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摘要：装载机的工作装置是转载机的重要部分，其工作装置机构的质量又直接决定了装载机质量。本文通过对装载机的机构进行介绍，并重点分析了装载机工作装置机构，详细介绍了机构建模、构型分析和机构综合三个方面，具有重要意义。
关键词：装载机；工作装置；机构分析
引言
装载机从事铲装作业时，工作装置是主要部件。因此工作装置的设计质量直接决定了装载机的工作效率和工作质量[1]。装载机工作装置经过长期的发展，已经逐渐放弃了之前的正转六杆和八杆机构、反转“Z”形连杆机构，取而代之的是TP连杆机构（沃尔沃公司）和八杆平行结构（卡特彼勒公司），实现了举升性能和铲斗平移性能的大幅改善。随着施工建设的快速发展，以往的大拆大建模式将慢慢被淘汰，而精细化施工成为必然的发展趋势。另外，数控技术的全面发展也为装备创新提供了发展动力，作为工程机械产品的装载机也在逐渐向着智能化、小型化、高性能、节能环保等方向发展[2]。所以，采用新技术、新结构对装载机工作装置的机构进行创新和改进已成为当代工程机械技术重要的发展趋势。
1. 装载机工作装置的机构介绍
装载机工作装置的机构一般应用液压系统，但是液压系统具有能耗较高、传动效率较低的缺点，所以极大的制约了装载机领域纯电动技术的应用。对可控机构来说，其输出运动一般具备可调、可控、柔性等特点，因此为了保证装载机工作装置具备这些特点，一些专家学者尝试使用非液压传动系统的可控装载机构，这种新型可控装载机构借助可控机构原理。通过计算机编程，采用电传动系统，实现驱动控制[3]。这种驱动控制能够完成多自由度运动输入，还能实现复杂轨迹输出，而且相比于传统液压装载机，能耗大大降低，可靠性明显增强。对于小型全电动装载机来说，这种系统的使用能够明显增强装载机的机械性能，还能实现装载机复杂动作的完成，运动柔性也更强。
2. 装载机工作装置的机构分析
2.1 建模分析
装载机受力的主要结构是工作装置，抗疲劳设计的基础是对各铰点进行受力状态分析以及强度分析。随着不断提高的铲装作业效率，各工作装置运动部件的速度也随之增大，在实际作业过程中各构件也因此而产生不可避免的惯性力，进而导致弹性形变的发生。所以在运动状态下，各工作装置的组成构件将会发生弹性形变。由于构件刚性运动与弹性形变发生耦合，各铰接点表现出来的受力情况并非简单的线性关系。所以，在分析装载机工作装置的机构时，如果做了柔性化处理，需要借助动力学原理，对各铰点的动态载荷受力情况进行求解。然后借助模态叠加法，完成连杆、摇臂和动臂的柔性化处理过程。使用ADAMS进行多柔体动力学仿真，分析装载机工作装置的受力情况，得到工作装置各机构铰接点的动态受力情况。为了对比出刚体模型和采用柔性处理的模型的差异，需要进行铲装试验，相比于刚体模型，进行柔性化处理后的工作装置机构，其动力学分析结果在反应动态受力情况方面具有更高的准确度。这也充分说明了多柔体模型在对机构的各铰点受力情况进行动力学分析时，是非常必要也非常合理的一种模型。
2.2 机构构型分析
在进行机构构型分析时，机构中的运动链用点表示，运动副用线来表示，这样就能将机构的运动链连接关系用连接的点和线表示出来，最终就能做出运动链拓扑图。构件与拓扑图的关系是一一对应的，将拓扑图中代表二副的点去掉，得到的运动链拓扑图叫做拓扑胚图。对于液压缸来说，可将其视为两杆运动链，由移动副连接形成。现在大多数的装载机工作装置一般是两自由度的平面闭环机构，机构构件数目有多种，其中最常用的是九杆两自由度。根据装载机的工作装置机构，进行拓扑结构分析。对于装载机机构构型的要求是：便于进行设计和综合。装载机工作装置的机构是可控机构，要符合工程机械的特点，其机构构型的具体要求有两个：一是装载机机构应该是两自由度的平面闭环；二是构件之间的运动副最好不选用移动副，而应该使用转动副，其具有更高的传动效率和可靠性，同时能耗也相对较低；三是机构的构件数目最好不超过九杆，既能满足装载机的作业要求，同时结构简单，制作成本也较低。
