鏟運(yùn)機(jī)的設(shè)計(jì)

鏟運(yùn)機(jī)的設(shè)計(jì)

挖掘機(jī)是集裝載、運(yùn)輸、研磨于一體的采礦巷道。其工作裝置則是鏟運(yùn)機(jī)工作的關(guān)鍵部件。我國鏟運(yùn)機(jī)研制工作起步較晚,起點(diǎn)較低,雖然發(fā)展較快,已初步形成一定生產(chǎn)規(guī)模,研制水平有了很大的進(jìn)步,但與國外相比還有很大的差距。產(chǎn)品技術(shù)水平低,可靠性不高,使用壽命較短,故障率高。因此,需要有新的、好的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到鏟運(yùn)機(jī)的設(shè)計(jì)中。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種基于虛擬樣機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法,是各領(lǐng)域CAx/DFx技術(shù)的發(fā)展和延伸。該技術(shù)以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心,加上成熟的三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和基于圖形的用戶界面技術(shù),將散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)集成在一起,提供了一個(gè)全新研發(fā)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法。采用虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)可大大縮短研制周期,提高設(shè)計(jì)成功率,減少加工和試驗(yàn)費(fèi)用。目前,在國內(nèi)外,虛擬樣機(jī)技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、工程機(jī)械領(lǐng)域。鏟運(yùn)機(jī)工作裝置是由多桿組成的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),對其運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行正確的分析一直是設(shè)計(jì)鏟運(yùn)機(jī)工作裝置的關(guān)鍵。本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù),以RecurDyn和SolidEdge為主,通過建立鏟運(yùn)機(jī)工作裝置數(shù)字模型和三維模型,利用計(jì)算機(jī)模擬的方法,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析,研究鏟運(yùn)機(jī)正轉(zhuǎn)六桿機(jī)構(gòu)工作裝置的運(yùn)動(dòng)過程,并根據(jù)設(shè)計(jì)要求,對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,為其工作裝置的設(shè)計(jì)及性能改進(jìn)提供依據(jù)。1仿真分析過程虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)思想為:產(chǎn)品設(shè)計(jì)從客戶需求入手,進(jìn)行任務(wù)分解,然后進(jìn)行初步設(shè)計(jì),最后詳細(xì)設(shè)計(jì)獲得數(shù)字化模型供虛擬樣機(jī)分析,虛擬樣機(jī)以此三維模型建立仿真模型、進(jìn)行各種領(lǐng)域仿真,并在樣機(jī)的校核、檢驗(yàn)和確認(rèn)的思路下進(jìn)行評估、測試和優(yōu)化,以獲得滿意的虛擬樣機(jī),再以此指導(dǎo)產(chǎn)品的試制,最終完成對產(chǎn)品的研制。下面將根據(jù)虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)思想,對鏟運(yùn)機(jī)正轉(zhuǎn)六連桿工作裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。首先對鏟運(yùn)機(jī)工作裝置工作原理和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析,了解設(shè)計(jì)的核心和關(guān)鍵部分;然后進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì);建立模型;進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析,包括設(shè)計(jì)所需要滿足的關(guān)鍵要求;根據(jù)分析,對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改良;改進(jìn)模型;再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析,一直循環(huán)到滿足設(shè)計(jì)要求為止。如圖1所示。