ZL40裝載機工作裝置優(yōu)化設(shè)計含4張CAD圖
ZL40裝載機工作裝置優(yōu)化設(shè)計含4張CAD圖,zl40,裝載,機工,裝置,優(yōu)化,設(shè)計,cad
摘 要
裝載機在我國是從七十年代開始發(fā)展的，主要有履帶式裝載機及輪式裝載機。隨著科學(xué)的發(fā)展，裝載機的種類越來越多。同時，把提高效率、減少成本為目標(biāo)，它向著巨型和微型兩個方向發(fā)展。
本文主要講的是裝載機的優(yōu)化設(shè)計問題。本文利用計算機優(yōu)化技術(shù)對裝載機工作裝置進行分析和研究，選擇復(fù)合形法作為此次的優(yōu)化方法，按照設(shè)計要求建立了裝載機工作裝置的數(shù)學(xué)模型。還對裝載機的鏟斗，動臂及搖臂進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
本文著重講述了數(shù)學(xué)模型的建立和典型工況的特性分析，并以ZL40為例進行了優(yōu)化設(shè)計，并根據(jù)其優(yōu)化以后的坐標(biāo)，設(shè)計了整個工作裝置，并選擇了裝載機的典型工況校核其強度，從而嚴(yán)整了本文數(shù)學(xué)及優(yōu)化程序的正確性，可靠性。
關(guān)鍵詞：裝載機 優(yōu)化設(shè)計 數(shù)學(xué)模型 復(fù)合形法
ABSTRACT
Loaders in China from the 1970s began to develop, mainly crawler loaders and wheel loaders. With the development of science, there are more and more kinds of loaders. At the same time, to improve efficiency, reduce costs as the goal, it is towards the giant and micro-two directions.
This article mainly talks about the optimal design of the loader. In this paper, the computer optimization technology is used to analyze and study the working device of the loader, and the complex method is chosen as the optimization method. The structure of bucket, boom and rocker arm of the loader is optimized.
In this paper, the establishment of the mathematical model and the characteristic analysis of the typical working condition are emphatically described, and the optimized design is made with ZL40 as an example, and according to its optimized coordinates, the whole working device is designed, the typical working condition of the loader is selected to check its strength, so that the correctness and reliability of the mathematics and optimization program are strictly regulated.
Keywords: Loading Machine Optimum Design
Mathematic Model Flexible Polyhedron Method
目 錄
第一章 緒論 1
第二章 工作裝置優(yōu)化設(shè)計 3
2.1 優(yōu)化設(shè)計概述 3
2.2 優(yōu)化過程 3
2.2.1設(shè)計要求： 4
2.2.2數(shù)學(xué)模型的建立： 4
2.2.3 優(yōu)化方法的選擇： 6
2.2.4復(fù)合形法簡介 6
2.2.5裝載機工作裝置數(shù)學(xué)模型的建立 13
第三章 工作裝置結(jié)構(gòu)與強度分析 25
3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 25
3.1.1鏟斗設(shè)計 25
3.1.2動臂，搖臂的設(shè)計 27
3.2 強度分析 28
3.2.1工作裝置典型工況的選擇及外載荷的確定 28
3.2.2工作裝置受力分析及校核 29
3.3 強度計算： 29
3.3.1 對工作裝置的受力分析： 29
3.3.2 強度校核 34
第四章 工藝設(shè)計 41
4.1 工藝規(guī)程加工工藝的指定 41
第五章 優(yōu)化設(shè)計FORTRAN程序設(shè)計 45
結(jié) 論 60
參考文獻 61
致 謝 62
I
第一章 緒論
我們都知道裝載機是一個關(guān)鍵部分對于鏟土運輸機械來說，它在我們的國民經(jīng)濟建設(shè)中起著至關(guān)的作用。在水電，鐵路，公路等國防等工程中裝載機都發(fā)揮著重要的作用Error! Reference source not found.。裝載機發(fā)揮的主要作用有加快工程建設(shè)，減輕勞動強度和降低工程成本Error! Reference source not found.。
