基于ADAMS的轻型自卸车液压举升机构的优化设计

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 1 3 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 4 0 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 t Hy 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 0 1 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 E m 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 2 1 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 5 1 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 9 1 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