基于虛擬樣機的裝載機反轉六桿工作機構設計

□ 吉善松 □ 白 海 □ 范永臻

西南林業大學機械與交通學院 昆明 650224

基于虛擬樣機的裝載機反轉六桿工作機構設計

□ 吉善松 □ 白 海 □ 范永臻

西南林業大學機械與交通學院 昆明 650224

利用Pro/E對裝載機反轉六桿工作機構進行三維數字化建模、仿真，并將Pro/E中的三維實體模型導入ADAMS中，應用ADAMS/View模塊提供OPTDES-SQP優化算法，以動臂舉升時轉斗平動性為優化目標函數，對裝載機的工作機構進行優化設計，獲得了符合要求的機構優化設計參數。虛擬樣機技術提升了輪式裝載機開發效率，提高了裝載機工作機構設計水平和工作性能。

裝載機 虛擬樣機 仿真 優化

裝載機作為一種重要的工程機械，在國家基礎設施建設中發揮著巨大作用，中國的裝載機起步于1966年，在過去的40多年里，總體上呈遞增趨勢。目前我國裝載機行業已經出現了以廣西柳工機械股份有限公司、徐州工程機械股份有限公司的ZL50G為代表［1-3］的第三代產品。

裝載機工作機構是執行完成各種作業的關鍵部件，裝載機的使用性能、安全系數、工作可靠性及經濟性都取決于其工作機構的設計水平。傳統設計工作機構的方法已無法滿足對裝載機提出更高的使用性能、可靠性和經濟性等方面的要求。解決當下輪式裝載機傳統開發模式存在的開發周期長、過程繁雜、開發成本過高、性能測試困難等問題，縮短產品開發時間、提升產品質量、減小成本以及對市場的變化能迅速作出反應已成為企業所追求的目標。企業產品更新速度快，性能可靠，價格合理，該企業產品就會被廣大用戶所喜歡［4］。近年來，虛擬樣機技術的定義在各種行業的文獻中出現［5］，它是一種全新的機械設計方法。筆者以輪式裝載機工作機構為研究對象，基于虛擬樣機技術，通過對工作機構建模、仿真、優化設計，及多角度的考量，最終確定符合要求的可行機構方案。

1 裝載機工作機構三維實體建模

1.1 裝載機工作機構的結構

裝載機的工作機構主要包括轉斗液壓缸、動臂液壓缸、搖臂、動臂、連桿和鏟斗六大部件，ZL50型裝載機工作機構的結構如圖1所示。

1.2 裝載機工作機構Pro/E三維實體建模

在Pro/E中完成對裝載機工作機構的六大主要零部件的建模，再按各個零件之間的相對位置關系，把零件組裝成一個裝配件，如圖2所示。

▲圖1 裝載機工作裝置機構

▲圖2 裝載機裝配實體

2 建立虛擬樣機工作機構

2.1 建立約束

工作機構主要存在兩種運動方式，一是在轉斗液壓缸和動臂液壓缸上的移動，定義為移動副；二是如圖1所示的9個鉸點上的轉動，定義為旋轉副。

2.2 創建函數

在ADAMS運動學中控制剛體運動是以時間函數形式驅動的，因此，在移動副上以ADAMS提供的STEP函數定義兩個驅動函數如下：

轉斗液壓缸MOTION_1：STEP（time，0，0，3，-250）+STEP（time，7，0，11，+280）

動臂液壓缸MOTION_2：STEP（time，3，0，7，-850）+STEP（time，11，0，15，+850）

2.3 工作機構的仿真

通過計算機可以實時顯示不同工況下工作機構的整個運動狀況，如圖3～圖7所示。

▲圖3 鏟掘工況

▲圖4 收斗工況

▲圖5 舉升工況

▲圖6 卸料工況

▲圖7 自動放平工況

2.4 優化前仿真性能的評價分析

（1）利用ADAMS軟件對裝載機工作機構進行動力學仿真分析與優化設計，能全面真實地反映出工作過程中存在的問題與不足［6-8］，可以避免一般軟件只能分析幾個特殊位置的弊端。

（2）在ADAMS工作機構模型中，9個參數化鉸點初始位置的坐標見表1。

表1 初始模型鉸點坐標/mm

（3）利用主菜單BUILD選項中的MEASURE建立測量函數，輸出如圖8～圖12所示的參數曲線。

平移性。裝載機在運輸過程中，鏟斗底面與地面間的夾角為鏟斗的收斗角，一般推薦-40～-45°。為保證物料盡量不撒出鏟斗，鏟斗在升起過程中應通過連桿機構的調整使其在收斗位置盡量地保持平移，保證收斗角的變化量≤10°。從圖8中可以看出，在舉升過程中的收斗角最大值為60.65°（t1點），收斗角最小值為38.27°，變化量為60.65°-38.27°=22.38°＞10°，平移性不好，應該提高。

自動放平性。動臂舉升到最高位置卸料后，轉斗液壓缸鎖死。動臂下降到物料堆處，鏟斗由連桿機構實現自動放平，為進行下一次鏟掘做準備。由圖8可以看出，鏟斗放平后鏟斗底面與地面之間的夾角 （即放平角）為-3.728°，滿足放平性要求。