裝載機最早是以畜力為動力的，直到二十年代才開始出現(xiàn)帶有動力的裝載機。三十年代，出現(xiàn)了輪胎式裝載機，在六十年代就開始大量制造及使用，設(shè)計和生產(chǎn)進入了一個嶄新的時期。六十年代初，我國就開始建立了專門部門，成立了科研機構(gòu)，還建立了專門生產(chǎn)的工廠。這段時間，我國還開始研制在專用底盤基礎(chǔ)上制作的裝載機，并且許多廠家取得了成功，形成了獨立的系列。
從整體性能，結(jié)構(gòu)形式及主要參數(shù)等綜合技術(shù)指標(biāo)來看，我國裝載機技術(shù)已經(jīng)十分接近或達到國外先進水平，但是由于各種原因，產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量與先進國家相比還是有一些差距。自七十年代以來，微型化和大型化開始成為裝載機發(fā)展的兩個趨勢。裝載機生產(chǎn)隨著時間的發(fā)展，生產(chǎn)廠家為了縮短生產(chǎn)周期，降低成產(chǎn)成本，裝載機的許多總成件，如發(fā)動機，變矩器，變速箱等都采用外購的形式，但是考慮到多方面的原因，工作裝置將由生產(chǎn)廠家自行設(shè)計和生產(chǎn)。
我們知道，裝載機的裝卸活動主要是依靠工作裝置相對運動來完成的Error! Reference source not found.。工作裝置依靠其組成的鏟斗、動臂、搖臂、轉(zhuǎn)斗油缸、動臂油缸以及連桿相對運動來實現(xiàn)裝載機的工作任務(wù)Error! Reference source not found.。這可以大幅度提高裝載機整機的機械性能，很大程度提高發(fā)動機的使用效率，從根本上提高裝載機在生產(chǎn)實踐中的生產(chǎn)效率及使用性能。
為了一個好的設(shè)計方案，我們經(jīng)常需要設(shè)計好幾個研究方案，并在里面選取最好的。設(shè)計方案優(yōu)異從根本上影響裝載機的使用性能及設(shè)計要求，因此在設(shè)計過程中需要設(shè)計人員在設(shè)計過程中反復(fù)修改校驗，依據(jù)或者參照現(xiàn)有的實體產(chǎn)品模型和生產(chǎn)效用，以及設(shè)計經(jīng)驗來檢測設(shè)計產(chǎn)品的準(zhǔn)確性，這個過程是耗時反復(fù)的，需要更多的精力。但是如果只按照經(jīng)驗進行設(shè)計，能設(shè)計出來的方案就很有限，想要在里面得到一份好的設(shè)計方案是十分困難的。而對于工作裝置來說也是一樣的，它上面的鉸點的不同分布，會對各組成件的受力和運動情況產(chǎn)生很大的影響。所以我們需要換一種思路，能不能在傳統(tǒng)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，用一種更好的方法，按照設(shè)計者的要求和目的，重新布置鉸點的位置，使其更趨于合理化。而計算機的優(yōu)化設(shè)計就給我們提供了這樣的一種可能性。
隨著計算機技術(shù)的日漸發(fā)展，優(yōu)化設(shè)計也被應(yīng)用到了生產(chǎn)設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)里面。我們利用計算機技術(shù)得到的優(yōu)化設(shè)計去找到最優(yōu)的或者最佳的解，使得設(shè)計結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確性大大的提高，這次設(shè)計的主要目的是按照要求，運用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方案，對以前的數(shù)據(jù)給以優(yōu)化，前后作比較，從而對這一課題提供感性和理性的認識。
69
第二章 工作裝置優(yōu)化設(shè)計
2.1 優(yōu)化設(shè)計概述
優(yōu)化設(shè)計是通過計算機技術(shù)的普及快速的流行和發(fā)展起來的新型科技理念。它也是一項新的技術(shù)。它在工程設(shè)計，鐵路，機床，建筑，化工，交通運輸?shù)缺姸喾矫娴玫綐O大的應(yīng)用。而“最優(yōu)化”就是整個設(shè)計行業(yè)設(shè)計人員畢生追求的詞匯，最優(yōu)化就是在眾多的產(chǎn)品中找到最優(yōu)解，從而提高產(chǎn)品的設(shè)計性能和參數(shù)，以達到最佳的經(jīng)濟效益。
數(shù)學(xué)規(guī)劃是實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計理論的重要手段，它以電子計算機作為主要工具，它有一些獨特的好處。主要表現(xiàn)在以下兩個方面：
1利用計算機技術(shù)快速得到最優(yōu)的解，通過優(yōu)劣對比以及生產(chǎn)實際效果，在最短的時間內(nèi)判斷方案的可行性，大幅度提高設(shè)計效率。
2.優(yōu)化設(shè)計大部分得到的是理想設(shè)計參數(shù)，需要設(shè)計人員通過實際效用和生產(chǎn)實際，進行修改。
當(dāng)然優(yōu)化設(shè)計也有缺點，優(yōu)化設(shè)計是依靠計算機實現(xiàn)的，所以從某種程度來說，需要依靠計算機功能的發(fā)展而發(fā)展，從某個側(cè)面來說，優(yōu)化設(shè)計是一個理想型的概念，是每一個從業(yè)的設(shè)計人員一生的追求。
2.2 優(yōu)化過程
優(yōu)化的過程我們可以用以下框圖2-1來表示：
圖2-1 優(yōu)化過程圖
2.2.1 設(shè)計要求：
以ZL40裝載機的工作裝置各鉸點的原始數(shù)據(jù)為依據(jù)以提高裝載機效率和省力為目的去建立數(shù)學(xué)模型，編制優(yōu)化程序，輸出各鉸點的最優(yōu)位置，并與原始設(shè)計產(chǎn)品進行比較。
