（机械工程专业论文）混凝土拆除装置的动力学分析.pdf

硕士论文 混凝土拆除装置的动力学分析 摘要 混凝土拆除装置是一种结合高危环境特点而开发的无线遥控多功能机器人，广泛应 用于建筑、交通行业以及抢险救援等领域。由于混凝土拆除装置具有对环境适应性强、 作业范围广、操作方便灵活、工作安全可靠等优点，因此受到了广大施工单位厂家的认 可，成为朝阳产业开始迅速发展。 混凝土拆除装置主要由上车部分、下车部分、回转装置以及传动系统和控制系统等 部分所组成。论文主要研究其工作装置的设计。 混凝土拆除装置的主要功能是对混凝土的破碎。大部分工程机械发达的国家广泛采 用新方法、新技术来不断提高混凝土拆除装置的生产率和作业性能。通过专业及通用的 混凝土拆除装置工作装置的设计方法，进行工作装置的全面计算机设计。这对于我国推 动对混凝土拆除装置设计研究的发展具有重大的意义。 论文全面收集了国内外混凝土拆除装置的设计典范，参考挖液压挖掘机工作装置的 设计要求，对混凝土拆除装置的破碎工况、液压锤举升回转工况和整机移动工况进行了 分析，总结了混凝土拆除装置设计的基本要求。 混凝土拆除装置是由平面连杆机构演化而来。因此，对研究平面连杆机构运动特性 的方法进行了讨论，并据此对工作装置进行了运动分析。 对机械三维设计软件和有限元分析软件进行了详细的讨论和研究，利用 s o l i d w o r k s 三维设计出混凝土拆除装置的工作装置的模型，接着利用专业网格划分 软件h y p e r m e s h 对工作装置进行网格划分、添加材料属性。分析混凝土拆除装置破 碎混凝土的工作原理，对相应的零部件施加相应的约束和载荷。导入后处理软件 a n s y s l s d y n a 中并进行强度与刚度分析，得到整个装配体的应力与变形云图。针对 有限元分析结果，找出了各结构构件存在的问题，对不合理之处进行了改进。 最后结合试验对工作装置进行现场应力测试，将试验结果与理论计算进行比较，并对 产生的误差做了相应的分析。分析结果证明了有限元模型的建立是正确的。为改进混凝土 拆除装置设计、提高混凝土拆除装置工作的稳定性提供了理论依据。 通过本论文的研究，为混凝土拆除装置工作装置的结构优化和动力学研究奠定了理论基 础。 关键字：混凝土拆除装置工况分析平面连杆机构有限元分析 a b s t r a c t c o n c r e t ed e m o l i t i o nd e v i c ei sak i n do fw i r e l e s sr e m o t ec o n t r o lm u n i f h n c t i o nr o b o t d e v e l o p e dw i t hh i g h - r i s ke n v i r o n m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nc o n s t r u c t i o n t r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r ya n dr e s c u ef i e l d d u et ot h ec o n c r e t ed e m o l i t i o nd e v i c eh a ss 仃o n g a d a p t a b i l i t yt ot h ee n v i r o n m e n t ，aw i d eo p e r a t i n gr a n g e ，t h ec o n v e n i e n ta n df l e x i b l eo p e r a t i o n a n ds a f ea n dr e l i a b l e p e r f o r m a n c e ，i tw i n st h ef a v o ro fm a j o r i t yc o n s t r u c t i o nw o r k m a n u f a c t u r e r t h em a n u f a c t u r i n gs e c t o ri sa l s oi n c r e a s i n g l yf l o u r i s h e d c o n c r e t ed e m o l i t i o nd e v i c ei sm a i n l yc o m p o s e db yp o w e r d e v i c e ，w a l k i n gd e v i c e ，r o t a r y d e v i c e ，w o r k i n gd e v i c e ，t r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e m