液压并联机构在工程机械中的发展与应用

宁博　聂朝瑞

摘要：对串联机构及并联机构的特点及应用进行了介绍，阐述了液压并联机构在工程机械中的应用，对并联机构的特点进行了分析。针对挖掘机和凿岩钻机的结构进行了介绍，并对工程机械中所存在的液压并联机构进了说明，分析了液压并联机构在工程机械中的特点。通过国外凿岩机与国内凿岩机中液压并联机构应用的对比，得出了液压并联机构在工程机械中应用的可行性。

关键词：液压并联机构；机械；应用；全液压凿岩钻机

前言

当前，工程机械被广泛应用于冶金、矿山、铁路、公路、水电、港口码头、城乡建设以及林业、农业等国民经济和国防军工等部门，是各种建设工程综合机械化施工不可缺少的技术装备。利用工程机械施工可缩短工期.降低工程造价，大大提高劳动生产率。可在恶劣环境下承担各种特殊作业任务，可提高工程质量.又可节省大量劳动力等等。由于工程机械在各类工程建设中的高质量、高速度、低成本和高效益，各工业发达国家都十分重视发展工程机械.特别是第二次世界大战以后，经济建设处于稳定发展时期，工程机械的发展就更加迅速。

使用液压驱动的串联机构广泛应用于工程机械，如泵车、挖掘机、汽车起重机等。其原因主要是串联机构具有结构简单、工作空间大、灵活性好和可重构性好，同时使用液压系统及液压油缸进行驱动占用空间小，输出力大，工作稳定可靠，响应速度快，因而在工程机械中一直采用液压串联机构。

近些年，由于受到工程机械施工工况要求及工程机械结构限制，部分少自由度液压并联机构出现在工程机械中。对于困难的地下工程，如土方挖掘、煤矿开采，也可以采用这种强力的液压并联机构。Arai等1991年提出将并联机构装于履带式或步行式可移动的小车上，挖掘头装于并联机构的上平台，强有力的并联机构可以承受巨大的挖掘力。

本文阐述了串联机构和并联机构的特点及其应用，通过挖掘机和国内外凿岩钻机中液压并联机构的应用，说明了少自由度液压并联机构在工程机械应用的可行性。最后对液压并联机构在工程机械中的应用前景做了分析。

1.串联机构与并联机构概述

1.1串联机构的特点及应用

由于串联机构具有结构简单、工作空间大和灵活性好等优点，所以串联机构广泛应用于各种工程机械结构中，例如，挖掘机是一个4自由度的串联机构，混凝土泵车是一个6自由度串联机构，随车起重机、叉装车等是带平移自由度的串联机构。

1.2并联机构的特点及应用

并联机构相比于串联机构具有以下特点：

（1）并联机构运动平台由多杆支承，与串联结构相比刚度大、结构稳定：

（2）与串联结构相比，在相同自重与体积下承载能力高；

（3）并联机构末端件没有串联结构末端件的误差积累和放大作用，误差小、精度高；

（4）基于并联机构的机械很容易将电机置于机座上，运动负荷比较小，而基于串联机构的机械其电机及传动系统都放在运动件上，增加了系统的惯性，恶化了动力性能；

（5）在运动学求解上，并联机构正解困难、逆解非常容易，而串联机构的正解容易、逆解十分困难，由于在实时控制这些机构时要计算逆解，故并联机构在这方面很有优势。

并联机构的出现，扩大了机器人的应用范围。随着对并联机器人研究的不断深入，其应用领域也越来越广阔。

2.液压并联机构在工程机械中的应用

由于施工工况的特殊要求，并联机构具有串联机构所没有的优点，所以在工程机械中已经出现了少自由度的液压并联机构。目前主要是在挖掘机，煤矿凿岩机等设备中出现了液压并联机构。

2.1挖掘机中液压并联机构的应用

从外观上看，挖掘机由工作装置，上部转台，行走机构三部分组成。 根据其构造和用途可以区分为：履带式、轮胎式、步履式、全液压、半液压、全回转、非全回转、通用型、专用型、铰接式、伸缩臂式等多种类型。

