裝載機工作裝置的運動仿真及優化

董衛超 龐海通

摘要：使用三維建模軟件CREO建立裝載機工作裝置的骨架模型，初步確定滿足卸高卸距等運動參數的各部件初始設計尺寸。利用ADAMS軟件將初始設計尺寸設定為優化變量，工作裝置各點位的坐標值，通過優化變量組成的表達式自動算出，進而通過坐標值對工作裝置進行參數化建模，達到使用設計尺寸建立參數化模型的目的。使用ADAMS分析模型主要性能參數并對其進行點位優化，提升了工作裝置自動放平性能。

關鍵詞：裝載機；工作裝置；ADAMS；點位優化；參數化建模

0? ?引言

裝載機廣泛應用于工農業生產中，適用于多樣化的作業工況，工作裝置的性能優劣直接影響整機工作效率[1]。對于裝載機工作裝置的優化，有不少學者做過相關方面的研究。段文婧[2]利用ADAMS對裝載機工作裝置進行參數化建模，并對其建立約束函數，優化完后工作裝置鏟斗平移性得到一定改善。王曉明等人[3]利用ADAMS優化設計模塊，將工作裝置各鉸接點的坐標值作為優化變量，以鏟斗下叉角為優化對象，將傳動角、卸載參數等作為約束條件，優化完成后鏟斗下叉角得到提升。

應用三維建模軟件CREO骨架模型功能，可以設計出滿足產品卸高、卸距、收斗角、卸料角等整機運動參數的工作裝置點位，各部件的初始設計尺寸也隨之確定。使用骨架模型可以靜態模擬出工作裝置各部件的運動角等參數，但由于沒有完成完整的三維模型，無法使用建模軟件本身的動態仿真功能對結構進行運動仿真。

本文使用三維建模軟件CREO建立裝載機工作裝置的骨架模型，初步確定滿足卸高卸距等運動參數的各部件初始設計尺寸。利用ADAMS軟件將初始設計尺寸設定為優化變量，工作裝置各點位的坐標值，通過優化變量組成的表達式自動算出，進而通過坐標值對工作裝置進行參數化建模，達到使用設計尺寸建立參數化模型的目的。

1? ?工作裝置的模型分析

本文選取反轉六連桿機構作為裝載機工作裝置研究對象。反轉六連桿機構中翻斗缸無桿腔進油時鏟斗收斗，可以使鏟斗獲得較大的崛起力。工作裝置主要由鏟斗、動臂、搖臂、連桿、翻斗缸、舉升缸等部分組成，它們之間通過銷軸連接，如圖1所示。翻斗缸帶動鏟斗翻轉來實現收斗與卸料，舉升缸帶動動臂來實現鏟斗的舉升與下降。

圖1中點A、S、G為前車架點位，整機設計完成后點位已確定，點B、C、D、E、F、Q、V為工作裝置點位，這些點整體位置影響工作裝置的運動姿態以及工作性能。

點位確定后，工作裝置部分還剩兩個自由度，即鏟斗舉升與翻轉兩個自由度，可分別用點B到地面的距離H和鏟斗的位置角α來表示。這些尺寸確定后，將地面作為X軸，前后車架鉸接處作為Y軸建立坐標系，所有點的坐標就可以通過各部件的初始設計尺寸表達出來。

以點B、C兩點坐標為例，點B坐標計算如下：

XB=XA+LAB·sinβ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

YB=H? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

點C坐標計算如下：

XC=XB-LBC·cosθ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

YC=YB+LBC·sinθ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

β計算公式如下：

β=arccos（（YA-H）/LAB）? ? ? ? ? ? ?（5）

θ的計算公式如下：

θ=270°-α-∠CBV-arccos（HBV/LBV）? ? ? ? （6）

式中：LAB為點AB間的直線距離；LBC為點BC間的直線距離；LBV為點BV間的直線距離；HBV為點B到斗底板的垂直距離；B點X軸方向坐標為XB，B點Y軸方向坐標為YB。其余點坐標用相同方式表達。

2? ?工作裝置的參數化建模

2.1? ?ADAMS軟件簡介

ADAMS軟件后處理功能強大，可以對數據進行圖形顯示，也可以對數據以表格形式輸出，方便對數據進行二次處理。ADAMS軟件還有專門的優化分析模塊，創建優化變量、目標函數、約束條件后可以完成對模型的優化[4]。

2.2? 各部件設計尺寸與工作裝置各點位坐標值轉換

在ADAMS軟件中，將各部件的初始設計尺寸設定為優化變量，使用菜單欄工具中表格編輯器功能，將工作裝置各鉸接點的坐標值，通過上述推導的數學表達式表示出來。這樣可建立起各部件設計尺寸與各點位坐標值的聯系，各點位的坐標值便會跟隨設計尺寸的變更而動態調整，相應的參數化模型也會跟隨動態更新。選取鏟斗處在地面，鏟斗位置角為零時作為初始狀態，得到各鉸接點坐標值如表1所示。

2.3? ?建立參數化模型

工作裝置各點位的坐標值確定后，在ADAMS中直接使用坐標點建立參數化模型。本模型建立的約束包括液壓缸與缸桿之間的2個移動副、3個圓柱副、2個點線副、4個旋轉副，各點位的約束類型如表2所示。在液壓缸移動副處建立2個運動驅動。