t h i st h e s i sm a i n l vs t u d i e s d e s i g no ft h ew o r k i n gd e v i c e t h em a i nf u n c t i o no fc o n c r e t ed e m o l i t i o nd e v i c ei s c r u s h i n gc o n c r e t e w o r k i n gd e v i c e d i r e c t l yc o m p l e t e st h et a s ko fc r a s h i n g m a n yd e v e l o p e dc o u n t r i e si ne n g i n e e r i n gm a c h i n e r y w i d e l yu s e dn e wm e t h o d sa n dn e wt e c h n o l o g i e st oi m p r o v et h ep r o d u c t i v i t ya n do p e r a t i o n p e r f o r m a n c eo fd e m o l i t i o nr o b o t b yd e s i g nm e t h o do fw o r k i n gd e v i c ei np r o f e s s i o n a la n d g e n e r a ld e m o l i t i o nr o b o lt h ec o m p r e h e n s i v ec o m p u t e rd e s i g no ft h ew o r k i n gd e v i c ew a s c a r r i e do n i th a sg r e a ts i g n i f i c a n c ei np r o m o t i n gd e v e l o p m e n to ft h ec o n c r e t ed e m o l i t i o n d e v i c ed e s i g nr e s e a r c h t h ep a p e rc o m p r e h e n s i v e l yc o l l e c t e dd e s i g nm o d e lo fc o n c r e t ed e m o l i t i o nd e v i c ea t h o m ea n da b r o a d t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h eh y d r a u l i ce x c a v a t o rw o r k i n gd e v i c ew a s r e f e r e n c e d ，t h ev a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n so fc o n c r e t ed e m o l i t i o nd e v i c ew a sa n a l y z e da n d d e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ed e m o l i t i o nr o b o td e v i c ew e r es u m m a r i z e d m o d e m d e s i g nm e t h o d b a s e do nc o m p r e h e n s i v ec o m p u t e rs i m u l a t i o nw a s p r o p o s e d c o n c r e t ed e m o l i t i o nd e v i c ec o u l db er e d u c e dt op l a n a rl i n k a g em e c h a n i s m t h e r e f o r e ， t h eg e n e r a lm e t h o do fp l a n a rl i n k a g em e c h a n i s mi sd i s c u s s e d t h ew o r kd e v i c em o t i o n 、糯 a n a l y s i sb yt h eb a rc o m p o n e n ts o l u t i o n m e c h a n i c a l3 dd e s i g ns o f t w a r ea n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ew