液壓挖掘機(jī)鏟斗機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、第22卷第1期2005年2月黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)JOURNAL OF NAT URAL SC I E NCE OF HE I L ONGJ I A NG UN I V ERSI TYVol 122No 11February, 2005液壓挖掘機(jī)鏟斗機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)車(chē)仁煒, 呂廣明, 陸念力(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院, 黑龍江哈爾濱150001摘要:提出一種基于復(fù)合形法的液壓挖掘機(jī)鏟斗機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法, 給出優(yōu)化模型。通過(guò)實(shí)例證明了與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比較, 這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可在滿(mǎn)足約束條件的情況下使挖掘力最大, 挖掘輕松順利, 提高工作效率和設(shè)計(jì)效率。關(guān)鍵詞:優(yōu)化設(shè)計(jì); 復(fù)合形法; 鏟斗機(jī)構(gòu)中圖分

2、類(lèi)號(hào):T H12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A -0126-04收稿日期:2004-07-26作者簡(jiǎn)介:車(chē)仁煒(1964- , 女, 博士研究生, 主要研究方向:機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析, 隨著現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用, 在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域, 已, 從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋找出最佳的設(shè)計(jì)方案, 從而大大提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí), 人們都希望得到一個(gè)最優(yōu)方案, 這個(gè)方案既能滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及工藝性能等方面的要求, 又使機(jī)械質(zhì)量最輕、成本最低和傳動(dòng)性能最好。然而, 由于傳統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)方案是憑借設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)直觀判斷, 靠人工進(jìn)行有限次計(jì)算做出的, 往往很難得到最優(yōu)結(jié)果。應(yīng)用最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法, 使優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可

3、能。中小型挖掘機(jī)通常以鏟斗液壓缸挖掘作為主要挖掘方式, 希望在實(shí)際挖掘中, 挖掘力足夠, 挖掘時(shí)能輕松順利。但鏟斗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工作又都受到一些約束的限制, 選擇一個(gè)最佳的設(shè)計(jì)方案, 顯然會(huì)大大提高挖掘質(zhì)量和工作效率, 本文采用復(fù)合函數(shù)法對(duì)鏟斗機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。1優(yōu)化模型液壓挖掘機(jī)鏟斗機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì), 屬于多約束優(yōu)化問(wèn)題, 本文采用復(fù)合形法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。111復(fù)合形法復(fù)合形法是求解約束優(yōu)化問(wèn)題的一種重要的直接解法。它的基本思路是在可行域內(nèi)構(gòu)造一個(gè)具有k 個(gè)頂點(diǎn)的初始復(fù)合形。對(duì)該復(fù)合形各頂點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行比較, 找到目標(biāo)函數(shù)值最大的頂點(diǎn)(稱(chēng)最壞點(diǎn) , 然后按一定的法則求出目標(biāo)函數(shù)值有所下降的可行

4、的新點(diǎn), 并以此點(diǎn)代替最壞點(diǎn), 構(gòu)成新的復(fù)合形, 復(fù)合形的形狀每改變一次, 就向最優(yōu)點(diǎn)移動(dòng)一步, 直至逼近最優(yōu)點(diǎn)。由于復(fù)合形的形狀不必保持規(guī)則的圖形, 對(duì)目標(biāo)函數(shù)及約束函數(shù)的性狀又無(wú)特殊要求, 因此該方法在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。112設(shè)計(jì)要求1. 液壓缸的伸縮比在11451165范圍內(nèi), 鏟斗擺動(dòng)角在150°180°范圍內(nèi)。2. 鏟斗機(jī)構(gòu)在任何狀態(tài)下都必須幾何相容, 無(wú)死點(diǎn), 無(wú)運(yùn)動(dòng)干涉, 任何構(gòu)件在工作中都不得相碰。3. 要求鏟斗液壓缸對(duì)鏟斗的推動(dòng)力矩足夠大, 并且其變化規(guī)律要適應(yīng)阻力矩的變化規(guī)律, 保證在主要挖掘區(qū)域內(nèi), 特別是停機(jī)面以下的主要區(qū)域內(nèi)挖掘力足夠。

