□ 吉善松 □ 白 海 □ 范永臻

西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院 昆明 650224

基于虛擬樣機(jī)的裝載機(jī)反轉(zhuǎn)六桿工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

□ 吉善松 □ 白 海 □ 范永臻

西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院 昆明 650224

利用Pro/E對(duì)裝載機(jī)反轉(zhuǎn)六桿工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維數(shù)字化建模、仿真，并將Pro/E中的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS中，應(yīng)用ADAMS/View模塊提供OPTDES-SQP優(yōu)化算法，以動(dòng)臂舉升時(shí)轉(zhuǎn)斗平動(dòng)性為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對(duì)裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了符合要求的機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)提升了輪式裝載機(jī)開發(fā)效率，提高了裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)水平和工作性能。

裝載機(jī) 虛擬樣機(jī) 仿真 優(yōu)化

裝載機(jī)作為一種重要的工程機(jī)械，在國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮著巨大作用，中國的裝載機(jī)起步于1966年，在過去的40多年里，總體上呈遞增趨勢(shì)。目前我國裝載機(jī)行業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)了以廣西柳工機(jī)械股份有限公司、徐州工程機(jī)械股份有限公司的ZL50G為代表［1-3］的第三代產(chǎn)品。

裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)是執(zhí)行完成各種作業(yè)的關(guān)鍵部件，裝載機(jī)的使用性能、安全系數(shù)、工作可靠性及經(jīng)濟(jì)性都取決于其工作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作機(jī)構(gòu)的方法已無法滿足對(duì)裝載機(jī)提出更高的使用性能、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面的要求。解決當(dāng)下輪式裝載機(jī)傳統(tǒng)開發(fā)模式存在的開發(fā)周期長(zhǎng)、過程繁雜、開發(fā)成本過高、性能測(cè)試?yán)щy等問題，縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間、提升產(chǎn)品質(zhì)量、減小成本以及對(duì)市場(chǎng)的變化能迅速作出反應(yīng)已成為企業(yè)所追求的目標(biāo)。企業(yè)產(chǎn)品更新速度快，性能可靠，價(jià)格合理，該企業(yè)產(chǎn)品就會(huì)被廣大用戶所喜歡［4］。近年來，虛擬樣機(jī)技術(shù)的定義在各種行業(yè)的文獻(xiàn)中出現(xiàn)［5］，它是一種全新的機(jī)械設(shè)計(jì)方法。筆者以輪式裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，通過對(duì)工作機(jī)構(gòu)建模、仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)，及多角度的考量，最終確定符合要求的可行機(jī)構(gòu)方案。

1 裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)三維實(shí)體建模

1.1 裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)主要包括轉(zhuǎn)斗液壓缸、動(dòng)臂液壓缸、搖臂、動(dòng)臂、連桿和鏟斗六大部件，ZL50型裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)Pro/E三維實(shí)體建模

在Pro/E中完成對(duì)裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的六大主要零部件的建模，再按各個(gè)零件之間的相對(duì)位置關(guān)系，把零件組裝成一個(gè)裝配件，如圖2所示。

▲圖1 裝載機(jī)工作裝置機(jī)構(gòu)

▲圖2 裝載機(jī)裝配實(shí)體

2 建立虛擬樣機(jī)工作機(jī)構(gòu)

2.1 建立約束

工作機(jī)構(gòu)主要存在兩種運(yùn)動(dòng)方式，一是在轉(zhuǎn)斗液壓缸和動(dòng)臂液壓缸上的移動(dòng)，定義為移動(dòng)副；二是如圖1所示的9個(gè)鉸點(diǎn)上的轉(zhuǎn)動(dòng)，定義為旋轉(zhuǎn)副。

2.2 創(chuàng)建函數(shù)

在ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)中控制剛體運(yùn)動(dòng)是以時(shí)間函數(shù)形式驅(qū)動(dòng)的，因此，在移動(dòng)副上以ADAMS提供的STEP函數(shù)定義兩個(gè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)如下：

轉(zhuǎn)斗液壓缸MOTION_1：STEP（time，0，0，3，-250）+STEP（time，7，0，11，+280）

動(dòng)臂液壓缸MOTION_2：STEP（time，3，0，7，-850）+STEP（time，11，0，15，+850）

2.3 工作機(jī)構(gòu)的仿真

通過計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示不同工況下工作機(jī)構(gòu)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)狀況，如圖3～圖7所示。

