液压泥炮旋转杆机构的参数分析

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1991.01.035 笔13卷第1期 北京科技大学学报 Vol.13 No.1 1991年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ja,1991 液压泥炮旋转杆机构的参数分析 朱允言·高泽标· 捕要：通过对旋转杆机构的分析，提出了油活塞杆最大受力的表达式，提出了旋 转袖缸行程和转臂转角的关系式，为设计计算和优化杆机构参数提供了伥据。 关键司：液压泥炮，杆机构，油任活事 Analysis of Swivelling Rod Parameters for the Hydraulic Clay Gun Zhu Yunyan Gao Zebiao ABSTRAST:Nowadays The swivel of many hydraulic clay gun is performed by a piston cylinder and a rod mechanism.The formulas for the maximum force acting on the piston and for the relation between swivelling cylinder travel and the angle of the arm are given by the analysis of the swivelling mechanism, which provides basis for designing,calculation and optimizing the parameters of the rod mechanism. KEY WORDS:hydrautic clay gun,rod mechanism,piston cylinder 国内外现有液压矮泥炮都装有旋转机构，其结构类型有两种：一种是采用油马达和齿轮 传动，如日本三菱重工的MHG型等，另一种是采用活塞式油缸和杆机构，如北京科技大学 1990-09-04收稿 ·机城工程系(Department of Mechanica】Engincering) 63

第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 五 。 。 。 。 液压泥炮旋转杆机构的参数分析 朱允言 ， 高泽标 ‘ 摘 要 通过对 旋转杆机构的 分析 ， 提出了油缸活塞杆最大受力的表达式 ， 提 出了旋 转油红行程和转臂转角的关系式 ， 为设计计算和优化杆机构参数提供了依据 。 关健祠 液压泥饱 ， 杆机构 ， 油缸活塞 ’ “ “ 月夕 ‘ 石 了 五 。 立 五 下 五 五 ， 五 ， 五 五 扭 五 ， ， 国内外现有液压矮泥炮都装有旋转机构 ， 其结构类型有两种 一种是采用 油马达和齿轮 传动 ， 如 日本三菱重工的 型等 另一种是采用活塞式油缸和杆机构 ， 如北京科 技 大学 一 一 收 稿 机峨工程系 会 才 垃 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．01．035

等5单位研制的BG型等。 一般要求泥炮的旋转角度能达到160°，为了用较小的活塞杆行程实现较大的泥炮转角， BG型泥炮采用了杆机构。杆机构中各杆件尺寸参数的大小，对油缸活塞行程、活塞杆最大 受力以及杆机构的轮廓尺寸都有较大的影响。可以用作图法对不同杆件尺寸的方案进行比 较，但由于杆机构的变量较多，用作图法工作量太大，精确度也不够高。为了能用计算机计 算出不同杆件尺寸时的杆机构性能，为了能用优化设计的方法确定各杆件的最优尺寸参数， 本文对旋转杆机构的各杆件尺寸进行分析，找出油活塞杆行程和最大受力的表达式。该式 可供设计计算液压泥炮时参考，也可供采用类似杆机构的开铁口机及其他设备的设计计算时 参考。 1杆机构的工作原理1) 旋转杆机构的简图如图1，旋转油缸5的缸体上有铰接点，与”形杆4相铵接，油缸活 塞杆的一端可以绕基础上的O3点转动，油缸带动"形杆4绕O:点旋转时，通过连杆3使泥 炮的转臂2绕0：转动。 杆机构的各杆件尺寸应满足以下要求： Taphol (1)泥炮转臂能达到160°转角，杆机构在 运动过程中不出现死点。转臂达到最大转角 时，V形杆4不能和基础上的O,点铰轴相碰， 油缸5不能和泥炮炮身相碰，转臂旋转过程中 杆件3和转臂所成的夹角不能太小，以免杆件 3和转臂上的窗口相碰。另外，泥炮在压炮位置 时，油缸5和V形杆所交的压力角应大于50°。 (2)泥炮在压炮状态时，旋转油缸5的活 塞杆最大受力要小，以减少油缸的直径。 5 (3)旋转油缸的行程要小，以减少油缸的 图1旋转杆机构简图 长度，避免在转臂最大转角时旋转油缸端部和 Fig.1 Sketch of the swivelling rod mechaaism 炮身相碰。 (4)杆机构的轮廓尺寸要小，以避免泥炮的基础与高炉的水箱相碰。 上述要求中第(1)项是必保的，其他几项要求往往是顾此失彼，相互矛盾的。这就要求 确定杆机构参数时要全面考虑，各方面兼顾，进行多种方案的比较，以寻求较佳的方案。 2油缸活塞杆的受力分析 旋转机构采用活塞油缸式泥炮的优点之一，是可以取消锚钩装置。压炮时的压炮反力， 通过有关的杆件和旋转油缸的活塞杆传到泥炮的基础上。旋转油缸活塞杆的最大受力是发生 在压炮时，泥炮打泥过程中，虽然增加了对炮身的打泥反力，但这时泥套与炮嘴间的压紧力 以及与打泥反力相同的数量减少，所以，活塞杆的受力在打泥前和打泥过程中是不变的。 如忽略杆件销轴的摩擦阻力，压炮时杆件8的受力P,可由下式求出（图2）： 64

