正铲液压挖掘机工作装置优化设计.pdf

3 9 卷2 0 0 8 年7 月工程机械 正铲液压挖掘机工作装置优化设计 重庆大学机械学院 杨莹陈进张石强白玉琳 摘要以提高大型正铲液压挖掘机挖掘性能为出发点，运用液压挖掘机挖掘性能的图 谱叠加分析法，提出以主要挖掘区域的挖掘图谱叠加性能为评价指标的优化策略。在此基础 上，建立大型正铲液压挖掘机工作装置整体优化设计的数学模型，提出大型液压挖掘机正铲 工作装置的通用优化设计方法。基于V B 编程环境，编制针对正铲液压挖掘机的优化设计软 件，采用复合形法求解约束优化问题，实现了正铲液压挖掘机工作装置的整体优化。通过实 例对优化前后的挖掘性能和挖掘力统计数据进行对比分析，验证了优化方法的合理性和优 化软件的实用性。 竹竹1 r 竹竹1 旷竹’咿1 卞才广1 卞扣r 1 哼。 关键词正铲液压挖掘机图谱叠加法复合形法整体优化 优化设计包括建立优化设计问题的数学模型和 选择恰当的优化方法及程序两方面内容。目前针对 液压挖掘机的优化，一般多局限于对挖掘力与挖掘 阻力的匹配关系进行优化，或者是进行局部机构的 优化，缺乏从全局的观点进行整体挖掘性能的优化。 本文的重点是将工作装置作为一个系统进行整体优 化，通过图谱叠加分析法⋯ 简称图谱叠加法 对挖掘 机性能的分析进行优化设计。图谱叠加表示的是一 种透视的叠加，即先将所有的挖掘图谱在空间上重 叠在一起，然后再将所有挖掘图谱上的信息投影到 一张图谱上形成叠加图谱，通过一张叠加图谱，即可 全面地对挖掘机的挖掘| 生能进行评价和分析。按照 图谱叠加分析模型得出的优化设计数学模型是围绕 整个作业过程，即推压、正常挖掘、转斗和提升过程 的挖掘力而建立的，目的是在满足整机作业参数的 前提下，获得最佳的挖掘性能。 1 正铲工作装置的数学模型 正铲挖掘机主要用于采矿及装载作业，工作条 件恶劣，必须采用切削厚度小且挖掘行程较长的挖 掘方式，在挖掘过程中以斗杆挖掘为主，动臂缸及 铲斗缸则主要起调节铲斗位置和切削后角的作用。 当斗杆挖掘接近结束时，铲斗缸继续伸出，对工作 面进行破碎，并进一步充满铲斗，然后动臂缸举升 使铲斗与物料离开工作面。因此正铲挖掘机必须保 证挖掘过程中斗杆缸能够产生足够的挖掘力，同时 也要考虑铲斗缸的破碎能力和动臂缸的提升能力， - 4 0 - - 这些都是保证正铲挖掘机工作装置正常工作的必 要条件。 1 ．1 目标函数的确定 正铲挖掘机主要用于矿山采掘和爆破后的岩石 采掘工作，根据其挖掘特点将主要挖掘区域1 1 J 定义 为 高度方向从地面以上0 。1 ／2H ， H 。为最大挖掘 高度 水平方向从回转中心前0 ．5 ～0 ．9R 。 尺。为最大 挖掘半径 在此基础上，对叠加图谱进行主要挖掘区域划 分，统计落入主要挖掘区域内各种点的比例情况，作 为优化目标。目的是在满足整机作业参数的情况下， 获得最佳的力学性能。即在挖掘作业过程中，使其主 要作用液压缸的主动作用力、挖掘力得以充分发挥。 目标函数为 “剐材l A l 以2 A 2 般3 A 3 描4 A 4 式中x 。主要挖掘区域内，纵向斗杆挖掘工况， 斗杆缸主动作用力充分发挥的点占整体挖掘区域中 点的比例； x 厂一主要挖掘区域内，纵向斗杆挖掘工况， 挖掘力大于平均挖掘阻力所占的点占整体挖掘区域 中的比例 取机重一半的0 ．7 5 倍为平均挖掘阻力 ； x 广主要挖掘区域内，纵向铲斗挖掘工况， 铲斗缸主动作用力充分发挥的点占整体挖掘区域中 点的比例 x 。主要挖掘区域内，纵向铲斗挖掘工况， 万方数据 第3 9 卷2 0 0 8 年7 月 工程机械 挖掘力大于平均挖掘阻力所占的点占整 体挖掘区域中的比例 取机重一半的0 ．7 5 倍为平均挖掘阻力 ； A 、A ，、A ，、A 。加权系数，可根据 实际情况进行修改。 