裝載機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

安裝車間可執(zhí)行切割和裝載材料的功能，是安裝車間的核心部件。它的設(shè)計(jì)水平直接影響工作效率、建設(shè)工藝和運(yùn)營質(zhì)量。本文利用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)軟件ADAMS,對裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真,獲得其性能參數(shù),并對裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以提高裝載機(jī)工作裝置的性能。1主要性能評價(jià)指標(biāo)某型裝載機(jī)工作裝置主要由鏟斗、連桿、動臂、搖臂、轉(zhuǎn)斗液壓缸及動臂液壓缸等組成,工作裝置與前車架相連,如圖1所示。其工作過程主要由鏟掘—舉升—卸載—回落4種工況組成,如圖2所示。本文中定義斗底平面與地面夾角為α,采用不同下角標(biāo)標(biāo)注鏟斗在不同位置時(shí)的角度。鏟掘初始,即鏟斗位于地面位置Ⅰ時(shí),斗底平面與地面夾角為下插角α1,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證0°<α1<6°;鏟斗由地面位置Ⅰ到位置Ⅱ?yàn)殓P掘工況,鏟掘結(jié)束時(shí)斗底平面與地面夾角為鏟掘角α2,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證α2=45°;鏟斗由位置Ⅱ到位置Ⅲ為舉升工況;鏟斗由位置Ⅲ到位置Ⅳ為卸載工況,卸載結(jié)束時(shí)斗底平面與地面夾角為卸載角α3,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證α3≥41°;鏟斗由位置Ⅳ到位置Ⅰ為回落工況。該裝載機(jī)工作裝置的主要性能評價(jià)指標(biāo)如下:1)卸載性,即鏟斗在任意位置的卸載角α3均不小于41°;2)卸載高度H和卸載距離L,如圖2所示,位置Ⅳ時(shí)鏟斗前端P點(diǎn)與地面的垂直距離即為卸載高度H,位置Ⅳ時(shí)鏟斗前端P點(diǎn)與輪胎最前端的水平距離即為卸載距離L;3)平動性,舉升過程中斗底平面與地面夾角α的變化量小于15°;4)連桿機(jī)構(gòu)的傳動性,即運(yùn)動過程中各機(jī)構(gòu)間傳動角不得大于170°或小于10°,且不得出現(xiàn)構(gòu)件相互干涉的現(xiàn)象;5)鏟斗下插角α1,即動臂下降至下限位置時(shí),應(yīng)保證斗底平面與水平面有0°~6°夾角,裝載機(jī)自動進(jìn)入下一次鏟掘狀態(tài)。2仿真結(jié)果及分析將Pro/E中建立的裝載機(jī)工作裝置模型導(dǎo)入ADAMS,在前車架相對地面處添加固定副,在鉸點(diǎn)A,B,C,D,E,F,G,H及J處對相對旋轉(zhuǎn)部件添加旋轉(zhuǎn)副,在鉸點(diǎn)E與H、鉸點(diǎn)F與G之間添加平移副,以仿真液壓缸的直線運(yùn)動,如圖3所示。對平移副添加平移驅(qū)動及速度曲線,在鏟斗重心添加物料重力曲線,在鏟斗最前端100mm處添加掘起力曲線,進(jìn)行動力學(xué)仿真,得到裝載機(jī)工作裝置性能參數(shù)(見表1),以及斗底平面與地面夾角變化曲線(見圖4),其中0~3s為鏟掘工況,3~8s為舉升工況,8~9s為卸載工況,9~12s為回落工況。舉升過程斗底平面與地面最大夾角αmax=55°,最小夾角αmin=α2=45°,平動角ζ=αmax-αmin=10°。由表1可知,鏟斗下插角α1=0°,因此需增大下插角,以保證裝載機(jī)自動進(jìn)入下一次鏟裝狀態(tài),提高工作效率。3優(yōu)化安裝和工作設(shè)備3.1非線性約束優(yōu)化問題求解有約束條件的優(yōu)化問題一般步驟如下:確定要最小化或最大化的目標(biāo)函數(shù),選擇要調(diào)整的設(shè)計(jì)變量,定義必須滿足的約束函數(shù)。對于非線性約束優(yōu)化問題:式中:x∈Rn。式(1)為目標(biāo)函數(shù),式(2)和式(3)為問題的約束條件,其中,式(2)為等式約束,式(3)為不等式約束,m為正整數(shù),E,I分別為等式約束和不等式約束的指標(biāo)集。