装载机铲斗结构参数优化设计及其可视化

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.01.015 第21卷第1期 北京科技大学学报 VoL.21 No.1 1999年2月 Journal of University of Science and Technlogy Beijing Feb.1999 装载机铲斗结构参数优化设计及其可视化 王国彪)阁满红山杨力夫2)马铸2) 1)北京科技大学资源工程学院，北京1000832)徐州装截机厂，徐州221006 摘要在IS07546一1983的基础上，通过建立几种不同型式铲斗容量计算的统一数学模型，推 导出铲斗容量的精确计算公式.利用复合形法对铲斗结构参数进行了优化设计，通过可视化显示 设计结果，为准确计算斗容及合理设计铲斗结构提供了理论基础， 关键词装载机：铲斗参数：优化设计；可视化 分类号TH234 日前文献[1]中给出的计算铲斗回转半径的 1预先要解决的几个问题 公式不够全面，国内外有关标准(GB5899一86， IS07546一1983)中也只给出了铲斗容量的最终 1.1计算模型 计算公式，对公式中涉及的参数没有给出具体的 各种不同类型的铲斗，其结构参数的设计计 求解表达式.本文以IS07546一1983为依据，推 算模型可用图1表示.当，=r,=0时，为基本型 导出基本型、切削刃凸出型、背板凸出型、切削刃 铲斗；当，=0时，为切削刃凸出型（或非直线切 凸出和背板凸出型等不同结构铲斗容量的统一 削刃型)铲斗；当，=0时，为背板凸出型铲斗；当 计算公式，采用复合形优化方法自动设计满足给 ”+0及r≠0时，为切削刃凸出和背板凸出型铲 定容量要求的铲斗结构参数，并对优化设计结果 斗. 进行了可视化显示，采用科学计算可视化 在铲斗结构参数中，一般以回转半径R。作为 将可视化方法运用于铲斗结构参数的优化 基本参数，其他参数则作为R。的函数，即：斗底长 设计，直观地显示铲斗优化设计的过程及铲斗结 度r=1,R:后斗壁长度r:=1,R:斗底与后斗壁 构形状，具有广泛的实用意义. 直线之间的圆弧半径，=1R:切削刃凸出高度 d d/2 d/2 2 标定面 图1铲斗结构参数计算模型 rr=Ro;背板凸出高度r=R.其中g,,1R,, 分别为斗底长度系数、后斗壁长度系数、斗底与 1998-04-15收稿王国彪男，34岁，副粒授 后斗壁直线之间的圆弧半径系数、切削刃凸出高 *国家自然科学基金资助课题(No:59705010) 度系数和背板凸出高度系数

第 卷 年 第 期 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 。 装载机铲斗结构参数优化设计及其可视化 王 国彪 阎满 红 杨 力 夫 马 铸 北 京 科技 大学 资源工 程学院 ， 北京 徐州 装载机厂 ， 徐州 摘 要 在 一 的基础 上 ， 通 过建立几种 不 同型 式铲斗容 量 计算的统一数学模型 ， 推 导出铲 斗容 量 的精 确 计算公 式 利 用 复合形 法 对铲斗 结构参数进行 了优化设计 ， 通 过 可 视化显示 设计结果 ， 为准确计算 斗容及合理设计铲斗结构提供了理论基础 关键词 装载机 铲斗参数 优化设计 可视化 分类号 目前 文 献 【 中给 出 的计 算 铲斗 回 转 半 径 的 公 式 不够全 面 ， 国 内外 有 关 标 准 一 ， 一 中也 只 给 出 了铲 斗 容 量 的最 终 计算公 式 ， 对公 式 中涉 及 的参 数 没 有 给 出具 体 的 求解 表 达 式 本 文 以 一 为依据 ， 推 导 出基 本型 、 切 削 刃 凸 出型 、 背 板 凸 出型 、 切 削刃 凸 出 和 背 板 凸 出型 等 不 同结 构 铲 斗 容 量 的 统 一 计算公 式 ， 采 用 复 合 形 优 化 方 法 自动设计满足 给 定 容 量要 求 的铲 斗 结 构 参 数 ， 并 对优 化设 计结 果 进行 了可 视 化 显示 ， 采 用科 学计算 可 视化 将 可 视 化 方 法 运 用 于 铲 斗 结 