[发明专利]单斗液压挖掘机反铲工作装置铰点的设计方法

权利要求书

1.一种单斗液压挖掘机反铲工作装置铰点的设计方法，其特征在于动臂油缸与动臂的铰点(B)和动臂与斗杆的铰点(F)的设计方法是：

步骤一、原挖掘机工作装置尺寸及位姿选定：

找到要优化的挖掘机工作装置尺寸，选取挖掘机最大挖掘深度为优化设计位姿;

步骤二、建立机构模型：

由于最大冲击力产生在挖掘瞬间，由于土壤粘滞阻力存在，挖掘越紧固的土壤时产生的冲击越大，而紧固的土壤对铲斗的摩擦约束可近似等效为固定约束，从而建立动臂（2）、斗杆（5）和动臂油缸（3）三个主要部件的机构模型;

步骤三、将动臂油缸全缩时等效成一根等直径杆：

在软件ANSYS中，将动臂油缸全缩时的装配体一端固定，另一端施加轴向力F₁和径向力F₂ , F₁为油缸最大推力， F₂为1.6N/mm的线分布力，分别记录最大轴向变形Ls 和最大径向变形Wq ,依据等效原则：等效杆件应具有与原装配体相近的弯曲刚度和拉压刚度，先假设一确定直径且与动臂油缸全缩时等长，假设杆在轴向力F₁和径向力F₂作用下产生的变形分别为Ls₂和Wq₂,改变等效杆的弹性模量，使残差平方和Zbx=(Ls-Ls₂)²+(Wq-Wq₂)²最小,将动臂油缸等效成一根等直径杆；

步骤四、建立机构弹性动力学模型：

将动臂在弯角定点B(看做和点U重合)处截断为两个单元，这样整个反铲工作装置就分为四个单元、五个节点、十二个广义坐标，即四个单元是动臂下半截单元                                                、动臂上半截单元、斗杆单元、动臂油缸单元，五个节点是动臂与机身铰点C、动臂油缸与机身铰点A、动臂油缸与动臂铰点B、动臂与斗杆铰点F和斗杆与铲斗铰点Q，十二个广义坐标是弹性位移坐标U₂、U₃、U₆、 U₇、曲率坐标U₁、U₅和弹性转角坐标U₄、U₈、U₉、U₁₀、U₁₁、U₁₂，根据弹性动力学理论对液压挖掘机工作装置建立机构弹性动力学模型，如图5所示；

步骤五、系统质量矩阵和刚度矩阵的建立：

5.1、动臂(2)划分出的两个单元、和斗杆单元属于变截面直线单元，其质量矩阵和刚度矩阵计算公式如下： 

  式中为密度   

式中      ， H、B为变截面直线单元中小端的外廓尺寸的高度和宽度，h、b为变截面直线单元中小端的内廓尺寸的高度和宽度，H_max变截面直线单元中大端的外廓尺寸高度

矩阵的表达式为：

        ()

   ()

单元刚度矩阵为：   

      (式中E为弹性模量) 

其中：     ,

,

矩阵、的表达式为：

= ()

=   ()

求出动臂划分出的两个单元和斗杆的单元质量矩阵：、、，单元刚度矩阵、、

5.2、将等效处理后的动臂油缸为等截面直梁，得到单元质量矩阵，单元刚度矩阵,,都是对称矩阵,

5.3系统动力学模型:

引入坐标转换矩阵R：

；其中为单元与横坐标的夹角

 

可得到各单元的单元当量质量矩阵：，，，和单元当量刚度矩阵，，，，装配系统质量矩阵和刚度矩阵：

其中称为坐标协调矩阵，此模型下

 

则该机构对应的无阻尼自由振动方程为

且对应的固有频率方程为

可以得出M和K是L的函数；

步骤六、约束的建立：

在保持原机型不变的情况下，主要有以下约束：

一、等式约束

1、保持最大挖掘深度

动臂最低，F、Q、V三点共线并且垂直于基准地面，此约束表示为：

式中：=

为优化前最大挖掘深度

2、保持最大卸载高度

动臂油缸全伸，QV连线垂直于基准地面，此约束表示为：

式中：

3、斗杆液压油缸的最大理论挖掘力不变

式中：

为QV与过V点的铲斗外形切线夹角

4、最大挖掘半径不变

式中：

二、不等式约束

以下~都要小于0

为了达到挖掘机工作范围，优化后的铰点必须使动臂、斗杆具有足够的转角范围，要求这二者的转角范围在原位以内：

斗杆在极限位置时角度不小于

铲斗在极限位置时角度不小于

斗前壁离动臂的距离应大于10cm

斗杆最大作用力臂范围

结构和几何约束

三角形ABC

三角形DEF

三角形CDF

三角形CBF

三角形EFG

三角形FGN

                     

式中：

带max和min的量表示在相应的油缸伸到最长和最短时的量

gaodu表示挖掘机的最大卸载高度

banjing表示挖掘机的最大挖掘半径；

步骤七、铰点B的优化设计：

设立变量矩阵：X=[CD CB DF BF]，CD为铰点C到铰点D之间的距离，CB为铰点C到铰点B之间的距离， DF为铰点D到铰点F之间的距离，BF为铰点B到铰点F之间的距离,依据原挖掘机工作装置的尺寸，根据KED动力学模型得出含变量的系统质量矩阵和刚度矩阵，建立反应固有频率的目标函数F=-(0.4 ₁+0.3₂+0.2₃+0.1₄)，其中₁，₂，₃，₄表示最低四阶固有频率，系数是经验权值；保证铰点B与U点的相对位置和设计前一致,以不改变原工作装置为约束条件，用Matlab软件编写求解有约束优化的粒子群智能算法程序，计算使固有频率最大的挖掘机工作装置铰点位置，得出BF与CB的比值K_2；

步骤八、铰点F的优化设计：

运用上步得到K₂，优化设计动臂铰点F，设立变量矩阵：X=[CD CB DF EF FG EG GN FN BF FQ CF]，CD为铰点C到铰点D之间的距离，CB为铰点C到铰点B之间的距离， DF为铰点D到铰点F之间的距离，EF为铰点E到铰点F之间的距离，FG为铰点F到铰点G之间的距离，EG为铰点E到铰点G之间的距离， GN为铰点G到铰点N之间的距离，FN为铰点F到铰点N之间的距离，BF为铰点B到铰点F之间的距离, FQ为铰点F到铰点Q之间的距离,CF为铰点C到铰点F之间的距离,依据原挖掘机工作装置的尺寸，根据KED动力学模型得出含变量的系统质量矩阵和刚度矩阵，建立反应固有频率的目标函数F=-(0.4 ₁+0.3₂+0.2₃+0.1₄)，其中₁，₂，₃，₄表示最低四阶固有频率，系数是经验权值；保证铰点B与U点的相对位置和设计前一致,以不改变原工作装置为约束条件，用Matlab软件编写求解有约束优化的粒子群智能算法程序，计算出使固有频率最大的挖掘机工作装置铰点位置，Matlab软件程序可以向发明人索取。