液压挖掘机铲斗机构的优化设计

1、第22卷第1期2005年2月黑龙江大学自然科学学报JOURNAL OF NAT URAL SC I E NCE OF HE I L ONGJ I A NG UN I V ERSI TYVol 122No 11February, 2005液压挖掘机铲斗机构的优化设计车仁炜, 吕广明, 陆念力(哈尔滨工业大学机电学院, 黑龙江哈尔滨150001摘要:提出一种基于复合形法的液压挖掘机铲斗机构的优化设计方法, 给出优化模型。通过实例证明了与传统设计方法相比较, 这种优化设计方法可在满足约束条件的情况下使挖掘力最大, 挖掘轻松顺利, 提高工作效率和设计效率。关键词:优化设计; 复合形法; 铲斗机构中图分

2、类号:T H12文献标识码:A -0126-04收稿日期:2004-07-26作者简介:车仁炜(1964- , 女, 博士研究生, 主要研究方向:机构学与机构动力分析, 随着现代计算技术的发展和应用, 在机械设计领域, 已, 从众多的设计方案中寻找出最佳的设计方案, 从而大大提高设计效率和质量。在进行机械设计时, 人们都希望得到一个最优方案, 这个方案既能满足强度、刚度、稳定性及工艺性能等方面的要求, 又使机械质量最轻、成本最低和传动性能最好。然而, 由于传统的常规设计方案是凭借设计人员的经验直观判断, 靠人工进行有限次计算做出的, 往往很难得到最优结果。应用最优化设计方法, 使优化设计成为可

3、能。中小型挖掘机通常以铲斗液压缸挖掘作为主要挖掘方式, 希望在实际挖掘中, 挖掘力足够, 挖掘时能轻松顺利。但铲斗机构的设计和工作又都受到一些约束的限制, 选择一个最佳的设计方案, 显然会大大提高挖掘质量和工作效率, 本文采用复合函数法对铲斗机构进行优化设计。1优化模型液压挖掘机铲斗机构的优化设计, 属于多约束优化问题, 本文采用复合形法对其进行优化。111复合形法复合形法是求解约束优化问题的一种重要的直接解法。它的基本思路是在可行域内构造一个具有k 个顶点的初始复合形。对该复合形各顶点的目标函数值进行比较, 找到目标函数值最大的顶点(称最坏点 , 然后按一定的法则求出目标函数值有所下降的可行

4、的新点, 并以此点代替最坏点, 构成新的复合形, 复合形的形状每改变一次, 就向最优点移动一步, 直至逼近最优点。由于复合形的形状不必保持规则的图形, 对目标函数及约束函数的性状又无特殊要求, 因此该方法在机械优化设计中得到广泛的应用。112设计要求1. 液压缸的伸缩比在11451165范围内, 铲斗摆动角在150°180°范围内。2. 铲斗机构在任何状态下都必须几何相容, 无死点, 无运动干涉, 任何构件在工作中都不得相碰。3. 要求铲斗液压缸对铲斗的推动力矩足够大, 并且其变化规律要适应阻力矩的变化规律, 保证在主要挖掘区域内, 特别是停机面以下的主要区域内挖掘力足够。

5、通常用转斗挖掘的复合曲线来综合反映阻力矩的大小和它随铲斗转角的变化情况, 依此可以提出对铲斗机构理论输出力矩的综合要求:铲斗机构的理论输出力矩曲线应位于负荷曲线上方, 并尽量与负荷曲线接近。如此一方面能保证挖掘力足够, 另一方面也能保证发动机和液压系统尽可能的接近满负荷工作, 以充分利用发动机功率, 并获得较好的经济性。 113设计变量典型的液压挖掘机铲斗机构是由一个摆臂油缸机构和一个铰链四连杆机构串联而成, 属于平面六连杆机构。如图1所示, L max 、L m in 分别是铲斗液压缸的最大及最短长度, 是摆臂油缸机构的输出角, <是铰链四杆机构的输入角, 两者之和保持为常数, 用串联

6、角表示, 即=+<。若以摇杆长度l 13为长度单位, 则无量纲几何参数可写成如下形式:15=l 15l 13; 21=l 21l 13; 24l 24l 13; 29l l 13; =L L m in; L l 13液压缸的伸缩比和铲斗的摆幅为已知量, X =x 1, x 2, x 3, x 4,x 5T, 其中:x 1=21, x 2=24, x 3=29, x 4=m in , x 5=。114目标函数M ( 与已知的负荷曲线M z ( 尽量的相接近, 。:F (X n +1k M(k -M Z (k 2n +1M I N式中, (n +1 是在机构自变量的变化范围内均匀取出的状态。