等 单位研制的 型等 。 一般要 求泥炮的旋转角度能达到 。 。 ， 为了用较小的活塞杆行程实现较大的泥炮转兔 ， 型泥炮采用了杆机构 。 杆机构中各杆件尺寸参数的大小 ， 对油缸活塞行程 、 活 塞 杆最大 受力以及杆机构的轮廓尺寸都有较大的影响 。 可以用作图法对不同杆件尺寸的 方 案 进 行比 较 ， 但由于杆机构的变量较多 ， 用 作 图法工作量太大 ， 精确度也不够高 。 为 了能用 计算机计 算出不同杆件尺寸时的杆机构性能 ， 为了能用优化设计的方法确定各杆件的最优尺寸参数 ， 本文对旋转杆机构的各杆件尺寸进行分析 ， 找出油缸活塞杆行程和最大受力的表达式 。 该式 可供设计计算展压泥她时参考 ， 也可供采用类似杆机 构的齐铁 口机及其他设备的设计计纂时 参考 。 杆机构的工作原理 〔 ‘ ’ 旋转杆机构的简图如 图 ， 旋转油缸 的缸体上有铰接点 ， 与犷 形杆 相铰接 ， 油缸活 塞杆的一端可以绕基础上的 点转动 ， 油缸带动犷 形杆 绕 点旋转时 ， 通过连杆 使泥 炮的转臂 绕。 转动 。 ‘ 、 ， 仇﹄勺 乃叼 飞﹄ 杆机构的各杆件尺寸应满足以下要隶 泥炮转臂能达到 。 转角 ， 杆机构在 运 动 过 程 中不出现死点 。 转臂达到最大转角 时 ， 犷形杆 不能和基础上的 。 点铰轴相 碰 ， 油 缸 不能和泥炮炮身相碰 ， 转臂旋转过程 中 杆件 和转臂所成的夹角木能太小 ， 以免杆件 和转臂上的窗 口相碰 。 另外 ，泥炮在压炮位置 时 ，油缸 和 犷形杆所交的压力角应大于 。 。 泥炮在压炮状态时 ， 旋转油缸 的活 塞杆最大受力要小 ， 以减少油缸的直径 。 旋转油缸的行程要小 ， 以减少油缸的 长度 ， 避免在转臂最大转角时旋转油缸端部和 炮身相碰 。 。 ， 毒件 一平 一一一 闷 图 旋转杆机构 简图 。 口 呈 杆机构的轮廓尺寸要小 ， 以避免泥炮的基础与高炉的水箱相碰 。 上述要 求中第 项是必保的 ， 其他几项要求往往是顾此失彼 ， 相互矛盾的 。 这就要求 确定杆机构参数时要全面考虑 ， 各方面兼顾 ， 进行多种方案的比较 ， 以寻求较佳的方案 油缸活塞杆的 受力分析 旋转机构采用活塞油缸式泥炮的优点之一 ， 是可 以取消锚钩装置 。 压炮时的压炮反力 ， 通过有关的杆件和旋转油缸的活奉杆传到泥炮的基础上 。 旋转油缸活塞杆的最大受力是发生 在压炮时 ， 泥炮打泥过程 中 ， 虽然增加 了对炮身的打泥反力 ， 但这时泥套与炮嘴间的压紧力 以及与打泥反力相同的数量减少 ， 所以 ， 活塞杆的受力在打泥前和打泥过程 中是不变的 。 如忽略杆件销轴的摩擦阻力 ， 压炮时杆件 的受力 ，可由下式 求出 图

