自行式模块运输车驱动和悬挂系统研究与悬挂机构优化研究

林强

摘 要：随着模块化施工方法的广泛应用，现阶段的自行式模块运输车得到了大力推广，在自行式模块运输车中，行走驱动系统和液压悬挂系统是非常重要的组成部分，是提高模块运输车作业效率和承载能力的核心。该文结合模块车驱动和升降液压系统，提出了基于有限元分析的模块车关键结构优化。

关键词：自行式模块运输侧 驱动和悬挂系统 结构优化

中图分类号：TH22 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（a）-0096-02

随着经济建设的不断发展，基础设施建设的规模逐渐扩大，针对大型工程建设，如果依然采用传统的施工方法将很难控制施工进度，甚至出现成本时空的严重问题。近年来将模块化施工方法应用于大型工程建设中，在场外制造出各个组件，在场内进行拼装，以提高施工效率。随着大型建设项目的增多，模块化施工方法也获得了广泛的应用，但在应用的过程中由于模块拆分过多不利于总装和调试或者模块拆分过少会对运输条件有较高的要求，因此将自行式模块运输车应用到施工过程中，成为液压平板运输车的典型代表。自行式模块运输测绘自带动力单元，无需牵引就可实现自行，主要包括动力模块和带驱动模快，模块直接通过机械方式和电气方式连接，具有较高的运输能力。

1 模块运输车驱动和液压系统

图1是模块运输车液压系统的工作流程图。

液压系统包括闭式行走驱动系统、转向液压系统、悬挂液压系统和冷却液压系统，整个由微电控系统控制，实现车辆的各种动作。模块运输车的车身结构由高强度钢组成，在一定的冲击作用下仍有较高的承载能力，结构较为安全。转向机构利用全液压助力转向形式液压缸带动整车转向，操作十分方便。车辆应用液压悬挂升降装置，控制悬挂油缸的运动，根据实际路面的状况对液压悬挂系统进行调节，控制系统发热的同时实现节能[1]。

1.1 行走驱动分析

自行式模块运输车在重载的条件下形式速度一般只有2 km/h，对稳定性提出了较高的要求。车辆中的液压马达一般分为低速大扭矩马达和高速马达。由于自行式模块运输车属于重型运输车辆，需要较高的场地适应能力，在考虑车辆工作可靠性和设备维护便利性的条件下，模块运输车采用高速轮边驱动方案，将高速液压马达和回转减速机相结合，在驱动液压系统中包含双向过滤器、变量马达、变量泵、冲洗阀和液压马达控制阀等。

自行式模块运输车行走驱动液压系统采用变量泵-变量马达的容积调速回路，在系统设计之前了解不同工作状态下的不同外力和行驶阻力。当模块运输车在水平道路上匀速行驶时，都要克服滚动阻力和空气阻力，在加速状态下还需要克服加速度的惯性力。车辆需要克服的总阻力为，其中Ft 为行驶驱动力，Ff 为滚动阻力，Fj 为加速阻力，Fw 为坡度阻力，Fi 为行驶空气阻力。

1.2 悬挂升降液压分析

自行式模块运输车结构主要包括悬挂臂、摆动臂、悬挂油缸、制动桥或驱动架。其中悬挂油缸承担着全部载荷，由液压油缸的伸缩控制承重平台的升降。在应用过程中，需要重点关注负载所需的压力和流量变化状况，以便对车辆的运行状态进行调整，向系统提供负载所需的液压功率，以避免流量和压力损失。

当系统中的方向阀处于开口截流状态时，液压缸的负载压力作用于压力补偿器的弹簧端腔，对补偿器的开口量进行调整，保持两端压力恒定，及时将液压缸中的最大负载压力反馈到负载敏感泵中，变量机构调整所需的压力和流量，降低发动机的油耗，降低能量损失和废气排放。如果相应的节流阀没有换向动作，整个液压系统也会处于待命状态，此时液压系统提供泄露所需的流量，可以很大程度上降低能耗。

悬挂液压系统中包含负载敏感泵、比例多路阀、压力表、液控单向阀、防爆阀等。升降液压系统是自行式模块运输车中的重要部分，也是最主要的液压系统，在模块运输测绘满载并且车架处于最高位置时，液压悬挂的负荷会达到最大值，满载状态下的液压悬挂受力决定了悬挂液压系统的最大工作压力。液压泵的最大工作流量主要取决于升降速度和悬挂轴线数，在保证安全性和工作效率的前提下，升降速度需要有较大的调节范围。在运行过程中按照货物的重量和大小组合控制不同模块单元之间的工作方式，模块运输车在不同的情况下都是由相同的液压系统提供动力，液压泵必须满足不同模块组合情况下的需求[2]。

