（机械制造及其自动化专业论文）井下装载机工作装置性能提升及结构优化研究.pdf

；i ，ij ? 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：丝年丘月互日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：蚺导师签名扬幽吼业年上月三日 摘要 井下装载机是地下矿山无轨采掘作业必备的主体设备之一，它依 靠自身工作装置的运动来完成物料的装、运、卸，因此工作装置的结 构和性能直接影响整机的工作尺寸和性能参数。工作装置设计包括连 杆机构的结构参数设计和工作装置各部件的结构设计。本文以某型号 井下装载机工作装置为例，对其连杆机构的结构参数进行优化设计。 针对z 型反转六杆机构结构特点，设计开发了连杆机构优化设计软 件，而后分别对优化前后工作装置进行多刚体运动学和动力学仿真分 析，并对在静态载荷下工作装置的受力状况进行有限元分析。主要研 究内容包括： 1 对工作装置三维立体模型进行处理，推导出杆系几何结构基本 关系式，建立连杆机构优化设计数学模型，采用约束复合形法的改进 算法，对连杆机构结构参数进行优化，优化之后工作装置的动力性能 和卸料性能得到不同程度的提高。 2 结合工作装置六杆机构特点，利用m a t l a b 软件g u i d e 平 台，设计开发了集井下装载机工作装置运动仿真、动态显示、齿尖运 动轨迹及性能曲线和数据自动生成于一体的优化设计软件，通过对某 型号井下装载机优化前后工作装置运动分析仿真计算对比和装载机 铲斗齿尖运动轨迹的测量实验，验证了所开发软件的正确性和可靠 性。 3 建立了井下装载机工作装置虚拟样机数字模型，对优化设计前 后工作装置进行多刚体运动学和动力学仿真计算，获得工作装置各重 要杆件和铰接点的运动特性和动力学特性，精确地反映了井下装载机 工作装置的实际运动过程和受力状态，为更加合理地进行各构件质量 的分配和强度分析计算提供了重要依据。 4 建立了井下装载机工作装置有限元模型，对典型工况进行静力 学分析，找出工作装置应力集中处和应力最大值，并通过对工作装置 反复修改、重新建模、计算，确定动力学修改最佳方案，使工作装置 的应力状态达到最佳水平。 关键字：并下装载机，工作装置，优化设计，有限元，虚拟样机，仿 真 琏p a bs t r a c t s c r a p e ri so n eo ft h ek e ye q u i p m e n t su s e di nu n d e r g r o u n dt r a c k l e s s m i n e s i th a st h r e ef u n c t i o n so fl o a d ，h a u la n dd u m pw i t ht h em o t i o n so f i t sa im s y s t e m ，t h e r e f o r e ，t h es t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f t h ea r ms y s t e mc o u l da f f e c tt h e s c r a p e rd i r e c t l y o nt h es i z ea n d p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s t h ed e s i g no f t h ea r ms y s t e mi n c l u d e ss t r u c t u r a l p a r a m e t e r sd e s i g no fl i n k a g ea n ds t r u c t u r a ld e s i g no f a l lc o m p o n e n t s t h e s t u d yi nt h i sp a p e rw a s b a s e do ns o m es c r a p e ra r l i ls y s t e m ，t h ew o r kt h a t s t u d i e di n c l u d eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fl i n k a g es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，t h e d e v e l o p m e n to fl i n k a g ed i g i t a ld e s i g ns o f t w a r ew h i c hb a s e do nt h e