zl-50型装载机工作装置优化设计

zl-50型装载机工作装置优化设计

装载是该行业广泛应用的重要工程机械。这是采矿、道路和市政建设中不可或缺的设备。装载机的工作装置是装载机的核心部件,它是实现铲掘和装载物料的机构,其设计水平和工作性能的优劣直接影响到装载机的使用效果、工作效率和经济性。优化设计是在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术,是根据最优化原理和方法综合各方面的因素,以人机配合方式或“自动探索”方式,在计算机上进行的半自动或自动设计,以选出在现有工程条件下的最佳设计方案的一种现代设计方法。机械优化设计就是把机械设计与数学规划理论及方法相结合,借助计算机,寻求最优设计方案和最佳设计参数。按照有无约束,优化问题可分为有约束和无约束两大类。按目标函数、约束函数的性质,优化问题可以分为线性优化问题和非线性优化问题。工程优化设计问题绝大多数属于非线性优化问题,装载机工作装置的优化设计就属于此类。1仿真及分析设计功能采用ADAMS进行仿真研究的特点就是参数化建模和设计优化。利用ADAMS/View提供的参数化建模和优化设计功能,可以将参数值设置为可以改变的变量,在分析过程中,只需改变样机模型中有关参数值,软件自带的程序就可以自动地更新整个样机模型。此外,还可以由程序预先设置可变参数,自动地进行一系列的仿真分析。观察在不同参数值下样机的变化,可大大提高分析效率,且优化过程无需大量的数学计算。1.1输入值进行参数化进行参数化设计分析的第一步,是确定影响样机性能的关键输入值以及关键的设计参数,然后对这些输入值进行参数化处理。ADAMS/view提供了4种参数化方法:(1)参数化表达式;(2)运动参数化;(3)参数化点位置;(4)设计变量参数化。1.2利用optde-sqp算法求解优化问题采用ADAMS/View求解有约束优化问题的算法有2种:(1)OPTDES-GRG为使用OPTDES的广义递减梯度算法,这种方法是目前求解一般非线性优化问题最有效的算法之一;(2)OPTDES-SQP为使用OPTDES的二次规划算法,该算法被认为是目前最先进的非线性规划计算方法。OPTDES-SQP算法是利用拟牛顿法(变尺度法)来近似构造海色(Hessian)矩阵,以建立二次规划子问题,因此又称为约束变尺度法。二次规划法是通过拉格朗日函数,将原问题转化为二次规划子问题,通过求解二次规划子问题,得到迭代的搜索方向。沿搜索方向进行一维搜索,找到迭代的步长,通过迭代计算,最终得到问题的最优解。2工作装置模型建立工作装置各构件间的铰点位置是优化设计的对象和研究的重点,而各构件的具体形状则对设计的影响很小。因此,在建立模型的过程中,应保证铰点位置的准确,将各构件尽可能用形状简单的图形表示。工作装置的结构简图见图1,图1中标号A~M为各构件间的铰点。可以根据工程图,利用ADAMS直接建立工作装置的模型,也可以在高级CAD软件(SolidWorks、UG、CATIA和Pro/ENGINEER等)中建立模型,通过ADAMS与CAD之间的中间数据文件,将模型导入到ADAMS/View中,再根据各构件间的实际运动情况来定义相应的约束关系、力或力矩和驱动。然后,对样机进行交互式的动力学仿真分析,观察虚拟样机的输出曲线,进行样机的进一步调试。最后,进行最优化设计,以提高装载机工作装置的整体性能。笔者在文中采用直接在ADAMS/View中建立工作装置的模型。首先启动ADAMS/View,装载机工作装置模型的文件名取为model_zl50。再设置长度、质量、力、时间、角度和频率的单位分别为mm、kg、N、s、(°)和Hz。然后,为绘图方便,设置工作网格的范围。