基于ADAMS的轻型自卸车液压举升机构的优化设计.pdf

2 0 1 1 年 1 2月 第 3 9卷 第 2 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAULI CS De c ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 2 4 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 4 ． 0 2 8 基于 A D A M S的轻型 自卸车液压举升机构的优化设计 周生保 ，程斐 ，赵静一 ，张建福 1 ．江苏海鹏特种车辆有限公司，江苏江阴 2 1 4 5 2 1 ；2 ．燕山大学机械工程 学院，河北秦皇岛 0 6 6 0 0 6 摘要液压举升机构是 自卸车重要的工作系统之一，其传动效率的高低直接影响汽车的经济性和使用特性。以设计高 传动效率的自卸车液压举升机构为目标，利用 A D M A S软件建立 自卸车液压举升机构的参数化模型，以举升过程中油缸最 大推力最小为优化 目 标，对举升机构的位置布置和几何参数进行优化设计，实现了对举升机构关键位置参数的合理优化， 为改进机构设计提供了依据 ，具有较强的实用性。 关键词自卸车；A D A M S ；液压举升机构；优化 中图分类号 T H 2 4 2 文献标识码 B 文章 编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 40 7 7 3 Opt i mi z a t i o n De s i g n o f Li g h t Du mp Tr uc k Hy dr a u l i c Li f t i ng M e c h a n i s m Ba s e d o n ADAM S Z H0U S h e n g b a o ，CHE NG F e i ，Z HA O J i n g y i ，Z HA NG J i a n f u 1 ． J i a n g s u H a i p e n g S p e c i a l V e h i c l e s C o ． ，L t d ，J i a n g y i n J i a n g s u 2 1 4 5 2 1 ，C h i n a ； 2 ． M e c h a n i c a l E n g i n e e ri n g C o l l e g e ，Y a n s h a n U n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d a o H e b e i 0 6 6 0 0 6 ，C h i n a Abs t r a c tHy dr a ul i c l i fti n g me c h a n i s m i s o ne o f t h e i mp o r t a nt wo r ki n g s ys t e m o n d u mp t r u c k，i t s t r a ns mi s s i o n e ffici e n c y d i r e c t l y i n fl u e n c e s e c o n o my a n d a p p l i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ．I n o r d e r t o d e s i g n h i s h t r a n s mi s s i o n e ffi c i e n c y h y d r a u l i c l i ft i n g me c h a n i s m f o r d u mp t r u c k，ADMA S s o f t wa r e wa s u t i l i z e d t o b u i l d p a r a me t e r i z e d mo d e l o f h y d r a u l i c l i ft i n g me c h a n i s m o f t h e d u mp t ruc k ． T a k i n g t h e ma x i m u m t h rus t m i n i mi z i n g a s o p t i m i z e d o b j e c t ，the l o c a t i o n d i s t r i b u t i o n o f t h e l i ft i n g m e c h a n i s ms a n d g e o m e t r i c p a r a m e t e r s w e r e o p t i mi z e d．