專利名稱：單斗液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置鉸點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于單斗液壓挖掘機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種單斗液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置鉸點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
單斗液壓挖掘機(jī)是一種多功能工程機(jī)械，目前被廣泛應(yīng)用于水利工程、交通運(yùn)輸、電力工程和礦山采掘等機(jī)械施工中，它在減輕繁重的體力勞動(dòng)、保證工程質(zhì)量、加快建設(shè)速度以及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率方面起著十分重要的作用。
單斗液壓挖掘機(jī)的工作條件惡劣，沖擊和振動(dòng)多，作業(yè)過程中承受復(fù)雜的動(dòng)態(tài)載荷；突然增加的重載荷對(duì)機(jī)器產(chǎn)生巨大的沖擊力，從而會(huì)對(duì)機(jī)器的結(jié)構(gòu)件造成很大的損害，導(dǎo)致材料疲勞失效、零部件磨損及緊固件變松。解決這些問題的有效方法就是提高單斗液壓挖掘機(jī)工作裝置的彈性動(dòng)力學(xué)特性，如圖I所示為單斗液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置機(jī)構(gòu)簡圖，它包括機(jī)身I、動(dòng)臂2、動(dòng)臂油缸3、斗桿油缸4、斗桿5、鏟斗油缸6、連桿7、搖桿8、鏟斗9，其工作機(jī)構(gòu)中共有11個(gè)鉸點(diǎn)，即A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、Q，這些鉸點(diǎn)影響反鏟工作裝置的固有頻率、運(yùn)動(dòng)和最大理論挖掘力，但目前，挖掘機(jī)反鏟工作裝置鉸點(diǎn)的設(shè)計(jì)，都是依照各部件的幾何要求和運(yùn)動(dòng)來確定的，個(gè)別方法以挖掘機(jī)的挖掘力最大為目標(biāo)對(duì)反鏟工作裝置的鉸點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這些方法的缺點(diǎn)是只從靜態(tài)出發(fā)來設(shè)計(jì)反鏟工作裝置的鉸點(diǎn)，沒有考慮到反鏟工作裝置的鉸點(diǎn)對(duì)工作裝置固有頻率的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種單斗液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置中動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)B和動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)F的設(shè)計(jì)方法，可以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，其特征在于其設(shè)計(jì)步驟為
步驟一、原挖掘機(jī)工作裝置尺寸及位姿選定
找到要優(yōu)化的挖掘機(jī)反鏟工作裝置尺寸，選取挖掘機(jī)最大挖掘深度為優(yōu)化設(shè)計(jì)位姿，如圖2所示；
步驟二、建立機(jī)構(gòu)模型
由于最大沖擊力產(chǎn)生在挖掘瞬間，由于土壤粘滯阻力存在，挖掘越緊固的土壤時(shí)產(chǎn)生的沖擊越大，而緊固的土壤對(duì)鏟斗的摩擦約束可近似等效為固定約束，從而建立動(dòng)臂2、斗桿5和動(dòng)臂油缸3三個(gè)主要部件的機(jī)構(gòu)模型，如圖3所示；
步驟三、將動(dòng)臂油缸全縮時(shí)等效成一根等直徑桿
在軟件ANSYS中，將動(dòng)臂油缸全縮時(shí)的裝配體一端固定，另一端施加軸向力F1和徑向力F2, F1S油缸最大推力，F(xiàn)2S L 6N/mm的線分布力，分別記錄最大軸向變形Ls、最大徑向變形Wq，依據(jù)等效原則等效桿件應(yīng)具有與原裝配體相近的彎曲剛度和拉壓剛度，先假設(shè)一確定直徑且與動(dòng)臂油缸全縮時(shí)等長的假設(shè)桿，假設(shè)桿在軸向力F1和徑向力F2作用下產(chǎn)生的變形分別為Ls2和Wq2,改變等效桿的彈性模量，使殘差平方和Zbx= (Ls-Ls2)2+ (Wq-Wq2)2最小，將動(dòng)臂油缸等效成一根等直徑桿，如圖4所示；
步驟四、建立機(jī)構(gòu)彈性動(dòng)力學(xué)模型
如圖5所示，將動(dòng)臂在彎角定點(diǎn)B (看做與彎點(diǎn)U重合)處截?cái)酁閮蓚€(gè)單元，這樣整個(gè)反鏟工作裝置就分為四個(gè)單元，五個(gè)節(jié)點(diǎn)，十二個(gè)廣義坐標(biāo)，即四個(gè)單元是動(dòng)臂下半截單元
①、動(dòng)臂上半截單元@、斗桿單元(|)、動(dòng)臂油缸單元(D，五個(gè)節(jié)點(diǎn)是動(dòng)臂與機(jī)身鉸點(diǎn)C、動(dòng)
臂油缸與機(jī)身鉸點(diǎn)A、動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂鉸點(diǎn)B、動(dòng)臂與斗桿鉸點(diǎn)F和斗桿與纟產(chǎn)斗鉸點(diǎn)Q,十二個(gè)廣義坐標(biāo)是彈性位移坐標(biāo)U2、U3、U6、U7、曲率坐標(biāo)U” U5和彈性轉(zhuǎn)角坐標(biāo)U4、U8、U9、U10'U11, U12，根據(jù)彈性動(dòng)力學(xué)理論對(duì)液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置建立機(jī)構(gòu)彈性動(dòng)力學(xué)模型，如圖5所示；