2.2.2 數(shù)學(xué)模型的建立：
優(yōu)化隨機問題區(qū)別于人工試湊法，就在于優(yōu)化設(shè)計把每一個要求的設(shè)計指標(biāo)都嚴(yán)格地用數(shù)學(xué)模型來描述，從而數(shù)學(xué)模型的滿足就代表的是合計要求的實現(xiàn)。約束條件，參數(shù)變量，目標(biāo)函數(shù)是構(gòu)成數(shù)據(jù)模型的重要組成部分。利用數(shù)據(jù)化概念，把一組參數(shù)來模擬表示一個方案我們叫它優(yōu)化變量。設(shè)計變量是一組數(shù)，構(gòu)成一個數(shù)組。它在優(yōu)化設(shè)計中被看成一個矢量，常用表示，當(dāng)有n個設(shè)計變量時，就是n維化設(shè)計問題，它構(gòu)成的超越空間用表示（），通過對結(jié)果進行分析并得到最優(yōu)解是優(yōu)化設(shè)計的整個核心。
在機械優(yōu)化設(shè)計問題里，其中設(shè)計變量=，一般總要受到某些條件的限制，即，所有的不等式構(gòu)成了設(shè)計的可行域，設(shè)計點X在維設(shè)計空間內(nèi)就被分為兩部分：一部分在可行域內(nèi)，另一部分不在可行域內(nèi)，我們在可行域求出最優(yōu)解。這種帶有約束條件的優(yōu)化問題就是我們所說的約束優(yōu)化問題。
最優(yōu)化設(shè)計就是要在多種限制因素下找出使人最滿意的參數(shù)。這些參數(shù)將是針對某些具體問題體現(xiàn)出來的某一特定目標(biāo)。用設(shè)計變量的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系來表示問題所追求的目標(biāo)，這就是最優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)，用來表示：
= （2-1）
通過對目標(biāo)函數(shù)值的分析來判斷設(shè)計的優(yōu)劣性，并通過對比得到最優(yōu)解。在一般優(yōu)化設(shè)計過程中，這個函數(shù)的最小值一般就是最優(yōu)解。利用數(shù)學(xué)模型來表示目標(biāo)函數(shù)的最小值，可以使原理更加清楚，而最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的一般表示為：
min （2-2）
D: n=1，2……..，p
式中D表示P個不等式約束條件下所規(guī)定的可行域。
2.2.3 優(yōu)化方法的選擇：
在線性代數(shù)學(xué)習(xí)過程中我們可以知道，非線性求解是很困難的，所以我們在選擇方法是盡量避免涉及到求導(dǎo)的優(yōu)化方法，這類不需要求導(dǎo)的方法很多，在這里我們使用復(fù)合形法。
2.2.4復(fù)合形法簡介
我們知道解決約束優(yōu)化問題的一種普遍的解法就是復(fù)合形法，它的主要步驟是創(chuàng)建一個初始復(fù)合形，它有k個頂點，并且這個復(fù)合形在可行域內(nèi)。計算并統(tǒng)計這個初始復(fù)合形各頂點的目標(biāo)函數(shù)數(shù)值，然后在這些目標(biāo)函數(shù)里面找到數(shù)值最大的點，將這個點舍去，然后再繼續(xù)求出目標(biāo)函數(shù)值里所有下降的可行的新點，并用這個新點來代替那個數(shù)值最大的點，組成新的復(fù)合形。在這個過程中每當(dāng)改變一次復(fù)合形的形狀，則找出的最優(yōu)點就會越精確。因為復(fù)合形法其形狀可以使用不規(guī)則圖形，而且它的設(shè)計條件無特殊要求，所以它的實用性很強，在機械優(yōu)化設(shè)計這塊得到廣泛的應(yīng)用。
（1） 初始復(fù)合形法的過程
在可行域內(nèi)去尋找最優(yōu)解即最優(yōu)點的方法就是復(fù)合形法，其限制條件為初始復(fù)合形在可行域范圍內(nèi)，其圖形各頂點即為可行點。
初始復(fù)合形設(shè)計過程如下
首先我們先選擇一個可行點，然后用隨機法產(chǎn)生其余可行點，其中可行點總數(shù)為（K-1）個。
可行點的各頂點按下式計算：
（2-3）
式中 復(fù)合形中的第j個頂點記為
設(shè)計變量下限為a
設(shè)計變量上限為b
=0~1中隨機數(shù)
在實際計算中我們可以了解到不是所有隨機產(chǎn)生的點都在可行域，因此我們必須利用某種方法把所有的不可行點都落在可行域內(nèi)。用以下方法進行優(yōu)化。
求解已在可行域的L個頂點的中心
（2-4）
式中：在可行域的L個頂點的中心為
首先我們需要將那些不可行點向中心點移動，需要用到下面這條式子
（2-5）
使用上述公式，使得所有的不可行點都落在可行域之內(nèi)，就可以得到初始復(fù)合形。
如果計算發(fā)現(xiàn)還是不可行點，則繼續(xù)用上式，讓它繼續(xù)往中心點移動，實際上我們可以發(fā)現(xiàn)，如果中心點是可行，那么點就可以移動到可行域，而那些（k-1）個點經(jīng)過上述方法處理后，也都成為可行點，從而組成初始復(fù)合形。
在實際使用過程中，利用經(jīng)驗可以知道，如果可行域為凸集，心點一定為可行點，可行域為非凸集，心點就不一定在可行域內(nèi)。此時，我們就需要改變參數(shù)上限和下限值，重新生成可行點，在可行域內(nèi)產(chǎn)生新的初始復(fù)合形。
（二）復(fù)合形法的搜索方法
當(dāng)出現(xiàn)初始復(fù)合形后，我們需要要讓復(fù)合形約束向最優(yōu)點靠近，這時候我們就要使用一些方法去改變復(fù)合形的形狀。下面有幾種主要改變復(fù)合形形狀的搜索方法：
1) 反解
反解是可以改變復(fù)合形形狀的一種主要搜索方法，計算過程如下。
