推土機(jī)工作裝置的仿真和優(yōu)化

李緒永, 孟令韓， 王樹鳳

(1.山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院, 山東 淄博 255091； 2.濟(jì)南交通高級(jí)技工學(xué)校， 山東 章丘 250200)

大型推土機(jī)工作條件惡劣，其零部件對(duì)耐磨性、疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性要求較高.推土機(jī)工作裝置要完成松土、鏟土、短距離運(yùn)送等工作，受力大，各構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，這就對(duì)推土機(jī)工作裝置的可靠性研究提出了較高的要求[1-2].國內(nèi)已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了很多相關(guān)研究，青島大學(xué)的林曉磊等對(duì)推土機(jī)工作裝置的某鉸接點(diǎn)處易發(fā)生斷裂的實(shí)際情況進(jìn)行了ADAMS仿真，但未進(jìn)行優(yōu)化[3]；吉林大學(xué)的葉蘭成利用ADAMS對(duì)工作裝置進(jìn)行了建模，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及有限元分析，然后通過經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化，卻沒有進(jìn)行樣機(jī)的檢驗(yàn)[4];吉林大學(xué)的趙雪莉?qū)ぷ餮b置用MATLAB工具進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化，并用ADAMS的建模仿真工具進(jìn)行了檢驗(yàn)，雖然有比較完整的建模仿真優(yōu)化，但缺少較多的實(shí)際工況的仿真驗(yàn)證[5].本文以某推土機(jī)工作裝置為研究對(duì)象，針對(duì)四種常見工況進(jìn)行虛擬樣機(jī)的仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)不理想的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.

1 推土機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)與受力分析

1.1 推土機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)分析

圖1 推土機(jī)工作裝置實(shí)物圖

1.推土鏟；2.連接基座；3.左橫拉桿；4.右橫拉桿；5.左頂推梁；6.右頂推梁；7.機(jī)架；8.斜撐螺桿;9.側(cè)傾桿；10.側(cè)傾油缸；11.右舉升缸；12.左舉升缸圖2 推土機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖

圖1所示為推土機(jī)工作裝置的實(shí)物圖，圖2為其結(jié)構(gòu)簡圖.推土機(jī)工作裝置主要由舉升機(jī)構(gòu)和側(cè)傾機(jī)構(gòu)組成.舉升機(jī)構(gòu)由舉升桿、舉升缸、推土鏟、頂推梁、機(jī)架組成.舉升缸(桿)與推土鏟以球鉸的形式鏈接，另一端以球鉸的形式連接在機(jī)架上.頂推梁兩端都以球鉸的形式連接在推土鏟和機(jī)架上.工作時(shí)，舉升缸提供動(dòng)力，使得推土鏟舉升，同時(shí)頂推梁繞機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)推土鏟的舉升[6-7].

側(cè)傾機(jī)構(gòu)由側(cè)傾桿、側(cè)傾油缸、斜撐螺桿、推土鏟、左右橫拉桿、左右頂推梁、機(jī)架組成.側(cè)傾油缸(桿)一端以球鉸接的方式和右頂推梁相連接，另一端與推土鏟以球鉸的方式連接.水平橫拉桿一端用球面副與連接基座相連接，另外一端用球面副與頂推梁相連接. 工作時(shí)，側(cè)傾油缸推動(dòng)側(cè)傾桿運(yùn)動(dòng)，以提供偏轉(zhuǎn)的動(dòng)力，最終實(shí)現(xiàn)推土鏟的側(cè)傾. 各個(gè)部件之間連接方式如圖2所示(水平橫拉桿主要起平衡力矩的作用).

1.2 推土機(jī)工作裝置不同工況下的動(dòng)力學(xué)分析

推土機(jī)在工作過程中，要完成松土、鏟土、短距離運(yùn)送等工作，本文根據(jù)其工作情況，對(duì)推土機(jī)四種工況下的工作裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，具體情況如下：

1)上升工況

上升工況即推土鏟從最低點(diǎn)上升到最高點(diǎn)的工況，此時(shí)舉升缸以及舉升機(jī)構(gòu)起作用，除物料的重力外，沒有外力作用.在此假設(shè)物料在舉升過程沒有灑落，也即物料的重力不變.

