基于AMESim/MATLAB的汽車起重機雙向液壓鎖結構優化

陳玲玲 何莉

摘 要：為了提高汽車起重機雙向液壓鎖的結構設計能力，增強產品性能，改進設計效率，通過AMESim建立了汽車起重機雙向液壓鎖的仿真模型，同時使用MATLAB軟件建立了彈簧剛度模型，實現了AMESim與MATLAB的聯合仿真，并結合遺傳算法實現雙向液壓鎖結構優化方法。結果表明：優化后的液壓鎖速度波動降低為原結構的30%左右，證明該方法能有效地提高相關產品的性能。

關鍵詞：雙向液壓鎖；結構優化；AMESim；MATLAB

中圖分類號：U445.32 文獻標志碼：B

Optimization of Twoway Hydraulic Lock for Truck Crane Based on AMESim/MATLAB

CHEN Lingling1， HE Li2

（1. Department of Automotive Engineering， Yantai Engineering & Technology College，Yantai 264670，

Shandong， China； 2. Department of Automotive Engineering， Henan Polytechnic， Zhengzhou 450046， Henan， China）

Abstract： In order to improve the structural design of the twoway hydraulic lock for truck crane and its performance， a model of the twoway hydraulic lock was built with AMESim for simulation. Meanwhile， a spring stiffness model was established using the MATLAB software. The joint simulation by AMESim and MATLAB was performed， and the optimization of the structural design of twoway hydraulic lock was achieved in combination with the genetic algorithm. The results show that the fluctuation of speed of the hydraulic lock is reduced by around 30%， proving that it is capable of improving product performance.

Key words： twoway hydraulic lock； structural optimization； AMESim； MATLAB

0 引 言

汽車起重機的支腿裝置用于在起重作業時架起整車，使汽車輪胎離開地面，在無載荷施加時調節整車的水平度。每一條支腿上都裝著一個液壓缸，每個液壓缸均設有雙向鎖緊回路，以保證支腿被牢牢地鎖住，防止在起重作業時發生“軟腿”或行車過程中支腿自行滑落等現象。

支腿缸液壓鎖包括單向液壓鎖和雙向液壓鎖2種。目前國內使用的主要是雙向液壓鎖，其主要功能為：防止起重機支腿的“軟腿”現象；避免管路破裂等意外情況造成的支腿失效；防止起重機支腿的自行滑落。

鑒于雙向液壓鎖在起重機液壓系統中的重要性，通過仿真工具對其結構設計進行準確的描述，有助于在實物迭代之前分析結構設計對性能需求的符合性，對提高產品設計水平具有十分重要的意義。

AMESim是用于液壓產品性能仿真的專業軟件，張曉波等基于AMESim軟件分別建立了雙向液壓鎖的仿真模型，分析閥芯阻尼、彈簧剛度、閥芯質量等因素對雙向液壓鎖性能的影響程度[13]。MATLAB軟件具有廣泛的應用程序接口，劉志會[4]等基于AMESim和MATLAB軟件的聯合仿真，實現了一種偏轉板射流伺服閥的多學科集成仿真設計工具。為準確地描述汽車起重機雙向液壓鎖的產品性能，本文建立一種基于AMESim/MATLAB聯合仿真產品性能的模型，將雙向液壓鎖的結構設計定義為優化問題，將遺傳算法與仿真模型結合，建立雙向液壓鎖的仿真模型以及面向其性能的結構優化算法，既保證性能計算的準確性，也能實現產品結構參數的優化算法，同時提高產品的設計效率與設計質量，最后通過具體算例證明該方法的應用效果。

1 建模方法

1.1 雙向液壓鎖的工作原理及AMESim建模

雙向液壓鎖由閥體、控制活塞、先導閥芯、彈簧及單向閥閥芯組成，如圖1所示。

雙向液壓鎖的工作原理為：當A供油時，A打開左路單向閥，經C向油缸有桿腔供油，同時A通過液控活塞推開右路單向閥，接通油缸回油路；當B供油時，B打開右路單向閥，經D向油缸無桿腔供油，同時B通過液控活塞推開左路單向閥，接通油缸回油路；

當A、B停止供油時，油缸在單向閥復位彈簧力及油液壓力的作用下截止回油，鎖閉油缸，起到保壓作用，以實現支腿位置的鎖死。

根據雙向液壓鎖的工作原理，建立AMESim仿真模型，如圖2所示。

1.2 彈簧結構的MATLAB建模

為了對彈簧的幾何參數進行定義分析，需要將幾何尺寸定義為輸入參數。然而AMESim中大多數液壓元件的子模型均可直接定義其結構幾何參數，本文所用的彈簧模型以剛度作為輸入參數，通過MATLAB代碼對彈簧剛度及應力進行表示[56]。