由于铲斗相对比较复杂,笔者应用SolidWorks三维软件(SolidWorks是基于Windows的三维实体造型软件,它具有强大的参数化特征造型和曲面造型功能)创建铲斗,采用Parasolid(Parasolid是著名的几何核心系统之一)传输标准,把铲斗的SolidWork模型文件导入到ADAMS/View中。然后,分别通过ADAMS/View提供的零件库,应用各设计点参数化建模,利用ADAMS/View中提供的约束模型库给零件施加3个作用力。在ADAMS/View中建立的装载机工作装置的简化仿真模型如图2所示。3机构间传动角公民仿真利用主菜单BUILD中的MEASURE选项建立测量,随后利用后处理模块ADAMS/Postprocessor显示仿真结果,输出如图3所示的仿真曲线,并进行以下相关分析。(1)平移性装载机在运输位置时,铲斗底板与水平面之间的夹角为铲斗的收斗角(后倾角),一般推荐值为-40°~-45°。为保证平移性,动臂在举升过程中,连杆机构应能使铲斗在收斗位置保持平移,使后倾角的变化量不大于10°。从图3(b)可以得出,原模型在举升过程中,收斗角最大值为-36.5°,收斗角最小值为-52.7°,收斗角的变化量为16.2°,平移性不好,应进一步优化。(2)自动放平性动臂在上限位置卸料后,转斗液压缸闭锁。动臂下降到下限位置时,铲斗由连杆机构自动放平进入下一次铲掘状态。由图3(b)可见,铲斗放平后铲斗底板与水平面之间的夹角(放平角)为7.95°,满足放平性的要求。(3)卸载性从图3(b)可以得出,最大卸载高度时卸料角为12.0°,即整个卸料过程中卸载角的最大值为12.0°,没有达到设计要求。(4)最大卸载高度最大卸载高度是指动臂在最大举升高度、铲斗成45°卸载角时,铲斗斗尖离地面的高度。从图3(c)可以看出,仿真过程中最大卸载高度为3.212m,达到设计要求。(5)传动性连杆机构的传动性是指保证在各工况下构件之间不出现相互干涉,各机构的传动角不得小于10°。为了提高传动效率,防止机构锁死,要求在整个运动过程中,各传动角在10°~170°之间变化。从图3(a)得知,在仿真过程中,∠FEB的最大值为96.5°,最小值为36.9°;∠GFE的最大值为162.3°,最小值为25.3°;∠BCD的最大值为112.4°,最小值为46.3°。从图3(a)中还可以看出,机构间没有相互干涉的地方,且满足设计规定范围。4工作设备的优化4.1基于约束的目标函数的建立目标函数是用来使设计优化的函数,是设计所追求目标的函数表达式。目标函数有单目标函数和多目标函数之分。对装载机工作装置进行优化时,目标函数的选择有多种方案,笔者选用在动臂举升过程中铲斗的平移性最好作为目标函数。利用最小二乘法原理来建立优化目标函数,将举升过程中铲斗与水平面之间夹角的绝对值和运输工况下铲斗与水平面之间的收斗角之差的平方和的最小平均值作为优化目标函数,利用主菜单BUILD中的MEASURE选项,建立测量FUNCTION_MEA_21,测量的表达式为:IF(time-7.3:0,(ABS(AZ(MARKER_432))-40d)**2,0.5*(1+SIGN(1,11.9-time))*(ABS(AZ(MARKER_432))-40d)**2)。最后,确定优化设计的目标函数为测量FUNCTION_MEA_21(goal):IF(Time-7.3:0,(ABS(AZ(MARKER_432))-40d)**2,0.5*(1+SIGN(1,3-time))*(ABS(AZ(MARKER_432))-40d)**2。其中AZ(MARKER_432)是举升过程中铲斗底板与水平面之间夹角的瞬时值,也是利用主菜单BUILD中的MEASURE选项建立的测量。