基于AMESim/MATLAB的汽车起重机双向液压锁结构优化

陈玲玲 何莉

摘 要：为了提高汽车起重机双向液压锁的结构设计能力，增强产品性能，改进设计效率，通过AMESim建立了汽车起重机双向液压锁的仿真模型，同时使用MATLAB软件建立了弹簧刚度模型，实现了AMESim与MATLAB的联合仿真，并结合遗传算法实现双向液压锁结构优化方法。结果表明：优化后的液压锁速度波动降低为原结构的30%左右，证明该方法能有效地提高相关产品的性能。

关键词：双向液压锁；结构优化；AMESim；MATLAB

中图分类号：U445.32 文献标志码：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

汽车起重机的支腿装置用于在起重作业时架起整车，使汽车轮胎离开地面，在无载荷施加时调节整车的水平度。每一条支腿上都装着一个液压缸，每个液压缸均设有双向锁紧回路，以保证支腿被牢牢地锁住，防止在起重作业时发生“软腿”或行车过程中支腿自行滑落等现象。

支腿缸液压锁包括单向液压锁和双向液压锁2种。目前国内使用的主要是双向液压锁，其主要功能为：防止起重机支腿的“软腿”现象；避免管路破裂等意外情况造成的支腿失效；防止起重机支腿的自行滑落。

鉴于双向液压锁在起重机液压系统中的重要性，通过仿真工具对其结构设计进行准确的描述，有助于在实物迭代之前分析结构设计对性能需求的符合性，对提高产品设计水平具有十分重要的意义。

AMESim是用于液压产品性能仿真的专业软件，张晓波等基于AMESim软件分别建立了双向液压锁的仿真模型，分析阀芯阻尼、弹簧刚度、阀芯质量等因素对双向液压锁性能的影响程度[13]。MATLAB软件具有广泛的应用程序接口，刘志会[4]等基于AMESim和MATLAB软件的联合仿真，实现了一种偏转板射流伺服阀的多学科集成仿真设计工具。为准确地描述汽车起重机双向液压锁的产品性能，本文建立一种基于AMESim/MATLAB联合仿真产品性能的模型，将双向液压锁的结构设计定义为优化问题，将遗传算法与仿真模型结合，建立双向液压锁的仿真模型以及面向其性能的结构优化算法，既保证性能计算的准确性，也能实现产品结构参数的优化算法，同时提高产品的设计效率与设计质量，最后通过具体算例证明该方法的应用效果。

1 建模方法

1.1 双向液压锁的工作原理及AMESim建模

双向液压锁由阀体、控制活塞、先导阀芯、弹簧及单向阀阀芯组成，如图1所示。

双向液压锁的工作原理为：当A供油时，A打开左路单向阀，经C向油缸有杆腔供油，同时A通过液控活塞推开右路单向阀，接通油缸回油路；当B供油时，B打开右路单向阀，经D向油缸无杆腔供油，同时B通过液控活塞推开左路单向阀，接通油缸回油路；

当A、B停止供油时，油缸在单向阀复位弹簧力及油液压力的作用下截止回油，锁闭油缸，起到保压作用，以实现支腿位置的锁死。

根据双向液压锁的工作原理，建立AMESim仿真模型，如图2所示。

1.2 弹簧结构的MATLAB建模

为了对弹簧的几何参数进行定义分析，需要将几何尺寸定义为输入参数。然而AMESim中大多数液压元件的子模型均可直接定义其结构几何参数，本文所用的弹簧模型以刚度作为输入参数，通过MATLAB代码对弹簧刚度及应力进行表示[56]。

1.3 AMESim与MATLAB的联合仿真

AMESim软件提供了MATLAB调用的脚本接口，为满足建立结构优化需要，首先定义联合仿真模型，结构框架如图3所示。

联合仿真程序工作过程为：MATLAB控制程序将双向液压锁的结构参数传递给AMESim仿真程序，同时将弹簧几何参数传递给计算弹簧刚度的MATLAB程序；通过MATLAB计算弹簧刚度Ks及预压力Fs，并将之传递给AMESim液压锁仿真程序；通过MATLAB调用AMESim软件，按照输入参数运行，将液压锁性能的仿真结果传递给MATLAB控制程序；MATLAB控制程序读取双向液压锁的仿真结果，并根据需要进行数据分析或优化迭代。

1.4 产品性能评价方法

伸缩速度平稳与否不但对双向液压锁工作性能有重要的影响，同时也决定着支腿液压系统的可靠性与耐久性。因此，良好的双向液压锁结构设计应保证其伸缩速度曲线的平稳。正常情况下，以某产品优化前的伸出速度曲线为例，证实双向液压锁伸缩速度存在较大的超调，如图4所示。

