裝載機工作裝置優(yōu)化設計研究

孟凡旺，焦圣德，張光耀，趙 塹

（山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073）

裝載機工作裝置的結構和性能直接影響裝載機的生產(chǎn)效率、工作負荷、動力及運動特性等。而工作裝置最重要的部件當屬其復雜的連桿機構，通常是先初步設計出整機的主要參數(shù)，然后以其為條件，再進行連桿系統(tǒng)的尺寸設計。傳統(tǒng)的連桿機構設計方法為“圖解法”[1]，首先在CAD軟件中建立完整的三維模型，根據(jù)裝載機工作裝置的運動姿態(tài)調(diào)整鏟斗、動臂的位置，進而確定出連桿機構的鉸點位置?！皥D解法”較為直觀，結果可靠性強，但是該方法需要大量的經(jīng)驗進行指導，難以同時兼顧連桿機構舉升平穩(wěn)、自動放平等要求，無法對整體機構進行優(yōu)化設計。

本文研究對象為一款裝載機的變型產(chǎn)品，其工作裝置為反轉六桿機構，通過傳統(tǒng)變型設計后，其連桿機構存在無法自動放平的問題，經(jīng)過多次整改效果仍不理想。為解決該問題，本文利用ADAMS對該機構進行優(yōu)化設計，優(yōu)化后機構能夠滿足自動放平及舉升平穩(wěn)性要求，并對搖臂進行了優(yōu)化設計改善結構受力狀況。

1 問題分析

裝載機工作裝置在運動學方面，必須滿足鏟斗舉升平動、自動放平、最大卸載高度、最小卸載距離和各個位置的卸載角等要求；在動力學方面，主要是在滿足挖掘力、舉升力和生產(chǎn)率的要求前提下，使轉斗油缸和舉升油缸的所需輸出力及功率盡量減小[2]。

為了準確研究工作裝置性能參數(shù)，利用ADAMS建立了連桿機構的動力學模型，并對該機構進行運動參數(shù)分析（圖1），結果顯示工作裝置基本參數(shù)均與設計參數(shù)符合，但地面位置的自動放平角度為10°，不符合鏟斗的自動放平角度3°～5°[3]要求。

圖1 裝載機連桿機構參數(shù)分析

2 機構優(yōu)化設計

為解決工作裝置自動放平問題，考慮到變型工作裝置的通用性，本文利用ADAMS建立機構參數(shù)化建模，主要以搖臂、連桿、翻斗油缸鉸點位置為優(yōu)化對象，以4°放平角度為優(yōu)化目標，以卸料角度為約束條件，對機構進行優(yōu)化設計。

2.1 機構參數(shù)化建模

建立機構的參數(shù)化模型是機構優(yōu)化分析的基礎，在ADAMS中，進行連桿機構參數(shù)化建模的內(nèi)容主要包含3部分：參數(shù)化點坐標、參數(shù)化模型部件和參數(shù)化運動副[4]。

首先完成反轉六連桿機構左右各包含9個鉸點參數(shù)化；在ADAMS中創(chuàng)建模型時，選擇已經(jīng)創(chuàng)建的9個參數(shù)化點坐標，就可以實現(xiàn)模型部件的參數(shù)化，即實現(xiàn)了點驅動模型部件的功能。在運動副的參數(shù)化建模過程中，需要特別注意的運動副為移動副、圓柱副這類移動方向沿兩點連線方向的運動副。反轉六桿機構中，舉升油缸和轉斗油缸2個運動副參數(shù)化建模過程中，要將2個運動副的“I、J”Marker點的位置和方向全部進行參數(shù)化設置，避免機構在后續(xù)參數(shù)化過程中，圓柱副運動方向不沿兩鉸點連線的情況發(fā)生，建立完成的機構參數(shù)化模型如圖2所示。

圖2 六桿機構參數(shù)化模型

2.2 優(yōu)化目標函數(shù)

定義鏟斗翻轉角度為A，為了使連桿機構的自動放平角滿足3°～5°的要求，制定的優(yōu)化目標函數(shù)為機構的自動放平角Alast接近4°

2.3 優(yōu)化約束函數(shù)

