摘要：本文结合液压挖掘机构中反铲装置，提出一套创新设计方法。并给出了液压挖掘机构反铲装置的一系列可行方案，该创新设计方法为回避已受专利保护的现有机构提供了强有力的工具。

　　关键词：结构推理　运动链　创新设计　液压挖掘机　反铲装置

1　引言

　　在机构设计过程中，最重要的阶段是机构方案构思一概念设计。在进行机构设计之初，设计者不但需要具有设计的知识，而且需要具有相当的工程经验、创造与直觉的能力、及许多其他方面的条件，才能够创造一种新型机构以完成所希望的功能。这是一种发明行为，这不仅是设计对过程中最富有创造性的部分，也是机械设计过程中最为困难的地方。到目前为止，尚未有学者提出系统化的方法以引导设计者有系统地进行创新机构。然而，大多数的机械设计实例(大约占机械设计实例的70%)不是凭空创造新机构，而是在现有机构(该机构可能受专利保护)的基础上进行修改，创造出结构不同的新型机构，以提高机器的质量和性能，或者突破现有专利技术。本文结合液压挖掘机构的反铲装置，提出基于结构推理的机构方案创新设计方法。基于结构推理的机构方案创新设计是利用创造性发散原理，通过拓扑结构类型综合的方法，对现有的机械方案从拓扑联接方面进行变异创新，尽可能多的产生满足设计功能要求的结构变体，以便于寻找最优的功能载体，尤其是创造新型机构以回避专利保护机构应用方面更是结构推理之长。

2　基于结构推理的方案创新设计过程模型

　　由机构演化及编译原理可知，任何机构，包括齿轮机构、槽轮机构、凸轮机构以及它们的组合，都可以视为连杆机构的等效与变异，其原始型的构造皆可通过连杆机构的构造来获得。许多学者在机构结构类型综合方面作了大量的工作，尤其是在非同构基本运动链的构造方面。按他们提出的方法，由计算机很容易自动生成满足给定设计任务要求的非同构运动链，而这些非同构运动链基本运动链是构造候选机构型的基础。本文所提出的基于结构推理的方案创新设计过程正是在这些研究基础上发展起来的。该方法可以划分四个阶段：首先是根据设计任务和要求确定相似的设计方案(原始机械方案)，然后对该原始方案进行抽象化表示，即将机构方案一般化为运动链，在抽象化表示过程中记录设计约束；其次根据机构方案一般化运动链，在运动链图谱库中找出与一般化运动链具有相同杆数、自由度数以及连杆类型相同的所有非同构的运动链，即运动链发散，并根据设计约束和适当的评价方法进行筛选；第三，对评价筛选后的每个非同构的运动链进行机构识别、驱动副识别以及杆组识别，形成用连杆表达的准可行机械方案元型，即运动链再生；最后一个阶段是将准可行机械方案元型根据实际设计需要，基于设计约束规则以及用户交互式方法进行类型替代，形成待评价的候选方案集转入下一阶段，并进行用户交互式模糊评价，产生最优方案。结构推理过程模型如图1所示。

图1　基于结构推理的方案创新设计过程模型

3　液压挖掘机机构方案创新设计

　　(1)液压挖掘机基本结构及其抽象化表示
　　 液压挖掘机是一种采用液压传动并以一个铲斗进行挖掘作业的机械，它由工作装置、上部转台和行走装置三大部分组成。工作装置作为液压挖掘机的三大组成部分之一，因用途不同，种类繁多，其中主要有反铲装置、正铲装置、挖掘装载装置、起重装置和抓斗装置等，这里只研究应用最广泛的反铲装置。
　　 如图2(a)所示，液压挖掘机反铲装置由动臂1、斗杆2、铲斗3以及动臂油缸4、斗杆油缸5、铲斗油缸6和连杆机构7等组成。其构造特点是各部件之间的联系全部采用铰接，通过油缸的伸缩来实现挖掘过程中的各种动作。挖掘作业时，将反铲装置转到挖掘地点，操纵臂油缸4，使动臂下降至铲斗接触挖掘面，然后操纵斗杆油缸5和铲斗油缸6，使铲斗进行挖掘工作。铲斗装满后，将其转到卸载地点卸载，然后进行第二次循环挖掘工作。由于油缸可以简化为两个串联在一起的二副杆，这两个二副杆的中间铰为驱动副(驱动副用两个同心圆表示)，因此图2(a)中的反铲装置可以转化为图2(b)所示的平面运动链型式。

