（机械制造及其自动化专业论文）jccy2型地下铲运机工作装置的优化.pdf

硕卜伊论文 摘要 随着金属矿山开采规模的彳i 断扩大，铲运机的需求量也在4 i 断扩大。国内铲 运机的型号比较陈旧，为了适应现代矿山的发展，需埘以往的铲运机做适当的改 进。在铲运机的组成中，工作装置作为铲运机实现铲、装、运、卸的重要机构， 其设计的合理与否直接关系整机的工作性能。由此可见，对工作装胃的优化研究 具有重要的现实意义。 本文选用金川集团的j c c y - 2 型地下铲运机的工作装置作为研究对象，以工 作装置的转斗油缸和动臂油缸的输出力最小为优化目标，建立工作装置优化的数 学模型。本文的研究思路为：建立工作装胃的三维实体模型，通过运动学分析模 拟工作装置的运动工况，同时排除模型中构件问的干涉，并为动力学分析提供各 个工况的运动时间；通过动力学分析找出工作装置的最大受力位置，为优化模型 的建立提供理论依据；然后选驭参变量，利用遗传算法对数学模型进行优化汁算； 最后对铲斗做了一个简要的强度分析。由此可见，本文是由优化前的准备一优化 一优化后的完善三个部分组合而成。详述如下： 首先，通过p r o e 软件平台建立工作装置的三维实体模型。针对插入、铲装、 举升和卸料4 个工况，在m e c h a n i s m 模块中对工作装置进行运动学分析。通过干 涉分析排除构件之间的不合理设计，使工作装置运动顺畅，为接下来的工况运动 模拟做好准备；通过工况运动的模拟，为动力学分析提供各工况的运动时问；选 取两个代表性的铰接点为分析对象，分别绘制位移、速度和加速度曲线，来分析 模型的运动是否合理。随后，将三维模型导入动力学分析软件a d a m s 中，对工 作装置进行了动力学仿真分析。根据铲运机工作装置的实际工作情况，选取两种 典型的载荷分布一一集中和偏载进行动力学分析，以便找出工作装置受力最大的 位置，为工作装置数学优化模型的建立提供理论依据。 其次，建立工作装置正转六杆机构的数学优化模型。以动臂油缸和转斗油缸 的输出力最小为研究目标，选用了1 2 个参变量，利用m a t l a b 软件中的g a 工 具箱对工作装置进行优化。将优化f j i 后的数据进行对照，通过比较得出较优结果。 最后，对工作装置中最易磨损的铲斗进行了强度分析。选取铲斗受力最大的 铲取工况进行受力分析，利用有限元软件a n s y s 分别得出应力、应变和位移云 图，分析其受力、位移最大的部位是否满足强度要求。通过计算得知，强度满足 要求。 关键词：工作装置；仿真；运动学；动力学；遗传算法；有限元分析 j c c y - 27 耻地卜铲近机l ：作醍胃的优化 a b s t r a c t w i t ht h e e x p a n d i n g o ft h e m e t a l m i n i n g ，t h e d e m a n do f l o a d - h a u l - d u m pu n i t ( l h d ) i sa l s oi n c r e a s i n g h o w e v e r ，l h dm o d e l si n d o m e s t i ca r eo l d i no r d e rt o a d a p t i n gt o t h ed e v e l o p m e n to fm o d e r n m i n i n g ，i ti sn e c e s s a r yt om a k ea p p r o p r i a t ei m p r o v e m e n t so nt h em o d e l s a sa ni m p o r t a n ti n s t i t u t i o no ft h el h d ，t h ew o r k i n gd e v i c ec a nr e a l i z e s h o v e l i n g ，l o a d i n g ，h a u l i n ga n dd u m p i n gm i n e r a l s i t sr a t i o n a l i t yo fd e s i g n d i r e c t l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo fw h o l em a c h i n e t h u s ，t h eo p t i m i z a t i o n o ft h ew o r k i n gd e v i c eh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e w o r k i n gd e v i c eo fj c c y 一2l h d0 fj i n c h u a ng r o u pw a ss e l e c t e da st h e o b j e c tt os t u d y t a k i n gt h em i n i m u mo u t p u tf o r c eo ft h eb o o mc y l i n d e