2挖掘機(jī)操作裝置的建模和運(yùn)動(dòng)分析1.1維建模和模型建立鏟運(yùn)機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)要求:①動(dòng)臂提升過程中,鏟斗保持平移運(yùn)動(dòng),以免斗中物料撒落,舉升時(shí)鏟斗擺動(dòng)角度應(yīng)小于10°;②滿足自動(dòng)放平性;③工作機(jī)構(gòu)各構(gòu)件之間不允許發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉,傳動(dòng)角符合限制范圍;④要求卸載高度不小于1300mm,卸載距離不小于1400mm,保證動(dòng)臂在任何位置都能卸凈鏟斗中的物料;⑤工作裝置的極限工作空間、最大卸料高度及最大卸料距離等應(yīng)滿足整機(jī)性能要求;⑥保證機(jī)構(gòu)在各個(gè)工況下都能正常工作,不得出現(xiàn)“死點(diǎn)”、“自鎖”和“機(jī)構(gòu)撕裂”等機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)被破壞的現(xiàn)象。初步設(shè)計(jì)使用解析法作圖進(jìn)行坐標(biāo)求解。根據(jù)斗容要求,設(shè)計(jì)出鏟斗的外形以及鉸接點(diǎn)B和C的位置。然后根據(jù)最大卸載高度和卸載距離可以初步確定鉸接點(diǎn)B′和C″的位置,做B點(diǎn)和B′點(diǎn)的中垂線,動(dòng)臂與機(jī)架的鉸接點(diǎn)A就位于該中垂線上,為使工作裝置工作平穩(wěn),可靠性好,應(yīng)使A點(diǎn)盡可能低,且位于車輪的右上方。取A點(diǎn)為零點(diǎn),B點(diǎn)坐標(biāo)為(2085,-862),C點(diǎn)為(1605,-648)。動(dòng)臂與搖臂鉸接點(diǎn)為E,一般E點(diǎn)位于AB連線的上方,過A點(diǎn)的水平線下方,并在AB的垂直平分線左側(cè)盡量靠近鏟裝工況的鏟斗處。E點(diǎn)位置的好壞,對連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比、倍力系數(shù)、連桿機(jī)構(gòu)的布置及轉(zhuǎn)斗油缸的長度等都有很大的影響。取E點(diǎn)坐標(biāo)為(1577,-401)。確定動(dòng)臂各鉸接點(diǎn)位置尺寸后,就可以進(jìn)一步確定搖桿與連桿鉸接點(diǎn)D的位置。為了防止為防止機(jī)構(gòu)出現(xiàn)“死點(diǎn)”、“自鎖”或“撕裂”,連桿與搖桿之間的夾角應(yīng)為10-170°之間。且要保證,在鏟裝工況時(shí),C″E+DE>C″D(1)卸載工況時(shí),C″D″+D″E′>C″E′(2)轉(zhuǎn)斗油缸與機(jī)架的鉸接點(diǎn)F可根據(jù)鏟斗在四個(gè)工況下的C點(diǎn)的位置來確定,由文獻(xiàn)可知,F點(diǎn)為C′C″和CC″的垂直平分線的交點(diǎn),取D點(diǎn)坐標(biāo)為(1012.5,-172.5),F點(diǎn)坐標(biāo)為(-500,460.5)。整體求解如圖2所示。算出工作裝置各鉸接點(diǎn)位置以及結(jié)構(gòu)尺寸后,就可以在SolidEdge建立三維模型。把SolidEdge建好的裝配模型,以Parasolid格式輸出,導(dǎo)入到RecurDyn的仿真環(huán)境中。根據(jù)工作裝置的運(yùn)動(dòng)特性,在各鉸接點(diǎn)處添加回轉(zhuǎn)副(Revolute),在舉升油缸和轉(zhuǎn)斗油缸的活塞桿和缸筒間分別添加滑動(dòng)副(Translational),其完整的工作裝置模型如圖3所示。2.2轉(zhuǎn)斗啟閉機(jī)液壓仿真工作裝置主要通過舉升油缸和轉(zhuǎn)斗油缸的聯(lián)合運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)工作裝置的各工況作業(yè)過程。油缸平動(dòng),驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂、搖桿、連桿、鏟斗實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)各工況的運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)在將主要針對插入、鏟裝、舉升和卸料4種工況進(jìn)行分析和模擬,在RecurDyn中,建立轉(zhuǎn)斗油缸和舉升油缸的運(yùn)動(dòng)函數(shù),控制工作裝置的運(yùn)動(dòng)。設(shè)定工作裝置運(yùn)動(dòng)一個(gè)循環(huán)總體時(shí)間為16s,默認(rèn)初始位置為收斗工況。0-2s,轉(zhuǎn)斗油缸伸展,鏟斗翻轉(zhuǎn),呈插入工況;2-4s,轉(zhuǎn)斗油缸伸展,收斗,鏟裝物料;4-9s,轉(zhuǎn)斗油缸不動(dòng),舉升油缸伸展,動(dòng)臂舉升;9-11s,舉升油缸不動(dòng),轉(zhuǎn)斗油缸伸展,鏟斗卸料;11-16s,轉(zhuǎn)斗油缸不動(dòng),舉升油缸收縮,動(dòng)臂下放,鏟斗又自動(dòng)呈插入工況。設(shè)定轉(zhuǎn)斗油缸行程為410mm,舉升油缸行程770mm,轉(zhuǎn)斗油缸的運(yùn)動(dòng)函數(shù)為IF(time-2:-205,0,IF(time-4:205,0,IF(time-9:0,0,IF(time-11:-385,0,0))))。舉升油缸運(yùn)動(dòng)函數(shù)為IF(time-4:0,0,IF(time-9:135.6,0,IF(time-11:0,0,-135.6)))。IF語句的涵義指:當(dāng)前時(shí)間小于“time”后的設(shè)定值時(shí),機(jī)構(gòu)以冒號后第一個(gè)數(shù)進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng),時(shí)間等于設(shè)定值時(shí),以第二個(gè)值得速度運(yùn)動(dòng);時(shí)間大于設(shè)定值時(shí),運(yùn)行后面的語句。