齊齊哈爾大學畢業設計(論文)1第章緒論1.1課題背景裝載機是一種用途較廣的鏟運、施工機械。廣泛應用于建筑、公路、鐵路、水電、港口、礦山、林業、國防等工程中，對加快工程建設速度、減輕勞動強度、提高工程質量、降低工程成本都發揮著重要的作用。近幾年來，無論國內還是國外，裝載機的品種和質量都得到了迅猛的發展，已成為工程機械的主導產品之一。其工作裝置是組成裝載機的關鍵部件之一，設計水平直接影響工作裝置性能的好壞，影響整機的工作效率與經濟指標。目前，大多數設計仍采用傳統的類比法和作圖試湊法，工作繁瑣，設計精度低，周期長，不易獲得各項指標都滿意的設計方案，這就需要采用現代設計方法提高設計水平和產品質量。論文的研究目的是：建立舉升機構的數學模型，使用MATLAB語言采用粒子群算法對其進行優化設計，并對裝載機工作裝置進行性能分析。1.2工作裝置的基本概念裝載機工作裝置是完成裝卸工作并帶液壓缸的空間多桿機構。工作裝置是組成裝載機的關鍵部件之一，其設計水平的高低直接影響工作裝置性能的好壞，進而影響整機的工作效率與經濟性指標。1.2.1崛起力崛起力是指具有標準使用重量的裝載機停放在堅硬的水平面上，鏟斗斗刃底部平行于地面，且在地面上下偏差不超過25cm的情況下，當轉斗或升臂時，后輪不準離地或即將離地。這是工作裝置所產生的作用在鏟斗斗刃后10cm處的最大垂直向上的力，即掘起力。1.2.2傳力比裝載機工作裝置的傳力比分為連桿機構的傳力比和舉升機構的傳力比兩大類。齊齊哈爾大學畢業設計(論文)2連桿機構的傳力比是指單位轉斗缸力所獲得的鏟斗崛起力；舉升機構的傳力比是指單位動臂舉升缸力所獲得的鏟斗崛起力。引入裝載機工作裝置傳力比概念的目的是,為了便于不同類型轉載機工作裝置鏟掘性能的比較。顯然，傳力比越大，工作裝置的鏟掘性能就越好。1.2.3鏟斗自動平放鏟斗自動平放是指鏟斗在某一常用位置（通常是動臂上限位置）卸料后，轉斗缸閉鎖不作收斗行程，當動臂舉升缸下放動臂至地面位置時，由舉升機構運動實現鏟斗的運動路線，鏟斗進入下次插入狀態。鏟斗自動放平并不是絕對的，它只能保證機構在某一個位置卸料后實現鏟斗自動放平，其它位置則無此特性。要保證機構在每個位置卸料后均能實現鏟斗自動放平，必須增設自動放平裝置。如由連桿的運動實現鏟斗的自動放平，那么將具有以下三個優點：（1）由于每次作業循環轉斗缸省掉一次收斗行程，節省了動力消耗，具有較好的經濟效果；（2）由于轉斗缸省掉一次收斗行程，減少了司機操作轉斗缸手柄次數，從而，改善了司機勞動條件，減輕了司機勞動強度；（3）鏟斗自動放平，既能保證鏟斗自動、準確復位（鏟斗水平插入料堆位置），減小鏟裝阻力，又能避免因鏟斗復位不準的反復操作，縮短了作業循環時間。1.2.4鏟斗靠擋塊我們經常可以發現，有的裝載機在運輸物料過程中，鏟斗會繞動臂下鉸接點轉動，即發生所謂的“點頭”現象。特別是當車體碰到障礙物或緊急制動時，這種現象更加顯著，嚴重時會破壞連桿、油缸等工作裝置中一些薄弱桿件。所以，必須提出有效的解決辦法。要消除鏟斗在運輸過程中產生的“點頭”現象，必須保證鏟斗緊靠動臂。這就是所謂的鏟斗靠擋塊。它通常是通過鏟斗與動臂的強制干涉來實現的。.齊齊哈爾大學畢業設計(論文)31234561鏟斗2連桿3動臂桿4搖臂5舉升油缸6轉斗油缸圖1-1裝載機工作裝置結構的組成1.3工作裝置的總體結構與布置裝載機工作裝置分為有鏟斗托架和無鏟斗托架兩種基本結構型式，如圖1.1所示，它由運動相互獨立的兩部分構成連桿機構和動臂舉升機構，主要由鏟斗、動臂、連桿、上下搖臂、轉斗油缸、動臂舉升缸、托架、液壓系統等組成。設計的對象是無鏟斗托架，無鏟斗托架的工作裝置見圖1.1b，其動臂下鉸接點與鏟斗鉸接，上鉸接點與前車架支座鉸接；轉斗缸一端與前車架鉸接，另一端與上搖臂鉸接；連桿一端與搖臂鉸接，另一端與鏟斗鉸接；搖臂鉸接在動臂上。動臂舉升缸一般采用立式或臥式布置形式，常見有兩種連接方式：一種是油缸頂端與前車架鉸接；另一種是油缸中部通過銷軸與前車架鉸接。鏟斗是裝載物料的容器，通常具有兩個鉸接點，一個與動臂下鉸接點鉸接，另一個與連桿鉸接。操縱轉斗缸實現鏟斗的裝載或卸料；操縱舉生缸實現動臂和鏟斗升降運動。1.4裝載機的發展概況我國裝載機的研究和使用已有五十年的歷史，經歷了三個發展階段：60年代仿制摸索階段；70年代自立更生研制階段；80-90年代技術引進、合資發展階段。