铲运机工作机构优化设计

D0I:10.13374/j.issn1001053x.198M.01.028 北京铜铁学院单报 1984年算1期 -: 铲运机工作机构优化设计 矿机教研室孙遇春 摘 要 本文提出了应用非线性规划方法设计铲运机工作机构。首先分析了反转六杆 机构工作过程中的运动几何关系，推导了运动方程和力学关系方程。确立了以机 构平动性能和转斗油缸最大出力为最小的双目标函数，从而建立了约束非线性优 化设计数学模型。 作者用所建立的数学模型，用SUMT优化方法，在高速电子计算机上，对国 产ZLD-40型铲运机工作机构进行了实例计算，验证了数学模型及程序的正确性 和可靠性，并取得了满意的优化解。 计算结果表明：该机构选择双目标函数进行优化设计，较全面地提高了机构 的设计质量和工作效益，这是常规设计所难以实现的。 铲运机工作机构中转斗机构的形式很多，就连杆机构的形式来说，可分为正转机构和 反转机构两种，而以杆件的数量来分，有四杆、六杆和八杆机构。近年来又出现了四杆正 转机构的变形机构一短连杆机构。但就目前各国铲运机的情况综合来看，斗容量为2M以 上的铲运机，大多采用了四杆或六杆机构（包括短连杆机构）。目前国内生产的斗容为 2M3、3M3和5M3铲运机上均采用反转六杆机构。 反转六杆机构其主要优点是结构简单，铲掘力量大，能较好地满足机器铲装作业的铲 掘特性要术，能较好地保持铲斗的平行上举运动等。本文提出了应用最优化设计技术设计 铲运机上的反转六杆机构，并进行了实例计算，获得了满意的结果。 一、反转六杆机构 铲运机上的反转六杆机构如图1所示，它是由DABCO和CDEFC两个四杆机构所组 成。O点为大臂与前车架的交接点，下点是大臂与铲斗的交接点，C为摇杆BCD与大臂的交接 点，连接O、C、F三点成△OCF表示大臂，A点为转斗油缸与前车架的交接点，OΛ表示前车 架.上的一根杆，B点是转斗油缸与摇杆BC的交接点。因此，AB表示转斗油缸；C为.上摇 杆，CD为下摇杆，DE为拉杆，E点为拉杆DE与铲斗的交接点，所以EF长示铲斗.上的 根杆。 根据相对运动原理，杆件OA为运动输入杆，EF为运动的输出杆件。因此，当大臂被 154

北 索 栩 铁 举 映 举 报 台 年 幼 翔 铲运机工作机构优化设计 犷机教研室 孙 遇 春 摘 要 本文提出了应用非线性规划 方法设计铲运机工作机构 。 首先分析了反转六杆 机 构工作过程 中的运 动几何关系 ， 推导 了运 动方程 和力 学关系方程 。 确立 了 以机 构平动性能和 转斗油缸最大 出力 为最小的双 目标 函数 ， 从而建立 了约束非线性优 化设计数学模型 。 作者用所建立 的数学模型， 用 优化方法 ， 在高速 电子计算机上 ， 对 国 产 一 型铲运 机工作机构进行了实例 计算 ， 验证了数学模型及程序的正 确 性 和可 靠性 ， 并取得 了满意的优化解 。 计算结果 表明 该机构选择双 目标 函数 进行优化 设计 ， 较全 面 地提高了机构 的设计质量 和工 作效益 ， 这 是常规设计所难 以实现 的 。 铲运机工 作机 构中转斗机构的形式很多 ， 就连杆机构的形式 来说 ， 可 分为正 转机构和 反 转机构两种 而 以杆件的数量 来分 ， 有四 杆 、 六杆和八 杆机 构 。 近年来又 出现 了 四 杆正 转机 构的变形机构— 短连杆机构 。 但就 目前 各国铲运机 的情况综合来看 ， 斗容星 为 ‘ 以 上 的铲运机 ， 大多采用了 四 杆或六杆机构 包括短连杆机构 。 目前 国内生 产 的 斗 容 为 ” 、 ” 和 ” 铲运 机上均 采用反转六杆机构 。 反 转六杆机构其主要优点是结构简单， 铲掘力量 大 能较好地满足机 器铲装作业 的铲 掘特性要术， 能较好地保持铲斗的平行上举运 动等 。 本文提 出了应 用最优化设 计技术设 计 铲运 机上 的反转六杆机构 ， 并进行 了实例计算 ， 获得 了满意的结果 。 一 、 反转六杆机构 铲运机上的反转六杆机构如 图 所示 ， 它是 由 和 两个 四 杆机 构 所 组 成 。 点为大骨与前车架 的交接 点 ， 下点是大臂与铲斗的交接点 ， 为摇杆 与大臂的交接 点 ， 连接 、 、 三 点成△ 表示 大臂 ， 点为 转斗 油缸与前车架 的交接 点 ， 表示前 车 架上 的一 根杆 点是 转斗油缸与 摇杆 的交 接 点 。 因此 ， 表示转 斗 油缸 为 一 摇 杆 ， 为 下摇 杆 ， 为 拉 杆 ， 点为拉杆 与铲斗 的交接 点 ， 所 以 了表示 铲 斗 一 的一 根 杆 。 根 据相 对运 动原 理 ， 杆件 为运 动 输入杆 ， 为运 动 的输出杆件 。 因此 ， 当大臂被 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1984．01．028

