門座起重機(jī)鉸點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、門座起重機(jī)鉸點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)Optimization Design Of The Bantry Cranes joints于建華 張小亮 胡超（三一海洋重工有限公司,廣東珠海，）摘要：提出了一種組合臂架式門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)在進(jìn)行門式起重機(jī)變幅系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用分步式設(shè)計(jì)方法，其特點(diǎn)是：優(yōu)化初值選定結(jié)合了常規(guī)作圖法和解析法優(yōu)點(diǎn)，對(duì)初值進(jìn)行初步過(guò)濾，優(yōu)中選優(yōu)；優(yōu)化所需各桿件質(zhì)量與質(zhì)心坐標(biāo)信息從參數(shù)化的ProE模型中提取，避免了人工預(yù)估，數(shù)據(jù)更加真實(shí)可信；優(yōu)化算法采用ADAMS 序列二次規(guī)劃算法，算法可靠。關(guān)鍵詞：門式起重機(jī)；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；PROE；A

2、DAMS；序列二次規(guī)劃中圖分類號(hào)：TH122Abstract：A computer-aided designing and optimizing method for luffing system of double link jib crane is put forward, and the corresponding system software is developed. This system applies distributed design algorithm in designing luffing system of jib crane, which is characte

3、rized by: Optimization of the initial value combines with the advantages of conventional computing method and analysis method to prefilter the initial value; Mass of the member and coordinate of the mass center are from the ProE model, which helps avoid artificial estimate and the data will be more

4、authentic and reliable; The optimization algorithm applies ADAMS sequential quadratic programming, which is reliable.Key words：gantry crane; CAD; PROE; ADAMS; SQP0引言大港機(jī)產(chǎn)品的訂單式設(shè)計(jì)特點(diǎn)對(duì)門座起重機(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率提出了越來(lái)越高的要求。為了快速響應(yīng)市場(chǎng)變化，同時(shí)保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，門座起重機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化越來(lái)越依賴于計(jì)算機(jī)。近年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的計(jì)算機(jī)應(yīng)用進(jìn)行了許多有益的研究。武漢理工大學(xué)的林健民研究了單

5、臂架門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并運(yùn)用VC+軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了門座起重機(jī)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。該軟件從水平位移補(bǔ)償系統(tǒng)、自重平衡系統(tǒng)和變幅驅(qū)動(dòng)裝置三部分對(duì)門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有一定的實(shí)用性，但僅適用于單臂架型式門座起重機(jī)設(shè)計(jì)，且尚未實(shí)現(xiàn)對(duì)變幅系統(tǒng)各鉸點(diǎn)位置參數(shù)的優(yōu)化1。結(jié)合門式起重機(jī)和門座起重機(jī)的特點(diǎn)，武漢理工大學(xué)的魏東、熊志誠(chéng)分別利用VB和Delphi語(yǔ)言編制了臂橋架變幅系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化軟件2、3。武漢理工大學(xué)的陳飛婷、李明星分別利用VB和C+編制了基于遺傳算法的門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)優(yōu)化程序4、5。武漢交通科技大學(xué)的王少梅、董明望介紹了一種門座起重機(jī)CAD系統(tǒng)并詳細(xì)說(shuō)明了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，

6、功能和技術(shù)特點(diǎn)6。武漢水運(yùn)工程學(xué)院的黃崇斌、劉娜研制了門座起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)從方案選擇、設(shè)計(jì)計(jì)算到結(jié)果輸出的一體化軟件系統(tǒng)7。浙江大學(xué)的程菊生、童水光、史俊友針對(duì)門座起重機(jī)總體方案設(shè)計(jì)使用Turbo-Prolog語(yǔ)言編制了專家系統(tǒng)，在門座起重機(jī)總體方案設(shè)計(jì)中取得了很好的效果8。本文在參考前人研究的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際應(yīng)用利用VB.NET語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了一套組合臂架式門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了PRO/E參數(shù)化模型設(shè)計(jì)、ADAMS二次規(guī)劃優(yōu)化仿真，實(shí)例驗(yàn)證切實(shí)可行，具有很大的參考價(jià)值。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程，把系統(tǒng)劃分為：四連桿初始值確定、四連桿優(yōu)化、

