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.428 北京科技大学学报 第30卷 经过优化后，得到了详细的机构基本构件的具体尺 示相应运动副的级别， 寸、重要构件的质心位置坐标及安装的相对位置， 在实践中对堵渣机的相关尺寸和结构全部进行了相 B n 应的改进与设计， 2.3堵渣机的自调结构设计 D (1)堵渣机的无过约束结构分析与运动副配 E— i V M G-N H V N I V N V I H V H V N V M 置，平面机构的自调结构设计，实质上就是通过优 F-MMN NMV H V NN V NN M V B V N V B V N V N V N V 化机构运动副类型的合理配置，消除或减少过约束 K-HNNHNNVNV NNVINHVNVH V VNN VN VV L 结构对误差的敏感，以达到提高机构的自调及自适 应性能的目的10).堵渣机为一变结构机构，考虑 图4堵渣机升降阶段运动副的优化配置流程 到机构在升降阶段参与的构件数最多，且几乎包含 Fig.4 Optimized configuration pattern about kinematic pairs of the 其他阶段的所有回路，故选择升降阶段的机构结构 stopper in lift phase 形式作为机构运动副配置方案的基础方式来进行 A(N) 讨论 AN) 根据过约束数计算公式可g=F+6k一∑∫，满 Ⅲ)2 足过约束为零的配置，g=0,k=3,F=3(含两个局 G,K结构示意图 部自由度)，且滚轮K与立臂CDE为Ⅱ级运动副， GV) 其余的运动副普遍采用的Ⅲ、N、V级低副，那么过 约束数计算公式可以整理为： Sf=6k+F-q=Pv+2PN+3Pm+4Pn=21 E(I D(N) 6 (1) 机构运动副总数为： ∑P.=Pv+Pw+Pm十Pm=10 图5机构自调自适应运动副配置 (2) Fig.5 Configuration pattern of kinematic pairs with self-adjustment 联立式(1)、(2)求解可得整个系统无过约束的 运动副配置解为四组： 依据运动副的优化配置方案，可以结合详细公 ①Pv=2,Pv=6,Pm=1,PⅡ=1； 式法与回路自由度法分析堵渣机各个工作阶段机构 2PV=3,PN=4,P=2,PI=1; 的过约束，以验证堵渣机零过约束自调结构设计的 3 PV=4,PN=2,Pm=3,PI=1; 正确性， Py=5,PN=0,P=4,PI=1. 通过分析，在闭锁阶段，由于堵头与渣口间存在 按照同样的方法可以求得满足每一回路无过约 内力加压，导致CDW回路中仍然存在三个空间过 束的解，最终可以得到运动副的配置为：Pv=3, 约束，正是这三个过约束满足了堵渣机的堵头一直 Pv=4,Pm=2,PI=1.其中ATBC回路为Pv= 保持与渣口可靠地接触，达到长时间可靠地堵塞的 目的，其他阶段，除增加了对机构性能无害的构件 1,Pw=2,Pm=1;CLDEGKF回路为Pv=3, TB的转动局部自由度之外，系统的过约束都得到 P=2,Pm=1,Pm=1.其单一运动副的配置方法 了很好的消除. 如图4所示，其中C为V级副，L为Ⅱ级副 另外，由于堵渣杆的D、E运动副分别为N级 在27种组合中，按照自调运动实现的实际可能 圆柱副和Ⅲ级球面副，使堵杆具有z向运动的可 性，制造安装等的可行性以及保持机构平面运动性 能，即可以出现堵渣杆DE绕E点的y轴转动的自 质等因素，选择AN TNBⅢCV DN EⅢGV FV KN 调自由度，该z向运动还可作为堵头与渣口间存在 L,配置为机构的运动副优化配置方案，其下标分别 Z向位置误差的自适应调整的自适应自由度，从而 表示各运动副的级别 使机构具有了更加完善的（能适应y、z两个方向） (2)堵渣机的自调结构设计.