（机械工程专业论文）装载机工作装置优化设计方法的研究.pdf

摘要 装载机是工程机械的重要机种之一，其工作装置设计的合理性和质量 直接影响着装载机的各项工作性能。传统的设计方法已无法满足这种复杂 产品设计的要求。随着c a d 技术和现代设计方法，尤其是优化设计方法 的深入发展和应用，设计正向着新的方向发展，自动化和智能化程序不断 提高。 本文应用参数优化建模和设计方法，对装载机工作装置进行了以下几 个方面的研究。 对装载机工作装置进行了运动学和静力学分析，归纳出了其工作过程 中必须满足的各种条件，包括工作性能、工作范围、工作效率、传力性能、 运动性能、几何关系和强度等。 在机械设计研究所自行开发的建模平台上，对反转六连杆机构建立了 参数优化模型，确定了变量系统，目标和约束系统，用优化软件进行了优 化设计。对工作装置所得的优化结果进行了分析，剖析了机构形式的优缺 点和适用范围。 用一般数学建模方法，对工作装置的反转六连杆机构进行了建模和参 数优化，总结了它的特点和效率。 关键词：装载机工作装置，优化设计，优化建模 a b s t r a c t w h e e ll o a d e ri sa l li m p o r a n tt y p eo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y t h eq u a l i t ya n de f f e c to f t h ed e s i g no fi t sw o r k i n gm e c h a n i s md e t e r m i n e ，t oa l a r g ee x t e n t , t h ew o r k i n gp r o p e r t i e so f t h el o a d e r t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d sa r cn ol o n g e rc a p a b l eo fs o l v i n gc o m p l i c a t e d e n g i n e e r i n gp r o b l e m s n o w a d a y s , w i t ht h ed e v e l o p m e n ta na p p l i c a t i o no fc a dt e c h n o l o g y a n dm o d e md e s i g nm e t h o d l o g y , e s p e c i a l l yo p t i m i z a t i o nd e s i g n , t h ed e s i g no fc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o l ea u t o m a t e da n di n t e l l i g e n t b o t hw o r k i n gm e c h a n i s m a n dm o d e l i n gm e t h o d o l o g ya r ep r e s e n t e dm a n i f o l d u s m go p t i m i z a t i o nm o d e l i n ga n d d e s i g nm e t h o d s ，t h er e s e a r c hw o r kf o c u s e so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 1 圮k i n e m a t i ca n a l y s i so ft h ew o r k i n gm e c h a n i s mh a sb e e nm a d e g e t t i n gc o n d i t i o n s t h a tm u s tb es a t i s f i e dd u r i n gi t so p e r a t i o n , s u c ha sp e r f o r m a n c e ，w o r k i n gs c o p e ，e f f i c i e n c y , p o w e rt r a n s m i t t i n gp r o p e r t i e s ，k i n e m a t i cp r o p e r t i e s ，g e o m e t r i cr e l a t i o n s ，s t r e n g t h , e t e o nt h em o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o np l a t f o r m ，m o d e l so ft w ot y p e so fw o r k i n g m e c h a n i s m s - - r e v e r s e - t u r n i n gs i x - b a rl i n k a g eh a sb e e ng e n e r a t e d w i t h v a r i a b l e s ，o b j e c t i v e