基于ADAMS 的液壓挖掘機鏟斗機構(gòu)優(yōu)化

潘高

（江西理工大學，江西贛州 341000）

液壓挖掘機的挖掘方式主要包括鏟斗挖掘、斗桿挖掘以及復合挖掘，其中鏟斗挖掘是最常用的挖掘方式，最大挖掘力也出現(xiàn)在鏟斗挖掘時；同時斗桿挖掘與復合挖掘的工作性能也在一定程度上受到鏟斗機構(gòu)的影響[1]。因而對鏟斗機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)其優(yōu)越性就顯得極其重要。當前，對挖掘機工作裝置的優(yōu)化設(shè)計已進行了廣泛研究，大致可分為兩類：①基于計算機編程的優(yōu)化設(shè)計。譚琛等[2]基于SolidWorks正向三維軟件對挖掘機工作裝置進行優(yōu)化后，工作裝置的綜合性能有了較大的提高。張弦等[3]提出了基于混合算法的挖掘機工作裝置參數(shù)綜合優(yōu)化，取得比較滿意的優(yōu)化結(jié)果。②基于虛擬樣機軟件的優(yōu)化設(shè)計，這類方法主要借助于ADAMS 軟件來實現(xiàn)。謝培慶等[4]基于精英蟻群算法的挖掘機工作裝置參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，對工作裝置進行目標優(yōu)化設(shè)計。涂宇等[5]運用UG 和ADAMS 軟件建立了挖掘機工作裝置的機械系統(tǒng)模型及其液壓系統(tǒng)模型，建立挖掘機機械與液壓一體化虛擬樣機模型并進行了運動仿真和參數(shù)優(yōu)化分析。所以本文將基于虛擬樣機技術(shù)，運用ADAMS 軟件的參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計功能對挖掘機鏟斗機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

1 鏟斗機構(gòu)參數(shù)化模型的建立

在鏟斗機構(gòu)設(shè)計中，希望其能夠提供較大的挖掘力。鏟斗機構(gòu)簡圖如圖1 所示。

圖1 鏟斗機構(gòu)簡圖

設(shè)FGM為油缸推力；F′為連桿MK的受力；FQV為挖掘阻力，方向與挖掘軌跡線相切；R1為油缸對N點的作用力臂；R2為連桿MK對N點的力臂；R3為連桿MK對Q點的力臂；R4為鏟斗回轉(zhuǎn)半徑LQV。由N點和Q點的力矩平衡方程F?R1=F′?R2，F(xiàn)′?R3=Flod?R4，可得：

式（1）中：

式（2）（3）（4）中的S1、S2、S3分別為三角形ΔGMN、ΔMNK、ΔMKQ的面積：

式（6）（7）（8）中：

由式（9）可知：在不考慮自重以及油缸推力確定的前提下，鏟斗挖掘力與鏟斗機構(gòu)的傳力比i成正比，所以如何提高鏟斗機構(gòu)傳力比i一直是研究的熱點。

所以鏟斗機構(gòu)的傳力比i主要與其各鉸接點之間的距離有關(guān)。因此本文首先在ADAMS 軟件中通過參數(shù)化這六個鉸點的橫縱坐標：DV_GX、DV_GY、DV_NX、DV_NY、DV_MX、DV_MY、DV_KX、DV_KY、DV_QX、DV_QY、DV_VX、DV_VY，并在ADAMS/view 中建立了鏟斗機構(gòu)的參數(shù)化模型，如圖2所示。

圖2 鏟斗機構(gòu)參數(shù)化模型

2 鏟斗機構(gòu)的優(yōu)化

2.1 優(yōu)化目標函數(shù)的建立

在挖掘作業(yè)時，通常希望鏟斗齒尖產(chǎn)生盡可能大的挖掘力，為此將傳力比i的最大值作為目標函數(shù)一，且尋優(yōu)方向為趨向最大值，即：

由于挖掘力不單是某一點上的問題，而是涉及到整個連續(xù)的挖掘過程，僅使某個點的挖掘力達到最高，而主要工作區(qū)域內(nèi)的挖掘力不一定整體提高，這樣就難以達到理想的優(yōu)化效果。一般鏟斗的轉(zhuǎn)角范圍為﹣160°～35°，而其主要工作范圍為﹣124°～25°。因此本文取主要工作范圍內(nèi)傳力比i的平均值作為目標函數(shù)二，且尋優(yōu)方向為趨向最大值，即：

