基于拓?fù)鋬?yōu)化方法裝載機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)

許洪斌， 秦飛龍， 楊長(zhǎng)輝， 刁富強(qiáng)， 康松林

（重慶理工大學(xué)a.汽車(chē)零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.機(jī)械工程學(xué)院，重慶400054）

0 引言

裝載機(jī)是現(xiàn)代工程建設(shè)中應(yīng)用非常廣泛的一種施工機(jī)械。裝載機(jī)集鏟、運(yùn)、裝、卸等作業(yè)功能于一體，提高了工程建設(shè)的效率和質(zhì)量，降低了工作勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了資源浪費(fèi)，在工程建設(shè)中發(fā)揮了重要作用［1］。裝載機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是裝載機(jī)必不可少的重要組成部分，其性能直接影響整機(jī)工作性能和工作效率，并在很大程度上決定了裝載機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力［2］。

由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重要性，同時(shí)考慮整機(jī)的特性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行輕量化研究尤為重要［3］。本文以裝載機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)千秋架為研究對(duì)象，采用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)千秋架進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維模型

1 裝載機(jī)動(dòng)態(tài)仿真

1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)建模

裝載機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由鏟斗（GH）、動(dòng)臂（DG）、千秋架（EF）、連桿（CE）、底座（AB）、舉升液壓缸（AD）、轉(zhuǎn)斗液壓缸（EH）共7個(gè)部分組成。各構(gòu)件之間采用鉸鏈連接，在SolidWorks中建立執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維模型如圖1所示。

1.2 建立執(zhí)行機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)

將執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維模型導(dǎo)入ADAMS中，建立執(zhí)行機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)。其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)材料主要是Q235鋼，其彈性模量為2.07×105MPa，泊松比為0.29，密度為7.801×10-6kg/mm3。

1.3 工況選擇及外載荷計(jì)算

裝載機(jī)是一種自行式工程機(jī)械，其作業(yè)過(guò)程包括鏟、裝、運(yùn)、卸等。其工作循環(huán)由前進(jìn)、鏟裝、后退、轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、卸料等動(dòng)作組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作業(yè)過(guò)程通常由下5種典型工況組成［4］：地面插入工況；聯(lián)合工況；鏟取工況；上限舉升工況;上限卸料工況。

為了便于分析，將外載荷R定義為加載在鏟斗中間斗齒齒尖上的集中力。由于合力方向隨時(shí)變化，為計(jì)算方便，將外載荷R分解為沿插入阻力方向RX和豎直向上方向RY。

經(jīng)計(jì)算，各工況下最大外載荷如表1。

表1 各工況下外載荷

表2 液壓缸和外載荷驅(qū)動(dòng)函數(shù)

1.4 動(dòng)力學(xué)仿真

仿真時(shí)，通過(guò)舉升液壓缸和轉(zhuǎn)斗液壓缸的伸縮完成鏟斗的鏟掘及裝載過(guò)程。液壓缸和外載荷的驅(qū)動(dòng)函數(shù)如表2所示。

通過(guò)ADAMS進(jìn)行仿真，得到千秋架F鉸接處的受載情況。千秋架只受Y方向的載荷，F(xiàn)鉸接處各工況受載如圖2所示。

圖2 千秋架Y方向受載

2 千秋架模態(tài)分析

應(yīng)用Lanczos法對(duì)千秋架進(jìn)行模態(tài)分析，提取前6階約束模態(tài)。千秋架前6階振型圖如圖3所示，千秋架前6階固有頻率及振型如表3所示。

3 千秋架靜強(qiáng)度分析

通過(guò)對(duì)裝載機(jī)整個(gè)挖掘過(guò)程研究可知，在聯(lián)合工況下為最?lèi)毫庸r。由于速度很低，因此對(duì)千秋架采用靜力學(xué)分析。

圖3 千秋架前6階振型圖

表3 千秋架前6階固有頻率及振型

通過(guò)仿真模擬，得到F鉸接處的合力，由于千秋架為對(duì)稱(chēng)布置，故每個(gè)千秋架實(shí)際所受力為合力的一半。千秋架F鉸接處承受載荷如表4所示。

