装载机工作装置铰点与油缸尺寸协同优化设计

王晓明，沈 勇，李晓枫

（徐工集团铲运机械事业部，江苏 徐州 221004）

装载机依靠工作装置进行散料装载作业，也可以进行散料短途运输作业，还可以进行平地作业。装载机工作装置主要由铲斗和工作连杆组成，其铰点布局的合理性直接影响整机的工作负荷、动力与运动特性，进而影响工作效率和能力。装载机工作装置有多种形式，本文研究的是反转6连杆机构。这种机构形式简单，尺寸紧凑，我国生产的轮式装载机多采用这种形式。关于工作装置设计方法的研究，目前多集中于油缸尺寸参数确定条件下的工作装置铰点分布设计，常出现优化问题无解的情况，需调整油缸尺寸进行重新优化设计。基于此，本文提出油缸尺寸协同优化的设计方法，在工作装置铰点设计过程中，同时对油缸安装距和行程进行设计，使得满足油缸制造要求。

1 装载机工作装置及性能指标

轮式装载机工作装置由动臂、摇臂、拉杆、铲斗、转斗油缸和动臂油缸组成（见图1）。通过动臂油缸和转斗油缸的伸缩动作，配合整机运动，完成铲装、收斗、运输、举升、卸料和回落地面放平的工作过程，其中铲装、运输过程工作装置相对位置保持不变。工作装置铰点位置对其传动性能、掘起力、卸载效果及工作效率起决定作用。

图1 装载机工作装置

普通油缸行程和安装距的关系如图2所示，油缸最大行程S小于最小安装距L，且两者之差L-S需大于某一设计值，才能布置下连接销轴和活塞。对某型号5t装载机常规产品，转斗油缸设计需要满足如下要求

图2 油缸行程和安装距

2 工作装置运动学建模

将装载机工作装置各铰点坐标导入动力学分析软件，得到如图3所示的平面运动学模型。在工作装置平面运动学模型各部件之间建立连接运动副，如表1所示。

图3 工作装置运动学模型

本文主要关注角度、尺寸和工作姿态的相对关系。为简化模型，分析工作装置运动过程时，去掉铲入物料和运输这两个与车架没有相对运动的过程。设置0～1s收斗，1～2s动臂举升，2～3s转斗卸料，3～4s动臂回落。用step函数分别建立动臂油缸和转斗油缸的运动函数，则运动学模型建模完成。定义斗底平面与地面的夹角θ（取绝对值，其余角度按同样方式处理）。随着工作装置的姿态变化，在初始状态，斗底平面平行于底面，这个夹角为0°；定义收斗完成时夹角θ为收斗角α，在卸料完成时为卸料角β，回落到地面时为放平角γ。

3 工作装置铰点优化设计

3.1 优化问题数学模型

式中x为实数；f（x）为目标函数；gi（x）、hj（x）为问题的约束条件；m、n为正整数，且n>m；式（3）为不等式约束；式（4）为等式约束；m为不等式约束的个数，等式约束的个数为n-m。

