王曉明，沈 勇，李曉楓

（徐工集團鏟運機械事業(yè)部，江蘇 徐州 221004）

裝載機依靠工作裝置進行散料裝載作業(yè)，也可以進行散料短途運輸作業(yè)，還可以進行平地作業(yè)。裝載機工作裝置主要由鏟斗和工作連桿組成，其鉸點布局的合理性直接影響整機的工作負荷、動力與運動特性，進而影響工作效率和能力。裝載機工作裝置有多種形式，本文研究的是反轉6連桿機構。這種機構形式簡單，尺寸緊湊，我國生產(chǎn)的輪式裝載機多采用這種形式。關于工作裝置設計方法的研究，目前多集中于油缸尺寸參數(shù)確定條件下的工作裝置鉸點分布設計，常出現(xiàn)優(yōu)化問題無解的情況，需調整油缸尺寸進行重新優(yōu)化設計?；诖?，本文提出油缸尺寸協(xié)同優(yōu)化的設計方法，在工作裝置鉸點設計過程中，同時對油缸安裝距和行程進行設計，使得滿足油缸制造要求。

1 裝載機工作裝置及性能指標

輪式裝載機工作裝置由動臂、搖臂、拉桿、鏟斗、轉斗油缸和動臂油缸組成（見圖1）。通過動臂油缸和轉斗油缸的伸縮動作，配合整機運動，完成鏟裝、收斗、運輸、舉升、卸料和回落地面放平的工作過程，其中鏟裝、運輸過程工作裝置相對位置保持不變。工作裝置鉸點位置對其傳動性能、掘起力、卸載效果及工作效率起決定作用。

圖1 裝載機工作裝置

普通油缸行程和安裝距的關系如圖2所示，油缸最大行程S小于最小安裝距L，且兩者之差L-S需大于某一設計值，才能布置下連接銷軸和活塞。對某型號5t裝載機常規(guī)產(chǎn)品，轉斗油缸設計需要滿足如下要求

圖2 油缸行程和安裝距

2 工作裝置運動學建模

將裝載機工作裝置各鉸點坐標導入動力學分析軟件，得到如圖3所示的平面運動學模型。在工作裝置平面運動學模型各部件之間建立連接運動副，如表1所示。

圖3 工作裝置運動學模型

本文主要關注角度、尺寸和工作姿態(tài)的相對關系。為簡化模型，分析工作裝置運動過程時，去掉鏟入物料和運輸這兩個與車架沒有相對運動的過程。設置0～1s收斗，1～2s動臂舉升，2～3s轉斗卸料，3～4s動臂回落。用step函數(shù)分別建立動臂油缸和轉斗油缸的運動函數(shù)，則運動學模型建模完成。定義斗底平面與地面的夾角θ（取絕對值，其余角度按同樣方式處理）。隨著工作裝置的姿態(tài)變化，在初始狀態(tài)，斗底平面平行于底面，這個夾角為0°；定義收斗完成時夾角θ為收斗角α，在卸料完成時為卸料角β，回落到地面時為放平角γ。

3 工作裝置鉸點優(yōu)化設計

3.1 優(yōu)化問題數(shù)學模型

式中x為實數(shù)；f（x）為目標函數(shù)；gi（x）、hj（x）為問題的約束條件；m、n為正整數(shù)，且n>m；式（3）為不等式約束；式（4）為等式約束；m為不等式約束的個數(shù)，等式約束的個數(shù)為n-m。

3.2 目標函數(shù)

優(yōu)化模型先后選用2個目標函數(shù)，分別是平動性目標函數(shù)和傳動角目標函數(shù)，根據(jù)參數(shù)變化情況交替使用。

3.2.1 平動性目標函數(shù)

在工作裝置完成收斗舉升到高位的過程中，鏟斗角度變化量足夠小才能保證不撒料。

目標函數(shù)

式中θmax為收斗結束舉升到最高點的過程中鏟斗斗底平面與地面夾角的最大值；α為收斗角度，設計值為41°。

3.2.2 傳動角目標函數(shù)

為提高卸料位置的工作連桿傳動能力，需要優(yōu)化這個位置的傳動角∠ABC最大。

目標函數(shù)

式中 （∠ABC）min為∠ABC的最小值，出現(xiàn)在卸料時刻，優(yōu)化目標是使∠ABC最小值最大，即-（∠ABC）min最小。

3.3 約束函數(shù)

