渣斗門式起重機(jī)翻渣機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)布局優(yōu)化分析

李 靖，姜婷婷

(1.山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250200；2.山東彼岸電力科技有限公司，山東 濟(jì)南 250200)

近年來我國地鐵工程、地下管廊等地下隧道工程發(fā)展迅速，與之配套的渣土搬運(yùn)設(shè)備是關(guān)鍵裝備之一。根據(jù)起重機(jī)械作業(yè)特點(diǎn)以及市場需求，為配合地下隧道工程的修建，諸多起重機(jī)械廠家采用門式起重機(jī)進(jìn)行渣土的搬運(yùn)工作，即渣斗門式起重機(jī)。渣斗門式起重機(jī)除了具備普通門式起重機(jī)的功能外，最大的特點(diǎn)是具有翻渣功能，與起升機(jī)構(gòu)配合，實(shí)現(xiàn)地下隧道的渣土提升、搬運(yùn)工作。

目前，國內(nèi)市場現(xiàn)有的渣斗門式起重機(jī)，多為雙梁門式起重機(jī)。配置的翻渣機(jī)構(gòu)的工作方式一般有兩種：一種是將渣斗搬運(yùn)到特制的傾倒支架上，下放門式起重機(jī)吊鉤，利用渣斗自重實(shí)現(xiàn)渣土的傾翻，該方法效率低下、缺乏靈活性；另外一種是起重小車架配置傾倒渣土機(jī)構(gòu)，通過動(dòng)力裝置，采用連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)渣土的傾翻，該方法工作效率高，易于控制，本文主要針對液壓式翻渣機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析優(yōu)化。

1 液壓式翻渣機(jī)構(gòu)工作原理

液壓式翻渣機(jī)構(gòu)的組成如圖1所示，包括小車架、翻渣機(jī)構(gòu)、渣斗等部分。翻渣機(jī)構(gòu)工作原理如下。

圖1 液壓式翻渣機(jī)構(gòu)

1)首先下降起重機(jī)械的起升機(jī)構(gòu)吊裝工具，直至吊具能夠吊裝渣斗的吊耳位置處，吊具采取特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，方便渣斗翻轉(zhuǎn)的同時(shí)，保證渣斗的吊耳不易脫落。

2)伸縮翻渣機(jī)構(gòu)的油缸，使得翻渣掛鉤擺出空間，以便起升機(jī)構(gòu)動(dòng)作，吊具和渣斗上升時(shí)，不與掛鉤干涉。

3）起升機(jī)構(gòu)動(dòng)作，提升渣斗，為了實(shí)現(xiàn)渣斗的翻轉(zhuǎn)，提升距離保證渣斗的底部超過翻渣掛鉤的中心線位置。

4）翻渣機(jī)構(gòu)的伸縮油缸動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)翻渣掛鉤向渣斗靠近，使得掛鉤鉤頭中心面與渣斗下部鉤點(diǎn)中心面重合，此時(shí)起升機(jī)構(gòu)動(dòng)作，下降吊具，實(shí)現(xiàn)渣斗的下部鉤點(diǎn)與翻渣掛鉤的鉤點(diǎn)重合，鎖住伸縮油缸，防止翻渣過程中，油缸動(dòng)作。

5)繼續(xù)降低起升高度，吊具下降，由于渣斗底部與翻渣掛鉤鉸接，渣斗將以鉤點(diǎn)為圓心，進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，達(dá)到渣土傾倒的目的。

6)渣斗翻轉(zhuǎn)至170°時(shí)，待渣土傾倒完畢，上升吊具，向反方向翻轉(zhuǎn)渣斗至傾翻前狀態(tài)，此時(shí)翻渣機(jī)構(gòu)伸縮油缸動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)掛鉤與渣斗底部分離。

7)將渣斗降至裝渣土的初始位置，繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)動(dòng)作。

2 翻渣機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型建立

根據(jù)翻渣機(jī)構(gòu)工作原理，便于計(jì)算將翻渣簡化，模型如圖2所示，實(shí)線為機(jī)構(gòu)初始狀態(tài)；虛線為終止?fàn)顟B(tài)。