設(shè)定好運(yùn)動(dòng)函數(shù),進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,仿真結(jié)束后,對鏟斗運(yùn)動(dòng)過的角度和鏟斗尖X、Y方向的坐標(biāo)位置進(jìn)行測量,結(jié)果如圖4、圖5所示。從圖5的斗尖運(yùn)動(dòng)軌跡圖可以看到,工作裝置斗尖運(yùn)動(dòng)軌跡不是一條封閉曲線,終點(diǎn)位置為向下插入,說明機(jī)構(gòu)不滿足自動(dòng)放平的要求。從圖4可以看到,動(dòng)臂舉升時(shí),鏟斗運(yùn)動(dòng)角度從41.58°增大到46.98°,變化為5.4°,角度變化在10°以內(nèi),滿足平動(dòng)性要求。傳動(dòng)角也滿足設(shè)計(jì)要求。但由于不能自動(dòng)放平,設(shè)計(jì)仍有缺陷。3優(yōu)化設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)工作裝置的功能,需要對各鉸接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,這里建立了目標(biāo)函數(shù)和約束方程,然后采用MATLAB自帶的工具箱進(jìn)行優(yōu)化。3.1基于目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)工作裝置的設(shè)計(jì)要求,將鏟斗舉升平動(dòng)和自動(dòng)放平作為目標(biāo)函數(shù),進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。目標(biāo)函數(shù)為F(X)=∑j=12ωjFj(X)F(X)=∑j=12ωjFj(X)(3)式中:F1(X)、F2(X)分別為鏟斗舉升平動(dòng)、自動(dòng)放平的分目標(biāo)函數(shù);ωj為各目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重。ω1-ω2=1i+iF(X)=∑i=1k(αi?α2)2F(X)=∑i=1k(αi-α2)2(4)式中,αi為鏟斗在整個(gè)舉升過程中,k個(gè)瞬時(shí)位置的鏟斗對地位置角;α2為舉升開始時(shí)鏟斗對地位置角。其4sx計(jì)算要滿足自動(dòng)放平,鏟斗由插入工況開始舉升,在舉升過程中保持轉(zhuǎn)斗油缸長度不變,當(dāng)動(dòng)臂轉(zhuǎn)角γi=γ3時(shí),鏟斗為卸載工況,則能自動(dòng)放平。F2(X)=α4-α1-?4+α0(5)式中,α1、α4分別為插入工況和卸載工況鏟斗對地位置角;?4為鏟斗最高位時(shí)卸載角,一般取?4≥45°;α0為插入工況時(shí)鏟斗前臂與x軸夾角,一般取α0=3°～5°。3.2限制函數(shù)連桿系統(tǒng)的約束函數(shù),主要有性能約束函數(shù)和邊界約束函數(shù)。最大加載高度限制函數(shù)g1(X)=hx-hmax(6)式中:hx為鏟斗在舉升過程中,x個(gè)瞬時(shí)位置的卸載高度;hmax為所要求的鏟斗最大卸載高度。最小卸載距離限制函數(shù)g2(X)=lx-lmin(7)式中:lx為鏟斗在x個(gè)瞬時(shí)位置的卸載距離;lmin為所要求的鏟斗最小卸載距離。拆卸角度約束方程g3(X)=?4-45°(8)傳動(dòng)角約束方程g4(X)=∠B″C″D″-45°(9)式中:10°機(jī)構(gòu)允許的最小傳動(dòng)角。3.3工作裝置的傳動(dòng)仿真建立好優(yōu)化函數(shù)的目標(biāo)和約束函數(shù)后,就可以進(jìn)行優(yōu)化了,在MATLAB中運(yùn)用其自帶的優(yōu)化工具箱,編程進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后,除A點(diǎn)外,各鉸接點(diǎn)坐標(biāo)位置均有一定變化,優(yōu)化前后各鉸接點(diǎn)坐標(biāo)位置如下表所示。根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)重新建模,計(jì)算出各工礦響應(yīng)部件的工作點(diǎn)位置和角度,建立運(yùn)動(dòng)函數(shù)。在RecurDyn中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析,仿真過程與前面第一次仿真相同。函數(shù)也采用IF語句,總體模擬時(shí)間同樣為16秒,工作裝置的運(yùn)動(dòng)過程也保持相同,但由于各鉸接點(diǎn)坐標(biāo)位置有變化,因此相應(yīng)的桿長也有變化,優(yōu)化后轉(zhuǎn)斗油缸行程為444mm,舉升油缸行程為635mm。轉(zhuǎn)斗油缸的運(yùn)動(dòng)函數(shù)為IF(time-2:-222,0,IF(time-4:222,0,IF(time-9:0,0,IF(time-11:-222,0,0)))),舉升油缸運(yùn)動(dòng)函數(shù)為IF(time-4:0,0,IF(time-9:127,0,IF(time-11:0,0,-127)))。再次進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,結(jié)果如圖6、圖7所示。如圖7所示,優(yōu)化后工作裝置鏟斗尖運(yùn)動(dòng)軌跡與優(yōu)化前明顯不同,優(yōu)化后為一封閉曲線,終點(diǎn)位置為插入工況,說明該工作裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)放平功能。鏟斗最大卸載高度為1300mm,卸載距離1500mm。從圖7可以看到,鏟斗從4秒,開始舉升,舉升過程中鏟斗運(yùn)動(dòng)角度,從0°增大到3°,變化為3°;角度變化在10°以內(nèi),滿足平動(dòng)性要求,并且比優(yōu)化前的結(jié)果更好。傳動(dòng)角也滿足