基于稳定性分析的寻线式挖掘机越障能力优化

基于稳定性分析的寻线式挖掘机越障能力优化

倾斜挖掘机的底部是由多组残疾和关节联系而成的多自由度结构系统。底部、直节和每个关节通过控制原油系统中气田的运动，可以实现各种姿势的变化，如转向、运行和行走。尤其是，行走钳的应用是结合收缩操作装置，使行走钳具有越障、倾斜、穿越水和跨沟等特殊功能，可以在复杂的地形环境中工作。步行式挖掘机越障过程主要分两个阶段,第一阶段为前轮抬升阶段:挖掘机移近到障碍物的前方,将作业装置的铲斗伸展到障碍物的顶部,以铲斗为支承点,收缩作业装置并驱动后轮,抬升前腿并使前轮置于障碍物的顶部;第二阶段为整机抬升阶段:抬起作业装置并回转作业平台,使作业装置的铲斗回转到挖掘机正后方,并置于地面,以铲斗为支承点,伸展作业装置并驱动前轮,直至后轮置于障碍物的顶部,收缩作业装置并回转到挖掘机前方,完成越障过程.从挖掘机越障过程看,爬升障碍物的高度主要取决于第二阶段中回转过程中的整机的稳定性要求和作业装置在伸展过程中的运动范围两个因素,由于作业装置是一个四自由度结构系统,其回转时的状态对整机的稳定性起决定性作用,同时作业装置在第二阶段所提供的支承点的可能性及支承位置参数范围对整机的越障能力具有重要影响,为此笔者根据作业装置的多自由度运动方程和整机越障过程中的稳定性力学模型,建立了步行式挖掘机的越障高度和作业装置的支承点位置参数的优化模型,并利用逐步二次规划方法对其求解,最后对优化结果进行了分析。1臂长和长度的测量图1为作业装置运动状态示意图,O′点为动臂与回转平台的铰点;B点为动臂与斗杆的铰点;D点为铲斗的铰点;O′AB段为动臂;BCD段为斗杆;CD段内含伸缩臂;DE段为铲斗.以动臂铰点O′为坐标原点,作业装置纵平面的水平方向为x′轴,竖直方向为y′轴,可得到铲斗顶点E的坐标为式中:动臂长l1=1239.5mm;l2=1675mm;夹角α=141°;仰俯角范围θ1∈[-32.4°,64°];斗杆臂长lx=431.5mm;角度变化范围θ2∈[139°,242°];lx为伸缩臂长,其变化范围为2970mm≤lx≤4380mm;铲斗长l4=1360mm;角变化范围θ3∈[18°,179°].作业装置的重心坐标为式中动臂、斗杆、伸缩臂和铲斗重心的横坐标分别为其中动臂、斗杆、伸缩臂和铲斗的质量分别为G1=725kg,G2=485kg,G3=355kg和G4=350kg,重力臂分别为r1=1554mm,r2=612mm,r3x=lx-1844mm和r3=323mm,重力臂与各部件夹角分别为α1=14°,α2=58°和α3=75°.由式(1),(2)和式(3)可以知,Ex,Ey,Wxzuo均为θ1,θ2,θ3和lx位置自由度的函数.2越境能力分析2.1b出物数3在越障的第一阶段,当前轮被抬升至障碍的顶端后,当回转平台回转到后方、作业装置的重心伸展到最大状态时,整车的后倾翻力矩可达到最大值,为保证整机越障过程的稳定性,以该极限状态为分析对象,整机状态模型如图2所示.