CN103132550B - 一种离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机 - Google Patents

Abstract

一种离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机，包括多自由度连杆机构、内燃机及传动装置。该机由内燃机驱动，内燃机通过传动装置将动力分配给多自由度连杆机构的各主动杆，通过对传动装置中离合装置、换向装置的人工操作，可实现各主动杆均以定速驱动的状态，也可实现某些主动杆静止、其它主动杆定速驱动的状态。在几种各主动杆驱动状态的配合作用下，实现其动臂抬升支链、斗杆摆动支链、铲斗翻转支链相互配合运动，使铲斗按照操作者的意图实现可变化的复杂运动轨迹，完成各种复杂挖掘作业。该机避免了液压式挖掘机液压元件制造成本高、维护保养复杂的缺点，也避免了采用控制电机驱动多自由度连杆机构各主动杆时受到的电力供应限制，方便野外施工。

Description

一种离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机

技术领域

本发明涉及工程机械领域，特别是一种离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机。

背景技术

挖掘机是一种常见的工程机械，主要用于各种土方施工中。其中液压挖掘机是应用最广泛的一类挖掘机，但是液压系统制造成本高，易出现漏油等问题，这些都是液压式挖掘机长期存在的棘手问题。而传统单自由度机械式挖掘机，俗称“电铲”，只能实现简单且不能变化的轨迹输出，因此不能像液压式挖掘机那样在广泛的领域获得应用。

随着电机技术的发展和控制技术的提高，可控机构为工程机械提供了广阔的发展空间，由控制电机驱动的多自由度可控机构不仅具有工作空间大、动作灵活、可完成复杂和可变的运动轨迹输出，同时还具有制造成本低，维护保养简单等优点，可控机构式挖掘机由于用多自由度连杆机构取代了液压传动，避免了液压系统加工精度要求高，维护保养成本高，容易产生漏油等问题，但是，可控机构式挖掘机主要依靠多自由度的连杆机构工作，以往对多自由度连杆机构进行驱动，往往需要用多台伺服电机对各个主动杆分别进行驱动，易受电力供应限制，较难适应野外施工作业，这些缺点对多自由度可控机构在工程机械领域的应用有一定制约。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的问题提供一种离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机，实现单一定速运动输入，复杂和可变的运动轨迹输出，即用一台内燃机实现对挖掘机构的驱动，同时克服电力供应的限制，满足野外施工需要，提高复杂恶劣条件下控制系统的可靠性。

本发明通过以下技术方案来达到上述目的：

一种离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机，包括机架、动臂抬升支链、斗杆摆动支链、铲斗翻转支链、铲斗、内燃机以及传动装置。

所述动臂抬升支链由动臂、第一主动杆、第一连杆组成，所述动臂通过第一转动副与机架连接，所述第一主动杆一端通过第二转动副与机架连接，另一端通过第三转动副与第一连杆，第一连杆通过第四转动副与动臂连接。

所述斗杆摆动支链由第二主动杆、第二连杆、第一支撑杆、第三连杆、第二支撑杆、第四连杆、斗杆连接，所述第二主动杆一端通过第七转动副与机架连接，另一端通过第八转动副与第二连杆连接，所述第二连杆通过第九转动副与第一支撑杆连接，第一支撑杆通过第一转动副与机架连接，所述第一支撑杆通过第十转动副与第三连杆连接，第三连杆通过第十一转动副与第二支撑杆连接，第二支撑杆通过第五转动副与动臂连接，所述第二支撑杆通过第十二转动副与第四连杆连接，第四连杆通过第十三转动副与斗杆连接，斗杆通过第六转动副与动臂连接，所述斗杆通过第十五转动副与铲斗连接。

