基于ADAMS的机-液耦合举升机构的优化设计

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Optimization design of a mechanic-hydraulic coupledlifting mechanism based on ADAM SMA Bin-qiang ，ZHAO Yu.cheng ，GUO Jie ，LU Kang ，DUN Wen-tao ，GU Xiao-qing ，YUAN Chao(1.Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China；2.Henan Agricultural Mechanical TestAppraisal Station，Zhengzhou 450008，China；3.Henan Institute of Education，Zhengzhou 450046，China；4.Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China)Abstract：The mechanic-hydraulic coupled simulation model of the hydraulic turnover mechanism con-sisting of four parallel connecting rods is built in the paper by using the primary module of ADAMSso，ware：ADAMS/View and ADAMS/Hydraulics.Then taking the maximum cylinder lifting force asthe objective，the optimization design of the mechanic-hydraulic coupled simulation model is processedwith the help of ADAMS software.Finally，the optimal layout scheme for the position of hydraulic cyl-inder and the appropriate flow rate of the flow source are obtained.In terms of the optimized model ofthe lifting mechanism，the cylinder lifting force plot becomes gentler in contrast to the initial model，SOdoes the acceleration plot of the lifting platform.Furthermore，the maximum cylinder lifting force of theoptimized model decreases remarkably compared with that of the initial mode1。

IKey words：lifting mechanism；mechanic-hydraulic coupled；ADAMS；optimization design液压举升机构利用液压油缸的油压力使活塞杆伸 出产生力矩，推动举升机构的支撑杆绕各 自的铰支点转动至合适的位置.通过对液压系统的控制 ，液压举升机构可 以在 中间任 意位置停 留并工作.平行杆翻转液压举升机构可以实现大吨位低速传动 ，能在较大范围内实现无级调速 ，并且在翻转收稿 日期 ：2012-09-06基金项目：河南侍育厅自然科学基金项目(2004923010)作者简介：马斌强，1979年生，男，河南灵宝人，实验师，从事机械电子及信息技术方面研究通讯作者：袁 超，1961年生，男，河南开封人，副教授。

第 2期 马斌强等 ：基于 ADAMS的机 -液耦合举升机构的优化设计 159过程中能保持正常的工作姿态 ，而且在相同功率条件下，传动装置体积孝重量轻 、结构紧凑 ，在对机动性要求较高的诚应用广泛.许平勇等 ，曹鹏举等 对 平行 杆液压举 升 机构 进行 了广 泛 的研究 ，通过解析计算得到液压缸支点位置的选择对液压缸推力的影响规律.杨彦龙 ，崔丹 对液压机构进行了仿真分析 ，利用加在液压油缸上的平移驱动等效液压驱动力.本研究应用 ADAMS软件 中的ADAMS/View和 ADAMS/Hydraulics模 块 ，建立 了平行杆翻转液压举升机构的机 -液耦合仿真模型，并以液压系统的油缸最大举升力为优化 目标对举升机构的机 -液耦合模型进行优化设计。

1 举升机构的机 -液耦合仿真模型1.1 机械 系统的仿真模型平行杆翻转液压举升机构的空间拓扑结构如图 1所示 ，其 中 ZT21，ZT22，ZB21，ZB22分 别 为上 、下平行连杆支架与举升平 台的铰接 点；ZT11，ZT12，ZB11，ZB12分别为上、下平行连杆支架与固定在平 台上的底座的铰接点 ；Y1，Y2分别为液压油缸的缸筒 与固定 平 台的铰接点 ；YZ1，YZ2分别 为液压油缸的活塞杆与下平行连杆支架 的铰接点。

在 ADAMS/View中 ，根 据空间拓扑 结构 中各个点的位置关系，按照 1：1的比例对平行杆翻转液压举升机构 的机械 系统进行简化建模 ，如 图 2所示.其 中，重力加速度为 y方 向 -9.806 65 m ·s～，模型材料选 steel，各个构件通过相应 的运动副进行约束连接，以此限制相互之间的运动，使组成的机械系统具有预期的运动状态。

y2图 1 液压举升机构空 间拓扑 图Fig.1 The topology of the hydraulic1.2 液压系统的仿真模型根据实 际的液压 回路 ，在 ADAMS/Hydrau1ics中建立平行杆翻转液压举升机构的液压系统 回路。

根据在 ADAMS/View中建立机械系统仿真模型时图 2 液压 举升机构机械 系统仿真模型Fig.2 ADAM S model of hydraulic lifting m echanism设置的模 型单位 ，设 置 ADAMS/Hydraulics中的环境参数，创建流体、油箱、流量泵、三位四通控制阀、溢流阀、液压缸 、三通连接器等，并合理设置各个元件的参数 ，然后将各液压元件按照设计的液压回路连接，得到如图 3所示 的液压系统 回路.当三位四通控制阀由中位移至左位时 ，压力油进入液压缸无杆腔，活塞杆伸 出推动平行连杆举升，同时液压缸有杆腔的液压油 回到油箱 ，溢流阀用来保持液压回路的流量和压力稳定 ；反之 ，当三位 四通 控制阀由中位移至右位时，液压油直接进入液压缸有杆腔，举升平台下降，液压缸无杆腔的液压油经过溢流阀回到油箱 ，溢流阀可以防止液压缸活塞因负载重量而高速下落。