s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fzs t y l ei n v e r s i o ns i x - b a rl i n k a g e ，t h e m u l t i - r i g i d - b o d yk i n e m a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i st h a td i db e f o r ea n d a f t e r t h ea r ms y s t e mo p t i m i z a t i o n ，a n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ff o r c e c o n d i t i o na tt h es t a t eo fs t a t i c t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e d ： 1 s o m ep r e d i g e s tt r e a t m e n t sw e r em a d et ot h e3dg e o m e t r i cm o d e l o ft h ea r ms y s t e m ，b e f o r ei tw a st u m e di n t op l a n ef r a m es t r u c t u r e s b y e x t r a c t i n gt h eb a s i cr e l a t i o n s h i p s f r o mt h eg e o m e t r i cs t r u c t u r e ，t h e l i n k a g em a t h e m a t i cm o d e lf o ro p t i m i z a t i o nd e s i g nw a se s t a b l i s h e d a n d t h eo p t i m i z a t i o nt os t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fl i n k a g ew a se x e c u t e db y a d o p tt h ei m p r o v e da l g o r i t h m o fc o n s t r a i n e d c o m p l e xm e t h o d t h e p e r f o r m a n c eo fp o w e ra n dd u m p ，b yt h ed i f f e r e n td e g r e e ，w a si m p r o v e d 2 c o m b i n e dw i t ht h es i x b a rl i n k a g ec h a r a c t e r i s t i c so fa ims y s t e m ， b yu s i n gg u i d e ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c ed e s i g ne n v i r o n m e n t ) p l a t f o r m o fm a t l a b ，as c r a p e ra r ms y s t e md i g i t a ld e s i g ns y s t e mw a sd e v e l o p e d ， w h i c ha s s e m b l e ds o m ef u n c t i o n si n t oo n e ，t h e s ef u n c t i o n si n c l u d et h e s i m u l a t i o na n dd y n a m i cd i s p l a yo fa r ms y s t e m ，t r a j e c t o r i e so fc u s p a u t o m a t i c a l l yd r a w i n g a n dt h ec u r v ea n dd a t ao fp e r f o r m a n c e a u t o m a t i c a l l yg e n e r a t i o n t h ec o r r e c t n e s sa n dr e l i a b i l i t yo ft h eo p t i m i z e m o d e lw a sv e r i f i e db yt