ra n d t h eb u c k e tc y l i n d e ro fw o r k i n gd e v i c ea so b j e c t ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f o p t i m i z a t i o no fw o r k i n gd e v i c ew a se s t a b l i s h e d r e s e a r c hi d e a so ft h i s a r t i c l ei s ：t oe s t a b l i s ht h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo fw o r k i n gd e v i c e ，t o a n a l o gt h em o v e m e n tc o n d i t i o n so ft h ed e v i c et h r o u g hk i n e m a t i c sa n a l y s i s a n de l i m i n a t ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nc o m p o n e n t si nt h em o d e l ，t o s u p p l y m o v e m e n tt i m ef o r t h ed y n a m i c a n a l y s i s ，t oi d e n t i f y t h el o c a t i o no f w i t h s t a n d i n g t h ef o r c em o s tt o p r o v i d e s at h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e e s t a b l i s h m e n to fm a t h e m a t i c a lo p t i m i z a t i o nm o d e lo ft h ew o r k i n gd e v i c e t h e ng at o o l b o xb a s e do nm a t l a bs o , w a r ew a su s e dt o o p t i m i z et h e w o r kd e v i c ea n das t r e n g t ha n a l y s i so fb u c k e tw a st a k e n t h e r ea r et h r e e p a r t sp r e s e n t e da n ds t u d i e da sf o l l o w s f i r s t l y ，3 ds o l i dm o d e lo ft h ew o r k i n gd e v i c ew a sb u i l tv i ap r o e s o f t w a r e 。k i n e m a t i c s a n a l y s i s o fw o r k i n gd e v i c ew a sm a d ei nt h e m e c h a n i s mm o d u l eu n d e rt h e i n s e r t i n g ，s h o v e l i n g ，l i f t i n ga n du n l o a d i n g w o r k i n gc o n d i t i o n s t h eu n r e a s o n a b l e d e s i g no ft h ec o m p o n e n t sw a s e x c l u d e db yi n t e r f e r e n c ea n a l y s i s ，m a k i n gw o r k i n gd e v i c em o v es m o o t h l y a n db er e a d yf o rt h es i m u l a t i o no fd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ；m o v e m e n t t i m ef o rt h ed y n a m i ca n a l y s i sw a ss u p p l i e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o no ft h e c o n d i t i o n s s e l e c t i n gt w oh i n g ep o i n t a st h eo b j e c to ft h e a n a l y s i s ， d i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o nc u r v ew e r