自行式模塊運(yùn)輸車驅(qū)動(dòng)和懸掛系統(tǒng)研究與懸掛機(jī)構(gòu)優(yōu)化研究

林強(qiáng)

摘 要：隨著模塊化施工方法的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)階段的自行式模塊運(yùn)輸車得到了大力推廣，在自行式模塊運(yùn)輸車中，行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和液壓懸掛系統(tǒng)是非常重要的組成部分，是提高模塊運(yùn)輸車作業(yè)效率和承載能力的核心。該文結(jié)合模塊車驅(qū)動(dòng)和升降液壓系統(tǒng)，提出了基于有限元分析的模塊車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：自行式模塊運(yùn)輸側(cè) 驅(qū)動(dòng)和懸掛系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TH22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（a）-0096-02

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，針對(duì)大型工程建設(shè)，如果依然采用傳統(tǒng)的施工方法將很難控制施工進(jìn)度，甚至出現(xiàn)成本時(shí)空的嚴(yán)重問題。近年來將模塊化施工方法應(yīng)用于大型工程建設(shè)中，在場(chǎng)外制造出各個(gè)組件，在場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行拼裝，以提高施工效率。隨著大型建設(shè)項(xiàng)目的增多，模塊化施工方法也獲得了廣泛的應(yīng)用，但在應(yīng)用的過程中由于模塊拆分過多不利于總裝和調(diào)試或者模塊拆分過少會(huì)對(duì)運(yùn)輸條件有較高的要求，因此將自行式模塊運(yùn)輸車應(yīng)用到施工過程中，成為液壓平板運(yùn)輸車的典型代表。自行式模塊運(yùn)輸測(cè)繪自帶動(dòng)力單元，無需牽引就可實(shí)現(xiàn)自行，主要包括動(dòng)力模塊和帶驅(qū)動(dòng)?？?，模塊直接通過機(jī)械方式和電氣方式連接，具有較高的運(yùn)輸能力。

1 模塊運(yùn)輸車驅(qū)動(dòng)和液壓系統(tǒng)

圖1是模塊運(yùn)輸車液壓系統(tǒng)的工作流程圖。

液壓系統(tǒng)包括閉式行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)、懸掛液壓系統(tǒng)和冷卻液壓系統(tǒng)，整個(gè)由微電控系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)車輛的各種動(dòng)作。模塊運(yùn)輸車的車身結(jié)構(gòu)由高強(qiáng)度鋼組成，在一定的沖擊作用下仍有較高的承載能力，結(jié)構(gòu)較為安全。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)利用全液壓助力轉(zhuǎn)向形式液壓缸帶動(dòng)整車轉(zhuǎn)向，操作十分方便。車輛應(yīng)用液壓懸掛升降裝置，控制懸掛油缸的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)實(shí)際路面的狀況對(duì)液壓懸掛系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)發(fā)熱的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能[1]。

1.1 行走驅(qū)動(dòng)分析

自行式模塊運(yùn)輸車在重載的條件下形式速度一般只有2 km/h，對(duì)穩(wěn)定性提出了較高的要求。車輛中的液壓馬達(dá)一般分為低速大扭矩馬達(dá)和高速馬達(dá)。由于自行式模塊運(yùn)輸車屬于重型運(yùn)輸車輛，需要較高的場(chǎng)地適應(yīng)能力，在考慮車輛工作可靠性和設(shè)備維護(hù)便利性的條件下，模塊運(yùn)輸車采用高速輪邊驅(qū)動(dòng)方案，將高速液壓馬達(dá)和回轉(zhuǎn)減速機(jī)相結(jié)合，在驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)中包含雙向過濾器、變量馬達(dá)、變量泵、沖洗閥和液壓馬達(dá)控制閥等。