（1）計算出復(fù)合形各頂點的目標(biāo)函數(shù)值，并比較目標(biāo)函數(shù)值的大小，求出目標(biāo)函數(shù)值里的最好點，最壞點和次壞點
（2-6）
（2）計算（k-1）個頂點的中心（除掉最壞點）
（2-7）
（3）在實際過程中，我們可以知道，目標(biāo)函數(shù)下降的方向就是中心點與最壞點的連線方向。所以，我們就可以把點做為中心，把最壞點按比例反解，這樣就有可能找到一個新點，新點會比最壞點的目標(biāo)函數(shù)數(shù)值要小。我們把稱反解點，而反解點與最壞點的相對位置如圖2-2。
圖2-2 反解點和最壞點相對位置圖
其公式為…. 式中反解系數(shù)=1.3
（4）判斷反解點的位置
如果是可行點，則比較和這兩個點的目標(biāo)函數(shù)值的大小，要是滿足條件<，就舍去用組成新的復(fù)合形，實現(xiàn)一次迭代；要是不滿足條件，當(dāng)，就需要將的數(shù)值縮小0.7倍，再重新代入上式算出新的反解點，要是還是不可行點，就繼續(xù)縮小的數(shù)值，一直至到滿足條件<為止。
若是不可行點，我們就需要將把的數(shù)值縮小0.7倍，繼續(xù)用上式算出反解點，一直到它是可行點為止。當(dāng)變成可行點時，就和上面的步驟一樣，先判斷和的大小，只要<，就用替換實現(xiàn)一次迭代。
綜上所述，反解成功的條件是
2） 擴張
如果可行點目標(biāo)函數(shù)下降幅度較大，我們必須沿反解方向移動，采用擴張的方法可以求得擴張點
（圖2-3所示）
圖2-3 擴張法示意圖
擴張點計算公式為： （2-8）
上式中擴張系數(shù)=1
若可行點代入，滿足條件，則擴張成功，若不滿足條件，則擴張失敗，就不進行擴張。
3）壓縮
如果上述方法不可行，就采用壓縮方法。壓縮的復(fù)合形如圖2-4：
圖2-4 壓縮復(fù)合形示意圖
其計算公式為： （2-9）
對復(fù)合形使用反解，擴張收縮，改變其形狀。
（三）復(fù)合形法的計算過程
復(fù)合形法的計算過程如下圖2-5：
1）選擇復(fù)合形的頂點數(shù)k，在可行域內(nèi)構(gòu)成一個具有k個頂點的初始復(fù)合形，其中中k（n+1k2n）。
圖2-5 復(fù)合法計算過程圖
2）首先求解出復(fù)合形的各頂點數(shù)值，再比較他們的數(shù)值大小，分別列出最壞點，次壞點和最好點。
3）舍去最壞點，接著計算剩下的（k-1）個頂點的中心點，判斷是不是可行點，如果為可行點，則進行步驟（4），如果不是可行點，則需要改變設(shè)定變量的上下限值，即令，，再進行步驟（4），組成初始復(fù)合形。
4）當(dāng)計算反解點，如果實在不行就改變反解點系數(shù)，一直到反解成功。再舍去最壞點并用反解點組成新的復(fù)合形。
5）收斂條件：
當(dāng)滿足 這個條件時，就不再計算，
約束最優(yōu)解就是，要是條件不滿足則重新進行步驟（2）。
2.2.5 裝載機工作裝置數(shù)學(xué)模型的建立
1） 六連桿機構(gòu)工作裝置分析模型
把機架當(dāng)做反轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)工作裝置的運動參考系，并建立下圖2-6這樣的平面直角坐標(biāo)系XOY，由下圖2-6我們可以知道該機構(gòu)的運動自由度為2，當(dāng)動臂位置角UG和鏟斗位置角U位置確定后，就可以確定該機構(gòu)的運動狀態(tài)，把UG和U當(dāng)作自變量，然后用相對坐標(biāo)的向徑法進行計算。
圖 2-6 平面直角坐標(biāo)系XOY圖
圖2-7 平面直角坐標(biāo)系XOY圖
表2-1 六連桿機構(gòu)工作裝置參數(shù)表
符號
物理意義
符號
物理意義
動臂AGD中AD邊長
動臂上限位置角
鏟斗兩鉸點A B間長度
動臂運輸位置角
拉桿BC長度
上，下?lián)u臂桿DE與DC所夾的鈍角
下?lián)u臂CD長度
動臂AGD中〈ADG
動臂AGD中GD邊長
地面鏟掘工況時的〈GDE
上搖臂DE長度
AB桿與X軸正向夾角
任意工況下轉(zhuǎn)斗缸EF長度
動臂AGD中〈GDE
鏟斗四連桿機構(gòu)DEFG中機架GF長度
L
動臂長度
舉升機構(gòu)中GI長度
鏟斗具有下挖深度時的動臂位置角
舉升機構(gòu)中機架桿GH長度
動臂回擺角
表2-2 六連桿機構(gòu)工作裝置參數(shù)表
前車輪輪胎半徑
最小卸載距離
機架桿GF與Y軸負方向的夾角
最大卸載距離
動臂AGD中〈IGA
鏟斗斗底長度
GI桿徑向角，即〈IGA，
I點在AG桿上為正，反之為負
鏟斗下挖深度
動臂上鉸點接點G的離地高度
動臂下限位置角
地面鏟掘工況時，動臂下接鉸點
A的離地距離
GH與Y軸所夾的為銳角
H點在Y軸之右為正，反之為負
運輸工況時，動臂下接鉸點A的離地距離
前橋中心點J在XOY坐標(biāo)系中的坐標(biāo)
符號的物理意義見上表
基本參數(shù)間的相互關(guān)系
由圖2-6及三角函數(shù)關(guān)系可得：
如圖2-7所示，在進行裝載機總體設(shè)計時，需要先測量以下距離。
（1）前橋中心位置坐標(biāo)記為（，），前輪輪胎半徑記為
（2） 動臂上鉸接點G在前車架上的距離地面高度記為Y1
（3） 運輸工況時A點距離地高度記為Y4
（4） 地面鏟掘工況時，A點的距離地面高度記為Y3
（5） 最小卸載距離記為和最大卸載高度記為，鏟斗下挖深度記為。
由此可以求出下列這些參數(shù)，即：
我們選擇分析工況是裝載機處于離地鏟掘工作狀態(tài)下。我們可以通過分析這個狀態(tài)下裝載機的性能可知，在不包括基本參數(shù)的情況下，我們還要設(shè)置14個其他相關(guān)參數(shù)，我們用相對坐標(biāo)的徑向法來表示這14個參數(shù)分別為，，，，，，，，，，，，，。 然后把這些參數(shù)分成兩個部分，一部分是用來判斷舉升機構(gòu)的主要參數(shù)，另一部分是用來判斷連桿機構(gòu)的主要參數(shù)。通過這種方式，才能夠近似于模擬實際情況下的工作裝置。
