履帶式叉車工作裝置的優(yōu)化仿真分析

張全逾

(承德石油高等專科學(xué)校汽車工程系，河北承德067000)

履帶式叉車工作裝置的優(yōu)化仿真分析

張全逾

(承德石油高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河北承德067000)

對一種履帶式叉車的工作裝置應(yīng)用CATIA軟件建立三維模型。將模型導(dǎo)入到動力學(xué)仿真軟件ADAMS中，在View環(huán)境下建立了裝載工況和舉升工況下機構(gòu)的虛擬樣機模型，并對該工作裝置的兩種工作過程進行動態(tài)仿真分析。利用ADAMS/View軟件的分析功能對兩種作業(yè)工況下主臂液壓缸和舉升臂液壓缸的關(guān)鍵鉸點位置進行參數(shù)化建模，并對變量參數(shù)進行了敏感度分析，以工作裝置工作過程中液壓缸推力最小作為優(yōu)化目標進行優(yōu)化仿真分析。仿真分析結(jié)果顯示主臂液壓缸推力減小了30．2%，舉升臂液壓缸推力減小了61．7%，提高了工作裝置的使用性能。

履帶式叉車;ADAMS/View軟件;工作裝置;虛擬樣機;優(yōu)化仿真

針對目前流行的履帶式叉車在實際使用中存在貨物搬運方式不合理、承載能力不足、操作不便等缺陷，進行改進設(shè)計以提高其使用性能。首先建立裝載工況和舉升工況下的機構(gòu)虛擬樣機模型，并對該工作裝置的兩種工作過程進行動態(tài)仿真分析。利用ADAMS/View軟件的分析功能對兩種作業(yè)工況下主動液壓缸三個關(guān)鍵鉸點的位置進行參數(shù)化建模，以工作裝置工作過程中液壓缸推力最小作為優(yōu)化目標進行優(yōu)化仿真分析。最終使工作裝置得到了優(yōu)化，提高了工作裝置的使用性能。

1　虛擬樣機模型的建立及驗證

1．1虛擬樣機模型的建立

該工作裝置的簡圖如圖1所示，應(yīng)用CATIA軟件建立工作裝置的三維模型，導(dǎo)入到ADAMS/View軟件中建立履帶叉車工作裝置的幾何模型。然后對工作裝置的幾何模型添加了各約束和運動驅(qū)動，最后得到5個圓柱副、34個旋轉(zhuǎn)副、5個固定副和6個驅(qū)動。

1．2虛擬樣機模型的驗證

為了分析履帶叉車工作裝置的特性以及為后面的工作裝置優(yōu)化分析提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對叉車的裝載過程和舉升過程進行了模型動力學(xué)仿真并測量了舉升臂與三角板鉸接點K的受力及主臂與三角板鉸接點B的受力數(shù)據(jù)，分別如圖2、圖3所示。

表1主臂液壓缸參數(shù)化點列表

從舉升臂、主臂與三角板鉸接點K、B處的受力曲線(圖2、圖3)可知，曲線中呈現(xiàn)的趨勢均為先增大后減小再增大的過程，這與工作裝置的實際工作過程是相吻合的?？梢哉J為建立的虛擬樣機模型真實反映了工作裝置的實際工作過程，模型的計算結(jié)果真實可信。

2　工作裝置的優(yōu)化分析

2．1工作裝置參數(shù)化建模

利用ADAMS/View提供的參數(shù)化建模和分析功能，可以大大提高分析效率［1］。通過參數(shù)化建模，可以將參數(shù)設(shè)置為變量，分析過程中，只需改變樣機模型中有關(guān)參數(shù)值，程序就可以自動的更新整個樣機模型;且還可以由程序根據(jù)預(yù)先設(shè)置的可變參數(shù)，自由地進行一系列的仿真，觀察在不同參數(shù)下樣機的變化。

由于這里的優(yōu)化目標是主臂與舉升臂液壓缸的缸頭和活塞桿鉸接點的受力大小［2］，故采用參數(shù)化坐標的方式來建模。采用該方式建模，將履帶叉車工作裝置的主臂與舉升臂液壓缸位置參數(shù)化，修改模型是通過修改這些參數(shù)化點來完成。

主臂液壓缸位置的參數(shù)化點如表1所示，將表中參數(shù)化點的橫、縱坐標創(chuàng)建設(shè)計變量，并根據(jù)履帶叉車工作裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的外形特點設(shè)置合適的變量變化范圍，其中將原主臂與車架底座聯(lián)接點設(shè)為坐標原點，如表2所示。

表2　設(shè)計變量1

表3　舉升臂液壓缸參數(shù)化點列表

舉升臂液壓缸位置的參數(shù)化點如表3所示，將表中參數(shù)化點的橫、縱坐標創(chuàng)建設(shè)計變量，并根據(jù)履帶叉車工作裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的外形特點設(shè)置合適的變量變化范圍，如表4所示。

表4　設(shè)計變量2

2．2變量參數(shù)敏感度分析

在優(yōu)化設(shè)計時，敏感度對設(shè)計變量的選擇非常重要［3］。主臂液壓缸位置參數(shù)各變量敏感度定義為液壓缸拉力相對變量的斜率，其計算數(shù)據(jù)結(jié)果如表5所示。通過對表中的數(shù)據(jù)分析可得:變量DV12，DV13，DV14的敏感度最大。因此，這3個變量對主臂液壓缸推力的影響最大，在優(yōu)化中將著重選擇這3個設(shè)計變量進行優(yōu)化。