▲圖3 鏟掘工況

▲圖4 收斗工況

▲圖5 舉升工況

▲圖6 卸料工況

▲圖7 自動(dòng)放平工況

2.4 優(yōu)化前仿真性能的評(píng)價(jià)分析

（1）利用ADAMS軟件對(duì)裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，能全面真實(shí)地反映出工作過程中存在的問題與不足［6-8］，可以避免一般軟件只能分析幾個(gè)特殊位置的弊端。

（2）在ADAMS工作機(jī)構(gòu)模型中，9個(gè)參數(shù)化鉸點(diǎn)初始位置的坐標(biāo)見表1。

表1 初始模型鉸點(diǎn)坐標(biāo)/mm

（3）利用主菜單BUILD選項(xiàng)中的MEASURE建立測(cè)量函數(shù)，輸出如圖8～圖12所示的參數(shù)曲線。

平移性。裝載機(jī)在運(yùn)輸過程中，鏟斗底面與地面間的夾角為鏟斗的收斗角，一般推薦-40～-45°。為保證物料盡量不撒出鏟斗，鏟斗在升起過程中應(yīng)通過連桿機(jī)構(gòu)的調(diào)整使其在收斗位置盡量地保持平移，保證收斗角的變化量≤10°。從圖8中可以看出，在舉升過程中的收斗角最大值為60.65°（t1點(diǎn)），收斗角最小值為38.27°，變化量為60.65°-38.27°=22.38°＞10°，平移性不好，應(yīng)該提高。

自動(dòng)放平性。動(dòng)臂舉升到最高位置卸料后，轉(zhuǎn)斗液壓缸鎖死。動(dòng)臂下降到物料堆處，鏟斗由連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放平，為進(jìn)行下一次鏟掘做準(zhǔn)備。由圖8可以看出，鏟斗放平后鏟斗底面與地面之間的夾角 （即放平角）為-3.728°，滿足放平性要求。

卸載性。從圖8可以得出，最大卸載高度時(shí)的卸料

角為-42.17°（t2點(diǎn)，“-”代表方向），即整個(gè)卸料過程中卸料角的最大值為-42.17°＜45°，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

最大卸載高度。指鏟斗與水平成45°的卸載角、動(dòng)臂舉升到最高位置時(shí)，地面到斗尖的距離。從圖9可以看出，卸載高度最大為3 895 mm，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

傳動(dòng)性。連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性要求是在各個(gè)工況下任意構(gòu)件之間不出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，各構(gòu)件的傳動(dòng)角不小于10°［9］。為了獲得較高的傳動(dòng)效率，且能保證工作機(jī)構(gòu)正常運(yùn)動(dòng)，要求各傳動(dòng)角限制在10～170°之間變化。從圖10～圖12中可以看出，最大角度為153.7°，最小角度為12.73°，在仿真過程中，機(jī)構(gòu)沒有出現(xiàn)相互干涉的現(xiàn)象，且滿足設(shè)計(jì)規(guī)定范圍。

▲圖8 鏟斗底面與水平面夾角角度測(cè)量曲線

▲圖9 卸載高度測(cè)量曲線

▲圖10 連桿與鏟斗之間的傳動(dòng)角測(cè)量曲線

▲圖11 連桿與搖臂之間的傳動(dòng)角測(cè)量曲線

▲圖12 搖臂與轉(zhuǎn)斗液壓缸之間的傳動(dòng)角測(cè)量曲線

3 工作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

3.1 建立設(shè)計(jì)變量

在ADAMS中將A、B、C、D、E、F、G、H、J 9個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值一次參數(shù)化，生成DV_1至DV_18共計(jì)18個(gè)變量，并設(shè)定每個(gè)設(shè)計(jì)變量的取值范圍為±10 mm。

3.2 建立目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)是用來設(shè)計(jì)優(yōu)化的函數(shù)，是設(shè)計(jì)所追求目標(biāo)的函數(shù)表達(dá)式，目標(biāo)函數(shù)有單目標(biāo)函數(shù)和多目標(biāo)函數(shù)之分［10］，并利用菜單BUILD選項(xiàng)中的MEASURE，建立測(cè)量函數(shù)FUNCTION_MEA_11，測(cè)量的表達(dá)式為：

