基于虛擬樣機(jī)ADAMS的運(yùn)管機(jī)起吊裝置鉸點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計

陳志斌，李安良，何清榮，陳殿春

（瀘州長起特種起重設(shè)備有限公司，四川 瀘州 646006）

運(yùn)管機(jī)主要用于石油管道鋪設(shè)過程中，對油管進(jìn)行運(yùn)輸并將油管吊裝到坑道。運(yùn)管機(jī)起吊裝置采用3節(jié)伸縮式起重臂、倒“π”式箱型轉(zhuǎn)臺、雙缸變幅、外嚙合回轉(zhuǎn)及內(nèi)藏式起升機(jī)構(gòu)，配置具有遠(yuǎn)距離無線遙控功能的電液控制系統(tǒng)，主要由回轉(zhuǎn)支承、轉(zhuǎn)臺、伸縮臂、起重鉤及變幅油缸、伸縮油缸、起升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成。通過回轉(zhuǎn)、變幅、起升、伸縮臂的單獨(dú)或復(fù)合動作，改變伸縮臂長度、仰角、方位以及起重鉤上升/下降，以滿足作業(yè)幅度、起升高度及作業(yè)方位，從而實(shí)現(xiàn)起吊裝置的所有作業(yè)功能。

1 變幅機(jī)構(gòu)

運(yùn)管機(jī)起吊裝置變幅機(jī)構(gòu)由變幅油缸、伸縮臂架、轉(zhuǎn)臺及鉸點(diǎn)連接等零部件組成，其作用為擴(kuò)大起吊裝置的作業(yè)范圍，改變起重鉤位置，以適應(yīng)起重量和起吊位置的要求。如圖1所示。

圖1 變幅機(jī)構(gòu)

2 機(jī)構(gòu)仿真

通過對起吊裝置變幅過程中的力學(xué)平衡（如圖2所示）可知，以伸縮臂作為研究對象，其所受各力對O點(diǎn)力矩之和為0，也即變幅油缸所產(chǎn)生的推力相對于O點(diǎn)力矩與伸縮臂、伸臂油缸、起重鉤等零部件自重及起吊重量相對于O點(diǎn)所產(chǎn)生的力矩始終相等。

圖2 受力分析

F×Lh=（G1×L1+G2×L2）×9.81/1000

F——變幅液壓缸推力，kN；

Lh——變幅推力相對于O點(diǎn)的力臂，m；

G1—— 伸縮臂、伸臂油缸、起重鉤等自重，kg；

L1——G1相對于O點(diǎn)水平距離，m；

G2——起吊重量，kg；

L2——G2重心相對于O點(diǎn)水平距離，m。

2.1 模型建立

起吊裝置在起吊作業(yè)過程中，伸縮臂等各構(gòu)件變形量較小，因而可將各構(gòu)件看成剛性體。在變幅過程中，伸臂油缸及臂頭定滑輪等隨伸縮臂一同運(yùn)動，起重鉤與重物一同起升/下降，因此起吊裝置模型建立時，將伸縮油缸及定滑輪與伸縮臂合并成伸縮臂總成，起重鉤與重物合并重物總成。用連桿、圓柱體和球體分別代表伸縮臂、變幅油缸和重物。簡化后如圖3所示。

圖3 起吊裝置工作機(jī)構(gòu)簡圖

創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)O、A、B、C、E、F，其各點(diǎn)坐標(biāo)值如表1所示。以關(guān)鍵點(diǎn)O、E創(chuàng)建連桿OE，然后以添加方式創(chuàng)建BC、EF代表伸縮臂總成。單擊A點(diǎn)，再單擊B點(diǎn)，以Length=DM（A，B）/1.3建立圓柱體代表變幅油缸缸筒。單擊A點(diǎn)，再單擊B點(diǎn)，以Length=DM（A，B）/1.2建立圓柱體代表變幅油缸活塞桿。在點(diǎn)F創(chuàng)建一球體代表重物總成。

表1 關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)

