輪式裝載機正轉八桿機構設計

輪式裝載機正轉八桿機構設計

目前，大型機主要致力于8噸以上的機，多桿機構可以達到相當大的工作范圍，尤其是八連桿機。這種機構形式的發(fā)票占當時國內發(fā)票總數(shù)的三分之一左右。到目前為止，我國的相關研究主要集中在六桿裝置的改造上。因此，有必要加強對八連桿機的設計研究。1轉斗油缸與缸的密封正轉八桿機構是雙搖臂(搖臂1和2)雙連桿(連桿3和4)機構,動臂油缸和轉斗油缸尾部均鉸接在機架上,如圖1所示.動臂舉升和下降過程中,動臂油缸伸長或縮短,轉斗油缸閉鎖;收斗或卸載時,轉斗油缸動作,動臂油缸閉鎖.轉斗油缸動作時鏟斗轉動方向與搖臂轉動方向相同,因此是正轉機構.1.1設計參數(shù)的建立裝載機工作裝置的設計參數(shù)由確定該機構方案的所有參數(shù)組成,包括機構的結構尺寸、液壓缸的尺寸等.在建模中,將設計參數(shù)分為輸入?yún)?shù)和設計變量兩類.部分設計參數(shù)如圖2所示.1.1.1機組工作工況在整機設計時確定的,本級設計中作為固定量且不允許改變的參數(shù)包括:輪胎半徑、運輸工況、鉸點A離地高度、前橋干涉圓半徑、液壓系統(tǒng)工作油壓和安全壓力、用戶對最大卸載高度、最大卸載高度時的卸載距離、最大卸載距離的最小要求、動臂油缸個數(shù)、轉斗油缸個數(shù)、材料許用剪切應力和彎曲應力、鏟斗斗容量、液壓泵流量和鏟掘阻力等共17個.1.1.2正轉八桿機構的設計變量設計變量是設計工作所要確定的未知參數(shù).變量個數(shù)越多,解的維數(shù)越高、空間越大、尋優(yōu)所需時間也越多.如圖2所示,正轉八桿機構的設計變量包括:動臂油缸和轉斗油缸與機架鉸點的位置、動臂油缸和轉斗油缸最大及最小長度、各構件尺寸、動臂和搖臂板厚、油缸內徑和活塞桿直徑等共31個變量,即X=[x1,x2,x3,x4,…,x31].1.2目標系統(tǒng)作者制訂了一個樹狀分級系統(tǒng),包括4類8個目標,用Funci表示,具體內容如下.1.2.1擴大運動場所平衡,確定動臂轉斗軸,確定由前轉斗缸a.平移性Func11:鏟斗收斗角Ac的總變化量盡量小.卸料性Func12:動臂在任意位置時,通過轉斗油缸動作,希望鏟斗均能達到45°卸料角.鏟斗自動放平性Func13:上限卸料后,動臂回到下限位置時的鏟斗斗底角Ac越接近零度越好.1.2.2最大裝卸高度的確定Func21:實際最大卸載高度h2盡可能大.Func22:實際最大卸載高度時的卸載距離h1盡可能大.Func23:實際最大卸載距離h3盡可能大.1.2.3挖掘能力(1)油缸主動作用液壓系統(tǒng)的壓力特性①動臂油缸主動作用能克服的鏟掘阻力:動臂油缸推力P1=npπx272/4;能克服的鏟掘阻力P1force1.②轉斗油缸主動作用所產生的鏟掘力:轉斗油缸推力P2=mpπx282/4;能克服的鏟掘阻力P2force2.則油缸主動作用時能克服的鏟掘阻力F1=min{P1force1,P2force2}.其中,n為動臂油缸個數(shù);m為轉斗油缸個數(shù);p為液壓系統(tǒng)工作壓力,kg·mm-2;x27為動臂缸內徑;x28為轉斗缸內徑;force1為動臂舉升機構傳力比;force2為轉斗機構傳力比.(2)單段挖掘掘阻力①轉斗鏟掘時動臂油缸閉鎖所能承受的鏟掘阻力F21;②提臂鏟掘時轉斗油缸閉鎖所能承受的鏟掘阻力F22.則F2=min{F21,F22}.(3)式力臂的結構F3=((GL1?GgzL2?GdouL3)L4)/cosαF3=((GL1-GgzL2-GdouL3)L4)/cosα其中:G為裝載機自重;L1為G到前輪支點的力臂;Ggz為工作裝置重量;L2為Ggz到前輪支點的力臂;Gdou為鏟斗自重;L3為Gdou到前輪支點的力臂;L4為鏟掘阻力到前輪的作用力臂;α為鏟掘阻力作用線與豎直方向夾角.(4)fzffzF4=fG/sinαF4=fG/sinα其中f為地面摩擦系數(shù),對輪胎取0.3.Func3=Fzu/min{F1,F2,F3,F4}→min.