淺談裝載機工作裝置優化設計

摘要：

裝載機是工程機械的重要機種之一，其工作裝置設計的合理性和質量直接影響著裝載機的各項工作性能。本文應用參數優化建模和設計方法，對反轉六連桿機構建立了參數優化模型，確定了變量系統，目標和約束系統，用優化軟件進行了優化設計。對工作裝置所得的優化結果進行了分析，剖析了機構形式的優缺點和適用范圍。

裝載機是一種常用的鏟土運輸機械，廣泛應用于土木、建筑、水利、礦山等工程，起著減輕勞動強度、提高施工效率和質量的重要作用。目前國內研究和采用得較多是反轉六連桿，這種機構形式簡單、尺寸緊湊。當鏟斗鏟掘物料時由于是反轉機構，轉斗油缸大腔進油工作，可以獲得較大的鏟掘力。也就是說，鏟起同樣重量的物料，轉斗油缸的尺寸可以設計得較小。而且轉斗油缸后置，使司機有較好的視野。反轉六連桿機構尤其多用于中小型裝載機工作裝置中。本文在現有的工作裝置優化設計研究成果的基礎上，進一步研究和完善六連桿機構設計，針對六連桿機構建立有一定通用性的分析和優化模型，得出滿足設計要求的合理方案，總結設計知識和優化經驗。

1.參數優化設計概述

目前國內工作裝置的設計主要采用類比法、畫圖試湊法、解析法和參數優化方法。其中，參數優化方法越來越受到重視，取得了很大發展和廣泛應用。類比法和經驗法一般只適用于同類型產品，即結構型式、工作對象和條件基本機同的設計。這樣設計所得的產品即使通過了校核檢驗，符合基本設計要求，但是否能達到性能最優，是否是最好的設計結果，還很值得研究。參數化設計（Parametric Design）是從CAD技術中發展起來的。參數化技術主要用于結構形態比較定型的設計對象，對某定型產品，結構形式確定，根據某些具體條件和控制參數決定產品在某一結構形式下的結構參數，從而設計出不同的產品。實際上，參數化技術就是將產品的一些信息，包括尺寸、數據、特征、模式等定義為變量，這些變量的改變就表示產品模型的改變。參數化技術適用于常用件、系列件、標準件的設計，只需建模一次，就能得到不同規格的零件模型。

研究優化設計自動化的目的在于建立一個由描述產品結構的各個參數組成的設計模型。建模的內容包括：集成化數據模型的研究，對產品生命周期內各階段的數據進行統一建模；產品設計過程模型的研究；產品設計方法的研究。建模的內容主要包括參數提取、約束識別和數據管理與規劃。參數的提取是參數化設計的前提。提取工作就是要在模型和參數間建立對應關系。

優化設計是現代設計方法中的一個重要領域。可以認為，工程設計只包括兩個步驟：一是確定所有可能的設計方案；二是選擇最佳方案。可見，設計本身就是一個擇優的過程。尤其在機械設計方面，設計的本質就是要選擇最佳尺寸以滿足設計要求。傳統的設計在很大程度上依賴于設計師的經驗。對于現在復雜的工程問題，雖然設計師仍將用自己的知識和經驗引導設計進程，計算機輔助設計、優化設計等現代設計方法使設計工作更加科學和自動化。應該看到，優化設計始終是對現實問題某種程度上的簡化。

參數化設計技術當前在機械設計領域的應用主要是為優化設計建立參數化模型。從對參數的廣義理解上，凡是針對產品尺寸和性能參數的優化應該都屬于參數優化范圍。

參數優化的數學模型總結為：

2.反轉六連桿機構

目前國內用的較多的是轉斗缸后置式反轉六連桿機構，轉斗缸布置在動臂上面。這種機構又稱為z形連桿機構。它的優點是：鏟斗插入料堆進行工作時，轉斗缸大腔進油，因此連桿機構的傳力比可以得到較大的值，可獲得較大的崛起力，合理設計機構各部件尺寸可得到較好的鏟斗平移性；機構簡單尺寸緊湊，司機視野較好。缺點是搖臂、連桿和鏟斗等構件間易發生干涉。國內對反轉六連桿機構形式的設計研究較多，對其設計變量、約束和目標的描述都比較一致。從設計方法上看，優化設計等計算機輔助設計技術的應用，大大提高了工程行業中設計的自動化程度和效率。

從設計方法上看，傳統的方法是采用層次型的設計流程，先根據典型或先進樣機，確定動臂長度，形狀和與車架鉸接位置，如動臂與車架的鉸接點，在確定動臂油缸的鉸接位置和行程，然后設計連桿機構。這種樹狀設計流程用于裝載機的整體設計中是合理的，先確定斗容、機器的總體尺寸、液壓系統的工作壓力等，再確定工作裝置的機構尺寸，再確定各零件的細部尺寸。它可以將大型復雜的設計問題分解為不同層次的子問題，減小每一步的工作量。

3.反轉六連桿機構的建模和優化

建模是優化設計的前處理部分，它是對某類明確的設計對象的描述。優化設計模型由三個基本要素組成：設計變量、目標函數和約束條件，建模工作的內容包括：1）確定設計變量及其量綱；2）確定目標和約束的結構層次；3）確定各目標和約束的內容：建模首先要明確用戶市場和制造廠的要求；4）對目標和約束的定量描述和無量綱化，

3.1變量系統

輸入參數是由整機設計確定的，在工作裝置及設計中作為固定量，不允許改變。在工作裝置的設計中，斗容量、液壓系統的工作壓力、油缸個數等作為輸入參數，它們在整機設計時確定，在工作裝置中不在變動。設計變量是設計工作需要確定的參數。應選取與目標直接或間接相關的，對目標函數影響較大的參數作為設計變量。工作裝置不同的機構形式的設計變量個數不同，設計變量個數越多，解的維數越高，解的空間越大，解的難度也越高，尋優所需的時間也就越多。在目標和約束函數的計算中要用到許多中間參數，中間參數只起到傳遞數值，減小建模工作量的作用，不影響設計結果。將反復用到中間參數的計算寫成輔助函數，可以減小編程工作量。

3.2目標系統

目標函數是以計算變量表示所要追求的某種性能指標的解析表達式或經驗關系式。目標一般用柔性的方式表達，即希望函數值越大越好或越小越好，或盡量接近某個理想值，目前多目標優化問題已成為設計的主流。工作裝置的部分優化正向著整體優化、組合優化發展。實際模型選取了7類目標，如下圖1所示，

3.3約束系統

約束是設計必須或希望滿足的要求。它直接決定著設計結果的可行性和質量。對于工作裝置，主要是機構各鉸點（包括油缸）的空間布置要求。考慮到工作裝置復雜的工作過程和環境，約束也必須能綜合地保證機構的各項工作性能，如機構必須達到要求的卸載高度、任何情況下各構件間不能干涉、鏟斗應能較干凈地卸料、各構件應有足夠的強度等。工作裝置優化模型的約束分類如下圖2所示：

4.結語

本文對裝載機的反轉六連桿工作裝置進行了運動學和靜力學分析，歸納出了其工作過程中必須滿足的各種條件。確定了變量系統，目標和約束系統，為全面優化奠定基礎。總體上，對裝載機工作裝置所建立的模型是合理的、實用的，優化是有成效的。