2)側(cè)傾工況

側(cè)傾工況即推土鏟從最右傾位置旋轉(zhuǎn)到最左傾位置，此時(shí)側(cè)傾缸以及側(cè)傾機(jī)構(gòu)起作用，此過程也是空載，沒有外力作用.

3)運(yùn)土前工況

運(yùn)土前工況即鏟土結(jié)束以后，推土鏟滿載從鏟土最低點(diǎn)上升到地平面位置的過程.此過程滿載，即外力只受到滿載的土料的重力G的作用.推土鏟上滿鏟土料重力大小可由以下公式計(jì)算得到：

G=ρ·V'max·g

(1)

式中：ρ為土料的密度；V'max為推土鏟的滿鏟容量；g代表重力加速度.

4)鏟土工況

鏟土工況即推土鏟從地平面位置下鏟到達(dá)最低點(diǎn)位置的過程.此過程推土機(jī)在勻速前進(jìn)中鏟土，實(shí)現(xiàn)了空載至滿載即土料實(shí)現(xiàn)了從0到G的轉(zhuǎn)變，該工況結(jié)束時(shí)刻推土鏟的受力如圖3所示.圖3中，A、B點(diǎn)分別代表舉升缸及頂推梁與推土鏟的鉸接點(diǎn)，C、D點(diǎn)分別代表土料重心垂線與地面及推土鏟的交點(diǎn)，E、O點(diǎn)分別代表推土鏟的兩個(gè)頂點(diǎn).

圖3 推土鏟在鏟土工況的受力圖

根據(jù)O點(diǎn)的力矩平衡得

G·lOD·sinγ-F1·lOA·sinθ-

F2·lOB·sinφ=0

(2)

根據(jù)力的水平和垂直方向平衡得

Nx-F1cosα-F2cosβ=0

(3)

Ny-F1sinα-F2sinβ-G=0

(4)

又有

F1=P·S

(5)

由該圖形的幾何關(guān)系知

θ=∠AOC-α=δ-α-∠AOE

(6)

φ=∠BOC-β=δ-β-∠BOE

(7)

γ=90°-∠DOC=90°-α+∠DOE

(8)

式中：F1為舉升缸的液壓力；F2為頂推梁力；G為鏟上的土料重力；Nx為地面水平反力；Ny為地面垂直反力；P代表舉升缸內(nèi)的油壓；S代表舉升缸內(nèi)的橫截面積；α代表舉升缸與水平面的夾角；β代表頂推梁與水平面的夾角；γ代表OD與數(shù)值方向的夾角；θ代表OA與F1延長線的夾角，φ代表OB與F2延長線的夾角；δ即∠COE代表前傾角.lOA,lOB,lOD,α，β，δ，∠AOE，∠BOE，∠DOE是幾何數(shù)據(jù)，G在前面已經(jīng)求得，從而可以由公式(1)～(8)求得F2,Nx,Ny.

2 推土機(jī)工作裝置的建模與仿真

2.1 工作裝置的建模

通過以上對(duì)某推土機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)和受力分析，使用虛擬樣機(jī)軟件ADAMS對(duì)其進(jìn)行建模，建模過程如下：

1)首先根據(jù)圖1的模型及實(shí)車尺寸確定各主要關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，利用Point工具將這些點(diǎn)標(biāo)記在相應(yīng)的坐標(biāo)上；然后利用幾何建模工具箱中的Link工具畫出頂推梁，用Cylinder工具畫出液壓缸和橫拉桿等，用Polyline工具將推土鏟的截面畫出來，并用Extrusion工具將截面拉伸成為立體的推土鏟.

2)在相應(yīng)的鉸接點(diǎn)處添加球形副或轉(zhuǎn)動(dòng)副等，并在相應(yīng)的液壓缸上添加移動(dòng)副.

3)針對(duì)不同的工況，分別對(duì)液壓缸賦予相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，并對(duì)推土鏟賦予相應(yīng)的外力.

4)進(jìn)行模型驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果顯示模型擁有13個(gè)部件，14個(gè)球形副，2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，1個(gè)圓柱副，3個(gè)驅(qū)動(dòng)和若干個(gè)外力(外力的數(shù)量視具體工況而定)，以及0個(gè)自由度.

最終得到的推土機(jī)工作裝置模型如圖4所示.