图 3 举升机构液压 系统Fig.3 Hydraulic system of lifting m echanism1.3 机械 系统与液压系统的关联及仿真分析举升机构 的动作 由液压缸驱动机械系统 中的平行连杆来完成.在 ADAMS软件 中，液压缸 的仿真通过 2部分完成 ：1个是在 ADAMS/View中建立的机械实体 部分 ，另 1个 是在 ADAMs/Hydraulics中建立 的液压动力部分.通过液压系统仿真模型中河 南 农 业 大 学 学 报 第 47卷液压缸的 I-Marker和 J.Marker点和机械系统仿真模型中对应的活塞杆和油缸 的 Marker点可以将这2个部分联 系起来 ，从而实现举升机构的动作.这样 ，利用对应参数的关联就可以将液压系统模型与机械系统模型在同-界面下虚拟的结合到-起 ，即可得到举升机构的机 -液耦合仿真模型.设置仿真时间、仿真步长等控制参数，经仿真计算分析得到油缸举升力曲线 ，如 图 4所示.举 升过程 中举 升力没有突变，当举升角(平行连杆与水平方向夹角)小于 10。，油缸 的举升力 随着举 升角 的增 大而增大 ，而当举升角超过 10。时 ，油缸 的举升力将慢慢减小 ，其中最大举升力为 6.4×10 N。

z点罢曼 婺露U 举升角，( )Liing angle图 4 油缸举升力曲线Fig.4 The plot of cylinder lifting force2 举升机构的优化设计2.1 优化模型液压缸安装支点的位置 以及 液压泵的流量对液压系统的工作压力和液压油缸的最大举升力都有-定的影响，在举 升机构 的举 升质量 、最大举升角度不变的情况下，实现液压缸选型的经济性，就要求对液压系统的流量以及液压缸安装 支点 的位置进行优化.建立机 -液耦合系统的优化模型如下 ：优化目标： X)minF设计变量 ： ， ：， ，X ，Q式 中：F为油缸最大举升力； 。、 ：、 n、 为铰接点 yz1，yz2，y1， 的 坐标 ；Q为液压泵的流量。

约束条件：g ～g。，其中，g 为最大举升角约束；g 为液压缸活塞最大行程约束 ； 为液压缸运动速度约束 ；g 为机构运动死点约束；g 为液压泵的流量约束；g -g。，为铰接点 YZ1，YZ2，Y1，Y2的坐标约束。

举升机构优化设计 的实质就是确定液压缸安装支点的最佳布置方案以及合适的液压泵流量，因此选择铰接点 YZ1，YZ2，Y1，Y2的坐标和流量泵 的初始流量作为优化设计的变量。

2.2 优化结果分析针对优化模型 中选择 的设计变量 ： ， m ，n ，X ，Q，在 ADAMS/View中创建对应 的设计变量 ：DV-1，DV-2，DV-3，DV-4，DV-5，根据实际情况确定各个设计变量的取值范围，并将各取值范围等间距的取 5个位置 ，其 中 DV-1和 DV-2的取值相同，DV.3和 DV4的取值也相同.在优化设计之前 ，先进行几次试验设计分析，将设计变量的取值范围缩小 ，之后采用 OPTDES.SQP非线性序列二次规划算法进行优化设计H .初始模型和优化模型各设计变量的对比如表 1所示 ，优化设计的油缸举升力对 比曲线如图 5所示 ，优化设计前后举升平台的加速度对比曲线如图6所示。

表 1 初始模型和优化模型各设计变量对 比Table 1 Comparison of the design variables between the initial model and the optimized model由图 5可知 ，在优化前 ，举升机构的起始举升力为 2.1×10。N，最大举升力为 6.4 ×10 N；在优化后，举升机构的起始举升力为 1.3×10 N，最大举升力为 4.3×10。N，分别下降了 38%和 33% ，且油缸举升力随举升角的变化曲线变得较为平缓.由图6可以看出，经过优化设计 ，举升平台的速度变化更为平缓 ，在举升角达到 65。时开始减速 ，比优化前提前 了 15∏。

3 结论本研究以 ADAMS软件为平台分别创建了液压举升机构的机械系统模型和液压系统模型，实现了在同-仿真框架下的机 -液耦合模型的动态仿真分析 ，得到了举升机构从水平位置到工作位置的过程中，液压系统的油缸举升力的大小随着举升角度的变化规律 ，反映了机械负载对液压系统的影响。

第 2期 马斌强等 ：基于 ADAMS的机 -液耦合举升机构的优化设计 161Z姗翅们 gg- n将举升角/(。)Lifting angle图 5 优化前 后油缸举升力对 比曲线Fig.5 Comparison on the cylinder liftingforce plot between the initial modeland the optimized model/模型 。pl 面zed m(∥. ..、、 。

LIttlng angle图 6 优化前后举升平 台加速 度对 比 曲线Fig.6 Comparison of the acceleration plot of liftingplatform between the initial modeland the optim ized model为实现液压缸选型的经济性，在举升机构的举升质量、最大举升角度不变的前提下，旧能降低液压系统的工作压力和液压缸的最大举升力，本研究以液压缸安装支点的坐标和流量泵 的初始流量为设计变量，以油缸的最大举升力为优化目标，使用OPTDES-SQP非线性序列二次规划算法对举升机构的机 -液耦合仿真模型进行优化设计.优化后的油缸举 升力 随举 升角 的变 化较 之优 化 前更 为平缓 ，最大举升力大 幅下降 ；优化后 的举升平台的速度变化较之优化前更为平缓，举升平台到达工作位置时的水平速度较之优化前更小 ，减小了举升平台在工作位置停止时的对举 升机构 的影响。