連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型優(yōu)化研究

0裝卸機(jī)械的設(shè)計(jì)該設(shè)備具有操作速度快、效率高、流動(dòng)性好、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。它是目前建設(shè)項(xiàng)目的主要施工機(jī)械。裝載機(jī)工作裝置是完成裝卸作業(yè)的空間連桿機(jī)構(gòu),其設(shè)計(jì)水平的高低直接影響裝載機(jī)的工作效率和經(jīng)濟(jì)性。因此,采用先進(jìn)設(shè)計(jì)方法對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析研究變得日益重要。本文應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)某型裝載機(jī)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化,并取得比較理想的效果。1連桿機(jī)構(gòu)模擬仿真連桿機(jī)構(gòu)的典型工作過(guò)程分為4個(gè)階段。(1)動(dòng)臂缸閉鎖,轉(zhuǎn)斗缸伸長(zhǎng),鏟斗收斗,實(shí)現(xiàn)物料的鏟裝。(2)轉(zhuǎn)斗缸閉鎖,動(dòng)臂缸伸長(zhǎng),動(dòng)臂上舉,實(shí)現(xiàn)物料的舉升。(3)轉(zhuǎn)斗缸收縮,動(dòng)臂缸閉鎖,鏟斗翻轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)物料的卸載。(4)轉(zhuǎn)斗缸閉鎖,動(dòng)臂缸收縮,動(dòng)臂下降,鏟斗自動(dòng)放平,進(jìn)入下一次鏟掘狀態(tài)。工作過(guò)程中,應(yīng)滿足平移性、傳動(dòng)性、卸料性和自動(dòng)放平等要求。本文在對(duì)原有裝載機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺寸采集的基礎(chǔ)上,建立了該裝載機(jī)連桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型(圖1)。對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析(圖2),發(fā)現(xiàn)在舉升10～30s過(guò)程中,鏟斗傾角變化為16°,超出設(shè)計(jì)要求范圍(不大于15°),未能滿足平移性要求;同時(shí),鏟斗由上限位置下降到地面位置時(shí)(60s處),斗底平面與水平面夾角為18.2°,未能滿足鏟斗自動(dòng)放平的要求。本文將針對(duì)這2個(gè)問(wèn)題對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究,以尋求一種更優(yōu)機(jī)構(gòu)。2機(jī)構(gòu)優(yōu)化2.1轉(zhuǎn)斗缸與上搖臂的鉸接點(diǎn)選取轉(zhuǎn)斗油缸和前車(chē)架鉸接點(diǎn)的位置對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的平移性、自動(dòng)放平性均有較大影響,而對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸影響不大。為提高優(yōu)化效率,減少盲目性,可先通過(guò)作圖法確定該鉸接點(diǎn)的大致位置,再運(yùn)用優(yōu)化算法尋求更優(yōu)位置。如圖3所示,作動(dòng)臂在下限位置收斗后各桿件的位置,得轉(zhuǎn)斗缸與上搖臂的鉸接點(diǎn)F平;再作鏟斗平移到上限位置時(shí)對(duì)應(yīng)各桿件的位置,得轉(zhuǎn)斗缸與上搖臂的鉸接點(diǎn)。作F平、2點(diǎn)連線的垂直平分線1,則1線上任一點(diǎn)均可滿足鏟斗平移性的要求。如圖4所示,作鏟斗在上限位置卸料后各桿件的位置,得轉(zhuǎn)斗缸與上搖臂的鉸接點(diǎn);再作鏟斗下降到地面位置時(shí)對(duì)應(yīng)各桿件的位置,得轉(zhuǎn)斗缸與上搖臂的鉸接點(diǎn)F放。作F放、2點(diǎn)連線的垂直平分線2,則2線上任一點(diǎn)均可滿足鏟斗自動(dòng)放平性的要求。取1線和2線的交點(diǎn)G理作為轉(zhuǎn)斗油缸與前車(chē)架的鉸接點(diǎn),則可同時(shí)滿足平移性和自動(dòng)放平性要求,如圖5所示。但在該機(jī)構(gòu)中,G理點(diǎn)作為鉸接點(diǎn)易使轉(zhuǎn)斗油缸和前車(chē)架發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉,故G理點(diǎn)不合適。依據(jù)經(jīng)驗(yàn),本文選用G改點(diǎn)作為該鉸接點(diǎn)的初始位置。2.2優(yōu)化模型的構(gòu)建2.2.1設(shè)計(jì)變量的選取搖臂上包含3個(gè)鉸接點(diǎn),其結(jié)構(gòu)變化對(duì)整體機(jī)構(gòu)性能影響較大,同時(shí)為盡量減少機(jī)構(gòu)中變化構(gòu)件的數(shù)目,故僅選用搖臂上E、C、F及車(chē)架上G這4個(gè)鉸接點(diǎn)的X、Y值作為設(shè)計(jì)變量。根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求確定每個(gè)設(shè)計(jì)變量的取值范圍,如表1所示。2.2.2目標(biāo)函數(shù)的配置選取舉升過(guò)程中鏟斗角度變化最小的點(diǎn)作為優(yōu)化目標(biāo),建立目標(biāo)函數(shù)式中:a1為舉升過(guò)程中斗底與水平面的夾角。2.2.3機(jī)構(gòu)的放平約束(1)傳動(dòng)角約束2個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角大于10°,小于170°,即(2)自動(dòng)放平約束鏟斗下降到地面位置時(shí),斗底與水平面的夾角大于-10°,小于0°,即式中:a2為斗底與水平面的最終夾角。(3)上限卸料角約束保證機(jī)構(gòu)在上限位置時(shí)可靠卸料。式中:a3為卸料過(guò)程斗底與水平面的夾角。2.3運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及結(jié)果分析應(yīng)用ADAMS軟件建立連桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型,建模大致過(guò)程為:以各鉸點(diǎn)坐標(biāo)建立設(shè)計(jì)點(diǎn),利用零件庫(kù)在設(shè)計(jì)點(diǎn)上建立連桿機(jī)構(gòu)的模型;在模型上添加約束和驅(qū)動(dòng);進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,檢查模型是否正確;按照表1建立設(shè)計(jì)變量,并將E、C、F、G這4個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)改為由相應(yīng)設(shè)計(jì)變量驅(qū)動(dòng)。在參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步建立目標(biāo)函數(shù)和約束方程,并利用軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。圖6給出了優(yōu)化前后鏟斗角度的變化情況。優(yōu)化后,鏟斗在舉升過(guò)程中(10～30s)傾角變化為11.7°,滿足了平移性要求;鏟斗由上限位置下降到地面位置(60s處)時(shí),斗底與水平面的夾角為-4.6°,滿足了自動(dòng)放平性要求。3連桿機(jī)構(gòu)模型優(yōu)化本文通過(guò)建立裝載機(jī)連桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī),結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)了裝載機(jī)連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),解決了原設(shè)計(jì)中裝載機(jī)不能滿足平移性和自動(dòng)放平性的問(wèn)題。研究表明:在用作圖法確定轉(zhuǎn)斗油缸和前車(chē)架鉸接點(diǎn)大致位置的基礎(chǔ)上,建立連桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)化虛擬樣機(jī)模型并對(duì)模