孫海艦， 閆炳雷， 秦緒鑫

（三一重型裝備有限公司，沈陽(yáng) 110027）

1 引言

鉆裝機(jī)是一種用于巖石硬度f(wàn)8以上的巖巷炮掘巷道，是集行走、裝運(yùn)、鉆孔于一體的復(fù)雜礦用機(jī)械，其扒斗機(jī)構(gòu)的受力情況直接影響到扒斗機(jī)構(gòu)的性能。

本文通過(guò)動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS對(duì)扒斗機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，在阻力載荷不變的情況下通過(guò)優(yōu)化鉸點(diǎn)位置以達(dá)到油缸受力最小的目的。優(yōu)化前先對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行靈敏度分析，以明確優(yōu)化方向。

2 優(yōu)化仿真模型的建立

由于Pro/E導(dǎo)入的模型在ADAMS中無(wú)法進(jìn)行參數(shù)化，為此需要在ADAMS中建立扒斗機(jī)構(gòu)等效模型，等效模型需與原模型在質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等方面完全一致。

先將Pro/E中創(chuàng)建的扒斗機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入到ADAMS，確定各鉸點(diǎn)的位置坐標(biāo)。圖1及表1是導(dǎo)入ADAMS的扒斗機(jī)構(gòu)各鉸點(diǎn)及齒尖點(diǎn)示意圖及位置坐標(biāo)。

圖1 鉸點(diǎn)及齒尖點(diǎn)位置

表1 鉸點(diǎn)及齒尖點(diǎn)位置坐標(biāo)

用建模工具里的關(guān)鍵點(diǎn)工具重構(gòu)各鉸點(diǎn)及齒尖點(diǎn)，然后根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)用面板工具（plate）創(chuàng)建扒斗機(jī)構(gòu)等效模型。更改等效模型的質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等信息，創(chuàng)建完成的等效模型如圖2所示。

圖2 扒斗機(jī)構(gòu)等效模型

3 仿真分析過(guò)程

3.1 模型參數(shù)化

完成等效模型的創(chuàng)建后，進(jìn)一步將已經(jīng)建立的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化處理，這樣由關(guān)鍵點(diǎn)創(chuàng)建的構(gòu)件也將隨著關(guān)鍵點(diǎn)的變化而發(fā)生形狀上的變化。對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)化處理，將x坐標(biāo)和z坐標(biāo)生成設(shè)計(jì)變量，生成變量如圖3所示。

圖3 關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)變量

3.2 確定目標(biāo)函數(shù)

本文所建立的目標(biāo)函數(shù)是在阻力載荷不變的情況下使油缸的受力最小。阻力載荷施加在齒尖點(diǎn)［3］。其中

切向阻力 W1=k0bh=15×80×26.4=31680N

法向阻力 W2=ΨW1=0.2×31680=6336N。

式中：k0-挖掘比阻力；b-切削寬度（斗寬）；h-挖掘深度。

本文所建模型共有3個(gè)油缸，采用加權(quán)系數(shù)法分配系數(shù)，具體為扒斗油缸0.4，斗桿油缸0.3，動(dòng)臂油缸0.3。建立目標(biāo)函數(shù)的測(cè)量函數(shù)：

FUNCTION_MEA_OBJECTIVE：0.4*.ZW2_1.bad

ouqudong_MEA_2+0.3*.ZW2_1.dongbiqudong_MEA_2+0.3*.ZW2_1.

douganqudong_MEA_1

如圖4所示，橫縱軸分別為時(shí)間（t）和力（N）。

3.3 變量靈敏度分析

本文所建立的24個(gè)變量對(duì)于目標(biāo)函數(shù)的影響是不同的，為了區(qū)分這些影響奠定優(yōu)化仿真的基礎(chǔ)，需要對(duì)這些變量進(jìn)行靈敏度分析，找出對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響比較大的，并將其應(yīng)用于后面的優(yōu)化分析。對(duì)全部24個(gè)變量進(jìn)行變量靈敏度分析，變量初始值及靈敏度如表2所示。

表2 變量初始值及靈敏度

3.4 優(yōu)化分析

根據(jù)目標(biāo)函數(shù)及靈敏度分析，找出對(duì)目標(biāo)函數(shù)靈敏度較高的變量為 DV6、DV2、DV21、DV1、DV16，并基于這5個(gè)變量進(jìn)行優(yōu)化分析。

首先建立優(yōu)化分析約束OPT_CONSTRAINT_1至OPT_CONSTRAINT_10。其中 OPT_CONSTRAN T_1至OPT_CONSTRANT6為幾何條件約束，分別限定△KJL、四邊形 HIJK、△GHI、△EDF、四邊形 DCBF、△CAB 的形狀；OPT_CONSTRANT7至OP T_CONSTRANT10為特殊工作尺寸約束，分別限定等效模型的最大挖掘高度、最大挖掘深度、最大挖掘半徑、停機(jī)面最大挖掘半徑不小于原模型相應(yīng)尺寸。

約束創(chuàng)建完成后，點(diǎn)擊菜單Simulate-Design Evaluation，點(diǎn)選Optimization，在對(duì)話框的相應(yīng)位置處右鍵單擊選擇目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量、約束。點(diǎn)擊Start按鈕，開(kāi)始仿真分析，經(jīng)過(guò)迭代運(yùn)算，生成圖5至圖8所示的數(shù)據(jù)。

圖5 目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化結(jié)果

圖6 扒斗油缸力優(yōu)化結(jié)果

圖7 斗桿油缸力優(yōu)化結(jié)果

圖8 動(dòng)臂油缸力優(yōu)化結(jié)果

由圖5至圖8可以看出目標(biāo)函數(shù)最大受力由1.3386×105N下降到1.2513×105N，優(yōu)化幅值為6.5%；扒斗油缸最大受力由79570N下降到74665N；斗桿油缸最大受力由1.5791×105N下降到1.5697×105N；動(dòng)臂油缸最大受力由1.8803×105N下降到1.6429×105N。設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化前后數(shù)值如表3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS以三個(gè)油缸的受力最小為目標(biāo)函數(shù)、以12個(gè)鉸點(diǎn)的x、z坐標(biāo)為設(shè)計(jì)變量、以扒斗機(jī)構(gòu)的幾何形狀及特殊工作尺寸為約束對(duì)鉆裝機(jī)扒斗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析。優(yōu)化后目標(biāo)函數(shù)的受力降低了6.5%。利用本文的研究可以對(duì)扒斗機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)的位置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，降低扒斗機(jī)構(gòu)3個(gè)油缸的受力，以達(dá)到改善機(jī)構(gòu)的目的。

表3 優(yōu)化前后設(shè)計(jì)變量數(shù)值

［1］張雪華.基于ADAMS的ZL_50型裝載機(jī)工作裝置的優(yōu)化［J］.礦山機(jī)械，2011，39（6）：44-48.

［2］周宏兵，胡雄偉，孫永剛，等.基于ADAMS仿真技術(shù)的挖掘機(jī)鉸點(diǎn)受力分析［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30（2）：71-74.

［3］同濟(jì)大學(xué).單斗液壓挖掘機(jī)［M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1986：44-49.

［4］潘玉安，程洪濤，姜迪友，等.基于ADAMS的挖掘機(jī)工作裝置的仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2009，30（3）：15-17.

［5］周進(jìn).拖拉機(jī)后挖掘裝置設(shè)計(jì)及優(yōu)化仿真［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.