集裝箱正面吊變幅機構的鉸點位置優化*

陳 橋，田明華

(1.湖南中鐵五新重工有限公司，湖南長沙 410323;2.中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南長沙 410083)

集裝箱正面吊變幅機構的鉸點位置優化*

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.中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南長沙 410083)

集裝箱正面吊變幅機構是正面吊大臂舉升機構的核心，其變幅鉸點位置的確定直接影響到整機的性能。通過對變幅機構受力特性的分析，以變幅油缸最大負載最小及變幅液壓系統液壓沖擊最小為優化目標，建立變幅機構三鉸點數學模型，采用分層排序法處理多目標問題的優化，利用Matlab粒子群算法對變幅鉸點位置進行優化，結果表明優化后的鉸點位置提高了正面吊整機性能，為變幅機構參數設計和改善提供了重要依據。

正面吊;變幅機構;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、堆碼和水平作業的特種工程設備，也用于鐵路中專站和公路中專站的貨物搬運。與叉車相比，它具有機動靈活，操作方便、穩定性好、堆廠利用率高等優勢［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、轉向系統、液壓系統、傳動系統和吊具等組成［2］。

正面吊起升機構核心為三鉸點變幅系統如圖1所示，鉸點位置的確定是正面吊整機設計的核心，直接關系到變幅油缸負載值及變幅系統壓力沖擊的大小，決定整機的穩定性和工作效率。

圖1 正面吊起升系統組成

傳統上變幅機構設計采用圖解法，隨著仿真學、遺傳學和人工智能科學的發展，研究者們相繼將遺傳學、神經網絡學原理應用到優化領域，結合計算機專業軟件為正面吊變幅系統優化帶來了新的方法［3］。筆者以變幅油缸最大負載最小及變幅液壓系統液壓沖擊最小為優化目標，建立變幅機構的三鉸點數學模型，采用分層排序法處理多目標問題的優化，利用Matlab粒子群算法工具箱對變幅系統鉸點位置進行優化計算。

2 變幅機構運動及受力分析

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行協調控制［4］，使基本臂與伸縮臂聯合運動，實現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為原點建立坐標系，水平方向為χ軸，垂直方向為y軸。

油缸在變幅過程中，鉸點B(χb，yb)沿BB'圓弧軌跡運動，臂架端部E(χe，ye)點即吊具重心垂直升降，A點為油缸下鉸點，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 變幅機構受力分析

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為俯仰油缸數量;φ1為起升沖擊系數，取1.05;φ2為起升動載系數，取1.15;LP為俯仰油缸力臂。

根據臂架動力學分析可知，俯仰油缸運動過程中，F先變小，然后變大。當俯仰油缸下鉸點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;當俯仰油缸下鉸點A在BB'靠近原點一側，油缸在最大俯仰角αmax受力最大;當俯仰油缸下鉸點A在BB'遠離原點一側，油缸在水平位置受力最大。

3 優化設計目標函數

根據正面吊整機性能要求，選取變幅油缸最大負載最小及變幅液壓系統液壓沖擊最小為優化目標進行設計優化。

3.1 設計變量

變幅系統三鉸點有6個參數，選取其中一點為原點坐標，臂架在水平位置時，變幅油缸下鉸點A(χa，ya)上鉸點B(χb，yb)，考慮臂架實際空間位置及強度條件，變幅油缸上鉸點距臂架中心線距離e作為常數處理，則本文引入3個優化參變量，其向量表達式如下:

3.2 目標函數

(1)變幅油缸受力F可由給定的設計變量表示

(2)液壓油波動分析

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

4 約束條件

(1)自變量上下限約束

根據實際問題要求，自變量有上下限的約束，即

根據鉸點空間位置選取自變量值域如表1所列。

表1 正面吊變幅鉸點優化參數及可行域 /mm

(2)鉸點位置約束條件

在變幅鉸點優化之前，三個鉸點位置無法確定，可根據臂架實際運動情況大致確定三個鉸點的相對位置，如圖2所示，該結構采用前支式三鉸點，則鉸點位置有如下約束條件:

(3)油缸尺寸約束

為了保證油缸穩定性，需要對油缸長度尺寸進行約束，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，根據油缸設計規范，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)機構幾何尺寸約束條件

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

5 優化結果及分析

首先，將目標函數按照其重要性排序，俯仰油缸俯仰過程中受最大力最小為該多目標優化問題的關鍵，液壓油波動問題是在俯仰油缸受力最小的基礎上考慮的，則求解優先順序minF=F(X)優于minF= Fmax(X)－Fmin(X)，正面吊在最大變幅角度受力最大，以該工況為研究對象進行優化計算。由于非線性約束問題最優解與其初始值的選取密切相關，不同的初始值會得到不同的局部最優解［6］;而正面吊變幅三鉸點的可行解空間的確定是經過人工經驗和單個變量參數反復優化才得到的數據，以WX45T型正面吊實際設計參數進行變幅三鉸點優化仿真，采用粒子群算法工具箱進行優化計算，其主要優化參數選取:維數D=3;粒子數目N=100;最大迭代次數M=1 000;最大速度Vmax=1;學習因子C1、C2均為1.5;慣性權重Wmax=0.8、Wmin=0.2，其它基本參數見表2。

表2 正面吊變幅鉸點優化基本參數

圖3為俯仰油缸受載迭代收斂曲線，采用Matlab數學軟件優化分析，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系如圖4～6所示。

圖3 俯仰油缸受載迭代收斂曲線

通過對圖4～6進行分析可知，臂架在最大仰角位置時，對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對俯仰油缸載荷影響較小，趨于線性關系;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鍵影響因素。

圖4 油缸負載與χ1之間的關系

圖5 油缸負載與χ2之 間的關系

通過Matlab粒子群算法工具箱進行優化計算，得到3個鉸點最終優化結果，如表3所示。

表3 變幅機構參數優化后三鉸點參數值

圖7為優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系曲線圖。

圖6 油缸負載與χ3之間的關系

圖7 優化前后俯仰油缸受 力與角度變化關系

通過對圖形分析，俯仰油缸載荷先減小后增大，優化后，在臂架水平位置，俯仰油缸載荷增加4.8%，最大載荷仍然出現在臂架最大仰角位置處。優化前后對比，俯仰油缸受最大力相對于初始設計值降低了5.77%，壓力波動值降低9.51%，如表4所示。

表4 優化前后俯仰油缸受力值

通過對變幅機構鉸點位置參數進行優化，使臂架在最大仰角位置處俯仰油缸受力明顯降低，同時優化結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，使變幅系統壓力變化趨于平穩，大幅度提高了正面吊起升機構的動態性能，改善了臂架結構受力特點，使臂架與油缸鉸點處極限載荷降低。

［1］ 彭傳圣，蘇國萃.集裝箱正面吊吊運機應用與發展［J］.裝卸機械，2001(3):30－32.

［2］ 張連文.集裝箱正面吊運機的ADAMS運動學分析［J］.工程機械，2007，38(7):19－21.

［3］ 馮 謙.伸縮臂裝載機變幅機構的優化沒計［J］.南京林業大學學報，1993，17(1):65－68.

［4］ 劉 宜，方 靜.基于主一從模式的正面吊垂直升降協調控制方法［J］.中國工程機械學報，2011，9(2):181－184.

［5］ 曾立斌，候鐘明.伸縮臂叉裝車鉸點位置的優化設計［J］，起重機運輸機械，2008(3):22－25.

［6］ 張 武.MATLAB優化工具箱及其應用［J］.農業網絡信息，2008(8):138－142.

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

CHEN Qiao1，TIAN Ming－hua2
(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方面的設計研究工作。