Ra t i o n a l o p t i mi z a t i o n t o k e y l o c a t i o n p ara me t e o f l i ft i n g me c h a n i s m i s a c h i e v e d， w h i c h wi l l o f f e r r e f e r e n c e f o r i mp r o v i n g d e s i g n a n d h a s s o n g p r a c t i c a b i l i t y ． ‘ Ke y wo r d s D u mp t r u c k ；AD AMS s o f t w a r e ；Hy d r a u l i c l i ft i n g me c h a n i s ms ；Op t i mi z a t i o n 自卸车又称翻斗车，由汽车底盘、液压举升机 构 、货厢、取力装置等部件组成。自卸车由装备的发 动机驱动液压举升机构，能够将货厢倾斜一定的角度 自行卸货，卸货完毕后货厢可以自行回位。自卸车广 泛应用在土木工程、矿山施工等领域中，与挖掘机、 装载机、带式输送机等工程机械联合作业，构成装、 运、卸生产线，使土方、砂石、散料等的装卸运输工 作实现了高度机械化。自卸车是我国专用汽车中产量 最大 的车型 。 液压举升机构是 自卸车重要的工作系统之一。前 推拉杆放大式液压举升机构作为组合式举升机构的一 种，具有结构简单、横向刚度好、举升转动圆滑平 顺、举升系数小和省力等优点，特别适用于大吨位 自 卸汽车 ，是被广泛应用的一种举升机构。合理高效 的前 推拉杆放大式液压举升机构可 以有效地减 小举升 过程中举升油缸推力和液压系统的峰值，减少液压冲 击 ，提高液压系统的使用寿命和整车操控性能。 作者对某设计额定载荷 3 ． 9 2 X 1 0 N自卸车采用 A D A M S 参数化建模方法 ，对其举升机构进行优化设 计，最后得出了新的机构参数。用该方法对举升机构 进行优化设计 ，具有操作简便、使用方便等优点，可 以大大提高设计效率。 1 自卸车举升机构的物理模型 自卸车前推拉杆式举升机构由货箱、举升三角 臂、拉杆、举升油缸及各铰接销轴等部件组成，其中 举升三角臂与拉杆各两件。举升三角臂的3个铰接点 分别与货箱、油缸推进底座和拉杆连接，货箱的另 2 个铰接点、油缸的2个下支点以及拉杆的下支点分别 与 自卸车底盘连接。自卸车举升机构简化物理模型如 图 1所示 。 D l 一 货箱2 一举升三 角臂 卜 拉杆 4 一举升 油缸 5 - -自卸车底盘 图 1 自卸车举升机构物理模型 收稿 日期 2 0 1 01 1一 O 1 作者简介周生保 1 9 7 4 一 ，男 ，工程师，研究方向为特种车辆的设计。Em m l a f e i 2 2 9 y a h o o ． c n 。 7 8 机床与液压 第 3 9卷 2 自卸车举升机构的参数化建模 基于 A D A M S的参数化建模是通过将设计变量进 行参数化建模 ，通过修改设计变量参数 即可得 到不同 的设计方案，并且容易通过调整模型参数而重新构建 其他结构形式，有较强的通用性。优化设计必须采用 参数化建模 ，以便于确定设计变量。 各铰接点的位置是 自卸车液压举升机构布置的重 要参数，优化设计的实质就是确定举升机构的最佳布 置方案，因此它们必须确定为参数化建模的参数。各 铰接点的空间位置坐标和相互关系是建立仿真模型的 关键，如图 1中所示，以货箱与汽车底盘铰接点的位 置为坐标 系原点 O 0 ，0 ，O 、O 、O 、O 、O 、 O 分别表示拉杆和举升油缸与汽车底盘、举升三角 臂与拉杆 、油缸和货箱以及货箱与汽车底盘的铰接 点 。各铰接点 的初始位 置参数 如表 l 所示 。 表 1 液压举升机构铰接点初始位置参数 通过举升机构 的 物理模型 以及表 1所 示的 自卸车液压举升 机构各优化设计点 的 初 始 位 置 参 数，在 A D A MS ／ V i e w 中 建 立 虚拟仿真模型，如图2 所示 。视 大 地 为 汽 车 底盘，定义拉 杆与汽 车底 盘 之 间 、油 缸 与 汽车底盘之间举升三 图2自卸车液压举升 机 构虚拟模 型 角臂与拉杆 、油缸 和货箱之 间以及货 箱与汽车底盘 之 间分别为旋转副，油缸的活塞与缸体之间为圆柱副。 3 自卸车液压举升机构的仿真优化 3 ． 1 液压举升机构的仿真 该 自卸车额定载荷 3 ． 9 21 0 N，卸载货物时货 箱倾翻角度为 4 8 。 ，由液压系统参数可知油缸上升的 速度为 3 6 m m ／ s 。为了更真实地反映 自卸车卸货过 程 ，货箱负载变化用阶跃函数表示为 S T E P AN GL E，3 0 ，3 9 2 0 0 0， 4 8， 0 其中A N G L E表示货箱的倾斜角度。假设货箱倾翻 3 0 。 时货 物开 始卸 载 ，达 到 最大 角度 4 8 。 时 ，满 载 的 4 0 t 货物全部卸完。 为了更准确地反映举升油缸的运动过程，将油缸 的卸货运动过程分为加速阶段、匀速 阶段、减速阶 段，油缸运动过程用阶跃函数表示为 S T E P T I ME ， 0 ， 0 ， 0 ． 5 ， 3 6 S T E P T I M E， 0 ． 5 ， 0 ， 2 5 ， 0 S T E P T I ME ， 2 5 ， 0， 2 5 ． 5 ， 一 3 6 由于油缸的缓冲作用，假设油缸在 0 ． 5 s内速度 达到最大值 3 6 m m ／ s ，匀速阶段速度保持在 3 6 m m ／ s ， 减速阶段 0 ． 5 s 内速度降为 0 。 