s ； a n dc o n s t r a i n t sd e t e r m i n e dr e s p e c t i v e l y , t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nh a sb e e ac a r r i e do u t c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o ns c o p eo f e a c ht y p ea r ea n a l y z e da n dv e r i f i e d f o rt h er e v e s e - t u m i n gs i x - b a rt y p e , t w om o d e l i n gm e y h o d s - - m a t h e m a t i c sa n d c o m p l e xv e c t o r a l eu s e d i nt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n n 坞o p t i m a lr e s u l t sa r eg o t r e s p e c t i v e l y b e s i d e s ，ac o m p a r i s o no fc h a r a c t e r i s t i c sa n de f f i c i e n c yb e t w e e nt h et w o m e m o d si sm a d e k e y w o r d s ：l o a d e r , w o r k i n gm e c h a n i s m , o p t i m i z a t i o nd e s i g n , m o d e l i n g 辽宁工程技术大学硕学位论文 l 绪论 1 1i 作装置概述 装载机是一种常用的铲土运输机械，广泛应用于土木、建筑、水利、 矿山等工程，起着减轻劳动强度、提高施工效率和质量的重要作用。如图 1 1 所示。工作装置，或称装载装置，是带有液压缸的空间多杆机构，是 装载机完成装卸作业的主要执行部件。按有无铲斗托架分，工作装置可分 为三杆、四杆、五杆、六杆和八杆机构。按输入杆和输出杆的转向分。可 分为正转机构( 输入杆件与输出杆件转向相同) 和反转机构( 输入杆件和 输出杆件转向相反) 。 图1 1装载机外形 目前国内研究和采用得较多是反转六连杆，如图1 - 1 所示。这种机构 形式简单、尺寸紧凑。当铲斗铲掘物料对由于是反转机构，转斗油缸大腔 进油工作，可以获得较大的铲掘力。也就是说，铲起同样重量的物科。转 斗油缸的尺寸可以设计得较小。而且转斗油缸后置，使司机有较好的视野 反转六连杆机构尤其多用于中小型装载机工作装置中。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 图1 - 2 反转六连杆机构 1 2 装载机的发展概况 我国装载机的研究和使用已有五十年的历史，经历了三个发展阶段： 6 0 年代仿制摸索阶段；7 0 年代自力更生研制阶段；8 0 一9 0 年代技术弓 进、 合资发展阶段。目前我国装载机的研究设计水平有了很大的发展和提高， 取得了许多成果，然而和国外同类产品相比，仍存在着有一定的差距。由 于我国经济发展和建设的需要，对工程机械的需求量很大，给装载机行业 的发展提供了很好的市场前景。近几年装载机销量一直保持在十几万台， 经济效益的增长速度己成为工程机械行业中的第一位因此，提高设计和 制造水平是发展装载机行业的重点。在过去几十年中，我国主要研制的是 中吨型的轮式装载机，产品已比较成熟和稳定既有自行开发的z l 系列， 也有引国外进术，通过合资合作生产的产品。 近几年来，我国装载机有如下发展趋势：一是向八吨以上的大型机发 展。二是向小型、微型机发展。斗容量一般在0 4 m 3 以下，工作重量在4 吨以下，可以在狭小的环境中作业，运输方便。三是向多功能、多用途装 载机发展，如“两头忙”挖掘装载机。随着液压和液力技术的发展，设计 水平的提高，装载机能满足多种作业要求。 辽j ： 程技术大学硕士学位论文3 1 3 装载机工作装置设计的发展概况和研究现状 从设计方法来看，工作装置的设计水平直接决定着装载机的工作性能 和市场竞争力。机械产品设计阶段的费用虽然只占最终产品成本的一小部 分，但却决定了7 0 一8 0 的制造和销售成本，这一阶段也是技术创新的主 要部分。从设计技术发展角度，装载机的研究也可以分为三个时期：经验 设计阶段( 研制样机，主要应用类比法和经验公式进行设计) 、科学试验和 技术分析阶段( 用测试技术，进行应力、应变、疲劳、振动等试验，增加 设计依据) 和现代设计时期( 用先进的设计理论和方法学，c a d 技术，提 高设计质量和科学性) 目前，许多企业，尤其是中小企业，还处于经验设 计阶段。工程机械行业整体水平的提高，重点还在于增强自身科研力量， 提高产品的创新性和竞争实力。 最初工作装置的设计采用传统的类比法和作图试凑法。这种方法在过 去研究水平和手段落后的情况下是起着很大的作用，但它的缺点为也是明 显的。