工程機(jī)械零件定位優(yōu)化綜述

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摘要：優(yōu)化工程機(jī)械零件、部件、總成的安裝位置是關(guān)系到零部件性能和整機(jī)性能的重要因素之一。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者針對工程機(jī)械零件定位優(yōu)化的理論研究及實(shí)例，綜述零件定位的優(yōu)化的定義、作用，以及在提升工程機(jī)械工作性能和可維修中性的作用，分析位錯(cuò)原因并提出預(yù)防措施?？偨Y(jié)定位優(yōu)化方法，提出加強(qiáng)零件定位優(yōu)化理論研究和實(shí)踐應(yīng)用的建議。

關(guān)鍵詞：定位優(yōu)化；作用；位錯(cuò)；特點(diǎn)；建議

優(yōu)化工程機(jī)械零件、部件、總成（以下統(tǒng)稱“零件”）的安裝位置（以下簡稱“定位優(yōu)化”）是關(guān)系到零部件性能和整機(jī)性能的重要因素之一。1977年，原天津工程機(jī)械研究所（現(xiàn)天津工程機(jī)械研究院有限公司）編著的《單斗液壓挖掘機(jī)》一書中提到：“關(guān)于正確選擇工作裝置鉸點(diǎn)位置的問題，目前尚缺乏這方面系統(tǒng)理論分析。這是今后研制液壓挖掘機(jī)過程中需研究解決的一個(gè)重要課題?！?0多年來，對于工程機(jī)械零件定位優(yōu)化這道必答題，不少研究人員進(jìn)行了理論和實(shí)踐探索，獲得了眾多研究成果。但是將定位優(yōu)化作為一個(gè)專題進(jìn)行系統(tǒng)地綜述的文章尚不多見。筆者根據(jù)多年的研究心得，總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者的研究成果，結(jié)合實(shí)例，對工程機(jī)械零件定位優(yōu)化綜述如下，供同行參考。

1定位優(yōu)化的定義

根據(jù)零件的性能及其在整機(jī)中的作用，按技術(shù)經(jīng)濟(jì)和系統(tǒng)工程學(xué)等原則，對零件在整機(jī)中的定位（位置、方位）進(jìn)行優(yōu)化，以提升零部件和整機(jī)性能。

