单斗液压挖掘机工作装置优化设计

《机械 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 》1995 掩10 膏年园地 5 3 单斗液压挖掘机工作装置优化设计 邵忍平 黄欣娜 杨振平洒北 。肤学 ) 前 一么一. ‘一一目~口 挖掘机是由行走装置 、回转装置和挖掘装置三大部分 组成的 , 而挖掘装置通常由动臂 、斗杆 、铲斗三部分组成 。 在设计时挖掘装置的设计是比较复杂的 , 设计变量多 、设 计周期 长、往往不能得到较满意的结果 , 并且还要满足结 构和性能上的某些条件 。 以往都是采用类比设计或者即 便是采用 了优化设计, 也仅是将动臂 、 斗杆 、铲斗作为独立 机构分别进行优化设计 , 这样未必能使工作装置工作在最 佳状态之下 。 本文将其工作装置作为一个整体进行优化 , 采用 多目标函数和多约束条件进行设计, 从而给挖掘机提 供有效的设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。 反铲机构几何参数计算简图 2 目标函数 现以反铲挖掘机构来说明工作装置的优化过程 。 2 . 1 设计变量的确定 图 1 是反铲机构几何参数计算简图 。 此机构实质是 一组平面连杆机构 , 几何装置取决于动臂油缸长度 L 、、 斗杆油缸长度 L Z 、 铲斗油缸长度 L 。 。 显然 , 当 L , 、 L Z 和 L , 为某一定值时 , 反铲装置就相应地处 」尧纂一确 定的几何位置上 。 所以 , 描述机构运动的原始参数是杆 长 , 选杆长作为设计变量 。 动臂机构中的几何量是 I : 、 15 、 l。 、 l : 、 l : 、 1 22 、 14 , 、 l。 、 L lm 。 、 L l. 、 ; 斗杆机构中的几何量是 12 、 1 9 、 I ,。 、 l一 l , 5 、 l ,6 、 12 , 、 L 、。、 及 L Z m in O 铲斗机构中 的几何量为 1 3 、 1 1 2 、 l, 3 、 1 . ; 、 124 、 1 2: 、 1 29 、 L 3 m 。 及 L 3 m ; m 。 在这些几何量中 , 有的 已定为常数 。 例如 l, 是 安装 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 已定 , l, = k ll. , 1 24 一 k Z I3 , 14 2 = k 3 k 引 , k , 、 k Z 、 k , 是特性参数已知 , 所以独立的设计变量有以 为 了克服铲斗的阻力矩 , 各个工作油缸在各个位置上 必须提供最大推力 , 这是最希望的。 对于动臂缸主要是获 得最大起升力 , 把载土的铲斗由任何位置提升到最大高度 而卸载 , 同时要求在挖掘时防止油压波动而必须降低各油 缸行程 , 为此可以建 一亿以下 6 个分 目标函数 . 即铲斗缸 、斗 杆缸 、动臂缸的推力最大而其行程(挖掘功 )最小。 2 . 2 . 1 用铲斗缸挖掘时目标函数建立 铲力油缸的理论挖掘力 p o 。 一 p 3 1 式中 尸 :—铲 斗缸理沦推力 r ,—铲 斗缸对 N 点作用力臂 · r : 二 I . 3 sin (匕 G N M + . ‘二M G N ) r Z—连杆H K 对 N点作用力臂 , , 2 一 l , 4 sin (匕N H K ) r 3—连杆H K对 Q点作用力臂 , r , = 1 24 s on (匕K H Q + 匕H QK ) 为此选择铲斗油缸理论挖掘力的负值作为第 l 目标 函数 人 (X , 一气。 一 尸 3汾 (l) 下 2 3 个 , 即 X = [l , l〕1 6 1 7 1, l, l, 。1 1 12 9 L , m : : L : m 亩。 L 、。、 1 2m :。L 3m o L 3 m l。 ] 1 2 1 13 1 ; 4 1一5 1一6 1 2 一1 22 12 5 r 一 xx : x Z X ,⋯X 二 ] 当铲斗缸由 L 始终充分发挥作用 3 m i。叶 L 3~ 过程当中, 尸。。 应能足够 则斗齿理论挖掘功为 “ 3 一’:: p 二 ‘】d一‘:: p 3等‘· 二 2. 2 建立分目标函数 反铲挖掘力必须足够地大才能克服挖掘物料时的挖 掘阻力 , 实现可靠工作 。 但是由于挖掘力是靠油缸推力来 实现的 , 即工作时分别用铲斗油缸或斗杆油缸来挖掘 , 用 动臂油缸来提升 , 为此首先要建立铲斗缸 、斗杆缸 、动臂缸 的目标函数 , 最后来建立总目标函数。 