（车辆工程专业论文）装载机工作装置作业运动特性与动态载荷性能研究.pdf

摘要 轮式装载机是用于装运散料为主的工程机械设备，由于轮式装载机经常工作 在各种复杂的工况下，这就要求轮式装载机具有良好的适应性和可靠性，尤其是 工作装置的各种设计参数直接影响装载机的整机性能，因此对轮式装载机的设计 提出了严格的要求。对轮式装载机工作装置的运动学、动力学、仿真优化进行深 入的研究，以提高装载机作业效率，对轮式装载机的整机设计具有特别重要的意 义。据此丌展以下几方面工作： 1 介绍了虚拟样机技术的基本特征，指出了虚拟样机研究的主要内容，综述 了国内外虚拟样机技术研究现状，论证了在轮式装载机开发中应用虚拟样机技术 的必要性和重要意义。 2 依据建模与仿真理论，建立了轮式装载机工作装置的数学模型，为轮式装 载机虚拟样机的仿真研究奠定了基础。 3 研究了利用p r o e 建立轮式装载机三维实体模型的方法，总结了三维实体 建模与虚拟装配的技巧，构建了轮式装载机整机三维实体模型，并在p r o e 环境 下进行了装配干涉检验。 4 研究了p r o e 与a d a m s 的接口技术，在a d a m s 环境下构建了轮式装载机的 虚拟样机并进行了仿真研究，得到了轮式装载机工作性能曲线。 关键词：装载机；工作装置；运动特性；动态载荷；仿真 a bs t r a c t t h ew h e e l e dl o a d e ri s u s e si ns h i p p i n gt h eb u l kp r i m a r il yp r o j e c t m e c h a n i c a ld e v i c e ，b e c a u s et h ew h e e l e dc a rl o a d e rd a y t o d a yw o r ku n d e r e a c hk i n d ，o fc o m p l e xo p e r a t i n gm o d e ，t h i sr e q u e s tw h e e l e dc a rl o a d e rh a s t h eg o o dc o m p a t i b i l i t ya n dt h er e l i a b i l i t y ，w o r k st h ei n s t a l l m e n te a c hk i n d o fd e s i g nv a r i a b l et oa f f e c tt h ec a rl o a d e rd i r e c t l y i np a r t i c u l a rt h e c o m p l e t em a c h i n ep e r f o r m a n c e ，t h e r e f o r e s e tt h es t r i c tr e q u e s tt ot h e w h e e l e dc a rl o a d e rd e s i g n t ot h ew h e e l e dc a rl o a d e r w o r ki n s t a li m e n t k i n e m a t i c s d y n a m i c s ，t h es i m u l a t i o no p t i m i z a t i o n c o n d u c tt h et h o r o u g h r e s e a r c h 。e n h a n c e st h ec a rl o a d e rw o r ke f f i c i e n c y ，h a st h es p e c i a l l yv i t a l s i g n i f i c a n c et ot h ew h e e l e dc a rl o a d e rc o m p l e t em a c h i n ed e s i g n a c c o r d i n g t ot h ea b o v ed e v e l o p sf o ll o w i n gs e v e r a la s p e c t st ow o r k ： 1 t h eb a s i cf e a t u r eo fv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e d ， m a i o rc o n t e n t sa n dd i f f i c u l t i e sa r ep o i n t e do u t i nt h ep a p e raa u t h o rs u m s u pt h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya th o m e a n da b r o a da n dp r o v e st h en e c e s s i t ya n ds i g n i f i c a n c eo fa p p l y i n gv i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yt or e s e a r c ho fw h e e l l o a d e r 。 