陳 橋，田明華

(1.湖南中鐵五新重工有限公司，湖南長沙 410323;2.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410083)

集裝箱正面吊變幅機(jī)構(gòu)的鉸點(diǎn)位置優(yōu)化*

陳 橋1，田明華2

(1.湖南中鐵五新重工有限公司，湖南長沙 410323;2.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410083)

集裝箱正面吊變幅機(jī)構(gòu)是正面吊大臂舉升機(jī)構(gòu)的核心，其變幅鉸點(diǎn)位置的確定直接影響到整機(jī)的性能。通過對(duì)變幅機(jī)構(gòu)受力特性的分析，以變幅油缸最大負(fù)載最小及變幅液壓系統(tǒng)液壓沖擊最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立變幅機(jī)構(gòu)三鉸點(diǎn)數(shù)學(xué)模型，采用分層排序法處理多目標(biāo)問題的優(yōu)化，利用Matlab粒子群算法對(duì)變幅鉸點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化后的鉸點(diǎn)位置提高了正面吊整機(jī)性能，為變幅機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和改善提供了重要依據(jù)。

正面吊;變幅機(jī)構(gòu);Matlab粒子群算法;分層排序法

1 引言

集裝箱正面吊(以下簡稱正面吊)是一種港口集裝箱裝卸、堆碼和水平作業(yè)的特種工程設(shè)備，也用于鐵路中專站和公路中專站的貨物搬運(yùn)。與叉車相比，它具有機(jī)動(dòng)靈活，操作方便、穩(wěn)定性好、堆廠利用率高等優(yōu)勢(shì)［1］。它主要由起重臂、車架體、輪胎、俯仰液壓缸、伸縮液壓缸、駕駛室、油箱、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和吊具等組成［2］。

正面吊起升機(jī)構(gòu)核心為三鉸點(diǎn)變幅系統(tǒng)如圖1所示，鉸點(diǎn)位置的確定是正面吊整機(jī)設(shè)計(jì)的核心，直接關(guān)系到變幅油缸負(fù)載值及變幅系統(tǒng)壓力沖擊的大小，決定整機(jī)的穩(wěn)定性和工作效率。

圖1 正面吊起升系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)上變幅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用圖解法，隨著仿真學(xué)、遺傳學(xué)和人工智能科學(xué)的發(fā)展，研究者們相繼將遺傳學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)原理應(yīng)用到優(yōu)化領(lǐng)域，結(jié)合計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件為正面吊變幅系統(tǒng)優(yōu)化帶來了新的方法［3］。筆者以變幅油缸最大負(fù)載最小及變幅液壓系統(tǒng)液壓沖擊最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立變幅機(jī)構(gòu)的三鉸點(diǎn)數(shù)學(xué)模型，采用分層排序法處理多目標(biāo)問題的優(yōu)化，利用Matlab粒子群算法工具箱對(duì)變幅系統(tǒng)鉸點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

2 變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及受力分析

正面吊起吊過程中，采用以變幅液壓缸為主，伸縮液壓缸為輔的主從模式進(jìn)行協(xié)調(diào)控制［4］，使基本臂與伸縮臂聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)所起吊的集裝箱垂直升降，提高了正面吊的工作效率。如圖2，取正面吊臂架與車架體鉸接點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，水平方向?yàn)棣州S，垂直方向?yàn)閥軸。

油缸在變幅過程中，鉸點(diǎn)B(χb，yb)沿BB'圓弧軌跡運(yùn)動(dòng)，臂架端部E(χe，ye)點(diǎn)即吊具重心垂直升降，A點(diǎn)為油缸下鉸點(diǎn)，AB為變幅油缸，圖中CE、CE'分別為臂架中心線在0度角和俯仰α角度的位置。臂架變幅過程中油缸受力為F，由于變幅過程中，速度比較慢，故不考慮臂架慣性力［5］。

圖2 變幅機(jī)構(gòu)受力分析

式中:W1為吊重及吊具重;W2為伸縮臂及伸縮缸筒重;W3為基本臂與伸縮活塞重;F為俯仰油缸推力; L1為吊具及吊重力臂;L2為伸縮臂及活塞缸筒重力臂;L3為基本臂與伸縮活塞重力臂;n為俯仰油缸數(shù)量;φ1為起升沖擊系數(shù)，取1.05;φ2為起升動(dòng)載系數(shù)，取1.15;LP為俯仰油缸力臂。