通 过对 自卸车液 压举 8 ． 升机构虚拟模型的仿真， 得 出优 化前 油缸 将满 载 。 4 0 t 货物 的货箱倾翻 4 8 。 3 ． 的推力输出曲线，如图3 所 示 。 油 缸 推 力 先 增 大 后 减 小 ，与 实 际 工 况 相 符 ，油 缸 最 大 推 力 约 为 力输出曲线 7． 51 0 N。 3 ． 2 液压举升机构的优化设计 优化分析是 A D A MS ／ V i e w提供 的一种高级参数 化计算、分析工具 ，在设定的变化范围内，通过分析 程序 自动地调整设计变量，求取机构的最佳布置位 置。由于该举升机构各铰接点的位置参数共有 1 2 个 ， 如果对每个位置参数都进行优化，其计算量太大，因 此采用先分别对每一个位置参数进行优化分析，研究 各位置参数对 目标函数 油缸推力的灵敏度 ，选 取灵敏度高的，即对设计影响较大的几个位置参数作 为最终设计 变量进 行优化 。 基于 A D A MS的优化设计必须给定设计的 目标函 数、约束条件以及优化变量。选取油缸最大推力最小 为 目标 函数 ，以 自卸 车举 升 角 货 箱 相对 于 汽车 底 盘的转角等于4 8 。 为约束条件。 通过 A D A M S的优化分析功能 ，先分别以举升机 构 6个铰接点的 l 2个位置参数为设计变量逐一进行 优化分析，得到各点的第一次优化值以及各设计变量 对 目标函数位置灵敏值的大小，找出对油缸输出力影 响较大的位置参数作为最终优化设计变量。分别对各 铰接点位置参数进行优化，结果如表 2 所示。 第 2 4期 周生保 等 基于 A D A MS的轻型自卸车液压举升机构的优化设计 7 9 表2 各铰接点位置参数第一次优化结果 通过表 2设计 变量位 置灵 敏 度 的 大 小 可 以看 ． 出点 O 的纵坐标 0 点 O 的 横 坐 标 0 缸，点 0 的纵 坐标 0 ，点 0 的纵坐标 0 以及点 0 的 纵坐标 0 的位置灵敏度 较高 ，因此选取这 5个位 置参 数 作 为 最 终 设 计 变 图4 优化前后举升油 缸推力输出曲线 量进行优化，并根据第一次优化分析的结果对这 5 个 设计变量的可变区间做细微的调整，以提高仿真计算 的效率。最终优化后的举升油缸推力输出曲线如图 4 所示 。 由图 4 所示 的举 升油缸 优化前后 的推力输 出曲线 对比可以看出货箱举升过程中，油缸最大推力 由优 化前 的 7 ． 5 X 1 0 N降低 为 4 ． 91 0 N，下 降 了 3 4 ． 6 7 ％；优化后的油缸推力输出曲线斜率明显降低 ， 运动过程中推力变化波动得到显著改善，曲线趋势平 缓 ，这对提高车辆的稳定性 和延长液压系统的使 用寿 命具有重要意义。自卸车液压举升机构优化前后各设 计变量值如表3所示。 表 3 各设计变量值优化前后对比 4 结束语 作者利用 A D A M S软件在物理模型的基础上建立 了某额定载荷 3 ． 9 2 x 1 0 N的 自卸车液压举 升机 构的 虚拟仿真模型 ，通过对 白卸车液压举升机构各交接点 位置坐标 的参数化处理 以及优化分析 ，完成了对机构 的受力分析和 4个关键铰接点位置布置的优化。优化 后油缸推力输出曲线得到显著改善，对提高 自卸车的 经济性和卸货工况的稳定性和操控性具有实际意义。 参考文献 【 1 】 徐格宁， 左一凡， 王敬川． 自卸车前推连杆式举升机构的 计算机辅助优化设计[ J ] ． 建筑机械， 2 0 0 8 5 8 28 3 ． 【 2 】 刘伟． S X E 3 1 9 0型 自卸车举升机构的设计[ J ] ． 陕西汽 车， 1 9 9 7 2 3 2 3 7 ． 【 3 】李增刚． A D A M S 入门详解与实例[ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 上接 第 6 2页 液压系统利用溢流阀实现泵出口压力稳定、利用 安全阀实现负载压力过载限制等类似于电气系统的稳 压原理。 3 ． 3方 向 回路 直流电机的可逆控制回路中利用刀开关切换电流 方 向实现直流 电机正反转控制 ，而液压系统 中常用换 向阀实现液压马达或液压缸 的正反方 向控制。 3 ． 4速 度 回路 直流电机调速 回路中利用进入电机的平均电压进 行调速 ，而液压系统中通过节流阀、调速阀调节进入 液压马达的流量进行速度调节。 4结束语 基于 电液相 似性 理 论对 电气 与 液压 系 统进 行 比 较，突出液压技术中的基本概念、液压元件和液压回 路的基本原理与特点。 参考文献 【 1 】邱裕． 浅谈液压与电气的相似性[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 2 3 1 7 ． 【 2 】沈克贵． 液压传动与电气传动的相似性探讨 [ J ] ． 黄河 水利职业技术学院学报， 2 0 0 2 ， 1 4 3 5 2 5 3 ． 【 3 】 刘青凤 ， 周广生， 刘辉． 从相似原理对液控单向阀和可控 硅进行比较[ J ] ． 流体传动与控制 ， 2 0 0 8 1 1 5 4 5 5 ． 【 4 】于福生． 电与液压[ M] ． 大连 大连出版社， 1 9 8 9 ． 1 0 ．