e r ed e t a i l e d d i s c u s s e da n dr e s e a r c h e d ，t h em o d e lo ft h ed e m o l i t i o nr o b o tw o r k i n gd e v i c ew a s d e s i g n e d u s i n gs o l i d w o r k s ，t h e nw o r k i n gd e v i c ew a sd e v i s e db yt h ep r o f e s s i o n a lm e s hd i v i s i o n s o f t w a r eh y p e r m e s ha n dm a t e r i a lp r o p e r t i e sw e r ea d d e d p r i n c i p l eo fd e m o l i t i o nr o b o t c r u s h i n gc o n c r e t ew a sa n a l y z e da n dc o r r e s p o n d i n gc o n s t r a i n ta n dl o a dw a sa p p l i e do nt h e c o r r e s p o n d i n gp a r t s t h ek f i l ew a si m p o r t e dt op o s t - p r o c e s s i n gs o f t w a r ea n s y s d y n at o i i 硕士论文 混凝土拆除装置的动力学分析 a n a l y s i st h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s sg e t t i n gt h ew h o l ea s s e m b l yb o d ys t r e s sa n dd e f o r m a t i o n e c h o g r a m a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft h e s t r u c t u r ew e r ef o u n do u ta n dt h ea n nu n r e a s o n a b l ep a r tw a si m p r o v e d a tl a s t ，t h ew o r ke q u i p m e n tw a sc a r r i e do ns t r e s st e s ti ns i t uc o m b i n e dw i t ht e s t ，t h et e s t r e s u l t sa n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nw a sc o m p a r e da n de r r o rw a sc o r r e s p o n d i n ga n a l y z e d a n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h e f i i l i t ee l e m e n tm o d e le s t a b l i s h e di sc o r r e c t i tp r o v i d e s t h e o r e t i c a lb a s i sf o ri m p r o v i n gt h ed e m o l i t i o nr o b o td e s i g na n dt h es t a b i l i t yo ft h ed e m o l i t i o n r o b o t r e s e a r c hi n t h i st h e s i sl a i dt h et h e o r e t i c a lb a s i st ow o r k i n gd e v i c es t r u c t u r e o p t i m i z a t i o na n dd y n a m i c sr e s e a r c ho f d e m o l i t i o nr o b o t k e yw o r d s ：c o n c r e t ed e m o l i t i o nd e v i c e c o n d i t i o na n a l y s i s p l a n a rl i n k a g em e c h a n i s m f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i i 目录硕士论文 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 目录i v l 绪论。