液压挖掘机动臂结构的优化设计.pdf

基 1 轴 一一 l l l l l 1 l I l 1 { 隔 板 支 袭 j b 图 3活动隔板 示意 图 3 将骨料输送设备的输送倾角改为 9 0 。 ， 可对 骨料进行垂直输送， 节约占地面积、 设备投资和土建 费用 ； 4 波状挡边带结构简单， 各主要部件可以与普 通带式输送机通用， 便于使用和维修。 5 运行可靠，没有刮板运输机经常出现的卡 链、飘链、断链等现象和斗式提升机经常出现的打 滑、 掉斗等现象； 同时也避免了普通波状挡边带的粘 砂、 落砂和除料困难等问题， 它的可靠度几乎与通用 带式输送机相等。 参考文献 [ 1 】 宋伟刚，王丹，陈霖． 波状挡边带式输送机的发展 叨． 煤矿机械， 2 0 04 2 1 - 4 ． [ 2 ] 宋伟刚，陈霖． 波状挡边带式输送机的结构特点及 其改进设计叨． 港 口装卸 ， 2 0 0 3 3 2 5 2 7 ． [ 3 】 姜浩先． 波状挡边带式输送机的设计选用 叨． 硫磷 设计与粉体工程， 2 0 0 1 1 3 9 - 4 3 ． [ 4 ] 夏炎． 波状挡边输送带横隔板的结构及设计选用 叨． 电子学报 ， 1 9 9 8 4 1 5 1 7 ． [ 5 】 方圆集团，山东建筑大学． 建设机械设计制造与应 用[ M】 ． 北京 人民交通出版社， 2 0 0 1 ． [ 6 ] 田奇． 混凝土搅 拌楼及沥青 混凝土搅 拌站 【 M] ． 北 京 中国建材工业出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 7 】 陈宜通． 混凝土机械[ M】 ． 北京 中国建材工业出版 社。 2 0 0 2 ． 通信地址 山东济南山东建筑大学机电工程学院 2 5 0 1 0 1 收稿 日期 2 0 0 8 - 0 4 0 1 液压挖掘机动臂结构的优化设计 术 三 一 重 机有 限公 司 陈健周 鑫 重庆大学机械传动国家重点实验室 刘 欣籍庆辉杨为 ∽ ∽∽ ∽ ∽∽ ∽ ∽∽ ∽ ∽∽ ∽ ∽∽ ∽∽ ∽ ∽∽ ∽ ∽∽ ∽∽ ∽ ㈨㈨㈨㈨㈨ 籀 。㈨ 籀 。㈨㈨㈨㈨㈨㈨㈨㈨㈨㈨ 。 。 们张 5 摘要 针对现有的优化设计方法不能有效地解决工程机械零部件使用寿命低、 且存在优化模型复杂 3 和规模较大等问题， 以液压挖掘机工作装置的 动臂为研究对象， 提出以 有限 元单元厚度为设计变量， 以 相 i同工况下应力最小、 全局刚度最大为优化目标的优化设计数学模型。在求解优化设计模型时， 综合考虑刚 l 度 灵敏 度和应力灵敏度对优化效率的 影响， 采取对全局灵敏度进行归一化处理的措施， 大幅 度降 低了 优化 l 模型的 求解规模， 并对优 化数学模型进 行了 求解。 分析结果表明， 利用该优化模型使动臂在相同 工况下最 5大应力降低了1 2 ． 9 ％， 局部刚度提高了2 9 ． 8 ％， 有助于延长动臂的使用寿命。工程实践证明， 该优化方法减 3 少了设计人员在结构设计中的盲目性， 能高效地得到优化结果。 s ； ， 葛 e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽ x 。 e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽ x 。 e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽e ， ， ∽∽ 关键词 液压挖掘机动臂结构优化设计数学模型 据相关资料报道 ， 材料强度 、 断裂或开裂 、 零件 失效等故障现象是机械可靠性不高的主要原因， 也 是制约我国工程机械出口的最大障碍i1 】。 现有的优化 设计方法， 如机械产品的广义优化设计， 是面向全系 统、 全过程和全性能的优化设计。 