P.cos6.L P3=R.cos0 (1) 式中P—一最大压炮力： 6一压炮时炮身与水平面所成的倾角： L一转臂的长度； R一—转臂上与杆件3铰接点至旋转轴的距 0一在压炮状态杆3的位置角 离 P P6 图2杆件3的受力分析 图3油缸活塞杆的受力分析 Fig,2 Force analysis on the rod No.3 Fig.3 Force analysis on the piston-rod 由图3，活塞杆受力P。为： P。=PgQ (2) 式中的和Q分别为P3和P到V形杆旋转点Q2的力臂，式(2)也忽略了销轴的摩擦阻力。 由图3：n=esin0+(R-C)cos0 (8) Q=〔(B+C)-(e+D)tgp)cos中=(B+C)cosb-(e+D)sin中 (4) W+D c0sφ=了(w+D)2+(B-T)2 (5) B-T si中=/(m+D)2+(B-T)产 (6) 将(5)、(6)式代人(4)式和(2)式得： Q=(B+C)(W+D)-(e+D)(B-T) √(W+D)2+(B-T)2 (7) P.=P,[esine+(R-C)cosD)+(B-T) (B+C)(w+D)-(e+D)(B-T) (8) 设计计算旋转杆机构时，压炮力、炮身倾角、转臂长度是已知的。各杆件尺寸参数一定 时，可由(8)式计算出活塞杆的最大受力，也可以利用(8)式来分析各杆件尺寸对活塞杆最大 受力的影响。 65

占 。 一 一 口 式 中 － 最大压炮 力 ， －转臂的长度多 －在压炮状态杆 的位置角 －压炮时炮 身与水平面所成的倾角 －转臂上 与杆件 铰 接 点 至 旋转 轴的拒 ，口 广 ‘ 州 长 阮 目 〕 户二 卜 界抽 一 曰 舀翻目 图 杆件 的受力分析 图 油缸活塞仔的受力分析 。 攀 由图 ， 活塞杆受力 。 为 五 一 区 。 ， 一 李叼 式 中的 ” 和 分别为 和 。 到犷形杆旋转点 的力臂 ，式 也忽略了销轴的摩擦阻力 。 由图 ” 口 一 ’ 二 〔 一 劝〕 价二 价一 功 环尸 “ ” ，少 于花布 二 或可可丽二了葬 二 一 功二 二下万产万了石燕『下二 犷一币声 气尸犷 甲 之 ‘ 声 一 ， 、 ， 一 将 、 式代人 式和 式得 二 平 刀 一 一 亿 甲 艺 一 。 二 〔 口 一 〕 了 甲 “ 一 平 一 刀 一 犷 设计计算旋转杆机构时 ， 压炮力 、 炮身倾角 、 转 臂长度是 已知的 。 各杆件尺寸参数一定 时 ， 可由 式计算出活塞杆的最大受力 ， 也可以利用 式来分析各杆件尺寸对活塞杆最大 受力的影响