卸載性。從圖8可以得出，最大卸載高度時的卸料

角為-42.17°（t2點，“-”代表方向），即整個卸料過程中卸料角的最大值為-42.17°＜45°，沒有達到設計要求。

最大卸載高度。指鏟斗與水平成45°的卸載角、動臂舉升到最高位置時，地面到斗尖的距離。從圖9可以看出，卸載高度最大為3 895 mm，達到設計要求。

傳動性。連桿機構的傳動性要求是在各個工況下任意構件之間不出現干涉現象，各構件的傳動角不小于10°［9］。為了獲得較高的傳動效率，且能保證工作機構正常運動，要求各傳動角限制在10～170°之間變化。從圖10～圖12中可以看出，最大角度為153.7°，最小角度為12.73°，在仿真過程中，機構沒有出現相互干涉的現象，且滿足設計規定范圍。

▲圖8 鏟斗底面與水平面夾角角度測量曲線

▲圖9 卸載高度測量曲線

▲圖10 連桿與鏟斗之間的傳動角測量曲線

▲圖11 連桿與搖臂之間的傳動角測量曲線

▲圖12 搖臂與轉斗液壓缸之間的傳動角測量曲線

3 工作機構的優化

3.1 建立設計變量

在ADAMS中將A、B、C、D、E、F、G、H、J 9個點的坐標值一次參數化，生成DV_1至DV_18共計18個變量，并設定每個設計變量的取值范圍為±10 mm。

3.2 建立目標函數

目標函數是用來設計優化的函數，是設計所追求目標的函數表達式，目標函數有單目標函數和多目標函數之分［10］，并利用菜單BUILD選項中的MEASURE，建立測量函數FUNCTION_MEA_11，測量的表達式為：

3.3 建立工作性能約束

1）對傳動角的約束。

（1）10°＜連桿與搖臂之間的傳動角 （∠EHF）＜170°；

（2）10°＜搖臂與轉斗液壓缸之間的傳動角（∠CDE）＜170°；

（3）10°＜連桿與轉斗之間的傳動角 （∠HFG）＜170°。傳動角約束函數：

FUNCTION_MEA_1：INCANG（MARKER_25，MARKER_6，MARKER_4）-170d

FUNCTION_MEA_2：10d-INCANG（MARKER_25，MARKER_6，MARKER_4）

FUNCTION_MEA_3：INCANG（MARKER_52，MARKER_8，MARKER_7）-170d

FUNCTION_MEA_4：10d-INCANG（MARKER_52，MARKER_8，MARKER_7）

FUNCTION_MEA_5：INCANG（MARKER_52，MARKER_8，MARKER_7）-170d

FUNCTION_MEA_6：10d-INCANG（MARKER_25，MARKER_7，MARKER_8）

2）對卸載角的約束。

通過建立約束條件CONST Angle：

FUNCTION_MEA_7：45d+AZ（MARKER_62）來保證卸載角大于或等于45°。

3）對最大卸載高度的約束。

通過建立優化約束條件CONST Max H：

FUNCTION_MEA_8：3800-DY（MARKER_62）來保證最大卸載高度大于或者等于2.95 m。

4）對自動放平性的約束。

自動放平性優化約束條件CONSTAFP：

FUNCTION_MEA_9：-6d-AZ（MARKER_62）

▲圖13 優化后的鏟斗底面與水平面夾角角度測量曲線

▲圖14 優化后的卸載高度測量曲線

▲圖15 優化后的連桿與鏟斗夾角測量曲線

▲圖16 優化后的連桿與搖臂之間的傳動角測量曲線

▲圖17 優化后的搖臂與轉斗液壓缸之間的傳動角的測量曲線

FUNCTION_MEA_10：AZ（MARKER_60）+3d用來保證放平度在-6～-3°。

3.4 對工作機構進行優化

1）選擇FUNCTION_MEA_11，即：IF（time-3：0，（ABS（AZ（MARKER_62））-45d）**2，0.5*（1+SIGN（1，7-time））*（ABS（AZ（MARKER_62））-45d）**2）作為目標函數；

2）選擇優化的設計變量為DV1～DV18；

3）選擇添加的約束OPT_CONSTRAINT_1～OPT_ CONSTRAINT_10；

4）進行優化設置。

3.5 結果分析

1）優化后輸出的仿真曲線如圖13～圖17所示。

由圖13可以看出，收斗角最大值為54.87°，最小值為45.43°，收斗角的變化量為 9.44°，平移大為改觀，滿足要求；最大卸載角度-45.46°（t2點）＞45°，卸載性大幅提高，放平角為-4.994°，滿足要求。

由圖14可知，最大卸載高度由原來的3 895 mm降為3 859 mm，這是由于卸料角變大，斗尖變低，使最大卸載高度有所降低，但仍滿足設計要求。

由圖15～圖17可見，最大角度為166.4°，最小角度為12.57°，原模型的傳動角仍在設計要求范圍內。

2）優化后的模型和初始的模型主要性能參數對比見表2。

表2 初始的模型和優化后的模型主要性能參數對比

3）優化后模型和初始模型設計變量的對比見表3。

表3 初始模型和優化模型各設計變量對比

4 總結

針對輪式裝載機工作機構傳統設計開發存在周期長、效率低、費用高、不能及時滿足市場需求等問題，筆者首先利用Pro/E對裝載機反轉六桿工作機構進行三維數字化建模、仿真，然后將Pro/E中的三維實體模型導入ADAMS中建立虛擬樣機，并利用虛擬樣機對裝載機工作機構進行仿真優化，獲得工作機構性能最優時的參數，從而提高了裝載機的工作性能。

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（編輯 小 前）

TH122

A

1000-4998（2015）09-0035-05

2015年3月