用向量的形式表示如下：
當(dāng)我們知道這些參數(shù)后，就可以算出這個工作裝置的其它參數(shù)：
工作裝置基本關(guān)系式的建立
（1）計算轉(zhuǎn)斗缸的長度
（2）計算鏟斗位置角U
（2-10）
（3）計算最小安裝距CC和最大行程DD
（4）計算連桿機構(gòu)的傳動比
（2-11）
式中
2）設(shè)計變量
一般情況下工作裝置的標(biāo)定工況就是地面鏟掘位置時的工況，當(dāng)工作裝置的各個構(gòu)件之間的位置和長度確定之后，我們就可以確定它的結(jié)構(gòu)形式，要確定一個工作裝置時，我們至多需要10個設(shè)計變量，即，，，，，，，，，，，所以，我們可選擇上述變量當(dāng)作工作裝置反轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的變量，即
3）目標(biāo)函數(shù)
當(dāng)裝載機確定型號后，他的最大掘起力會受到該型號機器參數(shù)的限制，所以在優(yōu)化設(shè)計的時候，不能只考慮使掘起力達到最大，還應(yīng)該考慮崛起效率，實際上，當(dāng)功率確定時，工作裝置的崛起力越大崛起速度就越小，他們不是正比關(guān)系，這會影響崛起效率，所以在設(shè)計時，當(dāng)掘起力達到需要的條件時再去提高鏟斗的掘起速度，就可以讓工作裝置更加的完善。所以，對工作裝置的連桿機構(gòu)而言，優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)既要滿足使工作裝置連桿機構(gòu)傳力比達到最大的條件，同時滿足轉(zhuǎn)斗油缸的行程最短這個條件，把下面目標(biāo)函數(shù)當(dāng)作優(yōu)化目標(biāo)：
（2-12）
式中，，表示的是分目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)因子，它的取值可以體現(xiàn)出各分目標(biāo)函數(shù)的重要程度，+=1
—最不易卸料位置時，轉(zhuǎn)斗缸的卸料長度。
—連桿機構(gòu)的傳力比
4）約束條件
邊界約束：根據(jù)工作裝置和整機尺寸的要求，給出設(shè)計變量允許變化的空間范圍，而這些設(shè)計變量的取值范圍就是邊界約束Error! Reference source not found.。
設(shè)計變量上，下限的取值一方面可參考同噸位的現(xiàn)有裝載機工作裝置的結(jié)構(gòu)尺寸進行選擇，另一方面可采用優(yōu)擇設(shè)計法確定Error! Reference source not found.。
某些性能和設(shè)計要求所需要的一些約束條件稱作性能約束Error! Reference source not found.。
（1）平移性約束.
平移性約束，主要指的就是鏟斗收斗角的變化特性在動臂舉升過程中Error! Reference source not found.。通常情況下以上限位置，動臂下限和運輸位置時的鏟斗收角來衡量Error! Reference source not found.。為確保鏟斗在進行工作時能夠裝滿裝載物，依據(jù)鏟斗及機構(gòu)形式有差異，下限收斗角通常為15到46度，當(dāng)處于運輸位置時收斗角應(yīng)要比46度大，處于上限位置時，收斗角應(yīng)比62度小。
假設(shè)上限位置和運輸位置鏟斗的收斗角分別為和，則可以建立下列約束條件：
—收斗角在運輸位置和上限位置的差值，
—運輸位置收斗角的限定值
—最大收斗角與上限位置收斗角之差的上限值
—上限位置收斗角的限定角
—最大收斗角
（2）靠檔塊約束：
靠檔塊約束：是指動臂從下限位置一直到運輸位置的過程中，鏟斗始終在動臂的檔塊上Error! Reference source not found.。
創(chuàng)建靠檔塊約束：
此過程中，鏟斗相對動臂的轉(zhuǎn)角為:
（3）連桿機構(gòu)運動的協(xié)調(diào)性約束
（4） 布置約束
5） 優(yōu)化結(jié)果分析
下圖2-8，2-9，2-10是優(yōu)化前和優(yōu)化后舉升機構(gòu)的性能和工作裝置連桿機構(gòu)對比情況。其中圖2-8，2-9，2-10中的虛線表示的是機構(gòu)優(yōu)化后的性能曲線，實線則表示機構(gòu)優(yōu)化前的性能曲線。由圖我們可以明確了解到采用優(yōu)化設(shè)計，可以明顯的提高和完善工作裝置的性能。
圖2-8 優(yōu)化前后鏟斗收斗角對比圖
圖2-9 優(yōu)化前后最小傳力角對比圖
圖2-10 優(yōu)化前后連桿機構(gòu)傳動比對比圖
第三章 工作裝置結(jié)構(gòu)與強度分析
3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
利用優(yōu)化設(shè)計所得到的結(jié)果，對工作裝置的結(jié)構(gòu)進行計算和分析。
3.1.1 鏟斗設(shè)計
我們都知道鏟斗對于裝載機的工作裝置是一個不可或缺的部分，當(dāng)裝載機進行挖掘工作時會用鏟斗進行鏟掘裝載，運輸和傾卸物料，而裝載機的鏟斗的部分因素會影響裝載機的生產(chǎn)效率，插入阻力和鏟起阻力，所以我們需要考慮并設(shè)計這些因素。這些因素主要包括鏟斗尺寸參數(shù)和結(jié)構(gòu)形狀。
1） 結(jié)構(gòu)型式：
綜合考慮各方原因，選用裝有斗齒的直線型切削刃。
2） 基本參數(shù)的確定：
鏟斗的回轉(zhuǎn)半徑以及鏟斗寬度 是鏟斗的基本參數(shù)
而鏟斗回轉(zhuǎn)半徑的計算公式為：
（3-1）
式中，—幾何斗容量為2.3
—鏟斗內(nèi)側(cè)寬度為2.77 m.