h es i m u l a t i o no fm o t i o na n a l y s i sb e f o r e o p t i m i z a t i o n 3 t h ev i r t u a lp r o t o t y p ed i g i t a lm o d e lo fs c r a p e rw a sb u i l t t h e m o v e m e n ta n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f i m p o r t a n tp o l e sa n dh i n g ep o i n t s i i 虫虚太堂亟堂僮i 佥室 旦s 坠g ! o fa r ms y s t e m ，w h i c ho b t a i n e df r o mm u l t i - b o d yk i n e m a t i ca n dd y n a m i c s i m u l a t i o nt h a td i db e f o r ea n da f t e rt h ea r i d s y s t e mo p t i m i z a t i o n ， a c c u r a t e l yr e f l e c t e dt h em o t i o na n df o r c ec o n d i t i o no ft h es c r a p e ra r m s y s t e m ，a n dp r o v i d e da ni m p o r t a n tb a s i sf o ram o r er a t i o n a lc o m p o n e n t s m a s sd i s t r i b u t i o na n ds t r e n g t hc a l c u l a t i o n 4 t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo ft h es c r a p e ra r ms y s t e mw a s m a d e t h em a x i m u ms t r e s sv a l u ea n dt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o np o s i t i o n s w e r ef o u n dt h r o u g hs t a t i ca n a l y s i so ft y p i c a lc o n d i t i o n a n dt h eb e s t s c h e m eo fd y n a m i cm o d i f i c a t i o no fa r ms y s t e mw a sc o n f i r m e db y m o d i f y i n g ，m o d e l i n ga n dc a l c u l a t i n ga g a i na n da g a i n ，s ot h a tt h es t a t eo f t h es t r e s sc o u l db ei nt h eb e s ts t a t e k e y w o r d s ：s c r a p e r ，a r ms y s t e m ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，f i n i t e e l e m e n t ，v i r t u a lp r o t o t y p e ，s i m u l a t i o n i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论1 1 1 井下装载机工作装置概述1 1 1 1 井下装载机工作装置的结构1 1 1 2 工作装置连杆机构的结构形式及其特点2 1 2 井下装载机工作装置的研究现状6 1 2 1 工作装置连杆机构的研究7 1 2 2 工作装置结构性能研究8 1 2 3 工作装置动态分析与设计研究9 1 3 课题来源、选题意义及主要研究内容1o 第二章井下装载机工作装置优化设计。1 3 2 1 井下装载机工作装置设计基础1 3 2 1 1 井下装载机工作装置的基本概念1 3 2 1 2 工作装置的典型作业工况1 4 2 1 3 工作装置设计的基本要求1 5 2 2 铰链四连杆机构运动学分析。