淺談裝載機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：

裝載機(jī)是工程機(jī)械的重要機(jī)種之一，其工作裝置設(shè)計(jì)的合理性和質(zhì)量直接影響著裝載機(jī)的各項(xiàng)工作性能。本文應(yīng)用參數(shù)優(yōu)化建模和設(shè)計(jì)方法，對(duì)反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)建立了參數(shù)優(yōu)化模型，確定了變量系統(tǒng)，目標(biāo)和約束系統(tǒng)，用優(yōu)化軟件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)工作裝置所得的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了分析，剖析了機(jī)構(gòu)形式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。

裝載機(jī)是一種常用的鏟土運(yùn)輸機(jī)械，廣泛應(yīng)用于土木、建筑、水利、礦山等工程，起著減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高施工效率和質(zhì)量的重要作用。目前國內(nèi)研究和采用得較多是反轉(zhuǎn)六連桿，這種機(jī)構(gòu)形式簡單、尺寸緊湊。當(dāng)鏟斗鏟掘物料時(shí)由于是反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)斗油缸大腔進(jìn)油工作，可以獲得較大的鏟掘力。也就是說，鏟起同樣重量的物料，轉(zhuǎn)斗油缸的尺寸可以設(shè)計(jì)得較小。而且轉(zhuǎn)斗油缸后置，使司機(jī)有較好的視野。反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)尤其多用于中小型裝載機(jī)工作裝置中。本文在現(xiàn)有的工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究和完善六連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)六連桿機(jī)構(gòu)建立有一定通用性的分析和優(yōu)化模型，得出滿足設(shè)計(jì)要求的合理方案，總結(jié)設(shè)計(jì)知識(shí)和優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。

1.參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

目前國內(nèi)工作裝置的設(shè)計(jì)主要采用類比法、畫圖試湊法、解析法和參數(shù)優(yōu)化方法。其中，參數(shù)優(yōu)化方法越來越受到重視，取得了很大發(fā)展和廣泛應(yīng)用。類比法和經(jīng)驗(yàn)法一般只適用于同類型產(chǎn)品，即結(jié)構(gòu)型式、工作對(duì)象和條件基本機(jī)同的設(shè)計(jì)。這樣設(shè)計(jì)所得的產(chǎn)品即使通過了校核檢驗(yàn)，符合基本設(shè)計(jì)要求，但是否能達(dá)到性能最優(yōu)，是否是最好的設(shè)計(jì)結(jié)果，還很值得研究。參數(shù)化設(shè)計(jì)（Parametric Design）是從CAD技術(shù)中發(fā)展起來的。參數(shù)化技術(shù)主要用于結(jié)構(gòu)形態(tài)比較定型的設(shè)計(jì)對(duì)象，對(duì)某定型產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)形式確定，根據(jù)某些具體條件和控制參數(shù)決定產(chǎn)品在某一結(jié)構(gòu)形式下的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而設(shè)計(jì)出不同的產(chǎn)品。實(shí)際上，參數(shù)化技術(shù)就是將產(chǎn)品的一些信息，包括尺寸、數(shù)據(jù)、特征、模式等定義為變量，這些變量的改變就表示產(chǎn)品模型的改變。參數(shù)化技術(shù)適用于常用件、系列件、標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)，只需建模一次，就能得到不同規(guī)格的零件模型。

研究優(yōu)化設(shè)計(jì)自動(dòng)化的目的在于建立一個(gè)由描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的各個(gè)參數(shù)組成的設(shè)計(jì)模型。建模的內(nèi)容包括：集成化數(shù)據(jù)模型的研究，對(duì)產(chǎn)品生命周期內(nèi)各階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一建模；產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程模型的研究；產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的研究。建模的內(nèi)容主要包括參數(shù)提取、約束識(shí)別和數(shù)據(jù)管理與規(guī)劃。參數(shù)的提取是參數(shù)化設(shè)計(jì)的前提。提取工作就是要在模型和參數(shù)間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。

優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的一個(gè)重要領(lǐng)域?？梢哉J(rèn)為，工程設(shè)計(jì)只包括兩個(gè)步驟：一是確定所有可能的設(shè)計(jì)方案；二是選擇最佳方案?？梢姡O(shè)計(jì)本身就是一個(gè)擇優(yōu)的過程。尤其在機(jī)械設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是要選擇最佳尺寸以滿足設(shè)計(jì)要求。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)在很大程度上依賴于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于現(xiàn)在復(fù)雜的工程問題，雖然設(shè)計(jì)師仍將用自己的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)引導(dǎo)設(shè)計(jì)進(jìn)程，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法使設(shè)計(jì)工作更加科學(xué)和自動(dòng)化。應(yīng)該看到，優(yōu)化設(shè)計(jì)始終是對(duì)現(xiàn)實(shí)問題某種程度上的簡化。

參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)當(dāng)前在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用主要是為優(yōu)化設(shè)計(jì)建立參數(shù)化模型。從對(duì)參數(shù)的廣義理解上，凡是針對(duì)產(chǎn)品尺寸和性能參數(shù)的優(yōu)化應(yīng)該都屬于參數(shù)優(yōu)化范圍。

參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型總結(jié)為：

2.反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)