首先，所得的经验关系式必然只是一种近似，精确程度不高；其次， 这种设计方法工作量大，效率低，设计人员的经验在很大程度上影响着设 计结果的质量；而且，类比创新性差，作图试凑法存在较大的盲目性。 七十年代以来各种设计方法的提出和应用使机械设计领域出现了突破 性的发展，提高了产品弄好的自动化程度水平和可靠性，缩短了开发周期， 降低了生产成本。计算机技术的广泛应用，影响着设计过程和方法，促使 工程机械的现代设计向着深化c a d 技术应用、产品数据管理、并行工程、 模块化、智能化设计等方向发展。各种工程软件的水平不断提高，性能日 益完善。优化设计、结构设计、可靠性技术、c a d 等技术及它们的综合使 用极大地提高了机械产品的设计质量和效率。国内运用不同方法对工作装 置进行分析和优化也取得了许多成果。今后工程机械c a d 技术的发展方向 主要包括； 1 ) 2 ) 3 ) 机构运动学、动力学分析和优化； 二维设计系统及其工程数据管理； 三维实体造型及虚拟制造技术； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 4 ) 结构强度分析； 5 ) c a d c a m 一体化； 6 ) 先进试验技术的应用。 1 4 存在的问题和课题的提出 从设计对象上看，国内采用和研究最多的是六连杆机构。国内对六杆 机构的优化设计、有限元分析、运动学和动力学分析已作了很多研究工作， 但多数设计都采用了简化的模型，不足以反映实际工作情况。目标和约束 的选择也有待进一步讨论。从所选择的目标系统来看，有的以单位掘起力， 即机构传力比最大作为目标；有的选择工作装置传力比与铲斗自动放平性 作为目标；有的以机构传力比最大、铲斗自动放平性和转斗油缸行程最小 的综合作为目标；有的则以油缸行程最小作为目标。虽然设计目标可以根 据设计者要求的不同而选取，但作为一种有较广适用性的产品，为了提高 其综合性能要求，不能只追求某个性能的提高，否则可能造成其它性能的 下降，因为某些性能之间是互相矛盾的。铲斗的平移性和自动放平性，是 装载机工作效率的重要指标，如果不作为目标而作为约束，可能造成满足 约束困难而影响求解；若根本不考虑，则可能导致设计结果不合理。 从设计方法上看，由于进行工作装置整体优化的设计变量和约束条件 较多，模型复杂，因此有的文献均把这一整体化问题分解为动臂举升机构 和转斗机构的两个四连杆机构优化子问题，从而减少设计目标和约束。这 样虽然简化了模型，提高了设计效率，但却忽略了一个问题。举升机构和 转斗机构是工作的两个机构部分，而不是两个独立的机构。它们各自最优 的组合不一定是整体最优。装置中的每一个尺寸都处在一个整体的工作环 境中，受干涉、装配等关系的约束。 从建模方法上看，优化设计已经成为设计的主流并且在工作装置设计 中得到广泛应用，都是采用数学方法利用几何关系等条件建立的。这种方 法原理简单，但建模过程中涉及到大量的几何关系的推算，工作量大，周 期长。因此应考虑在建模过程如何提高工作效率。 研究的主要内容 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 1 ) 在现有的工作装置优化设计研究成果的基础上，迸一步研究和完 善六连杆机构设计，针对六连杆机构建立有一定通用性的分析和优化模型， 得出满足设计要求的合理方案，总结设计知识和优化经验。 2 ) 建立工作装置整体优化设计模型，总结机构的特点和适用范围 辽弓j ：程技术人学硕士学位论文 6 2 参数优化设计 2 。l 发展背景 目前国内工作装置的设计主要采用类比法、画图试凑法、解析法和参 数优化方法。其中，参数优化方法越来越受到重视，取得了很大发展和广 泛应用。类比法和经验法一般只适用于同类型产品，即结构型式、工作对 象和条件基本机同的设计这样设计所得的产品即使通过了校核检验，符 合基本设计要求，但是否能达到性能最优，是否是最好的设计结果，还很 值得研究。并且不同用户、不同设计要求、不同使用目的、工作条件、环 境等都会影响产品的使用性能。目前的产品需要满足的远不止是技术要求 产品处在人、环境和社会的大系统中，本身受到技术性、安全性、经济性 等综合因素的影响，产品性能最优也应体现为这些因素的综合最优。类比 法和经验公式法虽然还是确定产品参数的重要方法，但光靠它们本身已不 能满足产品设计综合最优的要求。 随着优化方法的发展和应用，极大地促进了产品设计过程的自动化和 设计结果的最优化。产品参数不再只是通过类比、经验公式确定，1 通过设 计人员的经验修改，而是能够在设计中不断变化，最终在满足要求的前提 下达到最优。因此参数优化设计已成为目前广泛采用的一种设计方法。 2 2 参数化技术 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 是从c a d 技术中发展起来的。传统 的c a d 系统要求所有的几何元素及其相互间的关系都必须明确规定，几何 元素的信息是固定的尺寸大小，调整和修改很不方便，费时、费力。如修 改图形只能擦去重画。在概念设计阶段，设计者最关心的不是产品的具体 尺寸，而是实现功能要求。因此要充分考虑设计进程的特点，例如在草图 绘制阶段能方便地修改设计。由于通常所说的参数化设计是指参数化绘图， 因此在机械设计领域中的应用暂且称为参数化技术。 参数化技术主要用于结构形态比较定型的设计对象，对某定型产品， 结构形式确定，根据某些具体条件和控制参数决定产品在某一结构形式下 的结构参数，从而设计出不同的产品。