鄒 杰 賈軍池 馮海青 吳建剛

1 湖北三江航天萬(wàn)山特種車輛有限公司 孝感 432000 2 海軍駐武漢地區(qū)第六軍事代表室 孝感 432000

0 引言

混合鍋運(yùn)輸車是大型火藥混合設(shè)備運(yùn)輸過(guò)程中必不可少的工藝裝備，承擔(dān)著重要的運(yùn)輸任務(wù)。轉(zhuǎn)向靈活，操作簡(jiǎn)單是該車最主要的技術(shù)特征，其外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 混合鍋運(yùn)輸車外形圖

隨著技術(shù)的發(fā)展，混合鍋的容量越來(lái)越大，對(duì)混合鍋運(yùn)輸車的性能提出了更高的技術(shù)要求，相應(yīng)的對(duì)混合鍋運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)也提出了更大的挑戰(zhàn)。

1 轉(zhuǎn)向模式

混合鍋運(yùn)輸車是在重型平板運(yùn)輸車的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，采用電控-液壓轉(zhuǎn)向，能實(shí)現(xiàn)多種模式轉(zhuǎn)向，主要包括：普通駕駛模式、橫向駕駛模式、汽車駕駛模式、斜向駕駛模式、90o角向駕駛模式、轉(zhuǎn)圈行駛模式等轉(zhuǎn)向模式，如圖2 所示。

1）普通駕駛模式 所有懸架以該形式轉(zhuǎn)向，即所有軸的中心線將交于一個(gè)公共焦點(diǎn)O，O 點(diǎn)可在車外、車緣、車內(nèi)，最小的內(nèi)轉(zhuǎn)半徑為零；

2）汽車駕駛模式 轉(zhuǎn)向軸在后軸上；

3）橫向駕駛模式 所有輪架以這樣的形式轉(zhuǎn)向，即所有軸的中心線將交于一個(gè)公共焦點(diǎn)O，O 點(diǎn)在縱向中心線上；

4）斜向駕駛模式 所有車軸轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向一致，可以選擇從-90°～ +90°任意一個(gè)角度；

5）90o角向駕駛模式 所有車軸轉(zhuǎn)向90o，并能隨遙控器轉(zhuǎn)向按鈕操作、進(jìn)行小角度的轉(zhuǎn)向調(diào)整；

6）轉(zhuǎn)圈駕駛模式 所有車軸移到固定程序位置，運(yùn)輸車圍繞自身中心轉(zhuǎn)圈。

圖2 混合鍋運(yùn)輸車主要轉(zhuǎn)向模式

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)整車多模式轉(zhuǎn)向的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)向臂、連桿、轉(zhuǎn)向銷軸、轉(zhuǎn)向液壓缸等組成，通常重型平板車的三維結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 混合鍋運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)三維圖

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)安裝于車架上，通過(guò)轉(zhuǎn)向臂和連桿將車架、懸架聯(lián)接起來(lái)，組成一個(gè)四連桿增角機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)向是通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)與編碼器相連的方向盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)懸架上都有1 個(gè)角度傳感器，懸架的位置信號(hào)送到控制器，將實(shí)際位置與設(shè)定值進(jìn)行比較，比例閥控制每個(gè)獨(dú)立懸架的轉(zhuǎn)向液壓缸工作，保證運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向的精度。

3 優(yōu)化模型

混合鍋運(yùn)輸車雖然是在成熟的重型平板運(yùn)輸車的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，但其應(yīng)用場(chǎng)合特殊，使用要求更高，對(duì)運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化十分必要，特別是通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的安裝點(diǎn)位，可降低轉(zhuǎn)向液壓缸推力，提高轉(zhuǎn)向液壓缸的安全性和壽命。

Matlab 優(yōu)化工具箱中fmincon 函數(shù)可以用于優(yōu)化轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)安裝點(diǎn)位的問(wèn)題。在優(yōu)化前需建立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型。

