大型正铲液压挖掘机工作装置性能的优化仿真

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大型正铲液压挖掘机的工作装置是由回转机构、动臂、斗杆、铲斗等多个构件组成的串联开链机构，具有操作方便、运动灵活等优点，得到越来越广泛的应用n 。但实物样机动辄上千万的成本使得大型正铲液压挖掘机的研发极具风险，困难重重，因此，目前开发人员采用对挖掘机的工作装置进行虚拟样机研究的方法，能大大降低开发风险，是大型液压挖掘机研发的首选乜 。虚拟样机仿真技术能再现各种虚拟环境中挖掘机的真实工作状况，使设计人员能够方便而陕捷地获得系统级的最优设计方案，避免或减少物理样机试验次数口 。

本研究采用 MSC.ADAMS软件建立仿真模型，以工作装置铰接点位置为设计变量，工作装置的工作范围收稿日期：2012-09-20基金项目：国家自然科学基金资助项目(51145015)作者简介：张羽林(1987-)，男，浙江海宁人，主要从事液压挖掘机工作装置优化方面的研究.E-mail：65351160###qq.corn通信联系人：宁晓斌，男，副教授，硕士生导师.E-mail：nxb###zjut.edu.cn机 电 工 程 第30卷和挖掘力性能为目标函数，对工作装置运动学仿真模型进行运动学仿真以优化工作范围；对工作装置液压模型进行动力学仿真以优化最大挖掘力，最后通过综合优化，挑选工作范围及挖掘力综合陛能较好的几组设计方案，作为企业研发大型液压挖掘机的设计依据。

1 工作装置运动学仿真分析1.1 工作装置运动学模型建立液压挖掘机工作装置是-个复杂的机械系统 ，主要结构部件包括动臂、动臂液压缸及其活塞杆、斗杆、斗杆液压缸及其活塞杆、铲斗、铲斗液压缸及其活塞杆等 。工作装置与机身连接点、各个部件之间的铰接连接点为关键点，铰接点的位置决定了工作装置的运动学性能。

本研究由前期研究所获数据建立挖掘机工作装置三维模型，导人MSC.ADAMS得到工作装置运动学模型，模型示意图如图1所示。

图 1 工作装置运动学模 型1-铲斗；2-斗杆；3-动臂；4-铲斗油缸 ；5- 斗杆油缸；6-动臂油缸1.1.1 工作装置各部件之间的约束与运动驱动图1所示模型中，9个关键铰接点的约束均设为转动副；动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸的油缸与活塞杆之间的约束设为圆柱副。

工作装置的驱动是依靠在3个油缸上施加滑移驱动，从而控制各液压缸的伸长量，其驱动值为ADAMS/View提供的阶跃函数STEP函数。油缸的尺寸参数如表 1所示。

表 1 油缸尺寸参数1.1.2 工作装置参数化确定ADAMS/View提供了4种参数化方法 ：①使用参数表达式；②参数化点坐标；③使用设计变量；④运动参数化。液压挖掘机机构系统模型参数化模型的建立主要采用前3种方法来实现。

为分析工作装置的包络线，本研究将9个铰点的、 y坐标设为如表2所示的设计变量(共l8个变量)，分析铰接点位置对工作装置挖掘范围的影响 。

表2 设计变量1.2 工作装置工作范围分析挖掘机工作装置工作范围是工作装置性能最重要的衡量指标，因此研究者需要在方案论证阶段，围绕工作装置工作范围对其进行评价和优化。

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特殊工作尺寸。挖掘机的特殊工作尺寸如图2所示。

图 2 工作装置工作 范围特殊尺寸r-最大挖掘半径；h。-最大挖掘深度；h -最大挖掘高度首先本研究采用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 ，本研究在ADAMS/Insight实验设计拈中按照蒙特卡罗方法，确定各设计变量的取值区间，对18个设计变量的取值进行排列组合，生成 5 120组不第 3期 张羽林，等：大型正铲液压挖掘机工作装置性能的优化仿真 ·331-同的工作装置铰接点方案 ，目标函数为最大挖掘半径、最大挖掘深度、最大挖掘高度，对模型逐-仿真求解，得出各组方案的设计目标。本研究从结果中筛选出工作范围最大的-组方案作为最优方案，其工作范围包络线如图3所示。

fl j.、x/m图3 最优与原始包络线对比挖掘机设计铲斗斗容为32 m ，现将工作范围指标数据与国外同量级产品RH 340-B(铲斗斗容为34 m )进行对比，如表3所示。