根據(jù)裝載機工作裝置性能設計要求，建立角度約束、卸載高度約束條件。為了保證轉斗油缸的尺寸符合設計要求，還需要滿足油缸尺寸約束條件。

3.3.1 收斗角約束

為保證在收斗完畢運輸時不易撒料，約束收斗角α不小于41°，建立收斗角約束

3.3.2 卸料角約束

為保證在卸料位置物料能夠從鏟斗順利卸掉，要求卸料角β不小于48°，建立卸料角約束

3.3.3 放平角約束

為方便裝載機在完成一個工作循環(huán)后，不用調整鏟斗姿態(tài)就可以直接進入下一個工作循環(huán)，通常要求地面放平角γ不大于8°，即

3.3.4 傳動角約束

為保證工作連桿的傳動性能，需要保證傳動角度在一個合理的范圍內，建立傳動角約束函數(shù)表達式如下

即約束∠ABC在15°～165°之間。

3.3.5 轉斗缸掘起力約束

其中JQL是轉斗油缸壓力達到額定值時，在地面掘起狀態(tài)距離鏟斗切削刃100mm位置能夠提供的最大掘起力，本文要求大于170kN。

3.3.6 卸載高度約束

卸載高度為卸料完成時鏟斗切削刃最前邊緣與地面的垂直距離，建立最大卸載高度約束函數(shù)

保證最大卸載高度（角銷高度）不低于4160mm。

3.3.7 油缸設計約束

對于5t轉斗油缸設計，需要滿足最小安裝距與最大行程之差大于505mm這一必要條件。這就需要在轉斗油缸鉸點的極限位置關系與油缸參數(shù)建立約束函數(shù)。通常轉斗油缸在卸料完成時油缸縮到最短，行程尚有較大余量。在這個位置鉸點距和最小安裝距差距較大，無法用來定義約束函數(shù)。在收斗完成即轉斗油缸最長時，基本能夠達到油缸的最大行程，用這個位置的鉸點距推算最小安裝距是有效的。因此定義近似等效的約束函數(shù)如下

式中LEGmax為轉斗油缸鉸點距最大值，近似等于圖2所示的L+S值，因此式（12）和式（1）是近似等效的。由于油缸最小安裝距和行程都是未知的，本文首先根據(jù)經(jīng)驗以一個較大的油缸行程540mm為參數(shù)建立約束關系，如下

3.4 設計變量

根據(jù)設計要求，為保證鏟斗和前車架備件通用性，要求AB點的相對位置是固定的，GHI的相對位置是固定的。對鉸點C、D、E和F點的坐標值參數(shù)化，生成XC、XD、XE、XF、YC、YD、YE、YF（XC為C點的X方向坐標，以此類推）等8個設計變量，并設定每個設計變量的取值范圍為±30mm。

3.5 優(yōu)化結果

采用SQP算法，設定收斂誤差為1.0E-4，經(jīng)過多次迭代，得到滿足要求的設計方案。各鉸點坐標變化量如表2所示。

表2 優(yōu)化前后鉸點坐標變化表

最優(yōu)結構性能參數(shù)如表3所示，平動角從19°降低到13°，舉升過程中鏟斗角度變化幅度較?。ㄈ鐖D4所示），工作平穩(wěn)性明顯改善；傳動角ABC最小值從14°提升到16.1°，轉斗油缸掘起力、放平角、傳動角等參數(shù)都有一定改善，卸載角、卸載高度（如圖5所示）等參數(shù)略有降低，都在設計約束范圍之內。

表3 最優(yōu)結構性能參數(shù)表

圖4 鏟斗與地面夾角變化曲線

圖5 卸載高度變化曲線

3.6 油缸校核

優(yōu)化后LEG的變化曲線如圖6所示，轉斗油缸收斗卸料需要的油缸行程是1649-1360=289mm，則設計轉斗油缸最小行程應大于289mm；優(yōu)化后LEG的最大值是1649mm。如果轉斗油缸行程取540mm，則對應的轉斗油缸最小安裝距是1649-540=1109mm，油缸幾何尺寸余量LEGS=1109-540=569＞505mm，滿足油缸設計要求。實際上，對這套鉸點而言，可在一定范圍內調整油缸行程數(shù)值S。理論上只要轉斗油缸行程滿足289＜S＜（1649-505）/2=572mm，都能夠找到合理的最小安裝距數(shù)值設計出油缸，所以這套鉸點設計方案是一個兼顧轉斗油缸可行性的最優(yōu)設計方案。

4 結束語

圖6 轉斗油缸長度變化曲線

本文在裝載機工作裝置鉸點優(yōu)化設計過程中兼顧了轉斗油缸設計要求，建立了工作裝置鉸點與油缸尺寸的聯(lián)合設計模型，得到了滿足收斗角、卸料角、放平角、傳動角、平動角及卸載高度要求的設計方案。采用聯(lián)合油缸尺寸設計方法，將固定油缸尺寸優(yōu)化問題轉化為可變油缸尺寸問題，拓展了鉸點優(yōu)化的設計空間，得到了合理的鉸點布局。該方法可以推廣應用到所有使用油缸驅動的工作機構設計，擴大運動機構鉸點設計空間，提高優(yōu)化設計問題的求解成功率。