液壓舉升機(jī)構(gòu)利用液壓油缸的油壓力使活塞桿伸出產(chǎn)生力矩，推動(dòng)舉升機(jī)構(gòu)的支撐桿繞各自的鉸支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)至合適的位置.通過對液壓系統(tǒng)的控制，液壓舉升機(jī)構(gòu)可以在中間任意位置停留并工作.平行桿翻轉(zhuǎn)液壓舉升機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)大噸位低速傳動(dòng)，能在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，并且在翻轉(zhuǎn)過程中能保持正常的工作姿態(tài)，而且在相同功率條件下，傳動(dòng)裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，在對機(jī)動(dòng)性要求較高的場合應(yīng)用廣泛.許平勇等［1］，曹鵬舉等［2］對平行桿液壓舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了廣泛的研究，通過解析計(jì)算得到液壓缸支點(diǎn)位置的選擇對液壓缸推力的影響規(guī)律.楊彥龍［3］，崔丹［4］對液壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，利用加在液壓油缸上的平移驅(qū)動(dòng)等效液壓驅(qū)動(dòng)力.本研究應(yīng)用ADAMS軟件中的ADAMS/View和ADAMS/Hydraulics模塊，建立了平行桿翻轉(zhuǎn)液壓舉升機(jī)構(gòu)的機(jī)-液耦合仿真模型，并以液壓系統(tǒng)的油缸最大舉升力為優(yōu)化目標(biāo)對舉升機(jī)構(gòu)的機(jī)-液耦合模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

1 舉升機(jī)構(gòu)的機(jī)-液耦合仿真模型

1.1 機(jī)械系統(tǒng)的仿真模型

平行桿翻轉(zhuǎn)液壓舉升機(jī)構(gòu)的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中 ZT21，ZT22，ZB21，ZB22 分別為上、下平行連桿支架與舉升平臺(tái)的鉸接點(diǎn);ZT11，ZT12，ZB11，ZB12分別為上、下平行連桿支架與固定在平臺(tái)上的底座的鉸接點(diǎn);Y1，Y2分別為液壓油缸的缸筒與固定平臺(tái)的鉸接點(diǎn);YZ1，YZ2分別為液壓油缸的活塞桿與下平行連桿支架的鉸接點(diǎn).

在ADAMS/View中，根據(jù)空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各個(gè)點(diǎn)的位置關(guān)系，按照1∶1的比例對平行桿翻轉(zhuǎn)液壓舉升機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行簡化建模［5～8］，如圖2所示.其中，重力加速度為y方向-9.806 65 m·s-2，模型材料選steel，各個(gè)構(gòu)件通過相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行約束連接，以此限制相互之間的運(yùn)動(dòng)，使組成的機(jī)械系統(tǒng)具有預(yù)期的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

圖1 液壓舉升機(jī)構(gòu)空間拓?fù)鋱DFig.1 The topology of the hydraulic

1.2 液壓系統(tǒng)的仿真模型

圖2 液壓舉升機(jī)構(gòu)機(jī)械系統(tǒng)仿真模型Fig.2 ADAMS model of hydraulic lifting mechanism

根據(jù)實(shí)際的液壓回路，在ADAMS/Hydraulics中建立平行桿翻轉(zhuǎn)液壓舉升機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)回路.根據(jù)在ADAMS/View中建立機(jī)械系統(tǒng)仿真模型時(shí)設(shè)置的模型單位，設(shè)置ADAMS/Hydraulics中的環(huán)境參數(shù)，創(chuàng)建流體、油箱、流量泵、三位四通控制閥、溢流閥、液壓缸、三通連接器等，并合理設(shè)置各個(gè)元件的參數(shù)［9，10］，然后將各液壓元件按照設(shè)計(jì)的液壓回路連接，得到如圖3所示的液壓系統(tǒng)回路.當(dāng)三位四通控制閥由中位移至左位時(shí)，壓力油進(jìn)入液壓缸無桿腔，活塞桿伸出推動(dòng)平行連桿舉升，同時(shí)液壓缸有桿腔的液壓油回到油箱，溢流閥用來保持液壓回路的流量和壓力穩(wěn)定;反之，當(dāng)三位四通控制閥由中位移至右位時(shí)，液壓油直接進(jìn)入液壓缸有桿腔，舉升平臺(tái)下降，液壓缸無桿腔的液壓油經(jīng)過溢流閥回到油箱，溢流閥可以防止液壓缸活塞因負(fù)載重量而高速下落.

圖3 舉升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)Fig.3 Hydraulic system of lifting mechanism

1.3 機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)及仿真分析

舉升機(jī)構(gòu)的動(dòng)作由液壓缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)中的平行連桿來完成.在ADAMS軟件中，液壓缸的仿真通過2部分完成:1個(gè)是在ADAMS/View中建立的機(jī)械實(shí)體部分，另1個(gè)是在ADAMS/Hydraulics中建立的液壓動(dòng)力部分.通過液壓系統(tǒng)仿真模型中液壓缸的I-Marker和J-Marker點(diǎn)和機(jī)械系統(tǒng)仿真模型中對應(yīng)的活塞桿和油缸的Marker點(diǎn)可以將這2個(gè)部分聯(lián)系起來，從而實(shí)現(xiàn)舉升機(jī)構(gòu)的動(dòng)作.這樣，利用對應(yīng)參數(shù)的關(guān)聯(lián)就可以將液壓系統(tǒng)模型與機(jī)械系統(tǒng)模型在同一界面下虛擬的結(jié)合到一起，即可得到舉升機(jī)構(gòu)的機(jī)-液耦合仿真模型.設(shè)置仿真時(shí)間、仿真步長等控制參數(shù)，經(jīng)仿真計(jì)算分析得到油缸舉升力曲線，如圖4所示.舉升過程中舉升力沒有突變，當(dāng)舉升角(平行連桿與水平方向夾角)小于10°，油缸的舉升力隨著舉升角的增大而增大，而當(dāng)舉升角超過10°時(shí)，油缸的舉升力將慢慢減小，其中最大舉升力為6.4×106N.

