正铲液压挖掘机工作装置工作范围优化设计

张羽林

摘要：为进一步优化正铲液压挖掘机工作装置的工作范围性能指标，本文根据某企业原始数据利用虚拟样机ADAMS的view模块构建了正铲液压挖掘机工作装置的运动学仿真模型，通过对其模型进行运动学仿真获得工作范围性能指标，并画出铲斗斗尖挖掘包络图；然后采用变化模型铰接点坐标位置的方法，寻找使工作范围的性能指标最优的铰接点组合方案。研究结果表明，厂家原始数据条件下的挖掘机工作范围仍有较大提升空间，通过本研究仿真优化，显著改善了挖掘机工作范围的各项性能指标，其结果将作为企业研发正铲液压挖掘机的设计依据。

关键词：正铲液压挖掘机；工作范围；优化

0 引言

挖掘机传统设计方法不是去主动地设计产品的参数，而仅仅是被动地重复分析产品的性能。作为设计，不仅要使方案有较高的可行性与合理性，而且应该是某些性能指标达到最优的理想方案。随着计算机的广泛应用，己经可以运用现代化的设计方法和手段对大型的工程机械进行各种设计，来满足对工程机械产品提出的各种要求。人们可以利用优化设计方法，运用计算机软件辅助，从多如牛毛的设计方案中寻找出最优设计方案，从而极大的提高了设计的质量和效率[1-5]。

本文所采用的原始设计方案来源于国内某大型挖掘机企业，企业要求为正铲液压挖掘机工作装置的工作范围进行优化。本文利用虚拟样机ADAMS的view模块构建了正铲液压挖掘機工作装置的运动学仿真模型，通过对其模型进行运动学仿真获得工作范围性能指标，采用了通过调整关键铰接点位置以重组工作装置结构方案的方法分别对工作范围进行了优化改进。优化结果表明，优化后改进方案的理论性能水平略优于国外同级产品，可使实机性能接近国外同级产品。

1 工作装置运动学模型的建立与仿真

衡量挖掘机工作装置运动学性能最重要的指标，就是工作装置的工作范围性能指标，所以在设计方案制定之初，必须首先优化评价工作装置工作范围。

本文以某企业正在研发的某量级正铲液压挖掘机的初始参数为基础，通过虚拟样机设计法建立三维模型，通过优化设计法对工作装置几何铰接点进行调整，对工作装置工作范围的各项设计目标进行最大限度的改进。

首先根据厂方所给的初始数据，在UG三维建模软件中对正铲液压挖掘的铲斗、斗杆、动臂及液压缸进行建模，并完成相应装配。利用UG软件将三维装配模型导出成parasolid文件并导入MSC.ADAMS中，并对其施加相应的约束与运动副，得到挖掘机工作装置运动学模型。

1.1 建立约束条件

工作装置运动学模型中有9个关键铰接点，因其各部件间只是平面转动关系，所以这9个关键铰接点的约束均设为转动副；动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸与各自活塞杆之间为活塞运动，故其约束设为圆柱副。

值得注意的是，在添加液压缸与活塞杆之间的圆柱副时，会在两个部件各自生成一个MAREKER点，需要对这两个MARKER点的位置与方向统一进行参数化设置，否则会出现两部件错位等不可预见的错误。

1.2 施加运动驱动并绘制挖掘包络图

为使工作装置仿真运动起来，需要给工作装置添加动力源，而挖掘机实际工作中动力来自于液压缸，且为活塞运动，因此选择滑移驱动Motion施加于三个液压缸之上，通过设置滑移驱动的阶跃STEP函数，来控制各液压缸的伸长量，各液压缸的工作伸长范围由企业提供具体数据为准。

根据工作装置挖掘包络图圆弧的绘制方法，根据原厂原始设计方案数据设置相应的Motion函数，运行运动学包络仿真，完成初始设计方案的挖掘包络线绘制。

为进一步优化改进原始设计方案的工作范围性能指标，就需要通过调整铰接点位置的方法来进行，那么首先就要对模型及变量进行参数化。

2 工作装置工作范围优化分析

挖掘机必须适应各种各样的环境场合，满足足够多的使用范围是挖掘机设计的目标，而其关键就在于工作装置的优化设计。一般而言，挖掘机工作装置需要能够挖的够深，从而满足要求坑挖作业及开沟作业等；同时若需要与平台较高载货汽车联合作业时，还需要挖掘机的卸载高度足够高，总而言之，挖掘机工作范围的大小，工作范围性能指标直接影响到挖掘机的性能高低。本文就是通过对工作装置参数化，改变铰接点位置，形成多组不同方案各自仿真得出工作范围的主要作业参数，从中寻优，让工作装置工作范围的主要作业参数达到理论最大值。

2.1 确定工作范围的设计目标

液压挖掘机在任意正常位置进行工作时，其铲斗齿尖所能达到的极限范围称为挖掘轨迹包络图，即工作装置的运动包络图。它能够直观地反映工作装置的作业范围和主要作业参数。挖掘机的主要作业参数主要有

（1）最大挖掘半径；

（2）最大挖掘深度；

（3）最大挖掘高度；

将这三项指标确定为工作装置工作范围的设计目标。

2.2 优化设计方法

首先采用DOE方法，考察工作装置每个设计变量的取值范围，确定每个设计变量的变化区间，确保形成的所有虚拟实验方案，工作装置机构无干涉。

然后在ADAMS/Insight实验设计模块中按照Monte Carlo法，最终确定各设计变量的取值区间，对18个设计变量值进行排列组合，生成5120组不同的工作装置铰接点方案，在ADAMS/Insight中对模型逐一仿真求解，得出各组方案的设计目标仿真结果

2.3 优化结果对比分析

从结果中筛选出工作范围相对较大的一组方案作为改进方案，与初始方案进行对比，并将改进方案的工作范围指标与国外同级产品RH 340-B进行对比。

对比结果表明，改进方案工作装置的工作范围理论性能略优于与国外同级产品，达到了工作装置工作范围的优化目标。

3 总结

本文以某液压挖掘机原始设计参数为基础，运用参数化分析方法对工作装置运动学模型的工作范围性能进行了仿真优化分析，研究结果表明，优化后工作装置的工作范围理论性能略优于国外同级产品。

参考文献：

[1] 许玉明. 大型液压正铲挖掘机工作装置的优化设计[D]. 沈阳：东北大学， 2008..

[2] 林慕义，史青录. 单斗液压挖掘机构造与设计[M]. 北京：冶金工业出版社，2011.

[3] 白玉琳，陈进，李世六等. 大型正铲液压挖掘机工作装置虚拟样机研究[J]. 建筑机械（上半月）， 2008， （7）.

[4] 李瑞涛，方泥，张文明等. 虚拟样机技术及其在矿山机械领域的应用展望[J]. 矿山机械， 2000， （5）： 11-14.

[5] 鲍俊瑶，王爽，李志远. 液压挖掘机虚拟样机技术研究[J]. 机械设计与制造， 2006，（4）： 39-41

科研项目：

本文系杭州职业技术学院2016年校级科研项目“正铲液压挖掘机工作装置工作范围与挖掘力性能优化研究”成果（课题编号：ky201629）。