7、四連桿模型驅(qū)動(dòng)、自重平衡系統(tǒng)初值確定、自重平衡系統(tǒng)優(yōu)化、自重平衡系統(tǒng)模型生成和齒輪齒條設(shè)計(jì)與優(yōu)化七個(gè)主要功能模塊，具體功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)1.2系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)為了保證軟件的簡(jiǎn)單易用性，系統(tǒng)采用流程導(dǎo)航式設(shè)計(jì)方案，把組合臂架式門座起重變幅系統(tǒng)分解為四連桿系統(tǒng)、自重平衡系統(tǒng)和齒輪齒條變幅系統(tǒng)三部分進(jìn)行分步設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)流程如圖2所示。圖2總體設(shè)計(jì)流程2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)2.1系統(tǒng)初值選定實(shí)現(xiàn)序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法是局部?jī)?yōu)化算法，對(duì)優(yōu)化初始值的要求比較嚴(yán)格，如果初始值設(shè)置的偏離精確解太遠(yuǎn)有可能造成函數(shù)不收斂，因此如何合理設(shè)置優(yōu)化函數(shù)的初始值至關(guān)重要。本文利用解析法和作圖法相結(jié)合的方法來(lái)確定優(yōu)化函數(shù)

8、的初始值，限于篇幅只討論四連桿系統(tǒng)初始值確定的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。2.1.1設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)于門座四連桿臂架系統(tǒng)，與之相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。表1 四連桿臂架系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)序號(hào)參數(shù)名稱代碼1起升高度H02最大幅度Rmax3最小幅度Rmax4起重臂長(zhǎng)R5象鼻梁前臂長(zhǎng)L6象鼻梁后臂長(zhǎng)l7下垂量C8大拉桿長(zhǎng)r9起重臂下鉸點(diǎn)至回轉(zhuǎn)中心距離f10起重臂下鉸點(diǎn)與大拉桿下鉸點(diǎn)水平距離t11起重臂下鉸點(diǎn)與大拉桿下鉸點(diǎn)垂直距離h12最大幅度時(shí)起重臂與水平方向夾角113最大幅度時(shí)象鼻梁前臂與水平方向夾角114最小幅度時(shí)起重臂豎直方向夾角315最小幅度時(shí)象鼻梁前臂豎直方向夾角22.1.2初始值求解過(guò)程1）建立求解坐標(biāo)系如圖3所示。圖3

9、求解坐標(biāo)系2）具體求解步驟：Step1根據(jù)輸入變量求Smax、Smin，求解公式：Smax=Rmax-f-r0Smin=Rmin-f-r0 （2-1）Step2根據(jù)最小幅度時(shí)象鼻梁前臂、起重臂與豎直方向夾角計(jì)算象鼻梁前臂長(zhǎng)度L、起重臂長(zhǎng)度R，求解公式：L=Smin-H0tanr3sinr2+tanr3cosr2R=H0+Lcosr2cosr3 （2-2）Step3計(jì)算最大幅度時(shí)象鼻梁前臂、起重臂與水平方向夾角，列出最大幅度時(shí)方程組：Rcos1+Lcos1=SmaxRsin1-Lsin1=H0 （2-3）等式兩邊平方相加可以得出：R2+L2+2RLcos+max2+H02解得：1+1=arcco

10、s（Smax2+H02-R2-L22RL）令1+1=A則1=A-1代入方程組（2-3）得：RcosA-1+Lcos1=Smin RsinA-1-Lsin1=H0（2-4）化簡(jiǎn)式（2-5）中的式得：RsinA-RsinAtan212-2（RcosA+L）tan121+tan212=H0令tan12=x則得方程：H0+RsinAx2+2RcosA+Lx+H0-RsinA=0 （2-5）根據(jù)一元二次方程有實(shí)數(shù)解的條件：=4RcosA+L2-4H0+RsinA（H0-RsinA）當(dāng)0時(shí)：x=-2（RcosA+L）2（H0+RsinA） 則1=2arctanx（取190的解）1=A-1Step4驗(yàn)證1、