了油缸行程的计算 3.1V形杆4的转角B和转臂转角a的关系 推导B和a的关系式时取V形杆的旋转点O,为座标原点（见图4）。 A(x,) B(xy) 图4杆件4转角的计算 Fig.4 Calculation of the angle B for the rod No.4 由 A:=Rsina +e (9) A,=Rcosa-C (10) B=Hsin(y+B) (11) B3=Hcos(y+B) (12) 式中：H=√(e+Scos0)2+(R-C-S.sin0)2 (13) 由 (B.-A:)2+(B,-A,)2=S2 (14) 得： 〔Hsin(y+β)-R-sina+e)2+〔Hcos(y+B)-(Rcosa-C)]2=S2 式中R、、S、C等均为有关杆件的尺寸参数（图4），将式展开整理后得： sin(a+B)+ Rcosa-C Rsina+ecos(y+)= H2+R2+e2+C2-S2+2R(esina-Ccosa) 2H(Rsina+e) (15), 各项同除以 1+ Rcosa-C)2得： Rsina+e 66

油缸行程的计算 。 犷形杯 的转角声和转臂转兔口的关系 推导声和口的关系式时取 犷 形杆的旋转点 为座标原点 见图 。 〔 砂尹尸一 一一一一一 已 几一一一 减 曲口口口 卜澳 」 飞 ‘ 式 中 由 得 式 中 、 图 杆件 转角口的计算 。 红 刀 亡 二 卜 ， 二 一 二 夕 声 ， 梦 声 斌布事亨花砚那主孚硬万灭不污不石盯了 二 一 二 ， 一 ， 〔 ， 声 一 · 〕 ’ 〔万 夕 声 一 甲一 〕 么 、 、 等均为有关杆件的尺寸参数 图 ， 将式展开整理后得 声 一 千云 一 夕 声 么 么 一 一 一一一，一一一公石豆示五 千 · 各项同除幼 · 架号母号 ’ 得

sin(y+B) (8: cos(y+B) V1+( Rcosa-C3 Rsina+e/ Rsinate/ e+C:-:+2R(esina-Ccosa) 2H(Rsina+e)V1+ (Rcosa-C2 Rsina+e 由直角三角形关系可得： 1 =c0s1 2 V1+ Rcosa-C Rsina +e Rcosa-C Rsina+e (Rcosa-C=sin V1+（Rsina+e） 即 coiain(y+p)cCeoua) (16) +R2+e2+C2-S:+2R(esina Ccosa) sin(+)=H(Rsina+e)+(Rcosa-C) (17) 得 f=π-2-y-sin-1 H2+R2+e+C2-S2+2R(esina-Ccosa) 2H(Rsina+e)+(Rcosa-C)2 (18) 式中 Rcosa-C A=sin-1 Rsina+e sin-1 Rcoa-C (Rsina+e)+(Rcosa-c)2 (19) 由图4可计算出 y=g〔Rt28品。〕 (20) B=m-tg'〔Rts9no〕-sm〔7 Rsing+0coa-C5) Rcosa-C 67

夕 声 一 · ‘ “ ’ 十 价 鲁箫冬 “ 了 瓮瓷母毛 ’ 忿 一 一 一 一 、 万 刀 。 、 豆丢而画下万 由直角三角形关 系可得 一 、 “ 十 、不蔽而而百 久 一 一 吮二二二二巴二二二二二巴二二二二二 二二 了 会器藉 ’ 久 即 久 夕 声 久 夕 声 么 一 一 、 亿 两石万不可了石两丽石丁己了厄 几 声 么 一 一 万了 两石而下石 万了石孔丽云万西 ，‘ 、 得 声 汀 一 久一 一 “ 丈 么 一 艺 一 斌口琢蔽西百弃了两而而万万户 式 中 一… 一 了 架黔 … “ 一 份 一 一 “ 由图 可计算出 ， 一 〔 。 一 一 一 〕 尸 一 、 尸 一 、 卢 兀 一 一 ‘ 仁万二万了不万拓百 ， 一 一 ‘ 仁 而面丽霖不了不不丽不万补