2.3机构综合分析
对于九杆以内的装载机，进行构件组合时，需要借助自由度计算公式，实现平面机构两自由度闭环连杆机构的杆件类配，相应的可以得到几种类配方案。类配方案中运动副超过2的，拓扑胚图方案的制定需要参考图论相关方法。拓扑胚图中二度点的插入需要根据二副构件数量进行确定，然后利用同构判断方法去掉同构和具有消极子链的拓扑结构，最终得到的拓扑图就是类配方案对应的全部拓扑结构。得到的拓扑结构并不是都符合装载机需要的，而且一种拓扑结构也并非只对应一种机构类型，所以，特定化转化和运动链转化并不能直接实现。这就要求在进行拓扑综合时，不仅要筛选得到拓扑图，还应该对筛选出的拓扑图实施特定化转化，并进行拓扑图功能点的确定。因此，进行拓扑图综合的过程有：首先要对拓扑图赋权；然后针对装载机机构的铲斗、机架以及主动杆这些部分的存在条件，实现拓扑图的特定化；接下来根据最简条件，筛选出经过特定化的拓扑结构；最后就能得到综合的、可控的拓扑结构方案。
3. 结论
综上所述，装载机工作装置的机构分析是实现装载机工作性能提升、能耗降低的重要手段。本文进行了较为详细的分析，但是还存在一定的不足，需要相关研究人员和学者继续进行研究，开发出性能更为优异的、应用更广泛的装载机。
参考文献：
[1]万一品，贾洁，梁佳，等. 裝载机工作装置结构强度分析与试验研究[J]. 机械强度，2016，38（4）：772-776.
[2]王海飞，姚树新，孔燕，等.ZL50装载机液压机械复合传动节能系统仿真研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2015，（1）：141一146.
[3]张林，蔡敢为，朱凯君，等.基于图论的可控装载机构构型设计及其应用[J].中国机械工程，2015，（1）：141一146.
作者简介：
宋康；1992年5月4日，男，汉族，江苏徐州，本科，助理工程师，工程机械。
关键词：装载机；工作装置；机构分析
引言
装载机从事铲装作业时，工作装置是主要部件。因此工作装置的设计质量直接决定了装载机的工作效率和工作质量[1]。装载机工作装置经过长期的发展，已经逐渐放弃了之前的正转六杆和八杆机构、反转“Z”形连杆机构，取而代之的是TP连杆机构（沃尔沃公司）和八杆平行结构（卡特彼勒公司），实现了举升性能和铲斗平移性能的大幅改善。随着施工建设的快速发展，以往的大拆大建模式将慢慢被淘汰，而精细化施工成为必然的发展趋势。另外，数控技术的全面发展也为装备创新提供了发展动力，作为工程机械产品的装载机也在逐渐向着智能化、小型化、高性能、节能环保等方向发展[2]。所以，采用新技术、新结构对装载机工作装置的机构进行创新和改进已成为当代工程机械技术重要的发展趋势。
1. 装载机工作装置的机构介绍
装载机工作装置的机构一般应用液压系统，但是液压系统具有能耗较高、传动效率较低的缺点，所以极大的制约了装载机领域纯电动技术的应用。对可控机构来说，其输出运动一般具备可调、可控、柔性等特点，因此为了保证装载机工作装置具备这些特点，一些专家学者尝试使用非液压传动系统的可控装载机构，这种新型可控装载机构借助可控机构原理。通过计算机编程，采用电传动系统，实现驱动控制[3]。这种驱动控制能够完成多自由度运动输入，还能实现复杂轨迹输出，而且相比于传统液压装载机，能耗大大降低，可靠性明显增强。对于小型全电动装载机来说，这种系统的使用能够明显增强装载机的机械性能，还能实现装载机复杂动作的完成，运动柔性也更强。
2. 装载机工作装置的机构分析
2.1 建模分析