所述铲斗翻转支链由第三主动杆、第五连杆、第三支撑杆、第六连杆、第四支撑杆、第七连杆、第五支撑杆、第八连杆、第九连杆、第十连杆组成，所述第三主动杆一端通过第十七转动副与机架连接，另一端通过第十八转动副与第五连杆连接，第五连杆通过第十九转动副与第三支撑杆连接，第三支撑杆通过第一转动副与机架连接，所述第三支撑杆通过第二十转动副与第六连杆连接，所述第六连杆通过第二十一转动副与第四支撑杆连接，第四支撑杆通过第五转动副与动臂连接，所述第四支撑杆通过第二十二转动副与第七连杆连接，第七连杆通过第二十三转动副与第五支撑杆连接，第五支撑杆通过第六转动副与动臂连接，所述第五支撑杆通过第二十四转动副与第八连杆连接，第八连杆通过第二十五转动副与第九连杆、第十连杆连接，第九连杆通过第十四转动副与斗杆连接，第十连杆通过第十六转动副与铲斗连接。

所述第一主动杆、第二主动杆、第三主动杆分别由内燃机通过传动装置驱动。

所述传动装置由第一离合装置、第一分动箱、第二分动箱、第一换向装置、第二离合装置、第一减速器、第二换向装置、第三离合装置、第二减速器、第三换向装置、第四离合装置、第三减速器组成。

所述第一分动箱、第二分动箱主要用来分配内燃机的动力，将动力传递给各主动杆。所述第一离合装置、第二离合装置、第三离合装置、第四离合装置主要负责断开或接通分配到各主动杆的动力，实现各主动杆运动根据需要任意启停，可以用离合器替代各离合装置。所述第一换向装置、第二换向装置、第三换向装置主要负责切换分配到各主动杆动力的转动方向，实现各主动杆正反方向运动根据需要任意切换。所述第一减速器、第二减速器、第三减速器主要用来降低转速，增加分配给各主动杆动力的扭矩，并利用其自锁功能，保证在离合器分开而切断动力时，相关支链不会由于自重作用而运动，能够保持其静止状态。

所述一种离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机工作时，分动箱将内燃机的动力分配到各主动杆，根据实际作业需要，通过对传动系统中第一离合装置、第二离合装置、第三离合装置、第四离合装置、第一换向装置、第二换向装置、第三换向装置的相互配合操作，实现各主动杆运动启停以及运动正反方向切换，通过各主动杆的相互配合动作，实现挖掘机的挖掘作业，进而实现单一运动输入，复杂轨迹输出，即通过单一内燃机输入，实现靠单一内燃机对多自由度挖掘机构的驱动。

本发明突出优点在于：

1，该种离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机不仅具有多自由度可控机构工作空间大、动作灵活、可完成复杂运动轨迹输出的优点，相比由控制电机驱动的多自由度可控机构式挖掘机，该种离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机采用了单台内燃机驱动，通过各换向装置和各离合装置相互协调配合，由各主动杆均以定速驱动、某些主动杆静止，其它主动杆定速驱动的驱动运动组合，实现了单一运动输入，复杂运动轨迹输出，即用一台内燃机即可完成对该多自由度挖掘机构的驱动，不仅降低了成本，而且相比利用伺服电机驱动的挖掘机构，克服了电力供应限制，更适合野外施工作业。

2，该挖掘机利用连杆机构代替了传统液压传动，降低了制造成本，同时易于维护保养，该挖掘机利用换向装置、离合装置替代可控机构的伺服控制系统，实现了对多自由度挖掘机构的控制，各主动杆只具备正反向定速驱动、静止的离散变速驱动状态，这不同于控制电机的连续变速驱动。因此，这种机构特别适合工作精度不高、运动轨迹由人工操作控制的的场合，而且提高了挖掘机构复杂恶劣条件下控制系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明所述的离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机的结构示意图。

图2为本发明所述的离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机的动臂抬升支链示意图。

图3为本发明所述的离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机的斗杆摆动支链示意图。

图4为本发明所述的离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机的铲斗翻转支链示意图。

图5为本发明所述的离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机的驱动系统框图。

图6为本发明所述的离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机的驱动系统示意图。

图7为本发明所述的离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机的驱动系统主视图。

图8为本发明所述的离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机的侧视图。

图9为本发明所述的离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机的主视图。

图10为本发明所述的离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机的立体图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

对照图1，本发明所述的离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机，包括机架1、动臂抬升支链、斗杆摆动支链、铲斗翻转支链、铲斗7、内燃机23以及传动装置。