1 ．2 设计变量的确定 因本文主要针对挖掘机工作装置进 行优化设计 铰点布置 ，故将挖掘机主机 的各参数作为输入参数 如图1 所示 图中A 点为动臂与主机的铰点，F 点 为动臂液压缸与主机的铰点，G 。点为主 机重心。 将液压系统压力情况 最大工作压力 和闭锁压力 、各液压缸缸径大小和挖掘 机吨位等参数都作为输入参数处理。 其中，根据经验对工作装置各个极限角度情况 作如下设定 0 l 血 一5 0 ，0 1 。 7 5 0 0 硒 5 1 0 ，k 1 3 5 。 式中0 。为动臂的水平倾角，晚为动臂与斗杆的 夹角。设计变量的确定原则是兼顾设计质量和经济 性，对各参数进行筛选，将其中最必要的部分作为设 计变量，从而确定该机构的设计变量，见图2 。 l 厶占，￡船，L 乙c ，L L D ，L L B e ，￡L 册，L 口，L 口，l X [ il t n c ．H o ．H H ．L I G J ．L ∞．X F ．一Y F ＼ 【J { 菇1 ，茹2 ，菇3 ，j - ，名5 ，戈6 ，X 7 ，石8 ，菇9 ，戈1 0 ，菇l l ，茗1 2 ，菇1 3 ，茗1 4 ，茗1 5 式中厶趴L 广动臂、斗杆的长度； 儿胁￡厶厂一斗杆缸铰点c 和动臂缸铰点D 到A 点的水平距离； L L s e 、L L 旷甘斗缸铰点E 和斗杆缸铰点日 到B 点的水平距离； 图1 主机参数输入 如、L 6 厂铲斗缸铰点，和斗齿尖．，到G 点的 距离； 日c 、％、日厂墩点C 、D 、日到A B 、B G 的垂直 距离； ￡圮．严粥与G ，的夹角； 厶厂卅点与主机回转轴心的距离； x 广F 点与A 点的水平距离； 一y 广一F 点与A 点的垂直距离。 计算中G 为整机重量 k N ，G 吨位9 ．8 ； 厶庐 1 ．0 5 - 1 ．2 5 V G 10 0 0m m ； L L A c O ．2 6 2 - 0 ．3 8 2 VGX10 0 0m m ； 类比各种机型及多次计算后确定 H c 1 5 0 ～2 5 0i n I n L L A z O ．71 5 ～0 ．9 7 5 V 矿10 0 0m m ； H o 1 5 0 ～2 4 0m m ； L L e 啦 5 0 0 - 7 0 0m m ； L 萨 0 ．7 3 ～0 ．8 7 V 矿10 0 0m m ； L L 础 O ．2 7 ～0 ．3 7 i ／乏_ X10 0 0m i n ； 图2 机构的设计变量示意图 H n 0 ．0 6 57 - 0 ．0 7 83 V 矿l0 0 0m m ； L a F 0 ．5 - 0 ．6 VG 10 0 0 m m ； L 乒 0 ．1 4 25 ～0 ．1 5 65 V G l0 0 0 姗； 厶l G J 9 0 0 - 1 2 0 0o 主机参数中，将厶D 、坼、】，，作变量处理。 通过参数输入控制其变化范围。 1 0优化设计的约束条件 1 牵连运动条件约束基于带浮动 机构挖掘机铰点的特殊布置方式，将铲斗缸 一4 1 万方数据 9 卷2 0 0 8 年7 月工程机械 的铰点E 由斗杆移到动臂端部，使铲斗机构增加1 个自由度阁，此时铲斗相对于斗杆的角度巩不只是 由铲斗缸的长度￡，决定，而且还受动臂与斗杆的夹 角易的影响，以是斗杆与铲斗两组液压缸长度的函 数嘲，即晚和0 ，存在互相牵连运动的关系。 图3 为斗杆及铲斗机构的牵连运动。液压缸长 度L 抽、L 嫡限制区域较为合理 ‰和口抽斜线部 分 ，限位块的影响区域也较为合理 ‰和‰。横 线部分 ，大大提高了挖掘机的综合挖掘性能。当 0 n 0 z 血，即￡2 ￡蛐时，p 妯 日。m H 。嘶是设定的 最大挖掘高度下限，根据机型不同，日。山也不同 。 3 最大挖掘半径约束尺， 尺。