圖2 翻渣機(jī)構(gòu)簡圖

以B點(diǎn)為中心，根據(jù)力矩平衡的原理，進(jìn)行受力分析計(jì)算。設(shè)定A點(diǎn)坐標(biāo)為（xA，yA）、B點(diǎn)坐標(biāo)為（xB，yB）、C點(diǎn)坐標(biāo)為（xC，yC），得：

式中n——油缸數(shù)量；

F0——油缸推力；

G——吊物、吊具架及附屬件的重量；

l0——油缸的力臂；

l1——吊物、吊具架及附屬件的力臂。

由式(1)、式(2）、式(3）可知

3 翻渣機(jī)構(gòu)仿真模型建立

為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)仿真，需要將翻渣機(jī)構(gòu)的OB部件與大地進(jìn)行固定，伸縮油缸與OB部件之間采用鉸接副，其他部件在A、B、C三點(diǎn)同樣采用鉸接連接副，推拉油缸的缸筒與缸桿之間采用直線運(yùn)行副的方式約束，翻轉(zhuǎn)掛鉤的底面添加始終與地面平行的約束。設(shè)定需要進(jìn)行優(yōu)化的點(diǎn)位置為A、B、C三點(diǎn)，在伸縮油缸處施加動(dòng)力，對此機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，仿真模型如圖3所示。

圖3 翻渣機(jī)構(gòu)仿真模型

根據(jù)已知條件，對各個(gè)零部件的特征參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整、修改，直到滿足工作要求（油缸峰值最小、壓力梯度變化小）。

4 翻渣機(jī)構(gòu)的優(yōu)化過程

優(yōu)化開始前設(shè)定兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)為：伸縮油缸作用力最小和伸縮油缸壓力變化梯度最小。優(yōu)化流程如圖4所示。控制伸縮油缸在仿真時(shí)的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)翻渣機(jī)構(gòu)的動(dòng)作原理，模擬仿真翻渣過程，翻渣角板由初始狀態(tài)移動(dòng)到終止?fàn)顟B(tài)停止。設(shè)定伸縮油缸的作用力最大值為最小值作為最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，通過模擬仿真，計(jì)算出油缸作用力的變化趨勢線。因優(yōu)化的點(diǎn)位置為A、B、C三點(diǎn)，所以確定設(shè)計(jì)變量為xA設(shè)為DV1，yA設(shè)為DV2，xB設(shè)為DV3，yB設(shè)為DV4，xC設(shè)為DV5，yC設(shè)為DV6。

圖4 優(yōu)化流程圖

優(yōu)化迭代過程如圖5所示，經(jīng)過多次的迭代計(jì)算，通過曲線可以找出最優(yōu)解。

圖5 油缸作用力優(yōu)化迭代曲線

5 優(yōu)化結(jié)果

進(jìn)行優(yōu)化工作前，通過經(jīng)驗(yàn)給定初始值，設(shè)置變量的步長為10mm，采用ADAMS自帶的梯度法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。通過曲線可知，伸縮油缸的壓力最大值下降了30.6%，壓力梯度變化值下降了27.4%，滿足工程設(shè)計(jì)要求。輸出優(yōu)化分析結(jié)果（表1）。根據(jù)工程實(shí)際設(shè)計(jì)需要，確定最終設(shè)計(jì)的A、B、C三點(diǎn)位置分別為（190，545）、（240，755）、（240，1655）。

表1 優(yōu)化分析結(jié)果

6 結(jié)語

本文介紹了一種液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)渣土傾翻的翻渣機(jī)構(gòu)，利用ADAMS軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，在ADAMSview里建立了翻渣機(jī)構(gòu)的多剛體動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，動(dòng)態(tài)仿真各種技術(shù)參數(shù)，以油缸力最大值最小化、油缸壓力變化梯度小為優(yōu)化目標(biāo)，對機(jī)構(gòu)中鉸點(diǎn)位置坐標(biāo)值參數(shù)化，仿真翻渣過程，最后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。確保機(jī)構(gòu)正常的工作狀態(tài)下，微調(diào)機(jī)構(gòu)參數(shù)化的坐標(biāo)，從而最大限度地使油缸力最大值最小化，壓力變化梯度小。本文為同類型翻渣門式起重機(jī)的翻渣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路。