一种电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机构的制作方法
【专利摘要】一种电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机构，包括多单元连杆驱动机构、动臂升降机构、铲斗控制机构等。所述多单元连杆驱动机构由多组驱动支链构成，可实现多台小功率电机输入，大功率、高扭矩的动力输出，满足装载机构高负载作业需求；所述动臂升降机构由电传动系统驱动，相比现有液压装载机有效降低了能耗，并通过液压元件的引入，有效改善了动臂两升降支链受力不均衡的问题，提高承载稳定性；所述铲斗控制机构由于负载较小，故采用采用比较成熟的液压缸控制铲斗翻转，保证了执行机构结构紧凑性。该装载机构不仅具有能耗低、智能化水平高等特点，而且相比现有可控装载机构具有更高的承载和抗振性能，并易实现过载保护，实用性更强。
【专利说明】
一种电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机构
技术领域
[0001]本发明涉及装载机领域，特别是一种电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机构。
【背景技术】
[0002]装载机是一种广泛应用于农田、水利、能源、市政等施工领域，进行散装物料装卸的关键设备，对基础设施建设起到了重要的作用，但是传统液压式装载机存在着能耗高、噪音大、尾气排放严重、智能化水平低等缺点。可控机构是传统机构与电子技术结合的产物，近年来开展的“数控一代”装备创新工程，给传统工程机械技术升级带来了机遇，针对液压式装载机的缺点，将可控机构及机器人相关技术应用到装载机工作装置设计中，提出了一类可控机构式装载机，该类可控装载机构避免了液压系统的使用，它由多自由度连杆机构和多个可控电机组成，其输出运动由多台计算机编程控制的可控电机共同决定，铲斗的输出轨迹是一个多自变量的函数，可以轻易实现复杂柔性轨迹输出，因此可控装载机构属于施工机器人范畴。相比液压式装载机，可控装载机构具有智能化程度高、灵活度好、高传动效率等优点，对于推动装载机绿色化、智能化具有重要的意义。
[0003]但是，在对可控装载机构进行工程应用研究的过程中，发现了一系列未曾涉及的工程问题。首先，现有可控装载机构动臂升降支链均采用主动杆一连杆一动臂的构型设计形式，因主动杆由可控电传动系统驱动，受制于可控电机成本高、输出功率小、扭矩低等问题，造成现有可控装载机构动力性能差、负载能力弱等问题，难以满足装载机的动力要求，所以现有可控装载机构的构型设计形式仅适用于微小型装载机;其次，现有可控装载机构为平面并联机构，两主动杆在同时抬升动臂时，由于制造、加工、装配等误差，特别是在装载机偏载的情形下，造成动臂两并联驱动支链受力不均，影响了举升稳定性，很容易造成部分构件的过载损毁，影响可控装载机构的使用寿命;再次，现有可控装载机构各构件一般采用转动副的连接形式，相比含移动副的液压式装载机的工作装置，缺少有效的过载保护及吸振手段。上述原因严重影响了可控装载机构的工程应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于已有技术存在的问题提供一种电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机构，使其既具有现有可控装载机构响应速度快、机械效率高、能耗低等优点，克服现有可控装载机构动力性能差、负载能力弱、动臂升降机构稳定性差等问题，同时兼具液压式装载机工作装置抗振能力强、过载保护性能好、结构紧凑等优点，并具有较好的负载能力，使该装载机构适用于制造重型装载机。
[0005]本发明通过以下技术方案来达到上述目的:一种电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机构，包括多单元连杆驱动机构、动臂升降机构、铲斗控制机构以及机架。