1 5 2 3 优化算法的介绍和选取2 0 2 3 1 优化算法介绍2 0 2 3 2 优化算法的选取2 7 2 4 工作装置六杆机构的优化设计2 7 2 4 1 井下装载机工作装置性能评价指标的定义2 8 2 4 2 井下装载机工作装置性能参数的定量计算分析2 9 2 4 3 六杆机构优化设计数学模型的建立3l 2 4 4 优化求解3 6 2 4 5 优化后工作装置性能分析3 7 2 5 小结4 0 第三章工作装置优化设计软件的开发研究4 l 3 1 工作装置运动状态图的绘制4 1 3 1 1 工作装置分析模型的建立4 2 3 1 2 工作装置动态显示与运动仿真的实现与编程4 2 3 2 工作装置性能参数数字化求解。4 5 3 2 1 工作装置性能参数的编程求解思想4 5 3 2 2 工作装置性能参数的计算程序4 6 3 3 工作装置数字优化软件的开发4 7 3 3 1 软件开发平台和编程语言介绍4 8 3 3 2 工作装黄优化设计软件功能介绍4 9 3 3 3 应用实例5 1 3 4 小结5 3 虫直太堂亟堂僮i 金塞目丞 第四章工作装置多刚体运动学与动力学仿真分析5 4 4 1 仿真软件的选择5 4 4 2 井下装载机工作装黄虚拟样机模型的建立5 5 4 。2 1 工作装置三维几何模型的建立5 5 4 2 2 添加约束和驱动5 5 4 2 3 施加载荷5 6 4 3 工作装置多体系统运动学与动力学仿真结果分析。5 7 4 3 1 工作装置多体系统运动学分析5 7 4 3 2 工作装置多体系统动力学分析5 9 4 4 优化后工作机构动力学分析6 2 4 5 工作装置运动学和动力学仿真结果分析6 5 4 6 ，j 、结6 5 第五章工作装置有限元分析研究6 7 5 1 有限元模型的建立6 7 5 1 1 工作装置有限元模型的建立6 8 5 1 2 整车有限元模型的建立6 8 5 2 有限元分析。6 9 5 2 1 有限元模型的导入6 9 5 2 2 有限元模型的网格化6 9 5 2 3 作用力的确定6 9 5 2 4 边界条件的确定7 0 5 2 5 有限元模型分析计算结果7 1 5 2 6 有限元计算结果分析7 5 5 3 连杆机构优化后工作装置有限元分析7 5 5 3 1 连杆机构优化后工作装置有限元分析7 6 5 3 2 耳板尺寸对工作装置应力水平的影响7 7 5 4 小结7 8 第六章装载机铲斗齿尖运动轨迹测试实验7 9 6 1 实验目的7 9 6 2 测试方法7 9 6 3 实验条件。7 9 6 4 数据分析与处理7 9 6 5 测试结果及分析8l 6 6 小结。8 3 第七章全文总结与展望。8 4 7 1 全文总结8 4 7 2 展望。8 5 参考文献。8 6 翌哎谢9 0 攻读学位期间主要的研究成果9 1 附录9 2 v 第一章绪论弟一早三百下匕 “井下装载机 又成地下铲运机，铲运机一词是参考英文“l h du n i t ” ( l o a d h a u l d u m pu n i t ) ，即装一运一卸设备演绎而来。井下装载机的原动机有柴 油机和电动机两种，它是以液压传动或液力一机械传动、铰接式车架、轮胎行走、 前端前卸式铲斗的装载、运输或卸载设备，主要用于地下矿山和隧道工程。它与 地面或露天矿使用的装载机有许多相似之处，其主要区别是井下装载机机身低 矮、驾驶室横向布置、采用光面或半光面地下耐用切割工程轮胎且以柴油机为原 动机的井下装载机还装有柴油尾气净化装置【1 1 。 按动力源来分，井下装载机可分为以柴油机为动力的内燃井下装载机和以电 动机为动力的电动井下装载机。 按斗容来分，大致可分为： 小型井下装载机：斗容1 5 m 3 ( 2 码3 及以下) 的井下装载机； 中型井下装载机：斗容2 - 4 m 3 ( 3 5 码3 ) 的井下装载机； 大型井下装载机：斗容4 m 3 以上( 5 码3 以上) 的井下装载机。 1 1 井下装载机工作装置概述 井下装载机工作装置是井下装载机的关键部件之一，是一个能完成铲、装、 运、卸作业并带有液压缸的多杆机构，其设计水平的高低直接影响工作装置性能 的好坏，进而影响整机的工作效率、工作负荷、动力与运动性能、工作循环时间 ( 包括铲取、举升、卸料和铲斗返回到原位的时间) 和外型尺寸等1 1 。 1 1 1 井下装载机工作装置的结构 井下装载机工作装置由铲斗、连杆机构及液压系统等组成。 铲斗是井下装载机工作装置的重要部件，在井下装载机工作中，既用铲斗直 接切削、铲掘物料，又用它装载、运输和倾卸物料。它由前刃( 有的装有斗齿) 、 侧刃、斗底、后壁、侧壁及后挡板焊接而成的斗形构件【2 】。井下装载机工作装置 的连杆机构包括动臂举升机构和铲斗转斗机构两大部分。动臂举升机构由举升油 缸和动臂组成。动臂的一端铰接在车架上，由举升油缸的活塞杆伸缩来完成工作 机构的举升与下降动作。转斗机构由转斗油缸、摇臂、拉杆和铲斗等组成。由转 斗油缸控制转斗的动作。