CN105334870A - 一种拉臂装置多目标机构优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种拉臂装置多目标机构优化方法，通过优化可以有效降低拉臂装置的系统压力，增加系统稳定性，减少液压件成本，降低结构负荷。可用于各吨位拉臂装置的总体设计过程，为拉臂的结构分布提供合理的解决方案；采用的技术方案为：对拉臂装置进行优化；通过静力学计算得到油缸压力值自卸初始工况、整装初始状态以及油缸最长状态下，代表相同铰接点的各设计变量坐标相对转动点位置保持一致，从而保证优化后各设计点的统一性；钩心设计变量在自卸初始工况、整装初始工况以及油缸最长状态下，优化时其竖直坐标保持不变，从而保证车厢的顺利安装；本发明可广泛应用于拉臂装置领域。

Description

一种拉臂装置多目标机构优化方法

技术领域

本发明一种拉臂装置多目标机构优化方法，属于拉臂装置技术领域。

背景技术

现有的拉臂装置存在液压系统的压力高，这给液压系统的稳定性和可靠性带来危害，整个拉臂装置的可靠性差。

发明内容

本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种拉臂装置多目标机构优化方法，通过优化可以有效降低拉臂装置的系统压力，增加系统稳定性，减少液压件成本，降低结构负荷。可用于各吨位拉臂装置的总体设计过程，为拉臂的结构分布提供合理的解决方案。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种拉臂装置多目标机构优化方法，按以下步骤执行：

第一步：以整装工况举升缸最大压力为主要目标函数，以自卸工况举升缸最大压力为从动目标，以转臂与副车架铰接点、举升臂与转臂铰接点、举升缸与举升臂铰接点、举升缸与副车架铰接点及钩心位置为设计变量，对拉臂装置进行优化；

第二步：确定自卸工况中，初始状态下其压力达到极值，同理，在整装工况下，油缸在初始状态下压力最大，以两工况下拉臂对应姿态进行设计变量初始值设定，通过静力学计算得到油缸压力值；

第三步：限定主要目标与从动目标在优化过程中保持差值在1MPa之内，保证两目标函数同时进行优化；

第四步：通过约束条件，限定2×油缸最短长度-油缸最长长度≥280mm，保证举升缸安装条件，限定自卸最大角度≥50°，确保垃圾倾倒大于安息角，同时保证在整装工况下，油缸伸至最长时与整装初始工况下的钩心竖直高度大于200mm，保证拉臂能够顺利钩取车厢；

第五步：自卸初始工况、整装初始状态以及油缸最长状态下，代表相同铰接点的各设计变量坐标相对转动点位置保持一致，从而保证优化后各设计点的统一性；

第六步：钩心设计变量在自卸初始工况、整装初始工况以及油缸最长状态下，优化时其竖直坐标保持不变，从而保证车厢的顺利安装；

第七步：优化过程通过ADAMS软件编程实现。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明是基于拉臂装置的具体使用要求而设计，经过有效的机构优化后，可有效减低液压系统的压力，增加液压系统的稳定性和可靠性，提高结构件的可靠性。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明拉臂自卸初始工况与整装初始工况参数点示意图。

图2为本发明中拉臂整装初始工况与油缸最长状态参数点示意图。

图3为本发明中自卸举升角约束条件示意图。

图4为本发明中6吨拉臂优化模型。

具体实施方式

本发明一种拉臂装置多目标机构优化方法，按以下步骤执行：

第一步：以整装工况举升缸最大压力为主要目标函数，以自卸工况举升缸最大压力为从动目标，以转臂与副车架铰接点、举升臂与转臂铰接点、举升缸与举升臂铰接点、举升缸与副车架铰接点及钩心位置为设计变量，对拉臂装置进行优化；

第二步：确定自卸工况中，初始状态下其压力达到极值，同理，在整装工况下，油缸在初始状态下压力最大，以两工况下拉臂对应姿态进行设计变量初始值设定，通过静力学计算得到油缸压力值；

第三步：限定主要目标与从动目标在优化过程中保持差值在1MPa之内，保证两目标函数同时进行优化；

第四步：通过约束条件，限定2×油缸最短长度-油缸最长长度≥280mm，保证举升缸安装条件，限定自卸最大角度≥50°，确保垃圾倾倒大于安息角，同时保证在整装工况下，油缸伸至最长时与整装初始工况下的钩心竖直高度大于200mm，保证拉臂能够顺利钩取车厢；

