董衛(wèi)超 龐海通

摘要：使用三維建模軟件CREO建立裝載機(jī)工作裝置的骨架模型，初步確定滿足卸高卸距等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的各部件初始設(shè)計(jì)尺寸。利用ADAMS軟件將初始設(shè)計(jì)尺寸設(shè)定為優(yōu)化變量，工作裝置各點(diǎn)位的坐標(biāo)值，通過優(yōu)化變量組成的表達(dá)式自動(dòng)算出，進(jìn)而通過坐標(biāo)值對工作裝置進(jìn)行參數(shù)化建模，達(dá)到使用設(shè)計(jì)尺寸建立參數(shù)化模型的目的。使用ADAMS分析模型主要性能參數(shù)并對其進(jìn)行點(diǎn)位優(yōu)化，提升了工作裝置自動(dòng)放平性能。

關(guān)鍵詞：裝載機(jī)；工作裝置；ADAMS；點(diǎn)位優(yōu)化；參數(shù)化建模

0? ?引言

裝載機(jī)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，適用于多樣化的作業(yè)工況，工作裝置的性能優(yōu)劣直接影響整機(jī)工作效率[1]。對于裝載機(jī)工作裝置的優(yōu)化，有不少學(xué)者做過相關(guān)方面的研究。段文婧[2]利用ADAMS對裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行參數(shù)化建模，并對其建立約束函數(shù)，優(yōu)化完后工作裝置鏟斗平移性得到一定改善。王曉明等人[3]利用ADAMS優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，將工作裝置各鉸接點(diǎn)的坐標(biāo)值作為優(yōu)化變量，以鏟斗下叉角為優(yōu)化對象，將傳動(dòng)角、卸載參數(shù)等作為約束條件，優(yōu)化完成后鏟斗下叉角得到提升。

應(yīng)用三維建模軟件CREO骨架模型功能，可以設(shè)計(jì)出滿足產(chǎn)品卸高、卸距、收斗角、卸料角等整機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的工作裝置點(diǎn)位，各部件的初始設(shè)計(jì)尺寸也隨之確定。使用骨架模型可以靜態(tài)模擬出工作裝置各部件的運(yùn)動(dòng)角等參數(shù)，但由于沒有完成完整的三維模型，無法使用建模軟件本身的動(dòng)態(tài)仿真功能對結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

本文使用三維建模軟件CREO建立裝載機(jī)工作裝置的骨架模型，初步確定滿足卸高卸距等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的各部件初始設(shè)計(jì)尺寸。利用ADAMS軟件將初始設(shè)計(jì)尺寸設(shè)定為優(yōu)化變量，工作裝置各點(diǎn)位的坐標(biāo)值，通過優(yōu)化變量組成的表達(dá)式自動(dòng)算出，進(jìn)而通過坐標(biāo)值對工作裝置進(jìn)行參數(shù)化建模，達(dá)到使用設(shè)計(jì)尺寸建立參數(shù)化模型的目的。

1? ?工作裝置的模型分析

本文選取反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)作為裝載機(jī)工作裝置研究對象。反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)中翻斗缸無桿腔進(jìn)油時(shí)鏟斗收斗，可以使鏟斗獲得較大的崛起力。工作裝置主要由鏟斗、動(dòng)臂、搖臂、連桿、翻斗缸、舉升缸等部分組成，它們之間通過銷軸連接，如圖1所示。翻斗缸帶動(dòng)鏟斗翻轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)收斗與卸料，舉升缸帶動(dòng)動(dòng)臂來實(shí)現(xiàn)鏟斗的舉升與下降。

圖1中點(diǎn)A、S、G為前車架點(diǎn)位，整機(jī)設(shè)計(jì)完成后點(diǎn)位已確定，點(diǎn)B、C、D、E、F、Q、V為工作裝置點(diǎn)位，這些點(diǎn)整體位置影響工作裝置的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及工作性能。

點(diǎn)位確定后，工作裝置部分還剩兩個(gè)自由度，即鏟斗舉升與翻轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度，可分別用點(diǎn)B到地面的距離H和鏟斗的位置角α來表示。這些尺寸確定后，將地面作為X軸，前后車架鉸接處作為Y軸建立坐標(biāo)系，所有點(diǎn)的坐標(biāo)就可以通過各部件的初始設(shè)計(jì)尺寸表達(dá)出來。