—鏟斗斗底長度系數(shù)為1.4
—后斗臂長度系數(shù)為1.1
—擋板高度系數(shù)為0.13
——斗底和后斗臂間的圓弧半徑系數(shù)為2.35
—擋板與后斗壁間的夾角為10
—斗底和后斗壁間的夾角48
將以上參數(shù)代入公式可得=1.2876 m
所以，后斗壁長度 （3-2）
擋板長度 :
（3-3）
鏟斗圓弧半徑 :
（3-4）
鏟斗斗底長度 :
（3-5）
將以上參數(shù)圓整可得：
=1280mm =1790mm =1410mm =160mm =450mm
3）.鏟斗斗容的計算
（1）幾何斗容：
圖3-1 鏟斗斗容圖 圖3-2 鏟斗斗容圖
計算公式： （3-6）
根據(jù)鏟斗的實際結(jié)構(gòu)所以，。
（2）額定斗容
（） （3-7）
所以。
3.1.2 動臂和搖臂的設(shè)計
動臂采用直動型，可以節(jié)省材料。動臂與搖臂的具體結(jié)構(gòu)參見圖紙。
3.2 強度分析
由于裝載機工作條件多變，工藝十分復(fù)雜，因此裝置受力的情況也十分不規(guī)則，所以我們在進行強度計算時，要先找出它在哪個位置受到的力最大，然后再選擇工作裝置受力最大的工況進行分析計算。
在分析裝載機各種工況的時候，我們可以發(fā)現(xiàn)裝載機在水平面上工作時，能夠充分發(fā)揮效力，受到的力最大。所以我們選擇裝載機在水平面上工作時進行分析，當(dāng)裝載機在水平面上工作時，動臂會處于最低位置，而且鏟斗斗底和地面成3到5度夾角，裝載機以3-4M/S速度接近料堆，并進行鏟掘作業(yè)，以這個當(dāng)作計算位置，并且假設(shè)外載荷作用在切削刃上。
3.2.1 工作裝置典型工況的選擇及外載荷的確定
1） 典型工況的選擇
我們選擇下列狀態(tài)為典型工況：裝載機處于勻速過程在水平地面上，此時裝載機的鏟斗處于插入料堆狀態(tài)，同時在抬升動臂或者轉(zhuǎn)斗時，我們認為在該狀態(tài)下，鏟斗內(nèi)的物料對鏟斗產(chǎn)生的作用力在切削刃上，而該作用力由水平垂直兩個方向的阻力構(gòu)成并作用在切削刃上。
2）外載荷的確定
在實際情況下斗切削刃上的載荷情況會非常復(fù)雜，因此，各種阻力將不是均勻地分布在斗刃上，為了簡化計算我們可以將其分為兩種極端情況：
A 對稱載荷，即認為外載荷沿鏟斗切削刃均勻分布。
B 偏載，簡化后載荷會完全由鏟斗一側(cè)一個斗齒承受。
在實際計算時，第二種情況不是很常見，所以我們選擇第一種情況作為計算依據(jù)，建立力學(xué)模型。
3.2.2 工作裝置受力分析及校核
由于工作裝置受力情況沒有那么容易分析，精確計算比較繁瑣，所以作如下假設(shè)。
A 動臂的受力與變形不會受到鏟斗動臂橫梁的影響。
B 假定搖臂軸線會和動臂軸線在同一平面內(nèi)。
C 因為動臂它的結(jié)構(gòu)是對稱的，于是我們只需要取工作裝置的一側(cè)進行受力分析，并取載荷的一半進行分析計算。
接下來我們需要對工作裝置各個部件的受力具體分析。
3.3 強度計算：
3.3.1 工作裝置的受力分析：
首先，取鏟斗為分離體，（如圖3-3）
圖3-3 鏟斗分析圖
對于優(yōu)化后的ZL40裝載機
所以，
由
（3-8）
所以=175.5KN
由
所以
由
圖3-4 拉桿圖
取
取搖臂為分離體
圖3-5 搖臂分析圖
由工程圖3-5可設(shè)
所以
由
由
取動臂為分離體
圖3-6 動臂分析圖
由：設(shè)
所以
由工程圖3-6可得出：
代入上式可得
由
由
由以上計算可得到結(jié)果如下：
3.3.2 強度校核
取以上計算的力對工作裝置進行強度校核
1） 動臂
動臂相當(dāng)于一個支撐在動臂油缸上鉸點H及車架A點的雙支點懸臂梁，在進行強度計算時，需要將它分成1—2，2—3，3—4三個區(qū)段，每個區(qū)段都有有剪應(yīng)力，正應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。
實踐證明：橫梁在斷面M—M截面為最危險截面，取該截面進行校核。
圖3-7 動臂受力分析圖
由工程圖3-7上取得的集合參數(shù)
所以
所以
動臂的材料為得
所以 動臂強度合格
2） 搖臂
搖臂的受力情況如圖3-8所示：
圖3-8 搖臂受力分析圖
通常危險斷面在N—N截面，對此取N—N截面進行校核。
搖臂橫梁截面其抗彎橫量
搖臂的材料為，
所以，搖臂的強度合格。
3）對鉸銷
鉸銷的結(jié)構(gòu)和其受力情況如下圖3-9所示：
銷
圖3-9 鉸銷受力分析圖
銷軸的彎曲應(yīng)力應(yīng)滿足：
式中：計算載荷的鉸銷所承受載荷的一半
：鉸銷彎曲強度計算長度： （，，由上圖所示）。
W ：銷軸的抗彎斷面系數(shù) 。
對于A點鉸銷：
所以，
鉸銷材料為40Cr 查得：
所以，
所以，A點鉸銷合格。
對于B點鉸銷：
所以，B點鉸銷強度合格。
對E點鉸銷：
所以，E點鉸銷合格。
所以，C點鉸銷強度合格。
第四章 工藝設(shè)計
產(chǎn)品設(shè)計人員只有懂得零部件的加工及裝配工藝，才能使設(shè)計出來的產(chǎn)品滿足加工制造的要求，并且具有經(jīng)濟性，實用性。本次工藝設(shè)計主要在于實際生產(chǎn)中和運用所學(xué)的機械制造工藝學(xué)，金屬工藝學(xué)，材料熱處理等課程的基本理論。正確地分析和確定一個典型零件的加工工藝過程并制定工藝路線。
4-1 工藝規(guī)程加工工藝的指定
初步工藝路線
1）焊—除銹—油漆—鉗—鏜—噴漆
焊：包括3個工步
（1）對焊
（2）焊合清渣
（3）校型
鉗：劃鏜線，
鏜：包括2個工步
（1）鏜孔Hg, 倒角。
（2）鏜孔Hg，倒角。
鏜孔的自由度分析
（1）搖臂支撐孔定位，
圖4-1 平面坐標(biāo)圖
（2）平面位置擋塊定位
共限制五個自由度
表4-1 機械加工工藝過程卡
材料
牌號
A3
毛坯
種類
圓鋼
毛坯外形尺寸
2700*350
每毛坯可制件數(shù)
1
每臺
件熟
2
工序號
工序名稱
工
步
號
工序及工步的內(nèi)容
設(shè)備
工藝設(shè)備
工時
單件