式中 : 二 一 乙G N M 斗齿理论挖掘功的另一种表达式为 A , 由此可得铲斗缸最大行程 一尸 3 · △L r 一r 3 r 2 d 以 22 . 零部件设计 . 5 4 青年园地 《机械设计》19 9 5掩 10 于是选择铲斗缸最大行程为第 2 [:] 标函数 、 ( ·、 , 一 八。 , m . : 一 , :艾丫立 d · : : 3 约束条件的确定 2 . 2 . 2 式中 用 斗杆缸挖掘付日标函数建 众 气一气斗杆缸理论挖掘力 p 。。 p , -一 于l一杆缸理论推力 · :一 斗杆缸 。, F点作川 力臂· 2 一鲁、1· 。F。 r 6 = F 厂 = 在~不 ~几i不奋币孟不灭Q ; 一 / K山几 二刃巨石互石吞石 同样选择斗杆缸理论挖掘力负值为第 三 [1 标函数 : 几 ‘x) 一 Pz. 升 (3 ) 其次斗杆缸由 乙、。 一 L 、 a : 过程中, ’l一齿理论挖掘 , 2 一丁:井p 。‘ · 6 d o Z , 式中 自: 二 之D F E 注 , 二尸 2 · 八L 、。 , 所以第四 目标函数为 、 ‘X , 一J:犷。 Z d o Z △“~ 一心 · Zdez (4 ) 2 . 2 . 3 动臂缸提升时 目标函数建立 动臂缸由 L , mi 。 ” L , m a : 过程中, 要求在各个位置具 有最大提升力 尸 。 , , 如图 2 。 取动臂机构为分离体 , 对 F 点取矩 , 得 反铲机构中约束条件是多方面的 . 按照其 卜次关系选 择以 下几方面作为约束 。 3 . 1 满足挖掘深度H . m 。 (l) 最大挖掘深度H : m a 、 当下置式动臂油缸全缩 . FQ V 三点 l司直线井处于垂 戌状态时得到最大挖掘深度 , 约束函数为 h . (X ) = Y~ 一 12 一 l , 一 H l~ 一 0 (8 ) 式 中 Y、 ,。 一 Y 。 十 I , si n (了 p 月C 一 乙A c B 二。 + ‘匕B c F ) (2 ) 最大卸载高度H 3二。 当 一「置式动臂油缸全伸 , 斗杆缸全缩 , Q F 连线处 于垂直状态时得到最大卸载高度 H 3。、 , 约束函数为 h : (x ) 一 Y 滋 + 1 s sin ‘ ’ p A C + l l sin (二 一 d 〔, B 。。 、 一乙 p A C 一匕 B C F ) + 12 sin (乙 c FN m a 、 + 艺A C B ~ 一 厂N F Q 一 艺 p 月c 一J c 声 一 “) 一 I , 一 H ~ = 0 (9 ) (3) 停机面最大挖掘半径 R 。川。 当斗杆油缸全缩 , F Q F 三点同直线且 Y , 二 0 时可 得到停机面最大挖掘半径 R 。m 。 * , (x) 一 I, 十扣孰一 式 一 * 。二。 一 。 ( 10 ) 式中 与 = 了灭丁 (1 2 + , , ) 一 2, (, : + , , ) c o s (艺C F N . 。 一 / 刀 FQ ) 尸口刀 二 p l (X ‘一 X r ) . 2 满足油缸推力及结构尺 寸要求 (” 油缸主动力限制 式中 p .—动臂缸推力 r, 。 一 12 2 sl n (二 一 厂 A B C ) g , (X ) = 一 [P[p 。 ]‘ (i = I, 2 , 3 ) ( 1 1) x 。 , 和 x ;—铲斗加土重心G : 和铰点F的水平座标故选择提升力 尸。 、 的负值为第 5 LI 标函数 人 (X ) 一 一 p o 、 一 一 尸 , (x ‘一 X ; ) ( 5) 另外 , 在动臂缸 由 L : m i。‘ L , m a 、 中, 斗齿理论挖掘 式中 lP 。 】.—各油缸许用主动推力 P’ ,—各油缸受到的推力 (2 ) 控制油缸重量的约束 △L g 百 (x ) = L 骂 〔 ” , 2 , 3 ) (1 2 ) 功为 式中 又 = L / L “一盘 尸一‘ 6 d “ 式中 o一 匕A C B 又“ , 一 ” , △乙 , m a : , 则 △“ , m , 一 J:: :万r’6 d0 取△L , m ax 作为第 6目标函数 人 (X ) 一 △L .~ 一 :::: (6 ) 2 . 3 建立工作装置总目标函数 由于 6 个目标函数量刚不同 , 。 