4.2dv1dv18设计变量的生成根据优化目标确定优化设计变量,利用ADAMS设计点参数化功能将G(GG)、F(FF)、E(EE)、B(BB)、C(CC)、D(DD)、A(AA)、H(HH)和M(MM)点在插入工况时的x、y坐标值等依次参数化,生成DV1~DV18共18个设计变量。并设定每个设计变量的取值范围为-10~+10mm。4.3工作性能约束的建立工作性能约束是由对工作装置性能设计方面的要求推导而来的。4.3.1间的传动角bcd对传动角的约束有:10°<连杆与摇臂之间的传动角(∠FEB)<170°;10°<摇臂与转斗液压缸之间的传动角(∠BCD)<170°;10°<连杆与转斗之间的传动角(∠GFE)<170°。在ADAMS中建立约束时,首先利用主菜单BUILD中的MEASURE选项建立有关测量,然后利用主菜单SIMULATE中DESIGNCONSTRAINT选项创建相关约束。在虚拟样机中创建的各传动角约束如表1所列。4.3.2下一次挖掘状态动臂在上限位置卸料后,转斗液压缸闭锁。动臂下降到下限位置时,铲斗自动放平进入下一次铲掘状态。通过创建优化约束条件CONSTAFP:AZ(MAR_432)-7d来保证自动放平性能。4.3.3拆卸角限制通过建立约束条件CONSTXLAngle:45d-AZ(MARKER_432)来保证卸载角≥45°。4.3.4液压机的稳定和结构限制考虑到转斗液压缸伸长后的稳定性,要求液压缸最大长度和最小长度之比≥1.6,且最小长度应符合液压缸设计规范。4.3.5最大装卸高度其他约束如最大卸载高度和最小卸载距离可以分别通过建立优化约束CONSTMaxH:2950-DY(MARKER_432)和CONSTmindistance:1776+DX(MARKER_432)来保证最大卸载高度≥2.950m,最小卸载距离>1.320m。在ADAMS中,通过控制每阶段液压缸的运动速度来控制转斗液压缸和举升液压缸的行程。4.4程序优化分析ADAMS/View优化仿真模块可以快速地对多个设计变量进行分析,直到获得最优化的设计。通过这个功能可以找到哪些设计变量对样机具有较大影响,并且确定其最佳值,使样机的性能达到最优。优化是指通过调整设计变量值,使模型的特定性能最小或最大。优化内容包括确定要最小化或最大化的目标函数,选定要调整的设计变量,以及定义必须满足的约束函数。可作为优化目标函数的性能有执行时间、作用力、舒适性以及稳定性等。设计变量的约束条件要使优化分析的目标和设置过程与设计分析和试验设计相同。ADAMS/View通过定义设计变量的最小和最大值,作为优化分析中约束变量范围的默认值。优化设计中所建立的约束函数要类似于目标函数,ADMAS/View保证约束函数的计算值总是负的,使之不会与目标函数相混淆。点击主菜单SIMULATE中DESING-EVALUATION选项,弹出优化设计对话框,并根据优化要求进行设置。(1)选择FUNCTION_MEA_21,即IF(time-7.3:0,(ABS(AZ(MARKER_432))-40d)**2,0.5*(1+SIGN(1,11.9-time))*(ABS(AZ(MARKER_432))-40d)**2)作为目标函数。(2)选择优化的设计变量为DV1~DV18。(3)选择施加的约束为OPT_CONSTRAINT_1~OPT_CONSTRAINT_17。(4)进行优化设置,主要包括优化算法类型、收敛公差范围、迭代次数、差分方式、调试以及最小收敛迭代数。图4为优化后输出的仿真曲线。从图4(b)可以得出,优化后模型在举升过程中,收斗角最大值为47.9°,收斗角最小值为41.2°,收斗角的变化量为6.7°,平移性大为改观;铲斗放平后铲斗底板与水平面之间的夹角(放平角)为4.56°,自动放平性更好;在最大卸载高度时的卸料角为45.6°,卸载性大为改善;优化效果明显。从图4可以得出,原模型的传