1、門座起重機(jī)鉸點優(yōu)化設(shè)計Optimization Design Of The Bantry Cranes joints于建華 張小亮 胡超（三一海洋重工有限公司,廣東珠海，）摘要：提出了一種組合臂架式門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)計算機(jī)輔助設(shè)計與優(yōu)化方法，并開發(fā)了相應(yīng)的系統(tǒng)軟件。該系統(tǒng)在進(jìn)行門式起重機(jī)變幅系統(tǒng)設(shè)計中采用分步式設(shè)計方法，其特點是：優(yōu)化初值選定結(jié)合了常規(guī)作圖法和解析法優(yōu)點，對初值進(jìn)行初步過濾，優(yōu)中選優(yōu)；優(yōu)化所需各桿件質(zhì)量與質(zhì)心坐標(biāo)信息從參數(shù)化的ProE模型中提取，避免了人工預(yù)估，數(shù)據(jù)更加真實可信；優(yōu)化算法采用ADAMS 序列二次規(guī)劃算法，算法可靠。關(guān)鍵詞：門式起重機(jī)；計算機(jī)輔助設(shè)計；PROE；A

2、DAMS；序列二次規(guī)劃中圖分類號：TH122Abstract：A computer-aided designing and optimizing method for luffing system of double link jib crane is put forward, and the corresponding system software is developed. This system applies distributed design algorithm in designing luffing system of jib crane, which is characte

3、rized by: Optimization of the initial value combines with the advantages of conventional computing method and analysis method to prefilter the initial value; Mass of the member and coordinate of the mass center are from the ProE model, which helps avoid artificial estimate and the data will be more

4、authentic and reliable; The optimization algorithm applies ADAMS sequential quadratic programming, which is reliable.Key words：gantry crane; CAD; PROE; ADAMS; SQP0引言大港機(jī)產(chǎn)品的訂單式設(shè)計特點對門座起重機(jī)的設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率提出了越來越高的要求。為了快速響應(yīng)市場變化，同時保證設(shè)計質(zhì)量，門座起重機(jī)的設(shè)計與優(yōu)化越來越依賴于計算機(jī)。近年來，很多學(xué)者對門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化的計算機(jī)應(yīng)用進(jìn)行了許多有益的研究。武漢理工大學(xué)的林健民研究了單

5、臂架門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)的設(shè)計方法，并運用VC+軟件平臺開發(fā)了門座起重機(jī)計算機(jī)輔助設(shè)計軟件。該軟件從水平位移補(bǔ)償系統(tǒng)、自重平衡系統(tǒng)和變幅驅(qū)動裝置三部分對門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，具有一定的實用性，但僅適用于單臂架型式門座起重機(jī)設(shè)計，且尚未實現(xiàn)對變幅系統(tǒng)各鉸點位置參數(shù)的優(yōu)化1。結(jié)合門式起重機(jī)和門座起重機(jī)的特點，武漢理工大學(xué)的魏東、熊志誠分別利用VB和Delphi語言編制了臂橋架變幅系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化軟件2、3。武漢理工大學(xué)的陳飛婷、李明星分別利用VB和C+編制了基于遺傳算法的門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)優(yōu)化程序4、5。武漢交通科技大學(xué)的王少梅、董明望介紹了一種門座起重機(jī)CAD系統(tǒng)并詳細(xì)說明了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，

6、功能和技術(shù)特點6。武漢水運工程學(xué)院的黃崇斌、劉娜研制了門座起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)從方案選擇、設(shè)計計算到結(jié)果輸出的一體化軟件系統(tǒng)7。浙江大學(xué)的程菊生、童水光、史俊友針對門座起重機(jī)總體方案設(shè)計使用Turbo-Prolog語言編制了專家系統(tǒng)，在門座起重機(jī)總體方案設(shè)計中取得了很好的效果8。本文在參考前人研究的基礎(chǔ)上結(jié)合實際應(yīng)用利用VB.NET語言開發(fā)了一套組合臂架式門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了PRO/E參數(shù)化模型設(shè)計、ADAMS二次規(guī)劃優(yōu)化仿真，實例驗證切實可行，具有很大的參考價值。1系統(tǒng)設(shè)計1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化過程，把系統(tǒng)劃分為：四連桿初始值確定、四連桿優(yōu)化、