式（10）中：n為主要工作區(qū)間即鏟斗轉(zhuǎn)角范圍為﹣124°～25°的計算總步數(shù)；ja為主要工作區(qū)間內(nèi)對應(yīng)點的傳力比。

在鏟斗轉(zhuǎn)角范圍與挖掘力相同的情況下，油缸行程越短，則挖掘越省時，挖掘速度越高；反之，則會降低挖掘速度，增大相應(yīng)部件的尺寸。所以為了提高挖掘速度并使挖掘機結(jié)構(gòu)緊湊，取油缸行程ΔL3為目標函數(shù)三，且尋優(yōu)方向為趨向最小值，即：

由于以上各分目標是針對鏟斗挖掘的不同性能，因而量綱與數(shù)值存在較大差異，所以在建立綜合目標函數(shù)前，需先對各分目標函數(shù)進行規(guī)格化處理，轉(zhuǎn)化為0～1 之間的規(guī)格化函數(shù)。最終以線性加權(quán)和法建立復合目標函數(shù)。即：

式（11）中：w1、w2、w2為各分目標函數(shù)的權(quán)值；f1、f2、f2為各分目標函數(shù)的理想值。

由于上述各分目標的尋優(yōu)方向不完全相同，所以在分目標函數(shù)一、二前加上負號，以便統(tǒng)一尋優(yōu)方向為綜合目標趨向最小值方向。

2.2 優(yōu)化設(shè)計變量的確定

對傳力比i有影響的變量較多，為了提高優(yōu)化效率，首先需研究各變量對優(yōu)化目標函數(shù)的影響程度，再優(yōu)選出對目標函數(shù)影響較大的變量作為優(yōu)化變量。本文運用ADAMS/Insight 模塊中的DOE 試驗設(shè)計功能，設(shè)置12 個設(shè)計變量即DV_GX～DV_VY以平均分布的方式在﹣50～+50范圍內(nèi)變化，運用Monte Carlo（蒙特卡洛）試驗策略，隨機組合進行試驗分析，統(tǒng)計分析得到各個變量對目標函數(shù)的影響情況如圖3 所示。

圖3 鏟斗機構(gòu)設(shè)計變量對目標函數(shù)的影響圖

從圖3 可以看出，除DV_GY對目標函數(shù)影響很小可以忽略不計外，其他11 個變量對目標函數(shù)都有一定影響。因此最終選用DV_GX、DV_NX、DV_NY、DV_MX、DV_MY、DV_KX、DV_KY、DV_QX、DV_QY、DV_VX、DV_VY這11個變量作為優(yōu)化變量對鏟斗機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

2.3 約束條件的建立

在鏟斗機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，約束條件涉及到多個方面，其中主要包括以下兩點。

第一是挖掘性能的約束。挖掘性能除了與傳力比大小有關(guān)外，還與傳力比i的變化規(guī)律有關(guān)。在鏟斗挖掘過程中，一般開挖起始點至最大挖掘力這一段的平均挖掘阻力最大，而當鏟斗轉(zhuǎn)過一定角度進入收斗階段，阻力就會下降，因而希望開始階段傳力比的平均值較大，以便更好地克服此階段較大的挖掘阻力，所以為了提高挖掘性能，對傳力比建立如下約束。

設(shè)當鏟斗與斗桿共線即F、Q、V三點一線時的傳力比為ia，一般要求ia應(yīng)不小于最大傳力比max（i）的80%，即：

傳力比最大值所對應(yīng)的鏟斗轉(zhuǎn)角處在﹣25°～﹣15°區(qū)間內(nèi)時較佳，設(shè)﹣25°～﹣15°區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的傳力比最大值為ib，建立約束：

當max（i）=ib時，兩不等式約束才同時滿足，即保證傳力比最大值所對應(yīng)的鏟斗轉(zhuǎn)角處于﹣25°～﹣15°的區(qū)間內(nèi)。

要求挖掘起始位置處的傳力比ic 應(yīng)不小于最大傳力比max（i）的50%，即：

第二是鏟斗轉(zhuǎn)角的約束。鏟斗仰角θ3max的約束，仰角θ3max為鏟斗油缸全縮時鏟斗相對于斗桿的轉(zhuǎn)角，以斗桿為基準，順時針為負，逆時針為正，過大不利于鏟斗斗齒切入土壤，也易發(fā)生機構(gòu)的運動干涉。