凼 尺。山是设定的 最大挖掘半径下限，根据机型不同，尺。曲也不同 。 4 主要挖掘区域的约束条件 ①主要挖掘区域内纵向斗杆挖掘最大挖掘力必 须大于机重的0 ．4 5 倍 试验资料认为平均挖掘阻力 为最大挖掘阻力的7 0 ％～8 0 ％，我们根据经验及实际 挖掘情况，取最大挖掘力大于机重的O ．4 5 倍 ，即 最一 0 ．4 5 G ； ②主要挖掘区域内纵向铲斗挖掘最大挖掘力必 须大于机重的o ．4 2 倍 情况同上 ，即如Ⅲ O ．4 2 G ； ， 5 液压缸伸长比限制粤 5 0 0 。 2 优化设计流程 优化设计程序采用V i s u a lB a s i c 语言编写[ 4 1 ，根 据前文所确定的设计变量和目标函数，设计思想的 流程图如图4 所示。 图4 优化设计流程图 采用复合形法来求解约束优化问题。复合形法 是在可行域内构造一个具有K 个顶点的初始复合 形。对该复合形各顶点的目标函数值进行比较，找 到目标函数值最大的顶点 称最坏点 ，然后按一定 的法则求出目标函数值有所下降的可行的新点，并 万方数据 第3 9 卷2 0 0 8 年7 月工程机械 用此点代替最坏点，构成新的复合形，复合形的形状 每改变一次，就向最优点移动一步，直至逼近最优点 [ s J 。优化设计软件界面如图5 所示。 图5 优化设计软件界面 3 优化设计实例和结果 对某7 0t 级挖掘机的主机数据进行优化设计， 并利用挖掘机挖掘性能分析软件对该7 0t 级挖掘 机的原始方案 图6 和优化设计方案 图7 进行对比 分析。图中 空心圆动臂缸闭锁限制； 十字铲斗缸 斗杆缸 闭锁限制； 星形地面附着条件限制； } 鼍0 2 实心圆_ - 扮倾条件限制； 三角形斗杆缸 铲斗缸 主动作用力可充 分发挥。 从图7 可以看出，在主要挖掘区域内，纵向斗杆 挖掘时，主动液压缸作用力充分发挥所占比例明显 提高，动臂液压缸闭锁比例明显降低。详细对比结果 如表1 、表2 所示。 从以上图表可以看出，在纵向挖掘工况下，优化 后方案的斗杆挖掘和铲斗挖掘工况最大挖掘力分别 从3 6 3k N 、3 3 5k N 提高到3 9 3k N 、3 6 8k N ，都提高了 约1 0 ％。 优化后的方案，在斗杆挖掘工况下，斗杆缸的主 动挖掘力得到较充分的发挥，从1 8 ％提高到2 7 ％， 动臂缸闭锁限制比例得到明显降低，从9 ％降低到 2 ％；铲斗挖掘工况下，主动缸作用力充分发挥比例 和被动缸限制比例的改善并不特别明显，分别从 1 9 ％提高到2 0 ％和从12 ％降低到7 ％。 由于本文所研究的是大型正铲液压挖掘机，以 斗杆挖掘和水平铲装为主，铲斗挖掘很少 铲斗缸主 要用于调整铲斗角度，以利于切削、破碎和推压 ，所 以对铲斗挖掘工况下各液压缸之间的匹配性能情况 就不进行详细叙述。 此外，我们还运用本优化软件对某1 0 0t 级和某 l；％上 I 图6 原始方案纵向斗杆挖掘工况主挖区域叠加图图7 优化方案纵向斗杆挖掘工况主挖区域叠加图 表l 最大挖掘力统计表 挖掘工况 最大挖掘力 斗杆挖掘铲斗挖掘 优化前 3 6 3 ．3 3 1k N3 3 5 ．7 8 3k N 优化后 3 9 3 ．0 8 7k N3 6 8 ．7 8k N 表2主要挖掘区域各限制比例统计表 挖掘动臂缸闭锁铲斗 斗杆 缸地面附着限前倾限斗杆 铲斗 缸充 工况 限制比例闭锁限制比例制比例制比例分限制比例 优化前斗杆挖掘9 ．1 7 ％1 0 ．2 9 ％001 8 ．9 3 ％ 优化后斗杆挖掘 2 ．7 8 ％8 ．2 6 ％ O ．0 8 ％O ．1 5 ％ 2 7 ．1 2 ％ 优化前铲斗挖掘 1 2 ．1 ％4 ．3 6 ％02 ．1 8 ％1 9 ．7 6 ％ 优化后铲斗挖掘7 ．4 4 ％7 ．5 9 ％03 ．