基于液壓缸性能模型的起豎裝置一體化設(shè)計(jì)方法

摘要：起豎裝置傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程是通過(guò)液壓缸單方案設(shè)計(jì)來(lái)校核布局設(shè)計(jì)的可行性，設(shè)計(jì)過(guò)程未充分利用布局參數(shù)和液壓缸性能的耦合關(guān)系，難以實(shí)現(xiàn)起豎裝置快速設(shè)計(jì)和優(yōu)化。通過(guò)對(duì)液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，計(jì)算液壓缸的性能特性數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建液壓缸性能模型。通過(guò)在起豎裝置設(shè)計(jì)流程中引入液壓缸性能模型，建立起布局方案到液壓缸性能的直接映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了布局方案和液壓缸性能的一體化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用研究，利用一體化設(shè)計(jì)方法對(duì)單一布局方案下液壓缸的性能參數(shù)進(jìn)行了快速計(jì)算，研究了布局參數(shù)改變對(duì)液壓缸性能參數(shù)的影響規(guī)律，研究結(jié)果為起豎裝置的快速設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：一體化設(shè)計(jì)；起豎裝置；多級(jí)液壓缸；布局方案；三鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)

DOI：10.3969/j.issn.1009-086x.2025.01.017

中圖分類(lèi)號(hào)：V448.22；TJ76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-086X（2025）-01-0154-10

引用格式：牛兆羽，蘇成謙，高鵬飛，基于液壓缸性能模型的起豎裝置一體化設(shè)汁方法[J]，現(xiàn)代防御技術(shù)，2025，53（1）：154-163，

Reference format： NIU Zhaoyu， SU Chengqian， CAO Pengfei.lntegrated Design Method of Lifting Device Based onHydraulic Cylinder Performance Model[J].Modern Defence Technology，2025，53（1）：154-163.

0 引言

隨著裝備型號(hào)的不斷豐富，根據(jù)裝備的參數(shù)和任務(wù)需求設(shè)計(jì)出合適的車(chē)載起豎裝置成為一大挑戰(zhàn)，起豎裝置的快速設(shè)計(jì)優(yōu)化成為亟需解決的問(wèn)題。由于起豎需求多樣且發(fā)射車(chē)安裝空間有限，特別是大型裝備垂直起豎時(shí)的起豎行程較長(zhǎng)、負(fù)載較大，需要大負(fù)載多級(jí)缸來(lái)完成起豎任務(wù)［1?2］，而目前大噸位多級(jí)電動(dòng)缸的技術(shù)尚不成熟［3?4］。因此為了能滿足多樣的起豎負(fù)載、角度要求，本文主要研究起豎裝置布局參數(shù)及對(duì)應(yīng)多級(jí)液壓缸的快速設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)流程是結(jié)合任務(wù)需求給出一組布局參數(shù)，計(jì)算得到初始安裝長(zhǎng)度、最大起豎載荷、最大伸長(zhǎng)量等參數(shù)作為多級(jí)液壓缸的設(shè)計(jì)輸入，然后通過(guò)多級(jí)液壓缸設(shè)計(jì)來(lái)校核布局方案的可行性。利用這種液壓缸單方案設(shè)計(jì)校核的方式，每給出一組上下支點(diǎn)位置都需要重復(fù)一次液壓缸的設(shè)計(jì)流程，導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率低下。因此，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法只適合在給出少量備選布局方案前提下進(jìn)行驗(yàn)證設(shè)計(jì)，而不適合大樣本布局方案下的探索設(shè)計(jì)，這就導(dǎo)致可行的布局方案子樣少，難以研究布局參數(shù)對(duì)液壓缸設(shè)計(jì)的影響規(guī)律，不利于起豎裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，因此有必要對(duì)傳統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)及液壓缸設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)研究。