7、四連桿模型驅(qū)動、自重平衡系統(tǒng)初值確定、自重平衡系統(tǒng)優(yōu)化、自重平衡系統(tǒng)模型生成和齒輪齒條設(shè)計與優(yōu)化七個主要功能模塊，具體功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)1.2系統(tǒng)流程設(shè)計為了保證軟件的簡單易用性，系統(tǒng)采用流程導(dǎo)航式設(shè)計方案，把組合臂架式門座起重變幅系統(tǒng)分解為四連桿系統(tǒng)、自重平衡系統(tǒng)和齒輪齒條變幅系統(tǒng)三部分進(jìn)行分步設(shè)計?？傮w設(shè)計流程如圖2所示。圖2總體設(shè)計流程2系統(tǒng)實現(xiàn)2.1系統(tǒng)初值選定實現(xiàn)序列二次規(guī)劃優(yōu)化算法是局部優(yōu)化算法，對優(yōu)化初始值的要求比較嚴(yán)格，如果初始值設(shè)置的偏離精確解太遠(yuǎn)有可能造成函數(shù)不收斂，因此如何合理設(shè)置優(yōu)化函數(shù)的初始值至關(guān)重要。本文利用解析法和作圖法相結(jié)合的方法來確定優(yōu)化函數(shù)

8、的初始值，限于篇幅只討論四連桿系統(tǒng)初始值確定的實現(xiàn)過程。2.1.1設(shè)計參數(shù)對于門座四連桿臂架系統(tǒng)，與之相關(guān)的設(shè)計參數(shù)見表1。表1 四連桿臂架系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)序號參數(shù)名稱代碼1起升高度H02最大幅度Rmax3最小幅度Rmax4起重臂長R5象鼻梁前臂長L6象鼻梁后臂長l7下垂量C8大拉桿長r9起重臂下鉸點至回轉(zhuǎn)中心距離f10起重臂下鉸點與大拉桿下鉸點水平距離t11起重臂下鉸點與大拉桿下鉸點垂直距離h12最大幅度時起重臂與水平方向夾角113最大幅度時象鼻梁前臂與水平方向夾角114最小幅度時起重臂豎直方向夾角315最小幅度時象鼻梁前臂豎直方向夾角22.1.2初始值求解過程1）建立求解坐標(biāo)系如圖3所示。圖3

9、求解坐標(biāo)系2）具體求解步驟：Step1根據(jù)輸入變量求Smax、Smin，求解公式：Smax=Rmax-f-r0Smin=Rmin-f-r0 （2-1）Step2根據(jù)最小幅度時象鼻梁前臂、起重臂與豎直方向夾角計算象鼻梁前臂長度L、起重臂長度R，求解公式：L=Smin-H0tanr3sinr2+tanr3cosr2R=H0+Lcosr2cosr3 （2-2）Step3計算最大幅度時象鼻梁前臂、起重臂與水平方向夾角，列出最大幅度時方程組：Rcos1+Lcos1=SmaxRsin1-Lsin1=H0 （2-3）等式兩邊平方相加可以得出：R2+L2+2RLcos+max2+H02解得：1+1=arcco

10、s（Smax2+H02-R2-L22RL）令1+1=A則1=A-1代入方程組（2-3）得：RcosA-1+Lcos1=Smin RsinA-1-Lsin1=H0（2-4）化簡式（2-5）中的式得：RsinA-RsinAtan212-2（RcosA+L）tan121+tan212=H0令tan12=x則得方程：H0+RsinAx2+2RcosA+Lx+H0-RsinA=0 （2-5）根據(jù)一元二次方程有實數(shù)解的條件：=4RcosA+L2-4H0+RsinA（H0-RsinA）當(dāng)0時：x=-2（RcosA+L）2（H0+RsinA） 則1=2arctanx（取190的解）1=A-1Step4驗證1、

