装载机新型工作装置反求设计 - 文章

装载机新型工作装置反求设计

作者：中国一拖集团有限公司石沛林沈浩

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【论文摘要】本文利用反求工程技术，通过对 ITISB装载机新型工作装置结构尺寸推测和性能特点分析，建立了该机工作装置的近似模型，并对该模型进行重复调整优化，从而获得了ITISB装载机的设计思想，为多用途装载机的设计提供了设计方案。

近年来，小型装载机中出现如图1所示的结构独特的工作装置，但国内尚无实物，无法得知它的某些设计思想和性能。

本文应用反求工程技术从有关资料、图片中进行分析，推测其结构尺寸和性能特点，然后建立其数学模型，进行优化分析。通过对结构的分析和比较，对其数学模型进行调整，最后确定适宜的模型，从而了解原设计思想，为新产品的设计和老产品的改造提供依据。

1 新型工作装置的分析

1．1 建立反求对象的相似模型

根据反求原则，所选择的反求对象应是先进、成熟的，并且有较多信息条件。故本文选择Cater－pillar公司所生产的IT18B装载机作为反求对象。根据样本，运用软件反求中的影像摄取法，按照一定比例关系，得到IT18B装载机工作装置结构参数的近似值，各参数的几何意义见图2，数值见表1。

表1 IT18B工作装置结构参数

L₁	439	L₅	400	L₉	281	U₂	23．4º
L₂	490	L₆	435	L₁₀	395	U₃	180º
L₃	232	L₇	538	L₁₁	219	U₄	6．6º
L₄	516	L₈	2534	U₁	10º	U₅	84º

1．2 性能特点分析

从有关资料中了解到：这种型式的工作装置的特点是平移性好，各个位置的铲掘力变化相对平稳，因此，从该结构的平移性和转斗能力两个方面进行分析。

（1）平移性

一般平移性是以地面位置铲斗平放时的转斗液压缸长度为基准，在整个动臂提升过程中，工作机具与地面的夹角的变化情况来评价的。

假设托又在地面位置时，杆件L5与地面的夹角为β（这是由配备的机具决定的），动臂L8与前车架L11的夹角为θ0。（见图2）。计算前后四边形 P1和 P2点的坐标以及P1 P2的长度D0。

当动臂提升一个角度Δα时，动臂L8与前车架L11；的夹角为θ0＝θ0＋Δα，此时工作机具与地面夹角为β。

由于该连杆机构的特点，β无法用显函数形式表示出来，所以采用数值方法中的黄金分割法，通过变化β，使P1P2的长度逼近地面位置时的长度，最后确定β的值。

随着Δα的变化而产生一系列β值，依照动臂与机具铰销的高度h和加的变换关系，建立一系列Δβ与h的对应数组，绘制成如图3所示的曲线。

从以上分析和曲线可以看出：所反求的对象具有良好的平移性能。该工作装置在整个举升高度的角偏差为8º，这是“Z”型连杆机构所达不到的。

（2）转斗能力

如图4所示，考虑到不同机具具有不同的SD，因此采用单位转斗液压缸力所产生的转斗力臂来评价工作装置的铲掘能力。即：

T＝F· SD/F0

式中T——单位转斗缸力产生的转斗力臂，F——载荷作用力，SD——荷F对C点作用力臂，F0——翻倾液压缸的作用力。

计算各举升高度时的T以及三个典型位置各种机具倾角时的T。

利用平移性分析时的解析方法，计算出各举升高度时工作装置的各铰接点坐标，然后解出各高度下的单位转斗力臂T。

计算结果绘制成如图3所示的曲线。

从曲线的趋势和数据可以看出：单位转斗力臂的变化比较均匀，与常见的“Z”型连杆机构的变化曲线相比，具有更好的平缓性。

1．3 对反求模型的评价

（1）尺寸：通过对反求模型尺寸的核算，基本上与产品样本所提供的规格尺寸一致。
（2）性能：从反求模型所作的性能分析曲线（图3）可以看出，性能特点与 IT IS B装载机的属性是一致的。
（3）最大铲力位置：通过计算地面位置铲掘性能，可以看出该反求对象仍保持着正转型工作装置的特点，即最大铲掘力发生在负后倾角位置。