实际上，参数化技术就是将产品的 辽宁工程技术人学硕十学位论文 7 一些信息，包括尺寸、数据、特征、模式等定义为变量，这些变量的改变 就表示产品模型的改变。参数化技术适用于常用件、系列件、标准件的设 计，只需建模一次，就能得到不同规格的零件模型。因此，设计人员在设 计的同时可以方便地进行参数化建库，方便以后的工作，对于不那么标准 的零件，参数的可修改性为设计提供了良好的交互性。在参数化设计中， 尺寸参数不是孤立的，它同时代表着约束关系。对参数进行的增加、修改、 删除等工作就是对模型的修改 2 3 参数优化建模 2 3 1 建模概述 研究优化设计自动化的目的在于建立一个由描述产品结构的各个参数 组成的设计模型。建模是优化设计的第一步。设计过程可以看成是模型建 立、分析和利用的过程。产品建模的概念是随着计算机技术和c a d 技术的 发展而来的。模型的建立是抽象和形式化的过程，而模型的利用包括分析、 计算、优化等，最终获得设计结果。模型是工程设计人员用来开发、综合、 分析、评价产品的专业语言和工具。建模过程就是设计者用绘图、数学方 法、计算机技术来表达他对产品的构想、表达和理解，是对对象的抽象、 确定和形式化过程。建模的对象可以是一切感兴趣的事物和现象，可以是 设计师头脑中的构思，也可以是某个已有的具体产品。模型包括事物模型、 形象模型和符号模型。符号模型中的数学模型是应用最广的一类，优化设 计中所建立的多是数学模型。数学模型就是运用数学公式、函数等工具， 从数量角度描述对象及其运动规律。机械产品建模就是对具有某种功能的 机械产品或关于产品的构想，在三维欧式空间，建立起它的数学模型，然 后在某种媒介上表示这种数学模型。建模要求将实际产品或概念中的构想 转化为计算机、数学等科学规则能处理的形式，产品的性能和特点都能得 到表达，同时所有功能要求都得到体现。建模是系统化设计产品的一个重 要方面。模型的优劣直接关系到设计结果的好坏。 建模的内容包括；集成化数据模型的研究，对产品生命周期内各阶段 的数据进行统一建模；产品设计过程模型的研究；产品设计方法的研究。 辽宁1 程技术大学硕士学位论文 8 本课题的内容属于产品数据模型研究中的一部分。 2 3 2 建模方式 从机械产品设计过程的角度看，产品设计过程分为功能设计、方案设 计和结构设计。在功能设计阶段建立产品的功能结构模型；在方案设计阶 段，通过功能原理得出产品的总体方案；在结构设计阶段，确定各零、部 件的详细结构及加工制造等要求。这种设计过程体现了从抽象到具体，从 总体到局部，逐步求精、细化的思想。就是在每一个设计阶段中也是遵循 这种不断细化的思想。本课题所进行的工作属于结构设计阶段，在这其中， 也是先确定主要结构的参数，再确定各零件的尺寸和工艺参数；先进行整 体设计，再进行部件级设计，直到设计结果完全确定。可见产品设计的思 路正符合自顶向下的建模方式。 2 3 3 建模内容 建模的内容主要包括参数提取、约束识别和数据管理与规划。参数的 提取是参数化设计的前提。提取工作就是要在模型和参数问建立对应关系。 参数必须能唯一地确定模型，而模型的变化能体现为参数数值的变化。参 数当然须是独立的；设计过程可以看成满足约束的过程。若把每一参数都 看成对象，可以把对象间的约束分为三类：分解关系、依赖关系和并存关 系；数据管理包括两个方面的内容：一是管理整个模型中的所有数据，理 清它们之间的关系；二是管理数据交互。较强的交互能力是参数化设计的 优点，它使设计都能方便地修改模型。这就产生了规划问题。必须规定各 个尺寸的交互权限，确定哪些参数需要传递，何时传递，传递给谁，怎样 传递，这都是数据管理需要解决的闯题。 2 3 4 参数优化设计 优化设计是现代设计方法中的一个重要领域。可以认为，工程设计只 包括两个步骤：一是确定所有可能的设计方案；二是选择最佳方案可见， 设计本身就是一个择优的过程。尤其在机械设计方面，设计的本质就是要 选择最佳尺寸以满足设计要求。传统的设计在很大程度上依赖于设计师的 经验。对于现在复杂的工程问题，虽然设计师仍将用自己的知识和经验引 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 导设计进程，计算机辅助设计、优化设计等现代设计方法使设计工作更加 科学和自动化。应该看到，优化设计始终是对现实问题某种程度上的简化。 对大多数产品而言，可能的设计方案有无限多个。以一个二维问题为例， 在约束作用下所得的可行范围往往是一个区域而不是有限个点。要测试所 有可能方案是不可能的，也是不现实的因而也不可能得到绝对的全局最 优。随着设计对象的复杂化和大型化，各个目标和约束通常有相互矛盾和 冲突的情况。设计问题趋向多目标、多策略，面向复杂大系统的设计是当 前优化的发展方向。对于象装载机这样大型的设计问题，工作装置的设计 只是其中的一个子问题，而该层次下还存在动臂、摇臂、连杆和铲斗设计 的子问题，其下还有各零件的设计问题。协同优化可使在传统设计看来属 于不同层次的问题并行地进行，提高设计效率。 参数化设计技术当前在机械设计领域的应用主要是为优化设计建立参 数化模型。从对参数的广义理解上，凡是针对产品尺寸和性能参数的优化 应该都属于参数优化范围。 参数优化的数学模型总结为： m i nf u n ci f l f 2 f m ) s u b j e c tt o h i ( x 1 x 2 。