　　　　　　　　　(a)　　　　　　　(b)
　　　　　　　 图2　反铲装置的基本结构

　　(2)再生运动链和创新运动链
　　 ①反铲装置的工作要求
　　 为了下面讨论方便，先定义几个概念：
　　 定义1　分离杆：如果自由度为F的平面运动链中存在某个杆，把此杆“切”为两块，该平面运动链则被分解成自由度分别为F₁、F₂的两个子平面运动链，并且F=F₁+F₂，则称此杆为分离杆。
　　 定义2　分离自由度：如果自由度为F的平面运动链中至少存在一个杆，把此杆“切”为两块，该平面运动链则被分解成自由度分别为F₁、F₂的两个子平面运动链，并且F=F₁+F₂，那么该平面运动链的自由度类型为分离自由度。
　　 定义3　驱动副：作动力源的运动副称为驱动副。
　　 分析图2(b)中所示的反铲装置的平面运动链，可以发现，该装置是一个自由度为3的12杆机构，其自由度类型为分离自由度，并且具有二个分离杆，即动臂1和斗杆2。
　　 反铲装置的工作要求是，能够控制挖掘高度、卸载高度、挖掘深度和挖掘半径。为了保证最大的挖掘范围，反铲装置必须具有两个分离杆。具有两个分离杆的机构，其自由度一定大于或等于3。所以反铲装置机构结构的最基本要求是：自由度大于或等于3，并且具有两个分离杆。随着自由度和杆数的增加，机构的复杂程度将大大增加，因此作者只研究能满足基本要求的自由度等于3、杆数不大于12的反铲装置。
　　 ②满足要求的连杆组合
　　 由于分离杆的副数应大于或等于4，因此反铲装置至少应有两个副数大于或等于4的多副杆。自由度等于3、杆数不大于12，并至少应有两个4副以上杆的连杆组合有下列几种。
　　 (1)N=10，N₂=8，N₃=0，N₄=2，N₅=0，N₆=0
　　 (2)N=12，N₂=10，N₃=0，N₄=1，N₅=0，N₆=1
　　 (3)N=12，N₂=10，N₃=0，N₄=0，N₅=2，N₆=0
　　 (4)N=12，N₂=9，N₃=1，N₄=2，N₅=0，N₆=0
　　 (5)N=12，N₂=9，N₃=0，N₄=3，N₅=0，N₆=0
　　 (6)N=12，N₂=8，N₃=2，N₄=2，N₅=0，N₆=0
其中：N为杆数
　　 N_I为具有I个运动副的杆数
　　 ③满足要求的运动链
　　 对于以上六种连杆组合，具有分离自由度的平面运动链数目分别是2、5、2、42、12和103共166种，经计算，其中只有25个平面运动链具有两个分离杆。又自由度为3的反铲装置被两个分离杆分解成三个子平面运动链，每个子平面运动链都含有一个驱动副，也就是说，每个子平面运动链中都得有一个油缸。又因为在平面运动链中油缸可用两个串联的二副杆来代替，因此反铲装置的每个子平面运动链至少应有一串联的二副杆。如图3所示的12种运动链为满足上述要求的运动链。

 

图3　满足要求的运动链 　　④运动链评价与筛选 　　 根据挖掘机的用途，为了尽量增大挖掘作业范围，其机架杆必须在平面运动链的一端，而不应位于平面运动链的中间。另外，反铲装置的底座得承受较大的载荷，要求由机架、动臂及动臂油缸组成一个四杆的子平面运动链。编号为1、2、3、9、10的五个平面运动链中，可以作为机架的四个杆1、3、4、6，它们互为同位杆，因此可用任一杆作机架，假设杆3是机架，编号为4、5、6的三个平面运动链中，机架可以是杆3或杆6，但是若杆3为机架，铰①、⑨、⑤为驱动副，得到反铲装置，其中油缸的支撑点铰⑩在挖掘过程中很可能后移，从而影响反铲装置的工作性能，因此机架只能是杆6。编号为7、8、11、12的四个平面运动链中，机架是杆3。 　　 编号为1、2的平面运动链，杆3为机架，铰①、⑨、⑤为驱动副，可以看出，这两个平面运动链中铲斗6的工作情况完全一样，因此可以抛弃编号为2的平面运动链。编号为9、10的两个平面运动链，杆3为机架，铰①、⑨、⑤为驱动副，斗杆油缸的支承点铰⑩在挖掘过程中后移；编号为11、12的两个平面运动链，杆3为机架，铰①、⑧、⑤为驱动副，铲斗油缸的支承点铰⑦在挖掘过程中后移。因此编号为9、10、11、12这四个平面运动链得到的反铲装置，其工作性能不佳。 　　 (3)创新机构结构方案 　　 通过以上分析，只有编号为1、3、4、5、6、7、8的平面运动链可作为反铲装置的结构型式，这七种反铲装置见表1。其中，编号7是现有反铲装置，其余六种是新型反铲装置。与现有反铲装置进行比较，编号1最简单，能增大挖掘力，但其铲斗摆角较小；编号3、4、5、6能增大斗杆摆角；编号8的铲斗油缸直接驱动铲斗，因此挖掘力较大。 表1　杆数不大于12的反铲装置 序 号 平面运动链 编　　　号 机架 杆号 动臂 杆号 斗杆 杆号 铲斗 杆号 动臂油 缸铰号 斗杆油 缸铰号 铲斗油 缸铰号 1 1 3 9 10 6 ① ⑨ ⑤ 2 3 3 11 12 6 ① ⑨ ⑤ 3 4 6 12 11 3 ⑤ ⑨ ① 4 5 6 12 11 3 ⑤ ⑨ ① 5 6 6 12 11 3 ⑤ ⑨ ① 6 7 3 11 12 7 ① 11 ⑤ 7 8 3 11 12 9 ① ⑧ ⑤