1
焊
1
2
3
4
對焊
焊合清渣
校型
檢查
RX-500
50
2
除銹
1
2
拋光處理油漆
檢查
拋光機
30
3
鉗
1
2
劃鏜引線
檢查
平臺
高度尺
4
鏜
1
2
3
4
用搖臂支撐定位
鏜孔, 倒角
鏜孔，倒角
檢查
綜合
量規(guī)
70
表4-2 機械加工工藝過程卡
5
除銹
1
2
機加油涂防銹油
檢查
銹基脂
30
6
噴漆
1
2
噴黃色面漆
檢查
40
第五章 優(yōu)化設(shè)計FORTRAN程序設(shè)計
5.1 優(yōu)化設(shè)計FORTRAN程序設(shè)計：
c 主要輸入變量及數(shù)組名說明：
c n-設(shè)計變量的個數(shù)
c kg-不等式約束函數(shù)的個數(shù)
c k-復(fù)合形頂點的個數(shù)
c km-輸出數(shù)據(jù)的選擇參數(shù)
c kwr=1 打印全部輸出的數(shù)據(jù)
c kwr=0 每迭代10次，打印一次輸出數(shù)據(jù)
c kwr=-1只打印最終結(jié)果
c ise-初始復(fù)合形形成方法的選擇參數(shù)
c ise=1 全部頂點都自動形成
c ise=0 使用者輸入一個頂點，期于頂點自動形成
c ise=-1全部頂點由使用者輸入
c eps-收斂精度值
c x(n)-設(shè)計變量的初始值數(shù)組
c bl(n)-設(shè)計變量的下限值數(shù)組
c bu(n)-設(shè)計變量的上限值數(shù)組
c 主要輸出變量及數(shù)組名：
c ite-迭代次數(shù)
c ixe-復(fù)合形中心點的計算次數(shù)
c nfx-目標(biāo)函數(shù)值的計算次數(shù)
c x(n)-計算變量的最優(yōu)數(shù)組
c fx-目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值
c gx(kg)-在最優(yōu)點處的不等式約束函數(shù)數(shù)組
C 復(fù)合形法主程序
program complx
dimension x(25),gx(50),xcom(1250)
common/one/ ite,ixe,nfx
write(*,10000)
10000 format(5x,'請輸入整數(shù) n,kg,k')
read(*,*) n,kg,k
write(*,10001) n,kg,k
10001 format(5x,'輸入的數(shù)據(jù)為:' //5x,'n=',I4,5x,'kg=',I4,5x,'k=',I4)
Call maisub(n,k,kg,x,gx,xcom)
stop
end
C 主輔子程序
subroutine maisub(n,k,kg,x,gx,xcom)
dimension x(n),gx(kg),xcom(n,k),fxk(50),xr(25)
dimension xo(25),xh(25),xl(25),bl(25),bu(25)
common /one/ ite,ixe,nfx
common /two/ ise
write(*,1001)
1001 format(5x,'請輸入10個初始數(shù)值')
read(*,*) (x(i),i=1,n)
1002 format(5x,'初始數(shù)值x(n):'/(5x,5e15.6))
write(*,1002)(x(i),i=1,n)
write(*,1003)
1003 format(5x,'請輸入收斂界限eps')
read(*,*) eps
write(*,1004)
1004 format(5x,'請輸入kwr,ise')
read(*,*) kwr,ise
write(*,1005)
1005 format(5x,'請輸入初始值的上，下限')
read(*,*) (bl(i),i=1,n),(bu(i),i=1,n)
write(*,1010) (bl(i),i=1,n)
write(*,1015) (bu(i),i=1,n)
write(*,1020) eps
1010 format(5x,'下限值bl為:'//(5x,5e15.6))
1015 format(5x,'上限值bu為:'//(5x,5e15.6))
1020 format(5x,'收斂界限eps=',e10.2)
ite=0
nfx=0
ixe=0
rm=2657863.0
1025 call pricom(n,k,kg,x,gx,xcom,fxk,bl,bu,rm)
if(kwr.lt.0) goto 1041
write(*,1030)
1030 format(5x,'初始復(fù)合點')
write(*,1080) k
do 1031 l=1,k
write(*,1085) l,(xcom(i,l),i=1,n)
1031 continue
write(*,1035) (fxk(i),i=1,k)
1035 format(4x,'fxk:'/(5x,5e15.6))
1041 write(*,1042)
1042 format(/5x,'iteation compute'/)
1045 ite=ite+1
call fxsegu(n,k,xcom,fxk)
do 1050 i=1,n
1050 xl(i)=xcom(i,k)
fxl=fxk(k)
sdx=0.0
do 1055 i=1,k=-1
1055 sdx=sdx+(fxl-fxk(i))**2
sdx=sqrt(sdx/float(k-1))
if (sdx.le.eps) goto 1210
if (kwr.gt.0) goto 1056
if (ite/10*10.ne.ite) goto 1090
1056 write (*,1060) ite,fxl
if (kwr.it.0) goto 1090
write(*,1065) (xl(i),i=1,n)
write(*,1070) fxl
write(*,1075) (gx(i),i=1,kg)
write(*,1035) (fxk(i),i=1,k)