构 参 数 的优 化 设计 ， 直观地 显示 铲 斗 优 化 设 计 的过 程 及 铲斗 结 构形 状 ， 具有广泛 的实用意义 预先要解决的几个 问题 计算模型 各 种 不 同类 型 的铲 斗 ， 其结 构参数 的设计计 算模型 可 用 图 表示 · 当 一 ， 一 时 ， 为基本型 铲 斗 当 几 时 ， 为切 削 刃 凸 出型 或 非 直 线 切 削刃 型 铲斗 当 ，一 时 ， 为背板 凸 出型铲斗 当 几 羊 及 今羊 时 ， 为切 削刃 凸 出和 背板 凸 出型铲 斗 在铲 斗结 构参数 中 ， 一般 以 回转半径 。 作 为 基 本参数 ， 其他参数则作 为 。 的 函 数 ， 即 斗底 长 度、 一 几声 。 后 斗 壁 长 度 一 又 。 斗 底 与后 斗 壁 直 线 之 间 的 圆弧 半 径 又声 。 切 削 刃 凸 出高度 一 —一— 一—— 一 一 一 一 一 一 一一 — 帕 厂产 哭 铲斗结构参数计算模型 囊远 刁 一 收稿 王 国彪 男 ， 岁 ， 副教授 国家 自然科学基金 资助课题 ， 一 寿 背板 凸 出高度 又禹 · 其 中礼 ， 凡汉 ，， 寿 ， 又 分别 为斗底 长度系数 、 后 斗壁 长度系数 、 斗底 与 后 斗壁 直 线 之 间 的 圆 弧半 径 系 数 、 切 削 刃 凸 出高 度系数和 背板 凸 出高度系数 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1999．01．015

·52· 北京科技大学学报 1999年第1期 1.2铲斗横截面面积S 所以，铲斗的平装容积”、为： 铲斗横截面面积是指标定面（即通过切削刃 Vs=SB。-2'Bc-peF=SB。-(213)(e2+ef+f2d(3) 和背板上缘的平面)以下的铲斗内部横截面积. 式中：B。为铲斗内侧宽度；d为铲斗中部切削刃口 由图1推导其精确的计算公式为： 与背板上缘之间的距离. s=i北.+yc+mr小siy。-mri siny,- -V+r,)了+(+mr)2-2+r,),+mr)cosy。- mr,sin(0+y)-rsin6;e为背板凸出高度，er (1) cos0:f为切削刃凸出高度，∫=r,cos(y。/2-a). 1.5堆尖部分体积V, 式中，。为斗底与后斗壁间的夹角（斗张开角）y, 堆尖部分体积是指位于标定面以上、铲斗四 为背板与后斗壁间的夹角；m=cos0/cos(0+y,); 周均以1：2的坡度堆积物料的体积.由于铲斗两 0=Y。/2+a-Y1; 侧无背板而洒落的四面体物料体积的计算公式] (r:-rs-r )cos? r cos( 为2m。-2d导2c-名c a tg ++5+ 平装容积的两侧已经各自落去体积为 -Y) V4c-D的物料，本来应该堆积在这2块物料上 1.3铲斗回转半径R。 的物料也将洒落.每侧落去物料的体积 铲斗回转半径R。,是指铲斗与动臂铰接点至 为VD-G则有： 切削刃口的距离，可依据设计任务书中给定的设 计容量”。，采用下列的精确计算公式进行计算： + 堆尖部分的体积V为： )G.msimymsiny dBo -2VABED-G-2VABC-DEF 略u-] (2) dBod(erfto) (4) 式中，K。为额定斗容与平装斗容的比例系数. 86 1.4平装斗容"s 式中，c为物料堆积高度当e≥f时，c=d/c+f升 平装斗容是指铲斗标定面处于水平位置时， (d /2-r,sin)(e-f) 当e<对时，c=+e+ 标定面以下的最大容量.如图2所示，切削刃凸出 L 4 和背板凸出型铲斗，由于两侧无背板，两侧各有 (d 2-r sine)(f-e) L=d-r,sinφ-rsin8,φ 一块体积为Vc-pr的三棱台状物料洒落，其体 L 积的计算公式为： =Y。/2-a, "c-es=(1/2)(2·f:2f+f·2e+e·2f+ 1.6额定容量' 2·e·2e)d=(1/3)d(e2+ef+f 铲斗额定容量等于其平装容量与堆尖容量 之和，即： 'R='+" (5) 2优化设计数学模型 2e 2.1设计变量 选取决定铲斗横截面形状和铲斗内侧宽度 的结构参数作为设计变量，即对于切削刃凸出和 2f> 背板凸出型铲斗的优化设计问题，设计变量为： X=[xx2…,xgJ'eR (6) 各设计变量的取值范围及几何意义如表1所 示.当设计基本型铲斗时，x。=x,=x。=0:当设 图2铲斗平装及堆尖容量计算示意图 计背板凸出型铲斗时，x。=0:当设计切削刃凸出

