輪式裝載機(jī)正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪式裝載機(jī)正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，大型機(jī)主要致力于8噸以上的機(jī)，多桿機(jī)構(gòu)可以達(dá)到相當(dāng)大的工作范圍，尤其是八連桿機(jī)。這種機(jī)構(gòu)形式的發(fā)票占當(dāng)時(shí)國內(nèi)發(fā)票總數(shù)的三分之一左右。到目前為止，我國的相關(guān)研究主要集中在六桿裝置的改造上。因此，有必要加強(qiáng)對(duì)八連桿機(jī)的設(shè)計(jì)研究。1轉(zhuǎn)斗油缸與缸的密封正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu)是雙搖臂(搖臂1和2)雙連桿(連桿3和4)機(jī)構(gòu),動(dòng)臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸尾部均鉸接在機(jī)架上,如圖1所示.動(dòng)臂舉升和下降過程中,動(dòng)臂油缸伸長(zhǎng)或縮短,轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖;收斗或卸載時(shí),轉(zhuǎn)斗油缸動(dòng)作,動(dòng)臂油缸閉鎖.轉(zhuǎn)斗油缸動(dòng)作時(shí)鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)方向與搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同,因此是正轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu).1.1設(shè)計(jì)參數(shù)的建立裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)由確定該機(jī)構(gòu)方案的所有參數(shù)組成,包括機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸、液壓缸的尺寸等.在建模中,將設(shè)計(jì)參數(shù)分為輸入?yún)?shù)和設(shè)計(jì)變量?jī)深?部分設(shè)計(jì)參數(shù)如圖2所示.1.1.1機(jī)組工作工況在整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)確定的,本級(jí)設(shè)計(jì)中作為固定量且不允許改變的參數(shù)包括:輪胎半徑、運(yùn)輸工況、鉸點(diǎn)A離地高度、前橋干涉圓半徑、液壓系統(tǒng)工作油壓和安全壓力、用戶對(duì)最大卸載高度、最大卸載高度時(shí)的卸載距離、最大卸載距離的最小要求、動(dòng)臂油缸個(gè)數(shù)、轉(zhuǎn)斗油缸個(gè)數(shù)、材料許用剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力、鏟斗斗容量、液壓泵流量和鏟掘阻力等共17個(gè).1.1.2正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)變量是設(shè)計(jì)工作所要確定的未知參數(shù).變量個(gè)數(shù)越多,解的維數(shù)越高、空間越大、尋優(yōu)所需時(shí)間也越多.如圖2所示,正轉(zhuǎn)八桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)變量包括:動(dòng)臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸與機(jī)架鉸點(diǎn)的位置、動(dòng)臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸最大及最小長(zhǎng)度、各構(gòu)件尺寸、動(dòng)臂和搖臂板厚、油缸內(nèi)徑和活塞桿直徑等共31個(gè)變量,即X=[x1,x2,x3,x4,…,x31].1.2目標(biāo)系統(tǒng)作者制訂了一個(gè)樹狀分級(jí)系統(tǒng),包括4類8個(gè)目標(biāo),用Funci表示,具體內(nèi)容如下.1.2.1擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所平衡,確定動(dòng)臂轉(zhuǎn)斗軸,確定由前轉(zhuǎn)斗缸a.平移性Func11:鏟斗收斗角Ac的總變化量盡量小.卸料性Func12:動(dòng)臂在任意位置時(shí),通過轉(zhuǎn)斗油缸動(dòng)作,希望鏟斗均能達(dá)到45°卸料角.鏟斗自動(dòng)放平性Func13:上限卸料后,動(dòng)臂回到下限位置時(shí)的鏟斗斗底角Ac越接近零度越好.1.2.2最大裝卸高度的確定Func21:實(shí)際最大卸載高度h2盡可能大.Func22:實(shí)際最大卸載高度時(shí)的卸載距離h1盡可能大.Func23:實(shí)際最大卸載距離h3盡可能大.1.2.3挖掘能力(1)油缸主動(dòng)作用液壓系統(tǒng)的壓力特性①動(dòng)臂油缸主動(dòng)作用能克服的鏟掘阻力:動(dòng)臂油缸推力P1=npπx272/4;能克服的鏟掘阻力P1force1.②轉(zhuǎn)斗油缸主動(dòng)作用所產(chǎn)生的鏟掘力:轉(zhuǎn)斗油缸推力P2=mpπx282/4;能克服的鏟掘阻力P2force2.則油缸主動(dòng)作用時(shí)能克服的鏟掘阻力F1=min{P1force1,P2force2}.其中,n為動(dòng)臂油缸個(gè)數(shù);m為轉(zhuǎn)斗油缸個(gè)數(shù);p為液壓系統(tǒng)工作壓力,kg·mm-2;x27為動(dòng)臂缸內(nèi)徑;x28為轉(zhuǎn)斗缸內(nèi)徑;force1為動(dòng)臂舉升機(jī)構(gòu)傳力比;force2為轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)傳力比.(2)單段挖掘掘阻力①轉(zhuǎn)斗鏟掘時(shí)動(dòng)臂油缸閉鎖所能承受的鏟掘阻力F21;②提臂鏟掘時(shí)轉(zhuǎn)斗油缸閉鎖所能承受的鏟掘阻力F22.則F2=min{F21,F22}.(3)式力臂的結(jié)構(gòu)F3=((GL1?GgzL2?GdouL3)L4)/cosαF3=((GL1-GgzL2-GdouL3)L4)/cosα其中:G為裝載機(jī)自重;L1為G到前輪支點(diǎn)的力臂;Ggz為工作裝置重量;L2為Ggz到前輪支點(diǎn)的力臂;Gdou為鏟斗自重;L3為Gdou到前輪支點(diǎn)的力臂;L4為鏟掘阻力到前輪的作用力臂;α為鏟掘阻力作用線與豎直方向夾角.