5、通常用轉(zhuǎn)斗挖掘的復(fù)合曲線來(lái)綜合反映阻力矩的大小和它隨鏟斗轉(zhuǎn)角的變化情況, 依此可以提出對(duì)鏟斗機(jī)構(gòu)理論輸出力矩的綜合要求:鏟斗機(jī)構(gòu)的理論輸出力矩曲線應(yīng)位于負(fù)荷曲線上方, 并盡量與負(fù)荷曲線接近。如此一方面能保證挖掘力足夠, 另一方面也能保證發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)盡可能的接近滿(mǎn)負(fù)荷工作, 以充分利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率, 并獲得較好的經(jīng)濟(jì)性。 113設(shè)計(jì)變量典型的液壓挖掘機(jī)鏟斗機(jī)構(gòu)是由一個(gè)擺臂油缸機(jī)構(gòu)和一個(gè)鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成, 屬于平面六連桿機(jī)構(gòu)。如圖1所示, L max 、L m in 分別是鏟斗液壓缸的最大及最短長(zhǎng)度, 是擺臂油缸機(jī)構(gòu)的輸出角, <是鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的輸入角, 兩者之和保持為常數(shù), 用串聯(lián)

6、角表示, 即=+<。若以搖桿長(zhǎng)度l 13為長(zhǎng)度單位, 則無(wú)量綱幾何參數(shù)可寫(xiě)成如下形式:15=l 15l 13; 21=l 21l 13; 24l 24l 13; 29l l 13; =L L m in; L l 13液壓缸的伸縮比和鏟斗的擺幅為已知量, X =x 1, x 2, x 3, x 4,x 5T, 其中:x 1=21, x 2=24, x 3=29, x 4=m in , x 5=。114目標(biāo)函數(shù)M ( 與已知的負(fù)荷曲線M z ( 盡量的相接近, 。:F (X n +1k M(k -M Z (k 2n +1M I N式中, (n +1 是在機(jī)構(gòu)自變量的變化范圍內(nèi)均勻取出的狀態(tài)。

7、其中負(fù)荷函數(shù)M Z :以為自變量, 分四段來(lái)書(shū)寫(xiě)負(fù)荷函數(shù)為:第一段:=00 +m -M Z ( =R 1-cosm cos (m +0- 1135B A Z X +(N M 第二段:=0+m -0+m M Z ( =l 3C R (1-cosm 1135B A Z X +D (N M 第三段:=0+m 0+2m -M Z ( =R 1-coscos (m +0-1135B A Z X +( N M 第四段:=0+2m -0+2m M Z ( =R 1-cosm cos (m +0-1135B A Z X +(N M 115約束條件(1 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求鏟斗機(jī)構(gòu)中的鉸接四連桿機(jī)構(gòu)必須是雙搖桿機(jī)構(gòu),

8、 如圖2, 工作中鏟斗必須永遠(yuǎn)與搖桿同方向擺動(dòng), 故當(dāng)L =L m in , 搖桿在初始位置時(shí), =m in , K 點(diǎn)不得在H Q 連線上或其下方, 否則鏟斗可能與搖桿的擺動(dòng)方向相反, 為此對(duì)有關(guān)各桿長(zhǎng)度提出下列約束,g 1(X =x 21+(x 2+x 32-2x 1(x 2+x 3 cos x 4 2-1>0為防止搖桿擺動(dòng)后期鏟斗發(fā)生逆轉(zhuǎn), 有下列約束方程,g 2(X =(x 3+110 -(x 1+x 2 >0為保證鏟斗能擺動(dòng)較大的角度, 還要求,721第1期車(chē)仁煒等:液壓挖掘機(jī)鏟斗機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)g 3(X =110-x 1>0g 4(X =x 3-x 2>0(