图1反转六杆机构 举升时，EF与大臂的夹角入是大臂相对于前车架绕点转动时的转角仰的函数，即： λ=f(p） 根据铲运机的实际工况，其反转六杆机构必须具有以下功能要求： 1。当铲斗在料堆中被转斗时，能具有大的转斗力距。 2。为保证铲斗的平动上举，当举升大臂时，因铲斗随大臂有一个绕O点的牵连转动 运动，所以必须使铲斗同时有一个绕F点与大臂转动方向相反的相应补偿转动运动。 3。必须保证铲斗在任意高度卸载时，有足够的卸载角度。 4.。机构在各工况的运动中，各杆件之间不发生运动干涉。 二、杆件之间的运动几何关系 铲运机反转六杆机构其杆件之间的运动几何关系推导如下：符号意义见图2。 图2杆件几何关系图 以(XA,YA),(XB,YB),…(XE,YE),(Xr,Y)分别表示O与X轴夹角为a 时，A、B、…E、F机构交接点的座标。并以： α表示机器运输位置时O℉与X轴的夹角。 αN表示机构卸载位置时OF与X轴的夹角。 a。表示机器处于插入状态时OF与X轴的夹角。 155

一 乙一 ， ， 一 图 反转六杆机构 举升 时 ， 与大臂的夹角入是大臂相对于前车架绕 点转动时的转角甲的函数 ， 即， 入 印 根据铲运机 的实际工况 ， 其反转六杆机构必须具有以下功能要求 当铲斗在 料堆 中被转斗时 ， 能具 有大 的转斗力距 。 为保证铲斗的平动上举 ， 当举升大臂时 ， 因铲斗随大臂有一 个绕 点的牵 连 转 动 运动 ， 所 以必 须使铲斗同时有一 个绕 点与大臂转动方 向相反的相应 补偿转动运 动 。 必 须保证铲斗在任意高度 卸载时 ， 有足够的卸载角度 。 机构在各工 况 的运 动中 ， 各杆件之 间不 发生运 动干涉 。 二 、 杆件之 间的运动几何关系 铲运 机反转六杆机构其杆件之间的运 动几何关系推导如下 符号意 义见 图 。 乖蒸犷 一 处戈…弓 炙 哭与欠叭 少斗 一尸 叭 图 杆件几何 关系图 以 ， ， 。 ， 。 ， … … ， 时 ， 、 、 … … 、 机 构交接点的座 标 。 ， ， 分别表示 与 轴夹角 为 并 以 表示 机器运 输位置时 与 轴的夹角 。 表示机 构卸载位置 时 与 轴的夹角 。 表示机器 处 于插入状态 时 与 轴的夹 角 。 仪以