自行式模塊運(yùn)輸車行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)采用變量泵-變量馬達(dá)的容積調(diào)速回路，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前了解不同工作狀態(tài)下的不同外力和行駛阻力。當(dāng)模塊運(yùn)輸車在水平道路上勻速行駛時(shí)，都要克服滾動(dòng)阻力和空氣阻力，在加速狀態(tài)下還需要克服加速度的慣性力。車輛需要克服的總阻力為，其中Ft 為行駛驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)f 為滾動(dòng)阻力，F(xiàn)j 為加速阻力，F(xiàn)w 為坡度阻力，F(xiàn)i 為行駛空氣阻力。

1.2 懸掛升降液壓分析

自行式模塊運(yùn)輸車結(jié)構(gòu)主要包括懸掛臂、擺動(dòng)臂、懸掛油缸、制動(dòng)橋或驅(qū)動(dòng)架。其中懸掛油缸承擔(dān)著全部載荷，由液壓油缸的伸縮控制承重平臺(tái)的升降。在應(yīng)用過程中，需要重點(diǎn)關(guān)注負(fù)載所需的壓力和流量變化狀況，以便對(duì)車輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，向系統(tǒng)提供負(fù)載所需的液壓功率，以避免流量和壓力損失。

當(dāng)系統(tǒng)中的方向閥處于開口截流狀態(tài)時(shí)，液壓缸的負(fù)載壓力作用于壓力補(bǔ)償器的彈簧端腔，對(duì)補(bǔ)償器的開口量進(jìn)行調(diào)整，保持兩端壓力恒定，及時(shí)將液壓缸中的最大負(fù)載壓力反饋到負(fù)載敏感泵中，變量機(jī)構(gòu)調(diào)整所需的壓力和流量，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗，降低能量損失和廢氣排放。如果相應(yīng)的節(jié)流閥沒有換向動(dòng)作，整個(gè)液壓系統(tǒng)也會(huì)處于待命狀態(tài)，此時(shí)液壓系統(tǒng)提供泄露所需的流量，可以很大程度上降低能耗。

懸掛液壓系統(tǒng)中包含負(fù)載敏感泵、比例多路閥、壓力表、液控單向閥、防爆閥等。升降液壓系統(tǒng)是自行式模塊運(yùn)輸車中的重要部分，也是最主要的液壓系統(tǒng)，在模塊運(yùn)輸測(cè)繪滿載并且車架處于最高位置時(shí)，液壓懸掛的負(fù)荷會(huì)達(dá)到最大值，滿載狀態(tài)下的液壓懸掛受力決定了懸掛液壓系統(tǒng)的最大工作壓力。液壓泵的最大工作流量主要取決于升降速度和懸掛軸線數(shù)，在保證安全性和工作效率的前提下，升降速度需要有較大的調(diào)節(jié)范圍。在運(yùn)行過程中按照貨物的重量和大小組合控制不同模塊單元之間的工作方式，模塊運(yùn)輸車在不同的情況下都是由相同的液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，液壓泵必須滿足不同模塊組合情況下的需求[2]。

2 模塊運(yùn)輸車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分析

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中主要設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)為主，導(dǎo)致難以控制產(chǎn)品的開發(fā)成本，產(chǎn)品的質(zhì)量也無法保證。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，基于有限元的設(shè)計(jì)方法被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中，成為技術(shù)人員必須掌握的方法。以下論述有限元分析方法。

有限元方法是現(xiàn)代計(jì)算領(lǐng)域中的重要工具，利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)幾何和載荷狀態(tài)進(jìn)行模擬。將一個(gè)完整的工程系統(tǒng)分為離散的多個(gè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了問題。有限元系統(tǒng)主要包括多個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)和單元，其中節(jié)點(diǎn)是工程系統(tǒng)中的重要坐標(biāo)位置，具有實(shí)際的物理意義，例如位移、溫度、壓力等。單元由不同的節(jié)點(diǎn)連接而成，求解單元類型的不同，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中需要結(jié)合具體情況分析。現(xiàn)階段重要的有限元分析軟件有ANSYS、ABAQUS、MSC等，其中ANSYS在非線性分析領(lǐng)域中具有較強(qiáng)的能力，將流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等結(jié)合在一起，是廣泛流通的有限元軟件。