对照图1和图2，所述动臂抬升支链由动臂4、第一主动杆2、第一连杆3组成，所述动臂4通过第一转动副39与机架1连接，所述第一主动杆2一端通过第二转动副36与机架1连接，另一端通过第三转动副37与第一连杆3，第一连杆3通过第四转动副38与动臂4连接。

对照图1和图3，所述斗杆摆动支链由第二主动杆21、第二连杆19、第一支撑杆22、第三连杆15、第二支撑杆14、第四连杆12、斗杆5连接，所述第二主动杆21一端通过第七转动副40与机架1连接，另一端通过第八转动副55与第二连杆19连接，所述第二连杆19通过第九转动副56与第一支撑杆22连接，第一支撑杆22通过第一转动副39与机架1连接，所述第一支撑杆22通过第十转动副57与第三连杆15连接，第三连杆15通过第十一转动副58与第二支撑杆14连接，第二支撑杆14通过第五转动副42与动臂4连接，所述第二支撑杆14通过第十二转动副59与第四连杆12连接，第四连杆12通过第十三转动副60与斗杆5连接，斗杆5通过第六转动副43与动臂4连接，所述斗杆5通过第十五转动副53与铲斗7连接。

对照图1和图4，所述铲斗翻转支链由第三主动杆20、第五连杆18、第三支撑杆17、第六连杆16、第四支撑杆13、第七连杆11、第五支撑杆10、第八连杆9、第九连杆6、第十连杆8组成，所述第三主动杆20一端通过第十七转动副41与机架1连接，另一端通过第十八转动副44与第五连杆18连接，第五连杆18通过第十九转动副45与第三支撑杆17连接，第三支撑杆17通过第一转动副39与机架1连接，所述第三支撑杆17通过第二十转动副46与第六连杆16连接，所述第六连杆16通过第二十一转动副47与第四支撑杆13连接，第四支撑杆13通过第五转动副42与动臂4连接，所述第四支撑杆13通过第二十二转动副48与第七连杆11连接，第七连杆11通过第二十三转动副49与第五支撑杆10连接，第五支撑杆10通过第六转动副43与动臂4连接，所述第五支撑杆10通过第二十四转动副50与第八连杆9连接，第八连杆9通过第二十五转动副51与第九连杆6、第十连杆8连接，第九连杆6通过第十四转动副54与斗杆5连接，第十连杆8通过第十六转动副52与铲斗7连接。

对照图1、图5、图6、图7，所述第一主动杆2、第二主动杆21、第三主动杆20分别由内燃机23通过传动装置驱动。

对照图1、图5、图6、图7，所述传动装置由第一离合装置24、第一分动箱25、第二分动箱30、第一换向装置28、第二离合装置29、第一减速器34、第二换向装置26、第三离合装置27、第二减速器35、第三换向装置31、第四离合装置32、第三减速器33组成。

对照图1、图5、图6、图7，所述第一分动箱25、第二分动箱30主要用来分配内燃机23的动力，将动力传递给各主动杆。所述第一离合装置24、第二离合装置29、第三离合装置27、第四离合装置32主要负责断开或接通分配到各主动杆的动力，实现各主动杆运动根据需要任意启停，可以用离合器替代各离合装置。所述第一换向装置28、第二换向装置26、第三换向装置31主要负责切换分配到各主动杆动力的转动方向，实现各主动杆正反方向运动根据需要任意切换。所述第一减速器34、第二减速器35、第三减速器33主要用来降低转速，增加分配给各主动杆动力的扭矩。

对照图1、图5、图6、图7、图8、图9、图10，所述一种离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机工作时，分动箱将内燃机23的动力分配到各主动杆，根据实际作业需要，通过对传动系统中第一离合装置24、第二离合装置29、第三离合装置27、第四离合装置32、第一换向装置28、第二换向装置26、第三换向装置31的相互配合操作，实现各主动杆运动启停以及运动正反方向切换，通过各主动杆的相互配合动作，实现挖掘机的挖掘作业，进而实现单一运动输入，复杂轨迹输出，即通过单一内燃机23输入，实现靠单一内燃机23对多自由度挖掘机构的驱动。

