轮式装载机工作装置的开发与应用

轮式装载机工作装置的开发与应用

1工作装置的设计随着我国经济的快速发展和基础设施建设规模的扩大，这种大规模的车轮载机应用于国防、建筑、水、植物、交通等各个方面。随着国内收割机的发展，其运行装置的优缺点直接影响到收割机的工作效率和生产质量。因此，它对机械设计的开发具有重要的现实意义和工程应用价值。但由于装载机作业环境复杂,使得装载机工作装置的设计存在较大难度,并且工作装置是直接实现装载机铲取物料的机构,其各种设计参数决定的性能将直接影响整机的使用情况。针对工作装置的设计,传统的设计方法如图纸法或者类比法等由于设计精度低、周期长等缺点,已经无法满足各项指标的设计需求。近年来,随着计算机技术、仿真技术和现代设计方法的发展,在工作装置的设计上产生了些新的设计方法。如优化设计(optimaldesign)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,把机械设计与数学规划理论及方法相结合,借助电子计算机,寻求最优设计方案和最佳设计参数。一般工程优化设计问题都归属于非线性优化问题,对于装载机工作装置的优化也同样属于非线性优化问题。因此本论文提出基于ADAMS/View中模块下所提供的OPT-DES-SQP优化算法,对装载机工作装置进行仿真优化设计,得到优化后铲斗的平移性大为改善,而且在举升过程中铲斗的收斗角由原来的16.2°降为6.7°,自动放平性、卸载性比优化前好,说明优化效果良好。2工作装置结构类型装载机工作装置一般组成为:铲斗、连杆、摇臂、动臂、转斗油缸、举升油缸。根据构件数和运动特征轮式装载机工作装置可分为:正转四杆、正转五杆、正转六杆,反转六杆、正转八杆等类型。其结构和性能直接影响整机的工作空间和性能参数,因此,工作装置的合理性直接影响装载机的生产效率、工作负荷、动力与运动特性、不同工况下的作业效果、工作循环的时间、外形尺寸和发动机效率。则小型轮式装载机工作装置属于反转六杆机构,是由铲斗、连杆、摇臂、动臂、转斗油缸、举升油缸组成。如表1为小型轮式装载机的性能参数。根据表1小型轮式装载机的性能参数以及结合企业所给的参数,进行装载机工作装置尺寸的初步确定,利用三维制图软件Proe进行三维建模与装配,得到如下仿真图形1。3约束函数分析优化是指通过调整设计变量值,使模型的特定方面性能最小或最大。一般的优化建模包括: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。在优化建模中可将执行时间、作用力、舒适性、稳定性等条件作为优化目标函数;对于设计变量,在设计增多情况应尽可能将影响不大的参数取作为设计常数以及设计变量的约束条件应满足在设置过程中优化分析的目标与设计分析、试验设计要求要一致,在ADAMS/Viwe模块中可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;然而对于约束函数的建立类似于目标函数,在基于ADMAS/Viwe优化设计中总能保证约束函数的计算值总是负的,不会与目标函数相混淆。3.1基本目标函数的建立目标函数是用来评价设计方案优劣的标准,是设计指标表示成为设计变量的函数。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,本文选用在动臂举升过程中铲斗的平移性最好作为目标函数,通过利用最小二乘法原理来建立优化目标函数,即用举升过程中铲斗与水平面夹角的绝对值以及运输工况时铲斗与水平面的收斗角之差的平方和的最小平均值作为优化目标函数,设目标函数为F1,即或式中αi是铲斗从某个工况变化过程中,某个瞬间位置的铲斗对地的位置角度。因此对于该目标函数目的就是要在转斗油缸闭锁,动臂由工况Ⅱ上升到工况Ⅲ的过程中寻求铲斗举升平动的最优方案。此步骤可在ADAMS/View中模块下利用主菜单BUILD中的MEASURE选项建立的测量。3.2生成设计变量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)点在某个工况时的X、Y坐标值等依次参数化,生成DV_1到DV-18共18个设计变量。其中设计变量的取值范围都为±10mm。3.3劳动性能限制3.3.2自动放平约束卸载角约束通过建立约束条件CONSTXLAngle:45d-AZ(MARKER_432)来保证卸载角不小于45°。3.3.3转斗油缸稳定性及结构约束。考虑转斗油缸伸长的稳定性时,要求油缸最大长度和最小长度之比不小于1.6,且最小长度应符合油缸设计规范。3.3.4自动放平约束。动臂在上限位置卸料后,转斗缸闭锁,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。3.3.5其它如最大卸载高度;最小卸载距离约束等。在ADAMS中通过控制每阶段油缸的运动速度来控制转斗油缸和举升油缸的行程,设置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CONST-mindistance:1776+DX(MARKER_432)来保证最大卸料高度不小于2950mm,最小卸料距离大于1320mm。3.4工作装置性能仿真及约束通过前面基础理论的叙述以及装载机工作装置数学优化建模方程,可通过主菜单SIMULATE中选择DESING-EVALUATION选项弹出优化设计对话框,并根据优化建模中的优化要求进行设置,由于在ADAMS/View优化仿真模块中可以快速对多个设计变量进行分析,直到获得最优化的设计,因此运用这个功能可以找到哪些设计变量对样机具有较大的影响,并且能找到这些变量值能使样机的性能达到最优。下图为优化后的计算机输出的仿真结果。图2为各传动角仿真变化特性曲线图。其中ANGLE_51曲线为优化后连杆与摇臂之间(∠FEB)的传动角仿真变化曲线;ANGLE_51_2曲线为优化后连杆与转斗之间(∠GFE)的传动角仿真变化曲线;ANGLE_51_3曲线为优化后摇臂与转斗缸之间(∠BCD)的传动角仿真变化曲线。从图3可以得出优化后模型在举升过程中收斗角最大为47.9°,收斗角绝对值最小为41.2°,收斗角的变化量为6.7°,平移性大为改观;铲斗放平后铲斗斗底与水平面夹角(放平角)为4.56°,自动放平性更好,最大卸载高度时卸料角为45.6°,卸载性大大改变;优化效果明显。从图4上可以得出原模型的传动角还是在设计要求范围内,只是最大卸高由原来的3212mm降为2602mm,这其中卸料角变大,斗尖更低,造成最大卸高降低。工作性能约束主要是由对工作装置性能设计