ed r a w e di no r d e rt o a n a l y z et h er a t i o n a l i t yo fm o v e m e n to ft h em o d e l s u b s e q u e n t l y ，t h e3d 硕 i 伊论文 曼曼皇寰蔓i o i i i i i 舅 m o d e lw a si m p o r tt oa d a m s ，ad y n a m i ca n a l y s i ss o f t w a r ea n dd y n a m i c s s i m u l a t i o na n a l y s iso fw o r k i n gd e v i c ew a st a k e ni na d a m s v i e wm o d u l e i no r d e rt om o r er e a l i s t i c a l l ys i m u l a t et h ea c t u a lw o r kt w ot y p i c a ll o a d d i s t r i b u t i o n c e n t r a l i z e da n dp a r t i a ll o a dw e r es e l e c t e dt oi d e n t i f yt h e l o c a t i o no ft h ew o r kd e v i c e w i t h s t a n d i n gt h ef o r c em o s t i tp r o v i d e sa t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ee s t a b l i s h m e n to fm a t h e m a t i c a lo p t i m i z a t i o nm o d e l o ft h ew o r k i n gd e v i c e s e c o n d l y ，t h em a t h e m a t i c a lo p t i m i z a t i o nm o d e lo ft h es i xb a r s w o r k i n gd e v i c ei se s t a b l i s h e d t a k i n gt h em i n i m u mo u t p u tf o r c eo ft h e b o o mc y l i n d e ra n dt h eb u c k e t c y l i n d e r o fw o r k i n gd e v i c ea s o b j e c t ， s e l e c t e d12p a r a m e t e rv a r i a b l e s ，g at o o l b o xb a s e do nm a t l a bs o f t w a r e w a su s e dt oo p t i m i z et h ew o r kd e v i c e c o m p a r i n gt h ed a t ab e f o r ea n da f t e r o p t i m i z a t i o n ，a n dt h eo p t i m a lr e s u l t sw a so b t a i n e d f i n a l l y ，as t r e n g t ha n a l y s i so fb u c k e tw h e r et h ew e a k e s tp o s i t i o nt o w e a rw a st a k e n s e l e c t i n gt h es h o v e l i n gc o n d i t i o n sw i t h s t a n d i n gt h em o s t f o r c e ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n s y ss o f t w a r ew a su s e dt od r a ws t r e s s ，s t r a i n a n dd i s p l a c e m e n tc o n t o u r st o a n a l y z ei ft h ep a r t sw i t h s t a n d i n gs t r e s sa n d d i s p l a c e m e n t m o s tc a nm e e tt h es t r e n g t h r e q u i r e m e n t s ，t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h es t r e n g t ho fb u c k e tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t st h r o u g h c a l c u l a t i n g k e yw o r d s ：w o r k i n gd e v i c e ；s i m u l a t i o n ；k i n e m a t i c s ；d y n a m i c s ；g e n e t i c a l g o r i t h m ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s j c c y - 27 弘地卜铲返机l 作装霄的优化 曼曼曼鼍曼曼皇蔓曼曼曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼笪曼曼曼曼! ! 