折臂式隨車起重機(jī)臂架模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法探討

石 川，劉石堅(jiān)，黃加佳

（三一集團(tuán) 湖南 長(zhǎng)沙 410100）

折臂式隨車起重機(jī)臂架模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法探討

石 川，劉石堅(jiān)，黃加佳

（三一集團(tuán) 湖南 長(zhǎng)沙 410100）

折臂式隨車起重機(jī)是一款集裝、運(yùn)、卸為一體的起重設(shè)備，與傳統(tǒng)起重機(jī)相比結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)軌跡更為多樣化，由于折臂式隨車起重機(jī)引入我國(guó)時(shí)間較短，所以相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對(duì)其研究不夠完善，尤其是對(duì)如何優(yōu)化臂架結(jié)構(gòu)模塊研究更少。利用ADAMS軟件對(duì)折臂式隨車起重機(jī)臂架模塊進(jìn)行優(yōu)化方法設(shè)計(jì)，建立了優(yōu)化模型，通過建立的模型實(shí)現(xiàn)隨車起重起臂架模塊的優(yōu)化。分析證明所設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法能夠保證臂架模塊參數(shù)更加合理性，各鉸點(diǎn)和液壓油缸受力得到較大改善，不僅提升了結(jié)構(gòu)可靠性，同時(shí)也驗(yàn)證了該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可行有效。

ADAMS軟件；折臂式隨車起重機(jī)；臂架優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

1 引言

隨車起重機(jī)是將起重裝置安裝在載貨汽車上的一種起重設(shè)備，該設(shè)備集貨物裝卸和貨物運(yùn)輸于一體，機(jī)動(dòng)靈活、應(yīng)用廣泛。隨車起重機(jī)主要分為直臂卷揚(yáng)式和折臂式兩大類。與直臂卷揚(yáng)式相比，折疊式隨車起重起臂架模塊更為復(fù)雜，收回后體積較小，起吊作業(yè)主要由動(dòng)臂油缸、吊臂油缸及伸縮臂組合動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)操作，其作業(yè)效率較高，另外由于沒有鋼絲繩卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，不存在鋼絲繩的擺動(dòng)問題，其起吊過程更加平穩(wěn)。折臂式隨車起重機(jī)臂架模塊參數(shù)設(shè)計(jì)是否合理對(duì)起重機(jī)的工作性能、運(yùn)動(dòng)性能以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)折疊式隨車起重機(jī)有所研究，但是研究仍處于初級(jí)階段，設(shè)計(jì)主要是模仿國(guó)外產(chǎn)品，在理論上還不夠完善，主要在于國(guó)內(nèi)對(duì)折疊式隨車起重機(jī)的推廣還不夠。近年來，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者通過對(duì)折疊式隨車起重機(jī)的性能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出利用ADAMS軟件建立隨車起重起的臂架模塊優(yōu)化模型，利用齊次坐標(biāo)變換法判斷臂架的運(yùn)動(dòng)軌跡，給出作業(yè)二維布局圖。然而目前對(duì)折臂式隨車起重機(jī)臂架模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究較少。鑒于此，本文利用ADAMS軟件對(duì)折臂式隨車起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析得出臂架模塊上鉸點(diǎn)的最佳位置。通過本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)，折疊式隨車起重機(jī)臂架模塊更加可靠，起重能力得到顯著提高[1]。

2 基于ADAMS的折臂式隨車起重機(jī)臂架模塊優(yōu)化模型設(shè)計(jì)建立

折臂式隨車起重機(jī)包括立柱、動(dòng)臂、動(dòng)臂油缸、吊臂、吊臂油缸、連桿等部分。折臂式隨車起重機(jī)的工作原理：利用動(dòng)臂油缸和吊臂油缸活塞桿的伸縮帶動(dòng)動(dòng)臂變化，幫助動(dòng)臂變幅機(jī)構(gòu)和吊臂變幅機(jī)構(gòu)協(xié)同作業(yè)，保證起重工作的精準(zhǔn)性。折臂式隨車起重機(jī)折疊后的各鉸點(diǎn)相對(duì)位置簡(jiǎn)圖如下圖1所示，以圖1的10個(gè)鉸點(diǎn)為設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行臂架優(yōu)化。其中點(diǎn)6、7、9、10和點(diǎn)1、2、3、4分別代表兩組四連桿機(jī)構(gòu)。點(diǎn)5為動(dòng)臂油缸底部與立柱的鉸接點(diǎn)，點(diǎn)9為動(dòng)臂與立柱的鉸接點(diǎn)，點(diǎn)8為吊臂油缸與動(dòng)臂的鉸接點(diǎn)，連桿1與立柱和動(dòng)臂油缸相交于點(diǎn)6和點(diǎn)10之間，連桿2與動(dòng)臂油缸和動(dòng)臂相交于點(diǎn)6和點(diǎn)7之間，連桿3與吊臂油缸和動(dòng)臂相交于點(diǎn)1和點(diǎn)4之間，連桿4與吊臂油缸和吊臂相交于點(diǎn)3和點(diǎn)4之間。對(duì)折疊式隨車起重機(jī)臂架模塊進(jìn)行優(yōu)化時(shí)主要要考慮10個(gè)鉸點(diǎn)的相對(duì)位置對(duì)吊臂油缸和動(dòng)臂油缸受力情況的影響，建模過程要保證模型各鉸點(diǎn)的準(zhǔn)確位置[2]。