[0006]所述多单元连杆驱动机构包括机架、第一主动杆、第二主动杆、第一连杆、第二连杆、曲轴，所述第一主动杆一端通过第一转动副与机架连接，另一端通过第二转动副与第一连杆一端连接，所述第一连杆另一端通过第三转动副与曲轴连接，所述第二主动杆一端通过第四转动副与机架连接，另一端通过第五转动副与第二连杆一端连接，所述第二连杆另一端通过第六转动副与曲轴连接，所述曲轴通过第七转动副、第八转动副与机架连接。所述第一主动杆、第二主动杆均由可控电机通过电传动系统进行驱动控制，所述多单元连杆驱动机构在计算机系统的控制下，可以将多个动力单元的动力合成后通过曲轴输出，从而使该多单元连杆驱动机构实现了由多台小功率驱动电机输入，大功率、高扭矩动力输出的目的，解决了传统可控装载机构可控电机功率输出小、驱动扭矩低等问题。另外，根据装载机动力要求，可以方便选用四单元、六单元等多种动力单元形式，提高了该多单元连杆驱动机构动力适应性。
[0007]所述动臂升降机构包括动臂、第一升降支链和第二升降支链，所述动臂通过第九转动副、第十转动副与机架连接，所述第一升降支链包括第三连杆、第一缸体、第一活塞杆，所述第三连杆一端通过键或者其它方式与曲轴固定连接，另一端通过第十一转动副与第一缸体连接，所述第一缸体通过第一移动副与第一活塞杆一端连接，第一活塞杆另一端通过第十二转动副与动臂连接，所述第二升降支链包括第四连杆、第二缸体、第二活塞杆，所述第四连杆一端通过键或者其它方式与曲轴固定连接，另一端通过第十三转动副与第二缸体连接，所述第二缸体通过第二移动副与第二活塞杆一端连接，第二活塞杆另一端通过第十四转动副与动臂连接。在实际工程应用中，所述第一缸体、第一移动副、第一活塞杆可用一液压缸取代，所述第二缸体、第二移动副与第二活塞杆可用另一液压缸取代，在装载机构作业过程中，多单元连杆驱动机构通过曲轴为动臂升降机构提供动力，由于动臂升降机构为平面并联机构，第一缸体与第二缸体通过液压管线连接，进而实现并联，根据帕斯卡原理，两缸体内液体压力相同，可以有效改善抬升动臂的两升降支链受力不均的问题，提高动臂举升稳定性，延长动臂升降机构各构件的使用寿命。通过液压元件的引入可以有效提高动臂升降机构的抗振能力，另外，通过在动臂升降机构第一缸体或第二缸体中引入泄压阀等附属装置，可以轻易实现动臂升降机构的过载保护功能。
[0008]所述铲斗控制机构包括第一控制支链、第二控制支链和铲斗，所述第一控制支链包括第三缸体、第三活塞杆、第一摇臂、第一拉杆，所述第三缸体一端通过第十五转动副与机架I连接，另一端通过第三移动副与第三活塞杆一端连接，所述第三活塞杆另一端通过第十六转动副与第一摇臂连接，所述第一摇臂通过第十七转动副与动臂连接，所述第一拉杆一端通过第十八转动副与第一摇臂连接，另一端通过第十九转动副与铲斗连接，所述铲斗通过第二十转动副、第二十一转动副与动臂连接，所述第二控制支链包括第四缸体、第四活塞杆、第二摇臂、第二拉杆，所述第四缸体一端通过第二十二转动副与机架连接，另一端通过第四移动副与第四活塞杆一端连接，所述第四活塞杆另一端通过第二十三转动副与第二摇臂连接，所述第二摇臂通过第二十四转动副与动臂连接，所述第二拉杆一端通过第二十五转动副与第二摇臂连接，另一端通过第二十六转动副与铲斗连接。所述第三移动副、第四移动副为主动副，所述铲斗在两移动副的驱动作用下，实现翻转运动，由于铲斗控制机构的构型采用平面并联机构进行设计，大幅提高了可控装载机构的铲掘稳定性以及承载能力。
[0009]所述一种电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机构在各电传动系统、第三移动副的驱动控制下，完成装载作业。该电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机构既具有现有可控装载机构智能化程度高、传动效率高、能耗低、响应速度快等特点，同时由于液压元件的引入，使其具有液压式装载机的诸多优点，具体表现在:(1)所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压元件后，所述第一缸体与第二缸体可通过液压管线连接，进而实现两缸体并联，根据帕斯卡原理，两缸体内液体压力相同，可以有效改善动臂两升降支链受力不均的问题，提高动臂举升稳定性，延长动臂升降机构各构件的使用寿命；(2)所述动臂升降机构、铲斗控制机构引入液压元件后，可以有效提高装载机的抗振性能；(3)当装载机构承受的载荷在许用范围内时，所述动臂升降机构引入的液压缸可视为一个不可伸缩的二力杆起传递力的作用，若该装载机构承受的载荷超过许用范围时，液压缸上的泄压阀打开，起到过载保护作用。