圖4 工作裝置虛擬樣機(jī)模型

2.2 工作裝置的仿真分析

通過對(duì)四種常見工況進(jìn)行仿真，觀察其運(yùn)動(dòng)過程，進(jìn)行干涉分析，可判斷結(jié)構(gòu)是否符合預(yù)期的要求、運(yùn)動(dòng)過程中有無參數(shù)的突變等.仿真過程中需要測(cè)量的參數(shù)有：液壓缸伸長量、推土鏟高度、前傾角(即鏟刀橫截面所在弧線的內(nèi)弦所在直線與地平面的夾角)、側(cè)傾角(即鏟刀刀刃所在直線與地平面的夾角)，另外還需要測(cè)量各構(gòu)件的受力大小，判斷是否受力過大、受力不平衡等.

圖5～圖9為推土機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果，其中圖5和圖6是舉升工況和側(cè)傾工況仿真開始和結(jié)束時(shí)刻的模型圖(運(yùn)土前工況和鏟土工況的效果圖大體同舉升工況一致).圖7～圖9是舉升工況3個(gè)參數(shù)的變化曲線，從圖7中可以看出，液壓缸的伸長量最長是107. 5cm，最短是18.03cm.從圖8可以看出，推土鏟的最高點(diǎn)坐標(biāo)是57.99cm，最低點(diǎn)坐標(biāo)是-54.9cm，與實(shí)際樣機(jī)的誤差都控制在0.1cm以下.觀察圖9可知，推土鏟的前傾角從82.4°變化到68.04°，即該推土鏟能實(shí)現(xiàn)從最低點(diǎn)的82.4°到最高點(diǎn)的68.04°的轉(zhuǎn)變，該角度變化范圍滿足工程要求的68°的切削角度范圍和84°的鏟削角度范圍，適合鏟削和運(yùn)土.

(a)開始時(shí)的狀態(tài)(b)結(jié)束時(shí)的狀態(tài)圖5 舉升過程的前視圖

(a)開始時(shí)的狀態(tài)(b)結(jié)束時(shí)的狀態(tài)圖6 側(cè)傾過程的前視圖

圖7 舉升缸伸長量變化曲線

圖8 推土鏟高度坐標(biāo)的變化曲線

圖9 推土鏟前傾角變化曲線

測(cè)量推土鏟上各鉸接點(diǎn)的受力，包括推土鏟與左右舉升缸桿的鉸接點(diǎn)、與斜撐螺桿和側(cè)傾缸(桿)的鉸接點(diǎn)、與左右頂推梁的鉸接點(diǎn)這6個(gè)點(diǎn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)各個(gè)工況下都存在左右受力不等的情況.機(jī)體左右受力不平衡會(huì)造成機(jī)身連接處受到力矩的作用，若力矩過大會(huì)造成較大的安全隱患，因此將力差作為研究對(duì)象并進(jìn)行如下分析.

定義subtract_1為推土鏟與左右舉升缸桿的鉸接點(diǎn)的力差，subtract_2為推土鏟與斜撐螺桿以及側(cè)傾缸桿的鉸接點(diǎn)的力差，subtract_3為推土鏟與左右頂推梁的鉸接點(diǎn)的力差，則4個(gè)工況仿真過程的3種力差變化曲線如圖10～ 圖13所示.

圖10 上升工況各鉸接點(diǎn)的力差

圖11 側(cè)傾工況各鉸接點(diǎn)的力差

圖12 運(yùn)土前工況各鉸接點(diǎn)的力差

圖13 鏟土工況各鉸接點(diǎn)的力差

分析圖10～圖13 4個(gè)曲線圖，比較它們的絕對(duì)值大小，發(fā)現(xiàn)側(cè)傾工況的subtract_1(推土鏟與左右舉升缸桿鉸接點(diǎn)的力差)在前期仿真過程的絕對(duì)值最大，即在推土鏟側(cè)傾工況的開始階段，左右舉升缸與推土鏟鉸接點(diǎn)最易發(fā)生破壞.

3 推土機(jī)工作裝置的優(yōu)化分析

1)確定優(yōu)化目標(biāo).由前面的分析知，側(cè)傾工況時(shí)推土鏟與左右舉升缸桿鉸接點(diǎn)的力差過大易造成機(jī)體的破壞，故將優(yōu)化目標(biāo)定為該力差絕對(duì)值的最大值最小.