设挖掘机底盘底平面与地面的夹角为γ,障碍物的高度为Hy,以障碍物与地面的交点为坐标原点O,原点到后轮支承点P的距离为S,水平方向为x轴,障碍物的高度方向为y轴,可得到回转平台、底盘和作业装置的重心沿x轴的坐标分别为Xhui=s-√(c1+a1)2+(d1+b2-d3)2cos(arctg(d1+b2-d3c1+a2)+γ)Xdi=s-√(d1-d3-b1)2+(c1-a2)2cos(arctg(d1-d3-b1c1-a1)+γ)Xzuo=s-√(d2-d3-d1)2+(c1-c2)2cos(arctg(d2-d3-d1c1-c2)+γ)+W′xzuo式中s=(d3-d4)cos(γ-δ)sinδ‚δ=1.9°‚d3=642.5mm,d4=508.2mm;c1=2005.5mm;c2=490.0mm;d1=1079.5mm;d2=630.0mm;W′xzuo为式(3)中将θ1换为γ-θ1时所得到的结果.这样,可得到整机重心的x坐标为Xzh=XhuiGhui+XdiGdi+XzuoGzuoGhui+Gdi+Gzuo(4)式中回转平台、底盘和作业装置的质量分别为Ghui=1670kg,Gdi=5720kg和Gzuo=1915kg.容易知道,在该状态下挖掘机保持稳定的平衡条件为整机重心的x坐标Xzh须位于支承点P左侧,即Xzh≤s(5)同时,为了保证人机在作业装置的操作范围内的安全性,取作业装置的重心坐标Xzuo为最大值,可将求解挖掘机最大越障高度问题转化为如下优化模型:maxW′xzuo(θ1,θ2,θ3,lx,γ)s.tXhuiGhui+XdiGdi+XzuoGzuoGhui+Gdi+Gzuo=s(6)式中优化变量为θ1,θ2,θ3,lx和γ.2.2越障能力分析在挖掘机越障的第二阶段,为了确保挖掘机能够被抬升到障碍物的顶端,需要对作业装置以地面为支承时的伸展空间进行分析,以及对支承点的位置变化范围进行优化分析.主要的思路是:由式(6)优化所得到的最大越障高度,确定挖掘机处于障碍物顶部时动臂铰点位置,进而对作业装置的伸展范围进行分析,检验铲斗是否能够在地面上提供支承,并给出最大的支承点位置.图3为整机越障第二阶段的示意图,M点为铲斗的支承点位置,M点的水平位置主要受整机抬升前的支承空间(大于s)和作业装置的作业范围限制.为了检验由式(6)得到的最大越障高度情况下,是否存在支承点M,以及确定M点的最大水平距离,可形成如下的优化模型:式中Ex,Ey为当挖掘机后轮处于图3中Q点位置时,以动臂的铰点为坐标原点O′,以水平方向为X′轴,垂直方向为Y′轴的坐标系中M点的坐标值,其中优化变量为θ1,θ2,θ3和lx.根据上述分析,步行式挖掘机越障能力分析主要步骤为:(1)根据式(5)优化得到的最大越障Hy,再由式(7),可得到M点的支承距离Hx的优化结果Hxmax.(2)若Hxmax≥s,说明由式(5)得到的最大越障高度合理,作业装置可以提供越障时的支承,一般情况下,Hxmax-s≥lc,lc为铲斗支承点范围的宽度,取lc=1～2m,得到的Hy即为整机的最大越障高度;若Hxmax<s,则表明越障时作业装置的支承点不存在,即式(5)中最大越障高度Hy过高,此时,降低Hy值直至满足Hxmax-s≥lc.2.3最大越障情况下工装承接点参数优化对式(5)和(7)的非线性约束优化模型采用逐步二次规划法求解,结果如表1和表2所示.表1为整机在稳定状态下最大越障时的参数,其中最大越障高度为3.432m,底盘的倾角为56.4°,此时,作业装置的动臂、斗杆、伸缩臂和铲斗的重心均处于最大展开状态.表2为最大越障时工装支承点参数优化结果,从表中可以看出,在最大越障情况下,作业装置可以在地面上提供支承点,支承范围为2.352～4.898m,满足设计要求,说明作业装置在挖掘机爬越最大障碍时可以提供较大的支承范围,表中的位置参数为作业装置在最大支承点时对应的参数、斗杆、伸