王慶林 荀 杰 郭世璋

(1邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北邯鄲056005;2河北工程大學(xué)，河北邯鄲056038)

ADAMS技術(shù)在挖掘裝載機結(jié)構(gòu)優(yōu)化上的應(yīng)用

王慶林1荀 杰2郭世璋1

(1邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北邯鄲056005;2河北工程大學(xué)，河北邯鄲056038)

挖掘裝載機挖掘工作裝置的機構(gòu)與結(jié)構(gòu)是影響整機性能與工作效率的重要部件，其優(yōu)劣是衡量該機技術(shù)水平高低的重要標(biāo)志。結(jié)合工程實際，進行挖掘工作裝置優(yōu)化設(shè)計研究:針對挖掘裝載機工作裝置的設(shè)計要求和原則，對挖掘工作裝置進行了運動學(xué)和動力學(xué)分析，建立了該裝置的運動學(xué)、動力學(xué)模型;以鏟斗挖掘時鏟斗油缸受力最小為優(yōu)化目標(biāo)，選擇相關(guān)設(shè)計點，進行參數(shù)化處理，采用ADAMS/View對挖掘鏟斗四連桿機構(gòu)進行了優(yōu)化;以優(yōu)化參數(shù)為基礎(chǔ)，對鏟斗機構(gòu)進行了虛擬樣機設(shè)計與驗證。

挖掘裝載機;工作裝置;ADAMS/View;運動仿真;優(yōu)化分析

1 工作裝置的設(shè)計要求

1.1 挖掘工作裝置的結(jié)構(gòu)組成

挖掘裝載機的挖掘作業(yè)斗裝滿后提升，回轉(zhuǎn)到卸土位置進行卸土。卸完后鏟斗再轉(zhuǎn)回并下降到挖掘面進行下次挖掘。當(dāng)挖完一段土后，機械移位，以便繼續(xù)工作。為實現(xiàn)上述作業(yè)動作，挖掘裝載機由鏟斗裝置、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、動力裝置、傳動操作機構(gòu)、行走裝置和輔助設(shè)備組成其挖掘工作裝置，如圖1所示。構(gòu)造特點是各部件之間全部采用鉸接聯(lián)系，動臂下鉸點鉸接在轉(zhuǎn)臺上，利用動臂油缸的伸縮，使動臂繞動臂下鉸點轉(zhuǎn)動，依靠斗桿油缸使斗桿繞動臂的上鉸點擺動。而鏟斗鉸接于斗桿前端，并通過鏟斗油缸和連桿使鏟斗繞斗桿前鉸點轉(zhuǎn)動。為增大鏟斗轉(zhuǎn)角，通常以連桿機構(gòu)與鏟斗連接，從而通過油缸的伸縮來實現(xiàn)挖掘過程中的各種工作動作。

1.2 挖掘機工作裝置設(shè)計要求

挖掘工作裝置幾何尺寸之間要求相互不能干擾，要滿足合理的挖掘力與分布特性。通常要求挖掘工作裝置在作業(yè)范圍內(nèi)主要挖掘區(qū)內(nèi)實現(xiàn)最大挖掘力。運動和動力特性要求工作機構(gòu)在做復(fù)合運動以及不同工況的時候，功率和速度能夠相應(yīng)發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)強度上要求盡可能減少焊縫和變形。經(jīng)濟性上要求挖掘工作裝置的挖掘力大，工作裝置的重量輕，挖掘速度快，同時減少作業(yè)循環(huán)時間。

2 工作裝置的運動學(xué)和動力學(xué)分析

挖掘裝載機的挖掘工作裝置各部件均采用鉸銷連接，通過液壓缸的伸縮運動來完成各種作業(yè)動作，實質(zhì)為一組平面連桿機構(gòu)，如圖2所示。其結(jié)構(gòu)運動特點是動臂CBF通過下鉸點C與車架鉸接，由動臂液壓缸L1支撐并改變動臂傾角，使動臂沿下鉸點轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)動臂的升降。斗桿鉸接在動臂上端F點，斗桿與動臂間的相對位置由斗桿缸L2控制。鏟斗鉸接在斗桿前端Q點，鏟斗缸L3控制活塞桿伸縮使鏟斗繞斗桿端部伸縮。

2.1 運動學(xué)分析

挖掘工作裝置工作作業(yè)過程通常為轉(zhuǎn)斗挖掘、斗桿挖掘、動臂挖掘等相互配合完成，故其幾何位置取決于驅(qū)動三者的油缸長度，即動臂油缸的長度L1，斗桿油缸的長度L2和鏟斗油缸的長度L3。當(dāng)油缸長度為一組定值時，便對應(yīng)有斗齒尖坐標(biāo)(XV，YV)一組值;而對于XV和YV的一組定值卻有許多組L1、L2、L3值與其對應(yīng)。

2.2 動力學(xué)分析

挖掘裝載機的挖掘工作裝置主要用于挖掘停機面以下土壤。通常情況下，分為轉(zhuǎn)斗挖掘、斗桿挖掘、動臂挖掘和復(fù)合動作挖掘幾種情況。通常認為，斗容量小于0.5m3或在土質(zhì)松軟時以鏟斗挖掘為主，反之以斗桿挖掘為主。