2 模块运输车关键结构分析

传统的设计过程中主要设计者的经验为主，导致难以控制产品的开发成本，产品的质量也无法保证。随着科学技术的进步，基于有限元的设计方法被广泛应用于工程实践中，成为技术人员必须掌握的方法。以下论述有限元分析方法。

有限元方法是现代计算领域中的重要工具，利用数学近似的方法对几何和载荷状态进行模拟。将一个完整的工程系统分为离散的多个系统，简化了问题。有限元系统主要包括多个不同的节点和单元，其中节点是工程系统中的重要坐标位置，具有实际的物理意义，例如位移、温度、压力等。单元由不同的节点连接而成，求解单元类型的不同，导致实际应用中需要结合具体情况分析。现阶段重要的有限元分析软件有ANSYS、ABAQUS、MSC等，其中ANSYS在非线性分析领域中具有较强的能力，将流体、电场、磁场、声场等结合在一起，是广泛流通的有限元软件。

利用ANSYS软件进行有限元分析的步骤主要包括预分析、前处理、求解和后处理过程。在预分析过程中，重点对分析类型、单元类型和模型类型进行定义；在前处理过程中建立或者导入几何模型，对材料的属性进行定义并划分好网格；在求解的过程中施加一定的荷载和约束，求出结果；在后处理过程中，对结果进行检查得出相应结论，对结果进行合理分析。

悬挂机构是模块运输车的重要承载部分，包括悬架机构本身、车架和货物。为了提高模块运输车的安全性和可靠性，必须保证悬挂机构有较强的强度和刚度，克服悬挂机构的应力和变形。

在有限元分析过程中，为了满足网格划分的需求，需要删除悬挂臂顶部上的一些倒圆角，用直角替换圆角，删除悬挂臂和摆动臂中的小倒角，删除摆动臂与驱动桥架之间的倒角和小孔。删除驱动桥架连接位置的倒角和小孔，对相应的模型做出清理工作。分析过程中，先将其定义为同车架静态分析类型，再划分悬挂臂的网格。约束处理过程中，对悬挂臂和油缸交接处利用圆柱约束，对摆动臂与悬挂臂交接处利用援助约束[3]。

3 基于遗传算法的悬挂机构三铰点优化

遗传算法通过模拟自然进化过程实现全局最优解的搜索，通过目标函数和适应度函数构建全局求解方法，在应用的过程中需要先建立完善的数学模型，针对一个优化设计问题，数学模型和优化方法是重点，选择合理的优化方法也是建立综合模型的核心。图2是三铰点位置的6个变量。

其中A是悬挂升降油缸与悬挂臂形成，B是由悬挂升降油缸与摆动臂形成，3个交点的几何关系分析中需引入相应的6个变量。在遗传算法中利用适应度来衡量个体的适应性，适应度函数的构建一般包括直接转换法、分段表示法和约束条件表示法。

由于悬挂结构的三铰点优化问题属于多目标优化，在考虑约束条件的前提下，一般将多目标优化问题转化为单目标优化问题来进行求解，一般采用目标函数中的线性加权法将多目标函数优化问题进行转化，构造出单目标的综合优化函数，再利用MATLAB遗传优化算法优化工具求出铰点优化的满意解，不同的变量参数如表1所示。

优化前整车的升降高度为300 mm，悬挂油缸的受力为434 kN，优化后整车的升降高度为311 mm，悬挂油缸的受力为409 kN。两个目标均实现了优化，利用遗传优化算法对自行式模块运输车悬挂机构进行优化是可行的，优化了悬挂机构的性能，同时提高了悬挂机构的承载能力。

4 结语

该文通过遗传算法的应用，说明了对自行式模块运输车悬挂结构进行优化的可能性。在模块运输车应用的过程中，需要将行走驱动液压系统和悬挂升降液压系统与发动机之间进行科学的匹配，以提高发动机的功率，实现节能减排。

参考文献

[1] 廖春雨.模块运输车动力单元的设计及优化[J].山东大学学报，2014，22（4）：14.

[2] 周学仲，杨公升，李淑民，等.自行式模块运输车悬挂结构优化[J].港工技术，2011，48（2）：47.

[3] 陈新勇，应福根.自主研发重型平板运输车[J].湖南科技大学学报，2013，40（12）：88.