曼曼曼! ! 曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼皇曼毫i m l 一； i i 曼曼曼皇曼曼曼笪鼍曼皇曼曼曼曼曼曼曼 插图索引 图1 1 地下铲运机工作装置j + 1 图1 2 连杆机构简图3 图2 1 铲斗三维实体模型1l 图2 2 自底向上装配方法框图1 1 图2 3 铲运机工作装置装配图12 图2 4 机构运动仿真工作流程13 图2 5 工作装置干涉结果14 图2 6 工作装置的各工况15 图2 7 工作装置铲斗齿尖的运动轨迹l6 图2 8 工作装置各销轴位置16 图2 9 铰接点b 的运动分析1 7 图2 10 铰接点d 的运动分析18 图3 1a d a m s 坏境中工作装置模型19 图3 2 添加约束后的工作装置模型2 0 图3 3 油缸驱动函数2 l 图3 4 集中载荷工况下工作装置的受力曲线2 2 图3 5 集中载荷下动臂铰接点的受力曲线2 3 图3 6 极限偏载工况下工作装置的受力曲线2 3 图3 7 极限偏载工况下动臂铰接点的受力曲线2 4 图4 1 工作装置优化设计流程25 图4 2 工作装置计算模型简图2 6 图4 3 转斗油缸输出力计算简图2 8 图4 4 动臂油缸输出力计算简图2 9 图4 5 最大卸载高度计算简图30 图4 6 最小铲取深度计算简图3 2 图4 7 遗传算法运算步骤36 图4 8 遗传算法工具。3 7 图5 1 铲斗有限元网格模型4l 图5 2 铲斗应力云图4 2 图5 3 铲斗应变云图4 2 图5 4 铲斗位移云图4 2 硕 。、伊论文 曼i 一一一_ _ m m ； m ：_ ! 曼曼曼曼曼! ! ! ! 曼鼍 1 1 铲运机概述 第1 章引言 地下铲运 j l ( l o a d h a u l d u m pu n i t ，l h du n i t ) 简称铲运机，是一种专门为地 下作业设计的井下无轨铲运设备，是一种矮车身，具有结构紧凑、操作灵活、对 地形的要求不高和生产效率高等特点，其研究和开发受到广泛重1 ! i l 。 1 2 铲运机工作装置的类型及特点 1 2 1 工作装置概述 工作装置是地下铲运机铲装物料的重要装置，它的结构和性能直接影响整机 的工作尺寸和性能参数。因此，工作装置的合理性直接影响地下铲运机的生产效 率、工作负荷、动力及运动特性等。不同类型的工作装置其组成不同，图1 1 所 示为工作装置反转六杆机构【l 】，由铲斗、动臂、连杆、摇臂、转斗油缸和举升油 缸六部分组成。 轧 毒 卜前车架；2 一转斗油缸：3 一摇臂；4 一连杆；5 一铲斗；6 一动臂：7 一举升油缸 图1 1 地下铲运机工作装置 铲运机的工作装置铰接在前车架上。铲斗通过连杆与摇臂和转斗油缸铰接， 用来装卸物料。动臂与车架及动臂油缸铰接用来升降铲斗。 1 2 2 工作装置的工作过程 地下铲运机是一种集铲装运卸于一体的自行式矿山设备，它的工作过程由五 种工况组成1 1j ： ( 1 ) 插入工况：在铲装点，动臂下放后，铲斗放置于地面，铲斗齿尖触地， 斗底板与地面呈3 0 5 0 倾角；开动铲运机，铲斗借助机器的牵引力插入料堆： ( 2 ) 铲装工况：铲斗插入料堆后，借助转斗油缸的作用转动铲斗铲取物料， j c c y - 2 甲地卜铲运机【作装霄的优化 待铲斗口翻至近似水平为止； ( 3 ) 重载运输工况：铲斗铲装满物料后举升动臂，将铲斗举升至运输位置( 即 铲斗斗底离地高度不小于机器的最小允许离地距离) ，然后驱动机器驶向卸载点； ( 4 ) 卸载工况：在卸载点，动臂将铲斗举升至卸载位置，翻转铲斗将物料倾 斜至溜井料仓或运输车辆。物料卸净后下放动臂，使铲斗恢复至运输位置； ( 5 ) 空载运输工况：卸载结束后，地下铲运机再由卸载点空载返回装载点。 1 2 3 工作装置的设计要求 地下铲运机由于其特定的工作条件，其工作装置在设计时应满足以下基本要 求 2 - 3j ： ( 1 ) 角度要求：动臂举升使铲斗达到所要求的卸载高度与卸载距离，此时铲 斗的卸料角为3 8 0 5 0 0 ；为了完成平整作业与溜井采矿，铲斗的最低工作点应低 于停车与行车面；在运输位置时，铲斗的后倾角为4 5 。；工作装置放平时，斗底 与地面的后角为3 05 0 。 ( 2 ) 运动要求：在工作状态以及工作结束位置要求速度及加速度的变化合理； 在运动过程中工作装置各杆件之间运动平稳无干涉：在动臂从最低位置举升到最 大卸载高度的过程中，保证铲斗的平移角小于10 0 ；卸料后，铲斗能自动放平。 ( 3 ) 结构要求：要求结构简单紧凑，承载元件的数量尽量少，前悬小。 ( 4 ) 动力性要求：工作装置的连杆机构具有较大的力传递效率。在铲掘位置 时，为了有较大的铲取力，要求斗铰线与连杆线夹角应接近9 0 0 ；运输过程中， 为了防止物料撒落，要求斗铰线与连杆线夹角应不大于1 7 0 0 ；在最高位置时，连 杆线与斗铰线夹角必须大于1 0 0 ，以免机构自锁。 1 2 4 工作装置的类型 综合国内外地下铲运机工作装置的形式，主要有6 种连杆机构类型( 如图1 2 所示) 。按工作装置的构件数目不同，可分为三杆、四杆、五杆、六杆以及八杆； 按输入和输出杆的转向分为正转和反转机构。下面分别叙述6 种连杆机构的优缺 点： ( 1 ) 正转八杆机构( 见图1 2 a ) 该机构在转斗油缸大腔进油时转斗铲取，因此拥有较大的铲取力；各构件尺 寸配置合理时，铲斗的举升平动性良好；连杆机构具有较大的传动比，铲斗能获 得较大的卸载角和卸载速度，所以卸载干净并且卸载速度快，同时还可以适当的 减小连杆机构尺寸，使得司机的视野得以改善。但是该机构由于构件较多，整体 结构较复杂，且铲斗不易实现自动放平。 ( 2 ) 转斗油缸前置式正转六杆机构( 见图1 2 b ) 该机构由两个四杆机构组成，整体结构比八杆机构简单，铲斗具有良好的平 2 硕f 学伊沦文 动性，司机视野良好。但是该机构的转斗油缸和铲斗及摇臂直接连接，连杆机构 的传动比较小，铲取力相对较小，卸载速度比八杆机构慢；由于转斗油缸自仃置， 工作装置的前悬大，整机的稳定性和行驶平稳性相对较差，并且不能实现铲斗的 自动放平。 图1 2 连杆机构简图 ( 3 ) 转斗油缸后置式反转六杆机构( 见图1 2 c ) 此种机构在转斗油缸大腔进油时转斗铲取物料，可获得较大的铲取力；恰当 选择各构件尺寸可实现铲斗的自动放平也可得到良好的举升平动性；该机构的前 悬小，司机的视野好。但是该机构把连杆和摇臂布置在铲斗和前桥之间的狭窄空 间，容易干涉。 ( 4 ) 转斗油缸后置式j 下转六杆机构( 见图1 2 d ) 该机构与前述油缸前置式正转六杆机构相比，前悬大、传动比大、活塞的行 程短；与上述油缸后置式反转六杆机构相比，铰接点少，并且可将转斗油缸、动 臂油缸、连杆、摇臂以及动臂设计在同一平面内，从而简化结构，而且构件多为 直线型，易于制造；并且该机构在转斗油缸活塞端进油，推力大而平稳，铲斗的 平动性好。缺点是该机构的转斗油缸和机架的铰接位置较高，司机的视野受到一 定的影响； ( 5 ) j 下转四杆机构( 见图1 2 e ) j c c y - 2 型地卜铲运卡j 【l 。竹：欲代的优化 甍曼曼舅i i i i , i i 皇曼曼曼曼! 曼! 曼曼吕 该机构是6 种连杆机构中最简单的一种，前悬小，铲斗的举升平动很容易保 证。缺点是铲斗在转斗油缸小腔进油时铲取，铲取力较小，转斗油缸的活塞行程 大；而且卸载时活塞杆容易与铲斗底碰撞，所以卸载角小；为了避免碰撞的发生， 而把铲斗的底部设计成凹形，这样既减小了斗容又增加了制造难度，同时铲斗不 能实现自动放平。 ( 6 ) j 下转五杆机构( 见图1 2 f ) 为了克服前述正转四杆机构卸载时活塞杆容易与斗底碰撞的缺点，在活塞杆 和铲斗之问增加一短连杆，使四杆变为正转五杆机构。当铲斗铲取物料时，短连 杆与活塞杆在油缸拉力及铲斗自身重力的作用下成一直线，如同一杆；卸载时， 短连杆相对活塞转动，从而避免活塞杆与斗底碰撞。该机构的缺点同f 转四杆机 构。 通过与上述6 种连杆机构进行比对，j c c y - 2 型铲运机工作装置属于转斗油缸 后置式f 转六杆机构。该机构具有f i f 悬大，铲取力大，活塞行程短，推力大而平 稳，铲斗的平动性好，构件易于制造等优点。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内外铲运机生产水平及研究现状 自l9 6 3 年美国瓦格纳( w a g n e r ) 公司在g r a n d v i e w 矿试验成功了第一台s t - 5 型铲运机以来，地下铲运机得到了迅速的发展，相应地也加速了地下矿山无轨凿 岩、运输、装药、喷锚支护、撬毛及辅助作业设备的发展，从而形成了以地下铲 运机为主体的无轨化采矿技术。随着采矿行业的迅猛发展，矿山开采设备也在更 新换代。采矿设备制造商们为了争取更多的客户、拥有更大的市场占有份额，不 断改进旧产品，推出新产品。通过介绍国内外主要生产厂家的产品，来了解当今 世界对地下铲运机的研究现状【4 。7 】。 ( 1 ) w a g n e r 公司。该公司是世界上地下铲运机的主要生产厂家之一。该公 司最新设计的大型地下铲运机s t l 4 于2 0 0 6 年投放市场。这台w a g n e r 公司的新 宠儿的优越性主要体现在驾驶室的安全舒适和液压系统负荷的“智能化”，以及关 键零部件的高身价投入。