步驟五、系統(tǒng)質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的建立
5.I、動(dòng)臂2劃分出的兩個(gè)單元①、@和斗桿單元@屬于變截面直線單元，如圖6所
示，其質(zhì)量矩陣和剛度矩陣計(jì)算公式如下
權(quán)利要求
1.一種單斗液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置鉸點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)(B)和動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)(F)的設(shè)計(jì)方法是 步驟一、原挖掘機(jī)工作裝置尺寸及位姿選定 找到要優(yōu)化的挖掘機(jī)工作裝置尺寸，選取挖掘機(jī)最大挖掘深度為優(yōu)化設(shè)計(jì)位姿； 步驟二、建立機(jī)構(gòu)模型 由于最大沖擊力產(chǎn)生在挖掘瞬間，由于土壤粘滯阻力存在，挖掘越緊固的土壤時(shí)產(chǎn)生的沖擊越大，而緊固的土壤對(duì)鏟斗的摩擦約束可近似等效為固定約束，從而建立動(dòng)臂(2)、斗桿(5)和動(dòng)臂油缸(3)三個(gè)主要部件的機(jī)構(gòu)模型； 步驟三、將動(dòng)臂油缸全縮時(shí)等效成一根等直徑桿 在軟件ANSYS中，將動(dòng)臂油缸全縮時(shí)的裝配體一端固定，另一端施加軸向力F1和徑向力F2，F(xiàn)1S油缸最大推力，F(xiàn)2為L 6N/mm的線分布力，分別記錄最大軸向變形Ls和最大徑向變形Wq，依據(jù)等效原則等效桿件應(yīng)具有與原裝配體相近的彎曲剛度和拉壓剛度，先假設(shè)一確定直徑且與動(dòng)臂油缸全縮時(shí)等長，假設(shè)桿在軸向力F1和徑向力F2作用下產(chǎn)生的變形分別為Ls2和Wq2,改變等效桿的彈性模量，使殘差平方和Zbx= (Ls-Ls2)2+ (Wq-Wq2)2最小，將動(dòng)臂油缸等效成一根等直徑桿； 步驟四、建立機(jī)構(gòu)彈性動(dòng)力學(xué)模型 將動(dòng)臂在彎角定點(diǎn)B(看做和點(diǎn)U重合)處截?cái)酁閮蓚€(gè)單元，這樣整個(gè)反鏟工作裝置就分為四個(gè)單元、五個(gè)節(jié)點(diǎn)、十二個(gè)廣義坐標(biāo)，即四個(gè)單元是動(dòng)臂下半截單元①、動(dòng)臂上半截單元@、斗桿單元③、動(dòng)臂油缸單元Φ ,五個(gè)節(jié)點(diǎn)是動(dòng)臂與機(jī)身鉸點(diǎn)C、動(dòng)臂油缸與機(jī)身鉸點(diǎn)A、動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂鉸點(diǎn)B、動(dòng)臂與斗桿鉸點(diǎn)F和斗桿與纟產(chǎn)斗鉸點(diǎn)Q,十二個(gè)廣義坐標(biāo)是彈性位移坐標(biāo)U2、U3、U6, U”曲率坐標(biāo)U1' U5和彈性轉(zhuǎn)角坐標(biāo)U4、U8、U9、U10, Un、U12，根據(jù)彈性動(dòng)力學(xué)理論對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置建立機(jī)構(gòu)彈性動(dòng)力學(xué)模型，如圖5所示；步驟五、系統(tǒng)質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的建立 . 5. I、動(dòng)臂(2)劃分出的兩個(gè)單元①、②和斗桿單元③屬于變截面直線單元，其質(zhì)量矩陣和剛度矩陣計(jì)算公式如下
全文摘要
一種單斗液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置鉸點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，屬于單斗液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂的鉸點(diǎn)(B)和動(dòng)臂與斗桿的鉸點(diǎn)(F)的設(shè)計(jì)方法是步驟一、原挖掘機(jī)工作裝置尺寸及位姿選定，步驟二、建立機(jī)構(gòu)模型，步驟三、將動(dòng)臂油缸全縮時(shí)等效成一根等直徑桿，步驟四、建立機(jī)構(gòu)彈性動(dòng)力學(xué)模型，步驟五、系統(tǒng)質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的建立，步驟六、約束的建立步驟七、鉸點(diǎn)B的優(yōu)化設(shè)計(jì)，步驟八、鉸點(diǎn)F的優(yōu)化設(shè)計(jì)；本方法運(yùn)用粒子群智能算法計(jì)算反鏟工作裝置固有頻率最大鉸點(diǎn)位置來設(shè)計(jì)鉸點(diǎn)，具有設(shè)計(jì)周期短、程序化程度高、系統(tǒng)的提高反鏟工作裝置動(dòng)態(tài)特性等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)E02F3/38GK102720231SQ20121019284
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月13日
發(fā)明者張學(xué)良, 李建成, 李海虹, 陳志恢 申請(qǐng)人:太原科技大學(xué)