混合鍋運輸車轉向機構優化設計

鄒 杰 賈軍池 馮海青 吳建剛

1 湖北三江航天萬山特種車輛有限公司 孝感 432000 2 海軍駐武漢地區第六軍事代表室 孝感 432000

0 引言

混合鍋運輸車是大型火藥混合設備運輸過程中必不可少的工藝裝備，承擔著重要的運輸任務。轉向靈活，操作簡單是該車最主要的技術特征，其外形結構如圖1所示。

圖1 混合鍋運輸車外形圖

隨著技術的發展，混合鍋的容量越來越大，對混合鍋運輸車的性能提出了更高的技術要求，相應的對混合鍋運輸車轉向機構也提出了更大的挑戰。

1 轉向模式

混合鍋運輸車是在重型平板運輸車的基礎上發展而來，采用電控-液壓轉向，能實現多種模式轉向，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、轉圈行駛模式等轉向模式，如圖2 所示。

1）普通駕駛模式 所有懸架以該形式轉向，即所有軸的中心線將交于一個公共焦點O，O 點可在車外、車緣、車內，最小的內轉半徑為零；

2）汽車駕駛模式 轉向軸在后軸上；

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

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

5）90o角向駕駛模式 所有車軸轉向90o，并能隨遙控器轉向按鈕操作、進行小角度的轉向調整；

6）轉圈駕駛模式 所有車軸移到固定程序位置，運輸車圍繞自身中心轉圈。

圖2 混合鍋運輸車主要轉向模式

轉向機構是實現整車多模式轉向的結構基礎。轉向機構主要由轉向臂、連桿、轉向銷軸、轉向液壓缸等組成，通常重型平板車的三維結構如圖3 所示。

圖3 混合鍋運輸車轉向機構三維圖

轉向機構安裝于車架上，通過轉向臂和連桿將車架、懸架聯接起來，組成一個四連桿增角機構。轉向是通過轉動與編碼器相連的方向盤來實現的。每個懸架上都有1 個角度傳感器，懸架的位置信號送到控制器，將實際位置與設定值進行比較，比例閥控制每個獨立懸架的轉向液壓缸工作，保證運輸車轉向的精度。

3 優化模型

混合鍋運輸車雖然是在成熟的重型平板運輸車的基礎上發展而來，但其應用場合特殊，使用要求更高，對運輸車轉向機構進行優化十分必要，特別是通過優化轉向機構的安裝點位，可降低轉向液壓缸推力，提高轉向液壓缸的安全性和壽命。

Matlab 優化工具箱中fmincon 函數可以用于優化轉向機構安裝點位的問題。在優化前需建立轉向機構優化的數學模型。

3.1 優化變量的確定

取轉向機構懸架回轉中心為坐標原點，建立坐標系如圖4 所示，以轉向液壓缸最小長度時為初始狀態。圖中OA、AB、BCD、DE 分別表示轉向機構的曲柄、連桿、轉向臂和轉向液壓缸。因構件自身質量相對于負載較小，可忽略不計，優化的數學模型僅考慮負載對機構的影響。TOA、TCB、F 分別表示曲柄所受的轉向阻力矩、轉向臂所受的力矩和液壓缸所受的推力。

考慮到優化成本和轉向機構的通用性，不考慮對轉向機構中曲柄長度、連桿、轉向臂和轉向液壓缸進行優化，僅對轉向臂安裝位置、曲柄的初始角度和液壓缸安裝位置進行優化。故優化變量包含：曲柄的初始角度θ1；轉向臂的安裝位置，即C 點的橫、縱坐標xc和yc；液壓缸的安裝位置，即E 點的橫、縱坐標xE和yE。優化變量寫成向量形式為X=[x1x2x3x4x5]=[xcycxEyEθ1][1]。

圖4 轉向機構示意圖

3.2 機構位置與受力分析

將式（9）、式（10）和式（20）帶入式（14），即可求出液壓缸的推力。

3.3 目標函數建立

根據分析，通過優化轉向機構的安裝點位，達到降低轉向液壓缸推力的效果，故優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3.2中的理論推導過程，利用Matlab 軟件編寫的目標函數m 文件[2-4]如下所示。

3.4 約束條件建立

根據分析，優化需滿足成本最低和結構件的通用性要求，即不改變連桿、轉向臂、轉向液壓缸的結構形式和尺寸。因此約束條件按以下條件建立

4 優化結果

根據建立的優化模型，結合Matlab 軟件自帶的fmincon 優化函數工具進行優化。

4.1 轉向液壓缸推力優化結果

如圖5 所示，優化前后液壓缸推力變化趨勢一致，轉向液壓缸推力主要在轉向初始階段有較大的不同，優化前，轉向液壓缸最大推力為158 805 N，優化后轉向液壓缸最大推力為109 640 N，最大液壓缸推力降低31%，優化效果明顯。

圖5 轉向液壓缸推力優化結果

4.2 轉向液壓缸長度優化結果

如圖6 所示可知，優化前后優化后液壓缸最大長度滿足使用要求，達到了優化效果。

圖6 轉向液壓缸長度優化結果

4.3 轉向機構點位優化結果

如表1 所示可知，優化前后轉向機構的安裝點位只需要做出較小的調整，具有可行性。

表1 轉向機構安裝點位優化結果

5 結論

在分析混合鍋運輸車轉向機構優化必要性的基礎上，建立了轉向機構的優化數學模型，利用Matlab 軟件自帶的fmincon 函數進行求解，結果表明，轉向液壓缸最大推力降低了31%，優化方案可行。