浅谈装载机工作装置优化设计

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摘要：

装载机是工程机械的重要机种之一，其工作装置设计的合理性和质量直接影响着装载机的各项工作性能。本文应用参数优化建模和设计方法，对反转六连杆机构建立了参数优化模型，确定了变量系统，目标和约束系统，用优化软件进行了优化设计。对工作装置所得的优化结果进行了分析，剖析了机构形式的优缺点和适用范围。

装载机是一种常用的铲土运输机械，广泛应用于土木、建筑、水利、矿山等工程，起着减轻劳动强度、提高施工效率和质量的重要作用。目前国内研究和采用得较多是反转六连杆，这种机构形式简单、尺寸紧凑。当铲斗铲掘物料时由于是反转机构，转斗油缸大腔进油工作，可以获得较大的铲掘力。也就是说，铲起同样重量的物料，转斗油缸的尺寸可以设计得较小。而且转斗油缸后置，使司机有较好的视野。反转六连杆机构尤其多用于中小型装载机工作装置中。本文在现有的工作装置优化设计研究成果的基础上，进一步研究和完善六连杆机构设计，针对六连杆机构建立有一定通用性的分析和优化模型，得出满足设计要求的合理方案，总结设计知识和优化经验。

1.参数优化设计概述

目前国内工作装置的设计主要采用类比法、画图试凑法、解析法和参数优化方法。其中，参数优化方法越来越受到重视，取得了很大发展和广泛应用。类比法和经验法一般只适用于同类型产品，即结构型式、工作对象和条件基本机同的设计。这样设计所得的产品即使通过了校核检验，符合基本设计要求，但是否能达到性能最优，是否是最好的设计结果，还很值得研究。参数化设计（Parametric Design）是从CAD技术中发展起来的。参数化技术主要用于结构形态比较定型的设计对象，对某定型产品，结构形式确定，根据某些具体条件和控制参数决定产品在某一结构形式下的结构参数，从而设计出不同的产品。实际上，参数化技术就是将产品的一些信息，包括尺寸、数据、特征、模式等定义为变量，这些变量的改变就表示产品模型的改变。参数化技术适用于常用件、系列件、标准件的设计，只需建模一次，就能得到不同规格的零件模型。

研究优化设计自动化的目的在于建立一个由描述产品结构的各个参数组成的设计模型。建模的内容包括：集成化数据模型的研究，对产品生命周期内各阶段的数据进行统一建模；产品设计过程模型的研究；产品设计方法的研究。建模的内容主要包括参数提取、约束识别和数据管理与规划。参数的提取是参数化设计的前提。提取工作就是要在模型和参数间建立对应关系。

优化设计是现代设计方法中的一个重要领域。可以认为，工程设计只包括两个步骤：一是确定所有可能的设计方案；二是选择最佳方案。可见，设计本身就是一个择优的过程。尤其在机械设计方面，设计的本质就是要选择最佳尺寸以满足设计要求。传统的设计在很大程度上依赖于设计师的经验。对于现在复杂的工程问题，虽然设计师仍将用自己的知识和经验引导设计进程，计算机辅助设计、优化设计等现代设计方法使设计工作更加科学和自动化。应该看到，优化设计始终是对现实问题某种程度上的简化。

参数化设计技术当前在机械设计领域的应用主要是为优化设计建立参数化模型。从对参数的广义理解上，凡是针对产品尺寸和性能参数的优化应该都属于参数优化范围。

参数优化的数学模型总结为：

2.反转六连杆机构

目前国内用的较多的是转斗缸后置式反转六连杆机构，转斗缸布置在动臂上面。这种机构又称为z形连杆机构。它的优点是：铲斗插入料堆进行工作时，转斗缸大腔进油，因此连杆机构的传力比可以得到较大的值，可获得较大的崛起力，合理设计机构各部件尺寸可得到较好的铲斗平移性；机构简单尺寸紧凑，司机视野较好。缺点是摇臂、连杆和铲斗等构件间易发生干涉。国内对反转六连杆机构形式的设计研究较多，对其设计变量、约束和目标的描述都比较一致。从设计方法上看，优化设计等计算机辅助设计技术的应用，大大提高了工程行业中设计的自动化程度和效率。

从设计方法上看，传统的方法是采用层次型的设计流程，先根据典型或先进样机，确定动臂长度，形状和与车架铰接位置，如动臂与车架的铰接点，在确定动臂油缸的铰接位置和行程，然后设计连杆机构。这种树状设计流程用于装载机的整体设计中是合理的，先确定斗容、机器的总体尺寸、液压系统的工作压力等，再确定工作装置的机构尺寸，再确定各零件的细部尺寸。它可以将大型复杂的设计问题分解为不同层次的子问题，减小每一步的工作量。

3.反转六连杆机构的建模和优化

建模是优化设计的前处理部分，它是对某类明确的设计对象的描述。优化设计模型由三个基本要素组成：设计变量、目标函数和约束条件，建模工作的内容包括：1）确定设计变量及其量纲；2）确定目标和约束的结构层次；3）确定各目标和约束的内容：建模首先要明确用户市场和制造厂的要求；4）对目标和约束的定量描述和无量纲化，

3.1变量系统

输入参数是由整机设计确定的，在工作装置及设计中作为固定量，不允许改变。在工作装置的设计中，斗容量、液压系统的工作压力、油缸个数等作为输入参数，它们在整机设计时确定，在工作装置中不在变动。设计变量是设计工作需要确定的参数。应选取与目标直接或间接相关的，对目标函数影响较大的参数作为设计变量。工作装置不同的机构形式的设计变量个数不同，设计变量个数越多，解的维数越高，解的空间越大，解的难度也越高，寻优所需的时间也就越多。在目标和约束函数的计算中要用到许多中间参数，中间参数只起到传递数值，减小建模工作量的作用，不影响设计结果。将反复用到中间参数的计算写成辅助函数，可以减小编程工作量。

3.2目标系统

目标函数是以计算变量表示所要追求的某种性能指标的解析表达式或经验关系式。目标一般用柔性的方式表达，即希望函数值越大越好或越小越好，或尽量接近某个理想值，目前多目标优化问题已成为设计的主流。工作装置的部分优化正向着整体优化、组合优化发展。实际模型选取了7类目标，如下图1所示，

3.3约束系统

约束是设计必须或希望满足的要求。它直接决定着设计结果的可行性和质量。对于工作装置，主要是机构各铰点（包括油缸）的空间布置要求。考虑到工作装置复杂的工作过程和环境，约束也必须能综合地保证机构的各项工作性能，如机构必须达到要求的卸载高度、任何情况下各构件间不能干涉、铲斗应能较干净地卸料、各构件应有足够的强度等。工作装置优化模型的约束分类如下图2所示：

4.结语

本文对装载机的反转六连杆工作装置进行了运动学和静力学分析，归纳出了其工作过程中必须满足的各种条件。确定了变量系统，目标和约束系统，为全面优化奠定基础。总体上，对装载机工作装置所建立的模型是合理的、实用的，优化是有成效的。