x n ) = o ：i = 1 2 3 1 g j t x l x 2 ix n ) = o ： j = 1 2 3 k 其中z l 尬，朋为设计变量，f l ，f 2 , ，f m 均为目标函数，五j 和 为约束函数。 辽宁j ：程技术_ 人学硕士学位论文 1 0 3 反转六连杆机构 3 1 主要特点及优化设计 装载机工作装置的机构形式分为有铲斗托架和无铲斗托架两种，有托 架的工作装置，其动臂和连杆后端与车架支座铰接，动臂和连杆前端与铲 斗托架铰接。当托架、动臂连杆和车架支座构成平行四连杆机构，则动臂在 提升转斗油缸闭锁时，铲斗始终保持平移，斗内物料不会散落，有托架的 工作装置易于更换铲斗及安装附件。但由于动臂前端装有较重的托架，减 少了铲斗的载重量。课题中采用无托架形式。 目前国内用的较多的是转斗缸后置式反转六连杆机构，转斗缸布置在 动臂上面。这种机构又称为z 形连杆机构。它的优点是：铲斗插入料堆进 行工作时，转斗缸大腔进油，因此连秆机构的传力比可以得到较大的值，可 获得较大的崛起力，合理设计机构各部件尺寸可得到较好的铲斗平移性； 机构简单尺寸紧凑，司机视野较好。缺点是摇臂、连杆和铲斗等构件间易 发生干涉。 国内对反转六连杆机构形式的设计研究较多，对其设计变量、约束和 目标的描述都比较一致。从设计方法上看，优化设计等计算机辅助设计技 术的应用，大大提高了工程行业中设计的自动化程度和效率。 优化设计主要指产品技术设计，是在明确了产品的功能结构、作用原 理和拓扑结构后，合理地确定其零部件的形状、尺寸性能等。首先，设计 人员应明确用户的要求和愿望是什么，其次，通过分析设计对象极其所要 完成的工作及运动过程、典型工况等，确定目标和约束系统的结构层次和 主要内容，再次，就应该量化地描述设计对象，确定设计变量和其他用到 的参数，如输入参数、中间参数等，然后，就可以将目标和约束系统细化到 每一个具体的设计函数，并且用数学表达式等量化的描述各个设计函数， 直到完成所有的设计函数无量纲化。此外，还需要对优化结果进行数据和 图形上的表达，分析其可行性、合理性和优化效果。 3 2 建模思想和设计目标 装载机同挖掘机起重机等工程机械都属于复杂机械产品。它们共同特 点是：同属于大型机械系统，结构复杂，零部件多；i 作情况复杂，精确 计算和分析困难；设计周期长，工作量大。对这类产品的优化设计一般都 辽宁工程技术人学硕士学位论文 将整个产品的设计分成若干个子问题，采取简化的模型或模块化方法求解。 但过于简化又不能满足实际情况的要求。因此建模技术和简化过程在设计 中起着重要的作用。在工作装置这一级的设计中，主要目的是确定各部件 的主要尺寸，如油缸的安装尺寸、行程，连杆长度等，而与零部件的具体 结构没有太大关系。因此，模型中将装载机的工作装置的各部件简化为简 单部件，不考虑细部结构，如铰接处轴套和轴的配合、工艺结构尺寸、倒 角等。这样，也有利于将设计工作和成本集中于解决主要矛盾，提高设计 效率，缩短设计周期。 从设计方法上看，传统的方法是采用层次型的设计流程，先根据典型 或先进样机，确定动臂长度，形状和与车架铰接位置，如动臂与车架的铰 接点，在确定动臂油缸的铰接位置和行程，然后设计连杆机构。这种树状 设计流程用于装载机的整体设计中是合理的，先确定斗容、机器的总体尺 寸、液压系统的工作压力等，再确定工作装置的机构尺寸，再确定各零件 的细部尺寸。它可以将大型复杂的设计问题分解为不同层次的子闯题。减 小每一步的工作量。但在工作装置这一级的机构设计中也可采用这种流程 却可能带来以下几方面的问题： 1 ) 层次型的设计实际上逐步减小了设计空闯，减少了机构的创新性和 设计灵活性。当设计零件的局部及工艺尺寸时，允许的变化空间已经很小。 2 ) 这种设计流程工作量大，虽然看起来每一步的问题都简化了，工作 量较小，但由于某些必须满足的约束，如干涉性，机构运动协调性等，只 有在工作装置所有尺寸都确定后才能检验，而此时若要修改高层次如动臂 长度值，则必须重新进行整个设计过程，造成很大的工作量 3 ) 工作装置本身就是作为一个整体进行工作的。各个尺寸闻有相互约 束、相互协调的作用虽然它可以看成是由三个四连杆机构构成的，各子 机构间不是简单相加的关系。它们之间的协调运动直接决定着设计结果的 可行性。这样处理也不利于对工作装置做总体考察和寻找总体最优。 可见，对工作装置进行整体建模和优化符合它的实际工作情况，较合理。 因此，课题中把工作装置各机构尺寸相关的铰点位置参数都作为设计变量。 由于设计中难以考虑到所有的要求，对于工程问题，设计要求的均衡性有 时比全面性更重要，要得到好的设计效果，应使工作装置整体个各项指标 辽宁工程技术火学硕士学位论文1 2 均衡提高。目标函数和约束都要符合和反映实际的工作要求。这里所说的 均衡性并不是指平均，而是要求目标函数和约束都要符合和反映实际的工 作要求，且有合理的权重，以免故此失彼，导致设计结果的片面性综上 所述，提出了如下的设计目标。 在现有的研究成果的基础上，以工作装置全性能的提高和反映其实际 的工作情况为准则，建立工作装置整体优化的数学模型，进行优化设计， 分析结果，最终得到一个有一定通用性的反转六连杆工作装置的优化模型。