2定位優(yōu)化的作用

（1）提高零件使用壽命：優(yōu)化零件安裝、排列方式以延長其使用壽命，如我國研制的某型巖石輥壓機(jī)，對壓輥排列位置進(jìn)行優(yōu)化，采用深度交錯(cuò)排列方式，使壓輥使用壽命提高了10倍。（2）零件換位，節(jié)約零件：工程機(jī)械的很多零件，如鏟斗、斗桿、動(dòng)臂的鉸接件，以及履帶銷套、驅(qū)動(dòng)輪、輪胎、內(nèi)燃機(jī)缸套等多種零件，由于運(yùn)行的方向性（如轉(zhuǎn)彎、側(cè)向力等），相對運(yùn)動(dòng)不是全方位的（360°），而是局部轉(zhuǎn)動(dòng)或單向受力，會(huì)產(chǎn)生不均衡磨損（偏磨），所以每運(yùn)行一定周期，將零件調(diào)換一定位置（換位），可防止偏磨，延長零件使用壽命。如推土機(jī)履帶節(jié)的銷套，正常使用壽命2500h，如果運(yùn)行2000h，將銷和銷套換位（旋轉(zhuǎn)180°），得到新的工作表面，則可再運(yùn)行1600～1800h，使用壽命可達(dá)3600～3800h，節(jié)約零件費(fèi)用25%。日本將換位修理和維護(hù)稱為不耗料的低成本快速維修法。（3）提高作業(yè)效率：1）俄羅斯國立沃羅涅日技術(shù)大學(xué)的學(xué)者研究了鏟運(yùn)機(jī)牽引裝置位置和結(jié)構(gòu)對牽引力的影響，推導(dǎo)出的計(jì)算式中有牽引桿離地高度這一定位優(yōu)化參數(shù)，計(jì)算表明，采用新型的牽引裝置（含牽引桿離地高度定位優(yōu)化這一因素），可降低牽引裝置牽引力18%～20%，即增加了鏟土力，可提高鏟土作業(yè)效率；2）俄羅斯國立莫斯科建筑大學(xué)研究所的學(xué)者研制了液壓挖掘機(jī)挖掘作業(yè)的液壓傳動(dòng)自動(dòng)控制裝置，通過優(yōu)化斗桿、鏟斗、動(dòng)臂之間的鉸點(diǎn)位置，應(yīng)用傳感器、微處理器等信息技術(shù)、微機(jī)技術(shù)及液壓傳動(dòng)裝置，使液壓挖掘機(jī)在挖掘作業(yè)中動(dòng)臂、斗桿、鏟斗之間的聯(lián)動(dòng)角度處于精準(zhǔn)、協(xié)同匹配的最佳狀態(tài)，從而降低了平整作業(yè)時(shí)間，提高了鏟斗裝滿系數(shù)和卸土效率，進(jìn)而提高了挖掘效率，降低能耗78%；3）我國三一重工在三一SY215型挖掘機(jī)上安裝了數(shù)字化施工系統(tǒng)，利用高精度的GNSS信號(hào)精確計(jì)算挖掘機(jī)鏟斗斗齒尖位置，將斗齒3D定位誤差縮小到30mm以下，可與事先導(dǎo)入機(jī)載電腦的3D設(shè)計(jì)位置實(shí)時(shí)對比，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制精確引導(dǎo)開挖，大大提高了精確開挖的施工效率；4）俄羅斯國立圣彼得堡建筑大學(xué)研發(fā)的推土機(jī)自動(dòng)化作業(yè)裝置，在推土板安裝埋設(shè)式液壓傳感器，在油箱安裝氣動(dòng)液壓儲(chǔ)能器等自動(dòng)化信息傳輸和控制裝置，在推土?xí)r，能根據(jù)推土負(fù)荷，相應(yīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)推土板的切削角（即推土板切削位置），優(yōu)化切削位置使切削阻力降為最小，提高了推土效率；該裝置的另一個(gè)創(chuàng)新之處是推土板切削位置優(yōu)化的動(dòng)力源不耗用推土液壓能，而是利用推土液壓油的回油余能（儲(chǔ)存在氣動(dòng)液壓蓄能器內(nèi)）來驅(qū)動(dòng)推土板切削角的調(diào)節(jié)。（4）提高散熱效率：資料表明，50%的發(fā)動(dòng)機(jī)故障由散熱器散熱不良引起，而散熱器的布置（定位）方式，對散熱性能有很大影響。主散熱器的布置方式有單層并聯(lián)布置、雙層串聯(lián)布置、三層串聯(lián)布置及箱形布置等，當(dāng)每層散熱器之間的安裝位置間距由10mm增加到100mm，散熱器組的散熱能力可提高2.6%～4.7%；當(dāng)間距提高到200mm，散熱能力可提高5.1%～8.3%。散熱器的上述布置方式，各有長處和短處，可依機(jī)型等因素優(yōu)選而定，如柳工CLG682H型輪式裝載機(jī)，依托仿真分析和試驗(yàn)，將散熱器定位優(yōu)化為單層橫置式，散熱性能提升5%，整機(jī)在環(huán)境溫度為50℃時(shí)仍可以正常運(yùn)行。