3? ?工作裝置的運動分析

利用ADAMS對工作裝置的作業過程進行運動仿真，典型的運動過程主要有以下4個階段：一是鏟斗收斗階段，期間舉升缸閉鎖，翻斗缸活塞桿前移；二是鏟斗舉升階段，期間翻斗缸閉鎖，舉升缸活塞桿前移；三是鏟斗卸料階段，期間舉升缸閉鎖，翻斗缸活塞桿后移；四是鏟斗回位階段，期間翻斗缸閉鎖，舉升缸活塞桿回到原位。這樣完成一個工作循環后進行下個運動循環。

使用ADAMS驅動模塊建立兩液壓缸的移動驅動，根據液壓缸行程設立位移與時間的STEP函數，模擬鏟斗收斗、提升、卸料、下降的整個作業過程，仿真時長設定20s。設定的翻斗油缸和舉升缸的驅動函數分別為：

STEP（time，0，0，5，-163.862）+STEP（time，5，0，10，0）+

STEP（time，10，0，15，359.203）+STEP（time，15，0，20，0）

STEP（time，0，0，5，0）+STEP（time，5，0，10，-777.25）+

STEP（time，10，0，15，0）+STEP（time，15，0，20，777.25）

運動仿真后得到鏟斗位置角隨時間變化曲線如圖2所示。從圖2可以看出，鏟斗從地面收斗后到最高處鏟斗的位置角變化在10°內，運動平移性好，保證了運動過程中的穩定性。卸完料從最高位置到地面位置時鏟斗位置角為-30°左右，鏟斗的自動放平性能差，插入物料時需重新調整鏟斗姿態，影響作業效率。

4? ?工作裝置的點位優化

4.1? ?最優化模型分析步驟

使用最優化方法解決問題的一般步驟如下：一是確定需要被優化的目標，搜集可能會影響被優化目標的變量；二是創建優化目標的數學模型，確定優化變量的取值范圍，將目標函數定義為用優化變量創建的函數表達式，同時使用優化變量創建約束函數來建立約束條件；三是分析模型特征，確定采用的優化方法；四是求解模型，多變量的優化模型計算復雜，可以使用計算機來進計算求解；五是將最優解進行驗證，確認其是否達到優化目標要求。

經過以上步驟計算后，如果優化解不能滿足需求，重新設定變量范圍或者更換優化變量來做進一步的優化。

4.2? ?確定目標函數

鏟斗自動放平性是指將動臂舉到最高處，鏟斗在最高位置卸完料后，翻斗缸鎖止，舉升缸帶動連桿機構回到地面時，鏟斗的位置角與地面保持水平的能力。鏟斗自動放平的好處，就是不需要作業人員重新調整鏟斗位置角就可以進入下一工作循環。

為了優化鏟斗的自動放平性能，確定卸完料鏟斗回到地面時的位置角的絕對值作為目標函數，目標函數表達式為：

ABS（ATAN（DY（MARKER_167，MARKER_168）/DX

（MARKER_167，MARKER_168）））

其中：MARKER_167、MARKER_168分別為鏟斗斗底板上前后兩處的標記點。

4.3? ?建立約束條件

為保證工作裝置運動過程中的傳力性能，保證運動軌跡的確定性，防止各部件之間出現死點，各傳動角需保持在10～170°范圍內[5]。使用ADAMS的“創建設計約束”功能，建立的傳動角約束條件如下：10°＜∠BCD＜170°、10°＜∠CDE＜170°、10°＜∠EFG＜170°

4.4? ?優化計算

使用ADAMS的“試驗研究”功能，分析出對目標函數影響較大的優化變量LDE、LEF、LCD以及∠DEF。LDE表示的是搖臂DE兩點之間的距離，LEF表示的是搖臂EF兩點直接的距離，LCD表示的是CD兩點直接的距離也就是連桿長度，∠DEF表示的搖臂DEF連線間小于180°的角。

將優化變量的取值范圍設定為最大值與最小值之間，將目標函數的的研究對象設定為“最終值”選項，將優化目標函數值選為最小值，使用創建的約束條件，求解器選用SQP優化算法。經過幾輪優化后，得到鏟斗位置角隨時間的變化如圖3所示。優化變量優化前后對比結果如表3所示。

得到優化完成的標準值后，重新對工作裝置的工作循環進行運動仿真，得到鏟斗位置角隨時間變化的曲線如圖4所示。將其與優化前的仿真結果進行對比，可知鏟斗的自動放平性有明顯的改善，優化后的地面放平角為-6°，優化前的地面放平角-30°，自動放平性能改善80%。

5? ?結束語

本文以新開發的裝載機工作裝置為研究對象，在ADAMS軟件中，將工作裝置各部件的設計尺寸轉化為各運動點位的坐標值，進而利用ADAMS軟件完成參數化建模。將工作裝置各部件的初始設計尺寸設定為優化變量，定義出鏟斗自動放平的目標函數，建立傳動角約束條件，對目標函數進行優化計算。優化完成后的模型自動放平性能得到明顯的改善，證明使用ADASM軟件可以完成對裝載機工作裝置點位優化。

參考文獻

[1] 何正忠.裝載機[M].北京：冶金工業出版社，1999.

[2] 段文婧.某小型輪式裝載機工作裝置優化設計[J].內燃機與配件，2022（12）：13-15.

[3] 王曉明，張佳佳，宋紅兵等.基于ADAMS的裝載機工作裝置仿真及優化設計[J].工程機械，2014，45（6）：55-58.

[4] 賈長治，殷軍輝，薛文星等.MD ADAMS虛擬樣機從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2010.

[5] 高秀華，王云超，安二中，等.基于ADAMS的裝載機工作裝置優化[J].計算機仿真，2007（24）：217-221.