摘要：

裝載機是工程機械的重要機種之一，其工作裝置設(shè)計的合理性和質(zhì)量直接影響著裝載機的各項工作性能。本文應(yīng)用參數(shù)優(yōu)化建模和設(shè)計方法，對反轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)建立了參數(shù)優(yōu)化模型，確定了變量系統(tǒng)，目標(biāo)和約束系統(tǒng)，用優(yōu)化軟件進行了優(yōu)化設(shè)計。對工作裝置所得的優(yōu)化結(jié)果進行了分析，剖析了機構(gòu)形式的優(yōu)缺點和適用范圍。

裝載機是一種常用的鏟土運輸機械，廣泛應(yīng)用于土木、建筑、水利、礦山等工程，起著減輕勞動強度、提高施工效率和質(zhì)量的重要作用。目前國內(nèi)研究和采用得較多是反轉(zhuǎn)六連桿，這種機構(gòu)形式簡單、尺寸緊湊。當(dāng)鏟斗鏟掘物料時由于是反轉(zhuǎn)機構(gòu)，轉(zhuǎn)斗油缸大腔進油工作，可以獲得較大的鏟掘力。也就是說，鏟起同樣重量的物料，轉(zhuǎn)斗油缸的尺寸可以設(shè)計得較小。而且轉(zhuǎn)斗油缸后置，使司機有較好的視野。反轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)尤其多用于中小型裝載機工作裝置中。本文在現(xiàn)有的工作裝置優(yōu)化設(shè)計研究成果的基礎(chǔ)上，進一步研究和完善六連桿機構(gòu)設(shè)計，針對六連桿機構(gòu)建立有一定通用性的分析和優(yōu)化模型，得出滿足設(shè)計要求的合理方案，總結(jié)設(shè)計知識和優(yōu)化經(jīng)驗。

1.參數(shù)優(yōu)化設(shè)計概述

目前國內(nèi)工作裝置的設(shè)計主要采用類比法、畫圖試湊法、解析法和參數(shù)優(yōu)化方法。其中，參數(shù)優(yōu)化方法越來越受到重視，取得了很大發(fā)展和廣泛應(yīng)用。類比法和經(jīng)驗法一般只適用于同類型產(chǎn)品，即結(jié)構(gòu)型式、工作對象和條件基本機同的設(shè)計。這樣設(shè)計所得的產(chǎn)品即使通過了校核檢驗，符合基本設(shè)計要求，但是否能達到性能最優(yōu)，是否是最好的設(shè)計結(jié)果，還很值得研究。參數(shù)化設(shè)計（Parametric Design）是從CAD技術(shù)中發(fā)展起來的。參數(shù)化技術(shù)主要用于結(jié)構(gòu)形態(tài)比較定型的設(shè)計對象，對某定型產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)形式確定，根據(jù)某些具體條件和控制參數(shù)決定產(chǎn)品在某一結(jié)構(gòu)形式下的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而設(shè)計出不同的產(chǎn)品。實際上，參數(shù)化技術(shù)就是將產(chǎn)品的一些信息，包括尺寸、數(shù)據(jù)、特征、模式等定義為變量，這些變量的改變就表示產(chǎn)品模型的改變。參數(shù)化技術(shù)適用于常用件、系列件、標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計，只需建模一次，就能得到不同規(guī)格的零件模型。

研究優(yōu)化設(shè)計自動化的目的在于建立一個由描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的各個參數(shù)組成的設(shè)計模型。建模的內(nèi)容包括：集成化數(shù)據(jù)模型的研究，對產(chǎn)品生命周期內(nèi)各階段的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一建模；產(chǎn)品設(shè)計過程模型的研究；產(chǎn)品設(shè)計方法的研究。建模的內(nèi)容主要包括參數(shù)提取、約束識別和數(shù)據(jù)管理與規(guī)劃。參數(shù)的提取是參數(shù)化設(shè)計的前提。提取工作就是要在模型和參數(shù)間建立對應(yīng)關(guān)系。

優(yōu)化設(shè)計是現(xiàn)代設(shè)計方法中的一個重要領(lǐng)域。可以認為，工程設(shè)計只包括兩個步驟：一是確定所有可能的設(shè)計方案；二是選擇最佳方案?？梢?，設(shè)計本身就是一個擇優(yōu)的過程。尤其在機械設(shè)計方面，設(shè)計的本質(zhì)就是要選擇最佳尺寸以滿足設(shè)計要求。傳統(tǒng)的設(shè)計在很大程度上依賴于設(shè)計師的經(jīng)驗。對于現(xiàn)在復(fù)雜的工程問題，雖然設(shè)計師仍將用自己的知識和經(jīng)驗引導(dǎo)設(shè)計進程，計算機輔助設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法使設(shè)計工作更加科學(xué)和自動化。應(yīng)該看到，優(yōu)化設(shè)計始終是對現(xiàn)實問題某種程度上的簡化。

參數(shù)化設(shè)計技術(shù)當(dāng)前在機械設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用主要是為優(yōu)化設(shè)計建立參數(shù)化模型。從對參數(shù)的廣義理解上，凡是針對產(chǎn)品尺寸和性能參數(shù)的優(yōu)化應(yīng)該都屬于參數(shù)優(yōu)化范圍。