井下装载机工作装置的液压系统用来驱动它的执行元件 转斗油缸和举升油缸以完成铲斗插入、翻转、举升、倾卸等动作。 生直太堂亟堂僮途塞簋= 童绪i 金 整个工作装置铰接在前车架上。铲斗通过拉杆和摇臂与转斗油缸铰接，用以 装卸物料，动臂与车架及与举升油缸铰接，用以升降铲斗。铲斗的翻转和动臂的 升降采用液压控制。 图1 - 1 井下装载机工作装置 l 一前车架；2 一转斗油缸；3 一摇臂；4 一拉杆；5 一铲斗；6 一动臂；7 一举升油缸 图1 1 所示为工作装置中常用的z 型反转六杆机构，由铲斗、动臂、连杆、 摇臂、转斗油缸和举升油缸组成。 1 1 2 工作装置连杆机构的结构形式及其特点 工作装置连杆机构的类型和尺寸直接影响到井下装载机的综合性能，好的连 杆机构可以保证铲斗在动臂举升工况实现平动或接近平动，满足铲取或卸载工况 时铲斗绕动臂铰接点的回转角度，实现铲斗的铲取和卸载动作【3 】【4 l 。 工作装置的连杆机构为封闭运动链的单自由度平面低副运动机构，结合国内 外装载机和井下装载机工作装置结构类型，可按如下方式对连杆机构进行分类： 按构件数不同可分成三杆、四杆、五杆、六杆和八杆机构，目前，在井下装载机 工作装置中，设计和使用较为广泛的为四连杆、六连杆和八连杆机构；按输入和 输出杆的转向是否相同，连杆机构可分为正转( 同向) 和反转( 反向) 连杆机构。 四杆机构：由四个两铰构件( 包括机架、动臂、拉杆和框架) 组成。铲斗和 转斗油缸固定在框架上。为了使铲斗能在动臂举升过程中能作平移或者近似平移 运动，四连杆机构的形状必须保证是平行四边形或者接近平行四边形。 如图1 2 所示正转四杆机构，该类型机构结构较为简单，铲斗举升时平移性 能较好，前悬小；缺点是铲掘收斗时转斗油缸小腔进油，作用力小；连杆机构的 传力比难以设计成较大值，因此铲掘力相对较小；转斗油缸的行程大，油缸结构 较长；铲斗卸料时，活塞杆容易与铲斗发生干涉；另外，此机构不易实现铲斗自 动放平。 2 图1 - 2 四杆机构 六杆机构：对于单自由度的六连杆机构，其组成只能是两个三铰构件和四个 两铰构件【引，其结构方案如图1 3 所示。其中，图1 3 a 所示方案形成的工作装置 是以三铰构件a 为动臂、三铰构件d 为摇臂，构件b 为铲斗、构件f 为机架。而 图l 一3 b 所示的结构方案目前在井下装载机工作装置上暂未见采用。 b a a ) b ) 图1 - 3 六杆机构结构方案 根据转斗油缸布置位置的不同，常见的井下装载机工作装置六杆机构的结构 形式有如下几种： 1 ) 转斗油缸前置式正转六杆机构 转斗缸前置式正转六杆机构结构简图如图1 4 所示，其优点是转斗油缸直接 与摇臂相连接，易于设计成两个平行的四连杆机构，铲斗的平移性较好；结构比 较简单，司机视野较好。其缺点是：转斗时油缸的的小腔进油，铲掘力相当较小； 连杆机构传力比较小，转斗缸的活塞行程较大。由于转斗油缸前置，使得井下装 载机工作装置的整体重心外移，增大了工作装置的前悬量，因此整机的稳定性和 行驶时的平稳性受到影响；另外，此机构不易实现铲斗的自动放平。 图卜4 转斗油缸前置式正转六杆机构 图卜5 转斗油缸后置式正转六杆机构 3 主直太堂亟堂僮i 金塞箍= 童绪论 2 ) 转斗油缸后置式正转六杆机构 如图1 5 所示，转斗油缸布置在动臂的上方，与转斗缸前置式正转六杆机构 相比，此机构前悬较小，传动比较大，活塞行程较短；可以将动臂、转斗油缸、 摇臂和连杆机构的中心线设计在同一平面内，从而简化工作装置结构，改善动臂 和铰销的受力状态。它的缺点就是转斗油缸和车架的铰接点位置较高，容易影响 司机的视野。 3 ) 转斗油缸后置式正转六杆机构 如图1 - 6 所示，此类型机构与转斗缸前置式反转六杆机构类似，区别在于将 转斗油缸与前车架铰接，布置在动臂下方。该机构优点为：在铲掘收斗时，转斗 缸的大腔工作，能产生较大的掘起力。缺点为组成工作装置的各构件很难布置在 同一工作面，构件的受力状态较差。 图卜6 转斗油缸后置式正转六杆机构图卜7 转斗油缸后置式反转六杆机构 4 ) 转斗油缸后置式反转六杆机构 这种机构如图1 7 所示，将转斗油缸布置在动臂上面，进行铲掘作业时，转 斗油缸的小腔作用。这种机构亦称为“z 型连杆机构，该机构具有如下优点： 1 ) 铲斗插入时转斗缸大腔进油，并且连杆机构的传力比可以设计成较大值，故 可获得较大的掘起力：2 ) 恰当地设计连杆机构中各构件的尺寸，不仅可以得到 良好的平移性能，而且可以实现铲斗的自动放平；3 ) 结构紧凑，前悬小，司机 视野好。该连杆机构的缺点就是摇臂和连杆布置在铲斗和前桥之间的狭窄部位， 各构件间易发生干涉【6 1 。 5 ) 转斗油缸前置式反转六杆机构 如图1 8 所示，转斗油缸布置在靠近铲斗的位置，铲掘时小腔作用。此机构 优点较少，设计人员目前已很少采用。 