從1976-1996年，我國裝載機產量增長了41倍，研究設計水平有了很大的發展和提高，齊齊哈爾大學畢業設計(論文)4取得了許多成果，如成功地研制了ZL系列。然而，從整體上看，我國工程機械的性能相當于國際80年代末的水平；質量相當于國外70年代末的水平：生產和制造相當于其70年代中期的水平；另一方面，由于我國經濟發展和建設的需要，對工程機械的需求量很大，在“量”和“質”上，要求都很高。國內輪式裝載機的需求2000年之前為每年2500027000臺，到2005年達到50000-60000臺，給裝載機行業的發展提供了很好的市場前景。目前，工程機械已上升為機械工業十大行業中的第二位。其中，裝載機的生產廠家有60多家，產銷量和經濟效益的增長速度己成為工程機械行業中的第一位。因此，提高設計和制造水平是發展裝載機行業的重點。在過去幾十年中，我國主要研制的是中噸型(2-6噸)的輪式裝載機，產品己比較成熟和穩定。既有自行開發的ZL系列，也有引進德國、日本、美國、英國等的技術，通過實驗和技術測試而合作生產的產品。未來，我國裝載機發展的趨勢是：(1）向八噸以上的大型發展。(2）向小型、微型機發展。指斗容量在0.43m以下，工作重量在4t以下,可以在狹小的環境中作業。目前，許多工程項目，尤其是城市中的項目，如管道架設、電纜鋪設、道路拓寬、住宅建筑等，工程規模小、道路狹小。小型裝載機能適應靈活的工作環境，運輸也方便。如日本生產的SDK6，SGK6和SDK-4型，斗容在0.17m3和0.28m3左右，機重不到兩噸；日本研制的310,315型裝載機.斗容只有0.14m3，機重不到一噸；日、美等國還生產斗容0.11m3的微型裝載機。(3）發展多功能、多用途裝載機，如“兩頭忙”(挖掘裝載機)。隨著液壓和液力技術的發展，設計水平的提高，工程機械的通用性提高，使用戶能方便，快速、經濟地對裝載機進行改裝，滿足多種作業要求。美國的Caterpillar公司開發的IT系列；美國Clark公司的Bobcat；英國JCB公司生產的410型；德國Kramer公司研制的213E，312E型；日本小松公司的WA系列；意大利菲亞特的FR系列等，都配有幾十種不同的作業裝置，可適用于近200種工況，如裝載、挖掘、抓取、清掃、平地、吊裝、壓實、堆土等等。我國的UNC-060多功能裝載機可以快速裝換十余種工作裝置。1.5工作裝置設計方法的發展概況從設計方法來看，工作裝置的設計水平直接決定著裝載機的工作性能和市場競爭力。機械產品設計階段的費用雖然只占最終產品成本的一小部分，但卻決定了70%80%的制造和銷售成本，這一階段也是技術創新的主要部分。從設計技術發展角度，裝載機的研究也可以分為三個時期：經驗設計階段（研制樣機，主要應用類齊齊哈爾大學畢業設計(論文)5比法和經驗公式進行設計）、科學試驗和技術分析階段（用測試技術，進行應力、應變、疲勞、振動等試驗，增加設計依據）和現代設計時期（用先進的設計理論和方法學，廣泛應用計算機CAD技術，提高設計質量和科學性）。目前，許多企業，尤其是中小企業，還處于經驗設計階段，一些大型企業的設計水平達到了科學試驗和技術分析階段，而現代設計主要在高校和科研機構中開展，在此階段，就涉及設計方法的選用問題，即采用什么樣的方法可使設計結果更令人滿意，使工作裝置的工作效率更高。裝載機工作裝置的常用設計方法有如下幾種：（1）圖解設計法最早采用的設計方法是圖解設計法，它將工作裝置的連桿機構看成是由斗桿機構和缸桿機構兩部分組成。其關鍵是確定搖臂在動臂上的鉸點位置和斗油缸在機架上的位置。其大致的做法是這樣的：首先，根據作業物料的性能要求，設計出鏟斗的結構，確定斗鉸線的長度和位置，并將其作為掘起力的計算位置，在滿足卸載高度、卸載距離的前提下，根據總體結構的要求，確定動臂的長度和位置。然后，將六連桿機構分為斗桿機構和缸桿機構兩個四連桿機構，運用作圖法分別設計出斗桿機構和缸桿機構。最后，將設計好的斗桿機構和缸桿機構組合成一個完整的工作裝置連桿機構。很顯然這種方案只是一種可行方案，但是并不是最優的方案。在這個基礎上，經過幾次分析和改進還可以繼續提高其性能。但是這種方案比較費事，要想同時滿足多個約束的要求比較困難。這種方式基本屬于一種“類比試湊法”。