圖4 油缸舉升力曲線Fig.4 The plot of cylinder lifting force

2 舉升機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化模型

液壓缸安裝支點(diǎn)的位置以及液壓泵的流量對液壓系統(tǒng)的工作壓力和液壓油缸的最大舉升力都有一定的影響，在舉升機(jī)構(gòu)的舉升質(zhì)量、最大舉升角度不變的情況下，實(shí)現(xiàn)液壓缸選型的經(jīng)濟(jì)性，就要求對液壓系統(tǒng)的流量以及液壓缸安裝支點(diǎn)的位置進(jìn)行優(yōu)化.建立機(jī)-液耦合系統(tǒng)的優(yōu)化模型如下:

優(yōu)化目標(biāo):f(X)=min{F}

設(shè)計(jì)變量:X={XYZ1，XYZ2，XY1，XY2，Q}

式中:F 為油缸最大舉升力;XYZ1、XYZ2、XY1、XY2為鉸接點(diǎn)Y Z1，Y Z2，Y1，Y2的X坐標(biāo);Q為液壓泵的流量.

約束條件:g1～g13

其中，g1為最大舉升角約束;g2為液壓缸活塞最大行程約束;g3為液壓缸運(yùn)動(dòng)速度約束;g4為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)死點(diǎn)約束;g5為液壓泵的流量約束;g6～g13為鉸接點(diǎn)YZ1，YZ2，Y1，Y2的坐標(biāo)約束.

舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是確定液壓缸安裝支點(diǎn)的最佳布置方案以及合適的液壓泵流量，因此選擇鉸接點(diǎn)YZ1，YZ2，Y1，Y2的坐標(biāo)和流量泵的初始流量作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量.

2.2 優(yōu)化結(jié)果分析

針對優(yōu)化模型中選擇的設(shè)計(jì)變量:XYZ1，XYZ2，XY1，XY2，Q，在 ADAMS/View 中創(chuàng)建對應(yīng)的設(shè)計(jì)變量:DV_1，DV_2，DV_3，DV_4，DV_5，根據(jù)實(shí)際情況確定各個(gè)設(shè)計(jì)變量的取值范圍，并將各取值范圍等間距的取5個(gè)位置，其中DV_1和DV_2的取值相同，DV_3和DV_4的取值也相同.在優(yōu)化設(shè)計(jì)之前，先進(jìn)行幾次試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析，將設(shè)計(jì)變量的取值范圍縮小，之后采用OPTDES-SQP非線性序列二次規(guī)劃算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［11，12］.初始模型和優(yōu)化模型各設(shè)計(jì)變量的對比如表1所示，優(yōu)化設(shè)計(jì)的油缸舉升力對比曲線如圖5所示，優(yōu)化設(shè)計(jì)前后舉升平臺(tái)的加速度對比曲線如圖6所示.

表1 初始模型和優(yōu)化模型各設(shè)計(jì)變量對比Table 1 Comparison of the design variables between the initial model and the optimized model

由圖5可知，在優(yōu)化前，舉升機(jī)構(gòu)的起始舉升力為2.1×106N，最大舉升力為6.4 ×106N;在優(yōu)化后，舉升機(jī)構(gòu)的起始舉升力為1.3×106N，最大舉升力為4.3×106N，分別下降了38%和33%，且油缸舉升力隨舉升角的變化曲線變得較為平緩.由圖6可以看出，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，舉升平臺(tái)的速度變化更為平緩，在舉升角達(dá)到65°時(shí)開始減速，比優(yōu)化前提前了15°角.

3 結(jié)論

本研究以ADAMS軟件為平臺(tái)分別創(chuàng)建了液壓舉升機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)模型和液壓系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了在同一仿真框架下的機(jī)-液耦合模型的動(dòng)態(tài)仿真分析，得到了舉升機(jī)構(gòu)從水平位置到工作位置的過程中，液壓系統(tǒng)的油缸舉升力的大小隨著舉升角度的變化規(guī)律，反映了機(jī)械負(fù)載對液壓系統(tǒng)的影響.為實(shí)現(xiàn)液壓缸選型的經(jīng)濟(jì)性，在舉升機(jī)構(gòu)的舉升質(zhì)量、最大舉升角度不變的前提下，盡可能降低液壓系統(tǒng)的工作壓力和液壓缸的最大舉升力，本研究以液壓缸安裝支點(diǎn)的坐標(biāo)和流量泵的初始流量為設(shè)計(jì)變量，以油缸的最大舉升力為優(yōu)化目標(biāo)，使用OPTDES-SQP非線性序列二次規(guī)劃算法對舉升機(jī)構(gòu)的機(jī)-液耦合仿真模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).優(yōu)化后的油缸舉升力隨舉升角的變化較之優(yōu)化前更為平緩，最大舉升力大幅下降;優(yōu)化后的舉升平臺(tái)的速度變化較之優(yōu)化前更為平緩，舉升平臺(tái)到達(dá)工作位置時(shí)的水平速度較之優(yōu)化前更小，減小了舉升平臺(tái)在工作位置停止時(shí)的對舉升機(jī)構(gòu)的影響.

［1］ 許平勇，曹鵬舉.平行桿翻轉(zhuǎn)舉升機(jī)構(gòu)及液壓缸鉸支點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2008(5):23-25.

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