鏟斗連桿機構的參數優化設計

李志杰，朱 林，溫全明

（廣西科技大學（籌）機械工程學院，廣西 柳州 545006）

液壓挖掘機的挖掘方式一般分為鏟斗挖掘、斗桿挖掘以及復合挖掘。在挖掘比較松軟的土質時，為了節約油耗，一般采用鏟斗挖掘的方式，因此，設計過程中就要盡可能的提高鏟斗挖掘力。要提高液壓挖掘機的鏟斗挖掘力，就要對連桿機構進行優化設計，在保證不影響液壓挖掘機性能的情況下，利用ADAMS 的參數優化功能對連桿機構的傳動比進行優化設計，增大傳動比，從而提高鏟斗挖掘力。

1 液壓挖掘機鏟斗挖掘力分析

鏟斗連桿機構如圖1 所示，AB 是液壓挖掘機的搖桿，AE 是連桿。液壓挖掘機鏟斗理論挖掘力是由鏟斗油缸和連桿機構的傳動比i 決定的，在不考慮自重、外載、液壓系統等影響因素下，鏟斗理論挖掘力FW的計算公式為：

式中，

FW為鏟斗挖掘力；

i 為連桿機構傳動比；

Pb為鏟斗液壓油缸工力；

A 為鏟斗液壓油缸大腔作用面積；

R1為鉸點B 對鏟斗油缸的作用力臂；

R2為鉸點B 對連桿AE 的作用力臂；

R3為鉸點C 對連桿AE 的作用力臂；

LCD鏟斗長度。

搜完，毫無結果。警官虎著臉沉默片刻，目光在那四名女學生身上游走。雖說是冬天，女學生仍是纖纖巧巧，柳腰生姿。

由上式可知，在液壓油缸的推力不變的情況下FW與傳動比i 成正比，只要提高傳動比就可以提高鏟斗挖掘力。

圖1 鏟斗連桿機構

2 鏟斗連桿機構參數化建模

首先對鏟斗連桿機構進行必要的簡化，如圖2所示。

圖2 鏟斗連桿機構簡化模型圖

由圖形可知，模型簡化為一個平面四連桿結構,三角形GCF 為斗桿簡化圖形,三角形CDE 為鏟斗簡化圖形,桿l4為鏟斗油缸,l5為搖桿,l6為連桿,R1、R2、R3為上述介紹的作用力臂。用ADAMS/View 中的建模工具建立液壓挖掘機鏟斗連桿機構的模型,分別把A、B、C、E 四個鉸點做為設計變量:DV_1~DV_8,其中DV_1﹑DV_2 是B 鉸點的橫坐標和縱坐標；DV_3﹑DV_4 是C 鉸點的橫縱坐標；DV_5﹑DV_6 是A 鉸點的橫縱坐標；DV_7﹑DV_8 是E 鉸點的橫縱坐標。然后對模型添加約束，為保證自由度為零且沒有沉余約束, 需要添加3個旋轉副﹑3個球面副﹑1個移動副﹑1個固定副，再對液壓鏟斗油缸添加驅動，并且對驅動建立STEP 函數，使液壓油缸在仿真過程當中由全縮狀態伸長為全伸狀態，最后ADAMS/View 中建立鏟斗連桿機構簡化模型如圖3 所示。

圖3 ADAMS 建立簡化連桿模型

3 鏟斗連桿機構的優化

在進行參數化分析時，需要建立相應的目標函數,本次優化設計中，把鏟斗連桿機構的傳動比作為優化目標函數。

由目標函數可知，要對傳動比進行優化設計，就要對R1、R2、R3分別建立測量，由于液壓挖掘機在仿真過程當中作用力臂R1、R2、R3一直在變化，所以我們利用三角形的面積關系導出作用力臂的表達式。

