党永强

摘要：煤矿巷道施工机械领域采用液压扒斗式装载机技术，可以加快施工速度、降低工人的劳动强度，而且在巷道、隧道、水电涵洞等施工方面具有广阔的应用前景。本文采用现代设计理论和方法对液压装载机工作机构进行运动仿真研究。论述了扒斗式装载机工作机构特点，通过机构分析，归纳出了斗齿尖的运动方程。对扒斗式装载机工作机构进行了三维建模，并进行了虚拟装配。在三维建模的基础上对扒斗式装载机的工作机构进行了运动仿真并对关键点斗齿尖的轨迹曲线进行了绘制。本文内容为新型装载机的研制提供了理论基础，具有重要的工程实际意义。

关键词：扒斗式装载机;运动分析;运动仿真

中图分类号：E923.39                                   文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）08-0062-02

0  引言

目前岩巷施工主要使用上面提到的装载设备，其各有优缺点，但都不能同时具备连续装载、运输、清理等功能[1]。在目前“高产高效矿井”的要求下，如何在安全的条件下提高巷道施工速度，提高矿井建设的效率，已是迫在眉睫的问题。应用高效新装岩设备可以提高掘进速度，减轻工人劳动强度，改善现场劳动条件[2，3]。本文针对扒斗式装载机工作机构进行了三维建模、并进行了虚拟装配。在三维模型的基础上对工作机构进行了运动仿真，绘制了斗齿点的运动曲线，为装载机工作机构提供了设计模型及参数设计方法。本文研究实现了从二维图纸设计向三维模型设计的参数化、集成化设计。为新型装载机的研制提供了理论基础，具有重要的工程实际意义。

1  工作机构设计

扒斗式装载机是前面扒取物料，在设备后方卸载，采用分层扒取物料的施工工艺，行走方式为履带式。可连续将矸石集中、扒取、输送到梭式矿车或其它运载设备上。主要特点为：①煤、岩皆可装载，适用于煤巷、岩巷和地面煤场，也可用于井底水仓清理。②集装载、运输、行走于一体的全液压装载设备，后配套方式灵活合理。还能和矿用车、刮板运输机及带式运输机等矿用运输设备进行配合使用。③可在高瓦斯矿井巷道使用，依靠液压方式控制，履带行走距离短。其可作为钢丝绳耙斗装岩机、侧卸式装岩机、装煤机的替代品。④采用履带行走，机动灵活，扒斗能够左右摆动，扒掘范围大，装岩宽度受限制小，可以全断面装岩，不留死角，对巷道断面有很强的适应性。⑤扒斗部分可对大块落料二次破碎，便于装载。⑥裝载平稳、不洒料，高效、连续性强，是全液压钻眼台车的最佳配套设备，机械化程度高。

扒斗式装载机的工作机构能够实现挖掘动作的执行，是整机功能实现的执行部分。扒斗式装载机的工作机构是包括以下三个主要组成部分。包括动臂结构、斗杆结构以及扒斗结构，并且三个部分依靠铰连接进行组装。而对于三个组成部分功能的实现，需要液压驱动原件给予动力。为满足现场施工的需求，还能配合矿用车、刮板运输 机及带式运输机等矿用运输设备进行配合使用。工作机构执行工作指令时，通过控制液压驱动原件中的阀体，即可实现执行机构能够在±45°范围内执行挖掘任务。待挖掘任务完成之后，动臂结构与斗杆结构执行动作，将物料运输至装载部分。然后，装载部分再将物料进行二次装载，进行运输。

扒斗式装载机工作机构简图如图1所示。工作机构主要有6个组成部分，包含扒斗8、连杆7、曲柄6、斗杆4、动臂2以及动臂油缸1、斗杆油缸3、扒斗油缸5三组液压缸等部分。工作机构动臂部分通过铰连接与装载机转台相连。工作机构通过控制动臂液压缸动作，实现动臂及工作机构整机进行运转。通过扒斗油缸动作，实现斗杆能够环绕动臂进行旋转运动。扒斗安装于斗杆部分的前端，通过控制扒斗油缸与连杆动作，进而实现扒斗动作的执行。

扒斗式装载机工作过程中，首先通过控制转台旋转，实现工作机构停留在所需挖掘位置。通过控制动臂液压缸动作，实现动臂及工作机构整机进行运转。通过扒斗油缸动作，实现斗杆能够环绕动臂进行旋转运动。扒斗安装于斗杆部分的前端，通过控制扒斗油缸与连杆动作，进而实现扒斗动作的执行。

扒斗式装载机工作过程中，因待装物料情况、堆集物料面等条件不同。因此机构中三种液压缸在执行挖掘动作时，三者的配合是多样且灵活的。工作时，典型的挖掘工况有扒斗扒掘、斗杆扒掘、联合扒掘三种。扒斗扒掘工况采用扒斗油缸单独进行扒掘，常用于清除障碍以提高生产率;斗杆扒掘工况采用斗杆油缸单独进行扒掘。在联合扒掘 工况当中，扒斗油缸与斗杆油缸需要进行复合动作进行挖掘。正常工作时以斗杆扒掘为主，扒斗扒掘为辅。