该方法着重考虑 自 零部件到整机 ，直至系列化和组合化产 品在整个寿 命周期中的技术性能、 经济性能和社会性能， 存在着 优化模型具有相当的复杂性和规模 ，不能有效地解 决材料强度、 断裂或开裂、 零件失效等问题圆 。 相关文 献[3 盼 别建立 了某液压挖掘机的反铲和正铲工作装 置的优化数学模型， 对挖掘力进行了优化。 然而因各 种原因，对液压挖掘机进行结构性能优化方面尚无 人做过直接的研究工作[5 - 8 ] 。 因此 ， 本文提 出了以应力 最小、全局刚度最大为优化 目标 的优化设计数学模 基金项 目 国家自然科学基金资助项目 5 0 2 0 5 0 2 6 ； 重庆市 自然科学基金资助项 目 C S T C ， 2 0 0 5 B B 3 2 2 2 一 1 9 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 型 ， 采取对全局灵敏度进行归一化处理的措施 ， 大幅 度降低了优化模型的求解规模。本文提出的优化设 计方法和得到的结论有助于提高液压挖掘机的工作 装置使用寿命， 在确保优化设计有效性方面具有重 要的现实意义。 1 载荷作用下的灵敏度值 在结构优化设计中，常采用增加或降低单元厚 度来实现结构材料属性的重新分配， 最大限度地降 低最大应力和提高结构的全局刚度， 达到结构性能 最佳的 目的。 1 ． 1 刚度灵敏度 在结构设计中，应变能或平均抗压强度视为结 构全局刚度的逆测量。 通常来讲， 最大全局刚度等价 于应变能或平均抗压强度的最小。 为评价有限元单元厚度变化对结构全局应变能 的影响， 刚度灵敏度 ． 定义为 1 ， }u △ Ku 1 式中 u 为节点位移矢量 ， K为单元 i 的刚度值 。A K t - t ， t 为单元厚度 ， 表示在第 个单元 刚度矩阵的变化量。 1 ． 2 应力灵敏度 为评 价单元 厚度变 化导致单元 k的应 力变 化 ， 应力灵敏度 ％． 定义为 O Q , ，i ---- U 。 A K i 。 u 2 式中 u 表示虚拟位移矢量。 u 是-『 单元的 单位 V o n Mi s e s 应力引起的 i 单元位移的变化量 ， 系 数 y f 是 ． 单元的 V o n M is e s 应力相对于节点位移摄 动的灵敏度分析所得到的系数， n 为单元数。 对于全 局性能指标的结构刚度来说 ，应力是一个局部结构 性能指标。 2 优化模型的建立 为达到刚度值 的最优设计 ，所有单元的应变能 有限元模型的载荷矢量 P和位移矢量 u的数积 或 平均抗压强度为最小 1m in E , m in u ， { 3 ￡ ． ￡ E t ， ⋯， ￡ 一 ， ￡ 一 20一 式中 为刚度值的优化 目标函数， t 为有限元单元 的厚度， t 、 和 是优化设计变量及其优化设计变化 { nFm in 4 E 一 ， ⋯， 式中 为应力 的优化 目标 函数值 ， M为有 限元模 型中单元的总数， 为 单元的 v 。 n M i e 应力。 为达到刚度最大和应力最小 的目的，多 目标优 化函数 F的构成如式 5 所示 『 m in F m i n w F , ， t ， ⋯， 这里 W 和W 分别为刚度和应力的权重因子， 通常 。 1 。 不难发现， 关于厚度变量 缸 的全局优化 目标函 数 A F的梯度为 AF 一 △ ⋯． △ W s W sOl , ，l ％， 6 在式 6 中， ． 为 有 限元单元对应 的刚度灵 敏度值 ， ％． 表示 i 有限元单元对应 的应力灵敏度 值 ， △ 表示 单元厚度变化量导致的刚度优化 目标 值的变化量 ， △ 表示 单元厚度变化量导致应力 优化 目标值的变化量 。权重被用于两个 目的， 一方 面用于强调不同标准的重要性， 另一方面平衡不同 物理意义和维数 的差异 。