高空作業(yè)車臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究

關(guān)彩明

摘要：伸縮臂是汽車工作裝置的主要組成部分，它直接影響到汽車的作業(yè)性能。以臂架重量的最小化作為調(diào)整的最優(yōu)目標，以強度和剛度等相關(guān)條件作為約束條件，創(chuàng)建出調(diào)整后的數(shù)學(xué)模型，從而得出最理想的截面類型。研究調(diào)查顯示，經(jīng)調(diào)整后的臂架最大應(yīng)力、以及質(zhì)量等參數(shù)均有所降低，在增強臂架綜合性能指標的水平之上，完成了減輕自重的初步目標，期望能對作業(yè)車的臂架內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作帶來些許參考價值。

關(guān)鍵詞：高空作業(yè);結(jié)構(gòu)優(yōu)化;臂架

臂架的綜合性能將極大地影響到汽車的作業(yè)效率。伸縮臂的質(zhì)量在整個作業(yè)車的質(zhì)量中占有很大的比例。若目前吊臂存在重量過大的現(xiàn)象，則會進一步地影響工作效率的問題。所以，在保證工作強度以及工作剛度的基礎(chǔ)之下，要不斷地對臂架結(jié)構(gòu)進行調(diào)整與優(yōu)化，用以提高臂架的自身性能。并創(chuàng)建臂架的具體化數(shù)學(xué)模型，通過部分軟件實現(xiàn)對臂架截面的尺寸等參數(shù)進行調(diào)整與優(yōu)化。

一、高空作業(yè)車臂架結(jié)構(gòu)截面形式

對高空作業(yè)車臂架結(jié)構(gòu)的截面形式的優(yōu)化與調(diào)整是截面優(yōu)化的關(guān)鍵步驟，其可以在增強高空作業(yè)車臂架結(jié)構(gòu)的綜合能力的基礎(chǔ)之上，進一步地減小其臂架自身的質(zhì)量，最大程度上地節(jié)省所用原材料，降低作業(yè)成本。高空作業(yè)車臂架結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)如圖1所示，由圖可得，高空作業(yè)車的臂架橫截面的主要形式為矩形，其中，m、n分別為上、下蓋板的厚度大小，L為作業(yè)車臂架的上下蓋板寬度的大小，t為蓋板的厚度大小，H則為蓋板的高度大小，此五類信息為高空作業(yè)車臂架結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)。

二、高空作業(yè)車臂架結(jié)構(gòu)的有限元類分析

優(yōu)化前，必須對臂架進行有限元分析。在DM模塊中創(chuàng)建了臂架結(jié)構(gòu)的具體化數(shù)學(xué)模型[1]。起重機的最大的工作載荷施加在臂座的上端面之中。其方向是Y軸的負方向。在臂架側(cè)面施加120帕的風(fēng)荷載，在臂架上施加等效重量的筒體、管道等部件。u，ur的平移自由度。U2和旋轉(zhuǎn)的兩個方向。轉(zhuǎn)子被約束在氣缸和基本臂的鉸鏈連接處，并釋放其繞Z軸的轉(zhuǎn)動方向的自由度。并且在其他關(guān)節(jié)處增添相同的約束條件，通過靜力分析得到相對應(yīng)的應(yīng)力云圖以及應(yīng)變云圖。

三、高空作業(yè)車臂架結(jié)構(gòu)的調(diào)整與優(yōu)化

（一）敏感度響應(yīng)分析

在實際中完成實驗設(shè)計法時會顯示二十七個調(diào)整后的樣本，其調(diào)整的主要程序包括：開始→建立模型→靜力分析→實驗點設(shè)計→敏感度分析→最優(yōu)化設(shè)計→是否達到研究目的→是→結(jié)論。若選用以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的分析系統(tǒng)進行調(diào)整與優(yōu)化，則可以獲得相對應(yīng)的響應(yīng)曲面。經(jīng)研究可知，對吊臂的最大應(yīng)力產(chǎn)生影響最大的是腹板的高度以及蓋板的寬度。對吊臂的重量參數(shù)產(chǎn)生影響最大的是蓋板的寬度，對吊臂的最大形變產(chǎn)生影響最大的是腹板的高度。

（二）以遺傳算法為基礎(chǔ)的多方位調(diào)整方法分析

采用以遺傳算法為基礎(chǔ)的多方位調(diào)整方法進行實際的調(diào)整工作。以遺傳算法為基礎(chǔ)的多方位調(diào)整方法是在概率統(tǒng)計算法基礎(chǔ)之上的一種搜索方法，其對于離散變量的調(diào)整與計算具有較高的適用度[2]。在此基礎(chǔ)上，選擇多目標的遺傳算法進行實際的調(diào)整，則會獲得若干組待選點。在針對各個待選點進行實際比較之后，選擇最優(yōu)化的目標，將設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)入至其中，并更新算法結(jié)果。則可得出其在進行調(diào)整前后的質(zhì)量、等效應(yīng)力的具體優(yōu)化程度。由研究調(diào)查得，吊臂最大的效力為六十三兆帕，其在原有的基礎(chǔ)上減小了十一兆帕，具體優(yōu)化的比例為百分之十五。最大變形量為十五毫米，其在原有的基礎(chǔ)上減小了零點五毫米，具體優(yōu)化的比例為百分之三。吊臂最大重量為為五百一十千克，其在原有的基礎(chǔ)上減小了五十千克，具體優(yōu)化的比例為百分之九。