11、1，把計(jì)算得出的1、1與界面輸入的兩者范圍做比較如果落在可取范圍之內(nèi)則保留，如果落在可取范圍之外則舍去。Step5 根據(jù)象鼻梁前后臂取值因子求象鼻梁后臂長(zhǎng)l、象鼻梁前后臂夾角及中間幅度，求解公式：lL=0.30.5 =arccosCL+arccosCl SZ=Smax-0.20.25（Smax-Smin）Step6求解大拉桿長(zhǎng)度r、大拉桿下鉸點(diǎn)坐標(biāo)t、h值，取軌跡方程的三個(gè)點(diǎn)（Smin，H0）、（SZ，H0）、（Smax，H0）代入象鼻梁端點(diǎn)的軌跡方程9：-2t+lcos-x-2h+lsin-y+t2+h2+l2+R2-r2+2lt-Lcoscos-2tLcos+2lh-Lsinsin-2hL

12、sin=0 其中：=arccosxR2-L2-x2-y2+y4L2x2+y2-R2-L2-x2-y222Lx2+y2 3個(gè)未知數(shù)3個(gè)方程解方程組求出r、t、hStep7輸出解析法求解結(jié)果，結(jié)果可能有多組，任選一組即可作為四連桿優(yōu)化的初始值。2.2系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在進(jìn)行自重平衡系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)，需要用到臂架系統(tǒng)各桿件的質(zhì)量和質(zhì)心坐標(biāo)參數(shù)，常規(guī)的設(shè)計(jì)方法是工程師根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估各桿件質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)。為了提高優(yōu)化精度，本文開(kāi)發(fā)了基于PROE的參數(shù)化三維模型并對(duì)PROE進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了參數(shù)化驅(qū)動(dòng)界面，把四連桿系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)PROE模型生成，系統(tǒng)自動(dòng)提取臂架系統(tǒng)質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)參數(shù)。四連桿參

13、數(shù)化驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)界面如圖4。圖4參數(shù)化驅(qū)動(dòng)界面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的四連桿系統(tǒng)參數(shù)化模型如圖5所示。圖5四連桿參數(shù)化模型2.3系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)很多學(xué)者對(duì)門座變幅系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行了有益的研究，提出了多種優(yōu)化方法15。本文采用的優(yōu)化算法是ADAMS集成的序列二次規(guī)劃算法（SQP算法），該算法是計(jì)算工程實(shí)際問(wèn)題的有效算法之一。為了降低系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)人員ADAMS軟件操作熟悉程度的要求，系統(tǒng)針對(duì)ADAMS進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，并設(shè)計(jì)了二次開(kāi)發(fā)菜單。系統(tǒng)通過(guò)VB程序界面調(diào)用ADAMS算法進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)ADAMS軟件的集成。系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)界面如圖6所示。圖6四連桿優(yōu)化界面ADAMS二次開(kāi)發(fā)菜單界面如圖7所示。圖7二次開(kāi)發(fā)菜單3實(shí)例驗(yàn)

14、證某客戶訂購(gòu)一臺(tái)起重量為40噸最大幅度為39m的門座起重機(jī)，提供的訂單參數(shù)如表2所示。表2訂單參數(shù)項(xiàng)目主要技術(shù)參數(shù)起重能力吊鉤：40T（12 m39m全幅度）50T（12 m25m）抓斗：25T（12 m39m全幅度）起升高度H軌面以上抓斗底面: 20m（在滿足四倍率且抓斗閉合狀況下）吊鉤大于30m軌面以下19m工作幅度最大幅度39m（40t）最小幅度12m尾部旋轉(zhuǎn)半徑8.8m（在起重機(jī)中心與軌道中心重合時(shí)）把相關(guān)參數(shù)輸入到系統(tǒng)界面，詳細(xì)計(jì)算及優(yōu)化結(jié)果如表3、表4所示。表3四連桿系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化結(jié)果項(xiàng)目初始值優(yōu)化值H0（mm）1200011899C（mm）800726.61f（mm）300031