用 此函数 石= 叮 / 2 二 一 s in ”, , 因此 , j‘ (x ) ”F ‘ (X ) 需要进行规格化处 将其转化到 0 ~ 1 之 = l , 2 , ⋯6) 。 总目 标函数为 F (X ) = 艺 甲 F (X ) 其中: 工 甲 (7 ) 图 2 动臂缸提升力 PO 、 计算简图 3 . 2 . 2 各缸闭锁力限制 (l) 用铲斗缸挖掘时动臂缸和斗杆缸锁 住 , g : (X ) (2) 用斗杆缸挖掘时动臂缸锁住 , g , (X ) 理间 ‘ . 霉部件设计 一 《机械设计 })l 99 5掩 10 青年园地 · 5 5 . 3. 3 动臂参数约束 动臂运动时必须保持 △A B C 、 △B C F 、 △C 刀凡 △D E F h . (X ) = 匕月 C B 。。 + 匕C B A + 了B A C 一 二 一 0 (13 ) h , (X ) 二 匕月c B 。。 + 乙C B A + 匕B A c 一 : = o (14 ) h 。 (X ) = 乙 c Z F + 匕Z C F + 匕Z FC 一 : = 0 (15 ) h , (x ) = 艺B c F + / C FB + 乙F B C 一 兀 = o (16 ) h : (x ) = 艺D c F + 乙 c FD + / FD C 一 兀 = 0 (17 ) h , (X ) = 艺E D F + 匕D F石 , .。 + 乙 FE D 一 兀 = o (18 ) h , 。 (x ) = 艺E D F + 艺 D FE ~ + 艺F E D 一 兀 = 0 (19 ) 9 . 。 (x ) = I , 一 I, < 0 (2 0 ) g : . (X ) = L .。 一 L l~ < o (2 l) 3. 4 斗杆机构参数约束 斗杆运动时必须保持 △E F G 、 △ F G N 、 △FN Q 的 几何关系, 即约束函数为 h . , (X ) = 艺G E F + 匕E FG + 匕F G E 一 兀 = o (2 2 ) h , : (x ) = 匕G FN + 艺FN G + 之N G F 一 兀 = 0 (2 3 ) h . 3 (x ) = 乙N FQ + 匕FQ N + 匕QN F 一 : = 0 (24 ) g , : (X ) = I , 一 l: < 0 (2 5 ) g , , (X ) = L Z二。 一 L Z二。 < 0 (2 6 ) 3 . 5 铲斗机构参数约束 铲 斗 机 构 运 动 时 必 须 保 持△ G N对 、 △万对万 、 △Q尤 犷及四边形 万万Q 兀 的JL 何关系 , 则约束函数为 h , ; (X ) = 艺M G N + 匕G N M + 匕N M G 一 兀 = 0 (2 7) h , 5 (X ) = 匕M N H + 了N H M + 匕H M N 一 介 一 0 (28 ) h t。 (X ) = / K Q 犷 + 匕Q 犷K + 匕 V K Q 一 兀 = 0 (29 ) h , 7 (X ) = 匕MN Q + 匕N QM + 乙M QK + 匕K H N + 艺QK H 一 匕材万H 一 2 兀 睁如) g , 4 (X ) = L 3~ 一 L 、二。 < o (3 1) (注 : 上 述各角都是对应于各 自三角形 中三边长度的 函 构构送 目 标 : 百, 数数 IIIn x n声 (方 ))) 幸幸勺s轰约 束 条件件 ggg 。(X ))) hhh . (X ))) 构构 ,也 罚 禹 鉴之之 (((p ‘龙 奋·(人’))) PPP口, 、、f ll法 求 m ln巾巾 得得 x ‘ ( , 一以 , ))) 粉粉 出 X X ‘r ‘) JJJ FFF‘I ’ ) = 声, (X (一(式 ’ )))) 图 3 计算机优化框图 5 计算实例 杆长自身的约束 g 二 , , (x ) = 12 ‘二。] 一 X , < 0 (i 2 , ⋯ 17X 32 ) lZ , 二』一一各杆长度的最小值 现以 W Y 10 型反铲挖掘机构为例 , 将其工装优化 , 将 其结 果 与原 设计 对 比 。 斗容 q 一 0 . l m ’ H , m 。 一 Z0 00 m m 、 H , , 。 : 一 1 80 om m 、 R , 。、 一 30 0 0m m , 液压 缸压力 夕一 6o k g / c 一n ’一 56 5 x 10 ’N / m ’ , 动臂缸筒直径 D , = so m m , 斗杆缸筒 D Z 一 6 3 m m , 铲斗缸 筒 D 3 一 50 m m 。 