[發明專利]單斗液壓挖掘機反鏟工作裝置鉸點的設計方法

有效

• 申請號: 201210192847.5
• 申請日: 2012-06-13
• 公開（公告）號: CN102720231A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 李海虹;李建成;張學良;陳志恢
• 申請（專利權）人: 太原科技大學
• 主分類號: E02F3/38
• 分類號: E02F3/38
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 王思俊

1.一種單斗液壓挖掘機反鏟工作裝置鉸點的設計方法，其特征在于動臂油缸與動臂的鉸點(B)和動臂與斗桿的鉸點(F)的設計方法是：

步驟一、原挖掘機工作裝置尺寸及位姿選定：

找到要優化的挖掘機工作裝置尺寸，選取挖掘機最大挖掘深度為優化設計位姿;

步驟二、建立機構模型：

由于最大沖擊力產生在挖掘瞬間，由于土壤粘滯阻力存在，挖掘越緊固的土壤時產生的沖擊越大，而緊固的土壤對鏟斗的摩擦約束可近似等效為固定約束，從而建立動臂（2）、斗桿（5）和動臂油缸（3）三個主要部件的機構模型;

步驟三、將動臂油缸全縮時等效成一根等直徑桿：

在軟件ANSYS中，將動臂油缸全縮時的裝配體一端固定，另一端施加軸向力F₁和徑向力F₂?,?F₁為油缸最大推力，?F₂為1.6N/mm的線分布力，分別記錄最大軸向變形Ls?和最大徑向變形Wq?,依據等效原則：等效桿件應具有與原裝配體相近的彎曲剛度和拉壓剛度，先假設一確定直徑且與動臂油缸全縮時等長，假設桿在軸向力F₁和徑向力F₂作用下產生的變形分別為Ls₂和Wq₂,改變等效桿的彈性模量，使殘差平方和Zbx=(Ls-Ls₂)²+(Wq-Wq₂)²最小,將動臂油缸等效成一根等直徑桿；

步驟四、建立機構彈性動力學模型：

將動臂在彎角定點B(看做和點U重合)處截斷為兩個單元，這樣整個反鏟工作裝置就分為四個單元、五個節點、十二個廣義坐標，即四個單元是動臂下半截單元????????????????????????????????????????????????、動臂上半截單元、斗桿單元、動臂油缸單元，五個節點是動臂與機身鉸點C、動臂油缸與機身鉸點A、動臂油缸與動臂鉸點B、動臂與斗桿鉸點F和斗桿與鏟斗鉸點Q，十二個廣義坐標是彈性位移坐標U₂、U₃、U₆、?U₇、曲率坐標U₁、U₅和彈性轉角坐標U₄、U₈、U₉、U₁₀、U₁₁、U₁₂，根據彈性動力學理論對液壓挖掘機工作裝置建立機構彈性動力學模型，如圖5所示；

步驟五、系統質量矩陣和剛度矩陣的建立：

5.1、動臂(2)劃分出的兩個單元、和斗桿單元屬于變截面直線單元，其質量矩陣和剛度矩陣計算公式如下：?

??式中為密度???

式中??????，?H、B為變截面直線單元中小端的外廓尺寸的高度和寬度，h、b為變截面直線單元中小端的內廓尺寸的高度和寬度，H_max變截面直線單元中大端的外廓尺寸高度

矩陣的表達式為：

????????()

???()

單元剛度矩陣為：???

??????(式中E為彈性模量)?

其中：?????,

,

矩陣、的表達式為：

=?()

=???()

求出動臂劃分出的兩個單元和斗桿的單元質量矩陣：、、，單元剛度矩陣、、

5.2、將等效處理后的動臂油缸為等截面直梁，得到單元質量矩陣，單元剛度矩陣,,都是對稱矩陣,

5.3系統動力學模型:

引入坐標轉換矩陣R：

；其中為單元與橫坐標的夾角

?

