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        港口鶴式起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

        2018-05-16 10:09:04閆思江韓曉玲李凡國
        機(jī)械工程師 2018年4期
        關(guān)鍵詞:臂架搖桿變幅

        閆思江, 韓曉玲, 李凡國

        (青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山東青島 266404)

        0 引言

        港口鶴式起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)屬于工作性變幅機(jī)構(gòu),在裝卸作業(yè)時通過改變臂架的幅度來運(yùn)移貨物。因?yàn)楫?dāng)進(jìn)行船舶裝卸作業(yè)時,吊貨至出艙必須帶貨將臂架收回,這樣在起重機(jī)回轉(zhuǎn)時才不至于與船舶上層結(jié)構(gòu)(如駕駛臺、桅桿等)相碰,裝船時同樣需要在小幅度情況下將起重機(jī)轉(zhuǎn)向到船舶的另一方,再將臂架伸出,卸貨到船艙內(nèi)適當(dāng)位置。所以,起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)在起重機(jī)每一工作循環(huán)中均要參與工作,在每一幅度位置都必須能滿負(fù)荷變幅。正因?yàn)樽兎l繁,所以如果采用簡單擺動臂架式變幅機(jī)構(gòu),則在變幅過程中載重和臂架重心均產(chǎn)生升降現(xiàn)象,從而大大增加了變幅驅(qū)動功率,同時對裝卸作業(yè)的安全帶來不利影響。因此,起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)為適應(yīng)工作性變幅的需要,應(yīng)具有載重水平位移和臂架系統(tǒng)自重平衡系統(tǒng)。再者要求加速度不要太大,否則會引起貨物的擺動。

        1 鶴式起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)

        圖1所示為剛性拉桿式組合臂架,又稱直線型象鼻梁式組合臂架。由主臂架AB、直線型象鼻粱BC和剛性拉桿CD三部分組成,連同機(jī)架AD一起考慮,構(gòu)成一個平面四桿(雙搖桿)機(jī)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)從理論上講可以保證在變幅過程中,象鼻梁的端點(diǎn)P將沿著接近水平線的軌跡移動。

        圖1 鶴式起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)示意圖

        2 優(yōu)化設(shè)計

        機(jī)構(gòu)優(yōu)化一般是指使機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)或動力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)值的一種設(shè)計,有些情況是以長度最小、重量最輕、費(fèi)用最低等作為機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)。最優(yōu)值通常是指在多因素下令人滿意的最好或最恰當(dāng)?shù)闹?,在很多情況下,可以用最大值或最小值來代表最優(yōu)值。

        圖1所示鶴式起重機(jī)是一個雙搖桿機(jī)構(gòu)。當(dāng)主動搖桿AB擺動時,從動搖桿CD隨之?dāng)[動,要使懸掛在連桿(象鼻粱)BC上起落鉤P處的重物在近似水平線上作近似勻速運(yùn)動,避免因上下波動而增加功耗以及貨物擺動,只有通過優(yōu)化才能得到較為滿意的近似解。其主要設(shè)計性能指標(biāo)有:P點(diǎn)水平直線軌跡上下波動量以及P點(diǎn)移動速度變化量盡量小。主要限制條件有:構(gòu)件長度和機(jī)構(gòu)運(yùn)動空間應(yīng)在允許的范圍內(nèi),機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動角應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。

        以某型起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)為例:機(jī)架位置尺寸參數(shù)A(4,0)、D(0,6.2)。主動搖桿l1由初始64°運(yùn)動到最終的84°,要求設(shè)計出起落鉤P點(diǎn)作水平運(yùn)動,同時兼顧P點(diǎn)的運(yùn)動加速度最小化的雙搖桿機(jī)構(gòu)。

        2.1 設(shè)計變量

        機(jī)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)化問題可以用一組參數(shù)來表示。把那些最基本的、對設(shè)計目標(biāo)影響較大的參數(shù)選作待設(shè)計的可變參數(shù)。在這些可變參數(shù)中,有些參數(shù)與另外的參數(shù)之間有一定的依賴關(guān)系,雖為變量但不獨(dú)立,而優(yōu)化設(shè)計中的設(shè)計變量是以獨(dú)立變量來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的。

        對于上述問題,實(shí)際上就是設(shè)計出圖1所示的各個桿的合適長度來實(shí)現(xiàn),即把各個桿長作為設(shè)計變量,即:

        2.2 約束條件

        設(shè)計空間內(nèi)所有點(diǎn)的坐標(biāo)都是設(shè)計方案,但并不都是最好的方案,而且也并不都是可行的方案。其中有些方案明顯不合理,有些方案從設(shè)計目標(biāo)的角度看雖好,但它所對應(yīng)的設(shè)計變量可能明顯不合理,或違背設(shè)計提出的條件,例如機(jī)構(gòu)中的桿長等于零或不適當(dāng)?shù)倪^長。有些方案可能違背機(jī)械的某種工作性能,如按一組設(shè)計變量組成的機(jī)構(gòu),其壓力角過大,使力的傳遞效果不好。為了使設(shè)計達(dá)到能滿足各方面的要求的最優(yōu)方案,在優(yōu)化過程中需要提出一些必要的約束條件,以便對設(shè)計變量加以限制。

