正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置工作范圍優(yōu)化設(shè)計(jì)

張羽林

摘要：為進(jìn)一步優(yōu)化正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置的工作范圍性能指標(biāo)，本文根據(jù)某企業(yè)原始數(shù)據(jù)利用虛擬樣機(jī)ADAMS的view模塊構(gòu)建了正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，通過(guò)對(duì)其模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真獲得工作范圍性能指標(biāo)，并畫出鏟斗斗尖挖掘包絡(luò)圖；然后采用變化模型鉸接點(diǎn)坐標(biāo)位置的方法，尋找使工作范圍的性能指標(biāo)最優(yōu)的鉸接點(diǎn)組合方案。研究結(jié)果表明，廠家原始數(shù)據(jù)條件下的挖掘機(jī)工作范圍仍有較大提升空間，通過(guò)本研究仿真優(yōu)化，顯著改善了挖掘機(jī)工作范圍的各項(xiàng)性能指標(biāo)，其結(jié)果將作為企業(yè)研發(fā)正鏟液壓挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：正鏟液壓挖掘機(jī)；工作范圍；優(yōu)化

0 引言

挖掘機(jī)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不是去主動(dòng)地設(shè)計(jì)產(chǎn)品的參數(shù)，而僅僅是被動(dòng)地重復(fù)分析產(chǎn)品的性能。作為設(shè)計(jì)，不僅要使方案有較高的可行性與合理性，而且應(yīng)該是某些性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的理想方案。隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，己經(jīng)可以運(yùn)用現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)方法和手段對(duì)大型的工程機(jī)械進(jìn)行各種設(shè)計(jì)，來(lái)滿足對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品提出的各種要求。人們可以利用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件輔助，從多如牛毛的設(shè)計(jì)方案中尋找出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，從而極大的提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率[1-5]。

本文所采用的原始設(shè)計(jì)方案來(lái)源于國(guó)內(nèi)某大型挖掘機(jī)企業(yè)，企業(yè)要求為正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置的工作范圍進(jìn)行優(yōu)化。本文利用虛擬樣機(jī)ADAMS的view模塊構(gòu)建了正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，通過(guò)對(duì)其模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真獲得工作范圍性能指標(biāo)，采用了通過(guò)調(diào)整關(guān)鍵鉸接點(diǎn)位置以重組工作裝置結(jié)構(gòu)方案的方法分別對(duì)工作范圍進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。優(yōu)化結(jié)果表明，優(yōu)化后改進(jìn)方案的理論性能水平略優(yōu)于國(guó)外同級(jí)產(chǎn)品，可使實(shí)機(jī)性能接近國(guó)外同級(jí)產(chǎn)品。

1 工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立與仿真

衡量挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)性能最重要的指標(biāo)，就是工作裝置的工作范圍性能指標(biāo)，所以在設(shè)計(jì)方案制定之初，必須首先優(yōu)化評(píng)價(jià)工作裝置工作范圍。

本文以某企業(yè)正在研發(fā)的某量級(jí)正鏟液壓挖掘機(jī)的初始參數(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)法建立三維模型，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)法對(duì)工作裝置幾何鉸接點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)工作裝置工作范圍的各項(xiàng)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行最大限度的改進(jìn)。

首先根據(jù)廠方所給的初始數(shù)據(jù)，在UG三維建模軟件中對(duì)正鏟液壓挖掘的鏟斗、斗桿、動(dòng)臂及液壓缸進(jìn)行建模，并完成相應(yīng)裝配。利用UG軟件將三維裝配模型導(dǎo)出成parasolid文件并導(dǎo)入MSC.ADAMS中，并對(duì)其施加相應(yīng)的約束與運(yùn)動(dòng)副，得到挖掘機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

1.1 建立約束條件

工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中有9個(gè)關(guān)鍵鉸接點(diǎn)，因其各部件間只是平面轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，所以這9個(gè)關(guān)鍵鉸接點(diǎn)的約束均設(shè)為轉(zhuǎn)動(dòng)副；動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸與各自活塞桿之間為活塞運(yùn)動(dòng)，故其約束設(shè)為圓柱副。

值得注意的是，在添加液壓缸與活塞桿之間的圓柱副時(shí)，會(huì)在兩個(gè)部件各自生成一個(gè)MAREKER點(diǎn)，需要對(duì)這兩個(gè)MARKER點(diǎn)的位置與方向統(tǒng)一進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，否則會(huì)出現(xiàn)兩部件錯(cuò)位等不可預(yù)見(jiàn)的錯(cuò)誤。

