ( a ) 、 ( b ) 、 ( c ) 、 ( d ) 所示 ， 其 中图 3 ( a ) 为现有机构方案。图 3 ( b )中 构件 2和 3为 多余 的随动构件 ， 实 际运 用时没有 意 义。图 3 ( c ) 中的臂架 1和 2通过两个三副件和油缸 间接连接 ， 亦无实际应用的价值 。图 3 ( d ) 为新 的可 行方案 ， 将其还原成机构简图和结构简 图如图 3 ( f ) 、 ( e ) 所示 ， 经过机构形状和尺寸优化后可以使用。 要 F E 薹 。 i r E A b l ( d )新型式 图 3 瓦特 ( Wa t t ) 型机构创新 图4为斯蒂芬森( S t e p h e n s o n ) 型的机构创新 ， 斯 蒂芬森 ( S t e p h e n s o n ) 型机构具 有上 下对 称 的特性。 由于此种机构只有一对相邻 的两副件杆组 ， 故油缸只 能选取构件 5和构件 6 。通过选取不 同的构件作 为 臂架 1和臂架 2 ， 可以得到 3种非同构 的机构型式 ， 98 ( e )新型式结构简图 ( f )新型式机构简 图 如图 4( a ) 、 ( b ) 、 ( e ) 所示。图 4( a ) 为现有 机构方 案， 图4 ( b ) 和( e ) 为新方案 ， 根据经验判断 ， 图 4( e ) 中的机构型式没有实际应用的价值。将 图4 ( b ) 中运 动链还原成机构简 图和结构简 图如 图 4 ( c ) 、 ( d ) 所 示 ， 此结构是一种新的臂架连接形式 ， 可参考使用。 机械 研究 与应 用 2 0 1 2 年 第5 期( 总 第1 2 1 期) 设计与制造 c 2 _l _ D G b 2 i L 4 E 2 1 ， ， 1 、 1 纠 。 。一 C 。 ( e )新型式 F - D 一 图4 斯蒂芬森( S t e p h e n s o n ) 型机构创新 4含有复合铰链臂架连杆机构的创新设计 上述机构创新设计是基于不包含复合铰链 的， 下 面讨论一下含有复合铰链 的臂架连杆 机构创新 。将 上述两种基本运动链 中的三副件做局部收缩 ， 即可到 导出含有复合铰链的链型 ， 如图 5所示 。将图 5 ( a ) 、 ( b ) 中的铰链 E和 F收缩成一个复合铰链 ， 可以得到 如 图5 ( c ) 含有一个复合铰链 的运动链 ， 再将铰链 A 和 C收缩成一个复合铰链 ， 可以得到如图 5 ( d ) 含有 两个复合铰链的运动链 ， 图 5 ( e ) 、( f ) 包含 自由度为 0的结构组分 ， 不存在有效的复合铰链。 2 1 C G A ： I：l-, 4 3 。 6 。 。 垃 - 一 。 G i 一 一 ( C )新型式机 构简图 图 6为含有一个 复合铰链六杆机构的非同构 型 式 。此种运动链具有左右对称 的特性。构件 5和 6 ( 或者构件 2和 3) 为相邻 的两 副件杆组 ， 可作为油 缸 ， 只有一种型式。取不 同构件作为臂架 1和臂架 2 组合时， 可以得到 6种非同构型式的机构 ， 如图 6 ( a ) ( f ) 所示。图 6 ( a ) 为现有 的结构型式 ， 图 6 ( b ) ( f ) 为新的结构型式 ， 理论上可以使用 。但 由于复合 铰链的存在 ， 使得某些连杆构件尺寸变大， 没有实 际 应用的价值 。 3 l 5 l _ 3 。 5 l 5 l i 、_3 5 _0 f I u G 6 1 j ， 一 一 瓣 一 j2 一 - ， 2 0 - I 2 6 q_、 A C A e A 。 C ( F ) 5 ， 4、 G。 B 、 、 ) D 6 、 、 ， ， 2 c ) ( d )鸯 两 个复 合铰 链 图5 含复合铰链的六杆机构运动链 图 7为含有两个复合铰链六杆机构 的非 同构型 式 。