由以上三点分析，可以认为本文所反求的模型基本反映了样本所示产品的实型。

2 数学模型的建立

2．1 设计变量的确定

工作装置是连接机架和机具的中间媒介，因此，工作装置的设计要以机架和机具为条件，以达到工作性能要求为目标。

如图5所示，假设动臂上支点到地面的高度hA、动臂上支点与前桥中心的水平距离LA、动臂下的前桥部分外形离前桥中心的高度DH、动臂下的前桥部分外形离前桥中心的水平距离DL、机具在地面位置时动臂下支点距地面的高度A、r、β等各结构参数已知，根据图2的反求模型确定16个设计变量： [X＝ x1，x2， x3， x4，x5， x6，x7，x8，x9，x10，x11，x12，x13，x14，x15,x16］

（1）平移性设计目标

确定与地面夹角β为不变值，以转斗液压缸长度P1P2。随动臂提升而产生的变动为目标函数（参见图5）。

式中Asi——动臂提升到某一位置时 PlP2的长度，Asl——机具在地面位置时 Pl P2的长度。

（2）转斗能力设计目标

确定以单位转斗力臂T在动臂提升过程中的变化量为目标函数（其中转斗液压缸长度在举升过程中不发生变化）。

式中Tj臂提升到某一位置时的单位转斗力臂;Tl——机具在地面位置时的单位转斗力臂。

（3）统一多目标函数

本文采用直接加权法。

F＝W1F1十W2F2

W1、W2加权因子，W1、W2>0.

由于本题目的优化前提为未知，因此对各目标函数的重要程度的确定即加权因子的确定需通过不断调整，使该优化问题的最优解逼近本文所反求的对象——IT18 B装载机的工作装置。

2．2 约束条件的确定

根据所建模型，建立如下约束。

（l）该反求模型在最高和运输位置时最大收斗情况下易产生运动死点，因此分别建立运动死点约束。
（2）装载机常规约束，包括干涉约束，动臂张角约束，转斗液压缸尺寸约束。
（3）地面位置掘起力约束。
（4）为防止计算中出现除零和三角函数出限等现象，建立计算约束。

3 优化过程及结果评价

3．1 主程序框图（图6）

3．2 反求模型的优化

为了探索CaterPillar公司的IT系列产品的设计思想，在前面分析的基础上编写FORTRAN语言主程序然后与OPB算法库中的内点罚函数法子程序相联结，形成本模型的优化程序进行计算。通过重复调整该数学模型，使其优化结果接近原产品的结构尺寸，从而得到比较贴近原产品的设计模型。

表2优化结果与IT18B的参数对照

3．3 化化结果评价

本数学模型的优化结果与 IT18B装载机的参数对比见表 2，优化结果较好地反映了 IT18B装载机的性能特点，因此可以认为本数学模型反应了CatCCPnIPr公司的IT18B装载机非标准八杆机构工作装置的设计思想。

4 结论

（l）本文对装载机的工作装置进行了研究，比较成功地运用现代设计方法中的反求工程技术，为设计开发工作提供了一种新颖的方法。

（2）以该新型工作装置的设计思想是：一机多用装载机工作装置的设计，能同时满足平移性和转斗能力随举升高度变化而平缓变化的要求。而铲斗平移性在整个举升高度上是上好下次，并向后单向倾斜，转斗力臂的大小在整个高度上呈中间较大，高低两端较小的趋势。

（3）本研究所建立的数学模型和编制的优化程序为工程技术人员提供了实用性很强的方法，为图纸设计打下了良好基础。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/19/2005)


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