連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型優(yōu)化研究

連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型優(yōu)化研究

0裝卸機(jī)械的設(shè)計該設(shè)備具有操作速度快、效率高、流動性好、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。它是目前建設(shè)項(xiàng)目的主要施工機(jī)械。裝載機(jī)工作裝置是完成裝卸作業(yè)的空間連桿機(jī)構(gòu),其設(shè)計水平的高低直接影響裝載機(jī)的工作效率和經(jīng)濟(jì)性。因此,采用先進(jìn)設(shè)計方法對連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析研究變得日益重要。本文應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對某型裝載機(jī)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化,并取得比較理想的效果。1連桿機(jī)構(gòu)模擬仿真連桿機(jī)構(gòu)的典型工作過程分為4個階段。(1)動臂缸閉鎖,轉(zhuǎn)斗缸伸長,鏟斗收斗,實(shí)現(xiàn)物料的鏟裝。(2)轉(zhuǎn)斗缸閉鎖,動臂缸伸長,動臂上舉,實(shí)現(xiàn)物料的舉升。(3)轉(zhuǎn)斗缸收縮,動臂缸閉鎖,鏟斗翻轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)物料的卸載。(4)轉(zhuǎn)斗缸閉鎖,動臂缸收縮,動臂下降,鏟斗自動放平,進(jìn)入下一次鏟掘狀態(tài)。工作過程中,應(yīng)滿足平移性、傳動性、卸料性和自動放平等要求。本文在對原有裝載機(jī)連桿機(jī)構(gòu)尺寸采集的基礎(chǔ)上,建立了該裝載機(jī)連桿機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型(圖1)。對虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動仿真分析(圖2),發(fā)現(xiàn)在舉升10～30s過程中,鏟斗傾角變化為16°,超出設(shè)計要求范圍(不大于15°),未能滿足平移性要求;同時,鏟斗由上限位置下降到地面位置時(60s處),斗底平面與水平面夾角為18.2°,未能滿足鏟斗自動放平的要求。本文將針對這2個問題對連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究,以尋求一種更優(yōu)機(jī)構(gòu)。2機(jī)構(gòu)優(yōu)化2.1轉(zhuǎn)斗缸與上搖臂的鉸接點(diǎn)選取轉(zhuǎn)斗油缸和前車架鉸接點(diǎn)的位置對連桿機(jī)構(gòu)的平移性、自動放平性均有較大影響,而對整個機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸影響不大。為提高優(yōu)化效率,減少盲目性,可先通過作圖法確定該鉸接點(diǎn)的大致位置,再運(yùn)用優(yōu)化算法尋求更優(yōu)位置。如圖3所示,作動臂在下限位置收斗后各桿件的位置,得轉(zhuǎn)斗缸與上搖臂的鉸接點(diǎn)F平;再作鏟斗平移到上限位置時對應(yīng)各桿件的位置,得轉(zhuǎn)斗缸與上搖臂的鉸接點(diǎn)。作F平、2點(diǎn)連線的垂直平分線1,則1線上任一點(diǎn)均可滿足鏟斗平移性的要求。如圖4所示,作鏟斗在上限位置卸料后各桿件的位置,得轉(zhuǎn)斗缸與上搖臂的鉸接點(diǎn);再作鏟斗下降到地面位置時對應(yīng)各桿件的位置,得轉(zhuǎn)斗缸與上搖臂的鉸接點(diǎn)F放。作F放、2點(diǎn)連線的垂直平分線2,則2線上任一點(diǎn)均可滿足鏟斗自動放平性的要求。取1線和2線的交點(diǎn)G理作為轉(zhuǎn)斗油缸與前車架的鉸接點(diǎn),則可同時滿足平移性和自動放平性要求,如圖5所示。但在該機(jī)構(gòu)中,G理點(diǎn)作為鉸接點(diǎn)易使轉(zhuǎn)斗油缸和前車架發(fā)生運(yùn)動干涉,故G理點(diǎn)不合適。依據(jù)經(jīng)驗(yàn),本文選用G改點(diǎn)作為該鉸接點(diǎn)的初始位置。2.2優(yōu)化模型的構(gòu)建2.2.1設(shè)計變量的選取搖臂上包含3個鉸接點(diǎn),其結(jié)構(gòu)變化對整體機(jī)構(gòu)性能影響較大,同時為盡量減少機(jī)構(gòu)中變化構(gòu)件的數(shù)目,故僅選用搖臂上E、C、F及車架上G這4個鉸接點(diǎn)的X、Y值作為設(shè)計變量。根據(jù)連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計要求確定每個設(shè)計變量的取值范圍,如表1所示。2.2.2目標(biāo)函數(shù)的配置選取舉升過程中鏟斗角度變化最小的點(diǎn)作為優(yōu)化目標(biāo),建立目標(biāo)函數(shù)式中:a1為舉升過程中斗底與水平面的夾角。2.2.3機(jī)構(gòu)的放平約束(1)傳動角約束2個四連桿機(jī)構(gòu)的傳動角大于10°,小于170°,即(2)自動放平約束鏟斗下降到地面位置時,斗底與水平面的夾角大于-10°,小于0°,即式中:a2為斗底與水平面的最終夾角。(3)上限卸料角約束保證機(jī)構(gòu)在上限位置時可靠卸料。式中:a3為卸料過程斗底與水平面的夾角。2.3運(yùn)動學(xué)仿真及結(jié)果分析應(yīng)用ADAMS軟件建立連桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型,建模大致過程為:以各鉸點(diǎn)坐標(biāo)建立設(shè)計點(diǎn),利用零件庫在設(shè)計點(diǎn)上建立連桿機(jī)構(gòu)的模型;在模型上添加約束和驅(qū)動;進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真,檢查模型是否正確;按照表1建立設(shè)計變量,并將E、C、F、G這4個設(shè)計點(diǎn)的坐標(biāo)改為由相應(yīng)設(shè)計變量驅(qū)動。在參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步建立目標(biāo)函數(shù)和約束方程,并利用軟件的優(yōu)化設(shè)計功能對模型進(jìn)行優(yōu)化。圖6給出了優(yōu)化前后鏟斗角度的變化情況。優(yōu)化后,鏟斗在舉升過程中(10～30s)傾角變化為11.7°,滿足了平移性要求;鏟斗由上限位置下降到地面位置(60s處)時,斗底與水平面的夾角為-4.6°,滿足了自動放平性要求。3連桿機(jī)構(gòu)模型優(yōu)化本文通過建立裝載機(jī)連桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī),結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計方法和現(xiàn)代優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)了裝載機(jī)連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,解決了原設(shè)計中裝載機(jī)不能滿足平移性和自動放平性的問題。研究表明:在用作圖法確定轉(zhuǎn)斗油缸和前車架鉸接點(diǎn)大致位置的基礎(chǔ)上,建立連桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)化虛擬樣機(jī)模型并對模