2)確定約束條件.由于部件本身的材料剛度要求、裝置的作業(yè)目的也對(duì)模型的結(jié)構(gòu)尺寸提出了要求，因此對(duì)以下數(shù)據(jù)做出約束要求，①液壓缸長度的最大伸長量的優(yōu)化不能超出原來的5%；②舉升高度的優(yōu)化不能超過-5%；③保持裝置左右對(duì)稱點(diǎn)的始終對(duì)稱性.

3)參數(shù)化變量.首先要確定需要優(yōu)化的部件，部件尺寸的優(yōu)化表現(xiàn)在關(guān)鍵點(diǎn)的優(yōu)化上，此模型的可優(yōu)化點(diǎn)為表1所列的6個(gè)點(diǎn).其中，Point_2和Point_3，Point_6和Point_7，Point_14和Point_15分別是關(guān)于縱向?qū)ΨQ面(在此模型中是XOY平面)的對(duì)稱點(diǎn).可將這6個(gè)點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)值參數(shù)化為變量，據(jù)點(diǎn)的對(duì)稱性(對(duì)稱點(diǎn)的XY坐標(biāo)相等，Z坐標(biāo)相反)，最終坐標(biāo)中有9個(gè)變量被參數(shù)化.由于變量越多工作量越大，故可對(duì)它們進(jìn)行敏感度分析，拋去那些對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響較小的變量.最終得到5個(gè)變量，分別為Point2.X、Point2.Y、Point2.Z、Point14.X、Point14.Y.

表1 需要優(yōu)化的參考點(diǎn)及其代表的位置

4)優(yōu)化仿真.利用ADAMS的優(yōu)化功能，設(shè)置相關(guān)的優(yōu)化目標(biāo)、約束條件、設(shè)計(jì)變量等，開始優(yōu)化仿真.

優(yōu)化迭代的過程如圖14所示，系統(tǒng)進(jìn)行了11次迭代(由于之后的8次迭代的曲線數(shù)值數(shù)量級(jí)很小，所以看起來很接近甚至是重合)，其中圈內(nèi)部分是局部放大圖.觀察仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)可知，最終優(yōu)化目標(biāo)值從11 155.80N變?yōu)? 976.72 N，優(yōu)化效果明顯.對(duì)該工況的其他力差進(jìn)行對(duì)比，觀察圖15和圖16，結(jié)果顯示只有推土鏟與左右頂推梁鉸接點(diǎn)力差的數(shù)據(jù)略有上升.對(duì)優(yōu)化后的工作裝置進(jìn)行其他工況的仿真分析，發(fā)現(xiàn)力差同樣都得到了較好的優(yōu)化，如鏟土工況推土鏟與左右舉升缸鉸接點(diǎn)力差的絕對(duì)值大小從5 868.49N減小為3 124.21N，與斜撐螺桿及側(cè)傾缸鉸接點(diǎn)力差的絕對(duì)值大小由8 726.97 N減小為2 303.21N，與左右頂推梁鉸接點(diǎn)力差的絕對(duì)值由7 862.24N減小為863.47 N，證明此次優(yōu)化的綜合效果比較好.

圖14 側(cè)傾工況的推土鏟與左右舉升缸鉸接點(diǎn)的力差優(yōu)化迭代曲線

圖15 側(cè)傾工況的推土鏟與斜撐螺桿及側(cè)傾缸鉸接點(diǎn)力差的優(yōu)化前后對(duì)比圖

圖16 側(cè)傾工況的推土鏟與左右頂推梁鉸接點(diǎn)的力差優(yōu)化前后對(duì)比圖

4 結(jié)束語

本文首先分析了推土機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)和不同工況下的受力情況，利用ADAMS建立了推土機(jī)工作裝置的虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)四種工況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明該工作裝置的運(yùn)動(dòng)情況符合要求，但是左右舉升缸與推土鏟的鉸接點(diǎn)的力差很大.針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理而造成受力不均衡的情況進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)性能得到了較大的改善，并提高了構(gòu)件的安全性且降低了制造成本，具有較高的現(xiàn)實(shí)意義.

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