从图4可以看出，当液压锁工作时，双向液压锁输出速度存在波动，其波动具有2个特点：频率很高；呈衰减趋势，最终趋于平稳。

根据以上特征，可以将速度曲线分解为基本速度V′和速度波动εV

V=V′+εV（3）

根据设计经验，可以用速度波动的幅度dV评价双向液压锁的输出平稳性。典型的信号处理算法是通过傅里叶变换、小波变换等数字信号处理方式，将信号数据分解为不同频率的信号，并对其幅值进行分析。如果需要对总的噪声幅值进行分析，还需要进行附加的处理过程，较为繁琐，为提高效率和准确性，本文定义如下的计算过程。

通过均值滤波方法对伸出速度V进行滤波处理，即

1.5 建立优化算法

为定义双向液压锁的优化设计算法，需要定义设计变量、优化目标函数、约束条件。

根据张晓波等的研究，弹簧刚度Ks和阀芯阻尼ζ对双向液压锁性能具有显著的影响。其中，在材料确定的情况下，弹簧刚度完全取决于弹簧的几何尺寸，因此对弹簧钢丝直径d，弹簧中径D，弹簧缠绕圈数n，以及弹簧安装长度ls等弹簧几何尺寸进行优化设计。

因为遗传算法适合处理各种非线性、多变量的优化问题[78]，所以选用遗传算法作为优化问题的解法，写入MATLAB控制程序中即可实现优化算法的迭代计算。完整的优化方法运行过程如下。

（1）初始化，在MATLAB模型中定义设计参数。

（2）MATLAB模型计算弹簧刚度，并将弹簧刚度和阀芯阻尼的参数值传递给AMESim模型。

（3）驱动AMESim模型运行，计算输出速度曲线。

（4）MATLAB读取AMESim仿真结果，并计算速度波动的幅值。

（5）MATLAB遗传算法程序计算优化结果，并判断约束条件是否满足。如果优化过程已收敛，则输出计算结果，否则对生成的进化种群重新进行第2～5步。

2 优化算法效果分析

以产品的设计优化为例，某型双向液压锁的伸出长度及速度要求为

|Vmax|≥0.02 mm·s-1

0.5 mm≤L≤1 mm（12）

根据式（12），对优化设计问题进行计算，优化算法的收敛过程如图5所示。

上述优化算法计算得到的优化结果如表1所示。

将图6与图4进行对比可以看出，优化后的速度波明显小于原结构的速度波动。对曲线进行滤波计算可知，优化后双向液压锁最大输出速度为005 m·s-1，其波动范围为0.035 m·s-1，与原有设计参数下的速度波动相比降低了30%，因此可以证明优化算法具有良好的效果。

3 结 语

本文基于AMESim/MATLAB软件的联合仿真建立了汽车起重机支腿液压系统所用的双向液压锁仿真及优化设计方法，实现对产品性能的仿真。读取并分析其速度曲线的随机波动，判断双向液压锁的运行平稳性；对双向液压锁的结构参数进行优化设计，计算结果表明优化后产品输出速度稳定性提高了30%，证明本文的优化方法能够有效提高相关产品的性能。

本文中所描述的结构优化设计方法尚存在不足之处，可以在以下方面进行深入探讨：现有模型仅考虑设计参数对应的产品性能，实际产品性能是由结构参数和公差共同控制的，须对公差进行分析；由于加工精度的限制，不同结构尺寸能达到的精度水平不同，目前尚未将之定义为约束条件，仅在优化算法中将主要结构尺寸定义为整型，可进一步分析加工能力的约束。

参考文献：

[1] 张晓波，杨 璐，徐 倩，等.基于AMESim的汽车起重机双向液压锁仿真与优化[J].液压与气动，2011（4）：5355.

[2] 王春生，刘长喜，司丽丽.基于AMESim的汽车起重机双向液压锁仿真研究[J].筑路机械与施工机械化，2011，28（2）：7778.

[3] 刘浩亮，李 智.温度冲击对液压锁紧回路的影响分析[J].筑路机械与施工机械化，2011，28（6）：7879，83.

[4] 刘志会，曹 伟，王少华.面向偏转板射流伺服阀设计的多学科集成仿真工具[J].液压气动与密封，2015（8）：1821.

[5] 马登成，杨士敏，陈 筝，等.蓄能器对工程机械液压系统影响的仿真与试验[J].中国公路学报，2013，26（2）：183190.

[6] 覃 波，王家宣，熊洪淼，等.液压锁缸体挤压过程的数值模拟[J].锻压技术，2006，31（6）：135137.

[7] 阳正锡，朴根杰，杨春林.双向双功能液压锁的优化[J].煤矿机械，1993（4）：15.

[8] 韩永明.起重机使用中的稳定性验算[J].筑路机械与施工机械化，2002，19（4）：67.

[责任编辑：高 甜]