目前對(duì)液壓缸設(shè)計(jì)的研究主要關(guān)注多級(jí)液壓缸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，例如文獻(xiàn)［5］提出了一個(gè)多級(jí)液壓缸有效作用面積的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，有效解決了因作用面積設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的超速下降問(wèn)題，文獻(xiàn)［6-7］分別對(duì)多級(jí)液壓缸的建模方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，然而都未將多級(jí)液壓缸的設(shè)計(jì)與布局設(shè)計(jì)相結(jié)合。而目前關(guān)于起豎裝置布局設(shè)計(jì)的研究大多以液壓缸最大起豎力為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)布局參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，例如：文獻(xiàn)［8］以驅(qū)動(dòng)缸兩鉸點(diǎn)安裝位置范圍為約束條件，給出了驅(qū)動(dòng)缸最大起豎力與安裝位置的關(guān)系圖譜，進(jìn)而得出滿足最大起豎力條件的驅(qū)動(dòng)缸安裝位置；文獻(xiàn)［9］以高空作業(yè)車(chē)各節(jié)折臂與變幅油缸鉸點(diǎn)應(yīng)力最小為目標(biāo)，以各節(jié)臂變幅三鉸點(diǎn)位置為變量，運(yùn)用響應(yīng)面法得到三鉸點(diǎn)的最優(yōu)布置位置；文獻(xiàn)［10］分別研究了回轉(zhuǎn)中心和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上鉸點(diǎn)位置改變對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出合力的影響。以上研究都是以液壓缸最大起豎力的優(yōu)化代替了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中整個(gè)液壓缸的單方案設(shè)計(jì)校核過(guò)程，雖然一定程度上實(shí)現(xiàn)了布局參數(shù)和液壓缸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但因?yàn)樵诓季謪?shù)優(yōu)化中考慮的液壓缸設(shè)計(jì)參數(shù)較少，還是容易造成多級(jí)液壓缸初始安裝長(zhǎng)度過(guò)大或者級(jí)數(shù)過(guò)大等問(wèn)題，導(dǎo)致布局參數(shù)的優(yōu)化難以協(xié)同多級(jí)液壓缸的優(yōu)化。

因此，以布局參數(shù)和多級(jí)液壓缸參數(shù)協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)化為目標(biāo)，提出了基于多級(jí)液壓缸性能模型的布局參數(shù)和多級(jí)液壓缸參數(shù)一體化設(shè)計(jì)方法，基于多級(jí)液壓缸設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)學(xué)模型，建立液壓缸性能模型，以液壓缸性能模型替代液壓缸單方案設(shè)計(jì)校核環(huán)節(jié)，不僅可以避免單方案液壓缸設(shè)計(jì)校核，提高設(shè)計(jì)計(jì)算效率，還因?yàn)橐簤焊仔阅苣Ｐ褪窃谝簤焊自O(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上得到的，可以對(duì)液壓缸設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了充分考慮，從而真正實(shí)現(xiàn)布局參數(shù)和多級(jí)液壓缸參數(shù)的協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 液壓缸設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)學(xué)建模

1. 1 參數(shù)分析

首先，明確液壓缸總體方案的設(shè)計(jì)輸入和設(shè)計(jì)輸出，如表1所示。

明確了液壓缸方案設(shè)計(jì)參數(shù)后，對(duì)液壓缸詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析。對(duì)液壓缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：①液壓缸兩端支耳相同；②忽略各級(jí)缸安裝高度差；③整個(gè)液壓缸結(jié)構(gòu)體材料相同。

簡(jiǎn)化后的液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

從圖1中可以得出液壓缸的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，如表2所示。液壓缸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分為支撐導(dǎo)向長(zhǎng)度相關(guān)參數(shù)、各級(jí)缸直徑相關(guān)參數(shù)和活動(dòng)長(zhǎng)度。其中，支撐導(dǎo)向長(zhǎng)度相關(guān)參數(shù)為在液壓缸各級(jí)展開(kāi)的過(guò)程中起支撐導(dǎo)向作用的部分；活動(dòng)長(zhǎng)度為各級(jí)液壓缸的活塞行程，直接關(guān)系到液壓缸最大伸長(zhǎng)量。