值是指出的是 ， 刚度 和应 力灵敏度值可能是完全不同的值 。这意味着平均的 权重分配可能不会恰如其分地反映出两种灵敏度 值的重要性 。为了消除这种差异 ， 对全局灵敏度进 行归一化处理 。 O l i- W s、 Ols i 或 7 8 式 7 和 8 中， 为归一化处理后全局灵敏度 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 值， ．一为所选单元刚度灵敏度中的最大值 ， O Ls ．一 为所选单元刚度灵敏度的均值， ％．一为所选单元应 力灵敏度中的最大值， ％．一 为所选单元应力灵敏度 的均值 。 3 载荷的施加 液压挖掘机铲斗 、 斗杆、 动臂 、 转 台及液压缸等 连接部分都通过销轴孔传递载荷。销轴孔内表面的 挤压应力一般在 1 2 0 。内按余弦规律分布，在应力 合力方向上应力最大， 在 6 0 。以外部分为零。 角卢 处的应力密度为 去 c o s 芋 9 表 1 设计变量范 围和最优值 咖 变量 下限 上限 初始值 最优值 动臂侧板 加强板厚度 l 1 ． 7 2 4 ． 1 l 7 l l _ 7 动臂前包板厚度 7 ． 1 1 6 ． 8 8 1 6 ． 8 动臂上盖板厚度 4 ． 5 l 3 ． 5 9 4 ． 5 动臂下盖板厚度 5 ． 2 1 4 ． 7 9 5 ． 2 动臂侧板 无加强板l 厚度 5 ． 5 l 5 ． 8 9 1 5 ． 8 式中 P为集中载荷 ， r 为销轴孔半径 ， t 为销轴 孔厚 。 曼 单 元 ， 然 后 叠 加 即 可 得 销 轴 孔 优 化 前 1 l 6 等 效 节 点 力 见 图 1 。 ⋯ 图 1 支座上轴孔内部的分布载荷 4 动臂结构优化实例 以WY 3 5 型液压挖掘机动臂为例，前侧板的材 料为 2 0 C r ， 其许用应力为【 6 r 】 2 1 6 M P a ； 其余结构的 材料均为 1 6 Mn ， 【 6 r 】 2 4 0 MP a 。 进行动臂缸作用力臂 最大工况下动臂的应力分析。 取动臂上盖板厚度、 动 臂下盖板厚度 、 动臂侧板 无加强板 厚度 、 动臂前包 板厚度、动臂侧板厚度与动臂加强板厚度之和为设 计变量，变量的边界上下限范围通过多次修改进行 选定，表 l 所示为变量的边界和达到优化 目 标后的 变量值。对本文的优化设计模型进行求解， 经过 l 0 次迭代运算后，得到最优解， V o n M i s e s 应力由 l l 6 M P a 应力降为 1 0 1 M P a ， 节点的最大位移由4 ．0 6 m m 降为2 ．8 5 m m 。 在动臂缸作用力臂最大的工况下， 优 化前后的应力图如 2 所示。 b 优化后 O v o n 1 0 1 M P a mF c 优化前节点最大位移 i s 4 ． 0 1 唧 d 优化盾节点最大位移 2 ． 8 5 唧 图 2优化前后动臂的应力分布和节点的位移 图 一 2l一 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 河南交通职业技术学院汽车工程系 吴笑伟 同 济 大 学 机 械 工 程 学 院 奚鹰 宋蕴璞 摘要 圆形断面隧道因其结构受力好、 设备制造简单和推进轴线容易控制等优点 ， 在地下隧道 中占有主导地位。 但当圆形断面隧道用作异形断面隧道功用时， 却存在着隧道断面利用率低、 浪费空 间等弊端。 为适应不同功用的隧道施工需要 ， 可采用异形断面 如椭圆、 矩形和拱形断面 隧道。 选择 变异五杆机构作为异形盾构切削机构， 详细分析变异五杆切削机构切削椭圆轨迹的位置方程， 得到 变异五杆切削机构相应的各关节点位置和各杆方位角的数学模型， 以及使刀盘工作点在最外面且使 各关节点不与土体发生干涉的边界条件， 并通过实例进行了说明。 