3.3 建立工作性能約束

1）對(duì)傳動(dòng)角的約束。

（1）10°＜連桿與搖臂之間的傳動(dòng)角 （∠EHF）＜170°；

（2）10°＜搖臂與轉(zhuǎn)斗液壓缸之間的傳動(dòng)角（∠CDE）＜170°；

（3）10°＜連桿與轉(zhuǎn)斗之間的傳動(dòng)角 （∠HFG）＜170°。傳動(dòng)角約束函數(shù)：

FUNCTION_MEA_1：INCANG（MARKER_25，MARKER_6，MARKER_4）-170d

FUNCTION_MEA_2：10d-INCANG（MARKER_25，MARKER_6，MARKER_4）

FUNCTION_MEA_3：INCANG（MARKER_52，MARKER_8，MARKER_7）-170d

FUNCTION_MEA_4：10d-INCANG（MARKER_52，MARKER_8，MARKER_7）

FUNCTION_MEA_5：INCANG（MARKER_52，MARKER_8，MARKER_7）-170d

FUNCTION_MEA_6：10d-INCANG（MARKER_25，MARKER_7，MARKER_8）

2）對(duì)卸載角的約束。

通過建立約束條件CONST Angle：

FUNCTION_MEA_7：45d+AZ（MARKER_62）來保證卸載角大于或等于45°。

3）對(duì)最大卸載高度的約束。

通過建立優(yōu)化約束條件CONST Max H：

FUNCTION_MEA_8：3800-DY（MARKER_62）來保證最大卸載高度大于或者等于2.95 m。

4）對(duì)自動(dòng)放平性的約束。

自動(dòng)放平性優(yōu)化約束條件CONSTAFP：

FUNCTION_MEA_9：-6d-AZ（MARKER_62）

▲圖13 優(yōu)化后的鏟斗底面與水平面夾角角度測(cè)量曲線

▲圖14 優(yōu)化后的卸載高度測(cè)量曲線

▲圖15 優(yōu)化后的連桿與鏟斗夾角測(cè)量曲線

▲圖16 優(yōu)化后的連桿與搖臂之間的傳動(dòng)角測(cè)量曲線

▲圖17 優(yōu)化后的搖臂與轉(zhuǎn)斗液壓缸之間的傳動(dòng)角的測(cè)量曲線

FUNCTION_MEA_10：AZ（MARKER_60）+3d用來保證放平度在-6～-3°。

3.4 對(duì)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化

1）選擇FUNCTION_MEA_11，即：IF（time-3：0，（ABS（AZ（MARKER_62））-45d）**2，0.5*（1+SIGN（1，7-time））*（ABS（AZ（MARKER_62））-45d）**2）作為目標(biāo)函數(shù)；

2）選擇優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量為DV1～DV18；

3）選擇添加的約束OPT_CONSTRAINT_1～OPT_ CONSTRAINT_10；

4）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。

3.5 結(jié)果分析

1）優(yōu)化后輸出的仿真曲線如圖13～圖17所示。

由圖13可以看出，收斗角最大值為54.87°，最小值為45.43°，收斗角的變化量為 9.44°，平移大為改觀，滿足要求；最大卸載角度-45.46°（t2點(diǎn)）＞45°，卸載性大幅提高，放平角為-4.994°，滿足要求。

由圖14可知，最大卸載高度由原來的3 895 mm降為3 859 mm，這是由于卸料角變大，斗尖變低，使最大卸載高度有所降低，但仍滿足設(shè)計(jì)要求。

由圖15～圖17可見，最大角度為166.4°，最小角度為12.57°，原模型的傳動(dòng)角仍在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

2）優(yōu)化后的模型和初始的模型主要性能參數(shù)對(duì)比見表2。

表2 初始的模型和優(yōu)化后的模型主要性能參數(shù)對(duì)比

3）優(yōu)化后模型和初始模型設(shè)計(jì)變量的對(duì)比見表3。

表3 初始模型和優(yōu)化模型各設(shè)計(jì)變量對(duì)比

4 總結(jié)

針對(duì)輪式裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)存在周期長(zhǎng)、效率低、費(fèi)用高、不能及時(shí)滿足市場(chǎng)需求等問題，筆者首先利用Pro/E對(duì)裝載機(jī)反轉(zhuǎn)六桿工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維數(shù)字化建模、仿真，然后將Pro/E中的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS中建立虛擬樣機(jī)，并利用虛擬樣機(jī)對(duì)裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化，獲得工作機(jī)構(gòu)性能最優(yōu)時(shí)的參數(shù)，從而提高了裝載機(jī)的工作性能。

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TH122

A

1000-4998（2015）09-0035-05

2015年3月