利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析的步驟主要包括預(yù)分析、前處理、求解和后處理過程。在預(yù)分析過程中，重點(diǎn)對(duì)分析類型、單元類型和模型類型進(jìn)行定義；在前處理過程中建立或者導(dǎo)入幾何模型，對(duì)材料的屬性進(jìn)行定義并劃分好網(wǎng)格；在求解的過程中施加一定的荷載和約束，求出結(jié)果；在后處理過程中，對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢查得出相應(yīng)結(jié)論，對(duì)結(jié)果進(jìn)行合理分析。

懸掛機(jī)構(gòu)是模塊運(yùn)輸車的重要承載部分，包括懸架機(jī)構(gòu)本身、車架和貨物。為了提高模塊運(yùn)輸車的安全性和可靠性，必須保證懸掛機(jī)構(gòu)有較強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度，克服懸掛機(jī)構(gòu)的應(yīng)力和變形。

在有限元分析過程中，為了滿足網(wǎng)格劃分的需求，需要?jiǎng)h除懸掛臂頂部上的一些倒圓角，用直角替換圓角，刪除懸掛臂和擺動(dòng)臂中的小倒角，刪除擺動(dòng)臂與驅(qū)動(dòng)橋架之間的倒角和小孔。刪除驅(qū)動(dòng)橋架連接位置的倒角和小孔，對(duì)相應(yīng)的模型做出清理工作。分析過程中，先將其定義為同車架靜態(tài)分析類型，再劃分懸掛臂的網(wǎng)格。約束處理過程中，對(duì)懸掛臂和油缸交接處利用圓柱約束，對(duì)擺動(dòng)臂與懸掛臂交接處利用援助約束[3]。

3 基于遺傳算法的懸掛機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)優(yōu)化

遺傳算法通過模擬自然進(jìn)化過程實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)解的搜索，通過目標(biāo)函數(shù)和適應(yīng)度函數(shù)構(gòu)建全局求解方法，在應(yīng)用的過程中需要先建立完善的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化方法是重點(diǎn)，選擇合理的優(yōu)化方法也是建立綜合模型的核心。圖2是三鉸點(diǎn)位置的6個(gè)變量。

其中A是懸掛升降油缸與懸掛臂形成，B是由懸掛升降油缸與擺動(dòng)臂形成，3個(gè)交點(diǎn)的幾何關(guān)系分析中需引入相應(yīng)的6個(gè)變量。在遺傳算法中利用適應(yīng)度來衡量個(gè)體的適應(yīng)性，適應(yīng)度函數(shù)的構(gòu)建一般包括直接轉(zhuǎn)換法、分段表示法和約束條件表示法。

由于懸掛結(jié)構(gòu)的三鉸點(diǎn)優(yōu)化問題屬于多目標(biāo)優(yōu)化，在考慮約束條件的前提下，一般將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題來進(jìn)行求解，一般采用目標(biāo)函數(shù)中的線性加權(quán)法將多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題進(jìn)行轉(zhuǎn)化，構(gòu)造出單目標(biāo)的綜合優(yōu)化函數(shù)，再利用MATLAB遺傳優(yōu)化算法優(yōu)化工具求出鉸點(diǎn)優(yōu)化的滿意解，不同的變量參數(shù)如表1所示。

優(yōu)化前整車的升降高度為300 mm，懸掛油缸的受力為434 kN，優(yōu)化后整車的升降高度為311 mm，懸掛油缸的受力為409 kN。兩個(gè)目標(biāo)均實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化，利用遺傳優(yōu)化算法對(duì)自行式模塊運(yùn)輸車懸掛機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是可行的，優(yōu)化了懸掛機(jī)構(gòu)的性能，同時(shí)提高了懸掛機(jī)構(gòu)的承載能力。

4 結(jié)語

該文通過遺傳算法的應(yīng)用，說明了對(duì)自行式模塊運(yùn)輸車懸掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的可能性。在模塊運(yùn)輸車應(yīng)用的過程中，需要將行走驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)和懸掛升降液壓系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間進(jìn)行科學(xué)的匹配，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

參考文獻(xiàn)

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