驾驶室的安全舒适：驾驶室不仅能见度好，而且实现 了驾驶室门的连锁功能，当驾驶室门打开时，制动、转向和液压系统都无法启动； 同时，驾驶室内的设置更加人性化，比如扩大了司机腿的活动空间、实现了无油 驾驶室、自动换挡变速箱；液压系统负荷的“智能化”：s t l 4 地下铲运机的液 压系统，采用了负荷传感液压系统和特别高的“功率机重”比。采用负荷传感液 压系统，油泵的流量随负荷的变化而变化。外界负荷大，泵的流量就大；外界负 荷小，泵的流量就小。当空载时，油泵为零流量，几乎没有功率损失。从而使得 4 s t l 4 型地下铲运机在1 ：7 斜坡上的上坡速度增加了1 4 ，在铲斗插入料堆时牵 引力增加4 1 。关键零部件的高身价：s t l4 地下铲运机的关键零部件都是采 用国际上知名生产厂家的产品，如：美国d e t r o i t 公司的6 0 系列柴油机，d a n a 公司的传动系统，德国r e x r o t h 公司的变量柱塞泵，芬兰f i n n k a t 公司的排放净化 器和颗粒物质捕捉器，r 本b r i d g e s t o n e 公司的轮胎，从i 佰保证了整机的可靠性。 ( 2 ) s a n d v i kt a m r o c k 公司。该公司新开发的t o r 0 6 型柴油地下铲运机于 2 0 0 6 年投入市场。该机把大型地下铲运机的生产能力和适应性同小型地下铲运机 的性能、操作、燃油经济性以及高生产率结合起来，换句话说，它把2l 世纪的先 进技术同作业条件十分恶劣的采矿工业结合起来，代表着当今的先进技术水平。 t o r 0 6 型铲运机采用d a n a 公司2 0 0 5 年才投入市场的新型号3 7 r 综合驱动桥。 3 7 r 桥是d a n a 公司专门为工程机械、采矿机械开发的系列车桥产品，具有很高 的可靠性、工作效率以及理想的成本效益。t o r 0 6 地下铲运机的另一个变化是首 次采用o m 9 0 6 l a 型发动机。据有关资料介绍，该发动机是电控单体泵共轨直射 喷射系统，8 孔喷嘴通过很短的高压燃油管喷射出16 0 m p a 的燃油，使燃油与空 气混合更充分、燃烧更安全，排放更低，而且还采用了b l u e t e c 柴油机减少排放 的新技术，从而使o m 9 0 6 l a 柴油机满足了2 0 0 6 年1 0 月的e u r 0 4 排放标准。 ( 3 ) c a t e r p i l l a re i p h i n s t o n e ( 简称c a t ) 公司。c a t 公司己完成了全部地下 铲运机更新换代。更新的型号全部用“g ”标志。“g ”本来为露天装载机更新换代 的标志，现用在地下铲运机，说明露天装载机的许多新的技术已用在地下铲运机 上，特别是安全与维修方面。c a t 公司在2 0 0 3 年开发了一个旨在降低燃烧排放 的新系统，即a c e r t 技术，它包括4 个核心系统：空气管理系统、燃油系统、 电子系统和后处理系统。该技术为用户提供了一个新的选择，在不改变发动机性 能的前提下满足e p a ( e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y ，缩写为e p a ) 排放法规。 另外，2 0 0 6 年c a t 公司又把新型地下铲运机r 1 3 0 0 gi i 改装成燃料电池地下铲运 机列入研究项目计划。该计划又是一个具有时代意义的研究项目，它的成功将为 地下柴油铲运机提供一个新的发展方向。 通过对以上三家主要的铲运机生产厂家的了解，可以看出近几年国外新开发 的地下铲运机，依靠品种新、技术新和改进新使其铲运机的面貌得以改变。新型 地下铲运机更加安全、舒适、可靠、环保、便于维修，自动化程度更高，性能更 优越，性价比更高。 自19 7 5 年从波兰引进l k 1 型地下内燃铲运机起，地下铲运机在我国已经有 近4 0 年的发展历史了。在1 9 7 6 年，长沙矿山研究院、天津工程机械研究所和柳 州工程机械厂合作对z l 5 0 型露天装载机进行了改型设计，生产出我国第一台地 下矿用铲运机d z l 5 0 。自此，我国开始有了自己设计、生产的铲运机。经过近4 0 年的发展，我国铲运机从无到有，从小到大，从单一到多样化，从仿造到独立研 j c c y - 2 掣地卜铲逆机f 作裂霄的优化 曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼i i ； i 皇曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼曼皇曼鼍曼皇 发生产，已基本完成了地f 铲运机的系列化。现在我国已有6 0 多个冶金、有色金 属、黄会和化工矿山使用地下铲运机，拥有6 0 多种型号的铲运机约l0 0 0 台，斗 容为0 3 8 - - 一6 1 m 3 ，其中以柴油机为动力源的约占7 0 ，居主导地位。在约1 0 0 0 台铲运机中，从国外进口5 0 0 余台，国产铲运机近5 0 0 台1 8 - 9 j 。目前主要的铲运机 生产厂家有中钢集团衡阳重型机械有限公司、南通通j j 机械有限责任公司、会川 集团机械制造有限公司以及北京安期生技术有限公司等4 家公司。