装载机受力的主要结构是工作装置，抗疲劳设计的基础是对各铰点进行受力状态分析以及强度分析。随着不断提高的铲装作业效率，各工作装置运动部件的速度也随之增大，在实际作业过程中各构件也因此而产生不可避免的惯性力，进而导致弹性形变的发生。所以在运动状态下，各工作装置的组成构件将会发生弹性形变。由于构件刚性运动与弹性形变发生耦合，各铰接点表现出来的受力情况并非简单的线性关系。所以，在分析装载机工作装置的机构时，如果做了柔性化处理，需要借助动力学原理，对各铰点的动态载荷受力情况进行求解。然后借助模态叠加法，完成连杆、摇臂和动臂的柔性化处理过程。使用ADAMS进行多柔体动力学仿真，分析装载机工作装置的受力情况，得到工作装置各机构铰接点的动态受力情况。为了对比出刚体模型和采用柔性处理的模型的差异，需要进行铲装试验，相比于刚体模型，进行柔性化处理后的工作装置机构，其动力学分析结果在反应动态受力情况方面具有更高的准确度。这也充分说明了多柔体模型在对机构的各铰点受力情况进行动力学分析时，是非常必要也非常合理的一种模型。
2.2 机构构型分析
在进行机构构型分析时，机构中的运动链用点表示，运动副用线来表示，这样就能将机构的运动链连接关系用连接的点和线表示出来，最终就能做出运动链拓扑图。构件与拓扑图的关系是一一对应的，将拓扑图中代表二副的点去掉，得到的运动链拓扑图叫做拓扑胚图。对于液压缸来说，可将其视为两杆运动链，由移动副连接形成。现在大多数的装载机工作装置一般是两自由度的平面闭环机构，机构构件数目有多种，其中最常用的是九杆两自由度。根据装载机的工作装置机构，进行拓扑结构分析。对于装载机机构构型的要求是：便于进行设计和综合。装载机工作装置的机构是可控机构，要符合工程机械的特点，其机构构型的具体要求有两个：一是装载机机构应该是两自由度的平面闭环；二是构件之间的运动副最好不选用移动副，而应该使用转动副，其具有更高的传动效率和可靠性，同时能耗也相对较低；三是机构的构件数目最好不超过九杆，既能满足装载机的作业要求，同时结构简单，制作成本也较低。
2.3机构综合分析
对于九杆以内的装载机，进行构件组合时，需要借助自由度计算公式，实现平面机构两自由度闭环连杆机构的杆件类配，相应的可以得到几种类配方案。类配方案中运动副超过2的，拓扑胚图方案的制定需要参考图论相关方法。拓扑胚图中二度点的插入需要根据二副构件数量进行确定，然后利用同构判断方法去掉同构和具有消极子链的拓扑结构，最终得到的拓扑图就是类配方案对应的全部拓扑结构。得到的拓扑结构并不是都符合装载机需要的，而且一种拓扑结构也并非只对应一种机构类型，所以，特定化转化和运动链转化并不能直接实现。这就要求在进行拓扑综合时，不仅要筛选得到拓扑图，还应该对筛选出的拓扑图实施特定化转化，并进行拓扑图功能点的确定。因此，进行拓扑图综合的过程有：首先要对拓扑图赋权；然后针对装载机机构的铲斗、机架以及主动杆这些部分的存在条件，实现拓扑图的特定化；接下来根据最简条件，筛选出经过特定化的拓扑结构；最后就能得到综合的、可控的拓扑结构方案。
3. 结论
综上所述，装载机工作装置的机构分析是实现装载机工作性能提升、能耗降低的重要手段。本文进行了较为详细的分析，但是还存在一定的不足，需要相关研究人员和学者继续进行研究，开发出性能更为优异的、应用更广泛的装载机。
参考文献：
[1]万一品，贾洁，梁佳，等. 裝载机工作装置结构强度分析与试验研究[J]. 机械强度，2016，38（4）：772-776.
[2]王海飞，姚树新，孔燕，等.ZL50装载机液压机械复合传动节能系统仿真研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2015，（1）：141一146.
[3]张林，蔡敢为，朱凯君，等.基于图论的可控装载机构构型设计及其应用[J].中国机械工程，2015，（1）：141一146.
作者简介：
宋康；1992年5月4日，男，汉族，江苏徐州，本科，助理工程师，工程机械。