王曉明，沈 勇，李曉楓

（徐工集團(tuán)鏟運(yùn)機(jī)械事業(yè)部，江蘇 徐州 221004）

裝載機(jī)依靠工作裝置進(jìn)行散料裝載作業(yè)，也可以進(jìn)行散料短途運(yùn)輸作業(yè)，還可以進(jìn)行平地作業(yè)。裝載機(jī)工作裝置主要由鏟斗和工作連桿組成，其鉸點(diǎn)布局的合理性直接影響整機(jī)的工作負(fù)荷、動力與運(yùn)動特性，進(jìn)而影響工作效率和能力。裝載機(jī)工作裝置有多種形式，本文研究的是反轉(zhuǎn)6連桿機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)形式簡單，尺寸緊湊，我國生產(chǎn)的輪式裝載機(jī)多采用這種形式。關(guān)于工作裝置設(shè)計(jì)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(diǎn)分布設(shè)計(jì)，常出現(xiàn)優(yōu)化問題無解的情況，需調(diào)整油缸尺寸進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)?；诖?，本文提出油缸尺寸協(xié)同優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，在工作裝置鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)過程中，同時對油缸安裝距和行程進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得滿足油缸制造要求。

1 裝載機(jī)工作裝置及性能指標(biāo)

輪式裝載機(jī)工作裝置由動臂、搖臂、拉桿、鏟斗、轉(zhuǎn)斗油缸和動臂油缸組成（見圖1）。通過動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸的伸縮動作，配合整機(jī)運(yùn)動，完成鏟裝、收斗、運(yùn)輸、舉升、卸料和回落地面放平的工作過程，其中鏟裝、運(yùn)輸過程工作裝置相對位置保持不變。工作裝置鉸點(diǎn)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(jī)工作裝置

普通油缸行程和安裝距的關(guān)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(shè)計(jì)值，才能布置下連接銷軸和活塞。對某型號5t裝載機(jī)常規(guī)產(chǎn)品，轉(zhuǎn)斗油缸設(shè)計(jì)需要滿足如下要求

圖2 油缸行程和安裝距

2 工作裝置運(yùn)動學(xué)建模

將裝載機(jī)工作裝置各鉸點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入動力學(xué)分析軟件，得到如圖3所示的平面運(yùn)動學(xué)模型。在工作裝置平面運(yùn)動學(xué)模型各部件之間建立連接運(yùn)動副，如表1所示。

圖3 工作裝置運(yùn)動學(xué)模型

本文主要關(guān)注角度、尺寸和工作姿態(tài)的相對關(guān)系。為簡化模型，分析工作裝置運(yùn)動過程時，去掉鏟入物料和運(yùn)輸這兩個與車架沒有相對運(yùn)動的過程。設(shè)置0～1s收斗，1～2s動臂舉升，2～3s轉(zhuǎn)斗卸料，3～4s動臂回落。用step函數(shù)分別建立動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸的運(yùn)動函數(shù)，則運(yùn)動學(xué)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(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型

式中x為實(shí)數(shù)；f（x）為目標(biāo)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(biāo)函數(shù)

優(yōu)化模型先后選用2個目標(biāo)函數(shù)，分別是平動性目標(biāo)函數(shù)和傳動角目標(biāo)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(biāo)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(biāo)函數(shù)

式中θmax為收斗結(jié)束舉升到最高點(diǎn)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(shè)計(jì)值為41°。

3.2.2 傳動角目標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(jī)工作裝置性能設(shè)計(jì)要求，建立角度約束、卸載高度約束條件。為了保證轉(zhuǎn)斗油缸的尺寸符合設(shè)計(jì)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(yùn)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(jī)在完成一個工作循環(huán)后，不用調(diào)整鏟斗姿態(tài)就可以直接進(jìn)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(nèi)，建立傳動角約束函數(shù)表達(dá)式如下

即約束∠ABC在15°～165°之間。

3.3.5 轉(zhuǎn)斗缸掘起力約束

其中JQL是轉(zhuǎn)斗油缸壓力達(dá)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(shè)計(jì)約束

對于5t轉(zhuǎn)斗油缸設(shè)計(jì)，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(zhuǎn)斗油缸鉸點(diǎn)的極限位置關(guān)系與油缸參數(shù)建立約束函數(shù)。通常轉(zhuǎn)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(diǎn)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(zhuǎn)斗油缸最長時，基本能夠達(dá)到油缸的最大行程，用這個位置的鉸點(diǎn)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(zhuǎn)斗油缸鉸點(diǎn)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(yàn)以一個較大的油缸行程540mm為參數(shù)建立約束關(guān)系，如下

3.4 設(shè)計(jì)變量

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

3.5 優(yōu)化結(jié)果

采用SQP算法，設(shè)定收斂誤差為1.0E-4，經(jīng)過多次迭代，得到滿足要求的設(shè)計(jì)方案。各鉸點(diǎn)坐標(biāo)變化量如表2所示。

表2 優(yōu)化前后鉸點(diǎn)坐標(biāo)變化表

最優(yōu)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)約束范圍之內(nèi)。

表3 最優(yōu)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)斗油缸收斗卸料需要的油缸行程是1649-1360=289mm，則設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)斗油缸最小行程應(yīng)大于289mm；優(yōu)化后LEG的最大值是1649mm。如果轉(zhuǎn)斗油缸行程取540mm，則對應(yīng)的轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，對這套鉸點(diǎn)而言，可在一定范圍內(nèi)調(diào)整油缸行程數(shù)值S。理論上只要轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)出油缸，所以這套鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)方案是一個兼顧轉(zhuǎn)斗油缸可行性的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)束語

圖6 轉(zhuǎn)斗油缸長度變化曲線

本文在裝載機(jī)工作裝置鉸點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中兼顧了轉(zhuǎn)斗油缸設(shè)計(jì)要求，建立了工作裝置鉸點(diǎn)與油缸尺寸的聯(lián)合設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案。采用聯(lián)合油缸尺寸設(shè)計(jì)方法，將固定油缸尺寸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為可變油缸尺寸問題，拓展了鉸點(diǎn)優(yōu)化的設(shè)計(jì)空間，得到了合理的鉸點(diǎn)布局。該方法可以推廣應(yīng)用到所有使用油缸驅(qū)動的工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，擴(kuò)大運(yùn)動機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)設(shè)計(jì)空間，提高優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的求解成功率。