以點(diǎn)B、C兩點(diǎn)坐標(biāo)為例，點(diǎn)B坐標(biāo)計(jì)算如下：

XB=XA+LAB·sinβ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

YB=H? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

點(diǎn)C坐標(biāo)計(jì)算如下：

XC=XB-LBC·cosθ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

YC=YB+LBC·sinθ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

β計(jì)算公式如下：

β=arccos（（YA-H）/LAB）? ? ? ? ? ? ?（5）

θ的計(jì)算公式如下：

θ=270°-α-∠CBV-arccos（HBV/LBV）? ? ? ? （6）

式中：LAB為點(diǎn)AB間的直線距離；LBC為點(diǎn)BC間的直線距離；LBV為點(diǎn)BV間的直線距離；HBV為點(diǎn)B到斗底板的垂直距離；B點(diǎn)X軸方向坐標(biāo)為XB，B點(diǎn)Y軸方向坐標(biāo)為YB。其余點(diǎn)坐標(biāo)用相同方式表達(dá)。

2? ?工作裝置的參數(shù)化建模

2.1? ?ADAMS軟件簡介

ADAMS軟件后處理功能強(qiáng)大，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形顯示，也可以對數(shù)據(jù)以表格形式輸出，方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理。ADAMS軟件還有專門的優(yōu)化分析模塊，創(chuàng)建優(yōu)化變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件后可以完成對模型的優(yōu)化[4]。

2.2? 各部件設(shè)計(jì)尺寸與工作裝置各點(diǎn)位坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換

在ADAMS軟件中，將各部件的初始設(shè)計(jì)尺寸設(shè)定為優(yōu)化變量，使用菜單欄工具中表格編輯器功能，將工作裝置各鉸接點(diǎn)的坐標(biāo)值，通過上述推導(dǎo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示出來。這樣可建立起各部件設(shè)計(jì)尺寸與各點(diǎn)位坐標(biāo)值的聯(lián)系，各點(diǎn)位的坐標(biāo)值便會(huì)跟隨設(shè)計(jì)尺寸的變更而動(dòng)態(tài)調(diào)整，相應(yīng)的參數(shù)化模型也會(huì)跟隨動(dòng)態(tài)更新。選取鏟斗處在地面，鏟斗位置角為零時(shí)作為初始狀態(tài)，得到各鉸接點(diǎn)坐標(biāo)值如表1所示。

2.3? ?建立參數(shù)化模型

工作裝置各點(diǎn)位的坐標(biāo)值確定后，在ADAMS中直接使用坐標(biāo)點(diǎn)建立參數(shù)化模型。本模型建立的約束包括液壓缸與缸桿之間的2個(gè)移動(dòng)副、3個(gè)圓柱副、2個(gè)點(diǎn)線副、4個(gè)旋轉(zhuǎn)副，各點(diǎn)位的約束類型如表2所示。在液壓缸移動(dòng)副處建立2個(gè)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

3? ?工作裝置的運(yùn)動(dòng)分析

利用ADAMS對工作裝置的作業(yè)過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，典型的運(yùn)動(dòng)過程主要有以下4個(gè)階段：一是鏟斗收斗階段，期間舉升缸閉鎖，翻斗缸活塞桿前移；二是鏟斗舉升階段，期間翻斗缸閉鎖，舉升缸活塞桿前移；三是鏟斗卸料階段，期間舉升缸閉鎖，翻斗缸活塞桿后移；四是鏟斗回位階段，期間翻斗缸閉鎖，舉升缸活塞桿回到原位。這樣完成一個(gè)工作循環(huán)后進(jìn)行下個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)。

使用ADAMS驅(qū)動(dòng)模塊建立兩液壓缸的移動(dòng)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)液壓缸行程設(shè)立位移與時(shí)間的STEP函數(shù)，模擬鏟斗收斗、提升、卸料、下降的整個(gè)作業(yè)過程，仿真時(shí)長設(shè)定20s。設(shè)定的翻斗油缸和舉升缸的驅(qū)動(dòng)函數(shù)分別為：

STEP（time，0，0，5，-163.862）+STEP（time，5，0，10，0）+

STEP（time，10，0，15，359.203）+STEP（time，15，0，20，0）

STEP（time，0，0，5，0）+STEP（time，5，0，10，-777.25）+

STEP（time，10，0，15，0）+STEP（time，15，0，20，777.25）

運(yùn)動(dòng)仿真后得到鏟斗位置角隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。從圖2可以看出，鏟斗從地面收斗后到最高處鏟斗的位置角變化在10°內(nèi)，運(yùn)動(dòng)平移性好，保證了運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性。卸完料從最高位置到地面位置時(shí)鏟斗位置角為-30°左右，鏟斗的自動(dòng)放平性能差，插入物料時(shí)需重新調(diào)整鏟斗姿態(tài)，影響作業(yè)效率。