可得到各單元的單元當量質量矩陣：，，，和單元當量剛度矩陣，，，，裝配系統質量矩陣和剛度矩陣：

其中稱為坐標協調矩陣，此模型下

?

則該機構對應的無阻尼自由振動方程為

且對應的固有頻率方程為

可以得出M和K是L的函數；

步驟六、約束的建立：

在保持原機型不變的情況下，主要有以下約束：

一、等式約束

1、保持最大挖掘深度

動臂最低，F、Q、V三點共線并且垂直于基準地面，此約束表示為：

式中：=

為優化前最大挖掘深度

2、保持最大卸載高度

動臂油缸全伸，QV連線垂直于基準地面，此約束表示為：

式中：

3、斗桿液壓油缸的最大理論挖掘力不變

式中：

為QV與過V點的鏟斗外形切線夾角

4、最大挖掘半徑不變

式中：

二、不等式約束

以下~都要小于0

為了達到挖掘機工作范圍，優化后的鉸點必須使動臂、斗桿具有足夠的轉角范圍，要求這二者的轉角范圍在原位以內：

斗桿在極限位置時角度不小于

鏟斗在極限位置時角度不小于

斗前壁離動臂的距離應大于10cm

斗桿最大作用力臂范圍

結構和幾何約束

三角形ABC

三角形DEF

三角形CDF

三角形CBF

三角形EFG

三角形FGN

?????????????????????

式中：

帶max和min的量表示在相應的油缸伸到最長和最短時的量

gaodu表示挖掘機的最大卸載高度

banjing表示挖掘機的最大挖掘半徑；

步驟七、鉸點B的優化設計：

設立變量矩陣：X=[CD?CB?DF?BF]，CD為鉸點C到鉸點D之間的距離，CB為鉸點C到鉸點B之間的距離，?DF為鉸點D到鉸點F之間的距離，BF為鉸點B到鉸點F之間的距離,依據原挖掘機工作裝置的尺寸，根據KED動力學模型得出含變量的系統質量矩陣和剛度矩陣，建立反應固有頻率的目標函數F=-(0.4?₁+0.3₂+0.2₃+0.1₄)，其中₁，₂，₃，₄表示最低四階固有頻率，系數是經驗權值；保證鉸點B與U點的相對位置和設計前一致,以不改變原工作裝置為約束條件，用Matlab軟件編寫求解有約束優化的粒子群智能算法程序，計算使固有頻率最大的挖掘機工作裝置鉸點位置，得出BF與CB的比值K_2；

步驟八、鉸點F的優化設計：

運用上步得到K₂，優化設計動臂鉸點F，設立變量矩陣：X=[CD?CB?DF?EF?FG?EG?GN?FN?BF?FQ?CF]，CD為鉸點C到鉸點D之間的距離，CB為鉸點C到鉸點B之間的距離，?DF為鉸點D到鉸點F之間的距離，EF為鉸點E到鉸點F之間的距離，FG為鉸點F到鉸點G之間的距離，EG為鉸點E到鉸點G之間的距離，?GN為鉸點G到鉸點N之間的距離，FN為鉸點F到鉸點N之間的距離，BF為鉸點B到鉸點F之間的距離,?FQ為鉸點F到鉸點Q之間的距離,CF為鉸點C到鉸點F之間的距離,依據原挖掘機工作裝置的尺寸，根據KED動力學模型得出含變量的系統質量矩陣和剛度矩陣，建立反應固有頻率的目標函數F=-(0.4?₁+0.3₂+0.2₃+0.1₄)，其中₁，₂，₃，₄表示最低四階固有頻率，系數是經驗權值；保證鉸點B與U點的相對位置和設計前一致,以不改變原工作裝置為約束條件，用Matlab軟件編寫求解有約束優化的粒子群智能算法程序，計算出使固有頻率最大的挖掘機工作裝置鉸點位置，Matlab軟件程序可以向發明人索取。