一种新型液压装载机工作装置的运动学分析

doi:10.3901/JME.2024.23.076

机械工程学报 ›› 2024, Vol. 60 ›› Issue (23): 76-87.doi: 10.3901/JME.2024.23.076

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一种新型液压装载机工作装置的运动学分析

黄鹏^1,2, 李长硕^1,2, 丁华锋³, 陈子明⁴, 赵玉倩^1,2

1. 东北大学机械工程与自动化学院沈阳 110819;
2. 东北大学秦皇岛分校控制工程学院秦皇岛 066004;
3. 中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院武汉 430074;
4. 燕山大学机械工程学院秦皇岛 066004

收稿日期:2023-06-28 修回日期:2023-09-12 出版日期:2024-12-05 发布日期:2025-01-23
作者简介:黄鹏，男，1985年出生，博士，副教授，博士研究生导师。主要研究方向为机构数字化构型综合与分析理论。E-mail：h1985p@163.com;丁华锋(通信作者)，男，1977年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为智能装备与机器人先进设计理论。E-mail：dhf@ysu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(51905080)和河北省自然科学基金(E2020501018)资助项目。

Kinematics Analysis of a New Hydraulic Loader Working Device

HUANG Peng^1,2, LI Changshuo^1,2, DING Huafeng³, CHEN Ziming⁴, ZHAO Yuqian^1,2

1. School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819;
2. School of Control Engineering, Northeastern University at Qinhuangdao, Qinhuangdao 066004;
3. School of Mechanical Engineering and Electronic Information, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074;
4. School of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004

Received:2023-06-28 Revised:2023-09-12 Online:2024-12-05 Published:2025-01-23

摘要/Abstract

摘要： 针对一种新型液压装载机工作装置进行运动学分析。首先，采用修正的Grübler-Kutzbach公式计算新型液压装载机工作装置的自由度，分析得出工作装置符合液压装载机的作业要求，可以实现铲斗相对机架的转动和竖直提升运动。其次，基于机构运动环路理论建立新型液压装载机工作装置的运动学正反解数学模型，通过算例与仿真对比运动学正反解的结果，验证机构位置的准确性。第三，采用Denavit-Hartenberg法建立新型液压装载机工作装置的关节空间模型，并对工作装置的关节空间进行求解分析，验证机构运动过程的准确性。最后，通过对新型液压装载机工作装置虚拟样机的一个工作循环进行仿真，分析工作装置最大卸载高度、卸载距离、平移性、卸载性和回位性等性能参数，验证新型液压装载机工作装置的实用性。研究结果表明该新型液压装载机工作装置符合实际工作要求，为液压装载机工作装置设计提供了重要的理论依据。

关键词: 液压装载机工作装置, 自由度, 运动学, 关节空间, 工作循环

Abstract: The kinematics analysis of a new hydraulic loader working device is proposed. First, the degrees of freedom of the new hydraulic loader working device are calculated by using the modified Grübler-Kutzbach formula. The analysis shows that the working device can realize the rotation and vertical lifting motions of the bucket relative to the frame, which meets the working requirements of the hydraulic loader. Moreover, the mathematical model of forward and inverse kinematics of the new hydraulic loader working device is established based on the theory of mechanism motion loop, and the accuracy of the mechanismic position is verified by comparing the results of forward and inverse kinematics solutions with examples and simulations. Third, the joints space of the new hydraulic loader working device is established by using the Denavit-Hartenberg method, and the joints space of the working device is solved and analyzed to verify the accuracy of the mechanism motion process. Finally, by simulating a working cycle of the new hydraulic loader working device, its performance parameters such as the maximum unloading height, unloading distance, displacement, unloading and automatic return are analyzed, and the practicability of the new hydraulic loader working device is verified. The research results show that the new hydraulic loader working device meets the actual working requirements, and an important theoretical basis for the design of the hydraulic loader working device is provided.

Key words: hydraulic loader working device, degrees of freedom, kinematics, joints space, working cycle

中图分类号:

TH211
TU623

黄鹏, 李长硕, 丁华锋, 陈子明, 赵玉倩. 一种新型液压装载机工作装置的运动学分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(23): 76-87.

HUANG Peng, LI Changshuo, DING Huafeng, CHEN Ziming, ZHAO Yuqian. Kinematics Analysis of a New Hydraulic Loader Working Device[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(23): 76-87.