2 a c c o r d i n g t o t h et h e o r i e s o fm o d e li n ga n ds i m u l a ti o n ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h ew o r k i n gm a c h a n i s ma n dh y d r a u l i cs y s t e mo ft h e w h e e ll o a d e ra r eb u ilta n dt h ef o u n d a t i o no fs i m u l a t i o nr e s e a r c ho fv i r t u a l w h e e ll o a d e rp r o t o t y p ei se s t a b l i s h e d 。 3 t h e3 dm o d e l l i n gm e t h o do fw h e e ll o a d e ru s i n gp r o e s o f t w a r ei s r e s e a r c h e d t h et e c h n o l o g yo nm o d e l l i n ga n dv i r t u a la s s e m b l yi s s u m su p ， t h e3 dm o d e li sb u ii t a n di n t e r f e r e n t i a lt e s to fa s s e m b l y i np r o e e n v i r o n m e n t i sc o m p l e t e d o 4 t h ec o n n e c t i o nt e c h n o l o g yp r o ea n da d a m si sr e s e a r c h e d ，t h ev i r t u a l w h e e ll o a d e rp r o t o t y p ei sc o n s t r u c t e di na d a m se n v i r o n m e n t ，r e s e a r c ho f t h ev i r t u a lp r o t o t y p e i sc o m p l e t e da n dit sw o r k i n gp e r f o r m a n c e s a r e a n a ly s e 。 k e yw o r d s ：l o a d e r ，w o r k i n gd e v i c e ，k i n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，d y n a m i cl o a d ， s i m u l a t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位做作者签名蜊翅：擂 日期：扩妒7 年缈月力r 同 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 鞘耄芎酽级言并飘曹压 同期：刀彳年缈月刁同同期：力衫年u 月i 多口同么b 学位论文作者签名：仙戤 f | 期：刀1 年钐月彳同 指导教师签名： 嗍1 年 一 )左7 y 朱 rj 、7 d 、 夕矽蝴 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的现状及研究方向 1 1 1 国内、外轮式装载机行业发展概况、现状及其发展前景 近年来，轮式装载机以围绕提高效率、降低成本为核心，继续向大型化、微 型化发展，不断推出新产品，加速更新换代。微电子技术的突破性进展为轮式装 载机自动控制、状态监测及视线范围内遥控技术的发展创造了条件。柴油发动机 自动控制喷油系统、变速箱自动控制换档、性能参数和状态监测均取得重大进展， 在视线内遥控作业已进入实用阶段，从而改善了性能，提高可靠性，缩短停机时 间，增加生产能力，降低燃油消耗，取得了更大的经济效益。 如卡特彼勒公司9 0 年代初推出c a t 9 6 6 f 轮式装载机，时隔1 年又推出c a t 9 8 0 f 轮式装载机，它增加了斗容和功率，改善了性能、提高了可靠性。不久又推出更 大的c a t 9 9 4 轮式装载机，根据物料体积质量不同而选配1 8 - - 3 0 m 的铲斗，机重1 7 0 t ； 装有涡轮增压后冷的c a t 3 5 1 6 型柴油发动机牵引力大、加速性能好；加长的工作 动臂增加了卸载高度，能对载重量2 1 8t 的大型自卸汽车装载。卡特彼勒公司推出 组合式八杆机构，这种机构替代综合多用机上的八杆平行举升机构和传统的“z 型” 连杆机构，可承受极大的扭矩载荷和具有卓越的可靠性( 耐用性) ，驾驶室前端 视野开阔。从地面到整个举升高度范围内具有平行移动的特点。它将快速连接器 和塔架式机构设计成整体式工作装置，通过快速更换不同的辅助机构完成装卸、 堆垛、扫雪、平地、清扫路面、推土、吊装、搬运和地表钻孔等作业，实现一机 多能，减少用户设备投资。