装载机工作装置的机构研究分析

【摘 要】装载机是土方过程机械的一种，具有用途广泛、操作轻便以及作业效率高等优势。装载机的工作装置主要由动臂油缸、转斗油缸、连杆、动臂、摇臂以及铲斗等组成。只有各个组成部分合理设计，才能充分发挥装载机工作装置的作用。因此，对装载机工作装置的结构进行研究分析，寻找最佳的结构方式极为重要。本文应用ADAMS软件对装载机的工作装置机构进行了分析，同时还评估了现有的设计方案，为进一步的设计改进提供了很有价值的参考数据。

【关键词】装载机；工作装置；机构；研究分析

1 概述

我们在分析装载机工作装置的机构时，通常采用的是解析法或者图解法，但是，解析法的计算是很复杂的，图解法的精度也比较低，所以，往往只对某些作业位置实施计算分析，这样就很难对全部工况的负荷变化以及作业性能进行了解。为了对这一问题进行解决，我们可以通过动力学和机械系统运动学分析仿真的ADAMS软件对其进行分析。

在1980年左右，机械系统动力学的仿真技术第一次出现在人们眼前，它是一项对过程进行分析的技术，逐渐显露出其强大的生命力，在设计的早期阶段可以有助于设计人员利用虚拟样机在系统水平上对机械结构的工作机能真实的进行预测，从而对系统最优的进行设计。在该领域的软件系统中，ADAMS是最具代表性的。对于ADAMS来说，基本的配置方案有求解器ADAMS-Solver和交互式图形环境ADAMS-View[1]。ADAMS-Solver是一种动力学方程，是自动的产生机械系统模型的，同时还可以提供解算动力学、运动学以及静力学的答案。ADAMS-View是采用分层方式来完成建模工作的。通过机械运动副把一组构件连接在一起的就是物理系统，运动激励或者弹簧可以对运动副进行作用，任何类型的力都可以在单个构件或者构件之间进行作用，这样也就组成了机械系统。仿真的结果不仅可以形象直观的对系统的动力学机能进行描述，还可以把分析结果形象化的输出来。

2 建模方法

虽然ADAMS-View的功能比较强大，但是，造型功能却相对比较薄弱，很难用它来进行具有复杂特点的零件的创建，所以，想要对和复杂的装载机工作装置类似的机构进行创建是不现实的。故而，我们在对模型进行创建时利用的是Pro-Engineer，然后由ADAMS进行接收进而进行解析[2]。ADAMS-View可以对多种数据接口进行支持，例如DWG、IGES、STEP等，但是并不能对其它CAD系统中的装配语义进行识别，例如插入、对齐、贴合等。所以，只能分别的对机构中的零件进行传送，同时给它们创建的坐标系还要是相同的，这样才可以确保装配中各零件的位置，但是，这种方法的效率却很低而且还很不准确。事实上，ADAMS-View和Pro-Engineer之间是可以有更好的接口的，ADAMS的软件包可以为Pro-Engineer提供可供使用的IGES和MECHANISM-Pro模块。通过这两个模块可以精确的在Pro-Engineer中对运动副、刚体和载荷进行定义，同时还可以让ADAMS-View方便的对整个模型进行接收。

3 载荷和约束

在对装载机工作装置的结构进行计算时，为了简化计算可以不把偏载的情况纳入考虑，可以把所有的载荷和运动副在对称面上进行定义。回转副为工作装置中的各铰点，滑动副为液压缸的缸筒间和活塞杆，齿轮齿条副为地面间和轮胎在不把滑转率纳入考虑的情况下。

典型的装载机的工作过程具体有铲装、插入、空载运输、卸载和重载运输。在不对运输工况进行考虑的情况下，工作装置所受到的载荷包括自身的重力、物料重力Fg、铲取阻力Fsh和插入阻力Fin[3]。

最大的插入阻力Fin是被最大牵引力所限制的，可以通过下面的公式进行计算：

Fin=Miη/Rk，在式子中，变矩器涡轮的输出力矩是M，变矩器涡轮到轮边的传动比为i，传动效率为η，轮胎的动力半径为Rk。

获得最大的铲取阻力Fsh时，可以对铲取时最大转斗的阻力矩进行换算。在开始转斗的瞬间就产生了最大的转斗阻力，可以利用下面的公式进行计算：

Mmax=1.1Fin[0.4（X-1/3Lcmax）+Y]，在式子中，铲斗中最大的插入堆料的深度为Lcmax，铲斗斗尖至铲斗回转轴的垂直和水平距离为X、Y。则Fsh=Mmax/X。

对典型的作业过程进行分析可以发现，插入和铲装铲斗是按顺序进行的，铲取阻力和插入阻力也是按顺序达到最大值的，而物料重力是在铲取开始的阶段达到最大值的，各构件的自重是不发生变化的。在Pro-E中对材料的性质进行定义时，构件的特性是在建模的过程中产生的，例如质心、质量、转动惯量等，同时还是跟随模型一起被ADAMS接收的。由系统对产生的重力进行加载，但是，Fg、Fsh、Fin需要通过系统提供的STEP函数进行模拟。

4 数据分析

4.1 仿真典型的工作过程

在上述设定的情况下进行系统的仿真，可以获得作业工程中铲斗缸和动臂缸的受力情况，随着铲斗增加插入的深度，负载也在不断的增大，同时在铲掘开始的时候达到最大值。然后，动臂缸的重载举升，随着传力比的削弱受力反而增大，最终随着卸载削弱到最小值。

对工作机构中连杆系统力的传递性能进行评价时，我们通常使用的是倍力系数，但是，计算倍力系数时由于不对自重进行考虑，同时工作机构自身的自重也很大，在负载中占据了很大的部分，如果忽略了自重的影响，显然是无法准确的对机构的性能进行了解的。

如果各处的传动角都满足大于10°的要求，同时发生最小传动角的位置都是在卸载结束的，这样设计出来的机构才是合理的[4]。

4.2 分析铲斗的举升平动

在铲斗中装满物料后，把其举升到最高的卸载位置期间，为了防止物料撒出铲斗中，就需要铲斗进行近似平动，也就是说铲斗倾角的变化不易大于10°。所以，在模型中测量铲斗的位置角时，要让动臂缸匀速的进行上升。

4.3 分析铲斗的自动放平

若要让铲斗从高位卸载的状态转变为插入状态，期间就要保持转斗液压缸的长度是不变的，对水平面和铲斗底面的角度之间的变化进行测量，就可以获得机构自动放平的性能。

通过上述的分析，总的来说，所设计的工作装置基本上是合理的，但是，在铲斗自动放平以及举升平动的性能上还存在一些的不足之处，仍需要进一步的进行优化改进。

参考文献：

[1]Masound Ebrahimi，Mohammad Reza Farmani，Jafar Roshanian.Multidisciplinary design of a small satellite launch vehicle using particle swarm optimization[J].Structural and Multidisciplinary

Optimization，2011（44）.

[2]王国彪，阎满红，杨力夫.等.装载机铲斗结构参数优化设计及其可视化[J].北京科技大学学报，2006（8）.

[3]黄洪钟，姚新胜，周仲荣.基于满意度原理的装载机工作装置的多目标优化设计[J].机械工程学报，2003（39）.

[4]付则绍.机构设计[M].北京：石油大学出版社，1993.