图1 - 8 转斗油缸前置式反转六杆机构 4 生直太堂亟堂僮迨塞筮= 童绪谂 八杆机构：单自由度的八连杆机构有三种可能组成方案【| 飞由两个四铰构件 和六个两铰构件组成；由一个四铰构件，四个三铰构件和五个两铰构件组成和由 四个三铰构件和四个两铰构件组成，基本结构形式有1 6 种。八连杆机构的结构 形式众多，设计时需选择使用。连杆机构的选择原则可归纳如下1 5 】： 1 ) 以八连杆可能出现铰点数最多的构件一四铰构件为动臂。由机构分析可 知，八连杆机构必须有三个封闭回路，以四铰构件为动臂，则每个封闭回路都以 动臂为其一个边。 2 ) 三个回路最好都是四边形，两个四边形和一个五边形封闭回路。 3 ) 多铰构件最好与动臂或机架相连。 根据以上原则，八连杆机构最适合的结构形式只有两种，即目前井下装载机 和装载机工作装置八杆机构主要使用的两种结构形式，如图1 - 9 所示。由1 - 9 结 构形式组成的工作装置分别如图1 1 0 所示。 a ) 图1 - 9 八杆机构的构成方案 a ) b ) b ) 图1 - 1 0 八杆机构工作装置的结构形式 井下装载机工作装置连杆机构以动臂为固定件的系统当中，机架和铲斗的转 向应相同。因此，四连杆机构的工作装置不可能是反转连杆机构；六连杆机构工 5 虫直太堂亟堂僮途塞箍二重绪i 金 作装置可以由两个反转四连杆机构组成；八连杆机构工作装置可以由两个反转四 连杆机构和一个正转四连杆机构组成。在井下装载机或者装载机工作装置连杆机 构中，反转连杆机构( 不一定是四连杆机构) 应该成对出现【5 】。 六连杆结构工作装置是目前井下装载机乃至装载机使用最为普及的一种结 构形式，其中转斗缸后置式反转六杆机构，结构相对简单、紧凑，前悬小，在避 免各构件发生干涉的前提下，连杆机构不仅可以设计出较大的传力比，实现较大 的掘起力，而且可以得到良好的平移性能和自动放平性能。本课题的性能提升研 究对象即为z 型反转六杆机构工作装置。 1 2 井下装载机工作装置的研究现状 过去很长一段时间，井下装载机工作装置的设计基本采用类比法和作图试凑 法，这种设计工作繁琐、设计精度不高、周期长，而且不易获得各项指标都比较 满意的设计方案。为了寻求一组比较满意的方案，往往需要完成大量的手工作图 工作。这样，不仅设计效率低，而且对样机的依赖性较强，不利于创新。 以往采用的井下装载机工作装置的设计方法，归纳起来包括以下几种： 1 、类比试凑作图法【5 j ； 2 、基于平移的作图法【8 】； 3 、覆盖法【习； 覆盖法必须事先确定随动臂的举升铲斗位置角的变化规律，再通过繁琐的作 图试凑来确定连杆机构的参数。由于该方法过分强调工作装置的平移性，其结果 不能保证铲斗的自动放平。 4 、解析法【9 - 1 2 】 解析设计方法考虑的因素比较全面，但连杆机构三个主要构件长度之间关系 方程式的建立是以绝对平移性为条件的，容易出现转斗缸行程过长以及下摇臂引 起的干涉现象。 5 、综合图解设计法 此方法是基于大量的作图、分析及电子计算机辅助设计的结果而提出的一种 图解分析法。当确定了铲斗的形状，并按最大卸载高度、最小卸载距离、卸料角 以及铲斗相对前车轮的位置等确定动臂长度l 之后，综合尺寸及图解设计，确 定其它铰接点位置的设计方法【1 3 1 。 综上可见，过去采用的设计方法都遵循一般连杆机构的位置综合原则，多数 方法侧重考虑工作装置的平移性与卸料性，不能全面分析卸料性与平移性、动力 性及铲斗自动放平性能之间的矛盾关系。 6 史直太堂亟堂焦j 金塞筮二童绪i 金 伴随着计算机技术和工程机械行业的发展，井下装载机的研究渐渐地改变了 以往传统的效率地下的手工设计方法，到目前为止，井下装载机工作装置的发展 主要倾向于以下几方面： 1 2 1 工作装置连杆机构的研究 井下装载机连杆机构的研究范围非常广泛，它包括工作装置连杆机构结构的 设计、工作装置连杆结构的优化设计、连杆机构性能的计算、分析和工作装置的 c a d 方法等。在井下装载机工作装置设计之前首先应确定工作装置连杆机构的 类型和结构。 井下装载机连杆机构的设计是一个比较复杂的工作，由于工作装置是一个多 杆机构，不同方案有着不同的杆件结构，因此，工作装置的设计首先涉及到方案 选择的问题；好的工作装置设计方案，只有在综合考虑各种因素的前提下，对工 作装置性能进行全面地分析，通过比较多种方案，运用现代设计方法，才能最后 挑选出最佳构件尺寸及铰接点位置，使工作装置的设计方案不仅满足使用要求而 且具有较高的技术经济指标。 1 、工作装置连杆机构的设计 在井下装载机的概念设计阶段，即方案设计阶段，可采用结构模块化的设计 方法对工作装置的方案设计进行研究1 1 4 】。