装载机工作装置优化设计研究

孟凡旺，焦圣德，张光耀，赵 堑

（山推工程机械股份有限公司，山东 济宁 272073）

装载机工作装置的结构和性能直接影响装载机的生产效率、工作负荷、动力及运动特性等。而工作装置最重要的部件当属其复杂的连杆机构，通常是先初步设计出整机的主要参数，然后以其为条件，再进行连杆系统的尺寸设计。传统的连杆机构设计方法为“图解法”[1]，首先在CAD软件中建立完整的三维模型，根据装载机工作装置的运动姿态调整铲斗、动臂的位置，进而确定出连杆机构的铰点位置。“图解法”较为直观，结果可靠性强，但是该方法需要大量的经验进行指导，难以同时兼顾连杆机构举升平稳、自动放平等要求，无法对整体机构进行优化设计。

本文研究对象为一款装载机的变型产品，其工作装置为反转六杆机构，通过传统变型设计后，其连杆机构存在无法自动放平的问题，经过多次整改效果仍不理想。为解决该问题，本文利用ADAMS对该机构进行优化设计，优化后机构能够满足自动放平及举升平稳性要求，并对摇臂进行了优化设计改善结构受力状况。

1 问题分析

装载机工作装置在运动学方面，必须满足铲斗举升平动、自动放平、最大卸载高度、最小卸载距离和各个位置的卸载角等要求；在动力学方面，主要是在满足挖掘力、举升力和生产率的要求前提下，使转斗油缸和举升油缸的所需输出力及功率尽量减小[2]。

为了准确研究工作装置性能参数，利用ADAMS建立了连杆机构的动力学模型，并对该机构进行运动参数分析（图1），结果显示工作装置基本参数均与设计参数符合，但地面位置的自动放平角度为10°，不符合铲斗的自动放平角度3°～5°[3]要求。

图1 装载机连杆机构参数分析

2 机构优化设计

为解决工作装置自动放平问题，考虑到变型工作装置的通用性，本文利用ADAMS建立机构参数化建模，主要以摇臂、连杆、翻斗油缸铰点位置为优化对象，以4°放平角度为优化目标，以卸料角度为约束条件，对机构进行优化设计。

2.1 机构参数化建模

建立机构的参数化模型是机构优化分析的基础，在ADAMS中，进行连杆机构参数化建模的内容主要包含3部分：参数化点坐标、参数化模型部件和参数化运动副[4]。

首先完成反转六连杆机构左右各包含9个铰点参数化；在ADAMS中创建模型时，选择已经创建的9个参数化点坐标，就可以实现模型部件的参数化，即实现了点驱动模型部件的功能。在运动副的参数化建模过程中，需要特别注意的运动副为移动副、圆柱副这类移动方向沿两点连线方向的运动副。反转六杆机构中，举升油缸和转斗油缸2个运动副参数化建模过程中，要将2个运动副的“I、J”Marker点的位置和方向全部进行参数化设置，避免机构在后续参数化过程中，圆柱副运动方向不沿两铰点连线的情况发生，建立完成的机构参数化模型如图2所示。

图2 六杆机构参数化模型

2.2 优化目标函数

定义铲斗翻转角度为A，为了使连杆机构的自动放平角满足3°～5°的要求，制定的优化目标函数为机构的自动放平角Alast接近4°

2.3 优化约束函数

为了保证最高位置的卸料角度Amin≥45°，制定的约束函数为

通过ADAMS机构优化，铲斗整个工作周期的翻转角度变化如图3所示，最后时刻的“(abs(Alast)-4)”接近0°，即自动放平角接近4°。

图3 铲斗自动放平优化角度曲线

2.4 优化方案设计

通过对优化结果进行分析，考虑工作装置通用性及工艺性，选取3种优化方案，3种结构方案对比如表1所示。

表1 优化方案运动学及动力学参数

3种优化方案均能满足设计运动参数及自动放平要求及动力学要求，下一步对比3种优化方案结构特点。

3 结构强度分析

工作装置所受载荷分为两种类型：第一类为实际铲掘时物料对铲斗的阻力；第二类为铲斗装满物料后物料的重量与运输过程中因场地不平整造成振动引起的附加动载荷。后者一般较小，而前者又可分为铲斗插入料堆时的水平阻力和转斗时向下的垂直阻力。本文分析时采用比较典型的2种工况：掘起力和牵引力组合的联合正载与联合偏载，对3种优化方案进行工作装置进行强度分析如图4所示。

图4 工作装置强度分析

分析对比结果如表2所示。

表2 优化方案运动学及动力学参数

3种优化方案结构应力相似，应力差别在3%以下，综合考虑工作装置的工艺性、互换性等因素，方案三自动放平角度4.2°符合标准3°～5°要求、举升平稳性为0.7°符合标准≤13°要求，且只需重新设计摇臂结构，故选择方案三为最终优化方案。

4 摇臂结构优化设计

根据优化方案对摇臂进行了重新设计，并对摇臂进行了强度分析结果如图5所示：在最大挖掘工况下，摇臂的最大应力为188MPa，尽管没有超过其Q345材料的屈服极限，但是摇臂的应力分布不均匀，尤其是摇臂外侧圆弧区域，存在一个较明显的应力分布区域。

图5 摇臂结构设计及分析

为了改善摇臂的受力特点，消除应力较大区域，利用OptiStruct对摇臂进行形状优化设计[5]。通过定义摇臂外侧圆弧区域的网格边界、定义最大应力150MPa，形状优化后的摇臂已经消除了应力较大区域，摇臂相同节点的应力降低20%以上，按照优化结构完成摇臂的结构设计如图6所示。

图6 摇臂结构优化结果

5 实验测试

依 据JB/T 3688.1-1996和JB/T 3688.2-1998标准要求对样机进行了测试，样机参数符合标准要求，其中自动放平角度为4.2°，与优化结果吻合。

鉴于现场试验条件及工作安全的考虑，本文采用IMC数据采集设备，参考GB/T 101752-2008，只对装载机在最大挖掘力测试工况下对工作装置摇臂、连杆进行了应力测试，得到各测点处测试应变值，再通过理论计算得出各测点处等效应力数值。测试与分析结果如表3所示，测试与分析基本吻合，摇臂应力下降了20%左右。

表3 实验与仿真结果对比

6 结 论

传统的装载机工作装置连杆机构设计方法难以同时兼顾连杆机构举升平稳、自动放平等要求，本文利用ADAMS构建了装载机工作装置参数化模型，并对机构进行了优化设计，该方案应用于某款装载机工作装置优化后，放平角度从10°降低至4.2°，满足了自动放平的要求；并对摇臂进行了形状优化设计，改善了摇臂的受力状况，使应力降低20%左右。

[参考文献]

[1]吉林工业大学工程机械教研室.轮式装载机设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1982.

[2]同济大学.铲运运输机械[M].北京：中国建筑工业出版社，1987.

[3]杨占敏，王智明，张春秋，等.轮式装载机[M].北京：化学工业出版社，2005.

[4]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京：国防工业出版社，2010.

[5]洪清泉.OptiStruct&HyperStudy理论基础与工程应用[M].北京：机械工业出版社，2012.