15、17.8R（mm）27485.328578.2L（mm）15076.115745.9l（mm）6030.45251.0t（mm）64444794.8h（mm）12264.9123681（）40.0541.7071（）22.1626.86Ymax（mm）367270.35M0（t*m）9.575.08表3中各參數(shù)代號(hào)意義如下：H0計(jì)算起升高度；C下垂量；f臂架下鉸點(diǎn)至回轉(zhuǎn)中心距離；R起重臂長(zhǎng)度；L象鼻梁前臂長(zhǎng)度；l象鼻梁后臂長(zhǎng)度；t大拉桿下鉸點(diǎn)至起重臂下鉸點(diǎn)水平距離；h大拉桿下鉸點(diǎn)至起重臂下鉸點(diǎn)垂直距離；1最大幅度時(shí)臂架與水平方向夾角；1最大幅度時(shí)象鼻梁前臂與水平方向夾角；Ymax水平軌跡最大高

16、度差；M0變幅過(guò)程中的未平衡力矩均方根值。表4自重平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化結(jié)果項(xiàng)目初始值優(yōu)化值Y1（mm）8317.07254.9Y2（mm）5557.86113.5Y3（mm）3056.83056. 84（）145149.15Y5（mm）7144.67779.8Y6（mm）2500.63215.18max（）115120.008min（）5554.387R_HZ（mm）90008770.5Mass_Pz（kg）2500025000TQ（N*mm）8.451*1081.9447*108表4中各參數(shù)代號(hào)意義如下：Y1小拉桿長(zhǎng)度；Y2平衡梁后臂長(zhǎng)度；Y3平衡梁前臂長(zhǎng)度；4平衡梁前后臂夾角；Y5小拉桿拉點(diǎn)

17、在臂架上的垂足至臂架下鉸點(diǎn)距離；Y6小拉桿拉點(diǎn)到臂架上的投影距離；8max平衡梁后臂最大擺角；8min平衡梁后臂最小擺角；R_HZ平衡梁尾部回轉(zhuǎn)半徑；Mass_Pz配重重量；TQ變幅過(guò)程中的自重平衡力矩。從表3、表4中可以看出優(yōu)化后的四連桿系統(tǒng)的水平軌跡最大高度差為270.3mm基本滿足要求，變幅力矩的均方根值均下降了53.2%；自重平衡系統(tǒng)的未平衡力矩均方根降低了440%，優(yōu)化效果顯著。4結(jié)論本文針對(duì)組合臂架式門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化問(wèn)題，提出了一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，并搭建了系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)。按照變幅系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，系統(tǒng)平臺(tái)采用流程導(dǎo)航式設(shè)計(jì)，把門座變幅系統(tǒng)分解成四連桿系統(tǒng)、自重平衡系統(tǒng)和齒

18、輪齒條系統(tǒng)三部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中平臺(tái)集成了Proe參數(shù)化設(shè)計(jì)和ADAMS優(yōu)化算法，在設(shè)計(jì)中同步生成變幅系統(tǒng)三維模型，提高了設(shè)計(jì)精度。最后論文給出了實(shí)例驗(yàn)證，結(jié)果表明該系統(tǒng)輸出的設(shè)計(jì)結(jié)果符合實(shí)際生產(chǎn)要求，切實(shí)可用。參考文獻(xiàn)1林健民.臂架類起重機(jī)自重平衡系統(tǒng)的創(chuàng)新研究D.武漢：武漢理工大學(xué)，20102魏東.臂橋架變幅系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和方法的研究D.武漢：武漢理工大學(xué)，20073熊志誠(chéng).臂橋架集裝箱起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)D.武漢：武漢理工大學(xué)，20054陳飛婷.基于遺傳算法的變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)D .武漢：武漢理工大學(xué)，20045李明星.基于遺傳算法的門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)D.武漢：武漢理工大學(xué)，20066