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 3 4 反转六连杆机构的建模和优化 工作装置优化设计如图4 1 所示，其中最关键的是建立合理的专业优 化模型。建模是优化设计的前处理部分，它是对某类明确的设计对象的描 述。优化设计模型由三个基本要素组成：设计变量、目标函数和约束条件， 建模工作的内容包括： 1 ) 确定设计变量及其量纲； 2 ) 确定目标和约束的结构层次； 3 ) 确定各目标和约束的内容：建模首先要明确用户市场和制造厂的 要求。 从内容上分，这些要求主要分为：一般要求和特定要求( 包括专用要 求和特定用户的特殊要求) 。一般要求是指用户对所有产品的共性要求，如 成本低，加工性好，对环境污染少，节约能源等。特定要求是指用户对某 种特定产品的具体要求，如对工作装置工作范围、崛起力、铲斗自动放平 性、平移性、机构的合理设计等方面的要求。从性质上分，这些要求可分 为三类：一是必须满足的要求；如工作装置机构的干涉性，用户对工作范 围的积极要求，机构运动协调性等，这类要求如不满足，将导致设计方案 不可行。二是用户的希望：如司机视野要开阔。这类要求如不满足并不影 响产品可用性，但若满足这类要求将极大提高产品对用户的吸引力。三是 使产品更加完善的要求。如铲斗自动放平性要尽可能好，又如工作装置的 平移性，铲斗斗底角变化要尽可能小。这类要求的满足将极大提高产品的 性能，增强产品的市场竞争力，直接决定产品的经济效益。目前，用户的 希望和使产品更加完善的要求越来越引起设计者的重视。一般将必达要求 作为约束，用户的希望作为目标，使产品更完善的要求既作为目标，又作 为约束处理。 4 ) 对目标和约束的定量描述和无量纲化 4 i 变量系统 4 1 1 输入参数 输入参数是由整机设计确定的，在工作装置及设计中作为固定量，不 允许改变。在工作装置的设计中，斗容量、液压系统的工作压力、油缸个 数等就作为输入参数，它们在整机设计时确定，在工作装置中不在变动。 辽宁 ：程技术丈学硕+ 学位论文1 4 输入参数如表4 - 1 。 表4 - 1 反转六杆机构模型输入参数 序号参数名参数含义仞始值参数属性 l y g铰点g 离地高度 1 6 2 0 m m连续量 2 x j铰点间距g j 水平投影 4 5 0 m m连续量 3 y j轮胎中心j 离地高度 5 2 0 m m连续量 4 r j轮胎半径 5 5 0 m m连续量 5 h y u n运输工况，铰点a 离地高度 3 5 0 m m连续量 6r 前桥干涉圆半径 4 0 0 m m连续量 7p液压系统工作油压1 6 m p a连续量 9q液压泵流量 2 3 e + 6 m m 2 s连续量 1 0h l最大卸载高度时的卸载距9 5 0 m m 连续量 离最小要求 1 lh 2最大卸载高度最小要求2 4 0 0 m m连续量 1 2h 3最大卸载距离最小要求9 8 0 m m 连续量。 1 3 +n动臂油缸个数2离散鸯 1 4 m转斗油缸个数l 离散量 1 5t a o材料许用剪切应力3 6 0 m p a离散量 1 6 s i g m a材料许用弯曲应力 2 5 0 m p a离散量 1 7 q铲斗容量 0 9 m 3离散量 1 8f z u需要克服的铲掘阻力 4 5 0 0 k g连续量 4 1 2 设计变量 设计变量是设计工作需要确定的参数。应选取与目标直接或间接相关 的，对目标函数影响较大的参数作为设计变量。工作装置不同的机构形式 的设计变量个数不同，设计变量个数越多，解的维数越高，解的空间越大， 解的难度也越高，寻优所需的时间也就越多。 反转六杆机构的部分设计变量和输入参数如图4 1 和表4 2 所示，模 型中既包括连续量又包含离散量。图2 4 中的虚线e f 表示转斗缸，虚线 眦表示动臀油缸。 辽宁 二程技术大学硕士学位论文1 5 i e 卜7 8 l 6 i 王孓乏? j ：瓢一 “f 蘑譬 并 。9 l j h 小，l ? ， ，一 v x io j 图4 - 1 设计参数说明表 表4 2 反转六连杆机构模型设计变量 变量 变量含义+初始值下限值上限值 变量属性 名 x 1铰点间距g h 水平 5 0 m m 一1 5 0 m m 1 5 0 m m连续量 投影 x 2铰点h 离地高度5 5 0 m m4 0 0 m m6 0 0 m m 连续量 x 3铰点间距f g 水平2 5 0 m m1 8 0 m m3 5 0 m m连续量 投影 x 4铰点间距f g 垂直1 2 8 m m3 0 m m1 8 0 m m连续量 投影 x 5动臂油缸最小长 9 7 0 m m8 0 0 m m1 1 5 0 m m 连续量 度 x 6动臂油缸最大长1 6 2 0 m m1 4 6 0 m m1 8 6 0 m m连续量 度 x 7转斗油缸最小长8 2 0 m m 6 2 0 m m1 0 2 0 m m连续量 度 x 8转斗油缸最大长1 2 0 0 m m1 0 5 0 m m1 4 5 0 m m连续量 辽宁：j ：程技术人学硕士学位论文 1 6 度 x 9铰点间距g a2 1 8 0 m m2 0 0 0 m m2 6 0 0 m m连续量 x 1 0铰点间距g d1 3 6 0 m m1 1 0 0 m m1 6 0 0 m m连续量 x 1 1铰点间距a d9 2 0 m m7 0 0 m m1 1 0 0 m m连续量 x 1 2铰点间距e c9 7 5 m m8 