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 铲斗横截面面积 铲斗 横截 面 面 积 是 指 标 定 面 即通 过 切 削刃 和 背 板 上 缘 的 平 面 以 下 的 铲 斗 内部 横 截 面 积 由图 推 导其精确 的计算公式 为 一 合 。 。 。 ‘二 。 一 合、 ‘二 所 以 ， 铲斗 的平 装容 积 气为 一 一 气 ， 一 。 。 一 ， 刁勺 ， ’ 式 中 。 为铲斗 内侧宽度 为铲斗 中部 切 削刃 口 与背板 上缘之 间的距 离 才与一 」 丫、 ， ， 。 ， ，一 、 ‘ ， ，。 十 一 几 为 背 板 凸 出 高 度 ， 几 为切 削刃 凸 出高度，一 ， 印 。 一 堆尖部分体积 岭 堆 尖 部 分体积是 指 位 于 标定 面 以上 、 铲 斗 四 周 均 以 的坡 度 堆 积 物 料 的体积 由于 铲斗 两 侧无 背板而洒落 的 四 面体物料体积 的计算公 式 一 一兀 、了 吸且 一 「 姚 百‘ 式 中 ， 。 为 斗底 与后 斗 壁 间 的夹角 斗 张开 角 艺 为背板 与后 斗壁 间 的夹角 一 勺 。 一 ， 、 下。 。 、 、 乓 一 。 一 百 华 百 一 下 ， 一 ” 乙 一 乙 一 — 、 了 了。 、 。 百 几 叹百 一 下 、 。 乙 一 乙 一 为 叽 “ ￡ 一 。 啥 · ‘ · 争 · 一 含 ‘ · 铲斗 回转半径 凡 铲 斗 回转半 径 。 ， 是 指 铲 斗 与动臂 铰接点 至 切削 刃 口 的距 离 ， 可 依 据设 计任 务 书 中给定 的设 计容量 气 ， 采 用 下 列 的精确计算公式进行计算 一风一法 一 ﹄ 一︸八 一旧 一八 喝一手粤。 。 、 。 、 二 。 一 要、 二 ， 乙 乙 平 装 容 积 的 两 侧 已 经 各 自 落 去 体 积 为 气 。 一 的物 料 ， 本 来 应 该 堆 积 在 这 块 物 料 上 的 物 料 也 将 洒 落 每 侧 落 去 物 料 的 体 积 为 气 。 ， 则有 、 动 一 一 · 合全 · · 葺 一 去海 堆 尖部分 的体积 价 为 飞奋 一 下 。 ’ ‘ ， 一 万 一 只示 七 ‘ 今 嵘 式 中 ， 凡 为 额定 斗容 与平 装斗容 的 比例系数 平 装斗容 长 平 装 斗 容是 指 铲 斗 标 定 面处 于 水 平 位置 时 ， 标定 面 以 下 的最大 容量 如 图 所示 ， 切 削刃 凸 出 和 背 板 凸 出 型 铲 斗 ， 由于 两 侧 无 背 板 ， 两 侧 各 有 一 块 体 积 为 气 一 的 三 棱 台 状 物料 洒 落 ， 其 体 积 的计算 公 式 为 气 ， 一 二 · · · 。 · · 。 · 口 ， ’ 一 气 动 一 。 一 气 一 刀份尸 兰 。 介 。 、 、 式 中 ， 。 为 物料 堆 积 高度 当 。 全 时 ， 。 介 一 沪 一 当 时 ， 一 葺 · 一 一 一 ， 沪一 ， 沪 夕。 一 · 额定 容 气 铲 斗 额 定 容 量 等 于 其平 装容 量 与堆 尖容 量 之 和 ， 即 叹 二 价 气 图 铲斗平装及堆尖容，计算示意图 优化设计数学模型 设计变 选 取 决 定 铲 斗 横 截 面 形 状 和 铲 斗 内侧 宽度 的结构 参数作 为设计变量 ， 即对于 切 削刃 凸 出和 背板凸 出型铲斗 的优化设计 问题 ， 设计变量 为 ，， 凡 ， 一 吕 各设计变量 的取值范围及几何意义 如表 所 示 · 当设计基本 型铲 斗 时 ， 凡 。 当设 计背板 凸 出型铲 斗 时 ， 。 当设计 切 削 刃 凸 出