為了保證最高位置的卸料角度Amin≥45°，制定的約束函數(shù)為

通過ADAMS機構優(yōu)化，鏟斗整個工作周期的翻轉角度變化如圖3所示，最后時刻的“(abs(Alast)-4)”接近0°，即自動放平角接近4°。

圖3 鏟斗自動放平優(yōu)化角度曲線

2.4 優(yōu)化方案設計

通過對優(yōu)化結果進行分析，考慮工作裝置通用性及工藝性，選取3種優(yōu)化方案，3種結構方案對比如表1所示。

表1 優(yōu)化方案運動學及動力學參數(shù)

3種優(yōu)化方案均能滿足設計運動參數(shù)及自動放平要求及動力學要求，下一步對比3種優(yōu)化方案結構特點。

3 結構強度分析

工作裝置所受載荷分為兩種類型：第一類為實際鏟掘時物料對鏟斗的阻力；第二類為鏟斗裝滿物料后物料的重量與運輸過程中因場地不平整造成振動引起的附加動載荷。后者一般較小，而前者又可分為鏟斗插入料堆時的水平阻力和轉斗時向下的垂直阻力。本文分析時采用比較典型的2種工況：掘起力和牽引力組合的聯(lián)合正載與聯(lián)合偏載，對3種優(yōu)化方案進行工作裝置進行強度分析如圖4所示。

圖4 工作裝置強度分析

分析對比結果如表2所示。

表2 優(yōu)化方案運動學及動力學參數(shù)

3種優(yōu)化方案結構應力相似，應力差別在3%以下，綜合考慮工作裝置的工藝性、互換性等因素，方案三自動放平角度4.2°符合標準3°～5°要求、舉升平穩(wěn)性為0.7°符合標準≤13°要求，且只需重新設計搖臂結構，故選擇方案三為最終優(yōu)化方案。

4 搖臂結構優(yōu)化設計

根據(jù)優(yōu)化方案對搖臂進行了重新設計，并對搖臂進行了強度分析結果如圖5所示：在最大挖掘工況下，搖臂的最大應力為188MPa，盡管沒有超過其Q345材料的屈服極限，但是搖臂的應力分布不均勻，尤其是搖臂外側圓弧區(qū)域，存在一個較明顯的應力分布區(qū)域。

圖5 搖臂結構設計及分析

為了改善搖臂的受力特點，消除應力較大區(qū)域，利用OptiStruct對搖臂進行形狀優(yōu)化設計[5]。通過定義搖臂外側圓弧區(qū)域的網(wǎng)格邊界、定義最大應力150MPa，形狀優(yōu)化后的搖臂已經(jīng)消除了應力較大區(qū)域，搖臂相同節(jié)點的應力降低20%以上，按照優(yōu)化結構完成搖臂的結構設計如圖6所示。

圖6 搖臂結構優(yōu)化結果

5 實驗測試

依 據(jù)JB/T 3688.1-1996和JB/T 3688.2-1998標準要求對樣機進行了測試，樣機參數(shù)符合標準要求，其中自動放平角度為4.2°，與優(yōu)化結果吻合。

鑒于現(xiàn)場試驗條件及工作安全的考慮，本文采用IMC數(shù)據(jù)采集設備，參考GB/T 101752-2008，只對裝載機在最大挖掘力測試工況下對工作裝置搖臂、連桿進行了應力測試，得到各測點處測試應變值，再通過理論計算得出各測點處等效應力數(shù)值。測試與分析結果如表3所示，測試與分析基本吻合，搖臂應力下降了20%左右。

表3 實驗與仿真結果對比

6 結 論

傳統(tǒng)的裝載機工作裝置連桿機構設計方法難以同時兼顧連桿機構舉升平穩(wěn)、自動放平等要求，本文利用ADAMS構建了裝載機工作裝置參數(shù)化模型，并對機構進行了優(yōu)化設計，該方案應用于某款裝載機工作裝置優(yōu)化后，放平角度從10°降低至4.2°，滿足了自動放平的要求；并對搖臂進行了形狀優(yōu)化設計，改善了搖臂的受力狀況，使應力降低20%左右。

[參考文獻]

[1]吉林工業(yè)大學工程機械教研室.輪式裝載機設計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1982.

[2]同濟大學.鏟運運輸機械[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1987.

[3]楊占敏，王智明，張春秋，等.輪式裝載機[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[4]李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[5]洪清泉.OptiStruct&HyperStudy理論基礎與工程應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.