在三角形FBA 中，利用ADAMS 的Measure 功能分別建立測量函數：

FUNCTION_MEA_BA；

FUNCTION_MEA_BF；

MEA_PT2PT_FA。

通過仿真得到3個測量函數的測量曲線變化情況，其中函數MEA_PT2PT_FA 的測量曲線如圖4所示。

圖4 油缸長度的測量曲線MEA_PT2PT_FA

由于知道了三角形FBA 中三個邊的變化情況，利用海倫公式：

其中，S 為三角形FBA 的面積；

P=(A+B+C)/2；

A、B、C 分 別 是 FUNCTION_MEA_BA、FUNCTION_MEA_BF、MEA_PT2PT_FA。

令:

由公式（3）、（4）可推導出R1的測量函數，通過仿真得到了R1的測量曲線,如圖5 所示。

圖5 R1 的測量曲線FUNCTION_MEA_R1

同理，R2、R3的測量曲線也是以上方法獲得，由R1、R2、R3的測量函數可知i 的測量曲線如圖6 所示。

圖6 i 的測量曲線FUNCTION_MEA_I

當測量目標函數的設計完成后，對約束條件進行定義。對于連桿機構來說，連桿機構的傳動角不小于30°，液壓油缸的傳動角不小于10°，在此采用傳感器功能來約束角度。首先建立測量角度∠FAB 以及∠AEC，然后建立傳感器：SENSOR_1、SENSOR_2,傳感器SENSOR_1 限制∠FAB 使得在運動過程中不小于10°，傳感器SENSOR_2 使得∠AEC 在運動過程中不小于30°。完成上述工作以后就開始試驗設計和優化計算，首先是設計研究，設計研究考慮一個設計變量的變化對樣機性能的影響。以DV_3 為試驗對象，DV_3 是鉸點C 的橫坐標，參數的變化范圍定在標準值50 之間，仿真的結果如表1 所示。試驗次數5 次，O1 為傳動比大小，DV_3 為坐標值的變化，Sensitivity 表示相應坐標變化對傳動比的影響程度。

表1 DV_3 變化對傳動比的影響

通過對DV_3 分析可以看到敏感程度的變化，分別對其他鉸點的坐標進行分析，發現每個變量對目標函數都存在一定的影響，因此，將DV_1 至DV_8都進行優化，將仿真的設置都完成以后，就進行優化仿真分析，待仿真結束以后，系統提供仿真結果的信息查看窗口。

由于優化分析的目的在于提高傳動比，首先關注傳動比的提升情況,如圖7 所示。

圖7 傳動比i 優化前﹑后曲線

傳動比相比優化以前得到明顯的提高，但是前提是要保證優化的變化不大的情況下，因此，我們提取優化前后鏟斗油缸的變化曲線,如圖8 所示。

圖8 優化前﹑后液壓油缸長度對比

由以上圖形可以看出，油缸的行程長度的變化最大不超過90 mm,變化很小，滿足我們的要求，然后觀察優化前后傳動比與油缸行程長度之間關系,如圖9 所示。

由以上3 組圖形可知，在保證油缸變化不大的情況下，傳動比由優化前的0.332 05 提高到了0.469 47，提高了41.4 %,而鉸點的位置也發生了變化，如表2所示DV_1 至DV_8 鉸點位置的變化情況。

圖9 優化前﹑后傳動比隨油缸長度變化

表2 優化前、后傳動比與鉸點的變化

由表格的數據可以看出鉸點的位置都發生了的變化，但是變化的范圍都不超過50 mm，在這種細小的位置變化的情況下卻提升了41.4 %的傳動比，可見優化效果不錯。

4 結束語

本文利用ADAMS 虛擬樣機技術，建立了鏟斗連桿機構的參數化模型，在保證液壓油缸行程長度變化很小的情況下，仿真過程中不斷的變化鉸點的坐標位置，最終獲得最大傳動比。由此可見，優化的結果對產品的后續改進設計具有一定的參考價值。

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