首先将所有类型并下装载机工作装置 处理成一个移动副和两个转动副的机械手系统，建立工作装置机械手模型；然后， 按工作要求给出工作机构总体功能和分功能，并细分下去，最终使分功能各自对 应一个具体结构，生成联系分功能和具体结构的功能的技术矩阵，实现了按机构 动作功能分解与组合原理进行机构的形式综合；得到一个方案后，进一步应用轨 迹综合法和函数综合法对基本结构进行尺度综合。 2 、连杆机构的优化设计 优化设计方法是一种自动选优的现代设计法。数学规划理论的创立，电子计 算机的普及，使得优化设计方法得以实现。进入7 0 年代，优化设计方法在国外 工程机械行业已有一些的报道【1 5 】【1 6 l 。从8 0 年代开始，优化设计在井下装载机工 作装置的设计中即得到了比较广泛的应用，研究问题亦涉及到工作装置设计的各 个方面，如工作装置连杆机构的优化设计【1 7 】【1 8 】、极限传动角的优化求解和极限 卸料工况的优化确定【1 9 1 、工作装置结构和布局的优化设计 2 0 l 。文献1 9 1 中通过采 用遗传算法分别对工作装置的连杆机构和举升机构以最大传力比作为优化目标 函数对工作装置进行了优化设计。其连杆机构部分设计变量包括确定结构位置的 1 2 个参数。同时，该论文利用v i s u a lc h 语言编写开发了工作装置运动仿真软件， 该软件功能包括工作装置的运动仿真和性能评估。 7 生直太堂殛堂僮论室 一箍二童绪论 3 、连杆机构的反求设计 由于国内井下装载机的设计制造水平还赶不上国际水准，在引进国外产品的 同时，应用反求工程的理论消化吸收先进的设计思想，并运用到自身的设计当中， 是井下装载机工作装置设计的一个重要方面。文献【2 1 】应用反求技术对国外某型 号装载机的一种新型工作装置进行了反求设计；文献【2 2 】中介绍了一个装载机新 型连杆机构反求设计的案例，作者不仅使用了反求工程方面的技术，而且将相似 设计理论和优化设计方面的知识运用其中。 4 、工作装置的c a d 方法 井下装载机产品设计，由于c a d 技术在国内的推广和应用，已基本采用计 算机进行辅助设计。设计领域广泛采用c a d 技术，可以改变传统的设计方法， 扩大计算机应用范围，密切理论与实际的联系，促使基础理论的深入发展【2 3 l 【1 4 1 。 a u t o c a d 和s o l i d w o r k s 等二维和三维绘图软件的应用，使井下装载机工 作装置的设计，完成了“甩图板”工程。采用三维绘图软件，可以对工作装置进 行装配的干涉检验，在参数化设计、零件和模型的修改方面均有很大的提高【1 9 l 。 5 、工作装置的性能分析 工作装置的性能分析以往多采用作图分析法和手工计算法，这样不仅工作繁 重，而且精度比较低。现在通过采用计算机辅助分析法可以大大降低工作量，提 高性能分析的效率和精度。 利用计算机对工作装置性能进行分析方法的核心思想为：首先建立某型号工 作装置性能评价指标参数的数学模型，编写数学模型计算程序，然后输入工作装 置参数利用已编程序进行分析并输出计算和分析结果【1 7 】。 国内学者还有采用相似设计法【2 4 1 、概率法1 2 5 1 和复杂连杆机构拆成基本杆组 【t 2 j 等分析方法进行井下装载机工作装置连杆机构的设计、分析与计算。 1 2 2 工作装置结构性能研究 进入1 9 世纪8 0 年代，国外在工程机械所有结构件和主要零部件的强度、刚 度和稳定性的分析中，有限元法作为一种常用的基本方法已被广泛使用。工程机 械工作情况复杂多变，作业环境恶劣，结构受力状态不确定，若采用传统的一般 力学分析方法，不能正确的反映其实际状态。有限元法可以模拟各种边界条件， 较真实地反映出工作装置实际结构的形状、边界条件和变载情况。 井下装载机工作装置工作过程复杂，作业环境恶劣，工作装置结构的受力状 态不确定，传统的强度计算方法在进行计算时，通常要对工作装置所受的外载荷 进行大量的简化，而且在受力分析时通常需要做一定的假设，因此不能正确地反 映井下装载机工作装置的实际受力情况。有限元法是装载机结构强度分析的有力 8 主直太堂亟堂鱼途塞筮二童绪逾 工具【2 6 】1 2 7 1 ，文献 2 8 对装载机摇臂强度进行有限元计算，找出摇臂失效的原因， 并依据计算结果提出改进措施和建议，文献 2 9 通过对w j d _ 1 5 型井下装载机动 臂进行动力学仿真和有限元分析，为产品的局部更新和全新设计均提供了重要参 考依据，边界元法将有限元计算用于装载机动臂强度分析【3 0 l l 有限元法更有效。 结合以上研究发现，建立合理的有限元模型和边界元分析模型是至关重要的。 而文献 3 1 贝j j 将虚拟疲劳分析概念引入井下装载机结构分析中，该文献采用 a n s y s f e s a f e 对井下装载机结构进行虚拟疲劳寿命分析的方法，实现了井下 装载机疲劳寿命的可视化，并使用动力学计算结果和实测应变一时间历程两种输 入对井下装载机进行了疲劳寿命分析。 