1 1 1 引言1 1 2 国内外混凝土拆除装置发展现状与趋势1 1 2 1 国外混凝土拆除装置发展现状及趋势2 1 2 2 国内混凝土拆除装置的发展现状及趋势2 1 3 混凝土拆除装置的研究状况3 1 4 混凝土拆除装置研制的技术原理4 1 5 本文研究主要内容8 2 混凝土拆除装置的工况分析及设计要求1 0 2 1 混凝土拆除装置的工况分析1 0 2 1 1 混凝土拆除装置破碎工况分析1 0 2 1 2 破碎锤举升回转工况分析1 2 2 1 3 混凝土拆除装置整机移动工况分析12 2 1 4 保持工况分析1 3 2 2 混凝土拆除装置设计的基本要求1 3 2 2 1 几何尺寸要求13 2 2 2 混凝土拆除装置各功能运动的动力性要求1 4 2 2 3 混凝土拆除装置结构强度要求15 2 2 4 经济型要求1 6 ， 2 2 5 其它性能要求1 6 2 3 混凝土拆除装置的主要参数1 6 2 3 1 混凝土拆除装置性能的主要参数1 6 2 3 2 混凝土拆除装置的主参数1 6 2 4 本章小结1 7 3 混凝土拆除装置运动特性分析1 8 3 1 工作装置运动特性计算方法l8 3 2 工作装置的运动分析2 4 3 2 1 大臂各特征点在大臂局部坐标系下的坐标及相关角度2 5 i v 目录 混凝土拆除装置的动力学分析 3 2 2 二臂各特征点在二臂局部坐标系下的坐标及相关角度2 6 3 2 3 三臂各特征点在三臂局部坐标系下的坐标及相关角度2 6 3 3 3 转锤液压缸、摇杆、四连杆串联机构局部坐标的转角2 7 3 2 4 液压锤各特征点在液压锤局部坐标系下的坐标及相关角度2 8 3 2 5 液压锤锤尖点s 在总体坐标系下的坐标及相关角度2 8 3 3 本章小结2 9 4 混凝土拆除装置动力学分析3 0 4 1 混凝土拆除装置的三维模型3 0 4 2 混凝土拆除装置工作装置的动力学分析3 3 4 2 1 混凝土拆除装置的数值分析3 3 4 2 2 大臂数值分析结果3 9 4 2 3 二臂数值分析结果4 0 4 2 4 三臂数值分析结果4 1 4 2 5 液压锤破碎混凝土装置数值分析4 2 4 2 6 液压锤的侵彻能力分析4 3 4 3 本章小结4 4 5 混凝土拆除装置试验研究4 5 5 1 试验目的和依据4 5 5 2 实验原理4 7 5 3 主应力问题4 9 5 3 1 主平面和主应力的概念4 9 5 3 2 平面应力状态下的应变分析5 0 5 3 3 应变分析在工程中的应用5 0 5 4 各测点在特定工况下的应力变化5 1 0 5 测试数据处理与分析5 2 5 6 本章小结5 4 6 结束语5 5 6 1 总结5 5 6 2 研究展望5 6 致谢。5 7 参考文献5 8 作者在攻读硕士学位期间撰写及发表的论文。6 1 v 硕士论文混凝土拆除装置的动力学分析1 绪论1 1 引言随着的科学技术发展及工业生产的进步，机器人的应用领域由原先的搬运、焊接等作业逐渐扩展到核能源利用、海洋资源探测等环境以及航天、军事和抢险救灾等领域。混凝土拆除装置是一种遥控多功能型作业机器人，其基于高危环境特点而开发广泛应用于建筑行业和冶金矿业中的各种拆砖、打壳、拆除及破碎。作为一种远程遥控的大功率作业机器人，混凝土拆除装置有其独特的技术特征，其在设计制造中集合了传感技术、遥控技术、液压振动技术、仿生技术于。更由于混凝土拆除装置具有有效的安全可靠性、灵活的工作性能及其对劳动生产率的提高所发挥的推动作用，而受到了越来越多的施工单位的青睐，有着巨大的推广应用前景【l j l 2 】。工作装置是混凝土拆除装置直接完成拆除破碎任务的部件，是其极其重要的组成部分。由于混凝土拆除装置的工作环境非常恶劣，虽然采取了许多措施，但在实际工作中，工作机构还是会遇到很多机械振动及其磨损，严重时甚至会出现拉缸、断裂、液压系统坏损以及翻车等现象。所以，机械的设计制造部分尤为重要。而当今国内在设计开发时，手段仍以测绘类比为主，采用初等材料力学方法进行强度计算，并且尚未对混凝土拆除装置结构部件进行相对合理的强度试验，缺乏对混凝土拆除装置结构部的应力分布情况的定量了解。拆除机械作业时外载荷复杂且多变，在进行设计时传统的材料力学方法很难满足需要。混凝土拆除装置工作装置的构件主要是由钢板件焊接而成，结构较为复杂。在以往的设计工作中由于对构件的刚度、强度无可靠的计算方法，所以在结构设计中存在着较大的盲目性。而今，有限元法为复杂结构构件的合理设计提供了有效而实用的分析计算基础，使得设计人员在设计阶段过程中就能全面地分析各构件的力学特性，以达到缩短研发周期和节约研制费用的目的。