卡特彼勒公司为代表的轮式装载机采用液力机械传动 系统，其自动动力换档变速箱自动选择档位传动比，使换档在变速箱最佳效率点 进行。该公司最近推出的s t i c ( 转向变速集成) 系统，将转向和换档功能集成于 一操纵手柄上，使操纵更加省力、轻便，换档更加平稳，可大幅度提高生产率。 卡特彼勒轮式装载机转向液压系统用负荷传感式溢流问，使液压泵在负载压力下 溢流，降低系统压力，提高了液压元件寿命。工作装置液压系统采用举升限位装 置和下放自动定位装置，避免了机械限位时液压缸行程终了产生高压和冲击；装 设的蓄能器能吸收冲击载荷，并对整机的纵向摇摆起阻尼作用；液压缸导向套处 有三重密封，防止泄漏和防尘。卡特彼勒k l d 9 9 4 d 型装载机采用了c a t 3 5 1 6 b 型 柴油发动机，装有h e u i 型电控喷油系统，根据外载荷有效控制功率和转速，发动 机喷油泵随调速器动作，精确地对燃油进行调节、加压和供油，降低初始喷油速 率，噪声小，燃油效率高。 2 第一章绪论 新型轮式装载机司机室的设计充分考虑了人的生理需求，对仪表位置排列、 操作手柄和踏板、司机座椅、能见度、防噪和隔振、温度调节等均符合人机工程 学，使司机在舒适、轻松、安全环境下操作，提高工作效率。如卡特彼勒轮式装 载机的司机室设有微机监控装置和可调悬挂式座椅，先导液压阀操纵铲斗控制手 柄及流量放大转向系统等，使操作轻便、灵活，采用防滚翻保护结构( r o p s ) 和 落体撞击保护结构( f o p s ) 符合i s o 标准要求。卡特彼勒开发的电子监控( e m s ) 系统对轮式装载机主要系统出现故障或潜在问题提出警告和显示，有三种不同的 警告级别和信号，每种信号表明系统的状态和司机应采取的适当措施【l j 。 1 1 2 我国轮式装载机的研制方向 国内轮式装载机发展趋势，正在从低水平、低质量、低价位、满足功能型向 高水平、高质量、中价位、经济实用型过渡。从仿制仿造向自主丌发过渡，各主 要生产厂家不断进行新技术的投入，采用不同的技术路线，在关键部件及系统上 进行技术创新，摆脱了产品设计雷同、无自己特色和优势的现状，从低水平的无 序竞争的怪圈中脱颖而出，成为装载机行业的领先者，提高发动机的排放标准， 降低燃油消耗，生产具有环保型的轮式装载机。 大型和小型轮式装载机，在近几年的发展过程中，受到客观条件及市场总需 求量的限制。竞争最为激烈的中型装载机更新速度将越来越快。根据各生产厂家 的实际情况，重新进行总体设计，优化各项性能指标，强化结构件的强度及刚度， 使整机可靠性得到大步提高。细化系统结构，如动力系统的减震、散热系统的结 构优化、工作装置的性能指标优化及各铰点的防尘、工业造型设计等。 利用电子技术及负荷传感技术来实现变速箱的自动换档及液压变量系统的应 用，提高效率、节约能源、降低装载机作业成本。提高安全性、舒适性。 装载机的外形，特别是平面与平面的连接处，采用“大圆角”过渡，使整机 造型更符合人机工程学原理，给人柔和、强固、安全舒适的感觉。 降低噪声和排放，强化环保指标。随着人们环保意识的增强，降低装载机噪 声和排放的工作已迫在眉睫，工程建设机械若不符合排放标准，将要被限制在部 分地区的销售。 广泛利用新材料、新工艺、新技术，特别是机、电、液一体化技术，提高产 品的寿命和可靠性。 最大限度地简化维修，尽量减少保养次数和维修时i 、日j ，增大维修空间，普遍 采用电子监控技术，进一步改善故障诊断系统，提供排除问题的快速方法和手段。 综上所述，应该丌发性能优良的装载机，如斗容量大、大功率发动机、掘起 力大、倾翻载荷大、牵引力大、废气排放少的环保型装载机，应丌发机、电、液 一体化技术、电子计算机技术、监测技术等高端的装载机，应开发作业可靠性好、 第一章绪论 安全性高、舒适性好的产品，一机多用的产品。在大型、微小型装载机上我国的 技术开发上还是落后于国外，产品基本上是进口的，因此，这些产品在国内具有 很大的发展潜力和市场空间。 1 2 虚拟样机技术 1 2 1 虚拟样机的概念 虚拟样机技术是近些年在产品开发的c a d 、c a e 、c a m 等技术和d a f ( d e f i n gf o r a s s e m b l y 面向装配的设计) 、d f m ( d e s i n gf o rm n a u f a c t u r e 一面向制造的设 计) 等技术基础上发展起来的，它进一步融合了现代信息技术、先进仿真技术和先 进制造技术，将这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进行综合 管理，从系统的层面来分析复杂系统，支持由上至下的复杂系统丌发模式，利用 虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，以缩短产品开发周期， 降低产品开发成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力【2 l 。 虚拟样机技术的内容： 数字化物理样机解决方案不同于以u g 和c a t i a 为代表的结构设计软件，不是 强调结构上的设计，而是更重视物理样机零部件的形态特性和系统装配特性的数 字化检视。