铲斗连杆机构的参数优化设计

李志杰，朱 林，温全明

（广西科技大学（筹）机械工程学院，广西 柳州 545006）

液压挖掘机的挖掘方式一般分为铲斗挖掘、斗杆挖掘以及复合挖掘。在挖掘比较松软的土质时，为了节约油耗，一般采用铲斗挖掘的方式，因此，设计过程中就要尽可能的提高铲斗挖掘力。要提高液压挖掘机的铲斗挖掘力，就要对连杆机构进行优化设计，在保证不影响液压挖掘机性能的情况下，利用ADAMS 的参数优化功能对连杆机构的传动比进行优化设计，增大传动比，从而提高铲斗挖掘力。

1 液压挖掘机铲斗挖掘力分析

铲斗连杆机构如图1 所示，AB 是液压挖掘机的摇杆，AE 是连杆。液压挖掘机铲斗理论挖掘力是由铲斗油缸和连杆机构的传动比i 决定的，在不考虑自重、外载、液压系统等影响因素下，铲斗理论挖掘力FW的计算公式为：

式中，

FW为铲斗挖掘力；

i 为连杆机构传动比；

Pb为铲斗液压油缸工力；

A 为铲斗液压油缸大腔作用面积；

R1为铰点B 对铲斗油缸的作用力臂；

R2为铰点B 对连杆AE 的作用力臂；

R3为铰点C 对连杆AE 的作用力臂；

LCD铲斗长度。

搜完，毫无结果。警官虎着脸沉默片刻，目光在那四名女学生身上游走。虽说是冬天，女学生仍是纤纤巧巧，柳腰生姿。

由上式可知，在液压油缸的推力不变的情况下FW与传动比i 成正比，只要提高传动比就可以提高铲斗挖掘力。

图1 铲斗连杆机构

2 铲斗连杆机构参数化建模

首先对铲斗连杆机构进行必要的简化，如图2所示。

图2 铲斗连杆机构简化模型图

由图形可知，模型简化为一个平面四连杆结构,三角形GCF 为斗杆简化图形,三角形CDE 为铲斗简化图形,杆l4为铲斗油缸,l5为摇杆,l6为连杆,R1、R2、R3为上述介绍的作用力臂。用ADAMS/View 中的建模工具建立液压挖掘机铲斗连杆机构的模型,分别把A、B、C、E 四个铰点做为设计变量:DV_1~DV_8,其中DV_1﹑DV_2 是B 铰点的横坐标和纵坐标；DV_3﹑DV_4 是C 铰点的横纵坐标；DV_5﹑DV_6 是A 铰点的横纵坐标；DV_7﹑DV_8 是E 铰点的横纵坐标。然后对模型添加约束，为保证自由度为零且没有沉余约束, 需要添加3个旋转副﹑3个球面副﹑1个移动副﹑1个固定副，再对液压铲斗油缸添加驱动，并且对驱动建立STEP 函数，使液压油缸在仿真过程当中由全缩状态伸长为全伸状态，最后ADAMS/View 中建立铲斗连杆机构简化模型如图3 所示。

图3 ADAMS 建立简化连杆模型

3 铲斗连杆机构的优化

在进行参数化分析时，需要建立相应的目标函数,本次优化设计中，把铲斗连杆机构的传动比作为优化目标函数。

由目标函数可知，要对传动比进行优化设计，就要对R1、R2、R3分别建立测量，由于液压挖掘机在仿真过程当中作用力臂R1、R2、R3一直在变化，所以我们利用三角形的面积关系导出作用力臂的表达式。

在三角形FBA 中，利用ADAMS 的Measure 功能分别建立测量函数：

FUNCTION_MEA_BA；

FUNCTION_MEA_BF；

MEA_PT2PT_FA。

通过仿真得到3个测量函数的测量曲线变化情况，其中函数MEA_PT2PT_FA 的测量曲线如图4所示。

图4 油缸长度的测量曲线MEA_PT2PT_FA

由于知道了三角形FBA 中三个边的变化情况，利用海伦公式：

其中，S 为三角形FBA 的面积；

P=(A+B+C)/2；

A、B、C 分 别 是 FUNCTION_MEA_BA、FUNCTION_MEA_BF、MEA_PT2PT_FA。

令:

由公式（3）、（4）可推导出R1的测量函数，通过仿真得到了R1的测量曲线,如图5 所示。

图5 R1 的测量曲线FUNCTION_MEA_R1

同理，R2、R3的测量曲线也是以上方法获得，由R1、R2、R3的测量函数可知i 的测量曲线如图6 所示。

图6 i 的测量曲线FUNCTION_MEA_I

当测量目标函数的设计完成后，对约束条件进行定义。对于连杆机构来说，连杆机构的传动角不小于30°，液压油缸的传动角不小于10°，在此采用传感器功能来约束角度。首先建立测量角度∠FAB 以及∠AEC，然后建立传感器：SENSOR_1、SENSOR_2,传感器SENSOR_1 限制∠FAB 使得在运动过程中不小于10°，传感器SENSOR_2 使得∠AEC 在运动过程中不小于30°。完成上述工作以后就开始试验设计和优化计算，首先是设计研究，设计研究考虑一个设计变量的变化对样机性能的影响。以DV_3 为试验对象，DV_3 是铰点C 的横坐标，参数的变化范围定在标准值50 之间，仿真的结果如表1 所示。试验次数5 次，O1 为传动比大小，DV_3 为坐标值的变化，Sensitivity 表示相应坐标变化对传动比的影响程度。

表1 DV_3 变化对传动比的影响

通过对DV_3 分析可以看到敏感程度的变化，分别对其他铰点的坐标进行分析，发现每个变量对目标函数都存在一定的影响，因此，将DV_1 至DV_8都进行优化，将仿真的设置都完成以后，就进行优化仿真分析，待仿真结束以后，系统提供仿真结果的信息查看窗口。

由于优化分析的目的在于提高传动比，首先关注传动比的提升情况,如图7 所示。

图7 传动比i 优化前﹑后曲线

传动比相比优化以前得到明显的提高，但是前提是要保证优化的变化不大的情况下，因此，我们提取优化前后铲斗油缸的变化曲线,如图8 所示。

图8 优化前﹑后液压油缸长度对比

由以上图形可以看出，油缸的行程长度的变化最大不超过90 mm,变化很小，满足我们的要求，然后观察优化前后传动比与油缸行程长度之间关系,如图9 所示。

由以上3 组图形可知，在保证油缸变化不大的情况下，传动比由优化前的0.332 05 提高到了0.469 47，提高了41.4 %,而铰点的位置也发生了变化，如表2所示DV_1 至DV_8 铰点位置的变化情况。

图9 优化前﹑后传动比随油缸长度变化

表2 优化前、后传动比与铰点的变化

由表格的数据可以看出铰点的位置都发生了的变化，但是变化的范围都不超过50 mm，在这种细小的位置变化的情况下却提升了41.4 %的传动比，可见优化效果不错。

4 结束语

本文利用ADAMS 虚拟样机技术，建立了铲斗连杆机构的参数化模型，在保证液压油缸行程长度变化很小的情况下，仿真过程中不断的变化铰点的坐标位置，最终获得最大传动比。由此可见，优化的结果对产品的后续改进设计具有一定的参考价值。

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