3.2 目标函数

优化模型先后选用2个目标函数，分别是平动性目标函数和传动角目标函数，根据参数变化情况交替使用。

3.2.1 平动性目标函数

在工作装置完成收斗举升到高位的过程中，铲斗角度变化量足够小才能保证不撒料。

目标函数

式中θmax为收斗结束举升到最高点的过程中铲斗斗底平面与地面夹角的最大值；α为收斗角度，设计值为41°。

3.2.2 传动角目标函数

为提高卸料位置的工作连杆传动能力，需要优化这个位置的传动角∠ABC最大。

目标函数

式中 （∠ABC）min为∠ABC的最小值，出现在卸料时刻，优化目标是使∠ABC最小值最大，即-（∠ABC）min最小。

3.3 约束函数

根据装载机工作装置性能设计要求，建立角度约束、卸载高度约束条件。为了保证转斗油缸的尺寸符合设计要求，还需要满足油缸尺寸约束条件。

3.3.1 收斗角约束

为保证在收斗完毕运输时不易撒料，约束收斗角α不小于41°，建立收斗角约束

3.3.2 卸料角约束

为保证在卸料位置物料能够从铲斗顺利卸掉，要求卸料角β不小于48°，建立卸料角约束

3.3.3 放平角约束

为方便装载机在完成一个工作循环后，不用调整铲斗姿态就可以直接进入下一个工作循环，通常要求地面放平角γ不大于8°，即

3.3.4 传动角约束

为保证工作连杆的传动性能，需要保证传动角度在一个合理的范围内，建立传动角约束函数表达式如下

即约束∠ABC在15°～165°之间。

3.3.5 转斗缸掘起力约束

其中JQL是转斗油缸压力达到额定值时，在地面掘起状态距离铲斗切削刃100mm位置能够提供的最大掘起力，本文要求大于170kN。

3.3.6 卸载高度约束

卸载高度为卸料完成时铲斗切削刃最前边缘与地面的垂直距离，建立最大卸载高度约束函数

保证最大卸载高度（角销高度）不低于4160mm。

3.3.7 油缸设计约束

对于5t转斗油缸设计，需要满足最小安装距与最大行程之差大于505mm这一必要条件。这就需要在转斗油缸铰点的极限位置关系与油缸参数建立约束函数。通常转斗油缸在卸料完成时油缸缩到最短，行程尚有较大余量。在这个位置铰点距和最小安装距差距较大，无法用来定义约束函数。在收斗完成即转斗油缸最长时，基本能够达到油缸的最大行程，用这个位置的铰点距推算最小安装距是有效的。因此定义近似等效的约束函数如下

式中LEGmax为转斗油缸铰点距最大值，近似等于图2所示的L+S值，因此式（12）和式（1）是近似等效的。由于油缸最小安装距和行程都是未知的，本文首先根据经验以一个较大的油缸行程540mm为参数建立约束关系，如下

3.4 设计变量

根据设计要求，为保证铲斗和前车架备件通用性，要求AB点的相对位置是固定的，GHI的相对位置是固定的。对铰点C、D、E和F点的坐标值参数化，生成XC、XD、XE、XF、YC、YD、YE、YF（XC为C点的X方向坐标，以此类推）等8个设计变量，并设定每个设计变量的取值范围为±30mm。

3.5 优化结果

采用SQP算法，设定收敛误差为1.0E-4，经过多次迭代，得到满足要求的设计方案。各铰点坐标变化量如表2所示。

表2 优化前后铰点坐标变化表

最优结构性能参数如表3所示，平动角从19°降低到13°，举升过程中铲斗角度变化幅度较小（如图4所示），工作平稳性明显改善；传动角ABC最小值从14°提升到16.1°，转斗油缸掘起力、放平角、传动角等参数都有一定改善，卸载角、卸载高度（如图5所示）等参数略有降低，都在设计约束范围之内。

表3 最优结构性能参数表

图4 铲斗与地面夹角变化曲线

图5 卸载高度变化曲线

3.6 油缸校核

优化后LEG的变化曲线如图6所示，转斗油缸收斗卸料需要的油缸行程是1649-1360=289mm，则设计转斗油缸最小行程应大于289mm；优化后LEG的最大值是1649mm。如果转斗油缸行程取540mm，则对应的转斗油缸最小安装距是1649-540=1109mm，油缸几何尺寸余量LEGS=1109-540=569＞505mm，满足油缸设计要求。实际上，对这套铰点而言，可在一定范围内调整油缸行程数值S。理论上只要转斗油缸行程满足289＜S＜（1649-505）/2=572mm，都能够找到合理的最小安装距数值设计出油缸，所以这套铰点设计方案是一个兼顾转斗油缸可行性的最优设计方案。

4 结束语

图6 转斗油缸长度变化曲线

本文在装载机工作装置铰点优化设计过程中兼顾了转斗油缸设计要求，建立了工作装置铰点与油缸尺寸的联合设计模型，得到了满足收斗角、卸料角、放平角、传动角、平动角及卸载高度要求的设计方案。采用联合油缸尺寸设计方法，将固定油缸尺寸优化问题转化为可变油缸尺寸问题，拓展了铰点优化的设计空间，得到了合理的铰点布局。该方法可以推广应用到所有使用油缸驱动的工作机构设计，扩大运动机构铰点设计空间，提高优化设计问题的求解成功率。