充分利用镶嵌式的三维零件实体造型技术，以增强对大型系统的快速 显示和浏览能力，实现造型、装配、浏览、运动轨迹、冲突检测等功能，并有效 支持协同设计、浏览、干涉、碰撞检测等。 功能虚拟样机( f v p f u n c t i n o a lv i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 解决方案充分利用 三维零件的实体模型和零件有限元模型的模态表示，在虚拟实验室或虚拟试验场 的试验中精确地预测产品的操作性能，如运动操纵性、振动噪声、耐久性疲劳、 安全性冲击、工效学舒适性等等。 虚拟工厂仿真( v f s 一- - - v i r t u a lf a c t o r ys i m u l a t i o n ) 解决方案对产品完整的 制造和装配过程进行仿真，以解决产品制造和装配过程中的公差、机器人、装配、 序列等问题。 这三者联合起来，提供了有效的方法实现从实体物理样机向软件虚拟样机的 转化，从而有效地支持了虚拟产品丌发，在产品数据管理( p d m ) 系统或产品全生命 周期管理( p l m ) 系统的基础上实现集成。 1 2 2 虚拟产品开发与虚拟样机技术 虚拟产品丌发和虚拟样机技术的出现是市场激烈竞争的拉动和技术迅速发展 的推动共同作用的结果。随着世界经济的一体化发展，市场竞争同趋激烈，多品 种小批量生产和大批量定制生产逐渐成为主导的生产形式。在这种情况下，企业 要求生存与发展，就必须调整其产品丌发和生产组织模式，解决t ( 最快的上市时 第一章绪论 间) 、q ( 最好的产品质量) 、c ( 最低的产品成本) 、s ( 良好的产品服务) 和e ( 尽少的 环境污染) 难题。另一方面，世界已经进入全球化的知识经济时代，现代信息技术 特别是计算机技术得到飞速发展与广泛应用，这为t q c s e 难题的解决提供了机遇。 在这样的背景条件下，虚拟产品开发和虚拟样机技术应运而生。 虚拟产品开发是一种设想，在这个设想中，以网络方式组织在一起的人们将 协同工作，以完成对产品的设计、分析、制造及技术支持：他们的工作将以数字化 的方式确定和分配，从而使得他们能够在任何时间、任何地点协同或独立地工作， 这种开发网络除了生产公司外，还将包括供应商、合作伙伴及客户。 虚拟产品开发具备三个主要特点：数字化方式：产品全生命周期( p l m ) ：网络协 同。 虚拟产品开发最主要的特征是产品开发过程的数字化，它彻底地改变了传统 的产品开发流程：不仅如此，数字化设计还贯穿于产品全生命周期，产品全生命周 期包括一系列不同的阶段，数字化设计主要用于产品丌发，包括产品规划、产品 设计( 包括初步设计和详细设计) 和产品试验这三个阶段，并且是一个循环反复的 过程。同时，数字化模型不只是限于存在于产品开发阶段，还根据不同的需要存在 于后续产品制造、产品销售、产品使用等过程。 1 2 3 虚拟样机在p r o e 中的实现 1 9 8 5 年，p t c 公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1 9 8 8 年， v 1 0 的p r o e n g i n e e r 诞生了。经过1 0 余年的发展，p r o e n g i n e e r 已经成为三维 建模软件的领头羊。目f j i 已经发布了p r o e n g i n e e r 2 0 0 0 i 2 。”。 p t c 的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大 型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理、机械设计、机构分析等等。 p r o e n g i n e e r 还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品丌发环境。是 是全球首套用于产品丌发领域的“全方位”一体化软件系统，大大提高了设计效 率。 1 2 4 虚拟样机技术在a d a m s 中的应用 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m s ) ，原由美国m d i 公司丌发，目前己被美国m s c 公司收购成为m s c a d a m s ，是最著名的虚拟样机技术 分析软件。它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的 机械系统动力学模型，利用拉格朗同第一类方程建立系统最大量坐标动力学微分 一代数方程，求解器算法稳定，对刚性问题十分有效，可以对虚拟机械系统进行 静力学、运动学和动力学分析，后处理程序可输出位移、速度、加速度和反作用 力曲线以及动丽仿真。a d a m s 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、 碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。