（5）平衡負(fù)荷：1）塔式起重機(jī)配重的作用是使塔身前后負(fù)荷平衡，減小塔身所受到的彎矩。傳統(tǒng)塔式起重機(jī)的配重固定在平衡臂尾部位置，配重對塔身的后傾彎矩不能隨吊重負(fù)荷不同而相應(yīng)變化，當(dāng)?shù)踔刎?fù)荷增大時(shí)，會(huì)使塔身承受較大的不平衡彎矩而產(chǎn)生疲勞破壞。德國JOST公司開發(fā)的塔式起重機(jī)，采用配重安裝位置可隨吊裝負(fù)荷變化而優(yōu)化定位的液壓裝置，減小了塔身所受的不平衡彎矩；2）馬尼托瓦克公司研制的MLC650型履帶式桁架吊臂起重機(jī)采用了獨(dú)具創(chuàng)新的可變位配重（VPC）技術(shù)，可根據(jù)不同荷載的吊運(yùn)作業(yè)自動(dòng)將配重優(yōu)化移動(dòng)到最佳位置，既改善了臂架受力狀況，保證順利吊裝；又使客戶不需要購買、運(yùn)輸和安裝多塊供調(diào)重用的配重塊。（6）降低噪聲：傳統(tǒng)散熱風(fēng)扇的葉片安裝位置是等距布置的，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)噪聲是以葉片通過頻率為基頻的離散頻率噪聲。研究表明，若將葉片的安裝位置改為不等間距，就能將離散頻率分布到寬頻帶上，降低峰值噪聲，但為使空氣流量和靜壓變化保持在合理范圍，葉片不等間距布置時(shí)應(yīng)使葉片間距相對變化值不超過20%。（7）降低故障率：國機(jī)重工旗下常林公司生產(chǎn)的6t級(jí)裝載機(jī)原先導(dǎo)閥故障較多，占液壓系統(tǒng)故障率的40%。經(jīng)故障分析，重新優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇直徑為Φ6.4mm鋼球，可保證鋼球在閥座中的位置始終在兩閥座間滾動(dòng)，提高了鋼球的受控性和定位的精確性，使先導(dǎo)閥的故障率下降32%。（8）提高綜合性能：優(yōu)化零件位置作為機(jī)型的標(biāo)志性參數(shù)可以提升整機(jī)綜合性能，如文獻(xiàn)[3]分析了以推土機(jī)驅(qū)動(dòng)輪安裝位置的不同而形成的兩種推土機(jī)機(jī)型：即驅(qū)動(dòng)輪系在機(jī)身下方的低驅(qū)動(dòng)推土機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪系在機(jī)身上方的高驅(qū)動(dòng)推土機(jī)。兩者的綜合性能，各有所長，亦各有所短。高驅(qū)動(dòng)推土機(jī)與低驅(qū)動(dòng)推土機(jī)相比，驅(qū)動(dòng)輪及傳動(dòng)系安裝位置高，履帶呈三角形布置，避免了驅(qū)動(dòng)輪和傳動(dòng)系統(tǒng)與地面接觸，減小了行走和作業(yè)時(shí)傳來的沖擊力和振動(dòng)，加上采用鉸接式平衡梁和半剛性懸掛使傳動(dòng)系承受的沖擊負(fù)荷小，磨損少，振動(dòng)小，因而故障少，使用壽命可提高30%，相對高置的駕駛室振動(dòng)和噪聲小，視野更開闊，作業(yè)高效；但整機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，售價(jià)較高。低驅(qū)動(dòng)型推土機(jī)，由于驅(qū)動(dòng)系安裝位置低，所以整機(jī)重心低，穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)較簡單，售價(jià)較低。一般而言，高驅(qū)動(dòng)適合大型機(jī)采用，低驅(qū)動(dòng)適合中、小型機(jī)采用。（9）其他：定位優(yōu)化方法除在上述方面發(fā)揮作用外，在工程機(jī)械領(lǐng)域的很多方面還可發(fā)揮作用。如按人體工程學(xué)原理優(yōu)化司機(jī)座椅的安裝位置及高度、傾角調(diào)節(jié)，可提高舒適度；菲亞特公司開發(fā)的V20型發(fā)動(dòng)機(jī)，各種油液加油口、濾清器都布置在發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)側(cè)面，便于檢查維護(hù)和修理；卡特彼勒公司開發(fā)的新型M系列平地機(jī)，取消了傳統(tǒng)的方向盤和操縱桿，將其功能集成布置到左、右兩個(gè)電液控制手柄上，既減小了操作元件占用的駕駛室空間，又減小了司機(jī)手部和腕部78%的操縱活動(dòng)量，降低了司機(jī)的操作強(qiáng)度。