1 6 ％2 0 ．2 1 ％ - 4 3 - 万方数据 9 卷2 0 0 8 年7 月工程机械 1 2 0t 级正铲液压挖掘机进行了优化，分析结果表 明，优化后方案的综合挖掘性能较原始方案有较大 提高 由于考虑到生产厂家的要求，本文没有给出优 化设计前后的设计变量 。 4 结论 本文应用所编制的优化设计软件，对挖掘机的 各个参数进行了优化。通过对优化设计前后的参数 进行综合分析和比较得出，优化后工作装置的性能 比优化前有了明显改善。在主要挖掘区域内，主动液 压缸所产生的挖掘得到充分发挥，液压挖掘机的功 率得到充分利用。由此可以证明，本文所建立的液压 挖掘机正铲工作装置优化设计的数学模型比较合 理，优化设计程序运行稳定可靠，在产品设计工作中 具有较高的实用价值，对挖掘机的设计和改进具有 一定的指导作用。 参考文献 [ 1 】张石强．正铲液压挖掘机挖掘性能通用分析方法研 究[ D 】．重庆重庆大学，2 0 0 6 ． 【2 】同济大学．单斗液压挖掘机 第二版 【M 】．北京中国 建筑工业出版社，1 9 8 6 ． 【3 】黄海东，秦四成，成凯．四杆机构运动分析通用方法 及应用【J 】．工程机械，1 9 9 6 ，2 7 7 1 0 1 2 ． 【4 】李春葆，刘圣才，张植民．V i s u a lB a s i c 程序设计眦】． 北京清华大学出版社，2 0 0 5 ． 【5 】孙靖民．机械优化设计 第二版 【M 】．北京机械工业 出版社。1 9 9 8 ． 通信地址重庆大学机械学院4 0 2 窒 4 0 0 0 3 0 收稿日期2 0 0 8 0 3 1 2 隧道盾构掘进机推进系统设计冰 浙江大学施虎龚国芳杨华勇 苏健行 摘要盾构掘进机是隧道建设及地下空间开发中广泛应用的一种现代化工程机械装备。推进系统是隧 道盾构掘进机的重要组成部分。推进系统机械结构、液压控制系统的性能对整个盾构掘进机的正常工作起着 决定性作用。对盾构掘进机推进系统的结构原理进行深入分析，从机械结构尺寸、推进载荷和液压控制系统3 方面系统地归纳分析盾构推进系统参数的确定方法和设计步骤。通过对盾构壳体进行受力分析，初步得出盾 构直径的确定方法，结合土力学相关理论知识完成掘进过程中推进液压系统载荷的计算，提出在盾构壳体内 有限空间内布置推进液压缸的规划策略，从电液控制技术角度出发分析了两种典型的盾构液压推进控制方 式。为盾构推进系统乃至盾构整机的参数化设计提供一定的参考依据。 一{ } 寸卜{ H ．} 转* 转* 件诲书* * _ { ．卜_ 毒} 一畸卜{ 卜畸卜* 特{ 关键词盾构推进系统载荷液压系统设计参数 盾构推进系统是盾构掘进机的重要组成部分， 承担着整个盾构掘进机的推进任务。推进系统不仅 能够实现推动盾构向前运动的功能，而且要完成盾 构的曲线行进、纠偏以及姿态控制等相关复杂任务。 推进系统能够适应不同施工地层土质以及水土压力 的变化，输出合适的推进压力和推进速度与盾构前 部密封舱土压力、刀盘转速及排渣速度等参数相匹 配，共同实现安全、快速和高效掘进。 本文就盾构掘进机中推进系统的整体设计进行 了详细分析，对与推进系统设计相关的各种参数作 了详尽的归纳和说明，为盾构的设计和计算提供一 定的参考依据。 1 盾构直径的确定 由于盾构直径直接关系到推进系统液压缸的数 量、布置以及液压参数的确定，因此推进系统的设计 必须从确定盾构直径开始。通常盾构的设计根据所 要挖掘的隧道来确定，隧道设计中与盾构密切相关 的参数是管片的直径。盾构推进系统的设计从最终 成形隧道的内径即管片内径这一原始的已知参数出 謇基金项目国家杰出青年科学基金资助项目 5 0 4 2 5 5 1 8 ；国家重点基础研究发展计划项目 2 0 0 7 C B 7 1 4 0 0 4 一4 4 万方数据