圖1 折臂式隨車起重機(jī)臂架簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

利用ADAMS軟件對(duì)折疊式隨車起重機(jī)臂架進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化建模，以圖1中的10個(gè)鉸點(diǎn)作為目標(biāo)位置建立坐標(biāo)軸，將O-xy坐標(biāo)系位于二維對(duì)稱平面中，選取圖1中的點(diǎn)1作為坐標(biāo)原點(diǎn)，臂架構(gòu)件質(zhì)量變化通過手動(dòng)添加方式在ADAMS中實(shí)時(shí)添加（由于起重機(jī)在工作時(shí)運(yùn)動(dòng)速度不會(huì)產(chǎn)生太大的變化，因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)臂架產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)[3]）。利用ADAMS的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能將圖中的10個(gè)鉸點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)分別進(jìn)行參數(shù)化，共得到20個(gè)設(shè)計(jì)變量值。任何一個(gè)設(shè)計(jì)變量的改變，將導(dǎo)致工作機(jī)構(gòu)性能的改變，動(dòng)臂和吊臂油缸的受力情況隨之改變。

3 基于ADAMS的折臂式隨車起重機(jī)臂架模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)臂變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用ADAMS軟件設(shè)計(jì)折臂式隨車起重機(jī)優(yōu)化模型，根據(jù)上述模型完成臂架模塊的優(yōu)化。折臂隨車起重機(jī)通過動(dòng)臂油缸和吊臂油缸的伸縮性實(shí)現(xiàn)折臂式隨車起重機(jī)的升降。在作業(yè)過程中，折臂式隨車起重機(jī)起重作業(yè)主要由動(dòng)臂油缸對(duì)應(yīng)的變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，且動(dòng)臂油缸工作比較頻繁。由于動(dòng)臂油缸的作用力臂較小，因此動(dòng)臂油缸工作所需要的推力最大，故減少動(dòng)臂油缸的受力，能夠有效減小動(dòng)臂油缸的直徑，降低系統(tǒng)的能耗。設(shè)動(dòng)臂油缸和吊臂油缸在升降過程中的最大出力值為目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，將折臂式隨車起重機(jī)的臂架結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)構(gòu)：動(dòng)臂變幅機(jī)構(gòu)、吊臂變幅機(jī)構(gòu)，針對(duì)兩種不同的機(jī)構(gòu)分別采取不同的優(yōu)化方法，從而對(duì)折臂式隨車起重機(jī)的臂架模塊進(jìn)行優(yōu)化[4]。折臂式隨車起重機(jī)的優(yōu)化是一個(gè)多目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行的優(yōu)化問題，動(dòng)臂變幅機(jī)構(gòu)中的動(dòng)臂油缸負(fù)責(zé)起重機(jī)作業(yè)過程中的變幅、起吊工作，作業(yè)過程頻繁，受力程度也大于吊臂油缸，因此是多個(gè)目標(biāo)中的主要目標(biāo)，作為第一目標(biāo)針對(duì)性提出來進(jìn)行優(yōu)化，吊臂變幅機(jī)構(gòu)作為第二目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。折臂式隨車起重機(jī)優(yōu)化的第一目標(biāo)函數(shù)要保障動(dòng)臂油缸出力最大值達(dá)到最小。

減少折臂式隨車起重機(jī)在工作時(shí)的動(dòng)臂油缸和吊臂油缸輸出力，有利于減少油缸直徑，降低系統(tǒng)消耗的能量，油缸在提升時(shí)最小出力即為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。折臂式隨車起重機(jī)在工作時(shí)利用2個(gè)獨(dú)立的六連桿機(jī)構(gòu)將動(dòng)臂油缸和吊臂油缸結(jié)合到一起，針對(duì)該工作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化問題是一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題。動(dòng)臂油缸工作過程復(fù)雜，受力也超過吊臂油缸，因此可將動(dòng)臂油缸作為第一優(yōu)化目標(biāo)，利用公式（1）完成動(dòng)臂油缸的優(yōu)化：

