CN111411657B - 一种适用于建筑工地的挖掘机铲斗斗形结构的优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于建筑工地的挖掘机铲斗斗形结构的优化方法，包括以下步骤：根据铲斗截面模型建立铲斗截面形线方程；根据铲斗容量计算方法确定铲斗截面形线方程中各参数的取值范围；根据铲斗截面形线方程和方程中参数的取值范围，得出铲斗截面形线周长与面积的比值，使用遗传算法求解所述比值，根据所述比值确定优化后的铲斗结构。在相同斗容的前提下，通过对原有斗形的优化，获得利用较少的材料得到的铲斗结构，降低铲斗的制造成本，值得推广。

Description

一种适用于建筑工地的挖掘机铲斗斗形结构的优化方法
技术领域
本发明涉及铲斗结构设计技术领域，特别是涉及一种适用于建筑工地的挖掘机铲斗斗形结构的优化方法。
背景技术
挖掘机作为常见的施工机械，普遍应用于各类工程中。铲斗作为挖掘机与物料直接接触的部件，其生产成本对挖掘机的工作成本有着很大的影响，并且斗容相同的铲斗使用的材料越少，生产成本就会越低，同时也会降低挖掘机的工作成本。
另外，现有挖掘机铲斗主要采用多段板材焊接而成的生产方法，由于焊接过程中各段板材之间的几何位置关系没有明确的表达方式，容易在铲斗制造过程中出现偏差，导致生产出的铲斗产品质量较差，直接导致了挖掘机的使用成本提高，同时也会影响挖掘机的工作效率。
因此，如何在不改变铲斗斗容的前提下优化铲斗结构、使用较少的材料制造铲斗，成为了广大研究人员优化铲斗生产成本的首选。
发明内容
本发明实施例提供了一种适用于建筑工地的挖掘机铲斗斗形结构的优化方法，是在保证斗容相同的情况下，对原有斗形进行优化，有斗形和优化后的挖掘机铲斗斗形使用的材料更少，来解决现有技术中存在的问题。
该方法包括以下步骤：
根据铲斗截面模型建立铲斗截面形线方程；
根据铲斗容量计算方法确定铲斗截面形线方程中各参数的取值范围；
根据铲斗截面形线方程和方程中参数的取值范围，得出铲斗截面形线周长与面积的比值，使用遗传算法求解所述比值，根据所述比值确定优化后的铲斗结构。
优选地，建立铲斗截面形线方程的步骤为：
以铲斗的弧形板的圆心O为坐标系原点建立坐标系，并以铲斗的弧形板半径r作圆；
设铲斗的切削角为α和斗后角为β，在圆内的第三、第四象限内寻找两条半径OB和OC，OB、OC与X轴的夹角大小分别为α1，β1，并使α1＝α，β1＝β；
以B点和C点作为起点往第一、第二象限作直线，得到直线AB、CD，且AB垂直于OB，CD垂直于OC，令A点到D点之间的距离为铲斗切削半径R，得出直线AD，且直线AD与X轴平行，设AB为铲斗的前壁板，CD为铲斗的后壁板，则AB、CD分别与Y轴之间夹角为铲斗的切削角α和铲斗的斗后角β；
设直线AB的函数方程为l1，直线CD的函数方程为l2，弧线BC的函数方程为l3，直线AD的函数方程为l4，l1，l2，l3，l4的方程为式(1)：
Figure GDA0003280120220000021
令k1＝-cotα、k2＝cotβ，得出铲斗截面形线方程如式(2)：
Figure GDA0003280120220000022
其中，r斗底弧半径。
优选地，确定各参数的取值范围的步骤为：
根据挖掘机铲斗容量计算方法，计算得到铲斗切削半径R的取值范围为
Figure GDA0003280120220000031
其中，V为铲斗斗容；
设切削半径R和斗底弧半径r的数学关系为r＝(0.1～0.3)R；
根据切削角α和斗后角β间的几何关系，可得约束关系为：Pmin≤α+β≤Pmax，
其中，切削角α的取值范围为
Figure GDA0003280120220000032
斗后角β的取值范围为
Figure GDA0003280120220000033
Figure GDA0003280120220000034
相对于现有技术，本发明的优点在于：