其中，衡阳重 机【1 0 】通过多年引进、消化和吸收国外先进技术，成功研制了拥有自主知识产权的 c y - 3 、c y - 4 两个系列的地下柴油铲运机，与国外同类型铲运机相比，具有较高的 性价比。( 1 ) c y - 3 型铲运机传动系统采用液力传动技术，其中柴油机、变矩器、 变速器、前后驱动桥等关键零部件全部采用进口件，整个传动系统质量可靠，性 能稳定，故障率低。( 2 ) c y - 3 型铲运机的液压系统结合我国矿山的实际情况，综 合了国外主要制造商的设计优点，主要表现为：齿轮泵的抗污染能力较强；采用 合流技术，节省能源；采用较大容量的制动蓄能器作为紧急动力源，在发动机熄 火的情况下，仍能将制动器打开。( 3 ) 驾驶室采用高强度的防倾翻、防落物顶棚， 室内根据人机工程学原理设计，安全舒适。金川机械l 的前身是建于1 9 6 1 年的 会川公司机械厂，经过4 0 余年的文化积淀和资本积累，拥有高校研究团队的技术 支撑，与世界专业的技术、供应、制造企业的密切沟通。金川机械集设计、制造、 安装、抢修于一体，产品覆盖了采矿、选矿、冶炼等行业。 1 3 2 国内外铲运机工作装置的研究现状 西南交通大学米蓉等【1 2 】通过分析铲运机工作要求，建立铲运机正转六杆机构 的数学模型。综合p o w e l l 法和微粒群算法( p s o ) 的优点，提出一种适合该模型 的p o w e l l p s o 混合算法，并通过m a t l a b 编程实现。测试结果表明：p o w e l l - p s o 混合算法不仅克服了p o w e l l 法对初始值的依赖，改进了p s o 对该类复杂问题收 敛较慢的缺点，而且在计算效率和收敛精度之间达到了一个较好的平衡。 王玉兴等( ”】根据矿用铲运机工作机构在插入工况、运输工况、举升工况和卸 载工况中的特点，建立其六连杆工作机构的优化设计数学模型。采用混合惩罚函 数法进行求解，编制了优化程序。以w j d 1 5 m 3 矿用铲运机工作机构为例进行优 化设计计算，并对设计前后工作机构进行了有限元建模和分析。 华南理工大学迟永滨等( 1 4 】在讨论了装载机工作装置优化设计过程的基本特 点和规律之后，提出相应的处理方法和对策。从建立一个完整专业c a d 系统的 角度，讨论优化设计作为其中的一个子系统与其他子系统之间的关系及合理的任 务分工，从而提出优化设计模型。并且以人为主体，对系统的结构进行规划，提 出优化设计过程的控制方法。 西南交通大学邓崛等【1 5 】应用先进的计算机设计平台，将虚拟样机技术应用到 6 硕 j 。：o 何沦艾 铲运机的机构设计和运动仿真过程中，成功地解决了在传统设计下，无法直接观 察工作装置空问运动状况，以及运动轨迹，干涉情况的难题，实现了数字化设计， 缩短了研制周期，提高了设计效率，为f 司类机械装置的设计提供了一种新的思路。 中南大学杨忠4 j j 等【1 6 7 1 通过建立某型号地下铲运机工作装置的数学模型，采 用改进的复合形法的修i f 算法对其进行优化设计，存保证工作装置平移性能和运 动协调性的自订提下，连杆机构的自动放平性、卸料性、动力性能和工作效率均有 不同程度的提升。 吉林大学高秀华等【l8 】在a d a m s 中针对装载机工作装置的各主要杆件进行参 数化建模，建立装载机工作装置的虚拟样机优化模型。采用o p t d e s 非线性二次 规划计算方法，以装载机工作装置连杆机构的平移性和自动放平性为日标进行优 化。通过优化使铲斗的平移性能得到进一步提高，工作装置的自动放平性能得到 明显改善。 申文清等f l9 】在a d a m s 中建立轮式装载机工作装罱的虚拟样机模型。通过参 数化设计关键点，确定目标函数、约束函数后对虚拟样机进行了优化研究。结果 显示，在保证铲斗平移性的自订提下，所需的动臂油缸和转斗油缸驱动力明显下降， 与传统设计方法相比，既提高了设计的速度和质量，又降低了制造的成本。 吴震字等【2 0 】以铲斗举升瞬间位置角与运输工况位置角的差值最小为目标函 数对铲运机工作装置的连杆机构进行优化设计，使铲斗工作装置能明显地减少物 料的散落，从而改善铲运机的铲运效率和工作性能。 y l i 等【2 l 】对铲运机工作装置进行三维建模，其研究重点是工作装置的整体 建模，包括零件建模和装配建模。在系统建模中提出基于特征的建模方法，将自 顶向下装配的建模操作进程集成到三维装配树结构中，并在系统建模的运动分析 中进行装配干涉检验。 申军立等【2 2 】在遗传算法全局优化理论的基础上，建立相应的数学模型，然后 利用m a t l a b 软件自带的g a7 - 具箱对工作装置进行了优化设计。优化结果表明： 针对大型装载机工作装置所建立的数学模型准确地描述了其物理模型及设计性能 要求；运用遗传算法优化，具有动作准确、易于求得全局最优解的特点。结合机 械系统动力学仿真软件a d a m s ，对优化后的工作装置进行了动力学仿真，仿真 结果验证了设计的可行性。 m o h a nj a g a n n a t h 等【23 】提出了一种用于平面六杆机构在每个输入周期只有两 个旋转接头合成的设计方法。结合瞬时运动学和优化设计制作一个简单的、一步 合成的设计方法。 