7、其中负荷函数M Z :以为自变量, 分四段来书写负荷函数为:第一段:=00 +m -M Z ( =R 1-cosm cos (m +0- 1135B A Z X +(N M 第二段:=0+m -0+m M Z ( =l 3C R (1-cosm 1135B A Z X +D (N M 第三段:=0+m 0+2m -M Z ( =R 1-coscos (m +0-1135B A Z X +( N M 第四段:=0+2m -0+2m M Z ( =R 1-cosm cos (m +0-1135B A Z X +(N M 115约束条件(1 机构的运动要求铲斗机构中的铰接四连杆机构必须是双摇杆机构,

8、 如图2, 工作中铲斗必须永远与摇杆同方向摆动, 故当L =L m in , 摇杆在初始位置时, =m in , K 点不得在H Q 连线上或其下方, 否则铲斗可能与摇杆的摆动方向相反, 为此对有关各杆长度提出下列约束,g 1(X =x 21+(x 2+x 32-2x 1(x 2+x 3 cos x 4 2-1>0为防止摇杆摆动后期铲斗发生逆转, 有下列约束方程,g 2(X =(x 3+110 -(x 1+x 2 >0为保证铲斗能摆动较大的角度, 还要求,721第1期车仁炜等:液压挖掘机铲斗机构的优化设计g 3(X =110-x 1>0g 4(X =x 3-x 2>0(

9、2 为避免构件相碰撞要求铲斗液压缸全伸或全缩时与斗杆靠得较近, 但它不得与斗杆相碰, 故要求G 点有必要的高度, 且夹角M G N 不得过小, 应大于某一最小值, 其约束方程为:g 5(X =cos -1(215+2-110 /215 ->0g 6(X =cos-1(215+22-110 /215->0铲斗液压缸全伸时, 摇杆几乎倒在斗杆上, 但不得与斗杆相碰, 同时连杆与铲斗间的夹角也达到最小值,它们也不得相碰撞, 因此必须对图中的和M K Q 角提出最小值来, 它们分别为1和2。因此约束方程为:g 7(X =cos -1(110+s 2m -x 3 /2s m -cos-1(x

10、 21+s 2m -x 2 /2x 1s m -1>0g 8(X =cos-1(x 23+s 2m -110 /2x 3s m -cos-1(22+s 2m -x 1/22>0(3 保证机构几何相容的要求g u ( =i -i u (X x i max -x i >0式中:i x i m in 第i ; x i max 第i 个设计变量的最大值。这是一个有5个设计变量、10个约束条件的优化设计问题, 采用复合形法, 以计算机编程, 即可求出最优解。2设计实例对于Y W 16型液压挖掘机, 设计变量的上下限值列于表2中。表1原始数据Table 1O r i g i n a l

11、da t a s类型序号数据名称数值设计要求1铲斗最大相对位角3max/4rad 2铲斗摆动幅度38/9rad 3铲斗液压缸的伸缩比115994铲斗开始挖掘时的相对位角30/10rad二. 斗形参数5铲斗挖掘半径R 81c m 6铲斗挖掘半径l 30181m 三.计算挖掘力所需的参数7土壤硬度系数C 608切削刃宽度影响系数B 21569切削角变化影响系数A11310斗齿影响系数Z 017511斗侧壁厚度影响系数X 111512切削刃挤压土壤引起的阻力D2000N四. 断面参数13b 、c 型断面的假象挖掘半角m/4rad 14b 、c 型断面的缺损角/12rad 表2设计变量上下限值F i

12、g . 2The li m it i a lues of desi gn var i a bles设计变量X 1X 2X 3X 4X 5017000017000110000015000218200对此铲斗机构进行优化设计, 可得最优解为:X (1 =01977, X (2 =01700, X (3 =11087, X (4 =01500, X (5 =21830即l 13=288mm 、l 21=281mm 、l 24=201mm 、l 29=313mm 、l 15=926mm 、=2183×180/=162°。3结论由计算结果可以看出, 液压挖掘机铲斗机构经过优化以后,

13、, 取得一个最优值, 以使挖掘力最大, 挖掘轻松顺利, 提高工作效率。, 而且, 采用计算机辅助设计与手工计算相比, 参考文献:1孙靖民. M., 2002. 187-189. 2叶元烈. M.北京:中国计量出版社, 2001. 70-76. 3李良. 单斗液压挖掘机M.哈尔滨:哈尔滨建筑大学出版社, 1998. 40-54.4邵忍平, 黄欣娜, 杨振平. 单斗液压挖掘机工作装置优化设计J .机械设计, 1995, (10 :53-58.The opti m a l desi gn of hydrauli c excava tor shovel m echan is mCHE Ren -wei

14、, L Guang -m ing, LU N ian -li(Electr omechanical School, Harbin I nstitute of Technol ogy, Harbin 150001, China Abstract:A method of op ti m al design for Hydraulic Excavat or shovel mechanis m is discussed and the op ti m al model is given . A t last, it is verified by a s peci m en that compared with the traditi onal designing method, this method can obtain the maxi m al excavating force and make the excavating p r oc