本发明的建筑工地的挖掘机铲斗斗形结构的优化方法是基于铲斗截面形线方程的，以铲斗形线中的四个控制参数为变量，设计出适用于建筑工地的挖掘机铲斗斗形，对铲斗截面形线方程中的参数进行选择，能够生产出适用于不同型号挖掘机的铲斗，在保证相同斗容的前提下，通过对原有斗形的优化，获得使用较少材料制造的铲斗，从而降低铲斗的制造成本，值得推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明优化方法中铲斗截面模型的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的操作步骤是：
根据铲斗截面模型建立铲斗截面形线方程；
根据铲斗容量计算方法确定铲斗截面形线方程中各参数的取值范围；
根据铲斗截面形线方程和方程中参数的取值范围，得出铲斗截面形线周长与面积的比值，即
Figure GDA0003280120220000041
其中，L、A分别为截面形线周长和面积使用遗传算法求解所述比值，根据所述比值确定优化后的铲斗结构；
其中，建立铲斗截面形线方程的步骤为：
以铲斗的弧形板的圆心O为坐标系原点建立坐标系，并以铲斗的弧形板半径r作圆；
设铲斗的切削角为α和斗后角为β，在圆内的第三、第四象限内寻找两条半径OB和OC，OB、OC与X轴的夹角大小分别为α1，β1，并使α1＝α，β1＝β；
以B点和C点作为起点往第一、第二象限作直线，得到直线AB、CD，且AB垂直于OB，CD垂直于OC，令A点到D点之间的距离为铲斗切削半径R，得出直线AD，且直线AD与X轴平行，设AB为铲斗的前壁板，CD为铲斗的后壁板，则AB、CD分别与Y轴之间夹角为铲斗的切削角α和铲斗的斗后角β；
设直线AB的函数方程为l1，直线CD的函数方程为l2，弧线BC的函数方程为l3，直线AD的函数方程为l4，l1，l2，l3，l4的方程为式(1)：
Figure GDA0003280120220000042
令k1＝-cotα、k2＝cotβ，得出铲斗截面形线方程如式(2)：
Figure GDA0003280120220000051
其中，r斗底弧半径。
其中，确定各参数的取值范围的步骤为：
由机械行业标准JB/T 8291-2013中规定的反铲挖掘机铲斗容量计算方法，可计算得到铲斗切削半径R的取值范围，其取值范围为
Figure GDA0003280120220000052
V为铲斗斗容；切削半径R和斗底弧板半径r之间数学关系的研究结果较少，在此，设切削半径R和斗底弧半径r的数学关系为：r＝(0.1～0.3)R。
进一步，由于切削角对切削阻力的影响很大，认为当切削角α为
Figure GDA0003280120220000055
时最合理，当切削角α大于
Figure GDA0003280120220000054
时，由于土壤与铲斗切削刃斜面间的摩擦力较大，土壤不太可能会沿着铲斗切削刃斜面向上移动，也就是铲斗很难楔进土壤进行切削，因此，液压挖掘机原则上铲斗的切削角α不大于
Figure GDA0003280120220000056
即切削角α的取值范围为
Figure GDA0003280120220000057
进一步，由切削角和斗底弧线圆心角的约束条件及铲斗各段型线间的几何关系可得，斗后角β的取值范围为
Figure GDA0003280120220000058
进一步，根据切削角α和斗后角β间的几何关系，可得约束关系为：Pmin≤α+β≤Pmax。
本实施例中
以21T反铲液压挖掘机的铲斗为例，对其进行优化，选择其中的四个参数作为设计铲斗结构的变量，其参数及数值大小分别为：铲斗的切削角
Figure GDA0003280120220000059
斗底弧线半径
Figure GDA00032801202200000510
斗后角β＝0.372m、铲斗切削半径R＝1.162m。
本实施例中，为获得在确定斗容条件下，使用材料最少的铲斗，将优化方法中的目标函数定义为：铲斗截面形线周长与面积的比值，即
Figure GDA0003280120220000053
其中，L、A分别为截面形线周长和面积。
这里给出了周长与面积比值的为4.241的斗形，该斗形的结构参数如下表：
Figure GDA0003280120220000061
该斗形优化后的各项评价指标与原斗形的对比结果如下表：