Vol.21 No.I 王国彪等：装载机铲斗结构优化设计及其可视化 ·53· 型（或非直线切削刃型）铲斗时，x,=x?=0. 实例计算及可视化 表1设计变量的取值范围及几何意义 优化设计实例：铲斗设计容量为2.5m3,装载 设计变量 几何意义 取值范围 机轮距为2.25m,轮胎宽度为0.579m,铲斗侧壁 x1/m 铲斗宽度大于轮胎外侧宽度值 0.1~0.2 切削刃厚度为0.02m.程序在极短的时间内即可 °) 斗底和后斗壁之间的夹角y% 48~65 优化出铲斗结构参数，其计算结果采用数值与图 $ 斗底长度系数1g 1.4-1.5 后斗壁长度系数入 形相结合的方式进行可视化显示，如表2， XA 1.11.2 斗底与后斗壁直线之间 斯 的國弧半径系数1R 0.35-0.40 4总结 和 切削刃凸出高度系数入 0.070.09 背板凸出高度系数入4 (1)推导出装载机铲斗容量及其结构参数的 0.12-0.14 x8°) 背板和后斗壁之间的夹角1 5~10 精确计算公式，并建立了结构参数优化设计的数 学模型，(2)编制出相应的优化设计及结果可视 2.2目标函数 化计算机程序，采用实例验证了公式及程序的正 本问题优化设计的目标函数是，使得计算的 确性.(3)将优化设计方法与可视化技术相结合， 铲斗额定容量与设计任务书给定的设计容量的 并应用于工程设计，提高了优化设计的效率及结 误差最小，即minF)=(W-Vo)2 (7) 果的正确性，具有广泛的推广价值. 2.3约束条件 将设计变量上、下限的取值范围作为建立约 参考文献 束函数的主要依据.另外，还考虑了铲斗作业时 】徐希民，黄宗益.铲土运输机械设计.北京：机械工业出 的力学性能.由于这些取值绝大部分为经验值， 版社，1989.191~196 所以优化设计可得到满意的结果. 2石教英，蔡文立.科学计算可视化算法与系统.北京：科 2.4程序设计 学出版社，1996.1~23 根据优化问题的特点，选择复合形优化方 3成大先.机械设计手册（第3版，第1卷），北京：化学工 法.采用Windows9532位设计平台，运用 业出版社，1994.77~79 Visual C++4.0进行具体的编程.该程序可方便地 4王国彪，机械优化设计方法微机程序与应用.北京：机 实现数据输人、铲斗选型、磁盘/O及数据和图形 械工业出版社，1994.172~180 的屏幕显示与打印 表2装载机切削刃及背板凸出型铲斗结构优化结果可视化显示 铲斗结构参数物理意义 优化设计结果铲斗横截面简图 铲斗内侧宽度，Bo/mm 2963.98 斗底与后壁间夹角yo/(°） 48.02 Yo-Y 铲斗斗底长度，y/mm 1586.31 后斗壁长度，Y2/mm 1347.31 铲斗圆弧半径，y/mm 451.87 切削刃凸出高度，ys/mm 75.40 挡板高度，y/mm 141.83 挡板与后斗壁间夹角Y(°) 6.67 铲斗与动臂铰销距斗底的高度，y%/mm 135.78 铲斗回转半径，R/mm Ro 1131.50 铲斗计算容量，V/m3 2.4944 铲斗设计容量，'o/m3 2.5000 (下转97页)

王 国彪等 装载机铲 斗结构优化设计及 其可视化 型 或非直线切 削刃 型 铲斗 时 ， 表 设计变 的取值范围及几何意义 设计变量 几何意义 取值范围 。 。 和两 介为 铲斗 宽度大于 轮胎外 侧宽度值 斗底和 后 斗壁 之 间的夹角为 斗底 长度系数 凡 后 斗壁长度系数凡 斗底 与后斗壁直线之 间 的圆弧半径系数瓜 切削刃 凸 出高度系数寿 背板凸 出高度系数人 背板和 后 斗壁之 间的夹角” 目标 函数 本 问题 优 化设 计的 目标 函 数是 ， 使得 计算 的 铲 斗 额 定 容 量 与设 计 任 务 书给 定 的设 计 容 量 的 误 差最 小 ， 即 加欣刀 气 一 ， 约束条件 将 设 计变 量 上 、 下 限 的取 值 范 围作 为建 立 约 束 函 数 的 主 要 依 据 另 外 ， 还 考 虑 了 铲 斗作 业 时 的 力 学 性 能 由于 这 些 取 值 绝 大 部 分 为 经 验 值 ， 所 以 优化设计可 得 到 满 意 