3位錯(cuò)原因分析及預(yù)防措施

零件經(jīng)定位優(yōu)化投入使用后，并非一勞永逸，在機(jī)械運(yùn)行中，偶件之間會(huì)產(chǎn)生摩擦磨損，固定件（螺栓、定位銷及鍵等）會(huì)因磨損、振動(dòng)及腐蝕等原因而松動(dòng)、脫落及折斷，導(dǎo)致零件的定位參考（平行度、傾斜度、同軸度、對稱度及間距等）與標(biāo)定的定位參數(shù)產(chǎn)生偏差，即發(fā)生位錯(cuò)（錯(cuò)位、偏離），喪失了定位優(yōu)化的作用，使機(jī)械操作失準(zhǔn)，零件磨損加劇，作業(yè)效率降低，甚至發(fā)生機(jī)械事故。所以，定位優(yōu)化的零件，在安裝時(shí)應(yīng)按設(shè)計(jì)要求，精準(zhǔn)安裝；對于活動(dòng)劇烈的零件，如履帶式挖掘機(jī)的履帶板，在螺母、螺栓上預(yù)先涂上厭氧膠，再進(jìn)行定位安裝，厭氧膠固化后在螺紋間隙中形成強(qiáng)韌塑性膠膜，使螺栓鎖緊后不易松動(dòng)，可預(yù)防履帶板在運(yùn)行中位借磨耗。另外在工程機(jī)械投入使用后，要按規(guī)程進(jìn)行維護(hù)，對于重要的零件采用自動(dòng)監(jiān)測裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控其位置變動(dòng)情況，或人工進(jìn)行監(jiān)測，對于發(fā)生位錯(cuò)的零件，要及時(shí)修理或更換，以確保定位優(yōu)化的零件發(fā)揮應(yīng)有的作用。

4結(jié)束語

（1）從眾多實(shí)例可以看出，零件作為整機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)單元，其定位優(yōu)化往往不能單獨(dú)發(fā)揮作用，還需要與系統(tǒng)中的相關(guān)零件或裝置等多因素協(xié)同作用。另外，定位優(yōu)化也可以與形狀優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材質(zhì)優(yōu)化等優(yōu)化方法集成運(yùn)用，形成更好的系統(tǒng)集成效果，如散熱風(fēng)扇的葉片同時(shí)采用葉片形狀優(yōu)化和定位優(yōu)化疊加可更好地提高散熱能力。所以，按系統(tǒng)工程原理和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析綜合設(shè)計(jì)定位優(yōu)化方案是重要的優(yōu)化原則。（2）定位優(yōu)化方法：1）經(jīng)驗(yàn)法———根據(jù)積累的工程機(jī)械運(yùn)行和維修經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行針對性改進(jìn)，提出定位優(yōu)化模式；2）借鑒法———可參照軍用機(jī)械、航空航天裝備、汽車等相近機(jī)械領(lǐng)域中的先進(jìn)定位優(yōu)化模式，移植到工程機(jī)械領(lǐng)域；3）在建立定位優(yōu)化大數(shù)據(jù)云平臺(tái)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出定位優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用微機(jī)進(jìn)行仿真、分析和計(jì)算，以模擬實(shí)際試驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多批次實(shí)物試驗(yàn)，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)選出定位優(yōu)化模式，可縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約人力、物力、財(cái)力，加速成果應(yīng)用。定位優(yōu)化不需要更換零件，可使安裝簡單。定位優(yōu)化是低成本、快速、高效提升工程機(jī)械性能的方法之一，應(yīng)用范圍廣。從整機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)來看，定位優(yōu)化是小細(xì)節(jié)，但從辯證的觀點(diǎn)來看，它具有“小細(xì)節(jié)、大作用”的特點(diǎn)。建議工程機(jī)械行業(yè)企業(yè)、研發(fā)機(jī)構(gòu)等重視定位優(yōu)化的理論研究并開發(fā)相關(guān)軟件，加強(qiáng)實(shí)際運(yùn)用，持續(xù)創(chuàng)新使之取得更大成效，以低成本高效配置來提升工程機(jī)械性能。

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作者:章崇任 單位:廣西壯族自治區(qū)政協(xié)