第五步：自卸初始工况、整装初始状态以及油缸最长状态下，代表相同铰接点的各设计变量坐标相对转动点位置保持一致，从而保证优化后各设计点的统一性；

第六步：钩心设计变量在自卸初始工况、整装初始工况以及油缸最长状态下，优化时其竖直坐标保持不变，从而保证车厢的顺利安装；

第七步：优化过程通过ADAMS软件编程实现。

1.设计变量选取

设计变量是优化计算的基本元素，ADAMS通过设计变量的变化取值，从而在迭代计算中得到最优解，在本模型中，设计变量为各部件连接点的坐标值。设计变量的定义及取值范围如表1、图1及图2所示。

表1设计变量表

由图1可知，R1为拉臂水平放置时的钩心点，此点与车厢参数密切相关，同时也是拉臂的初始参数，因此，R1为优化时的固定点，不包括任何设计变量。R2、R3的Y向坐标与车厢吊环高度密切相关(R3为油缸最大行程时的钩心位置，为了保证吊钩能够顺利与车厢接合，R2与R3的高度差应为200mm)，因此只存在X方向上的设计变量。拉臂优化模型共包含14个设计变量。

2.约束条件

为了在优化计算时满足一定的相关条件，使优化结果符合实际情况，需要在模型中添加约束函数，从而限定设计变量的取值范围。根据拉臂机构的实际工作情况，确定以下几点约束条件。

2.1几何约束

由于Q1、Q2、Q3代表同一位置(举升缸与举升臂连接点)，R1、R2、R3代表同一位置(钩心)，因此在优化计算中，将存在以下约束。

(1)L1＝L2＝L7

(2)角度A＝角度B＝角度C

(3)L3＝L4＝L6

通过上述约束条件，可以保证在优化时，Q1、Q2、Q3及R1、R2、R3代表同一位置。在ADAMS中，上述各约束函数式如下：

Funtion1＝ABS(DM(Q1，P2)-DM(Q2，P2))<1

Funtion2＝ABS(DM(Q1，P2)-DM(Q3，P2))<1

Funtion3＝ABS(Angle(R1，P2，Q1)-Angle(R2，P2，Q2))<0.1

Funtion4＝ABS(Angle(R1，P2，Q1)-Angle(R3，P2，Q3))<0.1

Funtion5＝ABS(DM(R1，P2)-DM(R2，P2))<1

Funtion6＝ABS(DM(R1，P2)-DM(R3，P2))<1

(注：DM为ADAMS中的距离函数)

2.2工作约束

(1)为保证举升油缸能够顺利安装，应有：

2×L5-L8≥280

(L5为油缸最短长度，L8为油缸最大长度)

在ADAMS中，保证油缸顺利安装的约束函数式如下：

Funtion7＝2×DM(P1，Q1)-DM(P1，Q3)≥280

(2)自卸举升角度应大于50°

由于模型中不存在自卸完成工况，因此不能直接建立自卸角的角度变量，需要进行转换，如图3所示。

通过分析图4可知，角度H即为自卸举升角，其中，角度G和E可以通过ADAMS进行角度函数的编写，从而有下式：

D+E+F＝180°F+G+H＝90°

则有：

H＝D+E-G-90°

而：

$D=\arccos \frac{L{10}^2+L{9}^2-L{8}^2}{2\&times;L10\&times;L9}$

上式中，L10为P1和Q4的距离；L9为Q1和Q4的距离；L8为油缸最大长度，参照图2可知，为P1和Q3的距离。这些距离均可通过DM函数进行编写。

2.3目标约束

在优化计算中，需要使自卸工况和整装工况的压力值同时达到最小，ADAMS默认针对一个目标值进行计算，因此应保证两工况的压力差应保持在一定范围内，设定差值为1MPa。在ADAMS中，可直接提取油缸受力，设自卸工况举升缸受力为F1，整装工况举升缸受力为F2，举升缸筒内径为D，活塞杆直径为d，则有：

$\left|\frac{2F1\&times;g}{{\mathrm{\&pi;D}}^2}-\frac{2F2\&times;g}{\mathrm{\&pi;}(D^2-D^2)}\right|\&le;1MPa$