此运动链具有上下左右对称的特性 。构件 5和 6、 构件 2和 3 、 构件 1和4皆为相邻 的两副件杆组 ， 可 作为油缸 ， 由于对称特性 只有一种型式 。取不同构件 作为臂架 1和臂架 2组合时 ， 可以得到 3种非同构型 式的机构 ， 如图 7 ( a )( C ) 所示 。图 7( b ) 的结构型 式理论上可以使用， 但由于复合铰链的存在， 使得某 些连杆构 件尺寸 变大 ， 没有实 际应用 的含义。图 7 ( C ) 中构件 1和 4为多余 的随动构件 ， 实 际运用时没 有意义。 图 7 ( a ) 为可 以实际使用的新型结构型式 ， 将 其 还原成机构简 图和结构简图如 图 7 ( d ) 、 ( e ) 所示 ， 在 9 9 D 一 一 、 ； c _ ， E墨 ， U 2 ， _ l _ + 、 、 一 一c 一 - 一 f 一 一 3 0C ， 一 。 挪 一 A 设计与制造 2 0 1 2 年 第5 期( 总 第1 2 1 期 ) 机械 研究 与应用 设计 中具有价值 。 G 3 。D 一 2 C b l ( a )现 有 机 构 G c l b l (b) 图6 含一个复合铰链六杆机构的非同构型式 D一 E ( F ) G_ 蟹 (c) G ( a ) D )、b 2 ( f) 一 u ， 。 1 、 、 丁 6 2 A C ) ( d ) 新方案机构简图 ( b ) ( e )新方案结 构简图 图7 含两个复合铰链六杆机构的非同构型式 5 总 结 ( 1 )本文对现有混凝土泵车臂架系统连杆机构 进行一般化处理 ， 归纳出 4种运动链 型， 即四杆机构 、 瓦特( Wa t t ) 型六杆机构 、 斯蒂芬森 ( S t e p h e n s o n ) 型六 杆机构以及含有一个复合铰链的六杆机构。 ( 2 )本文总结了臂架之间的连杆机构的设计要 求 ， 针对瓦特( Wa t t ) 型和斯蒂芬森( S t e p h e n s o n ) 型六 杆机构 ， 通过不同构件的组 合， 得到 5种新的非同构 的机构型式 ， 其 中2种型式有实际应用的价值。 ( 3 )本文还对含复合铰链的六杆机构进行了分 析 ， 得到了 8种同构 的机构型式 ， 其中 1种型式有实 际应用的价值 。 ( 4 )新的结构型式对臂架连杆机构 的创新设计 有一定的参考价值 ， 其具体结构设计和尺寸优化有待 1 0 0 进一步研究。 参考文献 ： 1 符炜 机械创新设计构思方法 M J 长沙： 湖南科 学技 术f I j 版 社 ， 2 0 0 6 2 王玉新 机 械创 新设 计方 法学 M 天 津 ： 天津大 学 出版祉 ， 1 9 9 6 3 颜鸿森 颜式 创造性 机 构设 计 ( 一 ) 没计 方法 J 机 械 设 汁， 1 9 9 5( 1 0)： 3 9 4 1 4 颜鸿森 颜式 创造性 机构 没计 ( 二 ) 机构 的 一 一 般化 J J 机械 设 计 ， 1 9 9 5 ( 1 1 )：4 4 4 7 5 颜鸿森 颜式创造性机构设计 ( 三 ) 运 动链 的数综合 J 机械 设 计 ， 1 9 9 5 ( 1 2) ： 3 O 一 3 3 6 颜鸿森 颜式创 造性机构 没计 ( 四 ) 机构 的特定 化 J 机 傲 没 ，1 9 9 6 ( 4) ： 3 7 4 0 7 颜鸿森 颜式 创造 性机 构设计 ( 五 ) 应用 实例 J 机 械 没 汁， 1 9 9 6 ( 5 ) ： 3 8 4 1 D - ) 0 配 或 M 5 2 6 、 、A G 身 爱 G 3 2 ， | C 、 忱 。 G “ 。 D D】 、 、 B ， ， 以 y 以 县 r 一 五 A 、 日 6 唿一 、。 r G 、一 2 、 ， ， 一 一 D