矿井下铰接式车辆转向机构优化设计.pdf

煤炭工程2 0 0 9 年第3 期 煤矿井下铰接式车辆转向机构优化设计 魏勇刚1 ，一，申进杰2 1 ．中国矿业大学 北京 机电与信息工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．煤炭科学研究总院太原研究院，山西太原0 3 0 0 0 6 摘要对煤矿井下铰接式车辆铰接转向机构的性能进行了4 个方面的分析，得到了转向过 程中左右油缸的力臂差和行程差之间互成正比关系的结论。同时建立了以综合转向性能最优为目 标的优化设计模型，并对原转向机构、前期改进的转向机构和此次进行优化设计所得的转向机构 的性能做了比较分析，确认了此次优化所得的机构为综合性能最优的铰接转向机构，为煤矿井下 铰接转向机构的改进及新产品研发提供了依据。 关键词铰接车辆；转向机构辅助运输 中图分类号T D 5文献标识码B文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 0 9 0 3 - 0 0 9 8 旬3 铰接式转向机构通常用于车架由前、后机架组成而中 间用铰接销连结的铰接式底盘的煤矿井下特种辅助运输胶 轮车中。长期以来，对铰接式车辆转向系统的研究主要集 中在对其转向阻力和转向油缸压力的计算，而对油缸与前 后机架铰接点以及前后机架铰接点位置尺寸对转向能力的 影响研究相对甚少。本文以某型号煤矿井下特种车辆铰接 式转向机构为例，在分析铰接式转向机构原理的基础上， 以双油缸左右对称布置转向机构为例建立r 转向机构数学 模型，以工作油缸最大推力最小、转向油缸行程最小化等 为优化目标，对机构中各铰接点位置进行了优化计算。研 究表明，油缸与机架铰接点以及前后机架铰接点位置的布 置，对车辆转向性能有直接的影响，各个铰接点经过优化 后，油缸推力比优化前最大值降低了1 5 ％，行程减少了 1 3 ％。经过优化后的机构既满足了车辆转向性能的要求， 也提高了转向效率，同时可以缩小油缸所占空问，也利于 整车的布置。 1 铰接机构转向原理 所谓铰接转向机构就是通过转向油缸的伸缩动作推动 前、后车架绕铰接销转过一定角度而实现车辆的转向 转 向油缸的两端分别与前后车架铰接。其主要特点是转向力 矩大，转向半径小。对于煤矿井下载蓖量大，转向半径小 的低速行驶车辆多采用这种转向机构。按转向油缸的数量 多少，可分为双缸和单缸两种布置方案，转向机构简图如 图1 所示。 1 - l 转向力矩计算及优化目标的确立 对于铰接转向的车辆，若假定铰接点不动，则转向阻 9 8 前．几架1 挺蒴 ≮邀 a 双缸对称布置方案 b 单缸布置方案 图1 铰接式车辆转向示意图 力矩可根据下列公式计算 ‘F M c ／√等 r 2 1 式中肛一相对于铰接点转动时的阻力矩，N m ； 卜前轮轮距，m ； r 一前桥轮轴线至铰接点的距离，m ； G 。前桥载荷，N ； 产一轮胎与路面之间的综合阻力系数。 由公式 1 可知，转向阻力矩与偏转角无关，基本恒 定。当转向臂增大时，可以降低液压系统的压力，降低功 率消耗，所以应使转向力臂最大化。 1 ．2 转向行程 铰接式车辆作业过程中，存在频繁的转向动作，转向 时间的长短对辅助运输车辆作业效率的影响较大。为提高 作业效率，应使转向时间最小，转向油缸的行程越短则转 向时间越少，即应使转向行程最小化。 1 ．3 转向力臂的变化量 在转向过程中，转向油缸与车架之间的位置连续变动， 收稿日期2 0 0 8 1 0 2 9 作者简介魏勇刚 1 9 6 3 一 ，男，研究员，中困矿业大学 北京 机电与信息工程学院在读博士研究生，现在煤炭科学 研究总院太原研究院工作，从事煤矿机电产品的研究与开发。 万方数据 2 0 0 9 年第3 期煤炭工程 同样转自力臂也发生连续变化。如翦所述，由于转向过程 中的隰力矩与偏转角无关，簌枧架褶对偏转过程中，油缸 相对铰接点的力臂变化越小，油缸越能得到充分利用。同 时，油缸力臂的变化将引起系统压力的变化，工程实践中， 要求王俸过程中滚莲系统压力尽量稳定，双瑟使滚簇元件 承载稳定，延长液压元件的使用寿命。为满足此要求，应 当使转向过程中力臂的变化最小。 