关键词 异形盾构变异五杆切削机构椭圆轨迹位置方程边界条件 圆形断面隧道因其结构受力好、设备制造简单 和推进轴线容易控制等优点，在地下隧道中占有主 导地位。但当圆形断面隧道用作异形断面隧道功用 时， 却存在着隧道断面利用率低、 浪费空间等弊端。 为适应不同功用的隧道施工需要 ， 采用异形断面 如 椭圆、 矩形和拱形断面 隧道 ， 则能大大减少开挖面 积 、 切削土量 、 渣土处理量 以及回填土量 ， 从而提高 施工效率和空间利用率， 降低施工造价。 本文选择变异五杆机构作为异形盾构切削的实 现机构， 因其合成运动轨迹丰富， 故能满足不同断面 的切削要求。 如图 l 所示 ， 在变异五杆切削机构中， P 点为机构的末端输出最外端点 ，由常速 电机驱动杆 一⋯⋯ 0 ； ⋯一⋯ 一 ⋯ ⋯⋯⋯一⋯ t ii tii i E ； { E i t i ； i ； { ￡ ； i i ii { ； ； i 结 诊 9 7 5 9 7 6 【 3 ]郑惠强， 王业文． 液压挖掘机动臂优化设计数学模型 1 本文提出的优化方法以加权的方式综合考 的建立【 J ] ． 中国工程机械学报， 2 0 0 6 ， 4 2 1 4 2 1 4 4 ． 虑刚度灵敏度和应力灵敏度 ， 建立全局灵敏度 ， 并对 [ 4 ] 吴刚， 李爱峰， 樊海莲． 7 ． 5 m ， 液压挖掘机正铲工作装 全局灵敏度进行归一化处理， 得到更可信的优化结 置的 优化 设砌 ． 工 程机械， 2 0 0 2 ， 3 9 1 1 1 3 1 5 ． 果 ， 是一种不同于现有优化设计的方法 。 【 5 ] 苏猛， 张万山． 液压挖掘机工作装置断裂分析【 J ] ． 煤矿 2 提出以有限元单元厚度为设计变量 ，以相 机械， 2 0 0 6 ， 2 7 6 9 7 5 9 7 6 ． 同载荷作用下的应力最小 、刚度最大为优化 目标的 【 6 ] 李世其， 魏发远， 攀俊． 多工况条件下土石方机械铲斗 优化设计数学模型， 并对优化数学模型进行了求解。 斗齿的优化设计【 J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 2 ， 1 3 1 7 3 优化结果表明， 在相同工况下， 液压挖掘机 1 4 6 5 - 1 468 ． 动臂的最大 V o n M i s e s 应力下降了 1 2 ． 9 ％， 全局刚度 [ 7 1 G ．P ．S te v e n ， Q ．L i， Y ．M ． Ⅺ e ． M u lfi c ri te ri a o p t im iz a ti o n th a t 提高了2 9 ． 8 ％， 有助于延长动臂的使用寿命。 m i n i m iz e s m a x i m u m s tr e s s a n d m a x im iz e s s tiff n e s s [ J ] ． C o mp u t e r s＆ S t r u c t u r e s ， 2 0 0 2， 8 02 4 3 3 - 2 44 8 ． 参考文献 【 8 】张杰， 冯培恩． 履带式液压挖掘机有限元分析节点外 [ 1 ]1 田志成， 王东升， 陈英杰． 国内外装载机可靠性与使用 载荷计算【 J ] ． 工程机械， 1 9 9 2 ， 2 3 1 2 2 - 5 ． 寿命分析【 J ] ． 建筑机械， 2 0 0 5 1 1 6 3 6 8 ． 【 2 ]邱清盈， 冯培恩， 潘双夏， 等． 复杂机械协同优化设计 通信地址 江苏昆山经济开发区环城东路三一产业园挖掘机 的规划策略研究【 J ] ． 计算机集成制造系统， 2 0 0 6 ， 2 7 6 研究院 2 1 5 3 0 0 收稿日期 2 0 0 8 - 0 1 2 1 一 2 2 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m