曾義聰

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖南長沙410004）

集裝箱起重運輸車臂架鉸點優(yōu)化布置初探

曾義聰

（長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，湖南長沙410004）

集裝箱起重運輸車的臂架鉸點優(yōu)化布置，是吊臂系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。用梁單元鉸接起來，簡化模型，建立優(yōu)化設(shè)計模型。選取合適的設(shè)計變量，以上臂油缸與下臂油缸的推力達到最優(yōu)值，建立目標(biāo)函數(shù)，由典型工況作為約束條件，采用復(fù)合形法進行調(diào)優(yōu)迭代，得到臂架鉸點優(yōu)化布置結(jié)果，有助于臂架結(jié)構(gòu)進一步設(shè)計。

臂架;鉸點;優(yōu)化布置;側(cè)面吊

1.引言

集裝箱起重運輸車，有時稱集裝箱側(cè)面吊，是一種集裝卸、運輸為一體的集裝箱專用車輛，廣泛用于集裝箱集散碼頭、工礦企業(yè)、倉庫、車站等場所的集裝箱裝卸運輸。集裝箱的規(guī)格一般為20英尺。吊裝時，先將集裝箱運輸車停在待吊裝的集裝箱側(cè)面，然后伸出支腿，將前后起吊機構(gòu)與集裝箱箱角固定，通過控制上下臂實現(xiàn)集裝箱的裝卸。作業(yè)過程中，應(yīng)滿足自車裝載、自車卸載、疊層、平板車裝載、平板車卸載、過涵洞等要求[1]。臂架系統(tǒng)是整個產(chǎn)品的關(guān)鍵部件，如圖1所示，它主要由上臂、下臂、上臂油缸、下臂油缸等組成，各組件采用鉸點連接[2]。對各鉸點合理布置，降低上

臂油缸與下臂油缸的推力，從而減小油缸的缸徑與桿徑，一直是我們設(shè)計的優(yōu)化目標(biāo)。

由于集裝箱起重運輸車應(yīng)滿足多種工況條件，臂架鉸點優(yōu)化問題是一個多約束優(yōu)化問題。文獻[2]對集裝箱側(cè)面吊起重機構(gòu)，進行優(yōu)化設(shè)計，目標(biāo)函數(shù)以各構(gòu)件的最大受力狀態(tài)下的最大應(yīng)力不超過允許的最大應(yīng)力，由此選擇各構(gòu)件的最大受力最小為目標(biāo)函數(shù)。但其目標(biāo)函數(shù)中五個設(shè)計指標(biāo)的含義未加指明，難以理解；同時在側(cè)面吊起重機構(gòu)中，若構(gòu)件只是受拉壓，如起臂油缸，受力越小，應(yīng)力就越小，但對于受彎曲的臂架的彎曲應(yīng)力，不僅與各鉸點的受力情況有關(guān)，而且與各鉸點位置關(guān)系有關(guān)，所以這種確定目標(biāo)函數(shù)的方法，值得商榷。因此目標(biāo)函數(shù)的選擇成為集裝箱側(cè)面吊起重機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵，在臂架結(jié)構(gòu)未加確定之前，應(yīng)關(guān)注主要設(shè)計指標(biāo)，降低問題的難度。遵循此原則，解決臂架鉸點優(yōu)化問題，設(shè)計目標(biāo)只關(guān)注了上臂油缸與下臂油缸的推力，以上臂油缸與下臂油缸的推力達到最優(yōu)值，建立目標(biāo)函數(shù)。至于它的求解，由于我們具備第一代產(chǎn)品開發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗，容易獲得部分初始頂點數(shù)據(jù)。

圖1 臂架系統(tǒng)圖

同時由于復(fù)合形法的算法思路清晰，不需求導(dǎo)數(shù)，不需作一維搜索，對函數(shù)性態(tài)沒有特殊要求，而且程序結(jié)構(gòu)簡單，計算量不大，對初始點要求低，能較快地找到最優(yōu)解，算法較為可靠[3]。復(fù)合形法適合解決有約束優(yōu)化問題，僅需比較目標(biāo)函數(shù)值即可決定搜索方向，算法較簡單，對目標(biāo)函數(shù)的要求不苛刻[4-5]。

因此在臂架鉸點優(yōu)化計算過程中，我們選取了復(fù)合形法，得到我們需要的優(yōu)化結(jié)果，對第一代產(chǎn)品進行了改進。

2.優(yōu)化過程

對于圖1所示的臂架系統(tǒng)，通過簡化，建立如圖2所示的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。優(yōu)化設(shè)計過程中，以上、下臂油缸的作用力作為目標(biāo)函數(shù)，以各鉸點的位置坐標(biāo)為設(shè)計變量，以典型工況下吊鉤的位置坐標(biāo)、油缸及臂架布置條件為約束，建立優(yōu)化設(shè)計模型。

圖中各變量說明(字符不區(qū)分大小寫)：

L1——下臂OC的長度；

L2——上臂CA的長度；

L3——CB的長度；

L4——OD的長度；

Gl1——下臂油缸的長度；

Gl2——上臂油缸的長度；

δ1——∠DOC角度值；

δ2——∠BCF角度值；

H——O對E的垂直高度；

F(Fx0,Fy0)，F(xiàn)x0、Fy0分別為OF對OC線與垂直O(jiān)C線的投影，如圖2所示；

Dx1:原點E距車架左側(cè)面距離；

Dx2:鉸點O距車架右側(cè)面距離；

Db:車架寬；

H0:E點距地高；

2.1 選取設(shè)計變量

在設(shè)計過程中，需要調(diào)整與優(yōu)化的參數(shù)有l(wèi)1,l2,l3,l4, gl1,gl2,δ1,δ2,h，它們相互獨立，我們將之定義為設(shè)計變量X如下：