其优化结果 与原设计对比如下: 表 1 杆件优化前后对照 杆件 } z, } 八 } 16 } 27 } Is } I。 } z, 。 } z, , } z, : 如3.6动 4 优化方法的确定 原设计 优化值 杆件 原设计 优化值 杆件 原 设计 优化值 15 16 0 14 3 7 . 的 1 7 50 . 0 1 7 27 . 0 1 8 63 . 0 } 20 7 . 0 1 2 80 . 0 { 2 30 . 0 1 2 04 . 0 136 5 . 8 1 14 8 82 2 172 7 . 8 7 17 5 1 . 0 3 17 80 石0 }360 . 7 3 11 59 . 24 }37 5 . J 8 1 6 2 . 60 I, , 1 1 , , } l , , } l , 。 这是一个中大型的优化设计问题 , 有 6 个 目标函 数 , 31 个不等式约束和 17 个等式约束 , 故采用混合 罚 函数法 , 将约束优化变成为无约束优化 , 用 Po w ell 法求 解无约束函数的最小点, 其罚函数的构造形式如下 25 0刀 1 2 69 . 0 1 7 34 . 0 1 6 95 . 0 几, 153 一 0 场 80 5 一 0 L 1 . 、 8 59 . 0 35 7 刀7 1309 2 5 1532 石2 14 7 1 . 67 !2 69 为 7 17 85 沼9 15 24 . 79 {2 7 7 月3 186 3 .利 L Im 、。 6(冷 . 0 L 加 . : 10 37 一 0 乙加 .。 6 77 . 0 L 九a x 9 16 . 0 L了m n 59 6 . 0。 (x , ; “ , , 一 ; (x ) 一 , “ , 兰- -共· , g 。 叹x , 6 134 0 18 13 3 9 ! 56 3 3 8 l8 33 . 4() l6 l3 3 8 +声 · 刃: 〔“· ‘X , ” (33 ) 6 结论式中 ; (k) —第k轮的罚因子其计算框图如图 3 所示。 (l) 从以上结果可见 : 各缸推力所产生的挖掘力比原 设计的挖掘力均较大 , (下转第 58 页 ) 一”零部件设计 . ‘ 5 8 青年园地 《机械设计》1995 掩 10 之后 , 可以把它指定为块定义 中的 一部分 。 征次引用该块 可以有不同的属性值 。 因管线设计图中设有许多专用符 号 , 遇到需要画这些符号时 , 如每次都重 画是很费时的 。 特别在三维空间中 , 还要重新定义用户坐标系的位置和方 向 , 特别影响作图的速度 。 利用 “属性块”建立的符 一号、 图 形库较好地解决了这 一问题 , 提高了绘图的质量。 且对块 的每次插入 , A U T OC A D 仅需记住一个实体 (一个块坐 标) , 可节省存 储空向。 4. 3 . 5 用户菜单 对 于 SPPC A D 来 说 , 常用 的绘 图命令 可能 处与 A C A D . M N U 的若于层中 , 操作不方便 , 且系统已作 了二 次开发 , 设置了新的图形库和文 件 , 为便于对它们的管理 和 使 用 , 我 们研 究 了菜 单文 件的结 构和 用 法 , 利 用 A U T O C A D 的菜单(M E N U )功能 , 根据本系统的要求编 写 了用户菜单。 下面是部分用 户菜单文件 : 的试设计 。 设计步骤如下 : (l) 对到货的管材按不同的型号进行侧量和编号 。 (2 )按 10 F8 . 2 的格式把各种管材长度制成数据文件 , 如把 价3 97 x 6 2 . 2 3 和 中5 34 只 8 1 . 8 各钢管长度分别制成 FI . D A T 和 FZ . D A T 两个数据文件 。 (3) 用 SPPC A D 做出三维管线走向图 (要求计算机 能识别各管线的实长而不是轴侧图中的长度) , 并标明各 种管件和符号。 (4 )用 G Z PR O 对所作管道设计详细分析 , 计算出图 纸管线的所有直管段长度和弯管的弧长。 然后调用管材 文件选配各管段 。 选配过程是逐段进行的 , 最后再通过人 工作适当调整, 得到合理的选配组合设计方案。 (5) 根据组合管道设计方案用 SPPCA D 做出二维施 工详图 (分段图 、加工零件图以及其它工艺文件 )的设计 , 供管件的制配和安装使用 。 