□ 郭蘭滿 □ 劉云翔 □ 陳 林

三一集團湖南三一港機研究院 長沙 410100

1 優(yōu)化背景

抓料機是一種多用途高效物料起重處理設備,主要用途是進行散雜貨的裝卸及轉運,其工作裝置主要由動臂和斗桿組成,通過動臂油缸和斗桿油缸的協(xié)調動作,實現(xiàn)物料的抓取和裝卸。抓料機工作裝置如圖1所示。抓具的額定載荷是抓料機的主要性能參數(shù),主要取決于動臂和斗桿的鉸點位置分布,以及驅動油缸的幾何參數(shù)。筆者建立抓料機工作裝置的力學模型,基于Adams軟件對動臂鉸點位置進行試驗研究,實現(xiàn)鉸點位置的優(yōu)化設計。

▲圖1 抓料機工作裝置

2 力學模型

建立抓料機工作裝置力學模型,如圖2所示。

▲圖2 抓料機工作裝置力學模型

O為動臂與轉臺鉸點、坐標原點,A為動臂與斗桿連接鉸點,B為斗桿與抓具連接鉸點,C為動臂油缸與轉臺連接鉸點,D為動臂油缸與動臂連接鉸點,E為斗桿油缸與動臂連接鉸點,F為斗桿油缸與斗桿連接鉸點,M為動臂質心位置,H為斗桿質心位置,F1為動臂油缸作用力,F2為斗桿油缸作用力,L1為動臂油缸作用力臂,L2為斗桿油缸作用力臂,G為吊點載荷,G1為動臂自重,G2為斗桿自重,l1為鉸點A、B之間長度,l2為鉸點O、A之間長度,l3為鉸點O、M之間長度,l4為鉸點O、D之間長度,l5為鉸點C、D之間長度,l6為鉸點O、C之間長度,l7為鉸點A、E之間長度,l8為鉸點A、F之間長度,l9為鉸點E、F之間長度。

以O點為坐標原點,設定各鉸點初始位置坐標為O(0,0)、A(XA,YA)、B(XB,YB)、C(XC,YC)、D(XD,YD)、E(XE,YE)、F(XF,YF),動臂質心為M(XM,YM),斗桿質心為H(XH,YH)。對工作裝置繞O點求力矩平衡,忽略油缸自重,可得:

F1L1=GXB+G1XM+G2XH

(1)

G=F1L1-G1XM-G2XH/XB

(2)

(3)

(4)

XH=l2cosθ+l1sin[β1+(β+90°-θ)]

(5)

XM=l3cos(θ+β2)

(6)

▲圖3 各鉸點坐標

L1=(l4l6sinα)/l5

(7)

α=θ-θ1+θ2

(8)

(9)

由式(2)～式(9)可得動臂油缸在最大工作壓力下的允許載荷G′1。

同樣,對工作裝置繞A點求力矩平衡,得到:

F2L2=G(XB-XA)+G2(XH-XA)

(10)

(11)

L2=(l7l8sinγ)/l9

(12)

γ=β-β3-β4

(13)

(14)

根據(jù)式(10)～式(14)可得斗桿油缸在最大工作壓力下的允許載荷G′2。

為保證抓料機工作穩(wěn)定性,同時需考慮傾翻載荷對抓料機額定載荷譜的影響。根據(jù)最不利傾翻條件確定最危險傾翻線,根據(jù)力矩平衡原理得到傾翻載荷作用下的允許載荷G′3。

綜合考慮G′1、G′2、G′3,抓料機的最大載荷取三者中的最小值。

3 動臂鉸點位置仿真優(yōu)化

3.1 工作裝置動力學仿真

根據(jù)G′1、G′2、G′3三者中最小值得到整個抓料機的載荷譜,從中提取由G′1計算的載荷譜進行動力學仿真,根據(jù)G′1載荷譜設定仿真路徑,根據(jù)斗桿吊點路徑確定動臂油缸和斗桿油缸的速度運行函數(shù),從而可得動臂油缸工作壓力曲線,如圖4所示。