参考文献

[1] 何鹏飞，褚金奎，邹炎火. 基于机构再生法的装载机八杆工作装置的类型综合及优选[C]// 第10届中国机构与机器科学应用国际会议. 上海：机械设计与研究，2013：88-91. HE Pengfei，CHU Jinkui，ZOU Yanhuo. The structural synthesis and optimization of 8-poleworking mechanism of loaders based on regeneration design[C]//Proceedings of the 10th International Conference on the Application of Chinese Institutions and Machine Science. Shanghai：Machine Design and Research，2013：88-91.
[2] ZHANG J，ZHANG H，ZANG H，et al. Optimization of device of wheel loader based on virtual prototyping technology[C]// 2010 International Conference on E-Product E-Service and E-Entertainment. Henan：IEEE， 2010：1-3.
[3] YU Y，SHEN L，LI M. Optimum design of working device of wheel loader[C]// 2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering. Wuhan：IEEE，2010：461-465.
[4] 袁兴起，韩键美. 基于ADAMS的ZL-80装载机工作装置优化设计[J]. 现代制造技术与装备，2011，47(5)：8-10. YUAN Xingqi，HAN Jianmei. Optimization design of ZL-80 loader working device based on ADAMS[J]. Modern Manufacturing Technology and Equipment，2011，47(5)：8-10.
[5] SHEN J，WANG G，BI Q，et al. A comprehensive genetic algorithm for design optimization of Z-bar loader working mechanism[J]. Journal of Mechanical Science & Technology，2013，27(11)：3381-3394.
[6] 张林，蔡敢为，朱凯君，等. 可控装载机构的运动学分析与仿真[J]. 机械设计，2017，34(2)：7-11. ZHANG Lin，CAI Ganwei，ZHU Kaijun，et al. Kinematic analysis and simulation of the controllable loading mechanism[J]. Journal of Machine Design，2017，34(2)：7-11.
[7] ZHANG Z，HE B. Comprehensive optimum and adaptable design methodology for the working mechanism of a wheel loader[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2018，94(9)：3085-3095.
[8] 张雷. 轮式装载机工作装置结构分析及优化[D]. 秦皇岛：燕山大学，2019. ZHANG Lei. Structure analysis and optimization of working device of wheel loader[D]. Qinhuangdao：Yanshan University，2019.
[9] 殷晓龙. 基于刚柔耦合建模技术的装载机工作装置系统仿真与分析[D]. 柳州：广西科技大学，2014. YIN Xiaolong. Simulations and analyses of loader working device system based-on rigid-flexible coupling model[D]. Liuzhou：Guangxi University of Science and Technology，2014.
[10] WU X，XIAO G，CHEN R. Comprehensive optimum design of working device of loader based on sensitivity[J]. Advanced Materials Research，2012，490(24)：3027-3031.
[11] 林庆钻，黄阳印，郭涛，等. 基于ADAMS的微型装载机反转八连杆工作装置的优化设计[J]. 建筑机械，2012，32(9)：81-84. LIN Qingzuan，HUANG Yangyin，GUO Tao，et al. Optimization design of reverse eight-link mechanism working device of micro-loaders based on ADAMS[J]. Construction Machinery，2012，32(9)：81-84.
[12] 潘双夏，刘慧斌，冯培恩. 装载机正转八连杆机构工作装置的优化设计[J]. 同济大学学报，2001，29(12)：1499-1502. PAN Xiashuang，LIU Huibin，FENG Peien. Optimization design of 8－bar linkage working mechanism of wheel loaders[J]. Journal of Tongji University，2001，29(12)：1499-1502.
[13] 孙宝玉. 新型装载机工作装置CAD系统开发研究[D]. 太原：太原科技大学，2011. SUN Baoyu. Development of CAD system for new loader working device[D]. Taiyuan：Taiyuan University of Science and Technology，2011.
[14] 朱朝霞. 装载机工作装置多体动力学分析[D]. 南京：南京航空航天大学，2015. ZHU Zhaoxia. Multibody dynamics analysis on working device of loaders[D]. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2015.
[15] 朱朝霞，尹明德，孟庆林. 装载机八杆机构工作装置优化设计[J]. 机械设计与制造，2015，288(2)：11-14. ZHU Zhaoxia，YIN Mingde，MENG Qinglin. Optimized design on 8-Bar-Mechanism working device of loaders[J]. Machinery Design & Manufacture，2015，288(2)：11-14.
[16] 王士华. 装载机反转八连杆工作装置设计及优化研究[D]. 青岛：青岛大学，2021. WANG Shihua. Design and optimization research of loader reverse 8-link working device[D]. Qingdao：Qingdao University，2021.
[17] 周玉忠，张逸国. 装载机八杆机构工作装置[J]. 工程机械，2003，34(9)：24-27. ZHOU Yuzhong，ZHANG Yiguo. Eight-link mechanism of the loader working device[J]. Construction Machinery and Equipment，2003，34(9)：24-27.
[18] 黄鹏，李长硕，丁华锋，等. 液压装载机工作装置的构型综合与优选[J]. 机械工程学报，2024，60(1)：220-234. HUANG Peng，LI Changshuo，DING Huafeng，et al. Structural synthesis and optimization of the hydraulic loader working device[J]. Journal of Mechanical Engineering，2024，60(1)：220-234.
[19] 黄真，刘婧芳，李艳文. 论机构自由度：寻找了150年的自由度通用公式[M]. 北京：科学出版社，2011. HUANG Zhen，LIU Jingfang，LI Yanwen. Degree of freedom of mechanism：A general formula of degree of freedom for 150 years has been found[M]. Beijing：Science Press，2011.
[20] 熊有伦，丁汉，刘恩沧. 机器人学[M]. 北京：机械工业出版社，1993. XIONG Youlun，DING Han，LIU Encang. Robotics[M]. Beijing：China Machine Press，1993.
[21] 吉林工业大学工程机械教研室. 轮式装载机设计[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1982. Engineering Machinery Department of Jilin University of Technology. Wheel loader design[M]. Beijing：China Architecture & Building Press，1982.
[22] 铁甲网产品中心. 杰西博3CX-4T(伸缩挖掘臂)挖掘装载机参数配置[EB/OL]. [2023-6-28]. https：//product.cehome.com/liangtoumang/jcb/jcb_jcb3cx-4t-retactable/view/param/. Product.Cehome.com. Parameters and configurations of JCB 3CX-4T (telescopic backhoe boom) backhoe loader[EB/OL]. [2023-6-28]. https：//product.cehome. com/liangtoumang/jcb/jcb_jcb3cx-4t-retactable/view/param/.
[23] 中国路面机械网. 徐工ZL50GL装载机参数配置[EB/OL]. [2023-05-27]. https：//zj.lmjx.net/zhuangzaiji/ xcmg/zl50gl/param/. China road machinery network. Parameter configuration of XCMG ZL50GL loader[EB/OL]. [2023-05-27]. https：//zj.lmjx.net/zhuangzaiji/xcmg/zl50gl/param/.
[24] 王国彪，杨力夫. 装载机工作装置优化设计[M]. 北京：机械工业出版社，1996. WANG Guobiao，YANG Lifu. Optimal design of the working device of loader[M]. Beijing：China Machine Press，1996.