大臂与前车架的交接点O以及O、F之间的距离是由铲运机总体设计确定的。据图2， 设机构的输出角为P5,则： s=tg-IC(YE-YF)/(XE-Xp)] Xg=Xp+LsCosos YE=YD+TeSINo3 p3=∠EDF+tg1〔(Y-Y)/(Xg-XD)) 在△EDF中： ∠EDF=cos-I L+(Xg-x2+(Ye-Y。2-L]/ [2L(CXr-X+(Yr-Y:+] Xp=Xc+Lscoso2 Yp=Yc+Lssing2 Xc=Rcos(x+0) Xc=Rsin(a+0) Xg=Licosa Yp=Lisina 0=tg-i(Yc/Xc)-a R=(Xc2+Yc2)'/2 p2=π+p4-E4 p4=n+tg1〔(Yc-YA)/(Xc-))-∠BCA ∠BCA=cos {[L+(xe-Xw)2+(Yc-Yx)2-L]/ [2L,(xc-x2+(Yc-Y)）']} XB=Xc+L4cos4 YB=Yc+Lasing 三、机构的受力状态 反转六杆机构工作过程中，其杆件之间的力学关系分别以铲取、转斗和举升三种不同 工况示于图3。 图3机构受力状态 156

大竹与前车架的交接点。 以及。 、 之 间的距离是 由铲运机总体设计确定的 。 据 图 ， 设机构的输出角为印。 ， 则 甲、 二 一 ’ 〔 一 ， 八 一 ， 〕 甲 甲 甲 乙 一 ’ 〔 一 ， 一 〕 在△ 中 乙 一 卜‘ ， 一 。 一 · 一 ，』 【 一 · 一 ·， 士 甲 一 一 ’ 一 甲 兀 单一 。 十 甲 ， ‘ 八 甲 二 一 ’ 〔 一 。 一 〕 一 乙 乙 一 【 。 一 · ， 卜 ‘ 一 ·，’ ‘ 一 人 ，’ 一 ， ‘ 一 ·，’ 。 “ 」 甲 甲 川 三 、 机构的受力状态 反转六杆机构工 作过程 中 ， 其杆件之 间 的力学 关 系分别 以铲取 、 转斗和举升三 种不 同 工 况 示于 图 。 一 、 帐 图 机构受力状态

据图3： 1。铲取时： PED=(Pxh1+PwL1a)/L7〔cosp3sin(π-p5)+si1scos(π-m5)〕 2。转斗时： PED=〔Mc+W2Lgcos(p5-E2-i/2)〕/L?〔coso:sin(π-p5)+ sinp3cos(r-p5)〕 3。举升时 PED=〔W,L8cos(p5-E1-π/2)+W2 Lgcos(p5-E2-π/2)/ L7〔cosp35in(r-p5)+sino:cos(r-p5)〕 则 PAB=L5 PEosin(2--p3)/L4sin(4-) 式中： PD:拉杆ED中产生的力。(kg) Px:铲斗插入料堆的阻力。(g) Pw:铲取阻力。(kg) n1:插入阻力至F点的距离。(m) Mc:在料堆中，铲斗转a角时静阻力矩。(kg-m) W2:铲斗重量。(kg) W:物料重量。(kg) PA:转斗油缸受力。(kg) 其余符号意义同前。 4。机构外载荷的计算： (1)铲取时： PK=GM.u (kg) LH=(PK/K,B)÷ (cm) Pw =2.2LBHBKc (kg) 式中： PK:插入力(kg) GM:机器粘着重量(kg) μ：粘着系数 LH:插入深度(cm) B,铲斗宽度(cm) K:插入阻力影响系数 Pw:铲取阻力(kg) Kc:铲取阻力影响系数（物料单位剪切阻力）(kg/n2) (2)转斗时： Mc=MCH (1-Ca") C=(McI-Ma)/MCHa n=1g〔2(MeH-Ma)/McH〕/Lg(a'/3) 157

、 之 据图 铲取时 。 二 ，。 〔 甲 。 ， 兀 一 印 ， 印 二 一 甲。 〕 转斗时 。 〔 。 甲 一 一 兀 〕 〔 甲 一 甲 甲 兀 一 甲 〕 举升 时 〔 。 一 ， 一 二 。 甲 一 一 〔 甲 。 兀 一 印。 甲 。 兀 一 甲 〕 则 人 。 甲 一 一 甲 甲 一 甲 式 中 拉 杆 中产生 的力 。 幼 铲 斗插入料堆的阻力 。 铲取 阻力 。 插入 阻力至 点 的距 离 。 在料堆 中 ， 铲斗转 角 时扑 阻力矩 。 一 铲斗重量 。 ， 物料重 量 。 转 斗油缸受力 。 其余符号 意义 同前 。 机构外载荷的计算 铲取时 · 协 告 · 式 中 插入力 机器粘着重量 协 粘着系数 擂入深度 铲斗宽度 擂入阻力影响系数 铲取阻力 铲取阻力影响系数 物料单位剪切阻力 转斗时 一 ， 一 。 · 。 产” 〔 ， 一 。 。 〕 尹