目前，a d a m s 己在汽车、飞机、 第一章绪论 铁路、工程机械、一般机械、航天机械等领域得到广泛应用，己经被全世界各行 各业的大多制造商采用。a d a m s 软件由核心模块、功能扩展模块、专业模块、工具 箱和接口模块5 类模块组成。a d a m s 一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以 运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一 方面，又是虚拟样机分析技术开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以 成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台h 】。 1 3 本课题研究的主要内容 为提高装载机作业效率，对轮式装载机工作装置的运动学、动力学、仿真优 化，用p r o e 建立z l 5 0 g 的三维实体模型，用a d a m s 进行深入的分析，对轮式装 载机的设计具有非常重要的意义。掘此开展了以下几方面工作： 1 装载机工作装置在一般工况下铲装、转运、举升与卸料的作业特性与一般运 动规律，建立有关分析模型。 2 装载机工作装置的动力学分析，建立分析模型。 3 建立装载机工作装置作业过程的动态载荷分析方法与算法。 4 对铲斗的平移性、自动放平性和卸料性进行分析，以此来验证工作装置结构 设计方案的可行性。 6第_ 二章鼗载机工作装置设计及j e 虚拟样机的实现策略 第二章装载机工作装置设计及其虚拟样机的实现策略 2 1 装载机概述 装载机是一种作业效率高，用途广泛的工程机械，它可以用来铲装、搬运、 卸载、平整散装物料，也可以对岩石、硬土等进行轻度的铲掘工作。如果更换相应 的工作装置，还可以进行推土、起重、装卸木料和钢管等作业。因此，装载机被 广泛应用于建筑、公路、铁路、水电、港口、矿山及国防等工程中，对加快工程 建设速度、减轻劳动强度、提高工程质量、降低成本具有重要作用。在国内外， 无论是种类上还是在产量方面装载机都得到迅速发展，成为工程机械的重要机种 之一。 2 1 1 装载机的总体构造和分类 li l !i 三 l ：1 11 5【6i c 图2 1 轮式装载机总体结构示意图 f i g u r e2 1 l o a d e rs y s t e m 1 一发动机；2 一变矩器；3 一作业液压泵；4 一前后车驾铰接点；5 一转斗液压缸； 6 一动臂；7 一摇臂：8 一连杆：9 一铲斗；1 旺驱动桥；1 l 一车架；1 2 一动臂液压 缸；1 3 一前传动轴；1 4 一变速箱；1 5 一转向液压缸；1 6 一后传动轴 装载机根据行走装置不同分为轮胎式和履带式两种。图2 1 为轮式装载机的总 体结构示意图装载机一般由车架、动力传动系统、行走装置、工作装置、转向制 动系统、液压系统和操作系统等组成。发动机l 的动力经变矩器2 传给变速箱1 4 ， 第二章装载机工作装置设计及虚拟样机的实现策略 再由变速箱把动力经传动轴1 3 及1 6 分别传到前后桥1 0 ，以驱动车轮转动。内燃 机动力还经过分动箱驱动液压泵3 组成。工作装置由动臂6 、摇臂7 、连杆8 、铲 斗9 、动臂液压缸1 2 和摇臂液压缸5 组成。动臂一端铰接在车架上，另端安装 了铲斗，支架的升降由动臂液压缸来带动，铲斗的翻转由转斗液压缸通过摇臂和 连杆来实现。车架1 1 由前后两部分组成，中间用铰销4 连接，依靠转向液压缸可 以使前后车架绕销相对转动，以实现转向。 装载机根据卸载方式不同分为前卸式、后卸式和回转式。 ( 1 ) 前卸式装载机前端装卸，作业时装载机需调头，费时，但结构简单， 司机操纵视野良好、安全，应用广泛。 ( 2 ) 后卸式装载机前面装料，向后端卸料，作业时装载机不需要调头，可 直接向停在后面的运输车辆卸载，节约时问，作业效率高，但卸载时，铲斗需越 过司机的头部，很不安全，应用较少。 ( 3 ) 回转式回转式装载机的动臂安装在可回转( 1 8 0 0 - 3 6 0 0 ) 的转台上，铲 斗在前端装料后，回转至侧面卸料，装载机不需要调头，也不需要严格的对车，作业 效率高，适宜场地狭窄的地区作业。这种装载机结构较复杂，侧向稳定性较好n 1 。 2 1 2 装载机的作业方式 装载机是集铲、装、运、卸作业为一体的自行式机械，常与自卸汽车配合进 行装卸作业，整个作业循环包括以下四个工序： ( 1 ) 装载机以低速、直线驶向料堆，接近料堆时，放下动臂、转斗，使铲斗 刀刃接地，铲斗斗底与地平面成3 0 7 0 角，插入料堆。 ( 2 ) 装载机铲斗全力插入料堆，并间断地操纵铲斗转动和动臂上升，直至斗 装满，把铲斗上翻至运输位置。 ( 3 ) 装载机满载后退，然后转向，驶向自卸汽车，同时提升动臂至卸载高度 卸料。 ( 4 ) 空车退回，同时动臂下降至运输位置。 由上述可见，装载机的作业是在运行中配合以工作装置的动作进行的，其中， 铲装工序是主要工序，它借助于插入力和用转斗及动臂提升的配合动作完成，所 需功率最大。 不同铲装方法对作业阻力和铲斗的装满程度有很大影响，工作时，主要根据 所铲装的物料种类( 容重、粒度大小等) 选用以下几种不同的铲装方法： ( 1 ) 一次铲装法装载机直线前进，铲斗刀刃插入料堆，直至铲斗后壁板与料 堆接触，装载机停止前进，铲斗转至装满位置，然后提升动臂至运输高度。