2.4优化实例

以6吨拉臂装置优化计算为例

初始状态下，模型受力为6T，则举升缸受力分别为：自卸工况F1＝42551kg，整装工况F2＝28820kg，举升缸筒内径为110mm，活塞杆直径为50mm，则两工况下系统压力分别为：

$\begin{array}{cc}P1=\frac{2F1\&times;g}{{\mathrm{\&pi;D}}^2}=21.94MPa& P2=\frac{2F2\&times;g}{\mathrm{\&pi;}(D^2-d^2)}=19.18MPa\end{array}$

2.4.1模型搭建

建立自卸初始、整装初始以及伸缩缸最长时的拉臂状态，三种状态下的拉臂需要共用一些设计变量，为了使三工况模型不重合，自卸与整装工况的模型在Z方向上相差5000mm，建立完成的框架模型如图4所示。

将设计变量赋予框架模型中的关键点，6T拉臂的优化样机就此完成。

2.4.2优化结果

以整装工况油缸受力F2作为优化目标，对上述模型进行优化计算，单次分析采用静力学求解，通过迭代计算得到油缸受力最优值，优化后的各设计变量值如表2所示。

表26T拉臂装置设计变量优化值

设计变量	原坐标值	允许变化范围	优化值
				P1_X	-3410	0-+100	-3407.6
P1_Y	5	0-+15	5.974
				P2_X	-1335	-100-+100	-1295.4
P2_Y	-10	-5-+25	-3.7
				Q1_X	-1953	-100-+100	-1908.9
Q1_Y	116.5	-5-+15	126.3
				Q2_X	-768	-100-+100	-722.9
Q3_X	-734	-100-+100	-690.6

Q4_X	0	-10-+20	-8.304
				Q4_Y	0	-15-+15	8.846
R2_X	601	-200-+200	669.1
				R3_X	589	-200-+200	656.7

在采用优化值的基础上，重新对模型进行单次计算，得到举升油缸受力为：自卸工况F1＝38212kg，整装工况F2＝28824kg，则两工况下系统压力分别为：

$\begin{array}{cc}P1=\frac{2F1\&times;g}{{\mathrm{\&pi;D}}^2}=19.70MPa& P2=\frac{2F2\&times;g}{\mathrm{\&pi;}(D^2-d^2)}=18.73MPa\end{array}$

优化前后压力对比如表3所示。

表36T拉臂装置优化前后压力值对比

工况	优化前压力	优化后压力	压力变化	变化率
					自卸	21.94	19.70	2.24	10.21％
整装	19.18	18.73	0.45	2.34％

由上表中可知，通过优化计算，最大系统压力由之前的21.94MPa降低为19.70MPa，降低率为10.21％，而整装工况压力也相应减小。优化后，两工况压力差为0.97MPa，符合约束条件要求。

对优化后的设计点坐标进行验证，可知其自卸举升角及油缸安装距均符合约束条件要求。

针对其它吨位拉臂装置的优化工作，只需改变设计变量初始值以及载荷数值即可。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种拉臂装置多目标机构优化方法，其特征在于，按以下步骤执行：

第一步：以整装工况举升缸最大压力为主要目标函数，以自卸工况举升缸最大压力为从动目标，以转臂与副车架铰接点、举升臂与转臂铰接点、举升缸与举升臂铰接点、举升缸与副车架铰接点及钩心位置为设计变量，对拉臂装置进行优化；

第二步：确定自卸工况中，初始状态下其压力达到极值，同理，在整装工况下，油缸在初始状态下压力最大，以两工况下拉臂对应姿态进行设计变量初始值设定，通过静力学计算得到油缸压力值；

第三步：限定主要目标与从动目标在优化过程中保持差值在1MPa之内，保证两目标函数同时进行优化；

第四步：通过约束条件，限定2×油缸最短长度-油缸最长长度≥280mm，保证举升缸安装条件，限定自卸最大角度≥50°，确保垃圾倾倒大于安息角，同时保证在整装工况下，油缸伸至最长时与整装初始工况下的钩心竖直高度大于200mm，保证拉臂能够顺利钩取车厢；

第五步：自卸初始工况、整装初始状态以及油缸最长状态下，代表相同铰接点的各设计变量坐标相对转动点位置保持一致，从而保证优化后各设计点的统一性；

第六步：钩心设计变量在自卸初始工况、整装初始工况以及油缸最长状态下，优化时其竖直坐标保持不变，从而保证车厢的顺利安装；

第七步：优化过程通过ADAMS软件编程实现。