基于ADAMS的混凝土泵车臂架油缸力优化设计

揭琳锋，王 玮，李 红，张 景

（1.扬州中集通华专用车有限公司，江苏 杨州 225009；2.扬州大学 机械工程学院，江苏 杨州 225127）

0 引 言

目前，混凝土泵车是土建工地混凝土浇注现场不可或缺的机械设备。它通过液压系统带动多节可折叠的臂架旋转，同时臂架带动输料管运动，将混凝土输送到指定位置［1-2］。油缸系统是混凝土泵车的动力源，当负载很大时，油缸需要提供较高的工作压力才能满足工作需要。油缸压力的增加会对油缸本身提出更高的要求，而油缸的直径又不能太大（以防阻碍其他结构件的布置），所以油缸系统能否满足工作要求直接影响着泵车整体工作性能的优劣［3-4］。如何确定既能满足工作需要，又不致于工作压力过高的油缸型号是每个混凝土泵车生产厂家重点攻关的课题之一。本文依托优化理论和优化设计的方法，采用ADAMS软件的优化工具对某混凝土泵车臂架液压系统进行了优化分析，以期在臂架系统总体结构不发生明显变化的前提下，得到油缸受力最小的效果，为今后油缸的选型提供理论依据。

1 混凝土泵车臂架系统结构与设计

混凝土泵车臂架系统是指在一定范围内用于输送混凝土料，可回转、折叠与伸缩的系统。臂架材料一般选用进口的低合金、高强度的薄钢板，并焊接成矩形断面结构，使其具有良好的综合力学性能。另外，构成臂架系统的组件还有变幅液压缸、连杆机构和输送管支架等。臂架系统通过各变幅油缸的伸缩运动和多个四连杆机构来完成作业范围内的工作。

泵车臂架系统是一个复杂的串联开链机构，零部件多达上千个。目前，工程师们主要的设计对象是臂架结构、连杆形式、连杆位置和转台结构等。

以臂架油缸系统的铰点位置设计为例，为了降低油缸受力，并选择经济实用的油缸，必须对油缸系统的铰点位置进行确定与优化。传统设计方法大多依靠设计者的经验，在一定取值范围内手动调节和改变油缸各铰点位置，这种优化结果具有偶然性，尤其是随着设计变量数目的增加，这种传统的经验方法更加体现出局限性，无法精确地把握优化结果是否为允许取值范围内的最优解。而如今以参数化建模为核心的优化设计方法能够较圆满地解决上述问题。新方法利用虚拟样机技术对臂架系统参数化建模后，通过计算机内部的分析计算得到臂架最优铰点坐标。

2 优化理论基础及ADAMS软件分析方法

优化是科学研究、工程技术和经济管理等领域的重要研究工具。其基本思想是：根据设计的一般理论、方法以及设计规范和行业标准等，按照具体要求对工程设计问题建立一个数学模型，然后采用最优化技术和计算机技术自动找出最优方案［5］，使问题的解决在某种意义上达到完善化。

2.1 优化理论

机械结构优化问题首先要转化成优化设计的数学模型。数学模型一般由设计变量、目标函数和约束条件三要素组成，其数学表达式的标准格式为［6］。

式中：x为n 维设计变量，即x＝［x1，x2，…，xn］T；X为符合一定条件的设计变量向量的集合，如xi≥0（i＝1，2，…，n），即设计空间；f（x）为n维设计变量优化问题的优化目标函数；Rn为n维欧氏实空间；m、p分别为等式约束的个数。

gu（x）和hv（x）都是设计变量的函数。其中，gu（x）≤0为不等式约束条件，m表示不等式约束的数目；hv（x）＝0为等式约束条件，p表示等式约束的数目，需要注意的是等式约束的数目必须小于变量的数目［7］。

2.2 优化方法

在机械设计问题中，大多数的优化问题都属于有约束的问题。求解此类问题的方法通常称为约束优化计算方法。根据求解方式的不同可以分为间接解法和直接解法。间接解法是将约束优化问题转化为一系列无约束优化问题来解决的一种方法。由于这类方法可以选用有效的无约束优化方法，易于处理且具有不等式约束和等式约束的问题，因而在工程优化中得到了广泛的应用，其中最有代表性的是惩罚函数法（SUMT法）。直接解法是在满足不等式约束gu（x）≤0（u＝1，2，…，m）的可行设计区域内直接搜索问题的约束最优解x＊和f（x＊）。随机试验法、随机方向搜索法、复合形法、可行方向法、梯度投影法均属于这类方法。根据混凝土泵车臂架系统的边界约束和性态约束要求［8］，本文对油缸力的优化就属此类。