一次 铲装法适用于铲装松散物料，如砂、煤、焦炭等。 8第二章装载机工作装置设计及其虚拟样机的实现策略 ( 2 ) 配合铲装法是在装载机前进的同时，配合以转斗或动臂提升动作进行铲 装作业，有两种方法，其一是当铲斗插入料堆不大的深度( 约0 2 一一0 5 的斗深) 时，在装载机前进的同时，间断地操纵铲斗上翻，并配合动臂提升，直至装满铲 斗：其二是装载机在前进的同时，配合以动臂的提升，在斗刃离开料堆后，铲斗转 至运输位置，这种方法又称为“装载机”式铲装法。配合铲装法可以大大减小铲 装阻力，铲斗也容易装满，用来铲装矿石和不均匀的块状物料是一种比较有效的 作业方法，但其操作水平要求较高。 2 1 3 装载机系统组成 从系统仿真建模的角度，装载机可分为：动力系统、机械系统、液压系统、 控制系统。装载机作为一个有机整体，其性能的优劣不仅与工作装置机械零部件 性能有关，还与液压系统、控制系统性能有关。 动力系统 装载机工作的主要特点是环境温度变化大，灰尘污物较多，负荷变化大，经 常倾斜工作，维护条件差。因此装载机原动力一般由柴油机提供，柴油机具有工 作可靠、功率特性曲线平缓、燃油经济等特点，符合装载机工作条件恶劣，负载 多变的要求哺1 。 机械系统 装载机的机械系统部分是完成装载机各项基本动作的直接执行者，主要包括 行走装置、转向机构和工作装置。 行走装置是整个机器的支撑部分，承受机器的全部重量和工作装置的反力， 同时能使装载机作短途行驶。 转向机构是用来操纵装载机的行驶方向的，根掘行驶和作业的需要，应能稳 定地直线行驶，并能灵活地改变行驶方向。装载机的车架不是单一的整体，而是 由前后两车架组成，中i 日j 用垂直销轴铰接起来，通过两转向油缸推动前后车架绕 铰销转过一定角度达到转向目的，故这种转向方式称为铰接转向。 工作装置是装载机完成实际作业的主要组成部分，它是带有液压缸的空问多 杆机构。常用的有f 转八杆机构、六杆机构、正转四杆机构、j 下转五杆机构、动 臂可伸缩式三杆机构等多种结构形式，以d 订面所述的反转六杆机构应用最为广泛。 液压系统 装载机的主要运动有整机行走、转向、动臂升降和铲斗翻转等。在全液压装 载机中这些运动都靠液压传动。根据以上工作要求，把各液压元件用油管有机地 连接起来的组合体即是装载机的液压系统。该系统的功能是把发动机的机械能以 油液为介质，利用油泵转变为液压能，传送给油缸、油马达等转变为机械能，再 传动各执行机构，实现各种运动和工作过程。液压系统设计得合理与否，对装载 第一二章装载机t 作装置设计及e 虚拟样机的实现策略 机的性能起着决定性的作用。同样的元件，若系统设计不同，则装载机性能差异 很大。液压系统的工作回路中一般都包含限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流 调速和节流限速回路、行走限速回路和辅助回路等典型回路。 控制系统 装载机控制系统是对发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件( 液压缸、液压 马达) 等进行控制的系统。电子技术和计算机技术的飞速进步，使装载机有了越来 越先进的控制系统，使装载机向高性能、自动化和智能化发展。目前装载机研究 重点正逐步向智能化机电液控制系统方向转移。有了装载机虚拟样机，可以在虚 拟样机上方便地测试装载机中各种控制系统的响应能力、控制效果，以及控制系 统对装载机整机性能的影响。液压控制驱动机构是在液压控制系统中，将微小功 率的电能或机械能转换为强大功率的液压能和机械能的装置。它由液压功率放大 元件、液压执行元件和负载组成，是液压系统中进行静态和动态分析的核心。 总之，装载机是由多学科、多系统组成的有机整体，只有在系统层面上的各 系统、各学科协同优化才能获取装载机整机的最佳性能。 2 2 装载机工作装置的设计 工作装置是完成装卸作业并带液压缸的空间多杆机构，是组成装载机的关键 部件之一，其设计水平高低直接影响装载机性能的好坏，进而影响整机的工作效 率与经济指标1 7 j 。 2 2 1 装载机工作装置的设计要求 一般地，对装载机工作装置的设计要求主要包括以下几个方面： ( 1 ) 铲运功能：铲斗运动轨迹符合作业要求并f 常完成铲掘、装载功能。 ( 2 ) 平移性：动臂提升过程中，铲斗保持平移运动，以免斗中物料撒落。 ( 3 ) 掘起力：希望铲掘力大，且铲掘时掘起力变化规律符合工作要求。 ( 4 ) 干涉性：工作机构各构件之间不允许发生运动干涉。 ( 5 ) 传动角：传动角符合某限制范围，以保证工作装置的传力性能良好。 ( 6 ) 机构效率：机构传动省力，作业时消耗功率要尽量小。 ( 7 ) 自动放平：从最高位置到最低位置时，铲斗能自动呈插入料堆状念。 ( 8 ) 卸载性：满足卸载高度和卸载距离要求，保证动臂在任何位置都能卸净 铲斗中的物料。 ( 9 ) 总体布置要求：工作装置的极限工作空j 、自j 、最大卸料高度及最大卸料距 离等应满足整机性能要求。 l o第- 二章装载机工作装置设计及其虚拟样机的实现策略 ( 1 0 ) 在满足作业要求的前提下， 高：应保证驾驶员具有良好的工作条件， 修方便。 