到目前为止，已对工作装置的连杆机构、动臂、铲斗和前车架以及整车等构 件进行过有限元分析与计算。 1 2 3 工作装置动态分析与设计研究 动态分析与设计是现代设计方法与传统设计方法的一个基本分支。工程机械 由于其作业工况的复杂性和随机性，当采用动态分析与设计法进行分析计算时， 可减轻机器重量，提高机器性能和可靠性。日本小松制作所和川崎重工等公司在 美国航天局( n a s a ) 的n a s t r a n 有限元程序基础上，分别开发出小松动态分 析程序( k d a p ) 3 2 1 和装载机用的计算机辅助工程体系( c a e s l o a d e r ) 3 3 】，对 轮式装载机及其工作装置进行了动态性能仿真、动态分析和疲劳寿命评价等项研 究。 井下装载机工作装置的受力为比较复杂的空间超静定系统，为简化计算，在 对其进行受力分析之前，必须先作一些必要性的假设，将工作装置的受力情况转 化为平面杆系问题进行分析。在进行具体的受力分析时，根据各工况下铲斗上的 作用力，用解析法或图解法，求出相应工况下工作装置各构件的内力1 2 8 1 3 1 】。 运动学分析是井下装载机工作装置设计的基础，也是动力学设计的依据，通 过运动分析可以检查机构类型和尺寸是否符合装配及运动的要求。目前，井下装 载机工作装置运动学分析，使用比较广泛的为解析法。文献【圳将反转六杆机构 分解为两个四连杆机构，首先进行位置分析，然后利用所得到的各点坐标，对工 作装置进行力学分析。文献【3 5 】采用多刚体的运动学和动力学理论，通过建立某 型号井下装载机的虚拟样机模型，对其工作装置主要构件进行了动力学和运动学 分析，得到工作装置各刚体在铲装工作过程中的受力状况，并对影响动力学行为 的参数如插入阻力、铲装初速度、铲斗与物料间的铲装距离进行了仿真研究。 9 虫直太堂亟堂僮论塞箍= 童绪j 金 以运动学分析为基础，利用计算机进行井下装载机工作装置运动学仿真和动 态显示不仅可以验证设计方案的合理性，而且可以检验工作装置各构件在运动过 程中是否发生干涉1 3 6 】，机构的参数设计是否最优。 除此之外，工作装黄的设计还包括工作装置设计的专家系统，工作装置设计 的专家系统的总体结构通常可由三大部分组成：专家系统、系统接口和c a d 模 块。专家系统收集了有关工作装置设计的专门知识和设计经验，并进行分类编码。 它模拟专家的思维方式，利用对知识的判断、推理和控制，进而提出设计的最佳 方案，且设计结果精确且富有想象力。其设计内容涉及：铲斗的结构设计；动臂 结构设计及参数的选择；连杆机构和举升机构设计等。 井下装载机工作装置的设计，包括从原始参数的确定到最终设计图样的完 成，是一项庞大、复杂、而又纵横交错的系统工程。其中，包括工作装置的参数 优化、结构优化、工况分析、运动学和动力学计算、有限元计算和应力检验等。 一次流程往往很难完成全部的设计计算过程。为了提高设计的效率及可靠性，井 下装载机工作装置的c a d 流程的中间环节主要采用人机交互方式，过程则采用 分层菜单选择方式。 综合以上分析可知，现在井下装载机工作装置的设计工作己基本改变传统的 单一的效率低下的设计方法，井下装载机工作装置的设计将最优化设计理论、结 构强度分析和运动学和动态分析融合，结合先进全面的c a e 分析软件，对井下 装载机工作装置从产品开发到结构设计，到样机试验直到生产全过程跟踪仿真模 拟分析，使可能存在的漏洞或错误尽可能的在产品制造之前发现并解决。 国内外在井下装载机工作装置的设计和分析方面做了大量工作，但从实际出 发，通过发现问题、分析问题，然后运用综合的现代设计方法进而解决问题的文 献并不多见。本课题从生产实际出发，对井下装载机工作装置在工作过程中出现 的实际问题进行分析解决。 本论文采用约束复合形的改进算法与黄金分割法相结合，以最不易卸料位置 时转斗缸的长度和传力比的最大做为目标函数，在特定条件下重点对工作装置的 连杆机构结构参数进行优化设计；利用m a t l a b 的g u i d e 平台开发了集性能 评估、运动仿真、齿尖轨迹自动绘制和运动过程动态模拟功能于一体的计算机辅 助设计软件，并对优化前后结构进行有限元分析和动力学运动学分析，在工作装 置工作性能提升的前提下，不影响工作装置乃至整机的力学性能和运动性能。 1 3 课题来源、选题意义及主要研究内容 本课题来源于横向科研课题，针对某型号地下柴油井下装载机工作装置在实 际工作过程中动臂与举升油缸铰接处发生铰销咬死现象进行分析并解决，以及对 1 0 虫直太堂亟堂鱼途塞簋= 童绪纶 工作装置连杆机构整体性能进行提升，以对该型号井下装载机进行技术升级和改 造。 虽然我国众多学者从事井下装载机研究已有三十多年的历史，然而受各种条 件和因素的制约，井下装载机的设计方法一直较为原始，一般采用作图法、类比 法设计，设计速