混凝土拆除装置破碎混凝土的过程是由机械手臂的油缸之间相互作用以及液压锤与混凝土相互撞击来完成的。该过程情况复杂且载荷多变，只有通过计算机才能对其工作装置进行有效的数值分析。因此，计算机仿真技术是研究混凝土拆除装置的重要手段，是推动混凝土拆除装置发展的重要一环。1 2 国内外混凝土拆除装置发展现状与趋势混凝土拆除装置是一种带有液压锤，具有远程遥控功能可以进行拆除破碎任务的工程型机器人。它涉及到多方面关键技术，包括机械设计与制造、电子电工技术、计算机原理、网络程序设计、传感器、自动控制、数字信号处理、优化设计、人工智能、机器 1 绪论硕士论文 人学等。随着社会的发展与进步以及知识经济的飞速运转，人们更加重视生命的安全和 体魄的健康，而人力劳动的成本也在在逐年升高，因此世界各国都尽力研究发展高新技 术，而混凝土拆除装置作为其中的重要技术分支而备受重视【3 】。 1 2 1 国外混凝土拆除装置发展现状及趋势 混凝土拆除装置是在2 0 世纪7 0 年代由布鲁克公司首次研发、生产成功的，到目前 为止经历了4 0 余年的发展，发展速度非常迅猛，应用范围也在逐步扩大，在建筑拆除、 抢险救援、水泥、冶金、核能等行业均有应用。现在，欧美等发达国家已将混凝土拆除 装置视为高新技术产业中一种新兴的产业，正在朝着标准化、系列化、多功能化等方向 发展 4 1 。 在目前处于世界领先地位的遥控混凝土拆除装置生成厂商当属瑞典的布鲁克。布鲁 克生产的混凝土拆除装置主要是b r o k k 系列的五种型号，包括b r o k k 5 0 、b r o k k 9 0 、 b r o k k l 8 0 、b r o k k 2 5 0 、b r o k k 3 3 0 。其中的b r o k k 型混凝土拆除装置是欧美市场 上应用最广泛的一种拆除设备，其结构紧凑、质量轻、冲击能量大；其机械臂设计为三 节臂结构，动作非常灵活，可以做到精确拆除。瑞典布鲁克公司生产制造的混凝土拆除 装置有如下特点： ( 1 ) 可通过控制面板进行无线有线操作，便于控制； ( 2 ) 噪音小，粉尘少，无尾气排放； ( 3 ) 重量轻，功率大，作业范围比较广； ( 4 ) 2 1 2 作成本较低，维护保养简单； ( 5 ) 灵活方便，能够在狭小空间工作； ( 6 ) 能够快换多种工具头( 包括铲斗、液压夯、液压剪等) ； 除布鲁克公司之外，全球还有几家著名的公司从事混凝土拆除装置的研发生产，包 括德国的t o p t e c 公司、芬兰的f i n m a c 公司。 1 2 2 国内混凝土拆除装置的发展现状及趋势 我国从上个世纪9 0 年代开始在工程旅工中从国# l - 弓l 入混凝土拆除装置产品，如： 太原钢铁公司利用混凝土拆除装置做拆包和炉e l 清理，河北冀东水泥厂引进其用于回转 窑拆砖等等。由于引进的混凝土拆除装置在提高作业效率、改善作业环境等方面成绩显 著，所以立即引起国内对建筑拆除破碎方式的改革。国内上海交通大学、北京石油化工 学院、北京航天航空大学等大学研究机构均研发了排险机器人。其中，上海交通大学研 制的排险机器人移动载体采用6 轮前摆臂机构，取消了后摆臂结构和履带，工作执行装 置可设置机械手或铲斗。 目前，国内混凝土拆除装置专业生产厂商只有安徽惊天液压公司，其拥有独立自主 硕士论文混凝土拆除装置的动力学分析 的知识产权，研发的混凝土拆除装置主要用于拆除作业，整台装置由履带行走机构、回 转机构、工作机构、液压支腿、液压破碎锤及动力系统、液压系统、电气控制系统、无 线遥控系统、遥控摄像远程监视系统、强制冷却系统及照明系统等组成【5 】【6 1 。 1 3 混凝土拆除装置的研究状况 混凝土拆除装置是冶金、水泥、建筑、交通行业以及抢险、救援领域中应用广泛的 施工装备。通常其工作的环境比较恶劣：地质复杂、载荷多变、大气条件差。并且由于 长时间处于高负荷的工作中，所以对机械构件的抗疲劳性要求极高，特别是其工作装置 部分常受到频繁变化的大载荷冲击，因此，需要对其结构安全性更要进行严格的验证r 7 1 。 目前，国内混凝土拆除装置专业生产厂商与相关研究工作均比较少。国外关于应用 于拆除工作的机器人研究也比较少，仅有瑞典在这方面的研究比较广泛。由于混凝土拆 除装置工作装置与挖掘机工作装置相似，且国内外对挖掘机工作装置的研究技术已经非 常成熟，所以对混凝土拆除装置工作装置的研究主要借鉴挖掘机工作装置的研究方法来 进行研究。如今，数值分析技术随着计算机科学技术的发展而不断进步，液压挖掘机和 混凝土拆除装置在研发设计过程中也开始广泛应用数值分析技术，各国学者在此方面也 做出了大量的研究与探索工作。 1 9 9 8 年，英国d i m a i o ，s p 等人建立了挖掘机仿真器，在方便对操作环境设计和重 载液压机械系统的验证和评估等方面做出了贡献。