2.2 參數(shù)設(shè)置

設(shè)置連桿OE質(zhì)量為1980kg（伸縮臂、伸縮油缸及定滑輪等部件總質(zhì)量），重心CM坐標(biāo)為（3575.0，103.5，0.0）；設(shè)置球體質(zhì)量為8050kg（重物和起重鉤總質(zhì)量）。

2.3 創(chuàng)建運(yùn)動副

在O點(diǎn)、A點(diǎn)分別創(chuàng)建伸縮臂、缸徑與地面之間的轉(zhuǎn)動副；在B點(diǎn)創(chuàng)建活塞桿與伸縮臂之間的轉(zhuǎn)動副；選擇活塞桿與缸筒之間創(chuàng)建滑移副。同時將活塞桿及缸筒坐標(biāo)系，Orientation分別修改為（（ORI_ALONG_AXIS（B，A，"Z"））和（（ORI_ALONG_AXIS（B，A，"Z"））；在F點(diǎn)創(chuàng)建球體與伸縮臂之間的轉(zhuǎn)動副。

2.4 添加驅(qū)動

在活塞桿與缸筒之間添加滑移驅(qū)動，并將其位移驅(qū)動函數(shù)設(shè)置為“STEP（time，0.0，-97.6，27.19，990.0）+STEP（time，27.19，990，54.38，-97.6）”，也即采用階躍輸入，模擬從-4°～+42°～-4°一個循環(huán)變幅周期。

2.5 仿真

在對模型仿真之前，先通過模型校驗(yàn)，以保證模型創(chuàng)建正確。選擇交互式仿真，將仿真結(jié)束時間設(shè)置為54.38s，仿真步數(shù)為2000，測量關(guān)鍵點(diǎn)B受力以及A點(diǎn)、O點(diǎn)、B點(diǎn)之間夾角，并通過圖形處理，獲得仿真時間與變幅角度、油缸受力以及負(fù)載波動關(guān)系如圖4所示。從圖可知，變幅力最大值為514.3kN，負(fù)載波動值為71.3kN。

圖4 時間與變幅角度、受力及負(fù)載波動關(guān)系

3 鉸點(diǎn)優(yōu)化

在起吊載荷及工作幅度一定的情況下，變幅鉸點(diǎn)（0、A、B點(diǎn)）位置合理選擇將直接影響到變幅過程中液壓油缸受力大小及其波動范圍。

對于尾鉸點(diǎn)（O），因整車結(jié)構(gòu)、最大作業(yè)高度等限制因素，在方案設(shè)計時已確定。因此，變幅鉸點(diǎn)優(yōu)化過程實(shí)際上以變幅油缸鉸點(diǎn)位置即A、B兩點(diǎn)坐標(biāo)作為設(shè)計變量，以減小變幅中油缸所受最大負(fù)載以及負(fù)載變化波動值為目的建立目標(biāo)函數(shù)，尋求合適的油缸鉸點(diǎn)位置。

3.1 創(chuàng)建設(shè)計變量

從前面所述，尾鉸點(diǎn)（O）在方案設(shè)計時已經(jīng)確定，在優(yōu)化過程中只允許A、B兩點(diǎn)發(fā)生變化，因此需對A、B兩點(diǎn)X、Y坐標(biāo)參數(shù)化，也即使得這兩點(diǎn)坐標(biāo)為變量，而非常量。

打開表格編輯器，創(chuàng)建A、B兩點(diǎn)的設(shè)計變量，并將缺省的4個設(shè)計變量分別更名為A_X、A_Y、B_X、B_Y，用以表示A、B兩點(diǎn)X、Y坐標(biāo)，如圖5所示。

圖5 關(guān)鍵點(diǎn)與設(shè)計變量對應(yīng)關(guān)系

3.2 創(chuàng)建約束

在ADAMS/View中，約束是一個不等式，即

如：a≤x≤b，須用兩個不等式替代，即

在AAMS/View中，單擊創(chuàng)建約束按鈕后，彈出創(chuàng)建設(shè)計約束對話框，如圖6所示。

圖6 創(chuàng)建設(shè)計約束

對于鉸點(diǎn)優(yōu)化約束條件包括設(shè)計變量取舍范圍約束、油缸尺寸約束、油缸工作壓力約束。

（1）設(shè)計變量約束。

設(shè)計變量X={A_X，A_Y，B_X，B_Y}，

（2）油缸尺寸約束。

根據(jù)油缸結(jié)構(gòu)型式等，油缸應(yīng)預(yù)留缸頭、缸蓋、活塞等所占據(jù)空間，也即應(yīng)符合相應(yīng)的死行程L0，即