參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型總結(jié)為：

2.反轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)

目前國內(nèi)用的較多的是轉(zhuǎn)斗缸后置式反轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)，轉(zhuǎn)斗缸布置在動臂上面。這種機構(gòu)又稱為z形連桿機構(gòu)。它的優(yōu)點是：鏟斗插入料堆進行工作時，轉(zhuǎn)斗缸大腔進油，因此連桿機構(gòu)的傳力比可以得到較大的值，可獲得較大的崛起力，合理設(shè)計機構(gòu)各部件尺寸可得到較好的鏟斗平移性；機構(gòu)簡單尺寸緊湊，司機視野較好。缺點是搖臂、連桿和鏟斗等構(gòu)件間易發(fā)生干涉。國內(nèi)對反轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)形式的設(shè)計研究較多，對其設(shè)計變量、約束和目標(biāo)的描述都比較一致。從設(shè)計方法上看，優(yōu)化設(shè)計等計算機輔助設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了工程行業(yè)中設(shè)計的自動化程度和效率。

從設(shè)計方法上看，傳統(tǒng)的方法是采用層次型的設(shè)計流程，先根據(jù)典型或先進樣機，確定動臂長度，形狀和與車架鉸接位置，如動臂與車架的鉸接點，在確定動臂油缸的鉸接位置和行程，然后設(shè)計連桿機構(gòu)。這種樹狀設(shè)計流程用于裝載機的整體設(shè)計中是合理的，先確定斗容、機器的總體尺寸、液壓系統(tǒng)的工作壓力等，再確定工作裝置的機構(gòu)尺寸，再確定各零件的細部尺寸。它可以將大型復(fù)雜的設(shè)計問題分解為不同層次的子問題，減小每一步的工作量。

3.反轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)的建模和優(yōu)化

建模是優(yōu)化設(shè)計的前處理部分，它是對某類明確的設(shè)計對象的描述。優(yōu)化設(shè)計模型由三個基本要素組成：設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件，建模工作的內(nèi)容包括：1）確定設(shè)計變量及其量綱；2）確定目標(biāo)和約束的結(jié)構(gòu)層次；3）確定各目標(biāo)和約束的內(nèi)容：建模首先要明確用戶市場和制造廠的要求；4）對目標(biāo)和約束的定量描述和無量綱化，

3.1變量系統(tǒng)

輸入?yún)?shù)是由整機設(shè)計確定的，在工作裝置及設(shè)計中作為固定量，不允許改變。在工作裝置的設(shè)計中，斗容量、液壓系統(tǒng)的工作壓力、油缸個數(shù)等作為輸入?yún)?shù)，它們在整機設(shè)計時確定，在工作裝置中不在變動。設(shè)計變量是設(shè)計工作需要確定的參數(shù)。應(yīng)選取與目標(biāo)直接或間接相關(guān)的，對目標(biāo)函數(shù)影響較大的參數(shù)作為設(shè)計變量。工作裝置不同的機構(gòu)形式的設(shè)計變量個數(shù)不同，設(shè)計變量個數(shù)越多，解的維數(shù)越高，解的空間越大，解的難度也越高，尋優(yōu)所需的時間也就越多。在目標(biāo)和約束函數(shù)的計算中要用到許多中間參數(shù)，中間參數(shù)只起到傳遞數(shù)值，減小建模工作量的作用，不影響設(shè)計結(jié)果。將反復(fù)用到中間參數(shù)的計算寫成輔助函數(shù)，可以減小編程工作量。

3.2目標(biāo)系統(tǒng)

目標(biāo)函數(shù)是以計算變量表示所要追求的某種性能指標(biāo)的解析表達式或經(jīng)驗關(guān)系式。目標(biāo)一般用柔性的方式表達，即希望函數(shù)值越大越好或越小越好，或盡量接近某個理想值，目前多目標(biāo)優(yōu)化問題已成為設(shè)計的主流。工作裝置的部分優(yōu)化正向著整體優(yōu)化、組合優(yōu)化發(fā)展。實際模型選取了7類目標(biāo)，如下圖1所示，

3.3約束系統(tǒng)

約束是設(shè)計必須或希望滿足的要求。它直接決定著設(shè)計結(jié)果的可行性和質(zhì)量。對于工作裝置，主要是機構(gòu)各鉸點（包括油缸）的空間布置要求。考慮到工作裝置復(fù)雜的工作過程和環(huán)境，約束也必須能綜合地保證機構(gòu)的各項工作性能，如機構(gòu)必須達到要求的卸載高度、任何情況下各構(gòu)件間不能干涉、鏟斗應(yīng)能較干凈地卸料、各構(gòu)件應(yīng)有足夠的強度等。工作裝置優(yōu)化模型的約束分類如下圖2所示：

4.結(jié)語

本文對裝載機的反轉(zhuǎn)六連桿工作裝置進行了運動學(xué)和靜力學(xué)分析，歸納出了其工作過程中必須滿足的各種條件。確定了變量系統(tǒng)，目標(biāo)和約束系統(tǒng)，為全面優(yōu)化奠定基礎(chǔ)?？傮w上，對裝載機工作裝置所建立的模型是合理的、實用的，優(yōu)化是有成效的。