裝載機(jī)工作裝置是一個(gè)復(fù)雜的多連桿機(jī)構(gòu)，采用常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，工作量大，設(shè)計(jì)過程繁瑣，而且很難找到一個(gè)綜合性能優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案。為此，建立了裝載機(jī)工作裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，并利用Excel軟件實(shí)現(xiàn)了裝載機(jī)工作裝置鉸點(diǎn)位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　1 數(shù)學(xué)模型
　　鑒于目前裝載機(jī)普遍采用反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)，本文主要針對(duì)該機(jī)構(gòu)的組合方式建立模型。為減小計(jì)算規(guī)模，同時(shí)由于ZL40裝載機(jī)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(jī)構(gòu)、動(dòng)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(jī)構(gòu)的組成（圖1），決定10個(gè)變量，其中4個(gè)為角度變量，6個(gè)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(jī)的使用要求，以提高鏟斗處于標(biāo)準(zhǔn)鏟掘位置（θ＝5°）時(shí)的機(jī)構(gòu)傳力比為目標(biāo)，從而改善裝載機(jī)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(jī)構(gòu)的封閉矢量法及余弦定理，即可計(jì)算得出機(jī)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(jì)算即可得到目標(biāo)函數(shù)值。
Ｆ＝（１）
　?。保?邊界約束
　　10個(gè)變量共產(chǎn)生20個(gè)邊界約束。
　?。保?性能約束
　?。?）地面位置最大翻轉(zhuǎn)角θ達(dá)到規(guī)定值。
　?。ǎ玻┬遁d性約束 根據(jù)裝載機(jī)的作業(yè)要求，在動(dòng)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(dòng)臂，根據(jù)各構(gòu)件的位置可計(jì)算得出動(dòng)臂在不同位置時(shí)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(dòng)臂，鏟斗隨著動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)而向上轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)由于串聯(lián)的缸桿機(jī)構(gòu)和斗桿機(jī)構(gòu)的作用，鏟斗又會(huì)向下轉(zhuǎn)動(dòng)，不同的連桿機(jī)構(gòu)，鏟斗具有不同的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，所以具有不同的平移性?？紤]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(jì)算出動(dòng)臂在不同位置時(shí)鏟斗相對(duì)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(jī)構(gòu)的平移角ε，ε必須滿足要求。
　?。ǎ矗┻\(yùn)料位置避免鏟斗擺動(dòng)的約束 根據(jù)分析可知，在轉(zhuǎn)斗缸伸長到最長，鉸點(diǎn)Ｅ與鉸點(diǎn)Ｏ、Ｆ共線時(shí)，鏟斗與動(dòng)臂的夾角μ最小，若取此位置為運(yùn)料位置，那么就會(huì)使鏟斗在運(yùn)料時(shí)既緊靠動(dòng)臂，避免擺動(dòng)，又不會(huì)由于μ變小引起機(jī)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(jì)方案，將可能引起機(jī)構(gòu)在其它方面性能變差，如機(jī)構(gòu)傳力比、平移性、卸載時(shí)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(yùn)料位置略大于收斗位置，優(yōu)化時(shí)記錄地面、運(yùn)料兩位置鏟斗相對(duì)于動(dòng)臂的夾角μ，兩者之差即為運(yùn)料位置鏟斗擺動(dòng)角度δ，δ必須滿足要求。
　?。?）機(jī)構(gòu)傳動(dòng)性約束 地面位置最大收斗時(shí)，鏟斗、拉桿的夾角φ≤170°；高位卸載時(shí)，鏟斗、拉桿的夾角φ≥9.5°，搖臂、拉桿夾角ψ≤170°。
　?。?）轉(zhuǎn)斗缸最大安裝距約束。
　?。?）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。
　　２ 速度特性校核
　　對(duì)于裝載機(jī)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(shí)其速度特性也應(yīng)滿足一定的要求。鑒于速度特性的計(jì)算量較大，所以只對(duì)在前述優(yōu)化模型基礎(chǔ)上所得到的優(yōu)化方案進(jìn)行速度特性校核。
　　根據(jù)分析可知，反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)由液動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)和四連桿機(jī)構(gòu)組合而成。對(duì)于液動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)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(duì)于四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)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(duì)位置關(guān)系的表達(dá)式進(jìn)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(shí)，遞增更加明顯，鏟斗轉(zhuǎn)速較高，將導(dǎo)致收斗結(jié)束時(shí)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(shí)逐漸減緩，從而達(dá)到保護(hù)構(gòu)件的目的。
　　２．２ 卸載速度特性
　　對(duì)于卸載特性，即使同一類型的組合機(jī)構(gòu)，其速度特性也會(huì)由于鉸點(diǎn)位置的不同存在變化。有的機(jī)構(gòu)在整個(gè)卸載過程中，鏟斗轉(zhuǎn)速持續(xù)遞增，從而造成物料對(duì)承載卡車的劇烈沖擊，同時(shí)，由于轉(zhuǎn)速高，鏟斗限位塊的碰撞劇烈，也會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的損壞；有的機(jī)構(gòu)其轉(zhuǎn)速的變化呈弧狀，即前期遞增，在接近結(jié)束時(shí)，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(shí)限位塊的碰撞太弱，引起部分物料粘積鏟斗，所以要求機(jī)構(gòu)既具有弧狀的卸載特性，同時(shí)又能產(chǎn)生一定的碰撞，從而減少物料的粘積。
　　3 計(jì)算工具
　　鑒于Excel軟件具有強(qiáng)大的函數(shù)功能、模擬運(yùn)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(jì)算工具。
　　將建立