根據(jù)臂架動(dòng)力學(xué)分析可知，俯仰油缸運(yùn)動(dòng)過程中，F(xiàn)先變小，然后變大。當(dāng)俯仰油缸下鉸點(diǎn)A剛好在BB'連線上，俯仰油缸在水平位置和最大俯仰角αmax位置受力相等且為最大;當(dāng)俯仰油缸下鉸點(diǎn)A在BB'靠近原點(diǎn)一側(cè)，油缸在最大俯仰角αmax受力最大;當(dāng)俯仰油缸下鉸點(diǎn)A在BB'遠(yuǎn)離原點(diǎn)一側(cè)，油缸在水平位置受力最大。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)正面吊整機(jī)性能要求，選取變幅油缸最大負(fù)載最小及變幅液壓系統(tǒng)液壓沖擊最小為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3.1 設(shè)計(jì)變量

變幅系統(tǒng)三鉸點(diǎn)有6個(gè)參數(shù)，選取其中一點(diǎn)為原點(diǎn)坐標(biāo)，臂架在水平位置時(shí)，變幅油缸下鉸點(diǎn)A(χa，ya)上鉸點(diǎn)B(χb，yb)，考慮臂架實(shí)際空間位置及強(qiáng)度條件，變幅油缸上鉸點(diǎn)距臂架中心線距離e作為常數(shù)處理，則本文引入3個(gè)優(yōu)化參變量，其向量表達(dá)式如下:

3.2 目標(biāo)函數(shù)

(1)變幅油缸受力F可由給定的設(shè)計(jì)變量表示

(2)液壓油波動(dòng)分析

變幅油缸最大工作壓力Pmax＜Pmax'，在變幅過程中，根據(jù)油缸最大壓差來衡量液壓油的波動(dòng):

4 約束條件

(1)自變量上下限約束

根據(jù)實(shí)際問題要求，自變量有上下限的約束，即

根據(jù)鉸點(diǎn)空間位置選取自變量值域如表1所列。

表1 正面吊變幅鉸點(diǎn)優(yōu)化參數(shù)及可行域 /mm

(2)鉸點(diǎn)位置約束條件

在變幅鉸點(diǎn)優(yōu)化之前，三個(gè)鉸點(diǎn)位置無法確定，可根據(jù)臂架實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況大致確定三個(gè)鉸點(diǎn)的相對(duì)位置，如圖2所示，該結(jié)構(gòu)采用前支式三鉸點(diǎn)，則鉸點(diǎn)位置有如下約束條件:

(3)油缸尺寸約束

為了保證油缸穩(wěn)定性，需要對(duì)油缸長度尺寸進(jìn)行約束，臂架在αmin到αmax俯仰過程中，油缸伸縮比λ= Lmax/Lmin，考慮到俯仰油缸制造問題，根據(jù)油缸設(shè)計(jì)規(guī)范，取液壓油缸的伸縮比λ值為1.6≤λ≤1.7，得到約束條件如下:

(4)機(jī)構(gòu)幾何尺寸約束條件

伸縮臂位置在0°和60°典型位置上時(shí)，三鉸點(diǎn)組成ΔOAB、ΔOAB'中，由兩邊之和大于第三邊得到6個(gè)約束條件:

5 優(yōu)化結(jié)果及分析

首先，將目標(biāo)函數(shù)按照其重要性排序，俯仰油缸俯仰過程中受最大力最小為該多目標(biāo)優(yōu)化問題的關(guān)鍵，液壓油波動(dòng)問題是在俯仰油缸受力最小的基礎(chǔ)上考慮的，則求解優(yōu)先順序minF=F(X)優(yōu)于minF= Fmax(X)－Fmin(X)，正面吊在最大變幅角度受力最大，以該工況為研究對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。由于非線性約束問題最優(yōu)解與其初始值的選取密切相關(guān)，不同的初始值會(huì)得到不同的局部最優(yōu)解［6］;而正面吊變幅三鉸點(diǎn)的可行解空間的確定是經(jīng)過人工經(jīng)驗(yàn)和單個(gè)變量參數(shù)反復(fù)優(yōu)化才得到的數(shù)據(jù)，以WX45T型正面吊實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行變幅三鉸點(diǎn)優(yōu)化仿真，采用粒子群算法工具箱進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，其主要優(yōu)化參數(shù)選取:維數(shù)D=3;粒子數(shù)目N=100;最大迭代次數(shù)M=1 000;最大速度Vmax=1;學(xué)習(xí)因子C1、C2均為1.5;慣性權(quán)重Wmax=0.8、Wmin=0.2，其它基本參數(shù)見表2。