11、1，把計算得出的1、1與界面輸入的兩者范圍做比較如果落在可取范圍之內(nèi)則保留，如果落在可取范圍之外則舍去。Step5 根據(jù)象鼻梁前后臂取值因子求象鼻梁后臂長l、象鼻梁前后臂夾角及中間幅度，求解公式：lL=0.30.5 =arccosCL+arccosCl SZ=Smax-0.20.25（Smax-Smin）Step6求解大拉桿長度r、大拉桿下鉸點坐標(biāo)t、h值，取軌跡方程的三個點（Smin，H0）、（SZ，H0）、（Smax，H0）代入象鼻梁端點的軌跡方程9：-2t+lcos-x-2h+lsin-y+t2+h2+l2+R2-r2+2lt-Lcoscos-2tLcos+2lh-Lsinsin-2hL

12、sin=0 其中：=arccosxR2-L2-x2-y2+y4L2x2+y2-R2-L2-x2-y222Lx2+y2 3個未知數(shù)3個方程解方程組求出r、t、hStep7輸出解析法求解結(jié)果，結(jié)果可能有多組，任選一組即可作為四連桿優(yōu)化的初始值。2.2系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計實現(xiàn)在進(jìn)行自重平衡系統(tǒng)優(yōu)化時，需要用到臂架系統(tǒng)各桿件的質(zhì)量和質(zhì)心坐標(biāo)參數(shù)，常規(guī)的設(shè)計方法是工程師根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗預(yù)估各桿件質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)。為了提高優(yōu)化精度，本文開發(fā)了基于PROE的參數(shù)化三維模型并對PROE進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計了參數(shù)化驅(qū)動界面，把四連桿系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用于驅(qū)動PROE模型生成，系統(tǒng)自動提取臂架系統(tǒng)質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)參數(shù)。四連桿參

13、數(shù)化驅(qū)動實現(xiàn)界面如圖4。圖4參數(shù)化驅(qū)動界面系統(tǒng)實現(xiàn)的四連桿系統(tǒng)參數(shù)化模型如圖5所示。圖5四連桿參數(shù)化模型2.3系統(tǒng)優(yōu)化實現(xiàn)很多學(xué)者對門座變幅系統(tǒng)優(yōu)化進(jìn)行了有益的研究，提出了多種優(yōu)化方法15。本文采用的優(yōu)化算法是ADAMS集成的序列二次規(guī)劃算法（SQP算法），該算法是計算工程實際問題的有效算法之一。為了降低系統(tǒng)對設(shè)計人員ADAMS軟件操作熟悉程度的要求，系統(tǒng)針對ADAMS進(jìn)行了二次開發(fā)，并設(shè)計了二次開發(fā)菜單。系統(tǒng)通過VB程序界面調(diào)用ADAMS算法進(jìn)行優(yōu)化，從而實現(xiàn)了對ADAMS軟件的集成。系統(tǒng)優(yōu)化實現(xiàn)界面如圖6所示。圖6四連桿優(yōu)化界面ADAMS二次開發(fā)菜單界面如圖7所示。圖7二次開發(fā)菜單3實例驗

14、證某客戶訂購一臺起重量為40噸最大幅度為39m的門座起重機(jī)，提供的訂單參數(shù)如表2所示。表2訂單參數(shù)項目主要技術(shù)參數(shù)起重能力吊鉤：40T（12 m39m全幅度）50T（12 m25m）抓斗：25T（12 m39m全幅度）起升高度H軌面以上抓斗底面: 20m（在滿足四倍率且抓斗閉合狀況下）吊鉤大于30m軌面以下19m工作幅度最大幅度39m（40t）最小幅度12m尾部旋轉(zhuǎn)半徑8.8m（在起重機(jī)中心與軌道中心重合時）把相關(guān)參數(shù)輸入到系統(tǒng)界面，詳細(xì)計算及優(yōu)化結(jié)果如表3、表4所示。表3四連桿系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化結(jié)果項目初始值優(yōu)化值H0（mm）1200011899C（mm）800726.61f（mm）300031