1.2 施加運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)并繪制挖掘包絡(luò)圖

為使工作裝置仿真運(yùn)動(dòng)起來(lái)，需要給工作裝置添加動(dòng)力源，而挖掘機(jī)實(shí)際工作中動(dòng)力來(lái)自于液壓缸，且為活塞運(yùn)動(dòng)，因此選擇滑移驅(qū)動(dòng)Motion施加于三個(gè)液壓缸之上，通過(guò)設(shè)置滑移驅(qū)動(dòng)的階躍STEP函數(shù)，來(lái)控制各液壓缸的伸長(zhǎng)量，各液壓缸的工作伸長(zhǎng)范圍由企業(yè)提供具體數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

根據(jù)工作裝置挖掘包絡(luò)圖圓弧的繪制方法，根據(jù)原廠原始設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)設(shè)置相應(yīng)的Motion函數(shù)，運(yùn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)包絡(luò)仿真，完成初始設(shè)計(jì)方案的挖掘包絡(luò)線繪制。

為進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)原始設(shè)計(jì)方案的工作范圍性能指標(biāo)，就需要通過(guò)調(diào)整鉸接點(diǎn)位置的方法來(lái)進(jìn)行，那么首先就要對(duì)模型及變量進(jìn)行參數(shù)化。

2 工作裝置工作范圍優(yōu)化分析

挖掘機(jī)必須適應(yīng)各種各樣的環(huán)境場(chǎng)合，滿足足夠多的使用范圍是挖掘機(jī)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，而其關(guān)鍵就在于工作裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。一般而言，挖掘機(jī)工作裝置需要能夠挖的夠深，從而滿足要求坑挖作業(yè)及開(kāi)溝作業(yè)等；同時(shí)若需要與平臺(tái)較高載貨汽車聯(lián)合作業(yè)時(shí)，還需要挖掘機(jī)的卸載高度足夠高，總而言之，挖掘機(jī)工作范圍的大小，工作范圍性能指標(biāo)直接影響到挖掘機(jī)的性能高低。本文就是通過(guò)對(duì)工作裝置參數(shù)化，改變鉸接點(diǎn)位置，形成多組不同方案各自仿真得出工作范圍的主要作業(yè)參數(shù)，從中尋優(yōu)，讓工作裝置工作范圍的主要作業(yè)參數(shù)達(dá)到理論最大值。

2.1 確定工作范圍的設(shè)計(jì)目標(biāo)

液壓挖掘機(jī)在任意正常位置進(jìn)行工作時(shí)，其鏟斗齒尖所能達(dá)到的極限范圍稱為挖掘軌跡包絡(luò)圖，即工作裝置的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)圖。它能夠直觀地反映工作裝置的作業(yè)范圍和主要作業(yè)參數(shù)。挖掘機(jī)的主要作業(yè)參數(shù)主要有

（1）最大挖掘半徑；

（2）最大挖掘深度；

（3）最大挖掘高度；

將這三項(xiàng)指標(biāo)確定為工作裝置工作范圍的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

首先采用DOE方法，考察工作裝置每個(gè)設(shè)計(jì)變量的取值范圍，確定每個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化區(qū)間，確保形成的所有虛擬實(shí)驗(yàn)方案，工作裝置機(jī)構(gòu)無(wú)干涉。

然后在ADAMS/Insight實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊中按照Monte Carlo法，最終確定各設(shè)計(jì)變量的取值區(qū)間，對(duì)18個(gè)設(shè)計(jì)變量值進(jìn)行排列組合，生成5120組不同的工作裝置鉸接點(diǎn)方案，在ADAMS/Insight中對(duì)模型逐一仿真求解，得出各組方案的設(shè)計(jì)目標(biāo)仿真結(jié)果

2.3 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析

從結(jié)果中篩選出工作范圍相對(duì)較大的一組方案作為改進(jìn)方案，與初始方案進(jìn)行對(duì)比，并將改進(jìn)方案的工作范圍指標(biāo)與國(guó)外同級(jí)產(chǎn)品RH 340-B進(jìn)行對(duì)比。

對(duì)比結(jié)果表明，改進(jìn)方案工作裝置的工作范圍理論性能略優(yōu)于與國(guó)外同級(jí)產(chǎn)品，達(dá)到了工作裝置工作范圍的優(yōu)化目標(biāo)。

3 總結(jié)

本文以某液壓挖掘機(jī)原始設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用參數(shù)化分析方法對(duì)工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的工作范圍性能進(jìn)行了仿真優(yōu)化分析，研究結(jié)果表明，優(yōu)化后工作裝置的工作范圍理論性能略優(yōu)于國(guó)外同級(jí)產(chǎn)品。

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科研項(xiàng)目：

本文系杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院2016年校級(jí)科研項(xiàng)目“正鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置工作范圍與挖掘力性能優(yōu)化研究”成果（課題編號(hào)：ky201629）。