表2 正面吊變幅鉸點(diǎn)優(yōu)化基本參數(shù)

圖3為俯仰油缸受載迭代收斂曲線，采用Matlab數(shù)學(xué)軟件優(yōu)化分析，得到正面吊臂架在最大仰角αmax位置處，各自變量與俯仰油缸載荷關(guān)系如圖4～6所示。

圖3 俯仰油缸受載迭代收斂曲線

通過對(duì)圖4～6進(jìn)行分析可知，臂架在最大仰角位置時(shí)，對(duì)俯仰油缸載荷影響最大的是自變量χ1、χ3，影響最小的是χ2，圖4表明，俯仰油缸載荷隨χ1增大近似比例減小;圖5顯示，χ2對(duì)俯仰油缸載荷影響較小，趨于線性關(guān)系;俯仰油缸載荷隨著自變量χ3先減小，然后緩慢最大，且在2 615 mm處取得最小值，該參變量是臂架在最大仰角位置處俯仰油缸載荷關(guān)鍵影響因素。

圖4 油缸負(fù)載與χ1之間的關(guān)系

圖5 油缸負(fù)載與χ2之 間的關(guān)系

通過Matlab粒子群算法工具箱進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到3個(gè)鉸點(diǎn)最終優(yōu)化結(jié)果，如表3所示。

表3 變幅機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后三鉸點(diǎn)參數(shù)值

圖7為優(yōu)化前后俯仰油缸在最大仰角位置處受力與臂架俯仰角度之間變化關(guān)系曲線圖。

圖6 油缸負(fù)載與χ3之間的關(guān)系

圖7 優(yōu)化前后俯仰油缸受 力與角度變化關(guān)系

通過對(duì)圖形分析，俯仰油缸載荷先減小后增大，優(yōu)化后，在臂架水平位置，俯仰油缸載荷增加4.8%，最大載荷仍然出現(xiàn)在臂架最大仰角位置處。優(yōu)化前后對(duì)比，俯仰油缸受最大力相對(duì)于初始設(shè)計(jì)值降低了5.77%，壓力波動(dòng)值降低9.51%，如表4所示。

表4 優(yōu)化前后俯仰油缸受力值

通過對(duì)變幅機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)位置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使臂架在最大仰角位置處俯仰油缸受力明顯降低，同時(shí)優(yōu)化結(jié)果使俯仰油缸在變幅過程中，最大受力與最小受力差值減小，使變幅系統(tǒng)壓力變化趨于平穩(wěn)，大幅度提高了正面吊起升機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，改善了臂架結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，使臂架與油缸鉸點(diǎn)處極限載荷降低。

［1］ 彭傳圣，蘇國萃.集裝箱正面吊吊運(yùn)機(jī)應(yīng)用與發(fā)展［J］.裝卸機(jī)械，2001(3):30－32.

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［3］ 馮 謙.伸縮臂裝載機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的優(yōu)化沒計(jì)［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，17(1):65－68.

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Optimization of the Hinge Point Position of Leveling Mechanism for Reach Stacker

CHEN Qiao1，TIAN Ming－h(huán)ua2
(1.China Railway Wuχin Heavy Industry Co.，Ltd，Changsha Hunan 410323，China;2.Key State Laboratory of
High Performance Compleχ Manufacturing，Ministry of Education Central South University，Changsha Hunan 410083，China)

The luffing mechanism of reach stacker is the core of arm luffing mechanism.Therefore，the hinge point's positions of leveling mechanism directly affects the whole performance.Through the force analysis of luffing mechanism，a mathematical model of three hinge points is established，which aims to reduce the max force of oil cylinder and decrease the oil pressure of oil system.The paper deals with multi－objective optimization problem by using hierarchical ordering method.The optimization calculation is presented by using the particle swarm optimization of Matlab.The results indicate that the optimized result can enhance the performance of the reach stacker.

reach stacker;luffing mechanism;the particle swarm optimization of Matlab;Hierarchical ordering method

TH213.6

A

1007－4414(2013)05－0031－03

2013－07－28

陳 橋(1983－)，男，貴州沿河人，工程師，主要從事港口起重機(jī)方面的設(shè)計(jì)研究工作。