基于虚拟样机的装载机反转六杆工作机构设计

□ 吉善松 □ 白 海 □ 范永臻

西南林业大学机械与交通学院 昆明 650224

基于虚拟样机的装载机反转六杆工作机构设计

□ 吉善松 □ 白 海 □ 范永臻

西南林业大学机械与交通学院 昆明 650224

利用Pro/E对装载机反转六杆工作机构进行三维数字化建模、仿真，并将Pro/E中的三维实体模型导入ADAMS中，应用ADAMS/View模块提供OPTDES-SQP优化算法，以动臂举升时转斗平动性为优化目标函数，对装载机的工作机构进行优化设计，获得了符合要求的机构优化设计参数。虚拟样机技术提升了轮式装载机开发效率，提高了装载机工作机构设计水平和工作性能。

装载机 虚拟样机 仿真 优化

装载机作为一种重要的工程机械，在国家基础设施建设中发挥着巨大作用，中国的装载机起步于1966年，在过去的40多年里，总体上呈递增趋势。目前我国装载机行业已经出现了以广西柳工机械股份有限公司、徐州工程机械股份有限公司的ZL50G为代表［1-3］的第三代产品。

装载机工作机构是执行完成各种作业的关键部件，装载机的使用性能、安全系数、工作可靠性及经济性都取决于其工作机构的设计水平。传统设计工作机构的方法已无法满足对装载机提出更高的使用性能、可靠性和经济性等方面的要求。解决当下轮式装载机传统开发模式存在的开发周期长、过程繁杂、开发成本过高、性能测试困难等问题，缩短产品开发时间、提升产品质量、减小成本以及对市场的变化能迅速作出反应已成为企业所追求的目标。企业产品更新速度快，性能可靠，价格合理，该企业产品就会被广大用户所喜欢［4］。近年来，虚拟样机技术的定义在各种行业的文献中出现［5］，它是一种全新的机械设计方法。笔者以轮式装载机工作机构为研究对象，基于虚拟样机技术，通过对工作机构建模、仿真、优化设计，及多角度的考量，最终确定符合要求的可行机构方案。

1 装载机工作机构三维实体建模

1.1 装载机工作机构的结构

装载机的工作机构主要包括转斗液压缸、动臂液压缸、摇臂、动臂、连杆和铲斗六大部件，ZL50型装载机工作机构的结构如图1所示。

1.2 装载机工作机构Pro/E三维实体建模

在Pro/E中完成对装载机工作机构的六大主要零部件的建模，再按各个零件之间的相对位置关系，把零件组装成一个装配件，如图2所示。

▲图1 装载机工作装置机构

▲图2 装载机装配实体

2 建立虚拟样机工作机构

2.1 建立约束

工作机构主要存在两种运动方式，一是在转斗液压缸和动臂液压缸上的移动，定义为移动副；二是如图1所示的9个铰点上的转动，定义为旋转副。

2.2 创建函数

在ADAMS运动学中控制刚体运动是以时间函数形式驱动的，因此，在移动副上以ADAMS提供的STEP函数定义两个驱动函数如下：

转斗液压缸MOTION_1：STEP（time，0，0，3，-250）+STEP（time，7，0，11，+280）

动臂液压缸MOTION_2：STEP（time，3，0，7，-850）+STEP（time，11，0，15，+850）

2.3 工作机构的仿真

通过计算机可以实时显示不同工况下工作机构的整个运动状况，如图3～图7所示。

▲图3 铲掘工况

▲图4 收斗工况

▲图5 举升工况

▲图6 卸料工况

▲图7 自动放平工况

2.4 优化前仿真性能的评价分析

（1）利用ADAMS软件对装载机工作机构进行动力学仿真分析与优化设计，能全面真实地反映出工作过程中存在的问题与不足［6-8］，可以避免一般软件只能分析几个特殊位置的弊端。