也即

（3）油缸力約束。

由于液壓油缸存在壓桿穩(wěn)定性，因此其所承受的最大負(fù)載力應(yīng)不超過允許值。設(shè)油缸臨界力為FK，nK為油缸穩(wěn)定系統(tǒng)許用值，F(xiàn)r為油缸所承受實(shí)際載荷，則應(yīng)滿足

設(shè)計變量約束與時間無關(guān)，可通過創(chuàng)建8個不等式函數(shù)來表示，即有

油缸尺寸約束與油缸力約束所涉及油缸長度、油缸力等與仿真時間有關(guān)，因而需先創(chuàng)建測量MEA_AB（AB長度）及MEA_F（油缸受力），然后通過運(yùn)算求得。

（1）-（8）可通過設(shè)定變量取值范圍來實(shí)現(xiàn)，（9）-（10）可利用創(chuàng)建ADAMS不等式約束來實(shí)現(xiàn)。

3.3 目標(biāo)函數(shù)

如前所述，本鉸點(diǎn)優(yōu)化是以減小在變幅過程中油缸所受最大負(fù)載以及負(fù)載變化波動值為目的，為多目標(biāo)優(yōu)化。為使目標(biāo)函數(shù)與最大負(fù)載以及負(fù)載變化波動相關(guān)聯(lián)，對目標(biāo)函數(shù)引入加權(quán)因子，即

K1、k2—— 加權(quán)因子，根據(jù)重要性確定。在本優(yōu)化中，最大負(fù)載重要性更大一些，所以取k1=0.6，k2=0.4；

F—— 整個作業(yè)循環(huán)中，變幅油缸所受負(fù)載力。

3.4 ADAMS View優(yōu)化

在模型樹Design Variable中找到設(shè)計變量A_X，A_Y，B_X，B_Y，在其上面單擊右鍵，選擇［Modify］，彈出設(shè)計變量編輯對話框，將其Standard Value設(shè)置為允許最值范圍的中間值。

由于ADAMS View優(yōu)化不支持交互式仿真，需創(chuàng)建仿真腳本。

在ADAMS/View中，設(shè)計評估對話框如圖7所示。

圖7 優(yōu)化計算對話框

優(yōu)化計算完成后，可看到優(yōu)化后的設(shè)計變量值，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后設(shè)計變量的值

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，將變幅油缸A、B鉸點(diǎn)位置坐標(biāo)調(diào)整為（1128.7，-1061.5）和（2227.2，96.8），其負(fù)載受力及變化波動如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后時間與變幅角、受力及負(fù)載波動關(guān)系

從圖9可知，優(yōu)化后，變幅油缸所受最大負(fù)載值為462.2kN，波動值為35.7kN。優(yōu)化后，最大負(fù)載降低10.1%，負(fù)載波動值降低50.3%。優(yōu)化前后最大負(fù)載及波動對比見表2。

表2 優(yōu)化前后對比

4 結(jié)束語

通過對運(yùn)管機(jī)起吊裝置變幅機(jī)構(gòu)受力分析，建立變幅鉸點(diǎn)數(shù)學(xué)模型，引入權(quán)重系數(shù)，以油缸所受最大負(fù)載及負(fù)載波動值建立多目標(biāo)優(yōu)化。利用ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)對模型進(jìn)行仿真及優(yōu)化，降低變幅油缸最大負(fù)載及其負(fù)載波動，從而提高變幅油缸作業(yè)穩(wěn)定性，延長其使用壽命。

［1］ 李增剛. ADAMS入門詳解與實(shí)例（第2版）［M］. 北京：國防工業(yè)出版社，2014.

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