工作结构简单、自重轻、受力合理、强度 确保工作安全、视野良好、操作简单和维 2 2 2 装载机工作装置的设计方法概述 目前我国许多装载机厂仍在采用传统的类比作图试凑法来设计工作装置。传 统的设计方法大致有： ( 1 ) 类比试凑作图法； ( 2 ) 基于平移性的作图法； ( 3 ) 覆盖法； 覆盖法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 图试凑来确定连杆尺寸。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； 解析设计方法考虑的因素较全面，但连杆机构三个主要杆件长度之间关系方 程式的建立是基于绝对平移性条件的，易于出现转斗缸行程过长以及由下摇臂引 起的干涉现象。 ( 5 ) 综合图解设计法； 这种方法是基于大量的作图、分析以及电子计算机辅助设计的结果而提出的 一种图解设计法。 综合国内外轮式装载机工作装置的研究成果，可以发现目前工作装置现代设 计方法主要有： ( 1 ) 优化设计法： ( 2 ) 有限单元法： ( 3 ) 动态分析与设计法： ( 4 ) c a d 方法： ( 5 ) 专家系统： ( 6 ) 概率设计法： ( 7 ) 相似设计法。 过去工作装置的设计基本上沿用类比法和作图试凑法，这种方法盲目性大， 工作烦琐、设计精度低、周期长，不易获得各项指标都比较满意的设计方案。 些装载机的研究人员以及世界上主要的几家装载机厂家( c a t e r p il a r 、同本小松 等) 于2 0 世纪7 0 年代丌始将优化设计、有限元及c a d 等现代设计理论与方法应用 于装载机及其工作装置的实际产品设计之中。我国己经有一些工程机械厂家丌始 第二章装载机工作装置设计及其虚拟样机的实现策略 1 1 和国际上的一些企业进行技术引进和合作，提高了我国装载机的设计水平和产品 质量刚。 2 3 轮式装载机工作装置的数学模型 优化问题的数学模型是实际优化设计问题的数学抽象。在明确设计变量、目 标函数和约束条件之后，将优化设计问题描述成一般的数学形式。 2 3 1 优化设计数学模型的构成要素 优化设计是指在一些设计中，在给定的约束条件下，运用优化原理和方法， 借助计算机自动计算，从而选出最佳方案。 ( 1 ) 设计变量 在优化设计中，确定一个方案所需的独立参数称为设计变量。设计变量的个 数也称为设计问题的维数。设计变量一般用矩阵向量的形式表示，即 x = x l ，x 2 ，x 。 它在n 维设计空问是设计点的诸坐标值，设计点的集合称为设计空间。在机 械优化设计中，由于设计变量皆为实数，所以，设计空| | 白j 是欧氏空间r n ，即x r n 。 显然，某个设计问题所含有的设计变量越多，即设计的自由度越大，则易于获得 比较理想的结果，但相应的会使问题越加复杂，给求解带来更大的困难。因此， 在实际工程设计中，应在满足主要设计要求的条件下，尽可能减少设计变量的维 数9 。 ( 2 ) 目标函数 目标函数又称评价函数，是用来衡量设计方案优劣的标准。任何一个具体的 设计问题，往往存在着许多可行的设计方案，而这些设计方案中肯定会有优劣之 分。优化设计的目的就是要在所有可行的设计方案中找出一个最适宜和最满意的 方案。对于待定的设计问题，优化没计的目标函数通常以所追求的目标与设计变 量的函数关系式来表示，记为：f ( x ) = f ( x ，x 幻一，x 。) 。 优化设计一般是寻求一个最优点x ，使得目标函数f ( x ) 在满足特定的约束条件 ：达至0 最j 、值f ( x ) ，即：m i n f ( x ) = f ( x 木) = f ( x ，木，x ：木：，x 。牢) 。 一般情况下，总是把追求的目标函数化成极小值的形式。对追求f ( x ) 最大值 的问题，可以转化为求其相反数一f ( x ) 的最小值问题。 ( 3 ) 约束条件 在优化设计过程中，设计变量不断改变其取值，以期达到目标函数的最小值。 但设计变量的改变和取值要受到一系列的i i i n 年1 约束，这些限制设计变量取值的 条件总称为优化设计的约束条件。约束条件都是设计变量的函数，故又称为约束 函数。 1 2第- 二章装载机t 作装置设计及其虚拟样机的实现策略 根据约束条件的性质不同，约束一般分为边界约束和性能约束两大类。所谓 边界约束是指设计变量取值允许范围。例如，连杆机构的杆长应满l m i n l l m a x 等等。所谓性能约束是指由机器工作性能要求而提出的一些限制条件。例如，装 载机工作装置的卸料角在任意位置都不得小于4 5 等等。按照数学表达式形式，约 束又可分为等式约束和不等式约束两类。 在建立优化的数学模型时，通常要求将约束条件写成统一的格式，即 g 。( x ) 0“= 1 , 2 ，p h v ( x ) 20v = 1 ，2 ，9 刀 式( 2 1 ) 砬g u ) s 0 ”= 1 , 2 ，p h v ) = 01 ，= 1 , 2 ，q 刀 ( 4 ) 数学模型 优化问题的数学模型是实际优化问题的数学抽象。在明确设计变量、目标函 数和约束条件之后，通常将优化设计问题描述成一般的数学形式，即对于具有n 个设计变量： x = x j ，x 2 ，x 。 