15、17.8R（mm）27485.328578.2L（mm）15076.115745.9l（mm）6030.45251.0t（mm）64444794.8h（mm）12264.9123681（）40.0541.7071（）22.1626.86Ymax（mm）367270.35M0（t*m）9.575.08表3中各參數(shù)代號意義如下：H0計算起升高度；C下垂量；f臂架下鉸點至回轉(zhuǎn)中心距離；R起重臂長度；L象鼻梁前臂長度；l象鼻梁后臂長度；t大拉桿下鉸點至起重臂下鉸點水平距離；h大拉桿下鉸點至起重臂下鉸點垂直距離；1最大幅度時臂架與水平方向夾角；1最大幅度時象鼻梁前臂與水平方向夾角；Ymax水平軌跡最大高

16、度差；M0變幅過程中的未平衡力矩均方根值。表4自重平衡系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化結(jié)果項目初始值優(yōu)化值Y1（mm）8317.07254.9Y2（mm）5557.86113.5Y3（mm）3056.83056. 84（）145149.15Y5（mm）7144.67779.8Y6（mm）2500.63215.18max（）115120.008min（）5554.387R_HZ（mm）90008770.5Mass_Pz（kg）2500025000TQ（N*mm）8.451*1081.9447*108表4中各參數(shù)代號意義如下：Y1小拉桿長度；Y2平衡梁后臂長度；Y3平衡梁前臂長度；4平衡梁前后臂夾角；Y5小拉桿拉點

17、在臂架上的垂足至臂架下鉸點距離；Y6小拉桿拉點到臂架上的投影距離；8max平衡梁后臂最大擺角；8min平衡梁后臂最小擺角；R_HZ平衡梁尾部回轉(zhuǎn)半徑；Mass_Pz配重重量；TQ變幅過程中的自重平衡力矩。從表3、表4中可以看出優(yōu)化后的四連桿系統(tǒng)的水平軌跡最大高度差為270.3mm基本滿足要求，變幅力矩的均方根值均下降了53.2%；自重平衡系統(tǒng)的未平衡力矩均方根降低了440%，優(yōu)化效果顯著。4結(jié)論本文針對組合臂架式門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化問題，提出了一種計算機(jī)輔助設(shè)計方法，并搭建了系統(tǒng)設(shè)計平臺。按照變幅系統(tǒng)設(shè)計過程，系統(tǒng)平臺采用流程導(dǎo)航式設(shè)計，把門座變幅系統(tǒng)分解成四連桿系統(tǒng)、自重平衡系統(tǒng)和齒

18、輪齒條系統(tǒng)三部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在優(yōu)化設(shè)計中平臺集成了Proe參數(shù)化設(shè)計和ADAMS優(yōu)化算法，在設(shè)計中同步生成變幅系統(tǒng)三維模型，提高了設(shè)計精度。最后論文給出了實例驗證，結(jié)果表明該系統(tǒng)輸出的設(shè)計結(jié)果符合實際生產(chǎn)要求，切實可用。參考文獻(xiàn)1林健民.臂架類起重機(jī)自重平衡系統(tǒng)的創(chuàng)新研究D.武漢：武漢理工大學(xué)，20102魏東.臂橋架變幅系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則和方法的研究D.武漢：武漢理工大學(xué)，20073熊志誠.臂橋架集裝箱起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計D.武漢：武漢理工大學(xué)，20054陳飛婷.基于遺傳算法的變幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計D .武漢：武漢理工大學(xué)，20045李明星.基于遺傳算法的門座起重機(jī)變幅系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計D.武漢：武漢理工大學(xué)，20066