四节臂轮式挖掘机工作装置运动学分析与优化设计探析

四节臂轮式挖掘机工作装置运动学分析与优化设计探析

顾曼曼陈加新

顾曼曼陈加新

山东宝格机械科技有限公司山东临沂276000

摘要：随着我国经济的高速发展，各种工程建设项目越来越多。在这些工程项目的实际建设过程中，经常会使用到非常多的工程机械，并对工程机械的使用性能，往往有着比较高的要求。四节臂轮式挖掘机工作装置在挖掘机运行过程中，发挥着非常重要的作用，一旦设计不合理，就会对挖掘机的工作效果，造成非常大的影响。为此，我将要在本文中对四节臂轮式挖掘机工作装置运动学分析和优化设计进行探讨，希望对促进我国工程建设事业的发展，可以起到有利的作用。

关键词：四节臂轮式挖掘机；工作装置；运动学分析

1前言

轮式挖掘机是以轮胎作为行走执行器的，被简称为轮挖。同传统的履带挖掘机相比，其移动的速度比较快，不容易对地面造成破坏，在各种工程施工过程中，有着比较广泛的应用。在发达国家，轮式挖掘机的市场占有率通常比较高，其移动的灵活性相对较强，在挖掘范围和挖掘力上性能上比较突出【1】。在当前的市场中，很大一部分轮挖采用的是传统的三节臂设计，四节臂工作装置是其中重要的机械机构，在其实际设计过程中，需要采用D-H法来建立运动方程，并通过编程的方式来实现包络图的自动绘制，并建立优化函数，在设计过程中不断对结构设计进行优化。在实际设计的过程中，需要采用MATLAB来对构建的额尺寸和液压缸铰点的位置进行优化设计。

2轮式挖掘机四节臂工作装置结构

在轮式挖掘机的四节臂工作结构主要由动臂1、动臂2、斗杆、铲斗等四部分组成。挖掘机的纵向平面可以简化为首位相互串联的连杆机构，且分别由四组液压缸单独来驱动。为了进一步对挖掘机运动空间进行利用，其各种机械部位的设计相对比较复杂。

3四节臂工作装置的运动学分析

为了有效对挖掘机运动机构的性能进行分析，就需要首先建立运动学模型。在当前挖掘机的实际建模过程中，经常会采用几何法和向量法，参数变量的设计往往比较多。在考虑到四节臂挖掘机的工作装置有动臂、斗杆和铲斗组成，可以直接将其在挖掘平面上简化成首位串联的四杆机构，在确定前后的转动角度，就可以直接得到末端的位置。

利用D-H法来建立连杆的坐标系。如果忽略掉其工作装置的外形尺寸，可以直接简化成两节动臂、斗杆和铲斗简化串联机构。根据相关D-H法的相关介绍，在实际应用的过程中，就需要首先建立机构的连杆坐标系，并制定连杆参数和关节的变化，最后就可以得到连杆的变化矩阵通式。为了进一步计算各连杆之间的相对运动和位姿状态，就需要在每个连杆上建立坐标系，所有的连杆坐标系都应该和连杆建立在一个轴线之上。通过连杆坐标系法来建立方程，并以车架动臂1的中心为坐标系基准【2】。

在经过测量之后，就可以得到D-H参数，并通过将其带入到计算结果矩阵之中，并进行相应的化简，就可以得到位姿变换矩阵运算法则，这可以为后期的运动学分析和优化设计，打下一个非常好的基础。

各节臂铰点相对坐标计算。为了在计算的过程中得到铲斗齿尖相对于基准坐标系的姿态信息，就需要借助计算机来进行铰点的参数计算，并通过运动学方程来进行参数的传递和转化。根据前边文献中介绍的参数定义使用方法，通过运用D-H计算方法，并需要给出各铰点连线的长度，只需要在一开始输入各部件铰点相对于自身连杆坐标系的坐标值，就可以快速得到需要的长度和角度。

在计算过程中，以动臂二为例，可以将连杆坐标系固连在Q点上，并保持x轴与Q

A连线能够相互重合。根据相关坐标系的定义方法，需要将H、L、A点向Q的x，y轴投影，就可以得到其相对坐标系，通过连续使用该方法，就可以得到其它点的相对坐标系。在依次使用连杆变换坐标系，并结合动力学方程进行计算，就可以得到各铰点的绝对坐标值。

在液压挖掘机实际工作的过程中，其是使用液压缸来作为动力源来使用的，在这个过程中需要输入液压缸的长度，并建立与挖掘机臂转角的映射关系。在这个过程中，我们以动臂1为例，设动臂液压缸的长度为l11，并构建液压缸的四杆机构，并通过余弦定理，就可以得出：

4四节臂工作装置铰点位置的优化设计

在当前挖掘机工作装置的优化工程中，主要采用的是运动动力学优化和有限元模型优化，通过这种优化设计方法的应用，能够进一步提升机构力学性能和结构的承载能力。根据轮式挖掘机实际工作特点，需要在其保持现有尺寸的条件下，只有进一步对焊接铰点位置进行优化，才能有效提高其运动范围，其优化结果也不应对对挖掘机的挖掘力产生太大的影响。由于在运动学建模的过程中，采用的是三角函数非线性建模，通过遗传算法的应用，能够有效解决非线性约束化问题。

在上面各种优化原则的基础之上，就可以确定优化目标函数，在保证节臂转角范围的同时，能够让液压缸力臂尽量减到最低，避免对挖掘力产生过大的影响。在实际分析过程中，由于转角范围和力臂单位并不统一，如果采用简单的加权处理方法，难以保证函数的敏感程度【3】。为了有效解决这个问题，这里提出了一种分支目标比例阀，直接利用现有的设计数值作为参照对象，并直接取其优化数值和现有设计数值的比值，然后采用多目标函数分别进行加权优化。

对变量和约束进行有效的优化。在不改变构件主体结构的情况下，通过对液压缸铰点位置进行优化，并将铰接液压缸的焊接耳板和铰点相对于构建的坐标作为优化对象。根据相关设计和工艺上的要求，将可优化变量作为一个可动变动的范围，并认真考虑优化变量的上下界。由于力臂的变动值不能过大，优化后的力臂减少量不能小于原来力臂的百分之五。在优化过程中，采用的是MATLAB当中的遗传算法工具箱。考虑到一般挖掘机采用的是溢流工作状态，所以动臂、斗杆力臂的微小变化并不会对挖掘力输出造成非常大的影响，在实际优化过程中需要额外增加百分之二点九的铲斗挖掘力，这在挖掘机工作装置性能评价中非常重要。

根据前面动力学模型、优化模型和角度求解算法的应用，可以实现对挖掘包络图的自动绘制，在输入前后的优化参数之后，就可以得到挖掘包络图，不仅挖掘范围得到了有效的提高，且挖掘力能够保证。

结语

随着时代的不断发展，对四节臂轮式挖掘机的设计提出了更高的要求。为了保证对挖掘机的设计效果，可以通过应用D-H法来建立轮式挖掘机的运动模型，并将力臂和转角范围作为优化目标，合理对优化目标进行设计，最大程度保证设计效果。

参考文献

[1]液压挖掘机工作装置优化及作业性能探析[J].张伟伟.低碳世界.2014（09）：22-23.

[2]铲运机工作装置基本参数的求解方法[J].周新衡，夏建芳.机械.2004（02）：37-38。

[3]装載机工作装置设计中两缸干涉问题分析[J].张铁柱，杨成康.建筑机械.1987（10）：55-56.