0 0 m m1 2 1 5 m m连续量 x 1 3铰点间距e d4 4 0 m m3 0 0 m m7 0 0 m m 连续量 x 1 4铰点间距c d5 6 5 m m4 0 0 m m8 0 0 m m连续量 x 1 5铰点间距8 c6 6 0 m m4 0 0 m m8 0 0 m m连续量 x 1 6铰点间距a b4 2 0 m m3 2 0 m m6 2 0 m m连续量 x 1 7齿尖铰点距a v 9 5 0 m m8 0 0 m m1 2 0 0 m m连续量 x 1 8齿尖铰点距b v9 6 0 m m8 0 0 m m1 2 0 0 m m连续量 x 1 9铰点间距g i 7 0 0 m m4 5 0 m m8 5 0 m m连续量 x 2 0铰点间距g i 在垂1 2 0 m m8 0 m m2 4 0 m m连续量 直a g 方向的投影 x 2 1动臂板厚3 0 m m 1 2 m m4 5 m m连续量 x 2 2摇臂板厚1 6 m m8 m m 3 0 m m 连续量。 x 2 3连杆直径 5 0 m m3 0 m m6 5 m m连续量 x 2 4动臂油缸直径8 0 m m6 3 m m 1 6 0 m m离散量 x 2 5转斗油缸直径 9 0 m m6 3 m m1 6 0 m m离散量 x 2 6动臂缸活塞杆直4 0 m m 3 2 m m1 1 0 m m离散量 径 x 2 7转斗缸活塞杆直4 5 m m 3 2 m ml l o m m离散量 径 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 4 1 3 中间参数的说明和计算 辽宁： ：程技术大学硕士学位论文i g 数如表4 - 3 。 表4 - 3 反转六杆机构模型辅助函数 函数名函数含义 f 1 ( a ，b ，c )已知三角形两边a ，b 和夹角c ，求 第三边 f 2 ( a ，b ，c )已知三角形三边a ，b 和c ，求a ， b 边夹角 f 3 ( a d ，y g ，x l ，x 2 ，x 1 9 ，x 2 0 )已知动臂角a d ，求动臂油缸长度 x h i f 4 ( a d ，a c ，a a v o ，x 3 ，x 4 ，x 9 x 1 8 )已知动臂角a d 和铲斗角a c ，求转 斗油缸长度x e f f 5 ( a d ，x e f ，a a v o ，x 3 ，x 4 ，x 9 x 1 8 )已知动臂角a d 和转斗油缸长度 x e f ，求铲斗角a c f 6 ( a d ，x e f ，a a v o ，x 3 ，x 4 ，x 9 x 1 8 )已知动臂角a d 和转斗油缸长度 x e f ，求传动角a a b c f 9 ( y g ，x lx 2 ，x 5 ，x 1 9 ，x 2 0 )计算动譬下限位置角a d m in f “ f l o ( y g ，x l ，x 2 ，x 6 ，x 1 9 ，x 2 0 )计算动臂上限位置角a d m a x f 1 1 ( y g ，h y u n ，x 9 )计算动臂运输位置角a d y u n f 1 2 ( y g ，x j ，r j ，x l x 7 ，x 9 x 2 0 )计算最大卸载高度时的卸载距离 h 1 f 1 3 ( y g ，x l x 7 ，x 9 x 2 0 )计算最大卸载高度h 2 f 1 4 ( y g ，x j ，r j ，x l x 7 ，x 9 x 2 0 )计算最大卸载距离h 3 f 1 5 ( y g ，x 1 ，x 2 ，x 5 ，x 9 ，x 1 7 ，x 1 9 ，x 2 0 )计算最小铲掘深度 f 1 6 ( y g ，x l ，x 2 ，x 5 ，x 9 ，x 1 7 ，x 1 9 ，x 2 0 )计算角度a a v o f 1 7 ( a d ，y g ，x l ，x 4 ，x 7 ，x 9 ，x 2 0 )计算动臂举升机构传力比 f 1 8 ( a d ，y g ，x 3 ，x 4 ，x 7 ，x 9 ，x 1 8 ) 计算铲斗连杆机构传力比 4 2 目标系统 目标函数是以计算变量表示所要追求的某种性能指标的解析表达式或 经验关系式。目标一般用柔性的方式表达，即希望函数值越大越好或越小 越好，或尽量接近某个理想值，而不是必须大于或小于某一特定的阎值。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 9 目前多目标优化问题已成为设计的主流。工作装置的部分优化正向着整体 优化、组合优化发展。产品的目标通常包括技术性、经济性、社会性、安 全性等，本文着重研究其技术性目标。工作装置是一个比较复杂的机构， 工作环境恶劣，设计要求高。其工作性能包括多个方面，既要达到较高的 工作效率，又要实现合理的工作范围。因此它的设计应是各方面要求的均 衡满足和提高。如果片面强调某一个方面，会导致设计结果的不合理。因 而，所选择的目标系统综合考虑了各种设计要求。 设计师通过给各子目标分配不同的权重决定它的重要程度和影响大 小。各子目标通过加权综合共同构成整个优化问题的总目标一般，权重 是一个0 到1 的数。若子目标的权重为零，则意味着该目标不起作用。子 目标还可再分为更详细的目标组。一个工程问题的目标通常是一个树状分 级目标系统，通常由最底层的子目标构成中间目标，再由中间目标构成总 目标。