浙江大学潘双夏等【2 4 】对正转八连杆工作装置进行了运动学分析，归纳出其运 动过程中必须满足的各种条件，建立优化模型，进行优化设计，分析所得结果。 吉林大学戴文跃等【25 】为了提高装载机工作装置的整体性能，利用机械系统动 7 j c c y - 2 ，弘地卜铲运机f j 作装筲的优化 力学仿真分析软件a d a m s 对反转六杆机构工作装置进行了动力学仿真分析，并 采用f 交试验的理论和方法对其进行了综合优化设计。 h a n s e n 和a n d e r s e n 2 6 】基于对某种型号挖掘装载机设计的考虑，在任务中引 进计算机辅助优化设计技术，清楚地况明了优化设计技术的成熟性以及优化设计 在其他领域应用的广泛性和复杂性。设计任务是制定一个加权多准则优化标准， 包括运动学和静态性能两个方面，以及在平等和不平等方而的制约因素。通过丌 发一个专用计算机程序一一拟牛顿方法：d a v i d o n f l e t c h e r p o w e l l ，用于解决优化 问题中的最优问题。 p s s h i a k o l a s 等【2 7 】介绍了一种结合差分进化以及精密几何形心位置合成技 术的设计方法。应用混合惩罚函数约束和相对精度理论指导该设计方法。用该方 法进行分析，可大大提高设计所需的精度。并将其应用于六杆机构的运动仿真干 涉检验和传动角的优化。 大连理工大学黄洪钟等【2 8 】根据装载机工作装置的设计要求，建立了装载机工 作装置的多目标优化设计数学模型，并定义了广义满意度等概念，建立了基于满 意度原理的多目标优化理论，并给出集神经网络和遗传算法于一体的装载机工作 装置的满意优化设计方法，为装载机工作装置以及其他机械产品的设讨提供了一 种新的途径。该方法得到广西柳工集团有限公司技术中心的认可。 r o n g y iz h a n g 等【2 9 枷1 以六连杆工作装置为研究对象，在m a t l a b 软件中利 用蚁群算法( a c a ) 对工作装置进行了优化计算，然后提出了最佳解决方案。 1 4 主要研究内容 本文在以下几个方面对j c c y - 2 型地下铲运机的工作装置进行了研究和探讨： 1 )在三维建模软件p r o e 中建立工作装置的三维实体模型，并对其进行三 维干涉检测、运动轨迹的绘制以及运动学仿真分析。 2 ) 在动力学分析软件a d a m s 中对工作装置在不同载荷分布的情况下进行 动力学分析。 3 ) 建立工作装置的数学优化模型，选用g a 工具箱作为优化工具，对工作 装置的重要组成参数进行优化求解。 4 )利用有限元分析软件a n s y s 对铲斗进行强度分析。 硕 学伊沦文 第2 章工作装置的建模及运动学仿真 2 1 开发工具p r o e n g i n e e r 简介 p r o e n g i n e e r ( 简称p r o e ) 是美国参数技术公司( p t c ) 推出的新一代 c a d c a m c a e 软件，具有零件设计、产品装配、模具开发、钣金件设计、n c 开发、造型设计和机构仿真等强大功能，其中最擅长的是实体造型、加工以及大 型组件装配、管理和模具结构设计，这些强大功能使得航空航天、机械、电子、 汽车、家电以及玩具等工程设计领域有6 8 3 以上的设计任务足通过它来完成的。 参数化设计、全关联性数据库等特点和绝对的主导地位使其已经成为工程设计人 员的“入门标准语言”，很快得到业内人士的普遍欢迎，并迅速成为当今世界最为 流行的c a d 软件之一。 自19 8 8 年，p r o e 问世以来，机械设计的自动化已变得切实可行。参数化设 计技术是计算机辅助设计技术的一次巨大飞跃，p r o e 以参数化的设计方式驱动 零件产品的设计过程，使设计过程的修改和产品零件的最终成形具有更大的柔性， 使设计工作较之以前更方便、更灵活。同时p r o e 在设计观念和方式上还具有以 下几个特点【j 。 1 p r o e 以计算机构造三维实体模型，以虚拟设计的方式表达了设计者对产 品零件的全部设计构思，借助系统的预设参数，设计者还可以方便地得到产品零 件的体积、面积、质量、质心等相关信息，加上材质、色彩、灯光的渲染效果， 更加逼真地再现了自然界的物体。 2 p r o e 可随时由三维实体模型产生二维工程图，而且自动标注相应尺寸， 并且二维和三维结构尺寸的修改双向关联，并延续至相应的装配图，使得修改三 维模型或二维工程图不再是一件麻烦、易错的事情。 3 p r o e 以贴近工程自然结构的单元特征，辅以灵活强大的编辑修改手段， 完成产品的建模设计过程，如钻孔、倒圆角。设计人员还可以通过模型树、工具 条等编辑操作，对特征单元进行顺序的调整、插入、删除、重定义等修改操作。 p r o e 4 0 是2 0 0 8 年j 下式发布的较新版本软件，在功能和操作上都有一些改进。 操作环境采用w i n d o w s 窗口环境，大大降低了操作难度；草绘识别功能加强，在 草图的截面完整性等方面做了改进，使得草绘效率加快；在外部数据的导入、创 建孔特征以及曲面编辑等功能方面都有提高，更快捷，更方便，更人性化。 9 j c c y - 2 弘地卜铲运机f ：作裴莨的优化