按照上述选取的 自适应功能， 运动副优化配置方案，再考虑到便于制造和安装，将 同时，由于运动副K采用了山级运动副，增加 原方案中的Kⅳ球销副改为Ⅲ级球面副，可以得到 了滚子y向转动的局部自由度，这样可以保证滚子 如图5所示的自调结构机构简图，括号中的数字表 与立臂之间的线接触，进一步改善了滚子与立臂的经过优化后得到了详细的机构基本构件的具体尺 寸、重要构件的质心位置坐标及安装的相对位置． 在实践中对堵渣机的相关尺寸和结构全部进行了相 应的改进与设计． 2∙3 堵渣机的自调结构设计 （1） 堵渣机的无过约束结构分析与运动副配 置．平面机构的自调结构设计实质上就是通过优 化机构运动副类型的合理配置消除或减少过约束 结构对误差的敏感以达到提高机构的自调及自适 应性能的目的［10—11］．堵渣机为一变结构机构考虑 到机构在升降阶段参与的构件数最多且几乎包含 其他阶段的所有回路故选择升降阶段的机构结构 形式作为机构运动副配置方案的基础方式来进行 讨论． 根据过约束数计算公式［5］ q＝ F＋6k—∑ f满 足过约束为零的配置q＝0k＝3F＝3（含两个局 部自由度）且滚轮 K 与立臂 CDE 为Ⅱ级运动副 其余的运动副普遍采用的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级低副那么过 约束数计算公式可以整理为： ∑ f＝6k＋F—q＝PⅤ＋2PⅣ＋3PⅢ＋4PⅡ＝21 （1） 机构运动副总数为： ∑Pi＝PⅤ＋PⅣ＋PⅢ＋PⅡ＝10 （2） 联立式（1）、（2）求解可得整个系统无过约束的 运动副配置解为四组： ① PⅤ＝2PⅣ＝6PⅢ＝1PⅡ＝1； ② PⅤ＝3PⅣ＝4PⅢ＝2PⅡ＝1； ③ PⅤ＝4PⅣ＝2PⅢ＝3PⅡ＝1； ④ PⅤ＝5PⅣ＝0PⅢ＝4PⅡ＝1． 按照同样的方法可以求得满足每一回路无过约 束的解最终可以得到运动副的配置为：PⅤ ＝3 PⅣ＝4PⅢ＝2PⅡ＝1．其中 A TBC 回路为 PⅤ＝ 1PⅣ ＝2PⅢ ＝1；CLDEGKF 回路为 PⅤ ＝3 PⅣ＝2PⅢ＝1PⅡ＝1．其单一运动副的配置方法 如图4所示其中 C 为 V 级副L 为Ⅱ级副． 在27种组合中按照自调运动实现的实际可能 性制造安装等的可行性以及保持机构平面运动性 质等因素选择 A Ⅳ T Ⅳ BⅢ CⅤ DⅣ EⅢ GⅤ FⅤ KⅣ L Ⅱ配置为机构的运动副优化配置方案其下标分别 表示各运动副的级别． （2） 堵渣机的自调结构设计．按照上述选取的 运动副优化配置方案再考虑到便于制造和安装将 原方案中的 KⅣ球销副改为Ⅲ级球面副可以得到 如图5所示的自调结构机构简图括号中的数字表 示相应运动副的级别． 图4 堵渣机升降阶段运动副的优化配置流程 Fig．4 Optimized configuration pattern about kinematic pairs of the stopper in lift phase 图5 机构自调自适应运动副配置 Fig．5 Configuration pattern of kinematic pairs with self-adjustment 依据运动副的优化配置方案可以结合详细公 式法与回路自由度法分析堵渣机各个工作阶段机构 的过约束以验证堵渣机零过约束自调结构设计的 正确性． 通过分析在闭锁阶段由于堵头与渣口间存在 内力加压导致 CDW 回路中仍然存在三个空间过 约束正是这三个过约束满足了堵渣机的堵头一直 保持与渣口可靠地接触达到长时间可靠地堵塞的 目的．其他阶段除增加了对机构性能无害的构件 TB 的转动局部自由度之外系统的过约束都得到 了很好的消除． 另外由于堵渣杆的 D、E 运动副分别为Ⅳ级 圆柱副和Ⅲ级球面副使堵杆具有 z 向运动的可 能即可以出现堵渣杆 DE 绕 E 点的 y 轴转动的自 调自由度．该 z 向运动还可作为堵头与渣口间存在 Z 向位置误差的自适应调整的自适应自由度．从而 使机构具有了更加完善的（能适应 y、z 两个方向） 自适应功能． 同时由于运动副 K 采用了Ⅲ级运动副增加 了滚子 y 向转动的局部自由度这样可以保证滚子 与立臂之间的线接触进一步改善了滚子与立臂的 ·428· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