3.2目標(biāo)函數(shù)的建立對裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行優(yōu)化時(shí),各性能參數(shù)皆可作為目標(biāo)函數(shù),本文選用在動臂下降至下限位置時(shí)鏟斗下插角α1最大,即-α1最小作為目標(biāo)函數(shù),其表達(dá)式為:3.3鉸點(diǎn)的參數(shù)化優(yōu)化鉸點(diǎn)位置的變化會造成工作過程中斗底平面與地面夾角曲線的變化,從而影響鏟斗下插角。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,對鉸點(diǎn)A,B,C,D,E和F進(jìn)行優(yōu)化,利用ADAMS設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)化功能將上述鉸點(diǎn)的X,Y坐標(biāo)值參數(shù)化,生成XA,XB,…,XF(其中,XA為A點(diǎn)的X方向坐標(biāo),以此類推),YA,YB,…,YF共12個(gè)設(shè)計(jì)變量,并設(shè)定每個(gè)設(shè)計(jì)變量的取值范圍為±15mm。3.4建立發(fā)送角約束函數(shù)由裝載機(jī)工作裝置性能設(shè)計(jì)方面的要求對工作性能進(jìn)行約束,在ADAMS中建立約束函數(shù)的方法如下:首先利用MEASURE選項(xiàng)建立有關(guān)測量,然后利用DESIGNCONSTRAINT選項(xiàng)創(chuàng)建相關(guān)約束。保證10°<∠ABC<170°、10°<∠BCD<170°,建立以下傳動角約束函數(shù)表達(dá)式:式中:AZ(marker_ABC)和AZ(marker_BCD)分別為∠ABC和∠BCD的值。保證卸載角α3不小于41°,建立卸載角約束函數(shù)表達(dá)式:式中:AZ(marker_beita)為卸載角度。保證最大卸料高度大于2876mm,最小卸料距離不小于863mm,分別建立最大卸載高度、最小卸載距離約束函數(shù)表達(dá)式:式中:DY(marker_P)和DX(marker_P)分別為卸載高度和卸載距離。保證最大轉(zhuǎn)斗液壓缸力小于147000N,建立轉(zhuǎn)斗液壓缸力約束函數(shù)表達(dá)式:3.5工作裝置性能仿真及干涉檢查設(shè)置ADAMS優(yōu)化求解器,采用SQP算法,設(shè)定收斂誤差為默認(rèn)值1.0E-3,采用向前差商的有限差分方法,進(jìn)行工作裝置性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后裝載機(jī)工作裝置鉸點(diǎn)坐標(biāo)變化見表2,其中X,Y軸方向與圖3中所標(biāo)注的X,Y坐標(biāo)軸方向相同。根據(jù)鉸點(diǎn)坐標(biāo)優(yōu)化結(jié)果修改裝載機(jī)工作裝置三維實(shí)體模型,重新導(dǎo)入ADAMS建立動力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析及干涉檢查,得到優(yōu)化后裝載機(jī)工作裝置的性能參數(shù)(見表3)、斗底平面與地面夾角的變化曲線(見圖5),各構(gòu)件在運(yùn)動過程中不存在干涉現(xiàn)象。由表3和圖5可知,優(yōu)化后裝載機(jī)工作裝置的下插角由0°增大到3.1°,在對外輸出掘起力不變的情況下,優(yōu)化后轉(zhuǎn)斗液壓缸力減小1.4%,改善了結(jié)構(gòu)受力狀態(tài);同時(shí)卸載距離增加10mm,卸載高度增加2mm,最小傳動角由11.8°增加到13.8°,傳動性能提高,最大傳動角不變;盡管平動角由10°增大到11°,但仍在設(shè)計(jì)范圍內(nèi),因此裝載機(jī)工作裝置的性能得可到明顯提升。4工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)在采用ADAMS軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中,以運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)分析為基礎(chǔ),建立目標(biāo)函數(shù),設(shè)置設(shè)計(jì)變量和約束條件即可自動計(jì)算求得最優(yōu)解,具有可視性強(qiáng),編程量少,效率高等特點(diǎn)。本文對裝載機(jī)