下嚣廷绘出走转囊洼氟鹃诗算公式，右转自满敬懿诗 算方法相同。转向油缸的力臂，计算公式如下 Z ，R a i n 0 ／L 2 式孛产一撬絮长度，m ； 舡_ 摇杆长度，m ； p 一当前机架转动口角时，左油缸与铰接点形成的 角度姆筘之翻； 卜左转向油缸长度，m ； 卜左转向油缸力臂，n l 。 擞据r 、R 、0 的数值，通过余弦定理酆可褥到友转向 油缸酶长度互，然詹计算不同缘置转向泊缸的力臂。 将式 2 化简求导后可得 t ， Z 埘 3 鸯式 3 胃翔，当左右转秘洼藏静力鬻不等时，必然会 引起宠右油缸伸缩速度不等，从而导致旋右油缸产嫩行程 差，所以只需降低左右转向液压缸的力臀相对于中间位置 酶不黪髂度，帮霹降纛嚣演叙之闻嚣行程茇。 2 铰接转向机构的数学建模 2 ．1 设计变量鲢确定 下面以图2 所表示的转向结构为饿，选取主要的、独 立的参数为设计变馈 X B F ，0 尹，D 昱，0 髫 ’ 茹l ，X 2 ，屯，鬈 。 蘸2 转离壤携鳝稳篱豳 2 ．2 目标函数的建立 铰接式车辆农转向过程巾，左右两全油缸的行程是不 糯等豹，这将弓l 藏液压系统审液珏涵的脉动，产生搬动纛 冲击，造成转向过程运动不平稳，因此谯设计时应最大程 度地使两油缸转向行程差最小，以减少油压脉动。另岁卜， 在缭梅允许鳇馋涎下，瘟力求濑懿静转穗力臂越大越好鄹 由最太转向阻力缀确定的系统压力越小越好。综上所描述， 建立的系统目标函数为 m i n F x 轰Z 蒿 A ，磊 茗 式中 l ，五2 为加权因子；Z 茗 ㈠。 o 一2 乇l 为 转向缸行程差丞数；t o 先前后车架摆正位置时油缸长度； z 。，l 幽为转向缸最大躐最小长度；磊 并 M ／[ 雷似 ∥一 I r ／4 D 2 一扩 ‘] 为系统压力函数；M 为转向 照力矩；，i ，如左右油敷的转向力辣；D 为油缴浅径；d 必 滚塞释直径。 2 ．3 约束方程的建成 1 边界约束。考虑攀架、油缸等布置的可能性，避免 予涉，建立努程如下 G i 茗 i 一搿岫 i ≥0 f l ⋯- 4 G i x i 一4 一x i 一4 0 1 5 ⋯⋯8 2 传动性终寨。势避免税祷爨瑷死熹，浚善受力条 件，其传动角应满足 G 9 口。．n 一1 0 0 ；G 1 0 1 7 0 一傀柚；I I ≥0 3 绩约簧求及蘧歉行程限裁约秉。 G 1 1 舾一O A - O ；G 1 2 屯。一{ 眦 o ； G 1 3 S 一 Z 一一Z 搬i 。 ≥0 式中，s 势规定的最大静程。 4 三角形成立条件约束。 C 1 4 O A Z m i l I O C ≥0 G 1 5 O B Z 一 0 1 ≥0 5 浦散鑫身结梅布鬣要求。 c 1 6 2 l 。钿一z 一一弓≥0 式中，玉为濑缸最小结构尺寸。 6 漓羲￡l 睾缩毙约索。为保证浦敝酶稳定性，充分拳l 耀 油缸的结构长度，其油缸伸缩比应满足 C 1 7 Z 幽一1 ．3 l 。。；G 1 8 1 - 6 5 1 。h Z 。。 7 转游泊缸动铬遂度终束。摄据铰接车镢酶转淘经熊 癸求，前车架从前、后车架成一直线位置转到最大转角位 蹩，转向时间应加以限制，亦即转向油缸的速度应加以限 铡，为越应满足 G 1 9 t ，一s O , I ，娩，X 3 ，X ．4 ／t ≥0 式中s 算l ，茹，髫，，X 4 转向油缸行程熬函数； } 一设诗要求的转囱时闯， ； 铲一转向浦缸平均速度，m ／s 。 转向油缸平均速度”由多体系统运动学分析程序 K E N C O M B S 计算确定，方法是给定翦车架一令速度运动， 蠢K E N C O M B S 程序{ } 算出t 秒时阀内油缸酶速度，再取芟 均值即得。 8 附加约束。满足厂家具体要求薅追加的约束方程。 2 ．4 优纯方法及流程 铰接车辆转向机构的优化设计是一个带有不等式约求 的非线性约束优化问题，该设计采用了正多颟体法，该方 法具有速度快、毂敛稳定、穰度离等特熹，楚一释实震、 有效的优化方法，详见参考文献[ 5 ] 。 根据多体系统运动学分析理论，针对铰接车辆的转向 撬梅，结会麓述撬记设计方法，将多体系统运动学约束糯 予优化设计的约束条件中，从而获得最优解；接着对优化 9 9 万方数据 煤炭工程2 0 0 9 年第3 期 后的转向机构进行多体系统运动学分析，判断是否符合设 计要求，以决定整个设计过程是否还需重新进行。