        對于圖1所示的變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計變量加以限制,包括變量的邊界約束和幾何約束。邊界條件即各個桿長取值范圍,幾何約束即在2個極限位置的桿長構(gòu)成ΔABD,則約束條件如下:

        2.3 目標(biāo)函數(shù)

        用來評價多個設(shè)計方案優(yōu)劣并以設(shè)計參數(shù)為自變量的函數(shù)表達(dá)式稱為目標(biāo)函數(shù)。優(yōu)化設(shè)計問題的目標(biāo)函數(shù),是根據(jù)設(shè)計要求并借助于設(shè)計對象本身的數(shù)學(xué)表達(dá)式而建立的某種設(shè)計準(zhǔn)則。根據(jù)不同設(shè)計問題的不同要求,設(shè)計準(zhǔn)則可以是結(jié)構(gòu)性能(如長度最短、體積最小、重量最輕等),也可以是運(yùn)動學(xué)或動力學(xué)特性的(如速度、加速度波動最小、軌跡再現(xiàn)等)。針對變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析,求出構(gòu)件BC的位置角φ2,再求出P點(diǎn)的縱向坐標(biāo)值:

        3 仿真分析

        評估目前市場上流行的軟件,考慮到運(yùn)動仿真和優(yōu)化設(shè)計均比較好的軟件,采用SolidWorks軟件對門座起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

        3.1 建立優(yōu)化模型

        1)首先,建立組成該機(jī)構(gòu)的每一個構(gòu)件模型即機(jī)架l4、搖桿l1、搖桿l3、連桿l2及連桿的伸出部分lBP,這里須將連桿分為兩部分處理。

        2)將各個單一模型組成完整的裝配體圖2所示,各個桿通過旋轉(zhuǎn)副連接。這里必須將整體作為一個配件通過在A、D處的旋轉(zhuǎn)副安裝在工作臺上。

        3)在運(yùn)動分析模塊中,由于在實(shí)際工作中搖桿l1有兩個極限位置即仰角在64°~84°范圍內(nèi)工作。為了模擬出這一范圍內(nèi)的工作,首先需在搖桿l1上添加旋轉(zhuǎn)電動機(jī),設(shè)定其等速運(yùn)動,速度為1/6 r/min,也就是1°/s。其次將模擬時間確定為20 s,同時確保起始仰角為64°。這樣一來在仿真過程中,時間就是旋轉(zhuǎn)角度。

        4)在仿真算例中,輸出P點(diǎn)縱向位移、加速度幅值等搖桿l1隨旋轉(zhuǎn)角φ1變化的曲線圖。

        5)利用運(yùn)動仿真算例建立優(yōu)化算例。

        圖2 運(yùn)動仿真模型

        3.2 優(yōu)化分析

        3.2.1 設(shè)計變量

        將搖桿l1、搖桿l3、連桿l2及連桿的伸出部分lBP設(shè)置為全局變量,變化范圍可在優(yōu)化時設(shè)定最小值、最大值即可。而機(jī)架l4=7.510 m是一固定值不需優(yōu)化。

        3.2.2 約束條件

        將上面理論分析得到的約束條件填寫到軟件給出的約束條件里。這里最好增加φ3-φ1>0這一約束,目的確保形成不交叉的反雙搖桿機(jī)構(gòu),從而減少優(yōu)化運(yùn)算量。但前提是在傳感器中添加這2個俯仰角。

        3.2.3 目標(biāo)函數(shù)

        為了使P點(diǎn)保持水平運(yùn)動和貨物在移動過程中保持平穩(wěn),必須添加2個傳感器:垂直位移和加速度。在移動過程中垂直位移與設(shè)定值的差值最小化和加速度幅值最小化。即:1)P點(diǎn)的縱向位移Y保持不變,針對該型起重機(jī)這里輸入10;2)P點(diǎn)加速度幅值最小化。

        4 優(yōu)化結(jié)果分析

        經(jīng)過多次優(yōu)化,得到各個桿長的最終結(jié)果為:l1=11.990 m、l2=2.005 m、l3=9.189 m、lBP=1.911 m。為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的正確性將各個桿長設(shè)定為優(yōu)化結(jié)果值,再次運(yùn)行仿真算例并將相關(guān)圖表輸出,見圖3、圖4、圖5、圖6。

        圖3 水平方向位移曲線

        圖4 垂直方向位移曲線

        圖5 加速度曲線

        圖3 為P點(diǎn)水平位移(共移動5 m),圖4為相應(yīng)的垂直方向位移上下波動值(0.049 m)。圖5為加速度(幾乎為零)。這一優(yōu)化結(jié)果符合實(shí)際需要,比較令人滿意。

        圖6 P點(diǎn)運(yùn)動軌跡

        5 結(jié) 語

        1)本文以搖桿l1的俯仰角作為變量,進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,也可以P點(diǎn)的水平移動距離作為變量。

        2)比較目前的仿真軟件,在結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方面SolidWorks具有方便、快捷等優(yōu)勢,尤其在傳感器設(shè)置和運(yùn)動參數(shù)曲線輸出方面尤為突出。

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