的结 果 程序设计 根 据 优 化 问 题 的 特 点 ， 选 择 复 合 形 优 化 方 法 采 用 位 设 计 平 台 ， 运 用 进行具体 的编程 该程 序 可 方便地 实现数据输人 、 铲斗 选 型 、 磁 盘 及 数据 和 图形 的屏幕显示 与打 印 实例计算及可视化 优化设计实例 铲斗设计容 量 为 ，， 装载 机 轮距为 ， 轮胎 宽度 为 ， 铲 斗 侧壁 切 削刃 厚度 为 程 序 在 极 短 的 时 间 内 即 可 优化 出铲斗结构参数 ， 其计算 结果 采 用 数值 与 图 形相结合的方式进行可视化显示 ， 如表 总结 推 导出装载机铲斗容量 及其 结构参数 的 精确计算公 式 ， 并 建 立 了结 构参数优化设 计 的数 学 模 型 编 制 出相 应 的 优 化 设 计及 结 果 可 视 化 计算 机程 序 ， 采 用 实 例 验 证 了公 式 及程 序 的正 确 性 将优化设计方 法 与可 视化技 术相 结 合 ， 并 应 用 于 工 程设计 ， 提 高 了优 化设计 的效率 及 结 果 的正 确性 ， 具有 广泛 的推广价值 参 考 文 献 徐希 民 ， 黄宗益 铲 土运 输机械设计 北 京 机械 工 业 出 版社 ， 石教 英 ， 蔡文立 科学计算 可 视化算法 与 系 统 北 京 科 学 出版社 ， 成 大 先 机械设计手册 第 版 ， 第 卷 北 京 化学 工 业 出版社 ， 王 国彪 机械 优化设 计方法微 机程 序 与 应 用 北 京 机 械工 业 出版社 ， 表 装载机切削刃 及背板凸 出型铲斗结构优化结果可视化显示 铲斗结构参数物理意义 铲斗 内侧宽度 ， 。 斗底 与后壁 间夹角下。 。 铲斗斗底 长度 ， 后 斗壁 长度 ， 铲斗 圆弧半径 ， 切 削刃 凸 出高度 ， 挡板 高度 ， 价 挡板与后 斗壁 间夹角 ， “ 铲斗 与动臂 铰销距斗底 的高度 ， 挑 铲斗 回转半径 ， 。 铲斗计算容量 ， ， 铲斗设计容量 ， 叽 ， 优化设计结果 铲斗横截面简图 ， 一 聋 下转 页

VoL21 No.1 柴成文等：空气-乙炔火焰原子吸收测钙时的干扰及消除 *97· 表4样品分析结果 样品 干扰抑制体系 标准系列喷雾液配制 CaO测得值% 加标回收率% 原矿 VC+La+ 用钙标准溶液直接配制 12.99(=3) 99.0 精矿业 VC+La++Nb(v). 用钙标准溶液直接配制 6.36(n=5) 96.2 渣-37 VC+La++Nb(v) 同样品溶液方法配制 12.08(4) 105 渣45 VC+La++Nb(v) 同样品溶液方法配制 11.48(n=3) 99.1 注：n标Ca为2μgmL, 参考文献 3张悟铭，严正银，王俊德.火焰原子吸收光度法中表面 1张金彪，王玉纵，火焰原子吸收法快速测定土壤中钙 活性剂作用的探讨.分析化学，1991,19(1)少：47~50 和镁光谱学与光谱分析，1993,13(6)：79~84 4段忆翔，候明铁，王勇，金饮汉有机试剂在火焰原子吸 2张国荣，陆勤月空气-乙决测定钢中钙.理化检验( 收光谱法中的增感作用的研究进展.冶金分析，1994， 145):38~41 化)，1990,263)：175~176,178 Determination of Calcium in Baotou Iron Ores and Its Slags by AAS with Air-Acetylene Flame Chai Chengwen,Li Min,Shao Guangdi Applied Science School,UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT Determining calcium in Baotou iron ores and its slags by AAS with air-acetylene flame,interferences and its eliminated method were investigated.The samples can be decomposed