连杆机构参数化模型优化研究

连杆机构参数化模型优化研究

0装卸机械的设计该设备具有操作速度快、效率高、流动性好、操作方便等优点。它是目前建设项目的主要施工机械。装载机工作装置是完成装卸作业的空间连杆机构,其设计水平的高低直接影响装载机的工作效率和经济性。因此,采用先进设计方法对连杆机构进行分析研究变得日益重要。本文应用虚拟样机技术对某型装载机连杆机构进行了分析和优化,并取得比较理想的效果。1连杆机构模拟仿真连杆机构的典型工作过程分为4个阶段。(1)动臂缸闭锁,转斗缸伸长,铲斗收斗,实现物料的铲装。(2)转斗缸闭锁,动臂缸伸长,动臂上举,实现物料的举升。(3)转斗缸收缩,动臂缸闭锁,铲斗翻转,实现物料的卸载。(4)转斗缸闭锁,动臂缸收缩,动臂下降,铲斗自动放平,进入下一次铲掘状态。工作过程中,应满足平移性、传动性、卸料性和自动放平等要求。本文在对原有装载机连杆机构尺寸采集的基础上,建立了该装载机连杆机构的虚拟样机模型(图1)。对虚拟样机进行运动仿真分析(图2),发现在举升10～30s过程中,铲斗倾角变化为16°,超出设计要求范围(不大于15°),未能满足平移性要求;同时,铲斗由上限位置下降到地面位置时(60s处),斗底平面与水平面夹角为18.2°,未能满足铲斗自动放平的要求。本文将针对这2个问题对连杆机构进行优化研究,以寻求一种更优机构。2机构优化2.1转斗缸与上摇臂的铰接点选取转斗油缸和前车架铰接点的位置对连杆机构的平移性、自动放平性均有较大影响,而对整个机构的结构尺寸影响不大。为提高优化效率,减少盲目性,可先通过作图法确定该铰接点的大致位置,再运用优化算法寻求更优位置。如图3所示,作动臂在下限位置收斗后各杆件的位置,得转斗缸与上摇臂的铰接点F平;再作铲斗平移到上限位置时对应各杆件的位置,得转斗缸与上摇臂的铰接点。作F平、2点连线的垂直平分线1,则1线上任一点均可满足铲斗平移性的要求。如图4所示,作铲斗在上限位置卸料后各杆件的位置,得转斗缸与上摇臂的铰接点;再作铲斗下降到地面位置时对应各杆件的位置,得转斗缸与上摇臂的铰接点F放。作F放、2点连线的垂直平分线2,则2线上任一点均可满足铲斗自动放平性的要求。取1线和2线的交点G理作为转斗油缸与前车架的铰接点,则可同时满足平移性和自动放平性要求,如图5所示。但在该机构中,G理点作为铰接点易使转斗油缸和前车架发生运动干涉,故G理点不合适。依据经验,本文选用G改点作为该铰接点的初始位置。2.2优化模型的构建2.2.1设计变量的选取摇臂上包含3个铰接点,其结构变化对整体机构性能影响较大,同时为尽量减少机构中变化构件的数目,故仅选用摇臂上E、C、F及车架上G这4个铰接点的X、Y值作为设计变量。根据连杆机构设计要求确定每个设计变量的取值范围,如表1所示。2.2.2目标函数的配置选取举升过程中铲斗角度变化最小的点作为优化目标,建立目标函数式中:a1为举升过程中斗底与水平面的夹角。2.2.3机构的放平约束(1)传动角约束2个四连杆机构的传动角大于10°,小于170°,即(2)自动放平约束铲斗下降到地面位置时,斗底与水平面的夹角大于-10°,小于0°,即式中:a2为斗底与水平面的最终夹角。(3)上限卸料角约束保证机构在上限位置时可靠卸料。式中:a3为卸料过程斗底与水平面的夹角。2.3运动学仿真及结果分析应用ADAMS软件建立连杆机构的参数化模型,建模大致过程为:以各铰点坐标建立设计点,利用零件库在设计点上建立连杆机构的模型;在模型上添加约束和驱动;进行运动学仿真,检查模型是否正确;按照表1建立设计变量,并将E、C、F、G这4个设计点的坐标改为由相应设计变量驱动。在参数化模型的基础上,进一步建立目标函数和约束方程,并利用软件的优化设计功能对模型进行优化。图6给出了优化前后铲斗角度的变化情况。优化后,铲斗在举升过程中(10～30s)倾角变化为11.7°,满足了平移性要求;铲斗由上限位置下降到地面位置(60s处)时,斗底与水平面的夹角为-4.6°,满足了自动放平性要求。3连杆机构模型优化本文通过建立装载机连杆机构虚拟样机,结合传统设计方法和现代优化方法实现了装载机连杆机构优化设计,解决了原设计中装载机不能满足平移性和自动放平性的问题。研究表明:在用作图法确定转斗油缸和前车架铰接点大致位置的基础上,建立连杆机构的参数化虚拟样机模型并对模