如我國研制的ZL20,30,40輪式裝載機，就是在ZL50型的基礎上，將額定裝載重量按R10優先數系排列，把各總體參數和作用力的關系做成圖表，找出裝載重量和各參數之間的關系，用放大或縮小比例的方法設計的。這種方法在過去研究水平和手段落后的情況下是起著很大的作用。但它的缺點也是明顯的。首先，所得的載重量與各參數之間的經驗關系式必然只是一種近似，精確程度不高；其次，這種設計方法工作量大，效率低，設計人員的經驗在很大程度上影響著設計結果的質量，而且，存在著較大的盲目性。（2）解析法解析法是根據平移性、卸料性、動力性的要求做出連桿機構的近似特性曲線，并根據近似特性曲線確定一組桿件方程組。然后再根據已知數據和桿件方程組計算出其它桿件的長度。最后做出連桿機構的實際特性曲線，根據實際特性曲線和近似特性曲線之間的差值做出一些修正。解析法設計連桿機構較作圖法來說省去了反復試湊作圖的過程。特別是根據連桿機構的特性曲線，用桿件方程組設計出合乎預定齊齊哈爾大學畢業設計(論文)6性的方案，減少了設計過程的盲目性，從而利于提高設計的質量和效率。這比起作圖法來說是一個進步，但使用效果仍不很理想，仍然未能全面解決卸料性與平移性、動力性與鏟斗自動放平性之間的矛盾。并且計算復雜，因此一般只對幾個作業位置進行分析計算，難以了解全部工況的作業性能。（3）優化設計方法工程機械的優化設計是在七十年代中期才發展起來的一種設計方法。它以數學規劃為理論基礎，以電子計算機為工具，來尋求機械設計的最優參數，這是機械設計領域的一場革命。它用理論設計代替經驗設計，以精確設計代替近似設計，以動態設計代替靜態設計。在工程機械的優化設計中，由于設計變量比較多，往往是復雜的多目標函數，以往的計算工具和計算方法已經不能滿足優化設計的需要，而計算機的快速發展和新的計算方法的研究保證了機械優化設計的快速和可靠。在裝載機的工作裝置的優化設計方面，國內的研究工作者做了大量的工作。優化算法不像圖解設計法那樣把約束條件都在圖面上表示出來，而是將約束條件用方程表示出來，編制成計算機程序，輸入計算機內。其優化方法主要有兩種：復合形法和懲罰函數法。吉林工業大學的楊成康建立了工作裝置的正、反轉六連桿機構鉸點位置優化設計的數學模型，編制了內點懲罰函數法優化設計程序。得到了比較理想的結果。其結果在19851986年間在山東臨沂工程機械廠試制成功，使用效果良好，特別是ZL5OC己經批量生產，己經為臨沂工程機械廠取得了較好的效益。其動力性能比原來提高了40%。太原重型機械學院的遲泳濱在1997年開發出了一個裝載機工作裝置設計CAD系統。它對工作裝置的優化設計過程大概是這樣的：首先利用專家系統技術構造一個初始的設計方案，專家系統中的知識庫主要是一些現有機型的主要參數以及有關的標準、規范等，這些現有機型的方案參數主要用于相近機型的初始方案設計。由于在工作裝置的設計中設計參數一般要精確到毫米級，有時一些關鍵設計參數即使有幾個毫米的誤差，也會引起性能上的較大的變化。專家系統還難以構造達到這樣的精度的最佳方案，因此專家系統提供的方案可以作為優化設計的初始方案，需要進一步的優化設計。有了初始方案以后，再根據優化設計的目標函數選擇合理的目標函數加權系數，并且根據各個約束函數，采用復合形法對目標函數進行優化。這套系統對于現有機型的改進設計和相似機型的設計還是比較理想的。如果優化設計的結果不能夠滿足設計者的要求，還可以修改各個構件的參數再進行新一輪的優化，直到滿足設計者的要求為止。齊齊哈爾大學畢業設計(論文)7總結以上方法可以看出當前的優化方法主要有兩種：復合形法和懲罰函數法。但是這兩種優化方法均存在一定的缺陷：復合形法是解約束非線性問題的直接方法，其原理簡單、實用性廣，比較容易獲得全局最優。但是對于強約束問題產生初始復合形法的效率較低，所以要求所給的設計空間盡可能小且包含可行域。而外點懲罰函數法不要求可行的初始點，它可以從可行域外一點出發，經過尋優和迭代過程逼近可行域，最后收斂于可行域邊界的最優點上。這正好彌補了復合形法的缺點。對于初始值遠離可行域或者是根本沒有可行點的新設計，采用外點懲罰函數求解，可以較好地解決可行點的問題。但是懲罰函數法對于多極值問題常常難以得到全局最優解。隨著計算機性能的不斷提高，出現了許多用于工程設計和計算的專用軟件，為工程技術人員的研究工作帶來了方便，減少了工程開發中自己編程的繁瑣工作，同時也使得許多優秀的數學理論得到推廣應用。