（2）在ADAMS工作机构模型中，9个参数化铰点初始位置的坐标见表1。

表1 初始模型铰点坐标/mm

（3）利用主菜单BUILD选项中的MEASURE建立测量函数，输出如图8～图12所示的参数曲线。

平移性。装载机在运输过程中，铲斗底面与地面间的夹角为铲斗的收斗角，一般推荐-40～-45°。为保证物料尽量不撒出铲斗，铲斗在升起过程中应通过连杆机构的调整使其在收斗位置尽量地保持平移，保证收斗角的变化量≤10°。从图8中可以看出，在举升过程中的收斗角最大值为60.65°（t1点），收斗角最小值为38.27°，变化量为60.65°-38.27°=22.38°＞10°，平移性不好，应该提高。

自动放平性。动臂举升到最高位置卸料后，转斗液压缸锁死。动臂下降到物料堆处，铲斗由连杆机构实现自动放平，为进行下一次铲掘做准备。由图8可以看出，铲斗放平后铲斗底面与地面之间的夹角 （即放平角）为-3.728°，满足放平性要求。

卸载性。从图8可以得出，最大卸载高度时的卸料

角为-42.17°（t2点，“-”代表方向），即整个卸料过程中卸料角的最大值为-42.17°＜45°，没有达到设计要求。

最大卸载高度。指铲斗与水平成45°的卸载角、动臂举升到最高位置时，地面到斗尖的距离。从图9可以看出，卸载高度最大为3 895 mm，达到设计要求。

传动性。连杆机构的传动性要求是在各个工况下任意构件之间不出现干涉现象，各构件的传动角不小于10°［9］。为了获得较高的传动效率，且能保证工作机构正常运动，要求各传动角限制在10～170°之间变化。从图10～图12中可以看出，最大角度为153.7°，最小角度为12.73°，在仿真过程中，机构没有出现相互干涉的现象，且满足设计规定范围。

▲图8 铲斗底面与水平面夹角角度测量曲线

▲图9 卸载高度测量曲线

▲图10 连杆与铲斗之间的传动角测量曲线

▲图11 连杆与摇臂之间的传动角测量曲线

▲图12 摇臂与转斗液压缸之间的传动角测量曲线

3 工作机构的优化

3.1 建立设计变量

在ADAMS中将A、B、C、D、E、F、G、H、J 9个点的坐标值一次参数化，生成DV_1至DV_18共计18个变量，并设定每个设计变量的取值范围为±10 mm。

3.2 建立目标函数

目标函数是用来设计优化的函数，是设计所追求目标的函数表达式，目标函数有单目标函数和多目标函数之分［10］，并利用菜单BUILD选项中的MEASURE，建立测量函数FUNCTION_MEA_11，测量的表达式为：