[0010]基于上述特点，所述的电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机构相比液压式装载机具有响应速度快、机械效率高、能耗低等优点，相比现有可控装载机构具有更好的动力学性能、承载稳定性、抗振能力以及更长的使用寿命，并且较易实现过载保护功能，适用于大、中、小型各类装载机使用。
[0011]本发明突出优点在于:
1、由于动臂举升工况是装载机工作装置能耗最大的工况，在保证该装载机构性能要求的前提下，本发明所述装载机构的铲斗控制机构采用较成熟的液压传动技术，而动臂升降机构则采用传动效率更高的电传动系统进行驱动，这既保证了装载机构铲斗作业的灵活性、抗冲击性以及过载保护功能，又大幅降低了装载机构在动臂举升工况的能耗，相比现有液压式工程机械，该装载机构不仅机械传动效率高、能耗低、响应速度快，而且具有较高的自动化和智能化水平。
[0012]2、相比现有可控装载机构，本发明所述装载机构的构型设计具有更好的动力性能和更强的适应性。该装载机构动臂升降机构的动力系统因为采用多单元直线驱动机构，具有更高的输出功率和扭矩，大幅提升了动臂的举升能力；该可控装载机构的铲斗控制机构采用平面并联机构设计，由两主动副同时驱动，提升了铲斗的铲掘能力。上述技术方案大幅提升了该装载机构的承载能力，不仅使该装载机构即适用于微小型装载机，也适用于中、大型装载机。
[0013]3、相比现有可控装载机构，本发明所述装载机构通过液压元件的引入提高了承载稳定性和抗振性能，改善了各构件的受力情况，延长了使用寿命。该装载机构的动臂升降机构引入了液压元件，通过液压管线使两缸体并联，进而实现两缸体内液体压力平衡，有效解决了平面并联可控装载机构动臂的两升降支链受力不均的问题;该装载机构的铲斗控制机构采用了平面并联机构，由两条控制支链控制铲斗作业，大幅提高了可控装载机构铲掘稳定性。
[0014]4、相比现有可控装载机构，本发明所述装载机构具有更多的过载保护手段，由于动臂升降机构及铲斗控制机构引入了液压元件，通过在缸体上引入泄压阀等附属装置，较易实现装载机构的过载保护性能。
【附图说明】
[0015]图1为本发明所述的一种电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机构示意图。
[0016]图2为本发明所述的一种电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机构机架示意图。
[0017]图3为本发明所述的多单元连杆驱动机构示意图之一。
[0018]图4为本发明所述的多单元连杆驱动机构示意图之二。
[0019]图5为本发明所述的多单元连杆驱动机构曲轴示意图。
[0020]图6为本发明所述的动臂升降机构示意图。
[0021 ]图7为本发明所述的铲斗控制机构示意图。
[0022]图8为本发明所述的一种电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机平面视图。
[0023]图9为本发明所述的一种电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机工作示意图。
【具体实施方式】
[0024]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。
[0025]对照图1，本发明所述的一种电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机构，包括多单元连杆驱动机构、动臂升降机构、铲斗控制机构以及机架I。