4? ?工作裝置的點(diǎn)位優(yōu)化

4.1? ?最優(yōu)化模型分析步驟

使用最優(yōu)化方法解決問題的一般步驟如下：一是確定需要被優(yōu)化的目標(biāo)，搜集可能會(huì)影響被優(yōu)化目標(biāo)的變量；二是創(chuàng)建優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，確定優(yōu)化變量的取值范圍，將目標(biāo)函數(shù)定義為用優(yōu)化變量創(chuàng)建的函數(shù)表達(dá)式，同時(shí)使用優(yōu)化變量創(chuàng)建約束函數(shù)來建立約束條件；三是分析模型特征，確定采用的優(yōu)化方法；四是求解模型，多變量的優(yōu)化模型計(jì)算復(fù)雜，可以使用計(jì)算機(jī)來進(jìn)計(jì)算求解；五是將最優(yōu)解進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)其是否達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)要求。

經(jīng)過以上步驟計(jì)算后，如果優(yōu)化解不能滿足需求，重新設(shè)定變量范圍或者更換優(yōu)化變量來做進(jìn)一步的優(yōu)化。

4.2? ?確定目標(biāo)函數(shù)

鏟斗自動(dòng)放平性是指將動(dòng)臂舉到最高處，鏟斗在最高位置卸完料后，翻斗缸鎖止，舉升缸帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)回到地面時(shí)，鏟斗的位置角與地面保持水平的能力。鏟斗自動(dòng)放平的好處，就是不需要作業(yè)人員重新調(diào)整鏟斗位置角就可以進(jìn)入下一工作循環(huán)。

為了優(yōu)化鏟斗的自動(dòng)放平性能，確定卸完料鏟斗回到地面時(shí)的位置角的絕對值作為目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

ABS（ATAN（DY（MARKER_167，MARKER_168）/DX

（MARKER_167，MARKER_168）））

其中：MARKER_167、MARKER_168分別為鏟斗斗底板上前后兩處的標(biāo)記點(diǎn)。

4.3? ?建立約束條件

為保證工作裝置運(yùn)動(dòng)過程中的傳力性能，保證運(yùn)動(dòng)軌跡的確定性，防止各部件之間出現(xiàn)死點(diǎn)，各傳動(dòng)角需保持在10～170°范圍內(nèi)[5]。使用ADAMS的“創(chuàng)建設(shè)計(jì)約束”功能，建立的傳動(dòng)角約束條件如下：10°＜∠BCD＜170°、10°＜∠CDE＜170°、10°＜∠EFG＜170°

4.4? ?優(yōu)化計(jì)算

使用ADAMS的“試驗(yàn)研究”功能，分析出對目標(biāo)函數(shù)影響較大的優(yōu)化變量LDE、LEF、LCD以及∠DEF。LDE表示的是搖臂DE兩點(diǎn)之間的距離，LEF表示的是搖臂EF兩點(diǎn)直接的距離，LCD表示的是CD兩點(diǎn)直接的距離也就是連桿長度，∠DEF表示的搖臂DEF連線間小于180°的角。

將優(yōu)化變量的取值范圍設(shè)定為最大值與最小值之間，將目標(biāo)函數(shù)的的研究對象設(shè)定為“最終值”選項(xiàng)，將優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值選為最小值，使用創(chuàng)建的約束條件，求解器選用SQP優(yōu)化算法。經(jīng)過幾輪優(yōu)化后，得到鏟斗位置角隨時(shí)間的變化如圖3所示。優(yōu)化變量優(yōu)化前后對比結(jié)果如表3所示。

得到優(yōu)化完成的標(biāo)準(zhǔn)值后，重新對工作裝置的工作循環(huán)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得到鏟斗位置角隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。將其與優(yōu)化前的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，可知鏟斗的自動(dòng)放平性有明顯的改善，優(yōu)化后的地面放平角為-6°，優(yōu)化前的地面放平角-30°，自動(dòng)放平性能改善80%。

5? ?結(jié)束語

本文以新開發(fā)的裝載機(jī)工作裝置為研究對象，在ADAMS軟件中，將工作裝置各部件的設(shè)計(jì)尺寸轉(zhuǎn)化為各運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位的坐標(biāo)值，進(jìn)而利用ADAMS軟件完成參數(shù)化建模。將工作裝置各部件的初始設(shè)計(jì)尺寸設(shè)定為優(yōu)化變量，定義出鏟斗自動(dòng)放平的目標(biāo)函數(shù)，建立傳動(dòng)角約束條件，對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。優(yōu)化完成后的模型自動(dòng)放平性能得到明顯的改善，證明使用ADASM軟件可以完成對裝載機(jī)工作裝置點(diǎn)位優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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