鏟斗挖掘的平均阻力按平均厚度下的阻力計算，可以近似取W1=(70% ～80%)Wmax。

斗桿挖掘時切削行程較長，切土厚度在挖掘過程中可視為常數(shù)。W1g=K0q/0.01745r6Ψg

根據(jù)鏟斗和斗桿受力圖3分析可知:二者均為斗桿油缸L2和鏟斗油缸L3的函數(shù)。

3 挖掘裝載機挖掘裝置的ADAMS的仿真分析及優(yōu)化

同其它CAD、CAE軟件相比，ADAMS具有十分強大的運動學(xué)和動力學(xué)分析功能。本文將挖掘裝載機虛擬樣機模型傳送到ADAMS中，進行運動學(xué)、動力學(xué)分析。

3.1 仿真輸出

ADAMS/Solver默認的仿真輸出含兩大類:樣機各種對象(例如:構(gòu)件、力、約束等)基本信息的描述和各種對象的有關(guān)分量信息。對象測量可以測量模型中各種對象的幾乎所有特性。通過ADAMS/View顯示測量參數(shù)隨時間變化的輸出曲線圖。ADAMS/View自動地調(diào)用ADAMS/Solver求解程序來完成仿真分析。

本文通過對以上運動學(xué)和動力學(xué)分析中的數(shù)據(jù)進行提取，可以確定工作裝置模型圖，利用軟件進行建模，最終得到鏟斗受力隨時間變化曲線。

由圖4數(shù)據(jù)可知，鏟斗油缸的最大受力出現(xiàn)在15s，值為16346.9N。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化部分以鏟斗挖掘連桿機構(gòu)為研究對象，以鏟斗油缸在鏟斗挖掘時受力最小為優(yōu)化目標(biāo)，通過鏟斗四桿機構(gòu)鉸接點參數(shù)化，利ADAMS/View進行優(yōu)化。

選取鏟斗四連桿機構(gòu)鉸接點中N、M、K三點，利用其坐標(biāo)建立6個設(shè)計變量，分別為Lmx、Lmy、Lnx、Lny、Lkx、Lky，通過研究分析可得到6個設(shè)計變量中鏟斗油缸以及鏟斗轉(zhuǎn)角隨時間變化輸出曲線，和實驗結(jié)果影響分析。從分析中可以得知，設(shè)計變量Lmx、Lnx、Lny、Lkx的變化對于鏟斗油缸的受力變化比較顯著，同時它的變化很大程度上也影響鏟斗轉(zhuǎn)角大小。通過對以上四個設(shè)計變量進行優(yōu)化可得到優(yōu)化后四連桿機構(gòu)的相關(guān)參數(shù)。

3.3 對比分析

3.3.1 優(yōu)化前后鏟斗挖掘時鏟斗油缸受最大力對比

優(yōu)化前:16346.9N

優(yōu)化后:13766N

變化率:-15.8%

3.3.2 優(yōu)化設(shè)計變量前后值對比

表1 優(yōu)化設(shè)計變量優(yōu)化前后坐標(biāo)值

3.3.3 優(yōu)化前后四連桿機構(gòu)桿件長對比:

表2 優(yōu)化前后四連桿機構(gòu)桿件長

通過對設(shè)計變量的優(yōu)化，可以看到對于優(yōu)化目標(biāo)(鏟斗挖掘時鏟斗油缸受力最小)得以實現(xiàn)，優(yōu)化后使該力減小15.8%。

4 結(jié)論

4.1 對挖掘裝載機挖掘工作裝置進行運動學(xué)、動力學(xué)分析及仿真作準(zhǔn)備可以為ADAMS建模和優(yōu)化奠定基礎(chǔ);

4.2 根據(jù)挖掘工作裝置實際工作情況，提出挖掘工作裝置的優(yōu)化目標(biāo)，選擇相關(guān)合適設(shè)計變量，并將其參數(shù)化，在一定的約束條件下，利用ADAMS/View對挖掘四連機構(gòu)進行優(yōu)化，得到仿真優(yōu)化結(jié)果。對其結(jié)果分析可以改善挖掘工作裝置四連桿機構(gòu)的工作性能，對挖掘工作裝置的設(shè)計具有一定的實用意義。

［1］北京鋼鐵學(xué)院，機械零件［M］北京:人民教育出版社，1979

［2］西北工業(yè)大學(xué)機械原理及機械零件教研組，機械設(shè)計［M］北京:人民教育出版社，拖拉機與農(nóng)用運輸車，2008，(1)

［3］張孝祖，黃烔，基于ADAMS虛擬樣機及道路友好性的景架參數(shù)優(yōu)化［J］1978

［責(zé)任編校:張彩紅］

A

1009-5462(2012)02-0045-04

2012-05-25

邯鄲市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃項目(項目編號:0921140072)研究成果。

王慶林，男，石家莊人，邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授。