仿真器的组成部件主要有挖掘机的铲 斗模型、斗臂模型、地面间的相互作用模型、图表环境和人机交互界面等【引。 2 0 0 1 年，日本学者h a g a , m 研发出一种自动挖掘控制系统，以此控制挖掘深度，为 减少液压挖掘机重复挖掘，提高了工作效率做出了贡献【9 】。 2 0 0 1 年，浙江大学的丁国富与浙江大学机械设计研究所共同合作，利用c a d 软件 p r o e 、动力学仿真软件a d a m s 、有限元分析软件p a t r a n 以及n a s t r a n ，将不同 工作组的并行工作集成到虚拟样机中，进行对液压挖掘机虚拟样机的实现方法和技术的 研究【1 0 1 。 2 0 0 3 年，江苏大学丁华与朱茂桃等人利用c a d 软件p r o e 对液压挖掘机的大臂进 行三维建模，采用了经典弹性力学方法对铰销间接触载荷进行处理，对其大臂典型工况 进行数值分析计算，并结合其工作装置的静强度试验结果进行对比分析，提出改进措施 i n o 2 0 0 3 年，长安大学的刘学本根据挖掘机作业的特点，利用三维软件建立了六种不同 姿态的三维有限元模型，用a n s y s 软件对液压挖掘机的工作装置整体进行了模态、静 强度和动力学分析。是工作装置有限元分析的又一重大突破【1 2 】。 2 0 0 6 年，同济大学的李永旭、刘钊等人针对液压挖掘机工作装置的设计要求，开发 1 绪论硕士论文 设计出液压挖掘机工作装置的通用分析软件t j c m d s t l 3 j 。 2 0 0 8 年安徽工业大学的宋曙平用a n s y s 软件建立了混凝土拆除装置的有限元模 型，对铰销间接触载荷处理是采用了经典弹性力学方法，对其工作装置的不同工况进行 了模拟仿真，与工作装置的强度试验结果进行分析对比，验证了仿真的可靠性，并提出 了改进意见【1 4 j 。 根据挖掘机工作装置的研究方法以及以前学者对混凝土拆除装置的论述，本文对混 凝土拆除装置的工作装置进行了运动分析并借助s o l i d w o r k s 软件建立混凝土拆除 装置三维模型，在h y p e r m e s h 中前处理，最后导入l s d y n a 中进行有限元分析。 利用数值分析与试验相结合的方法对其工作装置进行了动态性能的研究，更对其辅助设 备液压锤的破碎情况进行了研究。探讨了混凝土拆除装置工作装置结构的设计规律，为 混凝土拆除装置的设计及优化提供参考。 1 4 混凝土拆除装置研制的技术原理 混凝土拆除装置属于特定领域的技术集成【1 5 】【1 6 1 。它采用了遥控摄像机进行远程监视 技术，对被拆除体进行远程监视，无线遥控操作。混凝土拆除装置系统主要由以下部件 结构组成：机架、履带行走机构、回转机构、工作机构、液压支腿、拆除机具及动力系 统，液压系统、电气控制系统、无线遥控系统、遥控摄像远程监视系统、强制冷却系统 以及照明系统，其系统组成如下图1 1 所示。大臂、二臂、三臂和液压破碎锤均由液压 缸驱动，它们之间以销轴连接。在大臂、二臂、三臂连接的销轴上分别安装了角度传感 器，用以检测他们之间的相对位角。 4 图1 1 混凝土拆除装置系统组成图 碎锤 硕士论文 混凝土拆除装置的动力学分析 图1 2混凝土拆除装置实体图 ( 1 ) 机械本体系统 主要由以下部件构成：机架、回转机构、机械臂机构、腕部机构、工具头( 液压夯、 液压锤、液压剪、铲斗等) 、行走机构和工作支腿。 车身分为上、下车身两个部分，其为箱体结构。上车为回转机构，内部主要装载电 液比例换向阀组、平衡阀、合流阀、摄像机以及无线视频发射系统等。下车内部装载控 制系统、动力系统、冷却系统、无线通信系统以及液压系统等，车身两侧通过铰链与行 走机构相联。上车与下车之间的液压通道及电控信号经过中心回转接头连通。 为了提高混凝土拆除装置在各种复杂路况下的道路通过性以及行走稳定性，采用履 带行走机构，主要由履带梁、履带板、主动轮、导向轮、承重轮、托轮、履带张紧装置 和行走液压马达等主要部件组成。在履带梁上设有联接装置，同机架联接。在工作时， 左右两个液压马达分别驱动，其本身均带有制动器，若左右两履带同速，则混凝土拆除 装置可直线移动；若左右履带速度各不相同，混凝土拆除装置将会改变行进方向。混凝 土拆除装置为保证其行走安全性，在制动刹车或者发动机熄火的状态下，制动器会自动 抱紧回转马达，使其处于静止状态。 混凝土拆除装置的回转机构主要是由回转平台、回转支架、马达、回转接头等组成。 回转支承的动圈与回转平台相联，定圈与下车固联。通过固定在回转平台的回转马达驱 动回转机构与多关节机械臂等部件做3 6 0 度回转。 大臂、二臂、三臂以及相应的液压油缸组成了多关节机械臂，其整体为串联的可 变三角形机构，具有三个转动自由度。混凝土拆除装置的三臂末端与连杆机构固联。 