在满足设计约束 g 。( x ) 0u = 1 , 2 ，p h v ) = 0 v = l ，2 ，q 行 或 g 。( x ) 0甜= 1 , 2 ，p h v ) = 0v = 1 , 2 ，g l g e ，以免发生机构自锁、死点、撕裂；工况w 时e f 杆与g f 杆的夹角必 须大于lo 。，l e f + l b e l a f 。 ( 5 ) c 、d 点的选择：c 点和d 点的布置直接影u l j j - n 铲斗举升平移性和自动放 平性能，对铲取力和动臂举升阻力有较大的影响。从力传动效果出发，显然摇臂 l b c 段长一些有利，那样可以增大转斗油缸作用力臂，使铲取力相应增加，但增加 必将减少铲斗和摇臂的转角比，造成铲斗转角难以满足各个工况要求，转斗油缸 过长。初步设计时，一般应满足l b c - - ( 0 7 1 0 ) l b e ，c 点一般取b 点的左上方( 工 况i ) ，并满足艺么c b e = 1 3 0 0 1 7 0 0 、b c 杆与c d 杆尽量垂直，c 点不与铲斗干 扰、不影响司机的视野。d 点是依据自动放平和平移性这两大要求束确定的，在 转斗油缸长度保持不变的条件f ，从工况i v 下降到工况i 过程中c l 和c 4 连线的垂 直平分线和从工况i i 到工况i i l 过程中c 2 和c 3 连线的垂直平分线的交点就是d 点。 研究证明的d 点应在a 点的左下方为较好，这样平移性能好，减小动臂举升外阻 力矩，有利于举升油缸的设计。 2 4 2 工作装置连杆机构的理论分析 反转六连杆工作装置机构的运动学和动力学参数都与铰接点的坐标位置有 关，都是坐标变量的函数。主要参数有：铲斗的位置角、卸载角、平移性、自动放 平性、卸载高度、卸载距离和倍力系数等。通过对它们的分析，可定量评估连杆 机构的设计质量，并为进一步修改提供可靠依据【l 引。 第二章装载机工作装置设计及其虚拟样机的实现策略1 7 运动学主要包括铲斗对地位置角、最大卸载高度、最小卸载距离、卸载角、 平移性、自动放平性等主要指标的分析。 铲斗对地位置角 如图2 2 所示，因为g 点和f 点同为一个铲斗上的两个点，所以铲斗在直角 坐标系中的平面运动可用g f 杆的平面运动来描述，而在铲斗举升过程中各瞬间时 对地面的倾角，即铲斗对地位置角，可用g f 铲斗与地面的夹角。 由于在举升过程中铲斗作复合运动，所以，口i 可用运动合成的方法求得。 寸 o 图2 - 3 铲斗位置角计算图 f i g u r e 2 3b u c k e tp o s i t i o na n g l e x 在图2 3 中，取2 2 图中工况i i 为工作装置连杆机构运动的初始位置，令x o y 为与地面固定的直角坐标系，并在动臂上g 点( 动臂与铲斗铰接点) 处建立一个随动 臂一起运动的动坐标系x ，d y ，则动臂被举升时的铲斗各瞬时对地位置角o li ，可 用下式计算： 口l2 口1 一y l 式中t 2 ：一g f 杆与动坐标系x 轴向的央角( 方向角) ： y 一动臂a b g 举升时，在固定坐标系x o y 中转过的角度。 在动坐标系x 移7 y 中，可以求得以机架杆a d 的方向角y 为自变量，铲斗g f 杆的方向角口：为因变量的函数方程式。 1 8 第一二章装载机t 作装置设计及其虚拟样机的实现策略 根据向量投影法原理，司把四杆机构g f e b 和b c d a 当作两个封闭的向量四 边形，各边向量分别用g f 、f e 、b e 、g b 、a d 、b c 、b a 表示，它们的模分别用 g f 、f e 、b e 、g b 、a d 、c d 、b c 、b a 表示，则在b c d a 的向量四边形中有： a d - - c d - - b c + b a = 0 ( 2 - 2 ) 将式( 2 2 ) 中各向量分别向x7 和】，7 轴投影，则得下列投影方向： 肋a d c o s i n s 二绌c ds i n 荔：二彪b cc o s i n s 爱：b 胁as i o s nq 疵) 。) a 刘0 3 ， 7 f 一级d 一+ = i 式中、识d 、如一各边向量对彳轴的向量角。 变换( 2 3 ) 式为( 2 4 ) 式： 绌c ds 0 8 i n 幕仰a d s i n 夥y 篡b cc o s i n s 象二b 胤as i 。n 鬻 4 ， 织d =，一屈+ 驴0j 将( 2 - 4 ) 式等号两边平方后，使两方程相加，并令： a d c o s 7 , + b a c o s 印跏 ( 2 - 5 ) a d s i n y i + b a s i n 9 b a2b 贝o ：口c 。s + 6 s i n = ! 三_ ! = _ 堡二 笋 令b ：鱼则姗s + 蛐：生生兰业： 口c 。s + j 6 f s i n = ! 三j = _ 垒二筹 a = c o s p l + b s i n , 8 ， 解式( 2 7 ) 得： = a r c s i n 告- a r c c t g b l + b 同理，在向量四边形g f e b 中，有： b e f e - - g e + g b - - o b e c o s