装载机工作机构的动臂与斗杆均是变截面的箱梁结构，扒料斗是采用钢板焊接而成。各油缸可被看作是只承受拉压载荷的杆。为了研究方便，可以对工作机构进行适 当简化处理。

2  工作机构运动学分析

工作机构中，扒斗直接接触工作面，它执行了类似人的手部扒掘的运动，采用了类似机械手的机构，扒斗位置参数是动臂油缸的长度L1、斗杆油缸的长度L2和扒斗油缸的长度L3的函数。下面针对斗齿尖进行运动学分析，运动计算简图如图2所示。

齿尖处，CQ 连线与水平线夹角，有如下关系式：

CQ连线在水平线之上，ψ1为正，反之为负。最终可以得到：

3  工作机构运动学仿真

运动学仿真基于三维模型，本文采用Pro/Engineer 软件对其工作机构进行三维实体建模，并进行了虚拟装配。运动仿真利用计算机方法，模拟各种作业过程，将各作业时的真实状态反映出来，并检查干涉情况和分析构件在作业过程中的载荷与强度状况。仿真流程介绍如下：若想实现工作机构的运动学仿真，首先需要按照实体进行三维模型的构建，并且所建模型需符合实际工况要求及尺寸要求。待模型建立完成之后，对之进行相关问题研究的方法，以便分析要研究的内在特性、运行规律、相关关系。

由于本文直接采用Pro/Engineer软件对其工作机构进行三维实体建模及装配，因此，结合Pro/Engineer软件的综合特性，可直接采用Pro/E各功能模块进行仿真，可有效地避免模型导入其他分析软件中模型特性不兼容问题的出现。通过Pro/E功能模块软件进行工作机构的静态及动态仿真分析，可实现对运动机构路径轨迹、所需变量及各参数表格等参数的输出。依据仿真分析结果，可为相关设计提供所需要的可靠依据。

实现运动仿真，工作机构应在设定的条件实现相应的功能。针对装载机复杂的工况需求，在对工作机构进行结构设计过程中，首先需要满足工作机构的强度与刚度要求。除此之外，以下几点要求还需进一步的考虑。首先，工作机构在预设的工作条件下还需将其构造成几何可变结构。其次，在完成工作循环中全部功能的每个位置，都应实现各对应位置的相关功能。扒斗安装于斗杆部分的前端，通过控制扒斗油缸与连杆动作，进而实现扒斗动作的执行。在对机构进行运动仿真过程中，首先，需要进行运动干涉的检验，保证工作机构能够正常运行。其次，工作机构需要按照额定需求满足各种动作的实现[4]。

采用 Pro/Engineer软件的机构（Mechanism）模块实现运动仿真。在Pro/Engineer的“机构（Mechanism）”模块中，可在设计好参数后，由计算机进行一个机构的机械运动仿真，还可以将其结果输入到Pro/MECHANICA中，以便于用户进行进一步的力学分析与处理。并且，用户通过“回放”功能来捕获运动图像，将“机械模型”创建一个动 画序列[5]。使用约束条件将固定关系的零部件装配，再将运动的零部件进行装配，再进入机构模块，运用手工拖拽零件试验装配，再进行参数设置，添加伺服电动机，最后进行分析及仿真，输出分析結果。

利用 Pro/Engineer 进行干涉检验非常方便，充分体现了计算机虚拟设计及虚拟装配的优越性。进行运动干涉仿真的主要目的是分析工作机构连杆机构在执行运动指令时，可能出现的运动干涉及“死点位置”。此命令是确保工作机构正常执行命令的基础。由于工作机构的干涉问题较为复杂，单独在图纸上模拟分析耗用较多时间，这在设计中是一个繁琐且迫切需要解决的难题。

现有的干涉检验方法是通过分析各杆件的长度是否存在尺寸干涉，并将利用各杆件绘制成图进行检验。此方法存在检测效率度、检测精度低的缺陷。相对来讲，在使用 Pro/Engineer进行运动仿真分析过程中，运用软件动态运行命令可自动检测各杆件在运动过程中存在的干涉问题。操作简单有效且精度较高。

4  结束语

本文采用现代设计理论和方法对液压装载机工作机构进行运动仿真研究。论述了扒斗式装载机工作机构特点，通过机构分析，归纳出了斗齿尖的运动方程。对扒斗式装载机工作机构进行了三维建模，并进行了虚拟装配。在三维建模的基础上对扒斗式装载机的工作机构进行了运动仿真并对关键点斗齿尖的轨迹曲线进行了绘制。本文内容为新型装载机的研制提供了理论基础，具有重要的工程实际意义。

参考文献：

[1]余志鹏.矿用装载机连杆机构研究与优化设计[J].机械工程师，2020（10）：133-134，137.

[2]尹文兴.装载机工作装置机构—结构分析与设计研究[D].天津大学，2016.

[3]王菊.装载机工作装置机构创新设计方法的研究[D].大连理工大学，2012.

[4]郭卫，李富柱，薛武. 基于 Pro/Engineer软件的装载机工作装置虚拟样机与仿真分析[J]. 工程机械，2005（3）：31-34.

[5]戴国洪，孙奎洲，张友良.基于 Pro/ Engineer 的装配过程动态仿真与干涉检验[J].机床与液压，2003（6）：64-66.