圖2 優(yōu)化模型

2.2 建立目標(biāo)函數(shù)

下臂油缸的推力Ngl1

其中α1—∠DOE角度值；

α—OC的水平夾角；

β——∠ACO角度值；

l6——OE的長度；

G——額定吊重。

由圖2可知：

其中定義θ1為OE的水平夾角,則

其中β1為∠BCF,θ2為∠FCO，則

其中l(wèi)7為線段CF長度，則

上臂油缸的推力Ngl2

設(shè)計過程中，我們設(shè)計的目標(biāo)是上臂油缸與下臂油缸的推力達到最優(yōu)值，這是一個多目標(biāo)優(yōu)化方法，利用線性加權(quán)組合法，將各個分目標(biāo)函數(shù)組合一個統(tǒng)一的目標(biāo)函數(shù)，即

其中加權(quán)因子W1、W2都取1，均勻計權(quán)。

2.3 建立約束條件

以E為原點，水平、豎直為橫、縱坐標(biāo)，如圖2所示，建立坐標(biāo)系。

外形邊界條件

Cx＞-dx1;（油缸gl1、gl2全縮時，C點不超過車架左側(cè)面）

Ax＜db-dx1;（油缸gl1、gl2全縮時，A點不超過車架右側(cè)面）

Ay+h0＜=3500;(過涵洞要求)；

典型工況下的邊界條件

Ay+h0＜Sc+2591+h1;(自車裝載)

Ay+h0＜2591+Sc;(自車卸載)

Ay+h0＞2*2591+Sc；（疊層）

Ay+h0＞h2+2591+Sc;（平板車裝載）

Ay+h0＜h2+2591+Sc;（平板車卸載）

以上的變量Cx、Ax、Ay分別為C、A點在各工況下的橫、縱坐標(biāo)值，h0為E距地面高度;Sc為吊索崩緊后從A到集裝箱表面距離；h1為集裝箱起重運輸車的車架面離地高；h2為平板車車架面離地高。

由邊界條件①－⑧建立邊界函數(shù)Bj(X)。

2.4 復(fù)合形法的應(yīng)用

（1）初始復(fù)合形的生成

由于具備第一代產(chǎn)品的開發(fā)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，采用試湊法，為了簡化計算，給定4個初始頂點，如表1所示。為了降低計算難度，可將邊界函數(shù)Bj(X)編寫一個函數(shù)程序，檢驗試湊的初始頂點是否滿足邊界條件。

表1 初始頂點表

（2）復(fù)合形法的調(diào)優(yōu)迭代

按照復(fù)合形法的調(diào)優(yōu)迭代計算步驟，由初始頂點反復(fù)執(zhí)行迭代過程，復(fù)合形逐漸變小，向約束最優(yōu)點逼近，此案例中我們?nèi)ˇ艦?.5，直到結(jié)束迭代，我們得到一個優(yōu)化結(jié)果如下：

同時通過優(yōu)化后的鉸點布置，我們得到了起重臂油缸的缸徑與桿徑，與優(yōu)化前產(chǎn)品的起重臂油缸比較，如表2所示。

表2 起重臂油缸的缸徑與桿徑優(yōu)化結(jié)果比較

由表2可知，盡管上臂油缸與下臂油缸的桿徑在優(yōu)化前后，沒有變化，但兩者缸徑明顯改善了不少。

3.結(jié)論

集裝箱起重運輸車的臂架鉸點優(yōu)化布置中，用梁單元鉸接起來，簡化模型，建立優(yōu)化設(shè)計模型。選取合適的設(shè)計變量，以上臂油缸與下臂油缸的推力達到最優(yōu)值，建立目標(biāo)函數(shù)，由典型工況作為約束條件，采用復(fù)合形法進行調(diào)優(yōu)迭代，得到臂架鉸點優(yōu)化布置結(jié)果，有助于臂架結(jié)構(gòu)進一步設(shè)計。

通過優(yōu)化布置，盡管上臂油缸與下臂油缸的桿徑在優(yōu)化前后，沒有變化，但兩者缸徑明顯改善了不少。采用復(fù)合形法優(yōu)化過程中，初始點的選擇，借鑒了優(yōu)化前的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，降低了計算的難度。若沒有借鑒數(shù)據(jù)，優(yōu)化維數(shù)較多，初始復(fù)合形采用隨機法產(chǎn)生，這種優(yōu)化計算過程有待進一步探討。

[1]喬維高,張雄.起重自裝卸集裝箱運輸車力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計[J].起重運輸機械,2006,(4).

[2]馮曉梅,詹雋青.集裝箱側(cè)面吊起重機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計, 2004,(12).

[3]張鄂,買買提明.現(xiàn)代設(shè)計理論與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2009.62-67.

[4]黃興建.集裝箱裝卸設(shè)備的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].起重運輸機械, 2000,(2).

[5]趙棟杰,張利鵬.裝載機連桿機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].筑路機械與施工機械化,2007,(12).

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1671-5136(2014)01-0126-03

2014-01-23

曾義聰（1973－），男，湖南新邵人，長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院副教授、博士研究生。研究方向：工程機械、海洋采礦。