by composited acids,and interferences of coexist components can be effectively eliminated using the composited inhibitors of interferences ascorbic acid +lanthanum +niobium )The simple method for determination of calcium was established with satisfactory results. KEY WORDS calcium;air-acetylene flame atomic absorption spectrometry (AAS);Baotou iron ores and its slags,composited inhibitors of interferences (ascorbic acid+lanthanum+niobium) 好好好好好好好好好 (上接53页) Optimum Design and Results Visualization of Structural Parameters of Loader Bucket Wang Guobiao,Yan Manhong,Yang Lifu?,Ma Zhu2) 1)Resources Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083.China 2)Xuzhou Loading Machinery Factory.Xuzhou,221006 ABSTRACT Based on the interational standard ISO 7546-1983,the uniform mathematical model for calculation of the loader bucket volume and its formula are presented.By the complex method, the structural parameters of loader bucket and visualizes the optimization processes and results are presented.The results can be used to calculate the bucket volume precisely and design the bucket structure parameters rationally. KEY WORDS loader;bucket parameters;optimum design;visualization

柴成文等 空气一 乙 炔火焰原子吸收侧钙时的干扰及消除 样品 原矿 精矿 广 渣一 渣一 干扰抑制体系 十 十 ， 十 衰 样晶分析结果 标准系列 喷雾液配制 用钙标准溶液直接配制 用钙标准溶液直接配制 侧得值从 加标 回收率从 同样品溶液方法配制 同样品溶液方法配制 ， 矛卜 ， 考 文 做 张金彪 ， 王 玉纵 火焰原子 吸收法快速侧定 土集 中钙 和镁 光谱学与光谱分析 ， ， 一 张 国 荣 ， 陆勤月 空气一 乙 炔侧 定钢 中钙 理 化检 验 化 ， 以 ， 一 ， 张悟 铭 ， 严正 银 ， 王 俊德 火焰 原子 吸 收光度法 中表面 活性剂作用 的探讨 分析化学 ， ， 一 段 忆翔 ， 候 明轶 ， 王 勇 ， 金钦汉 有机试剂在火焰 原子 吸 收光 谱法 中的增 感 作用 的研究 进展 冶金 分析 ， ， 一 一 ， 闹 ， 人几月 ， 娜 吨 ， ， 访 习 创山 ， 恤如成此 而访 田叮 加刃 ， 幼 成 而 此 加侧四 免 而 山目 仰 倪 如 ， 上接 页 田 肠 ” 伽 。 吞 ‘ ， 介 ， 馆 材泛 取扣叭翔 傲吨 ， ， 峨洲洲 ， 扣 ， 川 朗 ， ， 一 ， 刃 允 一 ， 帕 扭 刃。 · 卿 中 别旧 加招 说 说 理 ” 叭 刃 让洛