SC E E N IA 、. to C A D 】丫 S = S 【D R A W 』Y S = D R 【D IM I$ S = D l 【IN ST E R T 】Y S = IN S * * D R I [V PO IN T : 忙℃V PO IN T\ IL IN E I : 挥℃飞IN E \ \ \ ; 【LIN E Z : 挥℃L IN E : \ 、 ; 【U C S : IU C S 3 P @ 、 \ @ \ @ \ 【A R C : 协 R C C @ 、\ @ “\ @ \\ IPO IN T :代℃PO IN T 【E R A SE : 挥E R A S E [L A ST M E N U ]@ S = * * D l l 【D IM : 挥℃D IM IU C S : ]U C S 3 P@ \ @ “ \ @ 、二 【H O R IZ O N T A L : ]H O R IZ O N T A L 【V E R T IC A L : IV E R T IC A L 【PO IN T : 护O IN T 【E R A S E : IE R A S E 【SA V E : 代SA V E IT E X T :代T E X T 【LA D T ME N U】$ = . * IN S I 【U C S : IU C S 3 P @ \ @ \ @ \ 【IN SE R T : 代N S E R T 【PO IN T : 挥PO IN T 【E R A SE : 挥E R A SE 【SA V E :代 SA V E 图 5 分段设计图例(图中尺 寸标注略) 由于在设计过程中 , 采用 G Z PR O 管材优化程度选 配 , 使方案趋于合理 , 与施工中用手工选配的方案相比 , 管 系减少一道焊 口 , 节约一根型号为 价534 x 80 . 1 的合金无 缝管材 , 效益可观 。 此外 , 采用 SPPCA D 配管系统也缩 短了设计周期 , 并可方便的获得用户所需的各种施工技术 文件 , 取得了较满意的结果 。 图 5 是所作的分段设计图之 6 结束语 5 C A O 配管设计实例 结合 河 北西 柏坡 电厂 # 3 机组 〔程 , 我 们 应 用 S PPC A D 设计系统 , 作出主蒸汽管及给水管道部分配管 本文所述内容是 S PPC A D 电站配管设计系统开发 的阶段性成果 , 还有许多不完善的地方 。 根据软件系统的 规划 , 目前开发工作仍在继续深入进行 。 , / .’ J 扩 巴 尹r 乡 ‘ 互言 性 矛 竺言 竺 言 于 , i 今 ; 沪 1 .竺 矛 进 场 . 竺 i 尸 、 少/ 矛 .乞 矛 今 矛 夕 矿 占 ‘ , ‘ ,. 佗 杏矿 卜万 之公 竺 石 巴公 竺 石 乙了 遭j 言 吧 ‘ 、, 佰 遭z 矿 巴 ‘ 三 云 少 ; 、今 矛 ( _ l: 接第 55 叮) 表 2 目标函数优化前后对比 八八八 (N 夕夕 厂 ‘习 ))) j ; (N --- / ‘(m m ))) f , (m rl一))) f ‘(m m ))) 似似设计计 钊0 6 . 5 555 4 0吕夕 3 111 2 8 1吕1伪666 1 6 6 4 777 4 5 5 7 1666 2吕9 3 7 555 优优化仇仇 5 5 13 9 6888 1 38 , 8 4 5 888 吕科1 9 6 8 999 14 吕 1222 3 0 5 4 6 777 2 6 5 8 1666 注 : 了 , 铲 斗缸挖 拥时 挖 州力 ; j Z 矿卜杆 缸 挖时 挖 俐 力 ; f , 动臂缸举升 力 ; f ; 、 f , 、f 。 铲斗 缸 、 斗杆 缸 、动 臂缸的 行 程 。 且斗杆缸所产生的挖掘力比原来的大 3 . 4 倍 。 动臂缸的 举升力比原设计大 3 . 0 倍 。 且各油缸行程都比原设计小 , 所以优化结果比原设计在性能 上有较大提高 , 尺寸较小 、 使整机重量减轻 。 (2) 这种优化程序可以适应 于任何反铲挖掘机构的设 计, 具有通用性 。 该优化设计能缩短产品设计周期 , 减轻 L作 量 , 提高产 品的标准化程度及产品设计水平 , 具有明 显的推广价值 。 参考文献 l 同济大学等 .单斗液压挖掘机 . 中国建筑 五业 出版 社 , 19 8 0 2 陈育仪等 . 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 机械优化 设计 . 中国铁道 出版社 , 19 87 ‘计算机辅助设计 ’