9、2 為避免構(gòu)件相碰撞要求鏟斗液壓缸全伸或全縮時(shí)與斗桿靠得較近, 但它不得與斗桿相碰, 故要求G 點(diǎn)有必要的高度, 且?jiàn)A角M G N 不得過(guò)小, 應(yīng)大于某一最小值, 其約束方程為:g 5(X =cos -1(215+2-110 /215 ->0g 6(X =cos-1(215+22-110 /215->0鏟斗液壓缸全伸時(shí), 搖桿幾乎倒在斗桿上, 但不得與斗桿相碰, 同時(shí)連桿與鏟斗間的夾角也達(dá)到最小值,它們也不得相碰撞, 因此必須對(duì)圖中的和M K Q 角提出最小值來(lái), 它們分別為1和2。因此約束方程為:g 7(X =cos -1(110+s 2m -x 3 /2s m -cos-1(x

10、 21+s 2m -x 2 /2x 1s m -1>0g 8(X =cos-1(x 23+s 2m -110 /2x 3s m -cos-1(22+s 2m -x 1/22>0(3 保證機(jī)構(gòu)幾何相容的要求g u ( =i -i u (X x i max -x i >0式中:i x i m in 第i ; x i max 第i 個(gè)設(shè)計(jì)變量的最大值。這是一個(gè)有5個(gè)設(shè)計(jì)變量、10個(gè)約束條件的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題, 采用復(fù)合形法, 以計(jì)算機(jī)編程, 即可求出最優(yōu)解。2設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)于Y W 16型液壓挖掘機(jī), 設(shè)計(jì)變量的上下限值列于表2中。表1原始數(shù)據(jù)Table 1O r i g i n a l

11、da t a s類(lèi)型序號(hào)數(shù)據(jù)名稱(chēng)數(shù)值設(shè)計(jì)要求1鏟斗最大相對(duì)位角3max/4rad 2鏟斗擺動(dòng)幅度38/9rad 3鏟斗液壓缸的伸縮比115994鏟斗開(kāi)始挖掘時(shí)的相對(duì)位角30/10rad二. 斗形參數(shù)5鏟斗挖掘半徑R 81c m 6鏟斗挖掘半徑l 30181m 三.計(jì)算挖掘力所需的參數(shù)7土壤硬度系數(shù)C 608切削刃寬度影響系數(shù)B 21569切削角變化影響系數(shù)A11310斗齒影響系數(shù)Z 017511斗側(cè)壁厚度影響系數(shù)X 111512切削刃擠壓土壤引起的阻力D2000N四. 斷面參數(shù)13b 、c 型斷面的假象挖掘半角m/4rad 14b 、c 型斷面的缺損角/12rad 表2設(shè)計(jì)變量上下限值F i

12、g . 2The li m it i a lues of desi gn var i a bles設(shè)計(jì)變量X 1X 2X 3X 4X 5上限值110000110000113000110500219700下限值017000017000110000015000218200對(duì)此鏟斗機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 可得最優(yōu)解為:X (1 =01977, X (2 =01700, X (3 =11087, X (4 =01500, X (5 =21830即l 13=288mm 、l 21=281mm 、l 24=201mm 、l 29=313mm 、l 15=926mm 、=2183×180/=162&#

13、176;。3結(jié)論由計(jì)算結(jié)果可以看出, 液壓挖掘機(jī)鏟斗機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化以后, , 取得一個(gè)最優(yōu)值, 以使挖掘力最大, 挖掘輕松順利, 提高工作效率。, 而且, 采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與手工計(jì)算相比, 參考文獻(xiàn):1孫靖民. M., 2002. 187-189. 2葉元烈. M.北京:中國(guó)計(jì)量出版社, 2001. 70-76. 3李良. 單斗液壓挖掘機(jī)M.哈爾濱:哈爾濱建筑大學(xué)出版社, 1998. 40-54.4邵忍平, 黃欣娜, 楊振平. 單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)J .機(jī)械設(shè)計(jì), 1995, (10 :53-58.The opti m a l desi gn of hydrauli c excava

14、 tor shovel m echan is mCHE Ren -wei, L Guang -m ing, LU N ian -li(Electr omechanical School, Harbin I nstitute of Technol ogy, Harbin 150001, China Abstract:A method of op ti m al design for Hydraulic Excavat or shovel mechanis m is discussed and the op ti m al model is given . A t last, it is verified by a s peci m en that compared with the traditi onal designing method, this method can obtain the maxi m al excavating force and make the excavating p r