2.3 ADAMS软件应用

使用ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件的具体操作内容如下。

（1）参数化建模，即铰点坐标参数化。修改铰点坐标值，与参数化点相关联的对象都将自动修改。

（2）添加约束和驱动。对于创建完成的模型，需要将它们连接起来构成一个有机的整体。使用约束可以完成连接任务，定义模型各部件的相对运动；使用驱动定义模型原动件，并运用函数表达式修改油缸驱动，以适应特定运动要求。

（3）修改设计变量。通过使用设计变量，可以方便地修改模型中已被设置为设计变量的对象，用来设定对象的初始值及变化范围。

（4）优化。运用参数化分析模块对变量进行灵敏度分析；对灵敏度高的变量再次进行优化分析。

（5）后处理。对于优化所得数据，记录并以表格方式输出；对于优化所得曲线，集成在同一坐标系下，通过修改颜色、线形加以区分，便于优化前、后结果的比较分析。

3 优化设计过程

3.1 基于ADAMS建模

在ADAMS软件总体坐标系下的XY平面内建立臂架机构的坐标系［9］。总体坐标系原点置于转台与大臂连接处的旋转中心，臂架具体结构如图1所示。

3.2 臂架系统参数化

图1 臂架结构

本文选用48m五节臂混凝土泵车的第1节臂架上的油缸2作为研究对象，它处于臂架与臂架之间，而且受力较大，相对于其他油缸更具有代表性。在臂架参数化的处理过程中，在臂架油缸2处的弯折点、连杆连接点等位置共创建10个设计变量，如图2所示。臂架其他部分的参数化建模及优化与此处方法基本相同，故不作介绍。

图2 油缸2各铰点参数化处理

4 优化结果分析

由于设计变量越多，优化分析就越困难，计算量越大，对计算机硬件要求也越高，所以在优化之前对这些设计变量进行灵敏度分析，进而选出对目标函数影响较大的几个设计变量进行优化。选用ADAMS软件中的“设计研究”模块，对油缸2受力取最大值，分别对设计变量进行分析。从灵敏度分析结果可以看出，DV＿2AY、DV＿2CX、DV＿2CY、DV＿2DX 、DV＿2DY、DV＿2EY对油缸2受力的影响相对较大，因此，选取这6个变量进行优化，从而找到使得油缸2最大受力减小的各铰点坐标的最优解，优化结果如表1和图3所示。

表1 优化前、后设计变量的比较

从油缸2的优化曲线可以看出，优化前油缸2在臂架回收接近终了的位置时，受力陡然增长。这是因为：此时油缸与臂架夹角变小，逐渐形成平行状态，在这种情况下，油缸想要拉动臂架旋转非常困难，由此导致油缸力指数般陡增。图3中虚线是经多次迭代后的优化曲线，虽然在0～12s的时间里，油缸受力稍微有所增加，但是在此后的时间里，优化后的油缸受力基本上一直小于未经优化的力；而且，通过多次改变变幅机构中铰点的坐标值，油缸2在最大受力工况下的最大受力值逐渐降低，最后由1.114 1×106N减小到了6.088 1×105N，减幅为45.4%。

图3 油缸2优化曲线

为了验证优化后的铰点位置坐标是否能降低油缸2的压力，把优化后的设计变量DV＿2AY、DV＿2CX、DV＿2CY、DV＿2DX、DV＿2DY、DV＿2EY 赋值给仿真油缸2受压时的铰点坐标值，从而得到优化后油缸2的压力曲线，并将其与优化前的压力曲线进行比较，比较结果如图4所示。

图4 油缸2受力曲线

由图4可知，优化后的铰点坐标值使得油缸2的压力从4.034 4×105N降到3.964 4×105N，降幅为1.74%。这说明优化后的铰点坐标不仅可以较显著地降低油缸受压时的最大受力，而且对油缸受拉时的最大受力也有一定的缓解作用。

5 结 语

本文通过使用ADAMS的设计研究和优化设计模块对泵车臂架系统的油缸铰点位置进行了参数化分析，以油缸所受最大作用力的最小值为优化目标进行优化计算，找到了对油缸变幅机构最大受力影响较大的铰点，并对这几个铰接点坐标进行了优化组合。优化后的铰点坐标值明显降低了油缸变幅机构工作拉力的最大值，并对油缸压力也做出相应验证，可为今后臂架系统设计和油缸选型提供可靠依据。