其中Fzu為要求克服的鏟掘阻力,kg.1.2.4降時間和運動學是體現(xiàn)工作效率的直接指標,整體工作時間是以下各個階段作業(yè)時間之和:轉斗裝載時間t0=x282(Xefdown-Xef)π/q;動臂舉升時間t1=x272(x6-x5)π/q;動臂下降時間t2=(x272-x292)(x6-x5)π/q;鏟斗前傾時間t3=(x282-x302)(Xefdown-Xefup)π/q.其中:x29為動臂油缸活塞桿直徑;x30為轉斗缸活塞桿直徑;(x6-x5)為動臂油缸行程;Xefdown為轉斗缸下限收斗長度;Xef為初始狀態(tài)轉斗缸長度;Xefup為完成上限卸載后轉斗缸長度;q為液壓泵流量,mm3·s-1.則Func4=t0+t1+t2+t3→min.1.3正轉八連塔式工作裝置的約束條件根據(jù)實際情況和要求,將各項約束分為三類:目標性能約束、運動性能約束和邊界約束.每一類約束又可分為若干子類,以此類推直到具體的約束條件為止.正轉八連桿工作裝置優(yōu)化模型有143個約束條件,包括以下幾個方面的要求.1.3.1性能限制(1)等角度間隔取動臂運動學分析希望動臂舉升過程中,鏟斗能達到一定的收斗角且斗底角總變化量不大于15°~20°.以等角度間隔取動臂運動范圍內的11個位置及運輸工況,共12個位置進行較詳細的分析,要求:下限位置收斗角>42°;上限位置收斗角<67°;運輸與上限位置收斗角之差<30°;最大收斗角與上限收斗角之差<10°.(2)連桿機構的傳動角在任意位置和各個工況下,對轉斗四連桿機構D2C2D1E1和鏟斗四連桿機構ABC1E1的傳動角均應滿足大于10°,而小于170°的要求.(3)工作范圍限制最大卸載高度、最大卸載高度時的卸載距離和最大卸載距離均應大于用戶的最低要求.最大卸載距離應大于最大卸載高度時的卸載距離.(4)鉆削力的限制工作裝置能夠實現(xiàn)的鏟掘力應足以克服鏟斗所受到的鏟掘阻力;能實現(xiàn)的提升力矩應足以克服滿斗工裝的重力矩.1.3.2結構和運動性能的限制(1)協(xié)調運動的制約機構運動中不應出現(xiàn)死點,應對動臂舉升機構和轉斗機構兩個四連桿機構分別建立約束.(2)干預性限制下?lián)u臂不與前橋殼干涉,連桿、搖臂均不與鏟斗干涉,兩種油缸不發(fā)生干涉,鏟斗收斗后傾時不超過極限位置.(3)限制點間距機構各部件鉸接點處的結構尺寸應能保證各構件在運動中不發(fā)生干涉.(4)幾何關系的限制各構件的主要尺寸應始終能滿足其構成條件,包括各三角形構成關系的滿足和根據(jù)經驗確定的機構尺寸間相互關系兩方面的要求.(5)原油穩(wěn)定性2目標函數(shù)優(yōu)化以額定載重量為2t的裝載機工作裝置為設計對象,進行優(yōu)化實例運算.模型中共有31個設計變量,其中26個連續(xù)量,4個離散量;111個設計函數(shù),其中8個目標函數(shù),109個約束條件.應用優(yōu)化軟件Prodopt,采用仿生物進化方法進行優(yōu)化設計,得到優(yōu)化方案如下:[x1,x2,x3,…,x31,Yg]=[-137.02,477.75,136.42,1062.5,703.42,1230.7,423.85,820.16,2135.6,614.93,1541.1,629.99,708.69,346.92,385.21,971.15,860.41,328.21,67.839,287.87,602.17,622.38,260.72,608.98,636.34,1580.1,130,130,55,50,1389.1].優(yōu)化搜索中希望目標函數(shù)值越小越好.優(yōu)化效果由初始方案與優(yōu)化方案的目標值的比較體現(xiàn).具體數(shù)值見表1.從表中可以看出,大多數(shù)目標相對初始方案是有提高的.原方案的收斗角在舉升過程中的總變化量有近40°,可能造成鏟斗過分后傾.經過優(yōu)化后,變化量縮小為26°左