公式（1）中，F(xiàn)1（χ）代表動(dòng)臂油缸的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，目的是使動(dòng)臂油缸在最大受力工況下的受力值達(dá)到最小。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，需要不斷的改變?cè)O(shè)計(jì)變量的參數(shù)值，從而達(dá)到目標(biāo)函數(shù)的最小值。分析表明：優(yōu)化后的動(dòng)臂油缸受力在整個(gè)作業(yè)過程中更加平穩(wěn)，有效降低了工作系統(tǒng)的動(dòng)載荷。

3.2 吊臂變幅機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

動(dòng)臂變幅機(jī)構(gòu)作為第一優(yōu)化目標(biāo)，吊臂變幅機(jī)構(gòu)作為第二優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)折臂式隨車起重機(jī)的工作特性曲線，本文選取工作幅度為12m，最高起吊質(zhì)量為4.5t的工況進(jìn)行起吊，吊臂油缸率先動(dòng)作，當(dāng)?shù)醣圻_(dá)到目標(biāo)位置時(shí)，動(dòng)臂油缸活塞桿開始工作，對(duì)吊臂進(jìn)行舉伸，當(dāng)?shù)醣圻\(yùn)動(dòng)到最大仰角時(shí)，對(duì)起重機(jī)的工作狀況進(jìn)行分析計(jì)算，從而判斷本文設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法是否具有實(shí)際可操作性。在設(shè)計(jì)折臂式隨車起重機(jī)的吊臂變幅機(jī)構(gòu)時(shí)，首先要對(duì)吊臂變幅機(jī)構(gòu)的連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而優(yōu)化隨車起重機(jī)的整個(gè)吊臂變幅機(jī)構(gòu)。吊臂油缸工作過程比動(dòng)臂油缸簡(jiǎn)單，受力也小于動(dòng)臂油缸，因此可將吊臂油缸作為第二優(yōu)化目標(biāo)，利用公式（2）完成動(dòng)臂油缸的優(yōu)化：

公式（2）中，F(xiàn)2（χ）代表吊臂油缸的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，目的是使動(dòng)臂油缸在最大受力工況下的受力值達(dá)到最小。，通過公式（2）能夠有效實(shí)現(xiàn)吊臂油缸的優(yōu)化。

對(duì)折臂式隨車起重機(jī)獨(dú)有的特性曲線進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)起重機(jī)在工作時(shí)，吊臂油缸和動(dòng)臂油缸同時(shí)工作，吊臂油缸高空作業(yè)，動(dòng)臂油缸不斷輔助吊臂油缸，幫助吊臂油缸達(dá)到目標(biāo)位置。為了很好的對(duì)吊臂變幅機(jī)構(gòu)和動(dòng)臂變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，必須要先對(duì)吊臂和動(dòng)臂的連桿變化進(jìn)行研究。分析表明：優(yōu)化后吊臂變幅機(jī)構(gòu)更加緊湊，吊臂油缸受力減小明顯，有利于改善整個(gè)液壓系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，因此本文設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法具有極高的發(fā)展?jié)摿5]。

4 結(jié)語

本文利用ADAMS軟件，根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)折臂式隨車起重機(jī)臂架模塊進(jìn)行優(yōu)化方法設(shè)計(jì)。通過分析可得到動(dòng)臂變幅機(jī)構(gòu)是起重機(jī)臂架優(yōu)化目標(biāo)中的主要優(yōu)化目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法保證了臂架模塊參數(shù)的合理性，有效改善了油缸受力情況（動(dòng)臂油缸受力最大值減少了7.5%以上，吊臂油缸受力最大值減少了11.3%以上），受力波動(dòng)更為平穩(wěn)，在工作過程中避免液壓沖擊，提高了起重作業(yè)的工作性能。

在實(shí)際問題中，在確定折臂式隨車起重機(jī)各個(gè)鉸點(diǎn)相對(duì)位置過程中，還需考慮臂架幾何形狀尺寸、臂架剛度等影響因素，本文忽略了這些次要因素，為更加接近真實(shí)情況，本文的優(yōu)化模型有待進(jìn)一步提高和完善。

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[2]趙云亮，喬紅嬌，陸永能，等.基于ADAMS的折臂式隨車起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)鉸點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2016(2)：15-18.

[3]王樂有，王進(jìn)強(qiáng)，才冬濤.基于ADAMS的折臂式隨車起重機(jī)受力計(jì)算[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2011(7)：33-34.

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TH691.3 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1009-5624（2018）01-0015-03

石川（1984-），男，漢族，河南原陽縣人，碩士，工程師，研究方向：起重機(jī)械及風(fēng)電技術(shù)。