工作装置优化模型的目标分类如图4 - 4 。 实际模型选取了7 类目标，各目标的含义如下： 目标函数用f u n c i 表示，i = 1 ，2 ，3 ，1 4 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图4 - 4 目标分类 l 平移性 指工作装置在下限收斗后，转斗油缸闭锁，在动臂从下限位置到上限 位置的举升过程中，希望铲斗保持平移状态。用斗底与水平面的夹角及其 变化值来评价平移性，希望其变化值越小越好，一般不超过1 5 。2 0 4 ， 它是反映装载机工作效率的指标。若铲斗的平移性差，会造成举升过程中 物料向前或向后撒落。 如图4 - 5 所示，平移性通过铲斗收斗角( 收斗状态的铲斗位置角) 来 体现。而当转斗油缸闭锁时，铲斗位置角由机构尺寸和动臂位置角唯一确 定动臂举升过程中，铲斗收斗角并不是均匀变化的。由于铲斗收斗角最 大值不一定出现在上限位置，而往往出现在动臂从运输到上限的某一中间 位置，因此，取动臂所处的多个位置进行分析。现将动臂运动范围分为1 0 等份，取这1 1 个位置及运输位置共1 2 个位置分别计算铲斗收斗角、其总 变化量及相邻位置变化量。 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 l 以等角度间隔6 = ( a 。一a 。) 1 0 分别求出动臂在1 1 个位置时的铲 斗收斗角a 。 i = f 5 ( a a l l , + i6 ，x 。a ，x 3 ，x 4 ，x 9 ，x 1 8 ) ：i = o ， l ，2 ，1 0 。 小； 好。 运输位置铲斗收斗角a 。，。= f 5 ( a d ，- 。，x ，a ，x 3 ，x 4 ，x 9 ， 建立相应的各子目标如下 1 ) 希望下限位置铲斗收斗角a 。大于4 5 。； f u n c l 一1 = ( 4 5 1 8 0 ) a 。m 一m i n 2 ) 希望运输位置铲斗收斗角a 。，。大于4 5 。： f u n c l 一2 = ( 4 5 1 8 0 ) a 。d o 。一m i n 3 ) 希望上限位置铲斗收斗角小于6 5 。； f u n c l 一3 = a 。( 6 5 丌1 8 0 ) 一m i n 4 ) 希望动臂从下限运动到运输高度时，收斗角a 。的变化量尽量小： f u n c l 一4 = i a 。一a 。d o - 。i m in 5 ) 希望动臂从运输高度运动到上限位置时，相邻位置收斗角之差尽量 f u n c l 一5 = m a x ( a 。( i + 1 1 - 一a 。( i ) ) 一m i n ；i - - o ，l ，2 ，j 1 0 0 6 ) 为保证运输过程中尽量少洒落物料，希望收斗角总变化量越小越 f u n c l 一6 = a 。一a 。1 。- m i n 其中，a 。为收斗角的最小值；a 。为收斗角的最大值。 图4 - 5 平移性 辽宁一 程技术大学硕士学位论文 2 卸料性 指动臂在任意位置时。通过转斗油缸动作，希望铲斗均能达到4 5 。卸 料角，如图4 - 5 所示它是使铲斗在任意卸载工况下都能较干净地卸料的 指标。同样，以等间隔6 ：( a 。一a 。) 1 0 取动臂所处的1 1 个位置分别 计算相应的铲斗卸料角a “i = f 5 ( a d l l l + i6 ，x 7 ，a ，x 3 ，x 4 ，x 9 ， x 1 8 ) ：i = 0 ，1 ，2 ，1 0 。 希望所有卸料角中的最小值大于4 5 。，即 f u n c 2 - - ( 4 5 丌1 8 0 ) m i l l ( 一a 。( i ) ，( 一a 。) ) 一m i n 图4 6 卸料性 3 铲斗自动放平性 指动臂在上限位置卸料后，转斗油缸闭锁，动臂下降到下限位置时， 能使铲斗自动达到铲掘工况的初始状态，从而不需另外调整机构就能顺利 进入下一次工作循环，如图4 7 所示。自动放平性的好坏直接影响着装载 机的工作效率。它由从上限卸载后，动臂回到下限位置时的铲斗底角a 。体 现，斗底角越接近零度越好。 f u n c 3 - - ia 。l m i l 3 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图4 - 7 铲斗自动放平性 43 - 作范围 主要由最大卸载高度、最大卸载高度时的卸载距离和最大卸载距离来 表示，如图4 - 8 。总希望工作装置能实现尽可能大的工作范围。 1 ) 实际最大卸载高度h 2 f u n c 4 = h 2 h 2 - m in 2 ) 实际最大卸载高度时的卸载距离h 1 f u n c 5 = h 1 h 1 m i l 3 3 ) 实际最大卸载距离h 3 f u n c 6 = h 3 h 3 一m i n 其中，h l ，h 2 和h 3 分别是拥护所要求的最大卸载高度时的卸载距离， 最大卸载高度和最大卸载距离。 辽宁：哪呈技术久学硕士学位论文 图4 - 8 最大卸载高度及相应卸载距离 5 铲掘力 指在一定条件下，当铲斗绕着某个规定的铰接点回转时，作用在铲斗 斗刃部一定距离处的垂直向上的力它决定了铲斗绕这个规定的铰接点回 转的动臂举升或铲斗翻起的能力。铲掘力由动臂油缸主动作用或转斗油缸 主