1.3 AMESim與MATLAB的聯合仿真

AMESim軟件提供了MATLAB調用的腳本接口，為滿足建立結構優化需要，首先定義聯合仿真模型，結構框架如圖3所示。

聯合仿真程序工作過程為：MATLAB控制程序將雙向液壓鎖的結構參數傳遞給AMESim仿真程序，同時將彈簧幾何參數傳遞給計算彈簧剛度的MATLAB程序；通過MATLAB計算彈簧剛度Ks及預壓力Fs，并將之傳遞給AMESim液壓鎖仿真程序；通過MATLAB調用AMESim軟件，按照輸入參數運行，將液壓鎖性能的仿真結果傳遞給MATLAB控制程序；MATLAB控制程序讀取雙向液壓鎖的仿真結果，并根據需要進行數據分析或優化迭代。

1.4 產品性能評價方法

伸縮速度平穩與否不但對雙向液壓鎖工作性能有重要的影響，同時也決定著支腿液壓系統的可靠性與耐久性。因此，良好的雙向液壓鎖結構設計應保證其伸縮速度曲線的平穩。正常情況下，以某產品優化前的伸出速度曲線為例，證實雙向液壓鎖伸縮速度存在較大的超調，如圖4所示。

從圖4可以看出，當液壓鎖工作時，雙向液壓鎖輸出速度存在波動，其波動具有2個特點：頻率很高；呈衰減趨勢，最終趨于平穩。

根據以上特征，可以將速度曲線分解為基本速度V′和速度波動εV

V=V′+εV（3）

根據設計經驗，可以用速度波動的幅度dV評價雙向液壓鎖的輸出平穩性。典型的信號處理算法是通過傅里葉變換、小波變換等數字信號處理方式，將信號數據分解為不同頻率的信號，并對其幅值進行分析。如果需要對總的噪聲幅值進行分析，還需要進行附加的處理過程，較為繁瑣，為提高效率和準確性，本文定義如下的計算過程。

通過均值濾波方法對伸出速度V進行濾波處理，即

1.5 建立優化算法

為定義雙向液壓鎖的優化設計算法，需要定義設計變量、優化目標函數、約束條件。

根據張曉波等的研究，彈簧剛度Ks和閥芯阻尼ζ對雙向液壓鎖性能具有顯著的影響。其中，在材料確定的情況下，彈簧剛度完全取決于彈簧的幾何尺寸，因此對彈簧鋼絲直徑d，彈簧中徑D，彈簧纏繞圈數n，以及彈簧安裝長度ls等彈簧幾何尺寸進行優化設計。

因為遺傳算法適合處理各種非線性、多變量的優化問題[78]，所以選用遺傳算法作為優化問題的解法，寫入MATLAB控制程序中即可實現優化算法的迭代計算。完整的優化方法運行過程如下。

（1）初始化，在MATLAB模型中定義設計參數。

（2）MATLAB模型計算彈簧剛度，并將彈簧剛度和閥芯阻尼的參數值傳遞給AMESim模型。

（3）驅動AMESim模型運行，計算輸出速度曲線。

（4）MATLAB讀取AMESim仿真結果，并計算速度波動的幅值。

（5）MATLAB遺傳算法程序計算優化結果，并判斷約束條件是否滿足。如果優化過程已收斂，則輸出計算結果，否則對生成的進化種群重新進行第2～5步。

2 優化算法效果分析

以產品的設計優化為例，某型雙向液壓鎖的伸出長度及速度要求為

|Vmax|≥0.02 mm·s-1

0.5 mm≤L≤1 mm（12）

根據式（12），對優化設計問題進行計算，優化算法的收斂過程如圖5所示。

上述優化算法計算得到的優化結果如表1所示。

將圖6與圖4進行對比可以看出，優化后的速度波明顯小于原結構的速度波動。對曲線進行濾波計算可知，優化后雙向液壓鎖最大輸出速度為005 m·s-1，其波動范圍為0.035 m·s-1，與原有設計參數下的速度波動相比降低了30%，因此可以證明優化算法具有良好的效果。

3 結 語

本文基于AMESim/MATLAB軟件的聯合仿真建立了汽車起重機支腿液壓系統所用的雙向液壓鎖仿真及優化設計方法，實現對產品性能的仿真。讀取并分析其速度曲線的隨機波動，判斷雙向液壓鎖的運行平穩性；對雙向液壓鎖的結構參數進行優化設計，計算結果表明優化后產品輸出速度穩定性提高了30%，證明本文的優化方法能夠有效提高相關產品的性能。

本文中所描述的結構優化設計方法尚存在不足之處，可以在以下方面進行深入探討：現有模型僅考慮設計參數對應的產品性能，實際產品性能是由結構參數和公差共同控制的，須對公差進行分析；由于加工精度的限制，不同結構尺寸能達到的精度水平不同，目前尚未將之定義為約束條件，僅在優化算法中將主要結構尺寸定義為整型，可進一步分析加工能力的約束。

參考文獻：

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[責任編輯：高 甜]