集裝箱起重運輸車臂架鉸點優化布置初探

曾義聰

（長沙民政職業技術學院電子信息工程學院，湖南長沙410004）

集裝箱起重運輸車臂架鉸點優化布置初探

曾義聰

（長沙民政職業技術學院電子信息工程學院，湖南長沙410004）

集裝箱起重運輸車的臂架鉸點優化布置，是吊臂系統優化設計的關鍵技術。用梁單元鉸接起來，簡化模型，建立優化設計模型。選取合適的設計變量，以上臂油缸與下臂油缸的推力達到最優值，建立目標函數，由典型工況作為約束條件，采用復合形法進行調優迭代，得到臂架鉸點優化布置結果，有助于臂架結構進一步設計。

臂架;鉸點;優化布置;側面吊

1.引言

集裝箱起重運輸車，有時稱集裝箱側面吊，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、倉庫、車站等場所的集裝箱裝卸運輸。集裝箱的規格一般為20英尺。吊裝時，先將集裝箱運輸車停在待吊裝的集裝箱側面，然后伸出支腿，將前后起吊機構與集裝箱箱角固定，通過控制上下臂實現集裝箱的裝卸。作業過程中，應滿足自車裝載、自車卸載、疊層、平板車裝載、平板車卸載、過涵洞等要求[1]。臂架系統是整個產品的關鍵部件，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，一直是我們設計的優化目標。

由于集裝箱起重運輸車應滿足多種工況條件，臂架鉸點優化問題是一個多約束優化問題。文獻[2]對集裝箱側面吊起重機構，進行優化設計，目標函數以各構件的最大受力狀態下的最大應力不超過允許的最大應力，由此選擇各構件的最大受力最小為目標函數。但其目標函數中五個設計指標的含義未加指明，難以理解；同時在側面吊起重機構中，若構件只是受拉壓，如起臂油缸，受力越小，應力就越小，但對于受彎曲的臂架的彎曲應力，不僅與各鉸點的受力情況有關，而且與各鉸點位置關系有關，所以這種確定目標函數的方法，值得商榷。因此目標函數的選擇成為集裝箱側面吊起重機構優化設計的關鍵，在臂架結構未加確定之前，應關注主要設計指標，降低問題的難度。遵循此原則，解決臂架鉸點優化問題，設計目標只關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值，建立目標函數。至于它的求解，由于我們具備第一代產品開發相關數據與經驗，容易獲得部分初始頂點數據。

圖1 臂架系統圖

同時由于復合形法的算法思路清晰，不需求導數，不需作一維搜索，對函數性態沒有特殊要求，而且程序結構簡單，計算量不大，對初始點要求低，能較快地找到最優解，算法較為可靠[3]。復合形法適合解決有約束優化問題，僅需比較目標函數值即可決定搜索方向，算法較簡單，對目標函數的要求不苛刻[4-5]。

因此在臂架鉸點優化計算過程中，我們選取了復合形法，得到我們需要的優化結果，對第一代產品進行了改進。

2.優化過程

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

圖中各變量說明(字符不區分大小寫)：

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)，Fx0、Fy0分別為OF對OC線與垂直OC線的投影，如圖2所示；

Dx1:原點E距車架左側面距離；

Dx2:鉸點O距車架右側面距離；

Db:車架寬；

H0:E點距地高；

2.1 選取設計變量

在設計過程中，需要調整與優化的參數有l1,l2,l3,l4, gl1,gl2,δ1,δ2,h，它們相互獨立，我們將之定義為設計變量X如下：

圖2 優化模型

2.2 建立目標函數

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l7為線段CF長度，則

上臂油缸的推力Ngl2

設計過程中，我們設計的目標是上臂油缸與下臂油缸的推力達到最優值，這是一個多目標優化方法，利用線性加權組合法，將各個分目標函數組合一個統一的目標函數，即

其中加權因子W1、W2都取1，均勻計權。

2.3 建立約束條件

以E為原點，水平、豎直為橫、縱坐標，如圖2所示，建立坐標系。

外形邊界條件

Cx＞-dx1;（油缸gl1、gl2全縮時，C點不超過車架左側面）

Ax＜db-dx1;（油缸gl1、gl2全縮時，A點不超過車架右側面）

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Bj(X)。

2.4 復合形法的應用

（1）初始復合形的生成

由于具備第一代產品的開發數據，在此基礎上，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Bj(X)編寫一個函數程序，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）復合形法的調優迭代

按照復合形法的調優迭代計算步驟，由初始頂點反復執行迭代過程，復合形逐漸變小，向約束最優點逼近，此案例中我們取ε為0.5，直到結束迭代，我們得到一個優化結果如下：

同時通過優化后的鉸點布置，我們得到了起重臂油缸的缸徑與桿徑，與優化前產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化結果比較

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

3.結論

集裝箱起重運輸車的臂架鉸點優化布置中，用梁單元鉸接起來，簡化模型，建立優化設計模型。選取合適的設計變量，以上臂油缸與下臂油缸的推力達到最優值，建立目標函數，由典型工況作為約束條件，采用復合形法進行調優迭代，得到臂架鉸點優化布置結果，有助于臂架結構進一步設計。

通過優化布置，盡管上臂油缸與下臂油缸的桿徑在優化前后，沒有變化，但兩者缸徑明顯改善了不少。采用復合形法優化過程中，初始點的選擇，借鑒了優化前的產品數據，降低了計算的難度。若沒有借鑒數據，優化維數較多，初始復合形采用隨機法產生，這種優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分析及優化設計[J].起重運輸機械,2006,(4).

[2]馮曉梅,詹雋青.集裝箱側面吊起重機構優化設計[J].機械設計, 2004,(12).

[3]張鄂,買買提明.現代設計理論與方法[M].北京：科學出版社，2009.62-67.

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

[5]趙棟杰,張利鵬.裝載機連桿機構優化設計[J].筑路機械與施工機械化,2007,(12).

TH122

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1671-5136(2014)01-0126-03

2014-01-23

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