评价指标 原始结果 优化结果 增长率
l1 0.799 0.973 21.78％
l2 0.922 1.048 13.67％
l3 0.495 0.600 21.21％
l4 1.162 1.544 32.87％
周长L/m 3.448 4.165 20.79％
A1 0.149 0.225 51.01％
A2 0.171 0.243 42.11％
A3 0.092 0.139 51.09％
A4 0.269 0.375 39.41％
面积A/m2 0.681 0.982 44.19％
长积比/m-1 5.063 4.241 -16.23％
优化后铲斗面积参数与原铲斗对比如下表所示：
参数 优化前 优化后 增加量
斗底板面积(m<sup>2</sup>) 3.356 2.668 -0.688
斗侧板面积(m<sup>2</sup>) 1.362 1.964 0.602
综上，根据铲斗斗容计算方法，在斗容确定的前提下，截面面积大，斗宽就小，斗宽小，斗底板(斗前、后壁板，斗底弧板)材料就少，斗底板材料少，因为在铲斗实际生产过程中，斗前壁板、斗底弧板外面有几块加强筋板，斗后壁板外面有一块背板，斗宽小了，斗底板、加强筋和背板的材料都会随之减少，就算截面面积增大了，那也不会使铲斗的材料再增多。
本发明的优化方法是基于铲斗形线数学方程，以铲斗形线中的四个控制参数为变量，以铲斗形线中的四个控制参数为变量，设计出适用于建筑工地的挖掘机铲斗斗形，对铲斗截面形线方程中的参数进行选择，能够生产出适用于不同型号挖掘机的铲斗，在保证相同斗容的前提下，通过对原有斗形的优化，获得使用较少材料制造的铲斗，从而降低铲斗的制造成本，值得推广。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种适用于建筑工地的挖掘机铲斗斗形结构的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据铲斗截面模型建立铲斗截面形线方程；
根据铲斗容量计算方法确定铲斗截面形线方程中各参数的取值范围；
根据铲斗截面形线方程和方程中参数的取值范围，得出铲斗截面形线周长与面积的比值，使用遗传算法求解所述比值，根据所述比值确定优化后的铲斗结构；
建立铲斗截面形线方程的步骤为：
以铲斗的弧形板的圆心O为坐标系原点建立坐标系，并以铲斗的弧形板半径r作圆；
设铲斗的切削角为α和斗后角为β，在圆内的第三、第四象限内寻找两条半径OB和OC，OB、OC与X轴的夹角大小分别为α1，β1，并使α1＝α，β1＝β；
以B点和C点作为起点往第一、第二象限作直线，得到直线AB、CD，且AB垂直于OB，CD垂直于OC，令A点到D点之间的距离为铲斗切削半径R，得出直线AD，且直线AD与X轴平行，设AB为铲斗的前壁板，CD为铲斗的后壁板，则AB、CD分别与Y轴之间夹角为铲斗的切削角α和铲斗的斗后角β；
设直线AB的函数方程为l1，直线CD的函数方程为l2，弧线BC的函数方程为l3，直线AD的函数方程为l4，l1，l2，l3，l4的方程为式(1)：
Figure FDA0003267021060000011
令k1＝-cotα、k2＝cotβ，得出铲斗截面形线方程如式(2)：
Figure FDA0003267021060000021
其中，r斗底弧半径；
确定各参数的取值范围的步骤为：
根据挖掘机铲斗容量计算方法，计算得到铲斗切削半径R的取值范围为
Figure FDA0003267021060000022
其中，V为铲斗斗容；
设切削半径R和斗底弧半径r的数学关系为r＝(0.1～0.3)R；
根据切削角α和斗后角β间的几何关系，可得约束关系为：Pmin≤α+β≤Pmax，
其中，切削角α的取值范围为
Figure FDA0003267021060000023
斗后角β的取值范围为
Figure FDA0003267021060000024
Figure FDA0003267021060000025
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