四、功能實現(xiàn)

（一）工作平臺的自動調(diào)整

根據(jù)作業(yè)平臺的內(nèi)置角度的傳感器來調(diào)平工作平臺，作業(yè)平臺的傾斜角度是實時進行測量的，然后將其輸入到調(diào)頻控制器當中。接下來再依據(jù)傾斜角度來控制調(diào)平控制器的調(diào)平比例閥動作，使得平臺恢復(fù)到正常的水平狀態(tài)，然后采用閉環(huán)控制來進行調(diào)平[3]。

為了能夠使得作業(yè)平臺的安全性得到保障，調(diào)平控制裝置的安全性措施有以下幾個方面。

（1）調(diào)頻控制器有自己的規(guī)定時間，嗯，比如說每隔20ms就會通過CAN通訊，給主控制器傳達狀態(tài)信息，在規(guī)定的時間之內(nèi)，如果主控制器沒有接受調(diào)頻控制器的狀態(tài)信息，那么主控制器將會把所有的動作自動斷開，蜂鳴器發(fā)出聲音，報警燈閃爍，一直到恢復(fù)到正常狀態(tài)。

（2）主控制器也會有自己的規(guī)定時間，比如說在每隔20ms就會得到傾斜的角度的數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)是由調(diào)頻控制器測量到的。一旦傾斜的角度小于-10度或者是大于+10度時，那么主控制器將會把所有的動作都斷開，蜂鳴器會發(fā)出聲響，報警燈也會閃爍，一直到恢復(fù)到正常狀態(tài)[4]。

（3）調(diào)平比例閥也有自己的機械操作手柄，在出現(xiàn)危急情況時，可以用手動來調(diào)平操作。

（二）安全保護

1）動作互鎖

支腿沒有得到支撐前，臂會處于一個鎖定的狀態(tài)，支腿得到支撐之后，自動會把臂的鎖定解除，如果臂一旦遠離臂的支架，那么支腿就會自己處在一個鎖定的情形，然后就不能在進行操作了，在完成工作之后，臂支架的臂就會自動回縮，然后支腿的鎖定也會自己解除掉，接下來在完成支腿的操作。在特殊的情況下，會設(shè)置一個解鎖的開關(guān)[5]。

2）防傾倒保護

因為車輛其自身的工作區(qū)域較大，其在進行實際操作之前必須要完成對安全作業(yè)范圍的劃定工作，并且精確地求出具體范圍，從而避免在車輛在進行實際作業(yè)過程中出現(xiàn)傾倒的問題?？梢岳肞LC技術(shù)進行程序控制，當技術(shù)工作人員進行有可能發(fā)生傾倒的操作時，對此動作進行拒絕響應(yīng)，并且及時提醒操作人員此安全隱患問題，在操作人員完成降低安全隱患系數(shù)的操作時，完成響應(yīng)操作，此時，可以確保傾倒問題盡可能小幾率的發(fā)生，從而進一步地避免操作人員發(fā)生誤觸等操作失誤的問題。

結(jié)語：本篇文章是根據(jù)復(fù)雜混合臂架結(jié)構(gòu)高空作業(yè)車的一些特點，比如說：處理量很大、數(shù)據(jù)信息采集很多以及邏輯關(guān)系很復(fù)雜的特點。根據(jù)這種提出了一種控制系統(tǒng)的設(shè)計形式，這種形式是以CAN-BUS控制總線以及智能控制系統(tǒng)為基本，讓作業(yè)平臺的動作更加的靈敏、平穩(wěn)，讓作業(yè)平臺的運動軌跡以及工作狀態(tài)都實現(xiàn)了智能化的控制，使得作業(yè)效率有了更明顯的提高，并且還保障了作業(yè)的可靠性以及安全性，給和他相似的車輛，特別是給復(fù)雜結(jié)構(gòu)高空作業(yè)車的開發(fā)提供了很好的借鑒。

參考文獻

[1]劉志，紀愛敏，張磊，王豪，趙仲航.剪叉式高空作業(yè)平臺上車液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究[J].機電工程，2020，37（06）：600-606.

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[3]李前進，張勝利，王志勇，姜文光.高空作業(yè)車臂架輕量化設(shè)計與改進[J].建筑機械化，2019，40（03）：21-23.

[4]夏林焱. 高空作業(yè)車臂架優(yōu)化設(shè)計及多體動力學(xué)分析[D].中南林業(yè)科技大學(xué)，2018.

[5]李向良. 折疊式高空作業(yè)車臂架結(jié)構(gòu)仿真分析與優(yōu)化設(shè)計[D].河北工程大學(xué)，2018.