1 绪论硕士论文 机器人手腕为一种新型的具有2 个自由度的机械构件，利用直线液压缸和回转马达 对液压锤或液压剪等工具头进行偏摆和回转动作，并可通过万向快接装置与液压锤、液 压剪、液压抓手、液压夯等不同工具头进行快速接换。 通过控制回转马达的角位移和各液压油缸的行程，机器人可以在有障碍物的工作空 间内多姿态、全方位地执行钻孔、剪切、打桩、挖掘等多拆除、破碎任务，在工作时灵 活性很高，作业空间大有很强的环境适应性。 为了增加混凝土拆除装置的接地面积，保证混凝土拆除装置的工作稳定性，车身前 后共装有四个液压支腿，在正常或行走工况是液压支腿收回，在工作时，通过对油缸行 程的控制以确保工作的稳定性。四个液压前后各两只，呈对称布置。液压支腿为焊接结 构，为防止液压腿回落其油路中装有双向液压锁。两个前支腿和两个后支腿由两个阀片 控制( 一片阀控制两个支腿) 。支腿通过螺栓与机架相 ( 2 ) 动力系统 动力系统为混凝土拆除装置的运作提供动力，根据不同的使用要求和外部环境条件 可以选择配置电动驱动或者柴油驱动。它主要由配电箱( 包括接触器、启动器、继电器、 整流器、小型变压器，各种保护装置，开关、按钮及通用电器元件) 和电动机组成。电 动机装在机架内，动力配电箱固定在机架的前端。 ( 3 ) 液压系统 液压系统为混凝土拆除装置的拆除拆工具( 液压锤、液压剪等执行机构) 的工作及 其行走提供驱动力。液压系统主要由主泵和主换向阀、液压马达、油缸及安全阀、减压 阀、平衡阀及其液压元件组成。主泵及电机、油箱、安全阀、减压阀、油冷却器安装在 机架的箱体内。主换向阀分成两大部分安装：控制行走及支腿油缸的共四片主阀，安在 机架内部。控制回转，大臂油缸，二臂油缸，三臂油缸，转锤油缸及液压锤的共5 片主 阀，安装在转架上。油源是由主泵经中心回转接头给主阀供油，总回油路再经中心回转 接头回到机架中的油箱内。 由于系统的流量和压力的变化均受负载传感信号的控制，因此其控制灵敏度较高； 同时采用的电液比例阀基于负载感应原理，在调速时，通过节流1 3 的流量不受负载变化 的影响而只与其面积有关，因此调速更加准确、平稳、迅速，且多缸在复合动作时，可 以互不影响地实现同步动作，因而混凝土拆除装置的整体操作性能比较好。 ( 4 ) 传感系统和电液比例控制系统 混凝土拆除装置采用电液比例系统对其液压系统进行控制，电液比例控制系统组成 部分有执行机构、比例阀、控制器、控制手柄和驱动电路。控制信号由遥控手柄产生， 可以通过控制比例阀以此控制换向阀，进而控制液压缸的速度。 遥控手柄主要由有线无线信号接收转换系统、万向( 双摇杆) 有线无线信号发射 系统即遥控器组成。遥控器可以很方便的放在工作台上或者系在工作人员的腰间，接收 6 硕士论文混凝土拆除装置的动力学分析 天线通过磁座安装在机体外部，接收器安置在机架内，遥控器的控制面板如图1 3 所示。 图1 3 遥控手柄的控制面板 ( 5 ) 通信系统 混凝土拆除装置必不可缺的功能是通信，通信更能可以传递机体内与机体外的信 息，实现人机交流。由于混凝土拆除装置工作环境的错综复杂性，所以其采用了局部自 知与人工遥控相结合的控制模式。施工单位可以根据具体的拆除任务的环境以及工作的 需要在无线和有线的通信方式中进行切换。 混凝土拆除装置采用c a n 总线通信模式作为其通信系统，有极其优良的响应特性。 混凝土拆除装置的整个通信系统由蓝牙通信技术以及红外线遥控技术建立集成。通信系 统的硬件结构图如下图1 4 所示。 图1 4 通信系统的硬件结构图 ( 6 ) 全向无线视频与状态监控系统 混凝土拆除装置采用虚拟仪表技术，通过监控系统对其运作进行监视与控制。远程 1 绪论硕士论文 监视系统主要由遥控摄像机、图像传输、图像接收及显像等机件组成。当混凝土破碎装 置进入高温，高辐射等高险情的地域工作时，操作人无法靠近险区操作可借助于本系统 进行监视，操作混凝土拆除装置工作。全向无线视频监控原理如图1 5 所示。 菠掰天线会内接收天线 团一囤 图1 5 全向无线视频监控原理图 ( 7 ) 强制冷却系统 混凝土拆除装置常处于高温环境下工作，为了保证其工作稳定性，电控系统和液控 系统都需要使用强制冷却系统。强冷却器可使液压系统冷却，控制箱可以调节电器控制 系统的温度、湿度进而使其冷却。 1 5 本文研究主要内容 混凝土拆除装置的辅助破碎工具种类繁多，论文主要研究以液压锤作为直接破碎工 具的混凝土拆除装置，深入探讨其主要工况和基本设计技术，运用平面连杆以及坐标系 转换的理论对其进行运动特性分析。应用c a d 软件s o l i d w o r k s 三维建模，在 h y p e r m e s h 软件中进行前处理，导入a n s y s l s d y n a 软件中做动力仿真。比较仿 真结果与试验结果，验证仿真的可靠性，为混凝土拆除装置工作装置的设计提供一定的 参考价值。 本文主要内容有： ( 1 ) 研究混凝土拆除装置的设计要求。