1060 format(/lx,'ite=',i4,5x,'fxl=',e15.7)
1065 format(' x:'/(5x,5e15.6))
1070 format(' fx:'/(5x,5e15.6))
1075 format(' 3x:'/(5x,5e15.6))
1080 format(' xcom: (k=',i3,')')
1085 format(2x,i2/(5x,5e15.6))
1090 lh=1
1095 do 1100 i=1,n
1100 xh(i)=xcom(i,lh)
fxh=fxk(lh)
call xcente(n,k,k,lh,xo,xcom)
call ffx(n,xo,fxo)
call ggx(n,kg,xo,gx)
do 1105 j=1,kg
if (gx(j).ge.0.0) goto 1170
1105 continue
1140 phi=1.5
1145 do 1150 i=1,n
1150 xr(i)=xo(i)+phi*(xo(i)-xh(i))
call ffx(n,xr,fxr)
call ggx(n,kg,xr,gx)
do 1151 j=1,kg
if(gx(j).ge.0.0) goto 1152
1151 continue
goto 1155
1152 phi=0.5*phi
goto 1145
1155 if(fxr.lt.fxh) goto 1160
if(phi.le.le-10) goto 1195
phi=0.5*phi
goto 1145
1160 do 1165 i=1,n
1165 xcom(i,lh)=xr(i)
fxk(lh)=fxr
goto 1045
1170 do 1175 i=1,n
bl(i)=xl(i)
bu(i)=xo(i)
1175 continue
do 1180 i=1,n
1180 x(i)=xl(i)
ise=1
goto 1025
1095 lh=lh+1
write(*,1200) lh
1200 format(lx,'lh=',i2)
if(lh.le.k/2) goto 1095
write (*,1205)
1205 format(/25x,'itertion abortive'/)
goto 1220
1210 write(*,1215)
1215 format(/25x,'結(jié)果為:')
1220 write (*,1225) ite,nfx,ixe
1225 format('ite=',i5,'nfx=',i5,'ixe=,i5)
write(*,1065)(xl(i),i=1,n)
write(*,1070) fxl
write(*,1075) (gx(i),i=1,kg)
return
end
C 形成初始復(fù)合形的子程序
subroutine pricom(n,k,kg,x,gx,xcom,fxk,bl,bu,rm)
dimension x(n),xo(25),bl(n),bu(n),gx(kg),xcom(n,k),fxk(k)
common /two/ise
2020 if(ise) 2025,2050,2075
2025 write(*,2019)
2019 format(5x,'read xcom(format:*)')
read(*,*) ((xcom(i,j),i=1,n),j=1,k)
do 2045 l=1,k
do 2030 i=1,n
2030 x(i)=xcom(i,l)
call ffx(n,x,fxk(l))
call ggx(n,kg,x,gx)
do 2031 j=1,kg
if (gx(j).ge.0.0) goto 2075
2031 continue
2045 continue
return
2050 call ffx(n,x,fxk(l))
call ggx (n,kg,x,gx)
do 2051 l=1,kg
if (gx(l).ge.0.0) goto 2075
2051 continue
goto 2095
2075 do 2080 i=1,n
q=0.0
call random(rm,q)
2080 x(i)=bl(i)+q*(bu(i)-bl(i))
call ffx (n,x,fxk(l))
call ggx(n,kg,x,gx)
do 2081 l=1,kg
if (gx(l).ge.0.0) goto 2075
2081 continue
2095 do 2100 i=1,n
2100 xcom(i,1)=x(i)
do 2110 l=2,k
do 2105 i=1,n
call random(rm,q)
xcom(i,l)=bl(i)+q*(bu(i)-bl(i))
2105 continue
2110 continue
lh=0
do 2155 ll=1,k-1
ll2=ll
call xcente (n,k,ll2,lh,xo,xcom)
call ffx(n,xo,fxo)
call ggx(n,kg,x,gx)
do 2111 l=1,kg
if(gx(l).ge.0.0) goto 2075
2111 continue
2115 continue
ll1=ll+1
do 2120 i=1,n
2120 x(i)=xcom(i,ll1)
2125 call ffx(n,x,fxk(ll1))
call ggx(n,kg,x,gx)
do 2126 l=1,kg
if (gx(l).ge.0.0) goto 2145
2126 continue do 2140 i=1,n
2140 xcom(i,ll1)=x(i)
goto 2155
2145 do 2150 i=1,n
2150 x(i)=xo(i)+0.5*(x(i)-xo(i))
goto 2125
2155 continue
return
end
C 將復(fù)合形各頂點按目標(biāo)函數(shù)值大小排序的子程序
subroutine fxsegu(n,k,xcom,fxk)
dimension x(25),xcom(n,k),fxk(k)
do 3010 l=1,k-1
kl=k-1
do 3005 lp=1,kl
收藏