目前國內(nèi)用的較多的是轉(zhuǎn)斗缸后置式反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)斗缸布置在動(dòng)臂上面。這種機(jī)構(gòu)又稱為z形連桿機(jī)構(gòu)。它的優(yōu)點(diǎn)是：鏟斗插入料堆進(jìn)行工作時(shí)，轉(zhuǎn)斗缸大腔進(jìn)油，因此連桿機(jī)構(gòu)的傳力比可以得到較大的值，可獲得較大的崛起力，合理設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)各部件尺寸可得到較好的鏟斗平移性；機(jī)構(gòu)簡單尺寸緊湊，司機(jī)視野較好。缺點(diǎn)是搖臂、連桿和鏟斗等構(gòu)件間易發(fā)生干涉。國內(nèi)對(duì)反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)研究較多，對(duì)其設(shè)計(jì)變量、約束和目標(biāo)的描述都比較一致。從設(shè)計(jì)方法上看，優(yōu)化設(shè)計(jì)等計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了工程行業(yè)中設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度和效率。

從設(shè)計(jì)方法上看，傳統(tǒng)的方法是采用層次型的設(shè)計(jì)流程，先根據(jù)典型或先進(jìn)樣機(jī)，確定動(dòng)臂長度，形狀和與車架鉸接位置，如動(dòng)臂與車架的鉸接點(diǎn)，在確定動(dòng)臂油缸的鉸接位置和行程，然后設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)。這種樹狀設(shè)計(jì)流程用于裝載機(jī)的整體設(shè)計(jì)中是合理的，先確定斗容、機(jī)器的總體尺寸、液壓系統(tǒng)的工作壓力等，再確定工作裝置的機(jī)構(gòu)尺寸，再確定各零件的細(xì)部尺寸。它可以將大型復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題分解為不同層次的子問題，減小每一步的工作量。

3.反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)的建模和優(yōu)化

建模是優(yōu)化設(shè)計(jì)的前處理部分，它是對(duì)某類明確的設(shè)計(jì)對(duì)象的描述。優(yōu)化設(shè)計(jì)模型由三個(gè)基本要素組成：設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件，建模工作的內(nèi)容包括：1）確定設(shè)計(jì)變量及其量綱；2）確定目標(biāo)和約束的結(jié)構(gòu)層次；3）確定各目標(biāo)和約束的內(nèi)容：建模首先要明確用戶市場和制造廠的要求；4）對(duì)目標(biāo)和約束的定量描述和無量綱化，

3.1變量系統(tǒng)

輸入?yún)?shù)是由整機(jī)設(shè)計(jì)確定的，在工作裝置及設(shè)計(jì)中作為固定量，不允許改變。在工作裝置的設(shè)計(jì)中，斗容量、液壓系統(tǒng)的工作壓力、油缸個(gè)數(shù)等作為輸入?yún)?shù)，它們?cè)谡麢C(jī)設(shè)計(jì)時(shí)確定，在工作裝置中不在變動(dòng)。設(shè)計(jì)變量是設(shè)計(jì)工作需要確定的參數(shù)。應(yīng)選取與目標(biāo)直接或間接相關(guān)的，對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響較大的參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。工作裝置不同的機(jī)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)不同，設(shè)計(jì)變量個(gè)數(shù)越多，解的維數(shù)越高，解的空間越大，解的難度也越高，尋優(yōu)所需的時(shí)間也就越多。在目標(biāo)和約束函數(shù)的計(jì)算中要用到許多中間參數(shù)，中間參數(shù)只起到傳遞數(shù)值，減小建模工作量的作用，不影響設(shè)計(jì)結(jié)果。將反復(fù)用到中間參數(shù)的計(jì)算寫成輔助函數(shù)，可以減小編程工作量。

3.2目標(biāo)系統(tǒng)

目標(biāo)函數(shù)是以計(jì)算變量表示所要追求的某種性能指標(biāo)的解析表達(dá)式或經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。目標(biāo)一般用柔性的方式表達(dá)，即希望函數(shù)值越大越好或越小越好，或盡量接近某個(gè)理想值，目前多目標(biāo)優(yōu)化問題已成為設(shè)計(jì)的主流。工作裝置的部分優(yōu)化正向著整體優(yōu)化、組合優(yōu)化發(fā)展。實(shí)際模型選取了7類目標(biāo)，如下圖1所示，

3.3約束系統(tǒng)

約束是設(shè)計(jì)必須或希望滿足的要求。它直接決定著設(shè)計(jì)結(jié)果的可行性和質(zhì)量。對(duì)于工作裝置，主要是機(jī)構(gòu)各鉸點(diǎn)（包括油缸）的空間布置要求。考慮到工作裝置復(fù)雜的工作過程和環(huán)境，約束也必須能綜合地保證機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)工作性能，如機(jī)構(gòu)必須達(dá)到要求的卸載高度、任何情況下各構(gòu)件間不能干涉、鏟斗應(yīng)能較干凈地卸料、各構(gòu)件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度等。工作裝置優(yōu)化模型的約束分類如下圖2所示：

4.結(jié)語

本文對(duì)裝載機(jī)的反轉(zhuǎn)六連桿工作裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和靜力學(xué)分析，歸納出了其工作過程中必須滿足的各種條件。確定了變量系統(tǒng)，目標(biāo)和約束系統(tǒng)，為全面優(yōu)化奠定基礎(chǔ)?？傮w上，對(duì)裝載機(jī)工作裝置所建立的模型是合理的、實(shí)用的，優(yōu)化是有成效的。