整个设 计过程的粗框图见图3 。 图3 设计流程框图 3 优化结果 应用多体动力学软件A D A M S 进行优化，优化设计结果 如下 菇。 2 4 0 ．3 ，3 ．0 5 ，3 2 0 ．0 3 ，7 5 0 ．0 2 。 左右油缸行程差， 茹 1 ．4 r m n 。 系统工作压力值五 并 9 3 ．2 k g ／c m 2 。 4 结果比较分析 优化前的机构 机构一 和优化后的机构 机构二 采用 了相同的转向油缸。 4 ．1 性能指标数据 经过计算，可以得到表1 的数据。同时为便于观察力 臂的变化情况，给出2 组机构全转向角内的力臂差变化曲 线，对4 5 。转向行程进行计算，结果见图4 。 蠹 契 曩 指 转向角度， o 图4 转向机构力臂差变化曲线图 4 ．2 性能分析 1 0 0 根据性能指标数据可知，优化过程中，机构的转向力 臂最大值f 一、油缸行程址几乎没有变化，可知两者已达 到合理的匹配。 对于力臂变化量Z 一一Z 血。，根据表1 中的数据可知， 机构一的力臂变化明显比机构二大，由于机构二是以力臂 变化最小为设计原则的，所以其力臂变化量最小。 表1 机构转向性能数据 由于左右转向油缸力臂差的变化情况比较复杂，下面 结合力臂差变化曲线图4 进行阐述。 机构二的力臂差变化是左右极限位置为0 ，其余位置逐 渐由小增大，再由大减小，在2 5 。左右达到最大值。该机构 不论大角度还是小角度转向都存在一定的力臂差，液压系 统均具有一定的冲击，且较严重；但大角度转向时，特别 是接近4 5 。时，力臂差很小，所以机构二适合于大角度及满 转向使用。 机构二的变化曲线是由小逐渐增大，然后逐渐减小， 在3 2 0 时接近为0 ，之后进入快速增加区，在转向角达到 4 5 。时力臂差达到最大值，但由于后面的转向行程为1 3 。， 其机构二的力臂差的最大值相对于机构一比较小，可知机 构二在整个转向行程内，其转向性能均较好，液压系统冲 击较弱。 经过上述分析可知，机构二的综合转向性能最优。 5 结语 本文应用多体动力学理论对3 个转向性能指标为设计 变量，以转向油缸的力最小为优化目标，对煤矿井下铰接 式车辆的铰接转向机构进行了优化设计，并将原始设计、 以力臂变化最小为设计原则的改进设计及本文的优化设计 进行性能比较分析，找到了综合性能最优的机构铰接点位 置，为煤矿井下辅助运输车辆铰接转向机构的改进及新产 品研发提供了理论依据。同时应指出，本文的结论同样能 够使用于其它具有铰接转向的工程机械产品。 参考文献 [ 1 ]马永辉．工程机械液压系统设计计算[ M ] ．北京机械工 业出版社，1 9 8 5 ． [ 2 3 方昀．轮式装载机液压助力转向系铰点优化设计[ J ] ．工 程机械，1 9 8 9 ，2 0 1 1 1 2 1 4 ． [ 3 ] 上官文斌．多体系统动力学在转向系分析中的应用[ J ] ． 汽车机械，1 9 9 0 ， 1 1 ． [ 4 ]衰清珂．机构系统运动学分析[ J ] ．工程机械，1 9 9 0 ， 3 ． [ 5 ]郁永歙．介绍一种新的优化方法[ J ] ．上海交通大学学报， 1 9 9 9 ， 1 ． 责任编辑赵巧芝 万方数据 煤矿井下铰接式车辆转向机构优化设计煤矿井下铰接式车辆转向机构优化设计 作者魏勇刚， 申进杰， WEI Yong-gang， SHEN Jin-jie 作者单位魏勇刚,WEI Yong-gang中国矿业大学北京机电与信息工程学院,北京,100083;煤炭科学研 究总院,太原研究院,山西,太原,030006， 申进杰,SHEN Jin-jie煤炭科学研究总院,太原 研究院,山西,太原,030006 刊名 煤炭工程 英文刊名COAL ENGINEERING 年，卷期20093 参考文献5条参考文献5条 1.郁永歙 介绍一种新的优化方法 199901 2.袁清珂 机构系统运动学分析 199003 3.上官文斌 多体系统动力学在转向系分析中的应用 199011 4.方昀 轮式装载机液压助力转向系铰点优化设计 198911 5.马永辉 工程机械液压系统设计计算 1985 本文链接