[0026]对照图1、图2、图3、图4、图5，所述多单元连杆驱动机构包括机架1、第一主动杆2、第二主动杆6、第一连杆4、第二连杆7、曲轴13，所述第一主动杆2—端通过第一转动副9与机架I连接，另一端通过第二转动副3与第一连杆4 一端连接，所述第一连杆4另一端通过第三转动副5与曲轴13连接，所述第二主动杆6—端通过第四转动副10与机架I连接，另一端通过第五转动副14与第二连杆7—端连接，所述第二连杆7另一端通过第六转动副8与曲轴13连接，所述曲轴13通过第七转动副11、第八转动副12与机架I连接。所述第一主动杆2、第二主动杆6均由可控电机通过电传动系统进行驱动控制，所述多单元连杆驱动机构在计算机系统的控制下，可以将多个动力单元的动力合成后通过曲轴输出，从而使该多单元连杆驱动机构实现了由多台小功率驱动电机输入，大功率、高扭矩动力输出的目的，解决了传统可控装载机构可控电机功率输出小、驱动扭矩低等问题。另外，根据装载机动力要求，可以方便选用四单元、六单元等多种动力单元形式，提高了该多单元连杆驱动机构动力适应性。
[0027]对照图1、图2、图6，所述动臂升降机构包括动臂19、第一升降支链和第二升降支链，所述动臂19通过第九转动副35、第十转动副37与机架I连接，所述第一升降支链包括第三连杆15、第一缸体16、第一活塞杆18，所述第三连杆15—端通过键或者其它方式与曲轴13固定连接，另一端通过第十一转动副27与第一缸体16连接，所述第一缸体16通过第一移动副28与第一活塞杆18—端连接，第一活塞杆18另一端通过第十二转动副29与动臂19连接，所述第二升降支链包括第四连杆26、第二缸体17、第二活塞杆25，所述第四连杆26—端通过键或者其它方式与曲轴13固定连接，另一端通过第十三转动副36与第二缸体17连接，所述第二缸体17通过第二移动副34与第二活塞杆25—端连接，第二活塞杆25另一端通过第十四转动副33与动臂19连接。在实际工程应用中，所述第一缸体16、第一移动副28、第一活塞杆18可用一液压缸取代，所述第二缸体17、第二移动副34与第二活塞杆25可用另一液压缸取代，在装载机构作业过程中，多单元连杆驱动机构通过曲轴13为动臂升降机构提供动力，由于动臂升降机构为平面并联机构，第一缸体16与第二缸体17通过液压管线连接，进而实现并联，根据帕斯卡原理，两缸体内液体压力相同，可以有效改善抬升动臂19的两升降支链受力不均的问题，提高动臂举升稳定性，延长动臂升降机构各构件的使用寿命。通过液压元件的引入可以有效提高动臂升降机构的抗振能力，另外，通过在动臂升降机构第一缸体16或第二缸体17中引入泄压阀等附属装置，可以轻易实现动臂升降机构的过载保护功能。
[0028]对照图1、图2、图7，所述铲斗控制机构包括第一控制支链、第二控制支链和铲斗20，所述第一控制支链包括第三缸体24、第三活塞杆23、第一摇臂22、第一拉杆21，所述第三缸体24—端通过第十五转动副41与机架I连接，另一端通过第三移动副42与第三活塞杆23一端连接，所述第三活塞杆23另一端通过第十六转动副38与第一摇臂22连接，所述第一摇臂22通过第十七转动副32与动臂19连接，所述第一拉杆21 —端通过第十八转动副39与第一摇臂22连接，另一端通过第十九转动副40与铲斗20连接，所述铲斗20通过第二十转动副30、第二 i^一转动副31与动臂19连接，所述第二控制支链包括第四缸体44、第四活塞杆46、第二摇臂48、第二拉杆51，所述第四缸体44 一端通过第二十二转动副43与机架I连接，另一端通过第四移动副45与第四活塞杆46—端连接，所述第四活塞杆46另一端通过第二十三转动副47与第二摇臂48连接，所述第二摇臂48通过第二十四转动副49与动臂19连接，所述第二拉杆51—端通过第二十五转动副50与第二摇臂48连接，另一端通过第二十六转动副52与伊^斗20连接。所述第三移动副42、第四移动副45为主动副，所述铲斗20在两移动副的驱动作用下，实现翻转运动，由于铲斗控制机构的构型采用平面并联机构进行设计，大幅提高了可控装载机构的铲掘稳定性以及承载能力。