工作装置是直接完成挖掘任务的装置。它由动臂、斗杆、铲斗等三部分铰接而成。动臂起落、斗杆伸缩和铲斗转动都用往复式双作用液压油缸进行驱动和控制。为了适应各种不同施工作业的需要，挖掘机可以配装多种工作装置，如起重、装载、平整、夹钳、推土、冲击锤等多种作业机具。

挖掘机的工作装置中动臂所需要的输出力比较大，并且惯性也较大，液压并联机构在其中得到了很好的应用，挖掘机的动臂机构中有两个液压缸作动力，输出一个自由度，这样增加了其稳定性，提高了动作的准确性，并在一定程度上提高了可靠性。

2.2 凿岩机械中液压并联机构的应用

隧道、洞室开挖是现代交通、能源、采掘、建筑等大规模基本建设中的一项难度大、耗资耗时多、勞动条件差但又十分重要、十分关键的施工作业。早期的液压凿岩设备全都是由人工操作的液压凿岩台车，其施工效率和施工精度完全取决于操作人员的熟练程度，而且，随着断面增大、线路弯曲，超欠挖程度也要加大。

凿岩工况复杂多变，多数施工工况狭小，普通的串联机构，难以满足要求，近些年，发展出了液压驱动的并联机构代替串联机构。

国外方面，钻机主要生产厂家阿特拉斯、英格索兰、古河等都对凿岩机械中液压并联机构进行了研究。其中阿特拉斯的boomer 104，boomer 281，boomer S1均采用了液压并联机构。

阿特拉斯的凿岩钻机boomer 104的驱动钻臂结构采用了液压并联机构，有两个液压缸组成一个驱动结构，两个液压缸共同驱动钻臂，使得臂架上仰和下俯，且能够在一定范围内摆动，属于2自由度液压并联机构。具有两个输入和两个输出，这种结构紧凑钻臂布局小，而且在凿岩的过程中，具有串联机构无法比拟的稳定性。

国内方面，我国自1972年已经开始对凿岩钻机进行研究，并有一定的成果，但是都采用串联机构。直到1998年凿岩钻机被列入国家863计划以后，中南大学在参考国外先进设备的基础上，开始研制具有液压并联机构的凿岩钻机。

我国研制的液压驱动双三角十字铰钻臂结构的凿岩钻机，如同阿特拉斯的凿岩钻机一样，钻臂的俯仰与摆动受两个变幅油缸的控制，推进器的俯仰与摆动也受两個变幅油缸的控制，两个双三角十字结构协同控制，能够实现钻臂和推进器的协同摆动。

由油缸驱动的两个双三角分别是两个液压并联机构。此种结构，使得钻臂结构十分紧凑，并且增加了结构的稳定性，但是对控制技术提出了新的要求，四个液压油缸的协同控制，需要有效的控制技术和手段。

与串联机构相比，液压并联机构在凿岩钻机中具有以下特点：

（1）钻臂的并联机构运动平台由两个液压缸支承，与串联结构相比刚度大、结构稳定。

（2）与串联结构相比，推进器重量相同，承载能力高；

（3）液压并联机构的采用，对于机架来说，运动负荷比较小；

（4）在凿岩断面的工作空间，与串联结构工作空间相同。

（5）液压并联机构相比于串联机构在控制方面更为复杂。

3.结论

本文的撰写主要得到以下结论：

（1）并联机构与串联机构自由于各自的优缺点而具有不同的应用范围。

（2）液压并联机构在工程机械中的应用较为少见，随着技术的发展，液压并联机构的应用会得到进一步发展。

（3）液压并联机构在工程机械中的应用，对控制技术提出了新的要求。

参考文献：

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[2]YANCY，GAO，F.Dynamic stability analysis of a novel forging manipulator[C].Intelligent Robotics and Application-First International Conference， ICIRA 2008，Proceedings.2008：449-458

[3]彭忠琦.并联机构的发展与应用[J].光电信息，2011， 28（12）：45-47.

作者简介：

宁博（1987.10-），男，学历：硕士，职称：助理工程师，研究方向：液压技术应用。

聂朝瑞（1987.5-），男，学历：硕士，职称：助理工程师，研究方向：液压技术应用。