3.1 優(yōu)化變量的確定

取轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)懸架回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系如圖4 所示，以轉(zhuǎn)向液壓缸最小長(zhǎng)度時(shí)為初始狀態(tài)。圖中OA、AB、BCD、DE 分別表示轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的曲柄、連桿、轉(zhuǎn)向臂和轉(zhuǎn)向液壓缸。因構(gòu)件自身質(zhì)量相對(duì)于負(fù)載較小，可忽略不計(jì)，優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型僅考慮負(fù)載對(duì)機(jī)構(gòu)的影響。TOA、TCB、F 分別表示曲柄所受的轉(zhuǎn)向阻力矩、轉(zhuǎn)向臂所受的力矩和液壓缸所受的推力。

考慮到優(yōu)化成本和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的通用性，不考慮對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中曲柄長(zhǎng)度、連桿、轉(zhuǎn)向臂和轉(zhuǎn)向液壓缸進(jìn)行優(yōu)化，僅對(duì)轉(zhuǎn)向臂安裝位置、曲柄的初始角度和液壓缸安裝位置進(jìn)行優(yōu)化。故優(yōu)化變量包含：曲柄的初始角度θ1；轉(zhuǎn)向臂的安裝位置，即C 點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)xc和yc；液壓缸的安裝位置，即E 點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)xE和yE。優(yōu)化變量寫(xiě)成向量形式為X=[x1x2x3x4x5]=[xcycxEyEθ1][1]。

圖4 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖

3.2 機(jī)構(gòu)位置與受力分析

將式（9）、式（10）和式（20）帶入式（14），即可求出液壓缸的推力。

3.3 目標(biāo)函數(shù)建立

根據(jù)分析，通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的安裝點(diǎn)位，達(dá)到降低轉(zhuǎn)向液壓缸推力的效果，故優(yōu)化目的可以定位為使得最大液壓缸推力最小，即F=min（max（F））。根據(jù)3.2中的理論推導(dǎo)過(guò)程，利用Matlab 軟件編寫(xiě)的目標(biāo)函數(shù)m 文件[2-4]如下所示。

3.4 約束條件建立

根據(jù)分析，優(yōu)化需滿足成本最低和結(jié)構(gòu)件的通用性要求，即不改變連桿、轉(zhuǎn)向臂、轉(zhuǎn)向液壓缸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。因此約束條件按以下條件建立

4 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)建立的優(yōu)化模型，結(jié)合Matlab 軟件自帶的fmincon 優(yōu)化函數(shù)工具進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 轉(zhuǎn)向液壓缸推力優(yōu)化結(jié)果

如圖5 所示，優(yōu)化前后液壓缸推力變化趨勢(shì)一致，轉(zhuǎn)向液壓缸推力主要在轉(zhuǎn)向初始階段有較大的不同，優(yōu)化前，轉(zhuǎn)向液壓缸最大推力為158 805 N，優(yōu)化后轉(zhuǎn)向液壓缸最大推力為109 640 N，最大液壓缸推力降低31%，優(yōu)化效果明顯。

圖5 轉(zhuǎn)向液壓缸推力優(yōu)化結(jié)果

4.2 轉(zhuǎn)向液壓缸長(zhǎng)度優(yōu)化結(jié)果

如圖6 所示可知，優(yōu)化前后優(yōu)化后液壓缸最大長(zhǎng)度滿足使用要求，達(dá)到了優(yōu)化效果。

圖6 轉(zhuǎn)向液壓缸長(zhǎng)度優(yōu)化結(jié)果

4.3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)點(diǎn)位優(yōu)化結(jié)果

如表1 所示可知，優(yōu)化前后轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的安裝點(diǎn)位只需要做出較小的調(diào)整，具有可行性。

表1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)安裝點(diǎn)位優(yōu)化結(jié)果

5 結(jié)論

在分析混合鍋運(yùn)輸車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化必要性的基礎(chǔ)上，建立了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，利用Matlab 軟件自帶的fmincon 函數(shù)進(jìn)行求解，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)向液壓缸最大推力降低了31%，優(yōu)化方案可行。