[0029]对照图1、图8、图9，所述一种电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机构在各电传动系统、第三移动副42、第四移动副45的驱动控制下，完成装载作业。该电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机构既具有现有可控装载机构智能化程度高、传动效率高、能耗低、响应速度快等特点，同时由于液压元件的引入，使其具有液压式装载机的诸多优点，具体表现在:(I)所述动臂升降机构的第一升降支链和第二升降支链引入液压元件后，所述第一缸体16与第二缸体17可通过液压管线连接，进而实现两缸体并联，根据帕斯卡原理，两缸体内液体压力相同，可以有效改善动臂19两升降支链受力不均的问题，提高动臂举升稳定性，延长动臂升降机构各构件的使用寿命；(2)所述动臂升降机构、铲斗控制机构引入液压兀件后，可以有效提尚装载机的抗振性能；(3)当装载机构承受的载荷在许用范围内时，所述动臂升降机构引入的液压缸可视为一个不可伸缩的二力杆起传递力的作用，若该装载机构承受的载荷超过许用范围时，液压缸上的泄压阀打开，起到过载保护作用。
[0030]基于上述特点，所述的电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机构相比液压式装载机具有响应速度快、机械效率高、能耗低等优点，相比现有可控装载机构具有更好的动力学性能、承载稳定性、抗振能力、负载能力以及更长的使用寿命，通过在该装载机构缸体上设置泄压阀，可较易实现过载保护功能，特别适用于制造重型装载机。
【主权项】
1.一种电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机构，包括多单元连杆驱动机构、动臂升降机构、铲斗控制机构以及机架，其特征在于: 所述多单元连杆驱动机构包括机架、第一主动杆、第二主动杆、第一连杆、第二连杆、曲轴，所述第一主动杆一端通过第一转动副与机架连接，另一端通过第二转动副与第一连杆一端连接，所述第一连杆另一端通过第三转动副与曲轴连接，所述第二主动杆一端通过第四转动副与机架连接，另一端通过第五转动副与第二连杆一端连接，所述第二连杆另一端通过第六转动副与曲轴连接，所述曲轴通过第七转动副、第八转动副与机架连接， 所述动臂升降机构包括动臂、第一升降支链和第二升降支链，所述动臂通过第九转动副、第十转动副与机架连接，所述第一升降支链包括第三连杆、第一缸体、第一活塞杆，所述第三连杆一端与曲轴固定连接，另一端通过第十一转动副与第一缸体连接，所述第一缸体通过第一移动副与第一活塞杆一端连接，第一活塞杆另一端通过第十二转动副与动臂连接，所述第二升降支链包括第四连杆、第二缸体、第二活塞杆，所述第四连杆一端与曲轴固定连接，另一端通过第十三转动副与第二缸体连接，所述第二缸体通过第二移动副与第二活塞杆一端连接，第二活塞杆另一端通过第十四转动副与动臂连接， 所述铲斗控制机构包括第一控制支链、第二控制支链和铲斗，所述第一控制支链包括第三缸体、第三活塞杆、第一摇臂、第一拉杆，所述第三缸体一端通过第十五转动副与机架I连接，另一端通过第三移动副与第三活塞杆一端连接，所述第三活塞杆另一端通过第十六转动副与第一摇臂连接，所述第一摇臂通过第十七转动副与动臂连接，所述第一拉杆一端通过第十八转动副与第一摇臂连接，另一端通过第十九转动副与铲斗连接，所述铲斗通过第二十转动副、第二十一转动副与动臂连接，所述第二控制支链包括第四缸体、第四活塞杆、第二摇臂、第二拉杆，所述第四缸体一端通过第二十二转动副与机架连接，另一端通过第四移动副与第四活塞杆一端连接，所述第四活塞杆另一端通过第二十三转动副与第二摇臂连接，所述第二摇臂通过第二十四转动副与动臂连接，所述第二拉杆一端通过第二十五转动副与第二摇臂连接，另一端通过第二十六转动副与铲斗连接。2.根据权利要求1所述的电液混合式平面十五杆三活动度重型可控装载机构，其特征在于:所述第一缸体与第二缸体并联，所述第三移动副、第四移动副为主动副，所述第一主动杆、第二主动杆均由可控电机进行驱动。
【文档编号】E02F3/42GK106088185SQ201610463404
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】张 林, 鲁光阳
【申请人】山东交通学院