科研一角||履带式起重机执行机构型综合

科研一角||履带式起重机执行机构型综合

0 引言

履带式起重机是一种采用履带行走驱动机构的动臂旋转式起重机械，在船舶修造、港口作业、施工建设等领域发挥了重要作用，传统履带式起重机的执行机构主要由液压传动或齿条螺杆式驱动，且多为单自由度结构，存在加工装配要求高、维护保养成本高、漏油、结构单一、轨迹不灵活且输出无柔性等缺点，已无法满足日益增长的高精度、重载起重作业要求。

机构创新设计的目标就是设计产生符合实际要求的新机构构型，进而打破了传统机构构型设计方法，使选型设计过渡到构型设计。其中一种便是在原型机构的基础上进行创新设计，总结归纳传统机构构型的机构特性，然后采用相应的类型综合方法进行机构运动链的型综合，确定可行的运动链型与之替换，从而产生新型机构。以履带式起重机为例，在其功能分析的基础上，基于多自由度可控机构及平面基础闭环子结构进行了机构型综合研究，并对综合出的一种九杆十一副的平面二自由度可控起重机构采用 Jacobian 矩阵法进行奇异性分析，在有效奇异位形内求解得到其理论可达工作空间，并结合具体工况进行虚拟样机轨迹仿真分析。

1 原始构型及功能分析

传统履带式起重机构均为液压系统和卷扬系统联合驱动完成任务。如图1所示，主要包括液压系统、提升机构、变幅机构、回转机构以及履带行走机构，变幅机构中的主臂由变幅马达驱动控制起重臂的起臂和落臂动作，顶部安装滑轮组，由卷扬马达驱动可完成吊钩的提升和下降动作，均采用钢丝绳传动方式。

功能分解: ①通过履带行走机构行走至工作地点; ②通过回转机构旋转起重执行机构至待工作方位; ③液压系统供油，变幅马达驱动卷筒，收放钢丝绳调整主臂的前倾和下放; ④液压系统供油，卷扬马达驱动卷筒，通过钢丝绳完成吊钩的提升和下降动作; ⑤驱动系统联合工作，抬升主臂，提升吊钩，进行货物起吊工作; ⑥通过行走机构、回转机构、液压系统和变幅、卷扬马达共同调整，将货物下放至指定地点。

此类履带式起重机过分依赖液压传动，其液压系统存在着零部件加工装配要求高、制造、维护、保养成本高、寿命不长、漏油等缺点，并且，其执行机构只有平面单自由度，轨迹单一，还需配合收放钢丝绳完成定位，无柔性化输出，已无法满足现在多变化、高精度、大范围的起重作业要求。

2 型综合

机构型综合是机构设计的重要步骤，也是机械创新设计的核心内容之一。其目的就是针对工程应用场合的工作任务，计算并枚举出可满足拓扑结构学、自由度数、运动学等作业要求的机构构型。在对传统履带式起重机功能分析的基础上，针对具体起重工况，选用转动副(R副) 和移动副( P副) 进行型综合，可获得机构构型有: 4P、1R3P、2R2P、3R1P和4R等5 种类型，如图2所示。

对于不同类型的机构，根据活动关节的连接顺序，可再细分为不同的子结构，图 3 中( a) 、( b) 、( c) 、分别为四杆机构 3Ｒ1P、2Ｒ2P 和 1Ｒ3P 类型的部分不同子结构。以 4Ｒ 结构为例，针对典型起重工况采用点输出类型或边输出类型，对闭环子结构进行型综合，如图 2( a) 、图 3( a) 、图 4( a) 、图 4( b) 所示。

3 结论

① 以履带式起重机为例，基于其原始构型及功能分析，结合多自由度可控机构，采用平面基础闭环子结构作为基础驱动单元进行执行机构单一驱动杆件的替换，衍生出一系列新型多自由闭链机构构型，将其具体化获得了一类新型多自由度闭链式结构履带式起重机。

② 以综合出的一种九杆十一副二自由度履带式起重机机构为例，采用 Jacobian 矩阵法对执行机构进行了奇异位形分析，将其控制在有效奇异位形内进行工作，结合数值算例，得到了理论可达工作空间。

③ 给出了具体运动轨迹，进行了执行机构的正、逆向运动学仿真分析。结果表明该执行机构不仅能完成常规起吊动作轨迹，还能实现连续变化的特殊工作路径，具有多轨迹灵活输出的功能。