MCH=PwL1 Ma=W L'cos(-E1-2) 式中， Mc在料堆中，当铲斗转角为a时的转斗静阻力矩。(kg一m) McH初始转斗阻力矩。(kg一m) W:物料重量。(kg) α'：铲斗自开始转斗至结束时，铲斗回转的全部转角。（度） α：转斗过程中某一位置时的铲斗回转的角度。（度） 四、数学模型 1.设计变置： 反转六杆机构中的O、F点是由铲运机的总体设计而定的，而EF即杆件L7是由铲斗设 计确定的影因此，根据以上几何关系的分析，为设计确定反转六杆机构，本文选择机构的 交接点A、C的初始座标值，杆件L3、L4、L5、L6的初始长度以及角度E的初始值为优 化设计的设计变量（见图3）。当这些设计变量被确定后，则反转六杆机构即被确定。所 以： XA y X 2 Xc X3 yc X4 X= Es X5 X6 L: X1 X8 既：X=〔X1,x2,x3,x4,X5,X6,X7,X8,Xg〕T∈Ra 2。目标函数： 为了使所设计出的反转六杆机构在工作过程中运动平稳和转斗油缸出力最小的目的， 本文提出选择两个目标函数进行优化设计。目标函数一，是使装满物料的铲斗，在上举过 程中，直至举升的最大高度，铲斗前后摆动量最小，保证斗中物料不因铲斗运动中的前后 摆动而撒落。目标函数二是使转斗油缸在机构工作过程中最大出力最小，即从机构的设计 上使它省力而省能。因此： (1)目标函数一， F1(X)=min max|o51-Φ| ①理：铲斗处于理想的运输位置时，EF与X轴的夹角。即：（见图4） 中理=1+E6 B:铲斗在理想的运输位置时，斗底与x轴的夹角。 158

。 。 甲 一 一 式 中 ， 在料堆 中 ， 当铲斗转角为 时的转斗静阻力矩 。 初始转斗 阻力矩 。 一 ， 物料重量 。 ‘ 铲斗 自开始转斗至结束时 ， 铲斗 回转的全 部转角 。 转斗 过程 中某一 位置 时的铲斗 回转的角度 。 度 一 度 四 、 数学模型 设 计变 反转六杆机构中的 、 点是 由铲运机 的总体设计而定的 ， 而 即杆件 是 由铲斗设 计确定的， 因此 ， 根据 以上 几何关系 的分析 ， 为设计确定反转六杆机构 ， 本文选择机构的 交接点 、 的初始座 标值 ， 杆件 、 、 、 。 的初始长度 以及角度 ‘ 的初始值为 优 化设计的设计变量 见 图 。 当这些 设计变量被确定后 ， 则反 转六 杆机 构即被确定 。 所 以 、 、 … … … 产 艺﹃舀 厂 … 气月、 、 … 廿 闷叫 ‘ 贬上 闷吃咙 既 〔 又 ， ， ， ‘ ， ， ， ， ， 。 〕 任 “ 目标函数 为 了使所 设计 出的反转六 杆机 构在工 作过程 中运 动平稳 和转斗油缸 出力最小的 口的 ， 本文提 出选择两 个 目标 函数进行优化 设计 。 目标函数一 ， 是使装满物料的铲斗 ， 在上举 过 程 中 ， 直至举升的最大高度 ， 铲斗前后摆动量最小 ， 保证斗 中物料不 因铲斗运 动中的前后 摆动而撒落 。 目标函数二是使转斗 油缸在机 构工作过程 中最大出力最小 ， 即从机构的设计 上使它省力而省能 。 因此 目标函数一 又 甲 一 小 理 中 理 铲斗 处于理 想的运 输位置时 ， 与 轴的夹角 。 即 见 图 中 理 日 ‘ 日 铲斗在理 想 的运 输位置 时 ， 斗底 与 轴的夹角