反之則降低了最大挖掘高度與最大挖掘深度，現(xiàn)今大部分挖掘機的鏟斗最大仰角一般在25°～35°之間，以此建立約束條件：

鏟斗俯角θ3max的約束。俯角θ3max為鏟斗油缸全伸時候鏟斗相對于斗桿的轉(zhuǎn)角。以斗桿為基準，逆時針為正，反之為負。俯角過小會受限于結(jié)構(gòu)條件，反之則會減小作業(yè)范圍，并造成收斗時的斗口傾斜度過大，使鏟斗內(nèi)的物料易發(fā)生泄漏，從而影響裝載效率，所以一般將鏟斗俯角的范圍限制在﹣160°～﹣145°之間，為此建立約束條件：

3 優(yōu)化求解與結(jié)果分析

根據(jù)所建立的優(yōu)化變量、約束條件和目標函數(shù)的數(shù)學模型，在ADAMS/View 中建立設(shè)計變量、約束函數(shù)以及優(yōu)化目標函數(shù)，利用ADAMS/View 提供的非線性二次規(guī)劃（OPTDES-SQP）優(yōu)化算法，對該鏟斗機構(gòu)的參數(shù)化模型進行優(yōu)化求解，經(jīng)過多次迭代后，得到優(yōu)化前后設(shè)計變量的對比情況，如表1 所示。

表1 優(yōu)化前后設(shè)計變量的對比

優(yōu)化前后的傳力比變化曲線對比情況如圖4 所示，傳力比曲線相關(guān)性能參數(shù)的對比情況如表2 所示。

圖4 鏟斗機構(gòu)優(yōu)化前后對應(yīng)的傳力比曲線圖

表2 傳力比相關(guān)性能參數(shù)優(yōu)化前后的對比表

從圖4 與表2 可以看出：優(yōu)化后，鏟斗機構(gòu)的傳力比有了明顯的提高，并且提高的部分也主要集中在主挖掘轉(zhuǎn)角范圍﹣124°～25°內(nèi)。同時從表2 可以看出，優(yōu)化后鏟斗機構(gòu)在開始挖掘位置時的傳力比也大于傳力比最大值的50%，并且在鏟斗轉(zhuǎn)角為﹣16.5°時，傳力比達到了最大值，且此時對應(yīng)的鏟斗轉(zhuǎn)角正好處在理想?yún)^(qū)間﹣25°～﹣15°之間，同時FQV三點一線時的傳力比約為最大值的96%，也遠遠滿足不小于傳力比最大值80%的要求。

優(yōu)化前與優(yōu)化后挖掘機工作范圍的包絡(luò)圖如圖5 所示，從圖中可以看出優(yōu)化后的包絡(luò)圖相對于優(yōu)化前在V1～V2段、V2～V3 段、V4～V5 段有了一定的擴大，這說明該優(yōu)化結(jié)果兼顧了挖掘機的工作范圍。

圖5 反鏟裝置優(yōu)化前后的包絡(luò)圖對比圖

4 結(jié)論

通過對挖掘機鏟斗機構(gòu)的深入分析，在ADAMS 軟件中建立了挖掘機鏟斗機構(gòu)的參數(shù)化虛擬樣機模型，運用ADAMS/Insight 試驗分析功能從所有設(shè)計變量中優(yōu)選出對目標影響較大的變量作為優(yōu)化變量，建立了全面的約束條件和優(yōu)化目標，對鏟斗機構(gòu)進行多目標優(yōu)化。優(yōu)化的效果表明：在滿足挖掘性能、作業(yè)范圍等約束條件的情況下，鏟斗機構(gòu)的挖掘性能得到了明顯的提高。其中鏟斗機構(gòu)傳力比的最大值與平均值分別提高了約7.58%與7.31%，并且優(yōu)化后，傳力比在開挖起始點與FQV三點一線時的數(shù)值分別大于其最大值的50%與80%，傳力比達到最大值的鏟斗轉(zhuǎn)角為﹣17.4°，正好處于﹣25°～﹣15°的理想?yún)^(qū)間內(nèi)，傳力比提升的部分主要位于開挖起始點至最大挖掘力的階段，與挖掘阻力變化的大致規(guī)律較為吻合。可以看出通過利用ADAMS 對挖掘機鏟斗機構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，可以得到較為滿意的設(shè)計效果，而且也節(jié)省了設(shè)計人員大量的時間和精力。