Claims (2)

1.一种离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机，包括机架、动臂抬升支链、斗杆摆动支链、铲斗翻转支链、铲斗、内燃机以及传动装置，其特征在于：

所述动臂抬升支链由动臂、第一主动杆、第一连杆组成，所述动臂通过第一转动副与机架连接，所述第一主动杆一端通过第二转动副与机架连接，另一端通过第三转动副与第一连杆，第一连杆通过第四转动副与动臂连接，

所述斗杆摆动支链由第二主动杆、第二连杆、第一支撑杆、第三连杆、第二支撑杆、第四连杆、斗杆连接，所述第二主动杆一端通过第七转动副与机架连接，另一端通过第八转动副与第二连杆连接，所述第二连杆通过第九转动副与第一支撑杆连接，第一支撑杆通过第一转动副与机架连接，所述第一支撑杆通过第十转动副与第三连杆连接，第三连杆通过第十一转动副与第二支撑杆连接，第二支撑杆通过第五转动副与动臂连接，所述第二支撑杆通过第十二转动副与第四连杆连接，第四连杆通过第十三转动副与斗杆连接，斗杆通过第六转动副与动臂连接，所述斗杆通过第十五转动副与铲斗连接，

所述铲斗翻转支链由第三主动杆、第五连杆、第三支撑杆、第六连杆、第四支撑杆、第七连杆、第五支撑杆、第八连杆、第九连杆、第十连杆组成，所述第三主动杆一端通过第十七转动副与机架连接，另一端通过第十八转动副与第五连杆连接，第五连杆通过第十九转动副与第三支撑杆连接，第三支撑杆通过第一转动副与机架连接，所述第三支撑杆通过第二十转动副与第六连杆连接，所述第六连杆通过第二十一转动副与第四支撑杆连接，第四支撑杆通过第五转动副与动臂连接，所述第四支撑杆通过第二十二转动副与第七连杆连接，第七连杆通过第二十三转动副与第五支撑杆连接，第五支撑杆通过第六转动副与动臂连接，所述第五支撑杆通过第二十四转动副与第八连杆连接，第八连杆通过第二十五转动副与第九连杆、第十连杆连接，第九连杆通过第十四转动副与斗杆连接，第十连杆通过第十六转动副与铲斗连接，

所述第一主动杆、第二主动杆、第三主动杆分别由内燃机通过传动装置驱动，

所述传动装置由第一离合装置、第一分动箱、第二分动箱、第一换向装置、第二离合装置、第一减速器、第二换向装置、第三离合装置、第二减速器、第三换向装置、第四离合装置、第三减速器组成，所述第一离合装置输出端与第一分动箱连接，第一分动箱输出端分别与第二分动箱和第一换向装置连接，第一换向装置输出端与第二离合装置连接，第二离合装置输出端与第一减速器连接，所述第二分动箱输出端分别与第二换向装置和第三换向装置连接，第二换向装置输出端与第三离合器连接，第三离合器输出端与第二减速器连接，所述第三换向装置输出端与第四离合装置连接，第四离合装置输出端与第三减速器连接。

2.权利要求1所述的离散有限变速输入多自由度机构式挖掘机的控制方法，其特征在于，该机由内燃机驱动，内燃机通过传动装置将动力分配给多自由度连杆机构的各主动杆，根据实际作业需要，通过对传动系统中第一离合装置(24)、第二离合装置(29)、第三离合装置(27)、第四离合装置(32)、第一换向装置(28)、第二换向装置(26)、第三换向装置(31)的相互配合操作，实现各主动杆运动启停以及运动正反方向切换，通过各换向装置和各离合装置相互协调配合，实现各主动杆均以定速驱动的状态或者是某些主动杆静止、其它主动杆定速驱动的状态，实现其动臂抬升支链、斗杆摆动支链、铲斗翻转支链相互配合运动，使铲斗按照操作者的意图实现可变化的复杂运动轨迹运动，完成各种复杂挖掘作业。