基于C#的直臂式擦窗機(jī)配重的優(yōu)化計(jì)算

王彩濤， 沈俊杰， 李 靜

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

0 引言

擦窗機(jī)作為一個(gè)高空載人作業(yè)設(shè)備， 為保證擦窗機(jī)工作的可靠性， 保證工人的安全以及保護(hù)施工方的財(cái)產(chǎn)不受損失，合理的選擇配重塊布置位置至關(guān)重要。 為了保證擦窗機(jī)在全伸與全縮時(shí)都能夠滿足穩(wěn)定性要求可以采用雙配重塊的方案， 將配重塊分別布置在平衡臂尾部和立柱回轉(zhuǎn)中心處， 本文將借用VS 的winform 平臺(tái)，C# 程序來(lái)計(jì)算出最優(yōu)化的布置方案。

1 數(shù)據(jù)提取

本文中所使用的數(shù)據(jù)來(lái)源于擦窗機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)提供的，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于excel 表格中[1]。 通過(guò)C# 語(yǔ)言后臺(tái)提取擦窗機(jī)各級(jí)臂、立柱、底架、質(zhì)量質(zhì)心，以及平衡臂長(zhǎng)度、最大工作長(zhǎng)度、最小工作長(zhǎng)度。 核心代碼如下：

Excel.Application XAPP = new Excel.Application();

Excel.Workbook XBOOK = XAPP.Workbooks.Open(“路徑.xls”, Missing.Value, Missing.Value, Missing.Value, Missing.Value, Missing.Value, Missing.Value, Missing.Value,Missing.Value, Missing.Value, Missing.Value, Missing.Value,Missing.Value);

Excel.Worksheet XSHEET =(Excel.Worksheet)XBOOK.Sheets["SHEET1"];

X = XSHEET.Cells[A][B].Text.ToString()。

2 配重優(yōu)化計(jì)算

擦窗機(jī)配重塊一般布置在平衡臂尾部， 這樣可以最大限度減少擦窗機(jī)的整機(jī)質(zhì)量， 保證擦窗機(jī)在全伸時(shí)的穩(wěn)定性， 有時(shí)配重塊質(zhì)量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致擦窗機(jī)在停機(jī)狀態(tài)時(shí)發(fā)生側(cè)翻。因此，可以采用雙配重的布置方式，配重塊1布置在平衡臂尾部， 配重塊2 布置在立柱回轉(zhuǎn)中心處，這樣配重塊2 在伸縮臂全伸與全縮時(shí)均起著穩(wěn)定力矩的作用，如圖1 所示。

擦窗機(jī)的穩(wěn)定性可以通過(guò)最大傾覆力矩直觀的表現(xiàn)出來(lái)， 本文將傾覆力矩轉(zhuǎn)化為作用在行走輪上的一對(duì)力偶，通過(guò)合理的分配兩個(gè)配重塊的質(zhì)量，使四個(gè)行走輪的最大輪壓與最小輪壓比小于一個(gè)定值。 隨著配重塊2 的質(zhì)量增加以及整機(jī)質(zhì)量的增加，限定最終方案行走輪的最大輪壓不超過(guò)配重塊2 質(zhì)量為0 時(shí)最大輪壓的3%。 優(yōu)化計(jì)算流程如圖2 所示。

圖1 配重塊布置方案

圖2 配重優(yōu)化計(jì)算流程

2.1 伸縮臂受力的簡(jiǎn)化

為了計(jì)算的簡(jiǎn)便，將立柱上方伸縮臂及臂頭受力簡(jiǎn)化到立柱回轉(zhuǎn)中心處，一是垂直方向受力，二是作用在立柱回轉(zhuǎn)中心處的彎矩M。

式中：Fl1/Fl2-伸縮臂全伸與全縮時(shí)垂直方向受力；Ml1/M12-伸縮臂全伸與全縮的彎矩；Gi-各級(jí)臂質(zhì)量；Ts1-吊籃總重力；Tsh1-吊鉤總懸掛重力；Li/L1/L2-伸縮臂全伸時(shí)各級(jí)臂、吊籃、吊鉤距立柱回轉(zhuǎn)中心距離；Li0/L10/L20-伸縮臂全縮時(shí)各級(jí)臂、吊籃、吊鉤距立柱回轉(zhuǎn)中心距離。

式中：R1-吊籃額定載荷；Swp-吊籃自重；Mwr-吊籃位于最低點(diǎn)時(shí)鋼絲繩質(zhì)量；Mc-電纜質(zhì)量。

2.2 配重塊1 的初值計(jì)算

根據(jù)擦窗機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19154-2017 中穩(wěn)定性要求[2]，擦窗機(jī)在全伸時(shí)對(duì)于A 點(diǎn)應(yīng)滿足式（4）的平衡條件：

