裝載機工作裝置是一個復(fù)雜的多連桿機構(gòu)，采用常規(guī)的設(shè)計方法，工作量大，設(shè)計過程繁瑣，而且很難找到一個綜合性能優(yōu)秀的設(shè)計方案。為此，建立了裝載機工作裝置優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，并利用Excel軟件實現(xiàn)了裝載機工作裝置鉸點位置的優(yōu)化設(shè)計。
　　1 數(shù)學(xué)模型
　　鑒于目前裝載機普遍采用反轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)，本文主要針對該機構(gòu)的組合方式建立模型。為減小計算規(guī)模，同時由于ZL40裝載機在卸載高度、卸載距離方面的性能較好，所以不將其列入優(yōu)化內(nèi)容，即優(yōu)化過程中，提升機構(gòu)、動臂長度、鏟斗結(jié)構(gòu)等相關(guān)尺寸均保持不變，從而確保卸載高度、卸載距離的性能不變。
　?。保?變量
　　根據(jù)反轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)的組成（圖1），決定10個變量，其中4個為角度變量，6個為長度變量，即α、β、γ、λ、ＯＦ、ＯＤ、ＤＥ、ＤＣ、ＢＣ、ＡＢ。

　?。保?目標(biāo)函數(shù)
　　根據(jù)裝載機的使用要求，以提高鏟斗處于標(biāo)準(zhǔn)鏟掘位置（θ＝5°）時的機構(gòu)傳力比為目標(biāo)，從而改善裝載機的轉(zhuǎn)斗掘起性能。
　　根據(jù)給定的各變量和θ，利用四連桿機構(gòu)的封閉矢量法及余弦定理，即可計算得出機構(gòu)中各構(gòu)件的位置，以及各構(gòu)件之間的夾角κ、φ、ψ，利用（1）式計算即可得到目標(biāo)函數(shù)值。
Ｆ＝（１）
　　１．３ 邊界約束
　　10個變量共產(chǎn)生20個邊界約束。
　　１．４ 性能約束
　?。?）地面位置最大翻轉(zhuǎn)角θ達(dá)到規(guī)定值。
　　（２）卸載性約束 根據(jù)裝載機的作業(yè)要求，在動臂提升的任意位置，鏟斗卸載角都要達(dá)到45°。將鏟斗固定于卸載的45°位置，然后提升動臂，根據(jù)各構(gòu)件的位置可計算得出動臂在不同位置時的轉(zhuǎn)斗液壓缸長度，其中的最小值即為轉(zhuǎn)斗液壓缸的最短卸載長度，要求最短卸載長度大于其最小安裝距，最小安裝距由液壓缸穩(wěn)定性要求及結(jié)構(gòu)尺寸確定。
　?。ǎ常┢揭菩约s束 地面位置最大收斗后，提升動臂，鏟斗隨著動臂的運動而向上轉(zhuǎn)動，同時由于串聯(lián)的缸桿機構(gòu)和斗桿機構(gòu)的作用，鏟斗又會向下轉(zhuǎn)動，不同的連桿機構(gòu)，鏟斗具有不同的轉(zhuǎn)動速度，所以具有不同的平移性。考慮到鏟斗的最大位置角不一定在上限位置出現(xiàn)，在收斗結(jié)束后，計算出動臂在不同位置時鏟斗相對于地面的位置角θ，記錄其中的最大值和最小值，兩者之差即為機構(gòu)的平移角ε，ε必須滿足要求。
　?。ǎ矗┻\料位置避免鏟斗擺動的約束 根據(jù)分析可知，在轉(zhuǎn)斗缸伸長到最長，鉸點Ｅ與鉸點Ｏ、Ｆ共線時，鏟斗與動臂的夾角μ最小，若取此位置為運料位置，那么就會使鏟斗在運料時既緊靠動臂，避免擺動，又不會由于μ變小引起機構(gòu)干涉，這是最佳狀況。但優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)，如果嚴(yán)格按上述要求選擇設(shè)計方案，將可能引起機構(gòu)在其它方面性能變差，如機構(gòu)傳力比、平移性、卸載時間、轉(zhuǎn)斗缸的穩(wěn)定性等。為了使優(yōu)化結(jié)果具有良好的綜合性能，放寬這一約束，允許μ在運料位置略大于收斗位置，優(yōu)化時記錄地面、運料兩位置鏟斗相對于動臂的夾角μ，兩者之差即為運料位置鏟斗擺動角度δ，δ必須滿足要求。
　?。?）機構(gòu)傳動性約束 地面位置最大收斗時，鏟斗、拉桿的夾角φ≤170°；高位卸載時，鏟斗、拉桿的夾角φ≥9.5°，搖臂、拉桿夾角ψ≤170°。
　　（6）轉(zhuǎn)斗缸最大安裝距約束。
　　（7）避免構(gòu)件干涉的約束 不允許產(chǎn)生搖臂下端與前橋的干涉。
　?。?速度特性校核
　　對于裝載機工作裝置不僅要求其滿足前述構(gòu)件位置方面的性能約束，同時其速度特性也應(yīng)滿足一定的要求。鑒于速度特性的計算量較大，所以只對在前述優(yōu)化模型基礎(chǔ)上所得到的優(yōu)化方案進行速度特性校核。
　　根據(jù)分析可知，反轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)由液動連桿機構(gòu)和四連桿機構(gòu)組合而成。對于液動連桿機構(gòu)運用余弦定理和反余弦函數(shù)即可得到輸出構(gòu)件的位置函數(shù)；對于四連桿機構(gòu)運用封閉矢量法，建立方程，解方程即可得到輸出構(gòu)件的位置函數(shù)，對位置關(guān)系的表達(dá)式進行一階、二階求導(dǎo)，即可得出輸出構(gòu)件的速度、加速度特性。
　?。玻?收斗速度特性
　　一般來說，收斗速度特性均是遞增的，特別是接近收斗結(jié)束時，遞增更加明顯，鏟斗轉(zhuǎn)速較高，將導(dǎo)致收斗結(jié)束時產(chǎn)生劇烈沖擊。為避免構(gòu)件由于沖擊而損壞，要求鏟斗轉(zhuǎn)速在接近收斗結(jié)束時逐漸減緩，從而達(dá)到保護構(gòu)件的目的。
　?。玻?卸載速度特性
　　對于卸載特性，即使同一類型的組合機構(gòu)，其速度特性也會由于鉸點位置的不同存在變化。有的機構(gòu)在整個卸載過程中，鏟斗轉(zhuǎn)速持續(xù)遞增，從而造成物料對承載卡車的劇烈沖擊，同時，由于轉(zhuǎn)速高，鏟斗限位塊的碰撞劇烈，也會導(dǎo)致構(gòu)件的損壞；有的機構(gòu)其轉(zhuǎn)速的變化呈弧狀，即前期遞增，在接近結(jié)束時，轉(zhuǎn)速快速遞減，這樣的速度特性能避免前述的不利現(xiàn)象，卸載的速度性能有所改善，但是也可能由于后期轉(zhuǎn)速遞減過多，卸載結(jié)束時限位塊的碰撞太弱，引起部分物料粘積鏟斗，所以要求機構(gòu)既具有弧狀的卸載特性，同時又能產(chǎn)生一定的碰撞，從而減少物料的粘積。
　　3 計算工具
　　鑒于Excel軟件具有強大的函數(shù)功能、模擬運算功能、規(guī)劃求解、圖表功能，而且目前得到普遍使用，所以選其為計算工具。
　　將建立