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(yōu)化布置初探

曾義聰

（長沙民政職業(yè)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(yōu)化布置，是吊臂系統(tǒng)優(yōu)化設計的關鍵技術。用梁單元鉸接起來，簡化模型，建立優(yōu)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(yōu)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(yōu)迭代，得到臂架鉸點優(yōu)化布置結果，有助于臂架結構進一步設計。

臂架;鉸點;優(yōu)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(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(xiàn)集裝箱的裝卸。作業(yè)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(tǒng)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(yōu)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(yōu)化問題是一個多約束優(yōu)化問題。文獻[2]對集裝箱側面吊起重機構，進行優(yōu)化設計，目標函數以各構件的最大受力狀態(tài)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(yōu)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(yōu)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(yōu)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(fā)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(tǒng)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(tài)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(yōu)解，算法較為可靠[3]。復合形法適合解決有約束優(yōu)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(yōu)化計算過程中，我們選取了復合形法，得到我們需要的優(yōu)化結果，對第一代產品進行了改進。

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)化數學模型。優(yōu)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(yōu)化設計模型。

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(yōu)化的參數有l(wèi)1,l2,l3,l4, gl1,gl2,δ1,δ2,h，它們相互獨立，我們將之定義為設計變量X如下：

圖2 優(yōu)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l(wèi)7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(yōu)值，這是一個多目標優(yōu)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(tǒng)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(fā)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(yōu)迭代

按照復合形法的調優(yōu)迭代計算步驟，由初始頂點反復執(zhí)行迭代過程，復合形逐漸變小，向約束最優(yōu)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(yōu)化結果如下：

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(yōu)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(yōu)迭代，得到臂架鉸點優(yōu)化布置結果，有助于臂架結構進一步設計。

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。采用復合形法優(yōu)化過程中，初始點的選擇，借鑒了優(yōu)化前的產品數據，降低了計算的難度。若沒有借鑒數據，優(yōu)化維數較多，初始復合形采用隨機法產生，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分析及優(yōu)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(yōu)化設計[J].機械設計, 2004,(12).

[3]張鄂,買買提明.現(xiàn)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(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].起重運輸機械, 2000,(2).

[5]趙棟杰,張利鵬.裝載機連桿機構優(yōu)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(yè)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。