3.3 建立工作性能约束

1）对传动角的约束。

（1）10°＜连杆与摇臂之间的传动角 （∠EHF）＜170°；

（2）10°＜摇臂与转斗液压缸之间的传动角（∠CDE）＜170°；

（3）10°＜连杆与转斗之间的传动角 （∠HFG）＜170°。传动角约束函数：

FUNCTION_MEA_1：INCANG（MARKER_25，MARKER_6，MARKER_4）-170d

FUNCTION_MEA_2：10d-INCANG（MARKER_25，MARKER_6，MARKER_4）

FUNCTION_MEA_3：INCANG（MARKER_52，MARKER_8，MARKER_7）-170d

FUNCTION_MEA_4：10d-INCANG（MARKER_52，MARKER_8，MARKER_7）

FUNCTION_MEA_5：INCANG（MARKER_52，MARKER_8，MARKER_7）-170d

FUNCTION_MEA_6：10d-INCANG（MARKER_25，MARKER_7，MARKER_8）

2）对卸载角的约束。

通过建立约束条件CONST Angle：

FUNCTION_MEA_7：45d+AZ（MARKER_62）来保证卸载角大于或等于45°。

3）对最大卸载高度的约束。

通过建立优化约束条件CONST Max H：

FUNCTION_MEA_8：3800-DY（MARKER_62）来保证最大卸载高度大于或者等于2.95 m。

4）对自动放平性的约束。

自动放平性优化约束条件CONSTAFP：

FUNCTION_MEA_9：-6d-AZ（MARKER_62）

▲图13 优化后的铲斗底面与水平面夹角角度测量曲线

▲图14 优化后的卸载高度测量曲线

▲图15 优化后的连杆与铲斗夹角测量曲线

▲图16 优化后的连杆与摇臂之间的传动角测量曲线

▲图17 优化后的摇臂与转斗液压缸之间的传动角的测量曲线

FUNCTION_MEA_10：AZ（MARKER_60）+3d用来保证放平度在-6～-3°。

3.4 对工作机构进行优化

1）选择FUNCTION_MEA_11，即：IF（time-3：0，（ABS（AZ（MARKER_62））-45d）**2，0.5*（1+SIGN（1，7-time））*（ABS（AZ（MARKER_62））-45d）**2）作为目标函数；

2）选择优化的设计变量为DV1～DV18；

3）选择添加的约束OPT_CONSTRAINT_1～OPT_ CONSTRAINT_10；

4）进行优化设置。

3.5 结果分析

1）优化后输出的仿真曲线如图13～图17所示。

由图13可以看出，收斗角最大值为54.87°，最小值为45.43°，收斗角的变化量为 9.44°，平移大为改观，满足要求；最大卸载角度-45.46°（t2点）＞45°，卸载性大幅提高，放平角为-4.994°，满足要求。

由图14可知，最大卸载高度由原来的3 895 mm降为3 859 mm，这是由于卸料角变大，斗尖变低，使最大卸载高度有所降低，但仍满足设计要求。

由图15～图17可见，最大角度为166.4°，最小角度为12.57°，原模型的传动角仍在设计要求范围内。

2）优化后的模型和初始的模型主要性能参数对比见表2。

表2 初始的模型和优化后的模型主要性能参数对比

3）优化后模型和初始模型设计变量的对比见表3。

表3 初始模型和优化模型各设计变量对比

4 总结

针对轮式装载机工作机构传统设计开发存在周期长、效率低、费用高、不能及时满足市场需求等问题，笔者首先利用Pro/E对装载机反转六杆工作机构进行三维数字化建模、仿真，然后将Pro/E中的三维实体模型导入ADAMS中建立虚拟样机，并利用虚拟样机对装载机工作机构进行仿真优化，获得工作机构性能最优时的参数，从而提高了装载机的工作性能。

［1］李建军.装载机市场形势分析与产品发展方向探讨［J］.广西机械，2001（4）：58-61.

［2］朱长亮.我国轮式装载机产品的发展［J］.工程机械与维修，1999（8）：26-29.

［3］王国彪，王岩松，马铸.轮式装载机的现状与技术发展［J］.工程机械与维修，1998（3）：9-1l.

［4］黄洪钟，丁国富，王金诺，等.基于虚拟现实技术的原型设计机理研究［J］.机械工程学报，1999，35（5）：20-23.

［5］李瑞涛，方嵋，张文明.虚拟样机技术的概念及应用［J］.机电一体化，2000（5）：17-22.

［6］Dudzinski P，Pieczonka K，Wyslouch z.Automation of Working Unit on a Bucket Loader ［C］.Proc 11 In tSymp Autom Rob Constr ISARC，1994.

［7］张国胜，曾昭华，王晓柱.装载机工作装置铰点位置优化模型及软件［J］.工程机械，1999，30（12）：15-18.

［8］杨卫平，赵益乔.装载机工作装置的优化及运动仿真设计［J］.矿山机械，2002（5）：24-26.

［9］迟永滨，王劲松.装载机工作装置优化设计的方法与策略［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2000，28（6）：53-57.

［10］孙金颖，赖一楠，白清顺.机械优化设计［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.

（编辑 小 前）

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1000-4998（2015）09-0035-05

2015年3月