正鏟液壓挖掘機工作裝置工作范圍優化設計

張羽林

摘要：為進一步優化正鏟液壓挖掘機工作裝置的工作范圍性能指標，本文根據某企業原始數據利用虛擬樣機ADAMS的view模塊構建了正鏟液壓挖掘機工作裝置的運動學仿真模型，通過對其模型進行運動學仿真獲得工作范圍性能指標，并畫出鏟斗斗尖挖掘包絡圖；然后采用變化模型鉸接點坐標位置的方法，尋找使工作范圍的性能指標最優的鉸接點組合方案。研究結果表明，廠家原始數據條件下的挖掘機工作范圍仍有較大提升空間，通過本研究仿真優化，顯著改善了挖掘機工作范圍的各項性能指標，其結果將作為企業研發正鏟液壓挖掘機的設計依據。

關鍵詞：正鏟液壓挖掘機；工作范圍；優化

0 引言

挖掘機傳統設計方法不是去主動地設計產品的參數，而僅僅是被動地重復分析產品的性能。作為設計，不僅要使方案有較高的可行性與合理性，而且應該是某些性能指標達到最優的理想方案。隨著計算機的廣泛應用，己經可以運用現代化的設計方法和手段對大型的工程機械進行各種設計，來滿足對工程機械產品提出的各種要求。人們可以利用優化設計方法，運用計算機軟件輔助，從多如牛毛的設計方案中尋找出最優設計方案，從而極大的提高了設計的質量和效率[1-5]。

本文所采用的原始設計方案來源于國內某大型挖掘機企業，企業要求為正鏟液壓挖掘機工作裝置的工作范圍進行優化。本文利用虛擬樣機ADAMS的view模塊構建了正鏟液壓挖掘機工作裝置的運動學仿真模型，通過對其模型進行運動學仿真獲得工作范圍性能指標，采用了通過調整關鍵鉸接點位置以重組工作裝置結構方案的方法分別對工作范圍進行了優化改進。優化結果表明，優化后改進方案的理論性能水平略優于國外同級產品，可使實機性能接近國外同級產品。

1 工作裝置運動學模型的建立與仿真

衡量挖掘機工作裝置運動學性能最重要的指標，就是工作裝置的工作范圍性能指標，所以在設計方案制定之初，必須首先優化評價工作裝置工作范圍。

本文以某企業正在研發的某量級正鏟液壓挖掘機的初始參數為基礎，通過虛擬樣機設計法建立三維模型，通過優化設計法對工作裝置幾何鉸接點進行調整，對工作裝置工作范圍的各項設計目標進行最大限度的改進。

首先根據廠方所給的初始數據，在UG三維建模軟件中對正鏟液壓挖掘的鏟斗、斗桿、動臂及液壓缸進行建模，并完成相應裝配。利用UG軟件將三維裝配模型導出成parasolid文件并導入MSC.ADAMS中，并對其施加相應的約束與運動副，得到挖掘機工作裝置運動學模型。

1.1 建立約束條件

工作裝置運動學模型中有9個關鍵鉸接點，因其各部件間只是平面轉動關系，所以這9個關鍵鉸接點的約束均設為轉動副；動臂液壓缸、斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸與各自活塞桿之間為活塞運動，故其約束設為圓柱副。

值得注意的是，在添加液壓缸與活塞桿之間的圓柱副時，會在兩個部件各自生成一個MAREKER點，需要對這兩個MARKER點的位置與方向統一進行參數化設置，否則會出現兩部件錯位等不可預見的錯誤。

1.2 施加運動驅動并繪制挖掘包絡圖

為使工作裝置仿真運動起來，需要給工作裝置添加動力源，而挖掘機實際工作中動力來自于液壓缸，且為活塞運動，因此選擇滑移驅動Motion施加于三個液壓缸之上，通過設置滑移驅動的階躍STEP函數，來控制各液壓缸的伸長量，各液壓缸的工作伸長范圍由企業提供具體數據為準。

根據工作裝置挖掘包絡圖圓弧的繪制方法，根據原廠原始設計方案數據設置相應的Motion函數，運行運動學包絡仿真，完成初始設計方案的挖掘包絡線繪制。

為進一步優化改進原始設計方案的工作范圍性能指標，就需要通過調整鉸接點位置的方法來進行，那么首先就要對模型及變量進行參數化。

2 工作裝置工作范圍優化分析

挖掘機必須適應各種各樣的環境場合，滿足足夠多的使用范圍是挖掘機設計的目標，而其關鍵就在于工作裝置的優化設計。一般而言，挖掘機工作裝置需要能夠挖的夠深，從而滿足要求坑挖作業及開溝作業等；同時若需要與平臺較高載貨汽車聯合作業時，還需要挖掘機的卸載高度足夠高，總而言之，挖掘機工作范圍的大小，工作范圍性能指標直接影響到挖掘機的性能高低。本文就是通過對工作裝置參數化，改變鉸接點位置，形成多組不同方案各自仿真得出工作范圍的主要作業參數，從中尋優，讓工作裝置工作范圍的主要作業參數達到理論最大值。

2.1 確定工作范圍的設計目標

液壓挖掘機在任意正常位置進行工作時，其鏟斗齒尖所能達到的極限范圍稱為挖掘軌跡包絡圖，即工作裝置的運動包絡圖。它能夠直觀地反映工作裝置的作業范圍和主要作業參數。挖掘機的主要作業參數主要有

（1）最大挖掘半徑；

（2）最大挖掘深度；

（3）最大挖掘高度；

將這三項指標確定為工作裝置工作范圍的設計目標。

2.2 優化設計方法

首先采用DOE方法，考察工作裝置每個設計變量的取值范圍，確定每個設計變量的變化區間，確保形成的所有虛擬實驗方案，工作裝置機構無干涉。

然后在ADAMS/Insight實驗設計模塊中按照Monte Carlo法，最終確定各設計變量的取值區間，對18個設計變量值進行排列組合，生成5120組不同的工作裝置鉸接點方案，在ADAMS/Insight中對模型逐一仿真求解，得出各組方案的設計目標仿真結果

2.3 優化結果對比分析

從結果中篩選出工作范圍相對較大的一組方案作為改進方案，與初始方案進行對比，并將改進方案的工作范圍指標與國外同級產品RH 340-B進行對比。

對比結果表明，改進方案工作裝置的工作范圍理論性能略優于與國外同級產品，達到了工作裝置工作范圍的優化目標。

3 總結

本文以某液壓挖掘機原始設計參數為基礎，運用參數化分析方法對工作裝置運動學模型的工作范圍性能進行了仿真優化分析，研究結果表明，優化后工作裝置的工作范圍理論性能略優于國外同級產品。

參考文獻：

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[2] 林慕義，史青錄. 單斗液壓挖掘機構造與設計[M]. 北京：冶金工業出版社，2011.

[3] 白玉琳，陳進，李世六等. 大型正鏟液壓挖掘機工作裝置虛擬樣機研究[J]. 建筑機械（上半月）， 2008， （7）.

[4] 李瑞濤，方泥，張文明等. 虛擬樣機技術及其在礦山機械領域的應用展望[J]. 礦山機械， 2000， （5）： 11-14.

[5] 鮑俊瑤，王爽，李志遠. 液壓挖掘機虛擬樣機技術研究[J]. 機械設計與制造， 2006，（4）： 39-41

科研項目：

本文系杭州職業技術學院2016年校級科研項目“正鏟液壓挖掘機工作裝置工作范圍與挖掘力性能優化研究”成果（課題編號：ky201629）。