3.2 多變量試驗設計

在某型抓料機整機實際坐標系中,O點、C點、D點初始絕對坐標值為O(-320,995)、C(-860,180)、D(-1 669、3 291)。因抓料機動臂和斗桿的長度已經(jīng)確定,故僅對影響動臂油缸工作壓力的兩個油缸鉸點C、D的坐標建立設計變量PC(PCX,PCY)、PD(PDX,PDY),實現(xiàn)參數(shù)化設計。PC、PD分別為C點、D點的參數(shù)化坐標。根據(jù)動臂油缸鉸點空間位置,設計變量的取值范圍按照相對值的方法確定,其中各變量下偏差設置為-50 mm,上偏差設置為50 mm。以動臂油缸工作壓力的最大值作為目標函數(shù),定義多變量試驗設計,目標函數(shù)為max (F),參變量為(PCX,PCY,PDX,PDY)。

▲圖4 動臂油缸工作壓力曲線

基于Adams軟件Insight模塊可快速對多個設計變量進行試驗分析,得到各個設計變量對目標響應的影響因子,從而針對影響因子較大的設計變量進行優(yōu)化。基于以上六個設計變量建立因素集,并對目標函數(shù)進行試驗設計,得到各設計變量對目標函數(shù)的影響因子,見表1。

表1 設計變量對目標函數(shù)影響因子

由表1可知,PCX、PCY、PDX對動臂油缸工作壓力影響較大,PDY對動臂油缸工作壓力影響最小。

3.3 優(yōu)化計算

針對試驗設計中對動臂油缸工作壓力影響大的三個變量進行優(yōu)化計算,為使吊點在相同位置獲得最大的額定載荷,優(yōu)化目標為動臂油缸工作壓力在迭代過程中取值最小,以獲得最大的油缸工作壓力裕量,從而使各吊點位置的允許載荷達到最大。定義優(yōu)化目標為min (max(F)),設計變量為(PCX,PCY,PDX)。各變量下偏差設置為-50 mm,上偏差設置為50 mm。

某型抓料機的動臂油缸初始安裝距為1 965 mm,行程為1 325 mm,建立動臂油缸與鉸點變量lCD優(yōu)化分析約束函數(shù)1 965 mm≤lCD≤3 290 mm。

基于Adams軟件View模塊進行優(yōu)化計算,優(yōu)化迭代結果見表2。

由表2可知,當PCX取值-910 mm,PCY取值130mm,PDX取值-171 9 mm時,動臂油缸工作壓力最大值由1.602 4×106N減小為1.505×106N,減小幅度約為8%,動臂油缸工作壓力優(yōu)化前后的曲線對比如圖5所示。

表2 優(yōu)化迭代結果

▲圖5 動臂油缸工作壓力優(yōu)化前后曲線

4 結束語

筆者建立抓料機工作裝置力學模型,進行動力學仿真,基于Adams軟件Insight模塊分析了動臂油缸鉸點各設計變量對目標函數(shù)的影響因子,為抓料機各部件優(yōu)化提供了理論依據(jù)和方法。

另一方面,基于Adams軟件View模塊對目標函數(shù)影響最大的設計變量進行優(yōu)化計算,得到動臂油缸鉸點變量范圍內的最優(yōu)點坐標,動臂油缸工作壓力最大值由1.602 4×106N減小為1.505×106N,減小幅度約為8%。若G′1為G′1、G′2、G′3三者中最小值,則抓料機允許載荷將有同等幅度的提升。

應用Adams軟件進行機構的優(yōu)化設計省時高效,可以得到精確、直觀的載荷曲線及結果參數(shù),為后續(xù)整機系統(tǒng)多目標函數(shù)聯(lián)合優(yōu)化奠定了基礎。