輪式裝載機工作裝置的開發與應用

輪式裝載機工作裝置的開發與應用

1工作裝置的設計隨著我國經濟的快速發展和基礎設施建設規模的擴大，這種大規模的車輪載機應用于國防、建筑、水、植物、交通等各個方面。隨著國內收割機的發展，其運行裝置的優缺點直接影響到收割機的工作效率和生產質量。因此，它對機械設計的開發具有重要的現實意義和工程應用價值。但由于裝載機作業環境復雜,使得裝載機工作裝置的設計存在較大難度,并且工作裝置是直接實現裝載機鏟取物料的機構,其各種設計參數決定的性能將直接影響整機的使用情況。針對工作裝置的設計,傳統的設計方法如圖紙法或者類比法等由于設計精度低、周期長等缺點,已經無法滿足各項指標的設計需求。近年來,隨著計算機技術、仿真技術和現代設計方法的發展,在工作裝置的設計上產生了些新的設計方法。如優化設計(optimaldesign)是在現代計算機廣泛應用的基礎上發展起來的一項新技術,是根據最優化原理和方法綜合各方面的因素,以人機配合方式或“自動探索”方式,把機械設計與數學規劃理論及方法相結合,借助電子計算機,尋求最優設計方案和最佳設計參數。一般工程優化設計問題都歸屬于非線性優化問題,對于裝載機工作裝置的優化也同樣屬于非線性優化問題。因此本論文提出基于ADAMS/View中模塊下所提供的OPT-DES-SQP優化算法,對裝載機工作裝置進行仿真優化設計,得到優化后鏟斗的平移性大為改善,而且在舉升過程中鏟斗的收斗角由原來的16.2°降為6.7°,自動放平性、卸載性比優化前好,說明優化效果良好。2工作裝置結構類型裝載機工作裝置一般組成為:鏟斗、連桿、搖臂、動臂、轉斗油缸、舉升油缸。根據構件數和運動特征輪式裝載機工作裝置可分為:正轉四桿、正轉五桿、正轉六桿,反轉六桿、正轉八桿等類型。其結構和性能直接影響整機的工作空間和性能參數,因此,工作裝置的合理性直接影響裝載機的生產效率、工作負荷、動力與運動特性、不同工況下的作業效果、工作循環的時間、外形尺寸和發動機效率。則小型輪式裝載機工作裝置屬于反轉六桿機構,是由鏟斗、連桿、搖臂、動臂、轉斗油缸、舉升油缸組成。如表1為小型輪式裝載機的性能參數。根據表1小型輪式裝載機的性能參數以及結合企業所給的參數,進行裝載機工作裝置尺寸的初步確定,利用三維制圖軟件Proe進行三維建模與裝配,得到如下仿真圖形1。3約束函數分析優化是指通過調整設計變量值,使模型的特定方面性能最小或最大。一般的優化建模包括:確定要最小化或最大化的目標函數,選定要調整的設計變量以及定義必須滿足的約束函數。在優化建模中可將執行時間、作用力、舒適性、穩定性等條件作為優化目標函數;對于設計變量,在設計增多情況應盡可能將影響不大的參數取作為設計常數以及設計變量的約束條件應滿足在設置過程中優化分析的目標與設計分析、試驗設計要求要一致,在ADAMS/Viwe模塊中可通過定義設計變量的最小和最大值作為優化分析中約束變量范圍的默認值;然而對于約束函數的建立類似于目標函數,在基于ADMAS/Viwe優化設計中總能保證約束函數的計算值總是負的,不會與目標函數相混淆。3.1基本目標函數的建立目標函數是用來評價設計方案優劣的標準,是設計指標表示成為設計變量的函數。對裝載機工作裝置進行優化時,目標函數的選擇有多種方案,本文選用在動臂舉升過程中鏟斗的平移性最好作為目標函數,通過利用最小二乘法原理來建立優化目標函數,即用舉升過程中鏟斗與水平面夾角的絕對值以及運輸工況時鏟斗與水平面的收斗角之差的平方和的最小平均值作為優化目標函數,設目標函數為F1,即或式中αi是鏟斗從某個工況變化過程中,某個瞬間位置的鏟斗對地的位置角度。因此對于該目標函數目的就是要在轉斗油缸閉鎖,動臂由工況Ⅱ上升到工況Ⅲ的過程中尋求鏟斗舉升平動的最優方案。此步驟可在ADAMS/View中模塊下利用主菜單BUILD中的MEASURE選項建立的測量。3.2生成設計變量根據優化目標確定優化設計變量,利用ADAMS設計點參數化功能將G(GG)、F(FF)、E(EE)、B(BB)、C(CC)、D(DD)、A(AA)、H(HH)和M(MM)點在某個工況時的X、Y坐標值等依次參數化,生成DV_1到DV-18共18個設計變量。其中設計變量的取值范圍都為±10mm。3.3勞動性能限制3.3.2自動放平約束卸載角約束通過建立約束條件CONSTXLAngle:45d-AZ(MARKER_432)來保證卸載角不小于45°。3.3.3轉斗油缸穩定性及結構約束?？紤]轉斗油缸伸長的穩定性時,要求油缸最大長度和最小長度之比不小于1.6,且最小長度應符合油缸設計規范。3.3.4自動放平約束。動臂在上限位置卸料后,轉斗缸閉鎖,動臂下降到下限位置時,鏟斗自動放平進入下一次鏟掘狀態。通過創建優化約束條件CONSTAFP:AZ(MAR_432)-7d來保證自動放平性能。3.3.5其它如最大卸載高度;最小卸載距離約束等。在ADAMS中通過控制每階段油缸的運動速度來控制轉斗油缸和舉升油缸的行程,設置最大卸載高度和最小卸載距離可以分別通過建立優化約束CONSTMaxH:2950-DY(MARKER_432)和CONST-mindistance:1776+DX(MARKER_432)來保證最大卸料高度不小于2950mm,最小卸料距離大于1320mm。3.4工作裝置性能仿真及約束通過前面基礎理論的敘述以及裝載機工作裝置數學優化建模方程,可通過主菜單SIMULATE中選擇DESING-EVALUATION選項彈出優化設計對話框,并根據優化建模中的優化要求進行設置,由于在ADAMS/View優化仿真模塊中可以快速對多個設計變量進行分析,直到獲得最優化的設計,因此運用這個功能可以找到哪些設計變量對樣機具有較大的影響,并且能找到這些變量值能使樣機的性能達到最優。下圖為優化后的計算機輸出的仿真結果。圖2為各傳動角仿真變化特性曲線圖。其中ANGLE_51曲線為優化后連桿與搖臂之間(∠FEB)的傳動角仿真變化曲線;ANGLE_51_2曲線為優化后連桿與轉斗之間(∠GFE)的傳動角仿真變化曲線;ANGLE_51_3曲線為優化后搖臂與轉斗缸之間(∠BCD)的傳動角仿真變化曲線。從圖3可以得出優化后模型在舉升過程中收斗角最大為47.9°,收斗角絕對值最小為41.2°,收斗角的變化量為6.7°,平移性大為改觀;鏟斗放平后鏟斗斗底與水平面夾角(放平角)為4.56°,自動放平性更好,最大卸載高度時卸料角為45.6°,卸載性大大改變;優化效果明顯。從圖4上可以得出原模型的傳動角還是在設計要求范圍內,只是最大卸高由原來的3212mm降為2602mm,這其中卸料角變大,斗尖更低,造成最大卸高降低。工作性能約束主要是由對工作裝置性能設計