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Kinematics Analysis of a New Hydraulic Loader Working Device

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[1]	杨晓航, 赵智远, 李云涛, 徐梓淳, 赵京东. 基于可操作度优化的冗余机械臂逆运动学求解方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(7): 22-33.
[2]	赵智远, 杨晓航, 徐梓淳, 李云涛, 汤家文, 赵京东. 新型SSRMS构型可重构空间机械臂的运动学奇异性分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(5): 19-35.
[3]	赵萍, 张涯婷, 程悦, 徐宏伟, 訾斌. 基于敏感度分析的单自由度Stephenson机构多目标轨迹综合方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(5): 59-69.
[4]	李剑, 刘贤松, 张英, 魏世民, 廖启征. 通用型多功能6自由度串联机械臂运动学综合仿真平台的设计与开发[J]. 机械工程学报, 2024, 60(23): 102-113.
[5]	金滔, 汪田鸿, 普京, 张泉, 田应仲, 李龙. 滚动接触式连续体机械臂运动学分析与堆叠构型优化[J]. 机械工程学报, 2024, 60(21): 27-37.
[6]	刘紫檀, 马帅军, 闫柯, 方斌, 洪军. 滚子类轴承接触精确建模及其瞬态力学响应分析方法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(21): 112-121.
[7]	刘德伟, 李长河, 秦爱国, 刘波, 陈云, 张彦彬. 考虑刀具跳动的可转位面铣刀运动学分析与铣削力模型[J]. 机械工程学报, 2024, 60(21): 365-377.
[8]	沈惠平, 李菊, 朱小蓉, 李涛, 孟庆梅, 朱伟, 叶鹏达. 基于最优路径的并联机构自由度计算方法及其新公式[J]. 机械工程学报, 2024, 60(19): 40-52.
[9]	张雷雨, 常雅威, 俞振东, 于洋, 李剑锋, 张斐然. 并联腕康复机器人的设计与运动学性能评价[J]. 机械工程学报, 2024, 60(17): 123-132.
[10]	雷飞, 刘思宇, 廖峻北, 郭朝, 王志瑞, 闫曈, 党睿娜, 苏波. 大负载作用下绳驱连续型机器人静力学建模分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(15): 28-37.
[11]	石建平, 徐永驰, 古训, 陈冬云. 面向冗余机械臂逆运动学问题的人工蜂群算法改进[J]. 机械工程学报, 2024, 60(15): 60-70.
[12]	胡波, 高添, 胡国烽, 李涛, 赵金君. 一种无传统防扭力臂的直升机旋翼操纵机构位置解分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(15): 71-79.
[13]	王敏, 孙景健, 丁基恒, 孙翊, 彭艳, 蒲华燕, 罗均, 谢少荣. 基于D-H参数与拉格朗日联立方程的仿生水蛇机器人运动学分析及动力学建模[J]. 机械工程学报, 2024, 60(15): 134-148.
[14]	于金须, 闫建华, 肖俊明, 李永泉, 谢平, 张立杰. 基于医工结合的指关节运动学模型建立与验证[J]. 机械工程学报, 2024, 60(15): 149-159.
[15]	赵宏跃, 史创, 郭宏伟, 刘荣强. 空间大型可展开环形张拉机构动力学特性分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(12): 344-354.