表3 工作范围指标对比对比结果表明，最优工作装置与国外产品的工作范围特殊尺寸基本吻合甚至相对更大，达到了工作装置工作范围的优化 目标。

2 工作装置动力学仿真分析工作范围和挖掘力是决定挖掘机工作装置性能最重要的两个指标通过工作装置工作范围运动学仿真分析，无法对工作装置挖掘力进行分析计算，因此笔者需要通过动力学分析来研究工作装置挖掘力性能 。

2.1 机械-液压耦合仿真模型的建立挖掘机工作装置机械系统中主动力是由液压系统通过油缸作用在工作装置上。工作装置主动力引用液压系统中的液压力，同时液压系统的压力和流量则和机械系统的速度、位移等动力学参数有关 ，所以在仿真模型中，本研究需要把机械系统和液压系统集成，将上述相关的状态参数相互传递、引用，产生类似实际工作装置中两个系统间的有机关联。液压系统采用液压拈ADAMS/Hydraulics建立，其能够提供建立工作装置液压系统所需的各种元件。本研究采用ADAMS/Hydraulics建立的工作装置液压系统模型如图4所示。

图4 液压仿真模型1-动臂油缸；2斗杆油缸 ；3-铲斗油缸；4单向阀；5-溢流阀 ；6- 方向控制 阀；7- 液压油 ；8- 油泵2.2 仿真模型参数敏感性分析参数敏感性分析主要是针对单个变量的变化对 目标函数影响的研究 ，在研究同-个目标函数时，分别针对每个设计变量进行研究 ，可以筛选出对该目标函数影响较大的-些设计变量。这种影响程度用敏感度Sensitivity”表示，它是设计分析中相邻两次分析的目标函数值相对设计变量值斜率的平均值，公式为：s 糌 ] ㈩式中：Q -第 次分析时的目标函数值； -第 n次分析时的设计变量值；S -各设计变量对最大挖掘力的敏感度 ，通过比较敏感度图的斜率即可得知敏感度的大校本研究确定输入参数为工作装置9个铰接点的坐标 ，目标函数为最大挖掘力，建立参数敏感性分析模型。利用参数敏感分析模型进行输入参数的敏感性分析，剔除对结果影响不显著的输人参数，使得优化分析仅针对其扰动对结果影响显著的输人参数进行，从而大大降低优化分析的复杂度和工作量。DV-1、DV-3、DV- 6的敏感度分析数据如表4～6所示。

表4 DV-1敏感度分析机 电 工 程 第30卷表6 DV-6敏感度分析由三者对比可见，DV-1对 目标函数的敏感度相对其他变量小了-个数量级，选择剔除；DV-3对目标函数的敏感度相对较大，而DV-6不同的取值对 目标函数的影响是波动的，非线性的，因此DV-3、DV-6可作为设计变量。

2.3 工作装置最大挖掘力的寻优本研究通过敏感性分析结果确定 DV-3，DV6，DV-9、DV- 18(单位：m)为工作装置设计变量，其他设计参数不做改变，以最大挖掘力(单位：kN)作为目标，在ADAMS/Insight实验设计拈中，生成 108组工作装置铰接点方案 ，进行实验设计研究，各组设计方案挖掘力对比如表7所示，最后-组为原设计方案。

表7 多组方案最大挖掘力对比虑挖掘机工作装置的工作范围与挖掘力。笔者选定几组数据供企业参考，其中-组数据如表9所示。

表9 挖掘最大模型与RH 340-B的工作范围指标对比4 结束语为优化液压挖掘机工作装置的工作范围和挖掘力性能，本研究开发了液压挖掘机运动学仿真模型，并通过进行运动学仿真得到了最大工作范围；通过对工作装置液压模型进行动力学仿真得到最大挖掘力 ，通过最终优化，得到了工作范围及挖掘力综合性能最好的几组设计方案，其性能指标数据已可达到甚至超越国外同量级产品。通过设计方案综合比对发现，工作装置工作范围与挖掘力性能的多个 目标存在相互制约，研究者需要综合考虑挖掘机工作装置的工作范围与挖掘力，并可以提供几组设计方案作为企业研发大型液压挖掘机的设计依据。