式中：Gd-底架質(zhì)量；Gl-立柱質(zhì)量；L0-輪距。

令配重塊2 的質(zhì)量m2=0， 可以得出滿足全伸穩(wěn)定性要求的配重塊1 質(zhì)量初值m1。

2.3 配重塊2 質(zhì)量的計(jì)算

為了確定一個(gè)滿足全伸與全縮兼滿足穩(wěn)定性要求的配重塊質(zhì)量m1與m2，本文引入一個(gè)質(zhì)量系數(shù)S，在確定配重塊1 的初始質(zhì)量m1后，給配重塊1 乘一個(gè)質(zhì)量系數(shù)S，如式（7）。 取新的配重塊1 的質(zhì)量m1，再根據(jù)穩(wěn)定性條件(6)計(jì)算配重塊質(zhì)量2 的質(zhì)量：

配重塊2 質(zhì)量m2需要在伸縮臂全縮時(shí)同樣滿足穩(wěn)定性條件，如式（8）：

2.4 輪壓計(jì)算

確定了配重塊1 與配重塊2 的質(zhì)量后，整機(jī)質(zhì)量就確定了。 將整機(jī)彎矩與整機(jī)傾覆力矩簡(jiǎn)化到沿立柱回轉(zhuǎn)中心處，如下式：

式中：FZ1/FZ2-伸縮臂全伸與伸縮臂全縮整機(jī)重力；Mz1/Mz2-伸縮臂全伸與伸縮臂全縮時(shí)沿立柱回轉(zhuǎn)中心的整機(jī)彎矩。

根據(jù)式（9）～（12）可以計(jì)算四個(gè)行走輪在伸縮臂全伸與全縮時(shí)的最大輪壓Fmax與最小輪壓Fmin。 如下式：

式中：Fmax1/Fmin1-伸縮臂全伸時(shí)最大輪壓與最小輪壓；Fmax2/Fmin2-伸縮臂全縮時(shí)最大輪壓與最小輪壓；i/j-伸縮臂全伸與全縮時(shí)的最大輪壓與最小輪壓比。

為了使擦窗機(jī)工作穩(wěn)定性更好， 可以限制最大輪壓與最小輪壓比i<10，j<10。 此外，當(dāng)伸縮臂全縮時(shí)，如果不滿足穩(wěn)定性要求，則Fmin2<0，即j<0。因此，當(dāng)質(zhì)量系數(shù)S 不滿足以上三個(gè)條件時(shí)，令S=S-1，繼續(xù)計(jì)算得出新的配重塊1 與配重塊2 的質(zhì)量，直到滿足條件為止[3]。

此外，當(dāng)S=1，即配重塊2 的質(zhì)量m2=0 時(shí)會(huì)得出一個(gè)最大輪壓值Fmax0，在確定最終方案時(shí)又會(huì)得出一個(gè)最大輪壓值Fmax，當(dāng)最大輪壓值Fmax超過(guò)Fmax03%時(shí)，如式（16），停止迭代。

3 后臺(tái)界面與功能

上述數(shù)據(jù)的提取以及優(yōu)化計(jì)算的過(guò)程都是通過(guò)C#后臺(tái)程序以及winform 平臺(tái)交互實(shí)現(xiàn)的，圖3 為擦窗機(jī)配重優(yōu)化計(jì)算后臺(tái)搭建的界面[4]。

圖3 擦窗機(jī)配重優(yōu)化計(jì)算界面

當(dāng)點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕時(shí)，后臺(tái)程序在指定文件夾下讀取數(shù)據(jù)庫(kù)并提取需要的數(shù)據(jù)并開(kāi)始配重優(yōu)化計(jì)算，將整機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)以及計(jì)算結(jié)果輸出到最終界面當(dāng)中。 當(dāng)需要優(yōu)化計(jì)算另一組擦窗機(jī)的配重時(shí)，需要將后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)文件名字改為“配重計(jì)算參數(shù)匯總”。 當(dāng)分析結(jié)束后，點(diǎn)擊結(jié)束按鈕停止程序運(yùn)行。

4 結(jié)論

當(dāng)伸縮臂最大臂長(zhǎng)小于30 000mm 時(shí)，一般不需要雙配重，當(dāng)伸縮臂最大臂長(zhǎng)大于30 000mm 時(shí)，最大輪壓與最小輪壓比較大，或者是在全縮時(shí)不滿足穩(wěn)定性要求，采用雙配重的布置不僅可以滿足穩(wěn)定性要求，還可以合理的分配行走輪的受力。