將各軸孔所受徑向載荷以余弦函數(shù)方式加載到千秋架F孔處，千秋架最?lèi)毫庸r—聯(lián)合工況下應(yīng)力-位移云圖如圖4所示。

表4F鉸接處沿Y方向受載N

圖4 千秋架應(yīng)力-位移云圖

表5 千秋架強(qiáng)度分析結(jié)果

由圖4可知，最大應(yīng)力出現(xiàn)在大小圓環(huán)凸臺(tái)之間靠近凸臺(tái)根部處，最大應(yīng)力為20.03 MPa，小于材料強(qiáng)度極限235MPa，滿足強(qiáng)度要求。各工況強(qiáng)度分析結(jié)果如表5所示。

4 裝載機(jī)千秋架的拓?fù)鋬?yōu)化

4.1 拓?fù)鋬?yōu)化方法

拓?fù)鋬?yōu)化是指結(jié)構(gòu)能夠在滿足一切有關(guān)平衡、應(yīng)力和位移等約束條件的情形下，某種性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的合理化布局［5］。目前，最常用的連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化方法有均勻化方法、變厚度法、變密度法、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法（ESO）、水平集法（Level set）、獨(dú)立連續(xù)映射方法（ICM）等［6-8］。

4.2 千秋架拓?fù)鋬?yōu)化模型

千秋架參數(shù)化建模后，采用直接優(yōu)化方法，以根據(jù)應(yīng)力云圖修改后的幾何模型尺寸為設(shè)計(jì)變量，以最大應(yīng)力20.03 MPa、最大位移0.152 mm為約束，以質(zhì)量最小為目標(biāo)，對(duì)千秋架進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)直接優(yōu)化結(jié)果，對(duì)優(yōu)化后尺寸進(jìn)行圓整。千秋架結(jié)構(gòu)主要從以下幾處進(jìn)行修改：背板厚度由16 mm減小到10 mm；背板寬度由70 mm減小到60 mm；大小圓環(huán)凸臺(tái)外徑均由50 mm減小到45 mm；大小圓環(huán)凸臺(tái)高度均減少4 mm；在大小凸臺(tái)間加高度為4 mm的肋板。

4.3 優(yōu)化結(jié)果檢驗(yàn)

通過(guò)對(duì)千秋架進(jìn)行強(qiáng)度分析和模態(tài)分析，檢驗(yàn)其優(yōu)化后的模型是否滿足要求。

優(yōu)化后最?lèi)毫庸r——聯(lián)合工況下，應(yīng)力-位移云圖如圖5所示。

圖5 千秋架優(yōu)化后應(yīng)力-位移云圖

表6 優(yōu)化前后應(yīng)力對(duì)比

優(yōu)化前后千秋架性能分析結(jié)果如表6～表9所示。

由表6～表9可知，千秋架優(yōu)化前后各工況下，應(yīng)力均有所減小，平均減少率約為18%，且最大應(yīng)力由20.03 MPa減小到16.38MPa，小于強(qiáng)度極限235 MPa，滿足強(qiáng)度要求；最大位移均有所減小，平均減少率約為19%，整體剛度有所提升，滿足剛度要求；優(yōu)化后頻率亦有所降低，但變化較小，整體基本保持不變；優(yōu)化前后質(zhì)量由2.894 7 kg減少到1.712 3 kg，減少了40.85%。由上述分析可知，千秋架整體強(qiáng)度得到很好的改善，優(yōu)化后千秋架滿足設(shè)計(jì)要求。

表7 優(yōu)化前后最大位移對(duì)比

表8 優(yōu)化前后模態(tài)分析對(duì)比

表9 優(yōu)化前后質(zhì)量對(duì)比

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)裝載機(jī)千秋架的優(yōu)化分析，初步得出結(jié)論，可以通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)其進(jìn)行輕量化分析，且優(yōu)化效果明顯。采用此方法和思路，裝載機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體質(zhì)量由206.6 kg減少到140.7 kg，減少了31.9%，實(shí)現(xiàn)了輕量化的目的。

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