(4)fzffzF4=fG/sinαF4=fG/sinα其中f為地面摩擦系數(shù),對(duì)輪胎取0.3.Func3=Fzu/min{F1,F2,F3,F4}→min.其中Fzu為要求克服的鏟掘阻力,kg.1.2.4降時(shí)間和運(yùn)動(dòng)學(xué)是體現(xiàn)工作效率的直接指標(biāo),整體工作時(shí)間是以下各個(gè)階段作業(yè)時(shí)間之和:轉(zhuǎn)斗裝載時(shí)間t0=x282(Xefdown-Xef)π/q;動(dòng)臂舉升時(shí)間t1=x272(x6-x5)π/q;動(dòng)臂下降時(shí)間t2=(x272-x292)(x6-x5)π/q;鏟斗前傾時(shí)間t3=(x282-x302)(Xefdown-Xefup)π/q.其中:x29為動(dòng)臂油缸活塞桿直徑;x30為轉(zhuǎn)斗缸活塞桿直徑;(x6-x5)為動(dòng)臂油缸行程;Xefdown為轉(zhuǎn)斗缸下限收斗長(zhǎng)度;Xef為初始狀態(tài)轉(zhuǎn)斗缸長(zhǎng)度;Xefup為完成上限卸載后轉(zhuǎn)斗缸長(zhǎng)度;q為液壓泵流量,mm3·s-1.則Func4=t0+t1+t2+t3→min.1.3正轉(zhuǎn)八連塔式工作裝置的約束條件根據(jù)實(shí)際情況和要求,將各項(xiàng)約束分為三類:目標(biāo)性能約束、運(yùn)動(dòng)性能約束和邊界約束.每一類約束又可分為若干子類,以此類推直到具體的約束條件為止.正轉(zhuǎn)八連桿工作裝置優(yōu)化模型有143個(gè)約束條件,包括以下幾個(gè)方面的要求.1.3.1性能限制(1)等角度間隔取動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析希望動(dòng)臂舉升過程中,鏟斗能達(dá)到一定的收斗角且斗底角總變化量不大于15°~20°.以等角度間隔取動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的11個(gè)位置及運(yùn)輸工況,共12個(gè)位置進(jìn)行較詳細(xì)的分析,要求:下限位置收斗角>42°;上限位置收斗角<67°;運(yùn)輸與上限位置收斗角之差<30°;最大收斗角與上限收斗角之差<10°.(2)連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角在任意位置和各個(gè)工況下,對(duì)轉(zhuǎn)斗四連桿機(jī)構(gòu)D2C2D1E1和鏟斗四連桿機(jī)構(gòu)ABC1E1的傳動(dòng)角均應(yīng)滿足大于10°,而小于170°的要求.(3)工作范圍限制最大卸載高度、最大卸載高度時(shí)的卸載距離和最大卸載距離均應(yīng)大于用戶的最低要求.最大卸載距離應(yīng)大于最大卸載高度時(shí)的卸載距離.(4)鉆削力的限制工作裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的鏟掘力應(yīng)足以克服鏟斗所受到的鏟掘阻力;能實(shí)現(xiàn)的提升力矩應(yīng)足以克服滿斗工裝的重力矩.1.3.2結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)性能的限制(1)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的制約機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中不應(yīng)出現(xiàn)死點(diǎn),應(yīng)對(duì)動(dòng)臂舉升機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)斗機(jī)構(gòu)兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)分別建立約束.(2)干預(yù)性限制下?lián)u臂不與前橋殼干涉,連桿、搖臂均不與鏟斗干涉,兩種油缸不發(fā)生干涉,鏟斗收斗后傾時(shí)不超過極限位置.(3)限制點(diǎn)間距機(jī)構(gòu)各部件鉸接點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)能保證各構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)中不發(fā)生干涉.(4)幾何關(guān)系的限制各構(gòu)件的主要尺寸應(yīng)始終能滿足其構(gòu)成條件,包括各三角形構(gòu)成關(guān)系的滿足和根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的機(jī)構(gòu)尺寸間相互關(guān)系兩方面的要求.(5)原油穩(wěn)定性2目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化以額定載重量為2t的裝載機(jī)工作裝置為設(shè)計(jì)對(duì)象,進(jìn)行優(yōu)化實(shí)例運(yùn)算.模型中共有31個(gè)設(shè)計(jì)變量,其中26個(gè)連續(xù)量,4個(gè)離散量;111個(gè)設(shè)計(jì)函數(shù),其中8個(gè)目標(biāo)函數(shù),109個(gè)約束條件.應(yīng)用優(yōu)化軟件Prodopt,采用仿生物進(jìn)化方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),得到優(yōu)化方案如下:[x1,x2,x3,…,x31,Yg]=[-137.02,477.75,136.42,1062.5,703.42,1230.7,423.85,820.16,2135.6,614.93,1541.1,629.99,708.69,346.92,385.21,971.15,860.41,328.21,67.839,287.87,602.17,622.38,260.72,608.98,636.34,1580.1,130,130,55,50,1389.1].優(yōu)化搜索中希望目標(biāo)函數(shù)值越小越好.優(yōu)化效果由初始方案與優(yōu)化方案的目標(biāo)值的比較體現(xiàn).具體數(shù)值見表1.從表中可以看出,大多數(shù)目標(biāo)相對(duì)初始方案是有提高的.原方案的收斗角在舉升過程中的總變化量有近40°,可能造成鏟斗過分后傾.經(jīng)過優(yōu)化后,變化量縮小為26°左