表5　主臂液壓缸各變量的敏感度

表6　舉升臂液壓缸各變量的敏感度

同樣，舉升臂液壓缸位置參數(shù)各變量的敏感度計算數(shù)據(jù)結(jié)果如表6所示，由表中的數(shù)據(jù)可知:變量DV21，DV22，DV25的敏感度最大。故這3個變量對該舉升臂液壓缸推力的影響最大，在優(yōu)化中將重點選擇這3個設(shè)計變量進行優(yōu)化。

2．3液壓缸位置參數(shù)優(yōu)化

主臂液壓缸拉力的優(yōu)化分析主要針對敏感度最大的變量DV12，DV13，DV14進行，將主臂液壓缸推力的最大值作為設(shè)計對象，將設(shè)計對象的最小值作為設(shè)計目標函數(shù)［4］。優(yōu)化分析結(jié)果如表7所示，在本次優(yōu)化分析中，對每個設(shè)計變量取4個水平，三個變量共有64組模擬變量的組合。因此，可以認為優(yōu)化結(jié)果趨于最優(yōu)，結(jié)果顯示主臂液壓缸推力的最大值由初始值33 746 N減小到最終值23 561 N，減幅達到30．2%。

表7　優(yōu)化分析結(jié)果1

表8　優(yōu)化分析結(jié)果2

舉升臂液壓缸拉力的優(yōu)化分析主要針對敏感度最大的變量DV21，DV22，DV25進行，將舉升臂液壓缸推力的最大值作為設(shè)計對象，將設(shè)計對象的最小值作為設(shè)計目標函數(shù)。優(yōu)化分析結(jié)果如表8所示，在本次優(yōu)化分析中，同樣，對每個設(shè)計變量取4個水平，對三個變量來說共有64組模擬變量的組合。因此也可以認為優(yōu)化結(jié)果趨于最優(yōu)，結(jié)果顯示舉升臂液壓缸推力的最大值有初始值27 283 N減小到最終值10 442 N，減幅達到61．7%。

通過對主臂和舉升臂液壓缸位置的坐標進行優(yōu)化，最終確定了履帶叉車工作裝置關(guān)鍵鉸點的位置，結(jié)果如表9所示。

表9　優(yōu)化結(jié)果坐標對比

2．4優(yōu)化模型的仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果顯示主臂、舉升臂液壓缸受力的最大值減小幅度分別達到30．2%和61．7%，優(yōu)化前鉸點的受力過大問題得到了有效解決。

對比優(yōu)化前后主臂、舉升臂液壓缸與水平面夾角α、β隨時間的變化曲線(如圖4、5所示)，從圖中可以看到主臂、舉升臂液壓缸與水平面的夾角的最大值減小幅度分別達到12．3%和20．2%，優(yōu)化前的力臂過短問題也得到了有效解決。

3　結(jié)論

通過以主臂液壓缸與舉升臂液壓缸的壓力值為優(yōu)化的目標函數(shù)，以主臂和舉升臂關(guān)鍵鉸接點的坐標為優(yōu)化參數(shù)，對一種履帶式叉車的工作裝置進行了優(yōu)化仿真分析，優(yōu)化后工作主缸及舉升缸的壓力值分別減小了30．2%和61．7%;同時還使得兩工作缸的舉升夾角減小，改善了受力條件，使機構(gòu)的疲勞強度與可靠性得到了提高。

［1］Hadad，H，Ramezani．A fini te element model updating of a vehicle chassis frame［C］．Proceedingsof the 2004 International Conference on Noise and Vibration Engineering，2004，1817－1831．

［2］郭曉松，姚曉光，馮永保．夾鉗機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計［J］．機械設(shè)計與研究，2006(1):25－29．

［3］李柳，程志紅．裝載機工作裝置參數(shù)化建模優(yōu)化分析［J］．煤礦機械，2006，27(9):34－35．

［4］王國彪，楊力夫．裝載機工作裝置優(yōu)化設(shè)計［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1996．

Analysis of Simulation and Optimization of Caterpillar Forklifts Working Device

ZHANG Quan-yu
(Department of Automotive Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

The paper applies CATIA software to build 3D models to design a kind of caterpillar forklifts，takes the model into dynamic simulation software ADAMS，establishes virtual prototype models of loading conditions and lifting conditions under the View environment，and makes dynamic simulation analysis of the work process of the two working devices．The paper uses the analysis capabilities of ADAMS/View software to build parametric model of the main boom cylinder’s and the lifting boom cylinder’s key hinge point locations，which are under the two operating conditions．What’s more，it analyses the sensitivity of variable parameters，takes the minimum trust of device during the working process as simulation analysis target．Simulation results show that the main thrust of the boom cylinder is reduced by 30．2%，the lifting boom cylinder thrust reduced 61．7%，which improves the performance of the working device．

caterpillar forklifts;ADAMS/View;working device;virtual-prototype;optimization simulation

U469．6

A

1008-9446(2015)01-0046-06

2014-09-22

張全逾(1980－)，男，四川資中人，承德石油高等專科學(xué)校汽車工程系講師，碩士，主要從事汽車技術(shù)的教學(xué)研究工作。