对混凝土拆除装置一个工作循环中的破碎工 况、卸载回转工况两个工况进行深入探讨，系统地总结各个不同执行机构在各个不同工 况下的主要复合作业方式。依据混凝土拆除装置的主要工作特点，系统的总结混凝土拆 除装置的基本设计要求，包括结构强度要求、运动学要求、力学要求、经济性要求，并 对各种要求分别进行详细研究。 ( 2 ) 利用平面连杆机构对混凝土拆除装置进行运动分析。对研究工作装置运动特性的 基本计算方法进行详细探讨。利用坐标解析法结合液压缸摇杆机构与四连杆机构的串联 研究混凝土拆除装置工作装置的平面运动轨迹。 ( 3 ) 对混凝土拆除装置的动力特性进行数值分析。基于三维通用软件 硕士论文 混凝土拆除装置的动力学分析 s o l i d w o r k s ，建立混凝土拆除装置的三维模型。在h y p e r m e s h 中对模型进行包括 几何处理的前处理，导入l s d y n a 中做动力分析。 ( 4 ) 混凝土拆除装置的试验研究。对混凝土拆除装置工作装置关键部位进行强度试 验，将试验结果与仿真结果对比，验证仿真的可靠性。 9 2 拆除机器人工作装置的设计要求硕士论文 2 混凝土拆除装置的工况分析及设计要求 混凝土拆除装置包括回转底座、大臂、二臂、三臂、液压锤以及相应的液压油缸和 摇杆、连杆、销轴等零部件。要掌握混凝土拆除装置的设计方法，首先要分析其工作过 程及其作业要求。 2 1 混凝土拆除装置的工况分析 混凝土拆除装置主要功能运动包括以下动作：液压支腿伸缩、整车行走、转台回转、 大臂升降、二臂升降、三臂伸缩、液压锤破碎及收回以及其他辅助功能( 如整车转向等) 。 其主要功能动作如图2 1 所示。 混凝土拆除装置的典型工作流程： 整机移动到合适的工作位置( 如有需要，伸出液压支腿其固定作用) 。 回转平台，将工作装置移动至( 混凝土等) 需破碎位置。 大臂下调，并调整二臂、三臂、液压破碎锤到达合适的位置。 液压破碎锤进行破碎作业。 二臂升起，调整二臂、三臂、液压破碎锤到达下一处需破碎位置。 疆 图2 1 混凝土拆除装置的工作运动简图 1 大臂升降2 二臂升降3 三臂伸缩4 液压锤破碎 5 整车行走6 转台回转7 液压支腿伸缩 2 1 1 混凝土拆除装置破碎工况分析 液压锤破碎混凝土的工作原理【1 7 】【1 8 】：如图2 2 所示，在液压锤体中，a 1 的油压面 1 n 硕士论文混凝土拆除装置的动力学分析 积大于a 2 的油压面积，当a 1 油压面受到的压力从高压变为低压时( a 2 油压面一直受 到高压) ，a 2 油压面受到的压力大于a 1 油压面受到的压力。活塞受到向上的压力开始 上升，上缸体氮气室内的氮气受压开始蓄能。 初始时，活塞杆底面与钎杆接触，阀1 0 位于其下端。a 1 油压面受到的压力为低压， a 2 油压面与a 3 油压面受到的压力均为高压，而a 4 油压面一直处于低压状态。a 4 面 所在的低压腔与活塞杆两侧的转换腔连接，转换腔所在油压面a 5 此时所受油压为低压， 因此在活塞杆向上升动前缸体转换腔受低压。又a 3 面积大于a 4 面积且二者受到油压 均为高压，所以此时阀受到向下的作用力。高压油进入缸体下腔使活塞上升，此时活塞 转换腔的油压并没有改变，高压氮气受压开始蓄能。 当活塞运动到中部时，缸体转换腔与下腔连接，缸体转换腔受高压。此时，油压面 a 3 、a 4 、a 5 受到的压力均为高压且油压面a 4 与油压面a 5 的面积之和大于油压面a 3 的面积，因此阀受向上的作用力，阀在该向上力的作用下向上升起。活塞杆升至最高点， 高压氮气受压蓄能到最大值。 活塞杆向下运动时，活塞转换腔与阀内高压腔相连接，缸体上腔受高压。油压面 a l 的受压面积大于油压面a 2 的受压面积又二者均受高压作用，所以活塞杆受到向下作 用力。与此同时高压氮气释放储蓄的能量使活塞杆上端面受到向下作用力，活塞迅速向 - 一 卜还动。 在活塞杆受力向下运动之前，缸体转化腔与低压腔相连接，此时油压面a 5 受到的 压力为低压。油压面a 3 受压面积大于油压面a 4 受压面积兼且二者均受高压，阀受到 向下作用力。在阀向下运动时，活塞杆下端面冲击钎杆上端面。活塞杆冲击钎杆后，活 塞重新开始向上运动。 液压破碎锤顺次完成以上冲程直至活塞撞击其打击对象为止就算完成一次冲击工 作。 液压锤破碎工况分为以下两种： ( 1 ) 液压锤破碎工况：转锤油缸单独运作破碎混凝土的工况。转锤油缸控制液压 锤单独进行破碎，多用于破碎混凝土、岩石，定点破碎，适用效果好，此种破碎工况使 用最为广泛。 ( 2 ) 三臂破碎工况：由混凝土拆除装置的三臂液压缸单独运作进行的破碎工况。 采用三臂液压缸常用于清除障碍，大面积的破碎以提高生产率，广泛使用于桥梁、建筑 拆除。 2 拆除机器人工作装置的设计要求硕士论文 图2 2液压破碎锤工作原理示意图 1 氮气室2 中缸体上腔3 中缸体低压腔 4 中缸体转